DE102012102122A1

DE102012102122A1 - Flächenlichtquelle

Info

Publication number: DE102012102122A1
Application number: DE102012102122A
Authority: DE
Inventors: Matthias Sabathil; Norwin von Malm
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-09-19
Also published as: WO2013135435A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Flächenlichtquelle (1) einen optoelektronischen Halbleiterchip (2) zur Erzeugung einer Primärstrahlung (P) und einen Strahlungsextraktor (3), der dem Halbleiterchip (2) entlang einer Hauptabstrahlrichtung (x) nachgeordnet ist. Ein organisches Konversionsmittel (5) der Flächenlichtquelle (1) ist zur teilweisen oder vollständigen Umwandlung der Primärstrahlung (P) in eine hiervon verschiedene Sekundärstrahlung (S) eingerichtet. Dem Strahlungsextraktor (3) ist ein als Festkörper geformter, strahlungsdurchlässiger Lichtverteiler (4) optisch nachgeordnet. Der Strahlungsextraktor (3) befindet sich in einer Ausnehmung (43) in dem Lichtverteiler (4) und zwischen dem Lichtverteiler (4) und dem Strahlungsextraktor (3) befindet sich mindestens ein gasgefüllter oder evakuierter Trennspalt (6).

Description

Es wird eine Flächenlichtquelle angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine effizient und preiswert herzustellende Flächenlichtquelle anzugeben, die geeignet ist, warmweißes Licht zu emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Flächenlichtquelle einen oder mehrere optoelektronische Halbleiterchips. Der mindestens eine Halbleiterchip ist zur Erzeugung einer Primärstrahlung eingerichtet. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich bevorzugt um eine anorganische Leuchtdiode. Insbesondere emittiert der Halbleiterchip im Betrieb ultraviolette Strahlung oder blaues Licht. Umfasst die Flächenlichtquelle mehrere zur Strahlungsemission eingerichtete Halbleiterchips, so können alle Halbleiterchips baugleich oder auch voneinander verschieden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Flächenlichtquelle einen oder mehrere Strahlungsextraktoren. Der mindestens eine Strahlungsextraktor ist dem Halbleiterchip entlang einer Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips nachgeordnet. Insbesondere ist der Strahlungsextraktor mindestens über einer Strahlungshauptseite des Halbleiterchips angebracht. Bevorzugt ist der Strahlungsextraktor einstückig ausgeführt. Bei dem Strahlungsextraktor handelt es sich bevorzugt nicht um ein optisch abbildendes System wie eine Sammellinse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Flächenlichtquelle eines oder mehrere organische Konversionsmittel. Das mindestens eine Konversionsmittel ist zu einer vollständigen oder einer teilweisen Umwandlung der Primärstrahlung, die von dem Halbleiterchip erzeugt ist, in eine hiervon verschiedene Sekundärstrahlung eingerichtet. Die Sekundärstrahlung weist bevorzugt eine größere Wellenlänge auf als die Primärstrahlung. Organische Konversionsmittel sind zum Beispiel in der Druckschrift DE 10 2008 057 720 A1 angegeben, deren Offenbarungsgehalt durch Rückbezug aufgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet die Flächenlichtquelle einen oder mehrere Lichtverteiler. Bei dem mindestens einen Lichtverteiler handelt es sich bevorzugt um einen Festkörper, wobei der Lichtverteiler auch ein Gas wie Luft sein kann. Es ist der Lichtverteiler durchlässig für die Sekundärstrahlung und bevorzugt für die Primärstrahlung. Der Lichtverteiler ist dem Strahlungsextraktor optisch nachgeordnet. Optisch nachgeordnet kann bedeuten, dass im Wesentlichen die gesamte den Strahlungsextraktor durchlaufende Strahlung zu dem Lichtverteiler gelangt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Strahlungsextraktor in einer Ausnehmung in dem Lichtverteiler angeordnet. Die Ausnehmung weist bevorzugt dieselbe Grundform auf wie der Strahlungsextraktor. Insbesondere ist die Ausnehmung als Negativform zu dem Strahlungsextraktor geformt, wobei die Ausnehmung bevorzugt größer gestaltet ist als der Strahlungsextraktor. Insbesondere ist der Strahlungsextraktor an allen Hauptflächen von dem Lichtverteiler umgeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen dem Lichtverteiler und dem Strahlungsextraktor ein Trennspalt. Bei dem Trennspalt handelt es sich um einen gasgefüllten oder um einen evakuierten Spalt. Insbesondere ist der Trennspalt frei von einer Flüssigkeit oder von einem Festkörper. Eine Breite des Trennspalts beträgt bevorzugt mindestens 0,1 mm oder mindestens 0,2 mm oder mindestens 0,3 mm. Alternativ oder zusätzlich weist der Trennspalt eine Breite von höchstens 1,0 mm oder von höchstens 0,6 mm oder von höchstens 0,4 mm auf. Die Breite des Trennspalts übersteigt eine Wellenlänge der Sekundärstrahlung und der Primärstrahlung bevorzugt um ein Vielfaches.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Flächenlichtquelle mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip zur Erzeugung einer Primärstrahlung und mindestens einen Strahlungsextraktor, der dem Halbleiterchip entlang einer Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet ist. Ein organisches Konversionsmittel der Flächenlichtquelle ist zur teilweisen oder vollständigen Umwandlung der Primärstrahlung in eine hiervon verschiedene Sekundärstrahlung eingerichtet. Dem Strahlungsextraktor ist ein bevorzugt als Festkörper geformter, strahlungsdurchlässiger Lichtverteiler optisch nachgeordnet. Der Strahlungsextraktor befindet sich in einer Ausnehmung in dem Lichtverteiler und zwischen dem Lichtverteiler und dem Strahlungsextraktor befindet sich mindestens ein gasgefüllter oder evakuierter Trennspalt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Flächenlichtquelle ist das organische Konversionsmittel thermisch von dem Halbleiterchip isoliert. Dies kann bedeuten, dass im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Flächenlichtquelle die maximale Temperatur des organischen Konversionsmittels höchstens 60 °C oder höchstens 50 °C beträgt. Mit anderen Worten ist im Betrieb der Flächenlichtquelle eine Temperatur des organischen Konversionsmittels deutlich geringer als eine Temperatur des optoelektronischen Halbleiterchips.
Dadurch, dass das organische Konversionsmittel thermisch von dem optoelektronischen Halbleiterchip isoliert ist, ist eine Betriebslebensdauer des organischen Konversionsmittels erhöhbar. Hierdurch sind organische Konversionsmittel, die insbesondere im gelben bis roten Spektralbereich eine im Vergleich zu anorganischen Konversionsmitteln höhere Effizienz aufweisen und oft kostengünstiger sind, einsetzbar. Zudem verfügen diese oft über ein schmalbandigeres Emissionsspektrum.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Flächenlichtquelle ist eine Intensität der Primärstrahlung an dem organischen Konversionsmittel, im Vergleich zur Intensität der Primärstrahlung an der Strahlungshauptseite, um mindestens einen Faktor 10 oder um mindestens einen Faktor 50 oder um mindestens einen Faktor 100 reduziert. Mit anderen Worten kann eine von der Primärstrahlung beleuchtete Fläche des organischen Konversionsmittels um mindestens die genannten Faktoren größer sein als die Strahlungshauptseite des Halbleiterchips. Auch hierdurch ist eine Lebensdauer des organischen Konversionsmittels steigerbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Flächenlichtquelle ist diese dazu eingerichtet, im Betrieb warmweißes Licht zu emittieren. Weißes Licht kann bedeuten, dass ein Abstand eines Farborts der von der Flächenlichtquelle emittierten Strahlung zu der Planck-Kurve in der CIE-Normfarbtafel höchstens 0,02 Einheiten oder höchstens 0,01 Einheiten beträgt. Warmweiß kann bedeuten, dass eine Farbtemperatur oder eine korrelierte Farbtemperatur der von der Flächenlichtquelle emittierten Strahlung höchstens 4000 K oder höchstens 3500 K oder höchstens 2700 K beträgt.
Eine weitere Möglichkeit, warmweißes Licht zu erzeugen, besteht darin, anorganische Konversionsmittel oder Mischungen aus anorganischen Konversionsmitteln zu verwenden und diese auf eine blaue Strahlung oder ultraviolette Strahlung emittierende Leuchtdiode aufzubringen. Solche anorganischen Konversionsmittel zur Erzeugung von warmweißem Licht sind allerdings teuer, weisen eine vergleichsweise geringe Effizienz auf und unterliegen einer Alterung. Bei Mischungen von anorganischen Konversionsmitteln können die einzelnen Komponenten der Mischung zudem unterschiedlich altern.
Des weiteren besteht eine Möglichkeit zur Erzeugung von warmweißem Licht darin, verschiedenfarbig emittierende Leuchtdioden zu kombinieren und deren Strahlung optisch zu mischen, beispielsweise eine rot emittierende Leuchtdiode mit einer grün emittierenden und mit einer blau emittierenden. Verschiedenfarbig emittierende Leuchtdioden weisen allerdings eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit hinsichtlich ihrer Effizienz auf und bedürfen daher oft einer aktiven Regelung. Weiterhin ist eine Mischung des Lichts der verschiedenfarbig emittierenden Leuchtdioden mit vergleichsweise großen optischen Verlusten verbunden. Da Leuchtdioden zudem ein vergleichsweise schmales Emissionsspektrum aufweisen, ist ein Farbwiedergabeindex einer solchen Lichtquelle oft nur gering.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Strahlungsextraktor um einen Polyeder. Mit anderen Worten weist der Strahlungsextraktor dann, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, ausschließlich planare Begrenzungsflächen auf, die an Kanten aneinanderstoßen. Der Strahlungsextraktor ist insbesondere nicht als Linse geformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Strahlungsextraktor eine Querschnittsfläche auf, die eine dreieckige Grundform aufzeigt. Beispielsweise ist der Strahlungsextraktor dann pyramidenförmig oder in Form eines Prismas gestaltet. Die Querschnittsfläche wird insbesondere bestimmt in einer Ebene senkrecht zu der Strahlungshauptseite des optoelektronischen Halbleiterchips. In einer weiteren Schnittebene, senkrecht zu der Querschnittsfläche und senkrecht zu der Strahlungshauptseite, ist es möglich, dass der Strahlungsextraktor eine dreieckige, eine rechteckförmige oder eine trapezförmige Grundform aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt eine Breite des Strahlungsextraktors entlang der Hauptabstrahlrichtung, also insbesondere in eine Richtung senkrecht zu der Strahlungshauptseite des Halbleiterchips, ab. Insbesondere nimmt die Breite entlang der Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips monoton oder streng monoton ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Höhe des Strahlungsextraktors, entlang der Hauptabstrahlrichtung, größer als eine maximale Breite der Querschnittsfläche mit der dreieckigen Grundform. Insbesondere übersteigt die Höhe diese maximale Breite um mindestens einen Faktor 1,5 oder um mindestens einen Faktor 2,5.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Strahlungsextraktor ein Matrixmaterial und darin eingebettete Streupartikel auf. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich beispielsweise um ein Silikon oder um ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial. Die Streupartikel sind beispielsweise aus einem für die Primärstrahlung und/oder Sekundärstrahlung durchlässigen oder reflektierenden Material geformt. Die Streupartikel sind beispielsweise aus Titandioxid oder aus Aluminiumoxid hergestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Lichtverteiler eine Querschnittsfläche mit einer trapezförmigen Grundform auf. Die trapezförmige Querschnittsfläche oder Umrissfläche des Lichtverteilers wird bevorzugt in derselben Schnittebene bestimmt wie die dreieckige Querschnittsfläche oder Grundform des Strahlungsextraktors. In die Querschnittsfläche des Lichtverteilers kann die insbesondere dreieckförmige Ausnehmung mit dem Strahlungsextraktor geformt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Flächenlichtquelle befindet sich der Trennspalt zwischen dem organischen Konversionsmittel und dem Strahlungsextraktor. Insbesondere befindet sich dann der Trennspalt zwischen dem organischen Konversionsmittel und dem Halbleiterchip. Durch den Trennspalt ist ein hoher thermischer Widerstand zwischen dem Halbleiterchip und dem organischen Konversionsmittel erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich das organische Konversionsmittel zwischen dem Trennspalt und einem Zwischenspalt. Bei dem Zwischenspalt handelt es sich um einen gasgefüllten oder evakuierten Spalt. Das organische Konversionsmittel kann unmittelbar an den Zwischenspalt und unmittelbar an den Trennspalt grenzen. Der Trennspalt befindet sich insbesondere an Hauptseiten des organischen Konversionsmittels, die dem Strahlungsextraktor zugewandt sind. Der Zwischenspalt befindet sich bevorzugt an Hauptseiten des organischen Konversionsmittels, die dem Lichtverteiler zugewandt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der Zwischenspalt teilweise oder vollständig zwischen dem organischen Konversionsmittel und dem Lichtverteiler. Durch den Zwischenspalt ist an einer dem organischen Konversionsmittel zugewandten Grenzfläche des Lichtverteilers ein vergleichsweise großer Sprung im optischen Brechungsindex erzielbar. Hierdurch ist eine gleichmäßigere Lichtverteilung in dem Lichtverteiler erreichbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das organische Konversionsmittel teilweise oder vollständige an einer dem Strahlungsextraktor zugewandten Lichteintrittsfläche des Lichtverteilers angeordnet. Die Lichteintrittsfläche kann durch eine oder mehrere Hauptflächen der Ausnehmung, in der sich der Strahlungsextraktor befindet, gebildet sein. Insbesondere ist die gesamte Lichteintrittsfläche von dem organischen Konversionsmittel bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das organische Konversionsmittel zum Teil oder in Gänze auf einer dem Strahlungsextraktor abgewandten Lichtaustrittsfläche des Lichtverteilers angeordnet. Die Lichtaustrittsfläche kann eben und planar geformt sein. Es ist möglich, dass dem organischen Konversionsmittel eine Schutzschicht nachgeordnet ist. Die Schutzschicht befindet sich dann auf einer dem Lichtverteiler abgewandten Hauptfläche des organischen Konversionsmittels.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das organische Konversionsmittel teilweise oder vollständig in dem Lichtverteiler eingebettet. Beispielsweise weist der Lichtverteiler dann ein Matrixmaterial auf, bei dem es sich um einen Kunststoff handeln kann. In dieses Matrixmaterial ist dann das Konversionsmittel eingemischt oder gelöst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Flächenlichtquelle ist das organische Konversionsmittel zum Teil oder vollständig auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Strahlungsextraktors angeordnet. Die Strahlungsaustrittsfläche ist insbesondere eine Begrenzungsfläche des Strahlungsextraktors, die dem optoelektronischen Halbleiterchip abgewandt ist und die bevorzugt an den Trennspalt grenzt. Die Strahlungsaustrittsfläche kann vollständig von dem organischen Konversionsmittel bedeckt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das organische Konversionsmittel teilweise oder vollständig in das Matrixmaterial des Strahlungsextraktors eingebettet. Es befindet sich dann das organische Konversionsmittel also mindestens zum Teil innerhalb des Strahlungsextraktors.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Flächenlichtquelle einen oder mehrere Reflektoren. Der mindestens eine Reflektor befindet sich bevorzugt an dem Strahlungsextraktor abgewandten Seitenflächen des Lichtverteilers. Bei dem Reflektor kann es sich um eine Beschichtung der Seitenflächen handeln. Ebenso ist es möglich, dass der Reflektor als eine Metallwanne geformt ist, an die der Lichtverteiler bei der Herstellung angeformt wird.
Ist der Reflektor aus einem Metall gefertigt oder umfasst eine metallische Spiegelschicht, so ist es möglich, dass sich zwischen den Seitenflächen des Lichtverteilers und dem Reflektor ein Spalt befindet, der zu einer Totalreflexion von in den Lichtverteiler geführter Strahlung eingerichtet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das organische Konversionsmittel teilweise oder vollständig an dem Reflektor und/oder an den Seitenflächen des Lichtverteilers angebracht. Das organische Konversionsmittel kann den Reflektor und/oder die Seitenflächen vollständig oder zum Teil bedecken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet die Flächenlichtquelle einen Kühlkörper. Der Halbleiterchip ist bevorzugt auf einer Kühlkörperoberseite des Kühlkörpers angebracht. Eine laterale Ausdehnung des Kühlkörpers kann laterale Ausdehnungen des Halbleiterchips übersteigen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das organische Konversionsmittel teilweise oder vollständig auf der Kühlkörperoberseite angebracht. In diesem Fall liegt zwischen dem organischen Konversionsmittel und dem Halbleiterchip bevorzugt der Trennspalt und/oder der Strahlungsextraktor. Mit anderen Worten ist dann das organische Konversionsmittel von dem Halbleiterchip thermisch durch den Trennspalt und/oder den Strahlungsextraktor isoliert. Es ist möglich, dass der Kühlkörper Strukturierungen, Teilabschnitte und/oder Einschnürungen aufweist, um innerhalb des Kühlkörpers einen Wärmetransfer von dem Halbleiterchip direkt zu dem Konversionsmittel einzuschränken oder zu unterbinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Reflektor thermisch mit dem Kühlkörper verbunden. Es trägt dann der Reflektor bevorzugt auch zu einer Kühlung der Flächenlichtquelle bei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das organische Konversionsmittel als Schicht aufgebracht, beispielsweise an dem Kühlkörper, an dem Strahlungsextraktor und/oder an dem Lichtverteiler.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das organische Konversionsmittel in einem Volumen verteilt, insbesondere in dem Lichtverteiler und/oder in dem Strahlungsextraktor. Die Konzentration des Konversionsmittels in diesem Volumen kann hierbei konstant sein oder auch variieren.
Hierbei kann eine effektive Schichtdicke konstant und homogen oder inhomogen und variierend ausgestaltet sein. Die effektive Schichtdicke ist insbesondere ein Integral über die geometrische Dicke mal einer Konzentration des organischen Konversionsmittels. Die effektive Schichtdicke kann einer optischen Dichte der Schicht mit dem Konversionsmittel für die Primärstrahlung entsprechen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Flächenlichtquelle nimmt die effektive Schichtdicke und/oder die Konzentration des organischen Konversionsmittels in einer Richtung weg von dem Halbleiterchip ab. Beispielsweise verringert sich die effektive Schichtdicke entlang der Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips und/oder entlang einer lateralen Richtung parallel zu der Strahlungshauptseite des Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Flächenlichtquelle ist die Lichtaustrittsfläche und/oder die Lichteintrittsfläche des Lichtverteilers mit einer Aufrauung versehen. Die Aufrauung ist bevorzugt zu einer Streuung der Sekundärstrahlung und/oder der Primärstrahlung eingerichtet. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Strahlungsaustrittsseite des Strahlungsextraktors mit einer solchen Aufrauung versehen sein. Ebenso ist es möglich, dass das organische Konversionsmittel eine Aufrauung aufweist oder Partikel zu einer Streuung der Primärstrahlung und/oder der Sekundärstrahlung umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Strahlungsextraktor an den Halbleiterchip angeformt. Es können sich also der Halbleiterchip und der Strahlungsextraktor berühren, mindestens oder ausschließlich an der Strahlungshauptseite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Flankenwinkel des Strahlungsextraktors bei mindestens 70° oder bei mindestens 75° oder bei mindestens 80°. Alternativ oder zusätzlich beträgt der Flankenwinkel höchstens 88° oder höchstens 85° oder höchstens 82°. Der Flankenwinkel ist insbesondere ein Winkel zwischen der Strahlungshauptseite des Halbleiterchips und der Strahlungsaustrittsseite des Strahlungsextraktors. Der Winkel wird bevorzugt in der Schnittebene bestimmt, in der der Strahlungsextraktor eine dreieckige Grundform aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Flankenwinkel des Lichtverteilers bei mindestens 5° oder bei mindestens 8° oder bei mindestens 10°. Alternativ oder zusätzlich beträgt der Flankenwinkel des Lichtverteilers höchstens 20° oder höchstens 16° oder höchstens 14°. Der Flankenwinkel ist bevorzugt ein Winkel zwischen einer durch die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips definierten Ebene und den Seitenflächen des Lichtverteilers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Flächenlichtquelle eine geometrische Dicke von mindestens 4 mm oder von mindestens 5 mm oder von mindestens 6 mm auf. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dicke des Flächenlichtleiters höchstens 25 mm oder höchstens 16 mm oder höchstens 12 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Quotient aus einer mittleren lateralen Ausdehnung des Flächenlichtleiters und der Dicke des Flächenlichtleiters mindestens 7 oder mindestens 10. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Quotient bei höchstens 25 oder bei höchstens 20.
Derartige Flächenlichtquellen sind beispielsweise als Deckenleuchten in der Allgemeinbeleuchtung einsetzbar. Ebenso können solche Flächenlichtquellen zur Hinterleuchtung von Anzeigeeinrichtungen wie Displays oder Reklamewänden eingesetzt werden.
Nachfolgend wird eine hier beschriebene Flächenlichtquelle unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 bis 13 schematisch Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Flächenlichtquellen.
In 1 ist in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Flächenlichtquelle 1 gezeigt. Auf einer Kühlkörperoberseite 90 eines Kühlkörpers 9 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip 2 in Form einer Leuchtdiode angebracht. Der Halbleiterchip 2 emittiert im Betrieb der Flächenlichtquelle 1 eine Primärstrahlung P, insbesondere blaues Licht.
Dem Halbleiterchip 2 ist entlang einer Hauptabstrahlrichtung x, die senkrecht zu einer Strahlungshauptseite 20 des Halbleiterchips 2 orientiert ist, ein Strahlungsextraktor 3 nachgeordnet. Der Strahlungsextraktor 3 weist im Querschnitt gesehen eine Grundfläche auf, die die Form eines gleichschenkligen Dreiecks hat. Der Strahlungsextraktor 3 umfasst ein strahlungsdurchlässiges Matrixmaterial, etwa ein Silikon, in das Streupartikel eingebettet sind. An Strahlungsaustrittsflächen 35 wird die Primärstrahlung P bevorzugt gleichmäßig emittiert. Es können die Strahlungsaustrittsflächen 35 Lambert'sche Strahler bezüglich der Primärstrahlung P sein.
Ferner umfasst die Flächenlichtquelle 1 einen Lichtverteiler 4. Der Lichtverteiler 4 weist, im Querschnitt gesehen, eine trapezförmige Grundform auf. In dem Lichtverteiler 4 befindet sich eine dreieckförmige Ausnehmung 43. In der Ausnehmung 43 befindet sich der Strahlungsextraktor 3 sowie der Halbleiterchip 2. Die Ausnehmung 43 wird begrenzt von Strahlungseintrittsflächen 40, die dem Strahlungsextraktor 3 zugewandt sind. An einer Lichtaustrittsfläche 45 wird eine Mischstrahlung emittiert. Die Lichtaustrittsfläche 45 des Lichtverteilers 4 stellt auch eine Abstrahlfläche der gesamten Flächenlichtquelle 1 dar.
An den Lichteintrittsflächen 40 ist ein organisches Konversionsmittel 5 angebracht. Das Konversionsmittel 5 ist als Schicht mit einer gleichmäßigen Dicke und mit einer gleichmäßigen Konzentration eines organischen Leuchtstoffs gebildet. Eine mittlere Dicke des Konversionsmittels 5 liegt zum Beispiel zwischen einschließlich 0,1 mm und 0,5 mm. Das Konversionsmittel 5 ist von dem Halbleiterchip 2 thermisch separiert und dazu eingerichtet, einen Teil der Primärstrahlung P zu absorbieren und in eine hiervon verschiedene Sekundärstrahlung S umzuwandeln. Die Sekundärstrahlung S und die Primärstrahlung P sind in den Figuren durch Pfeil-Linien symbolisiert.
Zwischen dem Strahlungsextraktor 3 und dem organischen Konversionsmittel 5 befindet sich ein Trennspalt 6. Beispielsweise ist der Trennspalt 6 mit Luft gefüllt. Insbesondere durch den Trennspalt 6 ist eine thermische Trennung des Konversionsmittels 5 von dem Halbleiterchip 2 erreicht. Beispielsweise liegt eine Temperatur im bestimmungsgemäßen Betrieb der Flächenlichtquelle 1 an der Strahlungshauptseite 20 bei ungefähr 80 °C und an dem organischen Konversionsmittel 5 bei ungefähr 60 °C. Eine der Kühlkörperoberseite 90 gegenüberliegende Rückseite des Kühlkörpers 9 weist im Betrieb beispielsweise eine Temperatur von ungefähr 50 °C bis 60 °C auf.
Eine Höhe H des Strahlungsextraktors 3, entlang der Hauptabstrahlrichtung x, liegt zum Beispiel bei ungefähr 6 mm. Eine Breite B des Strahlungsextraktors 3 beträgt beispielsweise ungefähr 2 mm. Ein Flankenwinkel α zwischen der Strahlungsaustrittsfläche 35 und der Strahlungshauptseite 20 beträgt ungefähr 80°.
Der Lichtverteiler 4 sowie die gesamte Flächenlichtquelle 1 weisen entlang einer lateralen Richtung y, senkrecht zu der Hauptabstrahlrichtung x, eine mittlere Ausdehnung L von beispielsweise 3 cm bis 60 cm oder von 10 cm bis 15 cm auf. Eine Dicke D der Flächenlichtquelle 1 beträgt ungefähr 10 mm. Ein Flankenwinkel β zwischen der Kühlkörperoberseite 90 und Seitenflächen 48 des Lichtverteilers 4 liegt bei zirka 12°.
Eine Breite des Trennspalts 6 beträgt bevorzugt einige Zehntel Millimeter. Der Trennspalt reicht bis zu dem Kühlkörper 9, ebenso wie das organische Konversionsmittel 5.
Anders als dargestellt ist es auch möglich, dass der Strahlungsextraktor 3 den Halbleiterchip 2 nicht berührt, sondern beabstandet von dem Halbleiterchip 2 angeordnet ist. Lateral neben dem Halbleiterchip 2 kann sich dann beispielsweise ein Reflexionsmittel befinden, in den Figuren nicht gezeichnet. Der Halbleiterchip 2 kann bei der Herstellung von einem Material für den Strahlungsextraktor 3 umgossen werden oder es kann der Strahlungsextraktor 3 auf dem Halbleiterchip 2 aufgeklebt sein.
Ebenso kann der Strahlungsextraktor 3 auf den Halbleiterchip 2 mechanisch aufgepresst sein, symbolisiert durch Pfeile, siehe 13A. Hierbei kann sich ein Verbindungsmittel 49, zum Beispiel ein Silikon, um den Halbleiterchip 2 herum befinden. Bei dem Aufpressen ist es möglich, dass das Verbindungsmittel 49 und/oder der Strahlungsextraktor 3 mechanisch verformt werden.
Gemäß 13B befindet sich zwischen dem Strahlungsextraktor 3 und dem Halbleiterchip 2 ein Luftspalt. Der Halbleiterchip 2 ist in einer Ausnehmung an einer dem Halbleiterchip 2 zugewandten Unterseite des Strahlungsextraktors 2 angeordnet. Optional ist dem Halbleiterchip 2 eine Linse 32 nachgeordnet. Die Formen der Linse 32 und der Ausnehmung können aneinander angepasst sein. Zur Vereinfachung der Darstellung sind insbesondere der Lichtverteiler und das Konversionsmittel in den 13A, 13B nicht gezeichnet.
Beim Ausführungsbeispiel der Flächenlichtquelle 1 gemäß 2 sind dem organischen Konversionsmittel 5 Streupartikel beigegeben. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Lichteintrittsfläche 40, die Lichtaustrittsfläche 45 und/oder die Strahlungsaustrittsfläche 35 mit Aufrauungen versehen sind.
Optional ist, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, an den Seitenflächen 48 des Lichtverteilers 4 ein Reflektor 8 angebracht. Bei dem Reflektor 8 kann es sich um eine Metallwanne oder um eine reflektierende Beschichtung handeln. Anders als dargestellt ist es möglich, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, dass sich zwischen dem Reflektor 8 und dem Lichtverteiler 4 ein Luftspalt befindet.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 befindet sich an einer dem Lichtverteiler 4 zugewandten Seite des organischen Konversionsmittels 5 ein Zwischenspalt 7, der beispielsweise luftgefüllt ist. Das organische Konversionsmittel 5 grenzt unmittelbar an den Trennspalt 6 sowie an den Zwischenspalt 7.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das organische Konversionsmittel 5 beispielsweise durch eine mehrere Zehntel Millimeter dicke Kunststoffmatrix gebildet, in das mindestens ein organischer Leuchtstoff eingebracht ist, sodass das organische Konversionsmittel 5 selbsttragend ist.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen durchdringt die Ausnehmung 43 den Lichtverteiler 4 nicht vollständig. Die Ausnehmung 43 reicht nicht bis an die Lichtaustrittsfläche 45.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Flächenlichtquelle 1 ist das Konversionsmittel 5 unmittelbar an den Strahlungsaustrittsflächen 35 des Strahlungsextraktors 3 angebracht. Das organische Konversionsmittel 5 ist hierbei von dem Halbleiterchip 2 beabstandet.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass dem Halbleiterchip 2 insbesondere unmittelbar an der Strahlungshauptseite 20 ein anorganisches Konversionsmittel 25 nachgeordnet ist. Beispielsweise wird durch die Kombination aus dem Halbleiterchip 2 und dem anorganischen Konversionsmittel 25 kaltweißes Licht erzeugt. Das organische Konversionsmittel 5 ist dann dazu eingerichtet, insbesondere einen Rotanteil der von der Flächenlichtquelle 1 erzeugten Mischstrahlung zu generieren. Über das organische Konversionsmittel 5 werden dann ein Farbort sowie eine korrelierte Farbtemperatur aus dem kaltweißen Bereich in den warmweißen Bereich geschoben. Außerdem kann über das organische Konversionsmittel 5 ein Farbwiedergabeindex des von der Flächenlichtquelle 1 emittierten Mischlichts gesteigert werden.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist das organische Konversionsmittel 5 dem Strahlungsextraktor 3 selbst beigegeben, beispielsweise in das Matrixmaterial des Strahlungsextraktors 3 eingebettet. Es ist hierbei möglich, dass ein sich direkt an dem Halbleiterchip 2 befindlicher Teilbereich des Strahlungsextraktors 3 frei von dem organischen Konversionsmittel 5 ist. In dem Strahlungsextraktor 3 kann also ein Konzentrationsgradient des organischen Konversionsmittels 5 vorliegen.
In 6 ist dargestellt, dass das organische Konversionsmittel 5 als Schicht an den Seitenflächen 48 des Lichtverteilers 4 und/oder an dem Reflektor 8 angebracht ist.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 7 befindet sich das organische Konversionsmittel 5 an der Kühlkörperoberseite 90 lateral neben dem Halbleiterchip 2. Das organische Konversionsmittel 5 ist durch den Trennspalt 6 sowie durch den Strahlungsextraktor 3 von dem Halbleiterchip 2 separiert. Anders als dargestellt ist es möglich, dass der Kühlkörper 9 unterteilt ist, sodass keine unmittelbare thermische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem organischen Konversionsmittel 5 über den Kühlkörper 9 gegeben ist.
Gemäß 8 ist das organische Konversionsmittel 5 auf der Lichtaustrittsseite 45 des Lichtverteilers 4 angebracht. Eine optionale Schutzschicht für das organische Konversionsmittel 5 ist in 8 nicht gezeigt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist das organische Konversionsmittel 5 homogen in den Lichtverteiler 4 verteilt eingebracht. Gemäß 10 ist das organische Konversionsmittel 5 ebenfalls in den Lichtverteiler 4 eingebracht, jedoch liegt ein Konzentrationsgradient vor, angedeutet durch eine Schraffur. Beispielsweise nimmt eine Konzentration des organischen Konversionsmittels 5 hin zu dem Strahlungsextraktor 3 zu.
Beim dem weiteren Ausführungsbeispiel, wie in 11 dargestellt, ist das organische Konversionsmittel 5 als Schicht an der Lichteintrittsfläche 40 des Lichtverteilers 4 angebracht. Entlang der Hauptabstrahlrichtung x nimmt eine Dicke des organischen Konversionsmittels 5 linear ab. Ebenso kann die Dicke des Konversionsmittels 5 auch in anderer Weise variieren, zum Beispiel logarithmisch oder parabelförmig. Die Variation der geometrischen Dicke kann sich hierbei analog auch auf eine effektive Dicke beziehen. Dies bedeutet, dass die Schicht mit dem Konversionsmittel 5 eine konstante geometrische Dicke aufweisen kann, jedoch innerhalb der Schicht die Konzentration des Konversionsmittels 5 variiert ist.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass sich in dem Strahlungsextraktor 3 ein anorganisches Konversionsmittel befindet, zum Beispiel Partikel eines YAG-basierten Leuchtstoffs alternativ oder zusätzlich zu den Streupartikeln. Dem anorganischen Konversionsmittel ist dann das organische Konversionsmittel 5 nachgeschaltet.
In 12 sind schematische Draufsichten auf Ausführungsbeispiele der Flächenlichtquelle 1 gezeigt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist insbesondere das organische Konversionsmittel 5 jeweils nicht gezeichnet.
Gemäß 12A weist die Flächenlichtquelle 1 genau einen Halbleiterchip 2 auf. Der Strahlungsextraktor 3 ist als gleichmäßige Vierkantpyramide geformt. Eine Spitze der Pyramide befindet sich über dem Halbleiterchip 2. Es ist möglich, dass der Reflektor 8 und der Lichtverteiler 4 ohne Kanten geformt sind und beispielsweise eine hyperbolische Form aufweisen. Anders als dargestellt, kann der Lichtverteiler 4 und/oder der Reflektor 8 auch eine runde Form aufweisen, in Draufsicht gesehen.
Gemäß 12B ist die Flächenlichtquelle 1 in Draufsicht gesehen rechteckig geformt. Unter dem langgestreckten Strahlungsextraktor 3 befinden sich mehrere der Halbleiterchips 2. Der Strahlungsextraktor 3 kann die Form eines Prismas mit einer dreieckigen Querschnittsfläche aufweisen. Anders als dargestellt ist es möglich, dass Seitenflächen des Strahlungsextraktors 3, die den Strahlungsextraktor 3 entlang einer Verbindungslinie der Halbleiterchips 2 begrenzen, schräg zu der Kühlkörperoberseite 90 angeordnet sind.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008057720 A1 [0005]

Claims

Flächenlichtquelle (1) mit – mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (2) zur Erzeugung einer Primärstrahlung (P), – mindestens einem Strahlungsextraktor (3), der dem Halbleiterchip (2) entlang einer Hauptabstrahlrichtung (x) nachgeordnet ist, – einem organischen Konversionsmittel (5) zur teilweisen Umwandlung der Primärstrahlung (P) in eine hiervon verschiedene Sekundärstrahlung (S), und – einem strahlungsdurchlässigen Lichtverteiler (4), der dem Strahlungsextraktor (3) optisch nachgeordnet ist, wobei – der Strahlungsextraktor (3) in einer Ausnehmung (43) in dem Lichtverteiler (4) angeordnet ist, und – sich zwischen dem Lichtverteiler (4) und dem Strahlungsextraktor (3) mindestens ein gasgefüllter oder evakuierter Trennspalt (6) befindet.
Flächenlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei – der Strahlungsextraktor (3) ein Polyeder ist, – der Strahlungsextraktor (3) eine Querschnittsfläche mit einer dreieckigen Grundform aufweist, – entlang der Hauptabstrahlrichtung (x) eine Breite des Strahlungsextraktors (3) abnimmt, – eine Höhe (H) des Strahlungsextraktors (3) entlang der Hauptabstrahlrichtung (x) größer ist als eine maximale Breite (B) der Querschnittsfläche mit der dreieckigen Grundform, – der Strahlungsextraktor (3) ein strahlungsdurchlässiges Matrixmaterial und darin eingebettete Streupartikel umfasst, und – der Lichtverteiler (4) als Festkörper geformt ist und eine trapezförmige Querschnittsfläche aufweist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich der Trennspalt (6) zwischen dem organischen Konversionsmittel (5) und dem Strahlungsextraktor (3) befindet.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich das organische Konversionsmittel (5) zwischen dem Trennspalt (6) und einem gasgefüllten oder evakuierten Zwischenspalt (7) befindet, wobei der Zwischenspalt (7) teilweise oder vollständig zwischen dem organischen Konversionsmittel (5) und dem Lichtverteiler (4) angeordnet ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das organische Konversionsmittel (5) teilweise oder vollständig auf einer dem Strahlungsextraktor (3) zugewandten Lichteintrittsfläche (40) des Lichtverteilers (4) angeordnet ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das organische Konversionsmittel (5) teilweise oder vollständig auf einer dem Strahlungsextraktor (3) abgewandten Lichtaustrittsfläche (45) des Lichtverteilers (4) angeordnet ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das organische Konversionsmittel (5) teilweise oder vollständig in den Lichtverteiler (4) eingebettet ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das organische Konversionsmittel (5) teilweise oder vollständig auf einer Strahlungsaustrittsfläche (35) des Strahlungsextraktors (3) angeordnet ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das organische Konversionsmittel (5) teilweise oder vollständig in dem Matrixmaterial des Strahlungsextraktors (3) eingebettet ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zusätzlich einen Reflektor (8) umfasst, der sich mindestens an dem Strahlungsextraktor (3) abgewandten Seitenflächen (48) des Lichtverteilers (4) befindet, wobei das organische Konversionsmittel (5) an den Seitenflächen (48) angebracht ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zusätzlich einen Kühlkörper (9) umfasst, auf dem der mindestens eine Halbleiterchip (2) angebracht ist, wobei das organische Konversionsmittel (5) teilweise oder vollständig auf einer dem Lichtverteiler (4) zugewandten Kühlkörperoberseite (90) des Kühlkörpers (9) angebracht ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das organische Konversionsmittel (5) als Schicht mit einer inhomogenen, effektiven Schichtdicke vorliegt, und/oder bei dem das organische Konversionsmittel (5) mit einer inhomogenen Konzentration in den Strahlungsextraktor (3) und/oder in den Lichtverteiler (4) eingebracht ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtaustrittsfläche (45) und/oder die Lichteintrittsfläche (40) des Lichtverteilers (4) mit einer Aufrauung versehen ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – ein Flankenwinkel (α) des Strahlungsextraktors (3) zwischen einschließlich 70° und 85° liegt, – ein Flankenwinkel (β) des Lichtverteilers (4) zwischen einschließlich 5° und 20° liegt, – die Flankenwinkel (α, β) auf eine Strahlungshauptseite (20) des Halbleiterchips (2) bezogen sind, – eine Dicke (D) des Flächenlichtleiters (1) zwischen einschließlich 5 mm und 25 mm liegt, und – ein Quotient aus einer mittleren lateralen Ausdehnung (L) des Flächenlichtleiters (1) und der Dicke (D) zwischen einschließlich 7 und 25 liegt.