DE102012204408A1

DE102012204408A1 - Led-chip mit temperaturabhängiger wellenlänge und leuchtvorrichtung mit solchem led-chip

Info

Publication number: DE102012204408A1
Application number: DE201210204408
Authority: DE
Inventors: Reiner Windisch; Ralph Wirth; Krister Bergenek; Gertrud Kräuter
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: DE102012204408B4

Abstract

Der LED-Chip (14) emittiert welcher Licht mit einer Wellenlänge (λ), die mit steigender Temperatur (T) zunimmt, wobei auf dem LED-Chip (14) ein Farbfilter (16) aufgebracht ist, welcher bewirkt, dass eine Helligkeit des von dem LED-Chip (14) abgestrahlten Lichts zumindest abschnittsweise mit zunehmender Wellenlänge (λ) zunimmt. Eine Leuchtvorrichtung weist mindestens einen LED-Chip (14, 16) auf. Der LED-Chip (14) ist insbesondere vorteilhaft einsetzbar in LED-Modulen, insbesondere Retrofitlampen.

Description

Die Erfindung betrifft einen LED-Chip, welcher Licht mit einer Wellenlänge emittiert, die mit steigender Temperatur zunimmt. Die Erfindung betrifft ferner eine Leuchtvorrichtung mit mindestens einem solchen LED-Chip. Die Erfindung ist vorzugsweise anwendbar für LED-Module und LED-Lampen, insbesondere Retrofitlampen.
Es sind LED-Module bekannt, bei denen InGaN-Chips und InGaAlP-Chips kombiniert werden. Häufigstes Anwendungsbeispiel ist eine Kombination von leuchtstoffkonvertierten InGaN-Chips mit einem grünlichen Farbort mit roten oder rot-orangefarbenen InGaAlP-Chips zur Erzeugung von warmweißem Mischlicht mit hoher Farbwiedergabe. InGaAlP-Chips weisen bei Raumtemperatur (meist als 25°C definiert) eine typische Spitzenwellenlänge von ca. 620 nm bis 625 nm auf, entsprechend einer Dominantwellenlänge von ca. 615 nm. Eine Halbwertsbreite (FWHM) beträgt typischerweise ca. 20 nm. Bei einem Betrieb erhöht sich ihre (Betriebs-)temperatur auf ca. 80°C bis 100°C, wozu eine mit dem LED-Modul ausgerüstete Retrofit-Lampe ca. eine Stunde benötigt. Dabei erhöht sich auch die Spitzenwellenlänge, z.B. um ca. 1 nm pro 7°C. Folglich ergibt sich so eine Verschiebung einer Spitzenwellenlänge zwischen Raumtemperatur und normaler Betriebstemperatur von z.B. 95°C von ca. 10 nm. Zusätzlich zu dem beschriebenen Effekt der Wellenlängenverschiebung reduziert sich bei der Temperaturerhöhung auch die Leistung des emittierten Lichts, und zwar bei einem InGaAlP-Chip erheblich stärker als bei einem InGaN-Chip. Im genannten Temperaturbereich sinkt die Lichtleistung eines rot-orangefarbenen InGaAlP-Chips um typischerweise 30% bis 40% ab, während die eines InGaN-Chips nur um typischerweise 5% bis 20% absinkt. Zusammen mit der aufgrund der längeren Wellenlänge reduzierten Augenempfindlichkeit ergibt sich eine Reduzierung der augenbewerteten Lichtleistung (Einheit Lumen) auf etwa die Hälfte. Insgesamt kann sich so eine für einen Betrachter deutlich wahrnehmbare Farbänderung des Mischlichts ergeben, welche typischerweise bis zu zwanzig MacAdam-Schritte umfassen kann.
Eine bekannte Lösung, um die Verschiebung des Summenfarborts zu verringern, besteht in einer externen Regelung der elektrischen Betriebsströme durch die LED-Chips, wodurch deren Helligkeit geregelt wird. Hierbei müssen entweder die Temperatur und/oder der Farbort der LED-Chips gemessen werden und dann das Verhältnis der Betriebsströme durch die InGaN- und InGaAlP-Chips entsprechend nachgeregelt werden. Diese Regelung ist vergleichsweise aufwändig und teuer.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine weniger aufwändige Möglichkeit zur Verringerung einer temperaturabhängigen Verschiebung eines Farborts einer Leuchtdiode und/oder einer damit ausgerüsteten Leuchtvorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen LED-Chip, auf welchem ein Farbfilter aufgebracht ist, dessen Transmissionsgrad zumindest abschnittsweise mit zunehmender Wellenlänge zunimmt.
Davon ist insbesondere ein typischer LED-Chip umfasst, welcher Licht mit einer Wellenlänge emittiert, die mit zunehmender Wellenlänge zunimmt.
Dieser LED-Chip bzw. diese LED-Chip-Einheit weist den Vorteil auf, dass er eigenständig und ohne äußere Steuerung ('passiv') eine gezielte wellenlängenabhängige und damit temperaturabhängige Helligkeitsänderung ermöglicht. Denn dass der Transmissionsgrad des Farbfilters zumindest abschnittsweise mit zunehmender Wellenlänge zunimmt, kann insbesondere bewirken, dass die Helligkeit des von dem LED-Chip abgestrahlten Lichts zumindest abschnittsweise mit zunehmender Wellenlänge vergleichsweise weniger abnimmt oder sogar zunimmt, und zwar im Vergleich zu einem Zustand ohne Farbfilter, bei welchem die die Helligkeit typischerweise mit zunehmender Wellenlänge abnimmt. Dadurch wird insbesondere eine temperaturabhängige Korrektur eines Anteils des Lichts des LED-Chips an einem Mischlicht ermöglicht. Dies wiederum ermöglicht auf einfache Weise einen Verbleib eines Summenfarborts des Mischlichts innerhalb einer kleineren Farbfläche, z.B. innerhalb einer 3-Schritt-MacAdam-Ellipse.
Der Farbfilter kann auch als ein wellenlängenabhängiger Helligkeitsfilter, Transmissionsfilter oder Kontrastfilter bezeichnet werden.
Die Temperatur kann insbesondere eine Betriebstemperatur des LED-Chips sein.
Es ist auch eine Weiterbildung, dass der Transmissionsgrad zwischen 0 (an einem unteren Rand) und 1 (am einem Rand eines Wellenlängenabschnitts) liegt, insbesondere zwischen ca. 0,1 und ca. 1 liegt.
Dass auf dem LED-Chip ein Farbfilter aufgebracht ist, kann insbesondere bedeuten, dass mindestens ein Farbfilter auf zumindest einem Teil einer Emitterfläche des LED-Chips aufgebracht ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass eine Emitterfläche des LED-Chips mehrflächig ausgestaltet ist, z.B. bei einem Volumenemitter. Es ist eine alternative Weiterbildung, dass eine Emitterfläche des LED-Chips einflächig ausgestaltet ist, z.B. bei einem Oberflächenemitter (z.B. Top-LED der Fa. Osram). Der LED-Chip kann insbesondere ein sog. Dünnfilm- oder "Thin-Film-"LED-Chip sein. Die Verwendung eines Oberflächenemitters weist den Vorteil einer einfacheren Anbringung und einer einfacheren Formgestaltung des Farbfilters auf.
Die Wellenlänge mag z.B. eine Spitzenwellenlänge oder eine Dominantwellenlänge sein.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der LED-Chip ein InGaAlP-Chip ist. InGaAlP-Chips weisen eine vergleichsweise starke Temperaturabhängigkeit ihrer Emissionswellenlänge und Lichtleistung auf, so dass der Farbfilter hierbei besonders vorteilhaft einsetzbar ist. Insbesondere lässt sich grundsätzlich eine vollständige passive Kompensation des Temperaturgangunterschieds zwischen InGaN-Chips und InGaAlP-Chips erreichen.
Das von dem InGaAlP-Chip emittierte Licht mag z.B. eine Spitzenwellenlänge bei Raumtemperatur in einem typischen Bereich von 590 nm (gelb) bis 660 nm (hyperrot) aufweisen, insbesondere zwischen 600 nm und 650 nm, insbesondere zwischen ca. 620 nm und ca. 635 nm. Ein Temperaturgang mag insbesondere ca. 1 nm pro 7°C betragen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Farbfilter ein Kantenfilter ist. Dieser mag eine besonders flexible Einstellung des effektiven Transmissionsgrads bewirken. Für einen InGaAlP-Chip wird insbesondere ein Kantenfilter mit einem zwischen ca. 620 nm und ca. 635 nm steigenden Transmissionsgrad bevorzugt. Dies stellt einen praktisch besonders wichtigen Wellenlängenbereich dar, insbesondere für einen Temperaturbereich zwischen ungefähr ca. 0°C und 125°C bei einer Spitzenwellenlänge bei Raumtemperatur zwischen 620 nm und 625 nm.
Es ist eine Weiterbildung davon, dass der Transmissionsgrad des Kantenfilters ein mit steigender Wellenlänge zumindest abschnittweise kontinuierlich (nicht sprunghaft) steigender, insbesondere zumindest annähernd linear steigender, Transmissionsgrad ist. Alternativ mag auch ein Kantenfilter mit einem nicht linear steigenden Transmissionsgrad oder einer sprungartigen Kante verwendet werden.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Farbfilter ein Bandpassfilter ist. Die Erhöhung des Transmissionsgrads mit steigender Wellenlänge wird an der unteren Kante (bei kleiner Wellenlänge) durch den dortigen Anstieg des Transmissionsgrads erreicht. Zwischen seinen Kanten mag der Bandpassfilter insbesondere einen zumindest im Wesentlichen konstanten Transmissionsgrad aufweisen.
Insbesondere an der unteren Kante mag der bauteilbedingte Transmissionsgrad kontinuierlich (nicht sprunghaft) ansteigen, insbesondere linear mit zunehmender Wellenlänge. Alternativ mag der Bandpassfilter zumindest an der unteren Kante sprunghaft oder quasi-sprunghaft ansteigen.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass bei geringer Temperatur die spektrale Breite des von dem LED-Chip emittierten Lichts teilweise außerhalb des Transmissionsbereichs liegt und sich erst mit steigender Temperatur stärker in den Transmissionsbereich hinein verschiebt. Da Licht einer Wellenlänge von ca. 650 nm oder mehr von einem menschlichen Auge kaum noch wahrnehmbar ist, kann in einer Variante dann, wenn eine obere oder vordere Kante des Bandpassfilters bei oder oberhalb von ca. 650 nm liegt, ein Wiedereintritt des emittierten Lichts mit noch weiter steigender Temperatur in einem außerhalb des Transmissionsbereichs liegenden Sperrbereich vernachlässigt werden. Es ist also eine bevorzugte Weiterbildung, dass eine obere Kante des Bandpassfilters bei ca. 650 nm oder höher liegt.
Insbesondere mag ein Transmissionsbereich eine untere oder hintere (insbesondere steile) Kante aufweisen, welche zumindest annähernd einer Spitzenwellenlänge des LED-Chips bei einer vorbestimmten niedrigen Temperatur (z.B. 0°C oder Raumtemperatur) entspricht, z.B. 620 nm oder 625 nm.
Es wird also besonders bevorzugt, dass der Bandpassfilter einen Transmissionsbereich zwischen einer Wellenlänge von 620 nm bis 625 nm als unterer Kante und einer Wellenlänge von 645 nm bis 650 nm oder mehr als oberer Kante aufweist.
Es ist eine alternative Ausgestaltung, dass der Farbfilter ein Bandstoppfilter ist. Die Erhöhung des Transmissionsgrads mit steigender Wellenlänge wird an der oberen Kante (bei großer Wellenlänge) des Absorptionsbereichs durch den dortigen Anstieg des Transmissionsgrads erreicht.
An der oberen Kante des Absorptionsbereich (mit geringer Transmission) mag der bauteilbedingte Transmissionsgrad kontinuierlich (nicht sprunghaft) ansteigen, insbesondere linear mit zunehmender Wellenlänge, oder er mag alternativ sprunghaft oder quasi-sprunghaft ansteigen.
Der Bandstoppfilter mag insbesondere einen (schmalen) Absorptionsbereich um 610 nm herum aufweisen, insbesondere mit einer Breite von +/–10 nm.
Es ist eine bevorzugte Weiterbildung, dass eine obere Kante des Bandstoppfilters bzw. dessen Absorptionsbereichs zumindest annähernd einer Spitzenwellenlänge des LED-Chips bei einer vorbestimmten niedrigen Temperatur (z.B. 0°C oder Raumtemperatur) entspricht, z.B. 620 nm oder 625 nm, insbesondere für einen InGaAlP-Chip. In dieser Ausgestaltung kann bei geringer Temperatur die spektrale Breite des von dem LED-Chip emittierten Lichts teilweise innerhalb des Absorptionsbereichs liegen und sich erst mit steigender Temperatur stärker aus dem Absorptionsbereich heraus verschieben. Weist der LED-Chip beispielsweise eine Spitzenwellenlänge von 620 nm bei Raumtemperatur auf und entspricht dies der oberen Kante des Absorptionsbereichs (z.B. bei einer Breite des Absorptionsbereichs von 610 +/– 10 nm), so wird aufgrund der nicht vernachlässigbaren spektralen Breite des emittierten Lichts bei Raumtemperatur ca. die Hälfte des emittierten Lichts absorbiert. Mit steigender Temperatur wandert der spektrale Bereich des emittierten Lichts aus dem Absorptionsbereich heraus, wobei nach ca. 10 nm, entsprechend einer Temperaturerhöhung von ca. 90°C, ein hoher Transmissionsgrad von 90% oder mehr erreichbar ist.
Der Farbfilter mag allgemein einen oder mehrere Absorptionsstoffe aufweisen.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass der Farbfilter mindestens einen Absorptionsstoff in Form eines IR-Licht abstrahlenden Leuchtstoffs aufweist. Ein solcher Absorptionsstoff zur Absorption des von dem zugehörigen LED-Chip emittierten Lichts ist besonders vorteilhaft, da durch die Lichtabsorption aufgenommene Energie nicht oder zumindest nicht vollständig in Wärme umgewandelt wird, sondern zumindest teilweise in IR-Licht umwandelt. Da das IR-Licht den durch den Menschen erkennbaren Summenfarbort nicht beeinflusst, wird eine effektive Wärmeableitung ohne Farbverfälschung ermöglicht. Ein solcher Absorptionsstoff ist insbesondere auch geeignet zur Einbettung in ein thermisch schlecht leitendes, IR-durchlässiges Grundmaterial wie Silikon.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass der Farbfilter mindestens einen Absorptionsstoff in Form mindestens eines Pigments und/oder mindestens eines organischen Materials aufweist. Ein solcher Absorptionsstoff mag besonders preiswert sein. Das organische Material mag insbesondere in einem Grundmaterial lösbar sein, z.B. in Silikon.
Die bauteilbedingte Absorptionsfähigkeit des Absorptionsstoffs mag zumindest in einem Teilabschnitt des temperaturabhängigen Wellenlängenbereichs des LED-Chips mit zunehmender Wellenlänge abnehmen, alternativ praktisch gleichbleiben.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass der Farbfilter ein lichtdurchlässiges Grundmaterial mit einem darin eingebrachtem Streumaterial als Füllstoff aufweist, ein Brechungsindex des Grundmaterials sich mit steigender Temperatur einem Brechungsindex des Streumaterials annähert und der Farbfilter einen Absorptionsstoff aufweist, dessen bauteilbedingter Transmissionsgrad zumindest in einem Teilabschnitt des temperaturabhängigen Wellenlängenbereichs des LED-Chips mit zunehmender Wellenlänge zunimmt. Bei diesem Farbfilter wird also das von dem LED-Chip emittierte Licht zumindest teilweise von dem Streumaterial gestreut und dadurch abgelenkt. Folglich wird ein Lichtlaufweg des gestreuten Lichts in dem Farbfilter verlängert und es wird eine Rückstreuung des Lichts auf den teilweise absorbierenden LED-Chip bewirkt, was seine Effizienz vor allem bei niedrigen Temperaturen reduziert. Dadurch, dass sich der Brechungsindex des Grundmaterials mit steigender Temperatur dem Brechungsindex des Streumaterials annähert, wird die Streuung geringer, und eine Rückstreuung auf den LED-Chip und ein mittlerer oder durchschnittlicher Weg des Lichts durch den Farbfilter wird geringer, und damit auch die Absorption. Dadurch, dass der Transmissionsgrad des Absorptionsstoffs mit zunehmender Wellenlänge zunimmt, nimmt die Helligkeit noch weiter zu.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Brechungsindex des Streumaterials bei Raumtemperatur (25°C) niedriger liegt als der Brechungsindex des Grundmaterials, so dass sich nach einem Einschalten des LED-Chips und damit steigender Betriebstemperatur (Temperaturerhöhung) die Brechzahlen annähern, wodurch die Lichtstreuung im Farbfilter abnimmt und sich der Transmissionsgrad erhöht
Das Grundmaterial kann insbesondere ein transparentes Grundmaterial sein. Das Grundmaterial kann insbesondere Silikon sein. Silikon weist die Eigenschaft auf, dass sein Brechungsindex mit steigender Temperatur sinkt, während der Brechungsindex eines Streumaterials typischerweise zumindest im Wesentlichen gleich bleibt.
Das Grundmaterial kann insbesondere als ein Plättchen auf einer lichtemittierenden Fläche des LED-Chips aufgebracht sein.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass der Farbfilter ein lichtdurchlässiges Grundmaterial mit einem darin eingebrachtem Streumaterial als Füllstoff aufweist, ein Brechungsindex des Grundmaterials sich mit steigender Temperatur einem Brechungsindex des Streumaterials annähert und der Farbfilter einen wellenlängenunabhängigen Absorptionsstoff aufweist. Diese Ausgestaltung ist ähnlich zu der Ausgestaltung mit dem temperaturabhängig absorbierenden Absorptionsstoff, wobei jedoch hier ein geringerer Kontrast nutzbar ist.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Farbfilter ein reflektierender Filter ist. Der reflektierende Filter weist den Vorteil auf, dass er vergleichsweise verlustarm ist. Besonders bevorzugt wird ein Interferenzfilter.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass der Farbfilter ein dielektrischer optischer Filter ist. Der dielektrische optische Filter weist den Vorteil einer genauen Einstellbarkeit seiner Filtereigenschaften auf. Der dielektrische optische Filter kann insbesondere einen Stapel aus dünnen dielektrischen Schichten aufweisen. Der dielektrische optische Filter kann insbesondere als ein optischer Bandpassfilter eingesetzt werden.
Es ist eine Ausgestaltung davon, dass der Farbfilter mindestens einen photonischen Kristall aufweist, insbesondere mindestens einen dreidimensionalen Photonenkristall. Ein photonischer Kristall, insbesondere ein dreidimensionaler photonischer Kristall oder Photonenkristall ("3D PhC"), ermöglicht eine verbesserte Winkelabhängigkeit der Reflektivität.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens einen LED-Chip wie oben beschrieben. Die Leuchtvorrichtung weist die gleichen Vorteile auf wie der LED-Chip und kann analog ausgestaltet sein.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die Leuchtvorrichtung mindestens einen andersartigen LED-Chip, insbesondere InGaN-LED-Chip, aufweist. Dadurch wird eine Leuchtvorrichtung bereitgestellt, welche (insbesondere nach ihrem Einschalten) einen Verbleib eines Summenfarborts des von ihr abgestrahlten Mischlichts innerhalb einer vergleichsweise kleinen Farbfläche, z.B. innerhalb einer 3-Schritt-MacAdam-Ellipse, ermöglicht.
Die gemeinsame Nutzung mit einem InGaN-LED-Chip ermöglicht eine besonders effektive Temperaturkompensation des Summenfarborts. Eine Wellenlänge des InGaN-LED-Chips ist typischerweise weniger temperaturabhängig als diejenige eines InGaAlP-Chips.
Es ist eine allgemeine Ausgestaltung, dass der Transmissionsgrad des Farbfilter derart ausgestaltet ist, dass er eine temperaturabhängige Helligkeitsänderung des mindestens einen LED-Chips wie oben beschrieben, insbesondere eines InGaAlP-Chips, an eine temperaturabhängige Helligkeitsänderung des mindestens einen andersartigen LED-Chips, insbesondere InGaN-Chips, anpasst. Dadurch kann insbesondere eine temperaturabhängiges Auseinanderlaufen der (relativen) Helligkeiten oder Lichtströme der unterschiedlichen LED-Chips im Vergleich zu einer Anordnung ohne Farbfilter verringert werden. So wiederum kann eine Änderung des Summenfarborts besonders effektiv begrenzt werden.
Es ist außerdem eine Weiterbildung, dass der Transmissionsgrad eines Farbfilter eines InGaAlP-Chips des derart ausgestaltet ist, dass eine Lichtleistung des InGaAlP-Chips zwischen 25°C und 95°C nur um 5% bis 25%, insbesondere nur um 5% bis 20% absinkt. Dadurch wird eine effektive Annäherung an ein Absinken einer Lichtleistung eines InGaN-Chips erreicht.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass der InGaN-Chip ein leuchtstoffkonvertierter InGaN-Chip ist, also dessen primär emittiertes Licht von mindestens einem nachgeschalteten Leuchtstoff zumindest teilweise wellenlängenkonvertiert wird. Der nachgeschaltete Leuchtstoff kann direkt an dem InGaN-Chip angebracht sein, z.B. als Leuchtstoff aufweisende Vergussmasse oder als keramisches Leuchtstoffplättchen.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass der mindestens eine nachgeschaltete Leuchtstoff zu einer Farbortverschiebung des (grünlich) leuchtstoffkonvertierten Mischlichts in Richtung eines Zielfarbortes (z.B. des Summenfarborts der warmen Leuchtvorrichtung) durch eine zunehmende Wellenlänge bei steigender Temperatur führt. Der Farbort des konvertierten InGaN-Chips kommt damit praktisch dem Farbort des InGaAlP-Chips entgegen, so dass der benötigte Anteil an InGaAlP-Licht mit steigender Temperatur geringer ist und folglich eine Anforderung an einen temperaturabhängigen Helligkeitskontrast des Farbfilters des InGaAlP-Chips geringer sein mag.
Es ist zudem eine Weiterbildung, dass ein von der Leuchtvorrichtung abgestrahltes Mischlicht ein weißes Mischlicht ist, insbesondere ein warm-weißes Mischlicht.
Die Leuchtvorrichtung kann insbesondere ein LED-Modul sein. Das LED-Modul kann insbesondere ein Teil einer LED-Lampe, eines LED-Strahlers oder einer LED-Leuchte sein.
Die Leuchtvorrichtung kann insbesondere eine LED-Lampe sein, insbesondere eine LED-Retrofit-Lampe, z.B. zum Ersatz einer herkömmlichen Glühlampe oder eines herkömmlichen Halogenstrahlers.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine mögliche Leuchtvorrichtung mit mehreren InGaAlP-Chips mit Farbfiltern zusammen mit einem Transmissionsdiagramm der Farbfilter; und
2 zeigt eine Auftragung einer temperaturabhängigen Verschiebung eines Summenfarborts der Leuchtvorrichtung aus 1 in einem Farbraum.
1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung in Form eines LED-Moduls 11. Das LED-Modul 11 weist ein Substrat 12 auf, auf welchem mehrere InGaN-Chips 13 und mehrere InGaAlP-Chip 14 aufgebracht sind. Die Chips 13 und 14 sind jeweils als Dünnfilm-Oberflächenstrahler-Chips ausgestaltet. Das Substrat 12 kann z.B. ein Keramiksubstrat oder eine Leiterplatte sein.
Auf den InGaN-Chips 13 sind jeweils Leuchtstoffplättchen 15 aufgebracht, welche das von dem zugehörigen InGaN-Chip 13 emittierte Licht teilweise wellenlängenkonvertieren. Die Leuchtstoffplättchen 15 können z.B. Plättchen aus einem keramischen Leuchtstoff K sein. Die leuchtstoffbelegten InGaN-Chips 13, 15 strahlen also ein teils wellenlängenkonvertiertes, teils nicht konvertiertes grünliches Mischlicht ab. Jedoch mag auch eine praktisch vollständige Wellenlängenkonversion (z.B. mit einem Konversionsgrad von mindestens 95%) durch das Leuchtstoffplättchen 15 vorgenommen werden.
Sowohl die InGaN-Chips 13 als auch die InGaAlP-Chips 14 weisen eine von ihrer Betriebstemperatur T abhängige Änderung der Wellenlänge (T) des von ihnen emittierten (Primär-)Lichts dergestalt auf, dass die Wellenlänge (T) mit steigender Temperatur T zunimmt. Dabei ist die Änderung der Wellenlänge (T) und eines zugehörigen Helligkeitsabfalls für die InGaAlP-Chips 14 erheblich stärker als für die InGaN-Chips 13. Mit Einschalten des LED-Moduls 11 (z.B. bei einer Raumtemperatur von 25°C) und damit einhergehender Bestromung der LED-Chips 13 und 14 wird von den InGaAlP-Chips 14 also zunächst Licht einer vergleichsweise geringen Wellenlänge oder hohen Frequenz abgestrahlt, z.B. von 620 nm. Mit steigender Betriebsdauer erhöht sich die Betriebstemperatur, welche z.B. im konstanten Betrieb 80°c bis 100°C erreichen kann. Dadurch erhöht sich die Wellenlänge (T) des Primärlichts, z.B. um ca. 1/7 nm/°C. Durch die unterschiedliche temperaturinduzierte Wellenlängenänderung und die einhergehende unterschiedliche Helligkeitsverminderung der InGaN-Chips 13 und der InGaAlP-Chips 14 wird ein Summenfarbort eines von dem LED-Modul 11 abgestrahlten Mischlichts verändert, das sich aus von den leuchtstoffbelegten InGaN-Chips 13, 15 abgestrahltem Licht und aus von den InGaAlP-Chips 14 abgestrahltem Licht ergibt.
Um die temperaturabhängige Änderung des Summenfarborts so zu beschränken, dass sie für einen Betrachter nicht oder nicht wesentlich bemerkt wird, sind auf den InGaAlP-Chips 14 jeweils Farbfilter 16 aufgebracht, und zwar hier plättchenartige Farbfilter 16 mit einem Matrix- oder Grundmaterial aus transparentem Silikon S. Das Silikon S ist mit Füllmaterial A versetzt, welches einen von der Wellenlänge des von dem InGaAlP-Chips 14 eingestrahlten Primärlichts abhängigen Transmissionsgrad Tg aufweist.
Insbesondere weist der Farbfilter 16 bzw. dessen Füllmaterial A zwischen hier ca. 620 nm und ca. 635 nm (entsprechend einem Temperaturunterschied von ca. 105°C) einen zumindest annähernd linearen Anstieg des bauteilbedingten Transmissionsgrads Tg von ca. 0,15 (geringe Transmission) bis auf 1 (vollständige Transmission) auf. Dies ist in der Auftragung D skizziert, welche einen Verlauf des Transmissionsgrads Tg gegen die eingestrahlte Wellenlänge in nm zeigt. Der Farbfilter 16 kann aufgrund seiner Filtereigenschaft auch als ein Kantenfilter angesehen werden.
Mit steigender Temperatur T nimmt also die Wellenlänge (T) des von den InGaAlP-Chips 14 abgestrahlten Lichts zu und wird durch den Farbfilter 16 auch nicht geändert. Jedoch wird mittels der mit steigender Wellenlänge (T) erhöhten Transmission des Farbfilters 16 der (relative) Helligkeitsabfall abgemildert. Insbesondere im vorliegenden Fall mehrerer InGaN-Chips 13 und InGaAlP-Chips 14 ist der Transmissionsgrad Tg des Farbfilters 16 so eingestellt, dass der Helligkeitsabfall der InGaAlP-Chips 14 zumindest annähernd dem Helligkeitsabfall der InGaN-Chips 13 entspricht. Insbesondere Es ist der Transmissionsgrad Tg derart ausgestaltet, dass eine Lichtleistung der InGaAlP-Chips 14 zwischen 25°C und 95°C nur um 5% bis 20% absinkt. Dadurch wird eine effektive Annäherung an ein Absinken einer Lichtleistung eines InGaN-Chips erreicht. Folglich lässt sich das Verhältnis der Helligkeiten bzw. Lichtleistungen der InGaN-Chips 13 und der InGaAlP-Chips 14 auf einen engen Bereich begrenzen. Dies wiederum bewirkt, dass sich der Summenfarbort des Mischlichts des LED-Modul 11 über die Temperatur weniger ändert. Dadurch wird also eine effektive passive Kompensation der temperaturbedingten Wellenlängenverschiebung bereitgestellt.
Das Füllmaterial A ist hier als ein Leuchtstoff ausgestaltet, welcher das von dem jeweiligen InGaAlP-Chip 14 abgestrahlte Licht in IR-Licht umwandelt, so dass Wärme besonders einfach durch Strahlung abführbar ist.
2 zeigt eine Auftragung einer temperaturabhängigen Verschiebung des Summenfarborts des LED-Moduls 11 mit sich erhöhender Temperatur T in einem Farbraum nach CIE mit den Farbkoordinaten cx und cy.
Die Verschiebung beginnt wie gezeigt bei Raumtemperatur (25°C) und steigt in Schritten von 20°C bis auf eine Endtemperatur von 125°C.
In einem praktisch besonders wichtigen Temperaturbereich zwischen 25°C und ca. 85°C befindet sich die Änderung des Summenfarborts innerhalb eines 3-Schritt-MacAdam-Bereichs M3, der um einen gewünschten Zielfarbort auf der Planck-Kurve P zentriert ist. Bei 95°C befindet sich der Summenfarborts noch innerhalb eines 5-Schritt-MacAdam-Bereichs M5. Dies ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber einem LED-Modul ohne den Farbfilter, bei welchem sich bis zu 20 MacAdam-Schritte ergeben können.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Allgemein können die LED-Chips unbelegt von Leuchtstoff sein oder mit Leuchtstoff belegt sein. So mag der Farbfilter auch auf einem leuchtstoffbelegten oder konvertierenden LED-Chip angeordnet sein, z.B. auf einer Leuchtstoffschicht aufliegen.
Allgemein sind die genannten Zahlenangaben so zu verstehen, dass ungefähre Zahlenangaben, wie z.B. eingeleitet durch 'ca.', auch den genauen Wert umfassen können, also die Angabe ca. 620 nm auch die Angabe 620 nm umfasst, falls nicht anderes angegeben ist. Auch können genau angegebene Zahlenangaben einen Toleranzbereich um den genau angegebenen Wert umfassen, falls nicht anderes angegeben ist, so dass z.B. 620 nm auch als ca. 620 nm gelesen werden kann.
Bezugszeichenliste

11: LED-Modul
12: Substrat
13: InGaN-Chip
14: InGaAlP-Chip
15: Leuchtstoffplättchen
16: Farbfilter
A: Füllmaterial
cx: Farbkoordinate
cy: Farbkoordinate
D: Auftragung
λ: Wellenlänge
K: Keramischer Leuchtstoff
M3: 3-Schritt-MacAdam-Bereich
M5: 5-Schritt-MacAdam-Bereich
P: Planck-Kurve
S: Silikon
T: Temperatur
Tg: bauteilbedingter Transmissionsgrad

Claims

LED-Chip (14), auf welchem ein Farbfilter (16) aufgebracht ist, dessen Transmissionsgrad zumindest abschnittsweise mit zunehmender Wellenlänge (λ) zunimmt.
LED-Chip (14) nach Anspruch 1, wobei der LED-Chip ein InGaAlP-Chip (14) ist.
LED-Chip (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Farbfilter (16) ein Kantenfilter ist.
LED-Chip (14) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Farbfilter (16) ein Bandpassfilter ist.
LED-Chip (14) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Farbfilter (16) ein Bandstoppfilter ist.
LED-Chip (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Farbfilter (16) mindestens einen Absorptionsstoff (A) in Form eines IR-Licht abstrahlenden Leuchtstoffs aufweist.
LED-Chip (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Farbfilter (16) mindestens einen Absorptionsstoff in Form mindestens eines Pigments und/oder mindestens eines organischen Materials aufweist.
LED-Chip (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Farbfilter ein lichtdurchlässiges Grundmaterial mit einem darin eingebrachtem Streumaterial als Füllstoff aufweist und – ein Brechungsindex des Grundmaterials sich mit steigender Temperatur (T) einem Brechungsindex des Streumaterials annähert.
LED-Chip (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei – der Farbfilter ein lichtdurchlässiges Grundmaterial mit einem darin eingebrachtem Streumaterial als Füllstoff aufweist, – ein Brechungsindex des Grundmaterials sich mit steigender Temperatur (T) einem Brechungsindex des Streumaterials annähert und – der Farbfilter einen wellenlängenunabhängigen Absorptionsstoff aufweist.
LED-Chip (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Farbfilter ein reflektierender Filter ist.
LED-Chip (14) nach Anspruch 10, wobei der Farbfilter ein dielektrischer optischer Filter ist.
LED-Chip (14) nach Anspruch 11, wobei der Farbfilter mindestens einen photonischen Kristall aufweist, insbesondere mindestens einen dreidimensionalen Photonenkristall.
Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens einen LED-Chip (14, 16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Leuchtvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Leuchtvorrichtung mindestens einen andersartigen LED-Chip, insbesondere InGaN-LED-Chip (13), aufweist.
Leuchtvorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Transmissionsgrad (Tg) des Farbfilter (16) derart ausgestaltet ist, dass er eine Helligkeitsänderung des mindestens einen LED-Chips (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 an eine Helligkeitsänderung des mindestens einen andersartigen LED-Chips (13) anpasst.