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Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung mit einem Schaltungsträger – etwa einer Platine – und zumindest einer auf dem Schaltungsträger angeordneten optischen Diode – insbesondere Leuchtdiode (LED) oder Photodiode –, welche eine von dem Schaltungsträger abgewandte Lichtdurchgangsseite aufweist, über welche Licht von der Diode abstrahlbar oder aufnehmbar ist, wobei an der Lichtdurchgangsseite ein elektrisches Anschlusselement zum Anschließen der Diode bereitgestellt ist, welches über ein elektrisches Verbindungselement an ein Kontaktelement auf dem Schaltungsträger elektrisch gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Diodenmodul mit einer derartigen Schaltungsanordnung, wie auch eine Diode, insbesondere eine LED oder eine Photodiode.
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Schaltungsanordnungen mit Dioden sind bereits aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. Vorliegend richtet sich das Interesse auf ein Diodenmodul bzw. eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von LEDs, welche als Lichtquellen verwendet werden. Solche Diodenmodule können beispielsweise als Leuchten für Kraftfahrzeuge, als Lampen oder dergleichen eingesetzt werden. Andererseits gilt das Interesse vorliegend auch einem Diodenmodul mit einer Vielzahl von Photodioden – beispielsweise Avalanche-Photodioden –, welche als Lichtdetektoren verwendet werden. Ein derartiges Diodenmodul kann zum Beispiel in einem optischen Sensor eingesetzt werden, bei welchem mittels eines Senders Licht – beispielsweise Laser – ausgegeben wird und der an einem Objekt reflektierte Lichtstrahl durch die Photodioden wieder empfangen wird. Solche optischen Sensoren können beispielsweise ebenfalls bei Kraftfahrzeugen Verwendung finden.
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Unabhängig davon, ob es sich bei der Diode um eine LED oder aber eine Photodiode handelt, besitzt die Diode eine transparente Lichtdurchgangsseite, über welche das Licht von der Diode abgegeben oder aber durch die Diode empfangen wird. Die als SMD-Bauteile ausgebildeten Dioden werden auf dem Schaltungsträger so angeordnet, dass die Lichtdurchgangsseiten der Dioden von dem Schaltungsträger abgewandt sind bzw. in Richtung von dem Schaltungsträger weg zeigen. An der Lichtdurchgangsseite ist üblicherweise eine elektrische Anschlussfläche angeordnet, über welche die Diode mit anderen Bauelementen elektrisch verbunden werden kann. Handelt es sich bei der Diode um eine LED, so wird die Diode über die Anschlussfläche (Anschlusselement) mit elektrischer Energie versorgt. Ist die Diode hingegen eine Photodiode, so kann an dem Anschlusselement die von der Diode erzeugte elektrische Spannung abgegriffen werden. Das an der Lichtdurchgangsseite angeordnete Anschlusselement ist üblicherweise über eine elektrische Verbindung mit einem auf dem Schaltungsträger befindlichen Kontaktelement und hierdurch über Leiterbahnen mit anderen Bauteilen elektrisch gekoppelt.
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Eine solche, aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung ist in 1 näher dargestellt. Auf einem Schaltungsträger 1 befindet sich eine optische Diode 2, nämlich eine LED oder aber eine Photodiode. Die Diode 2 hat eine Lichtdurchgangsseite 3, über welche das Licht abgestrahlt bzw. empfangen wird, nämlich je nachdem, ob die Diode 2 eine LED oder eine Photodiode ist. An der Lichtdurchgangsseite 3 ist ein elektrisches Anschlusselement 4 bereitgestellt, welches eine metallische Anschlussfläche zum Anschließen der Diode 2 darstellt. Das Anschlusselement 4 ist über ein elektrisches Verbindungselement 5 mit einem Kontaktelement 6 auf dem Schaltungsträger 1 elektrisch gekoppelt. Das Verbindungselement 5 ist im Stand der Technik als Bonddraht ausgebildet bzw. in Drahtbond-Technologie hergestellt. Die Schaltungsanordnung gemäß 1 hat grundsätzlich zwei wesentliche Nachteile: Zum einen ist das Verbindungselement 5 aufgrund der verwendeten Drahtbond-Technik relativ hoch, sodass die Bereitstellung eines besonders flachen und kompakten Diodenmoduls nicht möglich ist. Zum anderen geht aufgrund der verwendeten Materialien des Anschlusselements 4 und des Verbindungselements 5 ein nicht unerheblicher Anteil des in der Diode 2 erzeugten bzw. des einfallenden Lichts durch die Abschattung des Anschlusselements 4 und des Verbindungselements 5 verloren. Aufgrund des Lichtverlusts ist somit auch der Wirkungsgrad der gesamten Schaltungsanordnung nicht optimal. Diese Problematik wird im Stand der Technik weiterhin dadurch verschärft, dass das Anschlusselement 4 einen größeren Oberflächenbereich der Lichtdurchgangsseite 3 der Diode 2 beansprucht, um einen homogenen Stromfluss gewährleisten zu können. Man hat somit im Stand der Technik mit einem Kompromiss zwischen der Stromverteilung einerseits und der Lichtverteilung andererseits zu tun.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung der Lichtverlust im Vergleich zum Stand der Technik reduziert und die Effizienz der Diode somit verbessert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung, durch ein Diodenmodul sowie durch eine Diode mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Eine lösungsgemäße elektronische Schaltungsanordnung umfasst einen Schaltungsträger sowie zumindest eine auf dem Schaltungsträger angeordnete optische Diode, insbesondere zumindest eine LED und/oder zumindest eine Photodiode. Die Diode ist insbesondere ein SMD-Bauteil bzw. in Form eines Chips bereitgestellt. Die Diode hat eine Lichtdurchgangsseite, über welche Licht von der Diode abstrahlbar oder aber aufnehmbar ist, nämlich abhängig davon, ob es sich bei der Diode um eine Leuchtdiode oder aber eine Photodiode handelt. An der Lichtdurchgangsseite ist ein elektrisches Anschlusselement bereitgestellt, welches über ein elektrisches Verbindungselement an ein Kontaktelement auf dem Schaltungsträger elektrisch gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verbindungselement und/oder das Anschlusselement aus transparentem Graphen gebildet ist/sind.
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Der Erfindung liegen mehrere Erkenntnisse zugrunde: Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass im Stand der Technik ein nicht unerheblicher Anteil des Lichts verloren geht und die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung nicht optimal ist. Die Erfindung basiert weiterhin auf der Erkenntnis, dass ein Anteil des Lichts im Stand der Technik deshalb verloren geht, weil das üblicherweise aus Kupfer gebildete elektrische Anschlusselement bzw. das Verbindungselement eine Abschattung der Lichtdurchgangsseite der Diode bewirken. Eine weitere Erkenntnis besteht darin, dass diese Nachteile des Stands der Technik dadurch umgangen werden können, dass das Anschlusselement und/oder das Verbindungselement aus einem transparenten und elektrisch leitfähigen Material gebildet werden. Die Erfindung macht sich dabei die Tatsache zunutze, dass diese beiden Eigenschaften das so genannte Graphen besitzt, also ein modifizierter Kohlenstoff mit zweidimensionaler Struktur. Bei dieser Struktur ist jedes Kohlenstoffatom von drei weiteren Atomen umgeben, wodurch sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet. Aufgrund der optischen Transparenz kann somit das Licht auch durch das Anschlusselement und/oder das Verbindungselement durchdringen, und der Lichtverlust ist minimal. Folglich kann somit auch der gesamte Wirkungsgrad der Diode und somit auch der Schaltungsanordnung auf ein Maximum gebracht werden. Die Erfindung macht sich außerdem eine weitere positive Eigenschaft des Graphen zunutze, nämlich eine besonders gute thermische Leitfähigkeit. Durch Verwendung des Graphen kann somit zusätzlich auch die Wärme von der Diode besonders gut abgeleitet und folglich auch eine in ihren thermischen Eigenschaften verbesserte Schaltungsanordnung geschaffen werden.
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Bevorzugt ist die zumindest eine Diode ein SMD-Bauteil bzw. eine SMD-Diode. Bei einer derartigen Diode ist das Anschlusselement insbesondere eine aus transparentem Graphen gebildete Anschlussfläche, welche an die interne Halbleiterstruktur der Diode angebunden ist.
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In einer Ausführungsform ist das elektrische Verbindungselement zwischen dem Anschlusselement der Diode einerseits und dem Kontaktelement auf dem Schaltungsträger andererseits in Planartechnik ausgebildet, nämlich derart, dass das Verbindungselement mit einer Oberfläche der Diode und/oder mit dem Schaltungsträger in Anlage gebracht ist. Ein solches flaches Verbindungselement sorgt für eine in Richtung senkrecht zum Schaltungsträger besonders kompakte Schaltungsanordnung und folglich auch für ein kompaktes Diodenmodul, bei welchem eine Optik relativ nahe an der zumindest einen Diode angeordnet sein kann. Anders als bei der bekannten Bonddraht-Technologie kann somit die Höhe der Schaltungsanordnung im Wesentlichen auf die Höhe der Bauteile – nämlich insbesondere auf die Höhe der Diode – begrenzt werden. Die planare Ausgestaltung des Verbindungselements hat außerdem insbesondere noch den Vorteil, dass somit die durch die Diode erzeugte Wärme besonders zuverlässig von der Diode abgeführt werden kann.
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Beispielsweise wird das aus Graphen gebildete Verbindungselement in einem Druckverfahren bzw. in Drucktechnologie gefertigt. Somit kann das Verbindungselement in Planartechnik besonders zuverlässig und wirkungsvoll realisiert werden.
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Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn das aus Graphen gebildete Anschlusselement eine Anschlussfläche ist, welche zumindest einen überwiegenden Flächenbereich der Lichtdurchgangsseite der Diode, beispielsweise auch die gesamte Lichtdurchgangsseite, abdeckt. Somit kann einerseits eine homogene Stromverteilung ermöglicht werden; andererseits wird somit die Lichtverteilung an der Diode auch nicht beeinträchtigt. Der im Stand der Technik als nachteilig angesehene Kompromiss zwischen der Lichtverteilung einerseits und der Stromverteilung andererseits ist bei dieser Ausführungsform folglich nicht mehr gegeben, weil die Stromverteilung optimiert werden kann, ohne dass die Lichtverteilung dabei negativ beeinflusst wird.
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In vorteilhafter Weise ist auch das Kontaktelement auf dem Schaltungsträger, welches über das Verbindungselement mit der Diode gekoppelt ist, aus transparentem Graphen gebildet. Diese Ausführungsform hat insbesondere Vorteile hinsichtlich der Wärmeableitung von der Diode. Weil die Materialwahl somit auch einheitlich mit dem Verbindungselement und/oder dem Anschlusselement an der Diode ist, ergeben sich zusätzlich noch Vorteile in der Fertigung.
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Auf dem Schaltungsträger kann zumindest eine Leiterbahn bereitgestellt sein, über welche das Kontaktelement mit einem anderen Kontaktelement auf dem Schaltungsträger, insbesondere mit einer anderen Diode und/oder mit einem Versorgungsanschluss, elektrisch gekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform kann die zumindest eine Leiterbahn ebenfalls aus transparentem Graphen gebildet sein. Auch diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Wärmeabfuhr im Vergleich zu Leiterbahnen aus einem anderen Material verbessert werden kann. Weil die Materialwahl außerdem einheitlich ist, können auch fertigungstechnische Vorteile beim Herstellen der Schaltungsanordnung erzielt werden.
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Wie bereits ausgeführt, kann die Diode eine LED (Light Emitting Diode) oder aber eine Photodiode sein.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Diodenmodul mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wobei auf dem Schaltungsträger eine Vielzahl von genannten Dioden angeordnet sind, welche elektrisch miteinander gekoppelt sind. Die Dioden können beispielsweise in Reihe miteinander geschaltet sein. Die Vielzahl von Dioden weisen insbesondere jeweils ein genanntes Anschlusselement auf, welches an der jeweiligen Lichtdurchgangsseite angeordnet ist. Insbesondere ist dabei das Anschlusselement jeder Diode aus Graphen gebildet. Bei jeder Diode ist außerdem bevorzugt vorgesehen, dass das jeweilige Anschlusselement über ein entsprechendes Verbindungselement mit einem auf dem Schaltungsträger liegenden Koppelelement verbunden ist, wobei insbesondere alle Verbindungselemente aus Graphen gebildet sind. Außerdem können alle vorhanden Leiternahnen aus Graphen gebildet sein. Sind die Dioden als LEDs bereitgestellt, so ergibt sich somit insgesamt ein LED-Modul, welches beispielsweise als Leuchte in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Sind die Dioden hingegen Photodioden, so kann ein derartiges Detektionsmodul besonders vorteilhaft bei Sensoren eingesetzt werden. Solche Sensoren können ebenfalls bei Fahrzeugen Verwendung finden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Diodenmodul sowohl Leuchtdioden als auch Photodioden beinhaltet.
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Bei dem Diodenmodul kann auch vorgesehen sein, dass über den Dioden eine Optik angeordnet ist, über welche das Licht abgegeben bzw. empfangen wird. Eine solche Optik kann zum Beispiel zumindest eine Linse aufweisen, mittels welcher der Lichtstrahl auf vorbestimmte Art und Weise geformt werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Diode, insbesondere eine Leuchtdiode oder eine Photodiode, weist eine Lichtdurchgangsseite auf, über welche Licht von der Diode abstrahlbar oder aufnehmbar ist. Die Diode weist außerdem ein elektrisches Anschlusselement auf, welches an der Lichtdurchgangsseite angeordnet ist und über welches die Diode an eine elektronische Schaltungsanordnung elektrisch anschließbar ist. Das Anschlusselement ist aus transparentem Graphen gebildet.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend – soweit anwendbar – auch für das erfindungsgemäße Diodenmodul sowie für die erfindungsgemäße Diode.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung eine Schnittansicht einer Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik; und
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2 in schematischer Darstellung eine Schnittansicht einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Eine in 2 dargestellte Schaltungsanordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet einen Schaltungsträger 12, welcher eine Platine bzw. Leiterkarte ist. Auf dem Schaltungsträger 12 sind eine Vielzahl von Dioden angeordnet, von denen in 2 lediglich eine einzige Diode 14 dargestellt ist. Die Dioden können beispielsweise in Reihe miteinander geschaltet sein.
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Obwohl nachfolgend lediglich auf die Ausgestaltung der gezeigten Diode 14 näher eingegangen wird, gilt die Beschreibung auch für alle anderen Dioden der Schaltungsanordnung 10.
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Die Diode 14 ist als SMD-Bauteil bzw. als „Chip“ ausgebildet und hat eine Unterseite 16, welche an dem Schaltungsträger 12 anliegt und somit dem Schaltungsträger 12 zugewandt ist. Die Unterseite 16 kann auch eine elektrische Massefläche aufweisen, welche mit einem Bezugspotential der Schaltungsanordnung 10 verbunden ist. Eine der Unterseite 16 gegenüberliegende Lichtdurchgangsseite 18 ist von dem Schaltungsträger 12 abgewandt.
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Die Diode 14 ist im Ausführungsbeispiel eine LED, welche zum Erzeugen von Licht ausgebildet ist. Die Diode 14 kann das Licht durch die Lichtdurchgangsseite 18 hindurch erzeugen, sodass eine bevorzugte Lichtaustrittsrichtung 20 senkrecht zu einer Oberfläche des Schaltungsträgers 12 orientiert ist.
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An der Lichtdurchgangsseite 18 ist ein Anschlusselement 22 bereitgestellt, welches eine elektrische Anschlussfläche darstellt. Über das Anschlusselement 22 kann die Diode 14 mit anderen Komponenten elektrisch verbunden werden, nämlich insbesondere mit anderen Dioden, einem elektrischen Anschluss oder dergleichen. Das Anschlusselement 22 ist über ein Verbindungselement 24 mit einem Kontaktelement 26 elektrisch verbunden, welches an dem Schaltungsträger 12 liegt. Über das Kontaktelement 26 kann die Diode 14 beispielsweise mit einer anderen Diode bzw. einer anderen Komponente gekoppelt sein. Dazu ist das Kontaktelement 26 über Leiterbahnen (hier nicht dargestellt) mit anderen Kontaktelementen und somit mit anderen Bauelementen verbunden. Das Kontaktelement 26 stellt also eine Anschlussfläche an dem Schaltungsträger 12 dar. Das Kontaktelement 26 ist somit allgemein zu verstehen; es kann auch einen Teil einer Leiterbahn bilden.
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Um nun eine Transparenz des Anschlusselements 22 und des Verbindungselements 24 für das Licht zu ermöglichen, sind das Verbindungselement 24 und das Anschlusselement 22 im Ausführungsbeispiel aus Graphen gebildet. Somit kann die gesamte Lichtdurchgangsseite 18 für die Übertragung des Lichts genutzt werden, und die Effizienz der Diode und somit der gesamten Schaltungsanordnung 10 kann auf ein Maximum gebracht werden.
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Bekanntlich weisen Leuchtdioden an der Oberseite bzw. an der Lichtdurchgangsseite 18 nicht nur ein kleines Anschlusselement 22 bzw. eine kleine Anschlussfläche auf, sondern es kann an der Lichtdurchgangsseite 18 eine größere Struktur aus einem elektrisch leitfähigen Material vorgesehen sein, um eine homogene Stromverteilung zu gewährleisten. Im Stand der Technik wird diese Struktur aus Kupfer gebildet, sodass ein Kompromiss zwischen der Lichtverteilung einerseits und der Stromverteilung andererseits getroffen werden musste. Nun kann vorgesehen sein, dass diese Struktur – und insbesondere auch die gesamte Lichtdurchgangsseite 18 – aus Graphen gebildet ist. Dies hat dann den Vorteil, dass einerseits eine homogene Stromverteilung ermöglicht wird und andererseits die Lichtverteilung nicht beeinträchtigt wird.
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Das Verbindungselement 24 ist außerdem – anders als bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 – in Planartechnik, und insbesondere in Drucktechnologie, hergestellt. Somit liegt das Verbindungselement 24 an dem Schaltungsträger 12 an, und gegebenenfalls über eine Isolierungsschicht 28. Außerdem liegt das Verbindungselement 24 auch an einer Seite der Diode 14 an.
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Neben dem Anschlusselement 22 und dem Verbindungselement 24 kann auch das Kontaktelement 26 sowie auch alle Leiterbahnen auf dem Schaltungsträger 12 aus transparentem Graphen gebildet sein. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die Bereitstellung der Leiterbahnen – insbesondere in Drucktechnologie – aus Graphen fertigungstechnisch günstiger als die bisher verwendete phototechnische Prozessierung und das Aufgalvanisieren von Leiterbahnen ist.
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Die Schaltungsanordnung 10, wie sie in 2 dargestellt ist, kann besonders vorteilhaft in einem LED-Modul eingesetzt werden. Bei einem derartigen LED-Modul sind eine Vielzahl von Dioden 14 vorhanden, welche insgesamt eine LED-Lampe ergeben. Bei einem solchen Modul kann über den Dioden 14 – also parallel zum Schaltungsträger 12 – eine Optik angeordnet sein, über welche das Licht ausgegeben wird. Aufgrund der verwendeten Planartechnologie kann diese Optik auch besonders nahe an den Dioden 14 liegen, sodass das LED-Modul mit einer besonders geringen Höhe ausgebildet werden kann.
