DE102014213582A1

DE102014213582A1 - LED-Modul mit einer Mehrzahl LEDs

Info

Publication number: DE102014213582A1
Application number: DE102014213582.6A
Authority: DE
Inventors: Dennis Sprenger; Krister Bergenek; Andreas Biebersdorf; Ralph Wirth
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-01-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul (1) mit einem Träger (2), einer Mehrzahl LEDs (3) darauf und einem die LEDs (3) gemeinsam mit dem Träger (2) umschließenden Transmissionskörper (20, 22), welcher neben einer Oberseiten-Lichtaustrittsfläche (10) auch eine Randseiten-Lichtaustrittsfläche (11) zur Erhöhung der Auskoppeleffizienz aufweist, die sich im Wesentlichen parallel zu einer Schwerpunktrichtung (12) erstreckt und eine Höhenerstreckung von mindestens 200 µm hat, wobei die Randseiten-Lichtaustrittsfläche (10) gänzlich oberhalb einer sich senkrecht zur Schwerpunktrichtung (12) erstreckenden Halbraumebene (23) liegt und sich der Träger (2) gänzlich unterhalb der Halbraumebene (23) erstreckt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul mit einem Träger, auf dem eine Mehrzahl LEDs angeordnet sind.
Stand der Technik
Bei der Herstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten LED-Moduls mit einer Mehrzahl LEDs auf einem Träger werden diese gemeinsam vergossen, beispielsweise mit Silikon. Dazu wird üblicherweise nach dem Anordnen und elektrisch Kontaktieren der LEDs ein um die LEDs umlaufender Damm aus einem reflektiven Material aufgebracht. Dieser begrenzt zur Seite hin eine nach oben offene Kavität, die dann bis zur Höhe des Damms mit Silikon aufgefüllt wird. Neben dieser fertigungstechnischen Funktion wird durch die reflektiven Eigenschaften des Damms auch der Lichtstrom an der Lichtaustrittsfläche des Silikonvergusses, die den LEDs entgegengesetzt liegt, erhöht. Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes LED-Modul anzugeben.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe ein LED-Modul mit einem Träger, einer Mehrzahl LEDs, die auf dem Träger angeordnet und zur Emission von Licht um eine gemeinsame, nach der Lichtstärke gewichtet gebildete Schwerpunktrichtung ausgelegt sind, und einem Transmissionskörper, der mit einer Lichteintrittsfläche die LEDs kontaktiert und die LEDs gemeinsam mit dem Träger so umschließt, dass zumindest ein Großteil des LED-Lichts an der Lichteintrittsfläche in den Transmissionskörper eintritt und an einer Lichtaustrittsfläche des Transmissionskörpers wieder austritt, welche Lichtaustrittsfläche eine Oberseitenfläche und eine Randseitenfläche aufweist, wobei

– die Oberseitenfläche den LEDs entgegengesetzt liegt, sich gewinkelt zur Schwerpunktrichtung erstreckt und eine plane oder konvexe Form hat und
– die Randseitenfläche sich entlang der Schwerpunktrichtung erstreckt, und zwar um dem Betrag nach höchstens 45° gegenüber der Schwerpunktrichtung verkippt, und eine in der Schwerpunktrichtung genommene Höhenerstreckung von mindestens 200 µm hat,

Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs-, Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem der die LEDs bedeckende Silikonverguss nur den LEDs entgegengesetzt eine Oberseiten-Lichtaustrittsfläche hat, ist bei dem erfindungsgemäßen LED-Modul ferner die Randseiten-Lichtaustrittsfläche vorgesehen. Wie nachstehend weiter im Detail erläutert, kann diese von einem Transmissionskörper-Oberteil (der Einfachheit halber auch nur „Oberteil“) zur Verfügung gestellt werden, welches in der Schwerpunktrichtung an ein Transmissionskörper-Unterteil (der Einfachheit halber auch nur „Unterteil“) anschließt; letzteres ist vorzugsweise ein seitlich von einem Damm/Wall eingefasster Verguss wie für den Stand der Technik beschrieben.
Die Erfinder haben festgestellt, dass sich durch eine solche „überstehende“ Randseiten-Lichtaustrittsfläche mehr Licht auskoppeln lässt. Bei ansonsten gleichem Aufbau und gleicher LED-Bestückung ist also der an der Lichtaustrittsfläche eines erfindungsgemäßen LED-Moduls abgegebene Lichtstrom höher als im Vergleich zu einem LED-Modul nach dem Stand der Technik.
Der „Transmissionskörper“ kontaktiert die LEDs, berührt diese also, es gibt so also beispielsweise wenig Brechungsverluste am Übergang LED zu Transmissionskörper. Im Allgemeinen kann auch der Transmissionskörper im Gesamten durch Vergießen in einem Schritt angeformt sein, es sich also um ein monolithisches Teil handeln. „Monolithisch“ meint insofern ohne innere Materialgrenze zwischen unterschiedlichen Materialien bzw. denselben Materialien unterschiedlicher Herstellungsgeschichte (abgesehen von im Transmissionskörper statistisch verteilten Komponenten, wie beispielsweise Streupartikeln).
Die Randseiten-Lichtaustrittsfläche erhöht also die Auskoppeleffizienz. Um dann an der Randseiten-Lichtaustrittsfläche zur Seite hin abgegebenes Licht dem LED-Modul nachgelagert auch nutzen zu können, ist das LED-Modul im Übrigen derart ausgestaltet, dass die seitliche Lichtabgabe nicht blockiert wird, also das übrige LED-Modul die Randseiten-Lichtaustrittsfläche senkrecht zum Schwerpunktrichtung darauf blickend nicht verdeckt.
In diesem Kontext ist die „Halbraumebene“ eine Ebene zwischen einem oberen Halbraum, in welchen zumindest ein Großteil des Lichts, etwa mindestens 80%, 90% bzw. 95%, emittiert wird, und einem unteren rückseitigen Halbraum. Die Randseitenfläche liegt dann gänzlich in dem oberen Halbraum und der Träger gänzlich in dem unteren Halbraum – der Träger verdeckt die Randseiten-Lichtaustrittsfläche so also nicht zur Seite hin.
Neben der Orientierung senkrecht zur Schwerpunktrichtung und der eben dargestellten Unterteilungsfunktion (oberer/unterer Halbraum) unterliegt die Halbraumebene keiner weiteren Bedingung, es kann also im Falle einer zum Träger beabstandeten Randseiten-Lichtaustrittsfläche auch beliebig viele Halbraumebenen geben. Entscheidend ist, dass sich zumindest eine Halbraumebene zwischen der Randseiten-Lichtaustrittsfläche und dem Träger erstreckt und die beiden dabei nicht schneidet.
Ein entsprechend ausgestalteter Träger stellt ferner eine Anordnungsfläche für die LEDs zur Verfügung, im einfachsten Fall kann der Träger plattenförmig vorgesehen sein, es sich also um eine Trägerplatte handeln, etwa eine Leiterplatte. Der Träger kann also beispielsweise auch eine Leiterbahnstruktur zur elektrischen Kontaktierung der LEDs aufweisen. Die „auf“ dem Träger angeordneten LEDs berühren diesen nicht zwingend, sondern es findet sich vorzugsweise jeweils eine der LED-Montage dienende Fügeverbindungsschicht dazwischen. Bei den „LEDs“ kann es sich im Allgemeinen beispielsweise auch um zuvor, also vor der Montage auf dem Träger, bereits jeweils für sich gehäuste LED-Chips handeln. Vorzugsweise meint „LED“ jedoch den ungehäusten LED-Chip, der auf der Trägerplatte angeordnet und dann gemeinsam mit den übrigen LEDs gehäust ist, und zwar durch Aufbringen des Transmissionskörpers bzw. Transmissionskörper-Unterteils.
Die den LEDs entgegengesetzte „Oberseiten-Lichtaustrittsfläche“ hat in den Richtungen senkrecht zur Schwerpunktrichtung vorzugsweise eine Mindesterstreckung, die der Erstreckung der LED-Anordnung auf dem Träger entspricht; eine Projektion der LEDs in der Schwerpunktrichtung auf die Lichtaustrittsfläche soll dann vollständig in die Oberseiten-Lichtaustrittsfläche fallen. Besonders bevorzugt ist die Mindesterstreckung der Oberseiten-Lichtaustrittsfläche gleich der Erstreckung einer Anordnungsfläche des Trägers, auf welcher die LEDs angeordnet sind (und die beispielsweise von einem Damm/Wall eingefasst wird) und fällt die Projektion der Anordnungsfläche vollständig in die Oberseiten-Lichtaustrittsfläche (letztere kann aber auch größer sein, in Rede steht eine Mindesterstreckung).
Vorzugsweise gliedert sich die Lichtaustrittsfläche in Oberseiten- und Randseitenfläche (besteht sie also daraus) und grenzen die beiden in einer umlaufenden Kante aneinander, überlappen sie also nicht. Die Oberseiten-Lichtaustrittsfläche erstreckt sich gewinkelt zur Schwerpunktrichtung und kann beispielsweise in den Richtungen senkrecht dazu eine um ein Vielfaches, etwa mindestens das 2,5-, 5-, 7,5- oder 10-fache, größere Ausdehnung als in der Schwerpunktrichtung haben.
Die „Schwerpunktrichtung“ ist nach der Lichtstärke gewichtet gebildet, ergibt sich also als Mittelwert sämtlicher Richtungsvektoren, entlang derer die LEDs strahlen (dabei bleibt eine etwaige Strahlformung durch den nachgelagerten Transmissionskörper außer Betracht), wobei bei dieser Mittelwertbildung jeder Richtungsvektor mit der ihm zugehörigen Lichtstärke gewichtet wird. Mit der Schwerpunktrichtung und einem „Fußpunkt“ lässt sich den LEDs dann auch ein gemeinsamer Schwerpunktstrahl zuordnen; dessen Fußpunkt ist der gemeinsame Flächenschwerpunkt der Lichtabstrahlflächen der LEDs. Die Schwerpunktrichtung kann beispielsweise senkrecht auf eine Anordnungsfläche des Trägers stehen, auf welcher die LEDs angeordnet sind.
Die „Randseiten-Lichtaustrittsfläche“ kann sich gegenüber der Schwerpunktrichtung auch leicht geneigt erstrecken, sich also beispielsweise in Schwerpunktrichtung konusförmig etwas weiten oder zulaufen. Eine entsprechende Verkippung soll jedoch gering sein und dem Betrag nach in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 45°, 40°, 35°, 30°, 25°, 20°, 15°, 10°, 5° bzw. 3° betragen; besonders bevorzugt erstreckt sich die Randseiten-Lichtaustrittsfläche parallel zur Schwerpunktrichtung, und zwar weiter bevorzugt ausschließlich parallel dazu.
Die Verkippung zwischen Schwerpunktrichtung und Randseiten-Lichtaustrittsfläche wird jeweils zwischen der Schwerpunktrichtung und einer Tangente an die Randseiten-Lichtaustrittsfläche betrachtet, und zwar in einem jeweiligen Punkt der Randseiten-Lichtaustrittsfläche für jeweils die gegenüber der Schwerpunktrichtung am wenigsten verkippte Tangente.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Randseiten-Lichtaustrittsfläche um eine Rotationsfläche, die also zu einer Rotationsachse rotationssymmetrisch ist; besonders bevorzugt fällt die Rotationsachse mit dem vorstehend beschriebenen Schwerpunktstrahl zusammen. Gleiches gilt bevorzugt auch für die Oberseiten-Lichtaustrittsfläche (im Allgemeinen auch unabhängig von einer Rotationssymmetrie der Randseitenfläche, bevorzugt jedoch in Kombination damit).
Hinsichtlich der Auskoppeleffizienz hat sich eine gewisse Mindest-Höhenerstreckung der Randseiten-Lichtaustrittsfläche als vorteilhaft erwiesen, nämlich von mindestens 200 µm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 400 µm, 600 µm, 800 µm, 1000 µm, 1200 µm, 1400 µm, 1600 µm bzw. 1800 µm; mögliche Obergrenzen können beispielsweise bei höchstens 20 mm, 15 mm, 10 mm, 8 mm, 6 mm, 4 mm bzw. 3 mm liegen. Eine Begrenzung nach oben kann beispielsweise hinsichtlich einer insgesamt noch einigermaßen kompakten Bauweise von Interesse sein. Die „Höhenerstreckung“ wird in der Schwerpunktrichtung genommen.
Generell soll im Rahmen dieser Offenbarung die Bezugnahme auf „Ober-/Unterseite“, „oben/unten“ bzw. „oberhalb/unterhalb“ ein Bezugssystem innerhalb des LED-Moduls schaffen, die Schwerpunktrichtung weist nach oben. Die Angaben haben jedoch keine Implikation hinsichtlich einer späteren Montage des LED-Moduls, dieses kann etwa im Falle eines sogenannten Downlight-Moduls auch genau umgekehrt montiert sein, sodass die Schwerpunktrichtung in der Beleuchtungssituation dann nach unten weist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Transmissionskörper mehrteilig, wobei das die LEDs kontaktierende Transmissionskörper-Unterteil in direktem optischen Kontakt mit dem Transmissionskörper-Oberteil vorgesehen ist, welches die Lichtaustrittsfläche zur Verfügung stellt. Das Transmissionskörper-Unterteil kann beispielsweise von einem Damm/Wall seitlich begrenzt an die LEDs angeformt sein; das Transmissionskörper-Oberteil kann dann im Allgemeinen auch direkt an das Unterteil angeformt sein, etwa mithilfe eines Formwerkzeugs, das nach dem Vergießen entfernt wird. „Mehrteilig“ meint also, im Gegensatz zu monolithisch, mit einer inneren Materialgrenze. Vorzugsweise wird das Oberteil als zuvor für sich hergestelltes Teil auf das Unterteil gesetzt. In bevorzugter Ausgestaltung findet sich deshalb zwischen Ober- und Unterteil eine Zwischenschicht aus einem Zwischenmaterial. Im Allgemeinen könnte es sich dabei auch um ein allein der optischen Ankopplung dienendes Material handeln, vorzugsweise ist die Zwischenschicht jedoch eine Fügeverbindungsschicht, besonders bevorzugt eine Klebstoffschicht. Die Zwischenschicht hält dann also das Ober- am Unterteil und damit am übrigen LED-Modul. Die Zwischenschicht kann so vorteilhafterweise zugleich den strukturellen Zusammenhalt und den direkten optischen Kontakt herstellen.
Generell meint „direkter optischer Kontakt“, dass sich zwischen Ober- und Unterteil keine optisch wirksame Luft-Zwischenschicht findet, sondern vorzugsweise allenfalls ein Zwischenmaterial mit einem Brechungsindex n_ZW ≥ 1,2, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt ≥ 1,25, ≥ 1,3, ≥ 1,35 bzw. ≥ 1,45; mögliche Obergrenzen von n_ZW können beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 1,8, 1,75, 1,7, 1,65, 1,6, 1,55, 1,5 bzw. 1,45 liegen.
Indem Ober- und Unterteil in direktem optischen Kontakt vorgesehen sind, lassen sich Strahlbrechungen bzw. Reflexionsverluste beim Übergang vom Unter- zum Oberteil zumindest reduzieren, idealerweise weitgehend vermeiden; der Transmissionskörper ist trotz seines mehrteiligen Aufbaus optisch einheitlich, also einem monolithischen Teil im Wesentlichen vergleichbar. Demgegenüber kann der mehrteilige Aufbau jedoch beispielsweise in Fertigungshinsicht Vorteile bieten, weil sich beispielsweise von einem LED-Modul nach dem Stand der Technik ausgehend, also ohne substanziellen Eingriff in bestehende Fertigungsprozesse, ein erfindungsgemäßes LED-Modul durch Aufsetzen des Oberteils realisieren lässt. Ferner bietet der Ansatz auch eine gewisse Modularität, können also bedarfsweise verschiedene Oberteile für im Übrigen baugleiche LED-Module vorgesehen werden.
Nochmals zur optischen Ankopplung und dem Brechungsindex der Zwischenschicht: Die Brechungsindizes des Oberteil-Materials n_OT und des Unterteil-Materials n_UT liegen üblicherweise in einem Bereich 1,2 ≤ n_UT/n_OT ≤ 1,8, vorzugsweise 1,3 ≤ n_UT/n_OT ≤ 1,7, besonders bevorzugt 1,4 ≤ n_UT/n_OT ≤ 1,6. Durch einen wie vorstehend beschriebenen angepassten Brechungsindex des Materials der Zwischenschicht n_ZW lassen sich so also Reflexionen reduzieren und ein Effizienzverlust verringern. Vorzugsweise liegt der Brechungsindex des Materials der Zwischenschicht n_ZW entweder zwischen n_UT und n_OT oder ist n_ZW = n_UT und/oder n_ZW = n_OT. Hinsichtlich einer Minimierung von Reflexionsverlusten kann besonders bevorzugt sein: n_UT ≤ n_ZW ≤ n_OT.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Transmissionskörper im Gesamten transparent, sind also etwa im Falle des mehrteiligen Aufbaus sowohl das Unter- als auch das Oberteil (und eine gegebenenfalls vorhandene Zwischenschicht) transparent. „Transparent“ meint durchsichtig, es sollen also beispielsweise mindestens 60%, bevorzugt mindestens 70% bzw. 80%, des von den LEDs emittierten Lichts den Transmissionskörper streufrei durchsetzen, also nicht diffus gestreut werden. Eine Lichtmischung kann dann dem LED-Modul nachgelagert erfolgen, etwa mit einer Streuscheibe.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Transmissionskörper in einem unteren Bereich transparent und in einem oberen Bereich diffus streuend, erfolgt also jedenfalls eine gewisse Lichtmischung bereits innerhalb des Transmissionskörpers. Im Falle eines mehrteiligen Transmissionskörpers ist vorzugsweise das Unterteil für sich im Gesamten transparent und das Oberteil für sich im Gesamten diffus streuend vorgesehen. Die diffus streuenden Eigenschaften sind bevorzugt durch eingebettete Streupartikel eingestellt, es können also beispielsweise Aluminiumoxid-Partikel in das Oberteil eingebettet und darin statistisch zufallsverteilt sein.
Im Falle der „diffusen Streuung“ sollen beispielsweise mindestens 80%, 90% bzw. 95% des den oberen Bereich (das Transmissionskörper-Oberteil) durchsetzenden Lichts vor dem Austritt diffus gestreut werden, besonders bevorzugt gilt dies für das gesamte Licht.
Im Allgemeinen könnte beispielsweise auch ein im Gesamten diffus streuender Transmissionskörper vorgesehen sein. Demgegenüber kann die Kombination aus transparentem unteren Bereich und diffus streuendem oberen Bereich jedoch einen Effizienzvorteil bieten: Ist zwischen den LEDs beispielsweise eine reflektive Schicht vorgesehen, kann dorthin zurückgestreutes Licht in der Regel besser, also effizienter, zur Lichtaustrittsfläche reflektiert werden als zurückgestreutes Licht, das auf die LED trifft. Anders ausgedrückt ist bei nicht auf die LED zurückgestreutem Licht die Wahrscheinlichkeit größer, dass es dann letztlich doch noch ausgekoppelt wird. Indem nun der untere Bereich transparent ist, beginnt der diffus streuende Bereich erst in einem gewissen Abstand zu den LEDs. Der von einer LED emittierte Lichtkegel trifft also entsprechend aufgeweitet auf den diffus streuenden Bereich, und es ist dementsprechend die Wahrscheinlichkeit größer, dass zurückgestreutes Licht nicht auf die LED, sondern daneben auftrifft.
Wird die Lichtausbeute unterschiedlicher Aufbauten verglichen, muss auch berücksichtigt werden, ob bzw. in welchem Umfang eine Lichtmischung erfolgt. So ist beispielsweise im Falle eines im Gesamten transparenten Transmissionskörpers die Lichtausbeute in der Regel per se höher als im Falle eines Transmissionskörpers mit Streuung, erfolgt im erstgenannten Fall aber eben auch keine Lichtmischung. Der Vorteil eines LED-Moduls mit „integrierter“ Lichtmischung kann beispielsweise darin bestehen, dass dann dem LED-Modul nachgelagert keine bzw. weniger Lichtmischmittel (Streuscheibe etc.) vorgesehen sein müssen, was etwa hinsichtlich der Kosten bzw. eines kompakten Aufbaus von Interesse sein kann.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist eine sich ausschließlich parallel zur Schwerpunktrichtung erstreckende Randseiten-Lichtaustrittsfläche bevorzugt. Es lässt sich so nämlich mit einer vergleichsweise einfachen Geometrie, die etwa fertigungstechnisch Vorteile bietet, gleichwohl die Auskoppeleffizienz erhöhen. Besonders bevorzugt hat die Randseiten-Lichtaustrittsfläche die Form einer Zylindermantelfläche, wobei die Zylinderachse weiter bevorzugt mit dem Schwerpunktstrahl zusammenfällt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Oberseiten-Lichtaustrittsfläche plan, also eben, und erstreckt sich senkrecht zur Schwerpunktrichtung. Besonders bevorzugt hat die Oberseitenfläche die Form einer Kreisscheibe, deren Kreismittelpunkt weiter bevorzugt von dem Schwerpunktstrahl durchsetzt wird. In bevorzugter Ausgestaltung kann als Transmissionskörper-Oberteil also ein flacher Zylinder vorgesehen sein. Dabei grenzen die Randseiten-Lichtaustrittsfläche und die Oberseiten-Lichtaustrittsfläche dann in einer kreisförmig umlaufenden Kante aneinander.
Vorzugsweise grenzt der Transmissionskörper in einem unteren Bereich seitlich an einen nicht transmissiven Wall, und zwar vorzugsweise umlaufend. Bevorzugt ist als Wall ein gesondert auf den Träger aufgebrachter Damm, an dessen den LEDs proximale Flanke der Transmissionskörper grenzt; die den LEDs distale Flanke des Damms, die zum Träger hin abfällt, ist üblicherweise zu einer bzw. den Seitenkanten des Trägers beabstandet. Der Wall/Damm ist „nicht transmissiv“, vorzugsweise ist er reflektiv, beispielsweise aufgrund in das Volumenmaterial eingebetteter Reflexionspartikel.
Die Erfindung betrifft auch eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem LED-Modul und einem Reflektor, dessen Reflexionsfläche sich gewinkelt zur Schwerpunktrichtung erstreckt; sie soll zumindest einen Teil des an der Randseiten-Lichtaustrittsfläche abgegebenen Lichts derart reflektieren, dass eine Richtungskomponente in Schwerpunktrichtung verstärkt wird. Infolge der Reflexion soll also von dem LED-Modul zur Seite hin abgegebenes Licht, welches eben die Auskoppeleffizienz erhöht, nach vorne reflektiert und „gemeinsam“ mit dem an der Oberseiten-Lichtaustrittsfläche um den Schwerpunktstrahl abgegebenen Licht in einer Beleuchtungsanwendung nutzbar sein. Die sich gewinkelt erstreckende Reflexionsfläche kann beispielsweise konusförmig sein oder die Form eines elliptischen Paraboloids oder Ellipsoids haben (abschnittweise).
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines vorliegend offenbarten LED-Moduls, wobei zumindest ein unterer Bereich des Transmissionskörpers durch Vergießen der LEDs mit Vergussmaterial, beispielsweise Silikon, aufgebracht wird; vorzugsweise erfolgt dies nach dem Aufbringen eines um die LEDs umlaufenden Damms. Im Allgemeinen könnte auch der gesamte Transmissionskörper in einem Schritt gegossen werden, vorzugsweise wird jedoch zunächst das Transmissionskörper-Unterteil gegossen und wird dann weiter bevorzugt das Transmissionskörper-Oberteil als zuvor für sich hergestelltes Teil aufgesetzt und beispielsweise über eine Fügeverbindungsschicht mit dem Unterteil verbunden. Es wird auch auf die vorstehende Offenbarung verwiesen.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines vorliegend offenbarten LED-Moduls, bei welcher zumindest ein Großteil des an der Randseiten-Lichtaustrittsfläche abgegebenen Lichts einer Beleuchtungsanwendung zugeführt wird, also dann Teil des zur Beleuchtung genutzten Lichtkegels ist. „Zumindest ein Großteil“ meint beispielsweise mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 80%, weiter bevorzugt mindestens 90%, des an der Randseiten-Lichtaustrittsfläche abgegebenen Lichts.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt
1A ein LED-Modul ohne Randseiten-Lichtaustrittsfläche in einem schematischen Schnitt;
1B ein erfindungsgemäßes LED-Modul mit Randseiten-Lichtaustrittsfläche in einem schematischen Schnitt;
1C ein weiteres erfindungsgemäßes LED-Modul mit Randseiten-Lichtaustrittsfläche in einem schematischen Schnitt;
2 ein LED-Modul, das jenem gemäß 1C vergleichbar ist, in einer Schrägansicht von oben;
3 einen Vergleich der Lichtausbeute von LED-Modulen mit akzeptabler Lichtmischung;
4 einen Vergleich der Lichtausbeute von LED-Modulen mit guter Lichtmischung;
5 einen Vergleich der Lichtausbeute von LED-Modulen ohne Lichtmischung.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung
1A zeigt ein LED-Modul 1, also auf einem Träger 2 angeordnete LEDs 3. Bei den LEDs 3 handelt es sich um LED-Chips, und diese sind gemeinsam vergossen. Dazu ist auf den Träger 2 um die LEDs 3 umlaufend ein Damm 4 aufgebracht und mit Silikon als Vergussmaterial aufgefüllt. Das Vergussmaterial ist in diesem Fall zweischrittig aufgebracht, nämlich in einem unteren Bereich (an die LEDs 3 grenzend) transparentes Silikon und darauf eine Schicht diffus streuenden Silikons, in welches also Streupartikel eingebettet sind, nämlich Aluminiumoxid-Partikel. Dieser zweischichtige Aufbau kann gegenüber einem durchgehend diffus streuenden Verguss Effizienzvorteile bieten, die auch von dem Grad der Lichtmischung abhängen. Im Falle einer „akzeptablen“ Lichtmischung ist dieser Effizienzvorteil eher gering, was der Vergleich der Balken A und B in 3 illustriert (wie bei den 4 und 5 auch, handelt es sich hierbei um Simulationsergebnisse). Verglichen wird hier der im Gesamten von einem jeweiligen LED-Modul 1 abgegebene Lichtstrom, wobei der Balken B einem LED-Modul 1 gemäß 1A entspricht. Der Balken A stellt die Referenz dar, nämlich ein LED-Modul 1 mit einem durchgehenden diffus streuenden Verguss; durch den zweischichtigen Aufbau (B) lässt sich die Lichtausbeute in diesem Fall um 1% erhöhen.
Im Gegensatz zu 3 ist im Falle der 4 zugrunde liegenden LED-Module 1 eine stärkere Streuung eingestellt, ist die mit den beiden LED-Modulen 1 jeweils erreichte Lichtmischung also dementsprechend nicht nur akzeptabel, sondern „gut“. Wie sich die „akzeptable“ von der „guten“ Lichtmischung im Detail unterscheidet, kann vorliegend dahinstehen. Maßgeblich ist, dass dann jeweils für sich (also bei „gut“ oder „akzeptabel“) die Anforderungen dieselben sind, die LED-Module 1 also unter denselben Bedingungen verglichen werden. 4 illustriert nun, dass der mit dem zweischichtigen Aufbau (B) mögliche Effizienzgewinn zunimmt, wenn eine stärkere Lichtmischung erforderlich ist. Im Falle der „guten“ Lichtmischung liegt der Effizienzgewinn bei rund 11%.
Bei den in den 1B und 1C gezeigten erfindungsgemäßen LED-Modulen 1 ist zusätzlich zu einer Oberseiten-Lichtaustrittsfläche 10 auch jeweils eine Randseiten-Lichtaustrittsfläche 11 vorgesehen. Im Gegensatz dazu ist bei dem LED-Modul 1 gemäß 1A das Vergussmaterial von dem Damm 4 gänzlich zur Seite hin abgedeckt.
Die Randseiten-Lichtaustrittsfläche 11 erstreckt sich parallel zur Schwerpunktrichtung 12. Bevor nachstehend Aufbau und Herstellung der erfindungsgemäßen LED-Module 1 weiter im Detail erläutert werden, wird nun zunächst anhand der 3 und 5 der Effizienzgewinn diskutiert, der sich mit der Randseiten-Lichtaustrittsfläche 11 erzielen lässt.
Wie bereits erwähnt, illustriert 3 die Lichtausbeute unterschiedlicher LED-Module 1 bei für die verschiedenen LED-Module 1 gleicher („akzeptabler“) Lichtmischung. Die Balken A und B entsprechen LED-Modulen 1 ohne Randseiten-Lichtaustrittsfläche 11 (siehe vorne), der Balken C entspricht dem LED-Modul 1 gemäß 1B. Durch die erfindungsgemäße Anordnung mit der Randseiten-Lichtaustrittsfläche 11 lässt sich also ein Effizienzgewinn von rund 16% gegenüber dem ebenfalls zweischichtigen Aufbau (B) ohne Randseiten-Lichtaustrittsfläche 11 erzielen.
5 illustriert den mit einem erfindungsgemäßen LED-Modul 1 gemäß 1C möglichen Effizienzgewinn. In diesem Fall ist das Vergussmaterial im Gesamten transparent, erfolgt im LED-Modul 1 also keine Lichtmischung durch diffuse Streuung. Als Referenz (Balken A) ist in diesem Fall deshalb auch ein durchgehender Klarverguss vorgesehen, der aber eben über seine gesamte Höhe von einem Damm 4 begrenzt wird (analog zu der Ausführungsform gemäß 1A, jedoch mit transparentem oberen Bereich). Der sich durch die erfindungsgemäße Anordnung mit Randseiten-Lichtaustrittsfläche 11 ergebende Effizienzgewinn liegt bei rund 12%.
Zusammengefasst illustrieren die 3 bis 5 also zunächst, dass ein zweischichtiger Aufbau (transparent/diffus streuend) einen Effizienzvorteil bieten kann, der aber in Abhängigkeit von der erforderlichen Lichtmischung (diffusen Streuung) auch eher gering ausfallen kann. Demgegenüber ist der Effizienzgewinn, der sich durch das Vorsehen einer Randseiten-Lichtaustrittsfläche 11 erreichen lässt, auch dann deutlich ausgeprägt, wenn nur eine geringe („akzeptable“) Lichtmischung erforderlich ist (3) bzw. selbst, wenn keine Lichtmischung durch Streuung erfolgt (5).
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 1 werden zunächst die LEDs 3 auf dem Träger 2, beispielsweise einer Leiterplatte, angeordnet und elektrisch angeschlossen. Die LEDs können beispielsweise über Bonddrähte miteinander und mit einer Leiterbahnstruktur der Leiterplatte verbunden sein (der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt).
Nach dem Anordnen und elektrisch Kontaktieren der LEDs 3 wird dann um diese umlaufend der Damm 4 auf den Träger 2 aufgebracht. Der Damm 4 begrenzt zur Seite hin eine nach oben offene Kavität, welche mit transparentem Vergussmaterial aufgefüllt wird; dieses bildet ein Transmissionskörper-Unterteil 20. Das Transmissionskörper-Unterteil 20 berührt die LEDs 3, das von den LEDs 3 emittierte Licht kann über eine Lichteintrittsfläche 21 in den Transmissionskörper eintreten.
Bis zu diesem Schritt unterscheiden sich die beiden LED-Module 1 gemäß den 1B und C nicht, es wird dann jedoch ein jeweilig unterschiedliches Transmissionskörper-Oberteil 22 aufgesetzt. Im Falle des LED-Moduls 1 gemäß 1B ist das Transmissionskörper-Oberteil 22 mit Streupartikeln versetzt, sodass in dem LED-Modul 1 dann eine Lichtmischung durch Streuung erfolgt. Demgegenüber ist das Transmissionskörper-Oberteil 22 des LED-Moduls 1 gemäß 1C transparent, wird das von dem LED-Modul 1 gemäß 1C emittierte Licht also nicht durch Streuung gemischt (jedenfalls nicht bereits im LED-Modul 1).
Die Transmissionskörper-Oberteile 22 werden jeweils als Silikongussteile in einer gesonderten Form hergestellt und dann im gehärteten Zustand auf das jeweilige Transmissionskörper-Unterteil 20 gesetzt. Ein jeweiliges Transmissionskörper-Oberteil 22 wird dazu auf das jeweilige Transmissionskörper-Unterteil 20 geklebt, vorliegend mittels eines Silikon-Klebstoffs.
Die Randseitenfläche 11 hat in den vorliegenden Beispielen eine Höhenerstreckung von 2 mm und liegt gänzlich oberhalb einer Halbraumebene 23. Der Träger 2 erstreckt sich gänzlich unterhalb der Halbraumebene 23 und schattet so mittels der Randseiten-Lichtaustrittsfläche 11 zusätzlich ausgekoppeltes Licht nicht ab.
2 zeigt ein jenem gemäß 1C vergleichbares LED-Modul 1 in einer Ansicht von schräg oben, wobei der Transmissionskörper 20, 22 nur gestrichelt angedeutet ist (und das Transmissionskörper-Oberteil 22 im Gegensatz zu dem LED-Modul 1 gemäß 1C nicht auch auf dem Damm 4 aufliegt). Gleichwohl verdeckt der Damm 4, 3 nur das Transmissionskörper-Unterteil 20 zur Seite hin, das Transmissionskörper-Oberteil 22 mit der Randseiten-Lichtaustrittsfläche 11 liegt frei.

Claims

LED-Modul (1) mit einem Träger(2), einer Mehrzahl LEDs (3), die auf dem Träger (2) angeordnet und zur Emission von Licht um eine gemeinsame, nach der Lichtstärke gewichtet gebildete Schwerpunktrichtung (12) ausgelegt sind, und einem Transmissionskörper (20, 22), der mit einer Lichteintrittsfläche (21) die LEDs (3) kontaktiert und die LEDs (3) gemeinsam mit dem Träger (2) so umschließt, dass zumindest ein Großteil des LED-Lichts an der Lichteintrittsfläche (21) in den Transmissionskörper (20, 22) eintritt und an einer Lichtaustrittsfläche (10, 11) des Transmissionskörpers (20, 22) wieder austritt, welche Lichtaustrittsfläche (10, 11) eine Oberseitenfläche (10) und eine Randseitenfläche (11) aufweist, wobei – die Oberseitenfläche (10) den LEDs (3) entgegengesetzt liegt, sich gewinkelt zur Schwerpunktrichtung (12) erstreckt und eine plane oder konvexe Form hat und – die Randseitenfläche (11) sich entlang der Schwerpunktrichtung (12) erstreckt, und zwar um dem Betrag nach höchstens 45° gegenüber der Schwerpunktrichtung (12) verkippt, und eine in der Schwerpunktrichtung (12) genommene Höhenerstreckung von mindestens 200 µm hat, und wobei ferner die Randseitenfläche (11) gänzlich oberhalb einer sich senkrecht zur Schwerpunktrichtung (12) erstreckenden Halbraumebene (23) liegt und sich der Träger (2) gänzlich unterhalb der Halbraumebene (23) erstreckt.
LED-Modul (1) nach Anspruch 1, bei welchem der Transmissionskörper (20, 22) mehrteilig vorgesehen ist, wobei ein Transmissionskörper-Unterteil (20) die Lichteintrittsfläche (21) aufweist und ein Transmissionskörper-Oberteil (22), das in direktem optischen Kontakt mit dem Transmissionskörper-Unterteil (20) vorgesehen ist, die Lichtaustrittsfläche (10, 11) zur Verfügung stellt.
LED-Modul (1) nach Anspruch 2, bei welchem zwischen dem Transmissionskörper-Unterteil (20) und dem Transmissionskörper-Oberteil (22) eine Zwischenschicht angeordnet ist.
LED-Modul (1) nach Anspruch 3, bei welchem die Zwischenschicht eine Fügeverbindungsschicht, vorzugsweise eine Klebstoffschicht, ist, welche das Transmissionskörper-Oberteil (22) am Transmissionskörper-Unterteil (20) und damit dem übrigen LED-Modul (1) hält.
LED-Modul (1) nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem die Zwischenschicht einen Brechungsindex n_zw hat, das Transmissionskörper-Unterteil (20) einen Brechungsindex n_UT hat, und das Transmissionskörper-Oberteil (22) einen Brechungsindex n_OT hat, wobei n_zw gleich zumindest einem der Brechungsindizes n_UT und n_OT ist oder zwischen den Brechungsindizes n_UT und n_OT liegt.
LED-Modul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Transmissionskörper (20, 22) im Gesamten transparent ist.
LED-Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Transmissionskörper (20, 22) in einem unteren Bereich (20), der die Lichteintrittsfläche (21) aufweist, transparent ist und in einem oberen Bereich (22) mit der Lichtaustrittsfläche (10, 11) diffus streuend ist.
LED-Modul (1) nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welchem das Transmissionskörper-Unterteil (20) transparent und das Transmissionskörper-Oberteil (22) diffus-streuend ist.
LED-Modul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem sich die Randseitenfläche (11) ausschließlich parallel zur Schwerpunktrichtung (12) erstreckt.
LED-Modul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Oberseitenfläche (10) plan ist und sich senkrecht zur Schwerpunktrichtung (12) erstreckt.
LED-Modul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Transmissionskörper (20, 22) in einem unteren Bereich (20), der die Lichteintrittsfläche (21) aufweist, seitlich an einen nicht-transmissiven Wall (4) grenzt.
Beleuchtungsvorrichtung mit einem LED-Modul (1) und einem Reflektor, der eine Reflexionsfläche zur Verfügung stellt, die sich gewinkelt zur Schwerpunktrichtung erstreckt.
Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem zumindest ein unterer Bereich (20) des Transmissionskörpers (20, 22), welcher untere Bereich (20) die Lichteintrittsfläche (21) aufweist, durch Vergießen der LEDs (3) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13 zum Herstellen eines LED-Moduls (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, optional auch in Verbindung mit einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei das Transmissionskörper-Unterteil (20) als der untere Bereich durch Vergießen der LEDs (3) aufgebracht wird und dann das Transmissionskörper-Oberteil (22) als zuvor für sich hergestelltes Teil auf das Transmissionskörper-Unterteil (20) gesetzt wird.
Verwendung eines LED-Moduls (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder einer Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher Verwendung das LED-Modul (1) an der Randseitenfläche (11) Licht abgibt und zumindest ein Großteil des dort abgegebenen Lichts einer Beleuchtungsanwendung zugeführt wird.