DE102018123884A1

DE102018123884A1 - LED-Flächenlichtquelle

Info

Publication number: DE102018123884A1
Application number: DE102018123884.3A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Wehrmeister; Andreas Rausch; Simon Schwalenberg; Karsten Diekmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-02-27
Also published as: WO2020043593A1

Abstract

Es wird eine LED-Flächenlichtquelle (10) beschrieben, umfassend eine Leiterplatte (3) und eine Vielzahl von LEDs (7), die auf der Leiterplatte (3) angeordnet sind, wobei- die LEDs (7) in einer Vielzahl von Segmenten (6) angeordnet sind, wobei die Segmente (6) jeweils mindestens eine LED (7) umfassen und durch lichtundurchlässige Trennwände (8) voneinander separiert sind, und- die Segmente (6) jeweils einen Diffusor (9) zur Streuung des von den LEDs (7) emittierten Lichts aufweisen.

Description

Die Anmeldung betrifft eine LED-Flächenlichtquelle, die beispielsweise für Anwendungen im Automotive-Bereich vorgesehen ist, insbesondere als Fahrzeug-Rückleuchte.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 120 867.7 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte LED-Flächenlichtquelle anzugeben, die sich insbesondere durch eine feine Segmentierung, einen hohen Kontrast sowie die Eignung zur Realisierung verschiedener Beleuchtungssituationen und zur Darstellung verschiedener Symbole auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch eine LED-Flächenlichtquelle gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die LED-Flächenlichtquelle eine Leiterplatte und eine Vielzahl von LEDs, die auf der Leiterplatte angeordnet sind. Die LED-Flächenlichtquelle ist insbesondere eine mehrfarbige LED-Flächenlichtquelle, die verschiedenfarbige LEDs enthält. Dies ermöglicht es, verschiedene Beleuchtungssituationen zu realisieren und/oder verschiedene Symbole darzustellen.
Die LEDs sind insbesondere lichtemittierende Halbleiterchips, die vorzugsweise auf anorganischen Halbleitermaterialien wie beispielsweise Arsenid-, Phosphid- oder Nitridverbindungshalbleitern basieren. Dies ermöglicht eine kostengünstige Realisierung der LED-Flächenlichtquelle. Bei den LEDs kann es sich um LED-Chips in einem LED-Gehäuse handeln, die mit dem LED-Gehäuse auf der Leiterplatte montiert sind. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die LEDs als LED-Chips ohne weiteres Gehäuse unmittelbar auf der Leiterplatte montiert sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der LED-Flächenlichtquelle sind die LEDs in einer Vielzahl von Segmenten angeordnet, wobei die Segmente jeweils mindestens eine LED umfassen und durch lichtundurchlässige Trennwände voneinander separiert sind. Jedes Segment kann eine oder mehrere LEDs enthalten. Es ist beispielsweise möglich, dass ausgewählte oder alle Segmente jeweils mindestens zwei oder mindestens drei LEDs verschiedener Farben enthalten, so dass diese Segmente dazu geeignet sind, Licht mit mindestens zwei oder mindestens drei verschiedenen Farben abzustrahlen. Es ist beispielsweise möglich, dass die LED-Flächenlichtquelle verschiedenfarbige LEDs der Farben Rot, Grün und Blau enthält, um einen Farbraum (inklusive Weiß) darstellen zu können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Segmente bei der LED-Flächenlichtquelle jeweils einen Diffusor zur Streuung des von den LEDs emittierten Lichts auf. Dadurch, dass zwischen den Segmenten lichtundurchlässige Trennwände angeordnet sind und die Segmente jeweils einen Diffusor aufweisen, wird vorteilhaft erreicht, dass die Segmente jeweils homogen leuchten und ein hoher Kontrast zwischen benachbarten Segmenten erzielt werden kann. Der Diffusor bewirkt insbesondere, dass das emittierte Licht der mindestens einen LED in dem jeweiligen Segment gestreut wird, so dass das Segment homogen ausgeleuchtet wird. Insbesondere sind die Lichtemissionsflächen der LEDs kleiner als die Grundfläche der Segmente, wobei der Diffusor dazu beiträgt, dass die Lichtemissionsflächen der LEDs beim Betrachten der LED-Flächenlichtquelle nicht als solche erkennbar ist, sondern das Segment insgesamt homogen ausgeleuchtet wird. Durch die lichtundurchlässigen Trennwände wird ein optisches Übersprechen (engl. cross talk) zwischen benachbarten Segmenten verhindert, d.h. das Licht eines Segments kann nicht in benachbarte Segmente überkoppeln. Die Segmente sind deshalb vorteilhaft scharf voneinander abgegrenzt, wobei der Kontrast nicht durch das Überkoppeln von Licht aus benachbarten Segmenten beeinträchtigt wird. Durch die lichtundurchlässigen Trennwände kann insbesondere auch der Diffusor der Segmente voneinander separiert werden, d.h. der Diffusor ist vorteilhaft analog zu den Segmenten strukturiert. Beispielsweise ist der Diffusor ein zwischen den lichtundurchlässigen Trennwänden eingefülltes Diffusormaterial, beispielsweise ein Silikonverguss mit darin enthaltenen Streupartikeln. Die lichtundurchlässigen Trennwände bilden somit eine optische Barriere sowohl für die direkte Strahlung der LEDs als auch für die innerhalb der Segmente gestreute Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung bilden die lichtundurchlässigen Trennwände ein Gitter aus. Die lichtundurchlässigen Trennwände können insbesondere durch ein zusammenhängendes Gitter gebildet sein. Die durch das Gitter gebildeten lichtundurchlässigen Trennwände definieren die Segmente der LED-Flächenlichtquelle. Das Gitter ist vorzugsweise einstückig ausgeführt. Insbesondere kann das Gitter ein separat herstellbares Bauteil sein, das vorteilhaft in einem Stück auf die Leiterplatte aufgesetzt ist, um auf diese Weise die lichtundurchlässigen Trennwände auszubilden. Der Aufwand für die Herstellung und die Montage der LED-Flächenlichtquelle ist somit vorteilhaft gering. Das Aufbringen des Gitters auf die Leiterplatte kann vor oder nach der Montage der LEDs auf die Leiterplatte erfolgen. Es ist beispielsweise möglich, dass das Gitter auf die Leiterplatte aufgeklebt wird, wobei vorzugsweise ein lichtundurchlässiger Klebstoff verwendet wird, so dass kein Licht die Grenzfläche zwischen der Leiterplatte und den Trennwänden durchdringen kann.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weisen die lichtundurchlässigen Trennwände eine Höhe zwischen einschließlich 1 mm und einschließlich 10 mm auf. Bevorzugt beträgt die Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände zwischen 2 mm und 7 mm, beispielsweise etwa 5 mm. Es hat sich herausgestellt, dass sich die Homogenität der Lichtabstrahlung der Segmente mit zunehmender Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände verbessert. Andererseits hat sich herausgestellt, dass eine Verringerung der Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände zu einer Verbesserung der Effizienz der LED-Flächenlichtquelle führen kann. Bei der Dimensionierung der Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände muss daher ein Kompromiss zwischen der Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung des Segments und der Effizienz erzielt werden. Ein guter Kompromiss wird vorteilhaft erzielt, wenn die Höhe der Trennwände zwischen 2 mm und 7 mm, bevorzugt zwischen 4 mm und 6 mm, beispielsweise etwa 5 mm beträgt.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung sind die lichtundurchlässigen Trennwände lichtreflektierend ausgebildet. Insbesondere können die lichtundurchlässigen Trennwände ein reflektierendes Metall wie beispielsweise Aluminium oder Silber aufweisen oder damit beschichtet sein. Die lichtreflektierenden Trennwände haben den Vorteil, dass auftreffende Lichtstrahlen reflektiert und abermals durch den Diffusor geleitet werden, bevor sie schließlich die LED-Flächenlichtquelle verlassen. Beispielsweise werden die lichtundurchlässigen Trennwände durch ein Gitter gebildet, das Aluminium aufweist oder daraus besteht. Das Gitter zeichnet sich in diesem Fall vorteilhaft durch eine hohe Reflexion, eine gute mechanische Stabilität und ein vergleichsweise geringes Gewicht aus. Es ist auch möglich, dass das Gitter, welches die lichtundurchlässigen Trennwände ausbildet, aus einem Kunststoff gebildet ist, der vorzugsweise weiß eingefärbt ist. Auf diese Weise kann beispielsweise eine gleichmäßige diffuse Reflexion aller Farben des sichtbaren Spektrums erzielt werden. Es ist weiterhin möglich, dass die lichtundurchlässigen Trennwände eine reflexionserhöhende Beschichtung aufweisen, beispielsweise eine Metallbeschichtung.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung beträgt die Anzahl der Segmente der LED-Flächenlichtquelle höchstens 100.000, bevorzugt höchstens 50.000 und besonders bevorzugt höchstens 10.000. Die Anzahl der Segmente ist somit geringer als die typische Anzahl der Pixel bei LED-Displays. Insbesondere handelt es sich bei der hier beschriebenen LED-Flächenlichtquelle nicht um ein herkömmliches LED-Display, sondern um eine segmentierte LED-Flächenlichtquelle, die beispielsweise die Rückleuchte eines Kraftfahrzeugs ausbildet. Die Anzahl der Segmente kann beispielsweise mindestens 100, mindestens 500 oder sogar mindestens 1000 betragen. Die Anzahl der Segmente ist in diesem Fall vorteilhaft hoch genug, um verschiedene Beleuchtungsoptionen zu bieten oder um insbesondere Symbole darstellen zu können.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weisen die Segmente eine Grundfläche von mindestens 2 mm² und bevorzugt von weniger als 4 cm² auf. Dies ermöglicht insbesondere die Darstellung von verschiedenen Symbolen, wenn auch die Auflösung geringer ist als bei hochauflösenden LED-Displays.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weisen die Segmente eine dreieckige Grundfläche auf. Alternativ sind aber auch andere Formen für die Grundfläche der Segmente denkbar. Die Segmente können insbesondere matrixartig angeordnet sein, beispielsweise in einer Anordnung aus einer Vielzahl von Zeilen und Spalten.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist der Diffusor ein Vergussmaterial, das Streupartikel enthält. Das Vergussmaterial kann insbesondere nach der Montage der LEDs auf die Leiterplatte und dem Aufbringen des Gitters, welches die lichtundurchlässigen Trennwände ausbildet, in einen durch die Trennwände begrenzten Hohlraum über den LEDs eingefüllt werden. Das Vergussmaterial kann insbesondere ein Silikon sein, das Streupartikel enthält. Die Streupartikel können insbesondere ein Metalloxid wie beispielsweise Al₂O₃ oder TiO₂ aufweisen. Die Konzentration der Streupartikel in dem Vergussmaterial beträgt vorzugsweise zwischen 0,05 Gew.-% und 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,1 Gew.-% und 0,3 Gew.-%.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist der Diffusor eine lichtstreuende Folie. Die lichtstreuende Folie kann Streupartikel enthalten und/oder eine lichtstreuende Oberflächenstruktur aufweisen. Die lichtstreuende Folie ist in Abstrahlrichtung oberhalb der LEDs angeordnet und kann beispielsweise das Gitter, welches die lichtundurchlässigen Trennwände ausbildet, bedecken oder zwischen den lichtundurchlässigen Trennwänden oberhalb der LEDs angeordnet sein. Die lichtstreuende Folie kann vorteilhaft segmentiert oder strukturiert sein, um Lichtübersprechung zwischen einzelnen Segmenten zu verhindern. Die Folie kann beispielsweise in Form von Schnipseln in den Segmenten liegen. Es ist weiterhin möglich, dass bei der Herstellung der lichtstreuenden Folie bereits lichtundurchlässige Trennwände entsprechend der Form der Segmente eingebracht werden. Es ist auch möglich, dass die lichtstreuende Folie lokal gestanzt oder gedünnt ist, um so den Lichttransfer zwischen Segmenten zumindest teilweise zu unterdrücken.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weist die LED-Flächenlichtquelle eine teilreflektierende Schicht auf, die über den lichtundurchlässigen Trennwänden angeordnet ist. Die teilreflektierende Schicht kann insbesondere auf das Gitter, welches die lichtundurchlässigen Trennwände ausbildet, aufgebracht sein. Die teilreflektierende Schicht ist vorzugsweise eine teilreflektierende Folie. Die teilreflektierende Schicht weist vorteilhaft einen Reflexionsgrad auf, der einerseits die Lichtemission nicht wesentlich behindert, aber andererseits von außen auftreffendes Licht derart reflektiert, dass die einzelnen LEDs und die Trennwände für einen Betrachter kaum wahrnehmbar sind. Der Reflexionsgrad der teilreflektierenden Schicht kann zum Beispiel mindestens 20%, mindestens 30% oder mindestens 40% und insbesondere höchstens 50%, höchstens 60% oder höchstens 70% betragen. Auf diese Weise wird insbesondere das Erscheinungsbild der LED-Flächenlichtquelle im ausgeschalteten Zustand positiv beeinflusst.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist die LED-Flächenlichtquelle zumindest teilweise gekrümmt. Eine zumindest teilweise gekrümmte Form der LED-Flächenlichtquelle ermöglicht insbesondere die Anpassung der Außenkontur der LED-Flächenlichtquelle an das Medium, in das die LED-Flächenlichtquelle eingebaut wird. Insbesondere kann die Form der LED-Flächenlichtquelle an die äußere Kontur eines Fahrzeugs angepasst sein, wenn die LED-Flächenlichtquelle beispielsweise als Rückleuchte vorgesehen ist.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist die Leiterplatte eine flexible Leiterplatte. Die Leiterplatte kann insbesondere eine flexible gedruckte Leiterplatte, die auch als Flex-PCB bezeichnet wird, sein. Die hohe Biegsamkeit eines Flex-PCB ermöglicht, verglichen mit starren Leiterplatten, eine hohe Flexibilität der Bauteilgeometrie (gekrümmt, gebogen, verdreht, versetzt). Weiterhin gilt anzumerken, dass Flex-PCBs aufgrund ihrer breiten Anwendung in der Elektronikindustrie sehr günstig sind. Einen ähnlichen Effekt könnte man mit MID-Bauteilen (Molded interconnected devices, Spritzgusskunstoffteile mit metallischen Leiterbahnen) oder gebogenen/geformten Metallkernplatinen ebenso realisieren. Dies wäre allerdings mit einem höheren Kostenaufwand verbunden. Die Verwendung einer flexiblen Leiterplatte ermöglicht insbesondere die zuvor erwähnte zumindest teilweise gekrümmte Form der LED-Flächenlichtquelle.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weist die Leiterplatte eine Steuerelektronik auf oder ist mit einer Steuerelektronik verbunden, die dazu eingerichtet ist, die LEDs einzeln oder gruppenweise anzusteuern. Es ist insbesondere vorgesehen, dass in Abhängigkeit vom zu realisierenden Beleuchtungszustand nicht alle LEDs der LED-Flächenlichtquelle gleichzeitig betrieben werden, sondern zumindest zeitweise nur einzelne LEDs oder Gruppen von LEDs, die nicht alle LEDs umfassen. Die Steuerelektronik kann außerhalb der LED-Flächenlichtquelle angeordnet sein oder auf der Leiterplatte integriert sein.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung enthält die LED-Flächenlichtquelle LEDs verschiedener Farben. Bevorzugt weisen einzelne Segmente jeweils mindestens zwei LEDs oder sogar mindestens drei LEDs verschiedener Farben auf. Es ist auch möglich, dass LEDs verschiedener Farben in verschiedenen Segmenten angeordnet sind. Die LEDs verschiedener Farben können insbesondere durch Halbleiterchips realisiert sein, die verschiedene Halbleitermaterialien aufweisen. Die LEDs können insbesondere Halbleiterchips sein, die auf III-V-Verbindungshalbleitermaterialien basieren.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist die LED-Flächenlichtquelle eine Fahrzeug-Rückleuchte. Die LED-Flächenlichtquelle kann insbesondere eine Kombinations-Rückleuchte (RCL, Rear Combination Lamp) sein, die mehrere verschiedene Beleuchtungsfunktionen aufweist. Vorzugsweise ist die Fahrzeug-Rückleuchte eine Kombinations-Rückleuchte, die mindestens die folgenden Funktionen aufweist: Rücklicht, Bremslicht und Blinklicht. Es ist möglich, dass die Fahrzeug-Rückleuchte zusätzlich zu diesen Funktionen weitere Funktionen aufweist, insbesondere die Möglichkeit zur Anzeige verschiedener Symbole. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Fahrzeug-Rückleuchte ein Warnsignal anzeigt. Im Fall eines Elektroautos ist es möglich, in die Rückleuchte eine Anzeigemöglichkeit für den Ladezustand oder eine Ladekontrollleuchte zu integrieren. Bei den verschiedenen Beleuchtungsfunktionen können unterschiedliche LEDs, insbesondere LEDs verschiedener Farben, oder unterschiedlich viele LEDs angesteuert werden, und/oder es können die LEDs zur Variation der Leuchtdichte mit verschiedenen Stromstärken betrieben werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 12 näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Beispiels einer LED-Flächenlichtquelle,
2A eine schematische Draufsicht auf das Gitter der LED-Flächenlichtquelle,
2B eine schematische Seitenansicht des Gitters,
3A eine schematische Draufsicht auf ein einzelnes Segment mit einer LED,
3B eine schematische Draufsicht auf ein einzelnes Segment mit zwei LEDs,
4 eine Detailansicht einer LED,
5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch zwei Segmente der LED-Flächenlichtquelle,
6 eine Draufsicht auf ein einzelnes Segment der LED-Flächenlichtquelle,
7 eine grafische Darstellung der Gleichmäßigkeit U und der Effizienz E in Abhängigkeit von der Höhe H der lichtundurchlässigen Trennwände,
8 ein Balkendiagramm, das die Gleichmäßigkeit und die Effizienz in Abhängigkeit von der Art und den Eigenschaften des Diffusors zeigt,
9 eine grafische Darstellung der Gleichmäßigkeit U und der Effizienz E in Abhängigkeit von der Höhe H der lichtundurchlässigen Trennwände für beispielhafte Segmente mit genau einer LED,
10 eine grafische Darstellung der Gleichmäßigkeit U und der Effizienz E in Abhängigkeit von der Höhe H der lichtundurchlässigen Trennwände für beispielhafte Segmente mit genau zwei LEDs,
11 ein Beispiel für ein mit der LED-Flächenlichtquelle darstellbares Symbol, und
12 ein weiteres Beispiel für ein mit der LED-Flächenlichtquelle darstellbares Symbol.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In den 1 bis 6 ist ein Beispiel der LED-Flächenlichtquelle 10 in verschiedenen Ansichten dargestellt. In dem dargestellten Beispiel ist die LED-Flächenlichtquelle 10 die Rückleuchte eines Fahrzeugs, insbesondere eines Autos.
Die 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht der LED-Flächenlichtquelle 10. Die LED-Flächenlichtquelle 10 umfasst eine Leiterplatte 3, auf der eine Vielzahl von LEDs angeordnet ist. Die LEDs auf der Leiterplatte 3 sind in 1 nicht sichtbar, da sie von der Seitenwand eines Gitters 4 verdeckt sind, das auf der Leiterplatte 3 angeordnet ist.
Bei der Leiterplatte 3 handelt es sich um eine flexible Leiterplatte, insbesondere um ein so genanntes Flex-PCB. Die Verwendung einer flexiblen Leiterplatte 3 hat den Vorteil, dass die LED-Flächenlichtquelle 10 zumindest bereichsweise eine gekrümmte Form aufweisen kann. Die LED-Flächenlichtquelle 10 kann einen Halter 1 aufweisen, der eine zumindest bereichsweise gekrümmte Oberfläche aufweist. Die Form des Halters 1 kann beispielsweise der äußeren Kontur eines Fahrzeugs angepasst sein. Die flexible Leiterplatte 3 ist auf dem Halter 1 angeordnet, wobei zwischen der flexiblen Leiterplatte 3 und dem Halter 1 eine Rückplatte 2, beispielsweise ein Metallblech, angeordnet sein kann.
Die flexible Leiterplatte 3 enthält die Leiterbahnen zur Kontaktierung der Vielzahl von LEDs. Die flexible Leiterplatte 3 kann mit einer Steuerelektronik verbunden sein, die dazu eingerichtet ist, verschiedene Beleuchtungsfunktionen mit der LED-Flächenlichtquelle 10 zu realisieren. Es ist möglich, dass die Steuerelektronik oder Teile davon auf der flexiblen Leiterplatte 3 integriert sind.
Über der flexiblen Leiterplatte 3 mit den darauf angeordneten LEDs ist bei der LED-Flächenlichtquelle 10 ein Gitter 4 angeordnet, das in 2A in einer Draufsicht und in 2B in einer Seitenansicht dargestellt ist. Das Gitter 4 weist eine Gitterstruktur auf, welche die LED-Flächenlichtquelle 10 in eine Vielzahl von Segmenten 6 unterteilt. Die Anzahl der Segmente 6 beträgt vorteilhaft nicht mehr als 100.000, nicht mehr als 50.000 oder nicht mehr als 10.000. Beispielsweise kann die Anzahl der Segmente 6 etwa 1.000 betragen.
Bei dem dargestellten Beispiel weisen die Segmente 6 eine dreieckige Grundfläche auf. Es ist alternativ möglich, dass die Segmente 6 eine andere Form der Grundfläche, beispielsweise Quadrate, Rechtecke, Rauten, Parallelogramme, oder Sechsecke, aufweisen. Die Grundfläche der Segmente kann beispielsweise zwischen 2 mm² und 4 cm² betragen. Es ist auch möglich, dass die Form und/oder die Größe der Segmente 6 über die Fläche der LED-Flächenlichtquelle 10 variiert. Wie in der Seitenansicht der 2B erkennbar ist, ist das Gitter 4 entsprechend der Form des darunter liegenden Halters 1 und der flexiblen Leiterplatte 3 zumindest bereichsweise gekrümmt, so dass es bündig an die darunter liegende Leiterplatte 3 anschließt.
Das Gitter 4 kann insbesondere aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium oder aus einem Kunststoff gebildet sein. Das Gitter 4 bildet lichtundurchlässige Trennwände 8 aus, welche die Segmente 6 begrenzen. Die lichtundurchlässigen Trennwände 8 erstrecken sich insbesondere senkrecht zur Hauptfläche des Gitters 4. Es ist aber auch möglich, dass sich die lichtundurchlässigen Trennwände 8 schräg zur Hauptfläche des Gitters 4 erstrecken, um beispielsweise die Lichtabstrahlung auf diese Weise zusätzlich zu beeinflussen.
In der 3A ist ein Beispiel eines einzelnen Segments 6 des Gitters 4 mit der darin angeordneten LED 7 in einer Draufsicht dargestellt. Das Segment 6 ist von den lichtundurchlässigen Trennwänden 8, welche das Gitter 4 ausbilden, umschlossen. Die LED 7 ist auf der Leiterplatte 3 angeordnet, welche den Boden des Segments 6 ausbildet. Die LED 7 ist mit Kontakten 71, 72 mit der Leiterplatte 3 verbunden. Bei dem dargestellten Beispiel weist die LED 7 ein LED-Gehäuse auf.
Ein Beispiel der LED 7 ist in 4 im Detail dargestellt. Bei der LED 7 ist ein LED-Chip 74 in einem LED-Gehäuse 73 angeordnet. Das LED-Gehäuse 73 kann aus einem Kunststoff gebildet sein, in dem ein metallischer Leiterrahmen angeordnet ist, der die Kontakte des LED-Chips 74 mit den äußeren Kontakten 71, 72 des LED-Gehäuses 73 verbindet.
Der LED-Chip 74 basiert vorzugsweise auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem III-V-Verbindungshalbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs oder wie Al_nGa_mIn_1-n-mAs_kP_1-k, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 sowie 0 ≤ k < 1 ist. Bevorzugt gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der Halbleiterschichtenfolge 0 < n ≤ 0,8, 0,4 ≤ m < 1 und n + m ≤ 0,95 sowie 0 < k ≤ 0,5. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Bei dem Beispiel der 3A ist nur eine LED 7 in dem Segment 6 angeordnet. Alternativ ist es aber auch möglich, dass zwei oder mehr LEDs 7 in einem Segment 6 angeordnet sind. Ein solches Beispiel ist in 3B dargestellt. Bei einer solchen Ausführung ist es möglich, dass die LEDs 7 eines Segments 6 verschiedene Farben aufweisen. Je nach Beleuchtungssituation kann beispielweise nur die erste LED, oder nur die zweite LED betrieben werden, oder es können beide LEDs gleichzeitig betrieben werden. Im Fall einer Fahrzeug-Rückleuchte kann das Segment 6 beispielsweise eine rote LED und eine gelbe LED enthalten, um die Funktionen Rücklicht und/oder Bremslicht mit der roten LED sowie Blinklicht mit der gelben LED zu realisieren.
Alternativ zu den Ausführungsbeispielen der 3A und 3B ist es auch möglich, dass die LEDs 7 durch LED-Chips 74 ohne Gehäuse gebildet sind. In diesem Fall können die LED-Chips 74 unmittelbar auf die Leiterplatte 3 aufgebracht sein.
5 zeigt schematisch den Querschnitt durch zwei benachbarte Segmente 6, wobei beispielhaft das auf der linken Seite dargestellte Segment 6 nur eine LED 7 und das auf der rechten Seite dargestellte Segment 6 zwei nebeneinander angeordnete LEDs 7 aufweist. Die LEDs 7 sind jeweils auf der Leiterplatte 3 angeordnet und werden durch die Leiterplatte 3 elektrisch kontaktiert. Die Segmente 6 werden seitlich von den lichtundurchlässigen Trennwänden 8 umschlossen, wobei die lichtundurchlässigen Trennwände ein Gitter 4 ausbilden, wie es in den 2A und 2B dargestellt ist. Die Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände kann beispielsweise zwischen 1 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 7 mm, betragen.
Die lichtundurchlässigen Trennwände 8 haben den Vorteil, dass das Licht eines Segments 6 nicht in benachbarte Segmente 6 gestreut wird. Auf diese Weise wird der Kontrast zwischen benachbarten Segmenten 6 erhöht. Wenn die lichtundurchlässigen Trennwände 8 durch einen Klebstoff mit der Leiterplatte 3 verbunden werden, wird vorzugsweise ein lichtundurchlässiger Klebstoff verwendet, um eine lichtdichte Grenzfläche zwischen der Leiterplatte 3 und den lichtundurchlässigen Trennwänden 8 zu erreichen.
Der zwischen den lichtundurchlässigen Trennwänden 8 ausgebildete Hohlraum, in dem jeweils eine oder mehrere LEDs 7 angeordnet sind, ist mit einem Diffusor 9 aufgefüllt. Der Diffusor 9 ist bei dem dargestellten Beispiel ein Vergussmaterial, das Streupartikel aus z.B. einem Metalloxid aufweist. Insbesondere kann der Diffusor 9 ein Silikonverguss sein, der Streupartikel aus Aluminiumoxid aufweist. Durch den Diffusor 9 wird erreicht, dass die LEDs 7 beim Betrachten der LED-Flächenlichtquelle im Wesentlichen nicht als einzelne Lichtpunkte wahrnehmbar sind, sondern die Segmente 6 jeweils möglichst homogen ausgeleuchtet sind. Das von den LEDs 7 emittierte Licht wird von dem Diffusor 9 insbesondere jeweils im Volumen des Segments 6 gestreut.
An einer der Leiterplatte 3 abgewandten Seite ist eine teilreflektierende Schicht 5 auf den lichtundurchlässigen Trennwänden 8 angeordnet. Die teilreflektierende Schicht 5 ist insbesondere eine teilweise reflektierende Folie. Die teilreflektierende Schicht 5 weist einen solchen Reflexionsgrad auf, dass die lichtundurchlässigen Trennwände 8 und die einzelnen LEDs 7 von außen weniger deutlich erkennbar sind. Auf diese Weise wird insbesondere das Erscheinungsbild der LED-Flächenlichtquelle im ausgeschalteten Zustand verbessert. Andererseits ist der Reflexionsgrad der teilreflektierenden Schicht 5 ausreichend gering, dass die Effizienz der LED-Flächenlichtquelle nicht zu stark beeinträchtigt wird.
Der Reflexionsgrad kann beispielsweise zwischen 40 % und 60 %, insbesondere etwa 50 % betragen. Die Transmission der teilreflektierenden Schicht 5 kann beispielsweise zwischen 40 % und 60 %, insbesondere etwa 50 %, betragen.
Es hat sich herausgestellt, dass die Effizienz und die Gleichmäßigkeit des von den Segmenten 6 der LED-Flächenlichtquelle abgestrahlten Lichts insbesondere von den Eigenschaften der lichtundurchlässigen Trennwände 8, insbesondere von deren Höhe, und von den Eigenschaften des Diffusors 9 abhängen. Dieser Zusammenhang wird anhand von Simulationen im Zusammenhang mit den folgenden 6 bis 10 beschrieben.
6 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein einzelnes Segment 6 der LED-Flächenlichtquelle, das eine dreieckige Grundfläche aufweist. Das Segment 6 weist an einem Messpunkt 11A die maximale Leuchtdichte auf, wobei dies im Fall eines einzigen LED-Chips in dem Segment 6 typischerweise unmittelbar über dem LED-Chip der Fall ist. Zur Beurteilung der Gleichmäßigkeit der Lichtabstrahlung des Segments 6 wird zum Beispiel die Leuchtdichte an dem Messpunkt 11A mit der maximalen Leuchtdichte und an weiteren Messpunkten 11B, 11C, 11D in den Ecken des Segments 6 gemessen. Als Maß für die Gleichmäßigkeit wird im Folgenden der Quotient aus der gemittelten Leuchtdichte an den Messpunkten 11B, 11C, 11D in den Ecken des Segments 6 und der Leuchtdichte an dem Messpunkt 11A mit der maximalen Leuchtdichte betrachtet. Als Maß für die Effizienz wird im Folgenden der Quotient aus der Lichtleistung des Segments 6 und der Lichtleistung der darin enthaltenen LED angesehen.
Die 7 zeigt eine grafische Darstellung der Gleichmäßigkeit U und der Effizienz E in Abhängigkeit von der Höhe H der lichtundurchlässigen Trennwände 8. Die Gleichmäßigkeit U ist für weiße, diffus reflektierende lichtundurchlässige Trennwände (Kurve 12A) und für spekular reflektierende lichtundurchlässige Trennwände (Kurve 12B) dargestellt. Die Effizienz E ist ebenfalls für weiße, diffus reflektierende lichtundurchlässige Trennwände (Kurve 12C) und für spekular reflektierende Trennwände (Kurve 12D) dargestellt. Es zeigt sich, dass die Gleichmäßigkeit U der von dem Segment emittierten Strahlung mit zunehmender Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände zunimmt, wobei andererseits aber die Effizienz E mit zunehmender Höhe abnimmt. Weiterhin zeigt sich, dass spekular reflektierende lichtundurchlässige Trennwände bei den größeren Höhen eine etwas bessere Gleichmäßigkeit U bewirken als weiße, diffus reflektierende lichtundurchlässige Trennwände.
8 zeigt in Form eines Balkendiagramms die Gleichmäßigkeit und die Effizienz in Abhängigkeit von der Art und den Eigenschaften des Diffusors für eine vorgegebene Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände von 5 mm. Der linke Balken gibt jeweils die Gleichmäßigkeit U und der rechte Balken die Effizienz E an. Das mit F bezeichnete Balkenpaar auf der linken Seite zeigt die Werte der Gleichmäßigkeit U und der Effizienz E für eine lichtstreuende Folie. Die übrigen Balkenpaare zeigen die Werte der Gleichmäßigkeit U und der Effizienz E jeweils für ein mit Al₂O₃-Streupartikeln versehenes Vergussmaterial, wobei der Zahlenwert unter den Balken den Anteil von Al₂O₃ in Gewichtsprozent angibt. Es zeigt sich, dass sich mit einem Anteil von 0,2 Gewichtsprozent an Al₂O₃-Streupartikeln die beste Gleichmäßigkeit (60%) erzielen lässt, wobei die Effizienz (14%) aber etwas geringer ist als bei Verwendung der lichtstreuenden Folie (10%).
Die 9 zeigt eine grafische Darstellung der Gleichmäßigkeit U (Kurve 13A) und der Effizienz E (Kurve 13B) in Abhängigkeit von der Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände bei Verwendung eines Diffusors, der ein Vergussmaterial mit einem Anteil von 0,2 Gewichtsprozent an Al₂O₃-Streupartikeln ist. Bei der Simulation wurde angenommen, dass eine einzige LED zwischen den lichtundurchlässigen Trennwänden des Segments angeordnet ist. Es zeigt sich, dass die Gleichmäßigkeit mit zunehmender Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände zunimmt, wobei die Effizienz aber mit zunehmender Höhe abnimmt. In Bezug auf die Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände muss also ein Kompromiss zwischen Gleichmäßigkeit und Effizienz gesucht werden.
Die 10 zeigt eine grafische Darstellung der Gleichmäßigkeit U (Kurve 14A) und der Effizienz E (Kurve 14B) in Abhängigkeit von der Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände bei Verwendung eines Diffusors, der ein Vergussmaterial mit einem Anteil von 0,2 Gewichtsprozent an Al₂O₃-Streupartikeln ist. Bei der Simulation wurde im Unterschied zur 9 angenommen, dass zwei LEDs nebeneinander zwischen den lichtundurchlässigen Trennwänden des Segments angeordnet sind. Es zeigt sich wiederum, dass die Gleichmäßigkeit mit zunehmender Höhe der lichtundurchlässigen Trennwände zunimmt, wobei die Effizienz aber mit zunehmender Höhe abnimmt. Die Gleichmäßigkeit ist etwas geringer als beim vorherigen Beispiel mit nur einer LED pro Segment.
Die LED-Flächenlichtquelle gemäß dem hierin vorgeschlagenen Prinzip kann beispielsweise im Automotive-Bereich verwendet werden, insbesondere als Fahrzeug-Rückleuchte. Die LED-Flächenlichtquelle kann insbesondere eine Steuervorrichtung aufweisen, die dazu geeignet ist, die auf der Leiterplatte angeordneten LEDs einzeln oder gruppenweise anzusteuern. Dies ermöglicht es, verschiedene Beleuchtungsfunktionen wie beispielsweise Rücklicht, Bremslicht oder Fahrtrichtungsanzeige zu realisieren.
Weiterhin ermöglicht es die LED-Flächenlichtquelle, zusätzlich zu solchen im Straßenverkehr üblichen Beleuchtungsfunktionen weitere Zeichen anzuzeigen. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die LED-Flächenlichtquelle dazu eingerichtet, Zeichen wie beispielsweise Buchstaben, Zahlen oder Symbole darzustellen. Die Form und Platzierung solcher Zeichen ist aufgrund der gitterförmigen Anordnung der Segmente vorteilhaft frei programmierbar. Ein Automobilhersteller kann beispielsweise die LED-Flächenlichtquelle in alle Fahrzeugvarianten einbauen und solche Zusatzfunktionen als optionale Zusatzausstattung anbieten.
Ein Beispiel für ein mit der LED-Flächenlichtquelle darstellbares Symbol ist in 10 gezeigt. Hierbei handelt es sich um ein Warnsymbol, das beispielsweise im Fall eines Unfalls, einer Panne oder bei einem Stau aktiviert werden kann.
Ein weiteres Beispiel für ein mit der LED-Flächenlichtquelle darstellbares Symbol ist in 11 gezeigt. Hierbei handelt es sich in der linken Hälfte um eine Anzeige des Batterieladezustands eines Elektroautos, und in der rechten Hälfte um eine Ladekontrollleuchte, welche anzeigt, ob die Batterie aktuell geladen wird.
Weitere mögliche Funktionen der LED-Flächenlichtquelle sind zum Beispiel Statusanzeigen über die Einsatzbereitschaft und/oder Mietmöglichkeit bei Taxis, Carsharing- oder Mietfahrzeugen.
Die 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.
Bezugszeichenliste

1: Halter
2: Rückplatte
3: Leiterplatte
4: Gitter
5: teilreflektierende Folie
6: Segment
7: LED
71: LED-Kontakt
72: LED-Kontakt
73: LED-Gehäuse
74: LED-Chip
8: lichtundurchlässige Trennwände
9: Diffusor
10: LED-Flächenlichtquelle
11A: Leuchtdichte-Messpunkt
11B: Leuchtdichte-Messpunkt
11C: Leuchtdichte-Messpunkt
11D: Leuchtdichte-Messpunkt
12A: Kurve
12B: Kurve
12C: Kurve
12D: Kurve
13A: Kurve
13B: Kurve
14A: Kurve
14B: Kurve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018120867 [0002]

Claims

LED-Flächenlichtquelle (10), umfassend eine Leiterplatte (3) und eine Vielzahl von LEDs (7), die auf der Leiterplatte (3) angeordnet sind, wobei - die LEDs (7) in einer Vielzahl von Segmenten (6) angeordnet sind, wobei die Segmente (6) jeweils mindestens eine LED (7) umfassen und durch lichtundurchlässige Trennwände (8) voneinander separiert sind, und - die Segmente (6) jeweils einen Diffusor (9) zur Streuung des von den LEDs (7) emittierten Lichts aufweisen.
LED-Flächenlichtquelle nach Anspruch 1, wobei die lichtundurchlässigen Trennwände (8) ein Gitter (4) ausbilden.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtundurchlässigen Trennwände (8) eine Höhe zwischen einschließlich 1 mm und einschließlich 10 mm aufweisen.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtundurchlässigen Trennwände (8) lichtreflektierend ausgebildet sind.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl der Segmente (6) höchstens 100.000 beträgt.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Segmente (6) eine Grundfläche von mindestens 2 mm² und weniger als 4 cm² aufweisen.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Segmente (6) eine dreieckige Grundfläche aufweisen.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Segmente (6) eine quadratische, rechteckige, rautenförmige, parallelogrammförmige oder sechseckige Grundfläche aufweisen.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diffusor (9) ein Vergussmaterial aufweist, das Streupartikel enthält.
LED-Flächenlichtquelle nach Anspruch 9, wobei die Streupartikel Aluminiumoxid oder Titandioxid aufweisen.
LED-Flächenlichtquelle nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Streupartikel eine Konzentration zwischen 0,05 Gew.-% und 0,5 Gew.-% aufweisen.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diffusor (9) eine lichtstreuende Folie ist.
LED-Flächenlichtquelle nach Anspruch 12, wobei die lichtstreuende Folie strukturiert oder segmentiert ist.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die LED-Flächenlichtquelle (10) eine teilreflektierende Schicht (5) aufweist, die über den lichtundurchlässigen Trennwänden (8) angeordnet ist.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die LED-Flächenlichtquelle (10) zumindest bereichsweise gekrümmt ist.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (3) eine flexible Leiterplatte ist.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (3) eine Steuerelektronik aufweist oder mit einer Steuerelektronik verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, die LEDs (7) einzeln oder gruppenweise anzusteuern.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die LED-Flächenlichtquelle (10) LEDs (7) verschiedener Farben enthält.
LED-Flächenlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die LED-Flächenlichtquelle (10) eine Fahrzeug-Rückleuchte ist.
LED-Flächenlichtquelle nach Anspruch 19, wobei die Fahrzeug-Rückleuchte eine Kombinations-Rückleuchte ist, die mindestens die folgende Funktionen aufweist: Rücklicht, Bremslicht und Blinklicht.