-
Die Erfindung betrifft einen Leuchtfaden, ein Leuchtmittel und ein Herstellungsverfahren für ein Leuchtmittel. Klassische Glühfadenlampen weisen in Bezug auf die Umwandlung von elektrischer Energie in optische Energie einen schlechten Effizienzgrad auf. Um diese Effizienzprobleme zu überwinden, wurden Leuchtdioden (LEDs: Light Emitting Diodes) für Leuchtmittel eingeführt. Um die LEDs und komplexe Kühlkörpergestaltungen zu implementieren, unterscheiden sich diese Arten von Leuchtmitteln erheblich von herkömmlichen Glühbirnen.
-
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Leuchtmittel in der Form einer Leuchtfadenlampe und einen Leuchtfaden mit LED-Technologie bereitzustellen, die eine gebogene Form des Leuchtfadens ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren für ein solches Leuchtmittel bereitzustellen.
-
Lösungen für diese Aufgaben sind in den unabhängigen Ansprüchen dieser Erfindung offenbart. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
-
Ein Leuchtfaden für eine Leuchtfadenlampe umfasst mehrere lichtemittierende Halbleiterchips oder LEDs. Diese lichtemittierenden Halbleiterchips befinden sich auf einer Trägerplatte und sind elektrisch verbunden. Die Trägerplatte ist eine flexible Trägerplatte. Im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten starren Trägerplatten ermöglichen flexible Trägerplatten eine Gestaltung des LED-Leuchtfadens, die dem klassischen Glühfaden für eine Glühfadenlampe ähnelt. Flexibel bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Trägerplatte um einen Winkel von mehr als 90° gebogen werden kann.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst der Leuchtfaden ferner einen Konverter, der so ausgeführt ist, dass er eine Wellenlänge von Licht, das von den lichtemittierenden Halbleiterchips emittiert wird, in Licht einer anderen Wellenlänge umwandelt. Mit diesem Ansatz kann weißes Licht erhalten werden.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst der Leuchtfaden ein erstes elektrisches Verbindungsstück und ein zweites elektrisches Verbindungsstück und sind die elektrischen Verbindungsstücke jeweils mit einem Kontaktstift verbunden. Diese Kontaktstifte können dann verwendet werden, um den Leuchtfaden in eine Leuchtfadenlampe zu montieren.
-
Bei einer Ausführungsform ist die flexible Trägerplatte eine flexible Leiterplatte. Flexible Leiterplatten werden in modernen elektronischen Elementen ausgiebig verwendet und sind dementsprechend leicht zugänglich. Flexible Leiterplatten zeigen Merkmale auf, die für einen Leuchtfaden benötigt werden, der der klassischen Glühfadengestaltung ähnelt.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst die flexible Trägerplatte Metallleiterbahnen, die auf einem flexiblen Polymerfilm angeordnet sind. Dieser Polymerfilm enthält insbesondere Polyester, Polyimid, Polyethylennaphthalat, Polyetherimid, Fluorpolymere und Copolymere der zuvor genannten. Diese Materialien werden weithin für flexible elektrische Leiterplatten verwendet und sind daher leicht zugänglich und herstellbar. Die Dicke des Polymerfilms kann innerhalb des Bereichs von 12 bis 125 Mikrometer liegen. Dünnere und dickere Materialien sind ebenfalls möglich.
-
Bei einer Ausführungsform ist der Leuchtfaden und dementsprechend seine flexible Trägerplatte in einer gebogenen Form angeordnet. Dies bedeutet, dass die flexible Trägerplatte um einen Winkel von mehr als 45 Grad, bevorzugt mehr als 90 Grad, gebogen ist.
-
Bei einer Ausführungsform ist die flexible Trägerplatte in der Form einer Spiralwicklung angeordnet. Anordnen der flexiblen Trägerplatte in der Form einer Spiralwicklung führt zu einem Leuchtfaden, der dem herkömmlichen Glühfaden einer Glühfadenlampe stark ähnelt.
-
Bei einer Ausführungsform sind die lichtemittierenden Halbleiterchips linear angeordnet und gleichmäßig mit einem Abstand zwischen Zentren von zwei angrenzenden lichtemittierenden Halbleiterchips auf der flexiblen Trägerplatte beabstandet. Die gleichmäßig beabstandete Anordnung der lichtemittierenden Halbleiterchips führt zu einer einheitlichen Emission des Lichts der lichtemittierenden Halbleiterchips.
-
Bei einer Ausführungsform weicht der Umfang einer Windung der Spiralwicklung von einem ganzzahligen Vielfachen des Abstands zwischen den Zentren der angrenzenden lichtemittierenden Halbleiterchips ab. Daher sind die Halbleiterchips für angrenzende Windungen der Spiralwicklung nicht genau nebeneinander positioniert und dementsprechend wird der thermische Wärmefluss der Halbleiterchips verbessert.
-
Bei einer Ausführungsform weicht der Umfang einer Windung der Spiralwicklung von einem ganzzahligen Vielfachen des Abstands zwischen den Zentren der angrenzenden lichtemittierenden Halbleiterchips um einen Betrag von der Hälfte dieses Abstands ab. Daher grenzt für angrenzende Windungen der Spiralwicklung ein Halbleiterchip auf der ersten Windung an die Mitte der Lücke zwischen zwei Halbleiterchips der angrenzenden zweiten Windung an. Daher sind die thermischen Eigenschaften einer Wicklung wie dieser verbessert und ist die Lichtmission homogener.
-
Bei einer Ausführungsform befinden sich die Halbleiterchips auf einer ersten Windung bei gegebenen Drehwinkeln in Bezug auf eine Mittellinie der Wicklung. Die Halbleiterchips auf einer zweiten Windung befinden sich bei Drehwinkeln in Bezug auf eine Mittellinie der Wicklung, die von den gegebenen Drehwinkeln der ersten Windung abweichen.
-
Bei einer Ausführungsform befinden sich die Halbleiterchips auf einer ersten Windung bei gegebenen Drehwinkeln in Bezug auf eine Mittellinie der Wicklung. Die Halbleiterchips auf einer zweiten Windung befinden sich auf eine solche Weise bei Drehwinkeln in Bezug auf eine Mittellinie der Wicklung, dass sich die Halbleiterchips auf der ersten Windung bei einer Position auf der ersten Windung befinden, die einer Position eines Zentrums einer Lücke zwischen zwei Halbleiterchips auf der zweiten Windung entspricht.
-
Ein Leuchtmittel umfasst einen Leuchtfaden gemäß der Erfindung und einen Kolben, der ein transparentes Material umfasst. Der Leuchtfaden befindet sich innerhalb des Kolbens und der Kolben ist mit einem Gas gefüllt. Das Gas befindet sich in Kontakt mit dem Leuchtfaden und der Kolben ist geschlossen. Mit einem Leuchtmittel wie diesem kann die Wärme, die innerhalb des Leuchtfadens erzeugt wird, durch das Gas, mit dem der Kolben gefüllt ist, von den Halbleiterchips weg transportiert werden. Daher ist eine Kühlung der Halbleiterchips auf dem Leuchtfaden möglich.
-
Bei einer Ausführungsform ist das Gas Helium. Helium ist eine gut geeignete Wahl für das Gas innerhalb des Kolbens, da die Wärmeleitfähigkeit von Helium hoch ist.
-
Bei einer Ausführungsform liegt der Druck des Gases innerhalb des Kolbens innerhalb des Bereichs von 500 bis 1200 mbar. Mit einem Druck innerhalb dieses Bereichs wird ein optimierter Wärmetransfer weg vom Leuchtfaden erzielt.
-
Ein Verfahren zum Herstellen eines Leuchtmittels umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen einer flexiblen Trägerplatte mit Leiterbahnen;
- - Platzieren von lichtemittierenden Halbleiterchips auf der flexiblen Trägerplatte;
- - Platzieren der flexiblen Trägerplatte innerhalb eines transparenten Kolbens;
- - Füllen des Kolbens mit einem Gas; und
- - Versiegeln des Gaskolbens, um ein Lecken des Gases aus dem Kolben zu verhindern. Mit diesem Herstellungsverfahren kann ein Leuchtmittel, das der klassischen Glühbirnengestaltung ähnelt, erzielt werden.
-
Bei einer Ausführungsform ist die flexible Trägerplatte in einer gebogenen Form angeordnet. Bei einer Ausführungsform ist die flexible Trägerplatte in der Form einer Spiralwicklung angeordnet.
-
Bei einer Ausführungsform wird ein Konverter platziert, bevor die flexible Trägerplatte innerhalb des Kolbens platziert wird. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung des Leuchtfadens auf der flexiblen Trägerplatte vor dem Platzieren des Leuchtfadens.
-
Bei einer Ausführungsform wird ein Konverter platziert, insbesondere durch einen Sprühbeschichtungsprozess, nachdem die flexible Trägerplatte in ihre abschließende Form gebracht wurde. Dies ermöglicht einen einfachen Prozess, um einen Leuchtfaden zu erhalten, der dem herkömmlichen Glühfaden einer herkömmlichen Glühfadenbirne ähnelt.
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie das Verfahren zum Erhalten von ihnen werden in dem Zusammenhang der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen, die im Zusammenhang der Figuren ausführlicher erklärt sind, klarer und eindeutiger verständlich.
-
In schematischer Veranschaulichung zeigen:
- 1 eine Draufsicht eines Leuchtfadens;
- 2 einen Querschnitt eines Leuchtfadens;
- 3 einen Querschnitt eines Leuchtfadens mit Konverter und Kontaktstiften;
- 4 einen Querschnitt eines gebogenen Leuchtfadens;
- 5 eine Draufsicht eines Leuchtfadens, der in der Form einer Spiralwicklung angeordnet ist;
- 6 eine Draufsicht eines anderen Leuchtfadens, der in der Form einer Spiralwicklung angeordnet ist;
- 7 eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform eines Leuchtfadens, der in der Form einer Spiralwicklung angeordnet ist; und
- 8 ein Leuchtmittel mit einem solchen Leuchtfaden.
-
1 zeigt eine Draufsicht eines Leuchtfadens 100 für eine Leuchtfadenlampe. Der Leuchtfaden 100 umfasst mehrere lichtemittierende Halbleiterchips 110, die sich auf einer flexiblen Trägerplatte 120 befinden. Die lichtemittierenden Halbleiterchips 110 sind durch Kontaktbereiche 130 elektrisch verbunden.
-
2 zeigt einen Querschnitt des Leuchtfadens 100 aus 1. Die Halbleiterchips 110 umfassen ein erstes elektrisches Kontaktpad 111 und ein zweites elektrisches Kontaktpad 112 auf einer Seite des Halbleiterchips 100, die der flexiblen Trägerplatte 120 zugewandt ist. Die Kontaktbereiche 130 sind auf eine solche Weise gebildet, dass die Kontaktbereiche 130 das zweite elektrische Kontaktpad 112 eines Halbleiterchips 110 mit dem ersten elektrischen Kontaktpad 111 eines angrenzenden Halbleiterchips 110 verbinden. Daher sind die Halbleiterchips 110 seriell gekoppelt.
-
In Abhängigkeit von der verwendeten Ausführungsform kann auch eine andere Art des elektrischen Verbindens der Halbleiterchips 110 verwendet werden. Zum Beispiel können zumindest manche der Halbleiterchips 110 parallel verbunden werden.
-
Die Leuchtfäden 100 der 1 oder 2 können Kontaktpads umfassen, die mit den Kontaktbereichen 130 elektrisch verbunden sind. Diese Kontaktpads können verwendet werden, um den Leuchtfaden 100 mit einer externen Spannungs- oder Stromquelle elektrisch zu verbinden. Die Verbindung mit der externen Quelle kann durch einen Punktschweiß-, einen Löt- oder einen Klebeprozess eingerichtet werden. Falls ein Klebeprozess verwendet wird, ist es vorteilhaft, einen elektrisch leitfähigen Klebstoff zu verwenden.
-
3 zeigt einen Querschnitt durch einen Leuchtfaden 100 mit den Merkmalen des Leuchtfadens aus 2. Zusätzlich sind die Halbleiterchips 110 innerhalb einer Konverterschicht 140 angeordnet. Diese Konverterschicht 140 ist dazu in der Lage, eine Wellenlänge von Licht, das von den lichtemittierenden Halbleiterchips 110 emittiert wird, in Licht einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Daher kann zum Beispiel Weißlicht erzielt werden. Auf der linken Seite und der rechten Seite der flexiblen Leiterplatte 120 befinden sich zwei Kontaktstifte 150, die sich in elektrischem Kontakt mit den Kontaktbereichen 130 befinden. Diese Kontaktstifte 150 können verwendet werden, um den Leuchtfaden 100 innerhalb eines Kolbens zu montieren.
-
Es ist auch möglich, nur die Konverterschicht 140 ohne die Kontaktstifte zu implementieren und umgekehrt.
-
Alternativ zu dieser Ausführungsform ist es möglich, dass ein Konverter einzeln auf den Halbleiterchips 110 vor der Platzierung der Halbleiterchips 110 auf der flexiblen Trägerplatte 120 oder nach der Platzierung der Halbleiterchips 110 auf der flexiblen Trägerplatte 120 platziert wird. Zusätzlich dazu ist eine zweite Konverterschicht in der Form der Konverterschicht 140 aus 3 möglich.
-
Bei einer Ausführungsform ist die flexible Trägerplatte 120 eine flexible Leiterplatte 120. Die flexible Leiterplatte besteht aus Metallleiterbahnen, die die Kontaktbereiche 130 sind. Das Grundmaterial der flexiblen Leiterplatte 120 ist ein flexibler Polymerfilm. Dieser Polymerfilm kann Polyester (PET), Polyimid (PI), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyetherimid (PEI), Fluorpolymere (FEP) und Copolymere der zuvor genannten enthalten. Die Dicke der flexiblen Leiterplatte 120 kann innerhalb des Bereichs von 12 bis 125 Mikrometer liegen.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst die flexible Trägerplatte 120 ein flexibles Material und stützt die Halbleiterchips 110. Die elektrische Verbindung der Halbleiterchips 110 wird unter Verwendung von Bonddrähten bereitgestellt.
-
4 zeigt den Leuchtfaden 100 aus 1 und 2 mit zusätzlichen Kontaktstiften 150. Die flexible Trägerplatte 120 ist in einer gebogenen Form angeordnet, die drei Viertel eines vollen Kreises darstellt. Die lichtemittierenden Halbleiterchips 110 befinden sich auf der Außenseite dieses Dreiviertelkreises. Dieser Leuchtfaden 100 ähnelt dem Glühfaden stärker, der herkömmlicherweise in Glühfadenbirnen verwendet wird, wodurch ein Leuchtmittel mit erhöhter Gesamtähnlichkeit zu dieser herkömmlichen Glühbirne ermöglicht wird. Auch andere Formen, wie wellenartige Formen, Zickzackformen oder Halbkreise sind möglich und ähneln dem Glühfaden stärker, der herkömmlicherweise in Glühbirnen verwendet wird.
-
Die Kontaktstifte 150 können verwendet werden, um den Leuchtfaden 100 mit einer externen Spannungs- oder Stromquelle elektrisch zu verbinden. Die Verbindung zu der externen Quelle kann durch einen Punktschweiß-, einen Löt- oder einen Klebeprozess eingerichtet werden. Falls ein Klebeprozess verwendet wird, ist es vorteilhaft, einen elektrisch leitfähigen Klebstoff zu verwenden.
-
5 zeigt eine Draufsicht eines Leuchtfadens 100 mit vielen lichtemittierenden Halbleiterchips 110 auf einer flexiblen Trägerplatte 120. Die flexible Trägerplatte 120 ist in der Form einer Spiralwicklung angeordnet. Diese Wicklung besteht aus fünf Windungen 121, 122, 123, 124, 125. Es ist auch möglich, eine Spiralwicklung mit weniger oder mehr Windungen zu gestalten. Die erste Windung 121 und die zweite Windung 122 befinden sich nebeneinander. Der Umfang einer Windung 121, 122, 123, 124, 125 der Spiralwicklung des Leuchtfadens 100 ist vergleichbar mit einem ganzzahligen Vielfachen des Abstands zwischen den Zentren von zwei angrenzenden lichtemittierenden Halbleiterchips 110. Daher befinden sich die Halbleiterchips 110 für jede Windung 121, 122, 123, 124 und 125 in der gleichen Position. Der Leuchtfaden 100 ähnelt dem klassischen Glühfaden einer klassischen Glühbirne mehr.
-
6 zeigt eine Draufsicht eines Leuchtfadens in der Form einer Spiralwicklung, der grundsätzlich dem in 5 gezeigten Leuchtfaden ähnlich ist. Im Gegensatz zu dem in 5 gezeigten Leuchtfaden 100 weicht der Umfang einer Windung 121, 122, 123, 124, 125 der Spiralwicklung, die durch die flexible Trägerplatte 120 gebildet ist, von einem ganzzahligen Vielfachen des Abstands zwischen den Zentren der angrenzenden lichtemittierenden Halbleiterchips 110 ab. Daher ist die Position der lichtemittierenden Halbleiterchips 110 für jede Windung unterschiedlich, was durch gestrichelte Linien durch den Leuchtfaden 100 hindurch angegeben ist. Unter Verwendung dieses Ansatzes werden die thermischen Eigenschaften des Leuchtfadens verbessert.
-
7 zeigt eine Draufsicht eines dritten Leuchtfadens 100 in der Form einer Spiralwicklung mit grundsätzlich den Eigenschaften aus 5 und 6. Für die Spiralwicklung des Leuchtfadens aus 7 weicht der Umfang einer Windung 121, 122, 123, 124, 125 von einem ganzzahligen Vielfachen des Abstands zwischen den Zentren der angrenzenden lichtemittierenden Halbleiterchips 110 um einen Betrag von der Hälfte dieses Abstands ab. Dies bedeutet, dass sich auf der ersten Windung 121 ein erster Halbleiterchip 113 befindet. In dieser Position weist die zweite Windung 122 die Mitte der Lücke zwischen einem zweiten Halbleiterchip 114 und einem dritten Halbleiterchip 115 auf. Ein vierter Halbleiterchip 116 auf der dritten Windung befindet sich andererseits wieder genau an dieser Stelle. Diese Abstandsbeziehung gilt auch für die anderen Halbleiterchips 110 des Leuchtfadens 100. Dies führt zu einem Leuchtfaden 100 mit optimierten thermischen Eigenschaften.
-
8 zeigt ein Leuchtmittel mit einem Leuchtfaden 100, der einer der Leuchtfäden aus 5 bis 7 ist. Es ist ebenfalls möglich, aber in 8 nicht gezeigt, dass der Leuchtfaden 100 einer der in 1 bis 4 dargestellten Leuchtfäden ist. Der Leuchtfaden 100 ist mit einem Sockel 240 mit einem ersten Kontaktdraht 210 und einem zweiten Kontaktdraht 220, die sich ausschließlich über den Leuchtfaden 100 in elektrischem Kontakt befinden, verbunden. Um den Leuchtfaden herum und an dem Sockel 240 angebracht ist ein Kolben 230 platziert. Der Kolben 230 und der Sockel 240 bilden eine geschlossene Entität, die mit einem Gas gefüllt ist. Dieses Gas befindet sich daher in thermischem Kontakt mit dem Leuchtfaden 100 und führt zu einer Wärmeleitfähigkeit von dem Leuchtfaden 100 zu dem Kolben 230.
-
Bei einer Ausführungsform ist das Gas innerhalb des Kolbens 230 Helium. Bei einer Ausführungsform weist das Gas innerhalb des Kolbens 230 einen Druck innerhalb des Bereichs von 500 bis 1200 mbar auf.
-
Ein Verfahren zum Herstellen eines Leuchtmittels gemäß 8 umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen einer flexiblen Trägerplatte 120 mit Leiterbahnen 130;
- - Platzieren von lichtemittierenden Halbleiterchips 110 auf der flexiblen Trägerplatte 120;
- - Platzieren der flexiblen Trägerplatte 120 innerhalb eines transparenten Kolbens 230;
- - Füllen des Kolbens 230 mit einem Gas; und
- - Versiegeln des Gaskolbens 230, um ein Lecken des Gases aus dem Kolben 230 zu verhindern.
-
Der letzte Versiegelungsprozess kann durch Implementieren eines Sockels 240 an dem Kolben 230 durchgeführt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Kolben 230 mit dem Sockel 240 zu verbinden.
-
Bei einer Ausführungsform ist die flexible Trägerplatte 120 in einer gebogenen Form innerhalb des Kolbens 230 angeordnet. Bei einer Ausführungsform ist die flexible Trägerplatte 120 in der Form einer Spiralwicklung angeordnet.
-
Bei einer Ausführungsform wird ein Konverter auf der flexiblen Trägerplatte 120 platziert, bevor die flexible Trägerplatte 120 innerhalb des Kolbens 230 platziert wird. Bei einer Ausführungsform wird ein Konverter platziert, insbesondere durch einen Sprühbeschichtungsprozess, nachdem die flexible Trägerplatte 120 in ihre abschließende Form gebracht wurde. In diesem Fall ist es möglich, den Konverter zu platzieren, nachdem die Spiralwicklung gebildet wurde.
-
Obwohl die Erfindung unter Verwendung bevorzugter Ausführungsformen detaillierter beschrieben und veranschaulicht wurde, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Varianten der Erfindung können von einem Fachmann aus den beschriebenen Ausführungsformen abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Leuchtfaden
- 110
- Halbleiterchip
- 111
- erstes elektrisches Kontaktpad
- 112
- zweites elektrisches Kontaktpad
- 113
- erster Halbleiterchip
- 114
- zweiter Halbleiterchip
- 115
- dritter Halbleiterchip
- 116
- vierter Halbleiterchip
- 120
- flexible Trägerplatte
- 121
- erste Windung
- 122
- zweite Windung
- 123
- dritte Windung
- 124
- vierte Windung
- 125
- fünfte Windung
- 130
- Kontaktbereich
- 140
- Konverterschicht
- 150
- Kontaktstift
- 200
- Leuchtmittel
- 210
- erster Kontaktdraht
- 220
- zweiter Kontaktdraht
- 230
- Kolben
- 240
- Sockel
