EP1903607B1 - LED-Modul mit RGB-LED-Chips - Google Patents

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EP1903607B1
EP1903607B1 EP07115131.0A EP07115131A EP1903607B1 EP 1903607 B1 EP1903607 B1 EP 1903607B1 EP 07115131 A EP07115131 A EP 07115131A EP 1903607 B1 EP1903607 B1 EP 1903607B1
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EP
European Patent Office
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led
clusters
individual
led module
module according
Prior art date
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EP07115131.0A
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French (fr)
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EP1903607A2 (de
EP1903607A3 (de
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Christian Dr. Hochfilzer
Thomas Pieber
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Tridonic Jennersdorf GmbH
Original Assignee
Tridonic Jennersdorf GmbH
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Publication date
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Publication of EP1903607A3 publication Critical patent/EP1903607A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2113/00—Combination of light sources
    • F21Y2113/10—Combination of light sources of different colours
    • F21Y2113/13—Combination of light sources of different colours comprising an assembly of point-like light sources
    • F21Y2113/17—Combination of light sources of different colours comprising an assembly of point-like light sources forming a single encapsulated light source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to a LED chips with different colored LEDs in a certain arrangement arrangement populated LED module.
  • Red, yellow, green and blue light emitting diodes have been in use since the late sixties, e.g. in vehicle fittings, displays or as indicator lights of electrical appliances.
  • the LED modules commercially available today typically consist of a number of single LEDs with narrow band, approximately monochromatic emission spectra, made in the form of packaged semiconductor crystals, grouped into triads in the primary colors red, green and blue of the additive color system and in a particular Arrangement manner (eg in linearly arranged or grouped into a cluster shape) applied to a circuit board and combined with each other.
  • the printed circuit board not only fulfills the function of a carrier, but also allows a simple control of the individual light-emitting diodes and other optical, electronic and / or mechanical system components required for the use of the LED module in the context of a lighting system.
  • the electrical layout of the printed circuit board can be adapted to the respective application:
  • colored LEDs can be controlled separately with the appropriate layout, so that individual color mixtures and color sequences are possible with one and the same LED module.
  • colors can be produced by additive color mixing of the light emitted by differently colored LEDs with different emission spectra.
  • the LED module in each case three LEDs in the three primary colors red, green and blue of the additive color system, which together add up to the color white, combined into a triad, resulting in a suitable additive color mixing secondary colors of any hue in a relatively high color saturation ,
  • LED modules are available in different shapes and sizes on the market today. One differentiates u.a. between LED modules with wired through-hole mounted LEDs, SMD technology (Surface Mounted Device Technology) LED modules, which allow a higher degree of miniaturization than LED modules with leaded LEDs, and based on innovative chip On-board (CoB) technology equipped LED modules, in which the semiconductor crystals are placed directly on a circuit board and contacted. The latter allows for high population densities, a high degree of miniaturization, and relatively good thermal management for a long life.
  • SMD technology Surface Mounted Device Technology
  • CoB chip On-board
  • JP 11-003051 is an LED display of a display device equipped with LED clusters of four light in the spectral colors red, green and blue emitting LEDs described, in which each LED cluster has two emitting in the red spectral light emitting diodes.
  • the present invention is therefore dedicated to improving the homogeneity of the light and color distribution of conventional LED modules.
  • FIG. 4 illustrated embodiment of the present invention, starting from the with reference to Fig. 1 to Fig. 3 described prior art, described in detail.
  • LED module 100 are three LED cluster 102a-c, consisting of the LED chips 104a-c of each three light in the spectral colors red, green and blue emitting LEDs, together with the required for a constant current operation of the LED module 100 electronic components of an LED driver circuit required for driving the individual LED clusters 102a-c, the connection contacts 105 serving for the power supply of the individual light-emitting diodes of these LED clusters 102a-c and the wiring layout 106 of these components in a surface-mounted device (SMD) - or chip-on-board (CoB) technique applied to a circuit board 101.
  • SMD surface-mounted device
  • CoB chip-on-board
  • a mounting hole in the board is designated, which can be fastened by a screw or the like. serves.
  • the LED module For cooling the LED module, it can for example be mounted / glued on a heat sink by means of a preassembled heat-conducting adhesive tape on the rear side of the LED module. This heat sink can also be the reflector or the light at the same time.
  • a temperature sensor At the "tc point" 103b can be measured by means of a temperature sensor, the surface temperature of the LED module to determine the optimal operation or sufficient cooling of the LED module. For this purpose, this temperature detection can be returned to the control electronics of the LEDs, which controls the LED power by means of a PWM modulation of the operating voltage.
  • the LED chips 104a, 104 and 104c which are denoted by the same reference symbols, are light-emitting diodes of different LED clusters 102a, 102b and 102c of the same spectral color (eg red, green and blue) in the same vertices, respectively oriented, mutually congruent equilateral triangles arranged.
  • spectral color eg red, green and blue
  • equidirectional orientation it is meant that the identically named corners of the equilateral triangles, which describe the triangular arrangements of the individual LED clusters 102a-c, respectively point in the same directions.
  • the positions of the three LED clusters 102a-c on the circuit board 101 of the respective LED module 100 are defined by the locations of the inscribed on a parallel line to a longitudinal side of the LED module 100 incircle centers of these equilateral triangles, wherein the inscribed circle -Means of all neighboring triangles to each other have the same distance.
  • the arrangement and orientation (alignment) of the individual LED chips 104a-c is thus the same for all LED clusters 102a-c of the LED module 100, which means that light emitting diodes of different LED clusters which emit light of the same spectral color are always in the same corners of the same direction oriented equilateral triangles are arranged.
  • the hue of the light emitted by the 15 LED modules of the strip-shaped module chain in a specific spatial direction is a result of additive color mixing Color that arises from a superimposition of the light radiation emitted by the LEDs of the individual LED clusters 102a-c in this spatial direction and depends on the same-sense orientation of the individual LED clusters 102a-c on the printed circuit boards 101 of the individual LED modules 100.
  • the same orientation of the LED clusters 102a-c leads to the disturbing one Effect that the emission spectrum of the light emitted by the RGB LEDs of the individual LED clusters 102a-c viewed from a spatial direction in which the LED chips 104a-c of the individual LED clusters 102a-c are farthest from a viewer, appears much redder than from the diametrically opposite spatial direction (see Fig. 3 ).
  • the light-scattering layer 109 appears redder in a near-observer area than in the rest Range, where the reddish decreases with distance from the viewer.
  • This color change is caused by the Rayleigh scattering of the light emitted by the light emitting diodes of the individual LED clusters 102a-c.
  • the air located between the LED modules 100 and the viewer acts, as well as the individual Vergussmasse füren 108a-c, as a diffusely scattering medium, with blue and green light through the silicone molecules of the potting compound and the molecules of the air, which compared to The wavelengths of the scattered light waves have small diameter, is always more scattered than the much longer-wave red light, so that the remaining, long-wave light components in relation to daylight, so the viewer reaches more red than blue and green light and the color impression in Direction of the spectral color red shifts.
  • LED module 100 which comprises three LED clusters 102a'-c' consisting of three light-emitting LED chips 104a-c, each of which has three bonded and with an at least partially translucent, light-bundling Vergussmasse für 108a-c of three light in the Spectral colors of red, green and blue emitting LEDs, respectively.
  • the individual LED chips 104a-c are in Surface Mounted Device (SMD) - or chip-on-board (CoB) technology mounted directly on one of three on one surface of the circuit board 101 of this LED module 100 'applied contact surfaces 107a-c.
  • SMD Surface Mounted Device
  • CoB chip-on-board
  • the LED chips 104a, 104 and 104c of light of the same spectral color (eg red, green and blue) emitting light emitting diodes of different LED clusters 102a ', 102b' and 102c ', respectively, designated by like reference numerals are in different corner points according to the invention arranged in the same direction oriented, mutually congruent equilateral triangles whose inscribed centers are arranged equidistantly on a straight line, in such a way that the LED chips 104a-c of the same color LEDs of different LED clusters 102a'-c 'in the placement layout of this different LED Cluster 102a'-c 'below the respective Vergussmassemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschinemaschine
  • the LED module 100 'described above is arranged behind a frosted plastic or glass layer 109, which breaks the light emitted by the light-emitting diodes of the LED clusters 102a'-c', scatters in all spatial directions of a half space located in front of this layer 109 and thus contributing to the additive color mixing of the differently colored light emitted by the light emitting diodes of the individual LED clusters 102a'-c '.
  • the Vergussmasse füren 108a-c of the individual LED cluster 102a'-c ' are made of a transparent or partially transparent (diffuse) material, which is preferably made of silicone and enriched with color conversion pigments, which at least a spectral component of the overlapping different colored light in absorb light rays emitted by the light-emitting diodes of the individual LED clusters 102a'-c ', which are present in the spectral colors red, green and blue.
  • a transparent or partially transparent (diffuse) material which is preferably made of silicone and enriched with color conversion pigments, which at least a spectral component of the overlapping different colored light in absorb light rays emitted by the light-emitting diodes of the individual LED clusters 102a'-c ', which are present in the spectral colors red, green and blue.
  • the LED module according to the invention is equipped with at least two LED clusters applied on a printed circuit board, each having at least two LEDs of different color coated with a preferably common, at least partially transparent potting compound layer. Those locations of the circuit board on which the LEDs of the individual LED clusters are placed are arranged in a regular arrangement pattern of a placement layout.
  • the potted LEDs of the same color of different LED clusters in the placement layout of these LED clusters occupy different places according to the invention.
  • the space occupancy of the LED chips of the same color LEDs in the placement layout of various LED clusters according to the invention is determined by a Permutationsvorschrift, which may be, for example, a cyclic permutation of the LED chip allocation to the individual places of the placement layouts of adjacent LED cluster ,
  • the locations of the PCB on which the LED chips of the individual LED clusters are to be placed can be given, for example, by the vertices of regular polygons.
  • the regular polygons by whose vertices the arrangement possibilities of the individual LED chips of all LED clusters are defined on the circuit board, oriented in the same direction. This means that the LED chips of the different LED clusters, with respect to the inscribed centers of the abovementioned regular polygons, are arranged offset by different rotational angles ⁇ n with respect to a normal position ⁇ 0 .
  • the regular polygons by means of whose corner points the arrangement possibilities of the individual LED chips of all LED clusters on the printed circuit board are defined, can be converted into one another by a similarity or congruence mapping.
  • the LED chips of the individual LED clusters can be arranged on the vertices of the same direction oriented equilateral triangles.
  • the incircle centers can be the same for each pair of adjacent LED clusters Have distance to each other.
  • the equilateral triangles oriented in the same direction, whose vertices describe the possible arrangements of the LED chips in the individual LED clusters have the same edge length.
  • the LED chips of the individual LED clusters can be, for example, LED semiconductor chips of approximately monochromatic light in the primary colors red (R), green (G) or blue (B) of the additive color system emitting light-emitting diodes.
  • the above-described LED module e.g. is arranged behind an at least partially translucent (diffuse) layer which breaks the light emitted by the light emitting diodes of each LED cluster scatters in all directions of a space located in front of this half-space and thus the additive color mixing of the light-emitting diodes of each LED cluster contributes emitted different colored light.
  • This layer may be, for example, a frosted plastic or glass layer.
  • the potting compound layers of the individual LED clusters may consist of a transparent or diffuse material hardened into a lump-shaped lump, preferably of silicone.
  • a transparent or diffuse material hardened into a lump-shaped lump, preferably of silicone.
  • the potting compound layers of the individual LED clusters are enriched with color conversion pigments which absorb at least one spectral component of the light of different colors in the red, green and blue spectral colors emitted by the light emitting diodes of the individual LED clusters.
  • the present invention relates to an LED module chain consisting of a number of LED modules connected in series.
  • the latter can e.g. arranged in strip form behind one another or in the form of a two-dimensional cluster in each case in front or side by side on a support.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mit LED-Chips verschiedenfarbiger Leuchtdioden in einer bestimmten Anordnungsweise bestücktes LED-Modul.
  • Lichtemittierende Dioden (LEDs) in den Farben Rot, Gelb, Grün und Blau sind seit den späten sechziger Jahren im Einsatz, so z.B. in Fahrzeugarmaturen, Displays oder als Kontrollleuchten von Elektrogeräten.
  • Die heute im Handel erhältlichen LED-Module bestehen üblicherweise aus einer Anzahl von Einzel-LEDs mit schmalbandigen, näherungsweise monochromatischen Emissionsspektren, die in Form von gehäusten Halbleiterkristallen gefertigt, zu Dreiergruppen in den Primärfarben Rot, Grün und Blau des additiven Farbsystems zusammengefasst und in einer bestimmten Anordnungsweise (z.B. in linear aneinander gereihter oder zu einem Cluster gruppierter Form) auf einer Leiterplatte aufgebracht und miteinander kombiniert sind. Die Leiterplatte erfüllt dabei nicht nur die Funktion eines Trägers, sondern ermöglicht auch eine einfache Ansteuerung der einzelnen Leuchtdioden und weiterer, für den Einsatz des LED-Moduls im Rahmen einer lichttechnischen Anlage benötigter optischer, elektronischer und/oder mechanischer Systemkomponenten.
  • Das elektrische Layout der Leiterplatte kann dabei der jeweiligen Applikation angepasst werden: Neben Monobetrieb lassen sich bei entsprechendem Layout farbige LEDs separat ansteuern, so dass individuelle Farbmischungen und Farbsequenzen mit ein und demselben LED-Modul möglich sind. Unterschiedliche Farben können dabei durch additive Farbmischung des von verschiedenfarbigen LEDs mit unterschiedlichen Emissionsspektren abgestrahlten Lichts erzeugt werden. Indem das LED-Modul jeweils drei Leuchtdioden in den drei Primärfarben Rot, Grün und Blau des additiven Farbsystems, welche sich zusammengenommen zu der Farbe Weiß addieren, zu einer Dreiergruppe zusammenfasst, ergeben sich bei geeigneter additiver Farbmischung Sekundärfarben jedes beliebigen Farbtons in einer verhältnismäßig hohen Farbsättigung.
  • LED-Module sind heutzutage in verschiedenen Formen und Größen auf dem Markt erhältlich. Man unterscheidet u.a. zwischen LED-Modulen mit bedrahteten, in Durchstecktechnologie montierten LEDs, in SMD-Technologie (engl.: "Surface Mounted Device Technology") gefertigten LED-Modulen, die einen höheren Miniaturisierungsgrad als LED-Module mit bedrahteten LEDs erlauben, und auf Basis innovativer Chip-on-Board (CoB)-Technologie bestückten LED-Modulen, bei denen die Halbleiterkristalle direkt auf einer Leiterplatte platziert und kontaktiert sind. Letzteres erlaubt hohe Bestückungsdichten, einen hohen Grad an Miniaturisierung und ein verhältnismäßig gutes thermisches Management für eine lange Lebensdauer.
  • In JP 11-003051 ist ein mit LED-Clustern zu je vier Licht in den Spektralfarben Rot, Grün bzw. Blau emittierenden Leuchtdioden ausgestattetes LED-Display eines Anzeigegeräts beschrieben, bei dem jedes LED-Cluster über zwei im roten Spektralbereich emittierende Leuchtdioden verfügt.
  • Die Druckschriften US 4 851 824 A (MURATA KAZUHISA [JP]; 25. Juli 1989) und JP 8 030213 A (ROHM CO LTD; 2. Februar 1996) offenbaren jeweils LED-Module gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Druckschrift WO 2007/061789 A1 (CREE INC [US]; ROBERTS JOHN K [US]; SIMS PAUL E [US]; YOU CHENHUA [US]; 31. Mai 2007) ist Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPÜ und offenbart ein ähnliches LED-Modul mit LED-Clustern.
    • AUFGABE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist daher der Aufgabe gewidmet, die Homogenität der Licht- und Farbverteilung herkömmlicher LED-Module zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele, die den Gedanken der Erfindung weiterbilden, sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
    • ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die im vorhergehenden Abschnitt definierte Aufgabe wird durch ein LED-Modul gemäß Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nunmehr, Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen, anhand einer detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, ausgehend von dem für die Erfindung einschlägigen Stand der Technik, erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten LED-Moduls der von der Firma TridonicAtco hergestellten und vertriebenen LED-Modulkette LED D511 RGB (Stand der Technik) mit drei LED-Clustern, bestehend aus den LED-Chips von jeweils drei Licht in den Spektralfarben Rot, Grün und Blau emittierenden Leuchtdioden,
    Fig. 2
    zeigt eine weitere schematische Darstellung dieses LED-Moduls, durch die der auf die Linsenform der erhärteten Vergussmasseschichten einzelner LED-Cluster zurückzuführende, zu einer Anisotropie der von den jeweiligen LED-Clustern emittierten Strahlung führende Linseneffekt veranschaulicht wird,
    Fig. 3
    zeigt eine Seitenansicht dieses LED-Moduls
    Fig. 4
    zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen LED-Moduls mit drei LED-Clustern, bestehend aus den LED-Chips von jeweils drei Licht in den Spektralfarben Rot, Grün und Blau emittierenden Leuchtdioden, bei dem LED-Chips von Licht gleicher Farbe emittierenden Leuchtdioden verschiedener LED-Cluster in verschiedenen Eckpunkten dreier gleichsinnig orientierter gleichseitiger Dreiecke, also um 120° gegeneinander versetzt, angeordnet sind.
    DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden wird das in Fig. 4 abgebildete Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ausgehend von dem unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis Fig. 3 beschriebenen Stand der Technik, im Detail beschrieben.
  • Bei dem in Fig. 1 skizzierten LED-Modul 100 sind drei LED-Cluster 102a-c, bestehend aus den LED-Chips 104a-c von jeweils drei Licht in den Spektralfarben Rot, Grün und Blau emittierenden Leuchtdioden, zusammen mit den für einen Konstantstrombetrieb des LED-Moduls 100 benötigten elektronischen Bauelementen einer zur Ansteuerung der einzelnen LED-Cluster 102a-c benötigten LED-Treiberschaltung, den zur Stromversorgung der einzelnen Leuchtdioden dieser LED-Cluster 102a-c dienenden Anschlusskontakten 105 und dem Verdrahtungslayout 106 dieser Bauelemente in Surface Mounted Device (SMD)- oder Chip-on-Board (CoB)-Technik auf einer Leiterplatte 101 aufgebracht.
  • Mit 103a ist ein Befestigungsloch in der Platine bezeichnet, das zur Befestigung durch eine Schraube o.ä. dient.
  • Zur Kühlung des LED-Modul kann es bspw. durch ein vormontierte wärmeleitende Klebetape auf der Rückseite des LED-Modules auf einen Kühlkörper montiert/geklebt werden. Dieser Kühlkörper kann auch gleichzeitig der Reflektor oder die Leuchte sein. An dem "tc Punkt" 103b kann anhand eines Temperaturfühlers die Oberflächentemperatur des LED-Modules gemessen werden, um den optimalen Betrieb bzw. die ausreichende Kühlung des LED-Modules festzustellen. Dazu kann diese Temperaturerfassung zu der Ansteuerelektronik der LEDs zurückgeführt werden, die die LED-Leistung mittels einer PWM-Modulation der Betriebsspannung steuert.
  • Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten LED-Chips 104a, 104 bzw. 104c von Licht gleicher Spektralfarbe (z.B. Rot, Grün bzw. Blau) emittierenden Leuchtdioden verschiedener LED-Cluster 102a, 102b bzw. 102c jeweils in den gleichen Eckpunkten dreier gleichsinnig orientierter, zueinander kongruenter gleichseitiger Dreiecke angeordnet. Mit "gleichsinniger Orientierung" ist dabei gemeint, dass die gleichnamigen Ecken der gleichseitigen Dreiecke, die die dreieckförmigen Anordnungen der einzelnen LED-Cluster 102a-c beschreiben, jeweils in dieselben Richtungen weisen. Die Positionen der drei LED-Cluster 102a-c auf der Leiterplatte 101 des betreffenden LED-Moduls 100 sind dabei durch die Orte der auf einer parallelen Geraden zu einer Längsseite des LED-Moduls 100 angeordneten Inkreis-Mittelpunkte dieser gleichseitigen Dreiecke vorgegeben, wobei die Inkreis-Mittelpunkte aller benachbarten Dreiecke zueinander denselben Abstand haben. Die Anordnung und Orientierung (Ausrichtung) der einzelnen LED-Chips 104a-c ist somit bei allen LED-Clustern 102a-c des LED-Moduls 100 gleich, was bedeutet, dass Leuchtdioden verschiedener LED-Cluster, welche Licht derselben Spektralfarbe emittieren, immer in denselben Ecken dieser gleichsinnig orientierten gleichseitigen Dreiecke angeordnet sind.
  • Ein Problem bei dieser Art der Anordnung und Orientierung der einzelnen RGB-Leuchtdioden verschiedener LED-Cluster besteht in der Anisotropie der emittierten Strahlungsintensität. Diese resultiert daraus, dass die Linsenform der drei zu Klumpen erhärteten Vergussmasseschichten 108a-c einen Linseneffekt zur Bündelung der von den einzelnen LEDs der LED-Clusters 102a-c emittierten isotropen Lichtstrahlung bewirkt, der abhängig von der Position der mit den Vergussmasseschichten 108a-c überzogenen LED-Chips 102a-c variiert (siehe Fig. 2). Aufgrund der Tatsache, dass alle drei LED-Cluster 102a-c des LED-Moduls 100 gleichsinnig orientiert sind, handelt es sich bei dem Farbton der von den 15 LED-Modulen der streifenförmigen Modulkette in eine bestimmte Raumrichtung emittierten Lichts um eine durch additive Farbmischung entstandene Farbe, die aus einer Überlagerung der von den LEDs der einzelnen LED-Cluster 102a-c in diese Raumrichtung emittierten Lichtstrahlung entsteht und von der gleichsinnigen Orientierung der einzelnen LED-Cluster 102a-c auf den Leiterplatten 101 der einzelnen LED-Module 100 abhängt. Sind die LED-Chips 104a-c der einzelnen, zu LED-Clustern 102a-c zusammengefassten RGB-Leuchtdioden nicht genau im Mittelpunkt der linsenförmigen Vergussmasse-Klumpen 108a-c positioniert, führt die gleichsinnige Orientierung der LED-Cluster 102a-c zu dem störenden Effekt, dass das Emissionsspektrum des von den RGB-Leuchtdioden der einzelnen LED-Cluster 102a-c emittierten Lichts, betrachtet aus einer Raumrichtung, in der die LED-Chips 104a-c der einzelnen LED-Cluster 102a-c am weitesten von einem Betrachter entfernt sind, wesentlich rötlicher erscheint als aus der diametral gegenüberliegenden Raumrichtung (siehe dazu Fig. 3). Folglich erscheint die Licht streuende Schicht 109 bei Betrachtung aus einem Raumwinkel, in dem die LED-Chips 104a-c der einzelnen LED-Cluster 102a-c am weitesten von dem Betrachter entfernt sind, in einem dem Betrachter nahe kommenden Bereich rötlicher als im gesamten restlichen Bereich, wobei der Rotstich mit zunehmender Entfernung vom Betrachter abnimmt.
  • Hervorgerufen wird diese Farbveränderung durch die Rayleigh-Streuung des von den Leuchtdioden der einzelnen LED-Cluster 102a-c emittierten Lichts. Die zwischen den LED-Modulen 100 und dem Betrachter befindliche Luft wirkt hierbei, ebenso wie die einzelnen Vergussmasseschichten 108a-c, als diffus streuendes Medium, wobei blaues und grünes Licht durch die Silikonmoleküle der Vergussmasse und die Moleküle der Luft, welche einen im Vergleich zu den Wellenlängen der gestreuten Lichtwellen kleinen Durchmesser besitzen, stets stärker gestreut wird als das wesentlich langwelligere rote Licht, so dass die verbliebenen, langwelligen Lichtanteile in Relation stärker zu Tage treten, den Betrachter also mehr rotes als blaues und grünes Licht erreicht und der Farbeindruck sich in Richtung der Spektralfarbe Rot verschiebt.
  • Dieser Nachteil herkömmlicher LED-Module wird durch das in Fig. 4 skizzierte erfindungsgemäße LED-Modul 100' behoben, welches drei LED-Cluster 102a'-c', bestehend aus je drei gebondeten und mit einer zumindest teilweise lichtdurchlässigen, Licht bündelnden Vergussmasseschicht 108a-c überzogenen LED-Chips 104a-c von drei Licht in den Spektralfarben Rot, Grün bzw. Blau emittierenden Leuchtdioden, umfasst. Die einzelnen LED-Chips 104a-c sind dabei in Surface Mounted Device (SMD)- oder Chip-on-Board (CoB)-Technik direkt auf einer von drei auf einer Oberfläche der Leiterplatte 101 dieses LED-Moduls 100' aufgebrachten Kontaktflächen 107a-c montiert.
  • Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, sind die mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten LED-Chips 104a, 104 bzw. 104c von Licht gleicher Spektralfarbe (z.B. Rot, Grün bzw. Blau) emittierenden Leuchtdioden verschiedener LED-Cluster 102a', 102b' bzw. 102c' erfindungsgemäß in verschiedenen Eckpunkten dreier gleichsinnig orientierter, zueinander kongruenter gleichseitiger Dreiecke angeordnet, deren Inkreis-Mittelpunkte äquidistant auf einer Geraden angeordnet sind, und zwar dergestalt, dass die LED-Chips 104a-c von gleichfarbigen Leuchtdioden verschiedener LED-Cluster 102a'-c' im Platzierungslayout dieser verschiedenen LED-Cluster 102a'-c' unterhalb der jeweiligen Vergussmasseschichten 108a-c unterschiedliche Plätze belegen. Die einzelnen LED-Chips 104a-c von gleichfarbigen Leuchtdioden verschiedener LED-Cluster 102a'-c' sind dabei, von den Inkreis-Mittelpunkten der jeweiligen Dreiecke aus betrachtet, um einen Winkelbetrag von jeweils 120° gegeneinander versetzt angeordnet. Auf diese Weise werden Inhomogenitäten der Licht- und Farbverteilung, welche zu einem Rotstich bei Betrachtung des LED-Moduls 100' aus einem bestimmten Raumwinkel führen, gemittelt über alle LED-Cluster 102a'-c', im Wesentlichen ausgeglichen.
  • Das vorstehend beschriebene LED-Modul 100' ist dabei hinter einer mattierten Kunststoff- oder Glasschicht 109 angeordnet, die das von den Leuchtdioden der LED-Cluster 102a'-c' emittierte Licht bricht, in alle Raumrichtungen eines vor dieser Schicht 109 befindlichen Halbraums streut und somit zur additiven Farbmischung des von den Leuchtdioden der einzelnen LED-Cluster 102a'-c' emittierten verschiedenfarbigen Lichts beiträgt.
  • Die Vergussmasseschichten 108a-c der einzelnen LED-Cluster 102a'-c' sind aus einem transparenten oder teilweise lichtdurchlässigen (diffusen) Material gefertigt, das vorzugsweise aus Silikon besteht und mit Farbumwandlungspigmenten angereichert ist, welche zumindest einen Spektralanteil der aus der Überlagerung verschiedenfarbigen Lichts in den Spektralfarben Rot, Grün und Blau bestehenden, von den Leuchtdioden der einzelnen LED-Cluster 102a'-c' emittierten Lichtstrahlen absorbieren.
  • Das erfindungsgemäße LED-Modul ist dabei mit wenigstens zwei auf einer Leiterplatte aufgebrachten LED-Clustern mit jeweils wenigstens zwei mit einer vorzugsweise gemeinsamen zumindest teilweise lichtdurchlässigen Vergussmasseschicht überzogenen LEDs unterschiedlicher Farbe bestückt. Diejenigen Stellen der Leiterplatte, auf denen die LEDs der einzelnen LED-Cluster platziert sind, sind in einem regelmäßigen Anordnungsmuster eines Platzierungslayouts angeordnet.
  • Dabei belegen die vergossenen LEDs gleicher Farbe verschiedener LED-Cluster im Platzierungslayout dieser LED-Cluster erfindungsgemäß unterschiedliche Plätze.
  • Dabei ist die Platzbelegung der LED-Chips von gleichfarbigen Leuchtdioden im Platzierungslayout verschiedener LED-Cluster erfindungsgemäß durch eine Permutationsvorschrift festgelegt, bei der es sich beispielsweise um eine zyklische Permutation der LED-Chip-Zuordnung auf die einzelnen Plätze des Platzierungslayouts benachbarter LED-Cluster handeln kann.
  • Diejenigen Stellen der Leiterplatte, auf denen die LED-Chips der einzelnen LED-Cluster zu platzieren sind, können z.B. durch die Eckpunkte regelmäßiger Polygone gegeben sein. Gemäß vorliegender Erfindung sind die regelmäßigen Polygone, durch deren Eckpunkte die Anordnungsmöglichkeiten der einzelnen LED-Chips aller LED-Cluster auf der Leiterplatte festgelegt sind, gleichsinnig orientiert. Dies bedeutet, dass die LED-Chips der verschiedenen LED-Cluster, bezogen auf die Inkreis-Mittelpunkte der vorgenannten regelmäßigen Polygone, um unterschiedliche Drehwinkel ϕn gegenüber einer Normalposition ϕ 0 versetzt angeordnet sind. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die regelmäßigen Polygone, durch deren Eckpunkte die Anordnungsmöglichkeiten der einzelnen LED-Chips aller LED-Cluster auf der Leiterplatte festgelegt sind, durch eine Ähnlichkeits- oder Kongruenzabbildung ineinander überführbar sind.
  • Im Falle der zuvor erwähnten zyklischen Permutation der LED-Chip-Zuordnung auf die einzelnen Plätze des Platzierungslayouts benachbarter LED-Cluster können die Größen dieser Drehwinkel ϕ n beispielsweise durch ganzzahlige Vielfache n des durch die Anzahl N der LED-Cluster pro LED-Modul geteilten Vollkreiswinkels von 360° zwischen Null und der um Eins verminderten Anzahl N der LED-Cluster pro LED-Modul gegeben sein: ϕn = n · Δϕn = n · 360°/N ∀ n ∈ {0, 1, 2, ..., N-1}. Dies bedeutet, dass LED-Chips gleichfarbiger Leuchtdioden von zueinander benachbarten LED-Clustern, bezogen auf die Inkreis-Mittelpunkte der regelmäßigen Polygone, um gleich große Winkelbeträge Δϕn = ϕn - ϕ n-1 = 360°/N =: Δϕ ∀ n ∈ {1, 2, ..., N-1} gegeneinander versetzt angeordnet sind.
  • Beispielsweise können die LED-Chips der einzelnen LED-Cluster auf den Eckpunkten gleichsinnig orientierter gleichseitiger Dreiecke angeordnet sein. Die Inkreis-Mittelpunkte können dabei für jedes Paar benachbarter LED-Cluster z.B. denselben Abstand zueinander haben. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die gleichsinnig orientierten gleichseitigen Dreiecke, deren Eckpunkte die Anordnungsmöglichkeiten der LED-Chips in den einzelnen LED-Clustern beschreiben, dieselbe Kantenlänge aufweisen.
  • Bei den LED-Chips der einzelnen LED-Cluster kann es sich beispielsweise um LED-Halbleiterplättchen von näherungsweise monochromatisches Licht in den Primärfarben Rot (R), Grün (G) bzw. Blau (B) des additiven Farbsystems emittierenden Leuchtdioden handeln.
  • Dabei ist vorgesehen, dass das vorstehend beschriebene LED-Modul z.B. hinter einer zumindest teilweise lichtdurchlässigen (diffusen) Schicht angeordnet ist, die das von den Leuchtdioden der einzelnen LED-Cluster emittierte Licht bricht, in alle Raumrichtungen eines vor dieser Schicht befindlichen Halbraums streut und somit zur additiven Farbmischung des von den Leuchtdioden der einzelnen LED-Cluster emittierten verschiedenfarbigen Lichts beiträgt. Bei dieser Schicht kann es sich beispielsweise um eine mattierte Kunststoff- oder Glasschicht handeln.
  • Die Vergussmasseschichten der einzelnen LED-Cluster können erfindungsgemäß aus einem zu einem linsenförmigen Klumpen erhärteten transparenten oder diffusen Material, vorzugsweise aus Silikon, bestehen. Bei Verwendung eines solchen diffusen Materials werden die drei von den Leuchtdioden der einzelnen LED-Cluster emittierten Spektralfarben Rot, Grün und Blau in den jeweiligen Vergussmasseschichten mehr oder weniger stark gestreut, so dass bei einem Betrachter der Eindruck einer durch additive Farbmischung dieser drei Primärfarben erhaltenen Sekundärfarbe des additiven Farbsystems als Farbwahrnehmung entsteht.
  • Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass die Vergussmasseschichten der einzelnen LED-Cluster mit Farbumwandlungspigmenten angereichert sind, die zumindest einen Spektralanteil der aus der Überlagerung verschiedenfarbigen Lichts in den Spektralfarben Rot, Grün und Blau bestehenden, von den Leuchtdioden der einzelnen LED-Cluster emittierten Lichtstrahlen absorbieren.
  • Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine LED-Modulkette, die aus einer Anzahl zueinander in Serie geschalteter LED-Module besteht. Letztere können dabei z.B. in Streifenform hintereinander angeordnet oder in Form eines zweidimensionalen Clusters jeweils vor- bzw. nebeneinander auf einem Träger angeordnet sein.

Claims (20)

  1. LED-Modul, aufweisend wenigstens zwei auf einer Leiterplatte (101) aufgebrachte LED-Cluster (102a'-c') mit jeweils wenigstens zwei mit einer gemeinsamen Vergussmasseschicht (108a-c) überzogenen LED-Chips (104a-c) unterschiedlicher Farbe,
    wobei die LED-Chips (104a-c) der einzelnen LED-Cluster (102a'-c') in "Surface Mounted Device" Technik oder "Chip-on-Board" -Technik auf Kontaktflächen (107a-c) montiert sind, welche direkt auf einer Oberfläche der Leiterplatte (101) aufgebracht sind,
    wobei diejenigen Stellen der Leiterplatte (101), auf denen die LED-Chips (104a-c) der einzelnen LED-Cluster (102a'-c') platziert sind, in einem Anordnungsmuster eines Platzierungslayouts angeordnet sind,
    wobei die vergossenen LED-Chips (104a-c) von gleichfarbigen Leuchtdioden verschiedener LED-Cluster (102a'-c') im Platzierungslayout dieser verschiedenen LED-Cluster (102a'-c') unterschiedliche Plätze unterhalb der jeweiligen Vergussmasseschichten (108a-c) belegen,
    wobei die Vergussmasseschichten (108a-c) der einzelnen LED-Cluster (102a'-c') aus einem transparenten oder teilweise lichtdurchlässigen Material gefertigt sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasseschichten (108a-c) der einzelnen LED-Cluster (102a'-c') mit Farbumwandlungspigmenten angereichert sind, die mindestens einen Spektralanteil der von Leuchtdioden der einzelnen LED-Cluster (102a'-c') emittierten Lichtstrahlen absorbieren, und
    dass das LED Modul zusätzlich eine zumindest teilweise lichtdurchlässige Schicht (109) enthält, die das von den LED-Chips (104a-c) der einzelnen LED-Cluster (102a'-c') emittierte Licht bricht und in alle Raumrichtungen eines vor dieser Schicht befindlichen Halbraums streut.
  2. LED-Modul nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Platzbelegung der LED-Chips (104a-c) von gleichfarbigen Leuchtdioden im Platzierungslayout verschiedener LED-Cluster (102a'-c') durch eine Permutationsvorschrift festgelegt ist.
  3. LED-Modul nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei dieser Permutationsvorschrift um eine zyklische Permutation der LED-Chip-Zuordnung auf die einzelnen Plätze des Platzierungslayouts benachbarter LED-Cluster (102a'-c') handelt.
  4. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    diejenigen Stellen der Leiterplatte, auf denen die LED-Chips (104a-c) der jeweiligen LED-Cluster (102a'-c') zu platzieren sind, durch die Eckpunkte regelmäßiger Polygone gegeben sind.
  5. LED-Modul nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Inkreis-Mittelpunkte benachbarter Polygone auf einer Geraden angeordnet sind.
  6. LED-Modul nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Inkreis-Mittelpunkte benachbarter Polygone den gleichen Abstand zueinander haben.
  7. LED-Modul nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die regelmäßigen Polygone, durch deren Eckpunkte die Anordnungsmöglichkeiten der einzelnen LED-Chips (104a-c) aller LED-Cluster (102a'-c') auf der Leiterplatte (101) festgelegt sind, gleichsinnig orientiert sind.
  8. LED-Modul nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die regelmäßigen Polygone, durch deren Eckpunkte die Anordnungsmöglichkeiten der einzelnen LED-Chips (104a-c) aller LED-Cluster (102a'-c') auf der Leiterplatte (101) festgelegt sind, durch eine Ähnlichkeits- oder Kongruenzabbildung ineinander überführbar sind.
  9. LED-Modul nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die LED-Chips (104a-c) der einzelnen LED-Cluster (102a'-c'), bezogen auf die Inkreis-Mittelpunkte der regelmäßigen Polygone, um unterschiedliche Drehwinkel (ϕ k ) gegenüber einer Normalposition (ϕ0) versetzt angeordnet sind.
  10. LED-Modul nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Größen dieser Drehwinkel (ϕ n ) durch ganzzahlige Vielfache (n) des durch die Anzahl (N) der LED-Cluster (102a'-c') pro LED-Modul (100') geteilten Vollkreiswinkels von 360° zwischen Null und der um Eins verminderten Anzahl (N) der LED-Cluster (102a'-c') pro LED-Modul (100') gegeben sind.
  11. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die LED-Chips (104a-c) der einzelnen LED-Cluster (102a'-c') auf den Eckpunkten gleichsinnig orientierter gleichseitiger Dreiecke angeordnet sind.
  12. LED-Modul nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Inkreis-Mittelpunkte der gleichsinnig orientierten gleichseitigen Dreiecke, auf deren Eckpunkten die LED-Chips (104a-c) der einzelnen LED-Cluster (102a'-c') angeordnet sind, für benachbarte LED-Cluster (102a'-c') zueinander denselben Abstand haben.
  13. LED-Modul nach einem der Ansprüche 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die gleichsinnig orientierten gleichseitigen Dreiecke, deren Eckpunkte die Anordnungsmöglichkeiten der LED-Chips (104a-c) in den einzelnen LED-Clustern (102a'-c') beschreiben, dieselbe Kantenlänge aufweisen.
  14. LED-Modul nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei den LED-Chips (104a-c) der einzelnen LED-Cluster (102a'-c') um LED-Halbleiterplättchen von näherungsweise monochromatisches Licht in den Primärfarben Rot (R), Grün (G) bzw. Blau (B) des additiven Farbsystems emittierenden Leuchtdioden handelt.
  15. LED-Modul nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei der zumindest teilweise lichtdurchlässigen Schicht (109) um eine mattierte Kunststoff- oder Glasschicht handelt.
  16. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vergussmasseschicht (108a-c) der einzelnen LED-Cluster (102a'-c') aus einem zu einem linsenförmigen Klumpen erhärteten transparenten Material besteht.
  17. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vergussmasseschicht (108a-c) der einzelnen LED-Cluster (102a'-c') aus einem zu einem linsenförmigen Klumpen erhärteten diffusen Material besteht.
  18. LED-Modulkette, bestehend aus einer Anzahl zueinander in Serie geschalteter LED-Module (100') nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  19. LED-Modulkette nach Anspruch 18,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die einzelnen LED-Module (100') in Streifenform hintereinander auf einem Träger angeordnet sind.
  20. LED-Modulkette nach Anspruch 18,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die einzelnen LED-Module (100') in Form eines zweidimensionalen Clusters jeweils vor- bzw. nebeneinander auf einem Träger angeordnet sind.
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