EP1935036A1 - Flache led - lichtquelle mit effizienter lichtauskopplung - Google Patents

Flache led - lichtquelle mit effizienter lichtauskopplung

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EP1935036A1
EP1935036A1 EP06790924A EP06790924A EP1935036A1 EP 1935036 A1 EP1935036 A1 EP 1935036A1 EP 06790924 A EP06790924 A EP 06790924A EP 06790924 A EP06790924 A EP 06790924A EP 1935036 A1 EP1935036 A1 EP 1935036A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
light source
semiconductor chip
source according
reflector
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06790924A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Staufert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lucea AG
Original Assignee
Lucea AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Lucea AG filed Critical Lucea AG
Publication of EP1935036A1 publication Critical patent/EP1935036A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58—Optical field-shaping elements
    • H01L33/60—Reflective elements
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L33/52—Encapsulations
    • H01L33/54—Encapsulations having a particular shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L33/58—Optical field-shaping elements

Definitions

  • the invention relates to a light source with at least one light-emitting semiconductor chip.
  • a light-emitting semiconductor chip (or LED chip) is often surrounded by an optically transparent, possibly offset with conversion dye investment, which protects the chip from environmental influences. Furthermore, it is known to mount the chip in a trough-like reflector so that light emitted laterally from the chip is deflected in the forward direction, thereby increasing the efficiency.
  • the boundary surface of the embedding mass toward the surrounding medium is advantageously shaped such that the embedding compound has a domed lens-like structure. As a result, the proportion of light that is totally reflected from the interface back into the investment material and thus lost can be minimized.
  • the light source as a whole were flat, for example, in that its thickness does not exceed 2 mm or even smaller.
  • the mentioned conventional auspicious LEDs are not suitable because they have a considerable extent, in particular in the emission direction. This can not be reduced to a certain extent due to the domicle lens-like structure mentioned, without the losses by total reflection would be considerable.
  • convex lenses forbid for flat light sources but the upper limit must be approximately one plane for geometric reasons.
  • a flat interface between an optical material with a refractive index, for example 1.5, and air, which is arranged closely above the light-generating chip inevitably leads to a large part of the light striking the interface from the chip being totally "reflected back" in the general direction. This is completely undesirable, because in all previously known LED structures this light is lost. The amount of light thus lost depends on the emission characteristics of the chip. For chips that emit a lot of light at a shallow angle, the theoretical loss may be 70% or more.
  • LED chip-based light sources that do not require domicle-type structures have also been proposed, for example in WO 2004/102064 or DE202004011015U.
  • the reflectors described therein have a high optical efficiency (about 90%) and cause the light to be focused on e.g. + 10 ° through.
  • Their height is necessarily about 2 mm or more. This height ensures that light rays which impinge directly on the chip, without deflection at the reflector, on the "upper", approximately flat boundary surface of the optically transparent filling material, are not totally reflected there.
  • a reflector with at least approximately the same optical efficiency but with a height of, for example, only 0.5 mm would not only allow additional applications, but it would result in a mechanically more robust overall structure, because the moments acting on the junction reflector to carrier, are significantly smaller ,
  • the light source should be nevertheless have a good optical efficiency, ie a large part of the light generated by the primary light-generating element should be usable.
  • the structure of the light source should be such that its advantageous properties are also usable if the light source has a conversion dye, ie also emits light of different wavelengths than the wavelength of the light generated primarily by the light-generating element.
  • the light source in addition to at least one light-emitting semiconductor chip as a light-generating element and at least partially surrounding at least partially transparent material, also has a reflector arrangement which has the following properties:
  • Light which is radiated from the interface between the at least partially transparent material and a surrounding medium (back) into the surrounding medium and is not absorbed, is for the most part incident on the reflector arrangement.
  • the reflector arrangement has flat reflection surfaces mainly with respect to a primary emission direction-defined as the center of gravity axis of the light emitted by the semiconductor chip.
  • At least 70% of the reflection surfaces is, for example, at least 45 °, preferably at least 50 °, particularly preferably at least 55 °.
  • At least partially transparent material is meant here at least partially translucent material which surrounds the semiconductor chip, which may be a homogeneous embedding compound or a heterogeneous structure, a structure of different at least partially transparent layers,
  • the at least partially transparent material may contain optically active substances or elements, for example conversion dyes or diffusers.
  • surrounding medium is meant the medium which adjoins the light source, depending on the application, it is the ambient air (or possibly water etc.) or else another transparent object connected to the light source, for example a plate a display, a conversion foil, etc.
  • the surrounding medium is air.
  • the light source is preferably so shallow that a substantial part of the light radiation emitted primarily by the semiconductor chip passes at an angle to the interface under which it is totally reflected, for example at least 20%, at least 30% or even (possibly significantly) more.
  • the reflector arrangement can be a mirror-finished surface of a metal element or mirrored non-metallic element surrounding the LED chip, for example, or an arrangement of different reflective surfaces tapered, for example, circular opening, which is applied with the narrow side of the opening towards the bottom of a support.Together with the support results in a structure of the kind of a very shallow well, in which at the bottom is the LED chip
  • the reflective trough can also be incorporated directly in a suitable carrier, for example by means of a forming process such as stamping or thermoforming or by means of a machining process such as electroerosion or by means of a molding process such as injection molding, for example, the trough is filled with the optically transparent materialUpper limit of the material (corresponding to said interface) does not protrude or not significantly above the upper limit of the reflector, so that a total plate (or platelet-like structure.
  • the interface between the at least partially transparent material and the surrounding medium is, for example, a plane, or it is slightly curved or consists from several facets, wherein, for example, the surface normal (possibly with the exception of microlens-like structures, see below) varies by a maximum of 15 °.
  • the interface is on average approximately perpendicular to the axis of gravity of the light emitted by the semiconductor chip.
  • other configurations are also conceivable due to the application, in which, for example, intentionally an asymmetry of the emission characteristics of the light source is desired.
  • the total height of the light source is less than 1 mm, preferably about 0.5 mm, as mentioned but the said interface approximate a plane.
  • this flat interface between the at least partially transparent material with a refractive index, for example 1.5 and air, which is arranged closely above the light-generating chip, causes a large part of the chip to be totally reflected back onto this interface in the general direction "backwards" .
  • the construction according to the invention makes use of precisely this, otherwise unwanted, total reflection.
  • Below the totally reflective, approximately flat or slightly curved interface of the transparent material is the reflector arrangement, which sends the totally reflected light at a steep angle in the "forward direction" again. In this way, the light within the desired bundling angle emerges from the super flat LED.
  • the inventive approach allows the light source as a whole flat, for example, 1.5 mm or thinner to produce, without the efficiency is significantly impaired. This opens up until now unrealizable
  • a flat LED with bundled light can, for example, in credit cards or similar card-like
  • Objects are introduced, ie the credit card works as a flashlight.
  • Flat light sources with focused light can also be present, for example, in the (possibly red) cover of a pocket knife, without the number of blades having to be reduced for a given pocket knife thickness due to the light source. Even such a pocket knife works as a flashlight.
  • a light source according to the invention can also have an array of light-emitting semiconductor chips (or groups of semiconductor chips), each having an associated reflector. Such can be present as a stiff or foil-like flexible light source due to their small thickness and be used for example as a road marking or wall mounted backlight. With regard to such applications, reference is made to document WO 2004/102064. Also, diffractive or refractive light-deflecting means, which cause an asymmetrical radiation characteristic with respect to the light source plane, can be used in connection with the invention. Such Lichtumlenkstoff are described in the cited document. With regard to applications and light deflection means, the content of WO 2004/102064 belongs to the disclosure content of the present application
  • LED chips give their light in a very large angle range (eg + 80 ° to + 110 °). This means that light rays running flat would impinge only very long distance from the chip or not on the described approximately flat or slightly curved interface of an optically transparent material, but hit flat on the generally flat extending reflector and would thus be distracted in an undesirable angle range , This can be prevented by the mentioned reflector arrangement according to a particularly preferred embodiment having two different zones. The first, from the LED chip farther away zone is responsible for the described back-reflection of the totally reflected rays.
  • a second zone located near the LED chip has one Angle on, with the very flat emerging from the chip beams are unglenkt so steeply that they either emerge directly through the interface, or be directed within the maximum allowable distance from the LED chip from the interface to the first zone of the reflector ,
  • the second zone thus forms a reflecting structure of the type of a very small well, with relatively steep walls around the chip, in comparison to the mentioned trough-like structure, the height of the small well not exceeding the thickness of the semiconductor chip by orders of magnitude but, for example, at most that is three times the thickness of the semiconductor chip.
  • a "micro-optical lens” in the sense of this text is formed by a structure whose characteristic sizes (heights, etc.) are very small in comparison to the dimensions of the light source, for example, the heights of elevations are not greater as 0.1 mm.
  • the micro-optical lens can act as a diffractive and / or a refractive lens.
  • Light source "shine”, etc. refer in this text always on both visible light and radiation in the infrared and ultraviolet range of the
  • a particular category of light sources according to the invention are the white light sources or other light sources which contain a conversion dye.
  • White light by means of LEDs is usually produced today in such a way that the immediate surroundings of a light-emitting semiconductor chip (LED chip) emitting blue or ultraviolet light are enriched with a dye (phosphorus). This dye absorbs a portion of the short wavelength light and is thereby excited to emit longer wavelength light. The mixture of different wavelengths produces white. The emission of the longer-wavelength light from a certain colorant grain takes place over the full solid angle, which means that a very large proportion of the emitted light is directed "backwards" and lost. This causes a dramatic reduction of the light output to half or less. Although it has already been proposed in such an arrangement, the environment of the LED chip with a trough-like reflector Mistake. This solves the problem of reducing the light output but for geometric reasons only to a small extent.
  • a first possibility is that the reflective surfaces of the reflector assembly is coated prior to assembly with a thin layer of conversion dye. This has the effect that short-wave light not absorbed by the dye continues to be deflected at the metal reflector into the desired angular range. But it also causes the dye to be reversed, i. in the direction of the reflector, emitted light is deflected in the desired direction. Calculations show that in this way compared to a LED without conversion significantly less than 20% of the rays are lost for the desired spatial area and in total only less than 5%.
  • a second possibility is that the repeatedly mentioned approximately flat or slightly curved interface of the at least partially transparent material is coated with conversion dye, which is preferably embedded in an optically transparent material with the same or similar refractive index as the material forming the interface.
  • the coating can be achieved, for example, very efficiently by pouring and curing the mixture.
  • the dye may be one of the known inorganic dyes, such as YAG: Ce.
  • organic solubilizing dye such as a perylene (Lumogen from BASF).
  • solubilizing dyes firstly have an increased quantum efficiency, secondly extremely low concentrations ( ⁇ 1% or even ⁇ 0.1%) are required, so that the transparent material also remains transparent and thirdly, no scattering occurs (because no longer exist because the dye is dissolved) on color grains. Overall, this results in a further, not inconsiderable increase in the efficiency.
  • Particularly preferred is the combination of such a dissolved organic dye with the filler silicone.
  • the inventive design of the light source in combination with a conversion dye brings an improved light output.
  • a significant increase in the conversion efficiency brings an improved luminous flux and thus by a. improved ratio lumens / price unit a wider field of application of the LED.
  • 5a and 5b each show a sectional view of a light source according to the invention
  • FIGS. 6, 7a and 7b each show a sectional view of a conversion light source according to the invention
  • top bottom and lateral in this text are always to be understood in relation to the emission direction, ie the light source radiates from “bottom” to “top.” This also corresponds to the representation in all figures except for the FIGS. 8a and 9.
  • the light source 10 according to the invention according to FIG. 1 has an LED chip 11 which is arranged on a support (not shown) with means for electrical contacting of the LED chip and with the exception of a lower surface resting on the support of a transparent material, namely surrounded by a transparent investment material 16.
  • Light emitted by the chip 11 in the forward direction passes through the interface 13 to the environment and is usable.
  • the light source 10 as a whole is so flat that light coming from the semiconductor chip and emitted at an angle to the forward direction is partially totally reflected and reflected back from the interface 13.
  • a reflector 17 is arranged, which deflects from chip coming, reflected by the interface light by reflection at a reflection surface 12.
  • the reflector 17 can also serve as a mechanical protection for the LED chip, the contacts and the investment material at the same time and divert the heat generated by the chip partially upwards.
  • the reflector 17 may be made of aluminum or another metal or of coated plastic.
  • the investment material 16 may be, for example, permanently elastic silicone or amorphous Teflon which partially envelops the chip and forms the totally reflecting interface. It can also consist of several Consist of layers of transparent material, for example, consist of a chip partly enveloping permanently elastic material and an overlying also transparent but, for example, curable material (eg epoxy) exist.
  • FIGS. 1 to 7b show the path of selected light beams (in FIG. 1: center: light emitted in the forward direction, right: in the manner described above by total reflections at interface 13 and reflection surface 12 deflected light, to the left of the LED chip in FIG very shallow angle laterally emitted light).
  • the illustration shows that the light source as a whole also emits light in the lateral direction. This is, for example, the case for the light beam shown on the left in the figure, which runs flat and does not impinge on the described approximately even or slightly curved interface of an optically transparent material at a very great distance from the chip or flat, but flat on the generally flat extending reflector and thus is deflected in an approximately parallel to the light source plane angle range.
  • the lateral transmission of light must not be detrimental or even desirable.
  • such laterally emitted light may also be 'lost', i. not be usable.
  • FIG. 1 light source 20 A correspondingly modified compared to FIG. 1 light source 20 is shown in Figure 2.
  • the first, further away from the LED chip zone 22a of the reflection surface is responsible for the described back-reflection of the totally reflected rays.
  • a second zone 22b located near the LED chip has an angle at which the very flat emerging from the chip beams are steered so steeply upwards that they either emerge directly through the interface, or within a maximum allowable distance from LED chip from the interface to the first zone of the Reflectors are steered.
  • the leftmost light beam in the figure illustrates the function of the second zone.
  • the height of the chip at least partially surrounding, formed by the second zone trough-like reflective structure is only slightly larger than the thickness of the semiconductor chip in the illustrated embodiment.
  • FIG. 2 there are still light rays which emerge from the light source in a very flat angle, which is undesirable depending on the application.
  • a light beam is illustrated in FIG. 2, namely the second light beam from the right. It is about light, which hits at an angle close to the critical angle for total reflection on said interface. So that also such light can be deflected in a desired direction, it is proposed according to FIG. 3 to provide the light source 30 with lens-like structures.
  • the interface has a lens in its central region 33a. This can, if the flatness of the light source is not important, be present as a convex refractive lens.
  • a peripheral area 33a of the interface is substantially flat as in the above embodiments.
  • a light source 40 according to the invention is also shown in FIG. There you can see how the LED chip 41 is applied to a thin carrier 44.
  • the reflector 42 like that of FIG. 2, has at its reflection surface a first and a second zone 42b; 42a.
  • the boundary surface 43 of the embedding compound 46 may, but need not be provided with a diffractive or refractive, microlens-like structure.
  • the carrier may be formed, for example, in the manner of a semiconductor plate, a flex-print or a printed circuit board structure with flexible and rigid sections. It has means (preferably contact pads) for contacting the semiconductor chip (s),
  • FIG. 5a An alternative embodiment of a light source 50 can be seen in FIG. 5a.
  • the light source has a solid body 52 made of optically transparent material whose outer surfaces on the one hand form the totally reflecting approximately flat boundary surface 52c and, on the other hand, a reflecting surface 52a, 52b which also totally replaces the above metal reflector and which is totally reflective against air.
  • the reflective surfaces can also have two zones 52a, 52b as shown and can optionally be provided with a reflective coating, whereby they also reflect light incident at a steep angle.
  • the solid body 52 is placed on the LED chip 51 with a cavity 52d present in its center, wherein the addressed cavity is filled with an optically transparent investment material (eg silicone, amorphous Teflon) which is still viscous at this time.
  • an optically transparent investment material eg silicone, amorphous Teflon
  • this solid body has a "jacket", e.g. in the form of a hollow cylinder 52e.
  • the embedding compound and the solid body 52 together form the optically transparent material; the refractive indices of the embedding compound and the solid body are preferably identical or almost identical.
  • FIG. 6 shows a modification of the embodiment of FIG. 4, in which the light source 60 together with chip 61, carrier 64, reflector 62 and embedding material 63 have a Conversion dye has. This is present in a coating 65 of the reflection surfaces (two zones 62a, 62b) of the reflector 62 are also shown here.
  • Light not emitted in the forward direction by the LED chip 61 passes either directly or by reflection at the interface 63 to the conversion dye. Due to the procedure according to the invention, this light which is not absorbed or emitted in the backward direction is not lost but can be emitted forward after reflection at the reflection surface (if appropriate after a conversion). Light emitted by the chip in the forward direction is not converted in this embodiment. This can be accommodated if necessary by providing the conversion dye in a condition and concentration such that the light emitted by it and the light emitted in forward direction complement each other to light the desired color composition (for example white light).
  • a multilayer structure may be present, wherein at least one of the layers contains conversion dye.
  • FIG. 7a shows the aforementioned second possibility, according to which the interface 73 of the light source 70 of a conversion dye-containing coating 75 is provided.
  • the optically transparent material which forms the coating together with the dye and serves as a matrix, preferably has a refractive index similar to the embedding material 76 (or other material forming the optically transparent material, abutting the surface 73).
  • Reference numerals 71 and 74 denote the LED chip and the carrier, respectively; 72a and 72b represent the second or first zone of the reflection surface.
  • the reflection surface of the reflector has, in addition to the zones 72a, 72b, a third zone 72c with a steep angle (ie the angle to the axis of gravity of the primary emission direction is small, for example less than 45 °).
  • a steep angle ie the angle to the axis of gravity of the primary emission direction is small, for example less than 45 °.
  • FIGS. 8a and 8b a panel-like light source 80 configured according to the invention with a plurality of LED chips 81 arranged like an array is shown in a very schematic representation in sections.
  • the light source has a carrier 84 holding the plurality of chips.
  • the reflector body 87 can be in one piece as shown, or it can be present per chip a separate reflector body.
  • the individual chips - instead of individual chips may also be arranged in groups of, for example. In different wavelengths emitting chips - reflective surfaces may as shown directly adjoin one another, or they may be spaced apart.
  • the reflection surfaces illustrated in FIGS. 8a and 8b also have a first zone 82b and a second zone 82a whose function has already been explained, for example, with reference to FIG.
  • a conversion coating 85 or film is present; Of course, this is not the case with every panel-type light source designed according to the invention.
  • FIG. 9 illustrates the case in which the light source according to the invention is designed as a line light source is.
  • the LED chips 91 are arranged in a linear configuration; the zones 92a, 92b of the reflecting surface are present on both sides with respect to the linear arrangement.
  • a panel-type light source may also have a juxtaposition of linear arrays similar to the light source of FIG.
  • inventive light source as a single LED, as an RGB light source, as a line or panel-like light source (ready-made or with fixed dimensions), etc. are possible.

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Abstract

Die Lichtquelle (20) gemäss der Erfindung weist nebst mindestens einem lichtemittierenden Halbleiterchip (21) als lichterzeugendem Element und diesen mindestens teilweise umgebendem mindestens teilweise transparentem Material (26) auch eine Reflektoranordnung auf, die folgende Eigenschaften hat: licht, welches von der Grenzfläche (23) zwischen dem mindestens teilweise transparenten Mateiral und einem Umgebungsmedium (zurück) ins Umgebungsmedium gestrahlt und nicht absorbiert wird, trifft zu einem Grossteil auf die Reflektoranordnung; licht, welches von der genannten Grenzfläche kommend auf die Reflektoranordnung trifft, wird zu einem Grossteil in Richtung der Grenzfläche reflektiert.

Description

FLACHE LED-LICHTQUELLE MIT EFFIZIENTER LICHTAUSKOPPLUNG
Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle mit mindestens einem lichtemittierenden Halbleiterchip.
In gehäusten lichtemittierenden Dioden ist ein lichtemittierender Halbleiterchip (oder LED-Chip) oft durch eine optisch transparente, unter Umständen mit Konversionsfarbstoff versetzte Einbettmasse umgeben, welche den Chip vor Umwelteinflüssen schützt. Ferner ist es bekannt, den Chip in einem wannenartigen Reflektor anzubringen, damit seitlich vom Chip abgestrahltes Licht in die Vorwärtsrichtung umgelenkt wird und sich dadurch der Wirkungsgrad erhöht. Die Grenzfläche der Einbettmasse hin zum Umgebungsmedium ist im mit Vorteil so geformt, dass die Einbettmasse eine domlinsenartige Struktur besitzt. Dadurch kann der Anteil von Licht, welches von der Grenzfläche zurück in die Einbettmasse totalreflektiert wird und dadurch verloren geht, minimiert werden.
Für manche Anwendungen wäre es wünschenswert, wenn die Lichtquelle als Ganze flach wäre, bspw. indem ihre Dicke 2 mm oder eine noch kleinere Grosse nicht übersteigt. Für solche Anwendungen sind die erwähnten konventionellen genausten LEDs nicht geeignet, da sie insbesondere in Emissionsrichtung eine beträchtliche Ausdehnung aufweisen. Diese lässt sich aufgrund der erwähnten domlinsenartigen Struktur nicht über ein gewisses Mass reduzieren, ohne dass die Verluste durch Totalreflexion beträchtlich würden. Generell verbieten sich konvexe Linsen für flache Lichtquellen, sondern die obere Grenze muss aus geometrischen Gründen annähernd eine Ebene sein. Eine dicht oberhalb des Licht erzeugenden Chip angeordnete ebene Grenzfläche zwischen einem optischen Material mit Brechungsindex beispielsweise 1.5 und Luft führt unweigerlich dazu, dass ein Grossteil des vom Chip her auf diese Grenzfläche auftreffenden Lichtes in der generellen Richtung "zurück" total reflektiert wird. Dies ist ganz und gar unerwünscht, weil bei allen bisher bekannten LED-Aufbauten dieses Licht verloren ist. Die Menge des so verlorenen Lichtes ist abhängig von Abstrahl-Charakterislik des Chips. Bei Chips, die viel Licht in flachem Winkel abgeben, kann der theoretische Verlust 70 % und grösser sein.
Lichtquellen auf LED-Chip-Basis, die ohne domlinsenartige Strukturen auskommen, wurden ebenfalls vorgeschlagen, bspw. in den Schriften WO 2004/102064 oder DE202004011015U. Die dort beschriebenen Reflektoren haben einen hohen optischen Wirkungsgrad (ca. 90%) und führen eine Bündelung des Lichtes auf z.B. +10° durch. Ihre Höhe beträgt aber notwendigerweise ca. 2 mm oder mehr. Durch diese Höhe wird erreicht, dass Lichtstrahlen, die vom Chip her direkt, ohne Umlenkung am Reflektor, auf die "obere", annähernd ebene Grenzfläche des optisch transparenten Füllmaterials auftreffen, dort nicht total reflektiert werden. Ein Reflektor mit mindestens annähernd demselben optischen Wirkungsgrad aber mit einer Höhe von beispielsweise nur 0.5 mm würde nicht nur zusätzliche Einsatzgebiete ermöglichen, sondern es ergäbe sich insgesamt ein mechanisch robusterer Aufbau, weil die Momente, die auf die Verbindungsstelle Reflektor zu Träger wirken, deutlich kleiner werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lichtquelle zur Verfügung zu stellen, welche Nachteile des Standes der Technik überwindet und welche insbesondere dafür geeignet ist, in sehr flachen Ausführungen (dünner als 2mm, dünner als 1.5 mm oder gar maximal 1 mm oder 0.8 mm) hergestellt zu werden. Die Lichtquelle sollte trotzdem einen guten optischen Wirkungsgrad haben, d.h. ein Grossteil des vom primären lichterzeugenden Element erzeugten Lichtes sollte nutzbar sein. Vorzugsweise sollte der Aufbau der Lichtquelle so sein, dass seine vorteilhaften Eigenschaften auch dann nutzbar sind, wenn die Lichtquelle einen Konversionsfarbstoff aufweist, d.h. auch Licht anderen Wellenlängen abstrahlt als der Wellenlänge des primär vom lichterzeugenden Element generierten Lichtes.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Lichtquelle nebst mindestens einem lichtemittierenden Halbleiterchip als lichterzeugendem Element und diesen mindestens teilweise umgebendem mindestens teilweise transparentem Material auch eine Reflektoranordnung aufweist, die folgende Eigenschaften hat:
Licht, welches von der Grenzfläche zwischen dem mindestens teilweise transparenten Mateiral und einem Umgebungsmedium (zurück) ins Umgebungsmedium gestrahlt und nicht absorbiert wird, trifft zu einem Grossteil auf die Reflektoranordnung.
Licht, welches von der genannten Grenzfläche kommend auf die Reflektoranordnung trifft, wird zu einem Grossteil in Richtung der Grenzfläche reflektiert.
Dies bedeutet mit anderen Worten und vereinfacht gesagt, dass die Reflexionsflächen flach anstatt steil sind. Die Reflektoranordnung weist hauptsächlich bezüglich einer Primär-Emissionsrichtung - definiert als Schwerpunktachse des vom Halbleiterchip emittierten Lichts - flache Reflexionsflächen auf. Der Winkel zwischen der genannten Achse und mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 60%, besonders - A -
bevorzugt mindestens 70% der Reflexionsflächen (bzw., wenn diese gekrümmt sind, deren Tangentialebenen) beträgt bspw. mindestens 45°, vorzugsweise mindestens 50°, besonders bevorzugt mindestens 55°.
Unter „mindestens teilweise transparentem Material" wird hier mindestens teilweise lichtdurchlässiges Material verstanden, welches den Halbleiterchip umgibt. Dabei kann es sich um eine homogene Einbettmasse oder ein heterogenes Gebilde, um einen Aufbau verschiedener je mindestens teilweise transparenter Schichten,
Elemente oder Sektoren etc. handeln. Das mindestens teilweise transparente Material kann optisch wirksame Substanzen oder Elemente, bspw. Konversionsfarbstoffe oder Diffusoren enthalten.
Mit „Umgebungsmedium" ist das Medium gemeint, welches an die Lichtquelle angrenzt. Je nach Anwendung handelt es sich dabei um die Umgebungsluft (oder- allenfalls Wasser etc.) oder auch um ein mit der Lichtquelle verbundenes, anderes transparentes Objekt, bspw. eine Platte eines Displays, eine Konversionsfolie etc. Bei der im Folgenden gemachten Erörterung der Eigenschaften (insbesondere dem Anteil von an der Grenzfläche totalreflektiertem Licht sowie der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle) wird davon ausgegangen, dass das Umgebungsmedium Luft ist.
Der Umstand, dass „ein Grossteil" des von der Grenzfläche zurückgestrahlten, nicht absorbierten Lichtes auf die Reflektoranordnung trifft und dass „ein Grossteil" des dort reflektierten Lichtes zurück zur Grenzfläche gelangt bedeutet, dass die Lichtquelle so optimiert ist, dass möglichst viel Licht diesen Weg geht. „Ein Grossteil" bedeutet bezüglich dieser beiden Eigenschaften je nach äusseren Umständen „mindestens 50%, „mindestens 60%, „mindestens 70%" oder gar „mindestens 80%", „mindestens 85%", „mindestens 90%" oder mehr. Unter dem Winkel zwischen einer Gerade und einer Ebene ist hier immer der minimale Winkel zu verstehen, d.h. der Winkel zwischen der Gerade und der senkrechten Projektion der Gerade auf die Ebene.
Die Lichtquelle ist bevorzugt so flach, dass ein substantieller Teil der primär vom Halbleiterchip emittierten Lichtstrahlung unter einem Winkel an die Grenzfläche gelangt, unter welchem sie total reflektiert wird, bspw. mindestens 20%, mindestens 30% oder auch (u.U. deutlich) mehr.
Die Reflektoranordnung kann eine verspiegelte Oberfläche eines bspw. den LED- Chip umgebenden, im Folgenden „Reflektor" genannten Metallelementes oder verspiegelten nicht-metallischen Elementes oder eine Anordnung verschiedener reflektierender Flächen sein. Ein Reflektor kann als plattenartiger metallischer Körper mit einer sich gegen eine Seite stark verjüngenden, bspw. kreisrunden Öffnung sein, welcher mit der engen Seite der Öffnung gegen unten auf einen Träger aufgebracht ist. Zusammen mit dem Träger ergibt sich eine Struktur der Art einer sehr flachen Wanne, in welcher zuunterst sich der LED-Chip befindet. Eine solche reflektierende Wanne kann aber auch direkt in einem geeigneten Träger eingebracht sein, beispielsweise mittels eines Umformprozesses wie Prägen oder Tiefziehen oder mittels eines zerspanenden Prozesses wie Elektroerosion oder mittels eines abformenden Prozesses wie Spritzguss. Die Wanne ist bspw. gefüllt mit dem optisch transparenten Material, wobei die Obergrenze des Materials (entsprechend der genannten Grenzfläche) nicht oder nicht markant über die Obergrenze des Reflektors hinausragt, so dass sich eine insgesamt platten- (bzw. plättchen-) artige Struktur ergibt.
Die Grenzfläche zwischen dem mindestens teilweise transparenten Material und dem Umgebungsmedium ist bspw. eine Ebene, oder sie ist leicht gekrümmt oder besteht aus mehreren Facetten, wobei bspw. die Flächennormale (ggf. mit Ausnahme von mikrolinsenartigen Strukturen, s.u.) um maximal 15° variiert. Im einfachsten Fall ist die Grenzfläche im Mittel in etwa senkrecht zur genannten Schwerpunktachse des vom Halbleiterchip emittierten Lichts. Es sind aber auch anwendungsbedingt andere Konfigurationen denkbar, in welchen bspw. absichtlich eine Asymmetrie der Abstrahlcharaklerislik der Lichtquelle gewünscht wird.
Im Falle, dass die Gesamthöhe der Lichtquelle kleiner als 1 mm, vorzugsweise ca. 0.5 mm ist, ist wie erwähnt sondern die genannte Grenzfläche annähern eine Ebene. Diese dicht oberhalb des Licht erzeugenden Chip angeordnete ebene Grenzfläche zwischen dem mindestens teilweise transparenten Material mit Brechungsindex beispielsweise 1.5 und Luft führt wie erwähnt dazu, dass ein Grossteil des vom Chip her auf diese Grenzfläche auf treffenden Lichtes in der generellen Richtung "zurück" total reflektiert wird. Der erfindungsgemässe Aufbau macht sich genau diese, sonst unerwünschte, Totalreflexion zunutze. Unterhalb der total reflektierenden, annähernd ebenen oder leicht gebogenen Grenzfläche des transparenten Materials befindet sich die Reflektoranordnung, die das total reflektierte Licht in steilem Winkel wieder in "Vorwärts-Richtung" sendet. Auf diese Weise tritt das Licht innerhalb des gewünschten B ündelungs winkeis aus dem superflachen LED aus.
Die gegenüber üblichen Aufbauten zusätzliche Totalreflexion eines Grossteils des vom Chip primär emittierten Lichts an der oberen Grenzfläche reduziert den
Wirkungsgrad nur unwesentlich. Totalreflexion an ideal glatten Flächen erfolgt mit höchstem Wirkungsgrad. An leicht rauhen Flächen wird nicht alles auftreffende
Licht total reflektiert, sondern ein von Rauheit und Auftreffwinkel abhängiger
Prozentsatz des Lichtes tritt direkt aus. Da dieses direkte Austreten aber den bekannten Brechungsgesetzen folgt, ist auch dieses Licht nicht verloren, sondern trägt zum Gesamtwirkungsgrad bei. Dieser Ansatz ist also vollständig gegensätzlich zum Ansatz gemäss WO 2004/102064 oder DE 202004011015U: Dort sind die Reflexionsflächen steil, damit vom Chip emittiertes Licht durch Reflexion so umgelenkt wird, dass es anschliessend möglichst parallel zur Schwerpunktachse des vom Halbleiterchip primär emittierten Lichts, verläuft. Durch die Höhe der Reflexionsflächen wird sichergestellt, dass kein vom Halbleiterchip herkommendes Licht durch Totalreflexion an der Grenzfläche umgelenkt werden kann und dass insgesamt nur wenig Licht verloren geht. Von der Grenzfläche sollte möglichst kein Licht zurückgestrahlt werden; Licht das trotzdem - insbesondere durch partielle Reflexion - zurückgestrahlt wird, gelangt bspw. auf die Chip-Oberfläche oder andere Licht absorbierende Flächen und geht grösstenteils verloren.
Der Ansatz ist auch gegensätzlich zum Aufbau anderer Lichtquellen gemäss dem Stand der Technik, bspw. genausten LEDs. Dort wird durch einen eventuell vorhandenen, wannenartigen Reflektor und den Abstand und die Krümmung der Grenzfläche zum Umgebungsmedium sichergestellt, dass vom Chip herkommendes Licht nicht an der Grenzfläche totalreflektiert werden kann. Dies unabhängig vom Umgebungsmedium, dessen Brechungsindex bekanntlich mindestens 1 (Vakuum) sein muss.
Der erfindungsgemässe Ansatz erlaubt, die Lichtquelle als Ganzes flach, beispielsweise 1.5 mm oder dünner, herzustellen, ohne dass der Wirkungsgrad wesentlich beeinträchtigt wird. Dies eröffnet bis anhin nicht realisierbare
Möglichkeiten, beispielsweise für Ultraflach-LED-Displays oder für textile
Anwendungen mit einer LED-Lichtquelle auf einer Stoff-Oberfläche (bspw. für
Lichtquellen mit einer Dicke von 0.5 mm oder weniger). Weiter ergeben sich interessante Kombinationen mit anderen Gegenständen. Eine flache LED mit gebündeltem Licht kann bspw. in Kreditkarten oder ähnlichen kartenartigen
Objekten eingebracht sein, d.h. die Kreditkarte funktioniert dann als Taschenlampe. Flache Lichtquellen mit gebündeltem Licht können bspw. auch in der (u.U. roten) Abdeckung eines Taschenmessers vorhanden sein, ohne dass aufgrund der Lichtquelle die Anzahl Klingen bei gegebener Taschenmesserdicke verringert werden müsste. Auch ein solches Taschenmesser funktioniert als Taschenlampe.
Auch kann eine erfindungsgemässe Lichtquelle ein Array von lichtemittierenden Halbleiterchips (oder Gruppen von Halbleiterchips) mit je einem zugeordneten Reflektor aufweisen. Eine solche kann aufgrund ihrer geringen Dicke als steife oder folienartig flexible Lichtquelle vorliegen und beispielsweise als Strassenmarkierung oder an Wänden angebrachte Hintergrundbeleuchtung verwendet werden. Bezüglich solcher Anwendungen wird auf die Schrift WO 2004/102064 verwiesen. Auch diffraktiv oder refraktiv wirkende Lichtumlenkmittel, welche eine bezüglich der Lichtquellenebene asymmetrische Abstrahlcharakteristik bewirken, sind im Zusammenhang mit der Erfindung verwendbar. Auch solche Lichtumlenkmittel sind in der genannten Schrift beschrieben. Der Inhalt der WO 2004/102064 gehört bezüglich Anwendungen und Lichtumlenkmittel zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung
Am Markt erhältliche LED-Chips geben ihr Licht in einem sehr grossen Winkelbereich ab (z.B. +80° bis +110°). Dies bedeutet, dass flach verlaufende Lichtstrahlen erst in sehr grosser Distanz vom Chip oder gar nicht auf die geschilderte annähernd ebene oder leicht gebogene Grenzfläche eines optisch transparenten Materials auftreffen würden, sondern flach auf den generell flach verlaufenden Reflektor auftreffen und damit in einen unerwünschten Winkelbereich ungelenkt würden. Dies kann verhindert werden, indem die erwähnte Reflektoranordnung gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform zwei unterschiedliche Zonen aufweist. Die erste, vom LED-Chip weiter entfernte Zone ist für die geschilderte Zurück-Reflektierung der total reflektierten Strahlen verantwortlich. Eine zweite, nahe beim LED-Chip angeordnete Zone weist einen Winkel auf, mit dem die sehr flach aus den Chip austretenden Strahlen so steil nach oben ungelenkt werden, dass sie entweder direkt durch die Grenzfläche austreten, oder innerhalb des maximal zulässigen Abstandes vom LED-Chip von der Grenzfläche auf die erste Zone des Reflektors gelenkt werden. Die zweite Zone bildet mithin eine reflektierende Struktur der Art einer - im Vergleich zur erwähnten wannenartigen Struktur - sehr kleinen Wanne mit recht steilen Wänden um den Chip herum, wobei die Höhe der kleinen Wanne die Dicke des Halbleiterchips nicht um Grössenordnungen übersteigt sondern bspw. höchstens das dreifache der Dicke des Halbleiterchips ausmacht.
Berechnungen (Ray Tracing) zeigen, dass auf diese Weise (d.h. mittels der genannten zwei Zonen) beispielsweise eine Lichtquelle aufgebaut werden kann, bei dem (theoretisch, d.h. ohne Berücksichtigung von irgendwo absorbierten Strahlen) 98 % der von Chip abgegebenen Strahlen aus der Lichtquelle austreten und bei dem z.B. über 80 % der Strahlen innerhalb ± 30° liegen.
Wird eine Lichtquelle mit einer verbesserten Bündelungswirkung, bspw. von ±10° angestrebt, lässt sich feststellen, dass das der Prozentsatz der total abgegebenen Strahlen zwar gleich hoch bleibt, aber nur ca. 65 % der Strahlen innerhalb den gewünschten + 10° liegen. Dies erklärt sich mit einem relativ höheren Anteil von Strahlen, die vom Chip aus direkt, d.h. ohne zunächst total reflektiert zu werden, durch die annähernd ebene Grenzfläche eines optisch transparenten Materials in sehr flachem Winkel austreten. Eine deutliche Verbesserung ist möglich, indem die Grenzfläche in ihrem zentralen Bereich z.B. mit einer mikro-optischen Linse, (also bspw. einer Fresnel-Linse) versehen wird. Der Anteil Strahlen innerhalb des gewünschten Winkels lässt sich damit auf nahezu 80% bringen. Eine „Mikro- optische Linse" im Sinne dieses Textes wird durch eine Struktur gebildet, deren charakteristische Grossen (Höhen etc.) sehr klein sind im Vergleich zu den Dimensionen der Lichtquelle; bspw. sind die Höhen von Erhebungen nicht grösser als 0.1 mm. Die mikro-optische Linse kann als diffraktive und/oder als refraktive Linse wirken.
Während für die meisten Anwendungen sichtbares Licht emittierende Lichtquellen im Vordergrund stehen, kommen ist für ausgesuchte Anwendungen auch die Emission im Infrarot- oder eventuell Ultraviolettbereich interessant. Dies gilt insbesondere für technische Anwendungen, bspw. für Lichtquellen (bzw.
Strahlungsquellen) für das Aushärten von Materialien durch Bestrahlung mit elektromagnetischen Strahlen, für Wärmestrahler etc. Die Wörter „Licht",
„Lichtquelle" „leuchten" etc. beziehen sich in diesem Text immer sowohl auf sichtbares Licht als auch auf Strahlung im Infrarot- und Ultraviolettbereich des
Spektrums elektromagnetischer Strahlung.
Eine besondere Kategorie erfindungsgemässer Lichtquellen sind die Weisslichtquellen oder anderen Lichtquellen, welche einen Konversionsfarbstoff beinhalten.
Weisses Licht mittels LED wird heute üblicherweise so erzeugt, dass die unmittelbare Umgebung eines lichtemittierenden Halbleiterchips (LED-Chips), der blaues oder ultraviolettes Licht abgibt, mit einem Farbstoff (Phosphor) angereichert ist. Dieser Farbstoff absorbiert einen Teil des kurzwelligen Lichtes und wird dadurch zu Emission von längerwelligem Licht angeregt. Die Mischung der unterschiedlichen Wellenlängen ergibt Weiss. Die Emission des längerwelligen Lichtes von einem bestimmten Farbstoffkorn aus erfolgt dabei über den vollen Raumwinkel, was bedeutet, dass ein sehr grosser Anteil des emittierten Lichtes "rückwärts" gerichtet und verloren ist. Dies bewirkt eine dramatische Reduktion der Lichtausbeute auf die Hälfte oder weniger. Zwar ist bereits vorgeschlagen worden, in einer solchen Anordnung die Umgebung des LED-Chips mit einem wannenartigen Reflektor zu versehen. Dies löst das Problem der Reduktion der Lichtausbeute aber aus geometrischen Gründen nur zu einem kleinen Teil.
Mit Hilfe des erfindungsgemässen Ansatzes lässt sich in dieser Hinsicht eine wesentliche Verbesserung erreichen.
Eine erste Möglichkeit ist, dass die Reflexionsflächen der Reflektoranordnung vor der Montage mit einer dünnen Schicht Konversionsfarbstoff beschichtet wird. Dies bewirkt, dass nicht vom Farbstoff absorbiertes kurzwelliges Licht weiterhin am Metallreflektor in den gewünschten Winkelbereich umgelenkt wird. Es bewirkt aber auch, dass vom Farbstoff rückwärts, d.h. in Richtung des Reflektors, emittiertes Licht in die gewünschte Richtung umgelenkt wird. Berechnungen zeigen, dass auf diese Weise gegenüber einem LED ohne Konversion deutlich weniger als 20% der Strahlen für den gewünschten Raumbereich und total nur weniger als 5% verloren gehen.
Eine zweite Möglichkeit ist, dass die mehrfach genannte annähernd ebene oder leicht gebogene Grenzfläche des mindestens teilweise transparenten Materials mit Konversionsfarbstoff beschichtet wird, der vorzugsweise in ein optisch transparentes Material mit gleichem oder ähnlichem Brechungsindex wie das die Grenzfläche bildende Material eingebettet ist. Die Beschichtung kann beispielsweise sehr effizient durch ein Aufgiessen und Aushärten des Gemisches erzielt werden.
Anstelle einer Beschichtung ist es aber auch möglich unabhängig eine den Farbstoff beinhaltende Folie zu erzeugen, und diese mittels eines geeigneten optisch transparenten Klebstoffes auf die Oberfläche des LED aufzuziehen. Selbstverständlich ist dies besonders effizient wenn die erfindungsgemässe Lichtquelle als konfektionierbare Lichtquelle im Sinne der Schriften EP 1 055 256, WO 03/023857 oder WO 2004/102064 ausgebildet ist.
Vom Farbstoff rückwärts emittierte Strahlen treffen in ihrer grossen Mehrheit auf den Flachreflektor auf und werden von diesem in den gewünschten Raumbereich umgelenkt. Berechnungen zeigen, dass auf diese Weise gegenüber einem LED ohne Konversion deutlich weniger als 15% der Strahlen für den gewünschten Raumbereich und total nur weniger als 5% verloren gehen. Der Anteil der für den gewünschten Raumbereich verlorenen Strahlen kann durch eine dritte Zone des Reflektors nochmals vermindert werden Diese dritte Zone ragt über die Licht konvergierende Grenzfläche hinaus und lenkt mindestens einen Teil des in flacher Richtung vom Konversionsfarbstoff abgegebenen Lichtes in den gewünschten Winkelbereich um. Selbstverständlich ist es für eine Maximierung dieses Effektes auch möglich, diese dritte Zone relativ hoch zu gestalten, so dass das gesamte LED höher als 1 mm, also beispielsweise 2 mm hoch oder gar noch höher wird. Man hat in diesem Fall also die Möglichkeiten, die Lichtquelle als Flachlichtquelle auszugestalten oder auf Kosten der Flachheit eine besonders gute Richtwirkung zu erzielen.
Es gibt eine dritte, besonders einfache Möglichkeit. Das gesamte Füllmaterial ist mit einem kleinen Prozentsatz an Konversionsfarbstoff durchmischt. Auch in diesem Fall wird ein so beträchtlicher Teil des vom Farbstoff nach rückwärts emittierten Lichtes vom Flach-Reflektor in den gewünschten Raumwinkel umgelenkt, dass immer noch eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber heute bekannten Anordnungen resultiert.
In allen Fällen kann der Farbstoff einer der bekannten anorganischen Farbstoffe, wie beispielsweise YAG:Ce sein. Speziell bei der dritten Anordnung ist aber ein organischer, in Lösung gehender Farbstoff vorzuziehen, wie beispielsweise ein Perylen (Lumogen von BASF), Diese in Lösung gehenden Farbstoffe weisen erstens eine erhöhte Quanteneffizienz auf, zweitens werden extrem kleine Konzentrationen (< 1% oder sogar < 0.1%) benötigt, so dass das transparente Material auch transparent bleibt und drittens tritt auch keine Streuung an (weil nicht mehr vorhandenen, da der Farbstoff gelöst ist) Farbkörnern auf. Insgesamt ergibt dies eine weitere, nicht unbeträchtliche Erhöhung des Wirkungsgrades. Besonders bevorzugt ist die Kombination eines solchen gelösten organischen Farbstoffs mit dem Füllmaterial Silikon.
Im Vergleich zum Stand der Technik bringt die erfindungsgemässe Ausgestaltung der Lichtquelle in Kombination mit einem Konversionsfarbstoff eine verbesserte Lichtausbeute. Eine deutliche Erhöhung des Konversions-Wirkungsgrades bringt einen verbesserten Lichtstrom und damit durch ein. verbessertes Verhältnis Lumen / Preiseinheit ein breiteres Einsatzgebiet des LED.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind alle schematisch. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 bis 4, 5a und 5b je eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemässen Lichtquelle,
- Fig. 6, 7a und 7b je eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemässen Lichtquelle mit Konversionsfarbstoff,
Fig. 8a und 8b Darstellungen einer Lichtquelle mit einer Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips Fig. 9 eine Darstellung einer weiteren Lichtquelle mit einer Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips,
Die Begriffe „oben", „unten" und „seitlich" sind in diesem Text immer bezogen auf die Abstrahlrichtung zu verstehen, d.h. die Lichtquelle strahlt von „unten" nach „oben". Dies entspricht auch der Darstellung in sämtlichen Figuren mit Ausnahme von den Figuren 8a und 9.
Die erfindungsgemässe Lichtquelle 10 gemäss Figur 1 weist einen LED-Chip 11 auf, welcher auf einem Träger (nicht gezeichnet) mit Mitteln für die elektrische Kontaktierung des LED-Chips angordnet ist und mit Ausnahme einer auf dem Träger aufliegenden unteren Fläche von einem transparenten Material, nämlich einer transparenten Einbettmasse 16 umgeben. Vom Chip 11 in Vorwärtsrichtung (in der Figur vertikal nach oben) emittiertes Licht gelangt durch die Grenzfläche 13 an die Umgebung und ist nutzbar. Die Lichtquelle 10 ist als Ganzes aber so flach, dass vom Halbleiterchip herkommendes und in einem Winkel zur Vorwärtsrichtung emittiertes Licht teilweise von der Grenzfläche 13 totalreflektiert und zurückgeworfen wird. Um den Chip 11 herum und unterhalb der Grenzfläche 13 ist ein Reflektor 17 angeordnet, der von Chip herkommendes, von der Grenzfläche reflektiertes Licht durch Reflexion an einer Reflexionsfläche 12 umlenkt. Der Reflektor 17 kann gleichzeitig auch als mechanischer Schutz für den LED-Chip, die Kontaktierungen und die Einbettmasse dienen und die vom Chip erzeugte Wärme teilweise nach oben ablenken.
Der Reflektor 17 kann aus Aluminium oder einem anderen Metall oder aus beschichtetem Kunststoff bestehen. Die Einbettmasse 16 kann bspw. dauerelastisches Silikon oder amorphes Teflon sein, das den Chip teilweise umhüllt und die total reflektierende Grenzfläche bildet. Sie kann auch aus mehreren Schichten transparenten Materials bestehen, bspw. aus einem den Chip teilweise umhüllenden dauerelastischen Material und einem darüber liegenden ebenfalls transparenten aber bspw. aushärtbaren Material (bspw. Epoxy) bestehen.
Die gestrichelt dargestellten Linien in den Figuren 1 bis 7b zeigen den Weg ausgesuchter Lichtstrahlen (in Figur 1: Mitte: in Vorwärtsrichtung emittiertes Licht, rechts: in vorstehend beschriebener Art durch Totalreflexionen an Grenzfläche 13 und Reflexionsfläche 12 umgelenktes Licht, links vom LED-Chip in sehr flachem Winkel seitlich abgegebenes Licht). Aus der Darstellung geht hervor, dass die Lichtquelle als Ganzes unter anderem auch Licht in seitlicher Richtung emittiert. Dies ist bspw. der Fall für den in der Figur links dargestellten Lichtstrahl, der flach verläuft und erst in sehr grosser Distanz vom Chip oder gar nicht auf die geschilderte annähernd ebene oder leicht gebogene Grenzfläche eines optisch transparenten Materials auftrifft, sondern flach auf den generell flach verlaufenden Reflektor auftreffen und damit in einen zur Lichtquellenebene annähernd parallelen Winkelbereich ungelenkt wird. Wenn die Lichtquelle bspw. für die Beleuchtung von Räumen etc. verwendet wird, muss das seitliche Absenden von Licht nicht nachteilig sein oder kann gar erwünscht sein. Je nach Anwendung kann solches seitlich emittiertes Licht aber auch , verloren', d.h. nicht verwendbar sein.
Eine Verbesserung kann erreicht werden, indem die erwähnte Reflektoranordnung zwei unterschiedliche Zonen aufweist. Eine entsprechend im Vergleich zu Fig. 1 modifizierte Lichtquelle 20 ist in Figur 2 dargestellt. Die erste, vom LED-Chip weiter entfernte Zone 22a der Reflexionsfläche ist für die geschilderte Zurück- Reflektierung der total reflektierten Strahlen verantwortlich. Eine zweite, nahe beim LED-Chip angeordnete Zone 22b, weist einen Winkel auf, mit dem die sehr flach aus den Chip austretenden Strahlen so steil nach oben ungelenkt werden, dass sie entweder direkt durch die Grenzfläche austreten, oder innerhalb eines maximal zulässigen Abstandes vom LED-Chip von der Grenzfläche auf die erste Zone des Reflektors gelenkt werden. Der in der Figur ganz links dargestellte Lichtstrahl illustriert die Funktion der zweiten Zone. Die Höhe der den Chip mindestens teilweise umgebenden, durch die zweite Zone gebildete wannenartige reflektierende Struktur ist in der dargestellten Ausführung nur wenig grösser als die Dicke des Halbleiterchips.
Auch in der Ausführungsform gemäss Figur 2 gibt es noch Lichtstrahlen, welche in einem sehr flachen, je nach Anwendung unerwünschten Winkel aus der Lichtquelle austreten. Ein solcher Lichtstrahl ist in Figur 2 illustriert, nämlich der zweite Lichtstrahl von rechts. Es handelt sich dabei um Licht, welches in einem Winkel nahe zum Grenzwinkel für die Totalreflexion auf die genannte Grenzfläche auf trifft. Damit auch solches Licht in eine gewünschte Richtung umgelenkt werden kann, wird gemäss Figur 3 vorgeschlagen, die Lichtquelle 30 mit linsenartigen Strukturen zu versehen. Im gezeichneten Beispiel weist die Grenzfläche in ihrem zentralen Bereich 33a eine Linse auf. Diese kann, falls die Flachheit der Lichtquelle nicht von Bedeutung ist, als konvexe refraktive Linse vorhanden sein. Dem vorzuziehen ist aber für die meisten Anwendungen eine diffraktive und/oder refraktive fresnellinsenartige Linse, welche die Flachheit der Grenzfläche nicht wesentlich beeinträchtigt. Aus Darstellungsgründen ist in Figur 3 nur die Ausführungsform mit konvexer Linse dargestellt. Ein peripherer Bereich 33a der Grenzfläche ist wie in den vorstehenden Ausführungsformen im Wesentlichen flach.
Eine erfindungsgemässe Lichtquelle 40 ist auch in Figur 4 dargestellt. Dort sieht man, wie der LED-Chip 41 auf einem dünnen Träger 44 aufgebracht ist. Der Reflektor 42 besitzt wie derjenige der Figur 2 an seiner Reflexionsfläche eine erste und eine zweite Zone42b; 42a. Die Grenzfläche 43 der Einbettmasse 46 kann, muss aber nicht mit einer diffraktiv oder refraktiv wirkenden, mikrolinsenartigen Struktur versehen sein. Der Träger kann bspw. in der Art einer Halbleiterplatte, eines Flex-Prints oder einer Leiterplattenstruktur mit flexiblen und starren Abschnitten ausgebildet sein. Er weist Mittel (vorzugsweise Kontaktpads) zur Kontaktierung des bzw. der Halbleiterchips auf,
Eine alternative Ausführungsform einer Lichtquelle 50 sieht man in Figur 5a. Die Lichtquelle weist einen Vollkörper 52 aus optisch transparentem Material auf, dessen Aussenflächen einerseits die total reflektierende annähernd ebene Grenzfläche 52c und anderseits eine den obigen Metall-Reflektor ersetzende, ebenfalls gegen Luft total reflektierende Reflexionsfläche 52a., 52b bilden. Die Reflexionsflächen können wie dargestellt ebenfalls zwei Zonen 52a, 52b aufweisen und können optional mit einer spiegelnden Beschichtung versehen sein, wodurch sie auch unter einem steilen Winkel einfallendes Licht reflektieren. Der Vollkörper 52 wird mit einer in seinem Zentrum vorhandenen Kavität 52d auf den LED-Chip 51 gesetzt, wobei die angesprochene Kavität mit einer zu diesem Zeitpunkt noch zähflüssigen optisch transparenten Einbettmasse (bspw. Silikon, amorphes Teflon) gefüllt ist.
Aus Stabilitätsgründen kann es sich anbieten, dass wie in Figur 5b dargestellt dieser Vollkörper einen "Mantel" z.B. in Form eines Hohlzylinders 52e aufweist.
In der Ausführungsform der Figuren 5a und 5b bilden die Einbettmasse und der Vollkörper 52 zusammen das optisch transparente Material; die Brechungsindizes der Einbettmasse und des Vollkörpers sind vorzugsweise identisch oder fast identisch.
Figur 6 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform von Figur 4, bei welcher die Lichtquelle 60 nebst Chip 61, Träger 64, Refklektor 62 und Einbettmaterial 63 einen Konversionsfarbstoff aufweist. Dieser ist in einer Beschichtung 65 der Reflexionsflächen (gezeichnet sind auch hier zwei Zonen 62a. 62b) des Reflektors 62 vorhanden. Vom LED-Chip 61 nicht in Vorwärtsrichtung emittiertes Licht gelangt entweder direkt oder durch Reflexion an der Grenzfläche 63 zum Konversionsfarbstoff. Von diesem nicht absorbiertes oder in Rückwärtsrichtung emittiertes Licht ist aufgrund des erfindungsgemässen Vorgehens nicht verloren sondern kann nach Reflexion an der Reflexionsfläche (ggf. nach einer Konversion) nach vorne emittiert werden. Vom Chip in Vorwärtsrichtung emittiertes Licht wird in dieser Ausführungsform nicht konvertiert. Dem kann man bei Bedarf Rechnung tragen, indem der Konversionsfarbstoff in einer Beschaffenheit und Konzentration vorhanden ist, dass das von ihm emittierte Licht und das in Vorwärtsrichlung emittierte Licht sich zu Licht der gewünschten Farbzusammenselzung (bspw. Weisslicht) ergänzen.
Anstelle einer einfachen Beschichtung kann in der Ausführungsform von Fig. 6 - wie auch in den folgenden Ausführungsformen ein mehrschichtiger Aufbau vorhanden sein, wobei mindestens eine der Schichten Konversionsfarbstoff enthält.
Figur 7a zeigt die genannte zweite Möglichkeit, wonach die Grenzfläche 73 der Lichtquelle 70 einer Konversionsfarbstoff enthaltenden Beschichtung 75 versehen ist. Das optisch transparente Material, welches zusammen mit dem Farbstoff die Beschichtung bildet und quasi als Matrix dient hat vorzugsweise einen dem Einbettmaterial 76 (oder anderen das optisch transparente Material bildenden, an die Grenfläche 73 anstossenden Material) ähnlichem Brechungsindex. Wie vorstehend erwähnt ist auch in dieser Ausführungsform sichergestellt, dass rückwärts emittierte Strahlen auf den Reflektor 72 treffen und in die gewünschte Raumrichtung umgelenkt werden. Die Bezugszeichen 71 und 74 bezeichnen den LED-Chip respektive den Träger; 72a und 72b stehen für die zweite bzw. erste Zone der Reflexionsfläche. In der Modifikation gemäss Figur 7b weist die Reflexionsfläche des Reflektors zusätzlich zu den Zonen 72a, 72b eine dritte Zone 72c mit einem steilen Winkel (d.h. der Winkel zur Schwerpunktachse der primären Emissionsrichtung ist klein, bspw. kleiner als 45°) auf. Durch diese werden von der Konversions-Beschichtung 75 seitlich emittierte Strahlen nach oben umgelenkt; das Licht wird kollimiert.
In Figuren 8a und 8b ist in sehr schematischer Darstellung ausschnittweise eine erfindungsgemäss ausgestaltete, paneelartige Lichtquelle 80 mit einer Mehrzahl von arrayartig angeordneten LED-Chips 81 gezeichnet. Die Lichtquelle weist einen die Mehrzahl von Chips haltenden Träger 84 auf. Der Reflektorkörper 87 kann wie gezeichnet einstückig sein, oder es kann pro Chip ein eigener Reflektorkörper vorhanden sein. Die den einzelnen Chips - anstelle von Einzelchips können auch Gruppen von beieinander angeordneten, bspw. in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Chips vorhanden sein - Reflexionsflächen können wie dargestellt unmittelbar aneinander anschliesse, oder sie können voneinander beabstandet sein. Auch die in den Figuren 8a und 8b dargestellten Reflexionsflächen weisen eine erste Zone 82b und eine zweite Zone 82a auf, deren Funktion bspw. anhand der Figur 2 bereits erläutert wurde.
In der dargestellten Ausführungsform ist eine Konversionsbeschichtung 85 oder - folie vorhanden; dies ist selbstverständlich nicht bei jeder paneelartigen erfindungsgemäss ausgestalteten Lichtquelle der Fall.
Während bei der Beschreibung der Querschnittsdarstellungen der Figuren 1 bis 7b davon ausgegangen wurde, dass die LED-Chips seitlich in allen Richtungen - entweder zylindrisch oder in einer anderen Konfiguration - von der Reflexionsfläche umgeben sind, muss das nicht notwendigerweise der Fall sein. Figur 9 illustriert den Fall, in welchem die erfindungsgemässe Lichtquelle als Linienlichtquelle ausgebildet ist. Die LED-Chips 91 sind in einer linearen Konfiguration angeordnet; die Zonen 92a, 92b der Reflexionsfläche sind bezüglich der linearen Anordnung beidseits vorhanden.
Eine paneelartige Lichtquelle kann auch eine Aneinanderreihung von linearen Anordnungen ähnlich der Lichtquelle von Figur 9 aufweisen.
Viele weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Lichtquelle als Einzel-LED, als RGB-Lichtquelle, als linien- oder paneelartige Lichtquelle (konfektionierbar oder mit fixer Dimensionierung) etc. sind möglich.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Lichtquelle, aufweisend mindestens einen lichtemittierenden Halbleiterchip (11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91), eine Reflektoranordnung und für vom Halbleiterchip emittiertes Licht mindestens teilweise transparentes Material, wobei zwischen dem genannten Material und einem umgebenden Medium eine
Grenzfläche (13, 23, 33, 43, 52c, 63, 73) definiert ist, durch welche im Betriebszustand der Lichtquelle Licht vom mindestens teilweise transparenLen Material ans umgebende Medium gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des vom Halbleiterchip herkommenden Lichtes an der Grenzfläche durch Totalreflexion umlenkbar ist und die Reflektoranordnung so angeordnet isL, dass vom lichtemittierenden Halbleiterchip herkommendes, von der Grenzfläche durch Totalreflexion umgelenktes Licht auf die Reflektoranordnung gelangt.
2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 60% des vom lichtemittierenden Halbleiterchip herkommenden, von der
Grenzfläche durch Totalreflexion umgelenkten Lichts auf die Reflektoranordnung gelangt.
3. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der Reflektoranordnung im Bezug auf den lichtemittierenden Halbleiterchip (11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91) und die Grenzfläche (13, 23,
33, 43, 53, 63, 73) so ist, dass vom lichtemittierenden Halbleiterchip herkommendes, von der Grenzfläche durch Totalreflexion umgelenktes, nicht absorbiertes und zu der Reflektoranordnung gelangtes Licht an der Reflektoranordnung so reflektiert wird, dass es in einem so steilen Winkel auf die Grenzfläche gelangt, dass mindestens 80% davon nicht erneut total reflektiert wird und bspw. innerhalb eines gewünschten Austrittswinkels von +90° oder ± 60, +30° oder gar +10° austritt.
4. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 30% des vom Halbleiterchip emittierten Lichts ohne vorherige Reflexion oder Absorption unter einem solchen Winkel auf die Grenzfläche trifft, dass es dort totalreflektiert wird.
5. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den lichtemittierenden Halbleiterchip eine Ch ip- Achse definiert ist, welche der Schwerpunktachse des vom Halbleiterchip emittierten Lichts entspricht, dass die Reflektoranordnung Reflexionsflächen aufweist, wobei mindestens 60% der Reflexionsflächen einen Winkel von' mindestens 50° zur genannten Achse aufweisen.
6. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Ganzes flach ist in dem Sinn, dass sie zwischen zwei fiktive Ebenen mit einem Maximalabstand von 2 mm, vorzugsweise 1.5 mm, besonders bevorzugt 1 mm passt.
7. Lichtquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche schwerpunktmässig parallel zu den genannten fiktiven Ebenen verläuft.
8. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reflexionsfläche der ■ Reflektoranordnung mindestens zwei Zonen aufweist, wovon eine erste Zone (22a, 32a, 42b, 52b, 62b, 72b, 82b, 92b) weiter vom mindestens Halbleiterchip entfernt ist als eine zweite Zone (22b, 32b, 42a, 52a, 62a, 72a, 82a, 92a), wobei die erste Zone einen zur Grenzfläche flacheren Winkel aufweist als die zweite Zone.
9. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoranordnung durch einen Reflektor (17, 42, 62, 72) gebildet wird, der als mindestens teilweise metallisches Element oder eine metallische Beschichtung vorliegt.
10. Lichtquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor auf einem Träger (44, 64, 64, 74) aufgebracht ist und zusammen mit dem Träger eine wannenarüge Struktur bildet, wobei eine Bodenfläche der wannenartigen
Struktur den mindestens einen lichtemittierenden Halbleiterchip (11, 21, 31, 41, 61, 71, 81, 91) trägt und Seitenwände der wannenartigen Struktur reflektierend sind, und wobei die wannenartige Struktur mindestens teilweise mit dem genannten mindestens teilweise transparenten Material gefüllt ist.
11. Lichtquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor durch den Träger gebildet wird, welcher mindestens teilweise metallisch ist oder mit einer metallischen Beschichtung versehen ist und lokal eine wannenartige Struktur bildet, wobei eine Bodenfläche der wannenartigen Struktur den mindestens einen lichtemittierenden Halbleiterchip (11, 21, 31, 41, 61, 71, 81, 91) trägt und Seitenwände der wannenartigen Struktur reflektierend sind, und wobei die wannenartige Struktur mindestens teilweise mit dem genannten mindestens teilweise transparenten Material gefüllt ist.
12. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoranordnung durch reflektierende Flächen eines transparenten Vollkörpers (52) gebildet wird, in welchen vom lichtemittierenden Halbleiterchip emittiertes Licht einkoppelbar ist.
13. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Träger (44, 54, 64, 64, 74) für die mechanische Halterung des mindestens einen lichtemittierenden Halbleiterchips, des genannten mindestens teilweise transparenten Materials und der Reflektoranordnung, wobei am Träger Mittel zur elektrischen Kontaktierung des bzw. der Halbleiterchips vorhanden sind.
14. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche Strukturen aufweist, welche als Fresnel- Linse wirken.
15. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Schicht mit einem Konversionsfarbstoff.
16. Lichtquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht bzw. mindestens eine der Schichten mit dem Konversionsfarbstoff parallel zu einer Reflexionsfläche der Reflektoranordnung verläuft und vorzugsweise als eine Beschichtung derselben vorhanden ist.
17. Lichtquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht bzw. mindestens eine der Schichten mit dem Konversionsfarbstoff parallel zur genannten Grenzfläche (73) verläuft und vorzugsweise als Beschichtung derselben vorhanden ist oder in einer bzw. als eine auf die Grenzfläche aufgezogenen Folie ausgebildet ist.
18. Lichtquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte mindestens teilweise transparente Material mit Konversionsfarbstoff durchmischt ist.
19. Lichtquelle einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die
Reflektoranordnung eine Zone (72c) aufweist, welche sich vom mindestens einen lichtemittierenden Halbleiterchip her gesehen jenseits der Grenzschicht
(73) befindet und welche so ausgebildet ist, dass vom Konversionsfarbstoff konvertiertes Licht kollimiert wird.
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