OLED/OLED-Leuchtmodul
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtmodul gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 , welches ein plattenförmiges aktives Element zur Lichtabgabe aufweist, wobei es sich bei dem aktiven Element insbesondere um eine sogenannte OLED oder QLED handeln kann. Die Entwicklung sogenannter organischer Leuchtdioden (Organic Light Emitting Diodes, OLEDs) in den letzten Jahren erlaubt es, neuartige Flächenlichtelemente zu verwirklichen, also Lichtquellen, welche über eine größere Fläche hinweg Licht abstrahlen. Als flächiger Leuchtkörper mit einer moderaten Leuchtdichte im Vergleich zu einer klassischen, auf einem Halbleiter basierenden LED ist eine OLED ideal dafür geeignet, größere diffus abstrahlende Lichtquellen zu realisieren, wodurch völlig neuartige Anwendungsgebiete erschlossen werden. Vergleichbare Vorteile bestehen auch bei sogenannten QLEDs (Quantum Dots Light Emitting Diodes).
Bei der Realisierung von Leuchtmodulen auf Basis von OLEDs ist üblicherweise vorgesehen, dass das durch die OLED gebildete sogenannte aktive Element auf einem plattenförmigen Substrat angeordnet ist. Um das OLED-Material vor äußeren
Einflüssen zu schützen, findet in der Regel eine sogenannte Verkapselung statt, d.h., das aktive Element wird nicht nur an seinen beiden Flachseiten von einem Substrat oder anderen flächigen Elementen überdeckt sondern auch in seinem Randbereich entsprechend umschlossen. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass das Substrat eine leichte Vertiefung aufweist, in der dann die OLED angeordnet wird.
Unabhängig davon, in welcher Weise die Verkapselung des aktiven Elements erfolgt, führt dies allerdings zu einem umlaufenden oder zumindest teilweise das aktive Element umgebenden nicht-leuchtenden Randbereich. Das heißt, in der Fläche gesehen nimmt das Leuchtmodul eine etwas größere Abmessung ein als diejenige Fläche, über die eigentlich Licht abgestrahlt wird. Dies führt zu gewissen Grenzen hinsichtlich einer homogenen Lichtabgabe für den Fall, dass mehrere Leuchtmodule nebeneinander angeordnet werden, um gemeinsam eine größere lichtabstrahlende Fläche zu bilden, da in den Übergangsbereichen zwischen zwei Leuchtmodulen dann dunklere Stellen auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabenstellung zugrunde, eine Weiterentwicklung bislang bekannter Leuchtmodule basierend auf OLEDs oder
QLEDs anzugeben, bei der möglichst über die gesamte Ausdehnung des Leuchtmoduls hinweg eine Lichtabgabe erzielt werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Leuchtmodul, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Leuchtmodul entspricht zunächst hinsichtlich seines Aufbaus einem klassischen Leuchtmodul auf OLED- oder QLED-Basis. Das heißt, das
Leuchtmodul weist zunächst ein plattenförmiges, aktives Element auf, welches insbesondere durch eine OLED oder QLED gebildet sein kann. Ferner ist ein plattenförmiges, lichtdurchlässiges Trägerelement vorgesehen, mit einer Oberfläche, auf der das aktive Element angeordnet ist, wobei das Trägerelement einen mit Bezug auf das aktive Element überstehenden Randbereich aufweist. Erfindungsgemäß ist nunmehr auf der dem aktiven Element gegenüberliegenden Seite des Trägerelements ein zusätzliches optisches Element angeordnet, welches dazu ausgebildet ist, eine Lichtabstrahlfiäche des Leuchtmoduls zu bilden, wobei die Lichtabstrahlfiäche, die durch das optische Element hervorgerufen wird, gegenüber der Fläche des aktiven Elements erweitert ist. Mit anderen Worten, durch den Einsatz eines zusätzlichen optischen Elements wird die Fläche, über welche die Lichtabgabe des Leuchtmoduls letztendlich erfolgt, im Vergleich zu dem aktiven Element vergrößert, wobei im Idealfall die Lichtaustrittsfiäche hinsichtlich ihrer Ausdehnung der maximalen
Ausdehnung des Trägerelements entspricht. Letztendlich bedeutet dies, dass trotz Umkapselung des aktiven Elements eine Lichtabgabe bis in den Randbereich des Leuchtmoduls hinein erfolgen kann und dementsprechend Leuchtmodule miteinander flächig kombiniert werden können, ohne dass hierbei nicht-leuchtende Zwischenräume auftreten.
Erfindungsgemäß wird dementsprechend ein Leuchtmodul vorgeschlagen, welches ein plattenförmiges, aktives Element, welches insbesondere durch eine OLED oder QLED gebildet ist, sowie ein plattenförmiges, lichtdurchlässiges Trägerelement aufweist, mit einer Oberfläche, auf der das aktive Element angeordnet ist, wobei das Trägerelement einen mit Bezug auf das aktive Element überstehenden Randbereich aufweist. Das erfindungsgemäße Leuchtmodul ist gekennzeichnet durch ein optisches Element, welches auf einer dem aktiven Element gegenüberliegenden Seite des Trägerelements angeordnet und dazu ausgebildet ist, eine Lichtabstrahlfiäche des Leuchtmoduls zu bilden, welche gegenüber der Fläche des aktiven Elements erweitert ist, vorzugsweise hinsichtlich ihrer Ausdehnung der Fläche des Trägerelements entspricht.
Das erfindungsgemäße optische Element ist vorzugsweise plattenartig ausgebildet und mit einer dem Trägerelement zugewandten Lichteintrittsfläche sowie der der
Lichteintrittsfläche gegenüberliegenden Lichtabstrahlfläche versehen, wobei die Lichtabstrahlfläche vorzugweise eine größere Ausdehnung besitzt als die
Lichteintrittsfläche. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Lichteintrittsfläche des optischen Elements hinsichtlich ihrer Ausdehnung im Wesentlichen der Fläche des aktiven Elements entspricht. Das optische Element stellt also in Querrichtung gesehen eine Art Lichtleiter dar, der das über das Trägerelement eintretende Licht in der Fläche verteilt und dann über die Lichtabstrahlfläche ausstrahlt. Hierzu kann das optische Element im Querschnitt beispielsweise trapez- oder kegelstumpfartig ausgebildet sein. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die Flachseiten des optischen Elements über Seiten- bzw. Randbereiche miteinander verbunden sind, welche zumindest teilweise eine Krümmung aufweisen. Die Seitenbereiche des optischen Elements, welche die beiden Flachseiten miteinander verbinden, wirken reflektierend, was entweder durch eine geeignete Wahl des Winkels derart, dass hier eine
Totalreflexion erfolgt, oder durch das Aufbringen einer reflektierenden Beschichtung erzielt werden kann.
Um die Lichtabgabe über die Lichtabstrahlfläche des optischen Elements weiter verbessern zu können kann ferner vorgesehen sein, dass zwischen dem Trägerelement und dem optischen Element eine Diffusorschicht angeordnet ist. Etwaige
Inhomogenitäten des aktiven Elements hinsichtlich der Lichtabgabe können hierdurch zusätzlich ausgeglichen werden. Des weiteren kann die Lichtaustrittsfläche des erfindungsgemäßen optischen Elements zusätzlich mit einer lichtbeeinflussenden Struktur versehen sein, wobei es sich entweder um eine streuende Struktur oder um eine lichtbrechende Struktur, beispielsweise eine Prismenstruktur oder dgl. handeln kann.
Schließlich kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch eine Strukturierung des aktiven Elements vorgesehen sein, um die Lichtabgabe weiter zu verbessern. Aufgrund der sich beim Betrieb von OLEDs oder QLEDs ergebenden Stromdichteverteilungen kommt es nämlich oftmals zu einer
unterschiedlichen Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Fläche, was meistens zur Folge hat, dass das aktive Element in der Mitte der Fläche weniger hell leuchtet als am Rand. Gemäß einer ersten bevorzugten Weiterbildung ist deshalb vorgesehen, das aktive Element zu strukturieren bzw. in mehrere leuchtende und nicht-leuchtende Bereiche zu unterteilen, wobei vorzugsweise die leuchtenden Bereiche einheitlich angesteuert werden. Durch eine entsprechende Anordnung bzw. Verteilung der leuchtenden Bereiche kann dann der Effekt erzielt werden, dass die mittlere
Leuchtdichte am Rand der mittleren Leuchtdichte im Zentralbereich des aktiven Elements entspricht. Hierzu kann bspw. die Dichte der leuchtenden Bereiche im Zentralbereich, in dem in der Regel bei einem vollkommen homogenen bzw.
geschlossenen aktiven Element eine etwas niedrigere Stromdichte vorliegt, erhöht werden. Eine andere Möglichkeit, die Gleichmäßigkeit der Helligkeit des aktiven Elements weiter zu verbessern, besteht darin, dieses in mindestens zwei getrennt voneinander ansteuerbare Bereiche zu unterteilen. Die Unterteilung kann dabei insb. derart vorgenommen werden, dass ein Zentralbereich sowie ein davon getrennt ansteuerbarer Randbereich vorliegen, wobei wiederum durch entsprechendes Ansteuern beider Bereiche Ungleichmäßigkeiten in der Leuchtdichte ausgeglichen werden können.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 in Schnittdarstellung den Aufbau eines herkömmlichen
Leuchtmoduls auf OLED- oder QLED-Basis;
Figur 2 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Leuchtmoduls;
Figuren 3 bis 5 weitere Ausfuhrungsbeispiele eines erfindungsgemäßen
Leuchtmoduls; Figur 6 eine zusätzliche Möglichkeit zur Verbesserung der
gleichmäßigen Leichtabgabe und
Figuren 7a bis 7f unterschiedliche Möglichkeiten zur Ausgestaltung des
Randbereichs des optischen Elements.
Zunächst soll anhand von Figur 1 kurz das der Erfindung zugrunde liegende Problem erläutert werden. Dargestellt ist im Querschnitt der typische Aufbau eines
Leuchtmoduls 1 auf OLED-Basis, wobei der Aufbau und die erfindungsgemäße Lösung bei einem QLED-Leuchtmodul identisch sind.
Als Trägerelement des Leuchtmoduls 1 dient ein plattenförmiges Substrat 10 aus einem lichtdurchlässigen Material. Auf dem Substrat 10 ist das aktive Element 20 angeordnet, also die eigentliche OLED mit der aus einem organischen Material bestehenden Schicht, welche bei Anlegen einer geeigneten Spannung Licht emittiert.
An der dem Substrat gegenüberliegenden Seite 10 ist dann wiederum ein
Abdeckelement 30 angeordnet, welches durch ein Deckglas oder ggf. auch durch ein lichtundurchlässiges Material gebildet sein kann. Dieses Abdeckelement 30 schützt das aktive Element 20 an seiner Rückseite vor äußeren Einflüssen.
Das aktive Element 20 ist darüber hinaus auch an seinem Umfangsbereich geschützt, was - wie dargestellt - beispielsweise dadurch erfolgen kann, dass das Substrat 10 einen leicht erhöhten überstehenden Randbereich aufweist. Hierdurch wird eine flache Ausnehmung in der Oberfläche des Substrats 10 gebildet, in welche das aktive Element eingebettet 20 ist, sodass dieses idealerweise vollständig von dem Substrat 10 und dem Deckglas 30 geschützt ist. Nicht dargestellt sind in diesem Fall die erforderlichen Zuleitungen zum Kontaktieren der Elektrodenschichten des aktiven Elements 20, welche allerdings für die vorliegende Erfindung keine wesentliche Rolle spielen. Alternativ zu der dargestellten Lösung könnte das aktive Element 20 ferner auch durch eine separate rahmenartige Ummantelung geschützt sein.
Die Lichtabgabe des Moduls 1 erfolgt über das Substrat 10 entsprechend den schematisch dargestellten Pfeilen. Das Licht 40 durchdringt also das Substrat 10, wobei es allerdings an der Grenzfläche 50 zwischen dem Substrat 10 und der
Umgebung aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes teilweise zu einer Totalreflexion kommen kann, insbesondere dann, wenn Licht unter sehr flachen Winkeln auf die Grenzfläche 50 trifft. Ein Teil des Lichts wird also an dem Übergang totalreflektiert und geht für die Lichtabgabe verloren, was zu einer reduzierten
Gesamteffizienz des Leuchtmoduls 1 führt. Weiterhin wird in dem überstehenden Randbereich des Substrats 10 keine Lichtabgabe erfolgen, da hier das Licht lediglich unter sehr flachen Winkeln auf die Grenzfläche 50 trifft und dementsprechend wie oben erläutert totalreflektiert wird. Das heißt, der überstehende Randbereich des Substrats 10 wird bei Aktivierung der OLED nicht leuchten bzw. eine deutlich geringere Helligkeit aufweisen. Werden mehrere derartiger Leuchtmodule 1 nebeneinander angeordnet, bedeutet dies, dass im Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten Leuchtmodulen jeweils eine deutlich reduzierte Helligkeit vorliegt.
Um dieses Problem zu umgehen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an der dem aktiven Element 20 gegenüberliegenden Seite des Substrats 10 ein zusätzliches optisches Element anzubringen, durch welches die Fläche, über welche Licht abgestrahlt wird, vergrößert wird. Ein erstes Ausführungsbeispiel hierzu ist in Figur 2 dargestellt, wobei das erfindungsgemäß vorgesehene zusätzliche optische Element 60 durch ein im Querschnitt trapezförmig ausgebildetes Prisma gebildet ist. Dieses Prisma weist im Randbereich bzw. über den Umfang hinweg eine abgeschrägte Kante 70 auf,
welche - wie anhand der Lichtstrahlen 80 schematisch dargestellt - auf unter flachen Winkeln in das Prisma 60 eintretende Lichtstrahlen totalrefiektierend wirkt. Durch die Refiektion an der umlaufenden Kante 70 wird eine Umlenkung dieser Lichtstrahlen erzielt, sodass diese nunmehr unter einem neuen Winkel auf die Lichtabstrahlfläche 50 des optischen Elements 60 treffen, der es ihnen erlaubt, dieses zu verlassen.
Der Einsatz des optischen Elements 60 hat also nicht nur zur Folge, dass die normalerweise an der Grenzfläche des Substrats 10 totalrefiektierten Lichtstrahlen, welche üblicherweise verloren gehen würden, nunmehr zusätzlich für die Lichtabgabe genutzt werden können und dementsprechend die Effizienz des Leuchtmoduls 1 erhöht wird, sondern auch, dass die Fläche, über die Licht abgegeben wird, vergrößert wird. Bei entsprechender Ausgestaltung des optischen Elements 60 kann also eine
Lichtabstrahlfiäche erzielt werden, welche hinsichtlich ihrer Ausdehnung der Fläche des Substrats 10 entspricht. Dies bedeutet, dass auch in den Randbereichen des Leuchtmoduls 1 eine Lichtabgabe erfolgt und dementsprechend für den Fall, dass mehrere Leuchtmodule 1 nebeneinander flächig angeordnet werden, in den
Übergangsbereichen keine dunkleren Bereiche mehr auftreten. Die Effizienz und die Lichtabgabe werden also durch die erfindungsgemäße Weiterbildung deutlich verbessert.
Vorzugsweise ist das optische Element 60 bzw. das Prisma an das Substrat 10 derart optisch angekoppelt, dass beim Übergang der Lichtstrahlen von dem Substrat 10 in das optische Element 60 keine Beeinflussung auftritt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass beide Elemente einen etwa gleichen Brechungsindex aufweisen.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Grundprinzips ist in Figur 3 dargestellt, wobei hier die Lichtabstrahlfiäche 50 des optischen Elements 60 mit einer zusätzlichen Struktur 90 oder Schicht versehen ist. Es kann sich um eine Diffusorstruktur 90 handeln oder auch um eine Mikroprismenstruktur, durch welche die Lichtabgabe nochmals verbessert wird. Durch die Nutzung des zusätzlichen optischen Elements 60 kommt es nämlich zu unterschiedlichen Lichtaustrittswinkeln an der Oberfläche 50 des Prismas 60, was zur Folge hat, dass im Randbereich der Lichtaustrittsfläche 50 im Vergleich zu einem Bereich direkt oberhalb des aktiven Elements 20 eine etwas andere Abstrahlcharakteristik vorliegen könnte. Der Randbereich wäre dementsprechend aus unterschiedlichen Blickwinkeln immer noch leicht wahrnehmbar, wobei allerdings dieser Effekt nunmehr durch den Einsatz der zusätzlichen Struktur 90 kompensiert wird.
Wie Figur 4 zeigt, kann ferner zusätzlich am Umfangs- oder Randbereich des optischen Elements 60 eine reflektierende Schicht 100 vorgesehen sein. Diese
Maßnahme hat zur Folge, dass hinsichtlich der Ausgestaltung des Randbereichs 70 des optischen Elements größere Freiheiten bestehen. Der Randbereich 70 muss nämlich in diesem Fall nicht mehr auf den erforderlichen Totalreflexionswinkel abgestimmt werden, sondern kann - wie nachfolgend noch näher gezeigt -in verschiedenster Weise gestaltet werden. Wie ein Vergleich zwischen den Figuren 2 bzw. 3 und 4 zeigt, kann durch diese Maßnahme die Bauhöhe des optischen Elements 60 reduziert werden, sodass der gesamte Aufbau des Leuchtmoduls 1 sehr flach gestaltet werden kann. Die zusätzlich reflektierende Schicht 100 kann dabei sowohl ein diffus streuendes als auch ein spiegelndes Verhalten aufweisen.
Schließlich kann als weitere zusätzliche Maßnahme, die in Figur 5 gezeigt ist, im Übergangsbereich zwischen Substrat 10 und optischen Element 60 eine zusätzliche Diffusorschicht 110 eingebracht werden. Aufgrund der Eigenschaft von OLEDs, Licht mit unterschiedlichen Farborten teilweise bevorzugt in unterschiedliche
Raumrichtungen abzustrahlen, könnte sich das Problem ergeben, dass der Randbereich des optischen Elements 60 teilweise Licht andersfarbig emittiert. Wiederum wird durch die Diffusorschicht 110 dieser Effekt kompensiert bzw. ausgeglichen, sodass letztendlich eine gleichmäßige, homogene Lichtabgabe über die gesamte Fläche des optischen Elements 60 hinweg erzielt wird.
Zu erwähnen ist, das die in den Figuren 3 bis 5 dargestellten Maßnahmen, durch welche die Lichtabgabe des Leuchtmoduls 1 weiter optimiert wird, selbstverständlich - wie dargestellt - voneinander unabhängig zum Einsatz kommen oder in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können.
Eine zusätzliche Möglichkeit zur weiteren Verbesserung der Lichtabgabe ist in Figur 6 dargestellt, wobei die nachfolgend erläuterte Weiterbildung wiederum mit allen zuvor beschriebenen Maßnahmen kombiniert werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 bildet das aktive Element 20 nicht - wie bislang - eine geschlossene Fläche, die einheitliche angesteuert wird. Stattdessen ist das aktive Element 20 derart strukturiert, dass es in seiner Fläche in mehrere leuchtende Bereiche 20a sowie nicht-leuchtende Bereiche 20b unterteilt ist. Diese
Strukturierung kann durch eine entsprechende Matrix erfolgen, wobei die leuchtenden Bereiche 20a allerdings vorzugsweise wiederum einheitlich angesteuert werden.
Durch eine entsprechende Strukturierung der Fläche, insb. eine geeignete Wahl der Dichte der leuchtenden Bereiche 20a kann nunmehr die Gleichmäßigkeit der
Lichtabgabe weiter verbessert werden. Grund für diese Maßnahme ist, dass es bei OLEDs oder QLEDS teilweise aufgrund entsprechender Stromdichteverteilungen zu einer unterschiedlichen Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Fläche kommt. D.h., oftmals leuchtet eine OLED in einem mittleren Bereich der Fläche weniger hell als am Rand, was unter anderem auch auf die nicht optimale Leitfähigkeit der zum Einsatz kommenden transparenten Elektrodenschichten der OLED zurückzuführen ist. Dieser Effekt wird nunmehr bei der Weiterbildung gemäß Figur 6 dadurch ausgeglichen, dass in denjenigen Bereichen, in denen üblicherweise eine geringere Leuchtdichte vorliegen würde, die Dichte der leuchtenden Bereiche erhöht wird. Wie aus der Darstellung von Figur 6 erkennbar ist, sind im Randbereich größere Lücken zwischen den leuchtenden Bereichen 20a, also größere nicht-leuchtende Bereiche 20b vorgesehen, welche letztendlich für den angestrebten Ausgleich dahingehend sorgen, dass die Helligkeit des aktiven Elements 20 über seine gesamte Fläche hinweg gesehen im Wesentlichen gleich ist. Durch den Einsatz der bereits zuvor erwähnten lichtstreuenden Mittel kann dann verhindert werden, dass für einen Betrachter die Strukturierung des aktiven Elements 20 erkennbar ist, also verschiedene leuchtende oder nicht-leuchtende Bereiche einzeln wahrnehmbar sind.
Alternativ hierzu wäre es auch denkbar, das aktive Element 20 in mehrere, getrennt voneinander ansteuerbare Bereiche zu unterteilen und eine Ansteuerung dieser Bereiche derart vorzunehmen, dass wiederum eine gleichmäßige Helligkeit vorliegt. Dieser Gedanke ist in Figur 5 angedeutet, wobei hier vorgesehen ist, das aktive Element 20 in einen zentralen Bereich 20c sowie einen rahmenartigen Randbereich 20d zu unterteilen. Beide Bereiche 20c und 20d können, wie bereits erwähnt, getrennt voneinander angesteuert werden, wobei nunmehr wiederum die Ansteuerung derart gewählt wird, dass über die gesamte Fläche hinweg gesehen eine möglichst gleichmäßige Helligkeit vorliegt. Auch diese Variante kann mit den oben erwähnten zusätzlichen optischen Maßnahmen kombiniert werden.
Wie bereits erwähnt kann insbesondere für den Fall, dass der Umfangsbereich 70 des optischen Elements reflektierend ausgestaltet ist, der Bereich hinsichtlich seiner Kontur sehr frei gestaltet werden. Die Figuren 7a bis 7f zeigen denkbare Varianten zur Ausgestaltung des Randbereichs, wobei grundsätzlich der Vorteil erhalten wird, dass auftreffende Lichtstrahlen derart umgelenkt werden, dass sie die Lichtabstrahlfläche des optischen Elements 60 in deren Randbereich verlassen können. Einige der Randbereich zeichnen sich dabei dadurch aus, dass sie verhältnismäßig einfach
realisierbar sind, andere erlauben eine etwas besser Kontrolle der Umlenkung der Lichtstrahlen.
Letztendlich werden also durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Effizienz und Qualität der Lichtabgabe bei einem Leuchtmodul deutlich optimiert. Durch verhältnismäßig einfache Maßnahmen können nunmehr Leuchtmodule geschaffen werden, welche bis in den Randbereich hin Licht homogen abstrahlen, sodass insbesondere auch mehrere derartiger Module flächig miteinander kombiniert werden können, um eine großflächig lichtabstrahlende Anordnung zu realisieren. Das erfindungsgemäße Konzept ist dabei sowohl bei OLED-Leuchtmodulen als auch bei QLED-Leuchtmodulen anwendbar.