JP2013518374A - 照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、照明装置に関する。少なくとも一態様によると、本照明装置は、表側キャリア（１）と、裏側キャリア（２）と、複数の発光ダイオードチップ（３）と、を備えており、発光ダイオードチップ（３）は、照明装置の動作時に光を放出し、かつ熱損失を放散させる。裏側キャリア（２）は、少なくとも部分的に表側キャリア（１）によって覆われている。発光ダイオードチップ（３）は、裏側キャリア（２）と表側キャリア（１）との間に配置されており、これらのキャリアによって機械的に固定されている。発光ダイオードチップ（３）には、裏側キャリア（２）もしくは表側キャリア（１）またはその両方によって電気的に接触している。表側キャリア（１）は、熱が伝わるように発光ダイオードチップ（３）に結合されており、発光ダイオードチップ（３）とは反対側に光出力面（１０１）を備えており、発光ダイオードチップ（３）によって生成される熱損失の一部を周囲に出力するように実施されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、照明装置に関する。
［関連出願の相互参照］
本願は、独国特許出願第１０２０１０００６１３５．２号および独国特許出願第１０２０１００１８２６０．５号の優先権を主張し、この文書の開示内容は本願に援用される。
照明装置は、特許文献１から公知である。
米国特許第７，２１７，９５６号明細書 米国特許第６，４７３，５５４号明細書 国際公開第２００８／１３１７３５号パンフレット
本発明の目的は、複雑な冷却対策無しに動作する一方で、十分に均一な輝度分布が確保される照明装置を提供することである。
この目的は、請求項１による照明装置によって達成される。本照明装置の有利な構造形態およびさらなる発展形態は、従属請求項に記載されている。請求項の開示内容は、参照によって以下の説明に明示的に示されている。
本発明は、照明装置に関する。本照明装置は、例えば、面光源である。本照明装置は、汎用照明用に設計することができる。これに代えて、本照明装置は、例えば、背面照明装置、特に、例えばＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用のフレームレス型の背面照明装置を構成することができる。
本照明装置は、複数の発光ダイオードチップを備えている。これらの発光ダイオードチップは、光、特に、紫外光、可視光、赤外光のうちの少なくとも１種類を発し、さらに、廃熱を放射するように設計されている。特に、要求されるのは発光のみである。照明装置の動作時、発光ダイオードチップは、特に光を放射し、廃熱を放散する。一構造形態においては、発光ダイオードチップは、アレイに配置されており、例えば仮想の六角形格子、長方形格子、または正方格子の格子点に位置する。
すべての発光ダイオードは、同じ主波長の光を放射する。これに代えて、本照明装置は、異なる主波長を有する何種類かの発光ダイオードチップを備えることができ、これらの発光ダイオードチップは、特に、規則的または不規則なパターンにおいてアレイに配置されている。
発光ダイオードチップは、光を生成するように設計されている無機半導体積層体を備えていることが好ましい。さらには、発光ダイオードチップは、放射を生成する有機積層体を含んでおり、したがってＯＬＥＤを構成することも可能である。原理的には、発光ダイオードチップの代わりにレーザダイオードチップを使用することもできる。
少なくとも一態様によると、本照明装置は、表側キャリアおよび裏側キャリアを備えている。照明装置の表側からの平面視において、裏側キャリアは、少なくとも部分的に表側キャリアによって覆われている。さらなる発展形態においては、表側キャリアもしくは裏側キャリアまたはその両方のそれぞれは、薄板または膜（特に、実質的に面平行な（plane-parallel）薄板または膜）、もしくは電気接続層（例えば導体トラック）、またはその両方を備えており、薄板または膜には、例えば光の取り出しを改善するためのパターニングを設けることができる。さらなる一発展形態においては、表側キャリアおよび裏側キャリアは、フレキシブルな構造である。この場合、特に、本照明装置はフレキシブルである。
発光ダイオードチップは、裏側キャリアと表側キャリアとの間に配置されており、特に、これらのキャリアによって機械的に固定されている。このようにすることで、表側キャリア、および好ましくは裏側キャリアが、特に熱伝導可能な状態に発光ダイオードチップに結合される。例えば、発光ダイオードチップは、はんだまたは接着剤によって裏側キャリアに接合されている。この場合、発光ダイオードチップは、個々のハウジングに埋め込まれているのではなく、裸の状態のチップとして裏側キャリアの上に実装されていることが好ましい。
表側キャリアを使用することで、例えば、発光ダイオードチップを摩擦によって固定することが可能である。一構造形態においては、表側キャリアと裏側キャリアとの間に、所々に接着促進剤が配置されており、接着促進剤によって、これらのキャリアの間に引張応力が発生する。接着促進剤は、例えば、硬化時に収縮することで引張応力が生じるように設計された接着剤を含んでもよい。例えば、発光ダイオードチップは、表側キャリアと裏側キャリアとの間の引張応力によって固定されており、したがって特に、表側キャリアが発光ダイオードチップに押し付けられる。
発光ダイオードチップには、裏側キャリアもしくは表側キャリアまたはその両方によって電気的に接触していることが好ましい。例えば、発光ダイオードチップは、導電性接着剤によって、裏側キャリアの電気導体トラックに、はんだ付けまたは接着接合される。
裏側キャリアの導体トラックによる裏側からの接触に代えて、またはこれに加えて、発光ダイオードチップそれぞれは表側コンタクト層を備えることができ、表側コンタクト層は、表側キャリアの電気接続層に導電接続されている。表側コンタクト層と電気接続層とは、例えば互いに直接隣接しており、特に、これらの間にはんだ層または接着剤層が設けられていない。表側コンタクト層は、特に、光透過性であり、発光ダイオードチップの、光を生成する半導体積層体の表面全体に形成されていることが好ましい。電気接続層は、少なくとも、発光ダイオードチップと重なっている領域において、光透過性であることが好ましい。一構造形態においては、コンタクト層、もしくは、表側キャリアの電気接続層の光透過性領域、またはその両方は、透明導電性酸化物、例えば、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）、もしくはＺｎＯ（特に、ＡｌまたはＧａの少なくとも一方によってドープされたＺｎＯ）、またはこれらの両方を含んでいる。
さらなる一発展形態においては、裏側キャリアは、少なくとも１つの導体トラックを備え、この導体トラックは、発光ダイオードチップの少なくとも１つに表側から電気的に接触するために設けられている。これに加えて、このさらなる発展形態においては、少なくとも１つの電気的ブリッジ要素、例えば、金属ブロックまたはシリコンブロック（好ましくは導電性であるようにドープされている）が、表側キャリアと裏側キャリアとの間に配置されている。電気的ブリッジ要素は、裏側キャリアの導体トラックと表側キャリアの電気接続層との間の電気的接触を形成している。発光ダイオードチップと、少なくとも１つの電気的ブリッジ要素は、ほぼ同じ高さであることが好ましい。このようにすることで、発光ダイオードチップとまったく同じように、ブリッジ要素をキャリアによって固定することができる。このような電気的ブリッジ要素によって、発光ダイオードチップの直列回路、並列回路、または直列／並列を組み合わせた回路を、特に単純に製造することができる。
少なくとも一態様によると、本照明装置は、光取り出し面を備えている。この光取り出し面は、照明装置の動作時に発光ダイオードチップによって生成される光を取り出すように設計されている。光取り出し面は、発光ダイオードチップによって照らされることが好ましい。特に、照明装置の表側からの平面視において、光取り出し面は発光ダイオードチップを覆っている。
表側キャリアが光取り出し面を備えていることが好ましい。この場合、表側キャリアは、少なくとも部分的に光透過性である（すなわち半透明または透明である）ことが有利である。同様に、裏側キャリアも、少なくとも部分的に光透過性とすることができる。
少なくとも一態様によると、光取り出し面は、発光ダイオードチップによって生成される廃熱の少なくとも一部を、周囲環境に放散するように設計されている。特に、光取り出し面は、照明装置の外面であり、好ましくは、発光ダイオードとは反対側の表側キャリアの外面である。光取り出し面は、気体媒体（特に、空気）に隣接していることが好ましい。
少なくとも一態様によると、本照明装置の動作時、発光ダイオードチップそれぞれに、作動させるための１００ｍＷ以下の公称電力が供給される。一構造形態においては、発光ダイオードチップそれぞれの公称電力は、５ｍＷ以上、好ましくは２０ｍＷ以上、特に、４０ｍＷ以上である。
発光ダイオードチップは、１００ｌｍ／Ｗ以上の発光効率（light yield）を有することが好ましい。このような発光効率を有する発光ダイオードチップの原理については、当業者に公知であり、したがって、ここでは詳しく説明しない。発光効率の上限は、可能な最大効率によって物理的に決まり、例えば３５０ｌｍ／Ｗである。
少なくとも一態様によると、発光ダイオードチップの横方向寸法は、３００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下の値を有する。例えば、発光ダイオードチップは、表側からの平面視において、縁部長さ（edge length）が３００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、例えば１００μｍ以下である長方形輪郭または正方形輪郭を有するチップである。さらなる発展形態においては、この横方向寸法は、２０μｍ以上、特に、５０μｍ以上の値を有する。このような横方向寸法の場合、電力が１００ｍＷ以下である発光ダイオードチップは、製造の費用効率が特に高い。
発光ダイオードチップの横方向寸法とは、特に、発光ダイオードチップの縁部長さである。発光ダイオードチップが、例えば光を生成するエピタキシャル半導体積層体を、チップのキャリア基板上に含んでいる場合、本明細書においては、特に、光を生成するエピタキシャル半導体積層体の横方向寸法を、「発光ダイオードチップの横方向寸法」とみなす。例えば、組立てを単純化する目的で、チップのキャリア基板の横方向寸法を、光を生成するエピタキシャル半導体積層体の横方向寸法よりも大幅に大きくすることができる。
少なくとも１つの第２の態様によると、隣り合う発光ダイオードチップの間の距離は、照明装置の動作時に発光ダイオードチップを公称電力で作動させるとき、発光ダイオードチップによって形成されているアレイが、４５０Ｗ／ｍ２以下、またはさらなる発展形態においては３００Ｗ／ｍ２以下の電力消費量を有するように、アレイの基本領域に対して十分に大きく選択される。
この場合、アレイの基本領域とは、特に、光取り出し面の平面視において、アレイによって（すなわちアレイの発光ダイオードチップによって）覆われている裏側キャリアの領域と、発光ダイオードチップ間の空間とを合わせた領域である。アレイの基本領域は、特に、光取り出し面の領域に一致する。
隣り合う発光ダイオードチップの間の距離は、照明装置の動作時に発光ダイオードチップを公称電力で作動させるとき、発光ダイオードチップによって形成されているアレイが、光取り出し面の平面視において、２０００Ｃｄ／ｍ２以上の平均輝度、またはさらなる発展形態においては３０００Ｃｄ／ｍ２以上の平均輝度で光を放射するように、十分に小さく選択されることが好ましい。
平均輝度とは、特に、光取り出し面の平面視において（すなわち特に２πの立体角において）、発光ダイオードのアレイによって放射される光の、アレイの基本領域全体にわたって平均された輝度である。
特に、光束Φは、立体角Ω全体にわたり光の強度（Ｉ）を積分することで得られる。したがって、例えば立体角Ω＝２πにおける等方性発光の場合、アレイの面積Ａにおける平均輝度Ｌは、値Ｌ＝Ｉ／Ａ＝Φ／（２πＡ）を有する。アレイの発光ダイオードチップが、例えばランバート（Lambertian）発光パターンを有する場合、光の強度Ｉが角度の余弦に依存するため、立体角Ω＝２πで発光するときの平均輝度は、値Ｌ＝Φ／（πＡ）を有する。この場合、光束Φを面積Ａで除した値は、特に、面積Ａあたりの発光ダイオードチップの電力消費量と発光ダイオードチップの発光効率との積に等しい。
これに代えて、またはこれに加えて、少なくとも一態様によると、隣り合う発光ダイオードチップの間の距離は、照明装置の動作時に発光ダイオードチップを公称電力で作動させるとき、発光ダイオードチップによって形成されているアレイが、１２０Ｗ／ｍ２以上、またはさらなる発展形態においては２００Ｗ／ｍ２以上の電力消費量、を有するように、アレイの基本領域に対して十分に小さく選択される。
発光ダイオードチップの間の距離は、例えば、１０ｍｍ以下、特に５ｍｍ以下の値、もしくは、０．５ｍｍ以上、特に１ｍｍ以上の値、またはこれらの両方を有する。一構造形態においては、発光ダイオードチップの間の距離は、０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲内（両端値を含む）、特に、１ｍｍ〜４ｍｍの範囲内（両端値を含む）の値を有する。
このような横方向の間隔において、上述した低い公称電力で発光ダイオードチップを使用するとき、裏側キャリアもしくは表側キャリアまたはその両方によって、特に良好な熱拡散を達成することができ、これは有利である。このようにすることで、発光ダイオードチップ１個あたりのより高い電力で、かつそれに対応してより大きな間隔において発光ダイオードチップを使用する場合とは異なり、熱負荷が横方向に特に均一に分布し、発光ダイオードチップが過度に熱くなる危険性が特に低い。
特に、このようにすることで、追加のヒートシンクなしに、光取り出し面を介しての自然対流によって照明装置を冷却することができる。例えば、光取り出し面からの自然対流によって、５Ｗ／ｍ２Ｋ〜１０Ｗ／ｍ２Ｋの範囲内、例えば約７Ｗ／ｍ２Ｋの熱出力が、光取り出し面に接する空気中に放散される。自然対流の場合、特に、光取り出し面の温度と周囲環境の温度との差によってもたらされる温度勾配の結果として、空気中の粒子輸送（particle transport）が進められる。
特に、追加のヒートシンクなしに自然対流によって冷却される照明装置では、単位面積あたりの電力４５０Ｗ／ｍ２以下で動作するとき、光取り出し面の温度上昇は、周囲温度に対して６５Ｋ以下、好ましくは６０Ｋ以下である。このようにすることで、発光ダイオードチップの温度上昇を、追加のヒートシンクなしに、７０Ｋ以下、特に、最大で８０℃に制限することができる。したがって、温度に依存して効率が低下することで発光ダイオードチップの十分な効率が得られない危険性と、発光ダイオードの寿命が温度に依存して短くなる危険性とが、比較的低く、これは有利である。
少なくとも一態様によると、隣り合う発光ダイオードチップの間の距離それぞれは、光取り出し面と発光ダイオードチップとの間の距離の２．５倍以下、好ましくは１．５倍以下である。このようにすることで、光取り出し面において特に均一な輝度分布を達成することができ、これは有利である。
隣り合う発光ダイオードチップの間の距離、または、光取り出し面と発光ダイオードチップとの間の距離は、例えばフレキシブル型または湾曲した照明装置の場合、照明装置がまっすぐ伸びた状態における距離である。光取り出し面がパターニングを備えている場合、発光ダイオードチップと光取り出し面との間の距離は、特に、各発光ダイオードチップの領域全体、かつすべての発光ダイオードチップにわたって平均した光取り出し面と、発光ダイオードチップとの間の距離であるものとする。
少なくとも一態様によると、発光ダイオードチップの横方向寸法もしくは公称電力またはその両方、隣り合う発光ダイオードチップの間の距離、および、発光ダイオードチップと光取り出し面との間の距離は、照明装置の動作時に、発光ダイオードチップによって生成される廃熱によって、光取り出し面の温度が周囲温度に対して７Ｋ以上上昇するように、互いに調整されている。例えば、光取り出し面の温度は、周囲温度に対して、７Ｋ〜６５Ｋの範囲内（両端値を含む）、特に、７Ｋ〜６０Ｋの範囲内（両端値を含む）、好ましくは１０Ｋ〜５０Ｋの範囲内（両端値を含む）で上昇する。光取り出し面の温度が７Ｋ以上上昇するならば、発生する温度勾配が大きいため、照明装置の冷却を、自然対流によって光取り出し面を介して特に効率的に行うことができる。
少なくとも一態様によると、発光ダイオードチップの横方向寸法もしくは公称電力またはその両方、隣り合う発光ダイオードチップの間の距離、および、発光ダイオードチップと光取り出し面との間の距離は、上記に代えて、または上記に加えて、照明装置の動作時に、発光ダイオードチップによって生成される廃熱によって、周囲温度に対する発光ダイオードチップの温度上昇が７０Ｋ以下、好ましくは６０Ｋ以下であるように、互いに調整されている。具体的には、周囲温度が２５℃以下、例えば１５℃〜２５℃の範囲内（両端値を含む）であるとき、廃熱による発光ダイオードチップの温度上昇が、最大で８０℃、好ましくは最大で６０℃であるように、調整される。
発光ダイオードチップの温度、または光取り出し面の温度は、特に、照明装置が連続的に動作して発光ダイオードチップがその公称電力で作動するときの温度を意味する。これらの温度は、発光ダイオードチップの表側の面全体にわたる平均値、または光取り出し面全体にわたる平均値であることが好ましい。周囲温度とは、特に、発光ダイオードによる廃熱が放散していない（すなわち照明装置がオフである）状態での、光取り出し面に隣接する媒体の温度、または照明装置から遠い距離における温度であるものと理解されたい。周囲温度は、例えば室温である。
少なくとも一態様によると、本照明装置は、さらに、裏側外面（すなわち発光ダイオードチップとは反対側の裏側キャリアの面）における熱放散によって冷却されるように設計されている。裏側キャリアの裏側外面は、特に、表側キャリアの光取り出し面と同様に、照明装置の外面を構成しており、例えば気体媒体（例：空気）に隣接している。
一構造形態においては、光取り出し面と発光ダイオードチップとの間の距離は、５ｍｍ以下、好ましくは４ｍｍ以下である。このようにすることで、照明装置の構造高さを特に低くすることを達成することができ、この場合、発光ダイオードチップの寸法が小さく、かつ発光ダイオードチップ間の距離も小さいことによって、照明装置によって放射される光の、光取り出し面全体にわたる十分に均一な輝度分布を同時に達成することができる。
本照明装置は、金属製のヒートシンク、特に、冷却リブを有する金属製のヒートシンクを備えていないことが好ましい。例えば、裏側キャリアのうち熱を放散するように設けられた裏側外面を含む領域、または、表側キャリアのうち光取り出し面を含む領域は、ガラス質材料もしくはプラスチック材料またはその両方から形成されている。このようにすることで、構造高さが特に低い照明装置を実現することができ、これは有利である。例えば、一構造形態において、照明装置は、構造高さが１０ｍｍ以下、特に、５ｍｍ以下である。これに加えて、本照明装置は、特に高い費用効率で製造することができ、フレキシブルな構造とすることができる。
少なくとも一態様によると、発光ダイオードチップは、高さ（すなわち表側から裏側までの範囲）が１５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、例えば５μｍ以下である。高さは、特に、２μｍ以上、例えば３μｍ以上である。
さらなる一発展形態においては、発光ダイオードチップは、基板レスの発光ダイオードチップである。「基板レスの発光ダイオードチップ」とは、特に、光を放射するエピタキシャル半導体積層体を備えており、この半導体積層体が成長基板から分離されている発光ダイオードチップである。基板レスの発光ダイオードチップのエピタキシャル半導体積層体は、照明装置の表側キャリアおよび裏側キャリアと、成長基板とを除き、チップのキャリア基板に結合されていないことが好ましい。基板レスの発光ダイオードチップは、例えば、ｎ側に接触するためのコンタクト層もしくはｐ側に接触するためのコンタクト層またはその両方が表側もしくは裏側またはその両方に設けられたエピタキシャル半導体積層体からなる。コンタクト層は、例えば、金属（例：ＡｇもしくはＡｕまたはその両方）、または透明導電性酸化物（ＴＣＯ）（例：ＩＴＯもしくはＺｎＯまたはその両方）、またはこれらの両方を含んでいる。
このような低い高さの発光ダイオードチップ（例えば基板レスの発光ダイオードチップ）の場合、特に裏側キャリアに廃熱を放散することは、特に効率的である。したがって、動作時に発光ダイオードチップによって生成される廃熱によって発光ダイオードチップの温度が上昇する程度が特に小さく、これは有利である。
少なくとも一態様によると、発光ダイオードチップと表側キャリアとの間に、屈折率整合材料（例えばシリコンをベースとする流体）が配置される。屈折率整合材料の屈折率と、屈折率整合材料に隣接する発光ダイオードチップの材料の屈折率との差は、例えば１以下であり、屈折率整合材料の屈折率と、屈折率整合材料に隣接する表側キャリアの材料の屈折率との差は、１以下である。屈折率整合材料の屈折率は、屈折率整合材料の表側に隣接する材料の屈折率と、屈折率整合材料の裏側に隣接する材料の屈折率との間であることが好ましい。
さらなる発展形態においては、表側キャリアに面している、各発光ダイオードチップの主面は、槽状の凹部（trough-like recess）を備えており、この凹部は屈折率整合材料によって満たされている。例えば、発光ダイオードチップの表側コンタクト層は、槽状の凹部が形成されるようにフレームとして構築されている。この場合、表側からの平面視において、コンタクト層は、特に、発光ダイオードチップの半導体積層体の周縁領域を覆っており、周縁領域によって囲まれている半導体積層体の中央領域に空間が残されている。特に、この中央領域に屈折率整合材料が配置されている。このような構造は、例えば、光の取り出しを改善する目的で発光ダイオードチップの半導体積層体が表側において粗面化される場合に、有利であり得る。
少なくとも一態様によると、表側キャリアは、複数の個別の空洞を囲んでおり、各空洞は、発光ダイオードチップの１つと重なっている。各空洞は、特に、発光材料（luminescent material）を含んでいる発光変換要素によって、部分的または完全に満たされている。空洞は、表側キャリアの本体、特に、光透過性の本体によって、完全に囲まれていることが好ましい。表側キャリアの本体は、複数の部分から構成することができる。例えば、本体は、凹部を有する第１の部分と、空洞が形成されるように凹部を覆っている第２の部分とを備えている。
好ましい構造形態においては、照明装置の表側からの平面視において、空洞それぞれが、ただ１つの発光ダイオードチップを完全に覆っており、それ以外の発光ダイオードチップからは横方向に隔てられている。空洞の横方向寸法は、空洞と重なっている発光ダイオードチップの対応する横方向寸法の好ましくは３倍以下、特に、２倍以下である。このようにすることで、オフであるときに発光材料の色（観察者によっては心地よく感じないことがある）を示さない照明装置を実現することができる。
さらなる発展形態においては、各空洞のサブ領域のうち発光ダイオードチップの側の第１のサブ領域は、発光変換要素を含んでおり、発光ダイオードチップとは反対側の第２のサブ領域は、材料、特に気体（例えば空気）によって満たされており、この材料は、光取り出し面の側の空洞の境界を形成している表側キャリアの材料よりも低い屈折率を有する。一構造形態においては、第２のサブ領域は、湾曲した表面を備えている。この第２のサブ領域によって、表側キャリアにおいて特に良好な光の混合を達成することができ、したがって、特に、照明装置の構造高さが小さいことと合わせて、光取り出し面における輝度分布の特に良好な均一性を達成することができる。
少なくとも一態様によると、表側キャリアは、光拡散性もしくは拡散反射性またはその両方である層（a light-diffusing and/or diffusely reflecting layer）を含んでいる。光拡散性もしくは拡散反射性またはその両方である層は、光拡散性もしくは拡散反射性またはその両方を備える目的で、特に、散乱粒子を含んでおり、散乱粒子は、マトリックス材料（例えばシリコンをベースとするマトリックス材料）に埋め込まれていることが好ましい。一構造形態においては、光拡散性もしくは拡散反射性またはその両方である層は、発光変換要素を横方向に囲んでいる。特に、表側キャリアにおける空洞の側壁が、光拡散性もしくは拡散反射性またはその両方である層によって形成されている。
少なくとも一態様によると、表側キャリアと、裏側キャリアと、複数の発光ダイオードチップと、を備えた照明装置であって、照明装置の動作時に、複数の発光ダイオードチップが光を放射し、かつ廃熱を放散し、裏側キャリアは、少なくとも部分的に、表側キャリアによって覆われており、発光ダイオードチップは、裏側キャリアと表側キャリアとの間にアレイを形成するように配置されている、照明装置が提供される。発光ダイオードは、裏側キャリアもしくは表側キャリアまたはその両方によって電気的に接触されており、裏側キャリアおよび表側キャリアによって機械的に固定されている。表側キャリアは、発光ダイオードチップに熱伝導可能な状態に結合され、発光ダイオードチップとは反対側の光取り出し面を備えており、光取り出し面は、発光ダイオードチップによって生成される廃熱の一部を周囲環境に放散するように設計されている。照明装置の動作時、発光ダイオードチップそれぞれには、作動させるための１００ｍＷ以下の公称電力が供給され、発光ダイオードチップそれぞれは、１００ｌｍ／Ｗの発光効率を有する。隣り合う発光ダイオードチップの間の距離は、照明装置の動作時に発光ダイオードチップを公称電力で作動させるとき、発光ダイオードチップによって形成されるアレイが、光取り出し面の平面視において、４５０Ｗ／ｍ２以下の電力消費量を有するように、アレイの基本領域に対して十分に大きく選択される。隣り合う発光ダイオードチップの間の距離は、照明装置の動作時に発光ダイオードチップを公称電力で作動させるとき、発光ダイオードチップによって形成されているアレイが、光取り出し面の平面視において、２０００Ｃｄ／ｍ２以上の平均輝度で光を放射するように、十分に小さく選択される。さらには、発光ダイオードチップの間の距離は、光取り出し面と発光ダイオードチップとの間の距離の２．５倍以下である。
一構造形態においては、発光ダイオードチップの間の距離は、例えば、１０ｍｍ以下の値、例えば５ｍｍ以下の値を有し、例えば、０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは１ｍｍ〜４ｍｍの範囲内（両端値を含む）の値を有する。発光ダイオードチップと光取り出し面との間の距離は、例えば３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内（両端値を含む）の値を有し、例えば４ｍｍの値を有する。さらなる一発展形態においては、発光ダイオードチップそれぞれの公称電力は、２ｍＷ以上の値、特に、２０ｍＷ〜６０ｍＷの範囲内（両端値を含む）の値を有する。
このようにすることで、構造高さが低く、金属製のヒートシンクなしに自然対流によって冷却することのできる照明装置を実現することができ、これは有利である。
少なくとも一態様によると、表側キャリアと、裏側キャリアと、光および廃熱を放出するように設計されている複数の発光ダイオードチップと、を備えた照明装置であって、裏側キャリアが、少なくとも部分的に、表側キャリアによって覆われており、発光ダイオードチップが、裏側キャリアと表側キャリアとの間に配置されており、これらのキャリアによって機械的に固定されており、裏側キャリアもしくは表側キャリアまたはその両方によって電気的に接触されており、表側キャリアが、発光ダイオードチップとは反対側の光取り出し面を備えており、この光取り出し面が、発光ダイオードチップによって生成される廃熱の一部を、周囲環境に放散するように設計されており、発光ダイオードチップの横方向寸法と、隣り合う発光ダイオードチップの間の距離と、発光ダイオードチップと光取り出し面との間の距離とが、照明装置の動作時に、発光ダイオードチップによって生成される廃熱によって、発光ダイオードチップの温度が周囲温度に対して７０Ｋ以下だけ上昇し、かつ、光取り出し面の温度が周囲温度に対して７Ｋ以上上昇するように、互いに調整されている、照明装置、が提供される。
このようにすることで、構造高さが低く、金属製のヒートシンクなしに自然対流によって冷却することのできる照明装置を同様に実現することができ、これは有利である。
少なくとも一態様によると、発光ダイオードチップの横方向寸法、隣り合う発光ダイオードチップ間の距離、および、発光ダイオードチップと光取り出し面との間の距離は、照明装置の動作時に、発光ダイオードチップによって生成される廃熱によって、発光ダイオードチップの温度が周囲温度に対して７０Ｋ以下だけ上昇し、かつ、光取り出し面の温度が周囲温度に対して７Ｋ以上上昇するように、互いに調整されている。発光ダイオードチップの横方向寸法は、３００μｍ以下、特に、１００μｍ以下であるように選択されている。発光ダイオードチップ間の距離は、１０ｍｍ以下、特に、５ｍｍ以下、例えば０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲内、好ましくは１ｍｍ〜４ｍｍの範囲内であるように選択されている。発光ダイオードチップと光取り出し面との間の距離は、３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内、例えば４ｍｍであるように選択されている。さらなる一発展形態においては、発光ダイオードチップそれぞれの公称電力は、２ｍＷ〜１００ｍＷの範囲内（両端値を含む）、特に、２０ｍＷ〜６０ｍＷの範囲内（両端値を含む）の値を有する。
本照明装置のさらなる利点、有利な構造形態、およびさらなる発展形態は、以下に図面を参照しながら説明する例示的な実施形態から、明らかになるであろう。
第１の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図 図１の例示的な実施形態における照明装置の発光ダイオードチップの概略断面図 第２の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図 第３の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図 第４の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図 第５の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図 第６の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図 第７の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図 第２の例示的な実施形態の照明装置において、光取り出し面における温度上昇を縁部長さの関数として示す図
例示的な実施形態および図面において、同一または機能が同じである構成要素には、同じ参照数字を付してある。図面および図面に示した要素の互いのサイズの比率は、特に単位を明記していない限り、正しい縮尺ではないものとみなされたい。図を見やすくする、または深く理解できるようにする目的で、個々の要素の大きさや厚さを誇張して描いてある。
図１は、第１の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図を示している。
第１の例示的な実施形態による照明装置は、表側キャリア１と裏側キャリア２とを備えている。照明装置の表側からの平面視において、裏側キャリア２は、表側キャリア１によって完全に覆われている。特に、これら２つのキャリア１，２は、横方向に端部が互いに揃っており、例えば、縁部長さが３０ｃｍの正方形領域を有する。
表側キャリア１における凹部には、発光ダイオードチップ３が収容されており、これらの発光ダイオードチップ３は、光を放射する目的と、動作時に光に加えて廃熱を放散する目的で設けられている。発光ダイオードチップ３は、表側キャリア１と裏側キャリア２との間にアレイを形成するように配置されている。例えば、発光ダイオードチップ３は、仮想の規則的な格子、特に長方形格子または正方形格子の格子点に配置されている。
図２は、図１の例示的な実施形態における照明装置の発光ダイオードチップの概略断面図を示している。
この場合、発光ダイオードチップ３は、基板レスの発光ダイオードチップであり、それぞれ、エピタキシャル半導体積層体３１，３２，３３と、２層のコンタクト層３４，３５とからなる。発光ダイオードチップの高さＨＣは、特に、３μｍ〜１５μｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは３μｍ〜１０μｍの範囲内（両端値を含む）、例えば５μｍ〜１０μｍの範囲内（両端値を含む）の値を有する。例えば、照明装置の動作時、発光ダイオードチップ３には、作動させるため０．５ｍＷ〜１０ｍＷの範囲内（両端値を含む）の値を有する公称電力が供給され、例えば、作動のため約２ｍＷの公称電力が供給される。発光ダイオードチップ３の発光効率は、この場合、１１５ｌｍ／Ｗである。発光ダイオードチップ３（本例の場合には平面視において正方形）の横方向寸法ＬＣは、約２００μｍである。
エピタキシャル半導体積層体は、第１の導電型の１層と、第２の導電型の１層（例えば、ｐ型導電層３１とｎ型導電層３３）を備えており、これらの層の間に、光を生成するように設計されている活性層３２が配置されている。発光ダイオードチップ３のｎ側とｐ側とを逆の順序で配置することも可能である。活性層は、特に、光を生成するためのｐｎ接合、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造、または多重量子井戸構造を含んでいる。半導体積層体３１，３２，３３は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料（例：ＡｌＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＡｌＰ）をベースとする。
第１のコンタクト層３４は、活性層３２とは反対側のｎ型導電層３３の表側面（この場合、光の取り出しを改善するため粗面化されている）に形成されている。第１のコンタクト層３４は、この場合、ＩＴＯ、もしくは、ＺｎＯ、特に、ＡｌまたはＧａの少なくとも一方によってドープされたＺｎＯ（すなわちＺｎＯ：（Ａｌ，Ｇａ））、またはこれらの両方からなる。発光ダイオードチップ３の表側面は、ボンディングパッドなどの金属層を備えていないことが好ましい。このようにすることで、活性層３２によって表側の方に放射される光の特に大きな割合を、発光ダイオードチップの表側面を通じて放射することができる。ボンディングワイヤを高い信頼性で取り付けるためには、ボンディングパッドの寸法は一般に少なくとも８０μｍ×８０μｍとなり、したがって、発光ダイオードチップ３がこの例示的な実施形態における寸法を有する場合、発光ダイオードチップの表側面の大きな部分を覆うことになる。
活性層３２とは反対側のｐ型導電層３１の裏側面には、第２のコンタクト層３５が形成されており、この第２のコンタクト層は、例えば、少なくとも１種類の金属（例：ＡｇもしくはＡｕまたはその両方）からなる。
表側キャリア１は光取り出し面１０１を備えており、照明装置の動作時、発光ダイオードチップ３によって放射された光は、この光取り出し面を通じて取り出される。表側キャリア１は、ガラス、あるいはプラスチック（例：ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、またはポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ））など、光透過性材料からなることが好ましい。
裏側キャリア２は、この場合、反射性かつ導電性である。例えば、裏側キャリア２は、少なくともその表側面に金属を含んでいる。これに代えて、裏側キャリア２は、少なくとも部分的に光透過性であるように設計することもできる。これによって、例えば、光透過性（すなわち半透明または透明）の照明装置を実現することが可能である。
表側キャリア１は、各凹部の底面に、光透過性の電気接続層１０を備えており、この電気接続層１０は、例えば、透明導電性酸化物（例：ＩＴＯまたはＺｎＯ：（Ａｌ，Ｇａ））、もしくは、導電性ポリマー（例：ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、またはこれらの両方を含んでいる、あるいは、これらの少なくとも１種類からなる。この場合、電気接続層１０は、凹部に収容されている半導体チップ３に、部分的に直接隣接している。特に、電気接続層１０と第１のコンタクト層３４とは、部分的に互いに接触している。
この例示的な実施形態による照明装置において、それ以外の領域では、電気接続層１０と第１のコンタクト層３４は互いに隔てられている。形成される空間は、例えば、屈折率整合材料（例えばシリコンをベースとする「屈折率整合ゲル」）によって完全に満たされている。特に、第１のコンタクト層３４は、ｎ型導電層３３の周縁領域の上にフレームを形成しており、このフレームによって、ｎ型導電層３３の中央領域に空間が残されている。中央領域は、屈折率整合ゲルによって覆われている。
表側キャリア１は、例えば接着剤４の層によって、裏側キャリアに接合されている。照明装置の表側からの平面視、およびその反対の裏側からの平面視において、発光ダイオードチップ３は接着剤４によって覆われていないことが好ましい。
接着剤層４によって、例えば、表側キャリア１と裏側キャリア２との間に引張応力が発生する。この引張応力によって、発光ダイオードチップ３を表側キャリア１と裏側キャリア２とに押し付けることができる。このようにすることで、表側キャリア１の電気接続層１０と、発光ダイオードチップ３の第１のコンタクト層３４との間の、安定した機械的かつ電気的な接触が達成される。
同様に、裏側キャリア２と第２のコンタクト層３５との間の安定した機械的かつ電気的な接触を、引張応力によって達成することができる。これに代えて、またはこれに加えて、導電性接着剤またははんだ付け金属によって、発光ダイオードチップ３を裏側キャリア２に接合して電気的に接触させることができる。
発光ダイオードチップ３の横方向寸法ＬＣ、隣り合う発光ダイオードチップ３の間の距離ｄＣ、および、発光ダイオードチップ３と光取り出し面１０１との間の距離ｄＬは、照明装置の動作時に公称電力で作動させるときに発光ダイオードチップ３によって生成される廃熱が、光取り出し面１０１と、光取り出し面１０１とは反対側の裏側キャリア２の裏側外面２０１とにおいて、自然対流によって放散され、発光ダイオードチップ３によって生成される廃熱によって、発光ダイオードチップ３の温度が周囲温度に対して６０Ｋ以下だけ上昇し、光取り出し面１０１の温度が周囲温度に対して７Ｋ以上上昇するように、互いに調整されている。
光取り出し面１０１と裏側外面２０１は、特に、照明装置の外面を構成しており、例えば空気に接している。光取り出し面１０１または裏側外面２０１において自然対流によって放散される熱出力は、例えば、光取り出し面１０１または裏側外面２０１の温度と周囲温度との温度差１ケルビンあたり、かつ１平方メートルあたり、約７Ｗである。周囲温度とは、この場合、照明装置を動作させる前の空気の温度、または照明装置から遠い距離における空気の温度である。
本例の場合、照明装置の発光ダイオードチップ３と光取り出し面１０１との間の距離ｄＬは、４ｍｍである。照明装置の構造高さＨＢは、例えば４．５ｍｍである。
隣り合う発光ダイオードチップの間の距離ｄＣは、この場合、約４ｍｍであり、発光ダイオード３は、例えば、７５×７５個のアレイを形成しており、合計公称電力が約１０Ｗである。この場合、周囲温度に対する光取り出し面１０１における温度上昇は、約１０Ｋである。周囲温度に対する発光ダイオードチップ３の温度上昇は、例えば２０Ｋ未満である。
この例示的な実施形態においては、隣り合う発光ダイオードチップ３の間の距離ｄＣは４ｍｍであり、これは、照明装置の発光ダイオードチップ３と光取り出し面１０１との間の距離ｄＬとほぼ同じ大きさである。それぞれ２ｍＷの公称電力の７５×７５個の発光ダイオード３から形成されているアレイの電力消費量は、アレイの基本領域が３０ｃｍ×３０ｃｍである場合、約１２５Ｗ／ｍ２である。
この例示的な実施形態によるアレイの場合、立体角２πを、電力消費量Ｐ／Ａ＝１２５Ｗ／ｍ２において効率Φ／Ｐ＝約１１５ｌｍ／Ｗで照らし、発光ダイオードチップ３はランバート発光パターンを示す。平均輝度Ｌは、Ｌ＝（Φ／Ｐ ＊ Ｐ／Ａ）／π＝約４５００Ｃｄ／ｍ2である。等方性発光による発光ダイオードチップの場合、平均輝度の値は、約２０００Ｃｄ／ｍ2である。
図３は、第２の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図を示している。
この第２の例示的な実施形態においては、第１の例示的な実施形態とは異なり、表側キャリア１と裏側キャリアが、発光ダイオードチップ３を除く表面全体にわたって接着剤によって接合されてはいない。代わりに、接着剤のドット４またはライン４が、発光ダイオードチップ３の間に、互いに隔てられて、かつ発光ダイオードチップ３から隔てられて、配置されている。
この場合、接着剤のドットは、特に、接着剤の液滴であり、横方向全体に比較的小さい程度だけ広がっていることが好ましい。接着剤のライン（接着剤ビードとしても知られている）は、実質的に横一方向に延びており、それに垂直な横方向にはわずかに広がっているのみである。
第１の例示的な実施形態と同様に、硬化時に収縮する接着剤４が使用されており、本照明装置の製造時（特に、積層工程を含む）、接着剤が硬化すると、接着剤のドットまたはライン４の体積が減少する。このようにすることで、表側キャリア１と裏側キャリア２との間に引張応力が発生する。
第１の例示的な実施形態とは異なり、発光ダイオードチップ３は、表側キャリア１における凹部に収容されていない。代わりに、表側キャリア１および裏側キャリア２それぞれが、実質的に面平行な薄板である。
接着剤のドットまたはライン４によって発生する引張応力によって、表側キャリア１が発光ダイオードチップ３に押し付けられ、したがって、発光ダイオードチップ３が摩擦によって表側キャリア１に固定される。この場合、発光ダイオードチップ３は、裏側キャリアに、はんだ付け、または導電性接着剤によって接着接合される。なお図を簡潔にするため、発光ダイオードチップ３と裏側キャリア２との間のはんだ層または接着剤層は描いていない。
表側キャリアは、この場合、本体１１，１２，１３と、発光ダイオードチップ３に面している電気接続層１０と、取り出し層（outcoupling layer）１４とを備えている。取り出し層１４は、光取り出し面１０１を含んでおり、表側キャリア１の境界のうち、照明装置の表側の境界（したがって特に照明装置の境界）を形成している。電気接続層は、表側キャリア１の境界のうち発光ダイオードチップ３の側の境界を形成している。
電気接続層１０は第１の部分１０Ａを備えており、第１の部分１０Ａは、第１の例示的な実施形態における電気接続層と同様に、光透過性の構造であり、例えばＩＴＯ、ＺｎＯ：（Ａｌ，Ｇａ）、またはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含んでいる。照明装置の表側からの平面視においては、第１の部分１０Ａそれぞれが発光ダイオードチップ３の１つと重なっている。第１の部分１０Ａは、その一部分において、それぞれの発光ダイオードチップ３の第１のコンタクト層３４に隣接しており、別の部分において、第１の例示的な実施形態に関連して説明したように、第１のコンタクト層３４と第１の部分１０Ａとの間の空間が、屈折率整合材料（例えばシリコンをベースとする「屈折率整合ゲル」）によって完全に満たされている。
この例示的な実施形態においては、表側キャリア１の電気接続層１０は、少なくとも１つの第２の部分１０Ｂをさらに含んでおり、第２の部分１０Ｂは、例えば、第１の部分１０Ａの少なくとも２つを互いに導電接続している。第２の部分１０Ｂは、例えば、第１の部分１０Ａの縁部領域と重なっている。少なくとも１つの第２の部分１０Ｂは、特に、電流拡散層を構成している。
これに代えて、またはこれに加えて、少なくとも１つの第２の部分１０Ｂは、導電性の反射層１０Ｂを構成している。導電性の反射層１０Ｂは、例えば、高い反射率を有する金属（例えばＡｇ）を含んでいる。一構造形態においては、表側キャリア１からの平面視において、１つまたは複数の第２の部分１０Ｂは、光取り出し面１０１の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、特に好ましくは少なくとも８５％を覆っている。
一構造形態においては、電気接続層１０は、本体１１，１２，１３の表面全体に形成されている。別の構造形態においては、電気接続層１０は、発光ダイオードチップ３が直列もしくは並列またはその両方に相互接続されるように、パターニングされている。電気接続層１０の高さ、すなわち表側面から裏側面までの距離は、例えば、２０μｍ〜２００μｍの範囲内、例えば５０μｍ〜１５０μｍの範囲内である。例えば、電気接続層１０は約１００μｍの高さを有する。電気接続層１０の高さを２０μｍ以下とすることも可能である。このような小さい厚さは、例えば、照明装置がフレキシブルな構造である、もしくは光透過性の構造である、またはその両方である場合に、有利であり得る。
本体は、キャリア要素１１と、接合層１２と、光混合要素１３とを備えている、またはこれらの層からなる。表側キャリア１の本体１１，１２，１３は、この場合、光透過性の構造であり、特に、本体は、発光ダイオードチップ３によって放射される光を透過させる材料からなる。例えば、表側キャリア１のキャリア要素１１は、プラスチック薄板またはプラスチック膜（例えばポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）を含んでいる、またはこの材料からなる）によって形成されている。接合層１２は、一構造形態においては、シリコン材料を含んだ接着剤、またはシリコン材料からなる接着剤を含んでいる。光混合要素１３は、例えばガラス（一構造形態においてはＳｉＯ２）もしくはＰＭＭＡまたはその両方を含んでいる、またはこれらの材料の少なくとも一方からなる。
キャリア要素１１は、発光ダイオードチップ３の側にある。この場合、キャリア要素１１の上に電気接続層１０が直接形成されている。キャリア要素１１の高さは、例えば５０μｍ〜５００μｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは１００μｍ〜２００μｍの範囲内（両端値を含む）である。
発光ダイオードチップ３とは反対側のキャリア要素の面には、接合層１２によって光混合要素１３が接合されている。光混合要素１３は、特に、発光ダイオードチップによって放射された光の一部分を、例えば全反射もしくは拡散またはその両方によって、光取り出し面１０１の方に向きを変えるように設計されている。このようにすることで、光取り出し面１０１の一点において照明装置から取り出される光は、複数の（例えば３個以上、特に５個以上の）発光ダイオード３から放射された光である。したがって、光取り出し面１０１によって放射される光の、特に均一な輝度分布を達成することができる。一構造形態においては、光混合要素の高さは、２ｍｍ〜６ｍｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内（両端値を含む）である。本例の場合、光混合要素１３の高さは４ｍｍである。
取り出し層１４は、例えば、光混合要素１３の表側の縁部領域によって形成することができる。しかしながら、この実施形態の場合、取り出し層１４は、光混合要素１３の上に個別の層として形成されている。取り出し層１４の表側外面は、特に、光取り出し面１０１によって形成されている。取り出し層１４には、パターンユニット（pattern units）が設けられていることが好ましく、パターンユニットは、平坦な面から取り出されるよりも光の取り出しが改善されるように設計されている。パターンユニットは、例えば、光取り出し面１０１における凸部もしくは凹部またはその両方を備えている。このようなパターニングの原理については、当業者に公知である。一構造形態においては、パターンユニットの寸法は、発光ダイオードチップ３によって放射される光の１つまたは複数の波長の大きさのオーダーであり、例えば、５０ｎｍ〜５μｍの範囲内（両端値を含む）、特に、１００ｎｍ〜１μｍの範囲内（両端値を含む）である。
この実施形態の場合、裏側キャリア２は、発光ダイオードチップ３に隣接する導体トラック２０と、キャリア要素２１とを備えている。導体トラック２０は、発光ダイオードチップ３が直列もしくは並列またはその両方に相互接続されるように、パターニングすることができる。特に、裏側キャリアは回路基板（例えばプリント基板（ＰＣＢ））を構成している。裏側キャリアの高さは、例えば、５０μｍ〜２００μｍの範囲内（両端値を含む）であり、本例の場合、裏側キャリアの高さは約１００μｍである。導体トラックの高さは、例えば、５μｍ〜２０μｍの範囲内（両端値を含む）、特に、１０μｍ〜１５μｍの範囲内（両端値を含む）である。より小さい高さの導体トラックも考えられ、照明装置がフレキシブルな構造もしくは光透過性の構造、またはその両方である場合に、有利であり得る。
全体として、照明装置の構造高さＨＢは、３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは４ｍｍ〜６ｍｍの範囲内（両端値を含む）であることが好ましい。本例の場合、照明装置の構造高さＨＢは、約４．５ｍｍである。
この実施形態の場合、裏側キャリア２のキャリア要素２１は、表側キャリア１のキャリア要素１１と同様に、プラスチック材料（例えばＰＥＴ）を含んでいる、またはこの材料からなる。これに代えて、裏側キャリア２のキャリア要素２１は、例えば、ステンレス鋼箔（例えばＶ２Ａタイプのステンレス鋼）を含んでいる、またはこの材料からなることができる。裏側キャリア２のキャリア要素２１が導電性である場合、裏側キャリア２は、キャリア要素２１と導体トラック２０との間に電気絶縁層を備えていることが好ましい。発光ダイオードチップ３が並列に接続される場合、絶縁層を省くことができる。導電性のキャリア要素２１の裏側面に、さらなる絶縁層を形成することができる。
この第２の例示的な実施形態による照明装置は、例えば、２２５個の発光ダイオードチップ３を含んでおり、これらのチップは、表側からの平面視において、仮想的な正方形格子の格子点に配置されている。本例の場合、すべての発光ダイオードチップ３が並列に通電される。
この発光ダイオードチップ３は、図２に関連して説明した発光ダイオードチップ３と同様に構成されている。特に、この発光ダイオードチップ３は、例えば、縁部長さＬＣが約２００μｍの正方形領域を有し、高さＨＣは５μｍ〜１５μｍの範囲内（両端値を含む）である。
発光ダイオードチップの公称電力は、本例の場合、約４５ｍＷである。したがって、この照明装置は、１０Ｗの電力消費量で動作するように意図されている。例えば、この照明装置の動作時、光取り出し面１０１から１０００ｌｍの光束が放射される。言い換えれば、発光ダイオードチップ３の発光効率は１００ｌｍ／Ｗである。
この照明装置では、廃熱の一部は、光取り出し面１０１において周囲環境（特に、照明装置の周囲の空気中）に放散される。動作時に発光ダイオードチップ３によって放射される廃熱の別の一部は、実質的に平坦な裏側キャリア２の裏側外面２０１によって照明装置から放散される。光取り出し面１０１および裏側外面２０１における廃熱の放散は、自然対流による放熱によることが好ましい。
熱の拡散は、例えば、導体トラック２０によって、または導体トラック２０およびキャリア要素２１によって達成される。発光ダイオードチップ３の横方向寸法ＬＣが小さいため、１個の発光ダイオードチップ３あたり放散される廃熱が比較的少なく、したがって、発光ダイオードチップによって形成される熱源を横方向に特に均一に分布させることができる。このようにすることで、個々の発光ダイオードチップ３によって廃熱を特に良好に放散させることができ、光取り出し面１０１全体と、裏側キャリア２の裏側外面２０１全体にわたり、廃熱を特に均一に分散させることができる。
図９は、第２の例示的な実施形態による照明装置の場合における、光取り出し面１０１の温度上昇ΔＴ（単位：ケルビン）を、縁部長さＬの関数として示している。光取り出し面１０１の縁部長さＬの方向は、図３（この照明装置の一部分を示している）に矢印で示してある。
温度上昇ΔＴは、光取り出し面１０１が正方形輪郭を有する場合に、光取り出し面１０１と周囲の空気との間の境界面における自然対流によって７Ｗ／ｍ2Ｋの熱出力が放散されるものとして、光取り出し面１０１の縁部長さＬの関数として計算されている。この場合、裏側キャリア２の裏側外面２０１を介した照明装置の冷却は無視することができる。
縁部長さＬが１５ｃｍである場合（隣り合う発光ダイオードチップ３の間の距離ｄＣ＝１０ｍｍに対応する）、周囲温度に対する光取り出し面１０１の温度上昇ΔＴの値は、６３．５Ｋ（すなわち６５Ｋより小さく７Ｋより大きい）である。
縁部長さＬが１５ｃｍより小さい場合、周囲温度に対する光取り出し面１０１（すなわち発光ダイオードチップ３）の温度上昇ΔＴは、より大きくなり、したがって、発光ダイオードチップ３の寿命短縮および効率低下の危険性が増す。縁部長さＬがより大きい場合、温度上昇ΔＴは小さくなり、例えば、縁部長さＬが２０ｃｍの場合には約３６Ｋ、縁部長さＬが２５ｃｍの場合には約２３Ｋ、縁部長さＬが３０ｃｍの場合には約１６Ｋまで下がる。
光取り出し面の縁部長さＬ（発光ダイオードチップ３のアレイの縁部長さに一致する）が１５ｃｍである場合、この例示的な実施形態による照明装置においては、単位面積あたりの平均電力消費量が４４５Ｗ／ｍ2であり、これは４５０Ｗ／ｍ2未満である。この場合、光取り出し面の平面視において、照らされる立体角が２π、効率が１００ｌｍ／Ｗと想定すると、平均輝度は、発光ダイオードチップ３がランバート発光パターンを有する場合には約１４０００Ｃｄ／ｍ2であり、発光ダイオードチップ３が等方性発光パターンを有する場合には約７０００Ｃｄ／ｍ2である。したがって、平均輝度は２０００Ｃｄ／ｍ2より大きい。
光取り出し面１０１と発光ダイオードチップ３との間の距離ｄＬは、第２の例示的な実施形態による照明装置においては、約４．３ｍｍである。したがって、正方形の光取り出し面１０１の縁部長さＬが１５ｃｍである場合、隣り合う発光ダイオードチップ３の間の距離ｄＣ＝１０ｍｍは、距離ｄＬの２．５倍より小さい。光取り出し面の縁部長さＬが例えば２５ｃｍを超え、発光ダイオードチップ３の数が同じである場合、対応する距離ｄＣは増大し、距離ｄＬの２．５倍より大きくなる。光取り出し面の縁部長さＬが２５ｃｍより大きい場合、光取り出し面１０１によって放射される光の均一性が不十分となる危険性が生じる。
図４は、第３の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図を示している。
第３の例示的な実施形態の照明装置は、第２の例示的な実施形態の照明装置と実質的に同じである。しかしながら、第３の例示的な実施形態の照明装置は、複数の発光変換要素６をさらに備えている。発光変換要素は、好ましくは無機の発光材料（例えばＹＡＧ：Ｃｅ）を含んでいる。発光材料は、発光ダイオードチップ３によって放射される光（一次光）（例えば青色の一次光）を、別の波長の二次光（例えば、緑色、黄色、または赤色のスペクトル領域の波長）に変換するように設計されている。一構造形態においては、発光変換要素６は一次光の一部を透過させ、したがって、照明装置は、発光ダイオードチップ３からの一次光と発光変換要素６からの二次光とからなる混合光を放射する。これに代えて、変換要素は一次光を完全に、またはほぼ完全に吸収し、したがって照明装置は、特に、発光材料によって放射される二次光の発光スペクトルを有する光を放射する。
個々の発光変換要素は、表側キャリア１において横方向に互いに隔置されている空洞１５の中に配置されている。使用する発光ダイオードチップ３自身に発光変換要素を含めるならば、発光ダイオードチップ３に含まれる発光変換要素は、この実施形態の照明装置においては、例えば電気接続層１０の裏側面に配置される。このような配置構造は、この例示的な実施形態による照明装置では、表側キャリア１と裏側キャリア２との間のチップの実装および接触方法の観点において、適切ではない。
光混合要素１３は、その裏側面に凹部を備えており、これらの凹部は、発光変換要素６を形成する目的で、発光材料を含んだポッティング化合物によって完全に満たされている。凹部は、例えば、表側キャリア１の形成時にナイフコーティング（knife coating）工程によって満たされる。
発光変換要素６それぞれは、発光ダイオードチップ３の１つに関連付けられており、照明装置の表側からの平面視において、それぞれの発光ダイオードチップ３と重なっている。特に、発光変換要素６は、発光ダイオードチップを完全に覆っている、すなわち、発光変換要素６の横方向寸法ＬＰは、発光ダイオードチップ３の横方向寸法ＬＣよりも大きいかまたは等しい。発光変換要素６の横方向寸法ＬＰは、発光ダイオードチップ３の横方向寸法ＬＣの２〜３倍（両端値を含む）の大きさであることが好ましい。
図５は、第４の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図を示している。
この実施形態は、第３の例示的な実施形態と異なる点として、第一に、空洞１５それぞれが、第１のサブ領域１５Ａ（発光変換要素６を含んでいる）と、第２のサブ領域１５Ｂ（発光変換要素６を含んでおらず、少なくとも光取り出し面１０１の方向に第１のサブ領域１５Ａの後ろに配置されている）と、を備えている。
第１のサブ領域１５Ａおよび発光変換要素６は、発光ダイオードチップを完全に覆っており、すなわち、発光変換要素６および第１のサブ領域１５Ａの横方向寸法ＬＰは、発光ダイオードチップ３の横方向寸法ＬＣよりも大きいかまたは等しく、好ましくは、発光ダイオードチップ３の横方向寸法ＬＣの２〜３倍（両端値を含む）の大きさである。
第２のサブ領域１５Ｂは、気体（特に、空気）によって満たされている。この気体は、空洞１５（特にその第２のサブ領域１５Ｂ）の、光取り出し面１０１の側の境界を形成している光混合要素１３の材料よりも、低い屈折率を有する。
さらには、ここまでの例示的な実施形態とは異なり、取り出し層１４が光混合要素１３の表側の縁部領域によって形成されている。取り出し層１４はパターンユニットを備えており、パターンユニットの大きさは、発光ダイオードチップ３の横方向寸法ＬＣの範囲内のオーダーである。パターンユニットそれぞれは、１個の発光ダイオードチップ３を例えば部分的、または完全に覆っている。
この実施形態の場合、パターンユニットは凹部であり、これらの凹部は、発光ダイオードチップ３によって放射される一次光の一部、もしくは、発光変換要素６によって放射される二次光の一部、またはその両方の向きを、全反射によって変えるように設けられている。このような凹部の原理については、例えば特許文献２から当業者に公知であり、特に、凹部の形状および配置に関するこの文書の開示内容は、本明細書に援用される。このようなパターンユニットを使用することで、光混合要素１３における特に良好な光の混合と、照明装置の特に小さい構造高さＨＢとを達成することができ、これは有利である。
図６は、第５の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図を示している。
この実施形態は、第４の例示的な実施形態と異なる点として、第一に、取り出し層１４が、第２の例示的な実施形態と同様に構成されている。さらには、空洞１５の第１のサブ領域１５Ａが、それぞれの第２のサブ領域１５Ｂによって横方向に囲まれていない。代わりに、第１のサブ領域１５Ａ（したがって発光変換要素６）は、それぞれの空洞１５を横方向に完全に満たしている。
さらには、表側キャリアの電気接続層１０の第２の部分１０Ｂが、ＡｇではなくＡｌを含んでおり、表側キャリア１が、光拡散性および拡散反射性の層１６を含んでいる。このようにすることで、電気接続層１０に組み込まれるＡｇ反射層（酸化による損傷の危険性が生じる）を省くことが可能であり、これは有利である。
光拡散性および拡散反射性の層１６は、キャリア要素１１と光混合要素１３との間に配置されている。この実施形態の場合、表側キャリア１の空洞１５の横方向の境界は、拡散反射層１６によって画成されている。光拡散性および拡散反射性の層１６は、例えばＴｉＯ２粒子を含んでおり、これらの粒子はシリコンのマトリックス材料に埋め込まれている。
図７は、第６の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図を示している。
この実施形態は、第５の例示的な実施形態と異なる点として、表側キャリア１と裏側キャリア２との間にブリッジ要素７が配置されている。ブリッジ要素７は、例えば、発光ダイオードチップ３と同じ高さＨＣを有し、発光ダイオードチップ３と同じ方法でキャリア１，２によって固定または接合されている。ブリッジ要素７は、例えば、横方向に、発光ダイオードチップ３の間に配置されている。ブリッジ要素７は、例えば、金属ブロック、ドープされたシリコンブロック、または金属でコーティングされたプラスチックブロックである。このようにすることで、発光ダイオードチップ３を、例えば自由に配線することができる。
この実施形態の場合、裏側キャリア２は、少なくとも１つの第１の導体トラック２０Ａを備えており、この第１の導体トラック２０Ａは、発光ダイオードチップの表側に接触する目的で、表側キャリア１の特にパターニングされた電気接続層１０に、ブリッジ要素７によって導電接続されている。裏側キャリアの少なくとも１つの第２の電気導体トラック２０Ｂは、発光ダイオードチップ３の裏側に接触する目的で設けられている。発光ダイオードチップ３は、（１つまたは複数の）第２の電気導体トラック２０Ｂに接合されていることが好ましく、ブリッジ要素７が第１の電気導体トラック２０Ａに接合されている。
図８は、第７の例示的な実施形態による照明装置の一部分の概略断面図を示している。
この例示的な実施形態においては、発光ダイオードチップ３は、ｎ側およびｐ側の両方に裏側面から接触するように構成されている。例えば、第１の電気コンタクト層３４および第２の電気コンタクト層３５、またはこれらの少なくとも一部が、光を生成する半導体積層体３１，３２，３３の裏側面に形成されている。第１のコンタクト層３４は、活性層３２を貫いて延びていることが好ましい。このような発光ダイオードチップ３の原理については、例えば特許文献３から当業者に公知であり、この点に関するこの文書の開示内容は、本明細書に援用される。この例示的な実施形態による照明装置においては、「フリップチップ」型の発光ダイオード（その原理は同様に当業者に公知であり、したがってここでは詳しく説明しない）も適している。
この例示的な実施形態においては、発光ダイオードチップとの電気的接触は、裏側キャリアの第１および第２の導体トラック２０Ａ，２０Ｂによって行われており、発光ダイオードチップ３それぞれが、例えば第１および第２の導体トラック２０Ａ，２０Ｂと重なっている。この例示的な実施形態においては、表側キャリア１は、特に、電気接続層を備えていない。
ここまで、本発明について例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せを包含しており、特に、請求項における特徴の任意の組合せを含んでいる。これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が請求項あるいは例示的な実施形態に明示的に記載されていない場合であっても、本発明に含まれる。

Claims (15)

  1. 表側キャリア（１）と、裏側キャリア（２）と、複数の発光ダイオードチップ（３）と、を有する照明装置であって、前記照明装置の動作時に、前記複数の発光ダイオードチップ（３）は光を放射し、かつ廃熱を放散し、
    − 前記裏側キャリア（２）は、少なくとも部分的に、前記表側キャリア（１）によって覆われており、
    − 前記発光ダイオードチップ（３）は、前記裏側キャリア（２）と前記表側キャリア（１）との間にアレイを形成するように配置され、
    − 前記発光ダイオード（３）は、前記裏側キャリア（２）もしくは前記表側キャリア（１）またはその両方によって電気的に接触されており、前記裏側キャリア（２）および前記表側キャリア（１）によって機械的に固定されており、
    − 前記表側キャリア（１）は、前記発光ダイオードチップ（３）に熱伝導可能な状態に結合され、前記発光ダイオードチップ（３）とは反対側の光取り出し面（１０１）を備えており、前記光取り出し面は、前記発光ダイオードチップ（３）によって生成される廃熱の一部を周囲環境に放散するように構成されており、
    − 前記照明装置の動作時、前記発光ダイオードチップ（３）それぞれに、作動させるための１００ｍＷ以下の公称電力が供給され、前記発光ダイオードチップ（３）それぞれは１００ｌｍ／Ｗ以上の発光効率を有し、
    − 隣り合う発光ダイオードチップ（３）の間の距離（ｄＣ）は、前記照明装置の動作時に前記発光ダイオードチップ（３）を前記公称電力で作動させるとき、前記発光ダイオードチップ（３）によって形成される前記アレイが、４５０Ｗ／ｍ２以下の電力消費量を有するように、アレイの基本領域に対して十分に大きく選択されており、
    − 隣り合う発光ダイオードチップ（３）の間の前記距離（ｄＣ）は、前記照明装置の動作時に前記発光ダイオードチップ（３）を前記公称電力で作動させるとき、前記発光ダイオードチップ（３）によって形成される前記アレイが前記光取り出し面の平面視において、２０００Ｃｄ／ｍ２以上の平均輝度で光を放射するように、十分に小さく選択されており、前記距離（ｄＣ）は、前記光取り出し面（１０１）と前記発光ダイオードチップ（３）との間の距離（ｄＬ）の２．５倍以下である、
    照明装置。
  2. 前記光取り出し面（１０１）と前記発光ダイオードチップ（３）との間の前記距離（ｄＬ）は、５ｍｍ以下である、
    請求項１に記載の照明装置。
  3. 前記発光ダイオードチップ（３）が、３００μｍ以下の横方向寸法（ＬＣ）を有する、
    請求項１または請求項２のいずれかに記載の照明装置。
  4. 前記光取り出し面（１０１）における熱の放散と前記裏側キャリア（２）の裏側外面（２０１）における熱の放散とによって、追加のヒートシンク無しに冷却されるように前記照明装置が設計されている、
    請求項１から請求項３のいずれかに記載の照明装置。
  5. 前記表側キャリア（１）および前記裏側キャリア（２）がフレキシブルである、
    請求項１から請求項４のいずれかに記載の照明装置。
  6. 構造高さ（ＨＢ）が、１０ｍｍ以下、特に、５ｍｍ以下である、
    請求項１から請求項５のいずれかに記載の照明装置。
  7. 前記表側キャリア（１）と前記裏側キャリア（２）との間に、接着促進剤（４）が所々に配置され、前記接着促進剤によって、前記キャリア（１，２）の間に引張応力が発生する、
    請求項１から請求項６のいずれかに記載の照明装置。
  8. 前記発光ダイオードチップ（３）と前記表側キャリア（１）との間に屈折率整合材料（５）が配置される、
    請求項１から請求項７のいずれかに記載の照明装置。
  9. 前記表側キャリア（１）は、複数の個別の空洞（１５）を囲んでおり、前記各空洞（１５）は、前記発光ダイオードチップ（３）の１つと重なっており、発光材料を有する発光変換要素（６）を含んでいる、
    請求項１から請求項８のいずれかに記載の照明装置。
  10. 前記表側キャリア（１）は、複数の個別の空洞（１５）を囲んでおり、
    − 前記各空洞（１５）は、前記発光ダイオードチップ（３）の１つと重なっており、
    − 前記各空洞（１５）の、前記それぞれの発光ダイオードチップ（３）の側の第１のサブ領域（１５Ａ）は、発光材料を有する発光変換要素（６）を含んでおり、
    − 前記各空洞（１５）の、前記それぞれの発光ダイオードチップ（３）とは反対側の第２のサブ領域（１５Ｂ）は、材料、特に気体によって満たされており、前記材料は前記光取り出し面（１０１）の側の前記空洞（１５）の境界を形成している前記表側キャリア（１）の材料よりも低い屈折率を有し、特に、湾曲した表面を備えている、
    請求項１から請求項８のいずれかに記載の照明装置。
  11. 前記各空洞（１５）は、前記空洞（１５）が重なっている前記発光ダイオードチップ（３）の対応する横方向寸法（ＬＣ）の３倍よりも小さいかまたは等しい横方向寸法（ＬＰ）を有する、
    請求項９または請求項１０のいずれかに記載の照明装置。
  12. 前記表側キャリア（１）は、散乱粒子によって拡散反射する層（１６）、を含んでいる、
    請求項１から請求項１１のいずれかに記載の照明装置。
  13. 前記発光ダイオードチップ（３）それぞれは、前記表側キャリア（１）に面している光透過性のコンタクト層（３４）を備えており、前記表側キャリア（１）は、少なくとも部分的に光を透過させる電気接続層（１０）を備えており、前記接続層は、特に、前記発光ダイオードチップ（３）の前記コンタクト層（３４）に直接隣接している、
    請求項１から請求項１２のいずれかに記載の照明装置。
  14. 前記裏側キャリア（２）は、少なくとも１つの導体トラック（２０Ａ）を備えており、前記導体トラック（２０Ａ）は、前記発光ダイオードチップ（３）の少なくとも１つに表側から電気的に接触するために設けられており、少なくとも１つの電気的ブリッジ要素（７）は、前記表側キャリア（１）と前記裏側キャリア（２）との間に配置されており、前記裏側キャリアの前記導体トラック（２０Ａ）と前記表側キャリア（１）の前記電気接続層（１０）との間の電気的接触を生じさせる、
    請求項１３に記載の照明装置。
  15. 前記発光ダイオードチップ（３）と前記電気的ブリッジ要素（７）とは、ほぼ同じ高さ（ＨＣ）である、
    請求項１４に記載の照明装置。
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