TW200909942A - LED-array system - Google Patents

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TW200909942A
TW200909942A TW097116846A TW97116846A TW200909942A TW 200909942 A TW200909942 A TW 200909942A TW 097116846 A TW097116846 A TW 097116846A TW 97116846 A TW97116846 A TW 97116846A TW 200909942 A TW200909942 A TW 200909942A
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TW
Taiwan
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led
led package
array system
support layer
substrate
Prior art date
Application number
TW097116846A
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English (en)
Inventor
Erik Boonekamp
Adriaan Valster
Original Assignee
Koninkl Philips Electronics Nv
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    • G02B6/0073—Light emitting diode [LED]

Description

200909942 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於結合於類玻璃材料中之發光二極體（led) 封裝。 【先前技術】 包含結合於玻璃中之發光二極體（LED)封裝的發光元件 常應用於建梁目的。在此等元件中，二維led陣列夾於藉 由一聚合物、通常為PVB(聚乙烯丁醛）所層合的兩塊玻璃 板之間。LED封裝體固定於一玻璃板上，該玻璃板上存在 導體圖案以便為該等LED封裝體提供電流❶上述建構是有 益的，因為其對該建構賦予耐用性，而使應用領域增加。 對於完全沉浸於類玻璃媒介中之LED存在的問題是在玻 璃表面及周圍空氣之間的介面發生全内反射（TIR)。於是 角度大於臨界角的光在玻璃/空氣介面完全反射，而產生 41 %左右的光效率。全反射光在玻璃/pvB/玻璃系統中（在 多次内反射之後）被吸收。進一步問題是LED封裝體的亮度 很高（1 -10 MCd/m2) ’舉例而言由於多重眩光光源而導致結 合LED封裝體的玻璃壁表現出較低的視覺舒適度。此外， 市售上部發光式LED封裝體通常相當厚（>〇.8 mm)，因此 PVB層也必須是厚的。由於pvB的光學性質，導致成本増 加及促成玻璃結構呈褐色。在大型玻璃堆疊中的隔離LED 封裝體情況下，所有全反射光最終都會被吸收。另外，在 相對高的LED封裝體密度（諸如>〇.5 cnT2)，全反射光可能 會散射於相鄰封裝體，導致不可預知的光外部耦合。 130471.doc 200909942 本發明旨在緩解先前技藝系統中的上述不利點。 【發明内容】 本發明旨在藉由提供根據請求項1的一種led陣列系統 來緩解上述問題。 該LED陣列系統的特徵在於至少一 LED封裝體包含一侧 面發光式LED封裝體，以使光的發射基本上平行於基板的
表面，且該系統包含至少一外部耦合結構，其係反射/ 散射出自支持層發射的光。 本發明的LED陣列系統有效地搞合外部光，目此相較於 傳統系統其增加了光效率。外部搞合結構的使用，有效地 形成了虛光源’其係藉由促進一大型虛光源陣列上的光分 發源於一些具有高亮度的LED封裝體）來降低惱人之高 梵度的便捷方法。因為側面發光式LED封裝體比上部發光 式薄’故側面發光式LED封裝體的使用減少了支持層中材 ㈣需求量。這既降低成本又改良了 LED陣列系統的視覺 夕觀。又’外部輕合結構的使用提供了—種通用及彈性系 統，該系統易調適以適於特定應用。 ” 在一個或多個實施例中，π a π h 例中一頂層可按照使其將該支持声
夾於該頂層與基板之間 H 列系統的壽命，該頂層可用:置。4了增加咖陣 層了用作防止損壞的保護。所製得的 透明照明器具頗具視覺魅六& 'I侍的 am * 覺魅力’而本發明系統讓發光元件整 5到透明表面中成為可能。 基板和頂層可由破璃製 成。玻璃和PVB或樹脂的組 成’支持層可由PVB或樹脂製 合在層合破螭領域内已為人所 I30471.doc 200909942 熟知。 在—個或多個實施例中 的—表面上，面對支持層，u外部耦合結構可配置於頂層 系統的有效生產。該外這種配置能夠實現該LED陣列 表面上，面對支持層。一=結構還可以配置於基板的一 有-製程/生產優勢m合結構在此表面上的配置具 潛在污染不會影響LED的接^外部麵合結構配置產生的
該外部耦合結構可以網印， 言網印結構的使用是有利的。ή速度與生產成本而 該外部搞合結構有數種替代法 列組成的群組··發光墨； 、。括（t•不限於）由下 渉轺姐 & 有發先日日粒的聚合物顆粒；干 涉顏枓’諸如加2塗佈t r 吨；著色顏料，諸如Fe2〇 ^折射率氧化物’諸如 氣孔2〇3，先致變色材料；具有封閉 ㈣或是任何相似 由於可按適當方式傳播、反射 光的“… 禅反射、折射及/或吸收及再發射 Ϊ1ΓΓ使用，該外部搞合結構的建構存在許多 彳 例^’外部輕合結構的分佈可配置為在-表 生均句光分佈。或者，其可配置而形成一圖案，諸 如一標誌，一特定形狀等等。 在一個或多個實施例中薄氣隙形成於LED封裝體的 發光面與支持層之間。由於LED封裝體的發光面與玻璃/PVB 极境之間的該氣隙，所有光會藉由TIR而被捕獲於玻璃㈣B/ 玻璃堆疊中’其意味著光的外部耦合可控制至一更高程 度。該氣隙可藉由在LED封裝體上提供—透明帽狀物:形 13047I.doc 200909942 成。該帽狀物可進一步由PMMA、玻璃或陶瓷材料形成。 該LED陣列系統可結合於照明系統中。 一種方法’其用於生產根據前述之led陣列系統，該方 法包含下列步驟： -配置一 LED封裝體於一基板上，該led封裝體包含一側 面發光式LED封裝體，該基板配備有一機構，用以為該 LED封裝體供應一驅動電壓， -在該系統中配置複數個外部耦合結構， -將一聚合物支持層施加於該LED封裝體上， -一面施加一壓力並一面加熱該堆疊，藉此使該LED封裝 體沉浸於該聚合物媒介中。 該方法也可包含配置一透明帽狀物以便在LED封裝體發 光面與支持層之間建立一氣隙之步驟，及/或也可包含將 一頂層按照使其將該支持層夾於該頂層與基板之間之方式 予以配置的步驟。 【實施方式】 圖1概要說明一先前技藝系統2的一部分，其中郎伯 (Lambertian)上部發光式LED封裝體4配置於一玻璃板基板 6上。為該上部發光式led封裝體4提供電流的透明導體8 置於基板6上。該上部發光式LED封裝體4夾於該基板6與 一上部玻璃板1 〇之間，且沉浸於一聚合物丨2(通常為聚乙 烯丁醛，PVB)中，該聚合物12並具有將玻璃板6、1〇保持 在一起的附著力。PVB之折射率與玻璃的相似，在下文描 述的计算中其將設定為1.5 0。該夾心系統的大約高度Η — 130471.doc 200909942 般為7-8 mm左右。該系統一般被空氣1 4所環繞。箭頭A指 示自LED 4出射的光，箭頭A’指示經歷全内反射的光。 光效率η，即自上部玻璃面10出射之光量除自上部發光 式LED封裝體4所發射光的總量，在該先前技藝系統2中是 較低的。當LED封裝體沉浸於聚合物/玻璃堆疊中時，其預 期的低光效率可使用方程式方案1很容易地計算出。 〇c Ρ] =4π J/0 cos(a)sin(a)^a
r/2 P2 =4π J/〇 cos(a)sin(a)c/a 方程式1
Lambertian .corrected π-广 ./7 + 1 100% arc sin 臨界角 I〇 垂直於LED封裝體發光面的發光強度（cd) n 折射率（rigimRinpvB^l.SO)
如為n〜1.50的折射率’對於一郎伯（LamberUan)發光 LED，約60〇/〇的光會在系統内被吸收。僅有在稱為逃逸錐 面（a<cxe)内的光促成來自先前技藝系統2的發光通量。當結 合於到高折射率媒體中時’大多數的LED封裝體會產生_ 寬（幾近郎伯（Lambertian))射束且損耗很大。 在上述情況中’發光通量是在一 2π空間角上發出。然 而，作為照明目的，眩光是不可接受的。在本文中，眩光 相當於一較佳輻射錐之外所發射的光’該較佳輻射錐在圖 中是以義。對於角度，—般方針是將照明系統 130471.doc 10 200909942 的亮度維持在500_1000 Cd/m2以下。對於從5 mm2表面產生 10 lm的一典型LED封裝體，如使用方程式2計算的整個半 球上的亮度為〜1 Mcd/m2。 1 = π1 方程式2 Φ 發光通量（lm) S 發光表面（m2) L 亮度（cd/m2) 為了說明起見’如此處使用之側面發光式LED封裝體 104、204的定義是指該側面發光式Led封裝體的發光面 150、250基本上且大體上垂直於LED陣列系統的出射面 160、260(圖 2 & 3)。 併入圖2及圖3所示之LED陣列系統中之側面發光式led 封裝體104、204所發射光的典型角分佈將在下文中描述， 如圖4所示，於其中零方向相當於平行於側面發光式LED 封裝體104、204之發光面150、250的方向，且垂直於系統 的出射面160、260 ’如圖2所示之觀察者所見。在圖4中僅 表示了向圖2觀察者該側所發射的光。藉由ad指示的區域 相當於直接從側面發光式LED封裝體1 〇4、204射出系統的 光量’及藉由AT指示的區域指示從外部耦合結構丨丨6、216 發射的光總量。由此可明顯看出’直射光AD僅構成總量 AT的一小部分，通常不足以引起眩光。請注意即使亮度仍 很高’但所有光都分佈於觀察者視平線（相當於〇。）以下。 圖2及圖3分別展示了 一發明系統之第一及第二實施例的 130471.doc 200909942 簡圖。兩種系統都包含兩個玻璃層，一基板層丨〇6、206和 一頂層110、210 ’夾著一聚乙烯丁醛的中間支持層112、 212 °側面發光式LED封裝體1〇4、2〇4配置於基板層1〇6、 206之上’電源通過諸如由銦錫氧化物（IT〇)或ρ摻雜Sn〇2 製成的透明導體供應給每一 LED封裝體。或者，在某些應 用中，可使用薄的非透明導體，諸如Cu導體。該導體設置 未在圖2及圖3中示出。箭頭114、214指示1〇的方向，即垂 直於側面發光式LED封裝體1〇4、204之發光面（光產生 側）1 50、250所發射光的方向。儘管大多數側面發光式ίΕΕ) 封裝體104、2 04都以郎伯（Lambertian)分佈發光（如圖2 & 3 中點線箭頭指示），但側面發光式Led封裝體發光的主要方 向（1〇及箭頭114、214指示）平行於基板層106、206。 由發光材料（諸如YAG:Ce)、白色顏料（諸如Ti〇2)、相似 材料或其組合所製成的網印外部耦合結構116、216配置於 任一玻璃層的一内部（即，面對支持層）表面上。使用射線 追蹤技術已確定總發光的85%會藉由全内反射（TIR)導引而 通過玻璃/PVB結構。在缺少外部耦合結構116、216的情況 下，此光最終將轉換為熱（被吸收），因此基本上無用。在 根據本發明概念的一糸統中’藉由一側面發光式led封裝 體104、204發出的光及藉由TIR捕獲的光最終將遇到一外 部耦合結構116、216並從系統射出。特別值得注意的是， 從單個LED封裝體發出的全部光將分佈於數個外部耦合結 構上，具有前述的相關優勢。 請注意側面發光式LED封裝體1 〇4、204和外部輕合於構 130471.doc -12- 200909942 11 6、2 1 6的位置無需相互關連。側面發光式LED封裝體 104、204將提供光，而外部耦合結構116、216的形狀、大 小、形式及分佈將決定系統的視覺外觀。
圖5說明本發明的第三實施例。在此實施例中，一帽狀 物3 18配置於每個側面發光式LED封裝體304之上，使得在 該LED封裝體304發光面350與支持層312之間建立一薄氣 隙320。此構造會使所有的光藉由tir而被捕獲於玻璃/PVB/ 玻璃堆疊中’其意味著光的外部耦合可控制至一更高程 度巾自狀物3 1 8可按幾種不同方法及藉由多種透明材料諸 如PMMA、玻璃或陶瓷而構建。該氣隙32〇一般很薄，大 小為 10-100 μπι。 圖6展示了一架式系統的外形，於其中使用了本發 統。由於側面發光式LED封裝體4〇4的發光面45〇面對壁 420，故無直射光到達觀察者之風險，即消除了眩光。 圖7展示了一裝飾壁，於^ ^ ^於具中使用了本發明系統。根據 圖7之系統對兩側發光。 上述應用說明了使用本發明建立多個虛光源，由此外部 耗合結構的總面積遠遠大於原始LED封裝體的面積(達多位 數）。以此方法使系統的亮度顯著減少（見方程式2)。 本發明系統極為通用，下面是_些進_步實例。舉㈣ 言，在一個或兩個玻璃層（1〇6、11〇; 2〇6、21〇; 3〇6、 3 1 0)上的白點網印圖案對於光 、元的外部耦合是有效的。然 而’也可以設想其他光結構（諸 傅如折射元件）。一種一致發 光壁可藉由適當選擇LED陣列％離 』、、且態（六邊形、方形等等）以 130471.doc 200909942 及光結構的點大小和密度而設計。側面發光式led封妒體 HM、204、304、404可以為白色（磷光體轉換）或彩色 (RGBA)或多種LED色彩的混合物。點圖案可印刷於整個玻 璃表面上或者僅印刷於玻璃層1〇6、11〇 ; 2Q6、210 ; 306、310的一部分上。LED封裝體位置及點圖案之間無須 重疊。 當觀察者看向系統兩側面之一個（諸如見圖2)時，可以 計算光分佈，該光分佈由直接來自led封裝體104的光以 及（間接）來自外部耦合結構116的光組成。目前已有許多應 用提出，其中只有間接光到達眼睛。此間接光來自一相較 於LED封裝體的發光表面更大許多的表面，且具有可輕易 調整到一可接受/需求程度的亮度。 該系統也可包含一藍色（或近UV)發光LED封裝體，其與 一碟光體圖案組合以產生白光或彩色光。為了調整光的 CCT(相關色溫），可以使用磷光體（諸如YAG:Ce)與白色顏 料（諸如Ti〇2)的混合物。外部耦合結構116、216、316並不 限於正規白點圖案（或磷光體圖案）。白色（或含磷光體）的 條紋也可應用’成為虛擬2D光源。外部耦合結構116、 21 6、3 1 6 —般向著玻璃層的兩個方向發光，致使系統發 光。為了將光發射限制到某一側，外部耦合結構丨〗6、 216、316可藉由玻璃層 106、11〇 ; 2〇6、21〇 ; 3〇6、則表 面的金屬圖案製成，且在最上面緊隨該相同圖案之後形 成一白色反射層。 外部耦合結構11 6、2 1 6、3 1 6可同樣平均配置/分佈/散佈 I30471.doc 200909942 於支持層中，舉例如具有光波長10-100倍之直徑且具有不 同於PVB之折射率的小球。該等小球將引起米氏散射（Mie scattering)進而耦合系統外的光。支持層内散射顆粒的乳 化控制容許同質或圖案化照明。 本發明大致上關係到分離壁、裝飾壁、架子，以及照明 ' 系統。 - 【圖式簡單說明】 ^' 圖1是一已知照明系統的橫截面簡圖，該照明系統使用 上部發光式LED封裝體。 圖2是本發明第一實施例的橫截面簡圖。 圖3是本發明第二實施例的橫截面簡圖。 圖4為一圖解，其展示了併入圖2及圖3之實施例的一側 面發光式LED封裝體所發射光的典型分佈。 圖5是本發明第三實施例的橫截面簡圖。 圖6是一發明系統應用到架子的橫截面簡圖。 q 圖7是一發明系統應用到分離壁/裝飾壁的橫截面簡圖。 【主要元件符號說明】 2 先前技藝系統 2ψ 較佳輻射錐 4 上部發光式LED封裝體 6 玻璃板基板 8 透明導體 10 破璃板 12 聚合物 130471.doc 空氣 側面發光式LED封裝體 玻璃層/基板層 頂層/玻璃層 支持層 箭頭 外部耦合結構 發光面 出射面 側面發光式LED封裝體 玻璃層/基板層 頂層/玻璃層 支持層 箭頭 外部耦合結構 發光面 出射面 側面發光式LED封裝體 玻璃層/基板 頂層/玻璃層 支持層 外部柄合結構 帽狀物 氣隙 16· 200909942 350 發光面 404 側面發光式LED封裝體 420 壁 450 發光面 A, A' 箭頭 AD 直射光區域 . AT 光總量區域 H 面度 ac 臨界角 130471.doc -17-

Claims (1)

  1. 200909942 十、申請專利範圍： 1 一種LED陣列系統’其包含至少一 LED封裝體（1〇4 ; 204 ; 304 ; 404) ’該LED封裝體配置於一基板（106 ; 206 ’ 3 06)上，該基板配備有一機構，用以為該LED封裝 體（104，204 ; 304 ; 404)供應一驅動電壓，且該LED封 裝體沉浸於一支持層（112 ; 212 ; 3 12)中， 其特徵在於該至少一 LED封裝體（1〇4 ; 204 ; 304 ; 404)包含一側面發光式lEd封裝體，使光的發射基本上 平行於該基板（106 ; 206 ; 306)的一表面；且該系統包含 至少一外部耦合結構（116 ; 216 ; 316)反射/散射自該支 持層（112 ; 212 ; 3 12)發射的光。 2·如請求項1之LED陣列系統，其中一頂層（丨10 ; 21〇 ; 31〇)係按照使其將該支持層（112 ; 212 ; 312)夾於該頂層 (11〇 ; 210 ; 3 10)與該基板（1〇6 ; 206 ; 306)之間之方式予 以配置。 3，如請求項2之LED陣列系統，其中該基板（1〇6 ; 206 ; 3〇6)和該頂層（110 ; 21〇 ; 31〇)係由玻璃（11〇 ; 21〇 ; 31〇) 製成’且該支持層（112 ; 212 ; 3 12)係由PVB或樹脂製 成。 4. 如請求項1之LED陣列系統，其中該等外部耦合結構 (116 ; 216 ; 316)係配置於該頂層（110 ; 210 ; 310)的一表 面上’面對該支持層（112 ; 212 ; 3 12)。 5. 如請求項i之LED陣列系統，其中該等外部耦合結構 (116 ; 216 ; 3 16)配置於該基板（106 ; 206 ; 306)的一表面 130471.doc 200909942 上’面對該支持層（112 ; 212 ; 3 12)。 6. 如請求項1之LED陣列系統，其中該等外部輕合結構 (U6 ; 216 ; 316)為網印。 7. 如請求項1之LED陣列系統，其中該等外部轉合結構 (116 ; 216 ; 3 16)係選自由下列組成之群：發光墨；含有 發光晶粒的聚合物顆粒；干涉顏料，諸如丁丨〇2塗佈雲母 片；高折射率氧化物，諸如Zr〇2 ;著色顏料，諸如 ^2〇3 ;光致變色材料；具有封閉氣孔的顆粒，諸如空心 球；或是任何相似材料或其組合。 8. 如請求項1之LED陣列系統，其中該LED封裝體（1〇4 ; 204 ; 304)的發光面（150 ; 250 ; 350)及該支持層（112 ; 212，312)配置為藉由一氣隙（320)而分離。 9. 如請求項8之LED陣列系統，其中該LED封裝體（1〇4 ; 2〇4 ; 304)上的一透明帽狀物（3 18)係用於提供該氣隙 (320)。 10. 如請求項9之LED陣列系統，其中該透明帽狀物（318)包 含PMMA、玻璃或陶瓷材料。 11·種照明糸統’其包括根據前述請求項中任一項之一 LED陣列系統。 12. —種方法，其用於生產根據請求項中任一項的一 LED陣列系統’該方法包含下列步驟： _配置一 LED封裝體（104 ; 204 ; 304 ; 4〇4)於一基板 (106 ; 206 ; 306)上，該LED封裝體包含一側面發光式 LED封裝體，邊基板配備有一機構，用以為該LED封骏 130471.doc 200909942 體供應一驅動電壓， -在該系統中配置外部耦合結構（〗丨6 ; 2丨6 ; 3丨6)， -將一聚合物支持層〇12 ; 212 ; 312)施加於該led封裝 體上， •加熱該堆疊同時施加—壓力以將該LEd封裝體沉浸於 該支持層中。 13.如请求項12之方法，其中將一頂層（11〇 ; 21〇 ; 31〇)按照 使其將該支持層（112 ; 212 ; 3 12)夹於該頂層與該基板 (1〇6; 2〇6; 306)之間之方式予以配置。 1 4.如明求項丨2之方法，其中配置一透明帽狀物（3丨8)，以便 在名LED封装體（1〇4 ; 204 ; 304)之發光面（150 ; 250 ; 35〇)與該支持層（112; 212; 312)之間建立—氣隙。 ij 130471.doc
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