發出白光的LED模塊的製作方法
2023-07-05 00:05:16 4
本發明涉及用於發出混合光且優選發出白光的LED模塊(發光二極體模塊)。本發明尤其涉及適用於具有小的反射器尺寸的燈的LED模塊。最後，本發明還涉及具有這種LED模塊的照明裝置。
背景技術：
從現有技術中已知適於發白光的LED模塊。這些LED模塊一般具有由各個光點的組合構成的發光的光場。所述各個光點被設計成發射不同的光譜。例如由這些光點發出藍光、紅光以及由螢光材料產生的綠光。
例如，在圖1a中示出了這種已知的LED模塊10。圖1b示出了該LED模塊10的俯視圖。LED模塊10擁有光場12，它與其它部件18一起布置在模塊板17上。光場12由多個光點13a、13b、13c構成，每個光點都發出不同波長範圍(即不同光譜)的光。如圖1b所示，每個光點13a、13b、13c都配屬有至少一個LED 16。光點13a、13b、13c一般由罩在LED 16上的所謂球頂(塗布Dispenstropfen)構成。
該已知LED模塊10具有以下缺點，其具有太大的光場12，以藉此給燈配備小的反射器尺寸。圖1b中所示的光場12此時實際上具有至少19mm的直徑，其中，基本上無法用球頂方法(通過塗布方法)進一步縮小光場12的直徑。
鑑於該現有技術，本發明的一個任務是提供一種用於發出混合光且尤其發出(混合)白光的LED模塊，其改善了已知的現有技術。尤其將提供一種LED模塊，利用其能夠產生特別均勻的混合光。另外，本發明的一個任務是提供一種適用於具有小的反射器尺寸的燈的LED模塊。
在閱讀以下描述時還提到的或者可由技術人員發現的這些及其它任務都通過獨立權利要求的主題來完成。從屬權利要求以特別有利的方式進一步改進本發明的中心構想。
技術實現要素：
根據本發明，提供一種用於發出混合光的LED模塊，該LED模塊包括：光場，該光場被劃分成用於發出不同光譜的多個平面扇區，其中光場的這些平面扇區被構造為圓形扇區和圓環形扇區。
在此，通常相關聯的平面被理解為本發明意義上的平面扇區，其優選通過阻隔體/間隔壁與其它(相鄰)平面扇區分隔開。
根據本發明的LED模塊的發光面被稱為光場。通過光場的平面扇區劃分，可以使光場的總面積相比於包含由球頂限定的光點的已知LED模塊的總面積顯著縮小。通過扇區布置，可以縮小光場的總發光面積，尤其縮小至少約16％。這樣的縮小基本上無法利用從現有技術已知的球頂方法實現。通過光場的顯著面積縮小，根據本發明的LED模塊也適用於具有小的反射器尺寸的燈(例如所謂的點光源模塊)。
有利地，針對每個光譜設置至少兩個平面扇區。
根據本發明的LED模塊優選被設計成發出兩個不同的光譜。在此，各個光譜優選由光場的平面扇區中的至少兩個耦合輸出。由此，可以總體上由LED模塊產生很均勻的色彩真實的混合光，尤其是白光(具有高的CRI)。
優選每個扇區的光譜都是白色的，但以色溫區分開。為此，例如可以在每個扇區中設置相同的(例如藍色)LED晶片，但採用不同的顏色轉換材料和/或不同濃度的顏色轉換材料。
有利地，光場的外輪廓是圓形的。這種圓形對於具有裝有反射鏡的光學元件的燈尤其是有利的。
所述圓形扇區和圓環形扇區此時都被視為平面扇區。通過在光場內有利地布置所述平面扇區，例如可以形成這樣的LED模塊，其發出來自至少兩個不同的光譜的混合光且同時具有很小的總發光面積。也就是說，光場面積可以被減小。另外，可以通過所提出的發光面的構造來產生很均勻的混合光，這是因為各個光發射以很有利的方式「均勻混合」。
在此，這些平面扇區可以被設計成發出紅光、藍光以及來自其它光譜的光，所述光優選通過螢光材料產生。這些其它光譜例如可以是來自綠色的和/或黃色的光譜的光。
這些平面扇區例如可以發出具有諸如所謂的冷白色光譜和/或暖白色光譜的不同的色溫的白光。
在此尤其優選地如此提供不同的光譜，即在(優選結構相同的)優選提供藍色光譜的LED晶片/LED帶上施加具有不同的螢光材料濃度和/或螢光材料或螢光材料組合物的澆封劑(即優選沒有所謂的遠程螢光粉，而是將澆封劑直接施加至LED晶片)。澆封劑此時優選是矽樹脂和/或環氧樹脂基的澆封劑。
澆封劑可以附加具有漫射顆粒。
有利地，光場具有16mm或更小的直徑。通過這種相比於現有技術減小許多的光場直徑，根據本發明的LED模塊適用於實現具有小的反射器尺寸的燈。
有利地，LED模塊還具有光散射片，其沿光場的光射出方向與該光場間隔一定距離布置。
光散射片賦予LED模塊以還算均勻的顏色效果，即通過光的散射再次改善由光場發出的不同光譜的混勻。該光散射片還使得能夠產生散射光以及調節LED模塊的亮度。該光散射片還可以配設有螢光材料，例如附加的螢光材料膜或嵌埋的螢光材料顆粒。於是，光散射片適用於影響由LED模塊總體發出的光的顏色或色溫。
有利地，散射片通過混合光腔與光場的頂面分隔開。混合光腔優選用於尤其有效地混勻由光場的平面扇區發出的不同的光譜。於是，可以讓LED模塊的觀看者看到很均勻的混合光。光場的各個平面扇區或由其發出的不同的光譜優選不讓觀看者從外面看到。
有利地，光場通過塗布方法形成有平面扇區，在塗布方法中，含有顏色轉換材料的澆封劑在施加預製的或現場硬化的阻隔體後進行點膠。通過也被稱為「壩填充(dam-and-fill)」法的該工藝，可以很簡單地形成光場的平面扇區。所述工藝能夠實現比用其中球頂被直接施加到各個LED晶片上的已知方法獲得的光場縮小許多的光場。所述平面扇區可以是安裝在LED模塊的模塊板上的成品件。
有利地，光場的平面扇區通過阻隔體或間隔壁被相互分隔開。在此，所述阻隔體可以或者直接在載體材料上通過施加並硬化適當材料來形成(通過所謂的塗布方法)，或是首先製造成單獨的元件，隨後將其與載體材料連接。該阻隔體在此優選具有在俯視圖中觀察的在50μm至2mm之間的寬度，尤其優選在100μm至1mm之間、更優選在300μm至800μm之間的寬度。
有利地，光場的平面扇區包含透明澆封劑或含螢光材料的澆封劑(例如磷光物覆層，其中，各平面扇區可以形成有不同的磷光物覆層，從而可以提供不同的光譜)。
優選地，在根據本發明的LED模塊中，通過限界的阻隔體來限定光場的各個扇區並且在阻隔體之間的空隙中填入澆封劑，以平坦地形成所述扇區。如所述的那樣，澆封劑可以由添加有螢光材料的透明澆封劑構成，所述螢光材料例如以分散於其中的螢光材料顆粒形式存在。澆封劑也可以包含溶解的螢光材料，即它可以是螢光材料-澆封劑。
螢光材料(也稱為顏色轉換材料)通常是這樣的材料，其可以光致激發並隨後發出次級光譜(例如磷光物質)。螢光材料因此可以是光顏色轉換材料。例如螢光材料是無機材料或Q-dot(例如ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、ZnTe、CdTe)。優選通過所述螢光材料發出來自黃色、綠色和/或紅色光譜範圍的次級光。
從現有技術已知可用的螢光材料，例如矽酸鹽(Ca3Sc2Si3O12:Ce3+)、正矽酸鹽(BOSE)、石榴石(YAG:Ce3+、(YGd)AG:Ce3+、LuAG:Ce3+)、氧化物(CaScO2:Eu2+)，SiALON(α-SiALON:Eu2+、β-SiALON:Eu2+)、氮化物(La3Si6N11:Ce3+、CaAlSiN3:Ce3+)、氧化氮化物(SrSi2N2O2:Eu2+、(Ca,Sr,Ba)Si2N2O2:Eu2+)。
本發明以來自紅色光譜的光表示其峰值波長在約580nm至670nm之間的光、以來自藍色光譜的光表示其峰值波長在約390nm至480nm之間的光，以來自綠色光譜的光表示其峰值波長在約480nm至560nm之間的光，以來自黃色光譜的光表示其峰值波長在560nm至630nm之間的光。
根據本發明的LED模塊由此適用於發出白光，尤其發出看山去自然的白光。看上去自然的白光優選具有對應於黑色輻射器的光色溫的光色溫。
有利地，所述平面扇區分別配設有至少一個LED或至少一個LED帶。還優選的是，每個圓形扇區或每個圓環形扇區都具有相同數量的(例如藍色)LED(例如可以在圓形扇區或圓環形扇區內採用結構相同的LED帶)。LED帶此時優選可以單獨控制或者以相互關連的組(根據所用的LED帶的數量)來控制。在此，例如可以將被設置用於發出第一光譜的LED帶和被設置用於發出第二光譜的LED帶分別分組互連。由此，可以調節並發出在第一光譜與第二光譜之間的區域內的任意混合光。
所述至少一個LED或至少一個LED帶(即多個互連的LED)優選在各個區域的阻隔體之間安放在LED模塊的模塊板(或載板)上。優選地，這些LED或LED帶利用所述澆封劑來填充。由此，這些LED或LED帶被固定並保護。由LED或LED帶發出的光由澆封劑從LED模塊送出並同時如有必要通過澆封劑內的螢光材料來影響或轉換。所述LED例如可以是發藍光、發紅光、發綠光、發黃光(琥珀色)或發紫外光的LED。由平面扇區發出的光譜可以通過至少一個LED與澆封劑之間的相互作用產生，或直接由所述至少一個LED產生。這些平面扇區可以發出紅光、綠光、黃光、黃綠光或具有不同白色調的白光。該光色可以通過所採用的單色LED和/或通過所採用的螢光材料產生。
本發明還涉及利用下述方法製造的LED模塊，該方法包括以下步驟：產生被劃分成多個平面扇區的光場，其中該光場的平面扇區被構造為圓形扇區和圓環形扇區，做法是通過形成將光場的扇區相互分隔開的阻隔體並在每個扇區的阻隔體之間填充透明澆封劑或含螢光材料的澆封劑。
本發明還涉及一種發光裝置，該發光裝置具有至少一個如上所述的LED模塊以及優選安放到該LED模塊上的反射器。
具體實施方式
現在，參照附圖來更加詳細地描述本發明。
圖1a和圖1b示出了從現有技術中已知的LED模塊。
圖2a和圖2b示出了具有光場的第一實施方式的LED模塊。
圖3示出了用於LED模塊的光場的第二實施方式。
圖4示出了用於LED模塊的光場的第三實施方式。
圖5示出了用於根據本發明的LED模塊的光場的第四實施方式。
圖6示出了用於根據本發明的LED模塊的光場的第五實施方式。
圖7示出了圖6中所示出的光場的LED帶的優選布置和連接。
圖2a示出具有光場2的第一實施方式的LED模塊1的立體側視圖。該LED模塊1適用於發出混合光，例如發出白光。為此，在LED模塊1內，各種所發出的光譜被如此混合，即作為對觀看者來說的整體印象，出現LED模塊1的混合光或白光。
LED模塊1具有模塊板7，其上布置有至少一個光場2，該光場被設計成發出LED模塊1的光。光場2從其平坦表面發光。另外，有利地，在模塊板7上還設有其它部件8。所述其它部件8例如可以是電子部件，如控制部件、微處理器、電容、電感、電阻、供電線等等。所述電子部件可以對LED模塊1的LED 6或LED帶供電和/或進行控制。所述其它部件8也可以包含用於從模塊板7或光場2散熱的冷卻件。另外，模塊板7可以配設有用於將LED模塊1例如安裝在燈具外殼中的安裝機構。例如模塊板7如圖1a所示具有用於螺栓安裝LED模塊1的多個孔。模塊板7例如可以是電路板，如印刷電路板(PCB)。有利地，模塊板7至少部分地由適於散熱的材料構成。
LED模塊1的光場2被劃分成多個平面扇區3a、3b、3c(在此是圓形扇區和圓形平面)。所述扇區3a、3b、3c中的每一個都被設計成發出來自確定光譜的光。光場2優選包括至少一個發出來自第一光譜的光的第一種扇區3a(在此是圓形扇區)以及一個發出來自第二光譜的光的第二種扇區3b(在此是圓形扇區)。優選地，光場2還包括一個發出來自第三光譜的光的第三種扇區3c(在此是圓形平面)。當然，也可以採用更多個不同種類的扇區，其總體發出四個或甚至更多個的不同光譜。
對於每個所發出的光譜，光場2優選包括至少兩個扇區3a、3b、3c。為了產生作為混合光的具有預定的色溫和/或顯色指數(CRI：Color Rendering Index)的白光，光場2例如可以包括發白光的第一種扇區3a，該白光優選由藍光LED和置於澆封劑中的螢光材料產生，還可以包括發藍光(優選由單色藍光LED發出)的第二種扇區3b以及發出來自其它光譜的光的第三種扇區3c。所述其它光譜有利地包含藍色光譜。可以想到，所述扇區3b顯示出具有不同於扇區3a的色溫/發射光譜的白光。
由於在根據本發明的LED模塊2中，光場2的發出不同光譜的不同區域不是由光點構成，而是由平面扇區3a、3b、3c構成，故能夠減小光場2的總體面積。即，可以減小LED模塊1的總發光面積。
優選地，如圖2a和圖2b所示，光場2是圓形的。尤其是，光場2大多優選具有圓形的外輪廓，但也可以是卵形的、橢圓形的或類似形狀的。光場2的直徑優選為16mm或更小。光場2的面積可以是大約200mm2或更小並且相比於現有技術縮小了16％。如圖2a所示，圓形的光場2優選地被劃分成不同種類的圓形扇區3a或3b。
圖2a和圖2b中所示出的光場2還具有更多個圓形孤島3c，它們被布置在光場2的外輪廓內。例如，如圖2a所示，圓形孤島3c可以形成光場2的中心，即例如形成圓形外輪廓的中心點。另外，其它的圓形孤島3c例如可以按規則的間距沿著光場2周長布置。
優選地，圓形孤島3c被設置用於發出來自紅色光譜的光。圓形扇區3a或3b優選被設置用於發出來自藍色光譜的和/或例如由螢光材料產生的其它光譜的光。通過在LED模塊1的製造過程中選擇圓形孤島3c的直徑和/或圓形扇區3a或3b的面積，可以確定LED模塊1的顏色或者其色溫。
光場2的平面扇區3a、3b、3c優選通過阻隔體和填充來形成。為此，在第一步驟中，在LED模塊的模塊板7上形成阻隔體5，它們確定所述扇區3a、3b、3c的隨後結構。在此，通過一個阻隔體5形成光場2的外輪廓。為了劃分扇區3a、3b、3c，例如在光場2的外輪廓內拉出筆直的或彎曲的阻隔體5。為了形成圓形孤島，可以在光場2的外輪廓內形成圓形阻隔體5。
一旦在模塊板7上形成阻隔體5，則填充由此確定下來的空隙。所述填充要麼利用透明澆封劑要麼利用具有螢光材料(例如具有螢光材料顆粒)的澆封劑來實現。螢光材料顆粒可以以粉末狀螢光材料形式存在於該澆封劑內。澆封劑本身也可以具有光轉換性能。通常，螢光材料的特徵在於其可以被LED 6的光激發並隨後發出次級光譜。在此，阻隔體5可以或者通過合適材料的塗覆和硬化直接形成在模塊板7(載體材料)上，或是首先作為單獨構件來製造，隨後將其與模塊板7相連接。在此，阻隔體5優選具有在俯視圖中觀察的在50μm至2mm之間的寬度，尤其優選在100μm至1mm之間且更優選在300μm至800μm之間的寬度。
在每個平面扇區3a、3b、3c中，優選在填充步驟之前布置至少一個LED 6或LED帶。優選地，在被形成為圓形扇區狀的平面扇區3a、3b內布置具有相同數量的LED的LED帶。但LED 6或LED帶也可以已經事先被加入模塊板7中，並因此在LED 6上方形成扇區3a、3b、3c。阻隔體5也可以圍繞布置在模塊板7上的LED 6或LED帶構成。所述LED 6或LED帶優選被填充在阻隔體5之間的澆封劑包裹起來。所述LED 6或LED帶通過模塊板7被供應電流並且可以被單獨控制或分組控制。
填充有透明澆封劑的那些扇區3a、3b、3c被設計成不改變地發出由一個或更多個LED 6發出的光。例如可以從這樣的扇區3a、3b、3c由發紅光的和/或發藍光的LED 6發出紅光和/或藍光。而填充有含螢光材料的澆封劑的那些扇區3a、3b、3c被設計成改變地發出由一個或更多個LED 6發出的光。這例如如此實現，LED 6的光激發澆封劑中的螢光材料，由此由螢光材料發出次級光譜。例如由此可以產生並發出黃光、綠光或紅光。
在LED模塊1的光場2內，每個平面扇區3a、3b、3c都可以配設有澆封劑，該澆封劑可以改變被封入的LED 6的光，或者只是所述扇區3a、3b、3c中的幾個是這樣的。甚至可以將光場2的每個單獨扇區3a、3b、3c本身設計成產生白光。例如為此可以在每個扇區3a、3b、3c內裝入發藍光的LED 6，並且可以針對每個扇區採用不同的螢光材料-澆封劑作為填充。由此，通過例如三種不同的白光的組合產生白光，並且可以獲得例如具有高的顯色指數(CRI)的非常自然的色溫。
在光場2的不同扇區3a、3b、3c中的LED 6或LED帶可以如此單獨或共同控制，即，其發光顏色可通過控制來改變。另外，優選地，每個LED 6或LED帶可以被單獨調光，例如藉助脈寬調製。
圖2b示出了LED模塊1的俯視圖。如圖所示，可以在光場2的發光面之前布置光散射片4，其在此被示出為虛線圓。該光散射片4至少具備與光場2一樣的直徑，優選具備更大的直徑。光散射片4可以配設有如此選擇的散射顆粒，即它們散射光場2所發出的光。為此，所述散射顆粒具有大致相當於發光光譜的波長的顆粒尺寸。優選地，光散射片4被布置成與光場2的頂面間隔開。
在光場2的頂面與光散射片4之間優選設有所謂的混合光腔。在最簡單的情況下，該混合光腔僅是光場2與光散射片4之間的自由空間。但混合光腔優選被設計成實現由光場2發出的各不同光譜的有效均勻混合。為此，可以在混合光腔內例如設置光學元件。光學元件例如是透鏡或反射鏡。但混合光腔也可以是由以下材料構成的固體塊，該材料具有高的折射率，例如1.5或更高。總體上，通過混合光腔和光散射片4共同實現使得LED模塊1的觀看者無法區分出由光場2的不同平面扇區3a、3b、3c發出的各個光譜，而是看起來是均勻混合光，優選是均勻白光。
圖3示出了用於LED模塊的光場2'的第二實施方式。不同於圖2a和圖2b中所示出的光場2，光場2'不包括圓形孤島3c，而是分別只有用於發出來自確定光譜的光的圓形扇區3a'、3b'和3c'。在此，光場2'包括可發出來自第一光譜的光的第一扇區3a'、可發出來自第二光譜的光的第二扇區3b'和可發出來自第三光譜的光的第三扇區3c'。
圖4了示出用於LED模塊的光場2"的第三實施方式。光場2"又不包括圓形孤島3c，而是分別只有各不同扇區3a"、3b"和3c"。在此，光場2"包括可發出來自第一光譜的光的第一種扇區3a"、可發出來自第二光譜的光的第二種扇區3b"和可發出來自第三光譜的光的第三種扇區3c"。
圖5示出了用於根據本發明的LED模塊1的光場2"'的第四實施方式。
不同於上述的光場的構造，光場2"'作為平面扇區具有圓形扇區3c″′、3d″′(在所示實施方式中是半圓)和圓環形扇區3a″′、3b″′。在此，如此形成圓形扇區3d″′和圓環形扇區3a"'以便能發出第一光譜，並且如此形成圓形扇區3c″′和圓環形扇區3b″′以便能發出第二光譜。用於發出第一光譜的平面區段3a″′、3d"'在此為了清楚顯示而帶有陰影線，用於發出第二光譜的平面區段3b″′、3c″′不具有陰影線。結果，可以通過這兩個光譜產生混合光(優選白光)，其中，每次都是通過兩個平面扇區產生一個光譜。
圖6示出了用於根據本發明的LED模塊1的光場2""的第五優選實施方式。其尤其優選適於發出很均勻的光(白光)。如圖6所示，光場2""相比於光場2"'具有更多數量的圓形扇區3c""、3d""和圓環形扇區3a""、3b""，但其中基本原理是一樣的。
可以通過光場2""提供由第一光譜(由帶有陰影線的圓形扇區3d""和圓環形扇區3a""提供)和第二光譜(由不帶陰影線的圓形扇區3c""和圓環形扇區3b""提供)構成的混合光。如在圖6中可看出的，所述平面扇區與飛鏢圓盤(Dartscheibe)相似布置。因此，通過所提出的平面扇區的劃分，可以提供各自發出的光的極其高度「均勻混合」，並進而提供極其均勻的混合光/白光。
圖7示出了優選被用在圖6中所示出的光場2""的平面扇區3a""、3b""、3c""、3d""中的各LED帶6a""、6b""的優選布置和連接。LED帶6a""、6b""優選配備有藍光LED。
如上所述，可以在各LED帶6a""、6b""上塗覆相應的澆封劑(例如矽樹脂基澆封劑)，其是透明的或形成有螢光材料加料。例如平面扇區可以被澆封劑覆蓋用以產生第一光譜(即圓形扇區3d""和圓環形扇區3a"")，所述澆封劑具有螢光材料加料。而平面扇區被透明澆封劑覆蓋用以提供第二光譜(即圓形扇區3c""和圓環形扇區3b"")。
同樣如在圖7中可看出的，在平面扇區3a""、3b""、3c""、3d""中優選布置具有相同數量的LED的LED帶6a""、6b""(在此例如是具有12個藍光LED的LED帶)。
在所示的優選實施方式中，所述圓形扇區3d""和圓環形扇區3a""彼此連接用以產生第一光譜(其中，在圖7中通過「CW+」和「CW-」標識出用於LED帶6a""的各電壓電位並且通過「WW+」和「WW-」標識出用於LED帶6b""的各電壓電位)並且可被共同控制。如所看出的，輸電導線優選在各平面扇區之間的過渡區域內延伸。另選地，也可行的是，輸電導線通向每個單獨的平面扇區，使得每個平面扇區都可被單獨控制。
本發明並不局限於前述實施例，只要其被以下權利要求的主題所涵蓋。另外，前述實施例能以任何方式相互和彼此組合。尤其是所有上述光場都可以被用在其中一個上述LED模塊中，從而各自就LED模塊或各光場所述的內容原則上適用於所有的光場，只要未明確強調不同。