DE102005035192A1 - Seitenemittierende LED-Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung - Google Patents
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Abstract
Bei einem Ausführungsbeispiel weist eine Licht emittierende Diodenvorrichtung (LED-Vorrichtung) einen LED-Chip auf zum Erzeugen von Ausgangslicht und ein Kapselungsmaterial auf, das den LED-Chip abdichtet, wobei das Kapselungsmaterial eine konische Struktur aufweist, die sich weg von dem LED-Chip erstreckt und über dem LED-Chip positioniert ist, wobei ein Profil der konischen Struktur verursacht, dass ein Lichtpegel, der um eine Symmetrieachse des LED-Chips zentriert ist, eine vollständige interne Reflexion erfährt.
Description
- Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf seitenemittierende LED-Vorrichtungen.
- Heutzutage sind Flüssigkristallanzeigen (LCDs; LCD = liquid crystal display) für Computersysteme, Fernseher und verschiedene elektronische Systeme üblich geworden. Flüssigkristallanzeigen arbeiten unter Verwendung der doppelbrechenden Charakteristika von Flüssigkristallen und der Fähigkeit, Flüssigkristallmaterial unter Verwendung eines elektrischen Feldes auszurichten. Genauer gesagt ist Flüssigkristallmaterial in einem vorderen und hinteren Polarisierer angeordnet. Jedes Pixel einer LCD-Anzeige steuert das Flüssigkristall innerhalb des jeweiligen Abschnitts der Anzeige, um die Polarisierung des Lichts nach der Anwendung des ersten Polarisierers zu drehen. Abhängig von dem Zustand eines jeweiligen Pixels filtert der zweite Polarisierer entweder das Licht mit der gedrehten Polarisation oder ermöglicht, dass das Licht hindurchtritt.
- Kalt-Kompakt-Fluoreszenz-Lampen (CCFLs; CCFL = cold compact fluorescent lamp) wurden üblicherweise zur Hintergrundbeleuchtung von LCDs verwendet.
1 zeigt eine herkömmliche CCFL100 zur Verwendung bei einer LCD. Wie in1 gezeigt ist, ist die CCFL100 an der Kante von Kristallschichten101 positioniert. Eine Strahlenbündeldivergenz und die optischen Eigenschaften eines Lichtleiters102 ermöglichen, dass Licht durch Kristallschichten101 auf im Wesentlichen einheitliche Weise für kleinere Anzeigen passiert. Wenn sich jedoch LCD-Bildschirmgrößen über 14 Zoll bis 20 Zoll oder darüber hinaus erhöhen (z. B. für an der Wand befestigte Fernseher), erfahren kantenbeleuchtete, CCFL-basierte LCDs Schwierigkeiten, eine einheitliche Beleuchtung zu erreichen. Genauer gesagt verursacht die Verlängerung des Lichtwegs zu der Mitte der LCD-Anzeige mehr Lichtverlust durch den Lichtleiter102 . Dementsprechend kann die Bildqualität an der Mitte von größeren, kantenbeleuchteten LCDs relativ niedrig sein. - Kürzlich wurden Licht emittierende Dioden (LEDs) in LCDs eingelagert.
2 zeigt eine LCD200 , die LEDs201 zur Hintergrundbeleuchtung verwendet. LED-Chips (die einzelnen Halbleiterelemente, die das emittierte Licht erzeugen) emittieren Strahlenbündel auf hoch direktionale Weise. Genauer gesagt ist die Intensität des emittierten Lichtes am höchsten an der Rotationssymmetrieachse und fällt relativ schnell ab, wenn sich der Winkel von der Achse erhöht. Die hohe Richtwirkung des emittierten Lichts aus einem LED-Chip erfordert Anpassungen, um eine einheitliche Beleuchtung einer LCD zu erreichen. Um eine relativ einheitliche Beleuchtung zu erreichen, umfassen LEDs201 Häusungsanpassungen, um eine Operation als „Seiten-Emissions"-Vorrichtungen zu ermöglichen. Die LCD200 ist ebenfalls angepasst, um einen unteren Reflektor202 zwischen den LEDs201 , eine transparente Polymethyl-Methacrylat-Schicht (PMMA-Schicht; PMMA = Polymethylmethacrylat)203 und einen Diffusor204 zu umfassen, um eine im Wesentlichen einheitliche Beleuchtung zu erreichen. - Üblicherweise werden die Seitenemissionscharakteristika der LEDs
201 erreicht durch Verwenden einer geformten, transparenten Kapselungsstruktur.3 zeigt eine herkömmliche Häusungsstruktur300 für seitenemittierende LEDs. Die Häusungsstruktur300 umfasst eine relativ tiefe Vertiefung301 an der Rotationssymmetrieachse. Die Krümmung, die der Vertiefung301 zugeordnet ist, verursacht eine interne Gesamtreflexion für einen Lichtkegel in der Nähe der Rotationssymmetrieachse. In der Praxis ist die Steigung der Vertiefung, die in der Nähe der optischen Symmetrieachse für eine interne Gesamtreflexion von Licht erforderlich ist, das von der LED emittiert wird, sehr steil und ist schwierig in Serien-LED-Vorrichtungen mit einer solchen Vertiefung herzustellen. Für eine leichte Herstellung wird die steile Vertiefung in der Nähe und an der optischen Symmetrieachse der LED-Vorrichtung abgeschnitten und durch eine Oberfläche mit einem geringen Krümmungsradius oder eine flache Oberfläche ersetzt. Licht, das in diese kleine Oberfläche eintritt, wird nicht vollständig intern reflektiert. Bei einer anderen Praxis wird die Steigung der Vertiefung in der Nähe der optischen Achse reduziert, was dazu führt, dass ein Teil des Lichts gebrochen und von der Oberfläche der Vertiefung und in einem Winkel emittiert wird, der nicht wesentlich entfernt von der optischen Symmetrieachse der LED-Vorrichtung ist, anstatt vollständig intern reflektiert zu werden. Ferner wird in der Praxis ein reflektierendes Material401 üblicherweise verwendet, um die Vertiefung zu beschichten, um sicherzustellen, dass Licht durch die Seiten der LED400 emittiert wird, wie in4 gezeigt ist. - Bekannten Seitenemissions-LEDs ist eine Anzahl von Problemen zugeordnet. Zum Beispiel erzeugt die steile Steigung, die in der Nähe der optischen Symmetrieachse für eine gesamte interne Reflexion erforderlich ist, ein Formungsmerkmal in der Form, das schwierig zu entformen ist. Ferner erfährt die Spitze der Form, die zum Bilden der Vertiefung innerhalb des Kapselungsmaterials verwendet wird, Verschleiß während der LED-Herstellung. Bei einem anderen Beispiel, um die Bildung einer steilen Steigung in der Nähe der optischen Achse zu vermeiden, wird eine weniger steile Steigung implementiert. Ein zusätzlicher Herstellungsschritt wird integriert, um zu vermeiden, dass Licht von der Oberfläche der Vertiefung durch Brechung entkommt, durch Implementieren eines reflektierenden Materials, aufgebracht auf die Vertiefung. Dieses Material unterliegt einem Abblättern oder einer Trennung von der Oberfläche des Kapselungsmaterials. Bei einem wiederum anderen Beispiel erfordert die steile Steigung in der Nähe der optischen Symmetrieachse einer herkömmlichen LED-Vorrichtung die Reflexion von Licht mit einem großen Einfallswinkel zu der Innenoberfläche der LED an der Vertiefung (z. B. Bezug nehmend auf Lichtstrahlen
302 und303 in1 ), was verursacht, dass nachfolgende interne Reflexionen und Großübertragungsverluste innerhalb der Häusung auftreten, bevor Licht aus der LED-Vorrichtung austreten kann. - Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Licht emittierende Diodenvorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer Licht emittierende Diodenvorrichtung und eine Flüssigkristallanzeige mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 7 und eine Flüssigkristallanzeige gemäß Anspruch 14 gelöst.
- Einige repräsentative Ausführungsbeispiele richten sich auf einen Kapselungsmaterialentwurf für eine seitenemittierende LED-Vorrichtung. Der Kapselungsmaterialentwurf integriert vorzugsweise eine konische Struktur zum Positionieren gemäß der Rotationssymmetrieachse der LED. Dementsprechend wird die konische Struktur vorzugsweise innerhalb einer relativ kleinen Vertiefung der Kapselungsmaterialstruktur bereitgestellt. Die konische Struktur des Kapselungsmaterials liefert ein Profil, derart, dass das Licht, das aus der LED extrahiert wird, aus der Häusung in einem Winkel gerichtet wird, der wesentlich von der Rotationssymmetrieachse abweicht. Genauer gesagt ist der Einfallswinkel der Strahlenbündel innerhalb der konischen Struktur größer als der kritische Winkel und somit erfahren Strahlenbündel innerhalb der konischen Struktur eine interne Gesamtreflexion. Die Strahlenbündel werden intern hin zu der anderen Seite der konischen Struktur gerichtet und werden von der Seite der Kapselungsmaterialstruktur emittiert.
- Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer LED-Vorrichtung das geeignete Formen einer Kapselungsmaterialstruktur. Genauer gesagt kann ein LED-Chip innerhalb eines Anschlussleitungsrahmens oder einer anderen geeigneten Struktur befestigt sein. Der LED-Chip ist elektrisch mit Anschlussleitungen des Anschlussleitungsrahmens gekoppelt. Ein Metall oder eine andere geeignete Form, die den Kapselungsmaterialentwurf definiert, ist über dem LED-Chip und dem Rahmen positioniert. Ein Einspritzformen oder eine andere geeignete Formgebungstechnik wird dann verwendet, um das transparente Kapselungsmaterial zu bilden, das den LED-Chip umgibt. Das transparente Kapselungsmaterial kann unter Verwendung von Epoxydharz und anderen geeigneten Materialien gebildet werden. Wie durch die Form definiert wird, besitzt das Kapselungsmaterial die konische Struktur über dem LED-CHip und ist gemäß der Rotationssymmetrieachse positioniert. Aufgrund der Kontur der konischen Struktur und dem Brechungsindex des Kapselungsmaterials erfahren Strahlenbündel, die von dem LED-CHip emittiert werden, die gegen die Oberfläche der konischen Struktur einfallen, eine vollständige interne Reflexion.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine herkömmliche Flüssigkristallanzeige, die einen Seitenbeleuchtungsentwurf verwendet; -
2 eine herkömmliche Flüssigkristallanzeige, die einen Direkt-Hintergrundbeleuchtungs-Entwurf verwendet; -
3 einen herkömmlichen Kapselungsmaterialentwurf für Seitenemissions-LEDs; -
4 einen anderen, herkömmlichen Kapselungsmaterialentwurf für Seitenemissions-LEDs; -
5 eine LED-Vorrichtung gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel; -
6 ein Strahl-Verfolgungs-Diagramm der LED-Vorrichtung, die in5 gezeigt ist; -
7 verschiedene Herstellungsschritte für eine LED-Vorrichtung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel; und -
8 eine LCD-Vorrichtung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. -
5 zeigt eine LED-Vorrichtung500 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Die LED-Vorrichtung500 umfasst einen Rahmen oder eine gedruckte Schaltungsplatine503 und einen LED-Chip504 . Der LED-Chip504 ist vorzugsweise hermetisch durch das Kapselungsmaterial501 abgedichtet. Das Kapselungsmaterial501 umfasst die konische Struktur502 . Die konische Struktur502 ist über dem LED-Chip504 positioniert, gemäß der Rotationssymmetrieachse, die dem LED-Chip504 zugeordnet ist. Die konische Struktur502 ist innerhalb einer relativ kleinen Vertiefung505 des Kapselungsmaterials501 angeordnet. -
6 zeigt ein Strahl-Verfolgungs-Diagramm600 der LED-Vorrichtung500 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Nur die Strahlen aus der „rechten" Hälfte der LED-Vorrichtung500 sind der Klarheit halber gezeigt. Wie in6 ersichtlicht ist, sind die Winkel zwischen den Strahlen601 –604 und der Symmetrieachse (definiert durch den normalen Vektor, der sich von der Mitte des LED-Chips504 erstreckt) relativ klein. Strahlen601 –604 treffen auf die Oberfläche der konischen Struktur502 auf, und die Einfallswinkel sind größer als der kritische Winkel. Dementsprechend erfahren die Strahlen601 –604 eine interne Gesamtreflexion. Nach der Umleitung treten die Strahlen601 –604 aus dem Kapselungsmaterial501 auf der gegenüberlie genden Seite der konischen Struktur502 aus. Dementsprechend wird der Abschnitt des Lichts, das durch den LED-Chip504 emittiert wird, der ursprünglich zu der Vorderseite der LED-Vorrichtung500 gerichtet war, von der Seite der LED-Vorrichtung500 emittiert. - Zusätzlich dazu fallen Strahlen
605 –607 auf die Oberfläche des Kapselungsmaterials501 direkt außerhalb der konischen Struktur und innerhalb der Vertiefung505 ein. Aufgrund der Vertiefung505 und des Brechungsindex des Kapselungsmaterials501 werden die Strahlen605 –607 an der Oberfläche des Kapselungsmaterials501 umgeleitet. Dementsprechend verursacht die Vertiefung505 , dass ein größerer Bereich von Winkeln keine direkte Lichtemission von dem LED-Chip504 erfährt. -
7 zeigt Herstellungsschritte701 einer LED-Vorrichtung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Bei Schritt701 wird eine Form bereitgestellt und ein flüssiges Kapselungsmaterial (z. B. Harzepoxyd) wird in die Form gegeben. Bei Schritt702 wird ein Rahmen oder eine gedruckte Schaltungsplatine712 einschließlich eines LED-Chips in das Kapselungsmaterial eingefügt. Das Kapselungsmaterial wird dann ausgehärtet. Bei Schritt703 wird die LED-Vorrichtung aus der Formschale entfernt, die dann bei der Herstellung einer anderen LED-Vorrichtung wieder verwendet werden kann. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Formschale ein einstückiges Teil der fertigen LED-Vorrichtung bilden. Bei einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel sind der Rahmen und der LED-Chip innerhalb einer geeigneten Form positioniert und Einspritzformungs-, Spritzpressformungs- oder andere geeignete Techniken werden anstelle des Einfügens des flüssigen Kapselungsmaterials angewendet, vor einer Platzierung des Rahmens und des LED-Chips. -
8 zeigt eine LCD-Vorrichtung800 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Die LCD-Vorrichtung800 umfasst einige Elemente, die typisch für herkömmliche LCDs sind. - Zum Beispiel kann die LCD-Vorrichtung
800 eine LCD-Anzeige-Schicht801 umfassen, die Polarisierer, Flüssigkristallmaterial und elektronische Steuerungselemente umfasst. Die LCD-Vorrichtung800 umfasst Helligkeit-Verbesserung-Film-Schicht(en) (BEF-Schichten; BEF = brightness enhancement film)802 , die Lichtfokussierungseigenschaften aufweisen. Die LCD-Vorrichtung800 umfasst vorzugsweise einen Diffusor803 , um eine höhere Einheitlichkeit bei der Beleuchtung über die LCD-Vorrichtung800 zu erreichen. Die LCD-Vorrichtung800 umfasst eine PMMA-Schicht804 , die teilweise reflektierend sein kann. Die LCD-Vorrichtung800 umfasst ferner einen unteren Reflektor805 . - Die LCD-Vorrichtung
800 weist ferner ein Hintergrundbeleuchtungsmodul806 mit einer Mehrzahl von LEDs500 auf. Jede LED500 umfasst eine konische Struktur502 . Dementsprechend wirken die LEDs500 als Seitenemissionsvorrichtungen und die Einheitlichkeit der Beleuchtung über die LCD-Vorrichtung800 wird beibehalten, sogar wenn die Größe der LCD-Vorrichtung800 erhöht wird.
Claims (20)
- Licht emittierende Diodenvorrichtung (LED-Vorrichtung), die folgende Merkmale aufweist: einen LED-Chip (
504 ) zum Erzeugen von Ausgangslicht; und ein Kapselungsmaterial (501 ), das den LED-Chip abdichtet, wobei das Kapselungsmaterial eine konische Struktur (502 ) aufweist, die sich weg von dem LED-Chip erstreckt und über dem LED-Chip positioniert ist, wobei ein Profil der konischen Struktur verursacht, dass ein Lichtkegel, der um eine Symmetrieachse des LED-Chips zentriert ist, eine vollständige interne Reflexion erfährt. - LED-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Kapselungsmaterial (
501 ) verursacht, dass die LED-Vorrichtung als eine Seitenemissionsvorrichtung arbeitet. - LED-Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die konische Struktur in einer Vertiefung (
505 ) des Kapselungsmaterials angeordnet ist. - LED-Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der Licht, das auf die Vertiefung einfällt, weg von der Symmetrieachse gebrochen wird.
- LED-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Kapselungsmaterial mehrere Schichten aufweist, die eine Formschalenschicht umfassen.
- LED-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Formschalenschicht die konische Struktur aufweist.
- Verfahren zum Herstellen einer Licht emittierenden Diodenvorrichtung (LED-Vorrichtung), das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Form, die ein Kapselungsmaterialprofil definiert; Aufbringen eines flüssigen Kapselungsmaterials in die Form; Bereitstellen eines LED-Chips (
504 ); und Aushärten des flüssigen Kapselungsmaterials, um den LED-Chip einzukapseln, wobei das ausgehärtete Kapselungsmaterial eine konische Struktur (502 ) aufweist, die über dem LED-Chip ist und sich weg von demselben erstreckt, wobei ein Profil der konischen Struktur verursacht, dass ein Lichtkegel, der um eine Symmetrieachse des LED-Chips zentriert ist, eine vollständige interne Reflexion erfährt. - Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem das Aufbringen gemäß einem Einspritzformen ausgeführt wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem das Aufbringen gemäß einem Spritzpressen ausgeführt wird.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, das ferner folgenden Schritt aufweist: Entfernen der Form nach dem Ausführen des Aushärtens.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Form mit dem ausgehärteten Kapselungsmaterial integriert wird, nach der Fertigstellung der LED-Vorrichtung.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die konische Struktur innerhalb einer Vertiefung des ausgehärteten Kapselungsmaterials aufgebracht ist.
- Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem Licht, das auf die Vertiefung einfällt, weg von der Symmetrieachse gebrochen wird.
- Flüssigkristallanzeige (LCD), die folgende Merkmale aufweist: ein Flüssigkristallfeld; ein Hintergrundbeleuchtungsmodul zum Beleuchten des Flüssigkristallfeldes, das eine Mehrzahl von Licht emittierenden Diodenvorrichtungen (LED-Vorrichtungen) aufweist, wobei jede LED-Vorrichtung ein Kapselungsmaterial aufweist, das einen LED-Chip abdichtet, wobei das Kapselungsmaterial eine konische Struktur aufweist, die sich weg von dem LED-Chip erstreckt und über dem LED-Chip positioniert ist, wobei ein Profil der konischen Struktur verursacht, dass ein Lichtkegel, der um eine Symmetrieachse des LED-Chips zentriert ist, eine vollständige interne Reflexion erfährt.
- LCD gemäß Anspruch 14, bei der das Kapselungsmaterial verursacht, dass die LED-Vorrichtung als eine Seitenemissionsvorrichtung wirkt.
- LCD gemäß Anspruch 14 oder 15, bei der die konische Struktur innerhalb einer Vertiefung des Kapselungsmaterials angeordnet ist.
- LCD gemäß Anspruch 16, bei der das Licht, das auf die Vertiefung einfällt, weg von der Symmetrieachse gebrochen wird.
- LCD gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der das Kapselungsmaterial mehrere Schichten aufweist, einschließlich einer Formschalenschicht.
- LCD gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, bei der die Formschalenschicht die konische Struktur aufweist.
- LCD gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, bei der das Flüssigkristallfeld eine Diffusionsschicht aufweist.
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