DE10335077A1

DE10335077A1 - LED-Modul

Info

Publication number: DE10335077A1
Application number: DE10335077A
Authority: DE
Inventors: Christian Hacker
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-03-03
Also published as: US7125143B2; JP2005057272A; US20050052378A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein LED-Modul mit einer Mehrzahl von LED, umfassend Mischlicht-LEDs (1) und Zusatz-LEDs (2), wobei die Zusatz-LEDs (2) jeweils eine Mehrzahl von LED-Chips (6, 7, 8) mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen aufweisen, die jeweils in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein LED-Modul mit einer Mehrzahl von LEDs, die Mischlicht-LEDs und Zusatz-LEDs umfaßt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einer Mischlicht-LED ein Bauelement zu verstehen, das mindestens einen LED-Chip und ein Konversionselement umfaßt, wobei das Konversionselement von dem LED-Chip emittiertes Licht in Licht einer anderen, in der Regel größeren Wellenlänge umwandelt. Durch die gleichzeitige Wahrnehmung des von dem LED-Chip emittierten Lichts und des von dem Konversionselement umgewandelten Lichts entsteht der Eindurck mischfarbigen Lichts.

Derartige Mischlicht-LEDs sind häufig als Weißlicht-LEDs ausgebildet. Dabei wird mittels eines im blauen Spektralbereich emittierenden LED-Chips ein Leuchtstoff angeregt, der wiederum Licht im gelb-orangen Spektralbereich aussendet. Die Mischung von blauem und gelb-orangem Licht wird als weißes Licht wahrgenommen.

Allerdings unterscheidet sich das Spektrum einer derartigen Weißlicht-LED von einer herkömmlichen Weißlichtquelle wie beispielsweise einer Glühlampe deutlich, da eine herkömmliche Weißlichtquelle eine eher breite Spektralverteilung aufweist, die große Teile des sichtbaren Spektralbereichs abdeckt, während eine Weißlicht-LED der oben beispielhaft beschriebenen Art vor allem blaue und gelb-orange Spektralanteile zeigt. Dieser Unterschied macht sich insbesondere bei der unterschiedlichen Farbwiedergabe einer Weißlicht-LED einerseits und einer herkömmlichen Weißlichtquelle wie etwa einer Glühlampe andererseits bemerkbar.

Eine Verbesserung der Farbwiedergabe kann dadurch erreicht werden, daß bei einem LED-Modul sowohl Weißlicht-LEDs als auch Farb-LEDs eingesetzt werden, wobei die Farb-LEDs die im Spektrum der Weißlicht-LEDs fehlenden Spektralanteile ergänzen.

In ähnlicher Weise kann es auch bei anderen, nichtweißen Mischlicht-LEDs mit einem Konversionselement erforderlich sein, fehlende Spektralanteile zu ergänzen. Allerdings steht hierbei weniger die Farbwiedergabe als vielmehr der angestrebte exakte Farbort im Vordergrund. Zwar ist es grundsätzlich möglich, einen vorgegebenen Farbort des erzeugten mischfarbigen Lichts einer Mischlicht-LED durch geeignete Abstimmung und Mischung von Leuchtstoffen zu realisieren. Der Aufwand ist hierbei aber vergleichweise groß, da in der Regel für diese LEDs ein gesonderter Verguß mit den entsprechenden Leuchtstoffen hergestellt und verarbeitet werden muß. Insbesondere bei der automatisierten Fertigung großer Stückzahlen von LEDs ist diese Vorgehensweise unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nachteilig.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein technisch einfach herstellbares LED-Modul zu schaffen, bei dem der Farbort des emittierten Lichts in weiten Bereichen frei einstellbar ist. Insbesondere soll ein Weißlicht-LED-Modul mit hoher Farbwiedergabe realisiert werden.

Diese Aufgabe wird durch ein LED-Modul gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß ist ein LED-Modul mit einer Mehrzahl von LEDs, umfassend Mischlicht-LEDs und Zusatz-LEDs, vorgesehen, wobei die Zusatz-LEDs jeweils eine Mehrzahl von LED-Chips mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen aufweisen, die jeweils in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

Mit mehreren LED-Chips unterschiedlicher Emissionswellenlänge kann vorteilhafterweise ein großer Bereich des Farbraums abgedeckt werden, so daß bei der Erfindung der Farbort des von dem LED-Modul emittierten Lichts in weiten Bereichen einstellbar ist bzw. mit einer Zusatz-LED gleichzeitig mehrere verschiedene Spektralanteile zum Spektrum der Mischlicht-LED ergänzt werden können.

LEDs mit einer Mehrzahl von LED-Chips in einem gemeinsamen Gehäuse können vergleichsweise kostengünstig gefertigt werden. Weiterhin wird gegenüber einzelnen LEDs mit jeweils einem LED-Chip die Anzahl der zu montierenden LEDs vorteilhaft gesenkt.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mischlicht-LEDs einen LED-Chip sowie ein Konversionselement, das die von dem LED-Chip emittierte Strahlung in Strahlung einer anderen, insbesondere längeren Wellenlänge umwandelt. Das Konversionselement kann beispielsweise den LED-Chip in Form einer Vergußmasse, in der ein oder mehrere geeignete Leuchtstoffe zur Umwandlung des von dem LED-Chip emittierten Lichts verteilt sind, umhüllen.

Besonders bevorzugt werden bei der Erfindung als Mischlicht-LEDs Weißlicht-LEDs zur Bildung eines Weißlicht-LED-Moduls eingesetzt. Mittels der Zusatz-LEDs kann das Spektrum der Weißlicht-LEDs so ergänzt werden, daß näherungsweise das Spektrum des insgesamt emittierten Lichts (Gesamtspektrum) dem Spektrum eines Planck'schen Strahlers entspricht. Damit wird eine vorteilhaft hohe Farbwiedergabe erzielt.

Weitergehend kann je nach Ansteuerung der LED-Chips in den Zusatz-LEDs das Gesamtspektrum so variiert werden, daß es jeweils einem Planck'schen Strahler mit unterschiedlicher Farbtemperatur entspricht. Vorteilhafterweise kann so anhand der Ansteuerung der LEDs eine vorgegebene Farbtemperatur für das von dem LED-Modul emittierte Licht eingestellt werden.

Zusätzlich oder alternativ kann durch eine geeignete Ansteuerung der LED-Chips der Zusatz-LEDs der Farbwiedergabeindex eingestellt bzw. optimiert werden. Ein hoher Farbwiedergabeindex ist einerseits vorteilhaft, um farbliche Verfälschungen bei der Beleuchtung eines Objekts zu vermeiden. Insbesondere bei der Beleuchtung mit weißem Licht soll in der Regel der Farbeindruck nicht von der technischen Realisierung der Lichtquelle abhängen. Andererseits ist für bestimmte Anwendungen ein Mindestfarbwiedergabeindex gesetzlich vorgeschrieben, so daß bei der Erfindung der hohe Farbwiedergabeindex des LED-Moduls zu einem vorteilhaft breiten Anwendungsbereich, insbesondere auch auf Gebieten, auf denen Weißlicht-LED-Module bisher nicht einsetzbar waren, führt.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den 1 und 2.
Es zeigen
1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen LED-Moduls,
2 eine schematische Aufsicht auf das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LED-Moduls,
3 einen ersten Weißlicht-Bereich im CIE Chromaticity Diagram und
4 einen zweiten Weißlicht-Bereich im CIE Chromaticity Diagram.
Das in den 1 und 2 gezeigte LED-Modul umfaßt jeweils eine Mehrzahl von Mischlicht-LEDs 1 und Zusatz-LEDs 2, die auf einen gemeinsamen Träger 3, beispielsweise eine Platine mit entsprechenden Leitungsstrukturen (nicht dargestellt) zur elektrischen Versorgung bzw. Ansteuerung der LEDs, montiert sind.
Die Mischlicht-LEDs weisen jeweils einen LED-Chip 4 auf, der von einem Konversionselement 5 zur Umwandlung der von dem LED-Chip emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umgeben ist. Beispielsweise kann als Konversionselement eine den LED-Chip umhüllende Vergußmasse dienen, in die ein geeigneter Leuchtstoff eingebracht ist. Der Leuchtstoff wird durch das von dem LED-Chip emittierte Licht angeregt und emittiert bei der Rückkehr vom angeregten Zustand in einen energetisch tieferliegenden Zustand Licht mit einer anderen Wellenlänge als der LED-Chip.
Bei den Zusatz-LEDs 2 sind jeweils drei LED-Chips 6, 7 und 8 in ein gemeinsames Gehäuse 9 montiert. Die LED-Chips 6, 7 und 8 weisen unterschiedliche Emissionswellenlängen auf. Mittels dieser Zusatz-LEDs werden dem Gesamtspektrum diejenigen Spektralanteile hinzugefügt, die in dem Emissionsspektrum der Mischlicht-LEDs fehlen oder nicht in ausreichender Stärke vorhanden sind.
Vorzugsweise ist das LED-Modul als Weißlicht-LED-Modul ausgeführt. Als Mischlicht-LEDs 1 werden hierbei Weißlicht-LEDs verwendet, beispielsweise LEDs vom Typ LW T673 (Hersteller Osram Opto Semiconductors GmbH). Diese LEDs beinhalten einen blau emittierenden Halbleiterchip 4 auf InGaN-Basis, der mit einem einen Leuchtstoff enthaltenden Verguß 5 abgedeckt ist. Der Leuchtstoff emittiert bei Anregung mit dem blauen Licht des Halbleiterchips gelboranges Licht, so daß sich insgesamt weißes Licht ergibt.
Als Zusatz-LEDs 2 eignen sich für ein Weißlicht-LED-Modul beispielsweise LEDs vom Typ LATB G66B (Hersteller Osram Opto Semiconductors GmbH). Diese LEDs enthalten je einen im orangen Spektralbereich emittierenden LED-Chip mit einer Emissionswellenlänge bei 617 nm, einen im grünen Spektralbereich emittierende LED-Chip mit einer Emissionswellenlänge bei 528 nm und einen im blauen Spektralbereich emittierenden LED-Chip mit einer Emissionswellenlänge bei 429 nm. Durch diese drei Farben wird ein großer Teil des Farbraums abgedeckt, so daß mittels einer geeigneten separaten Ansteuerung bzw. Dimmung der einzelnen LED-Chips der Farbort des von dem LED-Modul emittierten Lichts genau eingestellt werden kann. Vorteilhafterweise muß dieser Farbort noch nicht bei der Montage der LEDs festgelegt sein, sondern kann auch noch im Betrieb variiert werden.
Von besonderem Vorteil ist es, daß mittels der genannten LED-Chips die im Spektrum der Weißlicht-LEDs im Vergleich zu einem Planck'schen Strahler fehlenden Spektralanteile weitestgehend ergänzt werden können, so daß das Gesamtspektrum einem Planck'schen Strahler sehr nahe kommt. Mit einer geeigneten Ansteuerung kann dabei auch die Farbtemperatur des von dem LED-Modul erzeugten Lichts in weiten Grenzen variiert werden.
Vorteilhafterweise wird mit der Erfindung ein hoher Farbwiedergabeindex erzielt. So sind beispielsweise Farbwiedergabeindices größer oder gleich 90 mit einem erfindungsgemäßen LED-Modul realisierbar, das damit die höchste Farbwiedergabeklasse erreicht.
Der Farbwiedergabeindex einer Lichtquelle gibt an, wie stark die Farben eines bestimmten Objekts bei Beleuchtung mit der Lichtquelle verfälscht werden. Dazu wird das Spektrum des von dem Objekt reflektierten Lichts mit dem Spektrum des reflektierten Licht bei Beleuchtung mit einer Referenzlichtquelle quantitativ verglichen und die Abweichung mit dem Farbwiedergabeindex, also einem Zahlenwert, der (bei Übereinstimmung der Spektren) maximal 100 beträgt, erfaßt. Der Farbwiedergabeindex ist in DIN 6169 genormt.
Während LED-Module, die nur Weißlicht-LEDs enthalten, aufgrund fehlender Spektralanteile in der Regel einen deutlich geringeren Farbwiedergabeindex aufweisen, kann mit der Erfindung ein vorteilhaft hoher Farbwiedergabeindex in dem genannten Bereich erzielt werden. Zusätzlich kann mittels einer separaten Ansteuerung der LED-Chips der Zusatz-LEDs der Farbwiedergabeindex im Betrieb auf einen vorgegebenen Wert eingestellt bzw. auf einen möglichst hohen Wert optimiert werden.
Bei einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels weisen die Zusatz-LEDs statt der im blauen Spektralbereich emittierenden LED-Chips andere, beispielsweise in einem weiteren grünen oder grün-blauen Spektralbereich, etwa bei 505 nm emittierende LED-Chips auf. Mit dieser Abwandlung kann gegebenenfalls eine genauere Anpassung des Gesamtspektrums an ein vorgegebenes Spektrum wie das eines Planck'schen Strahlers mit einer vorgegebenen Farbtemperatur erreicht werden, da die Zusatz-LEDs einen weiteren anpaßbaren Spektralanteil zur Verfügung stellen. Der dabei ersetzte Blauanteil im Spektrum der Zusatz-LEDs wird ohnehin bereits von dem LED-Chip der Weißlicht-LEDs in ausreichender Menge generiert. Allerdings stellen derartige Zusatz-LEDs gegenüber den bereits beschriebenen Zusatz-LEDs in der Regel Spezialanfertigungen mit eingeschränktem Einsatzgebiet und höheren Fertigungskosten dar.
Es sei angemerkt, daß unter Weißlicht im Rahmen der Erfindung neben rein weißem Licht mit einem Farbort x = y = 1/3 auch weißliches Licht, beispielsweise mit einem Farbstich, zu verstehen ist. Im Zweifel können der Weißlicht-Bereich gemäß der Definition in DIN 6163 Teil 5 (Signalgeber Straße) oder die in 3 bzw. 4 gezeigten Bereiche herangezogen werden.
In 3 ist der Weißlicht-Bereich 10 nach der Definition der CIE im CIE 1931 Chromaticity Diagram wiedergegeben. 4 zeigt einen Ausschnitt des CIE 1931 Chromaticity Diagrams mit einem modifizierten Weißlicht-Bereich 11, der an die Besonderheiten von LED-Beleuchtungsmodulen angepaßt ist. Zum Vergleich sind der Farbort 12 eines Planck'schen Strahlers für verschiedene Farbtemperaturen sowie Streckenabschnitte 13 der zugehörigen Judd'schen Geraden angegeben.
Licht, dessen Farbkoordinaten x und y zumindest in einem der genannten Weißlicht-Bereiche liegt, ist im Rahmen der Erfindung als Weißlicht anzusehen.
Die Erläuterung der Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels ist nicht als Beschränkung der Erfindung hierauf zu verstehen. Vielmehr umfaßt die Erfindung sämtliche Kombinationen einzelner Merkmale des Ausführungsbeispiels, auch wenn diese nicht explizit beansprucht sind.

Claims

LED-Modul mit einer Mehrzahl von LEDs, umfassend Mischlicht-LEDs (1) und Zusatz-LEDs (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatz-LEDs (2) jeweils eine Mehrzahl von LED-Chips (6, 7, 8) mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen aufweisen, die jeweils in einem gemeinsamen Gehäuse (9) angeordnet sind.
LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischlicht-LEDs (1) einen LED-Chip (4) und ein Konversionselement (5) aufweisen, das die von dem LED-Chip (4) emittierte Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umwandelt.
LED-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Konversionselement (5) den LED-Chip umhüllt.
LED-Modul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Konversionselement (5) mindestens einen Leuchtstoff enthält, der in einer Vergußmasse verteilt ist.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Chips (6, 7, 8) der Zusatz-LEDs (2) separat ansteuerbar sind.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Mischlicht-LEDs (1) Weißlicht-LEDs sind.
LED-Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das LED-Modul Licht einer vorgegebenen Farbtemperatur emittiert und die Farbtemperatur mittels einer Ansteuervorrichtung der Zusatz-LEDs (2) einstellbar ist.
LED-Modul nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das LED-Modul Licht eines vorgegebenen Farbwiedergabewerts emittiert und die Farbtemperatur mittels einer Ansteuervorrichtung der Zusatz-LEDs (2) einstellbar ist.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein LED-Chip der Zusatz-LEDs (2) im roten Spektralbereich emittiert.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein LED-Chip (6) der Zusatz-LEDs (2) im orangen oder gelben Spektralbereich emittiert.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein LED-Chip (7) der Zusatz-LEDs (2) im grünen oder blau-grünen Spektralbereich emittiert.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein LED-Chip (8) der Zusatz-LEDs (2) im blauen Spektralbereich emittiert.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das LED-Modul Licht mit einem vorgegebenen Spektrum emittiert, wobei die Zusatz-LEDs (2) die im Spektrum der Mischlicht-LEDs (1) fehlenden Spektralanteile ergänzen.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Spektrum dem Spektrum eines Planck'schen Strahlers bei einer vorgegebenen Temperatur entspricht.