ИСТОЧНИК БЕЛОГО СВЕТА И СВЕТИЛЬНИК, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ ИСТОЧНИК

ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к области полупроводниковых источников белого света.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны светодиоды, излучающие белый свет, в которых полимерное покрытие, содержащее люминофор, излучающий желтый свет, отделено от полупроводникового чипа, излучающего синий свет, тонкой прозрачной прослойкой, не содержащей люминофор (см., например, статью Jong Kyu Kim, Hong Luo, Eric Fred Schubert, et al. Strongly Enhanced Phosphor Efficiency in GaInN White Light-Emitting Diodes Using Remote Phosphor Configuration and Diffuse Reflector Cup // Jpn. J. Appl. Phys. 2005, 44: L649-51, статью Hao-Chung Kuo, Cheng-Wei Hung, Hsin-Chu Chen, et al. Patterned structure of REMOTE PHOSPHOR for phosphor-converted white LEDs // OPTICS EXPRESS, 2011, 19 (S4): A930-6, а также патент США №8624281, фигура 4). Наличие прослойки позволяет увеличить светимость светодиода за счет изменения хода лучей в устройстве и сгладить негативное влияние высокой температуры на свойства люминофорсодержащего покрытия.
Известен полупроводниковый источник белого света на основе кристалла из нитрида галлия и люминофора, изготовляемый посредством посадки кристалла в корпус и нанесения на его поверхность слоя люминофора, при этом с целью повышения внешней квантовой эффективности источника, на поверхность кристалла предварительно наносят тонкослойное покрытие с показателем преломления 1,9÷2,0 толщиной 50÷60 нм, затем слой полимерного покрытия с показателем преломления 1,3÷1,4 толщиной 18÷200 нм, поверх которого наносят слой люминофора (патент РФ на изобретение №2472252).
Известен светодиод белого свечения, содержащий светоизлучающий элемент синего цвета, покрытый с внешней стороны слоем гель-люминофорной смеси для преобразования части энергии синего излучения в энергию желтого излучения и слоем прозрачного геля, в котором слой прозрачного геля нанесен непосредственно на светоизлучающий элемент, а слой гель-люминофорной смеси нанесен поверх слоя прозрачного геля и выполнен в виде асферической линзы с возможностью получения равномерного белого свечения с одинаковой цветовой температурой независимо от угла наблюдения излучения светодиода (патент РФ на полезную модель №116602).
Известен светодиодный светильник, содержащий корпус в виде короба, на дне которого расположены светодиоды, корпус над диодами перекрыт непрозрачной пластиной, в которой выполнено отверстие, в отверстии установлена пластина с нанесенным на нее люминофором, конгруэнтная отверстию, а сверху непрозрачной пластины расположен рассеиватель, в котором светодиоды установлены в рамке из светоотражающего материала и огорожены внутри корпуса вертикальными стенками (патент РФ на полезную модель №139412).
Общий недостаток вышеописанных устройств состоит в неполном использовании суммарного светового потока чипа, так как в известных устройствах никак не учитывается, что существенная часть суммарного светового потока излучается (либо иным образом проникает в результате отражения / преломления / рассеивания) с обратной стороны чипа в сторону подложки и практически полностью поглощается самой подложкой и/или чипом.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Терминам, выражениям и сокращениям, используемым в настоящем тексте, придают следующее значение:
Чип - полупроводниковый прибор, излучающий свет в синем диапазоне светового спектра. Как правило, состоит из диэлектрической подложки, например, сапфировой подложки, и слоя полупроводникового материала, в частности, на основе нитрида галлия.
Подложка - если из контекста не следует, что речь идет о подложке чипа, под «подложкой» следует понимать деталь, на которой размещены один или несколько чипов. Подложка, как правило, имеет плоскую форму и изготавливается из термостойкого диэлектрического материала.
Проводники - металлические дорожки или подобные им элементы, проводящие электрический ток, сформированные на поверхности подложки, как правило, методом химического травления.
Остальные термины и выражения используют в обычном смысле, известном специалистам в данной области техники.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства, обладающего совокупностью следующих качеств:
- эффективность не ниже, чем у аналогов, имеющих слой люминофора, отделенный от чипа прослойкой прозрачного материала;
- использование светового потока, излучаемого чипом в направлении подложки. Технический результат состоит в следующем:
- повышение эффективности использования светового потока, излучаемого чипом в направлении подложки,
- улучшенный теплоотвод за счет снижения выделяемого тепла на единицу площади,
- за счет удаленного люминофора снизить излучение синего спектра до значений максимально приближенных к лампе накаливания,
2
- отсутствие слепящего эффекта, возможность снижения светового потока менее чем 5 Лм/см.
Вышеуказанная задача решена благодаря тому, что источник (1) белого света, содержит в себе:
подложку (2), выполненную из материала, не проводящего электрический ток, электрические проводники (3), сформированные на поверхности упомянутой подложки,
отражающий слой (4), имеющий коэффициент отражения выше, чем у подложки (2), расположенный на упомянутой подложке (2),
прозрачный преломляющий слой (5), расположенный на упомянутом отражающем слое (4),
полупроводниковый чип (6), выполненный с возможностью излучения света в синей области светового спектра, электрически соединенный с упомянутыми проводниками (3), и расположенный на упомянутом преломляющем слое (5),
слой (7), содержащий люминофор, излучающий в желтой области спектра при возбуждении светом из синей области спектра,
промежуточный прозрачный слой (8), расположенный вокруг упомянутого полупроводникового чипа (6) и преломляющего слоя (5) и между упомянутым полупроводниковым чипом (6) и слоем (7), содержащим люминофор.
Коэффициент отражения отражающего слоя (4) может варьировать в широких пределах. Предпочтительно, когда коэффициент отражения отражающего слоя (4) больше 40%, предпочтительно, больше 50%, еще предпочтительнее, больше 60%, особенно предпочтительно, больше 70%, даже еще предпочтительнее, больше 80%.
Площадь упомянутого отражающего слоя (4) может быть больше площади упомянутого преломляющего слоя (5). Также возможно, когда упомянутый отражающий слой (4), лишь частично покрывает упомянутые электрические проводники (3), или когда отражающий слой (4), полностью покрывает упомянутые электрические проводники (3).
В одной из частных форм выполнения источника, чип (6) электрически соединен с проводниками (3) посредством контактных выводов (9).
В еще одной частной форме выполнения отражающий слой (4), имеет технологические отверстия в месте соединения контактных выводов (9) с электрическими проводниками (3) диаметром 0,1÷0,2 мм и глубиной равной толщине отражающего слоя (4).
Толщина вышеупомянутого промежуточного прозрачного слоя (8) может варьировать в широких пределах. Предпочтительно, когда толщина упомянутого промежуточного прозрачного слоя (8) превышает суммарную толщину отражающего слоя (4), преломляющего слоя (5) и полупроводникового чипа (6), считая от границы прозрачного промежуточного слоя (8) с подложкой до границы прозрачного слоя (8) со слоем (7), содержащим люминофор. Особенно предпочтительно, когда толщина промежуточного прозрачного слоя (8) составляет, по меньшей мере, 4,0 мм, считая от границы с полупроводниковым чипом (6) до границы со слоем (7), содержащим люминофор.
Коэффициент преломления упомянутого промежуточного прозрачного слоя (8) предпочтительно составляет приблизительно 1,25÷1,4.
Промежуточный прозрачный слой (8) в одной из предпочтительных форм выполнения может быть сформирован в виде равномерного покрытия отражающего слоя, при этом упомянутый чип (6) располагается внутри него. Альтернативно, прозрачный слой (8) может быть выполнен в виде сферической или асферической линзы, а упомянутый чип (6) располагается внутри нее.
В одной из частных форм выполнения, коэффициент преломления упомянутого прозрачного преломляющего слоя (5) составляет приблизительно 1,6÷1,8.
В еще одной частной форме выполнения, кромки упомянутого прозрачного преломляющего слоя (5) по существу совпадают с кромками нижнего основания упомянутого чипа (6).
В другой частной форме выполнения, толщина упомянутого прозрачного преломляющего слоя (5), по существу кратна длине волны синего света, излучаемого полупроводниковыми чипами (6).
В одной из частных форм выполнения, толщина упомянутого слоя (7), содержащего люминофор составляет 1,5÷2 мм, считая от границы с прозрачным слоем (8) до границы защитного слоя (11).
В другой частной форме выполнения источник может быть дополнительно снабжен защитным слоем (11). Толщина упомянутого защитного слоя (11) предпочтительно, составляет 0,5÷1 мм.
Упомянутый слой (7), содержащий люминофор, может выполнен в виде равномерного покрытия промежуточного прозрачного слоя, при этом чип (6) располагается внутри него. Альтернативно, упомянутый слой (7), содержащий люминофор, может быть выполнен в виде сферической или асферической линзы, при этом чип (6) располагается внутри него.
В одной из предпочтительных форм выполнения поверхность упомянутого чипа (6) с одной или с обеих его сторон может быть дополнительно снабжена просветляющим покрытием с коэффициентом преломления выше, чем у материалов упомянутого чипа (6).
В одной из особенно предпочтительных форм выполнения упомянутое просветляющее покрытие может иметь коэффициент преломления приблизительно 1,8÷2,0.
2
5
В еще одной предпочтительной форме выполнения упомянутое просветляющее покрытие может представлять собой, слой SiO или TaO, нанесенный ионно-плазменным методом.
В другой предпочтительной форме выполнения упомянутое просветляющее покрытие имеет толщину по существу равную четверти длины волны синего света, излучаемого кристаллом, и составляющую приблизительно 50÷60 нм.
В одной из предпочтительных форм выполнения упомянутая подложка (2), отражающий слой (4), преломляющий слой (5), слой (7), содержащий люминофор, и промежуточный прозрачный слой (8) являются термостойкими.
В другой предпочтительной форме выполнения, упомянутый отражающий слой (4), преломляющий слой (5), слой (7), содержащий люминофор, и промежуточный прозрачный слой (8) выполнены из диэлектрического материала.
Вышеуказанная задача также решена благодаря тому, что светильник, содержит в себе, по меньшей мере, два источника белого света (1) описанных выше, имеющих общую подложку (2), общий слой (7), содержащий люминофор, излучающий в желтой области спектра при возбуждении светом из синей области спектра, и общий промежуточный прозрачный слой (8), расположенный вокруг упомянутого полупроводниковых чипов (6) и преломляющих слоев (5) и между упомянутым полупроводниковым чипом (6) и слоем (7), содержащим люминофор.
В одной из предпочтительных форм выполнения светильник дополнительно снабжен корпусом (10).
В одной из предпочтительных форм выполнения упомянутый корпус (10) выполнен из термостойкого пластифицированного поливинилхлорида.
В еще одной предпочтительной форме выполнения упомянутый корпус (10) с внутренней стороны покрыт светоотражающим слоем.
В другой предпочтительной форме выполнения светильник снабжен наружным защитным слоем (11), выполненным с возможностью защиты упомянутого слоя (7), содержащего люминофор, от действия негативных факторов внешней среды. В еще более предпочтительной форме выполнения, упомянутый защитный слой (11) сформирован из прозрачного гелеобразного компаунда.
В одной из предпочтительных форм выполнения упомянутая подложка (2) закреплена на металлическом слое (12), изготовленном из меди или алюминия.
В еще одной предпочтительной форме выполнения площадь упомянутого металлического слоя (12) равна площади подложки (2).
В другой предпочтительной форме выполнения толщина упомянутого металлического слоя (12) составляет от 3 мм.
Далее вышеупомянутое устройство, охарактеризованное в общих категориях, поясняется на примере одной из конкретных форм выполнения.
Необходимо понимать, что в настоящем тексте источник и светильник охарактеризованы только такими признаками, которые достаточны для решения поставленной задачи, реализации назначения и достижения выбранного технического результата; специального упоминания всех без исключения признаков и утилитарных характеристик источника и светильника не требуется, если специалистам должно быть известно, что изделия того же рода обладают такими признаками и утилитарными характеристиками и без них не реализуется основное назначение; тем более не требуется ограничивать обобщенные признаки какими-либо конкретными вариантами, если таковые должны быть известны специалистам и (или) могут быть подобраны по известным правилам.
Конструкция и использование источника и светильника наглядно иллюстрируется фигурами 1-3 на примере частных и конкретных вариантов воплощения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлен схематичный разрез источника белого света (1).
Позициями 1-12 на чертежах обозначены следующие элементы:
1 - источник света,
2 - подложка,
3 - электрические проводники,
4 - отражающий слой,
5 - прозрачный преломляющий слой,
6 - полупроводниковый чип,
7 - слой, содержащий люминофор,
8 - промежуточный прозрачный слой,
9 - контактные выводы,
10 - корпус,
11 - защитный слой,
11 - металлическое основание.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Предлагаемый источник (1) белого света, содержит:
подложку (2), выполненную из материала, не проводящего электрический ток,
электрические проводники (3), сформированные на поверхности упомянутой подложки,
отражающий слой (4), имеющий коэффициент отражения выше, чем у подложки (2), расположенный на упомянутой подложке (2),
прозрачный преломляющий слой (5), расположенный на упомянутом отражающем слое (4),
полупроводниковый чип (6), выполненный с возможностью излучения света в синей области светового спектра, электрически соединенный с упомянутыми проводниками (3), и расположенный на упомянутом преломляющем слое (5),
слой (7), содержащий люминофор, излучающий в желтой области спектра при возбуждении светом из синей области спектра,
промежуточный прозрачный слой (8), расположенный вокруг упомянутого полупроводникового чипа (6) и преломляющего слоя (5) и между упомянутым полупроводниковым чипом (6) и слоем (7), содержащим люминофор.
Как показано на фигуре 1 светильник, содержит в себе, по меньшей мере, два вышеописанных источника белого света, с общей подложкой (2), общим слоем (7), содержащим люминофор, излучающий в желтой области спектра при возбуждении светом из синей области спектра, и общим промежуточным прозрачным слоем (8), расположенным вокруг упомянутого полупроводниковых чипов (6) и преломляющих слоев (5) и между упомянутым полупроводниковым чипом (6) и слоем (7), содержащим люминофор.
Подложка (2) служит диэлектрической развязкой между алюминиевым основанием и медными печатными проводниками (3). Имеет толщину 50-150 мкм и несет дополнительную функцию отвода тепла от кристаллов на алюминиевое основание.
Электрические медные проводники (3) имеют позолоченное покрытие рабочей поверхности и предназначены для подведения напряжения питания через контактные выводы (9) к чипам. Толщина медных проводников составляет 100-300 мкм. Позолоченное покрытие элементов имеет устойчивость к окислению и обладает хорошей электропроводимостью. Большая поверхность медных проводников несет дополнительную функцию отвода тепла от кристаллов на подложку (2).
Отражающий слой (4) имеет толщину покрытия 90-140 мкм и предназначен для формирования необходимой диаграммы направленности света в сторону рабочей поверхности люминофора (7).
Прозрачный преломляющий слой (5) служит для перенаправления света, излученного нижним основанием чипа, на отражающий слой (4).
Полупроводниковый чип (6) имеет структуру InGaN, характеризующуюся излучением на длине волны 460-470 нм и служит источником синего света.
Слой (7), полученный путем смешивания силикатного геля или эпоксидной смолы с люминофором, служит для преобразования синего спектра, излученного от полупроводникового чипа (6), в белый свет. Площадь слоя, содержащего люминофор (7), превышает площадь полупроводникового чипа в несколько десятков раз.
Промежуточный прозрачный слой (8) служит для равномерного распространения, излученного чипом, синего света на всю площадь слоя содержащего люминофор (7).
Контактные выводы (9) осуществляют передачу электрического потенциала от электрических медных проводников к электродам кристалла (анод, катод).
Корпус (10), изготовленный из белого ПВХ, служит для формирования законченной конструкции источника света (1). Внутренняя поверхность корпуса находится в непосредственном контакте с отражающим слоем (4), промежуточным прозрачным слоем (8) и слоем содержащий люминофор (7). Внутренняя поверхность, как и всего корпуса, гладкая, белая и имеет высокий коэффициент отражения. Выполняет так же дополнительную функцию отражения синего света, в сторону слоя содержащего люминофор.
Защитный слой (11) служит для защиты слоя содержащего люминофор (7) от неблагоприятных воздействий внешней среды. Он выполнен из прозрачного термостойкого гелеобразного материала.
Металлическое основание (12) является радиатором охлаждения при отводе тепла от подложки (2). Основание изготовлено из меди или алюминия.
Устройство работает следующим образом. Полупроводниковые чипы (6) равномерно расположены по всей поверхности подложки (2). Количество светодиодных чипов (6) обуславливается площадью подложки (2), а также конструкцией и мощностью светодиодного модуля (1) в сборе. Между полупроводниковыми чипами (6) и отражающим слоем (4) находится ультратонкий прозрачный преломляющий слой (5), у которого высокий коэффициент преломления света. Площадь прозрачного преломляющего слоя (5) совпадает с площадью нижнего основания полупроводниковых чипов (6). Под отражающим слоем (4) находятся электрические проводники (3), которые предназначены для подведения напряжения питания через контактные выводы (9) к полупроводниковым чипам (6). В месте соединения контактных выводов (9) с электрическими проводниками (3) есть технологические отверстия в отражающем слое (4). Электрические проводники (3) закреплены на диэлектрической подложке (2). Электрические проводники (3) и подложка (2) выполняют дополнительную функцию отвода тепла от полупроводниковых чипов (6). В свою очередь подложка (2) закреплена на металлическом основании (12), которое изготовлено из меди или алюминия. Металлическое основание (12) выполняет функцию отвода тепла от подложки (2). Данная конструкция помещена в корпус (10), который изготовлен из белого, с высоким коэффициентом отражения термостойкого материала. Внутренняя часть корпуса (10) заливается промежуточным прозрачным слоем (8). Поверх промежуточного прозрачного слоя (8) наносится слой, содержащий люминофор (7). Слой люминофора (7) покрыт защитным слоем (11), выполнен из прозрачного термостойкого гелеобразного материала.
При подаче напряжения на модуль, полупроводниковые чипы (6) излучают синий свет. Свет исходит от всей площади поверхности полупроводниковых чипов (6). Излученный синий свет, от верхней поверхности светодиодных чипов (6), проходит сквозь промежуточный прозрачный слой (8) и, попадая на слой содержащий люминофор (7), активирует его свечение, вследствие чего, на выходе получается белый свет. Синий свет от боковой поверхности светодиодных чипов (6) благодаря конструкции и материалу корпуса (10), а так же отражающему слою (4), отражается и устремляется в сторону слоя содержащий люминофор (7). Синий свет, от нижней части полупроводникового чипа, проходит сквозь тонкий прозрачный преломляющий слой (5), затем попадет на отражающий слой (4) и отражается в сторону слоя содержащего люминофор (7).
Данный светодиодный модуль обеспечивает возврат синего излучения, отразившегося от отражающего слоя и слоя содержащего люминофора, обратно на поверхность удаленного люминофора, обеспечивая повторное взаимодействие синего излучения с люминофором и выход белого света в полезную часть модуля. Благодаря схеме фиксации полупроводникового чипа на отражающем покрытии, при помощи преломляющего слоя, происходит эффективное использование всего излученного света полупроводниковым чипом.