Led陣列系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及結(jié)合在玻璃狀(glass-like)材料中的發(fā)光二極管(LED)封裝。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前，包括結(jié)合在玻璃中的發(fā)光二極管(LED)封裝的發(fā)光元件被制造用于建筑目 的。在這些元件中，二維LED陣列夾在兩塊玻璃板之間，這兩塊玻璃板通過聚合物形成疊層， 所述聚合物通常是PVB(聚乙烯醇縮丁醛）。這些LED封裝固定在一塊玻璃板上，在該玻璃板 上存在導(dǎo)體圖案以便為這些LED封裝提供電流。上面的構(gòu)造是有益的，因?yàn)樗x予了構(gòu)造的 耐久性，從而擴(kuò)大了使用領(lǐng)域。
[0003] 對(duì)于完全浸入玻璃狀介質(zhì)中的LED來說，存在的問題是在玻璃表面與周圍空氣之 間的界面處發(fā)生全內(nèi)反射(TIR)。結(jié)果是角度大于臨界角的光在玻璃/空氣的界面處全反 射，導(dǎo)致光效率大約為41 %。全反射的光在玻璃/PVB/玻璃系統(tǒng)中（多次內(nèi)反射之后)被吸 收。另一個(gè)問題是LED封裝的視亮度高（l-10MCd/m 2)，這導(dǎo)致例如結(jié)合了LED封裝的玻璃壁 因多個(gè)眩目光源而使視覺舒適度低。而且，市場(chǎng)上可買到的頂部發(fā)射LED封裝通常都相當(dāng)厚 (>0.8mm)，因此需要PVB層也很厚。這導(dǎo)致成本增加并且由于PVB的光學(xué)性質(zhì)而使玻璃結(jié)構(gòu) 帶褐色。在大的玻璃疊層中存在孤立的LED封裝的情況下，所有全反射的光最終都被吸收。 此外，在相對(duì)較高的LED封裝密度(例如>0.5cnf 2)下，全反射的光可能在鄰近的封裝處散射， 導(dǎo)致不可預(yù)料的光的向外耦合。
[0004] 本發(fā)明的目的在于減輕上面的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于通過提供依照權(quán)利要求1的LED陣列系統(tǒng)來減輕上面的問題。
[0006] 該LED陣列系統(tǒng)的特征在于，至少一個(gè)LED封裝包括側(cè)面發(fā)射LED封裝，用以發(fā)射基 本上平行于基底表面的光，并且該系統(tǒng)包括至少一個(gè)外耦合結(jié)構(gòu)，其將發(fā)射的光反射/散射 到支撐層之外。
[0007] 本發(fā)明的LED陣列系統(tǒng)將光有效地耦合到外面，因此與常規(guī)的系統(tǒng)相比提高了光 效率。利用有效地形成虛光源的外耦合結(jié)構(gòu)是通過促進(jìn)(源于幾個(gè)具有高視亮度的LED封裝 的）光分配到大的虛光源陣列上從而降低令人討厭的高視亮度的一種便利方法。由于側(cè)面 發(fā)射LED封裝比頂部發(fā)射LED封裝薄，因此利用側(cè)面發(fā)射LED封裝減少了在支撐層中所需的 材料的量。這降低了成本而且改善了 LED陣列系統(tǒng)的視覺外觀。并且，利用外耦合結(jié)構(gòu)提供 了很容易適用于特定應(yīng)用的一種通用且靈活的系統(tǒng)。
[0008] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，頂層可以設(shè)置成將所述支撐層夾在該頂層和基底之間。 頂層可用作防止損壞的保護(hù)，以便提高所述LED陣列系統(tǒng)的壽命。得到的透明照明器在視覺 上是有吸引力的，并且本發(fā)明的系統(tǒng)使得有可能將發(fā)光元件集成在透明表面中。
[0009] 基底和頂層可以由玻璃制成，支撐層可以由PVB或樹脂制成。玻璃以及PVB或樹脂 的組合在疊層玻璃的領(lǐng)域中是眾所周知的。
[0010] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，外耦合結(jié)構(gòu)可以設(shè)置在頂層的表面上，面向支撐層。這種 布置使得有可能實(shí)現(xiàn)LED陣列系統(tǒng)的高效率生產(chǎn)。外耦合結(jié)構(gòu)也可以設(shè)置在基底的表面上 并面向支撐層。外耦合結(jié)構(gòu)在該表面上的布置具有加工/生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橛赏怦詈辖Y(jié)構(gòu)的布 置所引起的潛在污染將不會(huì)影響LED的粘合(bond )。
[0011] 外耦合結(jié)構(gòu)可以是絲網(wǎng)印刷的，利用絲網(wǎng)印刷的結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)速度和生產(chǎn)成本方面 是有利的。
[0012] 對(duì)于外耦合結(jié)構(gòu)來說有幾種可替換的方案，包括但不限于由下列物質(zhì)組成的組： 發(fā)光墨水;包含發(fā)光小片（luminescent dies)的聚合物粒子;干涉顏料，如涂敷Ti〇2的云母 薄片；高折射率(high index)氧化物，如Zr02;有色顏料，如Fe2〇3;光致變色材料;具有密閉 孔隙率的粒子，如中空球體，或者任何類似的材料或其組合。由于可以使用能夠以適當(dāng)方式 使光擴(kuò)散、反射、折射和/或吸收以及重發(fā)射的材料，因此對(duì)于外耦合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造存在眾多 的可替換方案。外耦合結(jié)構(gòu)的分布例如可以設(shè)置成在表面上產(chǎn)生均勻的光分布。可替換地， 這些外耦合結(jié)構(gòu)可以被設(shè)置成形成圖案，如標(biāo)志、某個(gè)形狀等等。
[0013] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，在LED封裝的發(fā)光面和支撐層之間形成小的空氣隙。由于 LED封裝的發(fā)光面和玻璃/PVB環(huán)境之間的空氣隙的原因，所有的光都因 TIR而被俘獲在玻 璃/PVB/玻璃疊層中，這意味著能夠較高程度地控制光的向外耦合?？諝庀犊梢酝ㄟ^在LED 封裝上提供透明蓋而形成。所述蓋還可以由PMMA、玻璃或陶瓷材料形成。
[0014] 可以將該LED陣列系統(tǒng)結(jié)合到照明系統(tǒng)中。
[0015] -種用于生產(chǎn)根據(jù)在前描述的LED陣列系統(tǒng)的方法包括以下步驟： -將LED封裝設(shè)置在基底上，該LED封裝包括側(cè)面發(fā)射LED封裝，該基底裝備有用于向該 LED封裝提供驅(qū)動(dòng)電壓的裝置， -將外耦合結(jié)構(gòu)設(shè)置在該系統(tǒng)中， -將聚合物的支撐層施加于該LED封裝上， -加熱該疊層同時(shí)施加壓力并因此將該LED封裝浸入聚合物介質(zhì)中。
[0016]該方法還可以包括設(shè)置透明蓋以便在LED封裝的發(fā)光面和支撐層之間形成空氣隙 的步驟，和/或?qū)㈨攲釉O(shè)置成使該支撐層夾在頂層和基底之間的步驟。
【附圖說明】
[0017] 圖1是利用頂部發(fā)射LED封裝的已知照明系統(tǒng)的示意性截面視圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的示意性截面視圖。
[0019] 圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例的示意性截面視圖。
[0020] 圖4是顯示由結(jié)合到圖2和圖3的實(shí)施例中的側(cè)面發(fā)射LED封裝所發(fā)射的光的典型 分布的圖示。
[0021] 圖5是本發(fā)明第三實(shí)施例的示意性截面視圖。
[0022] 圖6是本發(fā)明的系統(tǒng)應(yīng)用于擱板的示意性截面視圖。
[0023] 圖7是本發(fā)明的系統(tǒng)應(yīng)用于隔墻/裝飾墻的示意性截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 圖1示意性地說明了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)2的一部分，其中朗伯（Lambertian)頂部發(fā)射 LED封裝4設(shè)置在玻璃板基底6上。透明導(dǎo)體8向頂部發(fā)射LED封裝4提供電流，其位于基底6 上。頂部發(fā)射LED封裝4夾在基底6和頂部玻璃板10之間，并且浸入聚合物12中，該聚合物12 一般是聚乙烯醇縮丁醛(PVB)，其也提供將玻璃板6、10固定在一起的粘著力。PVB的折射率 與玻璃的折射率相似，在下面將要描述的計(jì)算中，將PVB的折射率設(shè)定為1.50。夾層系統(tǒng)的 近似高度Η-般是大約7-8mm。該系統(tǒng)一般被空氣14圍繞。箭頭A表示離開LED 4的光，箭頭A' 表示經(jīng)歷全內(nèi)反射的光。
[0025] 現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)2的光效率η低，光效率即尚開頂部玻璃表面10的光的量除以從頂部 發(fā)射LED封裝4發(fā)射的光的總量。利用方程式1能夠相當(dāng)容易地計(jì)算出當(dāng)LED封裝浸入聚合 物/玻璃疊層中時(shí)的預(yù)期的低的光效率。
α。臨界角 Ιο垂直于LED封裝的發(fā)光面而發(fā)射的光的強(qiáng)度(cd) n 折射率(ngiass ? npvB=l .50)。
[0026] 對(duì)于n~1.50的折射率來說，在關(guān)于朗伯發(fā)射LED的系統(tǒng)中會(huì)吸收大約60 %的光。 僅僅在所謂的逸出錐(escape cone)(α〈α。）內(nèi)的光對(duì)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)2的發(fā)射通量做出貢獻(xiàn)。 大多數(shù)LED封裝產(chǎn)生寬(幾乎是朗伯)光束，并且在結(jié)合到高折射率介質(zhì)中時(shí)損耗大。
[0027] 在上面的情況中，發(fā)射通量在2π的空間角內(nèi)發(fā)射。但是，對(duì)于照明的目的，眩光是 不能接受的。關(guān)于這一點(diǎn)，眩光對(duì)應(yīng)于發(fā)射到優(yōu)選的輻射錐之外的光，輻射錐由圖中的2Φ來 定義。一般準(zhǔn)則(guide)是對(duì)于>60度的角Φ來說保持照明系統(tǒng)的亮度（luminance)低于500-lOOOcd/m 2。對(duì)于從5mm2的表面生成10流明的通常的LED封裝來說，整個(gè)半球上的亮度是~ lMcd/m2，如利用方程式2計(jì)算出來的。 .Φ φ發(fā)射通量(流明） S發(fā)射表面(m2) L 亮度(cd/m2)。
[0028] 出于解釋的目的，如這里所用的側(cè)面發(fā)射LED封裝104;204的定義是該側(cè)面發(fā)射 LED封裝的發(fā)光面150; 250基本上并且充分地垂直于LED陣列系統(tǒng)的出射面160; 260(圖2和 圖3)。
[0029]圖4中說明了在下文中將要描述的結(jié)合到圖2和圖3所示LED陣列系統(tǒng)中的側(cè)面發(fā) 射LED封裝104; 204所發(fā)射的光的典型角分布，其中零方向?qū)?yīng)于與側(cè)面發(fā)射LED封裝104; 204的發(fā)光面150; 250平行并且與系統(tǒng)的出射面160; 260垂直的方向，如圖2中所示的觀看者 所觀看的方向。在圖4中，僅僅表示出朝圖2中的觀看者那一側(cè)發(fā)射的光。AD所指明的區(qū)域?qū)?應(yīng)于直接從側(cè)面發(fā)射LED封裝104;204射出系統(tǒng)的光的量，AT所指明的區(qū)域表示從外耦合結(jié) 構(gòu)116; 216發(fā)射的光的總量。顯然，直射光AD僅構(gòu)成總量AT的一小部分，一般不足以引起眩 光。要注意，即使視亮度仍然高，所有的光也分布在觀看者的視平線(h 〇riz〇n)(對(duì)應(yīng)于0°) 以下。
[0030] 圖2和圖3分別示出了本發(fā)明系統(tǒng)的第一和第二實(shí)施例的示意圖。這兩個(gè)