Led阵列系统的制作方法

专利名称：Led阵列系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及结合在玻璃状(glass-like )材料中的发光二极管(LED ) 封装。
背景技术：
当前，包括结合在玻璃中的发光二极管(LED)封装的发光元件 被制造用于建筑目的。在这些元件中，二维LED阵列夹在两块玻璃板 之间，这两块玻璃板通过聚合物形成叠层，所述聚合物通常是PVB(聚 乙烯醇缩丁醛)。这些LED封装固定在一块玻璃板上，在该玻璃板上 存在导体图案以便为这些LED封装提供电流。上面的构造是有益的， 因为它赋予了构造的耐久性，从而扩大了使用领域。
对于完全浸入玻璃状介质中的LED来说，存在的问题是在玻璃表 面与周围空气之间的界面处发生全内反射(TIR)。结果是角度大于临 界角的光在玻璃/空气的界面处全反射，导致光效率大约为41%。全反 射的光在玻璃/PVB/玻璃系统中(多次内反射之后)被吸收。另一个问 题是LED封装的视亮度高(l-10MCd/m2)，这导致例如结合了 LED 封装的玻璃壁因多个眩目光源而使视觉舒适度低。而且，市场上可买 到的顶部发射LED封装通常都相当厚(>0.8mm)，因此需要PVB层 也很厚。这导致成本增加并且由于PVB的光学性质而使玻璃结构带褐 色。在大的玻璃叠层中存在孤立的LED封装的情况下，所有全反射的 光最终都被吸收。此外，在相对较高的LED封装密度(例如X).5cnT2) 下，全反射的光可能在邻近的封装处散射，导致不可预料的光的向外 耦合。
本发明的目的在于减轻上面的现有技术系统中的缺陷。

发明内容
本发明的目的在于通过提供依照权利要求1的LED阵列系统来减 轻上面的问题。
该LED阵列系统的特征在于，至少一个LED封装包括侧面发射LED封装，用以发射基本上平行于基底表面的光，并且该系统包括至 少一个外耦合结构，其将发射的光反射/散射到支撑层之外。
本发明的LED阵列系统将光有效地耦合到外面，因此与常规的系 统相比提高了光效率。利用有效地形成虚光源的外耦合结构是通过促 进(源于几个具有高视亮度的LED封装的)光分配到大的虚光源阵列 上从而降低令人讨厌的高视亮度的一种便利方法。由于侧面发射LED 封装比顶部发射LED封装薄，因此利用侧面发射LED封装减少了在 支撑层中所需的材料的量。这降低了成本而且改善了 LED阵列系统的 视觉外观。并且，利用外耦合结构提供了很容易适用于特定应用的一 种通用且灵活的系统。
在一个或多个实施例中，顶层可以设置成将所述支撑层夹在该顶 层和基底之间。顶层可用作防止损坏的保护，以便提高所述LED阵列 系统的寿命。得到的透明照明器在视觉上是有吸引力的，并且本发明 的系统使得有可能将发光元件集成在透明表面中。
基底和顶层可以由玻璃制成，支撑层可以由PVB或树脂制成。玻 璃以及PVB或树脂的组合在叠层玻璃的领域中是众所周知的。
在一个或多个实施例中，外耦合结构可以设置在顶层的表面上， 面向支撑层。这种布置使得有可能实现LED阵列系统的高效率生产。 外耦合结构也可以设置在基底的表面上并面向支撑层。外耦合结构在 该表面上的布置具有加工/生产优点，因为由外耦合结构的布置所引起 的潜在污染将不会影响LED的粘合(bond)。
外耦合结构可以是丝网印刷的，利用丝网印刷的结构在生产速度 和生产成本方面是有利的。
对于外耦合结构来说有几种可替换的方案，包括但不限于由下列 物质组成的組发光墨水；包含发光小片(luminescent dies)的聚合 物粒子；干涉颜料，如涂敷Ti02的云母薄片；高折射率(high index) 氧化物，如Zr02;有色颜料，如Fe203;光致变色材料；具有密闭孔 隙率的粒子，如中空球体，或者任何类似的材料或其组合。由于可以 使用能够以适当方式使光扩散、反射、折射和/或吸收以及重发射的材 料，因此对于外耦合结构的构造存在众多的可替换方案。外耦合结构 的分布例如可以设置成在表面上产生均匀的光分布。可替换地，这些 外耦合结构可以被设置成形成图案，如标志、某个形状等等。
5在一个或多个实施例中，在LED封装的发光面和支撑层之间形成 小的空气隙。由于LED封装的发光面和玻璃/PVB环境之间的空气隙 的原因，所有的光都因TIR而被俘获在玻璃/PVB/玻璃叠层中，这意味 着能够较高程度地控制光的向外耦合。空气隙可以通过在LED封装上 提供透明盖而形成。所述盖还可以由PMMA、玻璃或陶瓷材料形成。
可以将该LED阵列系统结合到照明系统中。
一种用于生产根据在前描述的LED阵列系统的方法包括以下步避.
-将LED封装设置在基底上，该LED封装包括侧面发射LED封 装，该基底装备有用于向该LED封装提供驱动电压的装置， -将外耦合结构设置在该系统中， -将聚合物的支撑层施加于该LED封装上，
-加热该叠层同时施加压力并因此将该LED封装浸入聚合物介质中。
该方法还可以包括设置透明盖以便在LED封装的发光面和支撑层 之间形成空气隙的步骤，和/或将顶层设置成使该支撑层夹在顶层和基 底之间的步骤。


图1是利用顶部发射LED封装的已知照明系统的示意性截面视图。
图2是本发明第一实施例的示意性截面视图。 图3是本发明第二实施例的示意性截面视图。
图4是显示由结合到图2和图3的实施例中的侧面发射LED封装 所发射的光的典型分布的图示。
图5是本发明第三实施例的示意性截面视图。
图6是本发明的系统应用于搁板的示意性截面视图。
图7是本发明的系统应用于隔墙/装饰墙的示意性截面视图。
具体实施例方式
图1示意性地说明了现有技术系统2的一部分，其中朗伯 (Lambertian )顶部发射LED封装4设置在玻璃板基底6上。透明导体8向顶部发射LED封装4提供电流，其位于基底6上。顶部发射LED 封装4夹在基底6和顶部玻璃板10之间，并且浸入聚合物12中，该聚 合物12—般是聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，其也提供将玻璃板6、 10固 定在一起的粘着力。PVB的折射率与玻璃的折射率相似，在下面将要 描述的计算中，将PVB的折射率设定为1.50。夹层系统的近似高度H 一般是大约7-8mm。该系统一般被空气14围绕。箭头A表示离开LED 4的光，箭头A'表示经历全内反射的光。
现有技术系统2的光效率ti低，光效率即离开顶部玻璃表面10的 光的量除以从顶部发射LED封装4发射的光的总量。利用方程式1能 够相当容易地计算出当LED封装浸入聚合物/玻璃叠层中时的预期的 低的光效率。
<formula>formula see original document page 7</formula>
临界角
Io 垂直于LED封装的发光面而发射的光的强度(cd)
n 折射率(iiglass-nPVB=1.50 )
对于n~ 1.50的折射率来说，在关于朗伯发射LED的系统中会吸 收大约60%的光。仅仅在所谓的逸出锥(escape cone) ( a<ac)内的 光对现有技术系统2的发射通量做出贡献。大多数LED封装产生宽(几 乎是朗伯)光束，并且在结合到高折射率介质中时损耗大。
在上面的情况中，发射通量在27t的空间角内发射。但是，对于照
明的目的，眩光是不能接受的。关于这一点，眩光对应于发射到优选 的辐射锥之外的光，辐射锥由图中的2vj/来定义。 一般准则(guide )是 对于>60度的角\|/来说保持照明系统的亮度(luminance)低于 500-1000cd/m、对于从5mm2的表面生成10流明的通常的LED封装来 说，整个半球上的亮度是 lMcd/m2，如利用方程式2计算出来的。0) 发射通量(流明)
S 发射表面(m2)
L 亮度(cd/m2)
出于解释的目的，如这里所用的侧面发射LED封装104; 204的 定义是该侧面发射LED封装的发光面150; 250基本上并且充分地垂 直于LED阵列系统的出射面160; 260 (图2和图3)。
图4中说明了在下文中将要描述的结合到图2和图3所示LED阵 列系统中的侧面发射LED封装104; 204所发射的光的典型角分布， 其中零方向对应于与侧面发射LED封装104; 204的发光面150; 250 平行并且与系统的出射面160; 260垂直的方向，如图2中所示的Xli看 者所观看的方向。在图4中，仅仅表示出朝图2中的观看者那一侧发 射的光。AD所指明的区域对应于直接从侧面发射LED封装104; 204 射出系统的光的量，AT所指明的区域表示从外耦合结构116; 216发 射的光的总量。显然，直射光AD仅构成总量AT的一小部分， 一般不 足以引起眩光。要注意，即使视亮度仍然高，所有的光也分布在观看 者的视平线(horizon)(对应于0。)以下。
图2和图3分别示出了本发明系统的第一和第二实施例的示意图。 这两个系统都包括两个玻璃层，即基底层106; 206和顶层110; 210, 将聚乙烯醇缩丁醛的中间支撑层112; 212夹在中间。侧面发射LED 封装104; 204设置在基底层106; 206上，并借助于透明导体向每个 LED封装供电，所述透明导体由例如氧化铟锡(ITO)或掺F的Sn02 制成。可替换地，在某些应用中可以使用薄的不透明导体，如Cu导体。 图2和图3中未示出导体设置(setup)。箭头114; 214指明10的方向， 即垂直于侧面发射LED封装104; 204的发光面(光生成侧)150; 250 而发射的光的方向。虽然大多数侧面发射LED封装104; 204发射具 有朗伯分布的光(如图2和图3中虚线箭头所指明的)，但是对于侧 面发射LED封装来说，发射的光的主方向(由Io和箭头114; 214所 指明的)平行于基底层106; 206。
丝网印刷的外耦合结构116; 216设置在玻璃层中任何一个的内表 面(即面向支撑层)上，所述丝网印刷的外耦合结构由诸如YAG:Ce
8的发光材料、诸如Ti02的白色颜料、类似材料或其组合而制成。通过 利用光线跟踪技术已经证实，总的发射的光的85%由全内反射(TIR) 引导通过该玻璃/PVB结构。在没有外耦合结构116; 216的情况下， 所述光最终将会转变成热(被吸收)，因此实际上是无用的。在根据 本发明构思的系统中，由侧面发射LED封装104; 204发射并因TIR 而俘获的光最终将会遇到外耦合结构116; 216并从系统射出。特别要 注意，来自单个LED封装的总的发射的光将会分布在几个外耦合结构 上，并具有前面描述的相关优点。
应当指出的是，侧面发射LED封装104; 204与外耦合结构116; 216的位置不必是相互关联的。侧面发射LED封装104; 204将提供光， 外耦合结构116、 216的形状、尺寸、形式和分布将确定系统的视觉外 观。
图5说明了本发明的第三实施例。在该实施例中，已经将盖318 设置在每个侧面发射LED封装304上，以便在LED封装304的发光面 350和支撑层312之间形成薄的空气隙320。这一构造导致所有光都因 TIR而被俘获在玻璃/PVB/玻璃叠层中，这意味着能够较高程度地控制 光的向外耦合。盖318能够以几种不同的方式和通过各种透明材料而 构成，所述透明材料如PMMA、玻璃或陶瓷。空气隙320—般非常薄， 大约为10-100fim。
图6示出已经使用了本发明系统的搁板系统的略图。由于侧面发 射LED封装404的发光面450面向墙420,因此不存在直射光到达观 众的风险，即消除了眩光。
图7示出已经使用了本发明系统的装饰墙。依照图7的系统将向 两侧发射光。
上面的应用说明了利用本发明来形成虚光源，为此外耦合结构的 总面积比原来的LED封装的面积大得多(大几个数量级)。按照这种 方式，显著地降低了系统的视亮度(参见方程式2)。
本发明的系统是非常通用的，下面是几个另外的例子。例如在一 个或两个玻璃层(106， 110; 206， 210; 306， 310)上的丝网印刷的白 点图案对于光的向外耦合是有效的。但是，也可以设想其他光学结构 (例如折射元件)。通过适当地选择LED阵列的配置(六边形、正方 形等)以及光学结构的点尺寸和密度能够设计出均匀的发光墙。侧面
9发射LED封装104; 204; 304; 404可以是白色(磷光体转换的)或带 颜色的(RGBA)或各种LED颜色的混合物。点图案可以印刷在整个 玻璃表面上或者只印刷在玻璃层106， 110; 206， 210; 306， 310的一 部分上。LED封装位置和该点图案之间不需要重叠。
当观看者朝系统两侧中的一侧观看时(参见例如图2)，能够计算 出光分布，其由直接来自LED封装104的光和来自外耦合结构116的 (间接)光组成。目前，可以提出许多应用，其中仅仅间接光到达眼 睛。该间接光来自(与LED封装的发射表面相比)大得多的表面，并 具有很容易朝可接受的/需要的水平调整的视亮度。
该系统还可以包括与磷光体图案相结合的蓝色(或近紫外)发光 LED封装以生成白色或带颜色的光。为了调整所述光的CCT (色相关 温度)，可以使用磷光体(例如YAG:Ce)与白色颜料(例如Ti02) 的混合物。外耦合结构116; 216; 316不限于规则的白点图案(或磷 光体图案)。还可以应用白色(或包含磷光体的)条紋，导致二维虚 光源。外耦合结构116、 216、 316 —般朝玻璃层的两个方向发射光， 因此朝系统发射光。为了将光发射限制为仅朝向一侧，外耦合结构116; 216; 316可以由玻璃层106， 110; 206， 210; 306， 310的表面上的金 属图案而制成，其中在上面具有遵循相同图案的白色反射层。
外耦合结构116; 216; 316同样可以设置/分布/分散在支撑层中， 一个例子是小球体，其直径是光波长的10-100倍，并具有与PVB不同 的折射率。这些球体将引起米氏散射并因此将光耦合到系统之外。控 制支撑层内部的散射粒子的乳剂允许实现均匀的或者图案化的照明。
所描述的本发明对于隔墙、装饰墙、搁板是有意义的，而且一般 来说对于照明系统是有意义的。
权利要求
1.一种包括至少一个LED封装(104；204；304；404)的LED阵列系统，该至少一个LED封装设置在基底(106；206；306)上并且浸入支撑层(112；212；312)中，该基底装备有用于向LED封装(104；204；304；404)提供驱动电压的装置，其特征在于，所述至少一个LED封装(104；204；304；404)包括侧面发射LED封装，用以发射基本上平行于基底(106；206；306)的表面的光，并且该系统包括至少一个外耦合结构(116；216；316)，其将该发射的光反射/散射到支撑层(112；212；312)之外。
2. 根据权利要求1所述的LED阵列系统，其中顶层(110; 210; 310)设置成将所述支撑层(112; 212; 312 )夹在顶层(110; 210; 310) 和基底(106; 206; 306)之间。
3. 根据权利要求2所述的LED阵列系统，其中基底(106; 206; 306)和顶层(110， 210; 310)由玻璃(110; 210; 310)制成，并且 支撑层(112; 212; 312)由PVB或树脂制成。
4. 根据前面任一项权利要求所述的LED阵列系统，其中外耦合 结构(116; 216; 316)设置在顶层(110， 210; 310)的表面上，面向 支撑层(112; 212; 312)。
5. 根据前面任一项权利要求所述的LED阵列系统，其中外耦合 结构(116; 216; 316)设置在基底(106; 206; 306)的表面上，面向 支撑层(112; 212; 312)。
6. 根据前面任一项权利要求所述的LED阵列系统，其中外耦合 结构(116; 216; 316)是丝网印刷的。
7. 根据前面任一项权利要求所述的LED阵列系统，其中外耦合 结构(116; 216; 316)从下列物质组成的组中选择发光墨水；包含 发光小片的聚合物粒子；干涉颜料，如涂敷Ti02的云母薄片；高折射 率氧化物，如Zr02;有色颜料，如Fe203;光致变色材料；具有密闭 孔隙率的粒子，如中空球体，或者任何类似的材料或其组合。
8. 根据前面任一项权利要求所述的LED阵列系统，其中LED封 装(104; 204; 304 )的发光面(150; 250; 350)和支撑层(112; 212; 312)设置成由空气隙(320)隔开。
9. 根据权利要求8所述的LED阵列系统，其中LED封装U04;204; 304)之上的透明盖(318)被设置成提供空气隙(320)。
10. 根据权利要求9所述的LED阵列系统，其中透明盖(318) 包括PMMA、玻璃或陶瓷材料。
11. 一种包括根据前面任一项权利要求所述的LED阵列系统的照 明系统。
12. —种用于生产根据权利要求1至10中任一项所述的LED阵列 系统的方法，包括以下步骤-将LED封装(104; 204; 304; 404 )设置在基底(106; 206;306)上，该LED封装包括侧面发射LED封装，该基底装备有用于向该LED封装提供驱动电压的装置，-将外耦合结构(116; 216; 316)设置在该系统中，画将聚合物的支撑层(112; 212; 312)施加于该LED封装上，画加热该叠层同时施加压力并因此将该LED封装浸入该支撑层中。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中顶层(110; 210; 310)设 置成使得支撑层(112， 212， 312)夹在该顶层和基底(106, 206， 306)之间。
14. 根据权利要求12或13所述的方法，其中设置透明盖(318) 以便在LED封装(104; 204; 304)的发光面(150; 250; 350)和支 撑层(112; 212; 312)之间形成空气隙。
全文摘要
一种LED阵列系统包括设置在基底106上的至少一个LED封装104，该基底装备有用于向LED封装104提供驱动电压的装置。LED封装104浸入支撑层112中，该系统的特征在于，所述至少一个LED封装104包括侧面发射LED封装，用以发射基本上平行于基底106的表面的光，并且该系统包括至少一个外耦合结构116，其将该发射的光反射/散射到支撑层112之外。
文档编号G02F1/13GK101681050SQ200880015503
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月5日 优先权日2007年5月10日
发明者A·瓦尔斯特, E·布尼坎普 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司