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ES2331593T3 - Led sumergidos. - Google Patents

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ES2331593T3
ES2331593T3 ES07735529T ES07735529T ES2331593T3 ES 2331593 T3 ES2331593 T3 ES 2331593T3 ES 07735529 T ES07735529 T ES 07735529T ES 07735529 T ES07735529 T ES 07735529T ES 2331593 T3 ES2331593 T3 ES 2331593T3
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ES
Spain
Prior art keywords
led
reflective
matrix system
package
layer
Prior art date
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Active
Application number
ES07735529T
Other languages
English (en)
Inventor
Erik Boonekamp
Jean P. JACOBS
Maurice A.H. DONNERS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
Application filed by Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Koninklijke Philips Electronics NV
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Abstract

Sistema de matriz de LED (102; 202; 302; 402) que comprende al menos un paquete (100; 200; 300; 400) de LED, comprendiendo dicho al menos un paquete de LED un LED (104; 204; 304, 404) y estando dispuesto en un sustrato (106; 206; 306; 406) dotado de medios (108; 208, 308; 408) para suministrar al paquete de LED una tensión de excitación, en el que dicho al menos un paquete de LED está sumergido en una capa (112; 212; 312; 412) de soporte, caracterizado porque el al menos un paquete de LED comprende un reflector que tiene una superficie (120; 220; 320; 420) reflectante para colimar la luz emitida por el LED (104; 204; 304; 404), en el que una capa (110; 210, 310; 410) superior está dispuesta de modo que encierra dicha capa (112; 212; 312; 412) de soporte entre la capa (110; 210, 310; 410) superior y el sustrato (106; 206; 306; 406).

Description

LED sumergidos.
La presente invención se refiere a diodos emisores de luz (LED) incorporados en material de tipo vidrio, véase por ejemplo el documento WO 2004/068596 o US 2005/0274973.
Los diodos emisores de luz (LED) incorporados en vidrio se fabrican actualmente para elementos emisores de luz arquitectónicos. En estos elementos, matrices de LED bidimensionales están encerradas entre dos placas de vidrio que están laminadas por un polímero, habitualmente PVB (polivinilbutiral). Los LED se fijan en una placa de vidrio en la que está presente un patrón de conductores para proporcionar la corriente para los LED. La construcción anterior es beneficiosa puesto que transmite durabilidad a la construcción, por lo que aumenta el campo de uso.
Un problema presente para LED totalmente sumergidos en un medio de tipo vidrio es que se produce una reflexión interna total (TIR) en la superficie de contacto entre la superficie de vidrio y el aire del entorno. Una consecuencia es que la luz con ángulos superiores al ángulo crítico se refleja totalmente en la superficie de contacto de vidrio/aire. Sin embargo, la luz totalmente reflejada se absorbe en el sistema de vidrio/PVB/vidrio (por múltiples reflexiones internas). En el caso de un LED aislado en una pila de vidrio grande toda la luz totalmente reflejada se absorbe finalmente. Sin embargo, a densidades de LED relativamente altas (por ejemplo > 0,5 cm^{-2}) la luz totalmente reflejada podría dispersarse en paquetes vecinos, dando lugar a un desacoplamiento de luz impredecible.
Cuando el sistema de LED (como se ha descrito anteriormente) se usa para fines de iluminación, el rendimiento es inaceptable porque la eficacia óptica es baja y no se controla el deslumbramiento; es decir no hay forma de detener la salida de luz del sistema de matriz de LED en direcciones no deseadas.
La presente invención pretende eliminar los problemas anteriores proporcionando un sistema de matriz de LED según la reivindicación 1, que comprende al menos un LED en forma de un paquete de LED dispuesto en un sustrato dotado de medios para suministrar al paquete de LED una tensión de excitación, en el que dicho al menos un paquete de LED está sumergido en una capa de soporte. Dicho sistema de matriz de LED está caracterizado porque el paquete de LED también comprende un reflector que tiene una superficie reflectante para colimar la luz emitida por el LED. El uso de un colimador reflectante hace posible aumentar la eficacia óptica reduciendo la reflexión interna total (TIR) que se produce cuando la luz emitida desde el LED sumergido en la capa de soporte, que tiene un índice de refracción mayor que 1, debe pasar la superficie de contacto entre dicha capa y el medio del entorno, generalmente aire. El reflector tam-
bién hace posible reducir el deslumbramiento, es decir, mantener la luz emitida desde el sistema de matriz de LED dentro de un intervalo angular alrededor de una dirección preferida, que es preferible para fines de iluminación dirigida.
El sistema de matriz de LED se dota preferiblemente de una capa superior dispuesta de manera que encierra la capa de soporte entre la capa superior y el sustrato. La capa superior puede servir como protección frente a daños para aumentar la vida útil del sistema de matriz de LED. La luminaria transparente resultante es visualmente atractiva y el dispositivo de la invención hace posible integrar elementos emisores de luz en superficies transparentes.
En una realización preferida, el sustrato y la capa superior están fabricados de vidrio y la capa de soporte está fabricada de polivinilbutiral (PVB) que tiene índices de refracción prácticamente iguales. La combinación de vidrio y PVB se conoce bien para el vidrio laminado.
La superficie reflectante de dicho colimador tiene preferiblemente una sección transversal, ortogonal a una normal de la capa de soporte, que aumenta como una función de la distancia respecto al LED y según una realización, la superficie reflectante comprende un cono truncado que se extiende desde el LED. Un cono truncado no es el colimador ideal pero la simplicidad de su forma hace que sea relativamente sencillo de fabricar, y por tanto, económico.
Para aumentar la eficacia óptica, la superficie reflectante puede comprender un concentrador parabólico compuesto (CPC). Puesto que un CPC puede describirse matemáticamente es posible utilizar técnicas de trazado de rayos para tener en cuenta de manera más precisa rayos oblicuos, etc., y de este modo se optimiza la forma del CPC usando técnicas de trazado de rayos para satisfacer las propiedades deseadas de la luz emitida desde el sistema de matriz de LED.
Una cubierta transparente puede disponerse esencialmente paralela a la capa de soporte, en la parte superior del reflector y el volumen definido por el LED, la superficie reflectante y la cubierta transparente pueden rellenarse con un medio gaseoso. Esta disposición hace que la prefabricación del paquete de LED sea relativamente sencilla y que pueda almacenarse sin riesgo de daños de las superficies reflectantes y similares.
Según una realización, la superficie reflectante comprende preferiblemente un material reflectante metálico y un revestimiento de interferencia. El reflector puede consistir en un metal sólido o algún otro material, tal como una cerámica, que se reviste con un material metálico. Un revestimiento metálico es una manera sencilla de aumentar la reflectancia de una superficie y la superficie reflectante y el revestimiento de interferencia la aumenta adicionalmente. Un reflector que consiste en un material metálico puede ser muy robusto y fácil de manejar, por ejemplo en el caso de aluminio, y en otros casos, tales como cuando se usa plata, es necesario sellar la superficie reflectante usando, por ejemplo, la cubierta transparente mencionada anteriormente.
En una realización, un primer volumen adyacente a y radialmente fuera de la superficie reflectante se rellena con un medio que tiene un índice de reflexión que es menor que el de un segundo volumen radialmente dentro de la superficie reflectante, por lo que la luz irradiada desde el LED experimenta una reflexión total en dicha superficie reflectante. La reflexión total en una superficie de contacto entre medios con diferentes índices de refracción es una manera de conseguir una eficacia óptica máxima para el sistema. Esta disposición tendrá generalmente una relación de aspecto (altura dividida entre anchura con respecto a una dirección normal a la placa de sustrato) que es ligeramente superior que para el caso mencionado previamente en el que la superficie reflectante se dota de un revestimiento. Por tanto, usar la reflexión total en este contexto es adecuado para aplicaciones en las que la eficacia óptica es de vital importancia mientras que puede aceptarse un sistema de matriz de LED ligeramente más grueso. El sistema de matriz de LED resultante en conjunto también será transparente en un mayor grado que si la superficie reflectante comprende un metal. Dependiendo de la aplicación, la característica de mayor grado de transparencia puede proporcionar tanto ventajas técnicas como un valor estético.
La reflexión total puede obtenerse si el primer volumen comprende un gas con un índice de refracción de 1 y el segundo volumen comprende un material transparente con un índice de refracción que sea equivalente al índice de refracción de la capa de soporte, es decir mayor que 1. La última característica reduce el número de superficies de refracción, reduce la complejidad del sistema y también aumenta el aspecto transparente del sistema, aunque obviamente se producirá una reflexión interna total para algunos ángulos de visión.
Usando un sistema de la invención es posible evitar la reflexión interna total y así aumentar la eficacia óptica así como mantener el deslumbramiento a un nivel aceptable, al menos por debajo de 500 cd/m^{2}, fuera de un cono direccional deseado.
En otro aspecto, la producción del sistema de matriz de LED de la invención comprende básicamente las etapas siguientes:
- disponer un paquete de LED en una placa de sustrato dotada de medios para suministrar al paquete de LED una tensión de excitación,
- aplicar una capa de soporte de polímero sobre el paquete de LED,
- calentar la pila mientras se aplica una presión y así se sumerge el colimador por completo en el medio de polímero.
\vskip1.000000\baselineskip
El procedimiento anterior también puede comprender la etapa de rellenar previamente el colimador con un polímero, para mejorar el procesamiento.
La figura 1 es una vista en sección transversal esquemática de un sistema de iluminación conocido.
La figura 2 es una vista en sección transversal esquemática según una primera realización de la presente invención.
La figura 3 es una vista en sección transversal esquemática según una segunda realización de la presente invención.
La figura 4 es una vista en sección transversal esquemática según una tercera realización de la presente invención.
La figura 5 es una vista en sección transversal esquemática según una cuarta realización de la presente invención.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 ilustra esquemáticamente una parte de un sistema 2 en el que LED 4 de Lambert están dispuestos en un sustrato 6 de placa de vidrio. Conductores 8 transparentes, que proporcionan una corriente a los LED 4, están presentes en el sustrato 6. El LED 4 está encerrado entre el sustrato 6 y una placa 10 de vidrio superior y está sumergido en un polímero 12, generalmente polivinilbutiral (PVB), polímero 12 que también proporciona la fuerza adhesiva que mantiene las placas 6, 10 de vidrio juntas. El índice de refracción del PVB es similar al del vidrio y en los cálculos que van a describirse a continuación se ajustará a 1,5. La altura aproximada, H, del sistema encerrado es en general de aproximadamente 7-8 mm. El sistema está rodeado generalmente por aire 14. Las flechas A indican luz que abandona el LED 4 y la flecha A' indica luz que experimenta una reflexión interna total.
La eficacia óptica, \eta, es decir, la cantidad de luz que abandona la superficie 10 de vidrio superior dividida entre la cantidad total de luz emitida desde el LED 4, es baja para el sistema anterior. La eficacia óptica baja esperada cuando los LED están sumergidos en una pila de polímero/vidrio puede calcularse de una manera muy sencilla usando el esquema de ecuaciones 1.
1
\alpha_{c} ángulo crítico
I_{0} intensidad del LED perpendicular al plano de emisión (cd)
n índice de refracción (n_{vidrio}\approxn_{PVB}=1,50)
Para un índice de refracción de n\sim1,50, aproximadamente el 60% de la luz se absorbe dentro del sistema para un LED emisor de Lambert. Sólo la luz dentro del denominado cono de escape (\alpha<\alpha_{c}) contribuye al flujo emitido desde el LED. La mayor parte de los paquetes de LED producen un haz amplio (casi de Lambert) y las pérdidas son considerables cuando se incorporan en medios de índice alto.
En la situación anterior el flujo emitido se emite por un ángulo espacial de 2\pi. Sin embargo, para fines de iluminación, el deslumbramiento es inaceptable. En este contexto el deslumbramiento corresponde a la luz emitida fuera de un cono de radiación preferido, definido por 2\psi en las figuras. Un consejo general es mantener la luminancia del sistema de iluminación por debajo de 500-1000 cd/m^{2} para ángulos \psi>60 grados. Para un LED típico que genera 10 lm desde una superficie de 5 mm^{2}, la luminancia por todo el hemisferio es \sim1 Mcd/m^{2} tal como se calcula usando la ecuación 2.
2
\Phi flujo emitido por LED (lm)
S superficie emisora (m^{2})
L luminancia (cd/m^{2})
La invención proporciona una manera de aumentar la eficacia óptica considerablemente y de solucionar completamente el problema del deslumbramiento. La clave es diseñar un paquete de LED que tenga paredes internas reflectantes especulares con una forma particular y una relación de aspecto baja. Una relación de aspecto baja implica un sistema delgado, que mejora la impresión estética, reduce la cantidad de PVB que es necesario usar y de este modo, el coste. Además, un sistema más delgado reduce la absorción de luz por el PVB, evitando que la absorción de luz sea demasiado pronunciada.
La luz emitida por el LED 4 debe colimarse para optimizar la eficacia óptica y el deslumbramiento. La invención propone el uso de elementos reflectantes para ajustar estos parámetros.
Una primera realización del sistema 102 de matriz de LED de la invención se muestra en la figura 2. Las flechas A aún indican la luz que abandona el LED 104. En esta realización, paquetes 100 de LED están dispuestos en un sustrato 106 de placa de vidrio. Conductores 108 transparentes proporcionan corriente de excitación a los LED 104. Los paquetes 100 de LED también comprenden paredes 120 laterales reflectantes, que se extienden desde los LED 104 y con un ángulo radialmente hacia fuera del LED 104. Las paredes 120 laterales se extienden generalmente a lo largo de una altura, h, y una anchura, w, y están en ángulo por un ángulo de pared, \theta_{w}, con respecto a una normal de las capas encerradas. Los paquetes 100 de LED están sumergidos en PVB 112 y una placa 110 de vidrio superior está dispuesta sobre la capa 112 de PVB. El objetivo es aumentar la eficacia óptica y reducir el deslumbramiento y seleccionando la relación de aspecto (h/w) y el ángulo de pared (\theta_{w}) apropiados, se colima la luz de manera que se evita una reflexión interna total y no existe deslumbramiento. Los parámetros h/w y \theta_{w} pueden calcularse para un caso bidimensional. Entonces puede construirse el elemento tridimensional (cónico, cuadrado, hexagonal). Entonces es posible un ajuste fino de la distribución angular de la luz usando técnicas de trazado de rayos. Un ángulo de ataque \theta_{w} de los elementos colimados puede calcularse usando:
3
N número máximo de reflexiones dentro del colimador
\psi ángulo de salida (radianes)
\theta colimador de ángulo de ataque (radianes)
La relación de aspecto (h/w) asociada del colimador viene dada por
4
donde
5 
\vskip1.000000\baselineskip
h altura colimador (m)
w anchura colimador (m)
d tamaño entrada colimador (m)
A modo de ejemplo, supongamos que \psi=60 grados (requerido para la protección apropiada frente al deslumbramiento), la relación de aspecto (h/w) del colimador es 1,18 a un ángulo de ataque q=13,7 grados. La luz escapa ahora en un cono de 120 grados. Al mismo tiempo, se evita una reflexión interna total (TIR) en la superficie de contacto entre el vidrio 108 y el aire 114 ya que
6
La eficacia es alta porque se evita una TIR y no escapa luz del vidrio 108 a ángulos altos (>60 grados) (sin deslumbramiento). En lo que se refiere a la eficacia óptica y la amplitud, una forma de reflector más favorable es un CPC. Un CPC es también más compacto, reduciendo así la altura del sistema encerrado.
Aunque sólo se ha descrito la función de un único paquete de LED, debe entenderse que el sistema de matriz de LED generalmente comprende varios paquetes de LED.
Una segunda realización a modo de ejemplo de la invención se muestra en la figura 3. Los componentes estructurales generales son similares a los de la primera realización; un paquete 200 de LED está sumergido en una capa 212 de PVB encerrada entre dos placas 206, 208 de vidrio. En esta realización, sin embargo, el paquete 212 de LED comprende un CPC 220 reflectante que se extiende desde el LED 204. Una cubierta 222 transparente está prevista sobre el CPC 220, de modo que está presente un vacío 224 de aire en la zona definida por el LED 204, las paredes del CPC 220 y dicha cubierta 222. El CPC 220 consiste en aluminio sólido o cerámica/polímero metalizado y proporciona una colimación reflectante de la luz que abandona el LED 204.
La figura 4 ilustra un sistema de la invención según una tercera realización de la invención. De nuevo, es sólo el paquete 300 de LED el que difiere de las realizaciones anteriores. En esta realización, las paredes reflectantes comprenden una estructura 320 de CPC sólido (por ejemplo, PMMA o vidrio o cerámica transparente) que puede disponerse directamente en la parte superior del LED 304. El CPC 320 es básicamente una inversión del CPC presentado en relación con la segunda realización. La pared interna de un vacío 326 de aire concéntrico define las superficies reflectantes que reflejan de manera eficaz la luz emitida desde el LED 304 por TIR. La invención según esta realización será transparente en un mayor grado que en el caso de las demás realizaciones.
La figura 5 muestra una cuarta realización de la invención. En esta realización se ha eliminado la cubierta 222 transparente de la segunda realización disponiendo el paquete 400 de LED al revés en la placa 406 de vidrio en la que están dispuestos los conductores 408 transparentes. Así, la placa 406 de vidrio sirve como sustrato para el paquete 400 de LED y como cubierta transparente. El contacto eléctrico entre los conductores 408 transparentes y el paquete de LED se proporciona mediante hilos 428. El paquete 400 de LED se pega a la placa 406 de vidrio usando medios adhesivos adecuados. La construcción reduce el grosor del sistema en comparación con la segunda realización. En un aspecto, los hilos 428 son lo suficientemente rígidos para presionar contra los conductores 408 transparentes una vez que el paquete 400 de LED se pega 430 a la placa 406 de vidrio. Esto garantizará el contacto eléctrico sin el uso de una adhesión/soldadura adicional, especialmente después de laminar todo el sistema 402.
Deben considerarse aspectos tales como coste, complejidad y tamaño cuando se elige entre varias soluciones. Por ejemplo, la tercera realización proporciona la mejor eficacia óptica aunque también la solución que da como resultado la mayor relación de aspecto y actualmente también una solución relativamente cara en comparación con la solución descrita en relación con la primera realización.
Una comparación entre el dispositivo de la técnica anterior y la segunda y tercera realización se muestra en la
tabla 1.
\vskip1.000000\baselineskip
TABLA 1 Comparación entre soluciones de la técnica anterior y la presente invención calculada con técnicas de trazado de rayos
7 
\vskip1.000000\baselineskip
El procedimiento de fabricación es similar para todas las realizaciones, estando relacionada la diferencia con la construcción del paquete de LED. Los paquetes 100, 200, 300, 400 de LED se dotan de una óptica 120, 220, 320, 420 reflectante y se montan en la placa 106, 206, 306, 406 de vidrio con las zonas conductoras transparentes aplicadas. Después de aplicar el PVB, 112, 212, 312, 412 y la placa 108, 208, 308, 408 de vidrio superior, se calienta en general la pila hasta normalmente 100ºC mientras se aplica una presión de \sim10 bar. Así, se sumerge el colimador 120, 220, 320, 420 por completo en el medio 112, 212, 312, 412 de polímero. Un relleno previo del colimador 112, 312 con polímero puede mejorar el procesamiento.
Aunque se ha descrito en términos generales, hay muchas áreas específicas en las que se prevé el uso del sistema de la invención. Estas áreas incluyen sistemas de iluminación tales como luminarias, escaparates, losetas de techo emisoras de luz, iluminación del automóvil (por ejemplo, luces de freno), etc. Además para el sistema de la invención pueden usarse otros materiales diferentes al vidrio, tales como diversas cerámicas, etc., que tengan propiedades ópticas adecuadas.

Claims (13)

1. Sistema de matriz de LED (102; 202; 302; 402) que comprende al menos un paquete (100; 200; 300; 400) de LED, comprendiendo dicho al menos un paquete de LED un LED (104; 204; 304, 404) y estando dispuesto en un sustrato (106; 206; 306; 406) dotado de medios (108; 208, 308; 408) para suministrar al paquete de LED una tensión de excitación, en el que dicho al menos un paquete de LED está sumergido en una capa (112; 212; 312; 412) de soporte, caracterizado porque el al menos un paquete de LED comprende un reflector que tiene una superficie (120; 220; 320; 420) reflectante para colimar la luz emitida por el LED (104; 204; 304; 404), en el que una capa (110; 210, 310; 410) superior está dispuesta de modo que encierra dicha capa (112; 212; 312; 412) de soporte entre la capa (110; 210, 310; 410) superior y el sustrato (106; 206; 306; 406).
2. Sistema de matriz de LED según la reivindicación 1, en el que el sustrato (106; 206; 306; 406) y la capa (110; 210, 310; 410) superior están fabricados de vidrio y la capa (112; 212; 312; 412) de soporte está fabricada de PVB.
3. Sistema de matriz de LED según cualquier reivindicación anterior, en el que dicha superficie (120; 220; 320) reflectante tiene una sección transversal, ortogonal a una normal de la capa (112; 212; 312; 412) de soporte, que aumenta como una función de la distancia respecto al LED (104; 204; 304; 404).
4. Sistema de matriz de LED según cualquier reivindicación anterior, en el que la superficie (120) reflectante comprende un cono truncado.
5. Sistema de matriz de LED según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la superficie (220; 320; 420) reflectante comprende un concentrador parabólico compuesto.
6. Sistema de matriz de LED según cualquier reivindicación anterior, en el que un volumen (224, 424) definido por el LED (204; 404), la superficie (220; 420) reflectante y una cubierta (222; 406) transparente dispuesta esencialmente paralela a la capa (112; 212; 312; 412) de soporte se rellena con un medio gaseoso.
7. Sistema de matriz de LED según cualquier reivindicación anterior, en el que la superficie (120; 220) reflectante comprende un material reflectante metálico.
8. Sistema de matriz de LED según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que un primer volumen (326) adyacente a y radialmente fuera de la superficie reflectante se rellena con un medio que tiene un índice de refracción que es menor que el de un segundo volumen radialmente dentro de la superficie reflectante, por lo que la luz irradiada desde el LED experimenta una reflexión total en dicha superficie reflectante.
9. Sistema de matriz de LED según la reivindicación 8, en el que el primer volumen (326) comprende un gas con un índice de refracción de 1 y el segundo volumen comprende un material transparente con un índice de refracción que es equivalente al índice de refracción del material en el que está sumergido el paquete de LED.
10. Sistema de matriz de LED según cualquier reivindicación anterior, configurado para mantener el deslumbramiento por debajo de 500 cd/m^{2} fuera de un cono direccional deseado 2\psi.
11. Sistema de iluminación que incluye un sistema de matriz de LED según cualquier reivindicación anterior.
12. Procedimiento para producir un sistema de matriz de LED según una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, que comprende las etapas de:
-
disponer un paquete (100, 200, 300, 400) de LED en un sustrato (106, 206, 306, 406) dotado de medios para suministrar al paquete de LED una tensión de excitación,
-
aplicar una capa (112, 212, 312, 412) de soporte de polímero sobre el paquete de LED,
-
calentar la pila mientras se aplica una presión y así se sumerge el paquete de LED por completo en el medio de polímero, y
-
disponer una capa (110, 210, 310, 410) superior de modo que encierre la capa de soporte entre la capa superior y el sustrato.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, en el que el paquete de LED se rellena previamente con polímero para mejorar el procesamiento.
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