BRPI0510707B1 - aparelho emissor de luz - Google Patents

Abstract

fonte de luz de alta eficiência usando um emissor em estado sólido e material de baixa conversão. a presente invenção refere-se a um aparelho emissor de luz que inclui uma fonte de luz para emitir luz; um material de baixa conversão que recebe a luz emitida, e converte a luz emitida em luz transmitida e luz retrotransmitida; e um dispositivo ótico configurado para receber a luz retrotransmitida e transferir a luz retrotransmitida para fora do depósito ótico. a fonte de luz é um diodo emissor de luz de semicondutor, que pode incluir um diodo emissor de luz (led), um diodo laser (ld), ou um diodo emissor de luz de cavidade ressonante (rcled). o material de baixa conversão inclui um fósforo ou outro material para absorver luz em uma região espectral e emite luz em outra região espectral. o dispositivo ótico, ou lente, inclui um material transmissor de luz.

Description

(54) Título: APARELHO EMISSOR DE LUZ (51) Int.CI.: F21S 9/00 (30) Prioridade Unionista: 05/05/2004 US 60/568,373, 15/12/2004 US 60/636,123 (73) Titular(es): RENSSELAER POLYTECHNIC INSTITUTE (72) Inventor(es): NADARAJAH NARENDRAN; YIMIN GU; JEAN PAUL FREYSSINIER (85) Data do Início da Fase Nacional: 06/11/2006

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para APARELHO EMISSOR DE LUZ.

PEDIDO RELACIONADO [001] Esse pedido reivindica o benefício de prioridade para o pedido provisório US 60/568.373, depositado em 5 de maio de 2004 e para o pedido provisório US 60/636,123 depositado em 15 de dezembro de 2004, cujo conteúdo está sendo aqui incorporado a título de referência. ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [002] A presente invenção refere-se a dispositivos emissores de luz em estado sólido, incluindo lâmpadas em estado sólido que têm diodos emissores de luz (LEDs) e LEDs de cavidade ressonante (RCLEDs), são extremamente úteis porque eles oferecem potencialmente custos de fabricação mais baixos e benefícios de durabilidade de longo prazo em relação às lâmpadas incandescentes e fluorescentes convencionais. Devido ao seu longo tempo (queima) de operação e baixo consumo de energia, os dispositivos emissores de luz em estado sólido proporcionam frequentemente um benefício de custo funcional, mesmo quando seu custo inicial é maior que aquele das lâmpadas convencionais. Pelo fato de técnicas de fabricação de semicondutores em larga escala poderem ser usadas, muitas lâmpadas em estado sólido podem ser produzidas a custo extremamente baixo.

[003] Além de aplicações tais como luzes indicadoras em casa e aparelhagem para consumidor, equipamento audiovisual, dispositivo de comunicação e marcadores de instrumentos automotores, LEDs têm encontrado uma aplicação considerável em mostradores informativos internos e externos.

[004] Com o desenvolvimento de LEDs eficientes que emitem luz azul ou ultravioleta (UV), tem se tornado exequível produzir LEDs que geram luz branca através da conversão de fósforo de uma porção da emissão primária do LED em comprimentos de onda mais longos. A

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2/30 conversão de emissões primárias do LED em comprimentos de onda mais longos é comumente referida como baixa conversão da emissão primária. Uma porção não convertida da emissão primária combina com a luz de comprimento de onda mais longo para produzir luz branca. [005] A conversão por fósforo de uma porção da emissão primária do LED é obtida colocando-se uma camada de fósforo em um epóxi que é usado para preencher a taça refletora que aloja o LED dentro da lâmpada de LED. O fósforo está na forma de um pó que é misturado no epóxi antes da cura do epóxi. A lama de epóxi não curada que contém o pó de fósforo é então depositada sobre o LED e é subsequentemente curada.

[006] As partículas de fósforo dentro do epóxi curado são geralmente aleatoriamente orientadas e inter-dispersadas por todo o epóxi. Uma porção da luz primária produzida pelo LED para através do epóxi sem impingir sobre as partículas de fósforo, e uma outra porção da luz primária emitida pelo LED impinge sobre as partículas de fósforo, fazendo com que as partículas de fósforo emitam luz favorável. A combinação da luz azul primária com a luz emitida de fósforo produz luz branca.

[007] O estado corrente da tecnologia LED é ineficiente nos espectros visíveis. A saída de luz para um LED simples está abaixo daquela de lâmpadas incandescentes conhecidas, que são aproximadamente 10% eficientes nos espectros visíveis. Um dispositivo LED que tem uma densidade de energia de saída de luz comparável necessita de um LED maior ou um desenho que tenha múltiplos LEDs. Além disso, uma forma de resfriamento por absorção de energia direta deve ser incorporada para lidar com o aumento de temperatura no próprio dispositivo LED. Mais particularmente, o dispositivo LED se torna menos eficiente quando aquecido a uma temperatura maior que 100°C resultando em um retorno de declínio nos espectros visíveis. A eficiência de conversão

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3/30 de fósforo intrínseca, para alguns fósforos, cai dramaticamente conforme a temperatura aumenta acima do limite de aproximadamente 90°C.

[008] A patente US 6.452.217 concedida a Wojnarowski refere-se a um desenho de lâmpada LED de alta energia ou de múltiplas lâmpadas LED para uso em produtos de iluminação e uma fonte de remoção de calor deles. Há, uma matriz de LED disposta em uma disposição multidimensional. Cada matriz de LED tem uma camada de semicondutor e material de fósforo para produção de luz branca. Um refletor coleta e foca a luz de cada uma das matrizes para atingir uma lâmpada de LED de alta energia. A figura 12 dessa patente ilustra uma disposição de múltiplos lados que emite luz em trajetos de traçado de raio inclinado. A figura 19 dessa patente ilustra a cabeça da lâmpada de LED que está inclinada.

[009] A patente US 6.600.175 concedida a Baretz et al., e o pedido de patente US 2004/0016938 depositado por Baretz et al. são direcionados a dispositivos emissores de luz em estado sólido que produzem luz branca. Um pedido de patente '938 é uma continuação da patente '175. O dispositivo emissor de luz em estado sólido gera uma radiação de comprimento de onda mais curto que é transmitida para um meio luminóforo para baixa conversão para render luz branca. Nas figuras 2 e 6 dessa patente, há uma relação espaçada entre o LED e o meio luminóforo. Na figura 6, por exemplo, a luz é emitida do dispositivo 82 em estado sólido de radiação de comprimento de onda mais curto, preferivelmente na faixa de comprimento de onda de azul para ultravioleta. Quando o meio luminóforo 90 é impingido com a radiação de comprimento de onda mais curto, ele é excitado para emitir radiação de modo responsivo que tem um comprimento de onda no espectro de luz visível em uma faixa de comprimento de ondas para produzir luz percebida como branca.

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4/30 [0010] A patente US 6.630.691 concedida para Mueller-Mach et al. é direcionada a um dispositivo de LED que compreende um substrato conversor de fósforo que converte uma fração da luz primária emitida por uma estrutura emissora de luz do LED em um ou mais comprimentos de onda que combinam com a luz primária não convertida para produzir luz branca. Como mostrado na figura 1 dessa patente, o LED 2 está disposto no substrato 10 que é um fósforo. Como mostrado na figura 2 dessa patente, o eletrodo refletor 21 está disposto na superfície do LED. Alguma luz primária emitida pelo LED impinge no eletrodo refletor 21, que reflete a luz primária de volta através do LED e através do substrato. Alguma da luz primária que se propaga no substrato é convertida em luz amarela e alguma não é convertida. Quando os dois tipos de luz são emitidos pelos substratos, eles se combinam para produzir luz branca. O uso de um eletrodo refletor aperfeiçoa a eficiência do dispositivo de LED ao assegurar que a quantidade de luz primária que entra no substrato é maximizada.

[0011 ] O pedido de patente US 2002/0030444 depositado por Mueller-Mach et al., que se converteu na patente US 6.696.703 de MuellerMach et al., é direcionado a uma estrutura de LED convertida em um fósforo de filme delgado. A figura 2 desse pedido mostra uma estrutura de LED 2 e um filme delgado de fósforo 21 em uma superfície de LED

2. O LED gera luz azul que impinge no filme de fósforo 21. Alguma luz passa através do fósforo 21 e alguma é absorvida e convertida em luz amarela que é emitida do fósforo 21. A luz azul e a amarela se combinam para formar luz branca. Na figura 3 desse pedido uma face refletiva 25 está sobre uma superfície do LED 2. A luz do LED 2 é refletida pela face refletiva 2 de volta através do LED 2 e para o fósforo 21. A luz é então combinada, conforme mostrada na figura 2 dessa patente. A figura 4 dessa patente usa dois tipos de fósforo 31, 33 que estão separados do LED 2 pelo substrato 13. O filme 31 emite luz vermelha. O filme

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5/30 emite verde. A luz azul emitida pelo LED 2 passa através dos filmes 31 e 33 que combina com a luz vermelha e verde para produzir luz branca. Na modalidade da figura 5 desse pedido, o dispositivo 50 de LED inclui uma pluralidade de filmes delgados de fósforo 37, 38. Um espelho dielétrico 36 é disposto entre o filme delgado 37 e um substrato

13. O espelho dielétrico 36 é inteiramente transparente à emissão primária da estrutura emissora de luz 2, mas é altamente refletora no comprimento de onda dos filmes delgados de fósforo 37 e 38.

[0012] O pedido de patente US 2002/0030060 depositado por Okazaki refere-se a um dispositivo emissor de luz branca semicondutor com um elemento emissor de luz ultravioleta e um fósforo. A camada de fósforo tem um fósforo emissor de luz azul e um fósforo emissor de luz amarela difundidos misturados. O dispositivo emissor de luz 3 está dentro do invólucro refletor 5. Nas figuras 2, 4 e 8 desse pedido, a camada de fósforo 6 é formada longe do elemento emissor de luz 3. Na figura 2 desse pedido é mostrada uma camada de fósforo 6 forma dentro de membro de vedação 7.

[0013] O pedido de patente US 2002/0218880, depositado por Brukilacchio, é direcionado a um sistema óptico de luz branca de LED. Como mostrado na figura 1 desse pedido, o sistema óptico 100 inclui uma fonte ótica de LED 110, um filtro óptico 120, um refletor 130, uma camada de fósforo 135, um concentrador 140, uma primeira região de iluminação 150, uma segunda região de iluminação 170 e um dissipador térmico 190. O filtro óptico 120 inclui uma faixa de CCT refletida e uma faixa de CCT transmitida. A energia ótica que está dentro da faixa CCT refletida é proibida de passar através do filtro óptico 120 (por exemplo, via reflexão). A energia ótica que entra na face frontal do filtro óptico 121 da face posterior da camada de fósforo 137 que está na faixa refletida do filtro óptico 120 é refletida de volta para a camada de fósforo 135. A energia ótica que está na faixa de CCT transmitida do filtro óptico 120

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6/30 transmite através do filtro 120 e interage com o refletor 130.

[0014] O refletor 130 é um elemento óptico refletivo posicionado para refletir energia ótica emitida da face posterior da fonte ótica de LED 112 de volta para a fonte ótica de LED 110. A energia ótica interage com o material óptico e uma porção da energia ótica deixa a face frontal de LED 111 e interage com o filtro óptico 120. A energia ótica continua então para a camada de fósforo, proporcionando assim um processo circular de telescopia de repetição para energia ótica que emite da face posterior da camada de fósforo 137. Esse processo de repetição captura a energia ótica que de outro modo é perdida. O concentrador 140 captura energia ótica fora da face frontal de camada de fósforo 136.

[0015] O pedido de patente US 2002/0003233, depositado por Mueller-Mach et al., que se converteu na patente US 6.501.102 para Mueller-Mach et al., são aqui direcionadas a um dispositivo de LED que realiza conversão de fósforo em substancialmente toda a radiação primária emitida pela estrutura emissora de luz do dispositivo de LED para produzir luz branca. O dispositivo de LED inclui pelo menos um elemento conversor de fósforo localizado para receber e absorver substancialmente toda a luz primária emitida pela estrutura emissora de luz. O elemento conversor de fósforo emite luz secundária nos segundo e primeiro comprimentos de luz que se combinam para produzir luz branca. Algumas modalidades usam um eletro refletor na superfície emissora de luz e outras não. Nas modalidades que usam um eletrodo refletor 21 (Figuras 2, 3, 6, 7 do pedido), um substrato separa a estrutura emissora de luz das camadas de fósforo. Ou seja, a estrutura emissora de luz está em um lado do substrato e uma camada de fósforo está no outro lado do substrato. Em modalidades que não usam um eletrodo refletor (Figuras 4 e 5 do pedido), uma camada de fósforo está disposta em uma superfície da estrutura emissora de luz.

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7/30 [0016] A patente US 6.686.691, concedida a Mueller et al., é direcionada a uma lâmpada tricolor para produção de luz branca. A lâmpada emprega um LED azul e uma mistura de fósforos vermelhos e verdes para produção de luz branca. Como mostrado na figura 3, a lâmpada 20 inclui LED 22 que está posicionado na taça refletora 28. O LED 22 emite luz em um padrão indicado pelas linhas 26 e uma mistura de fósforo 24 está posicionada no padrão. Pode ser visto que, alguma da luz não absorvida emitida pelo LED 22 reflete das paredes da taça refletora 28 de volta para a mistura de fósforo 24. A taça refletora 28 pode modificar o padrão de luz 26, se a luz é refletida em um espaço não previamente coberto pelo padrão de luz inicial. As paredes da taça refletora podem ser parabólicas.

[0017] As patentes US 6.252.254 e US 6.580.097, ambas concedidas a Soules et al., estão direcionadas a um LED ou diodo laser revestido com fósforos. A patente '097 é uma divisão da patente '254. Mas particularmente as patentes mostram um LED emissor de azul coberto com uma cobertura contendo fósforo. A cobertura contendo fósforo compreende fósforos emissores de verde e fósforos emissores de azul. Os fósforos verdes e vermelhos são excitáveis pelo LED emissor de azul.

[0018] A patente US 6.513.949 concedida a Marshal et al., a patente US 6.692.136 concedida a Marshal et al., e o pedido de patente US 2002/0067773, depositado por Marshal et al., são direcionados a um sistema de iluminação híbrido LED/fósforo/LED. A patente '136 é uma continuação em parte da patente '949. O pedido de patente '773 converteu-se na patente '136. Como mostrado na figura 1A, o LED 10 inclui um chip de LED montado em uma placa de metal refletora ou refletor 12 preenchido com um epóxi transparente 13. A figura 1B mostra esquematicamente um fósforo-LED 14 típico que é substancialmente idêntico, em construção, ao LED da figura 1A, exceto o epóxi 18 que preenche o

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8/30 refletor 16 contém grãos 19 de um ou mais tipos de materiais de fósforo luminescente misturados homogeneamente nele. Os grãos de fósforo 19 convertem uma porção da luz emitida pelo chip de LED 15 em luz de um comprimento de onda espectral diferente. O sistema permite que diferentes parâmetros de performance do sistema de luz diferentes sejam direcionados e otimizados conforme considerados importantes pela variação da cor e número de os LEDs e/ou o fósforo do fósforo-LED. [0019] A patente US 6.603.258, concedida a Mueller-Mach et al., é direcionada a um dispositivo de diodo emissor de luz que produz luz branca por combinação de luz primária verde azulada com luz avermelhada convertida por fósforo. O LED é montado dentro de uma taça refletora que é preenchida com uma resina conversora de fósforo. A radiação primária emitida pelo LED impinge na resina conversora de fósforo. Parte da radiação primária que impinge na resina é convertida em luz avermelhada. Uma porção não convertida da radiação primária passa através da resina e combina com a luz avermelhada para produzir luz branca.

[0020] A patente US 6.616.862, concedida a Srivastava et al., é direcionada a materiais luminescentes de halofosfato co-ativados com íons európio e manganês. A figura 3 dessa patente mostra um LED montado na taça 120 tendo uma superfície refletora 140 adjacente ao LED. A modalidade inclui um invólucro transparente no qual partículas de fósforo 200 são dispersadas. Alternativamente, o fósforo misturado com um ligante pode ser aplicado como um revestimento sobre a superfície de LED. Uma porção da luz azul emitida pelo LED que não é absorvida pelo fósforo e a luz de amplo espectro emitida pelo fósforo são combinadas para proporcionar uma fonte de luz branca.

[0021] As patentes US 6.069.440, US 6.614.179 e US 6.608.332, concedidas a Shimazu et al., são direcionadas a um dispositivo emissor de luz que compreende um fósforo que converte o comprimento de onda

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9/30 da luz emitida por um componente emissor de luz e emite luz. Essas patentes referem-se também a um dispositivo mostrador usando dispositivos emissores de luz múltiplos dispostos em uma matriz. Essas patentes estão relacionadas porque elas derivam do mesmo pedido de origem.

[0022] A patente US 6.580.224, concedida a Ishii et al., é direcionada a uma iluminação por detrás para um dispositivo mostrador de cristal líquido em cores, um dispositivo mostrador de cristal líquido em cores e um elemento eletroluminescente para uma iluminação por detrás de um dispositivo mostrador de cristal líquido em cores. O pedido de patente US 2002/0167014, depositado por Schlereth et al., que se converteu na patente US 6.734.467 para Schlereth et al., são direcionados a uma fonte de luz branca de LED tendo um LED semicondutor baseado em GaN ou InGaN que é pelo menos parcialmente circundado por um encapsulamento feito de um material transparente. O material transparente contém uma substância conversora para pelo menos conversão parcial de comprimento de onda da luz emitida pelo LED. O LED tem uma pluralidade de zonas emissoras de luz pelas quais um espectro de luz relativamente de banda larga é gerado energeticamente acima do espectro de emissão da substância conversora.

[0023] Um artigo intitulado Optical simulation of light source devices composed of blue LEDs and YAG phosphor por Yamada K., Y. Imai, e K. Ishii, publicado no Journal of Light and Visual Environment 27(2): 70-74 (2003) descreve o uso de luz refletida de um fósforo como um modo eficaz de obter autoprodução de fontes de luz compostas de LEDs e fósforo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0024] Para satisfazer essas e outras necessidades, e em vista de seu propósito, a presente invenção proporciona um aparelho emissor de luz que inclui uma fonte de luz para emitir luz; um material de baixa

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10/30 conversão para receber a luz emitida e converter a luz emitida em luz transmitida (ou luz transmitida em avanço) e luz refletida (ou luz transmitida para trás); e um dispositivo óptico configurado para (a) coletar e transferir a luz emitida sobre o material de baixa conversão e (b) receber a luz refletida e transferir a luz refletida para fora do dispositivo óptico. De acordo com um aspecto da invenção, a fonte de luz é um diodo emissor de luz semicondutor, incluindo um de um diodo emissor de luz (LED), um diodo laser (LD), ou um diodo emissor de luz de cavidade ressonante (RCLED).

[0025] De acordo com um outro aspecto da invenção, o material de baixa conversão inclui um de fósforo ou outro material para absorver luz em uma região espectral e emitir luz em uma outra região espectral. [0026] De acordo com um outro aspecto da invenção, o dispositivo óptico inclui pelo menos um de uma lente ou uma guia de luz que tem propriedade transmissora de luz.

[0027] Ainda, de acordo com um outro aspecto da invenção, a fonte de luz está disposta adjacente a uma primeira extremidade do dispositivo óptico.

[0028] De acordo também com um outro aspecto da invenção, o material de baixa conversão está disposto adjacente a uma segunda extremidade do dispositivo óptico, onde a segunda extremidade está oposta à primeira extremidade.

[0029] Ainda de acordo com um outro aspecto da invenção, a fonte de luz pode incluir uma pluralidade de emissores de luz semicondutores. [0030] De acordo com também um outro aspecto da invenção, o dispositivo coletor pode ser incluído para coletar a luz refletida que é transferida do dispositivo óptico. O dispositivo coletor pode ser um refletor.

[0031] Uma outra modalidade exemplificativa da invenção inclui um outro aparelho emissor de luz que tem um óptico cilíndrico que inclui um

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11/30 material transmissor de luz; uma fonte de radiação de luz disposta dentro do óptico cilíndrico; e um material de baixa conversão disposto em uma seção média e dentro do óptico cilíndrico, para pelo menos um de transmitir ou refletir luz transmitida pela fonte de radiação de luz.

[0032] De acordo com um aspecto da invenção, a fonte de radiação de luz é um emissor de luz semicondutor, incluindo um de um diodo emissor de luz (LED), um diodo laser (LD), ou um diodo emissor de luz de cavidade ressonante (RCLED).

[0033] De acordo com um outro aspecto da invenção, a fonte de radiação de luz está disposta adjacente a uma extremidade lateral do óptico cilíndrico.

[0034] Ainda, de acordo com um outro aspecto da invenção, a fonte de radiação de luz pode incluir primeira e segunda fonte de radiação de luz, espaçada uma da outra e ambas podem estar dispostas adjacentes a uma extremidade lateral do óptico cilíndrico.

[0035] De acordo também com num outro aspecto da invenção, o material de conversão inclui um de fósforo ou outro material para absorver luz em uma região espectral e emitir luz em uma outra região espectral.

[0036] De acordo com um outro aspecto da invenção, o material de baixa conversão é disposto substancialmente paralelo a um eixo longitudinal do óptico cilíndrico.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0037] A invenção é mais bem-entendida a partir da seguinte descrição detalhada quanto lida em conexão com o desenho anexo. É enfatizado que, de acordo com a prática comum, as várias características do desenho não estão em escala. Ao contrário, as dimensões das várias características são arbitrariamente expandidas ou reduzidas para clareza. Incluídas no desenho estão as seguintes figuras:

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12/30 [0038] A figura 1 é um gráfico da produção relativa versus comprimento de onda mostrando a distribuição espectral refletida e transmitida de luz para um tipo de fósforo (YAG:Ce), [0039] A figura 2 é uma fonte de luz de alta eficiência que usa emissores) em estado sólido e material de baixa conversão, de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente invenção, [0040] A figura 3 é uma vista em corte transversal de uma porção do fundo da fonte de luz de alta eficiência mostrada na figura 2, [0041] A figura 4 ilustra uma outra fonte de luz de alta eficiência que usa emissores múltiplos em estado sólido e material de baixa conversão, de acordo com uma outra modalidade exemplificativa da presente invenção, [0042] A figura 5A é ainda um outra modalidade de uma fonte de luz de alta eficiência que usa emissor(es) em estado sólido e material de baixa conversão, de acordo com uma outra modalidade exemplificativa da presente invenção, [0043] A figura 5B é uma vista em corte transversal da fonte de luz de alta eficiência mostrada na figura 5A, [0044] A figura 6 é uma ilustração de ainda uma outra fonte de luz de alta eficiência que usa emissor(es) em estado sólido e material de baixa conversão, de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente invenção, [0045] A figura 7 mostra um refletor circundando a fonte de luz de alta eficiência mostrada na figura 3 para redirecionar os raios emitidos da(s) fonte(s) de luz, [0046] As figuras 8A a 8E ilustram várias conformações geométricas para o elemento óptico, ou lente ótica dispostas imediatamente acima de uma fonte emissora de luz exemplificativa, de acordo com diferentes modalidades exemplificativas da presente invenção, [0047] A figura 9A mostra um dispositivo tendo múltiplas fontes de

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13/30 luz de alta eficiência que usam emissor(es) em estado sólido e material de baixa conversão colocado em um tubo de luz para redirecionar os raios de luz das fontes de luz, de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente invenção, [0048] A figura 9B é uma vista em corte transversal do dispositivo mostrado na figura 9A, [0049] A figura 10A é uma ilustração de um outro dispositivo tendo múltiplas fontes de luz de alta eficiência que usam emissor(es) em estado sólido e material de baixa conversão disposto em torno das extremidades de um tubo de luz para redirecionar os raios de luz das fontes de luz, de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente invenção, [0050] A figura 10B é uma vista em corte transversal do dispositivo mostrado na figura 10A, [0051] A figura 11 é uma ilustração de também uma outra fonte de luz de alta eficiência disposta de modo que fique circundada por um refletor e um difusor de microlentes de alta eficiência de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente invenção, [0052] A figura 12 é ainda uma ilustração de uma outra fonte de luz de alta eficiência direcionando luz para um material conversor de luz e um refletor, em que o material conversor de luz está disposto entre a fonte de luz de alta eficiência e o refletor, de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente invenção, e [0053] A figura 13 é um diagrama esquemático mostrando um emissor de luz com alta energia irradiando luz para um material conversor de luz por meio de um elemento óptico, de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0054] Embora a invenção esteja ilustrada e descrita aqui como referência a modalidades específicas, a invenção não tem o objetivo de

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14/30 ser limitada aos detalhes mostrados. De preferência, várias modificações podem ser feitas nos detalhes dentro do escopo e âmbito de equivalentes das reivindicações e sem se desviar da invenção.

[0055] Os inventores constataram que a performance de LEDs convertidos por fósforo é afetada de forma negativa quando se coloca o fósforo de baixa conversão próximo à matriz de LED. Fraca performance é principalmente devida ao fato de que o meio de fósforo que circunda a matriz se comporta como um emissor isotrópico, e alguma porção da luz que reflete de volta para a matriz circula entre a camada de fósforo, a matriz, e a taça refletora. Como resultado, a luz acoplada de volta ao dispositivo aumenta a temperatura de junção, reduzindo, assim, a eficácia do sistema e aumentando o amarelecimento do encapsulante. Todos esse fatores reduzem a produção da luz com o tempo.

[0056] A literatura mostra que 60% da luz, que impinge na camada de fósforo, são refletidas de volta, contribuindo para os efeitos descritos (Yamada et al., 2003). Medições em laboratório de oito placas de fósforo de YAG:Ce provaram que cerca de 60% da luz radiante é refletida de volta na direção da fonte de LED azul. A magnitude absoluta da energia radiante refletida depende, entre outros fatores, da densidade do revestimento de fósforo. A figura 1 mostra a distribuição de energia espectral, refletida, medida 2 de um LED azul com uma placa de fósforo YAG:Ce. A figura 1 mostra também a distribuição de energia espectral, transmitida, medida 4 do mesmo arranjo. Como mostrado, a maior parte da luz é refletida de volta e não transmitida para frente.

[0057] Será apreciado que os termos luz transmitida e refletida são usados por todo este relatório descritivo. Contudo, mais precisamente, os termos são luz transmitida para frente e luz transmitida para trás. Conforme as partículas de fósforo absorvem a luz de comprimento de onda curta e emitem a luz baixo-convertida, a luz emitida vai para todas as direções (emissor de Labertian) e, portanto, uma porção da luz

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15/30 vai para cima e uma porção vem para baixo. A luz que vai para cima (ou para fora) é a porção transmitida da luz e a luz que vem para baixo em direção à matriz de LED é a porção refletida.

[0058] Espera-se que tais efeitos sejam de maior magnitude em RCLEDS, porque sua produção de luz é muito mais colimada. Consequentemente, o acondicionamento tenta capturar tanto os componentes transmitidos como os refletidos para aperfeiçoar a eficiência do sistema. Adicionalmente, os inventores criaram acondicionamento que permite que a camada de fósforo se mova para longe da matriz, impedindo a retroalimentação de luz no LED e RCLED. Como resultado a vida do LED e RCLED é aperfeiçoada. Ao mesmo tempo, a luz do RCLED impinge na camada de fósforo uniformemente para obter uma fonte de luz branca uniforme. Além disso, o acondicionamento aumenta a eficiência do dispositivo ao permitir que mais da luz refletida da camada de fósforo saia do dispositivo.

[0059] A figura 2 ilustra uma primeira modalidade exemplificativa da invenção tendo um óptico de invólucro, transmissor de luz, óptico distribuidor 10, que tem uma geometria cilíndrica. Como mostrado o óptico de invólucro 10 inclui camada de fósforo 12 incrustada na seção média do óptico distribuidor. Essa configuração divide efetivamente o óptico distribuidor em duas peças ou porções substancialmente iguais. Ou seja, a camada de fósforo pode ser uma tira que é substancialmente paralela a um eixo longitudinal do óptico cilíndrico 10.

[0060] Em uma modalidade exemplificativa, a camada de fósforo 12 pode ser uma camada de fósforo YAG:Ce. Em uma modalidade exemplificativa alternativa, a camada de fósforo pode compreender outros fósforos, pontos quânticos, cristais de pontos quânticos, nanocristais de pontos quânticos ou outro material de baixa conversão. Será entendido que, outras modalidades da presente invenção podem incluir uma camada de fósforo, que é similar à camada de fósforo 12, diferentemente

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16/30 da camada de fósforo incrustada, mostrada na figura 2, as outras modalidades podem ter, contudo, uma camada de fósforo que não está incrustada. Além disso, a camada de fósforo não precisa ser de espessura uniforme, em vez disso pode ser de diferentes espessuras ou de misturas de fósforos diferentes para produzir uma cor mais uniforme. [0061] Um ou mais LEDs ou RCLEDs podem ser colocados dentro do óptico cilíndrico em uma parte do fundo, designada como 14. Em uma modalidade alternativa, um ou mais LEDs/RCLEDs podem ser colocados em um lugar que não na parte de fundo do óptico cilíndrico. [0062] A luz de comprimento de onda curto 16 é emitida dos LEDs/ RCLEDs. A luz de comprimento de onda curto está na faixa de 250 nm a 50 nm. Pelo fato de que a camada de fósforo 12 está substancialmente no meio do óptico cilíndrico, o comprimento de onda curto dos LEDs/RCLEDs faz com que o comprimento de onda curto impinja a partir de qualquer lateral do óptico cilíndrico sobre a camada de fósforo 12. O impingimento da luz de comprimento de onda curta sobre a camada de fósforo produz luz com quatro componentes: luz de comprimento de onda curto 18, refletida da camada de fósforo; luz de comprimento de onda curto 20, transmitida através da camada de fósforo; luz baixo-convertida 22, refletida da camada de fósforo; e luz baixo-convertida 24, transmitida através da camada de fósforo. Esses quatro componentes, que são produzidos em ambos os lados da camada de fósforo combinam-se e produzem luz branca 26. Já que esse processo ocorre de ambos os lados da camada de fósforo, a extração de luz total é aumentada. [0063] A luz (luz de comprimento de onda curto e baixo-convertida), que de outro modo seria refletida para o óptico cilíndrico (se a camada de fósforo não estava incrustada no óptico cilíndrico, ou matriz), é vantajosamente transmitida para o exterior ou para fora do óptico cilíndrico, através das propriedades transmissoras de luz do óptico cilíndrico.

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17/30 [0064] Como um exemplo, um emissor de LED (série Shark) iluminador azul (470 nm) de alto fluxo da Opto Technology pode ser usado. A densidade da camada de fósforo 12 pode estar na faixa de 4 a 8 mg/cm² (outras densidades são também contempladas), o comprimento do óptico cilíndrico 10 pode estar na faixa de 5,08 a 10,16 cm (2 a 4 polegadas), e o diâmetro do óptico cilíndrico pode ser de cerca de 1,27cm (0,5 polegada). Como um outro exemplo, uma eficiência e uniformidade diferentes de pacote podem ser obtidas mudando-se a densidade da camada de fósforo, e o comprimento e o diâmetro do óptico cilíndrico. Melhor eficiência e uniformidade de luz ao longo da circunferência do óptico cilíndrico podem ser obtidas quando o óptico cilíndrico é de 5,72cm (2,25 polegadas) de comprimento.

[0065] A modalidade mostrada na figura 2 pode ser formada de segmentos de bastão de acrílico semi-esférico, que são cortados de um bastão de acrílico inteiramente esférico e polidos. O fósforo pode ser misturado com epóxi oticamente transparente e então espalhado uniformemente na superfície plana de cada segmento de bastão. Os segmentos de bastão podem ser então ligados juntos e colocados em um forno para cura do epóxi.

[0066] A perda de emissão total para um elemento óptico (óptico cilíndrico) de 5,72cm (2,25 polegadas) foi constatada como sendo de aproximadamente 16%. As perdas incluíram: 6% de luz refletida de volta para o LED, 7% de perda Fresnel e 30% de perda irrecuperável devido à montagem do maquinário.

[0067] Aproximadamente metade das perdas pode ser atribuída à perda Fresnel, que ocorre nos limites entre os meios tendo diferentes índices de refração. As perdas de Fresnel pode ser reduzidas pelo uso de um mecanismo de acoplamento entre os LEDs/RCLEDs e o cilindro óptico. Além disso, perdas podem ser recuperadas pelo uso de um rePetição 870180047493, de 04/06/2018, pág. 22/43

18/30 vestimento anti-refletivo nos LEDs/RCLEDs para impedir que a luz reflita de volta para os LEDs/RCLEDs.

[0068] A figura 3 é uma vista em corte transversal do óptico cilíndrico, na parte de fundo, designada como 14. Como mostrado, o óptico cilíndrico 10 inclui 2 segmentos de bastão de acrílico semiesférico 14a e 14b. A camada de fósforo 12 está sanduichada entre o segmento de bastão de acrílico 14a e o segmento de bastão de acrílico 14b. Cada segmento de bastão de acrílico inclui fontes emissoras de luz 17 e 19. As fontes emissoras de luz 17 e 19 podem ser, cada uma, um diodo emissor de luz semicondutor, tal como um diodo emissor de luz (LED), um diodo laser (LD) ou um LED de cavidade ressoante (RCLED). Será entendido que mais que duas fontes emissoras de luz podem ser incluídas na parte de fundo 14. Como tal, pode haver uma disposição de múltiplos emissores de luz dispostos dentro do segmento de bastão de acrílico 14a e uma outra disposição de múltiplos emissores de luz dispostos dentro do segmento de bastão de acrílico 14b. Essas disposições podem ser formadas simetricamente em relação uma a outra, de uma maneira que seja similar às fontes de luz 17 e 19, que são mostradas dispostas simetricamente em torno da camada de fósforo 12 da figura 3.

[0069] A figura 4 ilustra uma outra modalidade exemplificativa da invenção. Essa modalidade pode ser usada em espaços interiores onde é requerida iluminação de ambiente geral. Como mostrado, o dispositivo inclui placa de fósforo 50 (por exemplo, YAG:Ce ou outros fósforos, como enumerados anteriormente). O dispositivo também inclui múltiplos diodos emissores de luz semicondutores 56 que formam uma disposição, tal como uma disposição LED/RCLED 52. A disposição 52 é montada sobre o substrato 54 que pode ser de material de alumínio. Em uma modalidade exemplificativa, o substrato 54 pode ser circular. Na configuração exemplificativa ilustrada na figura 4, os LEDs/RCLEDs são

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19/30 dispostos em uma relação espaçada uns dos outros e colocados em torno do substrato circular.

[0070] A disposição dos diodos emissores de luz é colocada no substrato de modo que as superfícies emissoras de luz dos diodos faceiam em direção à placa de camada de fósforo 50. Desse modo, os diodos 56 emitem luz de comprimento de onda curto para a placa de camada de fósforo 50. Conforme a luz de comprimento de onda curta impinge sobre a camada de fósforo, quatro componentes de luz resultam: luz de comprimento curto/luz baixo-convertida 60 e luz de comprimento de onda curto transmitida/luz baixo-transmitida 64. A luz de comprimento de onda curto/luz baixo-convertida 60 é refletida, como mostrado, dentro do dispositivo para produzir luz branca. A luz de comprimento de onda curto transmitida/luz baixo-convertida 64 é transmitida para fora do dispositivo para produzir luz branca 66.

[0071] As figuras 5A e 5B ilustram uma outra modalidade exemplificativa da invenção. Como mostrado, o dispositivo 500 inclui a taça 502, e um ou mais emissores de luz 501 dispostos dentro da taça 502 em uma base da taça 502. Também incluídas estão as camadas de fósforo 503 e 504. A camada de fósforo 503 está disposta na extremidade oposta da base do emissor de luz 501 e em um centro substancial das paredes da taça 502. A camada de fósforo 503 é depositada no interior das paredes da taça 502. A modalidade mostrada nas figuras 5A e 5B podem ser usadas em espaços interiores onde iluminação ambiente é requerida.

[0072] O dispositivo 500 inclui a taça 502, que pode ser uma taça transparente tendo um LED/RCLED ou múltiplos LEDs/RCLEDs formados em um disposição. A taça inclui uma camada de fósforo 503 ligada à parede transparente interna da taça 502. A outra camada de fósforo pode ser ligada somente na área central da taça. Por conseguinte, a maior parte da luz de comprimento de onda curto refletida/luz baixoPetição 870180047493, de 04/06/2018, pág. 24/43

20/30 convertida pode sair diretamente da parte transparente da superfície central. Feixes estreitos de luz emitida do LED/RCLED são preferidos nessa modalidade para minimizar a luz de comprimento de onda curto do LED/RCLED que sai diretamente da parte transparente da superfície frontal sem impingir sobre a camada de fósforo. A taça pode ser feita de vidro ou de acrílico.

[0073] A parte interna da taça 502 pode ser preenchida com material de vidro ou de acrílico, sanduichando assim a camada de fósforo 503 entre a taça 502 e a parte interna contida dentro da taça 502. A camada de fósforo 504 pode ser também ligada sobre a superfície exterior do material de vidro ou de acrílico. Em uma modalidade alternativa, a camada de fósforo 504 pode ser colocada dentro do material de vidro ou acrílico de um modo similar ao descrito para a camada de fósforo sanduichada entre os dois bastões de acrílico semiesféricos, mostrados nas figuras 2 e 3.

[0074] A figura 6 ilustra ainda uma outra modalidade exemplificativa da invenção. Como mostrado, o dispositivo 600 inclui o emissor de luz 602 separado da camada de fósforo 604 pelo óptico 606 que pode ser feito de um meio transparente. Em uma modalidade exemplificativa, o meio transparente pode ser: em uma modalidade alternativa o meio transparente pode ser vidro ou acrílico. A camada de fósforo 604 pode ser montada ou depositada sobre o óptico 606 tendo paredes transparentes 610 e 612. (As paredes 610 e 612 podem ser uma parede contínua se o óptico 606 tiver uma seção transversal circular).

[0075] A figura 7 ilustra ainda uma outra modalidade exemplificativa da invenção. Como mostrado, o dispositivo 700 inclui o dispositivo 600 disposto dentro do refletor 702. O refletor 702 tem uma conformação geométrica de uma parábola. A invenção não está assim limitada pelo fato de que o refletor 702 pode ter outras conformações geométricas, tais como de um cone, esfera, hipérbole, elipse, pirâmide ou pode ser

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21/30 conformada em caixa, por exemplo. As vantagens do dispositivo 700 incluem melhor controle da distribuição de produção de feixe e uma melhor produção uniforme da cor.

[0076] O substrato 603 pode ser usado para montar a fonte emissora de luz (602), uma extremidade do óptico 606, e uma extremidade do refletor 702, como mostrado nas figuras 6 e 7.

[0077] Similar às outras modalidades da invenção, a fonte emissora de luz 602 pode ser um ou múltiplos diodos emissores de luz semicondutores, tal como um LED, LD ou RCLED. Os diodos emissores de luz podem ser montados em uma disposição de diodos similar à disposição de fontes de luz mostrada como disposição 52 na figura 4. Além disso, a camada de fósforo 604 pode ser similar à camada de fósforo 50 mostrada na figura 4.

[0078] As figuras 8A a 8E mostram conformações geométricas diferentes de um elemento óptico. O elemento óptico 801 é de geometria cônica. O elemento óptico 802 é de geometria esférica. O elemento óptico 803 é de geometria hiperbólica. O elemento óptico 804 é de geometria piramidal. O elemento óptico 805 é de geométrica conformada em caixa. As outras conformações geométricas podem incluir uma conformação parabólica ou elíptica. Além disso, o topo da superfície mais larga de cada elemento óptico pode ser plano, ou pode ter uma outra conformação geométrica.

[0079] Similar às outras modalidades, os elementos ópticos 801 a 805 podem ser feitos de um material transparente, funcionando assim como uma lente óptica (similar ao óptico 606 da figura 6) ou pode ser uma cavidade oca formada pelas paredes feitas de material transparente (similar às paredes 610 e 612 da figura 6).

[0080] Embora não mostrado, um refletor (similar ao refletor 702, mostrado na figura 7) pode ser posicionado para circundar cada elemento óptico 801 a 805. Além disso, cada elemento óptico 801 a 805

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22/30 pode incluir uma camada de fósforo (similar à camada de fósforo 604, mostrada na figura 6). Essa camada de fósforo (não mostrada) pode ser depositada no topo da superfície plana mais larga de cada elemento óptico em oposição a sua fonte emissora de luz respectiva. Altemativamente, essa camada de fósforo (não mostrada) pode estar sanduichada dentro de cada elemento óptico, próxima à superfície plana mais larga do respectivo elemento óptico e oposta a sua respectiva fonte emissora de luz.

[0081] A seguir, com referência às figuras 9A e 9B, é mostrada uma disposição dimensional de lentes geralmente designadas como 900. Como mostrado na figura 9A, uma disposição de dispositivos de fonte de luz de alta eficiência NxM são dispostos no topo do tubo de luz 912. Três dos dispositivos de fonte de luz são designados como 910, 920 e 930. Os dispositivos de fonte de luz remanescentes na disposição NxM são idênticos a qualquer um dos dispositivos de fonte de luz 910, 920, e 930. Por sua vez, qualquer um desses dispositivos de fonte de luz pode ser similar ao dispositivo 700 da figura 7.

[0082] Como mais bem-mostrado na figura 9B, cada um dos dispositivos de fonte de luz 910, 920 e 930 inclui o emissor de luz 902, a lente 904 e uma camada de fósforo (não mostrada), que pode ser similar à camada de fósforo 604 da figura 6. Também incluído está o refletor 906, que redireciona a luz transmitida e refletida do emissor de luz 902 para o tubo de luz retangular 912.

[0083] O tubo de luz 912, como mostrado, inclui o lado 914 adjacente aos dispositivos de fonte de luz 910, 920, e 930, e um outro lado 916 mais afastado dos dispositivos de fonte de luz. No topo do lado oposto 916, há uma camada depositada de fósforo 918 e a camada de microlente 920. A camada de microlente pode ser ligada à camada de fósforo depositada.

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23/30 [0084] As figuras 10A e 10B ilustram uma outra modalidade exemplificativa de uma fonte de luz de alta eficiência, geralmente designada como 1030, em que os dispositivos de fonte de luz (similares ao dispositivo de fonte de luz 700 da figura 7) estão espaçados em torno das extremidades de um tubo de luz. Como mostrado na figura 10A, vários dispositivos de fonte de luz, tais como os dispositivos de fonte de luz 1020, 1022, 1024, 1026, etc., são colocados em torno das extremidades do tubo de luz 1000.

[0085] Uma seção transversal da fonte de luz de alta eficiência 1030 é mostrada da figura 10B. Como mostrado, o dispositivo de fonte de luz 1018 é configurado para direcionar luz para o tubo de luz 1000. O dispositivo de fonte de luz 1018 inclui o emissor de luz 1020, lente óptica 1022 e uma camada de fósforo (não mostrada) em relação oposta ao emissor de luz 1020. Também incluído está o refletor 1024 para redirecionar a luz transmitida e refletida do emissor de luz 1020 para a extremidade e para dentro do tubo de luz 1000.

[0086] O tubo de luz 1000 inclui a extremidade 1004, o lado superior 1006, o lado inferior 1008. No lado superior 1006, há um depósito da camada de fósforo 1010 e uma camada de difusor de microlente 1012. Similarmente, no lado inferior 1008, há um depósito de camada de fósforo 1014 e uma camada de difusor de microlente 1016. As camadas de microlente podem ser, cada uma, ligadas às suas respectivas camadas de fósforo.

[0087] A figura 11 ilustra ainda uma outra modalidade exemplificativa da invenção. Como mostrado, o dispositivo 1110 inclui a fonte de luz 1100, a lente 1102 e uma camada de fósforo 1104. A camada de fósforo está depositada no topo da lente 1102, de modo que a camada de fósforo fique afastada do LED, de um modo similar ao mostrado na figura 6. A configuração fonte de luz/lente/fósforo é circundada pelo rePetição 870180047493, de 04/06/2018, pág. 28/43

24/30 fletor 1106 que tem uma alta refletância. Em uma modalidade exemplificativa, a refletância medida pode estar na faixa de 90% a 97%. Além disso, um difusor de microlente de alta eficiência 1108 é colocado transversalmente no topo do refletor 1106. Em uma modalidade exemplificativa, o difusor de microlente pode exibir mais que 95% de eficiência. [0088] A figura 12 ilustra ainda uma outra modalidade exemplificativa da invenção. Como mostrado, o dispositivo 1210 inclui a fonte de luz 1200 que faceia a camada de fósforo 1202 e o refletor 1206. Um meio transparente 1204 pode preencher o espaço entre a fonte de luz 1200 e a camada de fósforo 1202. Em uma modalidade exemplificativa, a camada de fósforo 1202 pode estar na forma de uma parábola ou outra forma curvada, similar a uma das formas geométricas previamente citadas. O refletor 1206 pode estar espaçado para longe da camada de fósforo e da fonte de luz. Um meio transparente 1208 pode ser usado para preencher o espaço entre a camada de fósforo e o refletor. Como mostrado, a camada de fósforo 1202 está disposta entre a fonte de luz 1200 e o refletor 1206.

[0089] Embora seja bem-conhecido que o fósforo usado nos diodos emissores de luz (LEDs) retrodispersa mais que metade da luz emitida, ninguém tem mostrado até hoje que essa luz pode ser recuperada como fótons para aumentar a eficácia global de uma fonte de luz branca. Os inventores verificaram experimentalmente um método de extração de fótons dispersos (SPE) proporcionado pelas outras modalidades da invenção que aumenta significativamente a eficácia global de uma fonte de luz branca. Em baixas correntes, o pacote de (SPE) mostrou mais que 8 lm/W de luz branca com valores de cromaticidade muito próximos do local de corpo negro.

[0090] Dos métodos diferentes disponíveis para criar luz branca, o método de emissão convertida por fósforo é a mais comum. Um primeiro

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LED branco fósforo convertido usa um fósforo (YAG:Ce) de cor vermelho escuro de ítrio-alumínio dopado com cério em combinação com um LED azul com base em nitreto de gálio (GaN). Em um pacote de LED branco típico, o fósforo está incrustado dentro de uma resina epóxi que circunda a matriz de LED. Alguma porção da radiação de comprimento de onda curto emitida pelo GaN LED é baixo-convertida pelo fósforo, e a luz combinada é percebida como branca pelo olho humano. Embora esses produtos tenham provado o conceito de LED branco e tenham sido usados em certas aplicações de iluminação em nicho, eles não são adequados para aplicação de iluminação geral devido a sua baixa produção global de luz e baixa eficácia.

[0091] Para obtenção de maior eficácia luminosa com LEDs brancos, são necessários aperfeiçoamentos em vários estágios: eficiência quântica interna, eficiência de extração, e eficiência de conversão de fósforo. Alguns pesquisadores têm se concentrado no desafio de pesquisar os materiais e aspectos de crescimento do semicondutor para aperfeiçoar a eficiência quântica interna. Outros estão explorando chips conformados, cristais fotônicos, LEDs em microescala, e outros métodos novos para aperfeiçoar a eficiência de extração de luz. Outros ainda estão investigando novos fósforos que tenham maiores eficiências de baixa conversão e maiores propriedades ópticas.

[0092] Embora a literatura anterior tenha conhecimento de que uma parte significante da luz é retrodispersada pelo fósforo e perdida dentro do LED devido a absorção, no que há de mais conhecido dos inventores nenhum até hoje tentou aperfeiçoar a performance extraindo esses fótons retrodispersados por meio do método de extração de fótons dispersados (SPE), proporcionado pelas modalidades da presente invenção, que significativamente aumenta a produção de luz global e eficácia luminosa de um LED branco fósforo-convertido por recuperação dos fótons dispersados.

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26/30 [0093] Para melhor entendimento da interação entre luz de comprimento curto primária e fósforo e para quantificar a quantidade de luz dispersada para frente e para trás várias placas de vidro circulares, de 5cm de diâmetro, foram revestidas pelos inventores com diferentes densidades de fósforo YAG:Ce variando de 2mg/cm² a 8mg/cm². Essas placas de fósforo foram colocadas entre duas esferas lado a lado integrais com o revestimento de fósforo faceando a esfera a direita. O material de fósforo foi excitado por radiação de um LED azul de 5mm dentro da esfera à direita 2,5cm distante da placa de vidro. Um espectrômetro mediu a produção de luz de cada esfera através de orifícios de medição. A produção de luz medida das esferas à esquerda e à direita indicou a quantidade de luz transmitida através e refletida da camada de fósforo, respectivamente. Os dados do espectrômetro foram analisados para determinar a quantidade de fluxo nas regiões azul e amarela, correspondendo à energia radiante emitida pelo LED e a energia convertida do fósforo YAG:Ce. Resultados experimentais mostraram que as distribuições de energia espectral para as radiações transmitidas e refletidas são diferentes, especialmente a quantidade de razão de azul para amarelo. A quantidade de radiações transmitidas e refletidas depende da densidade de fósforo, com densidades inferiores resultando em percentagens superiores de radiação transmitida. Tipicamente, a densidade de fósforo pode ser controlada de modo que a luz azul e a luz amarela transmitidas fiquem na proporção correta para produzir luz branca de uma cromaticidade adequada, que tipicamente a coloca sobre ou próximo ao local do corpo negro. Dos dados reunidos, foi estimado que cerca de 40% da luz é transmitida quando se cria uma luz branca equilibrada e os 60% remanescentes são refletidos. Yamada et al. chegaram a resultados similares, como reportado por K. Yamada, Y. Imai, K Ishii, em J. Light & Vis. Env. 27 (2), 70 (2003). Em um LED branco convenciPetição 870180047493, de 04/06/2018, pág. 31/43

27/30 onal, uma porção significante dessa luz refletida é absorvida pelos componentes que circundam a matriz, uma das razões para sua baixa eficácia luminosa.

[0094] Um método pelo qual a maior parte da luz refletida pode ser recuperada está ilustrado na figura 13, que mostra esquematicamente um pacote de LED com extração de fótons dispersados (SPE), implementada. Diferentemente de um típico pacote de LED branco convencional, onde o fósforo é espalhado em torno da matriz, no pacote de SPE da invenção, a camada de fósforo é movida para longe da matriz, deixando um meio transparente entre a matriz e o fósforo. Uma conformação geométrica eficiente para o pacote pode ser determinada via análise de rastreamento de raios. A geometria do pacote desempenha um papel importante, e a geometria mostrada na figura 13 transfere eficientemente a luz que sai da matriz de GaN para a camada de fósforo e permite que a maior parte da luz retrodispersada da camada de fósforo escape do óptico. Em comparação com o pacote convencional típico, mais fótons são recuperados com esse pacote de SPE. Aqui, de novo, a densidade de fósforo determina a cromaticidade da luz branca final.

[0095] É importante notar que o pacote de SPE requer uma densidade de fósforo diferente para criar luz branca com coordenadas de cromaticidade similares ao pacote de LED branco convencional. Essa diferença é o resultado do pacote de SPE misturar luz transmitida e retrorrefletida com espectros dissimilares, enquanto o pacote convencional usa predominantemente a luz transmitida.

[0096] Para verificar que o pacote de SPE mostrado na figura 13 proporciona produção de luz e eficácia luminosa maiores, foi conduzido um experimento com 12 LEDs de alto fluxo convencionais, 6 azuis 3 W e 6 azuis 3 W, adquiridos do mesmo fabricante. Um óptico comercial que se adapta às exigências do perfil do pacote de SPE foi encontrado, e vários foram adquiridos para experimentação com os LEDs. Embora

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28/30 esse elemento óptico não tivesse a geometria desejada mostrada na figura 13 para extrair a maior parte da luz retrodispersada ele foi suficiente para verificar a hipótese. A parte plana superior do óptico secundário do experimento foi revestida com uma quantidade predeterminada de fósforo YAG:Ce. A densidade de fósforo requerida foi determinada em um experimento separado por variação sistemática da quantidade de densidade de fósforo, análise da cromaticidade resultante e seleção da densidade que produziu uma cromaticidade próxima daquela do LED branco comercial usado no experimento. Para comparar as performances dos dois conceitos de empacotamento, os LEDs brancos foram equipados com ópticos secundários não revestidos. A produção de luz e o espectro dos LEDs brancos comerciais foram medidos em uma esfera de integração, e a corrente e a voltagem requeridas para fornecer energia aos LEDs foram também medidas. As mesmas medições foram repetidas para os pacotes de SPE, que incluíam LEDs azuis equipados com ópticos secundários revestidos com fósforos, conforme mostrado na figura 13.

[0097] Constatou-se que o fluxo luminoso médio e a eficácia média correspondente para os pacotes de SPE LED são de 90,7 lm e 36,3 lm/W, respectivamente. O fluxo luminoso médio e a eficácia média correspondente para pacotes de LED branco típicos eram de 56,5 lm e 22,6 lm/W, respectivamente. Portanto, os pacotes de SPE LED na média tinham 61% a mais de produção de luz e eficácia luminosa de 61% mais alta. A variação de fluxo luminoso e eficácia correspondente entre LEDs similares era pequena, com desvio padrão de menos que 4%. Os pacotes de SPE tinham consistentemente uma produção de lúmen maior e maior eficácia em comparação com os pacotes de LED branco convencional típico.

[0098] O impacto da corrente da produção de luz e na eficácia foi também medido nos dois pacotes de LED em um LED branco típico e

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29/30 em um pacote de SPE. Esses dois LEDs foram submetidos ao mesmo procedimento de medição de produção de luz, mas a sua corrente de entrada foi reduzida de 700 mA para 50 mA em várias etapas, e os dados fotométricos e elétricos foram agrupados. Em correntes muito baixas, o pacote de SPE excedeu 80 lm/W, em comparação à 54 lm/W para o pacote convencional.

[0099] Com o pacote de SPE, os fótons retrodispersados são extraídos antes deles serem absorvidos pelos componentes dentro do LED. É essencial que a camada de fósforo seja colocada bem longe da matriz, e os fótons retro-dispensados sejam extraídos antes de sofrerem múltiplas reflexões dentro do pacote. O movimento do fósforo para longe da matriz tem um benefício adicional: a vida do LED branco é também aperfeiçoada conforme demonstrado em um artigo anterior (Narendran, N., Y. Gu, J.P. Freyssinier, H. Yu, e L. Deng 2004. Solid state lighting: Failure analysis of White LEDs. Journal of Crystal Growth 268 (3-4): 449456).

[00100] Um método alternativo da presente invenção para recuperar uma parte da luz retrodispersada é revestir os lados dos ópticos secundários com material refletor, conforme mostrado nas figuras 5A e 5B. Embora a eficácia possa aperfeiçoar, em comparação com o pacote de LED branco convencional, o ganho não é tanto, porque a luz retrodispersada bate para trás e para frente entre a camada de fósforo e os refletores, e uma boa parte dessa luz é absorvida e perdida como calor. Uma desvantagem desse método é que aumentando-se o comprimento de percurso da luz de comprimento curto que percorre através do material de epóxi circundante, o epóxi se degrada mais rápido e assim reduz a vida útil do LED branco.

[00101] É para ser entendido que a geometria do pacote de SPE na figura 13 não está limitada a essa conformação específica. ConformaPetição 870180047493, de 04/06/2018, pág. 34/43

30/30 ções alternativas podem ser usadas para recuperar os fótons retrodispersados mais eficientemente, enquanto pode se focar em outras preocupações do projeto, tais como cor e vida. Como um exemplo, na configuração da figura 13, os inventores descobriram que um tamanho preferido para o diâmetro da superfície superior é de cerca de 20 mm e um tamanho preferido para a altura é de cerca de 11 mm.

[00102] Em suma, a presente invenção recupera a luz retrodispersada da camada de fósforo. Além disso, a produção de luz total e a eficácia luminosa correspondente de um LED branco podem ser aumentadas significativamente em comparação com um LED branco convencional. Em correntes baixas o método de SPE mostra acima de 80 lm/W de luz branca com uma cromaticidade muito próxima ao local de corpo negro.

[00103] Embora a invenção tenha sido descrita com referência às modalidades exemplificativas, ela não está limitada às mesmas. Preferencialmente, as reivindicações apensas devem ser interpretadas para construir outras variantes e modalidades da invenção, que podem ser realizadas por aqueles versados na técnica sem se desviar do espírito e escopo reais da presente invenção.

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Claims (21)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Aparelho emissor de luz que compreende:

   um ótico cilíndrico transmissor de luz (10) que compreende dois segmentos separados (14a, 14b), cada um dos segmentos separados tendo uma superfície plana adjacente ao outro;

   ao menos uma fonte de luz (17, 19) disposta adjacente a uma extremidade de cada um dos pelo menos dois segmentos do ótico cilíndrico; e um material de baixa conversão (12), disposto ao longo de um eixo longitudinal central dentro do ótico cilíndrico transmissor de luz, para pelo menos um de transmitir ou refletir a luz transmitida pela fonte de luz, e adaptado para permitir a passagem de luz de um segmento para dentro do outro segmento do ótico cilíndrico transmissor de luz a fonte de luz é disposta adjacente a uma extremidade lateral do ótico cilíndrico transmissor de luz, o aparelho emissor de luz caracterizado pelo fato de que: a fonte de luz inclui uma primeira fonte de radiação e uma segunda fonte de radiação, as quais são espaçadas uma da outra e ambas dispostas adjacentes a uma extremidade lateral do ótico cilíndrico transmissor de luz; e o material de baixa conversão é disposto paralelo ao eixo longitudinal central.
2. 2. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz é um emissor de luz de semicondutor, que inclui um de um diodo emissor de luz (LED), um diodo laser (LD), ou um diodo emissor de luz de cavidade ressonante (RCLED).
3. 3. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de baixa conversão inclui um de fósforo ou outro material para absorver luz em uma região espectral

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   2/4 e emitir luz em uma outra região espectral.
4. 4. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz inclui pelo menos uma fonte de luz em cada lado do material de baixa conversão.
5. 5. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que as fontes de luz estão montadas em pelo menos um substrato.
6. 6. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo ótico inclui um material transmissor de luz.
7. 7. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo ótico inclui pelo menos um de uma lente (904, 1022, 1102) ou um tubo de luz (912, 1000) tendo uma propriedade transmissora de luz.
8. 8. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo ótico é ainda configurado para direcionar a luz emitida da fonte para o material de baixa conversão.
9. 9. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo ótico inclui um de uma lente (904, 1022, 1102) ou um tubo de luz (912, 1000) para direcionar a luz emitida da fonte para o material de baixa conversão.
10. 10. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz (17, 19, 56, 501, 602, 902, 1020, 1100, 1200) está disposta adjacente a primeira extremidade do dispositivo ótico (10, 606, 801,802, 803, 804, 805).
11. 11. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o material de baixa conversão (12, 50, 503, 504, 604, 1104, 1202) está disposto adjacente a segunda extremidade do dispositivo ótico, a segunda extremidade oposta à primeira

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    3/4 extremidade.
12. 12. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo ótico está geometricamente configurado para transmitir a luz refletida para fora do dispositivo ótico.
13. 13. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz inclui uma pluralidade de emissores de luz de semicondutor.
14. 14. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de baixa conversão (504) é depositado em uma parte da segunda extremidade do dispositivo ótico.
15. 15. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o material de baixa conversão é depositado para cobrir a segunda extremidade do dispositivo ótico.
16. 16. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que inclui um dispositivo coletor para coletar a luz transmitida para trás que foi transferida para fora do dispositivo ótico.
17. 17. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação

    16, caracterizado pelo fato de que o dispositivo coletor inclui um refletor (702, 906, 1024, 1106, 1206) para direcionar a luz transmitida para trás que foi transferida para fora do dispositivo ótico para longe do dispositivo coletor.
18. 18. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação

    17, caracterizado pelo fato de que (a) fonte de luz é disposta adjacente a primeira extremidade do dispositivo ótico, (b) o material de baixa conversão é disposto adjacente a segunda extremidade do dispositivo ótico, e (c) a primeira extremidade do dispositivo ótico é disposta adjacente a uma primeira extremidade do refletor.

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19. 19. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma conformação geométrica do dispositivo ótico inclui uma de uma conformação em cone, esfera, hipérbole, parábola, elipse, pirâmide, ou caixa.
20. 20. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda inclui um refletor (1106) que circunda pelo menos uma porção do dispositivo ótico, e um difusor de luz (1108) depositado no topo de pelo menos uma parte do refletor.
21. 21. Aparelho emissor de luz de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o material de baixa conversão (1202) é disposto entre a fonte de luz (1200) e o refletor (1206), e o material de baixa conversão (1202) tem uma conformação em curva.

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    1/11

    100%

    80%

    380 480 580 680 780

    Comprimento de onda (nm)

    -SPD refletida

    ----SPD produzida