(57)【要約】  ＬＥＤ３４のアレイが封入層３２に埋め込まれる光出力デバイス及び製造方法である。空洞部３０（又は異なる屈折率の領域）のアレイが、封入層３２に形成される。空洞部／領域３０は、ホットスポット（局所的に高い光強度領域）を低減し、それによりデバイスの領域全体にわたって光出力をより均一にするために、発光ダイオード３４の存在場所への近さに依存する密度又はサイズを有している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源のアレイと、
前記光源のアレイが埋め込まれた封入層と、
前記封入層に形成された、前記封入層の屈折率と異なる屈折率の領域又は空洞部のアレイと
を有し、
前記領域又は空洞部は、前記光源の存在場所への近さに依存する数密度又はサイズを有し、前記封入層は、ポリママトリクスよりも低い沸点を有する添加物を伴う当該ポリママトリクスを有する、
光出力デバイス。
【請求項２】
前記添加物が前記光源の熱により蒸発する、請求項１記載の光出力デバイス。
【請求項３】
前記添加物が前記光源の光により蒸発する、請求項１記載の光出力デバイス。
【請求項４】
前記封入層が、相分離したポリマ分散型液体を有する、請求項１記載の光出力デバイス。
【請求項５】
前記領域がポリマを有する、請求項１記載の光出力デバイス。
【請求項６】
光源のアレイを封入層に埋め込むステップと、
前記光源の存在場所への近さに依存する数密度又はサイズを有する、前記封入層の屈折率と異なる屈折率の領域又は空洞部のアレイを前記封入層に形成するステップと
を有し、
空洞部のアレイは前記封入層において添加物を蒸発させることにより形成され、前記封入層はポリママトリクスを有し、前記添加物は前記マトリクスよりも低い沸点を有する、光出力デバイスを製造する方法。
【請求項７】
前記添加物が前記光源の熱により蒸発する、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記添加物が前記光源の光により蒸発する、請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記添加物が外部ソースの光又は熱により蒸発する、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
空洞部のアレイが、相分離したポリマ分散型液体の液体化合物を洗い流すことにより形成される、請求項６記載の方法。
【請求項１１】
領域のアレイが、前記光源の光出力の制御下でモノマ混合物の相分離により形成される、請求項６記載の方法。
【請求項１２】
ポリマで満たされた空洞部のアレイが形成される、請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光出力デバイス、特に、透明基板構造に関連する個別の光源を用いる光出力デバイスに関するが、これに限定されるものではない。
【背景技術】
【０００２】
このタイプの照明デバイスの１つの知られている例は、所謂「ガラス内ＬＥＤ（LED in glass）」デバイスである。一例が、図１に示されている。典型的には、電極を形成する透明な導電性コーティング（例えば、ＩＴＯ）部を有するガラス板が用いられる。この導電性のコーティング部は、半導体ＬＥＤデバイスに接続される電極を作製するためにパターニングされる。熱可塑性の層（例えば、ポリビニルブチラール、ＰＶＢ）又は有機樹脂層の内部にＬＥＤ４を有するようにガラスを重ね合わせることにより組立てが完成する。
【０００３】
図２は、既知のガラス内ＬＥＤ構造を断面図で示している。このデバイスは、ガラス板１及び２を有している。ガラス板の間に、（例えば、ＩＴＯ又は薄い導電線を用いて形成された）（半）透明電極３ａ及び３ｂと、透明電極３ａ及び３ｂに接続されるＬＥＤ４とが配されている。ガラス板１と２との間に、電気絶縁材料（通常、ＰＶＢ又はＵＶ樹脂）の層５が設けられている。
【０００４】
このタイプのデバイスの用途は、棚、ショーケース、ファサード、オフィスの仕切り、壁張り（wall cladding）及び装飾照明である。この照明デバイスは、他の物体の照明のため、画像の表示のため又は単に装飾の目的のために用いられ得る。
【０００５】
上面発光ＬＥＤが用いられることができ、これらはスポット光源出力を有している。側面発光ＬＥＤも用いられることができ、その場合、光出力は上記樹脂内の散乱中心からの出力に結合される。
【０００６】
スポット出力をより均一にするために、局所的な光出力強度を低減するマスクとしての役割を果たすＬＥＤを覆う反射体又は他の遮光体を適用することが知られている。これはデバイスの製造に複雑さを加え、その結果、個別の光源から所望の出力を与えることの困難及び製造コストを著しく増大させないやり方の難しさが残る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
大きな柔軟性を有する好ましくは薄い発光シートを作製したいという要求も存在する。これは、より多くの種類の製品の使用を可能にし、製造プロセスにおいて高価な成形手順を節約することもできる。約１ないし１０ｍｍの所望の厚さで柔軟性を有する光学的に透明な材料が必要とされる。
【０００８】
一例は、シリコーン又は他のポリマに埋め込まれたワイヤグリッド内にＬＥＤを配することである。この設計は、費用のかかるプリント回路基板（ＰＣＢ）又はガラス基板装置に取って代わるものである。しかしながら、ワイヤグリッドは、非剛性のためにＬＥＤデバイスの位置合わせにおける小さい許容誤差を認めない。
【０００９】
そのようなグリッド構造体に形成されるＬＥＤについてのＬＥＤのホットスポットを隠すために、上述したようなＬＥＤグリッド全体にわたって（単に反射性の白色塗料を有する）光構造体が与えられ得る。
【００１０】
代替の手法は、（光ガイドとしての機能を果たす）ポリマ構造体に光散乱粒子を埋め込むことである。これらの粒子の形状又は濃度、吸収、反射及び透過特性は、当該粒子がどのように光出力の特徴を変えるかに影響を及ぼす。
【００１１】
これらの技術の主な欠点は、粒子又は光構造体の位置及びそれらの散乱特性が、系の製造プロセスにおいて決定され、光源の位置を考慮しないことである。これは、光源に対する光学系の費用のかかる位置合わせを必要とする。ホットスポットを隠すために用いられる必要な光構造体又は散乱粒子は、ＬＥＤの位置に対して１０ないし１００マイクロメートルの範囲の位置合わせのレベルを必要とする。従って、ＬＥＤに対する光構造体又は粒子の正確な位置合わせが、問題を引き起こしている。
【００１２】
先行技術の文献、国際特許出願公開ＷＯ２０１０／１２９８１５Ａ２号公報には、光源が光偏向粒子を有する光ガイドの本体内部に埋め込まれた光ガイドシステムが説明されている。上記粒子は、小さい気泡又は異なる屈折率を有する領域である。光偏向粒子の濃度は、所望の光放射パターンを得るために埋め込まれる光源の位置に基づいて変更され得る。上記先行技術の文献は、そのような濃度の変化を実現する方法については言及していない。
【００１３】
本発明は、実際的なやり方で生成され得る前の段落において説明されたタイプの光出力デバイスを与えることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、光源のアレイと、上記光源のアレイが埋め込まれた封入（encapsulation）層と、上記封入層に形成された、上記封入層の屈折率と異なる屈折率の領域又は空洞部のアレイとを有し、上記領域又は空洞部が、上記光源の存在場所への近さに依存する数密度又はサイズを有し、上記封入層が、ポリママトリクスよりも低い沸点を有する添加物を伴う当該ポリママトリクスを有する光出力デバイスが与えられる。
【００１５】
上記空洞部は、デバイスの表面全体にわたってより均一な光の放射をもたらすように光源の光出力を散乱させるために用いられる。
【００１６】
上記光源はＬＥＤを有しているが、他の光出力デバイスが用いられ得る。
【００１７】
上記空洞部／領域の密度又はサイズを光源への近さに依存させることにより、封入層における空洞部の自己組織化が用いられ得る。光は、空洞部／領域と封入材料との界面で反射し、屈折する。このケースでは吸収が生じず、媒体に埋没（immerse）している粒子が少なくとも幾分かの光の吸収を経験する。空洞部／領域の形成は、製造プロセスにより容易に制御され得る。
【００１８】
上記封入層は、ポリママトリクスよりも低い沸点を有する添加物を伴う当該ポリママトリクスを有している。その場合、添加物は、ポリママトリクスを硬化する前に小さいガスで満たされた空洞部を形成するために蒸発する。
【００１９】
上記添加物は、光源の熱又は光源の光により蒸発する。
【００２０】
代替として、上記封入層は、相分離したポリマ分散型液体を有する。光出力は、モノマ及び重合可能ではない液体の混合物の重合反応を引き起こすために用いられる。重合反応がポリマ壁の空洞部のネットワークの形成をもたらすと、非重合液体材料が空洞部を形成するように洗い流される。
【００２１】
オプションで、上記空洞部は、第２のポリマ又は液体で再度満たされ得る。
【００２２】
本発明は、また、光源のアレイを封入層に埋め込むステップと、上記光源の存在場所への近さに依存する数密度又はサイズを有する、上記封入層の屈折率と異なる屈折率の領域又は空洞部のアレイを上記封入層に形成するステップとを有する光出力デバイスを製造する方法を提供する。
【００２３】
本発明の例が、添付の図面を参照してこれから詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】既知のガラス内ＬＥＤ照明デバイスを模式的に示している。
【図２】図１のデバイスの構造の一例を模式的に示している。
【図３ａ】ＬＥＤが埋め込まれる封入層に空洞部が形成される既知の手法を示している。
【図３ｂ】光源の存在場所への近さに依存する数密度又はサイズを有する空洞部が形成される本発明の手法を示している。
【図４】光源がオンにされた時に該光源がどのように局所的な加熱を引き起こすかを示している。
【図５】ワイヤの網目状の配置によって温度パターンがどのように実現されるかを示している。
【図６】空洞部が外部から与えられる光によりどのように形成されるかを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
各図面にわたって同様の部分を示すために、同じ参照符号が用いられている。
【００２６】
本発明は、ＬＥＤのアレイが封入層に埋め込まれ、空洞部（又は異なる屈折率の領域）のアレイが上記封入層に形成される光出力デバイス及び製造方法を与える。上記空洞部／領域は、ホットスポット（局所的に高い光強度領域）を低減し、それによりデバイスの領域全体にわたって光出力をより均一にするために、発光ダイオードの存在場所への近さに依存する密度又はサイズを有している。
【００２７】
図３（ａ）は、ＬＥＤ３４が埋め込まれる封入層３２に空洞部３０が形成される既知の手法を示している。図３（ａ）では、空洞部は、媒体中に均一に分布しており、封入層のポリマに広がる均一に分布する配置の気泡を有している。しかしながら、ホットスポットが依然として存在する。
【００２８】
本発明は、図３（ｂ）に示されているように、ＬＥＤへの近さに依存する数密度又はサイズを有する異なる屈折率の領域又は空洞部を与える。特に、上記空洞部／領域は、ＬＥＤの近くではより小さく、従って、より密集している。これは、ＬＥＤの近くでのより強い光の後方散乱、ＬＥＤの近くでのより少ない光の漏れ及び、従ってより良好な光の拡散をもたらす。
【００２９】
ＬＥＤ３４は接続されることができ、ワイヤグリッドも透明な封入層３２に埋め込まれ得る。この層はシリコーンであるが、例えば、ＰＭＭＡ、ＰＶＣ、ＰＵ（ポリウレタン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＴ、ＰＥＳ又はＰＥＮのような他の材料も使用され得る。封入層は、導光材料として機能し、一般に、透明のポリマである。
【００３０】
上記封入層の厚さは、約１ないし１０ｍｍである。
【００３１】
ワイヤグリッドは、ＬＥＤに電流を送る導電性ワイヤ、例えば、径０．２５ｍｍの銅線を有している。
【００３２】
ワイヤグリッド及び接続されるＬＥＤは、業界標準のピックアンドプレイス式のアセンブリ及びはんだ付けプロセスにより形成され、封入部は、鋳造又はコーティング加工により形成される。
【００３３】
ＬＥＤは、典型的には、個別の既製品であり、典型的には２×３ｍｍのサイズ及び０．５ないし１ｍｍの高さを有しており、当該アプリケーションの要求に依存して１０ないし５０ｍｍの間隔で配置されている。
【００３４】
ＬＥＤへの近さに対する空洞部／領域の特性の依存は、空洞部／領域を局所的に作り出すために空間パターンを有する光又は熱放射（熱）を用いることにより達成される。
【００３５】
第１の例は、２つの異なる温度にわたる示差加熱法による空洞部の自己形成を使用する。
【００３６】
図４は、ＬＥＤ３２がオンにされた時にどのように領域３５の局所的な加熱を引き起こすかを示している。
【００３７】
上記封入層は、マトリクスよりも低い沸点を有する添加物を伴うポリママトリクスを有している。主な封入材料の重合温度と添加物の沸点との差が、ポリマが凝固する前の添加物の蒸発を制御するために用いられる。従って、封入層は、添加物を有するポリマに埋没しているＬＥＤのセットを有する。
【００３８】
ＬＥＤは、上述したようにワイヤグリッドにより相互接続され得るが、これは必須ではない。ＬＥＤの配置は、規則的であっても、ランダムであっても、疑似カオス的であってもよい。
【００３９】
導光材料のポリマは、Ｔｐ及びｔｐの重合温度及び時定数をそれぞれ有している。時定数ｔｐは、温度Ｔｐに依存する。
【００４０】
添加物は、低い沸点Ｔ２及び関連する時定数ｔ２を有している。この時定数ｔ２は、気泡合体に関連する時定数であり、小さい気泡は大きい気泡を形成するために合体する傾向がある。従って、高密度の小さい気泡を生成し、Ｔｐ（相対的に長いｔ２）で最終的な重合を適時に引き起こすことによりそれらの小さい気泡が合体することを防止するか、大きい合体した気泡の形成（相対的に短いｔ２）を局所的に促進するかの自由度が存在する。
【００４１】
この第１の例では、封入層及びその添加物が、光源の照射により局所的に加熱される。
【００４２】
ＬＥＤは、主な封入材料の層の重合前に添加物を蒸発させるために（ＴｐとＴ２との間の）所望の温度を維持するようにオンとオフとを繰り返される。
【００４３】
第２の例では、ＬＥＤにより引き起こされる局所的な加熱の代わりに、加熱マスク又は外部から引き起こされる勾配を用いる示差加熱法により空洞部が形成される。従って、封入層は、空間的及び時間的勾配を有する外部からの熱放射に曝される。
【００４４】
温度パターンは、図５に模式的に示されているように、電流を伝える網目状のワイヤにより実現され得る。網目状のワイヤ５０は、添加物の局所的な沸騰／蒸発を引き起こし、その結果、空洞部の密度又はサイズがワイヤの近くで異なる。網目状のワイヤ５０は、封入層上に配されて位置合わせされ、ＬＥＤが配される最大の開口を有する。
【００４５】
上述したように、光源付近のより小さく、より数密度の高い空洞部の形成が１つの選択肢であり、（例えば、グリッドワイヤを用いる）光源から離れたより大きな空洞部の形成が他の選択肢である。
【００４６】
代替の実施形態では、ＬＥＤを相互接続するワイヤ自体が、ポリマを局所的に加熱するという目的にかなう。典型的には、ＬＥＤはグループで接続される。最初に、Ｎ個のＬＥＤのグループが並列に接続される。次に、Ｍ個のこれらのグループがＮ×Ｍ個接続されたＬＥＤアレイを形成するように直列に接続される。ＬＥＤのグループを並列に接続するワイヤのそれぞれは、所望の効果を達成するためにヒーターワイヤとして用いられる。ＬＥＤを通って流れる電流は存在せず、ＬＥＤ内に熱が生成されない。
【００４７】
図６に示されている他の実施の形態では、外部から与えられる光により空洞部が形成される。
【００４８】
封入材料は、上記例におけるような低沸点の添加物を有している。しかしながら、代替案は、相分離が起こることを可能にする基板の使用である。
【００４９】
光誘起重合又は光誘起化学結合によりポリマ内における空洞部の形成を速める外部光源６０が用いられる。物理的マスク６２が、外部光源と封入材料６４との間に配される。
【００５０】
従って、封入層のポリマは、適切な波長の光により照射される。上記マスクは、空洞部の空間的変化を有するのに必要な空間的勾配を生成する。
【００５１】
ポリマには、例えば、メルク（Merck）社製ＰＮ３９３又はノーランド（Norland）社製７３が用いられ、添加物には、メルク社からの液晶混合物ＴＬ２０５が用いられ得る。これらの材料の組み合わせは、ポリママトリクスと液晶相との間で相分離が生じると所謂高分子分散型液晶層を形成することが知られている。
【００５２】
相変化の手法は、上記例におけるような光源としてＬＥＤ自体を用いて使用されもし得る。
【００５３】
光源を用いる空洞部の形成の代わりに、光、例えば、埋め込まれるＬＥＤにより発せられる光によって、空洞部の形成が遅らされ得る。
【００５４】
他のバリエーションは、光重合による相分離を用いることである。
【００５５】
２つの混和可能な液体の混合物は、成分の１つの重合により相分離することが知られている。これは、例えば、ポリママトリクスが熱活性化又は光重合の溶媒の蒸発により形成する上述した所謂高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）材料におけるケースでもある。ＰＤＬＣのケースでは、高分子相及び液晶相の両方が（空洞部を有していないが、スポンジ状の）連続的な材料であることを意味する共連続相が形成される。
【００５６】
従って、液晶相は、洗い流され、空気で満たされたスポンジ状のポリママトリクスを残す。
【００５７】
高分子化合物の相分離がＬＥＤの光により生じ、液相が洗い流され、空気と置き換えられる場合、高分子分散型液晶材料化合物系と同様の材料系が用いられ得る。従って、自己整合ポリマネットワークがＬＥＤの近くで形成される。他のバリエーションは、異なる屈折率を持つ２つのポリマの相分離を使用することである。
【００５８】
２つのポリマのモノマは、温度及び圧力に依存して分子スケールで混和可能である。結果として得られる混合物は、よく知られている混合側により決定される有効な屈折率を有している。
【００５９】
重合反応が、例えば、ＵＶ照射によりモノマの１つから開始される場合、ポリマドメインが形成し始め、混合物の混和が大きく減少され、相分離が生じる。ポリマドメインは、第１のモノマの質量拡散により成長する。ドメインのサイズが光学的寸法（ミクロンオーダー）に近づくと、屈折率がポリマ界面において強い不連続性を示し始めるので、光の散乱が起こり始める。
【００６０】
その後、第２のモノマも、例えば加熱により重合され、新しい相分離された材料が形成される。
【００６１】
従って、２つ以上のモノマの混合物は、ＬＥＤの光の影響下で相分離され得る。続いて、相分離後、化合物の材料を安定させるために全てのモノマが重合される。
【００６２】
上記の材料と同じ材料の例が用いられ得る。すなわち、ポリマについてはメルク社製ＰＮ３９３又はノーランド社製７３が用いられ、添加物についてはＴＬ２０５が用いられ得る。
【００６３】
他の例は、外部から与えられる温度プロファイルを用いる。
【００６４】
空洞部の形成、密度及びサイズは、ポリマの全体に、例えば、底部は温度が高く、上面はより冷たい（又はその逆の）外部からの温度プロファイルを与えることにより（水平面に対して垂直な）フィルムの厚さにわたって徐々に変化し得る。代替として、温かい領域及び冷たい領域の（水平面に対して垂直な）交互のプロファイルが、一体型のパターンを生成するように市松模様の形で適用され得る。
【００６５】
本発明は、特に、標識（signage）、ランプ、窓、建築用ガラス及び秘密窓（security window）のような装飾照明並びにＬＣＤのバックライトに関心がある。家具及び他の装飾品のような他の用途が考えられる。
【００６６】
上記例は、ＬＥＤに基づくものである。しかしながら、ＬＥＤは、任意の他の光源（電球、ＣＦＦＬ、ＣＦＬ、ＯＬＥＤ）に置き換えられ得る。
【００６７】
開示された実施形態以外の他の変形形態が、図面、この開示及び添付の特許請求の範囲の研究から特許請求の範囲に記載されている本発明を実行する際に、当業者によって理解され、もたらされ得る。特許請求の範囲において、「有する」という語は、他の構成要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は、複数を排除するものではない。或る方策が互いに異なる従属請求項に挙げられているという単なる事実は、これらの方策の組み合わせが有利に用いられないことを示してはいない。特許請求の範囲におけるいかなる参照符号もが、範囲を限定するように解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2014521208.tif 000010
2014521208.tif 000011
2014521208.tif 000012