УСТРОЙСТВО С ВЫХОДНЫМ ОПТИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
DEVICE WITH OUTPUT OPTICAL RADIATION AND ITS MANUFACTURING METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройствам с выходным оптическим излучением, в особенности, но не исключительно, с использованием дискретных источников оптического излучения, связанных со структурой с прозрачной подложкой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одним известным примером такого типа осветительного устройства является так называемое устройство «СИД в стекле». Пример изображен на фиг.1. Обычно используется стеклянная пластина с прозрачным проводящим покрытием (например, оксид индия и олова), образующим электроды. Проводящее покрытие наносится с целью создания электродов, которые соединяются с полупроводниковым прибором на СИДах (светоизлучающих диодах). Сборка завершается наслоением стекла, при этом СИДы 4 размещаются внутри слоя термопластика (например, поливинилбутираля - PVB) или слоя органической смолы.
На фиг.2 показана известная структура СИДа в стекле в поперечном сечении. Устройство содержит стеклянные пластины 1 и 2. Между стеклянными пластинами имеются (полу)прозрачные электроды 3а и 3b (например, выполненные из оксида индия и олова или тонких монтажных проводов) и СИД 4, соединенный с прозрачными электродами 3а и 3b. Между стеклянными пластинами 1 и 2 предусмотрен слой электроизоляционного материала 5 (традиционно PVB или чувствительная к ультрафиолетовому излучению смола).
К применениям такого типа устройств относятся стеллажи, витрины, фасады, офисные перегородки, наружная обшивка стен и декоративное освещение. Осветительное устройство может использоваться для освещения других объектов, для отображения изображения или попросту в декоративных целях.
Могут использоваться СИДы с верхним излучением, и они имеют выходное излучение точечного источника света. Могут также использоваться СИДы с боковым излучением, при этом выходное оптическое излучение связано с выходом рассеивающих центров в смоле.
Чтобы сделать точечное выходное излучение более равномерным, как известно, на СИДе применяется отражатель или иной световой экран, действующий в качестве маски для снижения интенсивности локального выходного оптического излучения. Это усложняет изготовление устройства, поэтому остаются сложности в обеспечении требуемого выходного излучения от дискретных источников оптического излучения с точки зрения направления излучения и размера световой точки, и некоторым образом незначительно увеличивает стоимость изготовления.
Существует также потребность в создании самосветящихся листов - предпочтительно тонких и обладающих значительной гибкостью. Это позволяет обеспечивать более широкий выбор применений продукта и может также позволить сэкономить на дорогостоящих процедурах формовки в процессе изготовления. Требуется оптически прозрачный материал, обладающий гибкостью, при необходимой толщине около 1-10 мм.
Один из примеров - помещение СИДов в проволочную сетку, которая встроена в силикон или иной полимер. Такая конструкция заменяет дорогостоящие печатные платы (РСВ) или структуры на стеклянной подложке. Однако проволочная сетка не учитывает небольшое отклонение в расположении приборов на СИДах вследствие ее нежесткого характера.
Чтобы маскировать центры световых пятен для СИДов, сформированных в такой сетчатой структуре, на сетке СИДов, как указано выше, могут быть предусмотрены оптические структуры (которые могут просто включать в себя отражающую белую краску).
Альтернативный подход состоит во встраивании светорассеивающих частиц в полимерную структуру (которая выполняет функцию световода). Форма или концентрация, а также свойства поглощения, отражения и пропускания этих частиц влияют на то, как они изменяют характеристики выходного оптического сигнала.
Основной недостаток этих методов состоит в том, что положение частиц или оптических структур и их рассеивающие свойства определяются в процессе изготовления системы и не учитывают положение источников света. Это требует дорогостоящей юстировки оптики по отношению к источникам света. Необходимые оптические структуры или рассеивающие частицы, которые используются для маскирования центров световых пятен, требуют уровня юстировки в диапазоне 10-100 микрометров относительно положения СИДа. Таким образом, точная юстировка оптических структур или частиц относительно СИДов вызывает затруднения.
В документе по предшествующему уровню техники WO2010/129815A2 описана световодная система, в которой источники света встроены в тело световода, содержащего отклоняющие свет частицы. Упомянутые частицы могут представлять собой небольшие пузыри или области с другими коэффициентами преломления. Концентрация отклоняющих свет частиц может варьироваться исходя из расположения встроенных источников света с целью получения необходимой картины светового излучения. Документ по предшествующему уровню техники умалчивает о способах реализации таких вариаций концентрации.
Целью настоящего изобретения является создание устройства с выходным оптическим излучением описанного в предыдущем абзаце типа, которое может изготавливаться практически осуществимым методом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с изобретением предлагается устройство с выходным оптическим излучением, содержащее:
- матрицу источников света;
- инкапсулирующий слой, в который встроена матрица источников света; и
- матрицу полостей или областей с коэффициентом преломления, отличающимся от коэффициента преломления инкапсулирующего слоя, сформированных в инкапсулирующем слое,
отличающееся тем, что полости или области имеют плотность или размер, которые зависят от их близости к положениям источников света, и отличающееся тем, что инкапсулирующий слой (32) содержит полимерную матрицу с добавкой, имеющей более низкую температуру кипения, чем матрица.
Полости используются для рассеивания выходного оптического излучения источника света, чтобы получить более равномерное световое излучение по поверхности устройства.
Источники света могут быть выполнены в виде СИДов, хотя могут использоваться и иные устройства с выходным оптическим излучением.
Благодаря тому, что плотность или размер полости/области выполнен зависящим от близости к источникам света, может использоваться самосборка полостей в инкапсулирующем слое. Свет отражается и преломляется на границах раздела полостей/областей с инкапсулирующим материалом. В этом случае поглощение не происходит, поскольку частицы, погруженные в среду, испытывают, по меньшей мере, некоторую степень поглощения света. Образование полости/области может легко регулироваться с помощью процесса изготовления.
Инкапсулирующий слой выполнен в виде полимерной матрицы с добавкой, имеющей более низкую температуру кипения, чем матрица. Добавка может при этом испаряться с образованием небольших заполненных газом полостей перед отверждением полимерной матрицы.
Добавка может испаряться за счет тепла источников света или света источников света.
Альтернативно, инкапсулирующий слой может быть выполнен в виде жидкости с диспергированным полимером с разделенными фазами. Выходное оптическое излучение может использоваться для того, чтобы вызвать реакцию полимеризации в смеси мономеров и неполимеризуемой жидкости. Когда реакция полимеризации приводит к образованию структуры полостей с полимерными стенками, неполимеризуемый жидкий материал может быть смыт с образованием полостей.
Опционально полости могут быть повторно заполнены вторым полимером или жидкостью.
В данном изобретении также предлагается способ изготовления устройства с выходным оптическим излучением, включающий в себя:
- встраивание матрицы источников света в инкапсулирующий слой;
- формирование матрицы полостей или областей с коэффициентом преломления, отличающимся от коэффициента преломления инкапсулирующего слоя, в инкапсулирующем слое, причем полости имеют численную плотность или размер, которые зависят от их близости к положениям источников света.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры изобретения подробно описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 схематически показано известное устройство на основе СИДа в стекле;
на фиг.2 схематически показан пример структуры устройства, изображенного на фиг.1;
на фиг.3(а) показан известный подход, в котором полости формируются в инкапсулирующем слое, в который встроены СИДы;
на фиг.3(b) показан подход изобретения, в котором полости формируются с плотностью или размером, которые зависят от их близости к положениям источников света;
на фиг.4 показано, как источники света вызывают локальный нагрев, когда они включены;
на фиг.5 показано, как профиль распределения температур может быть реализован с помощью сетчатой структуры проводов; и
на фиг.6 показано, как полости могут формироваться с помощью света, подаваемого от внешнего источника.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На всех чертежах одни и те же ссылочные позиции используются для обозначения одинаковых деталей.
В данном изобретении предлагается устройство с выходным оптическим излучением и способ его изготовления, в котором в инкапсулирующий слой встраивается матрица СИДов, и в инкапсулирующем слое формируется матрица полостей (или областей с другим коэффициентом преломления). Полости/области имеют плотность или размер, которые зависят от их близости к положениям СИДов с целью уменьшения центров световых пятен (локальных областей высокой интенсивности света) и посредством этого более равномерного воспроизведения выходного оптического излучения по площади устройства.
На фиг.3(а) показан известный подход, в котором полости 30 формируются в инкапсулирующем слое 32, в который встроены СИДы 34. На фиг.3(а) полости равномерно распределены в среде, и они выполнены в виде равномерно распределенной структуры пузырей, которая заполняет полимер инкапсулирующего слоя. Однако центры световых пятен все же присутствуют.
В данном изобретении предлагаются полости или области с другим коэффициентом преломления, имеющие численную плотность или размер, которые зависят от их близости к положениям СИДов, как показано на фиг.3(b). В частности, полости/области меньше и, следовательно, имеют более высокую плотность расположения вблизи СИДов. Это приводит к более сильному рассеянию света вблизи СИДов, меньшему просачиванию света вблизи СИДов и, следовательно, лучшему распространению света.
СИД 32 может быть соединен и, кроме того, проволочная сетка может быть встроена в прозрачный инкапсулирующий слой 30. Данный слой является силиконовым, но могут использоваться и другие материалы, такие как, например, РММА (полиметилметакрилат), PVC (поливинилхлорид), PU (полиуретан), РС (поликарбонат), РЕТ (полиэтилентерефталат), PES (полиэфирсульфон) или PEN (полиэтилен нафталат). Инкапсулирующий слой действует как световодный материал и, как правило, представляет собой прозрачный полимер.
Толщина инкапсулирующего слоя составляет приблизительно от 1 до 10 мм.
Проволочная сетка может быть выполнена в виде электропроводящих проводов, которые могут подавать электрический ток в СИДы, например медных проводов диаметром 0,25 мм.
Проволочная сетка и соединенные СИДы выполняются с помощью соответствующего промышленному стандарту перегрузочного процесса сборки и пайки, а герметизация выполняется с помощью литья или покрытия.
СИДы обычно представляют собой дискретные серийно выпускаемые компоненты и имеют типичный размер 2×3 мм, высоту 0,5-1 мм и находятся на расстоянии от 10 до 50 мм друг от друга в зависимости от требований применения.
Зависимость свойств полости/области от близости к СИДу достигается путем использования оптического или теплового излучения (тепла) с пространственной структурой с целью локального создания полостей/областей.
В первом примере используется самоформирование полостей путем дифференциального нагрева между двумя различными температурами.
На фиг.4 показано, как СИДы 32 вызывают локальный нагрев областей 35, когда они включены.
Инкапсулирующий слой выполняется в виде полимерной матрицы с добавкой, имеющей более низкую температуру кипения, чем матрица. Разность между температурой полимеризации основного инкапсулирующего материала и температурой кипения добавки используется для управления испарением добавки перед отверждением полимера. Благодаря этому инкапсулирующий слой выполняется в виде набора СИДов, погруженных в полимер с добавкой.
СИДы могут быть взаимосвязаны с помощью проволочной сетки, как указано выше, но это необязательно. Расположение СИДов может быть регулярным, случайным или псевдохаотическим.
Полимер световодного материала имеет температуру полимеризации и временную константу Тр и tp соответственно. Временная константа tp зависит от температуры Тр.
Добавка имеет низкую температуру Т2 кипения и соответствующую временную константу t2. Эта временная константа t2 является временной константой, связанной с коалесценцией пузырей: небольшие пузыри проявляют тенденцию к коалесценции с образованием крупных пузырей. Таким образом, имеется некоторая степень свободы: либо создавать высокую плотность небольших пузырей и предотвращать их коалесценцию путем своевременного стимулирования конечной полимеризации при Тр (относительно длительная t2) либо локально активировать образование крупных коалесцированных пузырей (относительно короткая t2).
В первом примере инкапсулирующий слой и его добавка локально нагреваются с помощью излучения источников света.
СИДы могут циклически включаться и выключаться для поддержания необходимой температуры (между Тр и Т2), чтобы вызывать испарение добавки перед полимеризацией слоя основного инкапсулирующего материала.
Во втором примере вместо использования локального нагрева, вызываемого СИДами, полости могут быть образованы путем дифференциального нагрева с помощью маски нагрева или создаваемого извне градиента. Таким образом, инкапсулирующий слой подвергается воздействию внешнего теплового излучения, которое имеет пространственный и временной градиент.
Профиль распределения температур может быть реализован с помощью сетчатой структуры проводов, проводящих ток, как схематически изображено на фиг.5. Проволочная сетка 50 вызывает локальное кипение/испарение добавки, поэтому плотность или размер полостей вблизи проводов является иными. Проволочная сетка 50 размещается и упорядочивается в инкапсулирующем слое и имеет максимальную ячейку в тех местах, в которых размещены СИДы.
Как объяснялось выше, одна возможность - это образование полостей меньшего размера, имеющих более высокую плотность расположения вблизи источников света, а другая возможность - это создание более крупных полостей вдали от источников света (например, с помощью проволочной сетки).
В альтернативном варианте осуществления сами соединительные провода СИДов используются с целью локального нагрева полимера. Обычно СИДы соединяются в группы. Сначала группа из N СИДов соединяется параллельно. Затем М этих групп соединяются последовательно с образованием матрицы соединенных СИДов N×M. Каждый из проводов, который соединяет группу СИДов параллельно, может использоваться в качестве проволочного нагревателя для достижения необходимого эффекта. При этом ток через СИДы не протекает, и тепло в СИДах не образуется.
В еще одном варианте осуществления, изображенном на фиг.6, полости формируются с помощью света, подаваемого от внешнего источника.
Инкапсулирующий материал может содержать добавку с низкой температурой кипения, как в приведенных выше примерах. Однако альтернатива состоит в использовании вещества, допускающего разделение фаз.
Используется внешний источник 60 света, который ускоряет формирование полостей в полимере вследствие светоиндуцированной полимеризации или светоиндуцированного образование химических связей. Между внешним источником света и инкапсулирующим материалом 64 помещается физическая маска 62.
Полимер инкапсулирующего слоя при этом облучается светом применимой длины волны. Маска создает пространственный градиент, необходимый для получения пространственного варьирования полостей.
В качестве полимера может использоваться, например, Merck PN393 или Norland 73, а в качестве добавки TL205 - жидкокристаллическая смесь компании Merck. Такие комбинации материалов, как известно, формируют слои так называемого жидкого кристалла с диспергированным полимером, в которых происходит разделение фаз между полимерной матрицей и жидкокристаллической фазой.
Подход с фазовыми переходами может также применяться при использовании самих СИДов в качестве источника света, как в приведенных выше примерах.
Вместо формирования полостей с помощью источника света формирование полостей может замедляться светом, например, светом, излучаемым встроенными СИДами.
Еще одной модификацией является использование разделения фаз с помощью фотополимеризации.
Известно, что смесь двух смешивающихся жидкостей может разделяться по фазе за счет полимеризации одного из компонентов. Это, например, имеет место в материале на основе так называемого жидкого кристалла с диспергированным полимером (PDLC), указанного выше, в котором полимерная матрица образуется посредством термической активации или выпаривания растворителя при фотополимеризации. В случае PDLC образуется непрерывность разных фаз, означающая, что и полимерная фаза, и жидкокристаллическая фаза являются сплошными материалами (без полостей, но губчатыми).
Жидкая фаза может при этом смываться, оставляя заполненную воздухом губчатую полимерную матрицу.
Может использоваться совокупность материалов, аналогичная совокупности соединения материалов жидкого кристалла с диспергированным полимером, в которой с помощью света СИДов индуцируется разделение фаз полимерного соединения и в которой жидкая фаза смывается и заменяется воздухом. В результате вблизи СИДов формируется самосовмещенная полимерная структура. Еще одна модификация состоит в использовании фазового разделения двух полимеров с различным коэффициентом преломления.
Мономеры двух полимеров могут являться смешивающимися на молекулярном уровне в зависимости от температуры и давления. Результирующая смесь имеет эффективный коэффициент преломления, определяемый хорошо известными правилами смешения.
Если в одном из мономеров начинается реакция полимеризации, например, посредством УФ облучения, начинают формироваться области полимера, и смешиваемость смеси может значительно уменьшиться: произойдет разделение фаз. Области полимера будут расти за счет масс-диффузии первого мономера. Если размер областей приблизится к оптическому размеру (микрометры), то начнет происходить рассеяние света, поскольку коэффициент преломления начинает проявлять сильные разрывности на границах области полимера.
В результате второй мономер может также полимеризироваться, например, за счет нагрева, при этом образуется новый материал с разделением фаз.
Таким образом, смесь двух или более мономеров может разделяться по фазе под воздействием излучения СИДа. В результате после разделения фаз все мономеры полимеризуются с целью стабилизации материала соединения.
Могут использоваться те же примеры материалов, что и приведенные выше, а именно Merck PN393 или Norland 73 может использоваться в качестве полимера, а TL205 - в качестве добавки.
В еще одном примере используется создаваемый внешним источником профиль распределения температур.
Расположение, плотность и размер полостей могут постепенно изменяться по толщине пленки (перпендикулярно плоскости) путем создания внешним источником профиля распределения температур по полимеру, например горячего внизу и более холодного на верхней поверхности (или наоборот). В соответствии с другим вариантом для создания встроенных структур может применяться чередующийся профиль (перпендикулярно плоскости) горячих и холодных областей в шахматном порядке.
Данное изобретение представляет особый интерес для сигнализационных панелей, декоративного освещения, такого как лампы, остекления, архитектурно-строительного стекла и окон с обеспечением секретности, а также для тыловой подсветки жидкокристаллических дисплеев (LCD). Возможны и другие применения, например мебель и прочие декоративные элементы.
Приведенные выше примеры основаны на СИДах. Однако СИДы можно заменить любым другим источником света (электрической лампой, флуоресцентной лампой с холодным катодом (CCFL), компактной люминесцентной лампой (CFL), органическими СИДами (OLED)).
При осуществлении заявляемого изобретения по результатам изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения специалисты могут понять и реализовать другие модификации. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а неопределенный артикль не исключает множества. Сам по себе тот факт, что некоторые критерии излагаются в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что совокупность этих критериев не может использоваться с пользой. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.