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復合透明發光裝置.pdf

摘要
申請專利號:

CN201480025084.2

申請日:

2014.05.09

公開號:

CN105164358A

公開日:

2015.12.16

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):E06B 3/663申請日:20140509|||公開
IPC分類號: E06B3/663; G02B5/02; F21V8/00; F21V33/00 主分類號: E06B3/663
申請人: 工程吸氣公司
發明人: 卡洛杰羅·夏夏; 阿萊西奧·科拉扎; 科拉多·卡雷蒂
地址: 意大利米蘭
優先權: MI2013A000774 2013.05.10 IT
專利代理機構: 北京集佳知識產權代理有限公司11227 代理人: 王萍; 陳煒
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201480025084.2

授權公告號:

105164358B||||||

法律狀態公告日:

2017.06.09|||2016.05.11|||2015.12.16

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

提供了一種復合透明發光裝置,包括透明元件、均勻分布的低濃度介電顆粒,反射周邊以及周邊分立光源。復合透明發光裝置不僅在其非操作狀態下具有改進的外觀,而且同時當其主動發光時,即當在其周邊上的分立光源開啟時,能夠提供高質量的照明。

權利要求書

權利要求書
1.  一種復合透明發光裝置(10;20;30),包括:復合透明元件(11;21;31)以及與所述復合透明元件周邊(12、12’、…;22)光耦合的分立光源(13、13’、…;23、23’、…;33、33’);限定所述復合透明發光裝置(10;20;30)的邊界的反射框(12、12’、…;24;34),所述反射框(12、12’、…;24;34)存在于所述復合透明發光裝置周邊(12、12’、…;22)的至少80%上,其特征在于:
a.所述復合透明元件包括透明基體和均勻分散的介電顆粒,
b.所述透明基體在500nm處計算的光學消光系數等于或小于0.009cm-1,以及
c.所述介電顆粒的體積濃度在如下之間:



其中ρ是以μm為單位表示的平均介電顆粒尺寸,而m是在500nm處得到的所述介電顆粒的折射率與所述透明基體的折射率之比。

2.  根據權利要求1所述的復合透明發光裝置,其中,所述介電顆粒的體積濃度為:
●如果20μm>ρ≥5μm,那么介電顆粒的體積濃度在10-6與10-5之間,
●如果1μm>ρ>0.3μm,那么介電顆粒的體積濃度在10-6與10-5之間,或者
●如果0.1μm>ρ>0.04μm,那么介電顆粒的體積濃度在10-4.5與 10-3之間。

3.  根據前述權利要求中任一項所述的復合透明發光裝置,其中,所述均勻分散的介電顆粒存在于所述透明元件(11;21)內。

4.  根據權利要求1或2所述的復合透明發光裝置,其中,所述均勻分散的介電顆粒作為沉積在透明基板(35、35’)上的附加層(31)而存在。

5.  根據前述權利要求中任一項所述的復合透明發光裝置,其中,所述分立光源(13、13’、13”;33、33’)在所述透明元件內,并且所述分立光源(13、13’、13”;33、33’)在所述透明元件內的深度等于或小于2cm。

6.  根據權利要求1至4中任一項所述的復合透明發光裝置,其中,所述分立光源(23、23’、23”)在所述透明元件(21)的外部并且與所述透明元件(21)光耦合。

7.  根據前一項權利要求所述的復合透明發光裝置,其中,所述分立光源(23、23’、…)與所述透明基板(21)的至少兩個相對側光耦合。

8.  根據前述權利要求中任一項所述的復合透明發光裝置,其中,所述透明元件(11;21;31)具有矩形或方形形狀。

9.  根據前述權利要求中任一項所述的復合透明發光裝置,其中,所述透明元件周邊(12、12’、…;22)每單位長度的所述分立光源(13、13’、…;23、23’、…;33、33’)的數目相應于沿著所述裝置周邊每米長度5W至每米長度18W之間的功率供給。

10.  根據前述權利要求中任一項所述的復合透明發光裝置,其中,來自所述分立光源(13、13’、…;23、23’、…;33、33’)的總的光輸出為在所述復合透明發光裝置(10;20;30)的表面的每平方米2000流明至每平方米5000流明之間。

11.  根據前述權利要求中任一項所述的復合透明發光裝置,其中,所述分立光源(13、13’、…;23、23’、…;33、33’)包括LED、OLED、OLET。

說明書

說明書復合透明發光裝置
本發明涉及復合透明發光裝置。
近年來,已經有一些活動來改善透明元件的外觀和特性以給予透明元件另外的性能并且將透明元件的原有功能從無源元件改變成有源裝置。
例如,對于建筑窗,已經實施了一些活動以使透明元件成為在夜間期間的環境照明源,例如在國際專利申請WO2009/040724中所描述。在這種情況下,通過將有機發光元件置于入射太陽輻射路徑中來獲得技術效果;這樣的解決方案是復雜的、昂貴的并且不能避免對窗透明度的消極影響,除非使用非常昂貴的材料和處理。
在國際專利申請WO2012/041480和WO2007/047684中描述了其他解決方案。在這些情況下,已經描述了與在窗的中心部分更密集的分散顆粒耦合的周邊光源以便獲得亮度輸出。這樣的濃度梯度具有影響窗透明度和均勻性的缺點。
美國專利申請8,237,352示出了將與具有均勻的高濃度磷光成分的LED燈耦合的光致發光片,但是沒有解決片的透明度問題。
本發明的目的是通過提供一種復合透明發光裝置來克服已知技術中仍然存在的缺點,該復合透明發光裝置在白天均勻地透明,并且同時能夠在夜間期間(即,當開啟時)變成優良質量的均勻光源。
借助于本發明來獲得這些效果,本發明的第一方面在于一種復合透明發光裝置,包括:透明元件,該透明元件具有與透明元件周邊光耦合的分立光源;限定復合透明發光裝置的邊界的反射框。所述反射框覆蓋復合透明發光裝置周邊的至少80%。透明元件的特征在于:
a.該透明元件包括具有均勻分散的介電顆粒的透明基體,
b.該透明基體在500nm處得到的光學消光系數等于或小于0.009cm-1,以及
c.上述介電顆粒的體積濃度在如下之間:



其中ρ是以μm為單位表示的平均介電顆粒尺寸,而m是在500nm處得到的介電顆粒的折射率與透明基體的折射率之比。
優選地,復合透明發光裝置具有的介電顆粒的體積濃度為:
●如果20μm>ρ≥5μm,那么在10-6與10-5之間,
●如果1μm>ρ>0.3μm,那么在10-6與10-5之間,或者
●如果0.1μm>ρ>0.04μm,那么在10-4.5與10-3之間。
將借助于以下附圖進一步示出本發明,其中:
●圖1是根據本發明的復合透明發光裝置的俯視圖的示意圖,
●圖2是根據本發明的透明發光裝置的可替選實施方式的俯視圖的示意圖,
●圖3是根據本發明的復合透明發光裝置的另一可替選實施方式的截面示意圖,
●圖4至圖6示出了以三種不同類型的材料粉末以及變化的樣品濃度加載,在可見光譜上關于消光系數而采集的試驗數據,
●圖7示出了對于根據本發明制成的透明子組件的CCD相機的記錄的圖示,以及
●圖8示出了對于未根據本發明制成的透明子組件的CCD相機記錄的圖示。
在附圖中,將省略對于發明構思的說明來說不必要的輔助元件,例如, 參照圖1至圖3,未示出分立(discrete)光源的電源、開關和控制器。此外,已經將一些特征放大以增強對附圖的理解,其中,特別地但不排他地參照圖1和圖2的介電顆粒的尺寸,這些特征是本發明與其可選地結合冷光的散射性能有關的主要部件。
本發明人已經發現了如下一組特征,在例如在建筑窗、內壁隔板、燈具中利用發光裝置的透明度時該組特征對于發光裝置在非操作狀態下具有改進的外觀是必要的,并且同時當發光裝置發光時,即當在其周邊上的分立光源開啟時,能夠提供高質量的照明。高質量的照明是指光令人愉悅地擴散,而沒有可見的刺眼或光閃耀。
這樣的特征是均勻分布的低濃度介電顆粒與反射框的使用相結合以通過多次反射引導光并使光改向離開面板。在已知技術中未公開這樣的特征及其組合。
均勻分布的介電顆粒意指在包含介電顆粒的透明發光元件的任何點,10-2cm3體積內的顆粒數目(在全部體積被包含在這樣的組成元件中的條件下)等于面板中的平均值或者相對于面板中的平均值差異小于10%。在實踐中,驗證該條件的簡單方式是驗證發光元件的中心部分的濃度與周邊體積中的濃度之間的差異等于或小于10%。上述限定還考慮了包含有散射顆粒的發光組成元件可能在發光裝置的邊緣附近和/或在分立光源的直接所在之處存在不連續(缺少介電顆粒)。
通常這樣的周邊區域(當存在時)距發光裝置邊界遠至3cm。
根據本發明的復合透明發光裝置包括透明元件,關于透明元件材料期望是如下材料:在500nm處得到的材料的光學消光系數α等于或小于0.009cm-1。
其中該系數α被定義為:
α=-1d*ln(T100)]]>
并且
T=100*IoutIin+R]]>
R=100*IbackIin]]>
其中:
-d是透明元件厚度,
-Iin和Iout分別是入射光強度和已經穿過透明元件后的光強度,
-Iback是暴露于入射光的表面反射的光,
-T是透射率以及R是反射率。
在本發明中使用的優選的透明材料為玻璃、諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合材料、聚碳酸酯(PC)、聚硅氧烷樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂以及聚乙烯醇縮丁醛(PVB)。這些材料可以單獨使用或者與透明基板組合使用,即,可以在玻璃基板上沉積薄層的透明元件(例如含有分散的介電顆粒的PMMA層)。優選的透明基板厚度在0.1mm與6mm之間。
根據本發明的復合透明發光裝置的介電顆粒濃度應當較低,意味著顆粒使得光學消光值升高0.003cm-1與0.03cm-1之間的量。
這對應于在如下之間的介電顆粒體積濃度值(相對于基體體積的顆粒體積):



其中ρ是以μm為單位表示的平均介電顆粒尺寸,而m是在500nm處得到的介電顆粒的折射率與透明基質的折射率之比。
更優選的是使用如下介電顆粒濃度的體積濃度:
●對于20μm>ρ≥5μm,體積濃度在10-6÷10-5之間,以便獲得與輻射波長無關的光散射;
●對于1μm>ρ>0.3μm,體積濃度在10-6÷10-5之間,以便確保沿著面板所提取的光的高的均勻性;
●對于0.1μm>ρ>0.04μm,當m在0.933÷1.067之間(并且m≠1±0.007)時,體積濃度在10-4.5與10-3之間,以便獲得最大量的提取光以保持良好的透明度。
重要的是要強調:散射顆粒可以不具有球形形狀,并且顆粒將呈現粒徑分布,因此在上述公式中ρ指的是顆粒的平均半徑,或者在不規則形狀的情況下,ρ指的是顆粒半寬(其對于每個顆粒通過將最大尺寸與最小尺寸的和除以4來給出)的平均值。還考慮了可能存在的不同類型的顆粒,每種類型的顆粒的特征在于其自身的粒徑分布。
在這一點上,如果存在更多的顆粒和/或不同的粒徑分布,那么每種組分的最大濃度不應當超過公式中給出的Cmax。特別地,對于每種組分的上述Cmin和Cmax極限應當根據具體組分相對于介電顆粒的總體積的相對濃度來成比例地調整。例如,如果存在40%Vol/Vol的散射顆粒A和60%Vol/Vol的散射顆粒B,那么相對于基體的最大濃度和最小濃度由通過對于散射體A乘以系數0.4并且對于散射體B乘以系數0.6來校正的上述公式給出。
適合于介電顆粒的材料的示例為:金屬氧化物,在該情況下,優選的是Ti、Al、Zr、Hf、Ta、Y、Yb的氧化物;硅酸鹽,在該情況下,優選的是鋁硅酸鹽、SiO2、玻璃珠;白色和透明陶瓷珠;白色和透明塑料珠;硫酸鋇。
包含均分分散的介電顆粒的基體的厚度優選地在0.1mm與6mm之間。
適合用作根據本發明的復合透明發光裝置中的介電顆粒的另一類材料是諸如Ce:YAG的無機磷光體、正硅酸鹽、鋁硅酸鹽、氮化物、摻雜有銪的氮氧化物等。
在本發明的可替選實施方式中,透明元件還包含濃度在10-6mol/L與10-9mol/L之間的分散的熒光染料。適合的熒光染料的示例為:如二吡啶衍生物,香豆素,二碳菁衍生物、內酯、惡嗪染料720、萘二甲酰亞胺衍生物、酞化青染料、血卟啉、吡咯甲川、噻噸、硫化羅丹明、羅丹明6G、二萘嵌苯衍生物、(異)蒽酮紫衍生物的有機分子;無機量子點(CuInS、ZnSe、ZnS、InP、CuInZnS等)或納米磷光體。
根據本發明,復合發光元件周邊呈現的平均反射率等于或高于80%,這考慮了100%的反射率是理想值(盡管由于它們相當常規,具有高于90%的反射率的材料可能對于本領域技術人員來說也容易確定)的事實以及裝置的周邊的一些部分,例如,與分立光源對應的部分,可能不反射的事實兩者。可以通過各種等效解決方案例如金屬導板(metalguides)、金屬層或膜的沉積、高反射率涂漆或涂層來給出反射框。
將在本發明中采用的分立光源的示例為常規的LED,優選的是使用藍光LED或白光LED、激光器二極管、有機發光晶體管(OLET)或者有機發光二極管(OLED)。這些分立光源被優選地設置在復合透明發光裝置的至少兩側,并且分立光源的數目使得所提供的功率在沿著裝置周邊每米5W與每米18W之間。優選地,這樣的分立光源提供了在復合透明發光裝置的表面的每平方米2000流明與每平方米5000流明之間的總的光輸出。
圖1示出了復合透明發光裝置10的第一實施方式的示意性俯視圖。在這種情況下,在包含有均勻分散的介電顆粒11的透明元件中插入了一組分立光源13、13’、13”。例如通過沉積薄金屬層使得復合透明發光裝置10的四個側面12、12’、12”、12”’成為反射性的。在這種情況下,優選地,分立光源安裝進透明元件11內的長度等于或小于2cm。
圖2示出了復合透明發光裝置20的第二實施方式的示意性俯視圖,復合透明發光裝置20包括:包含有均分分散的介電顆粒的透明元件21,所述元件具有周邊22;具有外部周邊和內部周邊25的反射框24,反射框24與包含有介電顆粒和分立光源23、23’、23”、…的透明元件21部分地交疊。
與圖1中所示的實施方式類似,同樣在這種情況下,優選地,出于操作的角度包含有介電顆粒的透明元件21失去不超過2cm,即,框與元件21的交疊等于或小于2cm。為了簡單起見,框24已經被示出為單個元件,但是更方便的是通過將子組件接合在一起來獲得框,即,最終的框是通過 將子框(例如,4個子框,每個子框對應于復合透明發光裝置的每個側)耦接在一起來獲得,這將簡化組裝操作以及服務操作(假如需要替換一個或更多個分立裝置)兩者。
關于復合透明發光裝置的形狀,其不限于任何具體的形狀,優選的是方形或矩形(如圖1至圖3中所示的一個形狀),但是也可以使用圓形或橢圓形。由于可以成功地采用任何其他形狀,因此本文中所述的形狀僅作為非限制性示例被提供。
雖然所有示意性呈現的實施方式示出了平面系統,但是這是優選的配置,還可以同樣地采用彎曲的表面。
圖3示出了根據本發明的復合透明發光裝置的第三實施方式30的示意性截面圖。在這種情況下,包含有均勻分散的介電顆粒的透明元件31被夾在兩個透明基板材料35和35’之間,與圖1的情況類似,分立光源33和33’進入透明元件31內,并且復合透明發光裝置30的邊界由沿裝置的周邊側延伸的反射框34給出。如已經描述的,可以通過將更多個子框接合來制造框34,并且框34應當提供適合的散熱。
圖3中所示的實施方式對于建筑窗的情況來說是特別優選的,該種類的窗具有向在一些情況下可能與水分或氧反應的介電顆粒提供絕熱作用以及免受周圍試劑影響的保護作用的兩個外部透明基板35和35’。在這種情況下,根據圖3中所示的實施方式的優選的可替選解決方案在于僅在玻璃基板35或35’中的一個基板的表面上沉積的薄膜,所述玻璃基板被組裝成保持玻璃基板之間的空的空間,該空的空間填充有惰性氣體或干燥空氣。在復合透明發光裝置以密封方式組裝并且也在其空的空間中填充有惰性氣體的情況下尤其如此。
將借助以下非限制性示例進一步描述本發明。
示例1
制備了硅樹脂基體中Ce:YAG的不同的分散體。使用滾軋機分散市售的尺寸在5μm與10μm之間的Ce:YAG粉末。首先制備最高濃度的樣品(C1),然后通過連續地稀釋來制備其他樣品C2、C3、S1。
對于TiO2和SiO2樣品分散使用了稍微不同的生產工藝。在這種情況下,在去離子水中制備了液態分散。已經使用了物質密度為2.2g/cm3的SiO2和物質密度為4g/cm3的TiO2。此外,在這種情況下,首先在輕微的 聲波作用下制備最高濃度的樣品以使分散均勻,然后通過稀釋獲得較低濃度的樣品。
Ce:YAG和SiO2顆粒的平均尺寸為7.5μm,而TiO2顆粒峰值尺寸為0.1μm,因此這些值已經被用作顆粒尺寸的參考值。
在下面給出的表1中示出了關于Ce:YAG樣品(C1-C3、S1)、TiO2(C4-C6、S2)和SiO2(C7-C10、S3)的特征數據(樣品ID、材料、尺寸、在500nm處的m值、濃度):
表1

根據上述公式,在下面列出的表2中示出了根據本發明的具有以上所列的m值和顆粒尺寸的發光裝置的濃度范圍。
表2

因此可以觀察到,僅樣品S1、S2和S3的粉末濃度在由本發明所限定的范圍內,而由于C1-C9的顆粒濃度水平較高,因此樣品C1-C9為比較樣品。
示例2
已經使用UV-VisJASCO分光儀根據消光系數隨可見光波長譜的變化對試驗1中所描述的各個樣品進行了表征。
在圖4中示出了對于Ce:YAG的曲線,半連續線L1-L3指出了針對比較樣品C1-C3所獲得的結果,而點線L4指出了以樣品S1所獲得的結果。在圖4中,消光系數的目標范圍(即,在0.003cm-1與0.03cm-1之間)是在兩個水平連續線之間的部分。
類似地,在圖5中示出了針對比較樣品C4(半連續線L5)、比較樣品C5(半連續線L6)、比較樣品C6(半連續線L7)和樣品S2(點線L8)所獲得的結果,而圖6示出了針對比較樣品C7(半連續線L9)、比較樣品C8(半連續線L10)、比較樣品C9(半連續線L11)、比較樣品C10(半連續線L12)和樣品S3(點線L13)所獲得的結果。
從圖4至圖6中所示的試驗數據,可以觀察到僅根據本發明的樣品S1至S3保證了在可見光譜內的衰減系數在0.003cm-1和0.03cm-1內,如試驗數據點線L4、L8、L13所示。
示例3
使用兩個外部玻璃層和中間復合層制成了15cm×15cm×3cm的夾層結構。將液態聚乙烯醇縮丁醛前驅體與具有峰值半徑為310nm的SiO2球體混合制成復合層。基體中的SiO2的濃度為5·10-6Vol/Vol。介電顆粒的折射率與基體的折射率之比,稱為m,為0.99。使用刮片技術在玻璃上沉積液態分散體,并且獲得0.4mm厚的層。通過在N2環境中的UV固化在原地發生了聚合作用。隨后,在固化的層上沉積數微米厚的液態分散體層,然后放置加蓋玻璃層。在相同的條件下應用第二次聚合作用。
為了評估在相對于使用標準的分立光源的標準條件的更加嚴格的條件下該組件的性能,,并且為了方便數據采集,沒有安裝反射框和分立光源,而是使用具有75mW功率的450nm的準直激光從右上部輻照子組件。圖7中示出了CCD數字相機記錄的輸出,而圖8示出了在沒有中間(有源)層的情況下使用類似的子組件獲得的結果。可以觀察到,由于在面板界面/邊界上的散射,圖8中僅看得到與激光束進入和出來相對應的兩個光斑,而沒有來自面板內部區域的更多的散射記錄。
可以觀察到,即使在使用相干并且準直的光源的單個通道中,在存在最小激光束衰減(參見關于消光系數的之前的數據)并且存在單個通道條件(沒有反射框)的情況下,也存在顯著的并且可感知的量的散射光。
因此,使用根據本發明制成的樣品,可以獲得透明發光裝置。

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