结构化的荧光成型体的制作方法

专利名称：结构化的荧光成型体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于图形、彩色图案或信息的光学显示器。对图形、彩色图案或信息的显示是通过对在一种透明的或半透明的塑料成型体时的荧光物质进行光学激发而实现的，这种成型体具有用于实现有目标的光输出耦合的机构。
由透明或半透明塑料制成的成型体是已知的(EP 0 025 136和EP 0 032 670)，这些塑料用荧光物质染上色。它们例如应用于内部陈设物或者装饰对象。通过一个外部的光源将光平面地射入到这种已知的成型体上。在成型体的外边缘上可以看到荧光。此时环境光线包括灯光或者太阳光用作为光源。这些已知的成型体都没有内部结构或表面结构，因而并不用于显示图形、彩色图案或信息。
近来已将荧光物质应用在蓝色发光二极管上的覆层里，以便在荧光转换过程中产生白色光或者一种任意的其它颜色的光。这样的发光二极管称为LUCOLED(荧光转换发光二极管)(“白色发光二极管在这儿”，弗芬好弗尔(Fraunbofer)电子工业固体物理研究所，1997.6，“NICHIA CHEMICAL开发的高效白色LED灯”，N.S.宣布，在TECHNICALNEWSLETTER，10，Ref.No.21.1996的增补里)同样此处在含有荧光物质的覆层里没有什么结构。
本发明的任务就是利用由透明或半透明含有荧光物质的塑料制成的成型体发射出的荧光结合成型体的波导性能，尤其用来图形表示或者显示彩色图案或信息。
本发明的内容是包含有一个或多个成型体和一个光源的一种光学显示器。任意结构的物体例如薄膜、板、管线、线、纤维、管子、球、长六方体、圆柱体、空心体或环都归入为成型体。成型体由一种或多种透明或半透明的塑料制成。每一种塑料包含有一种或多种荧光物质。应这样来布置一个或多个光源，以使其光线在成型体表面的确定部位处射入成型体内并继续在成型体内传导。成型体内有用于实现有目标的光线输出耦合的机构，从而在成型体表面的整个确定部位处使光线由成型体有目标地输出。
输入成型体的光线大部分是可见光或者是紫外线(UV)，它通过激发成型体内的荧光物质而被吸收。从荧光物质发散出来的荧光比原先输入的光的波长要更长。成型体对于荧光的作用如一个光波导体。在成型体的壁上大部分的光线发生了全部反射。
使光发生散射的机构可以是成型体内部的一种结构(内部结构)、其表面的一种结构或者是在成型体表面的规定部位上的一层光散射层。
成型体的内部结构、表面的结构或者具有光散射层的表面涂层使荧光在成型体里发生散射，因而不再使全部反射成一定角度出现在成型体的内壁上。散射光就输出了。在成型体表面部位处发生荧光的反射，这些部位是由结构来规定的，也就是说这是一种有目标的输出。通过一种相应的结构就可以实现荧光的反射，例如以图形符号、文字符号或者图案等形式。
成型体由一种透明的或者半透明的塑料制成，例如热塑性的、弹性体的或者硬固性塑料，其中加入了荧光物质。尤其适合的透明的塑料有聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯聚合物、由苯乙烯和丙烯酸盐制成的异分子共聚物、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、环状聚烯烃和共聚物和醋酸纤维素。适合的塑料的其它实例由以下著作查取H.Domininghaus，“塑料及其性能(Die Kunststoffe Und IhreEigenschaften)”，第4版1992年德国工程师协会(VD1)出版社，Düsseldorf和“聚合物科学与工程百科全书(Encyclopedia ofPolymer Science and Engineering)”，第2版J.Wiley&Sons，纽约或者J.Brandrup，E.H.Immergut，“聚合物手册(PolymerHandbook)”，第3版，J.Wiley&Sons，纽约。
按照本发明，适用的荧光物质都是低分子的、低聚体的和聚合体的物质，它们都具有荧光。低分子物质的实例为有机荧光材料和激光颜料如香豆素、二萘嵌苯、酞化青(Stilbene)、茋和二茋(Distilbene)、联苯乙烯(Distyryle)、次甲基、偶氮甲碱、菲、红荧烯、喹吖啶酮或者基于异质环状化合物的光学增亮剂。此外可以应用荧光金属化合物和过渡金属化合物如铝-8羟基喹啉盐、铕化合物、硼螯合物或镓螯合物。适合作为荧光聚合物材料的例如有聚合-对位次苯基亚乙烯基(PPV)和PPV-衍生物如甲氧基-乙基己基-羰基PPV(MEH-PPV)。具有发出荧光段的聚合物也可以用在主链或侧链里。在一个成型体里也可以包含有不同的具有各种不同的吸收光谱和发射光谱的荧光物质。
内部结构可以由使光线散射的颗粒组成，如玻璃球、玻璃纤维、金属氧化物、SiO2或矿物质，这些颗粒都是添加入成型体的。颗粒的作用就是作为所到达荧光的散射中心并使荧光偏转，从而以一个陡的角度射到成型体的表面上，而且不再经受全部反射，而是被输出。在成型体之内形成界面的成型体内的气体封入物可能有这种相同的作用，到达的光线就在界面上散射。颗粒本身来说可能也含有荧光物质。
成型体表面的结构可以由使光线散射的颗粒组成，它们都是添加入成型体表面里的。颗粒的作用就作为在表面上的散射中心并使到达的光线输出。
表面也可以通过槽、刻痕、通道和/或孔来形成结构。对于这种表面结构来说就在成型体的表面上形成了散射中心。进入成型体的通道的棱可以倒棱。
在成型体表面的规定部位上用作为散射光线的表层可以是印花浆-例如能过滤印刷的成分或混合物或者颜料-，它们是按已的方法涂覆上的。在以这种方式涂层的表面位置上射入的光线并不对应于入射角而反射，而是在成型体里返回散射。然后它就以不允许产生全部反射的角度射入到成型体的位于对面的表面上并在那里输出。
在表面的一些部位上并不输出光线，成型体可以涂覆一种反射材料，例如一种由铝、金或银制作的金属层或者涂覆另一种具有折射指数的允许全部反射的涂层。同样也可以是一种全平面不透明的漆层。这些反射层改善了在没有结构处或者在涂覆散射光线的涂层处的波导性能并提高了成型体里内部辐射场的强度。这就提高了输出光线的强度。
为了用荧光物质来制造成型体首先将荧光物质掺入透明的或半透明的塑料里。掺入是按已知的方法进行的，如复合或者通过使荧光物质与聚合物材料共同溶解并接着浓缩。
成型体按已知的方法例如压铸或挤压，由含有荧光物质的塑料制成。薄膜也可以由溶剂通过浇铸或者其它已知的涂层方法来制造。也可以应用层压塑料，它由骨架和含有荧光材料的薄膜构成。
也可以按由荧光物质和塑料制成的溶液通过一定措施如浇铸、挤压、喷射而涂覆在一种合适的基底上。
通过加入颗粒，如玻璃球或玻璃纤维、金属氧化物、SiO2或矿物质，形成内部结构都是应用了通常的加入塑料的方法，例如进行复合。而对于通过混入气体形成内部结构都归结为例如在制造泡沫材料时使用的通常的方法。
对于具有散射光线的颗粒的成型体表面的结构来说，第一步是使颗粒在成型体材料的溶剂里悬浮起来并用机械的辅助手段或装置，例如轧印模或者压力机，涂覆在成型体的表面上。颗粒和溶剂接触这表面的部位就胀大了。接着使溶剂挥发。为此将成型体加热直至溶剂完全挥发掉为止。
成型体表面的结构也可以通过磨削、括削、刨、锯、钻孔、冲眼、冲压、激光研磨、针形打印或其它使表面产生局部变形或变化的机械方法来实现。它也可以用化学方法通过溶剂进行苛化来形成结构。
光学显示可以包括有多个成型体。单个成型体的连接例如可以通过粘结或者机械装置如构架、框架或螺旋紧固来实现。
一般发光的发射源都适合于作为光源，这些发射源适合于使成型体里的荧光材料实现光学激发并因而引起可见的荧光发射。这些发射源与太阳光有所区别，它们有确定的发射波长，如激光器或者说激光二极管、光发射二极管(LED)、紫外线(UV)灯或者电致发光的发射源。优选用无机的LED、UV-灯和电致发光的发射源。如果应用电致发光的部件作为发射源，那么就涉及到有机的或者无机的发射体。
为使光线输入成型体内可以使光源直接与成型体接触。为形成直接的接触可以将光源被贴在成型体上、熔化接合、压紧或引入孔内。也可以使光源与成型体成非直接接触，而是只在局部有限地照射成型体。
也可以同时使用不同的光源，例如具有各种不同的发射波长，用于使荧光物质实现光化学激发的发光二极管(LEDs)。如果附加地使用各种不同的荧光物质，那么就可能通过合适地选择射入的光源选择地或共同地激发这些不同的荧光物质，并以这种方法产生不同波长的可见光并使其输出。
光学显示用于显示图形、彩色图案和信息。为此配有的结构应使反射荧光的面或者部位形成图案、词汇、数字、符号或其它的记号。在成型体的不同位置上不同的荧光物质具有各种不同的发射光谱，但有重叠的吸收光谱和定位，通过应用这些荧光物质就能够用一个窄带光源，例如唯一的一个发光二极管(LED)同时表示出不同颜色的信息。
当应用多个在光学显示器里其波长各不相同的激发光源和其发射光谱各不相同的荧光物质时，就可以前后地或者同时地表示出不同颜色、不同形象的图形和信息。
按照本发明所述的光学显示器的使用可能性包括用于实现可视化和信息显示的车辆或其它交通工具的操作盘、仪表板或仪器盘的显示元件或显示单元，还有车辆上或自行车上的开关后灯或照明。
其它的使用可能包括后部照明或照明单元或者灯(设计师灯)、内部陈设物、家具、画框、书架、广告物、发光杆或发光球、生活用品、儿童玩具、书桌附件、装饰品、“小家俱”或其它日用物品。
其它的使用可能性还有交通指示牌(如停止信号牌)、道路信号牌、指示板(如安全出口)、广告设施、隔板(例如展览会设施)、广告显示、展示板或警告牌。
如果使用了线段或者纤维，那么这些也可以用作为光导系统(POF聚合光纤维)。
附图表示

图1表示在一个由线状打印形成结构的成型体里的波导情况。
图2表示在一个由颗粒形成结构的成型体里的波导情况。
图3表示具有多个成型体的光学显示器。
图4表示光学显示器的两种结构形式。
图5表示具有多个成型体、荧光以不同颜色反射的光学显示器。
图1和图2表示了在一个成型体1里的波导情况，该成型体有相应的结构并在一个棱边3处反射并含有荧光物质4。用一个发射源6使波长f1的蓝光射入到以侧视图表示的长方六面体形的成型体1的窄面上。该光线使荧光物质4激发，这种物质发射的荧光波长为f2。在图1中荧光在表面2的有机械结构的部位上发生散射，从而使其不再在成型体1里继续反射，而是从成型体的表面反射。在图2中荧光在添加入成型体表面的颗粒2处和在位于成型体内部的颗粒5处发生散射，从而不再在成型体里继续反射，而是从成型体的表面反射。
实例1用压铸法由表1所列的含有表1所述荧光物质的塑料制成尺寸为20×30×3mm3的小板。
表1塑料荧光物质聚苯乙烯 0.01和0.05％染色1聚苯乙烯 0.0497％染色1及0.003％染色2聚苯乙烯 0.01和0.05％染色2聚碳酸酯 0.01和0.05％染色2有机玻璃 0.01和0.05％染色2聚乙烯-对苯二(甲)酸盐(酯) 0.01和0.05％染色2苯-丙共聚物 0.01和0.05％染色2染色1Maerolex荧光黄色10GN，Bayer公司，Leverkusen染色2Maerolex荧光红色G，Bayer公司，Leverkusen。
当用紫外线灯(波长366或254nm)或一种蓝色发光二极管(LED)(RS235-9900，型式超光亮蓝色(954172))进行照明时所有小板都具有均匀地反射弱荧光的一个表面。光线并不优先地从表面的任何点反射出。
然后用线状打印机对表面进行加工。在由线状打印机压出的刻槽或者凹坑的空间部位里当用紫外线(UV)灯(波长366或254nm)或者蓝色LED(RS235-9900，类型超光亮蓝色(954172))进行照射时就优先地发射出，从而可以见到平滑的邻近部位相比而言就有较高的照明强度。
实例2在一个按表1具有0.05％染色2的聚碳酸酯压铸件上，在有一个冲印模的若干mm2的平面里应用一种直径为50-210μm玻璃球在二氯甲烷溶剂里的悬浮物。溶剂就使得要形成结构的表面胀大。玻璃球因此压入表面，在溶剂挥发之后就固结起来。当用UV灯(波长366或254nm)或蓝色LEO(RS235-9900类型超光亮蓝色(954172))进行照射时其作用为散射中心。在它们上面使荧光有目标地输出，而且在一个本身弱发光的表面上出现光亮的斑点。
实例3光学显示器具有四个上下布置的成型体21，22，23，24，它们由厚度为0.75mm的聚碳酸酯薄膜制成，各有一种蓝的、绿的、红的和黄的荧光颜料制成(图3)。所有的板具有相同的宽度和厚度。两个中间的板比两个外面板要短些。成型体的正端在其表面上制成某种结构。光源25，一种蓝色LED(RS235-9900，类型超光亮蓝(954172))；就放在两个外板之间的凹坑里，并且局部埋沉在钻孔的外板里。光源直接接触两个外板，而光源只是在两个内板的窄面上照射。在A面上四块板齐平地切断，当接入LED用于激发发射各种不同的荧光色素时，那么对应于成型体的带有结构的端面和各自含有的荧光色素就可以明显地看到成条带的彩色的发射。
实例4在一个聚碳酸酯的锥形成型的压铸体里包含有一种蓝的荧光色素，在原始面上照射有一个蓝色LED(RS235-9900，类型超光亮蓝(954172))。由于原始较长的喷射体的折断而产生了位于原始面对面的面并因此被均匀变粗糙。在变粗糙的面上出射了强烈的伸展很宽的光发射，而在锥形体的外表面上则不出射光线。
实例5在一个含有荧光色素Makrolex10GN的聚碳酸酯板里用锯切出一个正方形。锯出的内边棱均匀变粗糙。在外面装上一个蓝色LED(RS235-9900，类型超光亮蓝(954172))之后在内部切出的正方形里在内边棱处就可以指示出一种加强的光输出(发射)。
实例6图4表示了两种实施形式的光学显示器，它包括有一个按本发明的成型体41或42以及两个照射源43。成型体与其发光横断面44相比是很长的，并且描述了一种矩形框架或者一段椭圆形弧线。在两端用两个蓝色发光二极管43照亮的成型体在其表面的一些位置上设置有结构45或46，因而在这些位置就射出荧光。
实例7图5表示由成型体51，52，53构成的光学显示器，它们各有各不相同的荧光材料，它们由三个具有不同发射波长的发光二极管54，55，56从一端起照射。成型体57，58，59的未照射端布置在一个支座60里，相互紧靠从而使观察者只是见到成型体的两端，但见不到照明的光源。在未照射的端部范围有一部分成型体表面配有结构61，62，63。在有结构的位置上61，62，63对应于荧光物质而各射出彩色光，如图5下俯视图里所见到的。
权利要求
1.光学显示器至少包括有一个成型体(1)，成型体由一种或多种透明或半透明的塑料制成并包含有一种或多种发荧光的物质(4)，其特征在于，其特征在于，成型体具有用于有目标地实现光输出的机构，而且有一个或多个光源(6)，其布置方式应使其光线在成型(1)表面的规定部位处射入并在成型体(1)里继续传导，并在成型体表面的由用于有目标地实现光线输出的机构确定的整个规定的其它部位输出。
2.按权利要求1所述的光学显示器，其特征在于，用作为使光线输出的机构是一种内部结构(5)，一种表面结构(2)，(7)，或者在表面上的一种光散射层。
3.按权利要求2所述的光学显示器，其特征在于，内部结构或者表面结构都是由散射光线的颗粒组成，如玻璃球、玻璃纤维、金属氧化物、SiO2或矿物质。
4.按权利要求3所述的光学显示器，其特征在于，散射光线的颗粒本身含有发荧光的物质。
5.按权利要求2至4中任意一项所述的光学显示器，其特征在于，制造表面结构的方法是使颗粒在用于成型体材料的溶剂里悬浮起来，用一个压模涂覆在成型体表面上并压入表面里，接着使溶剂挥发。
6.按权利要求2所述的光学显示器，其特征在于，内部结构通过在成型体里封入气体而形成。
7.按权利要求2所述的光学显示器，其特征在于，成型体的表面结构通过表面内刻槽(7)、刻痕、通道和/或孔而构成。
8.按权利要求7所述的光学显示器，其特征在于，通道的棱都经过倒棱。
9.按权利要求2所述的光学显示器，其特征在于，光散射层是一种印花浆或者颜料。
10.按权利要求1至9中任意一项所述的光学显示器，其特征在于，成型体在不输出光线的表面部位处涂覆有一种全反射涂层。
11.按权利要求1至10中任意一项所述的光学显示器，其特征在于，光源(6)是一种发光的二极管，优选在蓝色波长范围内，或者是一种电致发光的单元。
12.按权利要求1至11所述的光学显示器，其特征在于，多个光源(6)具有各不相同的发射光谱。
全文摘要
光学显示器包含有一个或多个成型体(41)和一个光源(43)。成型体(43)由一种透明的或半透明的塑料制成。这塑料含有一种或多种发荧光的物质。应这样来布置一个或多个光源(43),以使其光线在成型体(41)表面的规定部位处射入成型体并继续在其中传导。成型体含有用于有目标地实现光线输出耦合的机构,从而在成型体(41)表面的整个规定部位处使光线由成型体(41)有目标地输出。
文档编号F21V8/00GK1333867SQ99815620
公开日2002年1月30日 申请日期1999年11月8日 优先权日1998年11月18日
发明者R·维尔曼, H·W·霍伊尔 申请人:拜尔公司