光输出设备和制造方法

光输出设备和制造方法
【专利摘要】一种光输出设备和制造方法，其中LED（34）的阵列嵌在封装层（32）中。（不同折射率的区域或）腔体（30）的阵列形成在该封装层（32）中。该腔体/区域（30）具有取决于它们对该发光二极管（34）位置的接近度的密度和尺寸，从而降低热点（局部高光强度区域）并且由此使得该设备的区域上的光输出更加均匀。
【专利说明】光输出设备和制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具体地但不排它地使用与透明衬底结构相关联的离散光源的光输出设备。
【背景技术】
[0002]此类型的照明设备的一个已知示例是所谓的“玻璃中LED”设备。一个示例示于图1。典型地使用了玻璃板，其具有形成电极的透明导电涂层(例如ΙΤ0)。该导电涂层被图案化从而制作连接到半导体LED设备的电极。该组件通过将玻璃与LED 4层压在一起来完成，其中LED 4位于热塑性层(例如聚乙烯醇缩丁醛PVB)或有机树脂层内部。
[0003]图2以横截面视图示出所述已知的玻璃中LED结构。该设备包括玻璃板I和2。(半)透明电极3a和3b (例如使用ITO或细导线形成)以及连接到透明电极3a和3b的LED4位于玻璃板之间。电绝缘材料5 (常规地为PVB或UV树脂)层被提供在玻璃板I和2之间。
[0004]此类型设备的应用是架子、橱窗、外立面、办公室隔断、墙覆层以及装饰性照明。该照明设备可以被用于光照其它物体，用于显示图像，或者简单地用于装饰性目的。
[0005]顶发射LED可以被使用，并且这些LED具有点光源输出。侧发射LED也可以被使用，光输出随后被耦合到来自树脂中的散射中心的输出。
[0006]为了使点输出更加均匀，已知在LED上应用反射器或其它光挡板来充当用于降低局部光输出强度的掩蔽物。这增加了设备制造复杂度，使得难以提供来自离散光源的在光照方向和光照点尺寸方面的期望输出，并且难以以一种不显著增加制造成本的方式来提供。
[0007]还期望制作发光片，其优选是薄的，具有明显柔性的。这使得该产品具有更广泛的各种用途并且还能够节省在制造过程中昂贵的模制工序。要求一种光学上透明的材料，其大约在1-1Omm的期望厚度具有柔性。
[0008]一个示例是将LED放置在被嵌在硅树脂或其它聚合物中的线栅内。这种设计取代了昂贵的印刷电路板PCB或玻璃衬底布置。但是，线栅由于其非刚性本质而不允许在LED设备的对准中的小容差。
[0009]为了掩蔽形成在这种格栅结构中的LED的LED热点，可以如上所述在LED格栅上提供光学结构(其可以简单地包括反射性白色涂料)。
[0010]一种可替换的办法是将光散射粒子嵌到聚合物结构(其充当光导)中。这些粒子的形状或浓度以及吸收、反射和透射特性影响着它们如何改变光输出特征。
[0011]这些技术的主要缺陷在于，粒子或光学结构的位置以及它们的散射特性在该系统的制造过程中确定，并且没有考虑光源的位置。这要求光学装置相对于光源的成本昂贵的对准。用于掩蔽热点的所需光学结构或散射粒子要求相对于LED位置的在10-100微米范围内的对准水平。因此，光学结构或粒子相对于LED的精确对准成为问题所在。
[0012]现有技术文件W02010/129815A2描述了光导系统，其中光源被嵌在光导的主体内，该光导包括光偏转粒子。所述粒子可以是具有不同折射率的小气泡或区域。光偏转粒子的浓度可以基于所嵌入光源的位置而变化，从而获得期望光发散模式。该现有技术文件未提及实现这样浓度变化的方法。
[0013]本发明旨在提供可以以切实可行方式制作的在先前段落中所述类型的光输出设备。

【发明内容】

[0014]根据本发明，提供了一种光输出设备，其包括:
-光源阵列；
-封装层，光源阵列嵌在该封装层内；以及
-在该封装层中形成的腔体或区域的阵列，该腔体或区域的折射率不同于该封装层的折射率，
其中该腔体或区域具有取决于它们对光源位置的接近度(proximity)的密度或尺寸，并且其中该封装层(32)包括具有添加物的聚合物基质，该添加物具有比基质低的沸点。
[0015]该腔体用于散射光源光输出，从而在设备表面上得到更加均匀的光发射。
[0016]该光源可以包括LED，不过其它光输出设备可以被使用。
[0017]通过使腔体/区域的密度或尺寸取决于对光源的接近度，可以使用腔体在该封装层中的自组装。光在腔体/区域与封装材料的界面处被反射和折射。在这种情况下不发生吸收，而浸在介质中的粒子遭受至少一定程度的光吸收。可以由制造过程容易地控制腔体/区域的形成。
[0018]该封装层包括具有添加物的聚合物基质，该添加物具有比基质低的沸点。该添加物可以随后被蒸发，从而在固化该聚合物基质前形成小的气体填充的腔体。
[0019]可以由光源的热量或光源的光来蒸发该添加物。
[0020]可替换地，该封装层可以包括相分离的聚合物分散液。该光输出可以用于在单体和不可聚合液的混合物中引起聚合反应。当该聚合反应已经导致形成以聚合物为壁的腔体的网络时，该不可聚合液材料可以被洗掉以形成腔体。
[0021]可选择地，可以用第二聚合物或液体再填充该腔体。
[0022]本发明还提供一种制造光输出设备的方法，其包括:
-将光源阵列嵌在封装层中；
-在该封装层中形成腔体或区域的阵列，该腔体或区域的折射率不同于该封装层的折射率，该腔体具有取决于它们对光源位置的接近度的数量密度或尺寸。
【专利附图】

【附图说明】
[0023]现在将参考附图详细描述本发明各示例，在附图中:
图1示意性示出已知的玻璃中LED的光照设备；
图2示意性示出图1的设备的结构的示例；
图3 Ca)示出一种已知办法，其中在嵌有LED的封装层中形成腔体；
图3 (b)示出本发明的办法，其中腔体被形成，该腔体具有取决于它们对光源位置的接近度的密度或尺寸； 图4不出光源在被开启时如何引起局部加热；
图5示出可以如何由导线网格布置实现温度模式；以及 图6示出可以如何由外部应用光形成腔体。
【具体实施方式】
[0024]在各图中使用相同的附图标记指示相似的部分。
[0025]本发明提供了一种光输出设备和制造方法，其中LED阵列嵌在封装层中，并且(不同折射率的区域或)腔体的阵列形成在该封装层中。该腔体/区域具有取决于它们对发光二极管位置的接近度的密度或尺寸，从而降低热点(局部高光强度区域)并且由此使得该设备的区域上的光输出更加均匀。
[0026]图3 (a)示出一种已知办法，其中腔体30形成在嵌有LED 34的封装层32中。在图3 Ca)中该腔体均匀分布在介质中，并且它们包括填充该封装层的聚合物的均匀分布的气泡布置。但是，热点仍然存在。
[0027]本发明提供了具有不同折射率的区域或腔体，该区域或腔体具有取决于它们对LED位置的接近度的数量密度和尺寸，如图3 (b)所示。特别地，在LED附近，该腔体/区域较小并且因此更加密集地堆积。这导致靠近LED的光背散射较强，靠近LED的光逃逸较少，以及因此光扩展性较好。
[0028]LED 32可以被连接并且线栅也可以嵌在透明封装层30中。该层可以是硅树脂，但是可以使用其它材料，例如PMMA、PVC、PU (聚氨酯)、PC (聚碳酸酯)、PET、PES或PEN之类。该封装层起光导材料的作用，并且一般为透明聚合物。
[0029]该封装层的厚度为大约I到10mm。
[0030]该线栅可以包括能够将电流传递到LED的导电线，例如直径0.25mm的铜线。
[0031]通过工业标准的拾取-放置组装和焊接工艺形成该线栅和连接的LED，并且通过铸造或涂覆来形成该封装。
[0032]该LED典型地是离散的现成组件，并且取决于应用的需求，具有2x3mm的典型尺寸和0.5-lmm的高度以及间距为10到50_。
[0033]腔体/区域特性对与LED的接近度的依赖性通过使用具有空间模式的光或热辐射(热量)来实现，从而局部地产生腔体/区域。
[0034]第一示例采用通过跨过两种不同温度的差温加热的腔体自形成。
[0035]图4示出LED 32在被开启时如何引起区域35的局部加热。
[0036]该封装层包括具有添加物的聚合物基质，该添加物具有比基质低的沸点。主封装材料的聚合温度与添加物的沸腾温度之间的差异被用于控制在该聚合物凝固前添加物的蒸发。该封装层因此包括浸在具有该添加物的聚合物中的LED集合。
[0037]可以如上所述通过线栅互连LED，但是这不是必需的。LED的定位可以是规律的或是随机的或是伪混沌的。
[0038]光导材料的聚合物分别具有聚合温度和时间常数Tp和tp。时间常数tp取决于温度Tp。
[0039]该添加物具有低沸点Τ2和相关时间常数t2。此时间常数t2是与气泡合并相关联的时间常数:小气泡倾向于合并形成大气泡。因此，存在这样的自由度:或者产生高密度的小气泡并且通过适时地在Tp处引起最终聚合来防止它们聚并(相对长的t2)，或者局部地促进形成大的合并的气泡(相对短的t2)。
[0040]在此第一示例中，通过光源的辐射来局部加热该封装层及其添加物。
[0041]可以周期性地开启和关闭LED以保持期望温度(介于Tp和T2之间)，从而造成在主封装材料层聚合之前该添加物的蒸发。
[0042]在第二示例中，可以通过使用加热掩蔽物或外部引起的梯度的差温加热来形成腔体，而不是使用由LED引起的局部加热。因此，该封装层被暴露在具有空间和时间梯度的外部热辐射中。
[0043]可以通过传导电流的导线的网格布置来实现温度模式，如图5示意性所示。线网格50造成添加物的局部沸腾/蒸发，使得在靠近导线处该腔体的密度或尺寸不同。该线网格50被定位和对准在该封装层上并且在LED被定位处具有最大孔径。
[0044]如上文所解释，靠近光源形成较小较密集数量的腔体是一种方案，并且(例如使用线栅)远离光源产生较大腔体是另一种方案。
[0045]在可替换实施例中，该LED互连导线自身服务于局部加热该聚合物的目的。典型地将该LED连接成多组。首先，N个LED的一组被并联连接。然后，M个这样的组被串联连接以形成NxM的连接的LED阵列。每条并联连接一组LED的导线可以被用作加热器导线以获得期望效果。将没有电流流过LED，并且在LED中不生成热量。
[0046]在图6中示出的另一实施例中，通过外部应用光来形成腔体。
[0047]如上述示例那样，封装材料可以具有低沸点的添加物。但是，可替换选择是使用允许相分离发生的物质。
[0048]使用外部光源60，该外部光源加速在聚合物中形成腔体，这是由于光引起的聚合或光引起的化学键合的原因。物理掩蔽物62被放置在外部光源和封装材料64之间。
[0049]封装层的聚合物因此被合适波长的光照射。该掩蔽物产生腔体的空间变化所需的空间梯度。
[0050]对于该聚合物，可以使用例如Merck PN393或Norland 73，并且对于添加物，可以使用TL205，这是一种来自Merck的液晶混合物。已知这些材料的组合形成所谓的聚合物分散液晶层，其中在聚合物基质和液晶相之间已经发生相分离。
[0051]还可以使用LED自身作为光源来采用该相变办法，如上文示例所述。
[0052]可以通过光(例如通过所嵌入LED发射的光)来放慢腔体的形成，而不是通过使用光源形成腔体。
[0053]另一种变型是使用通过光聚合的相分离。
[0054]已知的是，两种混溶液体的混合物可以通过将该组分中的一种聚合而相分离。这例如也是上文所述的所谓聚合物分散液晶(PDLC)材料的情况，其中通过热活化或光聚合的溶剂蒸发来形成聚合物基质。在TOLC的情况下，形成共连续的相，这意味着聚合相和液晶相二者都是连续的材料(不具有腔体，而是海绵状)。
[0055]因此可以洗掉液相，留下空气填充的海绵状的聚合物基质。
[0056]可以使用类似于聚合物分散液晶材料复合系统的材料系统，其中由LED的光引起该聚合复合物的相分离，并且其中液相被洗掉且被空气取代。因此在LED的邻近区域中形成自对准的聚合网络。另一种变型是使用具有不同折射率的两种聚合物的相分离。[0057]两种聚合物的单体可以在分子尺度上是混溶的，这取决于温度和压力。得到的混合物具有由公知的混合规则确定的有效折射率。
[0058]如果聚合反应在所述单体中的其中之一中开始(例如通过UV曝光)，聚合物畴开始形成并且该混合物的混溶性会强烈降低:相分离将发生。聚合物畴将随着该第一单体的质量扩散而生长。如果该畴的尺寸接近光学尺度(optical dimension)(几微米),则光散射将开始发生，这是因为折射率在聚合物畴边界上开始显示出强烈的不连续性。
[0059]随后，例如通过加热也可以使第二单体聚合，并且已经形成新的相分离材料。
[0060]因此，在LED光的影响下，可以使两种或更多单体的混合物相分离。接着在相分离后，使所有单体聚合从而使该复合材料稳定。
[0061]可以使用与上文概述的相同的材料示例，即，可以将Merck PN393或Norland 73用作聚合物并且将TL205用作添加物。
[0062]另一个示例使用外部应用温度轮廓。
[0063]通过遍及聚合物应用外部温度轮廓(例如在底部热且在顶面较冷(或反之亦可))，可以跨过膜的厚度(垂直于平面)逐渐改变腔体的形成、密度和尺寸。可替换地，可以以棋盘形式应用热和冷区域的交替轮廓(垂直于平面)以产生内建模式。
[0064]本发明对于诸如灯、窗户、建筑物玻璃和保密窗的标识、装饰性照明是特别令人感兴趣的，并且对于LCD的背光照明是特别令人感兴趣的。其它的应用是可能的，例如家具和其它装饰性项目。
[0065]上文的示例是基于LED。但是，可以用任何其它光源(灯泡、CFFL、CFL、OLED)来取代 LED。
[0066]本领域技术人员在实践所要求保护的发明时通过研究附图、公开内容和所附权利要求，能够理解和实施所公开实施例的其它变型。在权利要求中，措词“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”(〃a〃或〃an")不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。在权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。
【权利要求】
1.一种光输出设备，包括: -光源(34)阵列； -封装层(32)，光源阵列嵌在所述封装层内； -在所述封装层(32)中形成的腔体或区域(30)的阵列，所述腔体或区域的折射率不同于所述封装层的折射率，其中所述腔体或区域(30)具有取决于它们对光源位置的接近度的数量密度或尺寸；并且 其中所述封装层(32)包括具有添加物的聚合物基质，所述添加物具有比基质低的沸点。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述添加物被适配成通过所述光源的热量被蒸发。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述添加物被适配成通过所述光源的光被蒸发。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述封装层(32)包括相分离的聚合物分散液。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述区域(30)包括聚合物。
6.一种制造光输出设备的方法，包括: -将光源(34)阵列嵌在封装层(32)中； -在所述封装层中形成腔体或区域(30)的阵列，所述腔体或区域的折射率不同于所述封装层(32)的折射率的，所述腔体或区域(30)具有取决于它们对光源位置的接近度的数量密度或尺寸，并且其中通过蒸发所述封装层(32)中的添加物来形成腔体(30)的阵列，其中所述封装层(32)包括聚合基质并且所述添加物具有比基质低的沸点。
7.根据权利要求6所述的方法，其中通过所述光源(34)的热量蒸发所述添加物。
8.根据权利要求6所述的方法，其中通过所述光源(34)的光蒸发所述添加物。
9.根据权利要求6所述的方法，其中通过外部源的光或热量蒸发所述添加物。
10.根据权利要求6所述的方法，其中通过洗掉相分离的聚合物分散液的液体化合物来形成腔体的阵列。
11.根据权利要求6所述的方法，其中通过在光源光输出的控制下的单体混合物的相分离来形成区域的阵列。
12.根据权利要求6所述的方法，其中形成用聚合物填充的腔体的阵列。
【文档编号】G09F13/22GK103620664SQ201280032839
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2011年7月1日
【发明者】H.J.科内里森, G.根尼尼, H.H.P.戈曼斯, M.P.C.M.克里恩, M.H.W.M.范德登, L.W.G.斯托夫米, J.于 申请人:皇家飞利浦有限公司