УСТРОЙСТВО ВЫВОДА СВЕТА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H01L33/50 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к устройствам вывода света, в частности, но не исключительно, использующим дискретные источники света со структурой прозрачной подложки. Изобретение также относится к способу изготовления таких устройств.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Одним известным примером осветительного устройства такого типа является так называемый "светодиод в стекле". Пример показан на Фиг.1. Типично используется стеклянная пластина с прозрачным электропроводным покрытием (например, ITO), образующим электроды. В электропроводном покрытии сформирован рисунок для образования электродов, соединенных с полупроводниковыми светодиодными устройствами. Сборка завершается ламинированием стекла светодиодами 4 внутри термопластичного слоя (например, из поливинилбутираля PVB) или слоя органической смолы.

На Фиг.2 показано сечение известной структуры светодиода в стекле. Устройство содержит стеклянные пластины 1 и 2. Между этими стеклянными пластинами находятся (полу)прозрачные электроды 3а и 3b (например, сформированные из ITO или из тонких электрохимически проводящих проводов) и светодиод 4, соединенный с прозрачными электродами 3а и 3b. Между двумя стеклянными пластинами 1 и 2 расположен слой изолирующего материала 5 (обычно, поливинилбутираль или смола, затвердевающая под действием ультрафиолета).

Такие устройства применяются в полках, витринах, фасадах, офисных перегородках, в облицовке стен и для декоративной подсветки. Такое осветительное устройство можно использовать для освещения других объектов, для показа изображений или просто для украшения.

Можно использовать светодиоды верхнего свечения, которые имеют точечный выход света. Можно использовать светодиоды бокового свечения, световой выход которых соединен с выходом из центров рассеяния в смоле.

Для создания более равномерного точечного выхода применяют рефлектор или другой световой экран над светодиодом, который работает как маска для уменьшения интенсивности локального выхода света. Это усложняет изготовление устройства и поэтому остаются трудности в создании требуемого выхода от дискретных источников света относительно направления освещения и размера пятна освещения так, чтобы существенно не увеличивать производственные издержки.

Имеется также потребность в создании люминесцентных экранов, предпочтительно тонких, обладающих существенной гибкостью. Это расширяет круг пользователей этого изделия и позволяет сэкономить на дорогих процедурах монтажа в процессе производства. Для этого нужен оптически прозрачный материал, обладающий гибкостью при требуемой толщине приблизительно 1-10 мм.

Одним вариантом является установка светодиодов в проволочную сетку, которая встроена в силикон. Такая конструкция заменяет дорогие печатные платы или конструкции со стеклянными подложками. Проволочная сетка, однако, не позволяет применять небольшие допуски при выравнивании светодиодных устройств, поскольку является по своей природе не жесткой.

Для маскирования точечных источников света для светодиодов, сформированных в такой структуре проволочной сетки, над светодиодами, как указано выше, можно размещать оптические структуры. Однако приемлемые допуски на позиционирование необходимых оптических структур низки, напр., около 1 мм или хуже. Необходимые оптические структуры, которые используются для маскирования точечных источников, должны иметь уровень совмещения порядка 10-100 мкм относительно положения светодиода. Поэтому точное совмещение оптических структур со светодиодами представляет собой проблему.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению предлагается устройство вывода света, содержащее:

матрицу электрически взаимно соединенных светоизлучающих диодов,

слой подложки, в котором или на котором установлена матрица светоизлучающих диодов,

адгезионный слой, имеющий участки над светоизлучающими диодами, при этом адгезионный слой обладает свойством фотоактивации, и

рассеивающие частицы, приклеенные к участкам адгезионного слоя.

В настоящем изобретении используются рассеивающие частицы, которые расположены над светодиодами, например, для образования диффузно отражающих колпачков. Необходимо точное совмещение этих отражающих колпачков со светодиодами, содержащимися в сетке светодиодов, в частности, если сетка светодиодов может быть в некоторой степени растянута или деформирована. Это приводит к несколько непредсказуемому расположению светодиодов. В настоящем изобретении используется фоточувствительный процесс, который применяется для осаждения рассеивающей (и, следовательно, по меньшей мере частично отражающей) структуры над каждым светодиодом. Это позволяет самосовмещение со светодиодами, используя светодиоды для осуществления фотоактивации.

Изобретение может применяться в структуре с жестким слоем подложки, который несет сетку светодиодов. Однако изобретение представляет особый интерес, когда слой подложки является гибким. В этом случае движения слоя подложки, а также точность формы проволочной сетки приводят к проблемам при совмещении отражающих участков над светодиодами и эти проблемы устраняются с помощью настоящего изобретения. Было обнаружено, что в пределах объема настоящего изобретения матрица светодиодов может быть помещена на главной поверхности слоя подложки. Однако расположение матрицы светодиодов внутри слоя подложки является явно предпочтительным. Последний вариант изобретения особенно подходит для встроенных сеток светодиодов.

Далее следует отметить, что адгезионный слой предпочтительно должен быть прерывистым слоем. Такой прерывистый слой покрывает не весь слой подложки, а лишь те участки слоя, которые расположены над светодиодами. Следует также подчеркнуть, что матрица светодиодов может быть одномерной, что позволяет получить выводящие свет устройства, выполненные в форме световых линий. Однако предпочтительными являются устройства вывода света, в которых матрица светодиодов расположена в двухмерной плоскости. Такие устройства имеют форму светового листа.

В одном примере свет от светодиода может использоваться для сенсибилизации/активации светочувствительного клея. Затем к подложке можно приклеивать рассеивающие частицы, например кристаллиты TiO₂ или кристаллиты люминофора. Такой подход позволяет изготовить отражатели поверх светодиодов на основе самосовмещения. Свет от самих светодиодов используется для управления процессом осаждения.

В этом примере адгезионный слой основан на фотоактивируемом клее. Однако в другом, менее предпочтительном варианте, адгезионный слой основан на фотоактивируемой электропроводности.

Слой герметизации может содержать силикон, а рассеивающие частицы могут содержать частицы TiO₂.

Согласно настоящему изобретению также предлагается способ изготовления устройства вывода света, содержащий этапы, на которых:

встраивают матрицу электрически соединенных друг с другом светоизлучающих диодов в слой герметизации,

обеспечивают адгезионный слой поверх светоизлучающих диодов,

фотоактивируют адгезионный слой, используя свет, излучаемый самими светоизлучающими диодами, и

наносят рассеивающие частицы на адгезионный слой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее следует более подробное описание примеров настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:

Фиг.1 - схематичное изображение известного осветительного устройства со светодиодом в стекле;

Фиг.2 - схематичное изображение конструкции устройства по Фиг.1 в разрезе;

Фиг.3 - требуемое расположение рефлекторов для уменьшения горячих точек по настоящему изобретению, и

Фиг.4 - устройство вывода света по настоящему изобретению.

На всех чертежах одинаковые части обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ

Согласно настоящему изобретению предлагается устройство вывода света, в котором области рассеяния (например, образующие рефлекторы) сформированы поверх светодиодов с использованием процесса самосовмещения, во время которого свет от самих светодиодов используется для управления процессом осаждения рассеивающих частиц.

На Фиг.3 показана требуемая оптическая структура поверх сборки равномерно разнесенных светодиодов на проволочной стеке.

Светодиодная сборка содержит светодиоды 10 и проволочную сетку 12, встроенные в прозрачный слой гибкой подложки, в данном случае используемый как слой 14 герметизации. Этот слой может быть выполнен из силикона, но можно использовать и другие материалы, такие как поливинилхлорид (PVC) или полиуретан (PU).

Толщина слоя 14 герметизации обычно составляет от 1 до 10 мм.

Проволочная сетка может содержать электропроводную проволоку, которая может подавать на светодиоды требуемый электрический ток, например медную проволоку диаметром 0,25 мм.

Проволочная сетка и соединенные с ней светодиоды сформированы стандартным промышленным процессом сборки с захватом, позиционированием и пайкой, а герметизация формируется литьем или нанесением покрытия.

Светодиоды обычно являются дискретными готовыми компонентами и имеют типичный размер 2×3 мм и высоту 0,5-1 мм и разнесены на 10-50 мм в зависимости от назначения изделия.

Выход света от каждого светодиода показан как огибающая 17, а максимальная интенсивность направлена по нормали к плоскости устройства. Над светодиодами 10 показан световодный слой 16, но он не является обязательным. Когда используется световодный слой, он может быть сформирован из прозрачных полимеров, таких как полиметилметакрилат (PMMA), поликарбонат (PC), полистирол (PS), полиуретан (PU) и полисилоксан (силикон). Световодный слой может быть нанесен на слой герметизации литьем, напылением или ламинированием.

Световодный слой предназначен для создания оптического резонатора, из которого свет выходит более равномерно.

Из резонатора происходит извлечение света и это можно осуществлять путем рассеивания в слое 14 герметизации и/или в слое 16 световода, или с помощью создания структур оптической поверхности на световодном слое 16.

Отражатели 18 расположены над каждым светодиодом 10 для блокирования нормально направленного светового пятна высокой интенсивности на его выводящей поверхности. Эти отражатели сформированы, например, из TiO₂. Они могут выполнять только частичное отражение так, чтобы уменьшать интенсивность света, а не блокировать его.

Проблема при формировании отражателей 18 заключается в том, что светодиоды расположены не идеально равномерно, а требуется точное совмещение, чтобы поместить отражатели 18 поверх светодиодов 10.

На Фиг.4 показано устройство по настоящему изобретению, а также проиллюстрирован производственный процесс.

Конструкцию по Фиг.3 (но без идеализированных отражателей, обозначенных позицией 18) снабжают светочувствительным слоем 20, например клеем, фотоактивируемым синим светом, таким как моноакрилат или диакрилат или эпоксидный клей с фотоинициатором. Альтернативно, можно использовать смолу, твердеющую под действием дневного света, коммерчески выпускаемую, например, компаниями Henkel и Norland.

Например, можно использовать светоотверждаемые клеи от компании Henkel под названием Loctite 3100, 3101, 3102 или 3103 или оптические клеи компании Norland под названием NOA72, NOA73 или NOA76.

Преимущество применения светодиодов, излучающих синий свет, а не ультрафиолет, заключается в том, что многие материалы не пропускают ультрафиолетовое излучение, но пропускают синий свет. Например, если световодный слой 16 был бы изготовлен из полиметилметакрилата или поликарбоната, он не пропускал бы ультрафиолетовое излучение.

Во время изготовления устройства фотоактивируемое клеевое покрытие 20 наносят на незаконченные в изготовлении герметизированные светодиоды. Светодиоды включают. Свет светодиодов локально активирует адгезионный слой. Затем на поверхность структуры наносят рассеивающие частицы 22, например частицы TiO₂ или кристаллиты люминофора, которые прикрепляются только к активированным областям.

Наконец, остаточные слои удаляют, а приклеившиеся рассеивающие частицы остаются на месте.

Рассеивающие частицы предпочтительно приклеиваются к поверхности там, где интенсивность света является наивысшей, непосредственно над светодиодами. Между светодиодами осажденный слой является более тонким или отсутствует, поскольку клей не был активирован. При необходимости процесс осаждения слоя можно повторять множество раз. Это саморегулирующийся механизм: как только интенсивность света снижается из-за отсутствия обратного рассеивания от прикрепившихся частиц, дополнительное осаждение рассеивающих частиц снижается.

К мономерам клея в ограниченной концентрации добавляют фотоинициаторы, например, 1-2%, которые расходуются в процессе полимеризации. Они инициируют реакцию полимеризации и становятся концевой частью цепочек полимера. Поэтому они не могут инициировать реакцию второй раз, для этого потребовались бы новые молекулы фотоинициатора. Они добавляются, если процесс осаждения повторяется множество раз, как описано выше. Поверх сформированного отражателя 22 осаждают новый слой, начинают новую активацию и формируют новый отражатель в тех областях, где интенсивность света от светодиода является наивысшей. Таким образом, площадь отражателя растет наружу от областей светового пятна для того, чтобы постепенно сделать вывод света более равномерным.

Таким способом, процесс адгезии естественным образом стремится создать структуру, дающую равномерную интенсивность света по всей площади выводящей поверхности.

Альтернативным вариантом является сенсибилизация световодного слоя с фотопроводящей поверхностью и использование электрических полей в качестве механизма для притягивания частиц к активированной области так же, как в фтокопировальных машинах. Фотопроводящий слой наносится на световод. Свет от светодиодов локально изменяет проводимость слоя и заряженные частицы TiO₂ притягиваются к поверхности. Эти частицы TiO₂ дополнительно могут иметь клеевое покрытие, активируемое ультрафиолетом, чтобы прикрепить их к поверхности на постоянной основе.

Настоящее изобретение представляет особый интерес для вывесок, декоративного освещения, такого как лампы, окна, архитектурное стекло и скрытные окна, хотя возможны и другие варианты применения, такие как мебель и другие декоративные предметы.

Из приведенных чертежей, описания и приложенной формулы изобретения специалистам будут понятны и другие варианты раскрытого изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, а неопределенные артикли не исключают множественного числа. Тот факт, что некоторые признаки приведены во взаимно разных зависимых пунктах формулы, не указывает, что нельзя использовать комбинацию таких признаков. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться в ограничительном смысле.

Устройство вывода света содержит матрицу электрически взаимно соединенных светоизлучающих диодов, слой подложки, в котором или на котором расположена матрица светоизлучающих диодов, адгезионный слой, имеющий участки над светоизлучающими диодами, причем участки адгезионного слоя имеют свойство фотоактивируемой электропроводности, и электрически заряженные рассеивающие частицы (22), приклеенные электростатическим притяжением к участкам адгезионного слоя, тем самым формируя области рассеяния, которые самосовмещены со светоизлучающими диодами. Таким образом устройство вывода света имеет области рассеяния, выполненные поверх светодиодов с использованием процесса самосовмещения, во время которого для управления процессом осаждения используют свет от самих светодиодов. Также предложен способ изготовления устройства для вывода света. Изобретение решает проблему необходимости производства источников света с оптическими структурами, используемыми для маскирования точечных источников, которые должны иметь уровень совмещения порядка 10-100 мкм относительно положения светодиода. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство вывода света, содержащее:
матрицу электрически взаимно соединенных светоизлучающих диодов (10);
слой (14) подложки, в котором или на котором расположена матрица светоизлучающих диодов;
адгезионный слой (20), имеющий участки над светоизлучающими диодами, причем участки адгезионного слоя имеют свойство фотоактивируемой электропроводности, и
электрически заряженные рассеивающие частицы (22), приклеенные электростатическим притяжением к участкам адгезионного слоя, тем самым формируя области рассеяния, которые самосовмещены со светоизлучающими диодами.

2. Устройство вывода света по п. 1, в котором слой (14) подложки является гибким.

3. Устройство вывода света по п. 1, в котором слой (14) подложки содержит силикон.

4. Устройство вывода света по п. 1, в котором рассеивающие частицы (22) содержат частицы ТiO₂.

5. Устройство вывода света по п. 1, в котором световодный слой (16) расположен между слоем (14) подложки и адгезионным слоем (20).

6. Способ изготовления устройства вывода света, содержащий этапы, на которых:
помещают матрицу электрически взаимно соединенных светоизлучающих диодов (10) на слой (14) подложки,
обеспечивают адгезионный слой (20) поверх светоизлучающих диодов,
фотоактивируют адгезионный слой (20), используя световой вход от светоизлучающих диодов для локального изменения проводимости адгезионного слоя (20), и
прикрепляют электрически заряженные рассеивающие частицы (22) к адгезионному слою посредством электростатического притяжения.

7. Способ по п. 6, дополнительно содержащий этап, на котором закрепляют отверждением рассеивающие частицы (20) в их положениях притяжения.