JP5345629B2 - 光出力装置 - Google Patents

Description

本発明は、光出力装置に関し、とりわけ、透明な基板構造と関連づけられる離散光源を用いる光出力装置に関するが、これに限らない。

このタイプの照明装置の既知の一例は、所謂「ＬＥＤ・イン・ガラス」装置である。図１に例が示されている。一般に、電極を形成する透明な導電性コーティング（例えばITO）を備えるガラス板が用いられる。導電性コーティングは、半導体ＬＥＤ装置に接続される電極を作成するためにパターン形成される。ＬＥＤを熱可塑性層（例えば、ポリビニルブチラール、PVB）内に入れ、ガラスを積層することによって、組立体は完成される。

このタイプの装置の用途は、棚、ショーケース、ファサード、オフィスのパーティション、壁の外装材及び装飾照明である。前記照明装置は、他の物体の照明、画像の表示、又は単に装飾的な目的のために用いられ得る。

このタイプの装置に関する１つの問題は、半導体ＬＥＤが点光源であるということである。その結果として、ＬＥＤは、明るい光の点のように見える。これは、一様な照明を与えず、必ずしも好まれない。

前記装置は、照明されていないときには透明である。これは、望ましい特徴である。点光源照明が拡散されるように、前記構造内に散乱機能を設けることが提案されている。しかしながら、これは、照明していない状態における前記構造の透明度に影響を及ぼし、望ましくない。

本発明の第１の態様によれば、光出力装置であり、
少なくとも光出力を含む光源出力を持つ少なくとも１つの光源と、
切換可能部材であって、前記光出力が前記切換可能部材を通して供給され、前記切換可能部材が少なくとも２つの光学的状態の間で切換可能である切換可能部材とを有する光出力装置であって、前記少なくとも２つの光学的状態が、前記光出力の異なる一様度を供給し、前記切換可能部材の切り換えが、前記光源出力によって引き起こされる光出力装置が提供される。

従って、本発明は、切換可能部材、例えば、切換可能層が用いられる構成であって、前記光の一様性が、前記光源に対する近さに関連する構成を提供する。具体的には、前記光源出力が、前記切り換えを引き起こす／制御する、即ち、直接的な電気制御システムを全く必要としない。

好ましくは、前記異なる一様度は、異なるレベルの光散乱を導入することによって供給され、故に、散乱量が前記光源に対する近さに関連する切換可能散乱層が用いられる。具体的には、前記光源出力が、前記切り換えを制御し、即ち、直接的な電気制御システムを全く必要としない。

前記装置は、第１及び第２基板であって、前記第１及び第２基板の間に前記光源が設けられる第１及び第２基板と、前記第１及び第２基板構成の間に設けられ、少なくとも半透明な電極を含む電極構成とを有し得る。前記少なくとも１つの光源は、前記電極によって電気的に駆動される。前記光源としてＬＥＤが用いられる場合、これは、所謂ＬＥＤ・イン・ガラス装置を規定する。

ＬＥＤ・イン・ガラスの場合は、前記システムは、ガラス板全体に付される場合に透明なままである。前記ＬＥＤがオンに切り換えられる場合、前記ＬＥＤの近くだけに、局所的に、散乱が導入される。

前記切換可能層は、ヒドロゲルを含み得る。選択されるヒドロゲルは、或る温度まで加熱される場合に散乱性になることができる。温度は、前記光源の近くが最も高いことから、前記ヒドロゲルは、前記光源の近くでしか散乱性ではない。

前記ヒドロゲルは、２５℃乃至５０℃の範囲内の転移温度を持ち得る。前記ヒドロゲルの固有転移温度が所望の通りではない場合には、前記ヒドロゲルは、前記転移温度を上げるために親水性モノマと共重合させられ得る、又は前記転移温度を下げるために疎水性モノマと共重合させられ得る。

或る例においては、前記ヒドロゲルは、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドと、光重合開始剤とを有する。

前記ヒドロゲルは、例えば、
９．９重量％のＮ−イソプロピルアクリルアミドと、
０．１重量％のジエチレングリコールジアクリレートと、
１重量％のイルガキュア２９５９光重合開始剤と、
８９重量％の脱イオン水とを有し得る。

従って、前記切換可能層の前記切り換えは、前記光源出力のうちの熱によって制御され得る。しかしながら、本発明は、材料が、前記光源出力に対して熱的に応答するものではなく、光学的に応答するものである構成にも適用され得る。他の作動方法も用いられることができ、例えば、特定の波長に応答する材料も用いられることができる。

前記装置は、光源のアレイであって、前記アレイの各光源が、前記切換可能層の局所的な部分と関連づけられ、前記切換可能層の局所的な部分を制御するような光源のアレイを含み得る。各光源は、離散ＬＥＤ装置、又はＬＥＤ装置群を含み得る。

前記切換可能層によって実行される散乱は、前記光の一様度を高める。従って、前記光の一様度がより高くなるということは、所与の領域にわたって光出力がより一様になるということを意味すると理解されたい。

本発明は、光出力を供給する方法であって、
少なくとも光出力を含む光源出力を少なくとも１つの光源から生成するステップと、
前記光出力の異なる一様度を供給する少なくとも２つの光学的状態の間で切換可能である切換可能部材を通して前記光出力を供給するステップと、
前記光源出力によって前記切換可能部材の切り換えを引き起こすステップとを有する方法も提供する。

本発明は、請求項において列挙されている特徴の全てのあり得る組み合わせに関することに注意されたい。

ここで、添付図面を参照して、本発明の例を詳細に説明する。

既知のＬＥＤ・イン・ガラス照明装置を示す。 図１の装置の構造の例を示す。 本発明の根底にある概念を概略的に示す。 本発明の光出力装置の第１例を示す。 p-NIPAAmヒドロゲルが、温度によって、どのように特徴を変えるかを示す。 p-NIPAAmヒドロゲルが、温度によって、どのように特徴を変えるかを示す。 図４の装置において用いられる切換層の切換特性がどのように調整され得るかを示す。 本発明の光出力装置の第２例を示す。

図の全てを通して、同様のパーツを示すのに同じ参照符号が用いられている。

図２は、既知のＬＥＤ・イン・ガラスの構造を示している。光出力装置は、ガラス板１及び２を有する。ガラス板の間には、（例えば、ITO又は細い導電性ワイヤを用いて形成される）（半）透明電極３ａ及び３ｂと、透明電極３ａ及び３ｂに接続されるＬＥＤ４とがある。ガラス板１及び２の間には、熱可塑性材料の層５が設けられる（例えば、PVB又はUV樹脂）。

透明電極が用いられる場合、前記透明電極は、観察者の目に見えず、光出力の非一様性をもたらさない。

電極は、好ましくは、実質的に透明である。このことは、前記電極が、装置の通常の使用中には観察者には知覚できないことを意味する。導体の配列が、（例えば、それがパターン形成されないことから、又はパターンが見えないことから、）光透過率において目に見えるほどの変化をもたらさない場合には、システムが透明なように見えるのには、５０％以上の透明度で十分であり得る。より好ましくは、透明度は、７０％より高く、より好ましくは９０％より高く、更により好ましくは９９％より高い。導体の配列が、（例えば、細いワイヤが用いられることから、）パターン形成される場合には、透明度は、好ましくは８０％より高く、より好ましくは９０％より高く、最も好ましくは９９％より高い。

電極は、ＩＴＯなどの透明な材料で作成され得る、又は電極は、銅などの不透明な材料で作成され得るが、通常の使用中には前記電極が見えないように十分に細い。適切な材料の例は、米国特許第US 5 218 351号に開示されている。

とりわけ有用な不透明な導電性材料は、シルクスクリーン又はインクジェット印刷を用いて堆積される導電性インクであり得る。なぜなら、これは、導体の配列を、費用対効果の優れた方法で堆積させることを可能にするからである。

ガラス板は、一般に、1.1mm乃至2.1mmの厚さを持ち得る。電極間の間隔は、一般に0.01乃至3mmであり、例えば約0.15mmである。熱可塑性層は、0.5mm乃至2mmの厚さを持ち、電極の電気抵抗は、１乃至８０オームの範囲内、若しくは１乃至８０オームの範囲内、若しくはより好ましくは２乃至２０オームの範囲内、又は１０乃至３０オーム／スクエアの範囲内である。

本発明は、（少なくとも）２つの光学的状態の間で切換可能である切換可能部材を通して光出力が供給される光出力装置であって、前記少なくとも２つの光学的状態が、前記光出力の異なる一様度を供給する光出力装置を提供する。異なる一様度は、例えば、異なるレベルの光散乱を導入することによって供給され得る。これらの状態のうちの１つは、実質的に透明な状態であってもよく、１つは、光出力がより拡散される散乱状態であってもよい。これは、多くの用途で、例えば、ＬＥＤによって供給される点光源照明を、より大きな領域にわたってより一様な光出力に変換するのに用いられ得る。切換可能部材の切り換えは、光源出力によって引き起こされる／制御される。このことは、切換可能部材は、光源自体からの例えば熱的な又は光学的な刺激に応答するので、切換可能部材のためには別個の導体のパターンが必要とされないことを意味する。

図３は、本発明の根底にある基本的な原理を示しており、切換可能層６に隣接するＬＥＤの形態の光源４を示している。散乱層６は、光出力経路中に設けられ、図３において概略的に示されているように（グレーの様々な色合いによって表されている）切換応答は、光源４からの距離に依存する。層６の切り換えは、局所的な作用であり、光源出力と層６の材料との間の熱的な又は光学的な相互作用の結果である。適切な材料については下で述べる。

図４は、図２に示されているタイプの構造への本発明の適用の第１例を示している。

図２に示されている層に加えて、２つの切換可能散乱層６ａ及び６ｂが、基板１、２の外側に示されている。

ＬＥＤ４がオンにされる場合、切換可能散乱層は、ＬＥＤ４と散乱層のその部分との間の距離に応じて散乱性になる。好ましくは、ＬＥＤによって放射される光が、ＬＥＤによって生成される光又は熱に応答する層６の散乱性によってより大きな領域にわたって分散させられるように、層６は、ＬＥＤに近い場合に散乱性になる。ＬＥＤの上下の両方に散乱層を用いることで、光の分布はより一様になる。

図４の構造は、個々の光源のために用いられてもよく、又は図１に示されているタイプの光源のアレイのために用いられてもよい。

本発明の構成は、オフにされている際に装置を実質的に透明なままにすることを可能にするが、光の放射をより一様することも可能にする。光度分布の一様性は、散乱量が、ＬＥＤの位置のすぐ向かい側では、ＬＥＤからより遠く離れたところと比べて、より多くなるよう選ばれる、散乱効率が変化する拡散器を用いることによって、効果的に改善される。

本発明の構成は、ＬＥＤの位置のすぐ向かい側の散乱作用を局所化し、これを達成するのに電気的な制御機構を必要としない。前記散乱作用はまた、ＬＥＤがオフにされる場合に自動的に止まるであろう。

とりわけ有利な実施例においては、層６ａ、６ｂは、ＬＥＤ４によって生成される熱に応答するであろう。熱は、実質的に、ＬＥＤを囲む領域内に位置することから、層６ａ、６ｂは、ちょうど、散乱性であるのが好ましい位置において、散乱性になるであろう。同時に、ＬＥＤがオフにされる場合には、ガラス基板は冷め、散乱効果は消え、システムを再び透明にするであろう。

散乱材料は、熱に応答するヒドロゲルを有し得る。

温度応答性ポリマの例は、水中で３２℃においてシャープなコイル・グロビュール転移を起こし、この温度より下での親水性状態から、この温度より上での疎水性状態へ変化するポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）である。温度が、臨界点を越えて上昇すると、側鎖イソプロピル部分と関連する水分子が、大量の水相へ放出されるので、コイル構造からグロビュール構造への相転移は、エントロピーゲインに起因する。これが起こる温度（下限臨界溶液温度又はＬＣＳＴ）は、相図において、ポリマ鎖に水素結合されている水のエンタルピー寄与がシステムのエントロピーゲイン未満になる領域に対応する。

ＬＣＳＴは、構成するモノマ単位の水素結合能力に大きく依存する。従って、所与のポリマのＬＣＳＴは、親水性又は疎水性のコモノマの含有量を変えることで、望ましいように「調整」され得る。

刺激応答性ポリマが架橋される場合、刺激応答性ヒドロゲルは得られ得る。高分子ヒドロゲルは、含水ポリマであるが、水不溶性ポリマであり、その分子は、三次元ネットワークに（共有結合又はイオン結合によって）化学的に結合される又は（ポリマ鎖におけるからみ合いによって）物理的に結合される。それらは、挿入される親水性ポリマによって、それらの材料の協働を失わずに、水中で膨張し、大きく体積を増加させる。従って、PNIPAAmの架橋ネットワークは、温度がその遷移状態より下であれば、水性環境中で膨張する。この温度より上では、前記ネットワークは、縮むであろう。この応答は、ゲルの光学的特性を変える。図５ａは、ＬＣＳＴより下でのヒドロゲルを示しており、図５ｂは、ＬＣＳＴより上でのヒドロゲルを示している。ＬＣＳＴより上では、ポリマ鎖から水が分離し、ゲル内に小さな水滴が形成される。

両方の相が異なる屈折率を持つようなポリマ中に分散する水滴のこのランダムな構造が入射光を散乱させる。

ポリ−Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（p-NIPAAm）をベースにした適切なヒドロゲルの第１例は、
９．９重量％のＮ−イソプロピルアクリルアミドと、
０．１重量％のジエチレングリコールジアクリレートと、
１重量％のイルガキュア２９５９光重合開始剤と、
８９重量％の脱イオン水とを含むモノマ混合物から作成され得る。

この混合物は、ほぼ1mmの隙間を持つ２枚のガラス基板から作成されるセルの中に導入され得る。ヒドロゲルを重合させるため、ヒドロゲルは、（例えば、3mW/cm2、１５分）ＵＶ光にさらされる。熱輸送を容易にし、十分な光結合を供給するため、離散ＬＥＤ装置を基板構成に結合するのにはシリコン油が用いられ得る。

このヒドロゲルは、ほぼ３２℃の転移温度を持つ。上記で説明したように、この転移温度は、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドのモノマを、親水性モノマと共重合させることによって（その場合、転移温度は上がる）、又は疎水性モノマと共重合させることによって（その場合、転移温度は下がる）、変えられ得る。

セルの隙間は、切換可能散乱層の混濁度を下げるために、例えば0.1μmまで減らされ得る。

上記の構成を調べ、上記構成で、ＬＥＤがオンにされる前はヒドロゲル層が透明であることが明らかになった。その時点では、ＬＥＤ装置は、まさしく、透明な基板構成内の離散素子のように見える。ＬＥＤがオンにされる場合、ヒドロゲル層は、温かくなり、光を散乱させ始め、ＬＥＤを囲む円内の光出力を均一にする。ＬＥＤをオフにした後は、層は冷め、再び透明になる。

切換可能層は、ＬＥＤまでの距離に依存する他の作用に応答してもよい。

例えば、層６ａ、６ｂは、局所的な光度に応答してもよく、これは、非線形光学材料の粒子を含むゲルを用いて達成され得る。非線形光学材料の屈折率は、局所的な光度に依存する。

別の例は、フォトクロミック材料を用いるものである。ガラスは、微結晶性の銀のハロゲン化物（通常、塩化銀）又は分子を埋め込むことで、所望のフォトクロミック特性を達成し得る。

更に別の例として、層６ａ、６ｂは、ＬＥＤのパルス幅変調によって生成される電磁波に応答してもよい。例は、電波によって誘起される電荷に応答することができるエレクトロクロミック材料である。

上記のヒドロゲルは、ほぼ３２℃の転移温度を持つ。上記のように、この転移温度は、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドのモノマを、親水性モノマ又は疎水性モノマと共重合させることによって、変えられ得る。

図６は、上記の組成のヒドロゲルの光の透過性を示しており、ヒドロゲルが、（図示されているように２％から９％までの範囲に及ぶ）様々な量のポリ−（エチレングリコール）アクリレート(PEGA)と混ぜ合わされている。ヒドロゲル混合物中のPEGAのモノマの量が増やされる場合、ゲルが散乱させ始める温度は高くなる。

別の材料として、非架橋温度応答ポリマ（単一ポリマ鎖）が水に溶かされる。例は、水中の１乃至１０％のポリ−（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）である。ポリマの量を増やすことで、散乱量は増える。この方法の利点は、対流によって、液体が、ＬＥＤに向かう方及びＬＥＤから離れる方へ、流れることができ、ＬＥＤを冷却するのを手助けすることである。更に、熱が、より良好に、ＬＥＤから遠くへ伝えられることができ、散乱粒子が、ＬＥＤから遠くへ運ばれることができることから、散乱作用は、大きくなり得る。

本発明は、とりわけＬＥＤ光源に利益をもたらす。なぜなら、ＬＥＤ光源は点光源光出力を持つからである。しかしながら、本発明は、他のタイプの光源にも適用され得る。図７は、一例として、白熱ランプへの本発明の適用例を示している。ランプは、二重壁ガラス構造を持ち、ガラス壁の間に切換可能材料（ヒドロゲル）が埋め込まれる。ランプはオフにされている場合、ランプは透明であり、内部の構造が見える。しかしながら、ランプがオンにされる場合、応答性材料が散乱状態に切り換わり、光出力をより均一にする。

この実施例の利点は、ランプが、オフにされる場合には魅力的に見え、それでも、オンにされる場合には均一な出力を持つことである。

上記の例においては、単一のＬＥＤが示されている。しかしながら、前記ＬＥＤは、ＬＥＤ群の中のものであり得る。

切換可能ヒドロゲル層は、装置の耐引っかき性を高めるために、ＬＥＤのより近く、例えば、ＬＥＤの上、且つ上部ガラス板の下に、配置されてもよい。他の例においては、図４に示されているスタックの外側に追加のガラス板が付され得る。

上記では、ヒドロゲルの例を１つしか示していない。しかしながら、望ましいように応答するヒドロゲルの例は他にもたくさんある。ヒドロゲルは、
Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、ジエチルアクリルアミド（ジメチルアクリルアミド）、カルボキシイソプロピルアクリルアミド、ヒドロキシメチルプロピルメタクリルアミド、アクリロイルアルキルピペラジン、Ｎ−ビニルカプロラクタム、並びに
それらと、ヒドロキシエチルアクリレート（ヒドロキシエチルメタクリレート）、アクリル酸（メタクリル酸）、アクリルアミド、ポリエチレングリコールアクリレート（ポリエチレングリコールメタクリレート）、Ｎ−ビニルピロリドン、ジメチルアミノプロピルメタクリルアミド、ジメチルアミノエチルアクリレート、Ｎ−ヒドロキシメチルアクリルアミド若しくはそれらの混合物を含む親水性モノマのグループから選択されるモノマ、及び／又は
（イソ）ブチルアクリレート（ブチルメタクリレート）、メチルメタクリレート、イソボルニルアクリレート（イソボルニルメタクリレート）、グリシジルメタクリレート若しくはそれらの混合物を含む疎水性モノマのグループから選択されるモノマの共重合体を含むグループから選択される熱応答性モノマをベースにしてもよい。これらの共重合体は、熱応答性であることが知られており、それ故、本発明の範囲内の広い適用範囲に有用であり得る。

添付の請求項によって規定されているように、本発明の様々な態様の範囲内には、様々な他の可能性がある。

様々な他の変形例は、当業者には明らかであろう。

Claims (14)

1. 光出力装置であり、
   第１及び第２基板と、
   前記第１及び第２基板の間に設けられ、少なくとも光出力を含む光源出力を持つ少なくとも１つの光源と、
   前記第１及び第２基板の間に設けられ、前記少なくとも１つの光源を電気的に駆動する少なくとも半透明な電極を含む電極構成と、
   切換可能部材であって、前記光出力が、前記第１基板及び／又は前記第２基板、並びに前記切換可能部材を通して供給され、前記切換可能部材が少なくとも２つの光学的状態の間で切換可能である切換可能部材とを有する光出力装置であって、前記少なくとも２つの光学的状態が、異なるレベルの光散乱を導入することによって前記光出力の異なる一様度を供給し、前記切換可能部材の切り換えが、前記光源出力によって引き起こされる光出力装置。
2. 光出力装置であり、
   第１及び第２基板と、
   前記第１及び第２基板の間に設けられ、少なくとも光出力を含む光源出力を持つ少なくとも１つの光源と、
   前記第１及び第２基板の間に設けられ、前記少なくとも１つの光源を電気的に駆動する少なくとも半透明な電極を含む電極構成と、
   切換可能部材であって、前記光出力が前記切換可能部材を通して供給され、前記切換可能部材が少なくとも２つの光学的状態の間で切換可能である切換可能部材とを有する光出力装置であって、前記少なくとも２つの光学的状態が、前記光出力の異なる一様度を供給し、前記切換可能部材の切り換えが、前記光源出力によって引き起こされる光出力装置。
3. 前記切換可能部材が、ヒドロゲルを有する請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ヒドロゲルが、２５℃乃至５０℃の範囲内の転移温度を持つ請求項３に記載の装置。
5. 前記ヒドロゲルが、前記転移温度を上げるために親水性モノマと共重合させられる、又は前記転移温度を下げるために疎水性モノマと共重合させられる請求項３に記載の装置。
6. 前記ヒドロゲルが、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドと、光重合開始剤とを有する請求項３に記載の装置。
7. 前記ヒドロゲルが、
   ９．９重量％のＮ−イソプロピルアクリルアミドと、
   ０．１重量％のジエチレングリコールジアクリレートと、
   １重量％のイルガキュア２９５９光重合開始剤と、
   ８９重量％の脱イオン水とを有する請求項６に記載の装置。
8. 前記切換可能部材の切り換えが、前記光源出力の熱によって制御される請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 光源のアレイを有する請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記アレイの各光源が、前記切換可能部材の局所的な部分と関連づけられ、前記切換可能部材の局所的な部分を制御する請求項９に記載の装置。
11. 前記光源がＬＥＤ装置を有する請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記光源がＬＥＤ装置群を有する請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 光出力を供給する方法であって、
    第１及び第２基板の間に設けられる少なくとも１つの光源を、前記第１及び第２基板の間に設けられる電極構成に含まれる少なくとも半透明な電極によって、電気的に駆動するステップと、
    少なくとも光出力を含む光源出力を前記少なくとも１つの光源から生成するステップと、
    異なるレベルの光散乱を導入することによって前記光出力の異なる一様度を供給する少なくとも２つの光学的状態の間で切換可能である切換可能部材、並びに前記第１基板及び／又は前記第２基板を通して前記光出力を供給するステップと、
    前記光源出力によって前記切換可能部材の切り換えを引き起こすステップとを有する方法。
14. 光出力を供給する方法であって、
    第１及び第２基板の間に設けられる少なくとも１つの光源を、前記第１及び第２基板の間に設けられる電極構成に含まれる少なくとも半透明な電極によって、電気的に駆動するステップと、
    少なくとも光出力を含む光源出力を前記少なくとも１つの光源から生成するステップと、
    前記光出力の異なる一様度を供給する少なくとも２つの光学的状態の間で切換可能である切換可能部材を通して前記光出力を供給するステップと、
    前記光源出力によって前記切換可能部材の切り換えを引き起こすステップとを有する方法。

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