在光漫射纖維基紡織品上的磷光體印刷的制作方法
【專利說(shuō)明】在光漫射纖維基紡織品上的磷光體印刷
[0001 ]本申請(qǐng)要求2013年08月27日提交的美國(guó)申請(qǐng)系列號(hào)14/010895的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請(qǐng)的內(nèi)容為基礎(chǔ)并通過(guò)參考將其完整地結(jié)合于此。
[0002]題堡
[0003]本發(fā)明涉及照明結(jié)構(gòu)，具體來(lái)說(shuō)，涉及包含光漫射纖維的照明結(jié)構(gòu)。
[0004]罝量
[0005]射光纖是沿著纖維的長(zhǎng)度從表面發(fā)射光而不僅僅是沿著纖維的軸向傳播光的光纖。與光通訊中常用的光纖類似，光漫射光纖可包含芯體區(qū)域和包覆區(qū)域，該包覆區(qū)域由折射率低于芯體區(qū)域材料折射率的材料制成。此外，光漫射光纖構(gòu)造成將引導(dǎo)光散射離開(kāi)芯體并穿過(guò)包覆區(qū)域的外部表面。離開(kāi)芯體和穿過(guò)包覆區(qū)域的外部表面的光的散射可通過(guò)下述來(lái)獲得:在玻璃芯體之內(nèi)或在芯體-包覆體邊界處設(shè)置納米尺寸的(例如，1nm-1OOOnm)結(jié)構(gòu)。納米尺寸的結(jié)構(gòu)可為空穴。光漫射光纖的性質(zhì)和特征及其制備方法參見(jiàn)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2013/0090402A1，該文的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用納入本文。
[0006]在該專利文獻(xiàn)中批露了光漫射光纖，且這種纖維的應(yīng)用包含生物反應(yīng)器、標(biāo)牌、特殊照明(例如，提供裝飾特性)、傳感器和測(cè)量應(yīng)用、汽車應(yīng)用和消費(fèi)用電子裝置。
[0007]挺述
[0008]本發(fā)明涉及發(fā)光體織物，其包含作為光漫射光纖的至少一種纖維、連接到該光漫射纖維的至少一個(gè)光源，和在該光漫射纖維的至少一部分上施加的至少一個(gè)發(fā)光團(tuán)涂層。
[0009]發(fā)光體織物(fabric)可為包含交錯(cuò)的纖維;紡織的，針織的，或鉤編的織物的；和無(wú)紡織物的紡織品(textile)材料，其中至少一種纖維是連接到至少一個(gè)光源的光漫射光纖，其中發(fā)光團(tuán)涂層存在于光漫射光纖的外部表面的至少一部分上。
[0010]連接到光漫射光纖的光源可為激光器或發(fā)光二極管。
[0011 ]發(fā)光團(tuán)涂層可包含至少一種磷光體化合物，至少一種熒光團(tuán)化合物，或至少一種磷光體和至少一種發(fā)色團(tuán)的組合。
[0012]附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0013]圖1是光漫射光纖的示例實(shí)施方式的一部分側(cè)視示意圖。
[0014]圖2是圖1所示光纖沿方向2-2觀察時(shí)的橫截面示意圖。
[0015]圖3A示意性地顯示用于光漫射纖維的示例性實(shí)施方式的相對(duì)折射率隨纖維半徑變化的圖。
[0016]圖3B示意性地顯示用于光漫射纖維的另一示例性實(shí)施方式的相對(duì)折射率隨纖維半徑變化的圖。
[0017]圖3C顯示光漫射纖維的另一示例性實(shí)施方式。
[0018]圖4A和4B顯示了光纖衰減(損耗)(dB/m)和波長(zhǎng)(nm)的關(guān)系。
[0019]圖5顯示了在單根光纖內(nèi)采用雙光程的光纖布置方式。
[0020]圖6A顯示了使光纖具有均勻張力(實(shí)施例A)和可變張力(實(shí)施例B)時(shí)沿光纖的強(qiáng)度分布。
[0021]圖6B顯示了使用白油墨和不用油墨時(shí)的散射分布曲線。
[0022]圖7顯示了圖5所示光纖(光纖后端連有反射鏡)和涂層中使用白油墨的光纖的散射情況。
[0023]圖8顯示絲網(wǎng)印刷的包含光漫射光纖的織物顯示器或標(biāo)牌。
[0024]圖9顯示層壓的或?qū)訝顦?biāo)牌或顯示器，其包含設(shè)置在兩個(gè)外部層之間的、絲網(wǎng)印刷的包括光漫射光纖的織物，該兩外部層可保護(hù)和支撐織物，外部層中的至少一個(gè)是透明的以使得從織物發(fā)射的光得以顯示。
[0025]圖10顯示層壓的或?qū)訝顦?biāo)牌或顯示器，其包含絲網(wǎng)印刷的包括光漫射光纖的織物，該織物支撐在可為透明的或不透明的另一層材料上。
[0026]圖11顯示絲網(wǎng)印刷的織物顯示器，其使用兩種不同的發(fā)光團(tuán)和兩種不同的光源，各光源只激發(fā)兩種發(fā)光團(tuán)中的一種來(lái)誘導(dǎo)發(fā)光。
[0027]【具體實(shí)施方式】的詳細(xì)描述
[0028]下面詳細(xì)參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，這些實(shí)施方式的例子在附圖中示出。只要有可能，在所有附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示相同或類似的部分。
[0029]可以在本發(fā)明范圍之內(nèi)，對(duì)下述示例作出各種改進(jìn)和變化，可以將不同示例的各個(gè)方面以不同的方式組合，以獲得另外的示例。因此，本發(fā)明的權(quán)利要求的真實(shí)范圍應(yīng)當(dāng)從整個(gè)說(shuō)明書(shū)來(lái)理解，可以參考本文所述的實(shí)施方式，但不受其限制。
[0030]術(shù)語(yǔ)"柔性光漫射波導(dǎo)"指使用納米尺寸的結(jié)構(gòu)的柔性光學(xué)波導(dǎo)或(例如，光纖)，其用來(lái)將光散射或漫射出纖維的側(cè)面，從而將光導(dǎo)向離開(kāi)波導(dǎo)的芯體并穿過(guò)波導(dǎo)的外部表面來(lái)提供發(fā)光。與所要求保護(hù)的主題的基礎(chǔ)原理相關(guān)的概念參見(jiàn)美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?2/950，045(美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)US2011/0122646A1)，該文的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用納入本文。
[0031]術(shù)語(yǔ)“光源”指的是激光器、發(fā)光二極管或者能夠發(fā)射電磁輻射的其他組件，所述電磁輻射在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍中或者其波長(zhǎng)可以與發(fā)光體相互作用以發(fā)射可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍的光。
[0032]術(shù)語(yǔ)“發(fā)光體”指的是表現(xiàn)出發(fā)光的原子或化學(xué)化合物，并包括各種熒光團(tuán)和磷光體。
[0033]下面的術(shù)語(yǔ)和短語(yǔ)與具有納米尺寸結(jié)構(gòu)的光漫射纖維聯(lián)用。
[0034]“折射率曲線”表示折射率或相對(duì)折射率與波導(dǎo)(光纖)半徑之間的關(guān)系。
[0035]“相對(duì)折射率百分?jǐn)?shù)”定義為
[0036]Δ (r) % = 100x[n(r)2 —職匕2) ]/2n(r)2，
[0037]除非另有說(shuō)明，n(r)是在半徑r處的折射率。除非另有說(shuō)明，相對(duì)折射率百分?jǐn)?shù)在850nm處限定。在一方面中，參比折射率η參比是二氧化硅玻璃在850nm處的折射率，等于1.452498，另一方面，它是包覆玻璃在850nm處的最大折射率。除非另有說(shuō)明，否則，本文所用的相對(duì)折射率用A表示，其數(shù)值以“為單位。如果某區(qū)域的折射率小于參比折射率
則相對(duì)折射率百分?jǐn)?shù)是負(fù)的，并稱為具有降低區(qū)域或降低-折射率，并在其中相對(duì)折射率具有絕對(duì)值最大的負(fù)值的點(diǎn)計(jì)算最小相對(duì)折射率，除非另有說(shuō)明。如果某個(gè)區(qū)域的折射率大于參比折射率η參t，則相對(duì)折射率數(shù)是正的，且該區(qū)域可稱為升高的或具有正折射率。
[0038]在本文中，“正摻雜劑”(updopant)視為相對(duì)于未摻雜的純Si02傾向于提高折射率的摻雜劑。在本文中，“負(fù)摻雜劑”(downdopant)視為相對(duì)于未摻雜的純Si02傾向于降低折射率的摻雜劑。正摻雜劑可存在于光纖中具有負(fù)相對(duì)折射率的區(qū)域，同時(shí)伴有一種或多種不是正摻雜劑的其他摻雜劑。類似地，在具有正相對(duì)折射率的光纖的區(qū)域可存在不是正摻雜劑的一種或多種其它摻雜劑。負(fù)摻雜劑可存在于光纖中具有正相對(duì)折射率的區(qū)域，同時(shí)伴有一種或多種不是負(fù)摻雜劑的其他摻雜劑。
[0039]類似地，在具有負(fù)相對(duì)折射率的光纖的區(qū)域可存在不是負(fù)摻雜劑的一種或多種其它摻雜劑。
[0040]術(shù)語(yǔ)“α分布”或者“阿爾法分布”是指相對(duì)折射率分布曲線，用△(r)表示，單位為 ，其中r為半徑，該參數(shù)用以下方程式表示，
[0041 ] Δ (r) = Δ (r。)(1_[ | r~r01 /(r1-r。)]a),
[0042]式中r。表示Δ(r)為最大值的點(diǎn)，ri表示Δ (r) %為零的點(diǎn)，r的范圍是ri < r < rf,其中△如上文所定義，^是<1-分布曲線的起點(diǎn)，η是α-分布曲線的終點(diǎn)，α是指數(shù)，為實(shí)數(shù)。
[0043]因此，本文所用的術(shù)語(yǔ)“拋物線”包括基本上呈拋物線形的折射率分布曲線，它在芯體中的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)上可稍微偏離α值為2.0的情況；“拋物線”還包括有少量變化和/或中心線下沉的分布曲線。在一些示例性實(shí)施方式，如在850nm下所測(cè)量，α大于1.5和小于2.5，更優(yōu)選地大于1.7和2.3，甚至更優(yōu)選地1.8-2.3。在其他實(shí)施方式中，折射率分布曲線上的一段或多段具有基本上呈階梯的折射率形狀，其中在850nm處測(cè)量的α值大于8，更優(yōu)選大于10，甚至更優(yōu)選大于20。
[0044]術(shù)語(yǔ)〃納米結(jié)構(gòu)化的纖維區(qū)域〃描述纖維，其包括在纖維的橫截面中具有含大量(大于50)的氣體填充的空穴或其它納米尺寸的結(jié)構(gòu)(例如，大于50，大于100，或大于200空穴)的區(qū)域或區(qū)間。氣體填充的空穴可包含，例如SO2、Kr、Ar、⑶2、N2、O2或其混合物。本文所述的納米尺寸結(jié)構(gòu)(例如空穴)的橫截面尺寸(例如直徑)可在1nm至I微米之間變化(例如50-500nm)，長(zhǎng)度可在I毫米至50m之間變化(例如2mm至5m，或者5mm至Im的范圍)。
[0045]在標(biāo)準(zhǔn)單?；蚨嗄９饫w中，在小于1300nm的波長(zhǎng)處的損耗主要取決于瑞利散射。這些瑞利(Ray Ieigh)散射損耗Ls由材料的性質(zhì)決定，對(duì)可見(jiàn)光波長(zhǎng)(400-700nm)通常約為20dB/km。瑞利散射損耗還對(duì)波長(zhǎng)具有強(qiáng)依賴性(S卩Lsocl/，4，參見(jiàn)圖4B中的比較光纖A)，這意味著至少需要約l_2km的光纖才能耗散超過(guò)95%的輸入光。這種纖維的較短的長(zhǎng)度將導(dǎo)致較低的照明效率，而使用較長(zhǎng)的長(zhǎng)度(lkm-2km，或更長(zhǎng))可更加昂貴且可能難以管理。用于生物反應(yīng)器或其他照明系統(tǒng)時(shí)，長(zhǎng)光纖安裝起來(lái)可能比較麻煩。
[0046]在光照應(yīng)用的某些裝置中希望采用長(zhǎng)度更短的光纖，例如l-100m。這要求增大光纖的散射損耗，同時(shí)能夠保持良好的角散射性質(zhì)(光從光纖軸均勻地耗散)以及良好的彎曲性能，以避免光纖彎曲處的亮斑。本文所述的至少一些實(shí)施方式的所需的特征是沿著纖維照明器的長(zhǎng)度具有均勻和較高的照明。因?yàn)楣饫w是柔性的，所以可將它布置成許多照明形狀。優(yōu)選在光纖的彎曲點(diǎn)處沒(méi)有亮斑(由于彎曲損耗升高)，使得光纖提供的照度變化不超過(guò)30%，優(yōu)選小于20%，更優(yōu)選小于10%。例如，在至少一些實(shí)施方式中，纖維的平均散射損耗大于50dB/km，并且散射損耗在任何給定的長(zhǎng)為0.2m的纖維段上的變化不超過(guò)30% (即散射損耗在平均散射損耗的± 30%以內(nèi))。根據(jù)至少一些實(shí)施方式，在小于0.05m長(zhǎng)度的纖維段上，纖維的平均散射損耗大于50dB/km，且散射損耗變化不大于30%。根據(jù)至少一些實(shí)施方式，在0.0lm長(zhǎng)度的纖維段上，纖維的平均散射損耗大于50dB/km，且散射損耗變化不大于30%(S卩，± 30%)。根據(jù)至少一些實(shí)施方式，在0.0lm長(zhǎng)度的纖維段上，纖維的平均散射損耗大于50dB/km，且散射損耗變化不大于20 % ( S卩，± 20 % )，且優(yōu)選地變化不大于10 % (即土10%)o
[0047]在至少一些實(shí)施方式中，對(duì)于纖維的目標(biāo)長(zhǎng)度(例如，其可為0.02-100m的長(zhǎng)度)，穿過(guò)纖維的側(cè)面的在照