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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine Beschichtung für Fahrzeuge. Im Einzelnen betrifft
die vorliegende Erfindung eine Halbleiternanokristall-Leuchtbeschichtung
für Fahrzeuge.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei
Nacht ist es bei schwachen Lichtverhältnissen oft schwierig, sich
nähernde
Fahrzeuge bei einem Umgebungslicht, das dem sich nähernden
Fahrzeug zugeordnet ist, auszumachen. Ferner sind manche Fahrzeuge
nicht beleuchtet, da sie mit ausgeschalteter Beleuchtung geparkt
sind. Ein Versuch, diese Schwierigkeiten anzugehen, besteht aus
dem Einbauen von reflektierenden Gläsern in dem sich nähernden
Fahrzeug, die zumindest teilweise einen Teil des Lichts zurück hin zu
dem fahrenden Fahrzeug reflektieren, was es dem fahrenden Fahrzeug erlaubt,
zumindest teilweise das sich nähernde
Fahrzeug sichtbar zu machen. Andere Versuche umfassen Beleuchtungsausrüstungen,
die eine elektrische Schaltungsanordnung benötigen, um die Sichtbarkeit sich
nähernder
Autos zu verbessern. Einige dieser Versuche werden während des
Fahrzeugfertigungsprozesses eingesetzt und einige andere sind Nachrüstartikel,
die nach Beendigung des Fertigungsprozesses an dem Fahrzeug installiert
werden. Die derzeitigen Einschränkungen
werden durch die vorliegende Erfindung angegangen, die eine Fahrzeugleuchtschicht
betrifft.
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Mehrere
Kraftfahrzeugpigmente, einschließlich Effektpigmente, Glanz- oder Schimmerpigmente, werden
verwendet, um einzigartige farbliche Effekte zu erzeugen. Im Allgemeinen
haben diese Effektpigmente eine beschränkte Wirkung, da im Allgemeinen die
optischen Eigenschaften in Verbindung mit Reflexion und/oder Interferenzphänomen für sie maßgeblich
sind. Im Allgemeinen erzeugen Lackierungen, die ein Pigment mit
visuellem Effekt enthalten, einen „Flop-Effekt”, wobei
sich die farblichen Eigenschaften der Oberfläche abhängig vom Blickwinkel ändern. Wenn
eine Änderung
des Blickwinkels zu einer Änderung
der Helligkeit führt,
wird der Effekt im Allgemeinen als Helligkeitsflop bezeichnet, und
wenn Änderungen
des Farbtons vorliegen, wird der Effekt als Farbflop bezeichnet.
Diese Effekte sind aber auf Situationen mit ausreichend verfügbarem Umgebungslicht
zum Erzeugen des farblichen Effekts beschränkt und werden nur beruhend
auf einer Änderung
des Blickwinkels abgewandelt. Bei Situationen mit einem konstanten
Blickwinkel oder mit beschränktem
Umgebungslicht sind diese Effekte nicht so stark visuell wahrnehmbar.
Ferner sieht eine Farbänderung
nicht unbedingt eine Beleuchtung für das zugeordnete Fahrzeug
vor. Daher besteht Bedarf, eine spezielle optische Schicht vorzusehen,
die bei schwachen Lichtverhältnissen
einen Leuchteffekt bietet.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die überraschende Entdeckung, dass
durch Aufbringen eines Halbleiternanokristallkomplexes, der stabil
mit Tertiärmolekülen gekoppelt
ist, eine Lichtemission einer erwünschten Frequenz vorgesehen
wird, die während
Situationen mit schwachen Lichtverhältnissen eine bessere Sichtbarkeit
von beschichteten Oberflächen
ermöglicht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung verringert die Schwierigkeiten und Nachteile
des Stands der Technik durch Vorsehen eines Verfahrens und einer
Zusammensetzung zum Beleuchten einer geformten Oberfläche, die
eine sich von einem strukturellen Element erstreckende aufnehmende
Oberfläche
aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: das Vorsehen
eines heterogenen Gemisches, das einen Halbleiternanokristallkomplex
und ein Dispersionsmedium umfasst, wobei der Halbleiternanokristallkomplex
einen Kern, eine mittlere Schicht und eine äußere Schicht umfasst, wobei
sich die mittlere Schicht dazwischen erstreckt, das Aufbringen des heterogenen
Gemisches auf die aufnehmende Oberfläche und das Beleuchten des
heterogenen Gemisches mit einer Beleuchtungsquelle, die ausreicht, um
die geformte Oberfläche
nachleuchten zu lassen bzw. an dieser eine Lumineszenz zu bewirken.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Fahrzeugleuchtzusammensetzung,
die ein heterogenes Gemisch umfasst, das einen in ein Dispersionsmedium eingetauchten
Halbleiternanokristallkomplex aufweist, wobei der Halbleiternanokristallkomplex
weiterhin einen Halbleiternanokristallkern umfasst, der durch eine
mittlere Schicht von einer äußeren Schicht getrennt
ist, wobei sich die mittlere Schicht dazwischen erstreckt, wodurch
das heterogene Gemisch eine geformte Fläche nachleuchten lässt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine halbschematische perspektivische Ansicht, die eine Fahrzeugkarosserie
veranschaulicht.
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2 ist
ein Querschnitt durch eine Farbschicht eines Gegenstands.
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3 ist
eine schematische Darstellung eines Halbleiternanokristallkomplexes.
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Eingehende Beschreibung der
Erfindung
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Wie
erforderlich werden hierin detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung offenbart; es versteht sich aber, dass die offenbarten Ausführungsformen
lediglich beispielhaft für
die Erfindung sind, die in unterschiedlicher Form verkörpert werden
kann. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten,
die hierin offenbart werden, nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich
als Grundlage für
die Ansprüche
und als repräsentative
Grundlage, um einen Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung
in praktisch jeder geeignet ausgeführten Struktur unterschiedlich
einzusetzen.
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung ein heterogenes Gemisch
aus einem Halbleiternanokristallkomplex und einem Dispersionsmedium, das
auf die Oberfläche
eines Gegenstands aufgebracht wird, wobei das Gemisch durch eine
ausgewählte
Beleuchtungsquelle anregbar ist. 1 veranschaulicht
eine Ausführungsform
des Verfahrens und der Zusammensetzung, wobei ein heterogenes Leuchtgemisch
(im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet)
auf einen dreidimensional geformten Gegenstand 2 aufgebracht
ist, der eine aufnehmende Oberfläche 4 aufweist,
die benachbart zu einem strukturellen Element 6 positioniert
ist, das dem geformten Gegenstand 2 zugeordnet ist, beispielsweise
eine Kraftfahrzeugkarosserie. Bei Aufnahme einer Beleuchtungsquelle,
einschließlich
aber nicht ausschließlich
eines Fahrzeugscheinwerfers, ist der ge formte Gegenstand 2 für selektive
Beleuchtung ausgelegt. Bei Ausführen
der Erfindung kann das heterogene Gemisch 10 auf dem geformten
Gegenstand 2 als Flüssigkeit,
Feststoff oder Aerosol aufgebracht werden.
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Bei
Aufnahme der Beleuchtungsquelle leuchtet der geformte Gegenstand,
da die Photonen von der Beleuchtungsquelle den Halbleiternanokristallkomplex
aktivieren, was die strukturellen Elemente 6, die dem aufgenommenen
heterogenen Gemisch 10 zugeordnet sind, sichtbar werden
lässt.
Abhängig
von der Aufbringung des heterogenen Gemisches 10 kann der
gesamte geformte Gegenstand 2 leuchten, Teile des geformten
Gegenstands 2 können
leuchten oder unterschiedliche Teile können für verbesserte Sichtbarkeit
des geformten Gegenstands 2 verschiedene Leuchteigenschaften
aufweisen.
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Ein
Querschnitt durch das dem dreidimensionalen geformten Gegenstand 2 zugeordnete
heterogene Gemisch 10 ist in 2 veranschaulicht. Wenngleich
sie als drei Regionen, das strukturelle Element 6, eine
dazwischenliegende oder aufnehmende Oberfläche 4 und eine darüberliegende
Oberfläche 12,
veranschaulicht sind, kann der Querschnitt abhängig von der Anzahl dazwischenliegender Schichten 4 variieren.
Im Allgemeinen ist die aufnehmende Oberfläche 4 derart ausgelegt,
dass sie die darüberliegende
Oberfläche 12 aufnimmt.
Alternativ kann die darüber
liegende Oberfläche 12,
die im Allgemeinen das heterogene Gemisch 10 darstellt,
als mehrere benachbarte Schichten aufgebracht werden, die zum Beleuchten
des dreidimensionalen geformten Gegenstands 2 ausgelegt
sind.
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Der
Halbleiternanokristallkomplex 20 der vorliegenden Erfindung
ist allgemein in 3 veranschaulicht und umfasst
einen Halbleiternanokristallkern 22, eine mittlere Schicht 24 und
eine äußere Schicht 26.
Wie veranschaulicht ist der Halbleiternanokristallkern 22 im
Allgemeinen mit der mittleren Schicht 24 beschichtet. An
der Oberfläche
des Halbleiternanokristallkerns 22 können Oberflächendefekte zu Elektronenfallen
oder Löchern
führen,
die die elektrischen und optischen Eigenschaften des Halbleiternanokristalls
verschlechtern. Die Oberfläche
der mittleren Schicht 24, die dem Halbleiternanokristallkern 22 zugeordnet
ist, sieht einen abrupten Sprung im Elektronenenergiepotential vor,
was dazu beiträgt, die
Elektronen und Löcher
einzudämmen.
Dies führt zu
einem größeren Lumineszenzwirkungsgrad.
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Im
Allgemeinen sieht die mittlere Schicht 24 eine Abdeckung
vor, die Halbleiter mit einer höheren Bandlückenenergie
als der Halbleiternanokristallkern 22 aufweist. Ferner
kann die mittlere Schicht 24 einen guten Leitungs- und
Valenzbandoffset bezüglich des
Halbleiternanokristallkerns 22 vorsehen. Das Leitungsband
der mittleren Schicht 24 ist wünschenswerterweise höher und
das Valanzband ist wünschenswerter
niedriger als die des Halbleiternanokristallkerns 22. Somit
ist die Bandlückenenergie der
mittleren Schicht 24 im Allgemeinen höher als die des Halbleiternanokristallkerns 22.
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Das
in 2 gezeigte heterogene Gemisch 10 umfasst
mehrere Nanokristallcluster 14, die im Durchmesser von
ein paar Angström
zu ein paar Mikrometer reichen und lumineszierend werden können, wenn
sie Licht einer komplementären
Wellenlänge
ausgesetzt werden. Das abgegebene Licht kann zumindest teilweise
von dem verwendeten halbleitenden Material und dessen Parametern
abhängen,
doch wird bevorzugt, dass das abgegebene Licht innerhalb des sichtbaren
Spektrums liegt.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst das Beschichten eines Halbleiternanokristalls
(auch als „Halbleiternanopartikel” oder „Quantenpunkt” bekannt)
mit einer Schicht eines Oberflächenmoleküls, das
eine Affinität
zur Oberfläche
des Halbleiternanokristalls und eine Affinität zu dem Unterbrechungsmedium
an dem anderen Ende aufweist, das beim Beschichten, Lackieren der
Oberflächen
dreidimensionalen geformten Gegenstands 2 und/oder als
Zusatz beim Herstellen der Polymerteile weiter zu verwenden ist.
Im Allgemeinen sind Halbleiternanokristalle kugelförmige nanoskalige
kristalline Materialien (wenngleich abgeflachte und abgeschrägte Sphäroide ebenso
wie Stäbe
und andere Formen gezüchtet werden
können),
die einen Durchmesser zwischen 1 nm und 20 nm aufweisen und typischerweise,
aber nicht ausschließlich,
aus binären
II–IV-,
III–V-
und IV–VI-Halbleitern
bestehen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst der Halbleiternanokristallkern 22 im Allgemeinen
einen ersten Halbleiter 30, der eine ausgewählte Zusammensetzung
und einen Durchmesser aufweist, der Lichtemission bei einer vorbestimmten
Wellenlänge
ermöglicht,
und optional einen zweiten Halbleiter 32, der eine zum
Halbleiternanokristallkern 22 komplementäre Gitterkonstante
aufweist. Nicht einschränkende
Beispiele des ersten und zweiten Halbleiters 30, 32 umfassen
ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, GgTe (II–VI-Materialien);
PbS, PbSe, PbTe (IV–VI-Materialien);
AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb (III–V-Materialien).
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Im
Allgemeinen kann der dem Halbleiternanokristallkern 22 zugeordnete
Halbleiternanokristallkomplex 20 abhängig von der erwünschten
Wellenlänge
des abgegebenen Lichts einen Durchmesser von 12 bis 150 Å aufweisen.
Die Größenabweichung des
Halbleiternanokristallkomplexes 20 sollte aber im Allgemeinen
bei etwa 5% oder weniger liegen, um die erwünschten größen- und farbabhängigen Eigenschaften
vorzusehen. Wie bereits beschrieben sieht die mittlere Schicht oder
Hülle 24 im
Allgemeinen Halbleiter einer höheren
Bandlücke
vor, um Elektronen aufzufangen, die aufgrund von Fehlern an der Oberfläche des
Kerns durch die Oberfläche
entweichen. Die mittlere Schicht 24 kann bis zu sieben
Monoschichten aus verschiedenen halbleitenden Materialien umfassen.
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Der
Halbleiternanokristallkomplex 20 kann die mittlere Schicht
umfassen oder kann alternativ auf die mittlere Schicht verzichten.
Wenn sie vorhanden ist, kann die mittlere Schicht kristallin mit
Halbleitereigenschaften sein. Die mittlere Schicht 24 erstreckt
sich, falls vorhanden, zwischen dem Halbleiternanokristallkern 22 und
der äußeren Schicht 26. Die äußere Schicht 26 kann
eine Monoschicht sein oder kann aus Molekülen bestehen, die zwei oder mehr
funktionelle Gruppen oder Enden aufweisen. Die erste funktionelle
Gruppe 36 kann polar sein, wobei sie im Allgemeinen Affinität zu der
mittleren Schicht oder dem Kern aufweist. Die erste funktionelle
Gruppe 36 erstreckt sich im Allgemeinen hin zu der Oberfläche der
mittleren Halbleiterschicht 24 oder dem Nanokristallkern 22,
falls die mittlere Schicht 24 fehlt, und hat eine Affinität zu diesen.
Die zweite funktionelle Gruppe 38 erstreckt sich im Allgemeinen
hin zu einem Lösungsmittel 16,
das einer Kolloidsuspension 18 zugeordnet ist, und hat
eine Affinität
zu diesem. Die die äußere Schicht 26 umfassenden
Moleküle
können
eine zusätzliche
optionale funktionelle Gruppe 40 aufweisen, die die Affinität des Nanokristallkomplexes 20 zu
Lösungsmittel 16 modifizieren kann.
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Bei
Verwendung ist der Halbleiternanokristallkomplex 20 in
dem heterogenen Gemisch 10 suspendiert oder zumindest zur
Suspension in einem heterogenen Gemisch 10 zum Aufbringen
als lumineszierende Schicht auf dem dreidimensionalen geformten
Gegenstand 2 ausgelegt. Die Kolloidsuspension 18 kann
zum Teil davon abhängen,
welches modifizierende Mittel dem heterogenen Gemisch 10 zugeordnet
ist. Durch Zuordnung zu einem komplementären Tensid kann die Kolloidsuspension 18 eine
Affini tät
zu einem hydrophoben oder einem hydrophilen Lösungsmittel aufweisen.
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Im
Allgemeinen kann das erste Ende 38 mehrere funktionelle
Gruppen umfassen, wobei eine dem Halbleiternanokristallkern 22 oder
der mittleren Schicht 24 zugeordnet ist und die andere
dem hydrophoben Lösungsmittel
zugeordnet ist, das Thiole, Amine, Phosphine, Phosphinoxide und
beliebige Kombinationen derselben umfassen kann, aber nicht darauf
beschränkt
ist. Nicht ausschließliche
Beispiele für
Moleküle,
die die äußere Schicht 26 umfassen, können Trioctylphospinoxid
(TOPO), Trioctylphospin (TOP), Tributylphospin (TBP), Dodecylamin,
Octadecylamin, Hexadecylamin, Sterinsäure, Ölsäure, Palmitinsäure, Laurinsäure und
eine beliebige Kombination derselben umfassen. Das Bedecken des
Halbleiternanokristallkerns 22 mit der mittleren Schicht 24 kann
durch Pyrolyse oder durch die Zugabe von metallorganischen Präkursoren
in einer Chelatligandlösung
oder durch eine Austauschreaktion unter Verwenden der erforderlichen
Salze in einer Lösung
mit chelatbildender Oberfläche
verwirklicht werden, wobei die chelatbildenden Oberflächen typischerweise lipophil
sind. Im Allgemeinen tendiert die mittlere Schicht 24 dazu,
sich in einer Beschichtung um den Halbleiternanokristallkern 22 zu
sammeln, wobei sie einen oberflächenbeschichteten
Halbleiternanokristall bildet. Das Hinzufügen der äußeren Schicht 26 ermöglicht es
dem Nanokristallkomplex 20, in dem hydrophoben Lösungsmittel
suspendiert zu werden.
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Alternativ
kann die äußere Schicht 26 mit
einem Stabilisator, beispielsweise einem Tensid oder einem Diblock-Polymer,
beschichtet werden, um den oberflächenbeschichteten Halbleiternanokristall
in einer wässrigen
Lösung
zu stabilisieren. Zusätzlich zum
Stabilisieren des oberflächenbeschichteten Halbleiternanokristalls
kann der Stabilisator auch nahe gelegene Halbleiternanokristallkerne 22 durch deren
Beabstanden und durch Verhindern von Ladungsübertragung über benachbarte Räume voneinander
isolieren.
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Die äußere Schicht 26 kann
den bifunktionellen Mitteln oder anderen Molekülen zugeordnet sein, einschließlich einer
Vielzahl von Tensiden, und kann aus Molekülen bestehen, die ein erstes
Außenende 38 und
ein zweites Außenende 40 aufweisen,
wobei das erste Außenende 38 eine
Affinität
zu dem Halbleiternanokristall aufweist. Wenn die vorliegende Erfindung
in ein Dispersionsmedium getaucht wird, einschließlich aber
nicht ausschließlich
Lack oder ein anderes die Oberfläche
färbendes
Material, kann das zweite Außenende 40 mit
einer Affinität
zu dem Dispersionsmedium ausgelegt sein, wodurch es dem heterogenen
Gemisch 10, einschließlich
des die Oberfläche
färbenden
Materials, ermöglicht
wird, selektiv auf den geformten Gegenstand 2 aufgebracht zu
werden.
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Im
Allgemeinen kann der sich ergebende farbliche Effekt von der Größe des gewählten Halbleiternanokristalls
abhängen,
der im Betrieb problemlos angepasst werden kann, um den erwünschten
Effekt zu erzeugen. Das der äußeren Schicht 26 zugeordnete
bifunktionelle Mittel kann zur Dispersion in einer pigmentierten
Substanz wie Kraftfahrzeuglack optimiert werden, doch können andere
Verwendungen, einschließlich
zur Verwendung in Kosmetika, Tinten und Kunststoffen und anderen
Materialien, die für
einen durch die Beleuchtung mit Licht erzeugten farblichen Effekt
geeignet sind, in Betracht gezogen werden. Alternativ können mehrere
Halbleiternanokristallkomplex-Gemische selektiv auf die aufnehmende Oberfläche aufgebracht
werden, wobei jedes Gemisch unterschiedliche farbliche Effekte erzeugt,
die von Halbleiternanokristall mit unterschiedlichen Durchmessern
erzeugt werden, was über
der gesamten Oberfläche
des geformten Gegenstands 2 unterschiedliche Effekte vorsieht.
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Im
Betrieb kann der Halbleiternanokristallkomplex 20 in ein
Dispersionsmedium getaucht werden, um das heterogene Gemisch 10 zu
bilden, das dann zum Aufbringen auf den geformten Gegenstand 2 ausgelegt
ist, der eine dreidimensional geformte Oberfläche, beispielsweise ein Kraftfahrzeugkarosserieblech,
aufweist, das eine darunterliegende pigmentierte Oberfläche aufweisen
kann, aber nicht muss, die dafür
ausgelegt ist, das heterogene Gemisch 10 aufzunehmen.
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Während die
Erfindung bezüglich
spezifischer Beispiele beschrieben wurde, die derzeit bevorzugte
Arten des Ausführens
der Erfindung umfassen, wird der Fachmann erkennen, dass es zahlreiche
Abänderungen
und Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Verfahren, Zusammensetzungen
und Techniken gibt, die in das Wesen und den Schutzumfang der in
den beigefügten
Ansprüchen dargelegten
Erfindung fallen.