DE10333583A1

DE10333583A1 - Textile Flächenstruktur aus einer Anordnung einer Vielzahl von leitfähigen oder leitfähige Eigenschaften aufweisenden Fäden sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10333583A1
Application number: DE2003133583
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. rer. nat. Dipl.-Lehrer Neudeck; Hardy Dr. rer. nat. Dipl.-Chem. Müller; Wolfgang Dr. rer. nat.Dipl.-Phys. Scheibner; Klaus Dipl.-Inform. Richter; Stephan Lenk
Original assignee: Textilforschungsinstitut Thueringen-Vogtland Ev (titv Ev); Textilforschungsinstitut Thueringen Vogtland TITV eV; ITP GmbH Gesellschaft fuer Intelligente Textile Produkte
Current assignee: Textilforschungsinstitut Thueringen Vogtland TITV eV
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2004-09-30
Also published as: US8431185B2; US20120258291A1; US20080220678A1; DE102004007365A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine textile Flächenstruktur aus einer Anordnung einer Vielzahl von leitfähigen oder leitfähige Eigenschaften aufweisenden Fäden, wobei zwischen den leitfähigen Fäden Isolationsabschnitte bestehen oder isolierende Fäden in die Struktur eingebracht sind, weiterhin die Struktur ein anorganisches elektrolumineszentes Material aufweist sowie elektrische Anschlußelemente vorgesehen sind. Erfindungsgemäß wird das elektrolumineszente Material in die Strukturzwischenräume eingebracht oder als beschichtete Fäden, angeordnet innerhalb der Struktur, ausgebildet. Weiterhin weist die Struktur eine, auch selektive, Beschichtung aus einem fluoreszierenden Stoff und/oder optischen Aufheller auf, wobei die Gesamtanordnung eine transparente, elastische Deckschutzschicht umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft eine textile Flächenstruktur aus einer Anordnung einer Vielzahl von leitfähigen oder leitfähige Eigenschaften aufweisenden Fäden, wobei zwischen den leitfähigen Fäden Isolationsabschnitte bestehen oder isolierende Fäden in die Struktur eingebracht sind, weiterhin die Struktur ein anorganisches elektrolumineszentes Material aufweist sowie elektrische Anschlußelemente vorgesehen sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen textilen Flächenstruktur nach den Merkmalen des Patentanspruchs 17.
Elektrolumineszente Anordnungen und deren Verwendung als Lichtquelle gehören z.B. mit Blick auf die EP 1 146 778 A2 zum Stand der Technik. Bei derartigen Anordnungen ist eine Elektrodeneinrichtung vorhanden und es sind dielektrische sowie elektrolumineszente Schichten ausgebildet. Eine äußere im wesentlichen flexible Schicht bildet eine Isolation und besteht aus einem transparenten Material. Durch die Anordnung einer Heizeinrichtung besteht die Möglichkeit, die Eigenschaften der Struktur an unterschiedliche Temperaturbedingungen anzupassen, um deren Funktionsfähigkeit bzw. Lichtausbeute zu erhalten oder zu erhöhen.
Ebenfalls zum Stand der Technik gehören elektrolumineszierende Filamente in Form einer Faser, welche von einer elektrisch isolierenden, dielektrischen Schicht umgeben sind und die weiterhin eine Schicht aufweisen, die aus einem Material besteht, welches elektrolumineszentes Pulver mit einem Bindemittel umfaßt. Die Lichtquelle der vorbeschriebenen Art ist darüber hinaus von einer transparenten Elektrode umgeben.
Die Flexibilität einer derartigen elektrolumineszenten Anordnung ist eingeschränkt und es ist zwingend die Ausführung der äußeren, umgebenden Elektrode aus einem transparenten Material erforderlich.
Die gattungsbildende US-PS 3,803,437 zeigt eine elektrolumineszente Displayanordnung, wobei diese aus einer Vielzahl von flexiblen Drähten oder Fäden besteht, die eine textile Flächenstruktur bilden.
Konkret ist eine Vielzahl von parallelen flexiblen, isolierenden Fasern mit einer Vielzahl von parallel angeordneten flexiblen Elektrodenfasern verwoben, wobei auf das so entstandene Fasergebilde eine Schicht aus einem elektrolumineszenten Material aufgebracht wird, und zwar derart, daß die gesamte Oberfläche bedeckt ist. In einer Ausführungsform sollen die als Elektroden wirkenden Fasern im wesentlichen rechtwinklig zu den isolierenden Fasern verlaufen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei einer solchen Ausführungsform einer textilen Flächenstruktur mit einer anorganischen Elektrolumineszenz-Schicht die Ausbeute an sichtbarem Licht außerordentlich gering ist. Dies deshalb, da das Beschichtungsmaterial in die Faserzwischenräume eindringt und hierdurch eine Dämpfung durch Abschattung eintritt. Bringt man nun im Sinne des Standes der Technik größere Mengen von elektrolumineszentem Material auf, dann verliert sich die gewünschte Flexibilität und die typische Haptik einer textilen Struktur.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte textile Flächenstruktur aus einer Anordnung einer Vielzahl von leitfähigen oder leitfähige Eigenschaften aufweisenden Fäden anzugeben, wobei zwischen den leitfähigen Fäden Isolationsabschnitte bestehen oder isolierende Fäden in die Struktur eingebracht sind und wobei die Struktur ein anorganisches elektrolumineszentes Material aufweist. Die zu schaffende Struktur soll eine übliche textile Haptik aufweisen und über eine hohe Strahlungsenergie-Ausbeute verfügen und weiterhin üblichen Umwelteinflüssen gegenüber weitestgehend resistent sein. Ganz grundsätzlich besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die textile Flächenstruktur derartig zu gestalten, daß selbige in eine textile Fläche integriert werden kann bzw. die mit üblichen textilen Fertigungsverfahren herstellbar ist.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer textilen Flächenstruktur gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Flächenstruktur nach der Definition gemäß Patentanspruch 17;. wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Die Erfindung greift hierbei auf eine Elektrolumineszenz-Anordnung auf der Basis von durch Wechselspannungen zum Leuchten anregbaren elektrolumineszenten Materialien zurück, die in die textile Struktur eingebracht und über textile Elektroden und/oder in Textilien integrierte Elektroden angeregt werden. Erfindungsgemäß werden den elektrolumineszenten Materialien optische Aufheller und/oder lumineszierende und/oder phosphorisierende Substanzen oder aber auch Farbstoffe zur Modifizierung des austretenden Lichtes im sichtbaren Spektralbereich zugesetzt.
Es liegt im Sinne der Erfindung, daß mit der textilen Flächenstruktur Elektrolumineszenz-Lichtquellen großer Abmessungen und ansteuerbare Displays mit hohem Wirkungsgrad und einfacher Herstellung realisierbar sind. Die textile Flächenstruktur ist durch ihre technologisch einfache Handhabbarkeit in Gebrauchsgegenstände, z.B. textile Innendekorationsmaterialien, Arbeitsschutzbekleidungen, Werbebanner oder dergleichen integrierbar.
Erfindungsgemäß wird das elektrolumineszente Material in die Fadenstruktur-Zwischenräume eingebracht oder als beschichtete Fäden, angeordnet innerhalb der Struktur, ausgebildet. Weiterhin weist die Struktur eine, auch selektive, Beschichtung aus einem fluoreszierenden Stoff und/oder optischen Aufheller auf, wobei ergänzend die Gesamtanordnung mit einer transpa renten, elastischen Deckschutzschicht versehen wird, der jedoch keine elektrischen Eigenschaften im Sinne einer Elektrode zukommen.
Die Deckschicht kann beispielsweise aus einem Polyurethan oder Acrylat bestehen oder ein solches Material aufweisen.
Die elektrischen Anschlußelemente der textilen Flächenstruktur sind unmittelbar auf Abschnitten dieser ausgebildet und können beispielsweise durch textile Techniken, wie Aufsticken, realisiert werden.
Als leitfähiges textiles Trägermaterial kommen metallisierte Fäden, Carbon-fasern oder mit Indium-Zinnoxid beschichtete Fäden zur Anwendung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind jeweils zwei leitfähige Fäden der Struktur in einem geringen Abstand und voneinander isoliert gegenüberstehend ausgebildet, wobei im Zwischenraum elektrolumineszentes Material eingebracht ist oder im Zwischenraum ein weiterer Faden angeordnet wird, welcher eine elektrolumineszente Beschichtung oder derartige elektrolumineszente Eigenschaften aufweist.

Der Bereich des geringen Abstands liegt zwischen 10 μm und 300 μm, wobei der Durchmesser eines Einzelfadens im Bereich von vorzugsweise 20 μm bis 50 μm bis maximal 500 μm liegt.

Der fluoreszierende, quasi als Lichtverstärker wirkende Stoff kann auch mit einem Farbstoff versehen sein, um eine verschiedenfarbige Leuchtquelle auszubilden.

Der fluoreszierende Stoff kann als individuelles Druckbild, auch partiell oder abschnittsweise, z.B. mittels Siebdruck oder mittels Ink-Jet aufgebracht werden, so daß ganz individuelle Bilder, Strukturen oder alphanumerische Zeichen, welche dann zum Leuchten gebracht werden, realisierbar sind.

Mittels eines Mehrfachdrucks besteht die Möglichkeit, in additiver oder subtraktiver Weise eine Farbmatrix auszubilden.

Auch liegt es im Sinne der Erfindung, den fluoreszierenden Stoff mittels eines Stiftes, z.B. eines Faserstifts, aufzubringen.

Biesen und Gimpen aus unterschiedlich beschichteten und modifizierten Fäden können Bestandteile der textilen Flächenstruktur sein.

Wie bereits angedeutet, kann die textile Flächenstruktur als Leuchtsicherheits-Textilie, textiles Leuchtmittel im Innendekorationsbereich oder als textiles, leuchtendes Werbebanner Verwendung finden.

Durch Führung und Anordnung der leitfähigen Fäden sowie der Anschlußelemente besteht die Möglichkeit, eine Displaymatrix mit einzeln oder in Gruppen ansteuerbaren Bildpunkten zu schaffen.

Bei dem Verfahren zur Herstellung einer textilen Flächenstruktur wird zunächst eine Vorstruktur mittels textiler Techniken erzeugt, welche isoliert benachbarte leitfähige Fäden aufweist. In einem nächsten Schritt wird elektrolumineszente Paste auf die Vorstruktur aufgebracht, z.B. aufgesprüht, welche vom Gewebe mindestens teilweise aufgesaugt und dadurch fixiert wird, ohne daß die elastischen Eigenschaften bzw. die textile Haptik der Vorstruktur eine Beeinträchtigung unterfährt.

Der fluoreszierende Stoff wird dann auf die vorbehandelte Struktur aufgetragen und es wird im Anschluß hieran die Deckschutzschicht aufgebracht.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Vorstruktur Fäden enthalten, welche eine elektrolumineszente Beschichtung aufweisen.

Ebenso besteht die Möglichkeit, die leitfähigen Fäden der Vorstruktur galvanisch zu verstärken bzw. in diesem Sinne nachzubehandeln.

Der fluoreszierende Stoff kann in Form fluoreszierender Fäden oder derart beschichteter Fadenmaterialien in die Vorstruktur eingebracht weden, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Vorstruktur als Doppel-Kamm-Gebilde realisiert, wobei abwechselnd leitfähige und nichtleitfähige Schußfäden eingetragen sind, wobei zum flächigen Kontaktieren außen leitfähige Kettfäden eingezogen werden und durch abwechselndes links- und rechtsseitiges Flotieren der leitfähigen Schußfäden und Entfernen der Flotationen sich die gewünschte kammartige Elektrodenstruktur, die in einfacher Weise kontaktiert werden kann, ausbildet.

Alles in allem gelingt es mit der Erfindung, eine Struktur anzugeben, deren Flexibilität und mechanische Belastbarkeit derjenigen von Folien überlegen ist. Weiterhin bleiben die Eigenschaften des textilen Materials, wie Atmungsaktivität, Luftdurchlässigkeit und so weiter weitestgehend erhalten, was bei Folien von vornherein nicht gegeben ist.

Die derart geschaffene Elektrolumineszenz-Lichtquelle stellt also eine textile Fläche dar, die als eigenständiges Material oder auf Trägertextilien aufgebracht für flexible Lichtquellen eingesetzt werden kann. Im Falle eines Transports läßt sich die flexible Lichtquelle auf kleinstem Raum verstauen. Die derart geschaffene Lichtquelle kann flexibel in der Kleidung als Sicherheitsbeleuchtung im Straßenverkehr, als modisches Accessoire oder in Berufsbekleidung, gekoppelt mit Sensoren als Warnanzeige und/oder als Display eingesetzt werden.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Flächenstruktur kann ohne Probleme direkt auf ein textiles Grundmaterial aufgenäht oder wie herkömmliche Stoffe konfektioniert werden. Das eigentliche textile Produkt, z.B. ein Bekleidungsstück, eine Fahrzeug-Innenauskleidung, eine technische Textilie und so weiter, bildet mit der Elektrolumineszenz-Lichtquelle eine Einheit. Die geschaffene Struktur ist mechanisch stärker belastbar und, wie bereits erwähnt, wesentlich flexibler als bisher bekannte Konstruktionen aus Folien oder sogenannter Electro Lumineszenz Fiber (ELF) mit Durchmessern im Bereich > 2mm.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

1 einen leitfähigen Faden, welcher mit einer dünnen Elektrolumineszenz-Schicht versehen ist;

2 ein Beispiel eines elektrolumineszierenden, textilen Flächengebildes;

3 eine Prinzipdarstellung einer textilen Flächenstruktur als Displaymatrix und

4 Abbildungen einer realisierten textilen Elektrolumineszenz-Struktur mit a) unter Tageslicht ohne angeschlossene Stromversorgung, b) unter Tageslicht mit angeschlossener Stromversorgung und c) im leicht abgedunkelten Raum ebenfalls mit angeschlossener Stromversorgung.

Gemäß 1 wird von einem leitfähigen textilen Faden im Durchmesser von Idealerweise 20 μm bis 50 μm bei einem maximalen Durchmesser von 500 μm ausgegangen, der zu Außenelektroden 1 führt. Die Beschichtung ist hier mit dem Bezugszeichen 7 und der Faden mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnet.

Bei dem elektrolumineszierenden textilen Flächengebilde nach 2 wird von abwechselnd eingetragenen leitfähigen 1 und nichtleitfähigen 2 Schußfäden ausgegangen. Zum flächigen Kontaktieren sind außen leitfähige Kettfäden 3 eingezogen.

Durch abwechselndes links- und rechtsseitiges Flotieren im Flotierbereich 4 der leitfähigen Schußfäden und Entfernen der Flotationen wird die kammartige Elektrodenstruktur erhalten.

Die Prinzipdarstellung nach 3 macht deutlich, wie durch Herstellung eines mehrlagigen Gewebes, in dem teilweise elektrisch leitende Schuß- und Kettfäden verwendet werden, die durch die Gewebekonstruktion gegeneinander isoliert sind, Kreuzungspunkte von Schuß- und Kettfäden erhalten werden können, die einzeln ansteuerbar sind und quasi Leuchtpunkte erzeugen.

Bei der von der Anmelderin realisierten flächigen Elektrolumineszenz-Struktur nach 4 wird von einem Gewebe aus metallisierten Fäden ausgegangen, die mit einer Elektrolumineszenz-Paste beschichtet wurden.

Die textile Fläche wurde aus 22dTex Fadenmaterial erzeugt und ist außerordentlich flexibel. Die Elektrolumineszenz-Paste ist als sehr dünne Präparation aufgebracht, so daß auch nach der Versiegelung die textilen Eigenschaften erhalten bleiben. Die erkennbaren links- und rechtsseitigen Kupferfolien-Anschlüsse dienen nur der einfachen Handhabung bei den experimentellen Untersuchungen und sind vom Grundsatz her für den eigentlichen Betrieb der Struktur nicht nötig.

Es hat sich gezeigt, daß der alleinige Einsatz von Elektrolumineszenz-Pasten keine ausreichende Leuchtdichte liefert, da durch den Verzicht auf die im Stand der Technik üblichen optisch transparenten Elektrodenschichten recht große Lichtverluste auftreten. Wie die 4b) und 4c) deutlich machen, kann durch den Einsatz von fluoreszierenden Additiven, die hier in Form der Buchstabenfolge TITV aufgebracht wurden, die Lichtausbeute verstärkt werden, wobei Intensitäten erreichbar sind, die derjenigen entsprechen, wie sie bei bekannten Elektrolumineszenz-Folien auftreten.

Claims

Textile Flächenstruktur aus einer Anordnung einer Vielzahl von leitfähigen oder leitfähige Eigenschaften aufweisenden Fäden, wobei zwischen den leitfähigen Fäden Isolationsabschnitte bestehen oder isolierende Fäden in die Struktur eingebracht sind, weiterhin die Struktur ein anorganisches elektrolumineszentes Material aufweist sowie elektrische Anschlußelemente vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrolumineszente Material in die Strukturzwischenräume eingebracht oder als beschichtete Fäden, angeordnet innerhalb der Struktur, ausgebildet ist, weiterhin die Struktur eine, auch selektive, Beschichtung aus einem fluoreszierenden Stoff und/oder optischen Aufheller aufweist und wobei die Gesamtanordnung eine transparente, elastische Deckschutzschicht umfaßt.
Textile Flächenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht ein Polyurethan oder Acrylat aufweist.
Textile Flächenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlußelemente unmittelbar auf Abschnitten der Flächenstruktur ausgebildet sind.
Textile Flächenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlußelemente durch textile Techniken, wie Aufsticken, realisiert sind.
Textile Flächenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese in textile Produkte oder sonstige Gebrauchsgegenstände integriert ist.
Textile Flächenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese als leitfähiges textiles Trägermaterial metallisierte Fäden, Carbon-fasern, Indium-Zinnoxid-beschichtete Fäden oder dergleichen aufweist.
Textile Flächenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei leitfähige Fäden der Struktur in einem geringen Abstand und voneinander isoliert gegenüberstehen, wobei im Zwischenraum elektrolumineszentes Material eingebracht ist oder im Zwischenraum ein weiterer Faden befindlich ist, welcher eine elektrolumineszente Beschichtung oder derartige elektrolumineszente Eigenschaften aufweist.
Textile Flächenstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der geringe Abstand im Bereich von im wesentlichen 10 μm bis 300 μm liegt.
Textile Flächenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Einzelfäden im Bereich von vorzugsweise 20 μm bis 50 μm bis maximal 500 μm liegt.
Textile Flächenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der fluoreszierende Stoff eingefärbt ist.
Textile Flächenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der fluoreszierende Stoff als individuelles Druckbild partiell, vorzugsweise mittels Siebdruck oder mittels Ink-Jet aufgebracht ist.
Textile Flächenstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Mehrfachdrucks eine additive oder subtraktive Farbmatrix gebildet ist.
Textile Flächenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der fluoreszierende Stoff mittels Stift aufgebracht ist.
Textile Flächenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Biesen und Gimpen aus unterschiedlich beschichteten und modifizierten Fäden Bestandteile der Struktur sind.
Textile Flächenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese als Leuchtsicherheitstextilie, textiles Leuchtmittel im Innendekorationsbereich oder als textiles, leuchtendes Werbebanner oder dergleichen Verwendung findet.
Textile Flächenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Führung und Anordnung der leitfähigen Fäden und der Anschlußelemente eine Displaymatrix mit einzeln oder in Gruppen ansteuerbaren Bildpunkten realisiert ist.
Verfahren zur Herstellung einer textilen Flächenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – eine Vorstruktur mittels textiler Techniken erzeugt wird, welche isoliert benachbarte leitfähige Fäden aufweist, – elektrolumineszente Paste auf die Vorstruktur aufgebracht wird, welche vom Gewebe mindestens teilweise aufgesogen und dadurch fixiert wird, – der fluoreszierende Stoff auf die vorbehandelte Struktur aufgetragen und anschließend die Deckschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorstruktur Fäden enthält, welche eine elektrolumineszente Beschichtung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Fäden der Vorstruktur galvanisch verstärkt und vorbehandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der fluoreszierende Stoff in Form von fluoreszierenden Fäden oder derart beschichteten Fäden in die Vorstruktur eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppel-Kamm-Gebilde realisiert ist, wobei abwechselnd leitfähige und nichtleitfähige Schußfäden eingetragen werden, weiterhin zum flächigen Kontaktieren außen leitfähige Kettfäden eingezogen werden und durch abwechselndes links- und rechtsseitiges Flotieren der leitfähigen Schußfäden und Entfernen der Flotationen sich eine kammartige Elektrodenstruktur ausbildet.