EP1492981A2 - Verbesserte lichtleitkörper sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Verbesserte lichtleitkörper sowie verfahren zu dessen herstellung

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Publication number
EP1492981A2
EP1492981A2 EP03752663A EP03752663A EP1492981A2 EP 1492981 A2 EP1492981 A2 EP 1492981A2 EP 03752663 A EP03752663 A EP 03752663A EP 03752663 A EP03752663 A EP 03752663A EP 1492981 A2 EP1492981 A2 EP 1492981A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
weight
guide body
light guide
body according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03752663A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jann Schmidt
Markus Parusel
Herbert Groothues
Günther Ittmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Roehm GmbH Darmstadt
Original Assignee
Roehm GmbH Darmstadt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Roehm GmbH Darmstadt filed Critical Roehm GmbH Darmstadt
Publication of EP1492981A2 publication Critical patent/EP1492981A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/004—Scattering dots or dot-like elements, e.g. microbeads, scattering particles, nanoparticles
    • G02B6/0041—Scattering dots or dot-like elements, e.g. microbeads, scattering particles, nanoparticles provided in the bulk of the light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0065—Manufacturing aspects; Material aspects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0036—2-D arrangement of prisms, protrusions, indentations or roughened surfaces

Definitions

  • the present invention relates to light guide bodies which have at least one light introduction surface and at least one light exit surface and at least one light guide layer, the ratio of
  • the light exit area to the light introduction area is at least 4.
  • Such light guide bodies are known per se.
  • a transparent plate can be provided with notches at which light is coupled out normally to the direction of propagation.
  • Such light guide bodies are the subject of EP 800 036. With a uniform distribution of the notches, however, the light guide bodies show a decrease in the luminance with the distance from the illuminant.
  • non-uniform surface structures will be applied to the light guide bodies, the density of the notches increasing with the distance from the illuminant. However, this effect is impaired by statistical damage to the surface that occurs over time. Furthermore, the luminance of large panels is relatively low.
  • EP 1022129 discloses light-guiding bodies which have a particle-free light-guiding layer made of polymethyl methacrylate, to which a diffusely equipped layer is applied.
  • the diffusely equipped layer which has a thickness in the range from 10 to 1500 ⁇ m, comprises barium sulfate particles. According to this principle, the light is guided over the PMMA layer, the coupling being carried out through the diffuse layer.
  • the light decoupling can hardly be controlled, since only the light that is normal to the direction of propagation and has penetrated the boundary layer to the diffusely equipped layer is scattered. Accordingly, this is not a disturbance within the light-conducting layer, but rather a diffuse back reflection.
  • the decrease in light intensity is very large, as the examples show.
  • the luminance should be as constant as possible over the entire surface of the light exit surface, this constancy should also be maintained through the statistical formation of surface scratches.
  • the light guide bodies have a high durability, in particular a high resistance to UV radiation or weathering.
  • the invention was based on the object of providing light guide bodies which can be produced in a particularly simple manner.
  • the light guide body should be able to be produced in particular by extrusion, injection molding and by casting processes.
  • Another object of the present invention was to provide light guide bodies which show excellent mechanical properties. This property is particularly important for applications where the Light guide body should have a high stability against impact.
  • Another object of the present invention was to provide light bodies which can be easily adapted in size and shape to the requirements.
  • claims 16 and 17 provide a solution to the underlying problem.
  • the light-guiding layer of a light-guiding body at least 60 wt .-%, based on the weight of the light-guiding layer, polymethyl methacrylate and 0.0001 to 0.2 wt .-%, based on the weight of the light-guiding layer, spherical particles with a average diameter in the range of 0.3 to 40 microns and the light exit surface of the light-guiding layer is provided with structures, the light-guiding body having at least one light-entry surface and at least one light-exit surface, the ratio of light-exit surface to light-entry surface being at least 4, it succeeds To provide light guide bodies that have a particularly uniform luminance.
  • the light guide body of the present invention is particularly easy to manufacture.
  • the light guide bodies can thus be produced by extrusion, injection molding and by casting processes.
  • the luminance distribution of the present light guide body is relatively insensitive to the formation of scratches on the surface.
  • the light guide bodies according to the invention show a high resistance to UV radiation.
  • light guide bodies according to the invention show a particularly uniform distribution of the luminance.
  • light guides of different sizes can be produced without the luminance distribution being particularly critical.
  • the light guide bodies of the present invention show a particularly colourfast light, so that with increasing distance from the light source there is no yellow impression.
  • the brightness of the light guide body can be adapted to the needs. This way, even large panels with a very high luminance can be produced. •
  • the light guide bodies of the present invention have good mechanical properties.
  • the light-guiding layer of the light-guiding body according to the present invention has 0.0001 to 0.2, preferably 0.0005 to 0.08 and particularly preferably 0.0008 to 0.01% by weight, based on the weight of the light-guiding layer, spherical Particles on.
  • the term spherical denotes that the particles preferably have a spherical shape, it being obvious to the person skilled in the art that, due to the production methods, particles with a different shape may also be present, or that the shape of the particles may deviate from the ideal spherical shape ,
  • the term spherical means that the ratio of the largest dimension of the particles to the smallest dimension is a maximum of 4, preferably a maximum of 2, these dimensions being measured in each case by the center of gravity of the particles. At least 70%, particularly preferably at least 90%, based on the number of particles, is preferably spherical.
  • the particles have an average diameter (weight average) in the range from 0.3 to 40 ⁇ m, preferably in the range from 0.7 to 20 ⁇ m, in particular from 1.4 to 10 ⁇ m. 75% of the particles are advantageously in the range from 0.3 to 40 ⁇ m, in particular from 1.4 to 10 ⁇ m.
  • the particle size is determined by means of an X-ray graph. Here, the settling behavior of the plastic particles in the gravity field followed by x-rays. The particle size is deduced from the transparency for X-rays.
  • the particles which can be used according to the invention are not particularly limited. These particles are preferably produced from barium sulfate and / or plastic.
  • Barium sulfate particles which have the abovementioned properties are known per se and are commercially available, inter alia, from Sachtleben Chemie GmbH, D-47184 Duisburg. In addition, various methods of production are known. Barium sulfate particles preferably have a size in the range from 0.7 to 6 ⁇ m.
  • particles made of plastic can also be used.
  • the type of plastic from which the particles are produced is not critical, the plastic having to be incompatible with the polymer of the matrix, so that a phase boundary arises at which the light refracts.
  • the refractive index of the plastic particles has a refractive index n 0 measured at the Na-D line (589 n) and at 20 ° C., which is 0.01, preferably 0.02 units above the refractive index n 0 of the matrix plastic.
  • Preferred plastic particles are composed of: bl) 0 to 60 parts by weight of an acrylic and / or
  • Methacrylic acid esters with 1 to 12 carbon atoms in aliphatic ester radical examples of which are: methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-propyl (meth) acrylate, i-propyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, i-butyl (meth) acrylate, tert.
  • plastic particles from which the plastic particles are produced particularly preferably have at least 80% by weight of styrene and at least 0.5% by weight of divinylbenzene.
  • plastic particles preferably have a size in the range from 2 to 20 ⁇ m, in particular from 4 to 12 ⁇ m.
  • the scattering particles can be produced by emulsion polymerization, as described, for example, in EP-A 342 283 or EP-A 269 324, very particularly preferably by polymerization in the organic phase, as described, for example, in German patent application P 43 27 464.1, with the latter Polymerization technology particularly narrow particle size distributions or, to put it another way, particularly small deviations of the particle diameter from the mean particle diameter occur.
  • Plastic particles are particularly preferably used which have a temperature resistance of at least 200 ° C., in particular of at least 250 ° C., without this being intended to impose a restriction.
  • temperature-resistant means that the particles are essentially not subject to thermal degradation. Thermal degradation undesirably leads to discoloration so that the plastic material becomes unusable.
  • Particularly preferred particles are available from Sekisui, among others, under the trade names ⁇ Techpolymer SBX-8 and ⁇ Techpolymer SBX-12.
  • these particles are uniformly distributed in the plastic matrix without any significant aggregation or aggregation of the particles occurring. Evenly distributed means that the concentration of particles within the plastic matrix is essentially constant.
  • the light-guiding layer comprises at least 60% by weight, based on the weight of the light-guiding layer, of polymethyl methacrylate.
  • these mixtures contain at least 40% by weight, preferably at least 60% by weight and particularly preferably at least 80% by weight, based on the weight of the monomers, of methyl methacrylate.
  • these mixtures may contain further (meth) acrylates which are copolymerizable with methyl methacrylate.
  • the term (meth) acrylates encompasses methacrylates and acrylates and mixtures of the two.
  • (Meth) acrylates derived from saturated alcohols, such as methyl acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, tert. Butyl (meth) acrylate, pentyl (meth) acrylate and 2-ethylhexyl (meth) acrylate;
  • (Meth) acrylates derived from unsaturated alcohols, such as. B. oleyl (meth) acrylate, 2-propynyl (meth) acrylate, allyl (meth) acrylate, vinyl (meth) acrylate; Aryl (meth) acrylates, such as benzyl (meth) crylate or Phenyl (meth) acrylate, where the aryl radicals can in each case be unsubstituted or substituted up to four times;
  • Glycol di (meth) acrylates such as 1,4-butanediol (meth) acrylate,
  • Trimethyloylpropane tri (meth) acrylate Trimethyloylpropane tri (meth) acrylate.
  • compositions to be polymerized can also have further unsaturated monomers which can be copolymerized with methyl methacrylate and the aforementioned (meth) acrylates.
  • unsaturated monomers such as hexene-1, heptene-1; branched alkenes, such as, for example, vinylcyclohexane, 3, 3-dimethyl-1-propene, 3-methyl-1-diisobutylene, 4-methylpentene-1;
  • Styrene substituted styrenes with an alkyl substituent in the side chain, such as. B. ⁇ -methylstyrene and OC -ethylstyrene, substituted styrenes with an alkyl substituent on the ring, such as vinyltoluene and p-methylstyrene, halogenated styrenes such as monochlorostyrenes, dichlorostyrenes, tribromostyrenes and tetrabromostyrenes;
  • Heterocyclic vinyl compounds such as 2-vinylpyridine, 3-vinylpyridine, 2-methyl-5-vinylpyridine, 3-ethyl-4-vinylpyridine, 2, 3-dimethyl-5-vinylpyridine, vinylpyrimidine, vinylpiperidine, 9-vinylcarbazole, 3-vinylcarbazole, 4-vinylcarbazole, 1-vinylimidazole, 2-methyl-1-vinylimidazole, N-vinylpyrrolidone, 2-vinylpyrrolidone, N-vinylpyrrolidine, 3-vinylpyrrolidine, N-vinylcaprolactam, N-vinylbutyrolactam, vinyloxolane, vinylfuran, vinylthiophene, vinylthiophene, vinylthiolene hydrogenated vinyl thiazoles, vinyl oxazoles and hydrogenated vinyl oxazoles;
  • Maleic acid derivatives such as maleic anhydride, methyl maleic anhydride, maleimide, methyl maleimide; and dienes such as divinylbenzene.
  • these comonomers are used in an amount of 0 to 60% by weight, preferably 0 to 40% by weight and particularly preferably 0 to 20% by weight, based on the Weight of the monomers used, the compounds can be used individually or as a mixture.
  • the polymerization is generally started with known radical initiators.
  • the preferred initiators include the azo initiators well known in the art, such as AIBN and
  • 1, 1-azobiscyclohexane carbonitrile, and peroxy compounds such as methyl ethyl ketone peroxide, acetylacetone peroxide, dilauryl peroxide, tert.
  • peroxy compounds such as methyl ethyl ketone peroxide, acetylacetone peroxide, dilauryl peroxide, tert.
  • ketone peroxide methyl isobutyl ketone peroxide, cyclohexanone peroxide, dibenzoyl peroxide, tert-butyl peroxybenzoate, tert.
  • These compounds are frequently used in an amount of 0.01 to 10% by weight, preferably 0.5 to 3% by weight, based on the weight of the monomers.
  • the molding compositions can contain further polymers in order to modify the properties. These include polyacrylonitriles, polystyrenes, polyethers, polyesters, polycarbonates and polyvinyl chlorides. These polymers can be used individually or as a mixture, and copolymers which can be derived from the aforementioned polymers can also be added to the molding compositions.
  • Such particularly preferred molding compositions are commercially available from Röhm GmbH & Co. KG under the trade name PLEXIGLAS®.
  • the weight average molecular weight M w of the homopolymers and / or copolymers to be used according to the invention as matrix polymers can vary within wide ranges, the molecular weight usually being matched to the intended use and the processing mode of the molding composition. In general, however, it is in the range between 20,000 and 1,000,000 g / mol, preferably 50,000 to 500,000 g / mol and particularly preferably 80,000 to 300,000 g / mol, without any intention that this should impose a restriction.
  • light-conducting layers can be produced from these molding compositions by conventional thermoplastic molding processes. This includes in particular extrusion and injection molding.
  • light-guiding layers of the present invention can be produced by molding processes.
  • Suitable acrylic resin mixtures are given in a mold and polymerized.
  • a suitable acrylic resin includes, for example
  • the acrylic resin has the initiators necessary for the polymerization.
  • Components A to D and the initiators correspond to the compounds which are also used to produce suitable polymethyl methacrylate molding compositions.
  • the light-conducting layer has at least 70, preferably at least 80 and particularly preferably at least 90% by weight, based on the weight of the light-conducting layer, of polymethyl methacrylate.
  • the poly (meth) acrylates of the light-conducting layer have a refractive index measured at the Na-D line (589 nm) and at 20 ° C. in the range from 1.48 to 1.54.
  • the molding compositions and the acrylic resins can contain customary additives of all kinds. These include antistatic agents, antioxidants, mold release agents, flame retardants, lubricants, dyes, flow improvers, fillers, light stabilizers and organic phosphorus compounds such as phosphites or phosphonates, pigments, weathering protection agents and plasticizers.
  • the amount of additives is limited to the application.
  • the light-conducting property of the polymethyl methacrylate layer should not be adversely affected by additives.
  • the light-conducting layer generally has a transmission in the range from 80 to 92%, preferably from 83 to 92, without any intention that this should impose a restriction.
  • the transmission can be determined according to DIN 5036.
  • the thickness of the light-conducting layer is not critical.
  • the thickness of the light-conducting layer is preferably in the range from 2 to 100 mm, particularly preferably from 3 to 20 mm, without any intention that this should impose a restriction.
  • the light guide bodies of the present invention have at least one light introduction surface and at least one light exit surface.
  • the term light exit surface here designates a surface of the light guide body that is suitable for emitting light.
  • the light introduction surface in turn is able to absorb light into the body, so that the light-guiding layer transmits the light introduced into the body can distribute the entire light exit surface.
  • the particles lead to a decoupling of the light so that light emerges over the entire light exit surface.
  • the ratio of light exit area to light introduction area is at least 4, preferably at least 20 and particularly preferably at least 80.
  • the light guide body of the present invention differs to a large extent from known covers for lighting bodies. These covers are characterized in that the light introduction surface is formed parallel to the light exit surface, so that both surfaces have approximately the same size.
  • the light exit surface has structures.
  • the structuring can be obtained after the plates have been produced, for example by pressure or other mechanical influences.
  • the structuring in the manufacture of the plates can be achieved by using molds which have a negative of the structuring.
  • etched glass plates can be used as a mold in the previously described casting chamber process.
  • the form of the structuring is not critical. It is essential that the light exit surface comprises imperfections that are able to couple out light. For example, dots or notches can be applied. In addition, the light exit surface can also be roughened. Usually the Structures have a depth in the range from 0.1 ⁇ m to 1000 ⁇ m, in particular 1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the amount of light coupled out depends on the amount of particles in the plastic matrix. The larger this amount, the greater the probability that light will be coupled out of the light guide. It follows that the amount of particles of the size of
  • Light exit surface is dependent. The further the extension of the light-guiding body perpendicular to the light-introduction surface, the less the amount of particles in the light-guiding layer is chosen.
  • the decoupling of the light depends on the density of the structuring of the light exit surface or its roughness. The denser this structuring, the higher the probability of coupling light out of the light guide.
  • the density of the structuring can be chosen to be constant over the entire surface. A fairly uniform luminance is nevertheless achieved by the present invention.
  • the change in density can be selected to be significantly smaller, since the light guides according to the invention have a more uniform luminance distribution per se.
  • the structuring density is understood to mean the number of points or notches per surface unit. In general, a plate has approximately 1 to 100,000 notches, in particular 100 to 10,000 per m 2 , without any intention that this should impose a restriction.
  • the scattering agent concentration can be set such that the luminance on the plate surface is generated by 1 to 80%, in particular 2 to 50% by the scattering agent embedded in the polymer and 99 to 20%, in particular 98 to 50% be generated by structuring the light exit surface.
  • the light-guiding body can have a tabular shape, the three dimensions of the body being of different sizes.
  • FIG. 1 Such a table is shown schematically in Figures 1 and 2, for example.
  • the reference numeral 1 denotes the edge surfaces of the board, which can each serve as light introduction surfaces.
  • Reference number 2 describes the light exit surface of the panel.
  • the smallest dimension is the thickness of the board.
  • the largest dimension is defined as length, so that the third dimension represents width.
  • the light exit surface of this embodiment is defined by surface, which corresponds to the product of length * width.
  • the edge surfaces of the panel each defined as the surface formed by the product of length * thickness or width * thickness, can generally be given as
  • the edge surfaces serving as the light entry surface are preferably polished.
  • Such a light guide body preferably has a length in the range from 25 mm to 3000 mm, preferably from 50 to 2000 mm and particularly preferably from 200 to 2000 mm.
  • the width of this particular embodiment is generally in the range from 25 to 3000 mm, preferably from 50 to 2000 mm and particularly preferably from 200 to 2000 mm.
  • such a light guide body has a thickness of more than 2 mm, preferably in the range from 3 to 100 mm and particularly preferably from 3 to 20 mm, without any intention that this should impose a restriction.
  • a thickness of more than 2 mm preferably in the range from 3 to 100 mm and particularly preferably from 3 to 20 mm, without any intention that this should impose a restriction.
  • designs that taper towards one side and that have the shape of a wedge are also possible. In the case of the wedge shape, light is generally only coupled in via a light entry surface.
  • the light can be radiated across all four edge surfaces. This can be necessary in particular with very large light-guiding bodies. In the case of smaller light guide bodies, one or two light sources are generally sufficient.
  • the light exit surface is perpendicular to the light introduction surface.
  • the edge surfaces that are not provided with a light source can be equipped with a reflective finish.
  • This equipment can be done, for example, with reflective adhesive tapes.
  • a reflective varnish can be applied to these edge surfaces.
  • the light-guiding body consists of the light-guiding layer, it being possible for the edge surfaces of the light-guiding layer to be provided with reflective material if necessary.
  • the light-guiding body and the light-guiding layer have excellent mechanical and thermal properties. These properties include in particular a Vicat softening temperature according to ISO 306 (B50) of at least 95 ° C and an elastic modulus according to ISO 527-2 of at least 2000 MPa.
  • the light guide body of the present invention can be used in particular for illuminating LCD displays, information signs and billboards.
  • Pointed light bulbs e.g. B. low-voltage halogen lamps, one or more ends of light guides, one or more light-emitting diodes and tubular halogen lamps and fluorescent tubes.
  • These can e.g. B. in a frame on an edge, or an edge surface or end face, to the side of the surface to be indirectly illuminated, the light guide body.
  • the light sources can be equipped with reflectors for better irradiation of the light guide body.
  • the luminance distribution can be determined, for example, according to the following method. After producing a light-guiding plate provided with scattering agent and surface structuring, a plate strip 595 mm long, 84 mm wide and 8 mm thick is cut from the plate.
  • the plate strip is polished to a high gloss on the four edge surfaces.
  • the two polished 595 mm long edge surfaces are provided with a reflective tape (9_) from the manufacturer 3M (type: Scotch Brand 850), so that light rays that strike these edge surfaces are reflected in the plate.
  • the plate strips (J5) are measured in a special measuring apparatus, which is shown in Figures 3 and 4.
  • the measuring apparatus consists of a rectangular aluminum frame 708 mm long and 535 mm wide (3_).
  • the distance between the fluorescent tubes is 599 mm and is so dimensioned that the plate strips can be inserted centrally between the fluorescent tubes and that the light emitted by the fluorescent tubes radiates into the 84 mm wide edge of the plate strips.
  • a plate (7_) with a white reflective surface (lfj) is attached below the plate strips (5_).
  • the white surface is intended to reflect light that emerges on the surface of the plate strip (5_) opposite the observer to the observer.
  • the plate strip is provided with a diffuser film (_8) of 0.5 mm thickness, which homogenizes the light that emerges from the plate strip in the direction of the observer.
  • measuring points (j5) are marked on the diffuser film, at which the luminance is measured with a luminance meter type MINOLTA LUMINANCE METER 1 °.
  • the measuring points have the following distances from one of the 84 mm long edges of the plate strip: 74 mm; 149 mm; 223 mm; 298 mm; 372 mm; 446 mm; 521 mm.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein der mindestens eine Lichteinleitungsfläche und mindestens eine Lichtaustrittsfläche aufweist, wobei das Verhältnis von Lichtaustrittsfläche zu Lichteinleitungsfläche mindestens 4 beträgt, umfassend mindestens eine lichtleitende Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtleitende Schicht mindestens 60 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der lichtleitenden Schicht, Polymethylmethacrylat und 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der lichtleitenden Schicht, sphärische Partikel mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 40 gm umfasst und die Lichtaustrittsfläche der lichtleitenden Schicht mit Strukturierungen versehen ist.

Description

Verbesserte Lichtleitkörper sowie Verfahren zu dessen
Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtleitkörper, die mindestens eine Lichteinleitungsflache und mindestens eine Lichtaustrittsfläche sowie mindestens eine lichtleitende Schicht aufweisen, wobei das Verhältnis von
Lichtaustrittsfläche zu Lichteinleitungsflache mindestens 4 beträgt .
Derartige Lichtleitkörper sind an sich bekannt. So kann eine transparente Platte mit Einkerbungen versehen werden, an denen Licht normal zu Ausbreitungsrichtung ausgekoppelt wird. Derartige Lichtleitkörper sind Gegenstand von EP 800 036. Bei einer gleichmäßigen Verteilung der Einkerbungen zeigen die Lichtleitkörper jedoch eine Abnahme der Leuchtdichte mit dem Abstand zum Leuchtmittel. Als Lösung für dieses Problem werden auf den Lichtleitkörpern ungleichmäßige Oberflächenstrukturen aufgebracht werden, wobei die Dichte der Einkerbungen mit dem Abstand zum Leuchtmittel zunimmt. Allerdings wird dieser Effekt durch mit der Zeit auftretende statistische Beschädigungen der Oberfläche beeinträchtigt. Des weiteren ist die Leuchtdichte großer Platten relativ gering.
Des weiteren sind aus EP 656 548 Lichtleitkörper bekannt, die Polymerpartikel als Streukörper verwenden. Problematisch an diesen Platten ist deren ungleichmäßige Verteilung der Leuchtdichte . Darüber hinaus sind aus EP 1022129 Lichtleitkörper bekannt, die eine Partikel freie lichtleitende Schicht aus Polymethylmethacrylat aufweisen, auf die eine diffus ausgestattete Schicht aufgebracht ist. Die diffus ausgestattete Schicht, die eine Dicke im Bereich von 10 bis 1500 μm aufweist, umfaßt Bariumsulfat-Partikel. Gemäß diesem Prinzip wird das Licht über die PMMA-Schicht geleitet, wobei die Auskopplung durch die diffuse Schicht erfolgt. Allerdings kann die Lichtauskopplung kaum gesteuert werden, da nur das Licht normal zur Ausbreitungsrichtung gestreut wird, das die Grenzschicht zur diffus ausgestatteten Schicht durchdrungen hat. Es handelt sich hierbei dementsprechend nicht um eine Störung innerhalb der lichtleitenden Schicht, sondern um eine diffuse Rückreflexion. Darüber hinaus ist die Abnahme der Leuchtintensität sehr groß, wie dies die Beispiele belegen.
Hieraus ergibt sich eine geringe Leuchtdichte bei großer Entfernung zur Lichtquelle, die für viele Anwendungen nicht ausreicht. Die geringe Helligkeit bei größerem Abstand von der Lichtquelle des Lichtleitkörpers gemäß EP 1022129 führt des weiteren zu einer hohen Empfindlichkeit gegenüber der Bildung von Kratzern auf der Austrittsfläche des Lichts. Derartige Kratzer können sowohl durch Be itterung als auch durch mechanische Einwirkung entstehen. Problematisch ist hierbei, daß diese Kratzer das Licht streuen. Auf diesem Prinzip beruht die Lehre von EP 800 036. Diese Störstellen treten bei einer hohen Lichtauskopplung nicht besonders hervor. Bei den geringen Helligkeiten werden diese jedoch als störend empfunden. In Anbetracht des hierin angegebenen und diskutierten Standes der Technik war es mithin Aufgabe der vorliegenden Erfindung Lichtleitkörper anzugeben, die eine besonders gleichmäßige Leuchtdichte aufweisen. Hierbei sollten die Lichtleitkörper eine auf die Bedürfnisse anpaßbare Lichtauskopplung ermöglichen.
Darüber hinaus sollte die Leuchtdichte über die gesamte Fläche der Lichtaustrittsfläche möglichst konstant sein, wobei diese Konstanz auch durch die statistische Bildung von Oberflächenkratzern erhalten bleiben sollte.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung bestand darin, daß die Lichtleitkörper eine hohe Haltbarkeit, insbesondere eine hohe Beständigkeit gegen UV-Bestrahlung oder Bewitterung aufweisen.
Des weiteren lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Lichtleitkörper zur Verfügung zu stellen, die besonders einfach hergestellt werden können. So sollten die Lichtleitkörper insbesondere durch Extrusion, Spritzguß sowie durch Gußverfahren erzeugt werden können.
Darüber hinaus war es mithin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Lichtleitkörper zu schaffen, die kostengünstig hergestellt werden können.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, Lichtleitkörper anzugeben, die hervorragende mechanische Eigenschaften zeigen. Diese Eigenschaft ist insbesondere für Anwendungen wichtig, bei denen der Lichtleitkörper eine hohe Stabilität gegen Schlageinwirkung aufweisen soll .
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung bestand darin, Lichtkörper bereitzustellen, die auf einfache Weise in Größe und Form den Anforderungen angepaßt werden können.
Gelöst werden diese Aufgaben sowie weitere, die zwar nicht wörtlich genannt werden, sich aber aus den hierin diskutierten Zusammenhängen wie selbstverständlich ableiten lassen oder sich aus diesen zwangsläufig ergeben, durch die in Anspruch 1 beschriebenen Lichtleitkörper. Zweckmäßige Abwandlungen der erfindungsgemäßen Lichtleitkörper werden in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
Hinsichtlich Verfahren zur Herstellung liefern die Ansprüche 16 und 17 eine Lösung der zugrunde liegenden Aufgabe.
Dadurch, daß die lichtleitende Schicht eines Lichtleitkörpers, mindestens 60 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der lichtleitenden Schicht, Polymethylmethacrylat und 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der lichtleitenden Schicht, sphärische Partikel mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 40 μm umfaßt und die Lichtaustrittsfläche der lichtleitenden Schicht mit Strukturierungen versehen ist, wobei der Lichtleitkörper mindestens eine Lichteinleitungsflache und mindestens eine Lichtaustrittsfläche aufweist, wobei das Verhältnis von Lichtaustrittsfläche zu Lichteinleitungsflache mindestens 4 beträgt, gelingt es Lichtleitkörper zur Verfügung zu stellen, die eine besonders gleichmäßige Leuchtdichte aufweisen.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden u.a. insbesondere folgende Vorteile erzielt:
• Die Lichtleitkörper der vorliegenden Erfindung lassen sich besonders einfach herstellen. So können die Lichtleitkörper durch Extrusion, Spritzguß sowie durch Gußverfahren hergestellt werden.
• Die Leuchtdichtenverteilung der vorliegenden Lichtleitkörper ist gegenüber der Bildung von Kratzern auf der Oberfläche relativ unempfindlich.
• Die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper zeigen eine hohe Beständigkeit gegen UV-Bestrahlung.
• Des weiteren zeigen erfindungsgemäße Lichtleitkörper eine besonders gleichmäßige Verteilung der Leuchtdichte. Hierbei können verschieden große Lichtleitkörper hergestellt werden, ohne daß die Leuchtdichtenverteilung in besonderem Maß kritisch wäre.
• Darüber hinaus zeigen die Lichtleitkörper der vorliegenden Erfindung ein besonders farbechtes Licht, so daß mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle kein Gelbeindruck entsteht.
• Die Helligkeit der Lichtleitkörper kann an die Bedürfnisse angepaßt werden. So können auch große Platten mit einer sehr hohen Leuchtdichte hergestellt werden. • Die Lichtleitkörper der vorliegenden Erfindung weisen gute mechanische Eigenschaften auf .
Die lichtleitende Schicht des Lichtleitkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung weist 0,0001 bis 0,2, vorzugsweise 0,0005 bis 0,08 und besonders bevorzugt 0,0008 bis 0,01 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der lichtleitenden Schicht, sphärische Partikel auf.
Der Begriff sphärisch bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß die Partikel vorzugsweise eine kugelförmige Gestalt aufweisen, wobei dem Fachmann offensichtlich ist, daß aufgrund der Herstellungsmethoden auch Partikel mit anderer Gestalt enthalten sein können, oder daß die Form der Partikel von der idealen Kugelgestalt abweichen kann.
Dementsprechend bedeutet der Begriff sphärisch, daß das Verhältnis von der größten Ausdehnung der Partikel zur geringsten Ausdehnung maximal 4, vorzugsweise maximal 2 beträgt, wobei diese Ausdehnungen jeweils durch den Schwerpunkt der Partikel gemessen werden. Vorzugsweise sind mindestens 70%, besonders bevorzugt mindestens 90%, bezogen auf die Zahl der Partikel, sphärisch.
Die Partikel haben einen mittleren Durchmesser (Gewichtsmittel) im Bereich von 0,3 bis 40 μm, vorzugsweise im Bereich von 0,7 bis 20 μm, insbesondere von 1,4 bis 10 μm. Günstigerweise liegen 75% der Partikel im Bereich von 0,3 bis 40 μm, insbesondere von 1,4 bis 10 μm. Die Ermittlung der Teilchengröße erfolgt mittels eines Röntgensedigraphen. Hierbei wird das Absetzverhalten der Kunststoffpartikel im Schwerefeld mittels Röntgenstrahlen verfolgt. Anhand der Transparenz für Röntgenstrahlen wird auf die Teilchengröße geschlossen.
Die erfindungsgemäß verwendbaren Partikel sind nicht besonders beschränkt. Vorzugsweise werden diese Partikel aus Bariumsulfat und/oder Kunststoff hergestellt.
Bariumsulfat-Partikel, die die oben genannten Eigenschaf en aufweisen sind an sich bekannt und kommerziell unter anderem von Sachtleben Chemie GmbH, D-47184 Duisburg erhältlich. Darüber hinaus sind diverse Methoden zur Herstellung bekannt. Bariumsulfatpartikel weisen bevorzugt eine Größe im Bereich von 0,7 bis 6 μm auf.
Darüber hinaus können auch Partikel eingesetzt werden, die aus Kunststoff hergestellt werden. Hierbei ist die Art des Kunststoffs aus dem die Partikel hergestellt werden unkritisch, wobei der Kunststoff mit dem Polymeren der Matrix unverträglich sein muß, so daß eine Phasengrenze entsteht, an der eine Brechung des Lichts statt findet.
Dementsprechend weist Brechungsindex der Kunststoffpartikel eine bei der Na-D-Linie (589 n ) und bei 20°C gemessene Brechzahl n0 auf, die um 0,01, vorzugsweise um 0,02 Einheiten über der Brechzahl n0 des Matrixkunststoffs liegt.
Bevorzugte Kunststoffpartikel sind aufgebaut aus : bl) 0 bis 60 Gew. -Teilen eines Acryl- und/oder
Methacrylsaureesters mit 1 bis 12 C-Atomen im aliphatischen Esterrest, wobei beispielhaft genannt seie : Methyl (meth) acrylat , Ethyl (meth) acrylat, n-Propyl (meth) acrylat, i-Propyl (meth) acrylat, n-Butyl (meth) acrylat , i-Butyl (meth) acrylat, tert . Butyl (meth) acrylat, Cyclohexyl (meth) acrylat , 3,3, 5-Trimethylcyclohexyl (meth) acrylat, 2-Ethylhexyl (meth) crylat , Norbornyl (meth) acrylat oder lsobornyl (meth) acrylat; b2) 25 bis 99,9 Gew. -Teilen von Comonomeren, die aromatische Gruppen als Substituenten aufweisen und die mit den Monomeren bl) copolymerisierbar sind, wie beispielsweise Styrol, -Methylstyrol, ringsubstituierte Styrole, Phenyl (meth) acrylat , Benzyl (meth) acrylat, 2-Phenylethyl (meth) acrylat, 3-Phenylpropyl (meth) -acrylat Oder Vinylbenzoat ; sowie b3) 0,1 bis 15 Gew. -Teilen vernetzenden Comonomeren, die mindestens zwei ethylenisch ungesättigte, radikalisch mit bl) und b2) copolymerisierenbare Gruppen aufweisen, wie beispielsweise Divinylbenzol,
Glykoldi (meth) acrylat , 1 , 4-Butandioldi (meth) acrylat, Allyl (meth) acrylat, Triallylcyanurat, Diallylphthalat, Diallylsuccinat, Pentaerythrittetra (meth) acrylat oder Trimethylolpropantri (meth) acrylat, wobei sich die Comonomeren bl) , b2) und b3) zu 100 Gew. -Teilen ergänzen.
Besonders bevorzugt weisen Mischungen aus denen die Kunststoffpartikel hergestellt werden mindestens 80 Gew.-% Styrol und mindestens 0,5 Gew.-% Divinylbenzol auf. Derartige Kunststoffpartikel weisen bevorzugt eine Größe im Bereich von 2 bis 20 μm, insbesondere von 4 bis 12 μm auf.
Die Herstellung von vernetzten Kunststoffpartikeln ist in der Fachwelt bekannt. So können die Streupartikel durch Emulsionspolymerisation hergestellt werden, wie beispielsweise in EP-A 342 283 oder EP-A 269 324 beschrieben, ganz besonders bevorzugt durch Polymerisation in organischer Phase, wie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 43 27 464.1 beschrieben, wobei bei der letztgenannten Polymerisationstechnik besonders enge Teilchengrößenverteilungen oder anders ausgedruckt besonders geringe Abweichungen der Teilchendurchmesser vom mittleren Teilchendurchmesser auftreten.
Besonders bevorzugt werden Kunststoffpartikel eingesetzt, die eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 200°C, insbesondere von mindestens 250°C aufweisen, ohne daß hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll . Hierbei bedeutet der Begriff Temperaturbeständig, daß die Teilchen im wesentlichen keinem wärmebedingten Abbau unterliegen. Ein wärmebedingter Abbau führt in unerwünschter Weise zu Verfärbungen, so daß das Kunststoffmaterial unbrauchbar wird.
Besonders bevorzugte Partikel sind unter anderem von Sekisui unter dem Handelsnamen ©Techpolymer SBX-8 und ©Techpolymer SBX-12 erhältlich.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung liegen diese Teilchen gleichmäßig verteilt in der Kunststoffmatrix vor, ohne daß eine nennenswerte Aggregation oder Zusammenlagerung der Partikel auftritt. Gleichmäßig verteilt bedeutet, daß die Konzentration an Partikeln innerhalb der Kunststoffmatrix im wesentlichen konstant ist.
Erfindungsgemäß umfaßt die lichtleitende Schicht mindestens 60 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der lichtleitenden Schicht, Polymethylmethacrylat.
Diese Polymere werden im allgemeinen durch radikalische Polymerisation von Mischungen erhalten, die
Methylmethacrylat enthalten. Im allgemeinen enthalten diese Mischungen mindestens 40 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 60 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 80 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Monomere, Methylmethacrylat.
Daneben können diese Mischungen weitere (Meth) acrylate enthalten, die mit Methylmethacrylat copolymerisierbar sind. Der Ausdruck (Meth) acrylate umfaßt Methacrylate und Acrylate sowie Mischungen aus beiden.
Diese Monomere sind weithin bekannt. Zu diesen gehören unter anderem
(Meth) acrylate, die sich von gesättigten Alkoholen ableiten, wie beispielsweise Methylacrylat, Ethyl (meth) acrylat, Propyl (meth) acrylat, n-Butyl (meth) acrylat , tert . -Butyl (meth) acrylat , Pentyl (meth) acrylat und 2-Ethylhexyl (meth) acrylat;
(Meth) acrylate, die sich von ungesättigten Alkoholen ableiten, wie z. B. Oleyl (meth) acrylat, 2-Propinyl (meth) acrylat , Allyl (meth) acrylat , Vinyl (meth) acrylat; Aryl (meth) acrylate, wie Benzyl (meth) crylat oder Phenyl (meth) acrylat, wobei die Arylreste jeweils unsubstituiert oder bis zu vierfach substituiert sein können;
Cycloalkyl (meth) acrylate, wie
3-Vinylcyclohexyl (meth) acrylat, Bornyl (meth) acrylat;
Hydroxylalkyl (meth) acrylate, wie
3-Hydroxypropyl (meth) acrylat,
3 , 4-Dihydroxybutyl (meth) acrylat,
2-Hydroxyethyl (meth) acrylat, 2-Hydroxypropyl (meth) acrylat;
Glycoldi (meth) acrylate, wie 1, 4-Butandiol (meth) acrylat,
(Meth) acrylate von Etheralkoholen, wie
Tetrahydrofurfuryl (meth) acrylat,
Vinyloxyethoxyethyl (meth) acrylat;
Amide und Nitrile der (Meth) acrylsäure, wie
N- (3-Dimethylaminopropyl) (meth) acrylamid,
N- (Diethylphosphono) (meth) acrylamid, l-Methacryloylamido-2-methyl-2-propanol; schwefelhaltige Methacrylate, wie
Ethylsulfinylethyl (meth) acrylat,
4-Thiocyanatobutyl (meth) acrylat,
Ethylsulfonylethyl (meth) acrylat,
Thiocyanatomethyl (meth) acrylat,
Methylsulfinylmethyl (meth) acrylat,
Bis ( (meth) acryloyloxyethyl) sulfid; mehrwertige (Meth) acrylate, wie
Trimethyloylpropantri (meth) acrylat .
Neben den zuvor dargelegten (Meth) acrylaten können die zu polymerisierenden Zusammensetzungen auch weitere ungesättigte Monomere aufweisen, die mit Methylmethacrylat und den zuvor genannten (Meth) acrylaten copolymerisierbar sind. Hierzu gehören unter anderem 1-Alkene, wie Hexen-1, Hepten- 1; verzweigte Alkene, wie beispielsweise Vinylcyclohexan, 3, 3-Dimethyl-l-propen, 3-Methyl-l-diisobutylen, 4- Methylpenten-1 ;
Acrylnitril; Vinylester, wie Vinylacetat ;
Styrol, substituierte Styrole mit einem Alkylsubstituenten in der Seitenkette, wie z. B. α-Methylstyrol und OC -Ethylstyrol, substituierte Styrole mit einem Alkylsubstitutenten am Ring, wie Vinyltoluol und p- Methylstyrol, halogenierte Styrole, wie beispielsweise Monochlorstyrole, Dichlorstyrole, Tribromstyrole und Tetrabromstyrole;
Heterocyclische VinylVerbindungen, wie 2-Vinylpyridin, 3- Vinylpyridin, 2-Methyl-5-vinylpyridin, 3-Ethyl- 4-vinylpyridin, 2 , 3-Dimethyl-5-vinylpyridin, Vinylpyrimidin, Vinylpiperidin, 9-Vinylcarbazol, 3-Vinylcarbazol, 4-Vinylcarbazol, 1-Vinylimidazol, 2-Methyl- 1-vinylimidazol, N-Vinylpyrrolidon, 2-Vinylpyrrolidon, N-Vinylpyrrolidin, 3-Vinylpyrrolidin, N-Vinylcaprolactam, N-Vinylbutyrolactam, Vinyloxolan, Vinylfuran, Vinylthiophen, Vinylthiolan, Vinylthiazole und hydrierte Vinylthiazole, Vinyloxazole und hydrierte Vinyloxazole;
Vinyl- und Isoprenylether;
Maleinsäurederivate, wie beispielsweise Maleinsäureanhydrid, Methylmaleinsäureanhydrid, Maleinimid, Methylmaleinimid; und Diene, wie beispielsweise Divinylbenzol.
Im allgemeinen werden diese Comonomere in einer Menge von 0 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 0 bis 40 Gew.-% und besonders bevorzugt 0 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Monomeren, eingesetzt, wobei die Verbindungen einzeln oder als Mischung verwendet werden können.
Die Polymerisation wird im allgemeinen mit bekannten Radikalinitiatoren gestartet. Zu den bevorzugten Initiatoren gehören unter anderem die in der Fachwelt weithin bekannten Azoinitiatoren, wie AIBN und
1, 1-Azobiscyclohexancarbonitril, sowie Peroxyverbindungen, wie Methylethylketonperoxid, Acetylacetonperoxid, Dilaurylperoxyd, tert . -Butylper-2-ethylhexanoat, Ketonperoxid, Methylisobutylketonperoxid, Cyclohexanonperoxid, Dibenzoylperoxid, tert.- Butylperoxybenzoat, tert . -Butylperoxyisopropylcarbonat, 2,5- Bis (2-ethylhexanoyl-peroxy) -2 , 5-dimethylhexan, tert . - Butylperoxy-2-ethylhexanoat, tert . -Butylperoxy-3 ,5,5- trimethylhexanoat, Dicumylperoxid, 1, 1-Bis (tert. -butylperoxy) cyclohexan, 1, 1-Bis (tert . -butylperoxy) 3,3, 5-trimethylcyclohexan, Cumylhydroperoxid, tert . -Butylhydroperoxid,
Bis (4-tert . -butylcyclohexyl)peroxydicarbonat, Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen miteinander sowie Mischungen der vorgenannten Verbindungen mit nicht genannten Verbindungen, die ebenfalls Radikale bilden können .
Diese Verbindungen werden häufig in einer Menge von 0,01 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise von 0,5 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Monomeren, eingesetzt.
Hierbei können verschiedene Poly (meth) acrylate eingesetzt werden, die sich beispielsweise im Molekulargewicht oder in der MonomerZusammensetzung unterscheiden. Des weiteren können die Formmassen weitere Polymere enthalten, um die Eigenschaften zu modifizieren. Hierzu gehören unter anderem Polyacrylnitrile, Polystyrole, Polyether, Polyester, Polycarbonate und Polyvinylchloride. Diese Polymere können einzeln oder als Mischung eingesetzt werden, wobei auch Copolymere, die von den zuvor genannten Polymere ableitbar sind, den Formmassen beigefügt werden können.
Derartig besonders bevorzugte Formmassen sind unter dem Handelsnamen PLEXIGLAS® von der Fa. Röhm GmbH & Co. KG kommerziell erhältlich.
Das Gewichtsmittel des Molekulargewichts Mw der erfindungsgemäß als Matrixpolymere zu verwendenden Homo- und/oder Copolymere kann in weiten Bereichen schwanken, wobei das Molekulargewicht üblicherweise auf den Anwendungszweck und die Verarbeitungsweise der Formmasse abgestimmt wird. Im allgemeinen liegt es aber im Bereich zwischen 20 000 und 1 000 000 g/mol, vorzugsweise 50 000 bis 500 000 g/mol und besonders bevorzugt 80 000 bis 300 000 g/mol, ohne daß hierdurch eine Einschränkung erfolgen soll.
Nach Zugabe der Partikel können aus diesen Formmassen lichtleitenden Schichten durch herkömmliche thermoplastische Formgebungsverfahren hergestellt werden. Hierzu gehören insbesondere die Extrusion sowie der Spritzguß.
Des weiteren können lichtleitende Schichten der vorliegenden Erfindung durch Gußverfahren hergestellt werden. Hierbei werden geeignete Acrylharzmischungen in einer Form gegeben und polymerisiert . Ein geeignetes Acrylharz umfaßt beispielsweise
A) 0,0001 - 0,2 Gew.-% sphärische Partikel mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 40 μm,
B) 40 - 99,9999 Gew.-% Methylmethacrylat,
C) 0 - 59,9999 Gew.-% Comonomere,
D) 0 - 59,9999 Gew.-% in (B) oder (C) lösliche Polymere, wobei die Komponenten A) bis D) 100 Gew.-% ergeben.
Darüber hinaus weist das Acrylharz die zur Polymerisation notwendigen Initiatoren auf. Die Komponenten A bis D sowie die Initiatoren entsprechen den Verbindungen, die auch zur Herstellung geeigneter Polymethylmethacrylat Formmassen eingesetzt werden.
Zur Aushärtung kann man z . B . das sogenannte Gußkammerverfahren (s. z. B. die DE 25 44 245, EP-B 570 782 oder EP-A 656 548) anwenden, bei die Polymerisation einer Kunststoffscheibe zwischen zwei Glasplatten erfolgt, die mit einer umlaufenden Schnur abgedichtet werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die lichtleitende Schicht mindestens 70, vorzugsweise mindestens 80 und besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der lichtleitenden Schicht, Polymethylmethacrylat auf.
Die Poly (meth) acrylate der lichtleitenden Schicht weisen gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Brechungsindex gemessen bei der Na-D-Linie (589 nm) und bei 20°C im Bereich von 1,48 bis 1,54 auf. Die Formmassen sowie die Acrylharze können übliche Zusatzstoffe aller Art enthalten. Hierzu gehören unter anderem Antistatika, Antioxidantien, Entformungsmittel, Flammschutzmittel, Schmiermittel, Farbstoffe, Fließverbesserungsmittel, Füllstoffe, Lichtstabilisatoren und organische Phosphorverbindungen, wie Phosphite oder Phosphonate, Pigmente, Verwitterungsschutzmittel und Weichmacher. Die Menge an Zusatzstoffen ist jedoch auf den Anwendungszweck beschränkt. So sollte die lichtleitende Eigenschaft der Polymethylmethacrylat-Schicht nicht zu stark durch Additive beeinträchtigt werden.
Die lichtleitende Schicht weist im allgemeinen eine Transmission im Bereich von 80 bis 92 %, bevorzugt von 83 bis 92 auf, ohne daß hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll. Die Transmission kann gemäß DIN 5036 bestimmt werden.
Die Dicke der lichtleitenden Schicht ist unkritisch. Bevorzugt liegt die Dicke der lichtleitenden Schicht im Bereich von 2 bis 100 mm, besonders bevorzugt von 3 bis 20 mm, ohne daß hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll .
Die Lichtleitkörper der vorliegenden Erfindung weisen mindestens eine Lichteinleitungsflache und mindestens eine Lichtaustrittsfläche auf.
Der Begriff Lichtaustrittsfläche kennzeichnet hierbei eine Fläche des Lichtleitkörper, die geeignet ist Licht abzustrahlen. Die Lichteinleitungsflache wiederum ist in der Lage Licht in den Körper aufzunehmen, so daß die lichtleitende Schicht das eingeleitete Licht über die gesamte Lichtaustrittsfläche verteilen kann. Die Partikel führen zu einer Auskoppelung des Lichts, so daß Licht über die gesamte Lichtaustrittsfläche austritt.
Hierbei beträgt das Verhältnis von Lichtaustrittsfläche zu Lichteinleitungsflache mindestens 4, vorzugsweise mindestens 20 und besonders bevorzugt mindestens 80.
Hieraus ergibt sich, daß der Lichtleitkörper der vorliegenden Erfindung sich in starkem Maß von bekannten Abdeckungen für Beleuchtungskörper unterscheidet. Diese Abdeckungen zeichnen sich dadurch aus, daß die Lichteinleitungsflache parallel zur Lichtaustrittsfläche ausgebildet ist, so daß beide Flächen in etwa die gleiche Größe aufweisen.
Die Lichtaustrittsfläche weist Strukturierungen auf. Die Strukturierungen können nach der Herstellung der Platten, beispielsweise durch Druck oder andere mechanische Einwirkungen erhalten werden. Des weiteren kann die Strukturierung bei der Herstellung der Platten erzielt werden, indem Formen verwendet werden, die ein Negativ der Strukturierung aufweisen. So können beispielsweise geätzte Glasplatten als Form beim zuvor geschriebenen Gußkammerverfahren verwendet werden.
Die Form der Strukturierung ist unkritisch. Wesentlich ist, daß die Lichtaustrittsfläche Störstellen umfaßt, die in der Lage sind Licht auszukoppeln. So können beispielsweise Punkte oder Einkerbungen aufgebracht werden. Darüber hinaus kann die Lichtaustrittsfläche auch aufgerauht werden. Üblich weisen die Strukturierungen eine Tiefe im Bereich von 0,1 μm bis 1000 μm, insbesondere 1 μm bis 100 μm auf.
Die Menge an ausgekoppeltem Licht ist von der Menge an Partikel in der Kunststoffmatrix abhängig. Je größer diese Menge, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, daß Licht aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird. Hieraus ergibt sich, daß die Menge an Partikeln von Größe der
Lichtaustrittsfläche abhängig ist. Je weiter die Ausdehnung des Lichtleitkörpers senkrecht zur Lichteinleitungsflache ist, desto geringer wird die Menge an Partikeln in der lichtleitenden Schicht gewählt.
Des weiteren ist die Auskopplung des Lichts von der Dichte der Strukturierung der Lichtaustrittsfläche bzw. deren Rauhigkeit abhängig. Je dichter diese Strukturierung ist, desto höher die Auskopplungswahrscheinlichkeit von Licht aus dem Lichtleiter.
Die Dichte der Strukturierung kann über die gesamte Oberfläche konstant gewählt werden. Durch die vorliegende Erfindung wird trotzdem eine recht gleichmäßige Leuchtdichte erzielt.
Des weiteren ist es möglich die Dichte der Strukturierung mit dem Abstand zur Lichtquelle zu erhöhen, um eine gleichmäßigere Leuchtdichte zu erhalten. Im Vergleich zu herkömmlichen Lichtleitern kann die Dichteveränderung jedoch wesentlich geringer gewählt werden, da die erfindungsgemäßen Lichtleiter an sich eine gleichmäßigere Leuchtdichtenverteilung aufweisen. Unter Dichte der Strukturierung wird die Anzahl der Punkte bzw. Einkerbungen pro Oberflächeneinheit verstanden. Im allgemeinen weist eine Platte ca. 1 bis 100 000 Einkerbungen, insbesondere 100 bis 10 000 pro m2 auf, ohne daß hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Streumittelkonzentration so eingestellt werden, daß die Leuchtdichte an der Plattenoberfläche zu 1 bis 80%, insbesondere 2 bis 50% durch die im Polymer eingebetteten Streumittel erzeugt werden und 99 bis 20%, insbesondere 98 bis 50% durch die Strukturierung der Lichtaustrittsfläche erzeugt werden.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Lichtleitkörper eine tafelförmige Gestalt annehmen, wobei die drei Ausdehnungen des Körpers eine unterschiedliche Größe aufweisen.
Eine derartige Tafel ist beispielsweise in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt. Hierbei kennzeichnet das Bezugszeichen 1 die Kantenflächen der Tafel, die jeweils als Lichteinleitungsflächen dienen können. Bezugszeichen 2 beschreibt die Lichtaustrittsfläche der Tafel.
Die kleinste Ausdehnung ist hierbei die Dicke der Tafel . Die größte Ausdehnung sei als Länge definiert, so daß die dritte Dimension die Breite darstellt. Hieraus ergibt sich, daß die Lichtaustrittsfläche dieser Ausführungsform durch Oberfläche definiert wird, die dem Produkt aus Länge*Breite entspricht. Die Kantenflächen der Tafel, jeweils definiert als Oberfläche, die durch das Produkt aus Länge*Dicke oder Breite*Dicke gebildet wird, können im allgemeinen als
Lichteintrittsflache dienen. Vorzugsweise werden die als Lichteintrittsfläche dienenden Kantenflächen poliert.
Bevorzugt weist ein derartiger Lichtleitkörper eine Länge im Bereich von 25 mm bis 3000 mm, vorzugsweise von 50 bis 2000 mm und besonders bevorzugt von 200 bis 2000 mm auf.
Die Breite dieser besonderen Ausführungsform liegt im allgemeinen im Bereich von 25 bis 3000 mm, vorzugsweise von 50 bis 2000 mm und besonders bevorzugt von 200 bis 2000 mm.
Im allgemeinen weist derartiger Lichtleitkörper eine Dicke von mehr als 2 mm, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 100 mm und besonders bevorzugt von 3 bis 20 mm auf, ohne daß hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll. Neben diesen kubischen Ausführungen sind auch sich nach einer Seite hin verjüngende Ausführungen möglich, die die Form eines Keils aufweisen. Bei der Keilform wird im allgemeinen nur über eine Lichteintrittsfläche Licht eingekoppelt.
Je nach Anordnung der Lichtquellen kann hierbei das Licht über alle vier Kantenflächen eingestrahlt werden. Dies kann insbesondere bei sehr großen Lichtleitkörpern notwendig sein. Bei kleineren Lichtleitkörpern genügen im allgemeinen ein oder zwei Lichtquellen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steht Lichtaustrittsfläche senkrecht zur Lichteinleitungsflache .
Zur besseren Auswertung der eingesetzten Lichtenergie können die Kantenflächen, die nicht mit einer Lichtquelle versehen sind, reflektierend ausgestattet werden. Diese Ausstattung kann beispielsweise durch reflektierende Klebebänder erfolgen. Des weiteren kann ein reflektierender Lack auf diese Kantenflächen aufgebracht werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Lichtleitkörper aus der lichtleitenden Schicht, wobei die Kantenflächen der lichtleitenden Schicht gegebenenfalls reflektierend ausgestattet werden können.
Der Lichtleitkörper sowie die lichtleitende Schicht weisen hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften auf. Diese Eigenschaften umfassen insbesondere eine Vicat- Erweichungstemperatur nach ISO 306 (B50) von mindestens 95°C und ein E-Modul nach ISO 527-2 von mindestens 2000 MPa.
Der Lichtleitkörper der vorliegenden Erfindung kann insbesondere zur Beleuchtung von LCD-Displays, Hinweisschildern und Reklametafeln dienen.
Zur Beleuchtung der Lichteinleitungsflache können alle bekannten Lichtquellen verwendet werden. Geeignet sind punktförmige Glühlampen, z. B. Niedervolt Halogenglühlampen, ein oder mehrere Enden von Lichtleitern, eine oder mehrere Leuchtdioden sowie röhrenförmige Halogenlampen und Leuchtstoffröhren. Diese können z. B. in einem Rahmen an einer Kante, bzw. einer Kantenfläche oder Stirnfläche, seitlich der indirekt auszuleuchtenden Fläche, des Lichtleitkörpers angeordnet sein.
Die Lichtquellen können zur besseren Bestrahlung des Lichtleitkörpers mit Reflektoren ausgestattet sein.
Die Leuchtdichtenverteilung kann beispielsweise gemäß dem nachfolgenden Verfahren bestimmt werden. Nach Herstellung einer mit Streumittel und Oberflächenstrukturierung versehenen lichtleitenden Platte, werden aus der Platte ein Plattenstreifen von 595 mm Länge, 84 mm Breite und 8 mm Dicke zugeschnitten.
Der Plattenstreifen wird an den vier Kantenflächen hochglanzpoliert. Die beiden polierten 595 mm langen Kantenflächen werden mit einem reflektierenden Klebeband (9_) des Herstellers 3M (Typ: Scotch Brand 850) versehen, so daß Lichtstrahlen, die auf diese Kantenflächen auftreffen in die Platte reflektiert werden.
Die Plattenstreifen (J5) werden in einer speziellen Meßapparatur vermessen, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Die Meßapparatur besteht aus einem rechteckigen Aluminiumrahmen von 708 mm Länge und 535 mm Breite (3_) . An jeweils der Kante des Aluminiumrahmens, der die Breite von 535 mm aufweist, sind jeweils zwei parallel zueinander angeordnete Leuchtstoffröhren ( 4 ) des Typs PHILIPS TLD 15W/4 angebracht. Der Abstand der Leuchtstoffröhren beträgt 599 mm und ist damit so bemessen, daß die Plattenstreifen mittig zwischen die Leuchtstoffröhren eingelegt werden kann und daß das von den Leuchtstoffröhren ausgestrahlte Licht in die 84 mm breite Kante der Plattenstreifen einstrahlt. Unterhalb der Plattenstreifen ( 5_) ist eine Platte (7_) mit einer weißen reflektierenden Oberfläche (lfj) angebracht. Die weiße Oberfläche soll Licht, das auf der dem Beobachter entgegengesetzten Oberfläche des Plattenstreifens (5_) austritt, zum Beobachter hin reflektieren. Oberhalb der Plattenstreifens (j5) , dem Beobachter zugewandt, ist der Plattenstreifen mit einer Diffusorfolie (_8) von 0,5 mm Dicke versehen, die das Licht, das aus dem Plattenstreifen die in Richtung des Beobachters austritt, homogenisiert.
Auf der Diffusorfolie sind 7 Meßpunkte (j5) markiert, an denen die Leuchtdichte mit einem Leuchtdichtemesser Typ MINOLTA LUMINANCE METER 1° gemessen wird. Die Messpunkte haben folgende Abstände von einer der 84 mm langen Kante des Plattenstreifen: 74 mm; 149 mm; 223 mm; 298 mm; 372 mm; 446 mm; 521 mm.

Claims

Patentansprüche
1. Lichtleitkörper, der mindestens eine Lichteinleitungsflache und mindestens eine Lichtaustrittsfläche aufweist, wobei das Verhältnis von Lichtaustrittsfläche zu Lichteinleitungsflache mindestens 4 beträgt, umfassend mindestens eine lichtleitende Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Schicht mindestens 60 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der lichtleitenden Schicht, Polymethylmethacrylat und 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der lichtleitenden Schicht, sphärische Partikel mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 40 μm umfaßt und die Lichtaustrittsfläche der lichtleitenden Schicht mit Strukturierungen versehen ist.
2. Lichtleitkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Lichtaustrittsfläche zur Lichteinleitungsflache mindestens 20 beträgt.
3. Lichtleitkörper gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der lichtleitenden Schicht im Bereich von 2 bis 100 mm liegt.
4. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus Bariumsulfat und/oder Kunststoff sind.
5. Lichtleitkörper gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, die Kunststoffpartikel vernetztes Polystyrol umfassen.
6. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrittsfläche gleichmäßige Strukturierungen aufweist .
7. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrittsfläche ungleichmäßige Strukturierungen aufweist.
8. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierungen der Lichtaustrittsfläche punktförmig und/oder linienför ig sind.
9. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Lichtleitkörpers, Polymethylmethacrylat umfaßt .
10. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel einen mittleren Durchmesser im Bereich von 1,4 bis 10 μm aufweisen.
11. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Schicht 0,0005 bis 0,08 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der eine lichtleitenden Schicht, sphärische Partikel aufweist.
12. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymethylmethacrylat der lichtleitenden Schicht einen Brechungsindex gemessen bei der Na-D-Linie (589 nm) und bei 20°C im Bereich von 1,48 bis 1,54 aufweist.
13. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Schicht eine Transmission gemäß DIN 5036 im Bereich von 75 bis 92 % aufweist.
14. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrittsfläche senkrecht zur Lichteinleitungsflache steht.
15. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Fläche, die parallel zur Lichteinleitungsflache steht, mit einer reflektierenden Schicht ausgestattet ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitkörpers gemäß den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Formmasse aufweisend mindestens 60 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Formmasse, Polymethylmethacrylat und 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Formmasse, sphärische Partikel mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,7 bis 40 μm thermoplastisch formt.
17. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitkörpers gemäß den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Acrylharz aufweisend A) 0,0001 - 0,2 Gew.-% sphärische Partikel mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,7 bis 40 μm,
B) 40 - 99,9999 Gew.-% Methylmethacrylat,
C) 0 - 59,9999 Gew.-% Comonomere,
D) 0 - 59,9999 Gew.-% in (B) oder (C) lösliche Polymere, wobei die Komponenten A) bis D) 100 Gew.-% ergeben, radikalisch poly erisiert .
18. Vorrichtung zum indirekten Ausleuchten aufweisend mindestens ein Lichtleitkörper gemäß den Ansprüchen 1 bis 15 und eine Lichtquelle, die die
Lichteinleitungsflache des Lichtleitkörper bestrahlen kann.
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