ITMI20130921A1 - Dispositivo di illuminazione avente forma di lastra con fosfori e diffusori. - Google Patents

Dispositivo di illuminazione avente forma di lastra con fosfori e diffusori. Download PDF

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ITMI20130921A1
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Italy
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IT000921A
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Alfredo Gambirasio
Leonida Miglio
Stanislao Senatore
Francesco Tassone
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Itaca Nova S R L
Ttengineering S R L
Uni Degli Studi Di Milano B Icocca
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Description

DISPOSITIVO D’ ILLUMINAZIONE AVENTE LA FORMA DI LASTRA CON FOSFORI E DIFFUSORI
SCOPO DELL’INVENZIONE
Lo scopo della presente invenzione è un dispositivo di illuminazione a LED a forma di lastra o pannello polimerico con un ridotto abbagliamento, una buona efficienza ed uno spessore contenuto. Il dispositivo di illuminazione oggetto della presente invenzione comprende una guida di luce di materiale polimerico trasparente avente la forma di lastra o pannello nella quale o sulla quale sono dispersi particelle diffondenti oltre a fosfori idonei a convertire la luce proveniente da LED. Uno o più LED sono posizionati su almeno una faccia piccola della lastra, vale a dire su una faccia della lastra sostanzialmente perpendicolare alle facce della lastra, o del pannello, di dimensione più ampia, dalle quali è emessa la luce.
STATO DELL’ ARTE
I dispositivi di illuminazione adottano da anni come sorgenti di luce “diodi emettitori di luce”, denominati LED. Tra tutti detti dispositivi di illuminazione rilevano per la presente invenzione i dispositivi di illuminazione polimerici a LED che emettono luce bianca. Detti dispositivi adottano tipicamente LED che producono luce bianca: in essi, la luce bianca è ottenuta dalla combinazione di: (i) parte della luce blu prodotta da un chip molto efficiente; (ii) luce complementare, gialla e rossa, prodotta da un fosforo, opportunamente posizionato sopra il chip, che converte, prima assorbendola, la rimanente parte della luce blu prodotta dal chip.
I dispositivi che adottano tali LED “bianchi” hanno alcuni inconvenienti, tra i quali quello concernente l’efficienza del fosforo. In particolare, detto inconveniente è relativo all’ 'elevata temperatura di funzionamento del chip contenuto nel LED “bianco”. Detto chip può raggiungere i 125<°>C nel caso dei LED con potenza elevata, utilizzata ormai in modo standard nei dispositivi di illuminazione a LED in commercio. Tale elevata temperatura coinvolge il fosforo collocato in prossimità del chip con la conseguenza di: (a) ridurre l'efficienza di conversione della luce del 10%; (b) ridurre la durata del fosforo che perde rapidamente la proprietà di convertire la luce in un bianco accettabile per gli standard del mercato. Tali dispositivi di illuminazione saranno denominati nel prosieguo in breve “dispositivi di illuminazione a LED bianchi”.
È noto che per risolvere i suddetti inconvenienti dei dispositivi di illuminazione a LED bianchi è sufficiente posizionare il fosforo lontano dal chip del LED.
Per poter posizionare il fosforo lontano dal chip del LED, i dispositivi di illuminazione devono essere necessariamente realizzati con una struttura più complessa. Tale struttura prevede almeno una fonte di luce a LED diversa dal LED bianco, segnatamente un LED blu o violetto privo di fosfori, posizionato in modo tale da fornire luce ad un elemento polimerico nel quale è disperso il fosforo, preferibilmente tali LED sono posizionati posteriormente all’elemento polimerico rispetto all’utilizzatore del dispositivo di illuminazione. I dispositivi di illuminazione così realizzati sono denominati nel prosieguo “dispositivi di illuminazione a LED blu”. Un inconveniente di questa configurazione, è dovuto alla notevole intensità della luce emessa dall’elemento polimerico in prossimità di ciascun LED. Tale intensità di emissione aumenta proporzionalmente all’aumento della potenza di ciascun LED.
Detta intensità di emissione ha come ulteriore inconveniente il forte abbagliamento, il quale è: (a) fastidioso per il soggetto sottoposto o utilizzatore di un dispositivo di illuminazione a LED; (β) dannoso per la vista di detto soggetto.
La soluzione nota del problema dell’ abbagliamento è realizzata distanziando ciascun LED dall’elemento polimerico sopra citato. Detta soluzione ha tuttavia inconveniente di rendere il dispositivo di illuminazione a LED blu particolarmente ingombrante.
Per poter realizzare dispositivi di illuminazione a LED di ingombro ridotto rispetto a quelli sopra descritti, è stata introdotta una guida di luce polimerica trasparente a forma di lastra o pannello, nel prosieguo in breve denominata “lastra”. Tali dispositivi di illuminazione noti adottano però i LED bianchi come fonte di luce, in breve denominati “dispositivi di illuminazione a forma di lastra con LED bianchi”.
Tali dispositivi di illuminazione a forma di lastra con LED bianchi presentano tuttavia tutti gli inconvenienti sopra descritti nell utilizzo dei LED bianchi, segnatamente: (a) riduzione dell'efficienza di conversione della luce in misura di almeno il 10%; (b) riduzione della durata del fosforo che perde rapidamente la proprietà di convertire la luce in un bianco accettabile. In forza dell’arte nota, sono state condotte delle sperimentazioni dirette a realizzare dispositivi di illuminazione che emettessero luce bianca utilizzando guide di luce polimerica trasparente a forma di lastra, aventi almeno una sorgente di luce a LED blu e fosfori dispersi nella guida di luce polimerica, in breve denominati “dispositivi di illuminazione a forma di lastra con LED blu”, confidando di risolvere i citati inconvenienti.
La sperimentazione non ha però dato esito positivo. Si è osservato che la luce emessa dal dispositivo di illuminazione con detta configurazione non è mai bianca. I problemi sopra citati non sono risolti neppure dal dispositivo oggetto della sopra citata sperimentazione.
ESPOSIZIONE DELL’ INVENZIONE
Lo scopo della presente invenzione è pertanto di risolvere gli inconvenienti dei dispositivi di illuminazione a LED sopra descritti, segnatamente i problemi di abbagliamento, di efficienza e di ingombro.
Detti inconvenienti sono superati con un dispositivo di illuminazione avente una guida di luce in materiale polimerico trasparente a forma di lastra o pannello: nel prosieguo la forma della guida di luce sarà indicata per brevità con il solo termine di “lastra”. Detta guida di luce è caricata con particelle di fosforo e particelle di diffusori, si noti che con il termine caricare si intende che dette particelle di fosfori e di diffusori siano alternativamente disperse interno della guida di luce polimerica ovvero applicate su almeno una faccia più ampia della giuda di luce, detta faccia più ampia sarà meglio definita in seguito. Tale dispositivo ha quale fonte di luce almeno un LED, preferibilmente un LED blu oppure un LED violetto, posizionato su almeno una faccia piccola di detta lastra. Detta lastra ha il rapporto tra la misura della lunghezza più piccola (h) della faccia piccola e la misura della lunghezza massima (L) della faccia più ampia della lastra inferiore a 1:2.
Per chiarezza e semplicità di quanto sopra esposto e di quanto verrà illustrato nel prosieguo, si indica con “faccia piccola” ciascuna delle facce della lastra sostanzialmente perpendicolare a ciascuna delle facce della lastra dalla quale è emessa la luce, denominata nel prosieguo” faccia più ampia”.
Per superare detti inconvenienti, la guida di luce sopra richiamata deve essere caricata con fosfori, preferibilmente fosfori Ce:YAG aventi dimensioni delle particelle di fosforo molto piccole rispetto alla lunghezza d'onda della luce visibile, in particolare particelle con dimensioni inferiori a 200 nm, ovvero nanoparticelle di semiconduttori di CdS, CdSe e CdTe, ovvero molecole organiche fluorescenti quali i perileni e le rodamine, ovvero fosfori con l’indice di rifrazione simile a quello della matrice polimerica della guida di luce, quali i fosfori basati su silicati. Tali fosfori devono però essere abbinati a diffusori, vale a dire particelle idonee a diffondere la luce, quali ossidi di afnio, zirconio e titanio, titanati e solfati di bario.
Si è infatti osservato che, notevolmente, detto abbinamento è in grado di far emettere luce bianca ad un dispositivo di illuminazione con le caratteristiche sopra richiamate. Vale a dire, una guida di luce polimerica trasparente a forma di lastra, caricata con dette particelle disperse nella guida di luce, ovvero applicate sulla guida di luce, vale a dire con fosfori e diffusori come sopra illustrato, dotata di almeno una sorgente di LED blu posizionata, come sopra indicato, su almeno una faccia piccola di detta lastra. L’abbinamento di fosfori e diffusori nella guida di luce citata ha il vantaggio di ridurre l’abbagliamento, diminuendo anche ingombro del dispositivo di illuminazione. Come sopra detto, tali vantaggi sono raggiunti avendo lo spessore della lastra minore della metà della dimensione massima della faccia più ampia della lastra.
Tale vantaggioso effetto di riduzione dell’abbagliamento è migliorato usando particelle di fosforo aventi una differenza indice di rifrazione con la matrice polimerica trasparente della guida di luce inferiore a 0,1. Questo vantaggio è ulteriormente migliorato usando particelle di fosforo con dimensioni inferiori a 200 nm, migliorando ancora di più con dimensioni inferiori a 100 nm e migliorando ulteriormente con dimensioni inferiori a 50 nm.
L’ abbagliamento è ancora ulteriormente ridotto utilizzando almeno due LED, preferibilmente a emissione blu o violetta, posizionati lungo una delle facce piccole. La distanza massima tra i LED adiacenti, posizionati sulla stessa faccia piccola, è preferibilmente pari alla metà della dimensione massima della faccia piccola sulla quale sono posizionati i LED.
Detto abbagliamento è ulteriormente ridotto posizionando almeno un LED su tutte le facce piccole.
Il dispositivo di illuminazione oggetto della presente invenzione può prevedere la guida di luce in materiale polimerico trasparente a forma di lastra con almeno una faccia più ampia avente almeno una sezione verticale curvilinea, avendo potuto osservare sperimentalmente che, inaspettatamente, le caratteristiche vantaggiose sopra illustrate permangono anche per una guida di luce avente detta forma.
PARTE SPERIMENTALE
Esempio 1
È stata oggetto della sperimentazione un dispositivo di illuminazione oggetto della presente invenzione con guida di luce polimerica trasparente a forma di lastra di 2 cm x 2 cm x 1 cm utilizzante su una faccia piccola un LED blu Cree Royal Blue tipo XR-E con lunghezza d' onda d' emissione intorno ai 450 nm, caricata con fosfori organici e diffusori di ossido di titanio, vale a dire con dette particelle disperse nella guida di luce. La figura 1 a sinistra, indicata con la lettera “A”, mostra che la luminanza massima è intorno a 16 cd/cm<2>.
È stato altresì sottoposto a sperimentazione un dispositivo di illuminazione a LED blu composto da una lastra polimerica trasparente di 2 cm x 2 cm x 1 cm utilizzante sulla faccia più ampia un LED blu Cree Royal Blue tipo XR-E con lunghezza d' onda d' emissione intorno ai 450 nm, caricata con fosfori organici, vale a dire con dette particelle, più specificatamente molecole disperse nella lasta polimerica trasparente.
La figura 1 a destra, indicata con la lettera “B” mostra che la luminanza massima è intorno a 30 cd/cm<2>.
L’esempio sopra riportato mostra la riduzione dell’abbagliamento, vale a dire minore luminanza, tra il dispositivo di illuminazione indicato con la lettera A, che è oggetto della presente invenzione, rispetto ad un dispositivo di illuminazione noto.
Esempio 1b
È stata oggetto della sperimentazione un dispositivo di illuminazione oggetto della presente invenzione con guida di luce polimerica trasparente a forma di lastra di 4 cm x 4 cm x 1 cm utilizzante su una faccia piccola un LED blu Cree Royal Blue tipo XR-E con lunghezza d' onda d' emissione intorno ai 450 nm, caricata con fosfori organici e diffusori di ossido di titanio, vale a dire con dette particelle disperse nella guida di luce. La figura 2 a sinistra, indicata con la lettera “A”, mostra che la luminanza massima è intorno a 6,5 cd/cm<2>.
È stato altresì sottoposto a sperimentazione un dispositivo di illuminazione a LED blu composto da una lastra polimerica trasparente di 4 cm x 4 cm x 1 cm utilizzante sulla faccia più ampia un LED blu Cree Royal Blue tipo XR-E con lunghezza d' onda d' emissione intorno ai 450 nm, caricata con fosfori organici, vale a dire con dette particelle, più specificatamente molecole, disperse nella lastra polimerica trasparente.
La figura 2 a destra, indicata con la lettera “B” mostra che la luminanza massima è intorno a 30 cd/cm<2>.
L’esempio sopra riportato mostra la riduzione dell’ abbagliamento tra il dispositivo di illuminazione indicato con la lettera A, che è oggetto della presente invenzione, rispetto ad un dispositivo d’ illuminazione noto.
Esempio 2
Sono stati oggetto della sperimentazione tre dispositivi di illuminazione oggetto della presente invenzione con guida di luce polimerica trasparente a forma di lastra di 10cm x 10cm x 1 cm.
Nella figura 3, indicata con la lettera A, è rappresentata la luminanza di un dispositivo di illuminazione oggetto della presente invenzione con le citate dimensioni e forma e con un LED blu Cree Royal Blue tipo XR-E con lunghezza d'onda d'emissione intorno ai 450 nm, posizionato su una faccia piccola e caricato con fosfori organici e diffusori di ossido di titanio, vale a dire con dette particelle disperse nella guida di luce. Nella figura 3, indicata con la lettera B, è rappresentata la luminanza di un dispositivo di illuminazione oggetto della presente invenzione con le citate dimensioni e forma e con 4 LED blu Cree Royal Blue tipo XR-E con lunghezza d'onda d'emissione intorno ai 450 nm. Tali LED sono posizionati 2 su una faccia piccola e gli altri 2 sulla faccia piccola opposta. La distanza tra i LED su ciascuna faccia piccola è di 5 cm. La lastra polimerica trasparente è caricata con fosfori organici e diffusori di ossido di titanio, vale a dire con dette particelle disperse nella guida di luce.
Nella figura 3, indicata con la lettera C, è rappresentata la luminanza di un dispositivo di illuminazione oggetto della presente invenzione con le citate dimensioni e forma e con 10 LED blu Cree Royal Blue tipo XR-E con lunghezza d'onda d'emissione intorno ai 450 nm. Tali LED sono posizionati 5 su una faccia piccola e gli altri 5 sulla faccia piccola opposta. La distanza tra i LED su ciascuna faccia piccola è di 2 cm. La lastra polimerica trasparente è caricata con fosfori organici e diffusori di ossido di titanio, vale a dire con dette particelle disperse nella guida di luce.
Nella figura 3, il dispositivo indicato con la lettera “A” mostra che la luminanza massima è intorno a 1,6 cd/cm<2>.
Nella figura 3, il dispositivo indicato con la lettera “B” mostra che la luminanza massima è intorno a 0,7 cd/cm<2>.
Nella figura 3, il dispositivo indicato con la lettera “C” mostra che la luminanza massima è intorno a 0,5 cd/cm<2>. La sperimentazione condotta ha evidenziato che l’abbagliamento è ridotto con l’aumento del numero dei LED per ciascuna faccia piccola, posizionati in modo che la distanza massima tra i LED adiacenti sia pari o inferiore alla metà della lunghezza massima della faccia piccola sulla quale sono posizionati i LED.
DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Gli scopi e i vantaggi della presente invenzione risulteranno ancora più evidenziati dalla descrizione seguente descrizione dei disegni e dalle unite tavole nelle quali sono illustrati i risultati di alcune sperimentazioni ed a titolo esemplificativo ma non esaustivo un dispositivo di illuminazione oggetto della presente invenzione.
Le figure 1-3 mostrano i risultati dei vari esempi che sono stati condotti ad illustrazione della presente invenzione.
La figura 4 illustra una vista prospettica del dispositivo di illuminazione oggetto dell’invenzione in oggetto.
La figura 5 illustra una seconda vista prospettica del dispositivo di illuminazione oggetto dell’invenzione in oggetto.
La Figura 4 mostra un dispositivo di illuminazione con una guida di luce a forma di lastra (1). Detta lastra (1) è di materiale polimerico trasparente e può avere ciascuna faccia dalla quale è emessa la luce, denominata ” faccia più ampia” (6) a forma piatta, come rappresentata graficamente, ma anche con forma avente almeno una sezione verticale curvilinea, non rappresentata graficamente. Detta lastra polimerica è caricata con particelle di fosforo (2) e particelle di diffusori (3) vale a dire con dette particelle disperse nella guida di luce, poste alternativamente sulla o nella lastra(l). La fonte di luce (4) è costituita da LED, almeno uno, posizionato su almeno una faccia piccola (5) della lastra (1).
Al fine di una esaustiva descrizione dell’invenzione, si chiarisce che il termine “faccia piccola” (5) indica ciascuna delle facce della lastra sostanzialmente perpendicolare a ciascuna faccia più ampia (6) della lastra (1) .
I rapporti dimensionali della citata lastra (1) sono indicate in base al ratio tra la misura della lunghezza più piccola (h) della faccia piccola (5) della lastra (1) e lunghezza massima (L) della faccia più ampia (6) della lastra (1). Tale ratio è inferiore a 1:2.
Le particelle di fosforo (2) disperse nella lastra (1), vale a dire con dette particelle disperse nella guida di luce, poste alternativamente sulla o nella lastra (1) di materiale polimerico trasparente hanno una o più delle seguenti caratteristiche: (i) una differenza di indice di rifrazione con la matrice polimerica della lastra inferiore a 0,1; (ii) una dimensione inferiore a 200 nm, preferibilmente inferiore a 100 nm, ed ancor più preferibilmente inferiore a 50 nm.
Come sopra detto, la fonte di luce (4) è costituita da uno o più LED che preferibilmente sono LED blu o violetti.
La figura 5 mostra il dispositivo d’illuminazione oggetto della presente invenzione, evidenziando la posizione nella quale devono essere collocati su una faccia piccola (5) almeno due fonti di luce (4) per ridurre ancora di più l’abbagliamento.
Con la configurazione preferita di almeno due fonti di luce (4), poste, come indicato, su almeno una faccia piccola (5) di detta lastra (1), la distanza tra due fonti di luce (4) adiacenti è minimo zero ma massimo pari alla metà della lunghezza massima (Lp) della relativa faccia piccola (5) di detta lastra (1) sulle quali sono poste le fonti di luce (4).. La riduzione di abbagliamento è ulteriormente migliorata ponendo almeno una fonte di luce (4) su tutte le facce (5) della lastra (1). Questa ultima configurazione non è mostrata graficamente.

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONE 1. Dispositivo di illuminazione comprendente almeno una lastra (1) di materiale polimerico trasparente, caricata con particelle di fosforo (2) e particelle di diffusori (3), almeno una fonte di luce (4) posizionata su almeno una faccia piccola (5) di detta lastra (1) caratterizzata dal fatto che la lastra (1) ha il rapporto tra la misura della dimensione più piccola (h) della faccia piccola (5) e la misura della dimensione massima (L) della faccia più ampia (6) della lastra (1) inferiore a 1:2 e che la fonte di luce (4) è un LED.
  2. 2. Dispositivo di illuminazione secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che almeno una faccia più ampia (6) ha almeno una sezione verticale curvilinea.
  3. 3. Dispositivo di illuminazione secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che le particelle di fosforo (2) hanno una differenza di indice di rifrazione con la matrice polimerica della lastra (1) di materiale polimerico trasparente inferiore a 0,1.
  4. 4. Dispositivo di illuminazione secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che le particelle di fosforo (2) hanno la loro dimensione inferiore a 200 nm, preferibilmente inferiore a 100 nm, ed ancor più preferibilmente inferiori a 50 nm.
  5. 5. Dispositivo di illuminazione secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che almeno due fonti di luce (4) sono poste su almeno una delle facce piccole (5) di detta lastra (1) con la distanza tra due fonti di luce (4) adiacenti minima zero e massima pari alla metà della dimensione massima (L ) della relativa faccia piccola (5) di detta lastra (1).
  6. 6. Dispositivo di illuminazione secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che almeno una fonte di luce (4) è posta su tutte le facce piccole (5) della lastra (1).
  7. 7. Dispositivo di illuminazione secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la fonte di luce (4) è alternativamente un LED a emissione blu o un LED a emissione violetta
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