JP2016518011A - 複合透明照明デバイス - Google Patents

Abstract

複合透明照明デバイスは、透明素子と、均一分散で低濃度の誘電体粒子と、反射性周囲部と、周囲の個別光源とを備え、非動作状態における見た目を改善すると共に、動作状態、つまり、その周囲の個別光源をオンにした際に高品質の照明を提供することができる。

Description

本発明は複合透明照明デバイスに関する。

近年、透明素子の見た目及び特性を改良して、追加の特性を付与し、その元々の機能を受動素子から能動デバイスに変更する試みが行われている。

例えば、建物の窓の場合、特許文献１に記載されているように、透明素子を夜間における環境照明源にする試みがいくつか行われている。この場合、その技術的効果は、入射太陽放射の経路中に有機発光素子を介在させることによって達成されるが、このような解決策は複雑で高価であり、また、非常に高価な物質及びプロセスを用いない限りは窓の透明性に悪影響を与える。

他の解決策は、特許文献２及び特許文献３に記載されている。これらの場合、照明出力を得るため、窓の中心部分においてより密である散乱粒子に結合させた周辺光源が記載されている。このような濃度勾配は、窓の透明性及び均一性に影響を与えるという欠点を有する。

特許文献４には、ＬＥＤライトに結合されたフォトルミネッセンスシートが開示されているが、これは高濃度で均一な蛍光体含有量を有し、シートの透明性の問題に対処していない。

国際公開第２００９／０４０７２４号 国際公開第２０１２／０４１４８０号 国際公開第２００７／０４７６８４号 米国特許第８２３７３５２号明細書

本発明の目的は、日中において均一に透明であり且つ夜間において（つまり、オンにすると）高品質の均一光源となることができる複合透明照明デバイスを提供することによって、従来技術に依然として存在している問題点を克服することである。

こうした効果は本発明を用いて達成され、本発明の第一態様において、複合透明照明デバイスは、透明素子と、その透明素子の周囲に光学的に結合された個別光源と、複合透明照明デバイスの境界を画定する反射性フレームとを備える。反射性フレームは、複合透明照明デバイスの周囲の少なくとも８０％を覆う。透明素子は以下の点を特徴とする：
ａ． 透明素子が、均一分散の誘電体粒子を備えた透明マトリクスを備えること；
ｂ． 透明マトリクスが、５００ｎｍで評価して０．００９ｃｍ^−１以下の吸光係数を有すること；
ｃ・ 誘電体粒子の体積濃度が、

と

との間であること。ここで、ρは、μｍ単位での平均誘電体粒子サイズであり、ｍは、５００ｎｍで評価した誘電体粒子の屈折率と透明マトリクスの屈折率との間の比である。

好ましくは、複合透明照明デバイスは、以下の範囲の誘電体粒子の体積濃度を有する：
・ ２０μｍ＞ρ≧５μｍの場合に、１０^−６と１０^−５との間；
・ １μｍ＞ρ＞０．３μｍの場合に、１０^−６と１０^−５との間；
・ ０．１μｍ＞ρ＞０．０４μｍの場合に、１０^−４．５と１０^−３との間。

添付図面を用いて、本発明を更に説明する。

本発明に係る複合透明照明デバイスの概略平面図である。 本発明に係る透明照明デバイスの代替実施形態の概略平面図である。 本発明に係る複合透明照明デバイスの他の代替実施形態の概略断面図である。 三つの異なる種類の物質の粉末に対する多様なサンプル濃度での可視スペクトルに対する吸光係数を集めた実験データを示す。 三つの異なる種類の物質の粉末に対する多様なサンプル濃度での可視スペクトルに対する吸光係数を集めた実験データを示す。 三つの異なる種類の物質の粉末に対する多様なサンプル濃度での可視スペクトルに対する吸光係数を集めた実験データを示す。 本発明に従って作製された透明サブアセンブリについてのＣＣＤカメラの記録結果を示す。 本発明に従って作製されていない透明サブアセンブリについてのＣＣＤカメラの記録結果を示す。

図面において、本発明のコンセプトを説明するのに必要とされない補助的な構成要素は省略され、例えば、図１〜図３を参照すると、個別光源の電源、スイッチ、制御装置は図示されていない。また、一部の特徴は、図面の理解を高めるために拡大されていて、特に、散乱特性（任意でルミネッセンス特性と組み合わせられる）に関して本発明の主要な構成要素である図１及び図２の誘電体粒子のサイズは非排他的である。

本発明者等は、例えば建物の窓、内壁セパレータ、ランプにおいてその透明性が利用される非動作状態における照明デバイスの見た目を改善すると共に、動作状態において、つまり、その周囲の個別光源をオンにした際において高品質の照明を提供することができるようにするために必要な一組の特徴を見出した。高品質の照明とは、眼に見えるグレアや光の煌めき（ギラツキ）が無く、光が好適に拡散されることを意味する。

そのような特徴とは、多重反射を介してパネルから出て行く光を方向決め又は再方向決めする反射フレームの使用と組み合わせられる低濃度の誘電体粒子の均一分布である。そのような特徴及びその組み合わせは従来技術において開示されていない。

誘電体粒子の均一分布とは、誘電体粒子を含む透明照明素子のあらゆる点において、１０^−２ｃｍ^３の体積（全ての体積がそのような構成要素内に含まれるとの条件において）内の粒子の数が、パネル内の平均値に等しいか又は１０％以下で異なるものとする。実際には、この条件を検証する簡単な方法は、照明素子の中心部分の濃度と周辺部の濃度との間の差が１０％以下であるかどうかを検証することである。上記定義は、散乱粒子を含む照明構成要素が、照明デバイスの縁近くにおいて、及び／又は、個別光源のすぐ近くの箇所において不連続性（誘電体粒子が存在しないこと）を示し得ることも考慮している。

典型的には、こうした周辺領域が存在する場合には、それは、照明デバイスの境界から最大３ｃｍまでのものである。

本発明に係る複合透明照明デバイスは透明素子を備え、その透明素子の物質は、５００ｎｍで評価して０．００９ｃｍ^−１以下の吸光係数αの物質である。

このようなαは以下のように定義される：
α＝−（１／ｄ）×ｌｎ（Ｔ／１００）
Ｔ＝１００×（Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎ）＋Ｒ
Ｒ＝１００×（Ｉｂａｃｋ／Ｉｉｎ）
ここで、
‐ ｄは透明素子の厚さ、
‐ Ｉｉｎ、Ｉｏｕｔはそれぞれ、入射光強度、透明素子を通過した後の光強度、
‐ Ｉｂａｃｋは、入射光を受けた表面によって反射された光強度、
‐ Ｔは透過率、Ｒは反射率である。

本発明での使用に好適な透明物質は、ガラスやポリマー材料であり、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリシロキサン樹脂、アクリル、エポキシ樹脂、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）である。こうした物質は、単独で又は透明基板と組み合わせて使用され得て、つまり、透明素子の薄層（例えば、誘電体粒子の分散体を含むＰＭＭＡ層）をガラス基板の上に堆積させることができる。好ましい透明基板の厚さは０．１ｍｍと６ｍｍとの間である。

本発明に係る複合透明照明デバイスについての誘電体粒子の濃度は低いことが望ましく、つまり、それら粒子が、０．００３ｃｍ^−１から０．０３ｃｍ^−１の間の値での吸光係数の増大を与えるものであることを意味する。

これは、誘電体粒子の体積濃度の値（マトリクスの体積に対する粒子の体積）が、

と

との間であることに対応する。ここで、ρは、μｍ単位での平均誘電体粒子サイズであり、ｍは、５００ｎｍで評価した誘電体粒子の屈折率と透明マトリクスの屈折率との間の比である。

より好ましくは、以下の範囲の誘電体粒子濃度の体積濃度が使用される：
・ １０^−６と１０^−５との間、２０μｍ＞ρ≧５μｍについて、放射波長と独立した光散乱を得るため；
・ １０^−６と１０^−５との間、１μｍ＞ρ＞０．３μｍについて、パネルに沿って取り出される光の高い均一性を保証するため；
・ １０^−４．５と１０^−３との間、０．１μｍ＞ρ＞０．０４μｍについて、ｍが０．９３３と１．０６７との間の場合（ｍ≠１±０．００７）に、優れた透明性を保ちながら最大の取り出し光を得るため。

強調すべき点は、散乱粒子が球形を有さないことが有り得て、また、粒子がサイズ分布を示し、上記式において、ρは、粒子の平均半径を表し、又は、不規則な形状の場合には、粒子の半値幅（つまり、各粒子について、最大サイズと最小サイズとの和を４で割ったもの）の平均を表す。これは、異なる種類の粒子が存在し得て、各々がそれ自体のサイズ分布を特徴とすることも考慮している。

この点に関して、より多くの粒子及び／又は異なるサイズ分布が存在する場合、各成分の最大濃度は、上記式で与えられるＣｍａｘを超えてはいけない。特に、各成分についての上記Ｃｍｉｎ及びＣｍａｘは、誘電体の総体積に対する特定の成分の相対濃度に従って比例的に調整されるべきものである。例えば、４０％（ｖｏｌ／ｖｏｌ）の散乱粒子Ａ及び６０％の散乱粒子Ｂが存在する場合、マトリクスに対する最大濃度及び最小濃度は、散乱体Ａについて０．４倍、散乱体Ｂについて０．６倍修正した上記式によって与えられる。

誘電体粒子に適した物質の例は、金属酸化物であり、この場合、好ましくは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、Ｙｂの酸化物であり、又は、ケイ酸塩（シリケート）であり、この場合、好ましくは、アルミノケイ酸塩、ＳｉＯ_２、ガラスビーズであり、又は、白色透明のセラミックビーズ、白色透明のプラスチックビーズ、硫酸バリウムである。

均一分散の誘電体粒子を含むマトリクスの厚さは、好ましくは０．１ｍｍと６ｍｍとの間である。

本発明に係る複合透明照明デバイスの誘電体粒子としての使用に適した他の種類の物質は、Ｃｅ：ＹＡＧ等の無機蛍光体、オルトケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、窒化物、ユーロピウムをドープした酸窒化物等である。

本発明の代替実施形態では、透明素子は、１０^−６と１０^−９ｍｏｌ／Ｌの間の濃度の発光染料の分散体を更に含む。適切な発光染料の例は、有機分子、例えば、ビピリジン誘導体、クマリン、ジカルボシアニン誘導体、ラクトン、オキサジン７２０、ナフタルイミド誘導体、フタロシアニン、ヘマトポルフィリン、ピロメテン、チオキサンテン、スルホローダミン、ローダミン６Ｇ、ぺリレン誘導体、（イソ）ビオラントロンの誘導体； 無機量子ドット（ＣｕＩｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＩｎＰ、ＣｕＩｎＺｎＳ等）、又はナノ蛍光体である。

本発明によると、複合照明素子の周囲部は、８０％以上の平均反射率を示し、これは、１００％の反射率が理想値である点（９０％よりも高い反射率の物質が当業者にとってむしろ一般的なものとして容易に識別され得るものではあるが）、及び、デバイスの周囲の一部、例えば、個別光源に対応する部分が反射性ではないものであり得る点を両方とも考慮している。反射性フレームは、多様で等価な解決策によって与えられ得て、例えば、金属ガイド、金属層又は膜の堆積、高反射率ペイント又はコーティングが挙げられる。

本発明での使用に適した個別光源の例は、従来のＬＥＤ、好ましくは青色又は白色ＬＥＤ、レーザーダイオード、有機発光トランジスタ（ＯＬＥＴ，ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ，ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）である。好ましくは、光源は、複合透明照明デバイスの少なくとも二側面に配置され、光源の数は、与えられるパワーがデバイス周囲に沿った長さ１メートル当たり５Ｗと１８Ｗとの間になるような数である。好ましくは、このような個別光源は、複合透明照明デバイスの表面の１平方メートル当たり２０００から５０００ルーメンの間の総光出力を与える。

図１は、第一実施形態の複合透明照明デバイス１０の平面図を示す。この場合、一組の個別光源１３、１３’、１３”、が、均一分散の誘電体粒子１１を含む透明素子に挿入される。複合透明照明デバイス１０の四側面１２、１２’、１２”、１２’’’は反射性とされ、例えば、金属薄層を堆積させることによって反射性とされる。この場合、個別光源は、２ｃｍ以下の長さで透明素子内にフィットすることが好ましい。

図２は、第二実施形態の複合透明照明デバイス２０の平面図を示し、均一分散の誘電体粒子を含む透明素子２１を備え、その透明素子は周囲（周辺部）２２を有し、外側周囲及び内側周囲２５を有する反射性フレーム２４が、誘電体粒子及び個別光源２３、２３’、２３”、…を含む透明素子２１に部分的に重なっている。

図１に示される実施形態と同様に、この場合も、誘電体粒子を含む透明素子２１の２ｃｍ以下の部分が動作という観点からは失われ、つまり、フレームと素子２１との重なりは２ｃｍ以下である。簡単のため、フレーム２４を単一素子として示しているが、サブアセンブリを互いに接続することによって得る方が便利であり、つまり、サブフレーム、例えば、複合透明照明デバイスの各側面に対応する四つのサブフレームを結合することによって、最終的なフレームが得られ、これは、組み立て作業を単純化すると共に、一つ以上の個別デバイスを交換する際の修理作業も単純化する。

複合透明照明デバイスの形状は、特定の形状に限定されず、正方形及び長方形が好ましいが（図１〜図３に示されるように）、円形や楕円形も使用され得る。本願で言及される形状は、非限定的な例として与えられるものであり、他のあらゆる形状を適切に採用し得る。

また、概略的に示される全ての実施形態は平坦なシステムを示し、これは好ましい構成であるが、湾曲した表面も同じく採用し得る。

図３は、本発明に係る第三実施形態の複合透明照明デバイス３０の概略断面図を示す。この場合、均一分散の誘電体粒子を含む透明層３１は、二つの透明基板物質３５と３５’の間に挟まれ、図１の場合と同様に、個別光源３３及び３３’が、透明素子３１内に入り込み、複合透明照明デバイス３０の境界は、デバイスの周囲に沿って延伸する反射性フレーム３４によって与えられる。上述のように、フレーム３４は、複数のサブフレームを接続することによって形成され得て、また、適切な放熱性を与えることが望ましい。

図３に示される実施形態は、建物の窓の場合に特に適していて、その窓は、二つの外側透明基板３５及び３５’を有し、断熱作用を与え、また、湿気や酸素と反応し得る場合に誘電体粒子を環境因子から保護する作用を与える。この場合の図３に示される実施形態に係る好ましい代替解決策では、薄膜を一方のガラス基板３５又は３５’のみの表面の上に堆積させて、それらガラス基板は、不活性ガス又は乾燥空気で充填されたガラス基板間の隙間を維持して組み立てられる。これは特に、複合透明照明デバイスが密閉されて組み立てられて、その隙間に不活性ガスが充填される場合である。

以下の非限定的な例を参照して、本発明を更に説明する。

例１
シリコーンマトリクス分散体中のＣｅ：ＹＡＧを複数作製した。ロールミルを用いて、５μｍから１０μｍの間のサイズを有する市販のＣｅ：ＹＡＧ粉末を分散させた。まず、最高濃度のサンプルを作製し（Ｃ１）、続けて希釈によって、他のサンプルＣ２、Ｃ３、Ｓ１を作製した。

ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２サンプル分散体については、僅かに異なる製造プロセスを用いた。ここでは、液体分散体を脱イオン水の中に作製した。ＳｉＯ_２については２．２ｇ／ｃｍ^３、ＴｉＯ_２については４ｇ／ｃｍ^３の物質密度を用いた。また、この場合、最高濃度のサンプルを、分散体を均一にする軽い超音波処理の下で最初に作製し、低濃度のサンプルを希釈によって得た。

Ｃｅ：ＹＡＧ及びＳｉＯ_２粒子の平均寸法は７．５μｍであり、一方、ＴｉＯ_２粒子は、０．１μｍにピークが有り、これらの値を、粒子サイズの基準値として用いた。

Ｃｅ：ＹＡＧサンプル（Ｃ１〜Ｃ３、Ｓ１）、ＴｉＯ_２（Ｃ４〜Ｃ６、Ｓ２）、ＳｉＯ_２（Ｃ７〜Ｃ１０、Ｓ３）に対する特性データ（サンプル番号、物質、サイズ、５００ｎｍでのｍ値、濃度）を以下の表１に示す。

請求項１の式について、上記ｍ値及び粒子半径での本発明に係る照明デバイスについての濃度範囲を、以下の表２に示す。

従って、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３のサンプルのみが、本発明によって定められる範囲内の粉末濃度を有することが見て取れ、一方、サンプルＣ１〜Ｃ９は、粒子濃度レベルが高く、比較サンプルである。

例２
ＵＶ‐Ｖｉｓ ＪＡＳＣＯ分光計を用いて、例１で説明した多様なサンプルを、可視波長スペクトルに対する吸光係数について特性評価した。

Ｃｅ：ＹＡＧについての曲線が図４に示されていて、半連続線Ｌ１〜Ｌ３は、比較サンプルＣ１〜Ｃ３について得られた結果を示し、点線Ｌ４は、サンプルＳ１で得られた結果を示す。図４では、吸光係数のターゲット範囲（つまり、０．００３ｃｍ^−１と０．０３ｃｍ^−１の間）は、二本の水平な連続線の間の部分である。

同様に、図５には、比較サンプルＣ４（半連続線Ｌ５）、比較サンプルＣ５（半連続線Ｌ６）、比較サンプルＣ６（半連続線Ｌ７）、サンプルＳ２（点線Ｌ８）について得られた結果が示される一方、図６は、比較サンプルＣ７（半連続線Ｌ９）、比較サンプルＣ８（半連続線Ｌ１０）、比較サンプルＣ９（半連続線Ｌ１１）、比較サンプルＣ１０（半連続線Ｌ１２）、サンプルＳ３（点線Ｌ１３）について得られた結果を示す。

図４〜図６に示される実験データから、本発明に係るサンプルＳ１〜Ｓ３のみが、実験データの点線Ｌ４、Ｌ８、Ｌ１３によって示されるように、０．００３ｃｍ^−１と０．０３ｃｍ^−１の間の可視スペクトル内の吸光係数を保証している。

例３
１５ｃｍ×１５ｃｍ×３ｃｍのサンドイッチ構造を、二つの外側ガラス層と、中間複合層とで作製した。複合層を、液体ポリビニルブチラール前駆体を、３１０ｎｍにピークのある半径を有するＳｉＯ_２球と混合して作製した。マトリクス中のＳｉＯ_２の濃度は、５×１０^−６Ｖｏｌ／Ｖｏｌであった。誘電体粒子の屈折率とマトリクスの屈折率との間の比ｍは０．９９であった、液体分散体を、ドクターブレード法を用いてガラスの上に堆積させて、厚さ０．４ｍｍの層を得た。Ｎ_２環境でのＵＶ硬化によって、ｉｎ ｓｉｔｕ（その場、インサイチュー）で重合化が生じた。液体分散体の厚さ数マイクロメートルの層を硬化層の上に堆積させて、キャッピングガラス層を配置した。同じ条件下で二回目の重合化を適用した。

標準的な個別光源での標準的な使用に関してより厳しい条件でこのアセンブリの特性を評価するため、また簡単にデータ収集するため、反射性フレーム及び個別光源を取り付けず、代わりに、７５ｍＷのパワーの平行な（コリメートされた）４５０ｎｍのレーザーを右上部分からサブアセンブリに照射した。記録用ＣＣＤデジタルカメラの出力を図７に示し、一方、図８は、中間（活性）層を有さない同様のサブアセンブリで得られた結果を示す。図８では、パネルの界面／境界での散乱に起因して、入射及び出射のレーザービームに対応する二つのスポットのみが見て取れ、パネル内部からの更なる散乱は記録されなかった。

コヒーレントで平行な（コリメートされた）光源での一回の通過のみでも、最小のレーザービーム減衰（吸収係数の上記データを参照）で、一回の通過という条件（反射性フレームが無い）で、顕著で適切な量の散乱光が存在している。

従って、本発明に従って作製されたサンプルでは、透明照明デバイスを得ることができる。

１０ 複合透明照明デバイス
１１ 誘電体粒子
１２ 反射性側面
１３ 個別光源

Claims (11)

1. 複合透明照明デバイス（１０、２０、３０）であって、
   複合透明素子（１１、２１、３１）と、前記複合透明素子の周囲（１２、１２’、２２）に光学的に結合された個別光源（１３、１３’、２３、２３’、３３、３３’）と、前記複合透明照明デバイス（１０、２０、３０）の境界を画定し且つ前記複合透明照明デバイスの周囲（１２、１２’、２２）の少なくとも８０％にわたって存在している反射性フレーム（１２、１２’、２４、３４）とを備え、
   前記複合透明素子が、透明マトリクスと、均一分散の誘電体粒子とを備え、
   前記透明マトリクスが、５００ｎｍで評価して０．００９ｃｍ^−１以下の吸光係数を有し、
   前記誘電体粒子の体積濃度が、
   

   

   と
   

   

   との間であり、
   ρがμｍ単位での平均誘電体粒子サイズであり、ｍが５００ｎｍで評価した誘電体粒子の屈折率と透明マトリクスの屈折率との間の比である、複合透明照明デバイス。
2. 前記誘電体粒子の体積濃度が、
   ２０μｍ＞ρ≧５μｍについて、１０^−６と１０^−５との間であり、
   １μｍ＞ρ＞０．３μｍについて、１０^−６と１０^−５との間であり、
   ０．１μｍ＞ρ＞０．０４μｍについて、１０^−４．５と１０^−３との間である、請求項１に記載の複合透明照明デバイス。
3. 前記均一分散の誘電体粒子が、前記透明素子（１１、２１）の内部に存在している、請求項１又は２に記載の複合透明照明デバイス。
4. 前記均一分散の誘電体粒子が、透明基板（３５、３５’）の上に堆積させた追加層（３１）として存在している、請求項１又は２に記載の複合透明照明デバイス。
5. 前記個別光源（１３、１３’、１３”、３３、３３’）が、２ｃｍ以下の深さで前記透明素子の内部に存在している、請求項１から４のいずれか一項に記載の複合透明照明デバイス。
6. 前記個別光源（２３、２３’、２３”）が、前記透明素子（２１）の外部に存在していて、前記透明素子（２１）に光学的に結合されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の複合透明照明デバイス。
7. 前記個別光源（２３、２３’）が、前記透明素子（２１）の少なくとも対向する二側面に光学的に結合されている、請求項６に記載の複合透明照明デバイス。
8. 前記透明素子（１１、２１、３１）が長方形又は正方形の形状を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の複合透明照明デバイス。
9. 前記透明素子の周囲（１２、１２’、２２）の前記個別光源（１３、１３’、２３、２３’、３３、３３’）の数が、デバイス周囲に沿った長さ１メートル当たり５Ｗと１８Ｗとの間のパワーに対応する、請求項１から８のいずれか一項に記載の複合透明照明デバイス。
10. 前記個別光源（１３、１３’、２３、２３’、３３、３３’）からの総光出力が、前記複合透明照明デバイス（１０、２０、３０）の表面の１平方メートル当たり２０００ルーメンと５０００ルーメンとの間である、請求項１から９のいずれか一項に記載の複合透明照明デバイス。
11. 前記個別光源（１３、１３’、２３、２３’、３３、３３’）が、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＯＬＥＴを備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の複合透明照明デバイス。

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