MX2012008009A - Compuestos de polimeros termicamente conductivos, transparentes para el manejo termico de fuente de luz. - Google Patents

Abstract

Se proporciona un aparato emisor de luz. El aparato emisor de luz incluye una envoltura transmisiva de luz, una fuente de luz que está en comunicación térmica con un disipador de calor, y una pluralidad de aletas de calor en comunicación térmica con el disipador de calor y que se extienden en una dirección tal que las aletas de calor están adyacentes a la envoltura transmisiva de luz. La pluralidad de aletas de calor comprende un compuesto de polímero relleno de nanotubos de carbono.

Description

COMPUESTOS DE POLÍMERO TÉRMICAMENTE CONDUCTIVOS, TRANSPARENTES PARA EL MANEJO TÉRMICO DE FUENTE DE LUZ ANTECEDENTES La presente modalidad ejemplar se relaciona a dispositivos de iluminación, y particularmente a dispositivos de iluminación incluyendo diodos emisores de luz (LED) . Sin embargo, se va a apreciar que la presente modalidad ejemplar también es susceptible a otras aplicaciones similares.

BREVE DESCRIPCIÓN Las lámparas incandescentes y de halógeno se utilizan convencionalmente como fuentes de luz omnidireccionales , no direccionales y direccionales, especialmente en aplicaciones de iluminación residenciales, de hospitales y tiendas. Las lámparas omnidireccionales se proponen para proporcionar distribución de intensidad sustancialmente uniforme contra el ángulo en el campo lejano, mayor que un metro lejos de la lámpara, y encuentran aplicaciones diversas tales como en lámparas de escritorio, lámparas de mesa, lámparas decorativas, candelabros, lámparas de techo y otras aplicaciones donde se desea una distribución uniforme de luz en todas las direcciones.

Recientemente, ha habido una demanda del mercado por fuentes de luz de mayor eficiencia de energía que las fuentes de luz convencionales tales como lámparas incandescentes y de halógeno. Las lámparas fluorescentes compactas (CFL) han ganado permanentemente cuota de mercado durante los pasados 10 años con base en su alta eficiencia (~ 50-60 LP ) y larga vida (~5-10 kHr) relativa con las lámparas incandescentes y de halógeno (~ 10-25 LPW, 1-5 kHr) , a pesar de su calidad de color relativamente deficiente, tiempo de calentamiento, capacidad de regulación y costo de adquisición. Las fuentes de luz de estado sólido tales como LEDs están más recientemente evolucionando en la primera selección para fuentes de luz omnidireccional y direccional de alta eficiencia mientras que los LEDs como los OLEDs están siendo desarrollador como fuentes de selección para fuentes de luz no direccionales . La fuente de iluminación de selección para iluminación no direccional de alta eficiencia es dependiente de la aplicación y puede variar.

Con referencia a la FIGURA 1, se describe un sistema de coordenadas que se utiliza en la presente para describir la distribución espacial de iluminación generada por una lámpara incandescente o, más generalmente, mediante cualquier lámpara propuesta para producir iluminación omnidireccional. El sistema de coordenadas es del tipo de sistema de coordenadas esféricas, y se describe en la FIGURA 1 con referencia a una lámpara incandescente L. para el propósito de describir la distribución de iluminación del campo lejano, la lámpara L se puede considerar que se localiza en un punto LO, que puede coincidir por ejemplo con la ubicación del filamento incandescente. La adaptación de la anotación de coordenadas esféricas empleada convencionalmente en las técnicas geográficas, una dirección de iluminación se puede describir por una elevación o coordenada de latitud T y un azimut o coordenada de longitud f. Sin embargo, en una desviación de la convención de técnicas geográficas, la elevación o coordenada de latitud T, utilizada en la presente emplea un rango [0o, 180o] donde: ?=0° corresponde a "norte geográfico" o "N". Esto es conveniente debido a que permite iluminación a lo largo de la dirección 9=0° para corresponder a la luz dirigida hacia adelante. La dirección norte, es decir, la dirección 9=0°, también es referida en la presente como el eje óptico. Utilizando esta anotación, 9=180° corresponde a "sur geográfico" o "S" o, en el contexto de iluminación, a luz dirigida hacia atrás. La elevación o latitud 9=90° corresponde al "ecuador geográfico" o, en el contexto de iluminación, a luz dirigida a los lados.

Con referencia continua a la FIGURA 1, para cualquier elevación o latitud dada ?? también se puede definir un azimut o coordenada de longitud ? que es en cualquier lado ortogonal a la elevación o latitud 90. El azimut o coordenada de longitud f tiene un rango [0o, 360o], de acuerdo con la notación geográfica.

Se apreciará que precisamente en el norte o sur, es decir, en ?=0° o en 9=180° (en otras palabras, a lo largo del eje óptico) , el azimut o coordenada de longitud no tiene significado, o, quizás con mayor precisión, se puede considerar degenerado. Otra coordenada "especial" es 0=90° que define el plano transversal al eje óptico que contiene la fuente de luz (o, más con precisión, contiene la posición nominal de la fuente de luz para cálculos de campo lejano, por ejemplo el punto LO en el ejemplo ilustrativo mostrado en la FIGURA 1) .

En la práctica, el logro de la intensidad de luz uniforme a través del largo longitudinal completo f = [0o, 360o] no es típicamente difícil, debido a que es sencillo de construir una fuente de luz con simetría rotacional alrededor del eje óptico (es decir, alrededor del eje 9=0°). Por ejemplo, la lámpara incandescente L emplea adecuadamente un filamento incandescente localizado en la coordenada del centro LO que se puede diseñar para emitir luz sustancialmente omnidireccional , proporcionando de esta manera una distribución de iluminación uniforme respectiva al azimut T para cualquier latitud.

Sin embargo, el logro de la iluminación omnidireccional ideal respectiva a la coordenada de elevación o de latitud T no es generalmente práctico. Por ejemplo, la lámpara L se construye para ajustarse en una instalación de lámpara "de base Edison" estándar, y hacia este fin, la lámpara incandescente L incluye una base Edison roscadas EB, que puede ser por ejemplo una base de lámpara E25, E26, o E27 donde el número indica el diámetro exterior del tornillo que gira sobre la base EB, en milímetros. La base Edison EB (o, más generalmente, cualquier sistema de entrada de energía localizadas "detrás" de la fuente de luz) se coloca sobre el eje óptico "detrás" de la posición de fuente de luz LO, y por consiguiente bloquea la iluminación hacia atrás (es decir, bloquea la iluminación a lo largo de la latitud sur, es, decir, a lo largo de 0=180°), y de este modo la lámpara L incandescente no puede proporcionar luz omnidireccional ideal respectiva a la coordenada de latitud T.

No obstante, las lámparas incandescentes comerciales se construyen fácilmente las cuales proporcionan iluminación a través del largo longitudinal ?=[0°, 135°] que es uniforme a dentro de ±20% como se específica en el estándar de Energy Star promulgado por el Departamento Norteamericano de Energía y la Agencia de Protección del Medio Ambiente norteamericana. Esto se considera generalmente una uniformidad de distribución de iluminación aceptable para una lámpara omnidireccional, aunque existe algún interés en extender este largo aun más, tal como aun largo de latitud de ?=[0°, 150°] con ±10% de uniformidad. Tales lámparas con uniformidad sustancial sobre un rango de latitud grande (por ejemplo, aproximadamente ?= [0o, 120o] o más preferiblemente de manera aproximada ?= [0o, 135°] o aun más preferiblemente de manera aproximada ?= [0o, 150°]) se consideran generalmente en la técnica para ser lámparas omnidireccionales, aunque el rango de uniformidad es menor que [0o, 180°]. Similarmente, las lámparas direccionales se definen por tener por lo menos 80% de su luz dentro de 0 a 120 grados, abarcando 75% de los 4p estereorradianes totales de una esfera centrada en la fuente de luz. Las lámparas no direccionales no cumplen los requisitos de ya sea las lámparas direccionales u omnidireccionales.

Por comparación con las lámparas incandescentes y de halógeno, las tecnologías de iluminación de estado sólido tales como dispositivos de diodo emisor de luz (LED) son altamente direccionales por naturaleza. Por ejemplo, un dispositivo LED, con o sin encapsulación, emite típicamente en una distribución de intensidad espacial Lambertiana direccional que tienen intensidad que varia con eos (T) en el intervalo de ?= [0o, 90o] y tiene intensidad cero para ?>90°. Un semiconductor es aun más direccional por naturaleza, y de hecho emite una distribución describible como esencialmente un haz de luz dirigida hacia adelante limitada a un cono reducido de aproximadamente 0=0°.

Otra consideración para las lámparas omnidireccionales en aplicaciones de iluminación generales es la calidad de color. Para lámparas blancas, se desea volver la luz blanca con una temperatura de color deseado (por ejemplo, una luz blanca "fría", o una luz blanca "cálida", con la temperatura de color deseado que es dependiente de la aplicación, referencia regional geográfica, u otra selección individualizada) . La reproducción de luz blanca generada también debe tener un índice de rendimiento de color alto (CRI), que se puede pensar como una métrica de la calidad de "blancura" de la luz emitida. Nuevamente aquí, las lámparas incandescentes y de halógeno habían tenido la ventaja sobre la iluminación de estado sólido. Un filamento incandescente, por ejemplo, se puede construir para producir buenas características de temperatura de color y CRI, mientras que un dispositivo LED produce naturalmente luz aproximadamente monocromática (por ejemplo, roja, o ámbar, o verde, etcétera) . Al incluir un recubrimiento de fósforo "blanco" en LED, se puede aproximar una reproducción de luz blanca, pero la reproducción aun es generalmente inferior en temperatura de color y CRI como es comparadas con las lámparas incandescentes y de halógeno.

Todavía otro reto con la iluminación de estado sólido es la necesidad por componentes auxiliares tales como electrónicos y disipadores de calor. El disipador de calor es necesario debido a que los dispositivos LED son altamente sensibles a la temperatura. El manejo térmico apropiado de los dispositivos LED es requerido para mantener la estabilidad operacional y la conflabilidad total del sistema.

Típicamente, esto se trata al colocar una masa relativamente grande de material disipador de calor (es decir, un disipador de calor) que hace contacto o de otra manera en buen contacto térmico con el dispositivo LED. El espacio ocupado por el disipador de calor bloquea la iluminación y por consiguiente limita adicionalmente la capacidad de generar una lámpara basada en LED omnidireccional . El disipador de calor tiene preferiblemente un volumen grande y área superficial a fin de irradiar calor lejos de la lámpara - sin embargo, tal arreglo es problemático para una fuente de luz omnidireccional puesto que una porción grande del rango angular (por ejemplo aproximadamente ?= [0o, 135o] o más preferiblemente de manera aproximada ?= [0o, 150°]) se dedica a la salida óptica, que limita el volumen disponible de área superficial. La necesidad por electrónica integrada puede complicar el diseño. Típicamente, estas dificultades se resuelven al aceptar un cambio entre el ángulo anular y el disipador de calor (por ejemplo, reduciendo el rango de salida de luz uniforme a algo más cercano a ?= [0o, 90 o] y haciendo el disipador de calor más cercano a un elemento hemisférico) . Alternativamente, el disipador de calor se puede configurar como una ruta de conducción térmica antes que como un radiador, y la electrónica y los radiadores de calor o disipación de calor localizados en una instalación de lámpara de acoplamiento remoto. Un ejemplo de tal arreglo se conoce en la publicación japonesa JP 2004-186109 A2, que divulga una luz descendente que incluye una fuente de luz y una instalación a la medida que contiene la electrónica requerida y los elementos de radiación de calor para accionar la fuente de luz. La lámpara de JP 2004-186109 A2 es una "luz descendente" y envía la luz sobre un rango de latitud de ?~[0°, 90o] o más . pequeño (donde en este caso la dirección "norte" está apuntando "hacia abajo", es decir lejos del techo) .

A pesar de estos retos, se han hecho intentos para construir una fuente de luz omnidireccional basada en LED de una pieza. Esto es debido a los beneficios de que la iluminación de estado sólido exhibe sobre las fuentes de luz tradicionales, tal como consumo de energía inferior, tiempo de vida más prolongado, solidez mejorada, tamaño más pequeño y conmutación más rápida. Sin embargo, los LEDs requieren un control más preciso de corriente eléctrica y manejo de calor que las fuentes de luz tradicionales. Se sabe que la temperatura de LED se debe mantener baja a fin de asegurar una eficiente producción de luz, mantenimiento de lumen durante la vida y alta conflabilidad. Si el calor no se puede remover rápidamente, el LED puede sobrecalentarse, impidiendo la eficiencia y vida de servicio del mismo. En las soluciones de la técnica previa del manejo térmico, el volumen grande, masa y área superficial de las aletas de calor requeridas da por resultado una lámpara LED integral que tiene masa y tamaño indeseablemente grandes, asi como también deficiente uniformidad de la distribución de intensidad de luz.

La conductividad térmica del material de la técnica previa típico para el manejo térmico de las lámparas LED, aluminio, es de aproximadamente 80-180 W/m-K dependiendo de la aleación y el proceso de fabricación. El uso de polímero como el material de manejo térmico podría reducir el peso y costo de una lámpara de reemplazo de LED si la conductividad térmica del polímero se pudiera incrementar. Recientemente, se han desarrollado varios materiales compuestos de polímero en esfuerzos para mejorar la conductividad térmica y el desempeño total del sistema en aplicaciones LED. Se ha introducido un compuesto rellenado con polímero térmicamente conductivo que combina buena conductividad térmica (hasta 25 W/m-K) con buena temperatura de distorsión de calor (HDT) y procesabilidad. Sin embargo, los compuestos no son transparentes, y en consecuencia bloquearían la iluminación de una lámpara. Alternativamente, se han desarrollado películas delgadas de compuesto rellenado con polímero eléctricamente conductivo transparente para el uso en pantallas táctiles. Sin embargo, estos materiales enfocan las propiedades eléctricas, y generalmente no proporcionan alta conductividad térmica.

La presente descripción se dirige a resolver el II peso, tamaño y problemas de costo del manejo térmico en lámparas LED y OLED y sistemas de iluminación, mientras que evitan simultáneamente el bloqueo de luz, al proporcionar la conductividad térmica relativamente alta de hasta ahora polímeros ópticamente opacos en un polímero ópticamente transmisivo, e incorporando el diseño del polímero ópticamente transmisivo en la lámpara LED u OLED o sistema de iluminación. Esto puede incluir crear una solución de todo en uno, integrando la iluminación LED, transferencia térmica (disipador de calor) , optimización de la transferencia térmica en una fuente de luz omnidireccional basada en LED integral. Una fuente de luz integral es generalmente una lámpara o un sistema de iluminación que proporciona todas las funciones requeridas para aceptar la energía eléctrica del suministro principal y crear y distribuir luz en un patrón de iluminación. La fuente de luz integral está comprendida típicamente de un conductor eléctrico, un motor de luz LED u OLED para convertir la electricidad a luz, un sistema de componentes ópticos para distribuir la luz en un patrón útil, y un sistema de componentes de manejo térmico para remover calor residual del conductor y el motor de luz y disipar el calor al medio ambiente. El desempeño de disipador de calor es una función de material, geometría, y coeficientes de transferencia de calor para convección y radiación a ambiente. Generalmente, el incremento del área superficial del disipador de calor al adicionar superficies extendidas tales como aletas mejorará el desempeño térmico del disipador de calor. Sin embargo, puesto que el objetivo del disipador de calor en la mayoría de aplicaciones de LED y OLED es proporcionar la temperatura más fría posible del motor de luz y el conductor, entonces es deseable usualmente que el disipador de calor proporcione un área superficial muy grande. El espacio ocupado por el diseño de disipador de calor preferido puede interferir con el espacio requerido por el sistema óptico preferido y por lo tanto bloqueará la iluminación y por consiguiente limitará el potencial de iluminación de la lámpara o el sistema de iluminación. Por lo tanto, una disipación/esparcidor de energía térmica óptimo debe incorporar alta conductividad térmica junto con transparencia o translucidez para asegurar las superficies de disipación/esparcimiento no bloquearán la radiación de luz de la fuente de luz.

BREVE DESCRIPCIÓN Se divulgan modalidades en la presente como ejemplos ilustrativos. De acuerdo con un aspecto de la presente descripción, se proporciona un aparato emisor de luz. El aparato emisor de luz incluye una envoltura transmisiva de luz, una fuente de luz que está en comunicación térmica con un disipador de calor, y una pluralidad de aletas de calor en comunicación térmica con el disipador de calor y que se extienden en una dirección . tal que las aletas de calor están adyacentes a la envoltura transmisiva de luz. La pluralidad de aletas de calor comprende un compuesto de polímero rellenado con nanotubos de carbono.

De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un dispositivo emisor de luz que incluye una fuente de luz LED montada a una base, un difusor transmisivo de luz confiqurado para difundir y transmitir luz desde la fuente de luz LED, y una o más aletas de calor térmicamente conductivas en comunicación térmica con la base. Las aletas de calor comprender un material térmicamente conductivo que incluye un compuesto de polímero rellenado con nanotubos de carbono.

En todavía otra modalidad, se proporciona un dispositivo emisor de luz. El dispositivo emisor de luz comprende un sustrato que tiene uno o más elementos emisores de luz orgánicos con un primer electrodo formado sobre los mismos, una o más capas conductivas, una o más capas emisoras de luz orgánicas colocadas sobre el primer electrodo, un segundo electrodo localizados sobre las capas emisoras de luz, y una cubierta encapsulante localizada sobre el segundo electrodo y fija al substrato. Por lo menos uno del sustrato y la cubierta están comprendidos de un compuesto de polímero rellenado con nanotubos de carbono.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención puede tomar forma en varios componentes y arreglos de componentes, y en varias operaciones de proceso y arreglos de operaciones de proceso. Los dibujos son solo para propósitos de ilustrar las modalidades y no para ser considerados como limitantes de la invención .

La FIGURA 1 muestra esquemáticamente, con referencia a una bombilla de luz incandescente convencional, un sistema de coordenadas que se utiliza en la presente para describir distribuciones de iluminación; la FIGURA 2 muestra esquemáticamente una vista lateral de una lámpara basada en LED omnidireccional que emplea una fuente de luz Lambertiana basada en LED plana y un difusor esférico; la FIGURA 3 ilustra una vista lateral de dos lámparas basadas en LED ilustrativas que emplean los principios de la lámpara de la FIGURA 2 que incluye además una instalación de habilitación de base Edison en un enchufe de lámpara incandescente convencional; la FIGURA 4 ilustra una vista en perspectiva lateral de una bombilla de luz basada en LED de retroinstalación sustancialmente similar a la lámpara de la FIGURA 3, pero que incluye además aletas; la FIGURA 5a ilustra una lámpara de reemplazo LED de la técnica previa para aplicaciones de lámpara incandescente omnidireccional ; la FIGURA 5b ilustra una lámpara de reemplazo de LED de la técnica previa para aplicaciones de lámpara incandescente direccional; la FIGURA 6 muestra una tabla de conductividad térmica del material comúnmente utilizado.

La FIGURA 7a muestra gráficamente la conductividad térmica de nanotubo de carbono como una función de la temperatura K; la FIGURA 7b muestra gráficamente la conductividad térmica para nanotubos de carbono (linea sólida), en comparación con uná monocapa de grafito restringida (linea de guiones-puntos) y el plano basal de grafito AA (linea punteada) a temperaturas entre 200 y 400 K; la FIGURA 8 ilustra un dispositivo emisor de luz orgánica de acuerdo con los aspectos de la presente descripción .

DESCRIPCIÓN DETALLADA La presente descripción se dirige a resolver el peso, tamaño y problemas de costo del manejo térmico en lámparas de LED y OLED sistemas de iluminación, mientras que evita simultáneamente el bloqueo de luz, al proporcionar la conductividad térmica relativamente alta hasta ahora polímero ópticamente opacos en un polímero ópticamente transmisivo, y que incorpora el diseño del polímero ópticamente transmisivo en la lámpara de LED u OLED o sistema de iluminación. Esta solución utiliza compuestos de polímero rellenados con una densidad relativamente baja de nanotubos de carbono de conductividad térmica alta tal que la conductividad térmica del polímero compuesto es comparable con aquella del aluminio, mientras que la transmisión óptica es comparable con aquella del vidrio transparente, de modo que el polímero compuesto se puede utilizar como aletas de calor y elementos ópticos térmicamente conductivos.

Con referencia a la FIGURA 2, una lámpara basada en LED incluye una fuente de luz Lambertiana basada en LED plana 8 y una envoltura esférica transmisiva de luz 10 en una configuración que se podría utilizar en una lámpara de LED para proporcionar un patrón de iluminación omnidireccional para reemplazar una bombilla de luz incandescente de propósito general. Sin embargo, se pueden referir otras formas en ciertas modalidades para proporcionar otros patrones de iluminación tales como patrones de iluminación direccionales o no direccionales . La fuente de luz Lambertiana basada en LED plano 8 se observa mejor en la vista parcialmente desensamblada de la FIGURA 2 en la cual el difusor 10 se separa y la fuente de luz Lambertiana basada en LED plano 8 se inclina a la vista. La fuente de luz Lambertiana basada en LED plano 8 incluye uno o más dispositivos de diodo emisores de luz (LED) 12, 14, sin embargo, se va a reconocer que la descripción no cubre simplemente el uso con los LED, sino también los LED orgánicos (OLEDs) .

La envoltura transmisiva de luz ilustrada 10 es sustancialmente hueca y tiene una superficie esférica que difunde la luz. En algunas modalidades, la envoltura esférica 10 está comprendida de vidrio, aunque un difusor que comprende otro material transmisivo de luz, tal como plástico, también se contempla. La superficie de la envoltura 10 se puede hacer difusora de luz en varias formas, tal como escarchado u otra texturización para promover la difusión de luz; recubrir con un recubrimiento difusor de luz, tal como un recubrimiento difusor de luz suave (disponible de General Electric Company, Nueva York, EUA) de un tipo utilizado como un recubrimiento difusor de luz en las bombillas de vidrio de algunas bombillas de luz incandescentes; incrustar partículas dispersantes de luz en el vidrio, plástico, u otro material del difusor; varias combinaciones de los mismos; o así sucesivamente.

La fuente de luz Lambertiana basada en LED 8 puede comprender una o una pluralidad de fuente de luz (LEDs) 12, 14. Los dispositivos de LED láser también se contemplan para incorporación en la lámpara.

El desempeño de una lámpara de LED se puede cuantificar por su tiempo de vida útil, como se determina por su mantenimiento de lumen y su conflabilidad a través del tiempo. Mientras que las lámparas incandescentes y de halógeno tienen típicamente tiempos de vida en el intervalo de ~ 1000 a 5000 horas, las lámparas de LED son capaces de > 25,000 horas, y tal vez tanto como 100,000 horas o más.

La temperatura de la unión p-n en el material semiconductor del cual los fotones se generan es un factor signi icativo en determinar el tiempo de vida de una lámpara de LED. La vida prolongada de la lámpara se logra en las temperaturas de unión de aproximadamente 100 °C o menos, mientras que la vida notablemente más corta se presenta a aproximadamente 150 °C o más, con una gradación de tiempo de vida en temperaturas intermedias. La densidad de energía disipada en el material semiconductor de un LED de alta brillantez típico a aproximadamente en el año 2009 (~ 1 . Vatio, - 50-100 lúmenes, 1 x 1 mm al cuadrado) es de aproximadamente 100 Watt/cm2. En comparación, la energía disipada en la envoltura de cerámica de un tubo de arco de metal-haluro de cerámica (CMH) es típicamente de manera aproximada 20-40 W/cm2. Mientras que la cerámica en una lámpara de CMH se hace funcionar a aproximadamente 1200-1400 K en su punto más caliente, el material semiconductor del dispositivo de LED debe ser operado a aproximadamente 400 K o menos, a pesar de tener más de 2x de densidad de energía más alta que la cerámica de CMH. La diferencial de temperatura entre el punto caliente en la lámpara y la ambiental en la cual la energía se debe disipar es de aproximadamente 1000 K en el caso de la lámpara de CMH, pero solamente de manera aproximada 100 K para la lámpara de LED. Por consiguiente, el manejo térmico debe ser del orden de diez veces más efectivo para las lámparas de LED que para las lámparas de HID típicas .

La fuente de luz Lambertiana basada en LED 8 se monta una base 18 que puede ser tanto eléctrica como disipadora de calor. Los dispositivos de LED se montan en una orientación plana sobre un tablero de circuitos 16, opcionalmente un tablero de circuitos impresos de núcleo de metal (MCPCB) . El elemento base 18 proporciona soporte para el MCPCB y es térmicamente conductivo (disipador de calor) . Al diseñar un disipador de calor, las impedancias térmicas limitantes en un circuito térmico pasivamente enfriado son típicamente las impedancias de convección y radioactivas al aire ambiental (es decir, disipación de calor en el aire ambiental) . Ambas impedancias son generalmente proporcionales al área superficial del disipador de calor. En el caso de una aplicación de lámpara de reemplazo, donde la lámpara de LED debe ajustarse en el mismo espacio como la lámpara incandescente de tipo Edison tradicional que se reemplaza, existe un límite fijo en la cantidad disponible de área superficial expuesta a aire ambiental. Por lo tanto, es ventajoso utilizar tanto como esta área superficial disponible como sea posible para la disipación de calor en el aire ambiental.

Con referencia ahora a la FIGURA 3 se ilustran componentes de este diseño, que se configuran como un aparato emisor de luz de una pieza. La lámpara basada en LED de la FIGURA 3 incluye un conector eléctrico de base roscada de tipo Edison 30 que se forma para hacer un reemplazo directo del conector eléctrico de base de tipo Edison de una lámpara incandescente convencional. (También se contempla emplear otro tipo de conector eléctrico tal como un montaje de bayoneta del tipo algunas veces utilizado para las bombillas de luz incandescentes en Europa) . La lámpara de la FIGURA 3 incluye difusores esféricos o esferoidales 32, y fuentes de luz basadas en LED planas respectivas 36 arregladas tangencialmente a una porción de fondo del difusor esférico respectivo 32. La fuente de luz basada en LED se configura tangencialmente respectiva con los difusores esféricos esferoidales 32, e incluyen los dispositivos de LED 40. En la FIGURA 3, la fuente de luz basada en LED 36 incluye un pequeño número de dispositivos de LED 40 (dos ilustrados) , y proporciona una distribución de intensidad de luz sustancialmente Lambertiana que se acopla con el difusor esférico 32.

Con referencia continua a la FIGURA 3, un conductor electrónico 44, se interpone entre la fuente de luz de LED plana 36 y el conector eléctrico de base de Edison 30, como se muestra en la FIGURA 4. El conductor electrónico 44 está contenido en la base de la lámpara 50 con el resto de cada base (es decir, la porción de cada base no ocupada por la electrónica respectiva) que se hace de un material disipador de calor. El conductor electrónico 44 es suficiente, por si mismo, para convertir la energía a.c. recibida en el conector eléctrico de base de tipo Edison 30 (por ejemplo, 110 voltios de a.c. del tipo convencionalmente disponible en los enchufes de lámpara de tipo Edison en locales residenciales y de oficinas en los Estados Unidos, o 220 voltios a.c. del tipo convencionalmente disponible en enchufes de lámpara de tipo Edison en locales residenciales y de oficina de Europa) a un formato adecuado de forma para accionar la fuente de luz basada en LED 36. (También se contempla emplear otro tipo de conector eléctrico, tal como un montaje de bayoneta del tipo algunas veces utilizado para bombillas de luz incandescentes en Europa ) .

Se desea hacer la base 50 grande a fin de alojar un volumen de electrónica grande y a fin de proporcionar disipación de calor adecuada, pero la base también se configura preferiblemente para minimizar el ángulo de bloqueo, es decir para mantener la luz hasta 30° ininterrumpida. Estas diversas consideraciones se adaptan en las bases respectivas 50 al emplear un área de recepción pequeña para las secciones de fuente de luz basadas en LED 36 que son de tamaño de aproximadamente el mismo como la fuente de luz basada en LED, y tienen lados angulados en menor que el ángulo de bloqueo deseado (una forma de cono truncado) . Los lados de base angulada se extienden lejos de la fuente de luz basada en LED por una distancia suficiente para permitir que los lados angulados cumplan con una porción de base cilindrica de diámetro dase que es suficientemente grande para alojar la electrónica.

Se apreciará que la forma externa de las lámparas de las FIGURAS 3 y 4 se definen por el difusor 32 la base 50 y el conector eléctrico de base roscada de tipo Edison 30 se configuran ventajosamente para tener una forma (es decir, forma hacia afuera) similar a aquella de una bombilla de luz incandescente de tipo Edison. El difusor 32 define la porción que corresponde particularmente a la "bombilla" de la bombilla de luz incandescente, la base 50 que incluye lados angulados 54 tiene alguna a semblanza a la región base de una bombilla de luz incandescente de tipo Edison, y el conector eléctrico de base roscada de tipio Edison 30 se conforma con el estándar del conector eléctrico del tipo Edison.

El ángulo de la base de disipador de calor ayuda a mantener una distribución de luz uniforme en ángulos altos (por ejemplo, por lo menos 150°). Si el ángulo de corte es >30°, será casi imposible tener una distribución de intensidad de campo lejano uniforme en los ángulos acimutales (superior a fondo de la lámpara) . También, si el ángulo de corte es muy superficial <15°, no habrá suficiente espacio en el resto de la lámpara para contener la electrónica y la base de la lámpara. Un ángulo óptimo de 20-30° es deseable para mantener la uniformidad de distribución de luz, mientras que se deja espacio para los elementos prácticos en la lámpara. La presente lámpara de LED proporciona una salida uniforme de 0° (arriba de la lámpara) a 150° (abajo de la lámpara) preferiblemente de 155°. Esto es un reemplazo excelente para la bombilla de luz incandescente A19 tradicional.

Como se muestra en la FIGURA 4, una pluralidad de aletas de radiación de calor 60 se puede incluir en la incomunicación térmica con la base 50. De esta manera, la lámpara de la FIGURA 4 es un aparato emisor de luz integrado adaptado para ser instalado en una instalación de iluminación (no mostrada) al conectar el conector eléctrico de tipo Edison ilustrado 30 (o un conector de bayoneta u otro tipo de conector eléctrico incluido en el aparato emisor de luz integrado) a un receptáculo de acoplamiento de la instalación de iluminación. El aparato emisor de luz integrado de la FIGURA 4 es un aparato emisor de luz omnidireccional auto-contenido que no depende de la instalación de iluminación para la disipación de calor o la electrónica conductora. Como tal, el aparato emisor de luz de una pieza de la FIGURA 4 es adecuado, por ejemplo, como una bombilla de luz de retroinstalación . Las aletas 60 mejoran la transferencia de calor radioactivo de. la base 50 al aire u otro ambiente circundante. Esencialmente, el disipador de calor de la base 50 incluye extensiones que comprenden la aleta 60 que se extienden sobre el difusor esférico 32 para mejorar adicionalmente la radiación y convención al ambiente del calor generado por los chips de LED de la unidad de iluminación basada en LED 36'. La aletas 60 se extienden longitudinalmente hacia el polo norte de la lámpara 9=0° adyacente al difusor esférico 14. Las aletas 60 se forman para comportarse con la forma hacia afuera deseada de una bombilla de luz incandescente de tipo Edison. Ventajosamente, el diseño proporciona una fuente de luz basada en LED que se • adapta dentro del esquema ANSE para una bombilla A-19. La bombilla exterior de LED es funcional como un transmisor de luz de doble propósito y superficie de disipación de calor. Las aletas 60 se acoplan con la base en los lados angulados 54, 56. Adicionalmente, no existe requisito especifico para la forma de la aleta.

Las aletas de calor 60 de la FIGURA 4 pueden estar comprendidas de aluminio, o acero inoxidable, u otro metal o aleación de metal que tenga conductividad térmica aceptablemente alta. Las aletas de calor 60 pueden tener el color natural del metal de substrato, o se pueden pintar o recubrir de negro u otro color para mejorar la radiación térmica, o se pueden pintar o recubrir de blanco u otro color claro para mejorar la reflectancia de la luz visible. Sin embargo, las aletas de calor de metal se deben minimizar en tamaño, o colocar relativas con la fuente de luz a fin de reducir el impacto adverso en el patrón de distribución de luz debido a la absorción y disipación de la luz por las aletas de calor. En la aplicación de una lámpara de reemplazo integral, que tiene una limitación regulada en el tamaño y forma de la lámpara, tales restricciones en el tamaño, forma y ubicación de las aletas de calor da por resultado ya sea una reducción indeseable de la salida de luz y distorsión de la distribución de luz, o una reducción en el enfriamiento proporcionado por las aletas de calor a la fuente de luz de LED u OLED. En el caso de una lámpara de LED integral propuesta para reemplazar una lámpara incandescente omnidireccional, el compromiso de que se ha seleccionado modalidades de la técnica previa es limitar severamente los intervalos de la distribución de la salida de luz, como se representa en las FIGURAS 5a-b. En el caso de la mayoría delámparas de reemplazo de LED. para las aplicaciones de lámpara incandescente omnidireccional, representadas FIGURA 5a, la distribución de luz cubre solamente de manera aproximada ½ de los 4-p estereorradianes totales de la distribución preferida, mientras que el ½ restante del intervalo angular se bloquea por las aletas de calor 60. En el caso de la mayoría e lámparas de reemplazo de LED para aplicaciones de lámpara incandescente y de halógeno direccionales, ejemplificadas en la FIGURA 5b, las aletas de calor 60 se oponen de aproximadamente ½ de los 4-p estereorradianes totales de modo que la distribución de luz se puede emitir sin distorsión de las aletas de calor 60.

De acuerdo con una modalidad, las aletas de calor 60 en la FIGURA 4 se construyen de un material térmicamente conductivo, y más preferiblemente un compuesto de nanotubos de carbono térmicamente conductivos. Los nanotubos de carbono (CNTs) son alótropos de carbono que tienen una nanoestructura cilindrica. En general, los nanotubos de carbono son cuerpos tubulares alargados que son típicamente solo pocos átomos en circunferencia. Tanto los nanotubos de una sola pared (S NTs) así como nanotubos de carbono de múltiples paredes (MWNTs) se han reconocido. Los MWNTs tienen capas grafiticas circundantes de túbulos centrales mientras que los SWNTs tienen solamente un túbulo y sin capas grafiticas. Los CNTs poseen resistencia deseable, peso, y conductividad eléctrica. Se ha descubierto que los CNTs conducen calor y electricidad mejor que el cobre u oro y tienen 100 veces la resistencia a la tensión del acero, con solamente 1/6 del peso. El intervalo de la conductividad térmica del CNT es típicamente de 1000-6000 /m-K a temperatura ambiente o ligeramente más alta y puede ser un orden adicional de magnitud más alto en temperaturas más bajas. Sin embargo, los nanotubos de carbono muestran deficiente dispersión y aglomeración en materiales hospederos que hacen difícil el uso de los CNTs en material compuestos. Los documentos U.S. 7,094,367 y U.S. 7,479,516, incorporados en la presente a manera de referencia, describen algunos procedimientos comunes para dispersar los CNTs en matrices de polímero hospederas, tales como poli (metil metacrilato) , nailon, polietileno, resina epoxi, poliisopreno, caucho sbs, polidiciclopentadieno, politetrafluoroetileno, poli ( fenilensulfuro) , poli (óxido de fenileno) , silicona, policetona, y termoplásticos , etc., que incluyen mezclado de solución de polímero y nanotubos de carbono, una combinación de sonicación y procesamiento de fusión, mezclado por fusión, polimerización in situ en presencia de nanotubos.

Otro procedimiento para dispersar los CNTs en matrices de polímero hospedero incluye tejido permanente de SWCNTs en una tela que forma una estructura contigua de nanotubos de carbono de conductividad térmica alta. Como se introduce en lo anterior, los SWNT ' s son conductores unidimensionales únicos con dimensiones de aproximadamente 1 nanómetro en diámetro y varios micrómetros en longitud. Los SWCNTs de hebra larga son comercialmente disponibles, tal como de Eikos, Inc. Múltiples capas de tela de SWCNT se pueden producir con 90-95% de aberturas y los S NT 1 s se incrustan en una estructura en capas dentro de una matriz de polímero transparente tal que cada hebra/hilo de SWCNT en cualquier tela se sitúa perfectamente sobre la parte superior del mismo y luego como la tela abajo. Esta configuración proporciona un compuesto de polímero-CNT de conductividad térmica alta sustancialmente transparente. Aunque la tela de CNT no puede ser transparente, la fracción de volumen bajo y la alineación vertical de las telas proporciona suficiente transparencia cuando se observa el polímero normalmente y en ángulos grandes de fuera de lo normal.

El compuesto de nanotubo de carbono divulgado en la presente es térmicamente conductivo y transparente para no distorsionar o reducir el patrón de iluminación de la lámpara. La conductividad térmica (k) es entre aproximadamente 10-1000 W/m-K, más preferiblemente entre aproximadamente 20-300 W/m-K, que tiene transmitancia de luz visible de por lo menos aproximadamente 90%, más preferiblemente por lo menos 95% cuando la carga de nanotubos de carbono es entre aproximadamente 2-10% en peso. Como se muestra en la FIGURA 6, las características térmicas de polímero rellenado con nanotubos de carbono potencial se mejoran grandemente sobre los disipadores de calor generales, y son casi comparables con aquellos de los metales. Berber y colaboradores, incorporaron completamente en la presente a manera de referencia, se ilustran gráficamente varias características compuestos de nanotubos de carbono, ilustrados en las FIGURAS 7a y 7b. La FIGURA 7a la conductividad térmica del CNT como una función de temperatura K. como se muestra, el CNT alcanza la conductividad pico a 100 K (37000 W/m-K) , entonces la conductividad disminuye gradualmente. La temperatura ambiente, la conductividad es de aproximadamente 6600W/m-K. La FIGURA 7b Ilustra la conductividad térmica para nanotubos de carbono' (línea sólida) en comparación en una monocapa de grafito restringida (línea de guiones-punteada), y el plano basal del gráfica AA (línea punteada) a temperaturas entre 200 y 400 . los valores calculados (triángulos sólidos) se comparan con los dos experimentales (círculos abiertos) , (diamantes abiertos) y (cuadrados abiertos) para el grafito. La gráfica ilustra que los nanotubos aislados muestran un comportamiento de transporte térmico muy similar como una monocapa de grafeno aislado hipotética.

Las características eléctricas del compuesto de CNT dependen grandemente en la fracción de masa de nanotubos (%) . El documento US 7,479,516 B2, incorporado en la presente a manera de referencia, enseña los niveles de conductividad para aplicaciones eléctricas. '516 divulga el porciento leso (0.03) de la carga de SWNT en el polímero para aplicaciones eléctricas tal como disipación electrostática y cubierta electrostática y 3% en peso de carga de SWNT es adecuada para la cubierta E I . Por lo tanto, las propiedades físicas del polímero hospedero y la procesabilidad se comprometería mínimamente dentro del nanocompuesto.

En un compuesto de polímero de nanotubos de carbono la relación de conductividad térmica se espera que sea como sigue : k compuesto * (WT% CNT) X kent+(WT% PMR) x kpmr Donde kcompUesto es la conductividad térmica resultante del compuesto y se espera que sea 10-1000 W/m-K. kCnt es la conduc ividad térmica del nanotubo de carbono utilizado. kpmr es la conductividad térmica de la matriz de polímero utilizada. El % en peso del CNT es el porcentaje de carga en peso de nanotubo de carbono en el compuesto y se espera que sea 2-10%. El % en peso del PMR es el porcentaje de cara en peso de la matriz de polímero en el compuesto. Transferencia del compuesto se espera que sea ~95%, como sigue : T compuesto = 1 — R compuesto ~~ A compuesto compuesto (VOL% CNT) x a CNT + (VOL% PMR) x A pmr Donde la absorbancia del CNT es - 100% y la absorbancia de la matriz de polímero es ~ 0%, de modo que la absorbancia del compuesto es: A compuesto ~ (VOL% CNT) / (VOL% PMR) ~ 2-10% En general, los nanotubos de carbono se orientan aleatoriamente en un hospedero polimérico sin embargo, también se contempla formar un compuestos de polímero rellenado con nanotubos de carbono de conductividad térmica alta como una capa de CNT en la cual los nanotubos de carbono se sesgan hacia una orientación seleccionada paralela con el plano del material térmicamente conductivo, como se divulga en U.S. , presentada el 2 de Abril, de 2010 (GE 244671), incorporada completamente en la presente a manera de referencia. Tal orientación puede mejorar la ductilidad térmica lateral como es comparada con la conductividad térmica "a través de la capa". Si adicionalmente los nanotubos de carbono se sesgan hacia una orientación seleccionada paralela con el plano del material térmicamente conductivo, entonces el tensor tiene componentes adicionales, y si la orientación seleccionada está paralela con una dirección describa del flujo térmico entonces la eficiencia del disipador de calor de radiación/convección final se puede mejorar aun adicionalmente. Una forma de lograr esta orientación preferencial de los nanotubos de carbono es al aplicar un campo eléctrico E durante recubrimiento por rocío. Más generalmente, un campo de energía externa se aplica durante el recubrimiento por rocío para impartir una orientación no aleatorizada a los nanotubos de carbono colocados en el hospedero polimérico. De acuerdo con otra forma de logra la orientación preferencial de los nanotubos de carbono es colocar la capa térmicamente conductiva sobre el cuero disipador de calor utilizando pintura, mientras que las pasadas de pintura que se dibujan a lo largo de la orientación preferida para sesgar mecánicamente los nanotubos de carbono hacia la orientación preferida.

De acuerdo con otro aspecto de la presente descripción, el compuesto de polímero rellenado con nanotubos de carbono de conductividad térmica alta se utiliza con un diodo emisor de luz orgánico (OLED) . La FIGURA 8 muestra una arquitectura de OLED emisor de fondo. Mientras que la FIGURA 8 muestra solamente una simple configuración, genéricamente los dispositivos de OLED incluyen un substrato 80 que tiene uno o más elementos emisores de luz OLED que incluyen un ánodo formado sobre los mismos, 84, una o más capas conductivas 84, tal como una capa de inyección de agujero, localizada sobre el ánodo 84, una o más capas emisoras de luz orgánica 88, una capa de transporte de electrones 90, y un cátodo 92. Un dispositivo de OLED puede se remisor superior, donde los elementos emisores de luz se proponen para emitir a través de una cubierta sobre cátodo, y/o emisor de fondo, donde los elementos emisores de luz se proponen para emitir a través del sustrato. Por consiguiente, en el caso de un dispositivo de OLED emisor de fondo, el sustrato 82 y la capa de ánodo 84 deben ser grandemente trasparentes y en el caso de un dispositivo de OLED emisor superior, la cubierta y el segundo cátodo 92 deben ser grandemente transparentes. Los OLEDs pueden generar pantallas de alta brillantez, eficientes; sin embargo, el calor generado durante la operación de la pantalla puede limitar el tiempo de vida de la pantalla, puesto que los materiales emisores de luz se degradan más rápidamente cuando se utilizan a temperaturas más altas. Por lo tanto de acuerdo con la presente modalidad, los compuestos de polímero rellenados con nanotubos de carbono se pueden implementar como el sustrato y/o la cubierta para crear superficies de propagación y disipación de calor del plano frontal y/o posterior.

La modalidad ejemplar se ha descrito con referencia a las modalidades preferidas. Obviamente, modificaciones y alteraciones se les ocurrirán a otros en la lectura y entendimiento de la descripción detallada anterior. Se propone que la modalidad ejemplar se considere como que incluye todas aquellas modificaciones y alteraciones en tanto entren dentro del alcance de. las reivindicaciones adjuntas o equivalentes de las mismas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato emisor de luz, caracterizado porque comprende : una envoltura transmisiva de luz; una fuente de luz que está en comunicación térmica con un disipador de calor; y una pluralidad de aletas de calor en comunicación térmica con el disipador de calor y que se extienden en una dirección tal que las aletas de calor están adyacentes a la envoltura transmisiva de luz, en donde la pluralidad de aletas de calor comprende un compuesto de polímero rellenado con nanotubos de carbono.

2. El aparato emisor de luz de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la conductividad térmica del aparato está entre aproximadamente 10-1000 W/m-K.

3. El aparato emisor de luz de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el disipador de calor comprende un ángulo de aproximadamente 20-30°.

4. El aparato emisor de luz de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la conductividad térmica del aparato es de aproximadamente 20-300W/m-k.

5. El aparato emisor de luz de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las aletas de calor tienen por lo menos aproximadamente 90% de transmitancia .

6. El aparato emisor de luz de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la carga de nanotubos de carbono está entre aproximadamente 2-10% en peso.

7. El aparato emisor de luz de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de una sola pared (SWNT) .

8. El aparato emisor de luz de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el compuesto de polímero rellenado con nanotubos de carbono comprende una tela tejida con hebras largas de nanotubos de carbono de una sola pared.

9. El aparato emisor de luz de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el compuesto de polímero rellenado con nanotubos comprende múltiples capas de tela tejida con nanotubos de carbono de una sola pared.

10. El aparato emisor de luz de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque los nanotubos de carbono de una sola pared se incrustan en las múltiples capas dentro de una matriz de polímero transparente tal que cada hebra de nanotubo de una sola pared de coloca sobre la parte superior de la misma hebra de nanotubo como una tela de posición hacia abajo.

11. El aparato emisor de luz de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque por lo menos una fuente de luz comprende por lo menos uno de un LED y OLED.

12. Un dispositivo emisor de luz, caracterizado porque comprende : una fuente de luz de LED montada a una base; un difusor transmisivo de luz configurado para difundir y transmitir luz desde la fuente de luz de LED; y una o más aletas de calor térmicamente conductivas en comunicación térmica con la base, las aletas de calor que comprenden un material térmicamente conductivo que incluye un compuesto de polímero rellenado con nanotubos de carbono.

13. El dispositivo emisor de luz de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la base incluye un disipador de calor y las aletas se extienden sobre el difusor.

14. El dispositivo emisor de luz de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el compuesto de polímero rellenado con. nanotubos de carbono incluye nanotubos de carbono dispersados en una matriz hospedera de polímero por uno o más de mezclado de solución, sonicación, procesamiento de fusión, mezclado por fusión, polimerización in situ, y tejido en una tela.

15. El dispositivo emisor de luz de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el compuesto de polímero rellenado con nanotubos de carbono incluye una conductividad térmica de entre aproximadamente 10-1000 W/m-K.

16. El dispositivo emisor de luz de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el compuesto de polímero rellenado con nanotubos de carbono incluye una transmitancia de luz visible de por lo menos aproximadamente 90% .

17. El dispositivo emisor de luz de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque los nanotubos de carbono se sesgan hacia una orientación paralela con el plano del material térmicamente conductivo.

18. El dispositivo emisor de luz de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque los nanotubos de carbono se sesgan adicionalmente hacia una orientación paralela con una dirección del flujo térmico.

19. Un dispositivo emisor de luz, caracterizado porque comprende: un substrato que tiene uno o más elementos emisores de luz orgánica con un primer electrodo formado sobre los mismos ; una o más capas conductivas; una o más capas emisoras de luz orgánica colocadas sobre el primer electrodo, un segundo electrodo localizado sobre las capas emisoras de luz, y una cubierta encapsulante localizada sobre el segundo electrodo y fijada al sustrato, en donde por lo menos uno del sustrato y la cubierta están comprendidas de un compuesto de polímero rellenado con nanotubos de carbono.

20. El dispositivo emisor de luz de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque por lo menos una de la cubierta y el substrato son sustancialmente transparentes .