TW201301578A - 新穎色彩轉換器 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種色彩轉換器，其包括至少一含有至少一種有機螢光著色劑的層及至少一對氧具有低滲透性的障壁層。

Description

新穎色彩轉換器
本發明之標的為一種色彩轉換器，其包括至少一含有至少一種有機螢光著色劑的層及至少一對氧具有低滲透性的障壁層。
本發明另外提供包括至少一LED及至少一色彩轉換器的照明裝置，該色彩轉換器包括至少一含有至少一種有機螢光著色劑的層及至少一對氧具有低滲透性的障壁層。
本發明另外提供包括色彩轉換器的太陽能電池，該色彩轉換器包括至少一含有至少一種有機螢光著色劑的層及至少一對氧具有低滲透性的障壁層。
色彩轉換器係可吸收特定波長的光並將其轉換成其他波長光的裝置。
色彩轉換器在多種工業應用中起作用，諸如在包括發光二極體(LED)的照明裝置中或在基於有機螢光染料的太陽能電池中。
發光二極體(LED)由於其等具有相當長的壽命及極好的能效，因而在照明技術中扮演愈來愈重要的角色。光自其發射係基於正向偏壓半導體PN接面之接面區域中的電子-電洞對(激子)重組。此半導體之帶隙大小決定大約的波長。LED可製成多種顏色。
穩定及節能的藍色LED可藉由色彩轉換產生白光。根據用於此目的之已知方法，將包含螢光著色劑的聚合材料直 接施用於LED光源(LED晶片)。
該聚合材料經常係以大約液滴或半球狀形式供應至該LED晶片，結果特定光學效應促進光發射。此等聚合基質中的螢光著色劑係直接施用於LED晶片而無介入空間的結構亦稱為「晶片上磷光體(phosphor on a chip)」。在晶片上磷光體LED中，迄今為止使用的螢光著色劑通常為無機材料。該等螢光著色劑(其可例如由摻雜鈰的釔鋁石榴石組成)吸收一定比例的藍光並發射具有寬發射帶的較長波長光，如此使得透射的藍光與發射光混合產生白光。
為改善此等照明元件之色彩再現，另外可併入發射紅光的二極體及所描述的白光二極體。此可產出許多人感覺較愉悅的光。然而，此在技術上更複雜且更昂貴。
在晶片上磷光體LED中，聚合材料及螢光著色劑經受相對高的熱及輻射應力。為此原因，迄今為止有機螢光著色劑尚不適用於晶片上磷光體LED。原則上有機螢光染料可通過其等的寬發射帶產生良好的色彩再現。然而，迄今為止其等穩定性尚不足以應付直接配置在LED晶片上之情況下的應力。迄今為止，尚不清楚該等有機螢光染料之分解機制及其穩定性不足的直接原因。
為藉由色彩轉換由藍光產生白光，存在另一概念，其中使通常包括載體及聚合物層的色彩轉換器(亦簡稱為「轉換器」)位在距LED晶片一定距離處。此結構稱為「遠端磷光體(remote phosphor)」。
在主要光源、LED及色彩轉換器之間的空間距離使因熱 及輻射所產生的應力降低至對穩定性的要求可藉由適宜之有機螢光染料達成之程度。此外，根據「遠端磷光體」概念的LED甚至比彼等根據「晶片上磷光體」概念者更節能。
在此等色彩轉換器中使用有機螢光染料提供多種益處。首先，有機螢光染料由於其等明顯較高的質量比吸收，因而產率高得多，此意謂對於高效的輻射轉換，需要的材料比在無機輻射轉換器的情況少得多。其次，其等提供良好的色彩再現並可產生愉悅的光。此外，其等不需要任何包含需以昂貴及不便之方式開採及提供且僅可以有限程度獲得的稀土的材料。
因此，期望提供包含有機螢光染料且具有長壽命的色彩轉換器。
DE 10 2008 057 720 A1描述遠端磷光體LED之概念並亦揭示包含無機輻射轉換發光團的轉換層，使用嵌入至聚合基質中的有機輻射轉換發光團。該等述及的聚合基質係例如聚矽氧、環氧樹脂、丙烯酸酯或聚碳酸酯。
US 2010/0230693 A1描述其中螢光著色劑係以透鏡形狀經聚矽氧材料封裝的照明裝置。然而，並未揭示有機螢光著色劑之用途。
US 2010/0291313 A1描述其中LED無機螢光著色劑係以遠端磷光體配置存在的照明裝置。
JP 2007/273498描述其中螢光著色劑係分散於樹脂中並用具有小於10 mL/m2*d之氧滲透性及小於1 mL/m2*d之水 蒸氣滲透性的膜密封的色彩轉換器。並未揭示使用有機螢光著色劑。
JP 2007/207532描述包括其中螢光著色劑係分散於樹脂中並用具有低氧滲透性之聚合物密封的色彩轉換器的照明裝置。並未揭示使用有機螢光著色劑。
EP 1927141揭示包括聯三芮(terrylene)螢光染料的螢光轉換太陽能電池。
本發明之目標是提供基於有機螢光著色劑的色彩轉換器，其不具有先前技術之缺點且其尤其具有長壽命。
另外，將提供包括此等色彩轉換器的照明裝置及太陽能電池。
該目標係藉由在開頭具體說明的色彩轉換器、照明裝置及太陽能電池達成。
發明色彩轉換器包括至少一種嵌入聚合基質中的有機螢光著色劑。
螢光著色劑包括所有可吸收特定波長光並將其轉換成另一波長光的材料。
此等材料亦稱為磷光體或輻射轉換發光團。
根據該等螢光著色劑及吸收波長的選擇，發明色彩轉換器可發射很多種色彩光。然而，在許多情況中，目標是獲得白光。
有機螢光著色劑可為有機螢光顏料或有機螢光染料。
原則上，適宜之有機螢光著色劑係所有可吸收特定波長光並將其轉換成其他波長光，可均勻溶解或分佈於聚合基質中並對熱及輻射應力具有足夠穩定性的有機染料或顏料。
典型上，適宜之有機顏料根據DIN 13320具有0.01至10 μm，較佳0.1至1 μm之平均粒度。
適宜之有機螢光染料在光譜之可見光區域中發螢光，且係(例如)在色彩索引(Color Index)中列出的發綠色、橙色或紅色螢光的螢光染料。
其他適宜的有機螢光染料在光譜之可見區域中發螢光，且係(例如)在色彩索引中列出的發黃色或綠黃色螢光的螢光染料。術語「發綠黃色螢光」及「發黃綠色螢光」將在此處及下文中同義地使用。
較佳的有機螢光染料係官能化的萘或芮衍生物。
較佳的萘衍生物係包含萘單元的發綠色、橙色或紅色螢光的螢光染料。其他較佳的萘衍生物係包含萘單元的發黃色或綠黃色螢光的染料。
另外較佳的係帶有一或多個選自鹵素、氰基、苯并咪唑或帶有一或多個羰基官能基之基團的取代基的萘衍生物。適宜之羰基官能基係例如羧酸酯、二甲醯亞胺、羧酸、甲醯胺。
較佳的芮衍生物包括苝單元。一較佳實施例包含發綠色、橙色或紅色螢光的苝。
較佳係帶有一或多個選自鹵素、氰基、苯并咪唑或帶有 一或多個羰基官能基之基團的取代基的苝衍生物。適宜之羰基官能基係例如羧酸酯、甲醯亞胺、羧酸、甲醯胺。
較佳的苝衍生物係例如在WO 2007/006717第1頁第5行至第22頁第6行中具體說明的苝衍生物。
在特別佳的實施例中，適宜之有機螢光染料係選自式II至VI的苝衍生物 其中R1係直鏈或支鏈C1-C18烷基基團，可由鹵素或由直鏈或支鏈C1-C18烷基單取代或多取代的C4-C8環烷基基團，或 可由鹵素或由直鏈或支鏈C1-C18烷基單取代或多取代的苯基或萘基。
在一實施例中，式II至VI中的R1表示如WO 2009/037283 A1中在第16頁第19行至第25頁第8行中具體說明的具有稱為燕尾取代的化合物。在較佳實施例中，R1係1-烷基烷基，例如1-乙基丙基、1-丙基丁基、1-丁基戊基、1-戊基己基或1-己基庚基。
在式II至VI中，X表示在鄰位及/或對位位置的取代基。X較佳係直鏈或支鏈C1至C18烷基。
「y」指示取代基X的數目。「y」係自0至3的數，例如0、1、2、或3。
更佳地，式II至VI中的R1係2,4-二(第三丁基)苯基或2,6-二取代苯基，尤佳係2,6-二苯基苯基、2,6-二異丙基苯基。
尤佳地，X係在鄰位/對位的第三丁基及/或第二烷基，尤其是在鄰位的異丙基或在鄰位的苯基。
在此實施例之一較佳態樣中，適宜之有機螢光染料係選自N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,7-二(2,6-二異丙基苯氧基)苝-3,4：9,10-四甲醯亞胺、N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,6-二(2,6-二異丙基苯氧基)苝-3,4：9,10-四甲醯亞胺及其等混合物。在此實施例之另一態樣中，該有機螢光染料係9-氰基-N-(2,6-二(異丙基)苯基)苝-3,4-二羧酸單醯亞胺。
在此實施例中另一適宜之有機螢光染料係式VI之染料，例如N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,6,7,12-四苯氧基苝- 3,4：9,10-四甲醯亞胺(Lumogen® Red 300)。
在另一特別佳的實施例中，適宜之有機螢光染料係選自式VII至X的苝衍生物， 其中式VII至X中的R1係直鏈或支鏈C1-C18烷基基團，可由鹵素或由直鏈或支鏈C1-C18烷基單取代或多取代的C4-C8環烷基基團，或可由鹵素或由直鏈或支鏈C1-C18烷基單取代或多取代的苯基或萘基。
在一實施例中，式VII至X中的R1表示如WO 2009/037283 A1第16頁第19行至第25頁第8行中具體說明的稱為具有燕尾取代的化合物。在一較佳實施例中，R1係1-烷基烷基，例如1-乙基丙基、1-丙基丁基、1-丁基戊基、1-戊基己基或1-己基庚基。
尤佳地，式VII至X中的R1係直鏈或支鏈C1至C6烷基，尤其是正丁基、第二丁基、2-乙基己基。R1較佳亦為異丁基。
在此實施例之一特定態樣中，適宜之有機螢光染料係選自3,9-二氰基苝-4,10-雙(異丁基羧酸酯)、3,10-二氰基苝-4,9-雙(異丁基羧酸酯)及其等混合物。在此實施例之另一態樣中，有機螢光染料亦係選自3,9-二氰基苝-4,10-雙(第二丁基羧酸酯)、3,10-二氰基苝-4,9-雙(第二丁基羧酸酯)及其等混合物。
其他較佳的螢光染料係分散黃(Disperse Yellow)199、溶劑黃(Solvent Yellow)98、分散黃13、分散黃11、分散黃239、溶劑黃159。
在一較佳實施例中，色彩轉換器包括至少一種選自N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,7-二(2,6-二異丙基苯氧基)苝-3,4：9,10-四甲醯亞胺、N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,6-二(2,6-二異丙基苯氧基)苝-3,4：9,10-四甲醯亞胺、3,9-二氰基苝-4,10-雙(異丁基羧酸酯)、3,10-二氰基苝-4,9-雙(異丁基羧酸酯)、3,9-二氰基苝-4,10-雙(第二丁基羧酸酯)、3,10-二氰基苝-4,9-雙(第二丁基羧酸酯)、9-氰基-N-(2,6-二(異丙基)苯基)苝-3,4-二羧酸單醯亞胺、N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,6,7,12-四苯氧基苝-3,4：9,10-四甲醯亞胺及其等混合物的有機螢光染料。在一特定實施例中，轉換器包括3,9-二氰基苝-4,10-雙(異丁基羧酸酯)、3,10-二氰基苝-4,9-雙(異丁基羧酸酯)及N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,6,7,12-四苯氧基苝-3,4：9,10-四甲醯亞胺之混合物。
在一較佳實施例中，色彩轉換器包括至少兩種不同的有機螢光染料。例如，發綠色螢光的螢光染料可與發紅色螢 光的螢光染料結合。發綠色螢光的螢光染料尤其可理解為意指彼等吸收藍色光並發射綠色或黃綠色螢光的黃色染料。適宜之紅色染料直接吸收LED之藍色光或吸收由存在的其他染料發射的綠色光並發射紅色螢光。
在最後一較佳實施例中，發明色彩轉換器僅包括單一有機螢光染料，例如橙色螢光染料。
根據本發明，有機螢光著色劑係嵌入至有機聚合物之基質中。
若有機螢光著色劑係顏料，則其等通常分散於基質中。
有機螢光染料可溶解於有機聚合物中或呈均勻分佈的混合物之形式。有機螢光染料較佳係溶解於有機聚合物中。
適宜之基質材料係所有該等螢光著色劑可均勻溶解或分佈於其中的聚合物。
適宜之基質材料係例如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯基吡咯啶酮、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚丁烯、聚乙二醇或環氧樹脂。其他適宜的基質材料係聚酯，諸如聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚萘二甲酸丁二酯(PBN)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或聚萘二甲酸乙二酯(PEN)。
在一實施例中，基質材料係基本上由聚苯乙烯及/或聚碳酸酯組成的有機聚合物。適宜之聚苯乙烯或聚碳酸酯包括彼等於參考案號EP 11155901.9(現為PCT/EP2012/053102)之申請案(其將於本申請案之優先日期公開)中揭示的聚合物。
適宜之基質材料可包括諸如阻燃劑、抗氧化劑、光穩定劑、自由基清除劑、抗靜電劑之添加劑作為另外成份。此等穩定劑係為彼等熟習該項技術者已知。
在本發明之一較佳實施例中，適宜之聚苯乙烯或聚碳酸酯並不包括任何抗氧化劑或自由基清除劑。
在本發明之一實施例中，至少一種基質材料包括透明聚合物。
在另一實施例中，至少一種基質材料包括不透明聚合物。
在一實施例中，適宜之基質材料已經玻璃纖維機械強化。
為執行本發明，其中存在包括有機螢光著色劑之基質的幾何配置並不關鍵。包括有機螢光著色劑的基質可例如呈膜、薄片或板之形式。
包括有機螢光著色劑的基質同樣可以液滴或半球形形式，或以具有外凸及/或內凹、平整或球形表面的透鏡之形式存在。
當發明色彩轉換器包括多於一種螢光著色劑時，在本發明之一實施例中，數種螢光著色劑可在一層中彼此並排存在。
在另一實施例中，不同的螢光著色劑係存在於不同層中。
在本發明之一實施例中，包括有機螢光染料的聚合物層(基質)的厚度係25至200微米，較佳係35至150 μm及更佳 係50至100 μm。
在另一實施例中，包括有機螢光染料的聚合物層的厚度係0.2至5毫米，較佳係0.3至3 mm，更佳係0.4至2 mm，例如0.4至1 mm。
在一較佳實施例中，發明色彩轉換器之層係連續的且不具有任何孔洞或中斷，使得由LED發射的光在任何情況下皆必須通過包含有機螢光著色劑的基質或層。
基質材料中有機螢光染料之濃度係視包括聚合物層之厚度的因素而定。若使用薄聚合物層，有機螢光染料之濃度通常高於在厚聚合物層之情況下。
典型上，有機螢光染料之總濃度在各情況下基於聚合物之量係0.0002至0.5重量%，例如0.001至0.5重量%，或0.002至0.1重量%，更佳係0.0005至0.1重量%，特別是0.001至0.05重量%，例如0.005至0.05重量%。
有機顏料通常係以在各情況下基於聚合物之量0.001至0.5重量%，較佳0.002至0.2重量%，更佳0.005至0.2重量%，甚至更佳0.005至0.1重量%，例如0.01至0.1重量%之濃度使用。
在一較佳實施例中，含有有機螢光染料的層或基質中至少一者包括光之散射體。
在多層結構之另一較佳實施例中，存在含有螢光染料的若干層及含有散射體但無螢光染料的一或更多層。
適宜之散射體係無機白色顏料，例如根據DIN 13320具有0.01至10 μm，較佳0.1至1 μm，更佳0.15至0.4 μm之平 均粒度的二氧化鈦、硫酸鋇、鋅鋇白、氧化鋅、硫化鋅、碳酸鈣。
散射體典型上係以在各情況下基於含有散射體之層的聚合物0.01至2.0重量%，較佳0.05至0.5重量%，更佳0.1至0.4重量%之量包含。
發明色彩轉換器另外包括至少一個障壁層。
障壁層應理解為意指對氧具有低滲透性的層。適宜之障壁層本身可具有多層結構。該多層結構可為兩層結構、三層結構、四層結構、五層結構或多於五層結構。
適宜之障壁層一般對氧具有小於100 mL/m2*d，較佳小於1 mL/m2*d，更佳小於0.1 mL/m2*d，甚至更佳小於0.01 mL/m2*d及尤佳小於0.001 mL/m2*d之滲透性。
障壁層之滲透性係由層之厚度及障壁材料之比氧滲透性決定。
障壁層較佳基本上由至少一種具有低比氧滲透性的障壁材料組成。
適宜之障壁材料一般對氧具有小於1000 mL*100 μm/m2*d，較佳小於1 mL/m2*d，更佳小於0.1 mL/m2之比滲透性。
該至少一個障壁層基本上由至少一種選自玻璃、不同於玻璃的金屬氧化物之障壁材料及至少一種聚合物組成。
特別佳的障壁材料係玻璃、石英、金屬氧化物、SiO2、氮化鈦、SiO2/金屬氧化物多層材料、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚二氯亞乙烯(PVDC)、液晶聚合物(LCP)、聚苯乙烯- 丙烯腈(SAN)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸丁二酯(PBN)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、聚氯乙烯(PVC)、聚醯胺類、聚醯亞胺類、聚醚醯亞胺類、聚甲醛、環氧樹脂或其等混合物。其他較佳的障壁材料係聚萘二甲酸丁二酯(PBN)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)及衍生自乙烯乙酸乙烯酯(EVA)及乙烯乙烯醇(EVOH)的聚合物。其他較佳的障壁材料係無機-有機雜合聚合物，諸如品牌ormocers©-the Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.Munich,Germany之註冊商標。
其他較佳的障壁材料係藉由物理氣相法(PVD)產製的以鉭為主之障壁層、藉由化學氣相法(CVD)產製的SiOx障壁層及藉由溶膠/凝膠方法沈積的SiOx：Na障壁層。
在本說明書中玻璃應理解為意指例如，如(例如)於Hollemann-Wiberg,Lehrbuch der anorganischen Chemie[Inorganic Chemistry]，第91-第100版，1985,779-783頁中描述的材料。
適宜之金屬氧化物係例如無色金屬氧化物。此等較佳係氧化鋁、氧化鋯、氧化鋅或氧化鋇。其他較佳的金屬氧化物係氧化鎂、氧化鉿或氧化鉭。SiO2及金屬氧化物通常係藉由PVD法或濺鍍施用。
在本說明書中SiO2/金屬氧化物多層系統包括具有多於一個二氧化矽及金屬氧化物之塗層(各自在另一者的頂上)的系統。適宜之金屬氧化物係(例如)氧化鋁。適宜之SiO2/ 金屬氧化物多層系統典型上包括各自多於2個，較佳各自多於10個SiO2及金屬氧化物的塗層。
以鉭為主之障壁層(例如TaSiO)可藉由PVD法藉助陰極霧化(「濺鍍」)來沈積。此係自氣相物理沈積的方法(PVD)，其中材料係藉由離子轟擊自標靶移除並在基板上沈積為一層。如此製備之層的厚度係幾百奈米。
SiOx障壁層可藉由CVD方法產生，藉助微波電漿促進化學沉積自氣相沈積(MWPECVD)。為此目的，使有機前體物質(六甲基二矽氧烷)在電漿作用下分解並在該基板上利用其他反應物(例如氧)化學轉換成SiOx。沈積層的厚度係幾微米。
SiOx：Na障壁層可在浸漬塗覆過程中藉由溶膠-凝膠方法沈積。此係自液相濕式化學沈積之方法。此方法包括催化水解有機矽烷溶膠及隨後在基板上熱轉換成SiOx。此處使用的層厚度亦係幾微米。
玻璃係尤佳的。
當使用具有低比氧滲透性的障壁材料時，障壁層之厚度可較使用具有相對較高之比氧滲透性的障壁材料之情況小。
一般而言，障壁層具有0.01 μm至5 mm，較佳0.1 μm至1000 μm及更佳1 μm至100 μm之厚度。
玻璃之障壁層較佳具有0.01至5000 μm及更佳0.1至1000 μm之厚度。
有機聚合物之障壁層通常具有0.01至1000 μm及較佳0.1 至200 μm，特別是60至150 μm，例如0.1至100 μm之厚度。
在本發明之一較佳實施例中，障壁層除對氧的低滲透性外，尚具有對水蒸氣的低滲透性。典型上，該至少一個障壁層對水蒸氣的滲透性係小於10 g/m2*d，較佳小於1 g/m2*d，更佳小於0.1 g/m2*d，甚至更佳小於0.01 g/m2*d及尤佳小於0.001 g/m2*d。
障壁層通常具有均勻厚度。然而，在該障壁層之不同區域中的障壁層可具有不同厚度。例如，透過該等障壁層之特定的幾何形狀，可利用諸如透鏡效應之光學效應。
一般而言，障壁層具有其所接觸的該色彩轉換器之層的幾何形狀。然而，若能確保障壁層阻止氧進入該等包含螢光著色劑的層，則此並非絕對必要。
發明色彩轉換器在該色彩轉換器之頂面上具有至少一個障壁層。在包含LED的照明裝置中，色彩轉換器之頂面係背離LED且色彩轉換器之底面係面向LED。在太陽能電池中，頂面係面向太陽。對於本發明阻止氧自大氣進入包含螢光染料的層係重要的。
當發明色彩轉換器在色彩轉換器之底面上不包括障壁層時，較佳地存在於色彩轉換器之底面上的介質具有小於5重量%，較佳小於1重量%，更佳小於0.1重量%之氧含量。該介質可例如包括氣體，諸如氮、氦、氖、氬、氪、氙、二氧化碳、六氟化硫、碳氫化合物，或其他對於螢光著色劑不具有氧化作用的物質。
若在色彩轉換器之底面上不存在障壁層，則在一較佳實施例中，氣體自大氣擴散或輸送至轉換器之底面係藉由氧氣緊密密封該色彩轉換器之底面上的空間來阻止。
在本發明之一較佳實施例中，發明色彩轉換器在頂面及底面上皆具有至少一個障壁層。接著以夾層方式藉由障壁層包封包含至少一種螢光著色劑的層。
在另一較佳實施例中，該包含至少一種有機螢光著色劑的層係在所有側面上由至少一障壁層圍繞。
色彩轉換器同樣可在轉換器之同一側面上具有數個障壁層。
當發明色彩轉換器包含多於僅一個障壁層時，此等可由相同或不同的障壁材料組成。一障壁層同樣可包含數種障壁材料。一障壁層自身同樣可具有多層結構。該多層結構包括至少一氧障壁層及另一層。另外的層可用作水蒸氣之障壁。另外，另外的層可允許對該等頂部及底部障壁層進行熱封。根據本發明之一態樣，該另一層係有機聚合物，較佳係熱塑性樹脂諸如聚烯烴，例如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)。根據另一態樣，氧障壁層係嵌入至少兩層中。較佳地，氧障壁層係嵌入至少兩個有機聚合物層中。根據一特定態樣，該障壁層具有外層由熱塑性樹脂構成及至少一中間層對氧具有低滲透性的多層結構。適宜之多層障壁膜之實例係：ESCALTM膜，由PP/經金屬氧化物塗覆的PVA(聚乙烯醇)/PE組成，供應商Dry& Safe,Oensingen,Switzerland；SaranexTM膜(購自Dow,USA)，其係具有聚烯烴表層及 PVDC(聚二氯亞乙烯)障壁層的多層共擠吹塑膜；及EVALTM EVOH(乙烯乙烯醇)共聚物樹脂，供應商EVAL Europe nv,Antwerpen,Netherlands。
發明色彩轉換器可視情況包括另外的組分，諸如載體層。
載體層係用來賦予該色彩轉換器機械穩定性。載體層之材料類型並不關鍵，限制條件係其係透明的且具有期望的機械強度。用於載體層之適宜的材料係(例如)玻璃或透明剛性有機聚合物，諸如聚碳酸酯、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
載體層通常具有0.1 mm至10 mm，較佳0.3 mm至5 mm，更佳0.5 mm至2 mm之厚度。
相較於彼等根據先前技術者，發明色彩轉換器展現長壽命及高量子產率，並發射具有良好色彩再現的令人愉悅的光。
發明色彩轉換器係適用於(例如)轉換由LED產生的光。因此，本發明另外提供包括至少一LED及至少一發明色彩轉換器的照明裝置。
該等技術相關的LED經常係發射具有例如420至480 nm，更佳440至470 nm，最佳445至460 nm之峰波長的光的藍色LED。
發明色彩轉換器可在照明裝置中結合實質上呈任何幾何形狀的LED使用，且不管該照明裝置之結構為何。
較佳地，發明色彩轉換器係使用在遠端磷光體結構中。 在此情況，該色彩轉換器在空間上與LED分離。一般而言，LED與色彩轉換器之間的距離係自0.1 cm至50 cm，較佳0.2至10 cm及最佳0.5至3，例如0.5至2 cm。色彩轉換器與LED之間可為不同介質，諸如空氣、稀有氣體、氮氣或其他氣體、或其等混合物。
色彩轉換器可例如同心圍繞LED或作為平整的層、板或薄片配置。
發明照明裝置係適用於(例如)辦公室、車輛之室內或室外照明，手電筒、遊戲機、路燈、照明交通標誌中的照明。
本發明另外提供包含發明色彩轉換器的螢光轉換太陽能電池。
實例 使用材料：
聚合物1：根據DIN EN ISO 306具有96℃之維卡(Vicat)軟化溫度的甲基丙烯酸甲酯的透明均聚物(購自Evonik的Plexiglas® 6N)。
聚合物2：根據DIN EN ISO 306具有1048 kg/m3之密度及98℃之維卡軟化溫度的基於苯乙烯之均聚物的透明聚苯乙烯(購自BASF SE的PS 168 N)。
染料1：由3,9-二氰基苝-4,10-雙(異丁基羧酸酯)及3,10-二氰基苝-4,9-雙(異丁基羧酸酯)之混合物組成的發綠黃色螢光的螢光染料。
染料2：名稱為9-氰基-N-(2,6-二異丙基苯基)苝-3,4-二羧 酸單醯亞胺之發黃色螢光的螢光染料。
染料3：名稱為N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,6,7,12-四苯氧基苝-3,4：9,10-四甲醯亞胺之發紅色螢光的螢光染料。
障壁材料1：厚度1 mm及面積3 cm x 3 cm的硼矽酸鹽玻璃板。
障壁材料2：障壁膜ESCALTM(由聚丙烯(PP)/經金屬氧化物塗覆的PVA(聚乙烯醇)/聚乙烯(PE)構成，膜厚度：大約112 μm)，供應商Dry&Safe GmbH,Oensingen,Switzerland。
障壁材料3：障壁膜SaranexTM(購自Dow,USA)，其係具有聚烯烴表層及PVDC(聚二氯亞乙烯)障壁層的多層吹塑共擠膜，膜厚度102 μm。
障壁材料4：EVALTM L膜，乙烯乙烯醇(EVOH)共聚物膜，供應商EVAL Europe nv,Antwerpen,Netherlands。
二氧化鈦：根據DIN 53165具有94.0至100之平均散射力之藉由硫酸鹽法製造的TiO2金紅石顏料(購自Kronos Titan的Kronos® 2056)。
樣品之曝光：
使用由16個市售的RebelTM系列之GaN-LED(購自Lumileds Lighting，波長大約451 nm)構成的自建造曝光裝置使樣品曝光。在該曝光裝置前面配置兩個乳白色玻璃之光散射板。每一樣品位置處的亮度係均勻分佈且大約為0.08 W/cm2。
樣品之光穩定性的測定：
為進行分析，將樣品自曝光台移除並在C9920-02量子產 率測量系統(購自Hamamatsu)中進行分析。此包含在積分球(烏布里希(Ulbricht)球)中用450至455 nm之光照射該等樣品之各者。藉由與在無樣品的烏布里希球中的參照測量相比，藉由經校準CCD分光計測定由該樣品發射的激發光及螢光之未吸收分率。積分該未吸收激發光或該發射螢光之強度給出每一樣品之吸收度或螢光強度或螢光量子產率。
使各試樣在20天的時期內持續曝光並僅在測定色彩轉換器之吸收度、螢光強度及螢光量子產率時才自該曝光裝置移除。
色彩轉換器1-4之製造：
將大約2.5 g聚合物及所需量的染料溶解於大約5 mL的二氯甲烷中，並使0.5重量%的TiO2(基於聚合物之使用量)分散於其中。將所得的溶液/分散液用箱型塗覆棒塗覆於玻璃表面上(濕膜厚度400 μm)。在溶劑乾掉之後，使該膜自玻璃脫離並在真空乾燥箱中於50℃下乾燥隔夜。自此膜衝壓出各具直徑22 mm的兩個圓形膜片，然後用作檢測樣品。
用玻璃封裝：
將如此獲得的膜片及障壁材料1轉移至填充氮氣的手套箱中。約2小時後，將該等膜片置於兩片障壁材料1之間並用手指按壓。隨後，將如此獲得的以夾層狀方式封閉的檢測樣品在該等玻璃板之邊緣處用光可固化環氧樹脂黏合劑密封，並再次自手套箱移除。
製造以下樣品並檢測：
圖1及3在橫座標上顯示曝光時間(以天計)及在縱座標上顯示已吸收的入射光(450至455 nm)之百分數。
三條曲線旁的數字係對應於樣品編號。
頃發現在樣品於頂面及底面上無障壁層之情況下(具有下標「a」的樣品)，光之吸收隨曝光時間顯著地降低。
在於頂面及底面上皆具有障壁層之發明色彩轉換器之情況下(無下標「a」的樣品)，吸收在曝光期間內實質上保持恒定，且相較於在頂面及底面上皆無障壁層的色彩轉換器，吸收的整體降低弱得多。
圖2及4在橫座標上顯示曝光時間(以天計)及在縱座標上顯示相對螢光強度。
三條曲線旁邊的數字係對應於樣品編號。
頃發現在樣品於頂面及底面上無障壁層之情況下(具有下標「a」的樣品)，螢光強度隨曝光時間明顯降低。
在於頂面及底面上皆具有障壁層之發明色彩轉換器之情況下(無下標「a」的樣品)，螢光於曝光期間內實質上保持 恒定，且相較於在頂面及底面上皆無障壁層的色彩轉換器，螢光的整體降低弱得多。
色彩轉換器6及7之製造：
將所需量的染料、聚合物及TiO2(參見下表1)饋入Collin ZSK 25-30D型的雙軸擠出機中並加工成粒子。將此等粒子裝入Collin Teach line E 20 T之單軸擠出機中。經由槽型噴嘴將該等粒子加工成具有大約400 μm之厚度的膜。自此膜衝壓出各具有22 mm直徑的圓形膜片，然後用作檢測樣品。
用障壁材料2封裝： 路徑a)
將經衝壓的膜片及障壁材料2(ESCALTM膜)轉移至填充氮氣的具有黃光條件的手套箱中。約2小時之後，將光可固化黏合劑施覆於膜片之頂面。將障壁材料2置於黏合劑側上並使用滾筒按壓。使用UV-A光及可見光固化該黏合劑。在該膜片之底面上重複相同步驟。最後，藉助熱密封鉗密封通過該色彩轉換器的頂部及底部障壁材料。如此獲得的色彩轉換器在頂面及底面上皆具有障壁層。
路徑b)
將經衝壓的膜片及障壁材料2(ESCALTM膜)轉移至填充氮氣的手套箱中。該手套箱包括熱密封層壓機。約2小時之後，在150℃下一起按壓該等膜片及該障壁材料2(ESCALTM L膜，該障壁材料之PE側面向該膜片)並在該熱密封層壓機中密封。在該膜片之底面上重複相同步驟。
色彩轉換器8及9之製造：
將大約20 g聚合物及所需量的染料溶解於大約60 mL的二氯甲烷中，並使0.1重量%之TiO2(基於聚合物的使用量)分散於其中(參見表2)。將所得的溶液/分散液塗覆至玻璃表面上。在溶劑乾掉之後，使該膜自該玻璃脫離，壓碎，在真空乾燥箱中於50℃下乾燥隔夜，在實驗室磨機中磨碎並將獲得的粉末在真空乾燥箱中於50℃下乾燥隔夜。在200℃、3巴之壓力下熱壓該粉末(持續6分鐘)，然後在100巴之壓力下(5分鐘)使用金屬壓架以得到各具有1.5 mm直徑的圓形聚合物膜片。
用障壁材料2封裝：
使用障壁材料2重複上述封裝方法，但使用色彩轉換器8及9代替色彩轉換器6及7。
如上述將該等試樣(編號6、6a、7、7a、8、8a、9及9a)用該曝光裝置持續曝光20天的期間。下表3顯示光穩定性 及殘餘螢光。
頃發現在樣品於頂面及底面上無障壁層之情況下(具有下標「a」的樣品)，螢光強度隨曝光時間明顯降低。
在於頂面及底面上皆具有障壁層之發明色彩轉換器的情況下(無下標「a」的樣品)，螢光於曝光期間內實質上保持恒定，且相較於在頂面及底面上皆無障壁層的色彩轉換器，螢光的整體降低弱得多。
色彩轉換器10及11之製造：
重複上述針對色彩轉換器6及7的封裝方法，但使用障壁材料3替代障壁材料2。
色彩轉換器12及13之製造：
重複上述針對色彩轉換器6及7的封裝方法，但使用障壁材料4替代障壁材料2。
色彩轉換器14及15之製造：
重複上述針對色彩轉換器8及9的封裝方法，但使用障壁 材料3替代障壁材料2。
色彩轉換器16及17之製造：
重複上述針對色彩轉換器8及9的封裝方法，但使用障壁材料4替代障壁材料2。
在於頂面及底面上皆具有障壁層之發明色彩轉換器10、11、12、13、14、15、16及17的情況下，螢光於曝光期間內實質上保持恒定，且相較於在頂面及底面上皆無障壁層的對照色彩轉換器，螢光的整體降低弱得多。
圖1在橫座標上顯示曝光時間(以天計)及在縱座標上顯示已吸收的入射光(450至455 nm)之百分數。
圖2在橫座標上顯示曝光時間(以天計)及在縱座標上顯示相對螢光強度。
圖3在橫座標上顯示曝光時間(以天計)及在縱座標上顯示已吸收的入射光(450至455 nm)之百分數。
圖4在橫座標上顯示曝光時間(以天計)及在縱座標上顯示相對螢光強度。

Claims (17)

  1. 一種色彩轉換器，其包括至少一含有至少一種有機螢光著色劑的層及至少一對氧具有低滲透性的障壁層。
  2. 如請求項1之色彩轉換器，其中該至少一障壁層基本上係由至少一種具有低比氧滲透性的障壁材料組成。
  3. 如請求項1或2之色彩轉換器，其中該至少一障壁層基本上係由至少一種選自玻璃、不同於玻璃之金屬氧化物的障壁材料及至少一種聚合物組成。
  4. 如前述請求項中至少一項的色彩轉換器，其中該障壁材料係選自玻璃、石英、金屬氧化物、SiO2、氮化鈦、SiO2/金屬氧化物多層材料、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚二氯亞乙烯(PVDC)、液晶聚合物(LCP)、聚苯乙烯-丙烯腈(SAN)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚萘二甲酸丁二酯(PBN)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、聚氯乙烯(PVC)、聚醯胺、聚甲醛、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、環氧樹脂、衍生自乙烯乙酸乙烯基酯(EVA)的聚合物及衍生自乙烯乙烯醇(EVOH)的聚合物。
  5. 如前述請求項中至少一項的色彩轉換器，其中該至少一障壁層對水蒸氣具有低滲透性。
  6. 如前述請求項中至少一項的色彩轉換器，其中該色彩轉換器在其頂面及底面上各自具有至少一障壁層。
  7. 如前述請求項中至少一項的色彩轉換器，其中該至少一種有機螢光著色劑係有機螢光染料。
  8. 如前述請求項中至少一項的色彩轉換器，其中該至少一種有機螢光著色劑係選自發黃色、綠色、紅色及橙色螢光的有機螢光染料。
  9. 如前述請求項中至少一項的色彩轉換器，其中該至少一種有機螢光著色劑係萘或苝衍生物。
  10. 如前述請求項中至少一項的色彩轉換器，其中該至少一種有機螢光染料係選自 其中R1 係直鏈或支鏈C1-C18烷基基團、可經鹵素或經直鏈或支鏈C1-C18烷基單取代或多取代的C4-C8環烷基基團、或苯基或萘基，其中苯基及萘基可經鹵素或經直鏈或支鏈C1-C18烷基單取代或多取代；X 表示在鄰位及/或對位位置的取代基且係直鏈或支鏈C1-C18烷基；y 係0至3之數目。
  11. 如前述請求項中至少一項的色彩轉換器，其中該至少一種有機螢光染料係選自N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,7-二(2,6-二異丙基苯氧基)苝-3,4：9,10-四甲醯亞胺、N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,6-二(2,6-二異丙基苯氧基)苝-3,4：9,10-四甲醯亞胺、3,9-二氰基苝-4,10-雙(異丁基羧酸酯)、3,10-二氰基苝-4,9-雙(異丁基羧酸酯)、3,9-二氰基苝-4,10-雙(第二丁基羧酸酯)、3,10-二氰基苝-4,9-雙(第 二丁基羧酸酯)、9-氰基-N-(2,6-二(異丙基)苯基)苝-3,4-二羧酸單醯亞胺及其等混合物。
  12. 如前述請求項中至少一項的色彩轉換器，其中該至少一種有機螢光染料係選自N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,7-二(2,6-二異丙基苯氧基)苝-3,4：9,10-四甲醯亞胺、N,N'-雙(2,6-二異丙基苯基)-1,6-二(2,6-二異丙基苯氧基)苝-3,4：9,10-四甲醯亞胺及其等混合物。
  13. 如前述請求項中至少一項的色彩轉換器，其中該色彩轉換器係膜、板或薄片。
  14. 一種如前述請求項中至少一項的色彩轉換器之用途，其係用於轉換由LED所產生的光。
  15. 一種照明裝置，其包括至少一LED及至少一如請求項1至13中至少一項的色彩轉換器。
  16. 如請求項15之照明裝置，其中LED及色彩轉換器係存在於遠端磷光體結構中。
  17. 一種螢光轉換太陽能電池，其包括如請求項1至13中至少一項的色彩轉換器。
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