Люминесцентный объект и его использование - RU2397574C2
Код документа: RU2397574C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к люминесцентному объекту и, в частности, к применению такого люминесцентного объекта в устройствах оптического люминесцентного концентратора, таких как устройства люминесцентного солнечного концентратора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Себестоимость солнечной энергии на единицу Ватт является приблизительно в 5-10 раз более высокой, чем энергия из других источников, которые включают в себя уголь, нефть, ветер, биомассу и атомную энергию. Для того чтобы снизить себестоимость выработки солнечной энергии в фотоэлектрических системах, желательно сделать эффективным использование наиболее дорогостоящей части системы, а именно фотогальванического элемента (солнечного элемента). Традиционно это делается посредством использования больших светофокусирующих солнечных концентраторов (параболических или лотковых тарелок). Эти устройства имеют несколько недостатков, в том числе высокие инвестиционные затраты, высокую себестоимость технического обслуживания, громоздкие формы и необходимость слежения за солнцем, по мере того как оно пересекает небосвод: для обзора уровня техники, смотрите Swanson, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 8, 93 (2000) (Свансон, Прогресс в фотогальванике: исследование и применения 8, 93 (2000)).
Альтернативный выбор, который был предметом исследований, состоит в том, чтобы использовать волновод, который собирает свет и переносит его на небольшой фотогальванический элемент. Некоторые из этих усилий, предпринятых для использования голографического средства (US 5877874) или геометрической оптики для перенаправления света (например, смотрите T. Uematsu et al., Sol Energ Mater Sol C 67, 415 (2001) и US 4505264). Эти попытки были до некоторой степени безуспешными, особенно для больших расстояний переноса, потому что была низкой эффективность, или системы требовали слежения за солнцем, либо системы были сложными и не пригодными для серийного производства, или из-за сочетания таковых.
Люминесцентные солнечные концентраторы (LSC) представляют еще одну альтернативу, которая была целью исследований, преимущественно потому, что эти системы легки для производства при низкой себестоимости, и так как эти системы не требуют слежения за солнцем. LSC, в основном, состоят из большой стеклянной или полимерной пластины, листа, пленки, волокна, тесьмы, плетения или покрытия, которые активированы молекулами флуоресцентного красителя. Красители поглощают свет определенных длин волн из солнечного света, падающего на них, и переизлучают свет во всех направлениях на более длинной длине волны. Часть этого света испускается в пределах критического угла вспомогательного волновода, испытывает полное внутреннее отражение и переносится на фотогальванический элемент. LSC обладает преимуществом сочетания менее дорогостоящих материалов с гибкостью (особенно, когда используется пластиковый волновод) без необходимости в теплоотводе или системе слежения за солнцем. Примерная система с другим назначением (освещения помещений) описана в Earp et al., Sol Energ Mat Sol C 84, 411 (2004). В данный момент LSC-системы не используются в промышленном масштабе, каковое преимущественно имеет отношение к их недостаточной эффективности. Эта низкая общая эффективность берет начало из высокого перепоглощения испускаемого света (ограниченного стоксова сдвига красителя), из недостаточной эффективности привязывания света к волноводу и из недостаточной эффективности удержания света в пределах волновода.
Настоящее изобретение ставит целью исправить эти недостатки LSC-систем, в частности предоставлением средства повышения эффективности, с помощью которого испускаемый свет удерживается внутри LSC-системы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретатели обнаружили, что эффективность LSC-систем может быть существенно повышена посредством применения (a) люминесцентного слоя или люминесцентной сердцевины, содержащих в себе фотолюминесцентный материал, в сочетании с (b) одним или более избирательных по длине волны зеркал, которые в значительной степени прозрачны для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и которые сильно отражают оптическое излучение, которое испускается фотолюминесцентным материалом. В предпочтительном варианте осуществления предусмотрен люминесцентный объект, содержащий люминесцентный слой или сердцевину, содержащие в себе фотолюминесцентный материал, и избирательное по длине волны зеркало, при этом люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина оптически присоединены к избирательному по длине волны зеркалу, упомянутое избирательное по длине волны зеркало является по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 50% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом, и при этом избирательное по длине волны зеркало содержит холестерический слой кирального нематического полимера.
Вышеупомянутое избирательное по длине волны зеркало может надлежащим образом располагаться, в качестве отдельного слоя, где угодно между люминесцентным слоем/ сердцевиной и поверхностью, которая предназначена для приема падающего оптического излучения. Таким образом, падающий свет будет проходить через избирательное по длине волны зеркало для возбуждения фотолюминесцентного материала, содержащегося в лежащем в основе люминесцентном слое или люминесцентной сердцевине. Оптическое излучение, испускаемое фотолюминесцентным материалом, которое достигает избирательного по длине волны зеркала, будет отражаться, таким образом, предохраняя упомянутое испускаемое излучение от просачивания из LSC. Как результат, испускаемое излучение весьма эффективно концентрируется внутри LSC, давая в результате улучшенную общую эффективность.
Избирательное по длине волны зеркало преимущественно также может применяться на противоположной стороне люминесцентного слоя, то есть на стороне, противоположной стороне, принимающей падающий свет. Таким образом, может гарантироваться, что испускаемое излучение отражается обратно в люминесцентный слой или в волновод.
Для того чтобы реализовать преимущества настоящего изобретения, избирательное по длине волны зеркало должно быть в значительной степени прозрачным для излучения, которое пригодно для возбуждения фотолюминесцентного материала, и, в то же время, упомянутое зеркало должно эффективно отражать излучение, испускаемое упомянутым фотолюминесцентным материалом. Соответственно одно или более избирательных по длине волны зеркал, применяемых в люминесцентном объекте по настоящему изобретению, являются по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 50% отражательным для излучения, которое испускает тем же самым фотолюминесцентным материалом.
Отсюда, изобретение представляет люминесцентный объект, содержащий люминесцентный слой или сердцевину, содержащие в себе фотолюминесцентный материал, и избирательное по длине волны зеркало; при этом люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина оптически присоединены к избирательному по длине волны зеркалу, упомянутое избирательное по длине волны зеркало является по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 50% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом, и при этом избирательное по длине волны зеркало содержит (a) полимерный стопочный слой и/или (b) холестерический слой кирального нематического полимера.
В отдельном варианте осуществления изобретение представляет люминесцентный объект, содержащий люминесцентный слой или сердцевину, содержащие в себе фотолюминесцентный материал, и избирательное по длине волны зеркало; при этом люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина оптически присоединены к избирательному по длине волны зеркалу, упомянутое избирательное по длине волны зеркало является по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 50% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом, и при этом избирательное по длине волны зеркало содержит холестерический слой кирального нематического полимера, предпочтительно содержащий первый холестерический слой, отражающий свет с правой круговой поляризацией, и второй холестерический слой, отражающий свет с левой поляризацией.
В еще одном другом варианте осуществления изобретение представляет люминесцентный объект, содержащий люминесцентный слой или сердцевину, содержащие в себе фотолюминесцентный материал, и избирательное по длине волны зеркало; при этом люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина оптически присоединены к избирательному по длине волны зеркалу, упомянутое избирательное по длине волны зеркало является по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 50% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом, и при этом избирательное по длине волны зеркало содержит полимерный стопочный слой, предпочтительно содержащий первый полимерный стопочный слой, отражающий одну поляризацию света, и второй полимерный стопочный слой, отражающий противоположную поляризацию света.
Примеры избирательного по длине волны зеркала, которые могут преимущественно применяться в соответствии с настоящим изобретением, включают в себя полимерные стопы и холестерические слои кирального нематического полимера.
Согласно аспекту изобретения изобретение относится к люминесцентному объекту, содержащему упорядоченный полимер, который содержит в себе упорядоченный фотолюминесцентный материал, упомянутый упорядоченный полимер обладает углом предварительного наклона в 10-90° относительно поверхности объекта. В отдельном варианте осуществления изобретение направлено на люминесцентный объект, содержащий люминесцентный слой и волновод, при этом объект является оптическим слоистым изделием или оптическим волокном, люминесцентный объект является оптически присоединенным к волноводу, люминесцентный объект содержит упорядоченный полимер, который содержит в себе упорядоченный фотолюминесцентный материал, упомянутый упорядоченный фотолюминесцентный материал является фиксированным в неподвижном состоянии в пределах упорядоченного полимера, а упомянутый упорядоченный полимер обладает углом предварительного наклона в 10-89°, предпочтительно - 10-90°, более предпочтительно - 10-85°, даже еще более предпочтительно - 15-85°, к тому же даже еще более предпочтительно - 30-80°, более предпочтительно - 30-70°, кроме того, даже еще более предпочтительно - 40-70°, относительно поверхности объекта.
Этот люминесцентный объект может использоваться для преобразования падающего света в свет более длинной длины волны. Если испускаемый свет излучается при относительно небольшом угле относительно поверхности объекта (требующем использования относительно высокого угла предварительного наклона), испускаемый свет может эффективно переноситься в пределах плоскости, параллельной упомянутой поверхности, например, на выход или фотогальваническое устройство. Таким образом, представленная пленка может применяться, по существу, без отдельного волновода, например, в LSC. В этом конкретном случае весьма полезно использовать фотолюминесцентные материалы с большим стоксовым сдвигом и/или небольшим перекрытием спектров поглощения и испускания, чтобы избежать больших потерь света из-за явления перепоглощения.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Термин «люминесцентный», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, указывает на способность материала испускать свет после поглощения светового или другого излучения с достаточной энергией кванта. Термин включает в себя как флуоресценцию, так и фосфоресценцию.
Термин «свет», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, указывает на оптическое излучение, которое может быть видимым или не видимым человеческому глазу.
Термин «оптическое излучение» указывает на электромагнитное излучение в диапазоне длин волн между 100 нм и 2000 нм.
Термин «фотолюминесценция», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, указывает на люминесценцию, вызванную поглощением света.
Термин «фотолюминесцентный материал», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, указывает на атомы или молекулы, в том числе ионы, которые способны к фотолюминесценции. Термин «фотолюминесцентный материал» также охватывает комбинации двух или более разных фотолюминесцентный компонентов, например комбинации двух или более разных фотолюминесцентных молекул. Термин «фотолюминесцентный материал» также охватывает системы на эффекте гость-хозяин, содержащие флуоресцентную молекулу, флуоресцентные полимеры и/или сополимеры.
Термин «отражательный», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, означает, что материал отражает большую часть падающего солнечного света и/или света, испускаемого фотолюминесцентным материалом. Более точно, термин «отражательный» означает, что упомянутый материал отражает по меньшей мере 50%, предпочтительно - по меньшей мере 60%, более предпочтительно - по меньшей мере 80%, и наиболее предпочтительно - по меньшей мере 90% упомянутого света. Отражательная способность материала определяется для света, падающего перпендикулярно к отражающей поверхности.
Термин «прозрачный», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, означает, что материал пропускает большую часть падающего солнечного света и/или света, испускаемого фотолюминесцентным материалом. Более точно, термин «прозрачный» означает, что упомянутый материал пропускает по меньшей мере 50%, предпочтительно - по меньшей мере 70%, более предпочтительно - по меньшей мере 90% упомянутого света, измеренных для света, падающего перпендикулярно поверхности объекта, который подвергается воздействию упомянутого падающего света.
Термин «полимерная стопа» указывает на многослойные пленки, содержащие в себе подслои с разными показателями преломления, основанные на органических (полимерных) материалах, которые демонстрируют избирательность по длине волны, необязательно в сочетании с избирательностью по поляризации: например, смотрите US 6157490.
Термин «избирательное по длине волны зеркало», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, указывает на зеркала, которые являются прозрачными при определенных длинах волн и отражательными при других длинах волн, необязательно в сочетании с избирательностью по поляризации. Такие зеркала известны из литературы.
Терминология «холестерический слой или киральный нематический полимер» указывают на слой, содержащий полимеры, чьи мезогенные группы упорядочены преимущественно параллельно поверхности слоя, и в которых молекулы поворачиваются относительно друг друга в заранее заданном направлении, которое вызвано киральной реактивной или нереактивной присадкой. Главным образом, терминология «холестерический слой кирального нематического полимера» указывает на слой, который содержит киральную нематическую фазу, которая демонстрирует киральность (право- или левостороннее направление). Эту фазу часто называют холестерической фазой, так как она была впервые обнаружена для производных холестерина. Киральные молекулы (т.е. молекулы, которые не имеют симметрии инверсии), реактивные или нереактивные, могут давать начало такой фазе. Эта фаза демонстрирует скрутку молекул вдоль директора, с осью молекулы, перпендикулярной директору. Конечный угол скручивания между соседними молекулами обусловлен их асимметричной укладкой, которая имеет результатом более длиннодиапазонный киральный порядок. Киральный модуль указывает на расстояние (вдоль директора), за которое мезогены подвергаются полной скрутке в 360°. Модуль может изменяться регулированием температуры или добавлением других молекул во флюид с LC (жидкими кристаллами).
Эти избирательные по длине волны зеркала могут настраиваться по длине волны (например, смотрите Katsis et al. (1999) Chem. Mater. 11, 1590) или настраиваться по полосе пропускания (например, смотрите Broer et al. (1995) Nature 378, 467).
Термин «волновод», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, указывает на оптические компоненты, которые прозрачны для света и которые пространственно ограничивают оптическое излучение от входа до требуемого выхода.
Термин «прозрачный волновод», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, означает, что волновод пропускает большую часть падающего солнечного света и/или света, испускаемого фотолюминесцентным материалом. Более точно, термин «прозрачный волновод» означает, что упомянутый волновод пропускает по меньшей мере 50%, предпочтительно - по меньшей мере 70% упомянутого света, измеренные для света, падающего перпендикулярно волноводу.
Термины «обыкновенный показатель преломления» и «необыкновенный показатель преломления», в качестве используемых в материалах настоящей заявки, указывают на показатели преломления упорядоченного полимера, соответственно перпендикулярно или параллельно оптической оси упорядоченного полимера.
Термин «показатель преломления волновода» указывает на показатель преломления волновода в изотропном состоянии. В отдельных случаях могут использоваться ориентированные волноводы, которые демонстрируют двойное лучепреломление, обусловленное, например, деформацией во время процесса производства.
Термин «полимерный слой», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, охватывает полимерные материалы в виде листов, полос, лент, волокон, тесьмы, плетения и стеклопряжи. Изобретение не ограничено плоскими полимерными слоями и включает в себя полимерные слои, которые были изогнуты, отлиты в форме или отформованы иным образом, при условии, что упорядоченный полимер в пределах полимерного слоя ориентирован с углом предварительного наклона относительно поверхности объекта, как определено выше.
Термины «упорядоченный» и «ориентированный», в качестве используемых в материалах настоящей заявки в отношении полимеров, фотолюминесцентных материалов или групп, содержащихся в этих полимерах или материалах, являются синонимами и указывают, что среди этих полимеров, материалов или групп является преобладающей конкретная пространственная ориентация.
Терминологией «упорядоченный полимер, обладающий углом предварительного наклона в 10-90°» обозначено, что мезогенная группа упорядоченного полимера ориентирована с углом предварительного наклона по меньшей мере в 10-90° относительно поверхности люминесцентного объекта.
Термин «жидкий кристалл» или «мезоген» используется для указания материалов или компаундов, содержащих один или более (полу-) жестких, палочкообразных, бананообразных, имеющих форму планки или дискообразных мезогенных групп, то есть групп со способностью вызывать поведение жидкокристаллической фазы. Жидкокристаллические компаунды с палочкообразными или имеющими форму планки группами также известны в данной области техники как «каламитные» жидкие кристаллы. Жидкокристаллические компаунды с дискообразной группой также известны в данной области техники как «дискотические» жидкие кристаллы. Компаунды или материалы, содержащие мезогенные группы, необязательно должны демонстрировать жидкокристаллические фазы сами по себе. Также возможно, что они показывают поведение жидкокристаллической фазы только в смесях с другими компаундами, или когда мезогенные компаунды или материалы, либо их смеси, полимеризуются.
Ради простоты, термин «жидкокристаллический материал» используется в дальнейшем как для описания жидкокристаллических материалов, так и мезогенных материалов, а термин «мезоген» используется для мезогенных групп материала. Компаунды или материалы, содержащие мезогенные группы не обязательно должны демонстрировать жидкокристаллические фазы сами по себе. Также возможно, что они показывают поведение жидкокристаллической фазы только в определенном (полимеризованном) слое, например слое покрытия на волноводе (смотрите ниже).
Термин «жидкокристаллический мономер», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, указывает на материал, который может подвергаться полимеризации, тем самым внося составные элементы в основную структуру жидкокристаллического полимера.
Термин «реактивный жидкокристаллический мономер», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, указывает на жидкокристаллический мономер, который содержит в себе реактивную группу, которая может полимеризоваться для формирования жидкокристаллического полимера или жидкокристаллической полимерной сети.
Термин «жидкокристаллический полимер», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, указывает на полимерный материал в мезоморфном состоянии, обладающем длиннодиапазонным ориентационным порядком и либо частичным упорядочением, либо полным разупорядочением (IUPAC Recommendations 2001; Pure Appl. Chem. (2002) 74 (3), 493-509).
Термин «дихроичное отношение», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, указывает на дихроичное отношение, выведенное из избирательного по поляризации поглощения фотолюминесцентного материала.
Дихроичное отношение выводится из измерений поглощения с использованием линейно поляризованного света с помощью уравнения, приведенного ниже:
R=A///A⊥
В этом уравнении: R - дихроичное отношение, A// - оптическая плотность образца с электрическим полем падающего света, выровненным параллельно направлению упорядочения, наведенному упорядоченным полимером, а A⊥ - оптическая плотность образца с электрическим полем падающего света, выровненным перпендикулярно направлению упорядочения, наведенного упорядоченным полимером. Дихроичное отношение фотолюминесцентного материала может определяться посредством разных технологий, широко известных в данной области техники, пригодность каковых технологий зависит от природы фотолюминесцентного материала и от матрицы упорядоченного полимера, в которой он удерживается.
Фраза «гомеотропно упорядоченное фотолюминесцентное полимерное покрытие» указывает на полимерное покрытие, содержащее фотолюминесцентный материал, в котором угол начального наклона составляет 90°.
Термин «угол предварительного наклона» упорядочения указывает ссылкой на угол, образованный с горизонталью, например поверхностью верхнего слоя, и известен специалисту в данной области техники.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает поперечное сечение оптического слоистого изделия, содержащего люминесцентный слой 1 и волновод 2. Слоистое изделие, кроме того, содержит два избирательных по длине волны и избирательных по поляризации отражающих холестерических слоя 7 и 8, а также отражательный зеркальный слой 9. Оптическое излучение, представленное стрелками 4, проникает в слоистое изделие через левосторонний холестерический слой 8 и правосторонний холестерический слой 7 и достигает люминесцентного слоя 1. В пределах люминесцентного слоя 1 фотолюминесцентные молекулы 3, которые были упорядочены с предварительным наклоном, возбуждаются падающим излучением 4 и испускают оптическое излучение, изображенное стрелками 5. Большая доля испускаемого излучения 5 проникает в волновод 2, где оно внутренне отражается до тех пор, пока не достигает выхода 10 или 11. Холестерические слои 7 и 8 гарантируют, что не более чем очень маленькая доля испускаемого излучения 5 будет просачиваться из слоистого изделия, так как вместе эти избирательные по длине волны зеркала 7 и 8 эффективно отражают испускаемое излучение, которое повторно проникает в люминесцентный слой 1. Зеркальный слой 9 отражает оптическое излучение 4 и испускаемое излучение 5 обратно в волновод.
Фиг.2 изображает поперечное сечение оптического слоистого изделия, которое идентично показанному на Фиг.1, за исключением того, что зеркальный слой 9 заменен двумя холестерическими слоями 9a и 9b. Посредством применения сочетания холестерических слоев 7, 8, 9a и 9b, которые являются в большой степени отражательными по отношению к испускаемому излучению 5, но прозрачными по отношению к оптическому излучению 12, которое не поглощается молекулами 3 фотолюминесцентного красителя, может гарантироваться, что оптическое излучение 12 будет проходить через завершенное слоистое изделие. Это конкретное слоистое изделие может преимущественно применяться в качестве оконного стекла, которое избирательно концентрирует долю падающего солнечного света, в то время как предоставляет другой доле возможность проходить через оконное стекло. Как упомянуто выше, вместо двух слоев 9a и 9b может использоваться большее или меньшее количество слоев.
Фиг.3 изображает поперечное сечение оптического слоистого изделия, содержащего люминесцентный слой 1 и волновод 2. Слоистое изделие, кроме того, содержит полимерный стопочный слой 7, содержащий множество подслоев с 7a по 7k, а также отражательный зеркальный слой 9. Оптическое излучение, представленное стрелками 4, проникает в слоистое изделие через полимерный стопочный слой 7 и достигает люминесцентного слоя 1. В пределах люминесцентного слоя 1 упорядоченные по наклону фотолюминесцентные молекулы 3 возбуждаются падающим излучением 4 и испускают оптическое излучение, изображенное стрелками 5. Большая доля испускаемого излучения 5 проникает в волновод 2, где оно внутренне отражается до тех пор, пока не достигает выхода 10. Полимерный стопочный слой 7 гарантирует, что не более чем очень маленькая доля испускаемого излучения 5 будет просачиваться из оптического слоистого изделия, так как это избирательное по длине волны зеркало 7 эффективно отражает испускаемое излучение, которое повторно проникает в люминесцентный слой 1. Зеркальный слой 9 отражает оптическое излучение 4 и испускаемое излучение 5 обратно в волновод. Три стороны оптического слоистого изделия, в том числе, выход 11, также снабжены отражательным зеркальным покрытием 9, которое отражает оба, оптическое излучение 4 и испускаемое излучение 5, обратно в волновод 2. Таким образом, фактически, единственным выходом для испускаемого излучения из оптического слоистого изделия является выход 10, который оптически присоединен к фотогальваническому элементу 13.
Фиг.4 изображает поперечное сечение оптического волокна, содержащего люминесцентный слой 1 и сердцевину 2 волновода. Слоистое изделие, кроме того, содержит два избирательных по длине волны и избирательных по поляризации отражающих холестерических слоя 7 и 8. Оптическое излучение, представленное стрелками 4, проникает в слоистое изделие через левосторонний холестерический слой 8 и правосторонний холестерический слой 7 и достигает люминесцентного слоя 1. В пределах люминесцентного слоя 1 упорядоченные по наклону фотолюминесцентные молекулы 3 возбуждаются падающим излучением 4 и испускают оптическое излучение, изображенное стрелками 5. Большая доля испускаемого излучения 5 проникает в волновод 2, где оно внутренне отражается до тех пор, пока не достигает выхода 10. Холестерические слои 7 и 8 гарантируют, что не более чем очень маленькая доля испускаемого излучения 5 будет просачиваться из слоистого материала, так как вместе эти избирательные по длине волны зеркала 7 и 8 эффективно отражают испускаемое излучение, которое повторно проникает в люминесцентный слой 1.
Фиг.5a изображает поперечное сечение оптического волокна, содержащего люминесцентную сердцевину 1 и волновод 2. Слоистое изделие, кроме того, содержит два избирательных по длине волны и избирательных по поляризации отражающих холестерических слоя 7 и 8. Оптическое излучение, представленное стрелками 4, проникает в слоистое изделие через левосторонний холестерический слой 8 и правосторонний холестерический слой 7 и достигает люминесцентной сердцевины 1. В пределах люминесцентного слоя 1 упорядоченные по наклону фотолюминесцентные молекулы 3 возбуждаются падающим излучением 4 и испускают оптическое излучение, изображенное стрелками 5. Большая доля испускаемого излучения 5 проникает в волновод 2, где оно внутренне отражается до тех пор, пока оно не достигает выхода 10. Холестерические слои 7 и 8 гарантируют, что не более чем очень маленькая доля испускаемого излучения 5 будет просачиваться из слоистого материала, так как вместе эти избирательные по длине волны зеркала 7 и 8 эффективно отражают испускаемое излучение, которое попадает на наружную стенку волновода 2.
Фиг.5b изображает поперечное сечение оптического волокна, содержащего люминесцентную сердцевину 1. Слоистое изделие, кроме того, содержит избирательный по длине волны и избирательный по поляризации отражающий холестерический слой, в этом варианте осуществления два слоя 7 и 8. Холестерические слои(й) 7 и 8 гарантируют, что не более чем очень маленькая доля испускаемого излучения 5 будет просачиваться из оптического волокна, так как вместе эти избирательные по длине волны зеркала 7 и 8 эффективно отражают испускаемое излучение, которое попадает на наружную стенку сердцевины 1. Фотолюминесцентный материал может быть упорядоченным (как изображено) или может быть изотропно скомпонованным (также смотрите ниже).
Фиг.6 изображает поперечное сечение оптического слоистого изделия, содержащего люминесцентный слой 1 и волновод 2. Люминесцентный слой 1 содержит в себе множество изотропно скомпонованных молекул 3 фотолюминесцентного красителя. Падающее оптическое излучение 4 проникает в люминесцентный слой 1, где оно возбуждает молекулы 3 фотолюминесцентного материала на испускание оптического излучения 5 во всех направлениях. Как может быть видно из Фиг.1, значительная доля испускаемого излучения покидает люминесцентный слой 1 через верхнюю поверхность 6, таким образом, снижая эффективность, с которой слоистое изделие способно к концентрированию падающего излучения.
Фиг.7 изображает поперечное сечение оптического слоистого изделия, которое идентично изображенному на Фиг.6, за исключением того, что множество молекул 3 фотолюминесцентного красителя было упорядочено с относительно небольшим углом предварительного наклона α. Молекулы 3 фотолюминесцентного красителя испускают оптическое излучение 5, главным образом, в направлении, перпендикулярном упорядочению предварительного наклона. Как показано на фигуре, излучение испускается с относительно большим углом относительно поверхности 14 раздела между люминесцентным слом 1 и волноводом 2, предоставляя большой доле упомянутого излучения возможность связываться в волноводе.
Фиг.8 изображает поперечное сечение оптического слоистого изделия, которое идентично изображенному на Фиг.6, за исключением того, что множество молекул 3 фотолюминесцентного красителя было упорядочено по наклону с относительно большим углом α предварительного наклона. Молекулы 3 фотолюминесцентного красителя испускают оптическое излучение 5, главным образом, в направлении, перпендикулярном упорядочению по наклону. Следовательно, значительная доля испускаемого излучения 5 будет попадать на поверхность раздела между люминесцентным слоем 1 и волноводом 2 с углом, который предпочтительно больше, чем угол отражения, означая, что большая часть этого излучения будет отражаться на поверхности 14 раздела люминесцентного слоя 1 и волновода 2.
Фиг.9 представляет результаты примера 1.
Фиг.10 схематично изображает измерительную установку, которая используется в материалах настоящей заявки.
Фиг.11 представляет результаты примера 2.
Фиг.12 схематично изображает измерительную установку, которая используется в материалах настоящей заявки.
Фиг.13a-13c схематично изображают некоторое количество общих вариантов осуществления согласно изобретению, в которых люминесцентный слой 1 содержит в себе множество изотропно скомпонованных молекул 3 фотолюминесцентного красителя. Фиг.13a схематично изображает основной вариант осуществления с люминесцентным слоем 1 и избирательным по длине волны зеркалом, содержащим избирательное по длине волны зеркало 7 (или 8), которое предпочтительно содержит холестерический слой, отражающий свет с правой или левой круговой поляризацией. Фиг.13b схематично изображает вариант осуществления, содержащий два избирательных зеркальных слоя 7 и 8, предпочтительно содержащих холестерические слои, которые предпочтительно отражают свет с левой и правой круговой поляризацией соответственно. Фиг.13c схематично изображает вариант осуществления с некоторым количеством избирательных по длине волны зеркал 7 (или 8), все слои являются отражательными для света с круговой или линейной поляризацией. Предпочтительно, эти слои содержат холестерические слои, которые предпочтительно все отражают свет с левой или правой круговой поляризацией, то есть вариант осуществления с некоторым количеством холестерических слоев, каждый из которых отражает свет с левой или правой круговой поляризацией. Как будет ясно специалисту в данной области техники, возможны комбинации этих вариантов осуществления. Не начерчены, но в дополнение к люминесцентному слою 1 могут быть волновод 2 и одно или более зеркал 9, 9a, 9b, или другие слои, как изображено на Фиг.1-5a, 14a-e и 16a-c. Например, люминесцентный слой 1 на Фиг.1-a, 14a-e и 16a-c может, взамен изображенного упорядочения, содержать в себе множество изотропно скомпонованных молекул 3 фотолюминесцентного красителя. Это означает, что слой 1 в вариантах осуществления, например, как изображенные на Фиг.1-5b, 14a-e, 15 и 16a-c, может, взамен упорядоченных фотолюминесцентных молекул 3, содержать в себе изотропно скомпонованные фотолюминесцентные молекулы 3. Ели не представлен никакой отдельный волновод 2, фотолюминесцентные молекулы предпочтительно компонуются изотропно; если волновод 2 представлен, могут быть представлены изотропно или упорядоченные фотолюминесцентные молекулы 3.
Фиг.14a-14e схематично изображают варианты осуществления устройств согласно изобретению, содержащих LSC и фотогальванический элемент 13. Вместо зеркала 9 также могут использоваться один или более холестерических слоев (также смотрите Фиг.5).
Фиг.15 схематично изображает вариант осуществления устройства согласно изобретению, содержащий некоторое количество (то есть здесь 2 или более) LSC и фотогальванический элемент 13. Оптическое связывание может достигаться с помощью волноводов (например, оптических волокон) 26. Излучение из волноводов 2, не обязательно, может коллимироваться в волноводы 26 посредством коллиматоров 25.
Фиг.16a (зеркало 9 или один или более холестерических слоев не включены в состав) и 16b схематично показывают варианты по Фиг.1 и 14b (но также могут применяться в качестве вариантов к другим вариантам осуществления). Фиг.16c схематично показывает еще один вариант по Фиг.1 (но также может применяться в качестве варианта к другим вариантам осуществления).
Схематичные фигуры в материалах настоящей заявки не исключают наличия других элементов, например подобных слоям упорядочения для упорядочения одного или более холестерических слоев(я), или слоев упорядочения для создания упорядочения слоев(я) упорядоченного полимера, как будет ясно специалисту в данной области техники.
Кроме того, со ссылкой на Фиг.1-5a и 14a-e, изобретение также предписывает варианты осуществления, в которых положения волновода 2 и люминесцентного слоя 1 поменяли местами. Например, со ссылкой на Фиг.1, это могло бы дать стопу со следующей последовательностью: холестерический слой 8, холестерический слой 7, волновод 2, люминесцентный слой 1, отражательное зеркало 9 (смотрите Фиг.16a). Со ссылкой, например, на Фиг.14a, это могло бы дать стопу со следующей последовательностью: холестерический слой 8, холестерический слой 7, волновод 2, слой 20 упорядочения, люминесцентный слой 1, отражательное зеркало 9 (смотрите Фиг.16b). Подобным образом это применяется к другим описанным и схематично изображенным в материалах настоящей заявки вариантам осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Люминесцентный солнечный элемент также описан в DE 2737847, содержащей элементы, удерживающие флуоресцентные растворы, чередующиеся с элементами, содержащими газ (воздух). Однако LSC по DE 2737847 не содержит волновода, а также не раскрывает ориентированный фотолюминесцентный материал, являющийся зафиксированным в неподвижном состоянии в пределах упорядоченного полимера, при котором упорядоченный полимер обладает углом предварительного наклона в 10-90° относительно поверхности люминесцентного объекта. Кроме того, D1 описывает использование интерференционных фильтров, но не описывает использование холестерического материала в качестве избирательного по длине волны зеркала. Отсюда, LSC или, более точно, люминесцентный объект по DE 2737847 не дает описанных в материалах настоящей заявки преимуществ LSC и люминесцентного объекта соответственно. Люминесцентные слои и избирательные по длине волны слои также могут быть узнаны из US 2002/07035, EP 0933655 и US 2004/0105617, но никакой из этих документов не описывает люминесцентный слой и избирательное по длине волны зеркало, содержащие холестерический материал.
Первый аспект изобретения относится к люминесцентному объекту, содержащему:
a. люминесцентный слой или сердцевину, содержащие в себе фотолюминесцентный материал; и
b. избирательное по длине волны зеркало;
при этом люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина оптически присоединены к избирательному по длине волны зеркалу, упомянутое избирательное по длине волны зеркало является по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 50% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом.
Существенный аспект настоящего изобретения состоит в том, что отражающая способность избирательного по длине волны зеркала для излучения, испускаемого фотолюминесцентным материалом, по существу превышает отражательную способность того же самого зеркала для оптического излучения, поглощаемого упомянутым фотолюминесцентным материалом. Предпочтительно, отражательная способность для испускаемого излучения превышает отражательную способность для поглощаемого излучения по меньшей мере на 50%, более предпочтительно - по меньшей мере на 80%, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере на 100%.
Для того чтобы воспользоваться полным преимуществом от избирательного по длине волны зеркала, упомянутое зеркало должно покрывать по меньшей мере 80% одной стороны люминесцентного слоя или по меньшей мере 80% наружной поверхности люминесцентной сердцевины. Более того, предпочтительно применять относительно тонкое избирательное по длине волны зеркало. Типично, толщина избирательного по длине волны зеркала не превышает 100 мкм, предпочтительно, она не превышает 20 мкм. Обычно, толщина вышеупомянутого зеркала будет превышать 5 мкм. Отмечено, что избирательное по длине волны зеркало по настоящему изобретению может надлежащим образом содержать два или более слоев, которые вместе действуют в качестве избирательного по длине волны зеркала, например полимерную стопу или сочетание холестерических слоев.
Эффективность вышеупомянутой компоновки является зависимой как от прозрачности избирательного по длине волны зеркала для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, так и отражательной способности того же самого зеркала для испускаемого излучения. Предпочтительно, оба параметра максимизированы, имея ввиду, что на практике, трудно независимо оптимизировать оба параметра. Является выполнимым предоставлять избирательное по длине волны зеркало, которое является по меньшей мере на 60% прозрачным, более предпочтительно - по меньшей мере на 80% прозрачным, а наиболее предпочтительным - по меньшей мере на 90% прозрачным, для света, который поглощается фотолюминесцентными материалами. Более того, возможно предоставить избирательное по длине волны зеркало, которое является по меньшей мере на 60%, предпочтительно - на 70%, более предпочтительно - по меньшей мере на 90% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом.
Эффективность, с которой представленный объект концентрирует излучение, испускаемое фотолюминесцентным материалом, критически зависит от эффективности, с которой избирательное по длине волны зеркало отражает упомянутое излучение. Типично, избирательное по длине волны зеркало демонстрирует максимальную отражательную способность по меньшей мере в 50%, предпочтительно - по меньшей мере в 60%, более предпочтительно - по меньшей мере в 70%, для оптического излучения с длиной волны в пределах диапазона 500-2000 нм, предпочтительно - в диапазоне 600-2000 нм, а наиболее предпочтительно - в пределах диапазона 630-1500 нм.
Подобным образом, и, в частности, если избирательное по длине волны зеркало расположено, в качестве отдельного слоя, где угодно между люминесцентным слоем/ сердцевиной и поверхностью, которая предназначена для приема падающего оптического излучения, является важным, что высокоэнергетическое излучение, которое способно к возбуждению фотолюминесцентного материала, пропускается упомянутым зеркалом с высокой эффективностью. Соответственно избирательное по длине волны зеркало предпочтительно демонстрирует максимальный коэффициент пропускания по меньшей мере в 60%, предпочтительно - по меньшей мере в 70%, для оптического излучения с длиной волны в пределах диапазона 350-600 нм, предпочтительно - в диапазоне 250-700 нм, и даже еще более предпочтительно - в пределах диапазона 100-800 нм.
Поскольку длина волны излучения, испускаемого фотолюминесцентным материалом будет неизбежно превышать длину волны излучения, поглощаемого тем же самым материалом, предпочтительно, чтобы максимум отражательной способности имел место на длине волны, которая превышает максимум коэффициента пропускания, предпочтительно, по меньшей мере на 30 нм, более предпочтительно - по меньшей мере на 50 нм, даже еще более предпочтительно - по меньшей мере на 100 нм.
Избирательное по длине волны зеркало, применяемое в представленном объекте, преимущественно может содержать полимерное избирательное по длине волны зеркало и/или избирательное по поляризации зеркало.
В преимущественном варианте осуществления избирательное по длине волны зеркало содержит избирательное по поляризации зеркало, которое по меньшей мере на 50%, предпочтительно - по меньшей мере на 60%, более предпочтительно - по меньшей мере на 70%, является прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и которое по меньшей мере на 50%, предпочтительно - по меньшей мере на 70% является отражательным для излучения с круговой или линейной поляризацией при надлежащей поляризации, особенно для излучения с круговой или линейной поляризацией, которое испускается фотолюминесцентным материалом. Такая полезная компоновка может быть реализована применением избирательного по длине волны зеркала, содержащего полимерные стопочные слои и/или холестерические слои.
Представленный люминесцентный объект преимущественно может содержать в себе избирательное по длине волны зеркало, которое содержит холестерический слой кирального нематического полимера. В даже еще более предпочтительном варианте осуществления полимерное избирательное по длине волны зеркало содержит первый холестерический слой, отражающий свет с правой круговой поляризацией, и второй холестерический слой, отражающий свет с левой круговой поляризацией. В последнем варианте осуществления люминесцентный слой надлежащим образом вставлен между холестерическими слоями и волноводом, или, в качестве альтернативы, волновод вставлен между холестерическими слоями и люминесцентным слоем. Предпочтительно, люминесцентный слой вставлен между смежными холестерическими слоями и волноводом. Холестерические слои способны к эффективному отражению узкой полосы излучения с круговой поляризацией. В зависимости от спиральной ориентации холестерического слоя слой будет отражать излучение либо с правой, либо с левой круговой поляризацией. Посредством применения двух холестерических слоев с противоположными спиральными ориентациями свет с обеими, и правой, и левой круговой поляризацией, будет эффективно отражаться.
Представленный люминесцентный объект также может содержать в себе избирательное по длине волны зеркало, которое содержит один или более холестерических слоев(й) кирального нематического полимера. Предпочтительно, полимерное избирательное по длине волны зеркало содержит один или более слоев, выбранных из группы, состоящей из холестерического слоя, отражающего свет с правой круговой поляризацией, и холестерического слоя, отражающего свет с левой круговой поляризацией. В варианте осуществления люминесцентный упорядоченный полимерный слой может быть вставлен между холестерическим слоем(ями) и волноводом, либо волновод может быть вставлен между холестерическим слоем(ями) и слоем люминесцентного упорядоченного полимера. Предпочтительно, слой люминесцентного упорядоченного полимера вставлен между смежными холестерическими слоями и волноводом.
В отдельных вариантах полимерное избирательное по длине волны зеркало содержит один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с правой круговой поляризацией, либо один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с левой круговой поляризацией, или содержит как один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с правой круговой поляризацией, так и один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с левой круговой поляризацией. «Простая» левосторонняя или правосторонняя двухслойная система, например, может отражать только в полосе пропускания света в 75 нм. Возможно расширить полосу, но в данной области техники это оказывается непростым. Согласно изобретению преимущественно может быть легче расширить полосу длин волн, отражаемых наслоением следующих один за другим правосторонних холестерических структур поверх каждого другого, сопровождаемого левосторонним поверх каждого другого, или наоборот, либо любой комбинации право- и левосторонних слоев. Также потенциально возможно использовать только одно, правое или левое направление холестерических структур для всего образца, то есть, например, 2-5 левосторонних слоев или 2-5 правосторонних слоев. Изобретение не ограничено 2-слойной системой.
Киральное вещество, смешанное с нематическим материалом, вызывает спиральное скручивание, превращающее материал в киральный нематический материал, который синонимичен холестерическому материалу. Холестерический модуль кирального нематического материала может изменяться по довольно большому диапазону со сравнительной легкостью. Модуль, порожденный киральным веществом, в первом приближении, обратно пропорционален концентрации используемого кирального материала. Коэффициент пропорциональности этой зависимости назван мощностью спирального скручивания (HTP) кирального вещества и определяется уравнением:
HTP=1/(c P)
в котором c - концентрация кирального вещества, а P - наведенный спиральный модуль.
Оптически активные компаунды, которые способны к индуцированию спиральной структуры, обычно указываются ссылкой как «киральная присадка». Были синтезированы многие киральные присадки, и их типичные примеры включают в себя соединения, представленные следующей структурой: 2,2-диметил-4,5-дифенил-1,3-диоксолан
ZLI 811, бензойная кислота, 4-гексил-, 4[[(1-метилгептил)окси]карбонил]фениловый эфир (9CI)
Холестерический слой или комбинация холестерических слоев преимущественно отражает оптическое излучение, испускаемое люминесцентным слоем или сердцевиной, и, главным образом, является прозрачным для оптического излучения с длиной волны в диапазоне 100-600 нм, предпочтительно - 250-700 нм, а наиболее предпочтительно - 350-800 нм.
В еще одном варианте осуществления представленный люминесцентный объект дополнительно содержит избирательное по длине волны зеркало в виде полимерного стопочного слоя, который является сильно отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом. Более точно, полимерное избирательное по поляризации зеркало содержит первый полимерный стопочный слой, отражающий одну плоскость поляризованного света, и второй полимерный стопочный слой, отражающий противоположную плоскость поляризованного света, при этом люминесцентный слой вставлен между полимерными стопочными слоями и волноводом, или при этом волновод вставлен между полимерными стопочными слоями и люминесцентным слоем.
В отдельном варианте осуществления предусмотрен люминесцентный объект, в котором избирательное по длине волны зеркало содержит первый полимерный стопочный слой, отражающий одну поляризацию света, и второй полимерный стопочный слой, отражающий противоположную поляризацию света, оба полимерных стопочных слоя являются расположенными на одной и той же стороне люминесцентного слоя или являются расположенными снаружи люминесцентной сердцевины.
Полимерные стопочные слои способны к избирательному отражению оптического излучения в пределах определенного диапазона длин волн. Полимерные стопочные слои также указываются ссылкой как многослойные отражатели и используются, чтобы распределять участки электромагнитных спектров между отражением или пропусканием. Полимерные стопочные слои типично используют некоторое количество слоев по меньшей мере из двух разных материалов в пределах оптической стопы. Разные материалы обладают показателями преломления вдоль по меньшей мере одной оси в плоскости стопы, которые являются достаточно разными, чтобы по существу отражать свет на поверхности раздела слоев. Полимерные стопочные слои могут конструироваться, чтобы отражать оптическое излучение, падающее при нормальном и/или косом углах падения.
Предпочтительно, полимерные стопочные слои в представленном люминесцентном объекте были сконструированы, чтобы отражать оптическое излучение выше 600 нм, более предпочтительно - выше 700 нм, а более предпочтительно - выше 800 нм. В предпочтительном варианте осуществления люминесцентный слой вставлен между полимерным стопочным слоем и волноводом.
Полимерные стопочные слои, которые применяются в качестве избирательных по длине волны зеркал в соответствии с настоящим изобретением, могут приготавливаться надлежащим образом, с использованием методологии, описанной в US 6157490 и Weber, M. F. et al. Science 287, 2451, которые включены в материалы настоящей заявки посредством ссылки.
Фотолюминесцентный материал, применяемый в соответствии с изобретением, типично испускает оптическое излучение с длиной волны в диапазоне от 100 нм до 2500 нм. Предпочтительно, фотолюминесцентный материал испускает излучение в диапазоне 250-1500 нм, более предпочтительно - в диапазоне 400-1000 нм. Для многих применений оптимальный фотолюминесцентный материал имеет широкий диапазон поглощения, покрывающий большую часть солнечного спектра, а также узкий диапазон испускания, имеющий до некоторой степени более длинную длину волны. Таким образом, фотолюминесцентный материал поглощает входящее солнечное излучение и испускает его на другой длине волны. Фотолюминесцентный материал, применяемый в представленном объекте, типично обладает кривой поглощения с максимумом поглощения ниже 800 нм, предпочтительно - ниже 700 нм, а наиболее предпочтительно - ниже 600 нм. Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления объект поглощает свет между 500 и 600 нм и испускает свет при более длинной длине волны.
Изобретатели обнаружили, что эффективность представленного люминесцентного объекта, как элемента LSC-системы, может заметно увеличиваться применением в нем люминесцентного слоя или люминесцентной сердцевины, содержащих упорядоченный полимер, который содержит в себе ориентированный фотолюминесцентный материал. Упорядочение полимера используется для порождения ориентации фотолюминесцентного материала.
Излучение, испускаемое неупорядоченным изотропным фотолюминесцентным материалом, распространяется во всех направлениях, с легким преимуществом для направления испускания, перпендикулярного LSC-системе, для освещения, перпендикулярного плоскости LSC-системы. Другими словами, большая доля света испускается вне моды волноводного распространения и не переносится в пределах волновода. Надлежащее упорядочение фотолюминесцентного материала внутри полимера гарантирует, что большая доля света, испускаемого ориентированным фотолюминесцентным материалом, излучается в моду волноводного распространения LSC-системы.
Таким образом, в случае упорядочения со значительным углом предварительного наклона, излучение будет испускаться с углом, который предоставляет ему возможность очень эффективно привязываться к волноводу. В качестве альтернативы, в случае упорядочения с большим углом предварительного наклона, относительно большая доля испускаемого излучения будет сталкиваться с поверхностью раздела люминесцентного объекта с воздухом под углом, большим, чем критический угол полного отражения, и оставаться внутри объекта. Следовательно, использование упорядоченного фотолюминесцентного материала дает возможность удерживать гораздо большую долю испускаемого света внутри LSC-системы, чем было осуществимо до сих пор. Как результат, настоящее изобретение дает возможность повысить эффективность работы LSC-систем на более чем 25%.
Соответственно предпочтительный вариант осуществления изобретения относится к люминесцентному объекту, в котором люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина содержит упорядоченный полимер, который содержит в себе ориентированный фотолюминесцентный материал, упомянутый упорядоченный полимер обладает углом предварительного наклона в 10-90°. Если испускаемый свет излучается фотолюминесцентным материалом при относительно небольшом угле относительно поверхности объекта (требующем использования относительно высокого угла предварительного наклона), испускаемый свет может эффективно переноситься в пределах плоскости, параллельной упомянутой поверхности, например, на выход или фотогальваническое устройство. Таким образом, представленная пленка может применяться, по существу, без отдельного волновода, например в LSC. В этом конкретном случае весьма полезно использовать фотолюминесцентные материалы с большим стоксовым сдвигом и/или небольшим перекрытием между спектрами поглощения и испускания, чтобы избежать больших потерь света из-за явления перепоглощения.
В варианте осуществления предусмотрен люминесцентный объект, содержащий люминесцентный слой и волновод, при этом объект является оптическим слоистым изделием или оптическим волокном, люминесцентный объект является оптически присоединенным к волноводу, люминесцентный объект содержит упорядоченный полимер, который содержит в себе ориентированный фотолюминесцентный материал, упомянутый ориентированный фотолюминесцентный материал является фиксированным в неподвижном состоянии в пределах упорядоченного полимера, а упомянутый упорядоченный полимер обладает углом предварительного наклона в 10-90° относительно поверхности объекта.
Люминесцентный объект согласно изобретению преимущественно также может оптически присоединяться к (прозрачному) волноводу (без флуоресцентных красителей), в то время как эффективность передачи (или связывания) испускаемого света в волноводе значительно увеличивается настоящим изобретением, особенно, если фотолюминесцентный материал ориентирован с углом предварительного наклона в пределах диапазона 30-70°. Оптическое связывание представленного люминесцентного объекта может достигаться надлежащим образом посредством изготовления многослойной структуры (например, оптического слоистого изделия или многослойного оптического волокна), в которой люминесцентный объект присоединен в виде отдельного слоя к волноводу.
Типично, фотолюминесцентный материал упорядочен в пределах люминесцентного слоя/ сердцевины в по существу таком же направлении, как мезогеннная группа упорядоченного полимера. Дихроичные фотолюминесцентные материалы, в частности, пригодны для использования в соответствии с настоящим изобретением, так как они могут быть относительно легко ориентированы в пределах матрицы упорядоченного полимера, например жидкокристаллического полимера.
Мезоген может быть реактивным мезогеном или нереактивным мезогеном. Примерами пригодных нереактивных мезогенов являются доступные для приобретения у Merck™, например, как описанные в их рекламном проспекте продукта Licristal® Liquid Crystal Mixtures for Electro-Optic Displays (Жидкокристаллические смеси Licristal® для электрооптических устройств отображения) (май 2002), чье содержание касательно нереактивных мезогенов включено в материалы настоящей заявки посредством ссылки.
Примерами пригодных реактивных мезогенов являются содержащие акрилатные, метакрилатные, эпоксидные, винилэфирные, стиреновые, тиоленовые и оксетановые группы. Подходящие примеры описаны, например, в WO 04/025337, чье содержание касательно реактивных мезогенов, упомянутых в WO 04/025337 в качестве полимеризуемых мезогенных соединений и полимеризуемых жидкокристаллических материалов включено в материалы настоящей заявки посредством ссылки. Также могут использоваться смеси реактивных мезогенов (Merck™ Reactive Mesogenes).
Также могут использоваться смеси реактивных и нереактивных мезогенов. В случае смеси все мезогены предпочтительно находятся в упорядоченном состоянии в завершающем слое.
В случае жидкокристаллических полимеров полезно включать и/или растворять флуоресцентный материал в жидкокристаллический реактивный мономер. Эти мономеры легко упорядочиваются в присутствии поля (деформационного, магнитного, электрического, поляризационного, механического вытягивания) или в присутствии слоев упорядочения (зачищенных или незачищенных полиимидов, линейных фотополимеризуемых материалов и т.п.). Предварительный наклон, который формируется, может легко контролироваться специалистами в данной области техники (например, смотрите Sinha et al. (2001) Appl. Phys. Lett. 79, 2543). После надлежащего упорядочения реактивного мономера (смеси) выполняется тепловая или вызванная излучением полимеризация жидкокристаллического мономера. В отдельных случаях полезно добавлять подходящие инициаторы полимеризации. Например, в случае полимеризации с помощью ультрафиолетового света используется (ультрафиолетовый) УФ-инициатор (например, смотрите Irgacure 184, Ciba Specialty Chemicals), а в случае температурной полимеризации используется надлежащий тепловой инициатор (например, 2,2'-азо-бисизобутиронитрил (AIBN), Aldrich Chemicals).
Возможно различать несколько разновидностей ориентаций предварительного наклона. Согласно типичному примеру ориентации предварительного наклона директор молекул жидкого кристалла в жидкокристаллическом слое всегда одинаков в любом положении в направлении толщины пленки, также осуществимо обеспечивать ориентацию, в которой, поблизости от одной из поверхностей слоя, директор в целом параллелен упомянутой поверхности, и, по мере того как приближается противоположная поверхность слоя, директор постепенно изменяется, демонстрируя гомеотропную ориентацию или ориентированное состояние, близкое к ней (скошенная конфигурация). Как ориентация предварительного наклона, при которой угол между директором и проекцией директора на плоскость слоя является постоянным в любой точке в направлении толщины слоя, так и ориентация, при которой упомянутый угол непрерывно изменяется в направлении толщины слоя, включены в объем ориентации предварительного наклона в качестве указываемой ссылки в материалах настоящей заявки.
В предпочтительном варианте осуществления представленный люминесцентный объект содержит по меньшей мере один слой упорядоченного полимера, содержащего в себе ориентированный фотолюминесцентный материал, при этом верхняя поверхность упомянутого слоя совпадает с или тянется параллельно верхней поверхности люминесцентного объекта. Такой люминесцентный объект может применяться для концентрирования падающего оптического излучения весьма эффективным образом.
Представленный люминесцентный объект может содержать один или более слоев, содержащих упорядоченный полимер и ориентированный фотолюминесцентный материал. Использование нескольких таких слоев предлагает преимущество, что каждый из слоев может быть оптимизирован для поглощения конкретной полосы пропускания оптического излучения, так что вся пленка способна к поглощению и концентрированию широкого спектра оптического излучения. Использование нескольких слоев также предоставляет разным полимерам возможность использоваться в каждом слое, как продиктовано преимуществами отдельных фотолюминесцентных красителей или необходимостью достижения специальных упорядочений по наклону.
Фотолюминесцентный материал, применяемый в люминесцентном объекте, мог быть надлежащим образом подмешан в упорядоченный полимер разбавлением упорядоченного полимера ориентированным фотолюминесцентным материалом. В качестве альтернативы, ориентированный фотолюминесцентный материал может ковалентно связываться с упорядоченным полимером. В соответствии с еще одним другим подходящим вариантом осуществления ориентированным фотолюминесцентным материалом является мезогенная группа упорядоченного полимера.
Ориентированный фотолюминесцентный материал в представленном объекте может состоять из одиночного фотолюминесцентного компонента или может содержать смесь фотолюминесцентных компонентов. Может быть полезным применять сочетание фотолюминесцентных компонентов, каждый из которых поглощает оптическое излучение разных длин волн. Таким образом, посредством выбора подходящего сочетания фотолюминесцентных компонентов может гарантироваться, что фотолюминесцентный материал, содержащийся в представленном объекте, поглощает широкую зону оптического излучения, например основную часть спектра солнечного излучения. Если представленный объект содержит в себе множество слоев, может быть полезным применять разные фотолюминесцентные материалы в разных слоях. Таким образом, эксплуатационные показатели представленного объекта в показателях эффективности концентрирования света могут максимизироваться. Как и следовало ожидать, если используется комбинация фотолюминесцентных компонентов, необходимо позаботиться, чтобы гарантировать, что есть небольшое или никакого перекрытия между длинами волн, на которых эта комбинация флуоресцентных компонентов испускает и поглощает излучение, или, если есть сильное перекрытие, комбинация должна действовать как каскад, подразумевая, что излучение, испускаемое одним фотолюминесцентным компонентом и поглощаемое другим компонентом, будут заставлять излучать последний компонент.
Ориентированный фотолюминесцентный материал, применяемый в люминесцентном объекте по настоящему изобретению, предпочтительно обладает дихроичным отношением по меньшей мере 2,0, более предпочтительно - по меньшей мере 3,0, наиболее предпочтительно - по меньшей мере 5,0. При планарной ориентации, дихроичный фотолюминесцентный материал будет поглощать одно направление линейной поляризации оптического излучения до существенно большей степени, чем другие.
Дихроичные фотолюминесцентные материалы, в частности, пригодны для использования в представленном люминесцентном объекте. Согласно предпочтительному варианту осуществления ориентированный фотолюминесцентный материал содержит органические и/или полимерные фотолюминесцентные красители. В качестве используемого в материалах настоящей заявки «фотолюминесцентный краситель» означает краситель, которым является молекула, которая осуществляет окрашивание сама по себе и, таким образом, поглощает свет в видимом спектре и, возможно, в ультрафиолетовом спектре (длины волн, находящиеся в диапазоне от 100 до 800 нанометров), но которая, в отличие от обычного красителя, преобразует поглощенную энергию во флуоресцентный свет более длинной длины волны, испускаемый, главным образом, в видимой области спектра. Фотолюминесцентные красители должны обладать высокой квантовой эффективностью, хорошей стабильностью и быть высокоочищенными. Красители обычно являются присутствующими в концентрации от 10-1 до 10-5 молярных процентов. Типичные примеры органических флуоресцентных красителей, которые могут надлежащим образом применяться в соответствии с настоящим изобретением, включают в себя, но не в качестве ограничения, замещенные пираны (такие как DCM), кумарины (такие как Кумарин 30), родамины (такие как Родамин B), серии Lumogen™ BASF®, производные перилена, серии LDS Exciton®, нильский голубой, нильский красный, DODCI, оксазины, пиридины, серии «стирила» (Lambdachrome®), диоксазины, нафталимиды, тиазины и стилбены.
Существенный аспект настоящего изобретения состоит в том, что ориентированный фотолюминесцентный материал зафиксирован в неподвижном состоянии в пределах матрицы упорядоченного полимера. Объект, основанный на жидкокристаллическом полимере и содержащий в себе фотолюминесцентный материал, может быт упорядочен несколькими способами. В случае жидкокристаллических полимеров часто является предпочтительным упорядочивать реактивный жидкокристаллический мономер и, впоследствии, полимеризовать мономер, как обсуждено ранее. Эта процедура обычно выбирается, так как жидкокристаллические мономеры легко ориентируются (в отличие от большинства жидкокристаллических полимеров).
Поверхность объекта обычно снабжена ориентационным слоем, который вызывает надлежащее упорядочение жидкокристаллического мономера/полимера. Некоторыми возможными ориентационными слоями являются:
a. полиимидные слои упорядочения (зачищенные, притертые или незачищенные, непритертые) традиционно используются для формирования упорядоченных жидкокристаллических полимеров с плоским или гомеотропным упорядочением и/или с определенным предварительным наклоном. Типичными примерами являются Optimer Al 1051 (бывший JSR Micro) для плоского упорядочения и полиимидный лак 1211 (бывший Nissan Chemical) для гомеотропного упорядочения;
b. так называемые линейные полимеризуемые материалы (LPP) могут использоваться в качестве слоя упорядочения с четко определенным предварительным наклоном (например, смотрите Staralign™, Vantico AG, Basel, CH).
Другие технологии для упорядочения жидких кристаллов включают в себя:
a. Запись острым или тупым пером, косонаправленное испарение или напыление SiO2, осаждение под углом скольжения неорганических химикатов, осажденные по Ленгмюру-Блоджету активированные фталоцианинами меди полиметакрилатные слои и алмазоподобные углеродные тонкопленочные слои (например, смотрите ссылки: Varghese et al. (2004) Appl. Phys. Lett. 85, 230; Motohiro, T. and Taga, Y. (1990) Thin Solid Films 185, 137; Castellano, J. A. (1984) 4, 763; Robbie, K. et al. (1999) Nature 399, 764, Lu, R. et al. (1997) Phys. Lett. A 231, 449, Hwang, J-Y et al. (2002) Jpn. J. Appl. Phys. 41, L654).
b. Вызывающие упорядочение поверхностно-активные вещества, например силиланы, высокомолекулярные спирты (например, додеканол) и тому подобное могут использоваться для дополнительной настройки упорядочения жидких кристаллов.
c. Добавление вызывающей упорядочение присадки в жидкокристаллический полимер.
d. Применение механического вытягивания, деформационного, магнитного, электрического поляризационного поля к объекту.
e. Упорядочение полимеров со смектической A-ориентацией посредством пропускания объекта через нагретые ролики. Результирующая сдвиговая деформация заставляет мезогенные группы становиться ориентированными.
f. Упорядочением жидких кристаллов посредством использования реактивных мезогенов, которые достигают смектической C-ориентации посредством (надлежащей) термообработки, сопровождаемой инициацией реакции полимеризации мезогенов, для затворения системы в смектической C-ориентации.
Технологии, которые, в частности, пригодны для подготовки люминесцентного объекта, содержащего упорядоченный полимер, обладающий предварительным наклоном в 30-80°, описаны в Hwang, Z. and Rosenblatt, C. Appl. Phys. Lett. 86, 011908, Lu, M. Jpn. J. Appl. Phys. 43, 8156, Lee, F. K. et al. Appl. Phys. Lett. 85, 5556, The Staralign™ linearly photopolymerizable polymer system (Система линейно фотополимеризуемого полимера Staralign™) (Vantico AG), Varghese, S. et al. Appl. Phys. Lett. 85, 230, и Sinha, G. P. et al. Appl. Phys. Lett. 79, 2543. Эти публикации включены в материалы настоящей заявки посредством ссылки.
Общий полезный результат настоящего изобретения, в частности, резко выражен в люминесцентных полимерных объектах, особенно, плоских объектах, в которых упорядоченный полимер упорядочен с углом предварительного наклона менее чем в 85°, предпочтительно - менее чем 80°. Предпочтительно, угол предварительного наклона составляет 10-89°, более предпочтительно - 10-85°, даже еще предпочтительнее - 15-85°; более предпочтительно - 30-80°; предпочтительно - в диапазоне 30-70°, более предпочтительно - в диапазоне 35-65°, а наиболее предпочтительно - в диапазоне 40-60°.
В частности, когда используется в плоских люминесцентных объектах в сочетании с волноводом, полезно применять упорядоченный полимер с углом предварительного наклона в пределах диапазона 10- 89°, более предпочтительно - 10-85°, даже еще предпочтительней - 15-85°, более предпочтительно - в диапазоне 30-80°; предпочтительно - в диапазоне 30-70°, более предпочтительно - в диапазоне 35-65°, а наиболее предпочтительно - в диапазоне 40-60°. Применение такого угла предварительного наклона дает возможность высокоэффективного связывания испускаемого излучения в волноводе. Как пояснено выше, общий полезный результат настоящего изобретения вытекает из упорядочения фотолюминесцентного материала. Упорядочение фотолюминесцентного материала достигается фиксацией в неподвижном состоянии фотолюминесцентного материала в пределах матрицы упорядоченного полимера. Преобладающая ориентация фотолюминесцентного материала в пределах такой матрицы упорядоченного полимера совпадает с упорядочением упомянутой матрицы полимера. Поэтому будет понятно, что предпочтительные углы ориентации для фотолюминесцентного материала являются такими же, как упомянутые выше в отношении упорядоченного полимера.
Если представленный люминесцентный объект является неплоским объектом, в частности, если упомянутый объект является оптическим волокном, в варианте осуществления может быть полезным угол предварительного наклона более чем в 50°, особенно - более чем в 70°. Наиболее предпочтительно, в случае, когда представленный объект является оптическим волокном, угол предварительного наклона превышает 80°. Однако в еще одном другом, более предпочтительном варианте осуществления угол предварительного наклона находится в диапазоне 30-70°, более предпочтительно - в диапазоне 35-65°, а наиболее предпочтительно - в диапазоне 40-60°.
Уровень упорядочения фотолюминесцентного материала в пределах плоского объекта может быть определен надлежащим образом в показателях параметра упорядочения. Параметр упорядочения определен как:
S=(A//-A⊥)/(A//+2A⊥)
При этом, A// обозначает суммарное поглощение образцом света с вектором электрической напряженности, параллельным направлению упорядочения, A⊥ - поглощение образцом света с вектором электрической напряженности, перпендикулярным направлению упорядочения, а S - усредненная ориентация момента поглощения в стационарном лабораторном стенде. Ссылка: Van Gurp, M. And Lcvine, Y. K., J. Chem. Phys. 90, 4095 (1989).
Фотолюминесцентный материал, содержащийся в представленном объекте, предпочтительно, демонстрирует параметр упорядочения по меньшей мере 0,5, более предпочтительно - по меньшей мере 0,6, наиболее предпочтительно - по меньшей мере 0,7.
Эффективность, при которой представленный люминесцентный объект может применяться, например, в LSC-системах, является критически зависимой от уровня (пере) поглощения испускаемого света в пределах одного и того же объекта. Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления максимальные значения поглощения и максимальные значения испускания фотолюминесцентного материала, содержащегося в пределах дискретной матрицы упорядоченного полимера, например слоя, отличаются по меньшей мере на 30 нм, предпочтительно - по меньшей мере на 50 нм, более предпочтительно - по меньшей мере на 100 нм.
Люминесцентный объект согласно изобретению преимущественно принимает форму пленки, слоя, волокна, тесьмы или плетения. Толщина такой пленки, слоя, волокна, тесьмы или плетения может изменяться в зависимости от предполагаемого применения. Типично, упомянутая толщина будет в диапазоне 0,1-500 мкм, предпочтительно - в диапазоне 5-50 мкм.
Люминесцентный объект преимущественно содержит два или более уложенных в стопу слоев упорядоченного полимера, содержащего ориентированный фотолюминесцентный материал. В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления каждый слой упорядоченного полимера содержит в себе разный фотолюминесцентный материал. Преимущественно, эти фотолюминесцентные материалы демонстрируют разные максимальные значения поглощения. В соответствии с еще одним вариантом осуществления угол предварительного наклона упорядоченного полимера в соответственных слоях упорядоченного полимера изменяется от слоя к слою. Эта компоновка дает возможность дополнительной оптимизации эффективности, с которой падающие излучения могут преобразовываться в фотолюминесцентное излучение и, впоследствии, переноситься, главным образом, через отдельный волновод. В еще одном другом варианте осуществления каждый слой упорядоченного полимера содержит в себе разный упорядоченный полимер. Использование уложенных в стопу слоев разных упорядоченных полимеров особенно полезно в сочетании с применением разных фотолюминесцентных материалов в каждом из слоев упорядоченных полимеров и/или в сочетании с использованием слоев упорядоченных полимеров, которые демонстрируют разные углы предварительного наклона.
Люминесцентный объект по настоящему изобретению преимущественно может наноситься, например, на окна, особенно, если эти окна были присоединены к фотогальваническому устройству, или если они оптически присоединены к источнику внутреннего освещения. Прикреплением представленного люминесцентного объекта к окну (или строительному элементу с подобной функцией) окно фактически становится волноводом, который концентрирует электромагнитное излучение, которое испускается люминесцентным слоем. Как будет пояснено ниже, в этих применениях крайне желательно, чтобы люминесцентный объект был прозрачным по меньшей мере для доли (например, на полосе пропускания по меньшей мере в 100 нм) спектра видимого света, особенно части спектра видимого света, которая необходима для фотосинтеза.
Особенно полезный вариант осуществления по настоящему изобретению относится к люминесцентному объекту в виде оптического слоистого изделия или оптического волокна, содержащего волновод, который оптически присоединен к люминесцентному слою или люминесцентной сердцевине, при этом показатель преломления волновода, nw, является таким, что nw≥ no - 0,005, при этом, no - обыкновенный показатель преломления люминесцентного слоя сердцевины. Согласно даже еще более предпочтительному варианту осуществления nw≥no, предпочтительно, nw>no. Это преимущественно способствует удержанию света в волноводе и уменьшает утечку из света, например обратно в люминесцентный слой.
Оптические слоистые изделия согласно настоящему изобретению могут надлежащим образом применяться для концентрирования падающего оптического излучения. Излучение, падающее на слоистое изделие, поглощается и переизлучается люминесцентным материалом. Это переизлученное излучение связывается с волноводом и проводится, посредством внутреннего отражения вдоль волновода, на выходную поверхность. Переизлученное излучение может выходить из выходной поверхности, предоставляя выходной поверхности возможность действовать в качестве источника света. В качестве альтернативы, на выходной поверхности, переизлученное излучение может связываться в устройстве, таком как фотогальваническое устройство, которое будет преобразовывать оптическое излучение в другой вид энергии.
Оптические волокна согласно изобретению могут облучаться сбоку оптическим излучением, после чего испускаемое излучение будет переноситься на концы волокна. Волокна по настоящему изобретению преимущественно могут применяться для концентрирования оптического излучения и/или для передачи оптической информации.
Так как оптические слоистые изделия согласно изобретению будут переизлучать излучение в ответ на падающее излучение, эти слоистые изделия и волокна могут надлежащим образом использоваться для передачи оптической информации, особенно двоичной оптической информации. Однако, поскольку, уровень испускаемого излучения коррелирует с интенсивностью падающего излучения, представленные оптические слоистые изделия и волокна также могут использоваться для передачи аналоговой информации.
Согласно еще одному другому предпочтительному варианту осуществления показатель преломления волновода находится между обыкновенным и необыкновенным показателями преломления люминесцентного слоя/ сердцевины. Показатель преломления волновода типично составляет по меньшей мере 1,4. Предпочтительно, показатель преломления волновода находится в пределах диапазона 1,4-1,8, более предпочтительно - в пределах диапазона 1,4-1,7. Применение волновода с высоким показателем преломления, особенно относительно показателя преломления люминесцентной пленки, гарантирует, что оптический путь испускаемого излучения в пределах люминесцентной пленки уменьшается, так как испускаемое излучение эффективно связывается в волноводе. Для того чтобы гарантировать, что испускаемое излучение эффективно связывается в волноводе, кроме того, для поверхности люминесцентного слоя (или сердцевины) и поверхности волновода полезно соединяться вместе смежным образом. Слой упорядоченного полимера и волновод могут надлежащим образом соединяться посредством клея, при условии, что клей в значительной степени прозрачен для испускаемого излучения.
Люминесцентный слой в пределах оптического слоистого изделия или волокна типично имеет толщину 0,1-500 мкм, предпочтительно - 5-50 мкм. Волновод типично имеет толщину 0,05-50 мм, предпочтительно - 0,1-10 мм. Если волновод образует сердцевину оптического волокна по настоящему изобретению, вышеупомянутые диапазоны применимы к диаметру волновода.
Оптические слоистые изделия и волокна по настоящему изобретению могут надлежащим образом изготавливаться из гибких эластичных материалов. Гибкие слоистые изделия и волокна, полученные таким образом, например, могут изготавливаться в виде рулонов или могут наноситься на искривленные поверхности. Настоящее изобретение также охватывает волокна и слоистые изделия, которые являются относительно жесткими, например, так как они употребляют стеклянный слой или сердцевину.
Представленные оптические слоистые изделия и волокна могут производиться многими разными способами, широко известными в данной области техники. Слоистые изделия могут изготавливаться, прежде всего, посредством подготовки одного слоя (пленки), например волновода, сопровождаемой созданием на месте других слоев, например полимеризацией или отверждением на месте. В качестве альтернативы, отдельные слои могут предварительно изготавливаться по отдельности и, впоследствии, объединяться в единое слоистое изделие, необязательно, с использованием клеев и/или других технологий соединения. Естественно, также возможно применять комбинации этих технологий. Подобные подходы могут использоваться при производстве оптических волокон по настоящему изобретению, за исключением того, что, в случае волокон, последовательность операций наслоения будет начинаться с подготовки сердцевины оптического волокна.
Пригодные материалы для прозрачного волновода в значительной степени прозрачны для испускаемого излучения, которое должно передаваться через волновод. Пригодные материалы включают в себя прозрачные полимеры, стекло, прозрачную керамику и их сочетания. Предпочтительно, волновод делается из прозрачного полимера, который может быть термоактивным или термопластичным. Эти полимеры могут быть (полу) кристаллическими или аморфными. Пригодные полимеры включают в себя полиметилметакрилаты, полистирен, поликарбонат, сополимеры циклических олефинов, полиэтилентерефталат, полиэфирный сульфон, поперечно-связанный акрилат, эпоксидные смолы, уретан, кремнийорганические резины, а также комбинации и сополимеры этих полимеров.
Оптическое слоистое изделие по настоящему изобретению может надлежащим образом принимать форму плоской планарной пластины. Однако, так как функциональные возможности оптического слоистого изделия не являются существенно зависимыми от формы слоистого изделия, настоящим изобретением также охвачены непланарные формы.
Для того чтобы предохранить излучение от просачивания из представленного люминесцентного объекта, может быть полезным применять зеркало, которое является отражательным для широкого диапазона оптического излучения, упомянутое зеркало является расположенным на нижней поверхности объекта, подразумевая, что падающее излучение, которое проходит через люминесцентный слой, а также оптическое излучение, испускаемое тем же самым слоем в направлении зеркала, будет отражаться упомянутым зеркалом. Более точно, этот вариант осуществления предоставляет люминесцентный объект, как определенный выше, при этом нижняя поверхность покрыта зеркалом, которое является по меньшей мере на 80% отражательным для длин волн 450-1200 нм, предпочтительно - по меньшей мере на 90% отражательным для длин волн 450-1200 нм.
Потери излучения из представленного люминесцентного объекта могут дополнительно минимизироваться нанесением зеркал на боковые поверхности объекта, которые не предполагаются для передачи излучения, например, в фотогальваническое устройство. Соответственно в предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере одна из боковых поверхностей объекта покрыта зеркалом, которое является по меньшей мере на 80% отражательным для длин волн 450-1200 нм, предпочтительно - по меньшей мере на 90% отражательным для длин волн 450-1200 нм. Более предпочтительно, по меньшей мере две боковые поверхности, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере три боковые поверхности объекта покрыты таким зеркалом.
Для определенных применений может быть полезным, если представленный люминесцентный объект в большой степени прозрачен для оптического излучения в пределах конкретного диапазона длин волн. Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления люминесцентный объект является преимущественно прозрачным для оптического излучения в диапазоне 400-500 и/или 600-700 нм. Таким образом, люминесцентный объект может надлежащим образом наноситься на или использоваться вместо, например, окон или оконных стекол оранжерей, так как видимый свет, который используется при фотосинтезе, будет проходить через люминесцентный объект, тогда как оптическое излучение других длин волн может концентрироваться и переноситься тем же самым объектом. Согласно очень предпочтительному варианту осуществления люминесцентный объект является особенно прозрачным для оптического излучения в обоих диапазонах, 400-500 и 600-700 нм. Таким образом, настоящее изобретение также охватывает оранжерею, содержащую одно или более оконных стекол, покрытых люминесцентным объектом, как определенный выше, который прозрачен для оптического излучения в диапазоне 400-500 и/или 600-700 нм, в сочетании с одним или более фотогальваническими элементами, способными к преобразованию оптического излучения в электрическую энергию, упомянутые один или более гальванических элементов являются оптически присоединенными к оптическому объекту.
Дополнительный вариант осуществления изобретения относится к фотогальваническому устройству, содержащему носитель сбора электромагнитного излучения, содержащий в себе люминесцентный объект, как определенный выше, и фотогальванический элемент, способный к преобразованию оптического излучения в электрическую энергию, который оптически присоединен к волноводу, составленному люминесцентным объектом, упомянутый фотогальванический элемент предпочтительно является скомпонованным на кромке волновода или вблизи кромки волновода на верхней или нижней поверхности волноводного слоя.
Еще один вариант осуществления изобретения касается приводимого в действие флуоресцентным светом устройства отображения, содержащего люминесцентный объект, как описанный выше.
Еще один другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к системе освещения помещений, содержащей люминесцентный объект, как определенный выше, при этом система скомпонована таким образом, что падающий солнечный свет преобразуется в освещение помещений посредством упомянутого люминесцентного объекта.
Еще один аспект изобретения относится к использованию люминесцентного объекта, как определенный выше, для концентрирования падающего оптического излучения. Это использование люминесцентного объекта охватывает, например, использование самостоятельных люминесцентных пленок, которые содержат люминесцентный слой и избирательное по длине волны зеркало, как определенные выше. Кроме того, упомянутое использование заключает в себе использованием оптических слоистых изделий или оптических волокон, которые содержат люминесцентный слой или сердцевину, избирательное по длине волны зеркало и волновод.
В варианте осуществления предусмотрена LSC-система без непрозрачной (то есть, например, без непрозрачного зеркала, как описанное в материалах настоящей заявки) задней поверхности для реализации в оранжерее. Предпочтительно, в дополнительном варианте области длин волн спектров, не используемых (для роста) растениями, собираются и преобразуются в электричество с помощью фотогальваники. В еще одном другом варианте свет более длинной длины волны (то есть преобразованный свет) собирается и, с помощью световода, используется для повторного освещения растений на длине волны, которую растения используют для роста. Например, LSC-система может применяться для сбора и преобразования зеленого света, который вообще не используется растениями, и превращать свет в красный свет (или синий свет, если используются материалы преобразователей с повышением частоты). Выработанный красный свет может использоваться растениями в оранжерее.
В еще одном другом варианте осуществления LSC в виде волокон согласно изобретению мог бы вплетаться в или на одежду или другие материалы (постельное белье, спальные мешки, палатки, и т.п.) и пучки волокон, освещающие фотогальванический или солнечный элемент для выработки электричества (например, также смотрите Фиг.15). Изобретение также направлено на такие изделия, как постельное белье, спальные мешки, палатки и т.п. (например, с волокнами приблизительно в 0,005 мм - 10 см, предпочтительно, приблизительно в 0,5 мм - 10 см). Люминесцентные объекты в виде слоистого изделия или листа с оптическим волноводом согласно изобретению также могут использоваться для сооружения объектов, таких как наружная обшивка палатки, и могут использоваться для выработки электричества посредством солнечного элемента. Изобретение также направлено на такие объекты.
Кроме того, например, малогабаритные потребительские товары, такие как чехлы дорожных компьютеров, ручки, наручные часы, чехлы калькуляторов, драгоценности, шляпы, кепки и т.п. могли бы содержать полотна или волокна материала, предназначенного для выработки электричества посредством солнечного элемента.
Также могло бы быть возможным использовать светоотдачу скорее непосредственно для визуальных эффектов, чем выработки электричества (то есть применения или объекта, как упомянутые выше, но без солнечного элемента).
Дополнительным применением изобретения могут быть, например, дорожные указатели или разметка для выработки электричества, или для порождения или усиления надежных визуальных эффектов этих указателей наружная фурнитура, которая вырабатывает электричество или визуальные световые эффекты, прозрачные, полупрозрачные или непрозрачные придорожные звуковые барьеры, которые вырабатывают электричество или визуальные осветительные эффекты.
В отдельном варианте осуществления охвачены внеземные применения: «солнечные паруса» для приведения в движение космического аппарата могут оснащаться LSC согласно изобретению, для одновременной выработки электричества посредством PV-элементов, облучаемых собранным посредством LSC излучением (и также, необязательно, прямым облучением солнцем), а также продвижения космического аппарата.
Некоторые специальные варианты осуществления солнечного элемента и LSC согласно изобретению изображены на Фиг.14a-e. Эти фигуры подобны Фиг.1, описанной выше. Конечно, возможны другие конфигурации, например подобные изображенным на Фиг.2, 3, 4, 5a, 5b и 16a-c. Эти схематичные чертежи показаны только для иллюстрации возможных конструкций:
a. солнечного элемента 13, расположенного сбоку, из условия чтобы свет из волновода 2 концентрировался на солнечном элементе или фотогальваническом элементе 13;
b. солнечного элемента 13, расположенного в «нижней части», например, отсекающей необязательный зеркальный слой 9, из условия чтобы свет из волновода 2 концентрировался на солнечном элементе или фотогальваническом элементе 13;
c. солнечного элемента 13, расположенного в «верхней части», например, отсекающей необязательные холестерические слои 7 и 8, из условия чтобы свет из волновода 2 концентрировался на солнечном элементе или фотогальваническом элементе 13;
d. солнечного элемента 13, расположенного в «верхней части», например, отсекающей необязательные холестерические слои 7 и 8 и люминесцентный слой 1, из условия чтобы свет из волновода 2 концентрировался на солнечном элементе или фотогальваническом элементе 13;
e. солнечного элемента 13, расположенного в «нижней части», например, отсекающей необязательный зеркальный слой 9 и волновод 2, из условия чтобы свет из волновода 2 концентрировался на солнечном элементе или фотогальваническом элементе 13.
Фиг.14a-e также показывают необязательный слой 20 упорядочения, как описанный выше (например, слой PI). Такие слои упорядочения известны специалисту в данной области техники.
Еще один вариант осуществления схематично показан на Фиг.15. Здесь некоторое количество (главным образом, два или более) солнечных концентраторов, содержащих люминесцентный слой 1 и волновод 2, используются для подачи солнечного света на солнечный элемент 13. Например, LSC может быть таким, как изображенный на Фиг.1-8. Свет из волновода 2 может переноситься на солнечный элемент 13 с помощью волноводов (волокон) 26. Необязательно, свет, сконцентрированный в волноводе 2, может коллимироваться коллиматорами 25 в волноводы 26.
Как будет ясно специалисту в данной области техники, схематические варианты осуществления по Фиг.14a-e также включают в себя варианты осуществления, в которых некоторое количество солнечных элементов 13 включено в комбинацию люминесцентного слоя 1 и волновода 2. Например, если люминесцентный слой 1 и волновод 2 (и необязательные другие слои, как описанные выше) имеют место в виде плоского или по существу плоского слоистого изделия, по меньшей мере часть одной или более кромок слоистого изделия волновода 2, по выбору, могут присоединяться к некоторому количеству солнечных элементов или PV-элементов 13. Отсюда, в варианте осуществления предусмотрено окно, содержащее люминесцентный объект согласно изобретению и фотогальванический элемент (или два и более, как будет понятно специалисту в данной области техники), способный к преобразованию оптического излучения в электрическую энергию, который оптически присоединен к люминесцентному объекту.
Кроме того, один LSC, содержащий люминесцентный слой 1 и волновод 2 согласно изобретению, может быть присоединен к более чем одному волокну 26 и, таким образом, подает свет на более чем один PV-элемент 13.
В еще одном другом варианте осуществления LSC, содержащий люминесцентный слой 1 и волновод 2, по существу, является тонким листом пластиковой пленки, подобной диапозитивному слайду, с или без клейкой подложки. Пленка могла бы содержать в себе упорядоченные или неупорядоченные молекулы красителя и, предпочтительно, избирательно-отражательный слой (например, это могут быть холестерические слои 9a и/или 9b). Эта пленка, затем, могла бы устанавливаться конечным пользователем на любом окне. Фотогальваника будет предварительно размещена в пределах оконной рамы. Таким образом, окно станет волноводом 2, переносящим свет на солнечный элемент(ы) 13 в раме. Пленка может быть одноразовой: то есть, она может сниматься с окна, чтобы предоставить естественному солнечному свету возможность возвращаться в помещение, если требуется.
В варианте осуществления, термины «оптически связанный» или «присоединенный оптически» также включают в себя оптическое связывание объектов, у которых поверхности не являются прилегающими, но между которыми может присутствовать расстояние. Например, фотогальванический элемент 13 предпочтительно является прилегающим к волноводу 2, но, в варианте осуществления, в промежутке может быть некоторое расстояние. Такое расстояние, например, может быть заполнено воздухом или содержать вакуум, или даже полимер. Полимер, например, может использоваться для присоединения PV-элемента к волноводу, как в варианте осуществления, лист термоактивного пластика с высоким показателем может применяться для содействия в извлечении света из волновода и ввода этого света в PV. Например, размещение полимера с низким показателем преломления между металлическим зеркалом в основании и слоем красителя или волноводом представляется повышающим отдачу системы.
Изобретение также направлено на варианты осуществления, в которых люминесцентный объект, который содержит граничащий упорядоченный полимерный слой (с упорядоченным фотолюминесцентным материалом), дополнительно содержит один или более слоев, содержащие неориентированный фотолюминесцентный материал.
В варианте осуществления люминесцентный объект дополнительно содержит по меньшей мере один избирательный по длине волны и избирательный по поляризации отражающий холестерический слой (показанный в качестве слоев 7 или 8). Люминесцентный объект также может содержать (стопу, содержащую) два или более избирательных по длине волны и избирательных по поляризации отражающих холестерических слоя. Например, люминесцентный объект может содержать право- и левосторонний холестерический слой, но также может содержать два правосторонних холестерических слоя, или стопу из правого, правого и левого, или правого, левого и правого холестерических слоев в качестве избирательных по длине волны слоев. Такой вариант осуществления схематично показан на Фиг.16c, с избирательным по длине волны зеркалом, вместо содержания правостороннего и левостороннего холестерических слоев 7 и 8 соответственно содержит, например, стопу из трех слоев 8 (являющихся либо полностью левосторонними, либо полностью правосторонними (так же смотрите Фиг.3)). Как будет понятно специалисту в данной области техники, этот вариант осуществления также может быть применимым к другим вариантам осуществления, например которые схематически показаны на других чертежах. Для предоставления примера, к тому же, волокно по Фиг.7 и 8 может вместо слоев 7 и 8 содержать один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с правой круговой поляризацией, либо один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с левой круговой поляризацией, или содержит как один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с правой круговой поляризацией, так и один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с левой круговой поляризацией.
Как упомянуто выше, расположение фотолюминесцентного слоя 1 и волновода 2 может меняться местами (например, смотрите также Фиг.7 и 8), каковое схематично показано на Фиг.16a и 16b, которые являются вариантами относительно Фиг.1 и 14b, но также могут, в качестве вариантов, применяться к другим вариантам осуществления.
В случае, когда нанесен только один холестерический слой, отражающий свет с правой или левой круговой поляризацией, либо в качестве верхнего слоя 7 (или 8), например, как показано на Фиг.13a (также смотрите варианты осуществления по Фиг.1-5b; 14a-e; 16a-b), либо в качестве нижнего слоя 9 (смотрите вариант осуществления по Фиг.2), или обоих таких, верхнего 7 (или 8) и нижнего слоев (9), отражательная способность для излучения испускания может быть меньшей, чем по меньшей мере 50%. Может хватать по меньшей мере 25%, или по меньшей мере 50% света с определенной поляризацией (с правой или левой поляризацией соответственно). Отсюда, в отдельном варианте осуществления, предоставлен люминесцентный объект, содержащий:
a. люминесцентный слой или сердцевину, содержащие в себе фотолюминесцентный материал; и
b. избирательное по длине волны зеркало,
при этом люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина оптически присоединены к избирательному по длине волны зеркалу, упомянутое избирательное по длине волны зеркало является по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 25% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом, и при этом избирательное по длине волны зеркало содержит холестерический слой кирального нематического полимера.
В особенности, предоставлен люминесцентный объект, в котором полимерное избирательное по длине волны зеркало содержит один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с правой круговой поляризацией, либо один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с левой круговой поляризацией, или содержит как один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с правой круговой поляризацией, так и один или более холестерических слоев(й), отражающих свет с левой круговой поляризацией. Отдельные варианты осуществления дополнительно описаны в формуле изобретения, в особенности, пункты 3, 7, 11-27 формулы изобретения также применимы к этим вариантам осуществления.
В еще одном другом варианте осуществления вместо или в добавление к фотолюминесцентному материалу преобразования с понижением частоты (то есть материалу, который поглощает свет при более короткой длине волны, чем свет, который он испускает, например преобразователю зеленого в красный) люминесцентный объект по изобретению также может содержать материалы преобразования с повышением частоты (то есть материал, который поглощает свет при более короткой длине волны, чем свет, который он испускает).
Изобретение дополнительно проиллюстрировано посредством последующих примеров.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
Очищенная стеклянная подложка содержит полиимидный слой упорядочения (Optimer Al 1051, бывший JSR Micro), нанесенный на нее центробежным литьем при 2000 об./с с ускорением в 2500 об./с2 в течение 45 секунд. После этого подложка прогревалась в течение 1,5 часов при 180°C в вакууме. Слой упорядочения притирался бархатной тканью, чтобы вызвать плоское упорядочение нанесенного холестерического жидкого кристалла.
На противоположную сторону слайда наносилась изотропная активированная красителем смесь. Смесь приготавливалась смешиванием 1 весового % Irgacure 184 (бывшего Ciba Chemicals) и 1 весового % DCM (4-Дицианметилен-2-метил-6-(p-диметиламиностирил)-4H-пирана (бывшего Aldrich Chemicals)) вместе с раствором, содержащим 75 весовых % дипентаэритритолпентаакрилата (Aldrich) и 25 весовых % этанола. Пленка, приблизительно в 10 мкм толщиной, создавалась покрытием методом центрифугирования при 4000 об./мин в течение 45 секунд (скоростью разгона 2500 об./мин/с). Образец подвергался УФ-отверждению (λ=365 нм) в атмосфере N2 в течение 10 минут при комнатной температуре. Спектры поглощения и испускания образца можно видеть на Фиг.9 в качестве полужирной, сплошной и пунктирной кривых соответственно.
Серебряное зеркало в 120 нм напылялось поверх слоя красителя с использованием традиционного напылителя покрытий (напылителя покрытий Emitech K575X при токе в 65 мА в течение 2,5 минут).
Холестерическая смесь изготавливалась смешиванием 3,9 весовых % правосторонней киральной присадки LC756 (бывшей BASF), 1 весового % Irgacure 184 (бывшего Ciba Chemicals), 1 весового % поверхностно-активного вещества и 94 весовых % реактивного жидкокристаллического основного вещества RM257 (Merck), растворенного в ксилене (55 весовых % твердых частиц, 45 весовых % растворителя). Впоследствии смесь перемешивалась при 80°C в течение 3 часов.
Холестерическая смесь наносилась центробежным литьем на полиимидный слой упорядочения при 2000 об./мин в течение 45 секунд со скоростью разгона в 2500 об./мин/с. После нанесения центробежным литьем подложка прогревалась при 80°C в течение приблизительно 1 минуты, чтобы выпарить растворитель и предоставить поверхностно активному веществу возможность улучшить упорядочение кирального жидкокристаллического кристалла. Впоследствии выполнялась фотополимеризация при комнатной температуре посредством облучения в течение 10 минут с использованием УФ-лампы (пиковая длина волны 365 нм) в среде N2. Второй левосторонний холестерический слой мог бы в таком случае легко наноситься на поверхность с использованием аналогичной последовательности операций. В заключение, слой отражательного серебряного пигмента наносился на три кромки волновода, давая в результате завершенное устройство.
Вышеприведенная процедура повторялась два раза с использованием 4,2 и 4,5 весовых % правосторонних киральных присадок LC756. Фиг.9 изображает спектры пропускания холестерического слоя, содержащего в себе 3,9 весовых % правосторонней киральной присадки, подвергнутых неполяризованному свету при трех углах падения, то есть 0°, 20° и 40°. Спектры пропускания для холестерических слоев, содержащих в себе 4,2 весовых % или 4,5 весовых % киральной присадки, по существу идентичны, за исключением того, что полоса отражения для слоев, содержащих в себе 4,2 весовых % и 4,5 весовых %, имеет место при значительно более коротких длинах волн. Чтобы быть более точным, полоса отражения для нормального падения света в образце с 4,2 весовыми % подвергнута фиолетовому смещению приблизительно на 32 нм, а полоса отражения для образца с 4,5 весовыми % - приблизительно на 83 нм.
Светоотдача образцов LSC определялась с использованием Autronic DMS 703 (Melchers GmbH) наряду с CCD-Spect-2 (CCD-Camera). Образцы LSC размещались в изготовленном на заказ держателе образца и подвергались воздействию источника грубооднородного света, расположенного на расстоянии около 11 см. Светоотдача с небольшой площади (около 0,8 см2) кромки испускания образца измерялась на протяжении углового распределения -50-50° с шагом в 1 градус. Полная эмиссия определялась объединением спектров по всем измеренным длинам волн (350-800 нм) и всем углам. Измерения по длине кромки образца показывают небольшое изменение в зависимости от положения, но для этих экспериментов положение измерения испускания было фиксированным. Все измерения для одиночных образцов с многочисленными слоями предпринимались в течение одних и тех же суток. Схематическое изображение измерительной установки показано на Фиг.10.
Как может быть ясно видно, применение одиночного холестерического слоя (образец А) улучшало светоотдачу по меньшей мере на 11-17%, а посредством применения второго левостороннего слоя это улучшение будет порядка 20-35%. Результаты, полученные для образцов B и C, снижены, так как полоса отражения холестерического слоя частично совпадает с пиком поглощения фотолюминесцентного материала и/или только частично совпадает с пиком испускания упомянутого фотолюминесцентного материала.
Здесь слой упорядочения использовался для упорядочения холестерических слоев.
Этот эксперимент повторялся, но с использованием полиметилметакрилатной подложки вместо стеклянной подложки. Полиимидный слой упорядочения (Optimer Al 1051, бывший JSR Micro) наносился на нее центробежным литьем при 2000 об./с с ускорением в 2500 об./с2 в течение 45 секунд. После этого подложка прогревалась в течение 1,5 часов при 100°C на воздухе. Слой упорядочения притирался бархатной тканью, чтобы вызвать плоское упорядочение нанесенного холестерического жидкого кристалла.
На противоположную сторону слайда наносилась изотропная активированная красителем смесь. Смесь приготавливалась смешиванием 1 весового % Irgacure 184 (бывшего Ciba Chemicals) и 1 весового % DCM (4-Дицианметилен-2-метил-6-(p-диметиламиностирил)-4H-пирана (бывшего Aldrich Chemicals)) вместе с раствором, содержащим 75 весовых % дипентаэритритолпентаакрилата (Aldrich) и 25 весовых % этанола. Пленка, приблизительно в 10 мкм толщиной, создавалась покрытием методом центрифугирования при 4000 об./мин в течение 45 секунд (скоростью разгона 2500 об./мин/с). Образец подвергался УФ-отверждению (λ=365 нм) в атмосфере N2 в течение 10 минут при комнатной температуре.
Серебряное зеркало в 120 нм напылялось поверх слоя красителя с использованием традиционного напылителя покрытий (напылителя покрытий Emitech K575X при токе в 65 мА в течение 2,5 минут).
Холестерическая смесь изготавливалась смешиванием 4,1 весовых % правосторонней киральной присадки LC756 (бывшей BASF), 1 весового % Irgacure 184 (бывшего Ciba Chemicals), 1 весового % поверхностно-активного вещества и 94 весовых % реактивного жидкокристаллического основного вещества RM257 (Merck), растворенного в ксилене (55 весовых % твердых частиц, 45 весовых % растворителя). Впоследствии смесь перемешивалась при 80°C в течение 3 часов.
Холестерическая смесь наносилась центробежным литьем на полиимидный слой упорядочения при 2000 об./мин в течение 45 секунд со скоростью разгона в 2500 об./мин/с. После нанесения центробежным литьем подложка прогревалась при 80°C в течение приблизительно 1 минуты, чтобы выпарить растворитель и предоставить поверхностно активному веществу возможность улучшить упорядочение кирального жидкокристаллического кристалла. Впоследствии, выполнялась фотополимеризация при комнатной температуре посредством облучения в течение 10 минут с использованием УФ-лампы (пиковая длина волны 365 нм) в среде N2. Второй левосторонний холестерический слой мог бы в таком случае легко наноситься на поверхность с использованием аналогичной последовательности операций. В заключение слой отражательного серебряного пигмента наносился на три кромки волновода, давая в результате завершенное устройство.
Светоотдача образца LSC определялась с использованием Autronic DMS 703 (Melchers GmbH) наряду с CCD-Spect-2 (CCD-Camera). Образцы LSC размещались в изготовленном на заказ держателе образца и подвергались воздействию источника грубооднородного света, расположенного на расстоянии около 11 см. Светоотдача с небольшой площади (около 0,8 см2) кромки испускания образца измерялась на протяжении углового распределения -70-70° с шагом в 1 градус. Полная эмиссия определялась объединением спектров по всем измеренным длинам волн (350-800 нм) и всем углам. Для этого эксперимента положение измерения испускания было фиксированным.
Образец с одиночным правосторонним холестерическим слоем демонстрировал увеличение на 34% в интегральной светоотдаче для входного света под прямым углом к поверхности волновода, по сравнению с интегральной светоотдачей обнаженного слоя красителя. Когда впоследствии покрывался вторым левосторонним холестерическим слоем, полная интегральная светоотдача определялась являющейся на 53% большей, чем только от слоя красителя, для входного света, падающего под прямым углом на поверхность волновода.
Пример 2
Гомеотропная активированная красителем жидкокристаллическая смесь наносилась на очищенное предметное стекло 30 мм×30 мм. Жидкокристаллическая смесь приготавливалась смешиванием раствора этилового спирта, который содержал 1 весовой % Irgacure 184 (бывшего Ciba Chemicals) и 1 весовой % Coumarin 30 (бывшего Aldrich Chemicals) вместе с раствором, содержащим 50 весовых % мономера RMM77 и 50 весовых % ксилена при весовом отношении 1:1. RMM77 (Merck) - нематический гомеотропный реактивный жидкий кристалл, у которого основными компонентами являются жидкие кристаллы RM82 и RM257 (оба Merck) и гомеотропная присадка. Смесь перемешивалась при 80°C в течение 2 часов до тех пор, пока весь этиловый спирт не выпарился. Ксилен выпаривался нанесением смеси на подогретые волноводы (80°C), на протяжении 10 минут. После выпаривания ксилена влажная пленка создавалась наконечником Мейера в 24 мкм, имея в результате пленку приблизительно в 10 мкм толщиной. Образцы подвергались УФ-отверждению (λ=365 нм) в атмосфере N2 в течение 4 минут при комнатной температуре, а затем в течение 4 минут при 110°C.
Измерение светоотдачи образцом выполнялось посредством Autronic DMS 703 (Melchers GmbH) наряду с CCD-Spect-2 (CCD-Camera). Образцы LSC размещались в изготовленном на заказ держателе образца и подвергались воздействию источника грубооднородного света. Светоотдача с поверхности образца измерялась на протяжении углового распределения 0-90° с шагом в 1 градус. Максимум испускания определялся и сравнивался с максимумом испускания с поверхности изотропного образца, приготовленного точным способом, как описанный выше, но с использованием смеси RM82 и RM257, не содержащей гомеотропную присадку. Результат состоял в том, что гомеотропный образец почти наполовину уменьшил количество света, теряемого на протяжении образца, тем самым повышая количество света, направленного в волновод. Фиг.11 изображает результат этого эксперимента. На этом чертеже интенсивность света, испускаемого с поверхности, дана в качестве функции угла испускания для двух образцов, одного - с изотропно упорядоченным красителем (кружки) и одного - с гомеотропно упорядоченным красителем (треугольники). Отметим, что для волновода, используемого в этом эксперименте, весь свет выше 33° захватывался полным внутренним отражением и, таким образом, не мог выходить через поверхность. Здесь волновод содержит стеклянную пластину, имеющую размеры 30×30×1 мм (l×w×h).
Эксплуатационные показатели этого LSC существенно улучшены нанесением правостороннего и левостороннего холестерического слоя, соединенного с серебряными зеркалами, как описано в примере 1.
Пример 3
Пример 2 повторен, за исключением того, что применялся жидкокристаллический полимер, который упорядочен с углом наклона около 30° с использованием процедуры, описанной в Sinha et al., Appl. Phys. Lett. (2001), 79 (16), 2543-2545.
Снова эффективность LSC измерялась с использованием методологии, описанной в примере 1. Результаты показывают, что эффективность LSC превышает эффективность LSC, описанных в примерах 1 и 2. Эта превосходящая эффективность предполагается относящейся к улучшенному связыванию испускаемого излучения в волноводе.
Пример 4
Наклонное упорядочение молекул красителя также достигалось следующим образом. Раствор изготавливался из двух полиимидов: 4% Nissan G1211, гомеотропного полиимида, и 96% Nissan G130, планарного полиимида. Этот раствор наносился центробежным литьем на стеклянную пластину 30×30×1 мм при 5000 об./мин в течение 60 секунд и отверждался в вакуумной печи в течение 90 минут при 180°C. Полиимид притирался на бархатной ткани.
Смесь, содержащая в себе 1% основанного на перилене красителя, 1% фотоинициатора Irg184 (Ciba chemicals) и 98% RM257 (Merck), растворенные, при весовом процентном соотношении 55:45, в ксилене, наносилась центробежным литьем на полиимидные слои упорядочения при 2000 об./мин в течение 40 секунд и помещалась на горячей пластине при 80° для выпаривания растворителя. Эта процедура имела результатом угол наклона основанных на перилене красителей около 15°.
Светоотдача образца LSC определялась с использованием Autronic DMS 703 (Melchers GmbH) наряду с CCD-Spect-2 (CCD-Camera). Образцы LSC размещались в изготовленном на заказ держателе образца и подвергались воздействию источника грубооднородного света, расположенного на расстоянии около 11 см. Светоотдача с небольшой площади (около 0,8 см2) кромки испускания образца измерялась на протяжении углового распределения -70-70° с шагом в 1 градус. Полная эмиссия определялась объединением спектров по всем измеренным длинам волн (350- 800 нм) и всем углам. Для этого эксперимента положение измерения испускания было фиксированным. Суммарная интегральная светоотдача этого образца была на ~10% большей, чем отдача случайно ориентированного образца, приготовленного таким же способом (который не содержит полиимидный слой упорядочения).
Должно быть отмечено, что вышеупомянутые варианты осуществления скорее иллюстрируют, чем ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники будут способны сконструировать многочисленные альтернативные варианты осуществления, не выходя из объема прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения любые символы ссылок, размещенные между круглыми скобками, не должны истолковываться в качестве ограничивающих формулу изобретения. Использование глагола «содержать» и его спряжений не исключает наличия элементов или этапов, иных, чем изложенные в формуле изобретения. Использование единственного числа при описании элемента не исключает наличия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано посредством аппаратных средств, содержащих несколько отдельных элементов, и посредством подходящим образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения об устройстве, перечисляющем несколько средств, несколько из этих средств могут быть воплощены одним и тем же элементом аппаратных средств. Простое обстоятельство, что определенные критерии перечислены во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не служит признаком того, что сочетание этих критериев не может быть использовано с выгодой.
Реферат
Изобретение относится к измерительной технике. Люминесцентный объект содержит: люминесцентный слой или сердцевину, содержащую в себе фотолюминесцентный материал, и избирательное по длине волны зеркало; при этом люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина оптически присоединена к избирательному по длине волны зеркалу, упомянутое избирательное по длине волны зеркало является по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 50% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом. Технический результат - изобретение дает возможность высокоэффективного переноса излучения, излучаемого фотолюминесцентным материалом. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 1 табл., 16 ил.
Формула
а. люминесцентный слой или сердцевину, содержащую в себе фотолюминесцентный материал; и
b. избирательное по длине волны зеркало,
при этом люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина оптически присоединена к избирательному по длине волны зеркалу, упомянутое избирательное по длине волны зеркало является по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 50% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом, при этом избирательное по длине волны зеркало содержит холестерический слой кирального нематического полимера, при этом отражательная способность избирательного по длине волны зеркала для излучения, испускаемого фотолюминесцентным материалом, превышает отражательную способность того же самого зеркала для оптического излучения, поглощаемого упомянутым фотолюминесцентным материалом по меньшей мере на 50%, и при этом люминесцентный объект содержит оптическое слоистое изделие или оптическое волокно, и при этом оптическое слоистое изделие содержит люминесцентный слой или сердцевину и избирательное по длине волны зеркало.
а. люминесцентный слой или сердцевину, содержащую в себе фотолюминесцентный материал; и
b. избирательное по длине волны зеркало;
при этом люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина оптически присоединена к избирательному по длине волны зеркалу, упомянутое избирательное по длине волны зеркало является по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 50% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом, при этом избирательное по длине волны зеркало содержит холестерический слой кирального нематического полимера, при этом отражательная способность избирательного по длине волны зеркала для излучения, испускаемого фотолюминесцентным материалом, превышает отражательную способность того же самого зеркала для оптического излучения, поглощаемого упомянутым фотолюминесцентным материалом по меньшей мере на 50%, и при этом люминесцентный объект содержит оптическое слоистое изделие или оптическое волокно, и при этом оптическое слоистое изделие содержит люминесцентный слой или сердцевину и избирательное по длине волны зеркало.
а. люминесцентный слой или сердцевину, содержащую в себе фотолюминесцентный материал; и
b. избирательное по длине волны зеркало,
при этом люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина оптически присоединена к избирательному по длине волны зеркалу, упомянутое избирательное по длине волны зеркало является по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 50% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом, при этом избирательное по длине волны зеркало содержит холестерический слой кирального нематического полимера, при этом отражательная способность избирательного по длине волны зеркала для излучения, испускаемого фотолюминесцентным материалом, превышает отражательную способность того же самого зеркала для оптического излучения, поглощаемого упомянутым фотолюминесцентным материалом, по меньшей мере на 50%, и при этом люминесцентный объект содержит оптическое слоистое изделие или оптическое волокно, и при этом оптическое слоистое изделие содержит люминесцентный слой или сердцевину и избирательное по длине волны зеркало.
а. люминесцентный слой или сердцевину, содержащую в себе фотолюминесцентный материал; и
b. избирательное по длине волны зеркало;
при этом люминесцентный слой или люминесцентная сердцевина оптически присоединена к избирательному по длине волны зеркалу, упомянутое избирательное по длине волны зеркало является по меньшей мере на 50% прозрачным для света, поглощаемого фотолюминесцентным материалом, и по меньшей мере на 50% отражательным для излучения, которое испускается фотолюминесцентным материалом, при этом избирательное по длине волны зеркало содержит холестерический слой кирального нематического полимера, при этом отражательная способность избирательного по длине волны зеркала для излучения, испускаемого фотолюминесцентным материалом, превышает отражательную способность того же самого зеркала для оптического излучения, поглощаемого упомянутым фотолюминесцентным материалом по меньшей мере на 50%, и при этом люминесцентный объект содержит оптическое слоистое изделие или оптическое волокно, и при этом оптическое слоистое изделие содержит люминесцентный слой или сердцевину и избирательное по длине волны зеркало.
