WO2013087372A1 - Verfahren zur herstellung von lichtleitkörpern und ein beleuchtungseinheit - Google Patents
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- G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
- G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
- G02B6/0065—Manufacturing aspects; Material aspects
Definitions
- the present invention relates to a process for the production of optical waveguides with improved processability and their use in lighting units, e.g. 10 for liquid crystal displays or monitors.
- the present invention relates to a process for the production of light-conducting bodies having a thickness of at most 1 mm, containing at least 80 wt .-% polymethyl methacrylate and no scattering particles.
- Light guide serve in particular for surface illumination of various substances
- LCD liquid crystal displays
- Outcoupling of the light takes place in particular by structuring, which are provided in the surface of the plate.
- EP 656 548 discloses light-conducting bodies which use polymer particles as scattering bodies. The problem with these light-guiding bodies is their
- UV irradiation decomposes the polymer particles, so that UV irradiation leads to a yellow cast.
- This yellowish tint is in turn very critical for use as a light-guiding body, since an uneven color impression is produced.
- EP 1 022 129 discloses light-conducting bodies which have a particle-free photoconductive layer made of polymethyl methacrylate, onto which a diffuse
- the diffused layer which has a thickness in the range of 10 to 1500 ⁇ , includes barium sulfate particles. According to this principle, the light is passed over the PMMA layer, wherein the decoupling takes place through the diffuse layer. However, the light extraction can hardly be controlled because only the light is scattered normal to the propagation direction that has penetrated the boundary layer to the diffused layer. Accordingly, this is not a disturbance within the photoconductive layer, but a diffuse back reflection. In addition, the decrease in the
- Luminous intensity very large as the examples show.
- Lichtleitkorper be described in DE-A 10 222 250. These Lichtleitkorper show over the previously stated plates improved performance.
- the thickness of these, as well as the previously described Lichtleitkorper at least 2 mm.
- the smallest possible thickness of the light guide is desirable.
- a reduction in the plate thickness of the above-described Lichtleitkorper leads to a very large decrease in the luminance with respect to the direction of extension of the incident light. As a result, a very inhomogeneous lighting is obtained, which is often unacceptable.
- a further object of the invention was that the Lichtleitkorper have even with prolonged use or after weathering particularly good yellowing.
- Another object of the present invention was to provide a simple and inexpensive method for producing light bodies which can be easily adapted in size and shape to the requirements.
- Components an extruder, a Flachfoliendüse, having a nozzle lip, and a calender, in particular consisting of two smoothing rollers.
- the plant used according to the invention may also have the following optional components: a melt pump, a melt filtration, a static mixing element and / or a winder.
- the light guide body according to the invention are slightly impact modified.
- Suitable impact modifiers are characterized by their particle size and a refractive index adapted to the matrix.
- the impact modifiers used according to the invention are distinguished by the fact that their theoretical refractive index deviates not more than 0.02, preferably not more than 0.01, more preferably not more than 0.005 and very preferably not more than 0.003 from the theoretical refractive index of the thermoplastic matrix material of the light-conducting body.
- the refractive index of polymers is a measurable quantity in principle.
- particles in particular of particles which are often present with sizes in the nanometer range as Schlagzähmodifier, a direct measurement is hardly possible.
- the "theoretical refractive index" on which the invention is based can be used, and in the context of this invention the refractive indices are therefore given as calculated values from these theoretical refractive indices. 20 / ⁇ 20 20
- n D (total) ⁇ n D (xl) * x) + (n D (X2) * JC 2 ) + + (xn) * «)
- the theoretical refractive index of the impact modifier used according to the invention would thus be between 1.4783 and 1.5183, preferably between 1.4883 and 1.5083, particularly preferably between 1.4933 and 1 , 5033 and most preferably between 1, 4953 and 1, 5013.
- the system used in the method according to the invention is distinguished by the fact that the flat foil nozzle has a nozzle lip with
- Adjusting elements for adjusting the nozzle lip width has, and the adjusting elements have a distance of 5 to 20 mm, preferably from 1 1 to 15 mm to each other.
- the gap of the die lip can be finely adjusted over the entire width of the die lip by means of the adjusting elements.
- flex lip or Flexdüsenlippe In this context, one speaks of a so-called flex lip or Flexdüsenlippe.
- the nozzle body used in the method according to the invention has a
- External geometry which is adapted to the shape of the smoothing rollers ( Figure 1). This may be a triangular or trapezoidal convergence of the nozzle body towards the nozzle lip.
- the flanks of the nozzle body can also be rounded so that they assume the shape of the smoothing rollers complementary. This can, as shown by way of example in FIG. 2, also take place asymmetrically only with respect to one of the two first smoothing rollers.
- Melt outlet edge to the smoothing gap less than 100 mm, preferably less than 80 mm and set in particular embodiments less than 60 mm. Surprisingly, it has been found that a particularly good film quality, in particular with regard to the surface quality, can be achieved by particularly small distances between the melt outlet edge and the smoothing gap.
- the distance from the melt outlet edge to the calendering nip is defined in the context of this invention as the distance (6 in Fig. 2) between the melt outlet edge and the point in the middle between the calender rolls, which is the smallest distance (7 in Fig. 2) to the two Has smoothing rollers.
- the present invention relates to a method in which the
- Flat foil nozzle is aligned with respect to the calender by means of laser. This ensures that the parallel deviation of the nozzle from the smoothing rolls, measured at the two ends of a nozzle outside, has a maximum deviation of 3 mm, preferably 1 mm.
- the nozzle outer sides are the two flanks of the flat foil nozzle, each of which runs parallel to the two smoothing rolls.
- the Lichtleitkorper produced according to the invention are characterized in that the thickness deviation in the Lichtleitkorper is not more than 4%, preferably not more than 3%. The thickness deviation is determined starting from the thinnest point of the light guide. A deviation of 3% thus means that the thickness of the thickest point of the light guide body may be at most 3% greater than the thickness of the thinnest point.
- the Lichtleitkorper produced by a method according to the present invention, a particularly high resistance to weathering, especially against UV irradiation. Furthermore, the Lichtleitkorper over the entire surface a uniform
- Color quality of the light extraction This results in a particularly color-fast light. In particular, no yellowing arises with increasing distance from the light source.
- the brightness of the light guide can be on
- the inventive method for producing light-guiding bodies is also particularly simple and inexpensive to perform.
- the Lichtleitkorper produced according to the invention have the advantage that they can be easily cut or punched to desired formats. Also in the extrusion of Lichtleitkorper the brittleness is so low that the risk of web breakage is minimized and the film is produced at high extrusion speed.
- the Lichtleitkorper can thus be processed with existing extrusion equipment and by known methods. Detailed embodiment of the system used in the invention
- a hot melt is extruded from the die of the extruder to a gap between two smoothing rolls.
- the temperature of the melt depends on the composition of the mixture and can therefore vary within wide limits.
- Preferred temperatures of the PMMA molding compound to the nozzle inlet are in the range of 150 to 300 ° C, more preferably in the range of 180 to 270 ° C and most preferably in the range of 200 to 260 ° C.
- the temperature of the smoothing rollers is preferably less than or equal to 150 ° C, preferably between 60 ° C and 140 ° C.
- the temperature of the nozzle is preferably selected to be higher than the temperature of the mixture prior to nozzle entry.
- the temperature of the nozzle is preferably selected to be higher than the temperature of the mixture prior to nozzle entry.
- the calender used in the invention consists of two or three smoothing rollers. Smoothing rollers are well known in the art, with polished rollers used to obtain a high gloss. In the process according to the invention, however, other rolls can also be used as a smoothing roll. Through the gap between the two first smoothing rollers, a film is formed, which is the simultaneous cooling to a film.
- Figure 1 an embodiment with three smoothing rollers is shown schematically.
- Chromium surfaces have, and in particular in that these
- Chromium surfaces have a roughness Ra (according to DIN 4768) less than 0.10 ⁇ , preferably less than 0.08 ⁇ .
- the pressure with which the molten mixture is pressed into the nozzle can be controlled by the speed of the screw.
- the pressure is generally in a range of 40 to 150 bar, without that
- a melt pump can be additionally installed in front of the surface foil nozzle.
- a filter is optionally arranged before the melt enters the nozzle.
- the mesh size of the filter generally depends on the starting materials used and can accordingly vary widely. In general, they are in the range of 300 ⁇ to 20 ⁇ . It is also possible to arrange filters with several sieves of different mesh size in front of the nozzle inlet. These filters are commercially available. In order to obtain high-quality films, it is furthermore advantageous to use particularly pure raw materials.
- a static mixing element can be installed in front of the flat film nozzle. Through this, components such as pigments, stabilizers or additives can be mixed into the polymer melt or up to 5% by weight of a second polymer, for example in the form of a melt from a second extruder, can be mixed into the PMMA.
- the molding compositions used for the methacrylate base are molding compositions whose main thermoplastic constituent is at least 80% by weight, preferably at least 90% by weight and more preferably at least 95% by weight
- Polymethyl methacrylate (hereinafter PMMA short) exist. These polymers are generally obtained by free radical polymerization of mixtures containing methyl methacrylate. In general, these mixtures contain at least 80% by weight, preferably at least 90% by weight and more preferably at least 95% by weight, based on the weight of the monomers, of methyl methacrylate. A particularly high quality in particular light guide, which consist essentially of polymethyl methacrylate. In addition, these mixtures may contain other (meth) acrylates, which with
- Methyl methacrylate are copolymerizable.
- the term (meth) acrylates include methacrylates and acrylates as well as mixtures of both.
- compositions to be polymerized may also contain other unsaturated monomers which are compatible with
- Methyl methacrylate and the aforementioned (meth) acrylates are copolymerizable. These include, inter alia, 1-alkenes, acrylonitrile, vinyl acetate, styrene, substituted styrenes, vinyl ethers or divinylbenzene. All of the stated monomers are preferably used in a high purity.
- the weight-average molecular weight M w of the homo- and / or copolymers to be used according to the invention can vary within wide limits, the
- Processing of the molding material is tuned. In general, however, it is in the range between 20,000 and 1,000,000 g / mol, preferably 50,000 to 500,000 g / mol and particularly preferably 80,000 to 300,000 g / mol, without this causing a
- the weight average molecular weight is determined by gel permeation chromatography (GPC) against polystyrene standards.
- Various poly (meth) acrylates can be used as matrix material for the production of the light guide body, which differ, for example, in molecular weight or in the monomer composition.
- Such particularly preferred molding compositions are under the trade name PLEXIGLAS ® from Evonik
- matrix material is understood to be the material of the optical waveguide without the impact modifiers.
- the molding compositions may contain conventional additives. These include antistatics, antioxidants, light stabilizers and organic
- the light guide bodies according to the invention comprise at most 5% by weight and particularly preferably at most 2% by weight of additives, wherein light guide bodies which comprise substantially no additives surprisingly exhibit exceptional performance.
- the light guide is present as a multilayer, preferably as a two-layer laminate.
- a layer represents the PMMA optical waveguide with the composition according to the invention already embodied.
- the optical waveguide is a coextrudate with at least one PMMA layer and at least one PVDF layer.
- the amounts stated above for the composition relate exclusively to the PMMA layer.
- the impact modifier is contained in the PMMA layer.
- Such a lighting unit according to the invention comprises at least one light source and at least one light guide body.
- the matrix material of the optical waveguide consists of at least 80% by weight, preferably at least 90% by weight and particularly preferably at least 95% by weight, of PMMA and additionally contains impact modifiers as described above.
- the light guide body has a thickness between 100 ⁇ and 1 mm, preferably between 125 ⁇ and 750 ⁇ , more preferably in the range of 150 ⁇ to 600 ⁇ . on.
- the thickness here refers to the mean value of the smallest dimension of the optical waveguide measured perpendicular to the light propagation direction.
- the thickness can be determined by means of a loop micrometer or similar known devices.
- the lighting units are characterized in that the
- Thickness deviation in the light guide body is a maximum of 3% and the yellowness of the light guide (calculation according to DIN 6167 for standard illuminant D65 / 10 0 , in the measurement of the total spectral transmittance according to ISO 13468-2 runs the Beam perpendicular to the plane of the light guide body); Measurement according to DIN 5033) measured at D [D65 / 10 °] less than 1, preferably less than 0.75, more preferably less than 0.5 and most preferably less than 0.3.
- the light source is preferably one or more light-emitting diodes (LED). These are particularly preferably positioned on the edge of the light guide body.
- the light guide bodies of the present invention have at least one light introduction surface and at least one light exit surface, wherein the
- Light introduction surfaces preferably one or more outer edges of the
- the light can also be coupled over a large area prism.
- the coupling can be done via a so-called Encapsulant.
- a transparent, preferably crosslinked, soft polymer, such as a silicone or EVA between LED and light guide is attached to the edges. The radiation emerges from the LED, into the encapsulant, out there and into the light-guiding foil.
- Such an encapsulant represents an alternative to a prism for focusing the light from the possibly wider LED into the narrower edge of the light guide.
- each known light source can be used. Particular advantages can be achieved in particular by one or more light-emitting diodes. These can be z. B. in a frame on an edge, or an edge surface or end face, laterally of the surface to be indirectly illuminated, the light guide be arranged. Depending on the arrangement of the light sources in this case the light over all four
- Edge surfaces are irradiated. This can be especially true for very large ones
- the light-introducing surface is capable of receiving light into the body, so that the light-conducting layer can distribute the introduced light over the entire light-emitting surface.
- the term light exit surface here denotes a surface of the light guide, which is suitable to emit light.
- the decoupling of light is preferably achieved by structuring in the surface of the light guide. Accordingly, the surface formed parallel to the light exit surface preferred light guide body an area with structures and an area without structures, on the possibility of no light is emitted.
- Light guide bodies can therefore emit specifically light over very well defined areas of the surface, which light has been coupled in via the light introduction surface.
- the surface which is formed perpendicular to the light propagation direction, in addition to a light exit surface also have a surface over which only a small portion of the incident light is coupled out.
- a small proportion means that the luminance in this area of the surface is at most 20%, particularly preferably at most 10%, of the maximum luminance measured on the light exit surface. Areas with a low luminance do not count to the light exit surface.
- the ratio of light exit surface to light introduction surface is generally at least 1, in particular at least 4, preferably at least 20 and particularly preferably at least 80.
- the light exit surface is perpendicular to
- the light guide body may take on a tabular shape, wherein the three extensions of the body have a different size.
- the smallest extent here is the thickness of the board.
- the largest extent is defined as length, so that the third dimension represents the width.
- the light exit surface of this embodiment is defined by a surface corresponding to the product of length by width.
- the edge surfaces of the panel each defined as the surface formed by the product of length times thickness or width times thickness, can generally serve as a light entrance surface.
- the edge surfaces serving as the light entrance surface are polished.
- the coupling-out of the light depends on the density of the structuring of the light-emitting surface or its roughness. The denser this structuring, the higher the probability of coupling light out of the light guide.
- Such a light guide body preferably has a length in the range from 20 mm to 3000 mm, preferably from 30 to 2000 mm and particularly preferably from 50 to 1500 mm.
- the width of this particular embodiment is generally in the range of 10 to 3000 mm, preferably 20 to 2000 mm, and more preferably 50 to 1000 mm.
- the illumination unit according to the invention is characterized in that a part of the surface of the light guide body has structuring and a contrast exists between the structured surface of the light guide body and the non-structured surface of the light guide body.
- the structuring can be obtained after the production of the films, for example by pressure or other mechanical effects. Furthermore, the patterning in the production of the films can be achieved by using rollers having a negative of structuring.
- the shape of the structuring is not critical. It is essential that the light exit surface comprises impurities that are capable of light
- the decouple For example, points or notches can be applied.
- the light exit surface can also be roughened.
- the structurings usually have a depth in the range of 0.5 ⁇ m to 100 ⁇ m,
- the surface formed normal to the light propagation direction may also include regions without structures. Areas of the surface over which a slight, preferably no light extraction should take place, preferably have a roughness Ra of less than 0.10 ⁇ m, preferably of less than 0.08 ⁇ m.
- the density of the structuring can be chosen constant over the entire surface. Nevertheless, a fairly uniform luminance is achieved by the present invention. Furthermore, it is possible to increase the density of the patterning with the distance to the light source in order to obtain a more uniform luminance. In comparison to conventional light guides, however, the change in density can be chosen to be much lower, since the light guides according to the invention have a more uniform luminance distribution per se.
- the lighting units according to the invention are particularly used as Back Light Unit (BLU), Edge Lit Back Light Unit or Light Guide Panel (LGP).
- BLU Back Light Unit
- LGP Light Guide Panel
- the Schlagzähmodifier used in the invention can be very
- the impact modifiers can be crosslinked or thermoplastic. Furthermore, the impact modifiers can be present in particulate form, in particular also as core-shell or as core-shell-shell particles. Decisive for the method according to the invention and the light guide bodies according to the invention are, above all, the optical properties with respect to the theoretical refractive index and the
- particle-shaped impact modifiers have a particle diameter between 20 and 400 nm, preferably between 50 and 300 nm, particularly preferably between 100 and 285 nm and very particularly preferred between 150 and 270 nm.
- particle-shaped impact modifiers which as a rule have a core-shell or core-shell-shell structure, are meant to be particulate.
- Thermoplastic Schlagzähmodifier contrast have a different
- block copolymers apply to these domains whose size can be determined, for example, by electromicroscopy, corresponding preferred sizes as for the core-shell particles.
- thermoplastic impact modifiers there are various examples of thermoplastic impact modifiers.
- thermoplastic impact modifiers such an example are aliphatic TPU (thermoplastic polyurethanes) such as are sold by the company Bayer, for example under the name Desmopan ® .
- TPU Desmopan ® WDP 85784A, 85092A WDP, WDP 89085A and WDP 89051 D all of which have refractive indices between 1, 490 and 1, 500, suitable as an impact modifier for the inventive light guide body.
- thermoplastic polymers for the invention are sold by the company Bayer, for example under the name Desmopan ® .
- impact modifiers are methacrylate-acrylate block copolymers, in particular Acrylic TPE, which are PMMA-poly-n-butyl acrylate-PMMA triblock copolymers, and which are sold under the product name Kurarity ® by Kuraray.
- the poly-n-butyl acrylate blocks form nanodomains in the polymer matrix with a size between 10 and 20 nm.
- the suitable crosslinked poly (meth) acrylate-based core-shell-shell impact modifiers for polymethacrylate matrix materials are well known. There are suitable descriptions for the synthesis of, for example, in EP 1 332 166 and EP 0 528 196. It is the skilled person simply by means of the above-described calculation method of the theoretical refractive index to select or design a suitable Schlagzähmodifier.
- the optical waveguides preferably contain between 0.3 and 45% by weight, preferably between 2.5 and 25% by weight, more preferably between 5 and 20% by weight and most preferably between 7.5 and 15% by weight impact modifier, if these are crosslinked particles, in particular core-shell or core-shell shell.
- thermoplastic materials such as the listed aliphatic TPU or acrylic TPE, they are in a concentration between 3 and 40% by weight, preferably between 6 and 25% by weight and particularly preferably between 9 and 15 % By weight in the matrix material.
- Example 1 7.5% by weight Metablen ® IR441 be extruded with 92.5% by weight of PLEXIGLAS ® 7H.
- PLEXIGLAS® 7H has a refractive index of 1.491.
- Metablen ® IR441 has a theoretical refractive index of 1.49 and particle sizes between 180 and 220 nm as an impact modifier. The difference between nD20 (Metablen® IR441) and nD20 (PLEXIGLAS® 7H) is 0.0014. An extruded light guide with a thickness of 500 ⁇ has a very good optical
- Example 2 15 wt% Metablen ® IR441 be coextruded with 85% by weight of PLEXIGLAS ® 7H.
- An extruded optical fiber with a thickness of 500 ⁇ has a very good optical appearance in terms of a uniform light extraction and a uniform color distribution over the entire output surface. In addition, this film can be processed more easily.
- Comparative Example 1 9.2% by weight of an impact modifier consisting of 98% by weight of co-extruded n-butyl acrylate and 2% by weight of allyl methacrylate, and a particle size of about 60 nm 90.8% by weight of PLEXIGLAS ® 7H.
- a coextruded light guide having a thickness of 500 ⁇ m has a poor optical appearance in terms of strong light scattering and a very strong yellowing.
- Fig.2 Clarification of the distances nozzle lip to calender
Landscapes
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitkörpern mit verbesserter Verarbeitbarkeit und deren Verwendung in Beleuchtungseinheiten, z.B. für Flüssigkristallbildschirme oder Monitore. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitkörpern, die eine Dicke von höchstens 1 mm aufweisen, mindestens 80 Gew.-% Polymethylmethacrylat und keine Streupartikel enthalten.
Description
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON LICHTLEITKÖRPERN UND EIN BELEUCHTUNGSEINHEIT
5
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitkörpern mit verbesserter Verarbeitbarkeit und deren Verwendung in Beleuchtungseinheiten, z.B. 10 für Flüssigkristallbildschirme oder Monitore.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitkörpern, die eine Dicke von höchstens 1 mm aufweisen, mindestens 80 Gew.-% Polymethylmethacrylat und keine Streupartikel enthalten.
15
Stand der Technik
Lichtleitkörper dienen insbesondere zur flächigen Beleuchtung verschiedener
20 elektronischer Gegenstände, wie zum Beispiel Flüssigkristallbildschirmen (LCD).
Üblich wird Licht über eine Kante eingestrahlt und normal zur Ausbreitungsrichtung ausgekoppelt. Derartige Lichtleitkörper sind Gegenstand von EP 800 036. Die
Auskopplung des Lichts erfolgt insbesondere durch Strukturierungen, die in der Oberfläche der Platte vorgesehen sind.
25
Des Weiteren sind aus EP 656 548 Lichtleitkörper bekannt, die Polymerpartikel als Streukörper verwenden. Problematisch an diesen Lichtleitkörpern ist deren
Witterungsbeständigkeit. Insbesondere zersetzt eine intensive UV-Bestrahlung die Polymerpartikel, so dass UV-Bestrahlung zu einem Gelbstich führt. Dieser Gelbstich ist 30 wiederum sehr kritisch für die Verwendung als Lichtleitkörper, da ein ungleichmäßiger Farbeindruck entsteht.
Darüber hinaus sind aus EP 1 022 129 Lichtleitkörper bekannt, die eine partikelfreie lichtleitende Schicht aus Polymethylmethacrylat aufweisen, auf die eine diffus
35 ausgestattete Schicht aufgebracht ist. Die diffus ausgestattete Schicht, die eine Dicke
im Bereich von 10 bis 1500 μηη aufweist, umfasst Bariumsulfat-Partikel. Gemäß diesem Prinzip wird das Licht über die PMMA-Schicht geleitet, wobei die Auskopplung durch die diffuse Schicht erfolgt. Allerdings kann die Lichtauskopplung kaum gesteuert werden, da nur das Licht normal zur Ausbreitungsrichtung gestreut wird, das die Grenzschicht zur diffus ausgestatteten Schicht durchdrungen hat. Es handelt sich hierbei dementsprechend nicht um eine Störung innerhalb der lichtleitenden Schicht, sondern um eine diffuse Rückreflexion. Darüber hinaus ist die Abnahme der
Leuchtintensität sehr groß, wie dies die Beispiele belegen. Weiterhin werden Lichtleitkorper in DE-A 10 222 250 beschrieben. Diese Lichtleitkorper zeigen gegenüber den zuvor dargelegten Platten eine verbesserte Leistungsfähigkeit. Allerdings beträgt die Dicke dieser, wie auch der zuvor beschriebenen Lichtleitkorper, mindestens 2 mm. Für eine zunehmende Miniaturisierung elektronischer Geräte, insbesondere auch aus ästhetischen Gründen, ist jedoch eine möglichst geringe Dicke des Lichtleitkörpers wünschenswert. Eine Verringerung der Plattendicke der zuvor dargelegten Lichtleitkorper führt zu einer sehr starken Abnahme der Leuchtdichte bezogen auf die Ausdehnungsrichtung des eingestrahlten Lichts. Hierdurch wird eine sehr inhomogene Beleuchtung erhalten, die vielfach unakzeptabel ist. In der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 102010062900.6 sind Lichtleitkörpern mit einer Dicke von 100 μηη bis 1 mm aus hoch reinen Formmassen auf Methacrylatbasis ohne Prozesshilfsmittel oder Schlagzähmodifier beschrieben. Durch die ausgeprägte Sprödigkeit der Lichtleitkorper werden an die kommerzielle Herstellung sowie die weitere Verarbeitung besondere Anforderungen gestellt.
Beispielsweise lassen sich die Lichtleitkorper nur sehr schwer auf die gewünschten Formate zuschneiden oder stanzen. Eine diesen Nachteilen entgegenwirkende
Schlagzähmodifizierung nach Stand der Technik würde jedoch die optischen
Eigenschaften des Lichtleitkörpers deutlich verschlechtern.
Aufgabe
In Anbetracht des Standes der Technik war es nun Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung dünner Lichtleitkorper zur Verfügung zu stellen, mit dem eine sehr homogene Ausleuchtung relativ großer Flächen erzielt werden kann und die gleichzeitig, ohne zu reißen, verarbeitet werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung bestand darin, dass die Lichtleitkorper auch bei längerem Gebrauch oder nach Bewitterung besonders gute Gelbwerte aufweisen.
Weiterhin war die Bereitstellung von Beleuchtungseinheiten, enthaltend Lichtleitkorper, mit einer hohen Energieeffizienz, einer hohen Beleuchtungsstärke und einer hohen Zuverlässigkeit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Lichtkörpern, die auf einfache Weise in Größe und Form den Anforderungen angepasst werden können, bereitzustellen.
Lösung
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne Weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Lichtleitkörpern auf Methacrylatbasis. Diese erfindungsgemäßen Lichtleitkörper weisen eine Dicke zwischen 100 μηη und 1 mm auf. Weiterhin ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Extrusionsverfahren mit anschließender Glättung handelt. Die dazu erfindungsgemäß verwendete Anlage besteht mindestens aus folgenden
Komponenten: einem Extruder, einer Flachfoliendüse, aufweisend eine Düsenlippe, und einem Glättwerk, insbesondere bestehend aus zwei Glättwalzen.
Insbesondere kann die erfindungsgemäß verwendete Anlage noch folgende optionale Komponenten aufweisen: eine Schmelzepumpe, eine Schmelzefiltration, ein statisches Mischelement und/oder einen Wickler. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper geringfügig schlagzähmodifiziert.
Es wurde insbesondere gefunden, dass nicht jeder Schlagzähmodifier in beliebigen Konzentrationen gleichermaßen für die Herstellung der erfindungsgemäßen
Lichtleitkörper eingesetzt werden kann. Geeignete Schlagzähmodifizierungsmittel, bzw. synonym Schlagzähmodifier, sind durch ihre Teilchengröße und einem zur Matrix angepassten Brechungsindex gekennzeichnet. Die erfindungsgemäß verwendeten Schlagzähmodifier zeichnen sich dadurch aus, dass ihr theoretischer Brechungsindex maximal 0,02, bevorzugt maximal 0,01 , besonders bevorzugt maximal 0,005 und ganz besonders bevorzugt maximal 0,003 vom theoretischen Brechungsindex des thermoplastischen Matrixmaterials des Lichtleitkörpers abweicht.
Der Brechungsindex von Polymeren ist eine im Prinzip messbare Größe. Im Falle von Partikeln, insbesondere von Partikeln, die mit Größen im Nanometerbereich oft als Schlagzähmodifier vorliegen, ist eine direkte Messung jedoch kaum möglich. In diesem Fall lässt sich der erfindungsgemäß zugrunde gelegte„theoretische Brechungsindex" anwenden. Im Rahmen dieser Erfindung werden die Brechungsindizes daher als berechnete Werte aus diesen theoretischen Brechungsindizes angegeben. Dabei wird folgende Formel verwendet:
20 / υ 20 20
nD (gesammt) = {nD (xl) * x) + (nD (X2) * JC2) + + (xn) * «)
mit
20
yiD als Gesamtbrechungsindex bei 20 °C,
20
^ΰ (m) als theoretischer Brechungsindex der Komponente n bei 20 °C und j£ als gewichtsprozentualer Anteil der Komponente an dem gesamten Schlagzähmodifier, wobei die Summe aller %n den Wert 1 ergibt.
Im Falle von Copolymeren werden die verschiedenen Wiederholungseinheiten derart betrachtet, als lägen verschiedene Homopolymere der einzelnen Comonomere vor. Entsprechend wird der Anteil der Comonomere am Gesamtsystem mit dem
theoretischen Brechungsindex eines entsprechenden Homopolymers multipliziert. Im Falle von mehrphasigen Systemen, wie z.B. Blockcopolymeren oder Kern-Schale- Polymeren, werden die Systeme derart betrachtet, dass keine Unterscheidung zwischen den einzelnen Polymerphasen vorgenommen wird und das Polymer als einphasig vorliegen würde. Es werden in diesem Fall also sämtliche Bausteine sämtlicher Phasen gemeinsam betrachtet.
Die theoretischen Brechungsindizes können in J.Brandrup, E.H. Immergut, Polymer Handbook, 3rd edition, Wiley, New York, 1989, Kapitel VI, S. 451 -461 nachgelesen werden. Die an dieser Stelle offenbarten Werte werden als die dieser Erfindung zugrunde liegenden betrachtet. Für den Fall, dass an dieser Stelle ein Bereich (wie zum Beispiel 1 ,590 bis 1 ,592 für Polystyrol) angegeben ist, wird der numerische Mittelwert dieses Bereichs als Wert angesetzt (im Falle von Polystyrol also 1 ,591 ).
Für ein Matrixmaterial aus reinem PMMA mit einem theoretischen Brechungsindex von 1 ,4983 würde der theoretische Brechungsindex des erfindungsgemäß verwendeten Schlagzähmodifiers somit zwischen 1 ,4783 und 1 ,5183, bevorzugt zwischen 1 ,4883 und 1 ,5083, besonders bevorzugt zwischen 1 ,4933 und 1 ,5033 und ganz besonders bevorzugt zwischen 1 ,4953 und 1 ,5013 liegen.
Insbesondere zeichnet die sich in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Anlage dadurch aus, dass die Flachfoliendüse über eine Düsenlippe mit
Stellelementen zur Einstellung der Düsenlippenbreite verfügt, und die Stellelemente einen Abstand von 5 bis 20 mm, bevorzugt von 1 1 bis 15 mm zueinander aufweisen. Der Spalt der Düsenlippe kann über die gesamte Breite der Düsenlippe, mittels der Stellelemente feinjustiert werden. In diesem Zusammenhang spricht man auch von einer so genannten Flexlippe oder Flexdüsenlippe. Der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Düsenkörper weist eine
Außengeometrie auf, die der Form der Glättwalzen angepasst ist (Fig.1 ). Dabei kann es sich um ein dreieckiges oder trapezförmiges Zusammenlaufen des Düsenkörpers zur Düsenlippe hin handeln. Zusätzlich können die Flanken des Düsenkörpers auch derart abgerundet sein, dass sie die Form der Glättwalzen komplementär annehmen. Dies kann, wie exemplarisch in Fig.2 dargestellt, auch asymmetrisch nur gegenüber einer der beiden ersten Glättwalzen erfolgen.
Durch diese Formen des Düsenkörpers ist es möglich, den Abstand von der
Schmelzeaustrittskante zum Glättspalt kleiner 100 mm, bevorzugt kleiner 80 mm und in besonderen Ausführungsformen kleiner 60 mm einzustellen. Überraschend wurde gefunden, dass durch besonders kleine Abstände zwischen Schmelzeaustrittskante und Glättspalt eine besonders gute Folienqualität, insbesondere in Bezug auf die Oberflächenqualität, erreicht werden kann.
Der Abstand von der Schmelzeaustrittskante zum Glättspalt ist im Rahmen dieser Erfindung definiert als der Abstand (6 in Fig.2) zwischen der Schmelzaustrittskante und dem Punkt in der Mitte zwischen den Glättwalzen, der die kleinste Distanz (7 in Fig.2) zu den beiden Glättwalzen aufweist.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, bei dem die
Flachfoliendüse gegenüber dem Glättwerk mittels Laser ausgerichtet wird. Damit wird dafür Sorge getragen, dass die parallele Abweichung der Düse zu den Glättwalzen, gemessen an den beiden Enden einer Düsenaußenseite eine maximale Abweichung von 3 mm, bevorzugt von 1 mm aufweist. Die Düsenaußenseiten sind dabei die beiden Flanken der Flachfoliendüse, die jeweils parallel zu den beiden Glättwalzen verlaufen.
Insbesondere zeichnen sich die erfindungsgemäß hergestellten Lichtleitkorper dadurch aus, dass die Dickenabweichung in dem Lichtleitkorper maximal 4%, bevorzugt maximal 3% beträgt. Die Dickenabweichung wird ausgehend von der dünnsten Stelle des Lichtleitkörpers bestimmt. Eine Abweichung von 3% bedeutet somit, dass die Dicke der dicksten Stelle des Lichtleitkörpers maximal 3% größer sein darf, als die Dicke der dünnsten Stelle.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingt es auf nicht vorhersehbare Weise einen dünnen Lichtleitkorper bereitzustellen, mit dem eine sehr homogene
Ausleuchtung relativ großer Flächen erzielt werden kann.
Weiterhin zeigen die Lichtleitkorper hergestellt nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine besonders hohe Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse, insbesondere gegen UV-Bestrahlung. Weiterhin zeigen die Lichtleitkorper über die gesamte Fläche eine gleichmäßige
Farbqualität der Lichtauskopplung. Damit ergibt sich ein besonders farbechtes Licht. Insbesondere entsteht auch mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle kein Gelbeindruck. Darüber hinaus kann die Helligkeit der Lichtleitkorper an
unterschiedliche Bedürfnisse angepasst werden.
Überraschend gelingt es durch einen erfindungsgemäß hergestellten Lichtleitkorper, eine Beleuchtungseinheit mit einer hohen Energieeffizienz, einer hohen
Beleuchtungsstärke und einer hohen Zuverlässigkeit bereitzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Lichtleitkörpern ist darüber hinaus besonders einfach und kostengünstig durchzuführen.
Weiterhin haben die erfindungsgemäß hergestellten Lichtleitkorper den Vorteil, dass sie sich leicht auf gewünschte Formate zuschneiden oder stanzen lassen. Auch bei der Extrusion der Lichtleitkorper ist die Sprödigkeit so gering, dass das Risiko eines Bahnabrisses minimiert ist und die Folie bei hohen Extrusionsgeschwindigkeit herzustellen ist. Der Lichtleitkorper lässt sich somit mit vorhandenen Extrusionsanlagen und nach bekannten Methoden verarbeiten.
Detaillierte Ausgestaltung der erfindungsgemäß verwendeten Anlage
Das Extrudieren von Polymeren zu Folien ist weithin bekannt und beispielsweise in Kunststoffextrusionstechnik II, Hanser Verlag, 1986, S. 125 ff. beschrieben. Hier sind auch weitere Ausführungsformen der einzelnen Anlagenkomponenten ausgeführt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine heiße Schmelze aus der Düse des Extruders auf einen Spalt zwischen zwei Glättwalzen extrudiert. Die optimale
Temperatur der Schmelze ist beispielsweise von der Zusammensetzung der Mischung abhängig und kann daher in weiten Bereichen schwanken. Bevorzugte Temperaturen der PMMA-Formmasse bis zum Düseneintritt liegen im Bereich von 150 bis 300 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 180 bis 270 °C und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 260 °C. Die Temperatur der Glättwalzen ist vorzugsweise kleiner oder gleich 150 °C, bevorzugt zwischen 60 °C und 140 °C.
In einer Ausführungsform wird die Temperatur der Düse vorzugsweise höher als die Temperatur der Mischung vor dem Düseneintritt gewählt. Bevorzugt wird die
Düsentemperatur um 10 °C, besonders bevorzugt um 20 °C und ganz besonders bevorzugt um 30 °C höher eingestellt als die Temperatur der Mischung vor dem Düseneintritt. Dementsprechend liegen bevorzugte Temperaturen der Düse im Bereich von 160 °C bis 330 °C, besonders bevorzugt 190 °C bis 300 °C.
Das erfindungsgemäß verwendete Glättwerk besteht aus zwei oder drei Glättwalzen. Glättwalzen sind in der Fachwelt weithin bekannt, wobei zum Erhalt eines hohen Glanzes polierte Walzen verwendet werden. In dem erfindungsgemäßen Verfahren können aber auch andere Walzen als Glättwalze verwendet werden. Durch den Spalt zwischen den beiden ersten Glättwalzen wird ein Film gebildet, der durch die gleichzeitige Abkühlung zu einer Folie wird. In Fig.1 ist eine Ausführungsform mit drei Glättwalzen schematisch abgebildet.
Es wurde überraschend gefunden, dass eine besonders gute Oberflächenqualität der Lichtleitkörper dadurch gewährleistet werden kann, dass Düse und Walze
Chromoberflächen aufweisen, und ganz besonders dadurch, dass diese
Chromoberflächen eine Rauhigkeit Ra (gemäß DIN 4768) kleiner 0,10 μηη, bevorzugt kleiner 0,08 μηη aufweisen.
Der Druck mit dem die geschmolzene Mischung in die Düse gepresst wird, kann beispielsweise über die Geschwindigkeit der Schnecke gesteuert werden. Der Druck liegt im Allgemeinen in einem Bereich von 40 bis 150 bar, ohne dass das
erfindungsgemäße Verfahren hierdurch beschränkt wird. Die Geschwindigkeit, mit der die Folien erfindungsgemäß erhalten werden können, ist dementsprechend im
Allgemeinen größer als 5 m/min, insbesondere größer als 10 m/min.
Zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Schmelzeförderung kann zusätzlich eine Schmelzepumpe vor der Flächenfoliendüse eingebaut sein.
Damit die entstehende Folie weitgehend frei von Verunreinigungen ist, wird vor dem Eintritt der Schmelze in die Düse optional ein Filter angeordnet. Die Maschenweite des Filters richtet sich im Allgemeinen nach den eingesetzten Ausgangsstoffen und kann dementsprechend in weiten Bereichen variieren. Im Allgemeinen liegen sie im Bereich von 300 μηη bis 20 μηη. Es können auch Filter mit mehreren Sieben unterschiedlicher Maschenweite vor dem Düseneintritt angeordnet werden. Diese Filter sind kommerziell erhältlich. Um Folien mit hoher Güte zu erhalten, ist es des Weiteren vorteilhaft besonders reine Rohstoffe einzusetzen. Optional kann darüber hinaus vor der Flachfoliendüse ein statisches Mischelement eingebaut sein. Über dieses können Komponenten wie Pigmente, Stabilisatoren oder Additive in die Polymerschmelze gemischt werden oder es können bis zu 5 Gew% eines zweiten Polymers, zum Beispiel in Form einer Schmelze aus einem zweiten Extruder zu dem PMMA gemischt werden.
Erfindungsgemäß verwendete Matrixmaterialien
Bei den zur Herstellung der erfindungsgemäß hergestellten Lichtleitkörper auf
Methacrylatbasis verwendeten Formmassen handelt es sich um Formmassen, deren thermoplastischer Hauptbestandteil zu mindestens 80 Gew%, vorzugsweise mindestens 90 Gew% und besonders bevorzugt mindestens 95 Gew% aus
Polymethylmethacrylat (im Weiteren kurz PMMA) bestehen. Diese Polymere werden im Allgemeinen durch radikalische Polymerisation von Mischungen erhalten, die Methylmethacrylat enthalten. Im Allgemeinen enthalten diese Mischungen mindestens 80 Gew%, vorzugsweise mindestens 90 Gew% und besonders bevorzugt mindestens
95 Gew%, bezogen auf das Gewicht der Monomere, Methylmethacrylat. Eine besonders hohe Qualität zeigen insbesondere Lichtleitkörper, die im Wesentlichen aus Polymethylmethacrylat bestehen. Daneben können diese Mischungen weitere (Meth)acrylate enthalten, die mit
Methylmethacrylat copolymerisierbar sind. Der Ausdruck (Meth)acrylate umfasst Methacrylate und Acrylate sowie Mischungen aus beiden.
Neben den zuvor dargelegten (Meth)acrylaten können die zu polymerisierenden Zusammensetzungen auch weitere ungesättigte Monomere aufweisen, die mit
Methylmethacrylat und den zuvor genannten (Meth)acrylaten copolymerisierbar sind. Hierzu gehören unter anderem 1 -Alkene, Acrylnitril, Vinylacetat, Styrol, substituierte Styrole, Vinylether oder Divinylbenzol. Alle dargelegten Monomere werden bevorzugt in einer hohen Reinheit eingesetzt.
Das Gewichtsmittel des Molekulargewichts Mw der erfindungsgemäß zu verwendenden Homo- und/oder Copolymere kann in weiten Bereichen schwanken, wobei das
Molekulargewicht üblicherweise auf den Anwendungszweck und die
Verarbeitungsweise der Formmasse abgestimmt wird. Im Allgemeinen liegt es aber im Bereich zwischen 20 000 und 1 000 000 g/mol, vorzugsweise 50 000 bis 500 000 g/mol und besonders bevorzugt 80 000 bis 300 000 g/mol, ohne dass hierdurch eine
Einschränkung erfolgen soll. Das Gewichtsmittel des Molekulargewichts wird mittel Gelpermeationschromatographie (GPC) gegen Polystyrolstandarts bestimmt.
Zur Herstellung des Lichtleitkörpers können verschiedene Poly(meth)acrylate als Matrixmaterial eingesetzt werden, die sich beispielsweise im Molekulargewicht oder in der Monomerzusammensetzung unterscheiden. Derartig besonders bevorzugte Formmassen sind unter dem Handelsnamen PLEXIGLAS® von der Fa. Evonik
Industries GmbH kommerziell erhältlich. Unter Matrixmaterial wird im Zusammenhang dieser Erfindung das Material des Lichtleitkörpers ohne die Schlagzähmodifier verstanden. Die Formmassen können übliche Zusatzstoffe enthalten. Hierzu gehören unter anderem Antistatika, Antioxidantien, Lichtstabilisatoren und organische
Phosphorverbindungen, Verwitterungsschutzmittel und Weichmacher. Die Menge an Zusatzstoffen ist jedoch auf den Anwendungszweck beschränkt. Vorzugsweise
umfassen die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper höchstens 5 Gew.-% und besonders bevorzugt höchstens 2 Gew.-% Additive, wobei Lichtleitkörper, die im Wesentlichen keine Additive umfassen überraschend eine außergewöhnliche Leistungsfähigkeit zeigen.
In einer besonderen Ausführungsform liegt der Lichtleitkörper als mehrschichtiges, bevorzugt als zweischichtiges Laminat vor. Eine Schicht stellt dabei der bereits ausgeführte PMMA-Lichtleitkörper mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung dar. In der besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem Lichtleitkörper um ein Coextrudat mit mindestens einer PMMA-Schicht und mindestens einer PVDF-Schicht. Die zuvor ausgeführten Mengenangaben zur Zusammensetzung beziehen sich dabei ausschließlich auf die PMMA-Schicht. Der Schlagzähmodifier ist dabei in der PMMA- Schicht enthalten. Der Lichtleitkörper
Neben dem ausgeführten Verfahren sind gleichfalls die Lichtleitkörper, herstellbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, und daraus produzierte Beleuchtungseinheiten Bestandteil dieser Erfindung. Eine solche erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit umfasst mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Lichtleitkörper. Das
Matrixmaterial des Lichtleitkörpers besteht zu mindestens 80 Gew%, vorzugsweise mindestens 90 Gew% und besonders bevorzugt mindestens 95 Gew% aus PMMA und enthält zusätzlich wie oben beschrieben Schlagzähmodifizierungsmittel. Darüber hinaus weist der Lichtleitkörper eine Dicke zwischen 100 μηη und 1 mm, bevorzugt zwischen 125 μηη und 750 μηη, besonders bevorzugt im Bereich von 150 μηη bis 600 μηι. auf.
Die Dicke bezieht sich hierbei auf den Mittelwert der kleinsten Ausdehnung des Lichtleitkörpers senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung gemessen. Die Dicke kann mittels eines Bügelmikrometers oder ähnlichen bekannten Vorrichtungen bestimmt werden.
Bevorzugt zeichnen sich die Beleuchtungseinheiten dadurch aus, dass die
Dickenabweichung in dem Lichtleitkörper maximal 3% beträgt und der Gelbwert des Lichtleitkörpers (Berechnung gemäß DIN 6167 für Normlichtart D65/100, bei der Messung des totalen spektralen Transmissionsgrades gemäß ISO 13468-2 verläuft der
Strahl senkrecht zur Ebene des Lichtleitkörpers); Messung gemäß DIN 5033) gemessen bei D[D65/io°] kleiner 1 bevorzugt kleiner 0,75, besonders bevorzugt kleiner 0,5 und ganz besonders bevorzugt kleiner 0,3 ist. Bei der Lichtquelle handelt es sich bevorzugt um eine oder mehrere Leuchtdioden (LED). Diese sind besonders bevorzugt am Rand des Lichtleitkörpers positioniert. Insbesondere weisen die Lichtleitkörper der vorliegenden Erfindung mindestens eine Lichteinleitungsfläche und mindestens eine Lichtaustrittsfläche auf, wobei die
Lichteinleitungsflächen bevorzugt eine oder mehrere äußere Kanten des
Lichtleitkörpers sind. In einer alternativen Ausführungsform kann das Licht auch über ein Prisma großflächig eingekoppelt werden. Die Einkopplung kann über ein so genanntes Encapsulant erfolgen. Dazu wird an den Kanten ein transparentes, bevorzugt vernetztes, weiches Polymer, wie zum Beispiel ein Silikon oder EVA zwischen LED und Lichtleitkörper angebracht. Die Strahlung tritt aus der LED aus, in das Encapsulant ein, dort aus und in die Lichtleitfolie ein. Ein solches Encapsulant stellt eine Alternative zu einem Prisma zur Bündelung des Lichts aus der unter Umständen breiteren LED in die schmalere Kante des Lichtleitkörpers dar.
Zur Beleuchtung der Lichteinleitungsfläche können alle bekannten Lichtquellen verwendet werden. Besondere Vorteile können insbesondere durch eine oder mehrere Leuchtdioden erzielt werden. Diese können z. B. in einem Rahmen an einer Kante, bzw. einer Kantenfläche oder Stirnfläche, seitlich der indirekt auszuleuchtenden Fläche, des Lichtleitkörpers angeordnet sein. Je nach Anordnung der Lichtquellen kann hierbei das Licht über alle vier
Kantenflächen eingestrahlt werden. Dies kann insbesondere bei sehr großen
Lichtleitkorpern notwendig sein. Bei kleineren Lichtleitkorpern genügen im Allgemeinen ein oder zwei Lichtquellen. Die Lichteinleitungsfläche ist in der Lage Licht in den Körper aufzunehmen, so dass die lichtleitende Schicht das eingeleitete Licht über die gesamte Lichtaustrittsfläche verteilen kann. Der Begriff Lichtaustrittsfläche kennzeichnet hierbei eine Fläche des Lichtleitkörpers, die geeignet ist Licht abzustrahlen. Die Auskoppelung von Licht wird vorzugsweise durch Strukturierungen in der Oberfläche des Lichtleitkörpers erzielt. Dementsprechend umfasst die parallel zur Lichtaustrittsfläche ausgebildete Oberfläche
bevorzugter Lichtleitkörper einen Bereich mit Strukturen und einen Bereich ohne Strukturen, über den nach Möglichkeit kein Licht abgegeben wird. Bevorzugte
Lichtleitkörper können daher über sehr gut definierte Bereiche der Oberfläche gezielt Licht abgeben, welches über die Lichteinleitungsfläche eingekoppelt wurde.
Dementsprechend kann die Oberfläche, die senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung ausgebildet ist, neben einer Lichtaustrittsfläche auch eine Fläche aufweisen, über die nur ein geringer Anteil des eingestrahlten Lichts ausgekoppelt wird. Ein geringer Anteil bedeutet, dass die Leuchtdichte in diesem Bereich der Oberfläche höchstens 20%, besonders bevorzugt höchstens 10 % der auf der Lichtaustrittsfläche maximal gemessenen Leuchtdichte beträgt. Flächen mit einer geringen Leuchtdichte zählen hierbei nicht zur Lichtaustrittsfläche.
Hierbei beträgt das Verhältnis von Lichtaustrittsfläche zu Lichteinleitungsfläche im Allgemeinen mindestens 1 , insbesondere mindestens 4, vorzugsweise mindestens 20 und besonders bevorzugt mindestens 80. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steht Lichtaustrittsfläche senkrecht zur
Lichteinleitungsfläche.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Lichtleitkörper eine tafelförmige Gestalt annehmen, wobei die drei Ausdehnungen des Körpers eine unterschiedliche Größe aufweisen.
Die kleinste Ausdehnung ist hierbei die Dicke der Tafel. Die größte Ausdehnung sei als Länge definiert, so dass die dritte Dimension die Breite darstellt. Hieraus ergibt sich, dass die Lichtaustrittsfläche dieser Ausführungsform durch Oberfläche definiert wird, die dem Produkt aus Länge mal Breite entspricht. Die Kantenflächen der Tafel, jeweils definiert als Oberfläche, die durch das Produkt aus Länge mal Dicke oder Breite mal Dicke gebildet wird, können im allgemeinen als Lichteintrittsfläche dienen.
Vorzugsweise werden die als Lichteintrittsfläche dienenden Kantenflächen poliert.
Die Auskopplung des Lichts von der Dichte der Strukturierung der Lichtaustrittsfläche bzw. deren Rauhigkeit abhängig. Je dichter diese Strukturierung ist, desto höher die Auskopplungswahrscheinlichkeit von Licht aus dem Lichtleiter.
Bevorzugt weist ein derartiger Lichtleitkörper eine Länge im Bereich von 20 mm bis 3000 mm, vorzugsweise von 30 bis 2000 mm und besonders bevorzugt von 50 bis 1500 mm auf. Die Breite dieser besonderen Ausführungsform liegt im Allgemeinen im Bereich von 10 bis 3000 mm, vorzugsweise von 20 bis 2000 mm und besonders bevorzugt von 50 bis 1000 mm.
Insbesondere zeichnet sich die erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit dadurch aus, dass ein Teil der Oberfläche des Lichtleitkörpers Strukturierungen aufweist und ein Kontrast zwischen der strukturierten Oberfläche des Lichtleitkörpers und der nichtstrukturierten Oberfläche des Lichtleitkörpers vorliegt.
Die Strukturierungen können nach der Herstellung der Folien, beispielsweise durch Druck oder andere mechanische Einwirkungen erhalten werden. Des Weiteren kann die Strukturierung bei der Herstellung der Folien erzielt werden, indem Walzen verwendet werden, die ein Negativ der Strukturierung aufweisen.
In Bezug auf diese Erfindung ist die Form der Strukturierung unkritisch. Wesentlich ist, dass die Lichtaustrittsfläche Störstellen umfasst, die in der Lage sind Licht
auszukoppeln. So können beispielsweise Punkte oder Einkerbungen aufgebracht werden. Darüber hinaus kann die Lichtaustrittsfläche auch aufgeraut werden. Üblich weisen die Strukturierungen eine Tiefe im Bereich von 0,5 μηη bis 100 μηη,
insbesondere 2 μηη bis 20 μηη auf.
Wie bereits dargelegt, kann die normal zur Lichtausbreitungsrichtung ausgebildete Oberfläche auch Bereiche ohne Strukturen umfassen. Bereiche der Oberfläche über die eine geringe, bevorzugt keine Lichtauskopplung erfolgen soll, weisen vorzugsweise eine Rauheit Ra kleiner 0,10 μηη, bevorzugt kleiner 0,08 μηη auf.
Die Dichte der Strukturierung kann über die gesamte Oberfläche konstant gewählt werden. Durch die vorliegende Erfindung wird trotzdem eine recht gleichmäßige Leuchtdichte erzielt.
Des Weiteren ist es möglich, die Dichte der Strukturierung mit dem Abstand zur Lichtquelle zu erhöhen, um eine gleichmäßigere Leuchtdichte zu erhalten. Im Vergleich zu herkömmlichen Lichtleitern kann die Dichteveränderung jedoch wesentlich geringer gewählt werden, da die erfindungsgemäßen Lichtleiter an sich eine gleichmäßigere Leuchtdichtenverteilung aufweisen.
Die erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheiten finden besonders Verwendung als Back Light Unit (BLU), Edge Lit Back Light Unit oder Light Guide Panel (LGP). Der Schlagzähmodifier
Die erfindungsgemäß verwendeten Schlagzähmodifier können auf sehr
unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen beruhen. Neben der chemischen Zusammensetzung sind auch sehr unterschiedliche Polymerarchitekturen einsetzbar. Die Schlagzähmodifier können vernetzt oder thermoplastisch sein. Weiterhin können die Schlagzähmodifier in Partikelform, insbesondere auch als Kern-Schale- bzw. als Kern-Schale-Schale-Partikel vorliegen. Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper sind vor allem die optischen Eigenschaften in Bezug auf den theoretischen Brechungsindex sowie die
Konzentration im Matrixmaterial. Zu beiden Merkmalen wurden die erfindungsgemäßen Grenzbereiche bereits weiter oben erläutert.
Zusätzlich hat es sich als sehr vorteilhaft, insbesondere in Bezug auf ein einheitliches Farbbild bei der Lichtauskopplung, erwiesen, wenn partikelförmige Schlagzähmodifier einen Partikeldurchmesser zwischen 20 und 400 nm, bevorzugt zwischen 50 und 300 nm, besonders bevorzugt zwischen 100 und 285 nm und ganz besonders bevorzugt zwischen 150 und 270 nm aufweisen. Bei größeren Partikeln kann es begründet durch Lichtstreuungseffekte zu einem in Bezug auf die farbkonstante Lichtauskopplung ungünstigerem Ergebnis kommen. Der beschriebene Effekt kann auch bei kleineren Partikeln als 20 nm erwartet werden, wenn diese einen Brechungsindexunterschied zur Matrix aufweisen und in hoher Anzahl vorliege. Blaues Licht streut stärker als Licht gelber Wellenlänge.
Mit partikelförmig sind in diesem Zusammenhang vernetzte Schlagzähmodifier, die in der Regel eine Kern-Schale- bzw. Kern-Schale-Schale-Struktur aufweisen gemeint. Thermoplastische Schlagzähmodifier dagegen haben einen abweichenden
Wirkmechanismus und sind in der Regel mit dem Matrixmaterial vermischt. Für den Fall, dass dabei Domänen ausgebildet werden, wie es zum Beispiel bei der
Verwendung von Blockcopolymeren auftritt, gelten für diese Domänen, deren Größe sich beispielsweise elektromikroskopisch bestimmen lässt, entsprechende bevorzugte Größen wie für die Kern-Schale-Partikel.
Ausgehend von einem reinen PMMA-Matrixmaterial oder einem Matrixmaterial, das einem reinen PMMA zumindest in Bezug auf den Brechungsindex sehr ähnlich ist, gibt es verschiedene Beispiele für thermoplastische Schlagzähmodifier. Ein solches Beispiel sind aliphatische TPU (thermoplastische Polyurethane) wie sind von der Firma Bayer beispielsweise unter dem Namen Desmopan® vertrieben werden. So sind insbesondere die TPU Desmopan® WDP 85784A, WDP 85092A, WDP 89085A und WDP 89051 D, die sämtlich Brechungsindizes zwischen 1 ,490 und 1 ,500 aufweisen, als Schlagzähmodifier für die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper geeignet. Ein weiteres Beispiel für thermoplastische Polymere zur erfindungsgemäßen
Verwendung als Schlagzähmodifier sind Methacrylat-Acrylat-Blockcopolymere, insbesondere Acrylic TPE, bei denen es sich um PMMA-Poly-n-butylacrylat-PMMA Triblockcopolymere handelt, und die unter dem Produktnamen Kurarity® von der Firma Kuraray vertrieben werden. Die Poly-n-butylacrylatblöcke bilden dabei Nanodomänen in der Polymermatrix mit einer Größe zwischen 10 und 20 nm.
Die geeigneten vernetzten Kern-Schale- bzw. Kern-Schale-Schale-Schlagzähmodifier auf Poly(meth)acrylatbasis für Polymethacrylatmatrixmaterialien sind hinlänglich bekannt. Es finden sich passende Beschreibungen zur Synthese zum, Beispiel in EP 1 332 166 und der EP 0 528 196. Dabei ist es dem Fachmann einfach mittels der oben beschriebenen Berechnungsmethode des theoretischen Brechungsindex, einen geeigneten Schlagzähmodifier auszuwählen bzw. zu gestalten.
Bevorzugt enthalten die Lichtleitkörper zwischen 0,3 und 45 Gew%, bevorzugt zwischen 2,5 und 25 Gew%, besonders bevorzugt zwischen 5 und 20 Gew% und ganz besonders bevorzugt zwischen 7,5 und 15 Gew% Schlagzähmodifizierungsmittel, wenn es sich bei diesen um vernetzte Partikel, insbesondere um Kern-Schale- bzw. Kern-Schale-Schale.
Für den Fall, dass als Schlagzähmodifier thermoplastische Materialien, wie zum Beispiel die aufgeführten aliphatischen TPU oder Acrylic TPE, verwendet werden, liegen diese in einer Konzentration zwischen 3 und 40 Gew%, bevorzugt zwischen 6 und 25 Gew% und besonders bevorzugt zwischen 9 und 15 Gew% im Matrixmaterial vor.
Beispiele
Mittels Folienextrusion werden Lichtleitkörper mit folgenden Zusammensetzungen hergestellt: Beispiel 1 : 7,5 Gew% Metablen® IR441 werden mit 92,5 Gew% PLEXIGLAS® 7H extrudiert. PLEXIGLAS® 7H hat ein Brechungsindex von 1 ,491.
Metablen® IR441 hat als Schlagzähmodifier einen theoretischen Brechungsindex von 1 ,49 und Partikelgrößen zwischen 180 und 220 nm. Die Differenz zwischen nD20(Metablen® IR441 ) und nD20(PLEXIGLAS® 7H) beträgt 0,0014. Ein extrudierter Lichtleitkörper mit einer Dicke von 500 μηη hat ein sehr gutes optisches
Erscheinungsbild in Bezug auf eine gleichmäßige Lichtauskopplung und eine gleichmäßige Farbverteilung über die gesamte Auskopplungsfläche.
Beispiel 2: 15 Gew% Metablen® IR441 werden mit 85 Gew% PLEXIGLAS® 7H coextrudiert. Ein extrudierter Lichtleitkörper mit einer Dicke von 500 μηη hat ein sehr gutes optisches Erscheinungsbild in Bezug auf eine gleichmäßige Lichtauskopplung und eine gleichmäßige Farbverteilung über die gesamte Auskopplungsfläche. Zudem lässt sich diese Folie leichter verarbeiten.
Vergleichsbeispiel 1 : 9,2 Gew% eines Schlagzähmodifiers bestehend aus 98 Gew% n- Butylacrylat und 2 Gew% Allylmethacrylat und einer Partikelgröße von ca. 60 nm werden mit 90,8 Gew% PLEXIGLAS® 7H coextrudiert. Ein coextrudierte Lichtleitkörper mit einer Dicke von 500 μηη hat ein schlechtes optisches Erscheinungsbild in Bezug auf eine starke Lichtstreuung und eine sehr starke Gelbfärbung.
Beschriftungen in den Zeichnungen Fig.1 : Ausführungsform mit Dreiwalzenglättwerk und einseitig angepasster Düsenlippe
Fig.2: Verdeutlichung der Abstände Düsenlippe zu Glättwerk
(1 ) statisches Mischwerk
(2) Flachfoliendüse
(3) Düsenlippe (Flexlippe)
(4) einseitig angepasste Außengeometrie des Düsenkörpers
(5) Glättwerk aus drei (Fig.1 ) bzw. zwei (Fig.2) Glättwalzen
(6) Abstand zwischen der Schmelzaustrittskante und dem Punkt in der Mitte zwischen den Glättwalzen
(7) Die kleinste Distanz zwischen den beiden Glättwalzen
Claims
Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von Lichtleitkörpern auf Methacrylatbasis mit einer Dicke zwischen 100 μηη und 1 mm, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Verfahren um ein Extrusionsverfahren mit anschließender Glättung handelt, und dass das die verwendete Anlage mindestens aus folgenden Komponenten besteht:
ein Extruder,
eine optionale Schmelzepumpe,
eine optionale Schmelzefiltration,
ein optionales statisches Mischelement,
eine Flachfoliendüse,
ein Glättwerk
und optional einen Wickler,
wobei die Flachfoliendüse über eine Düsenlippe mit Stellelementen zur
Einstellung der Düsenlippenbreite verfügt, und die Stellelemente einen Abstand von 1 1 bis 15 mm zueinander aufweisen,
der Düsenkörper eine Außengeometrie aufweist, die, der Form der Glättwalzen angepasst ist,
und der Abstand von der Schmelzeaustrittskante zum Glättspalt 80 mm oder kleiner ist, und dass
der Lichtleitkörper zumindest eine Schicht aufweist, die aus einem
Matrixmaterial auf Methacrylatbasis und einem Schlagzähmodifier besteht, wobei der Schlagzähmodifier einen theoretischen Brechungsindex aufweist, der maximal 0,02 von dem theoretischen Brechungsindex des Matrixmaterials abweicht.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die
Flachfoliendüse gegenüber dem Glättwerk mittels Laser ausgerichtet wird und dass die parallele Abweichung der Düse zu den Glättwalzen, gemessen an den beiden Enden einer Düsenaußenseite eine max. Abweichung von 3 mm aufweist.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagzähmodifier einen Kern-Schale- oder einen Kern-Schale-Schale-Aufbau und einen Partikeldurchmesser zwischen 20 und 400 nm, aufweist, und dass der Schlagzähmodifier in einer Konzentration zwischen 0,3 und 45 Gew% vorliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf Methacrylatbasis 5 bis 20 Gew% eines Schlagzähmodifiers enthält, dass der Schlagzähmodifier einen theoretischen Brechungsindex aufweist, der maximal 0,005 vom theoretischen Brechungsindex des Matrixmaterials abweicht, und dass der Partikeldurchmesser des Schlagzähmodifiers zwischen 50 und 300 nm liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf Methacrylatbasis 7,5 bis 15 Gew% eines Schlagzähmodifiers enthält, dass der Schlagzähmodifier einen theoretischen Brechungsindex aufweist, der maximal 0,003 vom theoretischen Brechungsindex des Matrixmaterials abweicht, und dass der Partikeldurchmesser des Schlagzähmodifiers zwischen 150 und 270 nm liegt.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schlagzähmodifier um ein
thermoplastisches TPU oder um ein Acrylat-Methacrylat-Triblockcopolymer handelt, und dass der Schlagzähmodifier in einer Konzentration zwischen 3 und 40 Gew% vorliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf Methacrylatbasis 6 bis 25 Gew% eines Schlagzähmodifiers enthält, und dass der Schlagzähmodifier einen theoretischen Brechungsindex aufweist, der maximal 0,005 vom theoretischen Brechungsindex des Matrixmaterials abweicht.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf Methacrylatbasis 9 bis 15 Gew% eines Schlagzähmodifiers enthält, und dass der Schlagzähmodifier einen theoretischen Brechungsindex aufweist, der maximal 0,003 vom theoretischen Brechungsindex des Matrixmaterials abweicht.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen der dünnsten und der dicksten Stelle des Lichtleitkörpers maximal 5 μηη beträgt.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickenabweichung in dem Lichtleitkorper maximal 4%, bevorzugt maximal 3% beträgt.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Düse und Walze Chromoberflächen aufweisen, und dass diese Chromoberflächen eine Rauhigkeit Ra kleiner 0,08 μηη aufweisen.
Beleuchtungseinheit umfassend mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Lichtleitkorper, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitkorper gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 herstellbar ist, zu mindestens 90 Gew% aus PMMA besteht und einen Schlagzähmodifier enthält, wobei der
Schlagzähmodifier einen theoretischen Brechungsindex aufweist, der maximal 0,02 vom theoretischen Brechungsindex des Matrixmaterials abweicht, eine Dicke zwischen 100 μηη und 1 mm aufweist und die Dickenabweichung in dem Lichtleitkorper maximal 4% beträgt.
Beleuchtungseinheit gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitkorper 0,1 bis 15 Gew% eines Kern-Schale- oder eines Kern-Schale- Schale-Schlagzähmodifiers enthält, wobei der Schlagzähmodifier einen theoretischen Brechungsindex aufweist, der maximal 0,003 vom theoretischen Brechungsindex des Matrixmaterials abweicht, eine Dicke zwischen 125 μηη und 750 μηη aufweist, die Dickenabweichung in dem Lichtleitkorper maximal 3%
beträgt und der Gelbwert des Lichtleitkörpers gemessen bei τ[065/ιο°] kleiner 1 , bevorzugt kleiner 0,3 beträgt.
Beleuchtungseinheit gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitkörper 3 bis 40 Gew% eines aliphatischen TPU- oder eines PMMA- Poly-n-Butylacrylat-PMMA-Triblockcopolymer-Schlagzähmodifiers enthält, wobei der Schlagzähmodifier einen theoretischen Brechungsindex aufweist, der maximal 0,003 vom theoretischen Brechungsindex des Matrixmaterials abweicht, eine Dicke zwischen 150 μηη und 500 μηη aufweist, die
Dickenabweichung in dem Lichtleitkörper maximal 3% beträgt und der Gelbwert des Lichtleitkörpers gemessen bei τ [065/ιο°] kleiner 1 , bevorzugt kleiner 0,3 beträgt.
Beleuchtungseinheit gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Oberfläche des Lichtleitkörpers Strukturierungen aufweist.
Beleuchtungseinheit gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Lichtquelle um eine oder mehrere Leuchtdioden (LED) handelt.
17. Verwendung einer Beleuchtungseinheit gemäß mindestens einem der
Ansprüche 12 bis 16 als Back Light Unit (BLU), Edge Lit Back Light Unit oder Light Guide Panel (LGP).
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