CN100408650C - 水不敏感性场致发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于场致发光器件中的复合材料。所述复合材料包括:具有第一表面能的聚合物材料;和分散于所述聚合物材料之中的磷光性材料。所述磷光性材料具有第二表面能,所述第一表面能和第二表面能均在约32至约46dyne/cm之间。对于1mil厚的阻挡层来说,在100下持续24小时时间内,所述聚合物材料的湿气渗透率为至少1克/100平方英寸。
Description
优先权声明
本申请要求美国临时专利申请序列号60/371375(2002年4月10日申请)和60/404420(2002年8月19日申请)的优先权。
技术领域
本发明涉及发光材料,并特别涉及含有发光材料的场致发光器件。
背景技术
场致发光材料通常含有磷光性粒子,它们悬浮在聚合物材料之中或被聚合物材料所覆盖。场致发光器件典型地可在磷光性粒子区域提供电场,引起该粒子发光。这类器件可用于多种应用,如广告、发光开关板和其它如显示器、汽车中的重点照明、液晶显示器的背光、夜灯等。
这类器件典型地含有一种保护层,用来防止水蒸气进入到该聚合物材料之中。例如US 6207077公开了一种防水的发光热固性聚酯混合物;US 6198216公开了一种含有发光粒子和氟化物树脂粘结剂以及保护层的聚合物基质。由于这类发光材料的介电性质和化学性质通常依赖于水蒸气的排除,所以引入这类发光材料的器件经常含有水分阻挡层。这种水分阻挡层对于某些器件来说可能是相对昂贵的,并可能限制这类器件的应用。
因此,需要这样一种场致发光材料,其性能与该材料中是否存在水蒸气无关。
发明内容
公开了一种用于场致发光器件的复合材料。该复合材料包括具有第一表面能的聚合物材料和分散于所述聚合物材料之中的磷光性材料。该磷光性材料具有第二表面能,且第一表面能和第二表面能均在约32至约46dyne/cm之间。该聚合物材料的湿气渗透率,对于1mil厚的阻挡层来说,在100°F下持续24小时时间内,为至少1克/100平方英寸。由于相对匹配的表面能,水蒸气基本不会在该磷光性材料和该聚合物材料界面处发生冷凝。因此,水蒸气就可通过该复合材料,而不会对含有本发明实施方式的复合材料的场致发光器件的操作产生不利影响。
附图说明
比照附图,下述说明将更易理解。
图1为本发明一种实施方式的场致发光复合材料的示意图。
图2为本发明另一种实施方式的场致发光复合材料的示意图。
图3为本发明又一种实施方式的场致发光复合材料的示意图。
图4为本发明又一种实施方式的场致发光复合材料的示意图。
图5为本发明又一种实施方式的可转移场致发光复合材料的示意图。
图6为图5所示可转移场致发光复合材料形成的场致发光复合材料的示意图。
图7为本发明又一种实施方式的可转移导电复合材料的示意图。
图8为由图7所示可转移导电复合材料形成的场致发光复合材料的示意图。
这些附图都是为说明目的给出的,而不是按比例给出的。
具体实施方式
本发明开发一种场致发光材料,它对于水蒸气的渗透和冷凝是惰性的。这可允许场致发光复合材料的封装不需要对水蒸气是不可渗透的。
按照本发明的一种实施方式,如图1所示,场致发光复合材料10可含有磷光性粒子12,它们分散在聚合物材料14之中。优选地,所有磷光性粒子都被该聚合物材料所覆盖,即使接近该复合材料表面的也是如此。该聚合物材料可允许水蒸气通过该聚合物材料,如A和B所示。该聚合物和磷光性粒子是经过选择的,使得每种材料的表面能均在约32至约46dyne/cm范围之内。因此,水蒸气就不会在该聚合物材料和该磷光性粒子的界面处发生冷凝。由于这一点,水蒸气将不会停留在该复合材料之中,所以当该复合材料应用于场致发光器件之中时,水蒸气的存在与否将不会实质性地影响该复合材料的性能。在各种不同的实施方式中,该复合材料10可以其本身或与载体(它可以是可拆除的或不可拆除的)一起提供和/或有一个或多个粘合层提供在该复合材料的外表面之上。
特别地,使用复合材料10的场致发光器件也可含有保护涂层16和任选地含一对导体18A和18B,它们各自电连接到交流电源20A和20B上,如图2所示。在其它实施方式中,在应用或使用该器件时,该复合材料10和涂层16可放置在导体或凸起条(buss bar)上。该保护涂层16和导体18A和18B具有足够高的湿气渗透率,即水蒸气可以也能通过这些材料。而且各保护涂层16和导体18A和18B的表面能是在约32至约46dyne/cm之间。而且优选地,所述聚合物材料和保护涂层之间表面能的差值保持相对较小,所述保护性涂层和导体之间表面能的差值也保持相对较小。因此,水蒸气将不会在聚合物材料和保护涂层之间的界面处或聚合物材料和导体之间的界面处发生冷凝。由于这一点,水蒸气将不会保留在场致发光器件之中,所以水蒸气的存在与否将不会实质性地影响该场致发光器件的性能。
该聚合物材料可包括压敏丙烯酸粘合膜如聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、热塑性涂层、聚酰胺、无定形聚酯树脂、丙烯酸树脂或能够提供充足湿气渗透并具有合适表面能的任何其它材料。已经发现,约为25/75至约74/26的磷光体与聚合物比值可用于各种不同的实施方式之中。例如55/45的磷光体与聚合物比值可用于某些实施方式之中。而且连续聚合物层的性质应该使得该聚合物材料具有足够低的比表面能,能够保证水蒸气在磷光体和聚合物、聚合物和导电层或聚合物和聚合物层的界面处不会发生冷凝,而且所述层可允许水蒸气自由地通过复合材料。该聚合物材料优选可包括未处理的聚氯乙烯或滑动处理的聚酯,它们具有低于46dyne/cm的比表面能,优选地其比表面能低于46dyne/cm。
至于导电材料,氧化锡铟(InTO)可以使用,其表面能约为36dyne/cm。在其它实施方式中,也可采用比表面能约40-42dyne/cm的轻微金属化的导电层。但优选其表面能在约32至约40之间。
下表给出了可用于本发明各种不同实施方式中的各种不同材料的表面能和湿气渗透率。
表1
材料 | 比表面能 | MVTR |
聚酯 | 41-44 | 2.2 |
聚酯(无定形) | 36-38 | 2.6 |
除甲基丙烯酸甲酯(PMMA) | 41 | 3 |
场致发光磷光体 | 35-40 | n/a |
聚碳酸酯 | 46 | 11 |
聚苯乙烯 | 38 | 8.5 |
硬聚氯乙烯 | 39 | 3.0 |
硅树脂 | 24-28 | 40 |
丙烯酸压敏粘合剂 | 32-38 | 15-40 |
表面能低于约32的材料在形成场致发光器件时可能难以粘合到其它材料之上,虽然使用硅烷或其它粘合促进可能有利于克服低表面能粘合问题。事实上,使用这类表面处理(例如采用硅烷)可能会引起该复合材料的比表面能或临界表面能降低。例如在一种比表面能更高的材料如铝的表面上的一种溶于干燥(不含水)溶剂中重量浓度为0.1-5.0%的活性硅烷涂层,如3/1的γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷/丙基氨基硅烷,可降低其表面能到非冷凝水平(下降到低于中等30dyne/cm)。应该指出的是,当电镀作用需要水起作用时,这种能防止水冷凝的比表面能降低对于防止电解液腐蚀金属也是有用的。而且含有高湿气阻挡层作为介电基质的一部分对于本发明场致发光器件的性能可能会产生不利影响。这类阻挡层可能会导致放气作用(例如在粘合层中形成气泡)。这类“气泡”一旦形成,就会改变“K”值(介电常数),并改变导电层间的间距,从而对总电容和场致发光器件的性能产生不利影响。
优选地,本发明场致发光器件没有MVTR小于1g mil/100平方英寸/24小时的层(在38℃和90%相对湿度下的Lyssy试验),而且没有两个连续聚合物层相差大于6g mil/100平方英寸/24小时,更优选相差不大于3g mil/100平方英寸/24小时。此外,该聚合物材料其介电数值基本不会由于水蒸气的存在而发生改变,特别是如果聚合物材料具有相对低的表面能水平时。例如一种橡胶基粘合剂,在100°F和95%相对湿度条件下经3天后,可显示出约50%的介电常数降低。介电常数的提高可能会导致结构之中电介质击穿,致使器件短路。
本发明器件可根据各种应用需要进行涂敷或印刷,在所述应用中该器件将被连接到电源之上。而且不需要从该器件中除去水分,事实上,水蒸气可自由地通过器件各层是优选的。该器件可通过将其放在高湿度环境中(100°F和约100%相对湿度)而测试其水敏感性。然后该器件应该定期地分析其照度稳定性(illumination stability)。
如图3所示,本发明另一种实施方式的场致发光器件包括一对位于该复合材料10的任一侧上的导电层22和24、以及保护层26。导电层24优选是透明导电层如InTO或轻微金属化的铝,其光学密度在约0.07至约1.0之间的水平,优选是在约0.15至约0.30之间。在其它实施方式中,该透明导电层可包括导电聚合物或碳纳米管。该透明导电层应该包括充足浓度的导电材料,使得导电层的电阻和电容乘积(RC时间常数)限定电阻电容层的频率,且该频率应该高于使该器件发光所需要的频率。当电子导电材料的电阻降低时,其容抗也降低,使该磷光体发光所需的总电流也降低。
与前面实施方式相似,保护层26和导电层22和24具有充足高的湿气渗透率,水蒸气可通过这些材料。而且保护涂层26和导电层22和24的每一个的表面能都是在约32至约46dyne/cm之间。而且优选地,每对相邻层之间表面能的差值保持相对较小,优选小于6dyne/cm。因此,水蒸气在该器件的任何界面处都不会发生冷凝,所以水蒸气将不会保留在该场致发光器件之中。
在又一种实施方式中,所述器件还在复合材料和一个或两个该导电层之间含有一个或两个附加介电层28和30(例如约0.02-0.5mil),以保证磷光性粒子不会直接与导电层接触,如图4所示。保护膜26还可用来保护人不直接接触任何导体或底层凸起条或其它交流电源,也可为器件提供附加的结构完整性。而且透明保护膜可用来防止灰尘和擦伤,并为该场致发光器件提供另外的结构性支撑。这类膜可包括聚酯、聚烯烃、PVC、PVF、聚碳酸酯等,只要有关粘合、表面能和湿气渗透率的条件能够满足即可。
按照本发明的另一种实施方式,可以构造一种转移元件,从而热转移印刷机或烫印机就可用来将场致发光复合材料放到图形显示器之上(例如键盘、仪表板显示器上的键等)。特别地,转移元件可包括复合材料10、透明导电层32、保护层34、剥离层36和载体层38、以及位于该复合材料10相对侧上的粘合层40,如图5所示。该转移元件可以应用到图形显示器46上的一个或多个导体42和44之上,之后除去载体层38和剥离层36,如图6所示。在这种方法中,载体层38是用来为将被转移到显示器46上的易碎元件提供结构性支撑。在某些实施方式中,复合材料10中的聚合物材料可具有粘合性质,这样单独的粘合层40就不再需要。相似地,在某些实施方式中,所述导电层32可具有足够的保护性质,这样单独的保护涂层34也就不再需要。而且所述导电层可包括一个介电涂层,以保证磷光性粒子不会接触所述导电层。在某些实施方式中,所述剥离层或隔离涂层在转移之后仍保留在所述复合材料上,其自身在最终器件中充当保护层的作用。所述“隔离涂层”也能起“保护涂层”的作用,有时确实起着“保护涂层”作用。
在又一种实施方式中,所述转移元件可包括导电层50和保护层52以及剥离层54、载体层56和粘合层58,但不包括发光复合材料10。在这种情形中,包括一个或多个导体62的接受基材60(如显示器)可能已经包括了发光复合材料10。这种将导电层转移到发光复合材料上的方法可允许分别转移各种想要的标记或其它图形,它们不需要直接连接到交流电源上,这是由于它们的作用是桥联在接受基材中存在的间隙。在某些实施方式中,所述复合材料10可提供充分的粘合性,例如通过含有(约1-45%,优选约2-6%)抗静电剂如CYASTAT(由Cytec Industries,Inc.of West Paterson,NJ出售)而实现。
在本发明另外实施方式中,盐也可用作交流电受体材料。例如在将发光复合材料固定到导电基材上的粘合剂中采用这类材料,可提高所述场致发光器件的场强。已经发现,约100-2500伏(优选为约400-800伏)范围内的交流电压在约60-14000Hz(优选为约1000-5000Hz)的频率下,可有效应用于本发明的器件。所述电压和频率对于不同的应用可以进行改变,例如根据想要的颜色、所述场致发光器件的尺寸、所述场致发光材料的总厚度、明度和内部阻抗和电容。
一般地,频率越高,则最优化结果所需要的盐的分子量越低。已经发现,如那些可以相当均匀分散在聚合物基质中的盐,可能有利于传送交流电信号,它们可完成所述场致发光器件电路。添加这些带电元件,可以按其自身使用,也可与其它导电材料组合一起使用,如前述讨论的真空沉积轻金属(光学密度约为0.15-0.40)、铟/锡氧化物(电阻约为25-400欧姆)或其它能够允许场致发光器件产生的光通过的导电层。作为所述导电盐如上述讨论的CYSTAT的替代品,其它盐如导电聚合物也可采用。尽管导电聚合物的一个带电部分(例如阳离子部分)具有相当大的分子量,但其它电荷中心通常具有低的分子量。
用于产生图形场致发光显示器的其它技术可能涉及采用掩模掩蔽图形内容,或者从场致发光复合材料上切除所述图形。这样想要的图形就被固定到导体之上。由于这种器件对于水蒸气相对不敏感,所以它们可用于以前认为对于场致发光器件来说是过于不利的环境之中,如广告自牌、渔船侧面、飞机跑道和零售店地板。
而且这类器件可为防伪目的用于原始文件之上。这类器件可转移到该原始文件之上。所述器件可设计为仅当设置在特定频率的交流电源之下时才能会发光。
本领域技术人员将会理解,在不偏离本发明精神和范围时,可以对上述的实施方式作许多改进和变化。
Claims (11)
1. 一种用于场致发光器件中的水蒸气可渗透的复合材料,所述复合材料包括:
具有第一表面能的聚合物材料;和
分散于所述聚合物材料之中的磷光性材料,所述磷光性材料具有第二表面能,所述第一表面能和第二表面能均在32-46dyne/cm之间,且对于1mil厚的阻挡层来说,在100°F下持续24小时时间内,所述聚合物材料的湿气渗透率为至少1克/100平方英寸。
2. 权利要求1所述复合材料,其中对于1mil厚的阻挡层来说,在100°F下持续24小时时间内,所述聚合物材料具有的总湿气渗透率大于1克/100平方英寸。
3. 权利要求1所述复合材料,其中所述聚合物材料包括丙烯酸聚合物、无定形聚酯、乙烯基聚合物和乙酸乙烯酯共聚物中的至少一种。
4. 权利要求1所述复合材料,其中所述复合材料包括保护层。
5. 权利要求4所述复合材料,其中所述保护层是透明的。
6. 权利要求4所述复合材料,其中对于1mil厚的阻挡层来说,在100°F下持续24小时时间内,所述保护层的湿气渗透率为至少1克/100平方英寸。
7. 一种用于场致发光器件中的水蒸气可渗透的复合材料,所述复合材料包括:
具有第一表面能的聚合物材料;
具有第二表面能的呈颗粒形式的磷光性材料,所述磷光性材料分散于所述聚合物材料之中;和
具有第三表面能的保护层,所述第一、第二和第三表面能均在32-46dyne/cm之间,且对于1mil厚的阻挡层来说,在100°F下持续24小时时间内,所述聚合物材料和所述保护层每一个的湿气渗透率均为至少1克/100平方英寸。
8. 权利要求7所述复合材料,其中所述保护层在其一侧包括导电材料涂层。
9. 权利要求7所述复合材料,其中所述复合材料在其各层之间包括多个表面界面,且对于1mil厚的阻挡层来说,在100°F下持续24小时时间内,每个所述表面界面的特征均在于所述界面各相邻层之间湿气渗透率的差值小于6克/100平方英寸。
10. 一种用于电器件中的水蒸气可渗透的复合材料,所述复合材料包括:
磷光性材料;
包覆所述磷光性材料的聚合物涂覆材料;
第一和第二导电层;和
保护层,其中对于1mil厚的阻挡层来说,在100°F下持续24小时时间内,所述磷光性材料、所述聚合物涂覆材料、所述第一和第二导电层和所述保护层中每一个的湿气渗透率均为至少1克/100平方英寸,从而使得所述发光基材的操作对水蒸气的存在实质上不敏感。
11. 一种使用水蒸气可渗透的场致发光器件的方法,所述方法包括施加交流电场通过权利要求1-9任一项的由聚合物材料和磷光性材料组成的复合材料的步骤和允许水蒸气通过所述场致发光器件的步骤。
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