DE102014104423A1

DE102014104423A1 - LED-Band und Verfahren zur Herstellung eines LED-Bandes

Info

Publication number: DE102014104423A1
Application number: DE102014104423.1A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: DOLLKEN KUNSTSTOFFVERARBEITUNG GmbH; DOLLKEN-KUNSTSTOFFVERARBEITUNG GmbH
Current assignee: DOELLKEN PROFILES GMBH, DE
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2034-03-29
Also published as: DE102014104423B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein flexibles LED-Band, welches zumindest ein mit mehreren Leuchtdioden bestücktes LED-Funktionsband aufweist, dass in zumindest einen transparenten thermoplastischen Kunststoff eingebettet ist. Dieses LED-Band ist dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Band im Wege der Extrusion einstückig aus zumindest drei Schichten gefertigt ist, mit – einer ersten Basisschicht aus einem nicht transparenten Kunststoff, – einer auf der Basisschicht angeordneten Kernschicht aus transparentem Kunststoff, in welche die Leuchtdioden zumindest bereichsweise eingebettet sind und – einer Frontschicht, welche auf der Kernschicht angeordnet ist und von der Kernschicht abweichende optische Eigenschaften aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles LED-Band, welches zumindest ein mit mehreren Leuchtdioden bestücktes LED-Funktionsband aufweist, das in zumindest einen (transparenten) thermoplastischen Kunststoff eingebettet ist. Zur Herstellung eines solchen LED-Bandes wird ein mit mehreren Leuchtdioden bestücktes LED-Funktionsband in einer Extrusionsvorrichtung kontinuierlich in eine Schmelze aus zumindest einem transparenten thermoplastischen Kunststoff eingebettet. Transparent meint im Rahmen der Erfindung transparent für sichtbares Licht. Davon soll auch bloße (streuende) Lichtdurchlässigkeit, Transluzenz und Opazität umfasst sein. Bestücktes LED-Funktionsband meint ein Trägerband, welches z. B. in vorgegebenen Abständen mit einer Vielzahl von Leuchtdioden (LEDs) bestückt ist und welches außerdem mit in Längsrichtung des Trägerbandes verlaufenden Leiterbahnen und darüber hinaus mit elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen bestückt ist, die in üblicher Weise für den Betrieb der Leuchtdioden erforderlich sind. Solche LED-Funktionsbänder sind aus der Praxis grundsätzlich bekannt, sie werden in der Regel mit einer Versorgungsspannung von 12 V oder 24 V (Gleichstrom) betrieben. Flexibel meint im Rahmen der Erfindung, dass sich ein solches LED-Band auch um kleine Radien biegen und insbesondere auch Aufwickeln lässt, und zwar um eine Achse, die senkrecht zur Bandlängsrichtung und parallel zur Bandquerrichtung liegt.
Derartige flexible LED-Bänder sind z. B. aus der EP 2 444 227 A1 bekannt. Die Herstellung der LED-Bänder wird z. B. in der EP 2 444 230 A1 beschrieben. Dabei wird ein mit mehreren Leuchtdioden bestücktes LED-Funktionsband mit einer Extrusionsvorrichtung kontinuierlich in eine Schmelze aus transparentem Polyurethan eingebettet. Dabei wird auch die Möglichkeit erwähnt, durch Coextrusion zwei verschiedene Materialien, z. B. Polyurethan und ein anderes Material oder zwei verschiedene PU-Materialien, zu verwenden.
Aus der WO 2011/117468 A2 kennt man ein LED-Band, welches mit Linsenstrukturen versehen ist, die im Zuge der kontinuierlichen Herstellung des LED-Bandes eingebracht werden. Dabei erstrecken sich diese Linsenstrukturen kontinuierlich in Längsrichtung, so dass das Licht quer zur Längsrichtung gebrochen wird. Das LED-Band hat bei diesen Ausführungsformen eine über die Breite variierende Dicke, so dass das Licht gleichsam seitlich abgelenkt bzw. gestreut wird.
Aus der DE 10 2011 001 680 A1 ist im Übrigen ein Verfahren zur Herstellung eines Beleuchtungskörpers auf LED-Basis, welcher insbesondere als Leuchtmittel-Ersatz für eine Leuchtstofflampe eingesetzt werden soll. Das LED-Band wird kontinuierlich im Wege der Coextrusion mit einer Basisschicht, einer Kernschicht und einer Frontschicht hergestellt. Auf diese Weise soll jedoch eine formstabile, selbsttragende Struktur hergestellt werden, so dass sich das LED-Band anschließend in Streifen vorgegebener Länger schneiden und mit Anschlussadaptern versehen lässt, so dass ein selbsttragender Beleuchtungskörper hergestellt wird, der als Leuchtmittelersatz für eine Leuchtstofflampe in herkömmliche Lampenfassungen einsetzbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flexibles LED-Band zu schaffen, welches sich in einem kontinuierlichen Prozess in großen Längen herstellen lässt und zugleich über verbesserte optische Eigenschaften verfügt.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei einem gattungsgemäßen flexiblen LED-Band der eingangs beschriebenen Art, dass das LED-Band im Wege der Extrusion einstückig aus zumindest drei Schichten gefertigt ist, mit

– einer ersten Basisschicht aus einem nicht transparenten Kunststoff,
– eine auf der Basisschicht angeordneten Kernschicht aus transparentem Kunststoff, in welche die Leuchtdioden zumindest bereichsweise eingebettet sind und
– einer dritten Kernschicht, welche auf der Kernschicht angeordnet ist und von der Frontschicht abweichende optische Eigenschaften aufweist.

Bevorzugt ist die erste nicht transparente Basisschicht im Querschnitt U-förmig ausgebildet, welche zumindest die Kernschicht unterseitig und seitlich umgibt, so dass untere und seitliche Lichtaustritte aus dem LED-Band verhindert werden. Die transparente Kernschicht, die bevorzugt aus einem hochtransparenten Kunststoff gefertigt ist, ist folglich bevorzugt in die U-förmige bzw. trog-förmige Basisschicht integriert, so dass das Licht der Leuchtdioden gezielt frontseitig aus dem LED-Band austritt und seitliche Lichtaustritte gezielt verhindert werden. Ergänzend ist eine dritte Schicht, nämlich die Frontschicht vorgesehen, welche auf der Kernschicht angeordnet ist und welche von der Kernschicht abweichende optische Eigenschaften aufweist. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass die Leuchtdioden auf dem LED-Funktionsband in vorgegebenen Abständen angeordnet sind und grundsätzlich als diskrete Leuchtpunkte bzw. Punktlichtquellen wahrgenommen werden. In der Praxis besteht jedoch häufig das Bedürfnis nach einem LED-Band, welches eine über die Länge möglichst homogene Abstrahlcharakteristik ausgebildet ist und folglich eine über die Länge möglichst homogene Ausleuchtung gewährleistet. Dieses gelingt bei dem erfindungsgemäßen flexiblen LED-Band durch die zusätzliche Frontschicht, die nicht als hochtransparente Schicht ausgebildet ist, sondern bevorzugt aus einem opaken und/oder eingefärbten Kunststoff besteht. Ergänzend und alternativ kann diese transparent-streuende Frontschicht ihren transparent-streuenden Charakter auch durch eine geometrische Ausgestaltung und insbesondere die Oberflächengestaltung erhalten, so kann die Frontschicht z. B. eine strukturierte und/oder profilierte Oberfläche aufweisen, wobei eine solche Oberfläche die bewusst gewünschten Streueffekte erzeugen oder auch verstärken kann. Jedenfalls lassen sich durch Kombination der drei Schichten flexible LED-Bänder schaffen, die sich variabel einsetzen und verlegen lassen und hervorragende optische Eigenschaften bieten.
Die LEDs sind z. B. als Weißlicht-LEDs ausgebildet, so dass die Farbgestaltung für ein und dasselbe LED-Funktionsband durch farbliche Ausgestaltung der Frontschicht erfolgen kann.
Die Kernschicht kann z. B. aus einem hochtransparenten Kunststoff, z. B. aus Polyurethan (PU bzw. TPU) hergestellt werden. Die Frontschicht kann grundsätzlich aus demselben Material gefertigt werden, wie die transparente Kernschicht. Es kann ebenfalls Polyurethan zum Einsatz kommen. Alternativ kann die Frontschicht aber aus Polycarbonat (PC) oder PMMA bestehen. Gleiches gilt für die Basisschicht, wobei die Basisschicht erfindungsgemäß aus einem nicht transparenten Kunststoff hergestellt ist.
Es wurde bereits erwähnt, dass die Frontschicht eine strukturierte Oberfläche aufweisen kann, um einen transparent-streuenden Charakter zu erzeugen. Diese Überlegung lässt sich weiterbilden, indem in die Frontschicht gezielt Linsenstrukturen eingeformt werden, mit denen gezielt eine bestimmte Abstrahlcharakteristik des LED-Bandes erzeugt wird.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass in die Frontschicht kontinuierlich in Längsrichtung erstreckende Linsenstrukturen eingeformt sind, welche das Licht quer zur Längsrichtung brechen. Dieses gelingt sehr einfach durch Ausgestaltung des Extrusionswerkzeuges, welches eine entsprechende Extrusionsdüse aufweist, die einen an die Linsenstruktur angepassten Querschnitt aufweist. Auf diese Weise lässt sich eine Frontschicht generieren, welche das Licht quer zur Längsrichtung und folglich quer zur Extrusionsrichtung bricht bzw. streut. Alternativ oder ergänzend besteht auch die Möglichkeit, eine solche Linsenstruktur in die Kernschicht einzuformen.
Um ein LED-Band herzustellen, dass auch über die Länge eine bestimmte Abstrahlcharakteristik, z.B. eine möglichst homogene Ausleuchtung eines Raumes bzw. der Umgebung erreicht, liegt es nach einem weiteren Vorschlag im Rahmen der Erfindung, in die Frontschicht in Längsrichtung beabstandete Linsenstrukturen einzuformen, welche das Licht folglich zumindest in Längsrichtung brechen. Solche Linsenstrukturen lassen sich in die Frontschicht z. B. mit einer in die Extrusionsvorrichtung nachgeordneten Prägevorrichtung einformen. Ein solche Prägevorrichtung kann z. B. ein Prägerad bzw. eine Prägewalze aufweisen, die z. B. durch eine von der Kreisform abweichende Geometrie im Zuge der Rotation periodisch Strukturen in das noch nicht vollständig ausgehärtete LED-Band und besonderes bevorzugt in die Frontschicht einprägt. Alternativ liegt es im Rahmen der Erfindung, eine solche Struktur durch periodische Variation der Geometrie des Extrusionswerkzeuges bzw. der Düse zu erzeugen, indem z. B. der Düsenquerschnitt zeitlich periodisch variiert wird.
Jedenfalls lassen sich auf diese Weise besonders bevorzugt in die Frontschicht Linsenstrukturen einprägen, und zwar entlang der Längsrichtung, so dass sich eine über die Länge variierende Brechung bzw. Streuung des Lichtes ergibt.
Durch Ausgestaltung der Prägevorrichtung und/oder des Düsenwerkzeuges lassen sich auch Linsenstrukturen erzeugen, die das Licht sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung brechen und folglich verteilen.
Alternativ oder ergänzend kann es zweckmäßig sein, eine Kernschicht mit einer über die Länge variierenden Dicke zu erzeugen. Denn auch über die Kernschicht lässt sich aufgrund der darüber liegenden Frontschicht gezielt die Streuung bzw. Brechung des Lichtes beeinflussen. So kann z. B. eine sich über die Länge erstreckende Wellenform oder eine ähnliche periodische Struktur der Kernschicht erzeugt werden. Dieses gelingt im Zuge der Extrusion, z. B. durch gezielte Beeinflussung und folglich Variation der Flussgeschwindigkeit. Auch wenn folglich im Zuge der Coextrusion mit einer einheitlichen Düse gearbeitet wird, welche den Querschnitt des fertigen LED-Bandes über die gesamte Fläche identisch vorgibt, lässt sich die Dicke der (zentralen) Kernschicht durch Variation der Flussgeschwindigkeit im Zuge der Extrusion variieren. Das LED-Band kann dann über die Länge einen homogenen Querschnitt aufweisen, im Innern ist jedoch eine Kernschicht angeordnet, die eine über die Länge variierende Dicke aufweist. Daraus ergibt sich dann aber auch, dass die Frontschicht eine über die Länge variierende Dicke aufweist, ohne dass dieses jedoch Einfluss auf den Gesamtquerschnitt des LED-Bandes und folglich auch auf die Oberfläche der Frontschicht hat.
Insgesamt wird ein LED-Band zur Verfügung gestellt, welches verbesserte optische Eigenschaften aufweist. Dennoch lässt sich das LED-Band flexibel und folglich variabel verlegen, da es als flexibles LED-Band ausgebildet ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen LED-Bandes. Dazu wird zumindest ein mit mehreren Leuchtdioden bestücktes LED-Funktionsband in einen thermoplastischen Kunststoff eingebettet, wobei das LED-Band im Wege der Extrusion einstückig aus mehreren Schichten gefertigt wird. Das LED-Funktionsband, welches z. B. in Rollenform angeliefert wird, wird z. B. von einer Abwickelvorrichtung abgewickelt und in ein Extrusionswerkzeug eingeführt und dort in den Kunststoff bzw. in die Kunststoffe eingebettet. Das dreischichte LED-Band kann z. B. im Wege der Dreifach-Coextrusion hergestellt werden. Alternativ kann auch eine Herstellung im Wege der Post-Extrusion bzw. Post-Coextrusion mit mehreren hintereinander angeordneten Extrusionsvorrichtungen erfolgen. Zum Einprägen von Linsenstrukturen kann eine nachgeordnete Prägevorrichtung vorgesehen sein. Um insbesondere die Dicke der Kernschicht zu variieren, kann die Flussgeschwindigkeit des die Kernschicht bildenden Kunststoffs in der Extrusionsvorrichtung variiert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes LED-Band in einer ersten Ausführungsform,
2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
3 ein LED-Band in einer dritten Ausführungsform und
4 einen Schnitt A-A durch den Gegenstand nach 3.
Die Figuren zeigen ein flexibles und folglich aufwickelbares LED-Band 1. Um ein solches LED-Band herzustellen, wird zunächst ein LED-Funktionsband 2 zur Verfügung gestellt, welches mit mehreren in Längsrichtung hintereinander angeordneten Leuchtdioden 3 und weiteren, üblichen Komponenten bestückt ist. Dieses LED-Funktionsband wird beispielsweise in Rollenform angeliefert und von einer Abwickelvorrichtung abgewickelt. Im Wege der Extrusion wird ein solches LED-Funktionsband 2 dann unter Bildung des fertigen LED-Bandes 1 in einen bzw. mehrere thermoplastische Kunststoffe eingebettet. Die Herstellung solcher LED-Bänder ist z. B. aus der EP 2 444 230 A1 bekannt.
Das erfindungsgemäße LED-Band 1 wird im Wege der Extrusion einstückig aus zumindest drei Schichten 4, 5, 6 gefertigt. In den Figuren ist erkennbar, dass das LED-Band eine erste Basisschicht 4 aus einem nicht transparenten Kunststoff, eine auf der Basisschicht 4 angeordnete Kernschicht 5 aus transparentem Kunststoff und eine Frontschicht 6 aufweist. Die Leuchtdioden 3 sind zumindest bereichsweise in die transparente Kernschicht 5 eingebettet.
Die erste, nicht transparente Basisschicht 4 ist im Ausführungsbeispiel im Querschnitt U-förmig bzw. trog-förmig, so dass die Kernschicht 5 in diese U-förmige Basisschicht 4 integriert ist, indem die Basisschicht 4 die Kernschicht 5 unterseitig und seitlich umgibt. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Licht der Leuchtdioden 3 seitlich aus dem LED-Band 1 austritt.
Die Leuchtdioden 3 selbst sind in die hochtransparente Kernschicht 5 eingebettet, z. B. aus thermoplastischem Polyurethan, hergestellt ist. Das LED-Funktionsband 2 kann aber auch bereichsweise in die Basisschicht 4 eingebettet sein, z. B. mit dem Trägerband.
Erfindungsgemäß weist die Frontschicht 6 optische Eigenschaften auf, die von den optischen Eigenschaften der Kernschicht 5 abweichen. Denn die Frontschicht 6 ist nicht aus hochtransparentem Kunststoff gefertigt, sondern z. B. aus einem opaken Kunststoff oder aus einem eingefärbten Kunststoff. Durch geeignete Opazität wird eine im Wesentlichen homogene Abstrahlcharakteristik des LED-Bandes erreicht. Durch eingefärbte Kunststoffe kann eine gleichsam farbige Lichtquelle erzeugt werden. Auch wenn folglich Weißlicht-LEDs verwendet werden, kann durch geeignete Einfärbung der Frontschicht ein farbiges LED-Band zur Verfügung gestellt werden, welches z. B. zu dekorativen Zwecken in Gebäuden aber auch für Außenanwendungen zur Verfügung steht.
Die 1 zeigt dabei eine erste Ausführungsform, bei welcher die Frontschicht 6 eine profilierte Struktur bzw. profilierte Oberfläche aufweist. In die Frontschicht sind Linsenstrukturen 7 eingeformt, und zwar solche, welche das Licht quer zur Längsrichtung brechen. Das LED-Band 1 weist bei dieser Ausführungsform eine sich über die Breite variierende Dicke auf. Ein solches LED-Band gemäß 1 lässt sich sehr einfach im Wege der Extrusion durch geeignete Geometrie der Extrusionsdüse herstellen.
Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Bandes ist in 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind Linsenstrukturen 8 in die Frontschicht 6 eingeformt, welche das Licht entlang der Längsrichtung (und gegebenenfalls der Querrichtung) brechen. Das LED-Band weist bei dieser Ausführungsform eine entlang der Längsrichtung (und zumindest bereichsweise auch in Querrichtung) variierende Dicke auf. Dieses gelingt z. B. dadurch, dass dem Extrusionswerkzeug eine Prägevorrichtung nachgeordnet ist, welche in das noch nicht erhärtete LED-Band eine periodische Struktur einprägt.
Während die 1 und 2 Ausführungsformen zeigen, bei denen die Linsenstrukturen 7, 8 in die Frontschicht 6 eingeprägt sind, zeigen die 3 und 4 eine abgewandelte, dritte Ausführungsform, bei welcher die Kernschicht 5 eine über die Länge des LED-Bandes und folglich in Längsrichtung variierende Dicke aufweist.
Damit sind gleichsam Linsenstrukturen 9 in die Kernschicht 5 eingearbeitet. Aus 4 ist erkennbar, dass durch diese variierende Kernschicht 5 auch die Frontschicht 6 eine über die Länge variierende Dicke aufweist, ohne dass jedoch der Gesamtquerschnitt des LED-Bandes über die Länge variiert. Auch bei dieser Ausführungsform wird folglich eine Streuung bzw. Brechung des Lichtes entlang der Längsrichtung erzeugt, so dass insgesamt ein LED-Band mit über die Länge sehr homogenen Abstrahlcharakteristiken zur Verfügung gestellt wird. Es erfolgt folglich eine sehr homogene Ausleuchtung, ohne dass die einzelnen Leuchtdioden 3 noch als Punktlichtquellen wahrgenommen werden. Das LED-Band nach 3 und 4 lässt sich z. B. im Wege der Dreifach-Coextrusion herstellen, indem die Fließgeschwindigkeit des thermoplastischen Kunststoffs für die Kernschicht gezielt zeitlich periodisch variiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2444227 A1 [0002]
EP 2444230 A1 [0002, 0023]
WO 2011/117468 A2 [0003]
DE 102011001680 A1 [0004]

Claims

Flexibles LED-Band (1), welches zumindest ein mit mehreren Leuchtdioden (3) bestücktes LED-Funktionsband (2) aufweist, dass in zumindest einen thermoplastischen Kunststoff eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Band (1) im Wege der Extrusion einstückig aus zumindest drei Schichten (4, 5, 6) gefertigt ist, mit – einer ersten Basisschicht (4) aus einem nicht transparenten Kunststoff, – einer auf der Basisschicht (4) angeordneten Kernschicht (5) aus transparentem Kunststoff, in welche die Leuchtdioden (3) zumindest bereichsweise eingebettet sind und – einer Frontschicht (6), welche auf der Kernschicht (5) angeordnet ist und von der Kernschicht (5) abweichende optische Eigenschaften aufweist.
LED-Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, nicht transparente Basisschicht (4) im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist, welche zumindest die Kernschicht (5) unterseitig und seitlich umgibt, so dass untere und seitliche Lichtaustritte aus dem LED-Band (1) verhindert werden.
LED-Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (5) aus einem hochtransparenten Kunststoff, z. B. aus thermoplastischem Polyurethan, besteht.
LED-Band nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontschicht (6) aus einem opaken oder eingefärbten Kunststoff besteht.
LED-Band nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontschicht (6) und/oder die Kernschicht (5) eine strukturierte Oberfläche aufweist.
LED-Band nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Frontschicht (6) und/oder in die Kernschicht (5) Linsenstrukturen (7, 8, 9) eingeformt sind.
LED-Band nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Frontschicht (6) und/oder in die Kernschicht (5) sich kontinuierlich in Längsrichtung erstreckende Linsenstrukturen (7) eingeformt sind, welche das Licht quer zur Längsrichtung brechen.
LED-Band nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Frontschicht (6) und/oder in die Kernschicht (5) in Längsrichtung beabstandete Linsenstrukturen (8, 9) eingeformt sind, welche das Licht zumindest in Längsrichtung brechen.
LED-Band nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (5) eine in Längsrichtung und/oder in Querrichtung variierende Dicke aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines LED-Bandes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Band im Wege der Coextrusion einstückig aus zumindest drei Schichten gefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Band im Wege der Dreifachextrusion hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Band im Wege der Post-Extrusion mit mehreren hintereinander angeordneten Extrusionsvorrichtungen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die Frontschicht Linsenstrukturen mit Hilfe einer der Extrusionsvorrichtung nachgeordneten Prägevorrichtung eingeformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kernschicht durch Variation der Flussgeschwindigkeit im Zuge der Extrusion variiert wird.