TWI580887B - 一種照明系統及其製造方法 - Google Patents

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Description

一種照明系統及其製造方法
本發明是有關一種照明系統及其製造方法，特別是一種導引太陽光的照明系統及其製造方法。
習知追日系統是為了收集、導引太陽光，作為綠能照明或太陽能發電使用，但常常需要龐大的支架系統以及光學鏡面結構，而受到安裝空間及地點的侷限。此外，習知追日系統容易受到日照角度不同而影響其聚光效能，因此仍需要額外的方向控制系統，隨著日照角度變化以捕捉正向入射的太陽光，不但操作不便且費用昂貴，更容易影響其聚光效能。
綜上所述，如何簡便且廣角地捕捉太陽光便是目前極需努力的目標。
本發明提供一種照明系統及其製造方法，其是利用軟性波導材料之可撓性、塑形性及廣角捕光特性，以導引太陽光作為照明。軟性波導材料具有卓越耐候性，可同時封裝各式電子元件或模組並提供保護，適用於各種安裝場 所。此外，本發明選用之軟性波導材料為高透光聚合物或有機聚合物，可實現環境友善、生物相容性及綠色能源之優點。
本發明一實施例之照明系統包含一可撓性波導本體、一散射結構以及一延伸波導。可撓性波導本體具有一入光面以及相對之一表面，其中外部光源經由入光面入射至可撓性波導本體。散射結構設置於可撓性波導本體之一表面側，以散射入射至可撓性波導本體之外部光源。延伸波導具有一出光面，其中散射結構未遮蔽延伸波導與可撓性波導本體間之一連接介面，以使散射之外部光源經由出光面照射一照明區域。
本發明另一實施例之照明系統之製造方法包含提供一延伸波導，其具有一出光面；將部分延伸波導設置於一模具；以及充填一波導材料於模具中，並固化波導材料以形成一可撓性波導本體，使延伸波導與可撓性波導本體連接；其中可撓性波導本體具有一入光面、相對之一表面以及設置於表面側之一散射結構，其中散射結構未遮蔽延伸波導與可撓性波導本體間之一連接介面。
以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
L‧‧‧外部光源
10‧‧‧波導本體
11‧‧‧入光面
12‧‧‧表面
13‧‧‧散射結構
14‧‧‧側表面
16‧‧‧保護層
20‧‧‧延伸波導
21‧‧‧出光面
22‧‧‧連接介面
30‧‧‧太陽能電池
40‧‧‧電子元件
圖1a為一示意圖，顯示本發明一實施例之照明系統。
圖1b為一示意圖，顯示本發明另一實施例之照明系統。
圖2為一示意圖，顯示本發明又一實施例之照明系統。
圖3為一示意圖，顯示本發明再一實施例之照明系統。
圖4為一曲線圖，顯示本發明一實施例在一外部光源下之電流及電壓之對應關係。
圖5為一曲線圖，顯示本發明一實施例在另一外部光源下之電流及電壓之對應關係。
以下將詳述本發明之各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本發明亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本發明形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。
請參照圖1a，本發明之一實施例之照明系統，其具有一波導本體10、一散射結構13以及一延伸波導20。波導本體10具有一入光面11以及相對之一表面12，於本實施例中，入光面11為一突出半圓形曲面。但不限於此，於另一實施例中，入光面11更延伸連接至表面12，而形成一半球狀波導本體。於一實施例中，入光面11亦可為一平面或一凹面，具有通常知識者當可進行適當之修改變化，本發明並未限定波導本體10之形狀。散射結構13是設置於波導本體10之表面12上，或嵌入波導本體10但靠近表面12之內側，為了方便說明，以下將前述兩個位置統稱為表面側。亦即散射結構13是設置於波導本體10之表面側。
接續上述說明，於本實施例中，延伸波導20具有一出光面21，且與波導本體10之表面12連接。其中，延伸波導20穿設於散設結構13，因此散射結構13未遮蔽延伸波導20與波導本體10間之一連接介面22。於另一實施例中，請參照圖1b，延伸波導20具有一出光面21，且與波導本體10之一側表面14連接，其中側表面14與波導本體10之入光面11以及表面12至少其中之一連接。而且，散射結構13未遮蔽延伸波導20與波導本體10間之一連接介面22。
依據上述結構，當一外部光源L經由入光面11入射至波導本體10，將受散設結構13散射，使散射之外部光源L入射至延伸波導20，並經由出光面21照射一照明區域。
波導本體10之波導材料包含熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer，TPE)以及光固化聚合物(Photocureable polymer，PCP)至少其中之一。其中，熱塑性彈性體是一種高回彈性、環保、無毒又安全的材料，質地較塑膠類粒子柔軟且具有彈性。其加工過程無須硫化，有優異的著色性，耐候性等特色。舉例而言，熱塑性彈性體波導材料包含熱塑性橡膠彈性體(Thermoplastic Rubber，TPR)、熱塑性硫化橡膠(Thermoplastic Vulcanizate，TPV)、熱可塑性聚氨酯樹脂(Thermoplastic Polyurethane，TPP)以及熱塑性聚酯彈性體(Thermoplastic Polyether Ester Elastomer，TPEE)；而光固化聚合物包含聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)，其亦為一種熱可塑性聚氨酯樹脂(Thermoplastic Polyurethane，TPP)材料。其中常用之可撓性波導材料及所屬分類列舉如表1，但不以此為限。
延伸波導20之波導材料並無特別限制，舉例而言，可為光纖、玻璃管、金屬管等其他常見之波導元件；或可選用與波導本體10相同之波導材料，因此可步封裝各式電子元件於延伸波導20中。於一實施例中，散射結構13包含一奈米粉末或白色粉末，其摻雜於波導本體10之表面側或塗佈於波導本體10之表面12。於其他實施例中，散射結構13可為一白色反光片或白色塗料層。舉例而言，白色塗料層是藉由塗佈白色油漆於波導本體10之表面12所形成。於另一實施例 中，散射結構13包含一微結構，其設置於波導本體10之表面12。舉例而言，微結構13可為角錐形微結構、半球形微結構、矩形微結構、粗糙化微結構或以上之組合。
本發明之軟性波導材料具有可撓性、塑形性以及耐候性，且適用於一體成型製程，同時可以封裝各式電子元件並提供保護，適用於各種安裝場所。請參照圖2，本發明一實施例之照明系統。於本實施例中，波導本體封裝至少一太陽能電池30，其可設置於波導本體10之側表面側或表面側，但不以此為限，且未被散射結構13所遮蔽。此外，延伸波導20也是採用上述軟性波導材料，且封裝一電子元件40，例如可為一照明元件。其中，電子元件40可設置於延伸波導20之至少一表面或嵌設延伸波導20，且與太陽能電池30電性連接。於一實施例中，波導本體10摻雜一發光材料或發光量子點，可吸收較短波長之入射光線，例如紫外光譜，並將其轉換為較長波長之光譜，例如紅光譜，用以提高太陽能電池之發電效率。
需注意者，太陽能電池可與一蓄電池電性連接，用以儲存轉換太陽能所產生之電力，並在夜間或陰天時提供電力予一照明元件，例如一發光二極體模組，以提供另一室內照明。於一實施例中，延伸波導20更可封裝一感測器元件，用以感測照明區域之照度變化，以自動判斷是否點亮照明元件，提供另一室內照明。上述電子元件40亦可為一RFID、其它感測器或其它電子元件，具有通常知識者當可自行修飾變化，並不以上述之實施例為限。
請參照圖3，為了增加照明系統之抗污性，於一實施例中，其外部可具有一保護層16覆蓋波導本體10之至少一表面，例如覆蓋波導本體10之入光面11以及側表面14至少其中之一。其中，保護層16可為相對於波導本體10而言具有較低折射率之抗污透明塑膠材料，包含乙烯四氟乙烯(Ethylene-tetra-fluoro-ethylene，ETFE)、乙烯三氟氯乙烯共聚物(Ethylene-chlorotrifluororthylene， ECTFE)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)、氟化乙烯丙烯(Fluorinated Ethylene Propylene，FEP)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate，PET)以及聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)至少其中之一。
以下說明本發明一實施例之照明系統之製造方法，可選用之波導材料波導材料包含聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚氨酯(Polyurethane，PU)、環烯烴共聚物(Cycloolefin copolymer，COC)、聚對苯二甲酸乙二酯(poly(ethylene terephthalate)，PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly methyl methacrylate，PMMA)、環己二醇(共聚聚酯)(polyethylene terephthalate，PETG)、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯(Styrene methyl metacrylate，SMMA)、聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯(styrene-ethylene/butylene-styrene，SEBS)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone，PVP)以及聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)至少其中之一。於一實施例中，選用聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)之波導材料因具有高透光性、高可撓性及可塑性，以製作可導引太陽光之一種照明系統。事先備製一波導材料如下：吸取適量PDMS並依比例加入固化劑，例如PDMS與固化劑之容積比為10：1，且均勻攪拌後靜置一段時間或放置於真空腔體中去除氣泡，其中固化劑之種類不限於光固化劑或熱固化劑。
首先，提供一延伸波導，其具有一出光面，且不限材料；於一實施例中，可將除泡之波導材料倒入一延伸模具中，於攝氏90至120度之間加熱並固化波導材料，以提供一延伸波導，其中延伸波導與波導本體之波導材料相同。接著，將部分延伸波導相對出光面之一端設置於一模具。再來，填充一波導材料於模具中，並固化波導材料以形成一波導本體，使延伸波導與波導本體連接；其中波導本體具有一入光面、相對之一表面以及設置於表面側之一散射結構，且散 射結構未遮蔽延伸波導與波導本體間之一連接介面，即可完成如圖1a以及圖1b所示之照明系統。
於另一實施例中，在將部分延伸波導設置於一模具之同時，定位一太陽能電池於模具中，以設置於波導本體之一側表面側或表面側，且未被散射結構所遮蔽，其中側表面與波導本體之入光面以及表面至少其中之一連接。此外，在將除泡後之波導材料倒入一延伸模具中之同時，定位一電子元件於延伸模具中，以設置於延伸波導之至少一表面或嵌設於延伸波導，且與太陽能電池電性連接，即可完成如圖2以及圖3之照明系統。於一實施例中，可提供一蓄電池，其與太陽能電池電性連接。
於一實施例中，在充填波導材料時摻入一奈米粉末以形成一奈米粉末混合液，舉例而言，先依TiO2：PDMS=0.5g：1mL之比例均勻混合後，再依前述PDMS：固化劑=10：1之比例均勻混合；將此奈米粉末混合液倒入或塗佈於模具底部，並在固化波導材料時形成一散射結構於波導本體之表面側。亦即，散射結構可形成於靠近波導本體之表面之內側或塗佈於波導本體之表面。可以理解的是，通常知識者亦可簡便地使用白色粉末以替代上述奈米粉末，而達到散射之效果，但不以此為限。於另一實施例中，模具之一內壁具有一反向微結構，以在波導本體之表面形成相對應之一微結構，其中微結構包含角錐形微結構、半球形微結構、矩形微結構、粗糙化微結構或以上之組合。
於一實施例中，模具之一內壁具有一曲面、一平面或以上之組合，以使波導本體之入光面為一對應之曲面、平面或以上之組合。為了增加照明系統之抗污性，於一實施例中，可形成一保護層於波導本體之至少一表面，其中保護層包含乙烯四氟乙烯(Ethylene-tetra-fluoro-ethylene，ETFE)、乙烯三氟氯乙烯共聚物(Ethylene-chlorotrifluororthylene，ECTFE)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)、氟化乙烯丙烯(Fluorinated Ethylene Propylene， FEP)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate，PET)以及聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)至少其中之一。
以下測試本發明一實施例之照明效能，請參照圖2，取一波導本體入光面面積10*10cm2之照明系統，作為效能測試對像。以150W鹵素投射燈(照度約120klx)於距離波導本體入光面20cm處照射此照明系統，測試得導光效能如表2。
同時檢測得太陽能電池之電流與電壓之變化關係，檢測結果如圖4所示。其中，太陽能電池之開路電壓為1.008(V)，短路電流為0.012(A)，填充因子(FF)為0.89，顯示此照明系統具有回收外部光源進行發電之光源再生利用功效。
於本實施例中，另以100W之LED燈(照度約450klx)於距離波導本體入光面20cm處照射此照明系統，測試得導光效能如表3。
同時檢測得太陽能電池之電流與電壓之變化關係，檢測結果如圖5所示。其中，太陽能電池之開路電壓為1.231(V)，短路電流為0.111(A)，填充因 子(FF)為0.72，顯示此照明系統具有回收外部光源進行發電之光源再生利用功效。
可以理解的是，本發明提供一種照明系統，不僅導引外部光源，例如一太陽光，作為一照明以照射一照明區域，還可回收部份外部光源以太陽能電池進行發電，提供一電力。其中，照明系統所採用之波導材料可用以封裝各式電子元件，除了提供一電力使其正常運作外，同時提供較佳之耐候性保護。
綜合上述，本發明之照明系統及其製造方法是利用軟性波導材料之可撓性、塑形性及廣角捕光特性，以導引外部光源作為照明。軟性波導材料具有卓越耐候性，可同時封裝各式電子元件或模組並提供保護，適用於各種安裝場所；當封裝至少一太陽能電池時，更可有效達到光能源再生利用之功效。此外，本發明選用之軟性波導材料為高透光聚合物或有機聚合物，可實現環境友善、生物相容性及綠色能源之優點。
以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之入士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
L‧‧‧外部光源
10‧‧‧波導本體
11‧‧‧入光面
12‧‧‧表面
13‧‧‧散射結構
14‧‧‧側表面
20‧‧‧延伸波導
21‧‧‧出光面
22‧‧‧連接介面

Claims (17)

  1. 一種照明系統包含：一可撓性波導本體，其具有一入光面以及相對之一表面，其中一外部光源經由該入光面入射至該可撓性波導本體；一散射結構，其設置於該可撓性波導本體之該表面側，以散射入射至該可撓性波導本體之該外部光源；以及一延伸波導，其具有一出光面，其中該散射結構未遮蔽該延伸波導與該可撓性波導本體間之一連接介面，以使散射之該外部光源經由該出光面照射一照明區域。
  2. 如請求項1所述之照明系統，其中該延伸波導與該可撓性波導本體之該表面或一側表面連接，其中該側表面與該可撓性波導本體之該入光面以及該表面至少其中之一連接。
  3. 如請求項2所述之照明系統，更包含：一太陽能電池，其設置於該可撓性波導本體之該側表面側或該表面側，且未被該散射結構所遮蔽。
  4. 如請求項3所述之照明系統，更包含：一蓄電池，其與該太陽能電池電性連接。
  5. 如請求項3所述之照明系統，更包含：一電子元件，其設置於該延伸波導之至少一表面或嵌設於該延伸波導，且與該太陽能電池電性連接。
  6. 如請求項1所述之照明系統，其中該可撓性波導本體摻雜一發光材料。
  7. 如請求項1所述之照明系統，其中該散射結構包含一奈米粉末或一白色粉末，其摻雜於該可撓性波導本體之該表面側或塗佈於該可撓性波導本體之該表面。
  8. 如請求項1所述之照明系統，其中該散射結構包含一白色反光片或白色塗料層。
  9. 如請求項1所述之照明系統，其中該散射結構包含一微結構，其設置於該可撓性波導本體之該表面。
  10. 如請求項9所述之照明系統，其中該微結構包含角錐形微結構、半球形微結構、矩形微結構、粗糙化微結構或以上之組合。
  11. 如請求項1所述之照明系統，其中該入光面包含一曲面、一平面或以上之組合。
  12. 如請求項1所述之照明系統，更包含：一保護層，其設置於該可撓性波導本體之至少一表面，其中該保護層包含乙烯四氟乙烯(Ethylene-tetra-fluoro-ethylene，ETFE)、乙烯三氟氯乙烯共聚物(Ethylene-chlorotrifluororthylene，ECTFE)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)、氟化乙烯丙烯(Fluorinated Ethylene Propylene，FEP)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate，PET)以及聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)至少其中之一。
  13. 如請求項1所述之照明系統，其中該可撓性波導本體之波導材料包含熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer，TPE)以及光固化聚合物(Photocureable polymer，PCP)至少其中之一。
  14. 如請求項1所述之照明系統，其中該可撓性波導本體之波導材料包含聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚 氨酯(Polyurethane，PU)、環烯烴共聚物(Cycloolefin copolymer，COC)、聚對苯二甲酸乙二酯(poly(ethylene terephthalate)，PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly methyl methacrylate，PMMA)、環己二醇(共聚聚酯)(polyethylene terephthalate，PETG)、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯(Styrene methyl metacrylate，SMMA)、聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯(styrene-ethylene/butylene-styrene，SEBS)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone，PVP)以及聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)至少其中之一。
  15. 如請求項1所述之照明系統，其中該可撓性波導本體以及該延伸波導為相同之波導材料。
  16. 一種照明系統之製造方法，包含：提供一延伸波導，其具有一出光面；將部分該延伸波導設置於一模具；以及充填一波導材料於該模具中，並固化該波導材料以形成一可撓性波導本體，使該延伸波導與該可撓性波導本體連接；其中該可撓性波導本體具有一入光面、相對之一表面以及設置於該表面側之一散射結構，其中該散射結構未遮蔽該延伸波導與該可撓性波導本體間之一連接介面。
  17. 如請求項16所述之照明系統之製造方法，其中該散射結構是在充填該波導材料時摻入一奈米粉末或一白色粉末，並在固化該波導材料時形成於該可撓性波導本體之該表面側；塗佈該奈米粉末或 該白色粉末於該可撓性波導本體之該表面所形成；或設置一白色反光片或一白色塗料層於該可撓性波導本體之該表面側所形成。
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