متطلبات تكنولوجيا LED لمواد الانتشار الضوئي وشروط تطوير مواد الانتشار الضوئي

1.1 مقدمة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)

في السنوات الأخيرة، حيث أن أزمة الطاقة العالمية، والتطور السريع لمصابيح LED. وقد تم استخدامه على نطاق واسع في الإضاءة والإضاءة الخلفية والعرض وغيرها من الصناعات. نظرًا لمزاياها في حماية البيئة وتوفير الطاقة وعمر الخدمة الطويل، فإن LED لديها إمكانية تطبيق واسعة. مع تطور صناعة الإضاءة LED، تزداد أيضًا لوحة نشر ضوء LED بسرعة. في الوقت الحاضر، يتم احتكار مواد نشر ضوء LED من قبل العديد من الشركات الأجنبية الكبيرة (مثل Teijin، Asahi Huacheng، كوريا الجنوبية LG، إلخ).

1.1.1 تقنية LED ومتطلبات مواد الانتشار الضوئي.

تقنية الإضاءة الخلفية لتلفزيون LED هي أهم مجال تطبيق لإضاءة LED. تعتمد تقنية إنتاج تلفزيون LCD في تلفزيون LED-TV بشكل أساسي على تقنية الإضاءة الخلفية LED البيضاء المباشرة. الإضاءة الخلفية المباشرة هي عبارة عن مصفوفة مصدر ضوء نقطي تتألف من مئات من مصابيح LED. ومن أجل توفير إضاءة خلفية موحدة للوحة الكريستال السائل، من الضروري إضافة لوحة نشر الضوء أمام مصفوفة LED. يمكن أن يمنع الانتشار العالي للوحة الانتشار بشكل فعال مصدر ضوء LED النقطي من التصوير على اللوحة البلورية السائلة. الإضاءة الداخلية والخارجية هي أكثر مجالات التطبيق الواعدة لمصابيح LED. عند استخدامه في الإضاءة الداخلية والخارجية، يحدث الوهج بسبب درجة حرارة اللون العالية وأداء التأشير العالي لمصادر ضوء LED، والتي من السهل أن تسبب فقدان الضوء للعين البشرية. لذلك ، من الضروري استخدام لوحة نشر الضوء لتحويل مصدر ضوء LED عالي السطوع أو مصدر ضوء الخط إلى مصدر ضوء مستوٍ موحد وناعم لتحسين توحيد شدة الضوء وكفاءة استخدام الطاقة الضوئية ومنع الوهج.

1.1.2 التطبيق وآفاق السوق لمصابيح LED

تشير مادة الغلاف المستخدمة في إضاءة LED، سواء مادة نشر الضوء، كما هو موضح في الشكل 1.1، إلى المادة التي لا يمكنها فقط جعل الضوء يمر من خلالها ولكن أيضًا تشتت الضوء بشكل فعال، والتي يمكنها تحويل مصادر الضوء النقطي والخطي إلى مصادر ضوء خطي وسطحي. تقييم المادة التي يمكن للضوء من خلالها تشتيت الضوء بفعالية، والتي يمكنها تحويل مصادر الضوء النقطي والخطي إلى مصادر ضوء خطي وسطحي. أهم مؤشرين لتقييم الخصائص البصرية لمواد نشر الضوء هما نفاذية الضوء والضبابية. من أجل جعل الضوء ناعمًا وموحدًا، من المطلوب عمومًا أن تكون نفاذية الضوء لمادة نشر الضوء أكثر من 50% وأن يكون الضباب أكثر من 90%.

وبسبب التناقض بين نفاذية الضوء وعدم نفاذية الضوء، غالبًا ما يزداد الضباب، وتنخفض نفاذية الضوء. كيفية تحقيق التوازن بين هذين المؤشرين، فإن اختيار الناشر البصري مهم بشكل خاص. مع التطور السريع لصناعة الإضاءة LED، من الضروري تحسين كفاءة إنتاج ناشر الضوء لتحقيق الإنتاج المستمر. يتم تحضير معظم مواد نشر الضوء عن طريق مزج مواد مصفوفة البوليمر الشفافة مع جزيئات تشتت الضوء. تشمل جسيمات تشتت الضوء جزيئات الميكروسيليكا غير العضوية والخرز الزجاجي وجزيئات البوليمر العضوية، مثل البولي ميثاكريلات والبوليسترين PS والبولي (إيثيلين تيريفثاليت) وغيرها. نحن نستخدم الكمبيوتر الشخصي، الذي يتميز بخصائص ميكانيكية ممتازة ومقاومة للحرارة، كمادة مصفوفة، وندرس تأثيرات أنواع مختلفة من الناشرات الضوئية ذات الأشكال الدقيقة المختلفة على الخصائص البصرية لمواد نشر ضوء إضاءة LED، وذلك لتوفير بيانات مرجعية قوية للإنتاج الصناعي.

1.2 حالة تطوير مواد الانتشار البصري في الداخل والخارج

تشير مادة نشر الضوء إلى المادة الضوئية ذات نفاذية وضبابية معينة للضوء، والتي يمكنها تحويل مصدر الضوء النقطي ومصدر الضوء الخطي إلى مصدر ضوء خطي ومصدر ضوء سطحي، وتحقيق تأثير التوزيع الموحد لشدة ضوء الشعاع الساقط، وتستخدم على نطاق واسع في شاشات العرض المسطحة، وهندسة الإضاءة، والليزر، والتصوير بالإسقاط، وغيرها من المجالات التقنية. في الوقت الحاضر، مع نضج تكنولوجيا تصنيع رقاقة الصمام الثنائي الباعث للضوء LED عالية الطاقة، وتطبيقها الواسع في إضاءة السيارات، ومؤشرات الإشارة، وشاشة العرض الخارجية، والإضاءة الداخلية والخارجية وغيرها من المجالات، يتزايد الطلب على جزيئات نشر ضوء LED بسرعة.

في الوقت الحالي، تأتي مواد الانتشار الضوئي ذات الأداء المتفوق في السوق المحلية بشكل أساسي من شركات أجنبية مثل تيجين وأساهي كاسي، كما أن المعالجة أكثر تكلفة. إن البحث والتطوير المستقل للعلامات التجارية المحلية هو السبيل الرئيسي لكسر احتكارها. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن الضباب والنفاذية هما مؤشران مهمان لتقييم الخصائص البصرية لمواد نشر الضوء، فإنهما يتعارضان مع بعضهما البعض. هناك العديد من العوامل التي تؤثر على الخصائص البصرية لمواد نشر الضوء، والتفاعل أكثر تعقيدًا، لذلك أصبح تطوير مواد نشر الضوء ذات النفاذية العالية والضبابية العالية محور البحث الحالي.

جاءت أبحاث مواد نشر الضوء البوليمرية أولاً من الولايات المتحدة الأمريكية، ثم سرعان ما أدت إلى طفرة في البحث والتطوير لمواد نشر الضوء البوليمرية في مختلف البلدان. في عام 1944، استخدم يوشيو أوهتسوكا وآخرون الكمبيوتر الشخصي كمصفوفة وجزيئات CaCO3 المخدرة، وجزيئات PMMA لتحضير مواد نشر الضوء لتحقيق تأثير تشتت الضوء. في عام 2000، قام Mcneil LE وآخرون بإعداد أفلام انتشار الضوء عن طريق تخدير جزيئات TiO2 في راتنج الأكريليك الشفاف وتحليل معامل التشتت ودالة التشتت المتعددة بالتفصيل نظريًا، مما وفر مرجعًا للعمل البحثي التالي. في عام 2004، استخدم كيم جي إتش وآخرون مادة PMMA كمصفوفة، حيث تمت إضافة الألياف الزجاجية لتحضير فيلم نشر الضوء وتم تطبيقه في وحدة الإضاءة الخلفية لشاشات الكريستال السائل بحيث يكون الضوء المنبعث من شاشة LCD موحدًا وله خصائص فيزيائية جيدة. في الفترة من 1998 إلى 2004، بدأت جامعة كيو في اليابان في تطبيق بوليمر التشتت عالي الأداء على لوحة توجيه الإضاءة الخلفية البلورية السائلة الكريستالية الخلفية، وطرحت مفهوم لوحة توجيه الضوء الخالية من الشبيكة الخالية من الشبيكة لأول مرة، مع الحفاظ على الطاقة الكهربائية لمصدر الضوء دون تغيير. وقد تضاعف سطوع الإضاءة الخلفية البلورية السائلة، مما جذب الانتباه العالمي. في عام 2005، استحوذت شركة SONY اليابانية على هذه التقنية وتم تصنيعها، واستخدمت في إنتاج أجهزة الكمبيوتر المحمولة فائقة النحافة. في عام 2007، قامت جامعة بكين للتكنولوجيا الكيميائية بإعداد مواد نشر الضوء بإضافة Pr-MMA و SBR (مطاط الستايرين-بوتادين) إلى PS عن طريق البلمرة في الموقع، مع نفاذية ضوء تبلغ 79.9% وضبابية تبلغ 83.11%. في عام 2009، قام منغ تشينغهوا وآخرون بتوليف عامل تشتت الضوء نانو-بMMA/PS وإضافته إلى مواد مصفوفة PMMA لتحضير مركبات انتشار الضوء مع ضباب ونفاذية ضوء تبلغ 70-80%. في عام 2009، أعد وانغ وآخرون أغشية انتشار الضوء مع قطرات الماء المشتتة في بوليمرات السيليكون، مع نفاذية ضوئية تبلغ حوالي 88%. يظهر تأثير التشتت في الشكل 1.2. ومع تزايد الطلب على مصابيح LED والمواد البصرية الأخرى، لا يزال البحث في مواد الانتشار الضوئي ذا أهمية إيجابية.

1.2.1 كيف تختار الناشر البصري؟

تشمل ناشرات الضوء شائعة الاستخدام جزيئات غير عضوية مثل TiO2 وBaSO4 وSiO2 وCaCO3 وAl2O3 وAl2O3 والخرز الزجاجي، بالإضافة إلى جزيئات البوليمر العضوية مثل PS وراتنج السيليكون.

ما هي المتطلبات التي يجب استيفاؤها عند اختيار مواد التشتت؟
(1) يجب أن يكون للمادة المبعثرة ومادة المصفوفة خواص بصرية مختلفة محددة (مثل معامل الانكسار).
(2) يجب أن تمتص المادة المبعثرة القليل من الضوء أو لا تمتصه على الإطلاق.
(3) يجب أن يفي حجم الجسيمات المشتتة بمتطلبات معينة، ويجب ألا تكون الجسيمات صغيرة جدًا أو كبيرة جدًا، وإلا فإن تأثير التشتت غير واضح، وحجم الجسيمات ضعيف جدًا، ويزداد تشتت الضوء مع زيادة حجم الجسيمات، ولكن عندما يصل إلى حجم معين، فإن هذه العلاقة الخطية لا تعود صالحة.

1.2.2.2 كيف تختار مواد نشر الضوء؟

في الوقت الحاضر، تنقسم مواد تشتت الضوء المنتجة في الداخل والخارج بشكل أساسي إلى مواد تشتت سطحية ومواد تشتت سائبة. مواد تشتت الضوء التقليدية هي مواد تشتت الضوء السطحي، ويعتمد الضوء المتناثر منها بشكل أساسي على الهياكل السطحية، مثل العدسات المجهرية والأهرامات والأسطح الخشنة وغيرها من البنى المجهرية. تشمل طرق تحضير مواد تشتت الضوء المتناثرة على السطح مواد تشتت الضوء المتناثرة على السطح التركيب السطحي، والرش، والنقش على الشمعة بالليزر، والضغط الساخن، والنقش بالموجات فوق الصوتية. وتتمثل مزايا طرق الرش والتركيب السطحي في التشغيل البسيط والتكلفة المنخفضة، أما العيب فهو صعوبة تحقيق نفاذية الضوء المثالية. تتميز مواد نثر السطح المحضرة بواسطة نحت الشموع بالليزر وصب الأقحوان بالحبر بأداء جيد، بل ويمكنها التحكم بدقة في شكل الشعاع، ولكن متطلبات الأدوات والقوالب المستخدمة عالية جدًا والتكلفة مرتفعة جدًا. تكلفة طريقة الضغط على الساخن منخفضة نسبيًا، ولكن نظرًا لأن عملية التسخين والتبريد تستغرق وقتًا طويلاً والكفاءة منخفضة، فلا يمكن استخدامها في الإنتاج على نطاق واسع.

معظم المواد المشتتة للضوء المبعثرة للضوء السائبة هي مواد بوليمر شفافة ذات مشتتات ضوئية مبعثرة، والتي تحقق الغرض من انتشار الضوء بإضافة ناشرات ضوئية تختلف عن انكسار المصفوفة في المواد الجماعية الشفافة. وتستخدم هذه المادة آلية التشتت الشامل، أي أن الجزء الداخلي والسطح من المادة يلعبان دور التشتت، وتتمتع العينة بتشتت ضوئي عالٍ وشفافية عالية وخصائص شاملة جيدة.
في الوقت الحاضر، تحل مواد تشتت الضوء المشتتة الحجم، كنوع جديد من مواد تشتت الضوء، محل مواد تشتت الضوء التقليدية تدريجياً في العديد من مجالات التطبيق ويبدأ استخدامها على نطاق واسع في إضاءة LED، وشاشات العرض البلورية السائلة وغيرها من المجالات.

المواد التي نستخدمها هي عمومًا مواد تشتت الحجم. يتميز الكمبيوتر الشخصي بنفاذية ضوئية تبلغ 89%، وخصائص ميكانيكية جيدة، ورطوبة منخفضة ومقاومة جيدة للهب ولكن الأشعة فوق البنفسجية أو خط الجلد يمكن أن تجعلها صفراء بسهولة. يتميز PS بنفاذية ضوئية تبلغ 90%، ورطوبة منخفضة ومقاومة ضعيفة للحرارة. ونظرًا لانخفاض صلابة سطحه وهشاشته، فمن السهل أن ينتج عنه تشققات وجنون، ومن السهل أن يتدهور لونه تحت الأشعة فوق البنفسجية طويلة المدى. يتميز PMMA بالشفافية الشديدة، حيث تبلغ نفاذية الضوء 92% في النطاق المرئي، وقابلية معالجة جيدة وخصائص قوية مضادة للشيخوخة بالأشعة فوق البنفسجية، ولكنه يتميز بامتصاص قوي للرطوبة وضعف الصلابة وقابلية الاشتعال. يتميز ABS بخاصيتين لمقاومة الصدمات، ومقاومة الحرارة ومقاومة درجات الحرارة المنخفضة، وهو سهل المعالجة، ومقياس المنتج مستقر، ولمعان السطح جيد، ولكن نظرًا لأن ABS عبارة عن مزيج، فإن نفاذية الضوء ضعيفة. وبالنظر إلى الخصائص البصرية والخصائص الميكانيكية وقابلية المعالجة وعوامل أخرى للراتنج، يصبح الكمبيوتر الشخصي و PMMA الخيار الأول لمواد المصفوفة المشتتة للضوء.