Los requisitos de la tecnología LED para los materiales de difusión óptica y las condiciones de desarrollo de los materiales de difusión óptica

1.1 Introducción a los LED

En los últimos años, con la crisis energética mundial y el rápido desarrollo del LED, se ha extendido su uso en iluminación, retroiluminación, pantallas y otras industrias. Debido a sus ventajas de protección del medio ambiente, ahorro de energía y larga vida útil, el LED tiene una amplia perspectiva de aplicación. Con el desarrollo de la industria de la iluminación LED, la placa de difusión de luz LED también está aumentando rápidamente. En la actualidad, los materiales de difusión de luz LED están monopolizados por varias grandes empresas extranjeras (como Teijin, Asahi Huacheng, LG de Corea del Sur, etc.), cuyo coste es bastante elevado.

1.1.1 Tecnología LED y requisitos de los materiales de difusión óptica.

La tecnología de retroiluminación LED-TV es el campo de aplicación más importante de la iluminación LED. La tecnología de producción de televisores LCD en LED-TV adopta principalmente la tecnología de retroiluminación LED blanca directa. La retroiluminación directa es una matriz de fuentes de luz puntuales compuesta por cientos de LED. Para proporcionar una retroiluminación uniforme al panel de cristal líquido, es necesario añadir una placa difusora de luz delante de la matriz de LED. La alta difusividad de la placa difusora puede evitar eficazmente que la fuente de luz puntual LED se proyecte sobre el panel de cristal líquido. La iluminación interior y exterior es el campo de aplicación más prometedor de los LED. Cuando se utiliza en la iluminación de interiores y exteriores, el deslumbramiento está causado por la alta temperatura de color y el alto rendimiento de puntería de las fuentes de luz LED, que es fácil que cause pérdida de luz a los ojos humanos. Por lo tanto, es necesario utilizar la placa de difusión de luz para convertir la fuente de luz puntual LED de alto brillo o la fuente de luz lineal en una fuente de luz plana uniforme y suave para mejorar la uniformidad de la intensidad de la luz y la eficiencia de utilización de la energía luminosa y evitar el deslumbramiento.

1.1.2 Aplicación y perspectivas de mercado de los LED

El material de revestimiento utilizado en la iluminación LED, tanto material de difusión de la luz, como se muestra en la figura 1.1, se refiere al material que no sólo puede hacer que la luz pase a través, sino también dispersar eficazmente la luz, lo que puede transformar las fuentes de luz puntuales y lineales en fuentes de luz lineales y superficiales. Evalúe el material a través del cual la luz puede dispersarse eficazmente, lo que puede transformar las fuentes de luz puntuales y lineales en fuentes de luz lineales y superficiales. Los dos índices más importantes para evaluar las propiedades ópticas de los materiales de difusión de la luz son la transmitancia de la luz y la neblina. Para que la luz sea suave y uniforme, generalmente se requiere que la transmitancia de luz del material de difusión de luz sea superior a 50% y que la neblina sea superior a 90%.

Debido a la contradicción entre la transmitancia de la luz y la no toxicidad, a menudo aumenta la neblina y disminuye la transmitancia de la luz. Cómo equilibrar estos dos indicadores, la elección del difusor óptico es particularmente importante. Con el rápido desarrollo de la industria de la iluminación LED, es necesario mejorar la eficiencia de producción de la difusión de la luz para lograr una producción continua. La mayoría de los materiales de difusión de la luz se preparan mezclando materiales de matriz polimérica transparente con partículas que dispersan la luz. Las partículas dispersoras de luz incluyen microsílice inorgánica, perlas de vidrio y partículas de polímeros orgánicos, como polimetacrilato, poliestireno PS, poli (tereftalato de etileno), etc. Utilizamos PC, que tiene excelentes propiedades mecánicas y resistencia al calor, como material matriz, y estudiamos los efectos de diferentes tipos de difusores ópticos con diferentes micromorfologías en las propiedades ópticas de los materiales de difusión de luz de iluminación LED, con el fin de proporcionar datos de referencia potentes para la producción industrial.

1.2 Estado de desarrollo de los materiales de difusión óptica en el país y en el extranjero

El material de difusión de luz se refiere al material óptico con cierta transmitancia de luz y neblina, que puede convertir la fuente de luz puntual y la fuente de luz lineal en fuente de luz lineal y fuente de luz superficial, y conseguir el efecto de distribución uniforme de la intensidad de luz del haz incidente. Se utiliza ampliamente en pantallas planas, ingeniería de iluminación, láser, proyección de imágenes y otros campos técnicos. En la actualidad, con la madurez de la tecnología de fabricación de chips de diodos emisores de luz LED de alta potencia, y su amplia aplicación en la iluminación de automóviles, indicadores de señalización, pantallas de visualización al aire libre, iluminación interior y exterior y otros campos, la demanda de partículas difusoras de luz LED está aumentando rápidamente.

En la actualidad, los materiales de difusión óptica con un rendimiento superior en el mercado nacional proceden principalmente de empresas extranjeras como Teijin y Asahi Kasei, y su procesamiento es más caro. La investigación y el desarrollo independientes de marcas nacionales es la vía clave para romper su monopolio. Además, como la turbidez y la transmitancia son índices importantes para evaluar las propiedades ópticas de los materiales de difusión de la luz, se contradicen entre sí. Muchos factores afectan a las propiedades ópticas de los materiales de difusión de luz, y la interacción es más compleja, por lo que el desarrollo de materiales de difusión de luz con alta transmitancia y alta neblina se ha convertido en el foco de la investigación actual.

La investigación de materiales poliméricos de difusión de la luz surgió primero en Estados Unidos y, a continuación, desencadenó rápidamente un auge de la investigación y el desarrollo de materiales poliméricos de difusión de la luz en varios países. En 1944, Yoshio Ohtsuka et al utilizaron PC como matriz y partículas de CaCO3 y PMMA dopadas para preparar materiales de difusión de luz y conseguir el efecto de dispersión de la luz. En 2000, Mcneil LE et al prepararon películas de difusión de la luz dopando partículas de TiO2 en resina acrílica transparente y analizaron en detalle el coeficiente de dispersión y la función de dispersión múltiple en teoría, lo que sirvió de referencia para los siguientes trabajos de investigación. En 2004, Kim GH et al utilizaron PMMA como matriz, en la que se añadió fibra de vidrio para preparar la película de difusión de luz y se aplicó en el módulo de retroiluminación LCD para que la luz emitida por LCD fuera uniforme y tuviera buenas propiedades físicas. Entre 1998 y 2004, la Universidad de Keio (Japón) comenzó a aplicar polímeros de dispersión de alto rendimiento a la placa guía de iluminación de retroiluminación de cristal líquido, y propuso por primera vez el concepto de placa guía de iluminación de dispersión sin rejilla, manteniendo inalterada la potencia eléctrica de la fuente de luz. El brillo de la retroiluminación de cristal líquido se ha duplicado, lo que ha atraído la atención mundial. En 2005, SONY de Japón adquirió e industrializó esta tecnología, que se utilizó en la producción de ordenadores portátiles ultrafinos. En 2007, la Universidad de Tecnología Química de Pekín preparó materiales de difusión de luz añadiendo Pr-MMA y SBR (caucho de estireno-butadieno) al PS mediante polimerización in situ, con una transmitancia de luz de 79,9% y una neblina de 83,11%. En 2009, Meng Qinghua et al sintetizaron un agente de difusión de la luz nano-PMMA/PS y lo añadieron a materiales de matriz de PMMA para preparar materiales compuestos de difusión de la luz con una turbidez y una transmitancia de la luz de 70-80%. En 2009, Wang et al prepararon películas de difusión de luz con gotitas de agua dispersas en polímeros de silicona, con una transmitancia de luz de unos 88%. El efecto de dispersión se muestra en la figura 1.2. Con la creciente demanda de LED y otros materiales ópticos, la investigación sobre materiales de difusión óptica sigue teniendo una importancia positiva.

1.2.1 ¿Cómo elegir el difusor óptico?

Los difusores de luz comúnmente utilizados incluyen partículas inorgánicas como TiO2, BaSO4, SiO2, CaCO3, Al2O3 y perlas de vidrio, así como partículas de polímeros orgánicos como PS y resina de silicona.

Qué requisitos deben cumplirse a la hora de elegir los materiales de dispersión?
(1 ) El material dispersor y el material matriz deben tener propiedades ópticas específicas diferentes (como el índice de refracción).
(2) el material de dispersión debe absorber poca o ninguna luz.
(3) el tamaño de las partículas dispersoras debe cumplir ciertos requisitos, y las partículas no deben ser ni demasiado pequeñas ni demasiado grandes, de lo contrario el efecto de dispersión no es evidente, el tamaño de las partículas es muy débil, y la dispersión de la luz aumenta con el incremento del tamaño de las partículas, pero cuando alcanza cierto tamaño, esta relación lineal deja de ser válida.

1.2.2 ¿Cómo elegir los materiales de difusión de la luz?

En la actualidad, los materiales de difusión de luz producidos en el país y en el extranjero se dividen principalmente en materiales de dispersión superficial y materiales de dispersión masiva. Los materiales de difusión de luz tradicionales son materiales de difusión superficial, y su luz difusa depende principalmente de las estructuras superficiales, como microlentes, pirámides, superficies rugosas y otras microestructuras. Los métodos de preparación de los materiales de dispersión de luz superficiales incluyen el texturizado de superficies, la pulverización, el grabado de velas láser, el prensado en caliente y el grabado en relieve por ultrasonidos. Las ventajas de los métodos de pulverización y texturizado de superficies son la sencillez de operación y el bajo coste, y la desventaja es que es difícil conseguir una transmitancia de luz ideal. Los materiales de dispersión superficial preparados por tallado de velas láser y moldeado de crisantemos de tinta tienen un buen rendimiento, e incluso pueden controlar con precisión la forma del rayo, pero los requisitos de los instrumentos y moldes utilizados son muy altos y el coste es muy elevado. El coste del método de prensado en caliente es relativamente bajo, pero como el proceso de calentamiento y enfriamiento requiere mucho tiempo y la eficacia es baja, no puede utilizarse en la producción a gran escala.

La mayoría de los materiales de dispersión global de la luz son materiales poliméricos transparentes con dispersores de luz difusa, que consiguen el propósito de la difusión de la luz añadiendo difusores de luz que son diferentes de la refracción de la matriz en los materiales colectivos transparentes. Este material utiliza el mecanismo de dispersión global, es decir, el interior y la superficie del material desempeñan un papel de dispersión, y la muestra tiene alta dispersión de la luz, alta transparencia y buenas propiedades integrales.
En la actualidad, los materiales de dispersión de luz por volumen, como nuevo tipo de materiales de dispersión de luz, sustituyen gradualmente a los materiales de dispersión de luz tradicionales en muchos campos de aplicación y empiezan a utilizarse ampliamente en iluminación LED, pantallas de cristal líquido y otros campos.

Los materiales que utilizamos suelen ser de dispersión volumétrica. El PC tiene una transmitancia luminosa de 89%, buenas propiedades mecánicas, baja higroscopicidad y buena resistencia al fuego, pero la irradiación ultravioleta o de la línea de la piel puede amarillearlo fácilmente. El PS tiene una transmitancia luminosa de 90%, baja higroscopicidad y escasa resistencia al calor. Debido a su baja dureza superficial y fragilidad, es fácil que se produzcan grietas y rajaduras, y es fácil que se deteriore el color bajo la radiación ultravioleta a largo plazo. El PMMA es extremadamente transparente, con una transmitancia de luz de 92% en el rango visible, buena procesabilidad y fuertes propiedades anti-envejecimiento ultravioleta, pero tiene una fuerte absorción de humedad, poca tenacidad e inflamabilidad. El ABS tiene dos propiedades de resistencia al impacto, resistencia al calor y resistencia a bajas temperaturas, y es fácil de procesar, la escala del producto es estable, y el brillo de la superficie es bueno, pero como el ABS es una mezcla, su transmitancia de luz es pobre. Teniendo en cuenta las propiedades ópticas, las propiedades mecánicas, la procesabilidad y otros factores de la resina, el PC y el PMMA se convierten en la primera opción de materiales de matriz de dispersión de la luz.