Les exigences de la technologie LED pour les matériaux de diffusion optique et les conditions de développement des matériaux de diffusion optique

1.1 Introduction des DEL

Ces dernières années, la crise énergétique mondiale a entraîné le développement rapide des LED, qui ont été largement utilisées dans les secteurs de l'éclairage, du rétroéclairage, de l'affichage et d'autres industries. Grâce à ses avantages en matière de protection de l'environnement, d'économie d'énergie et de longue durée de vie, les LED ont un large champ d'application. Avec le développement de l'industrie de l'éclairage à LED, les panneaux de diffusion de la lumière à LED se développent également rapidement. Aujourd'hui, les matériaux de diffusion de la lumière LED sont monopolisés par plusieurs grandes entreprises étrangères (telles que Teijin, Asahi Huacheng, South Korea LG, etc.), dont le coût est assez élevé.

1.1.1 Technologie des LED et exigences en matière de matériaux de diffusion optique.

La technologie de rétroéclairage des téléviseurs à DEL est le domaine d'application le plus important de l'éclairage à DEL. La technologie de production des téléviseurs LCD à LED adopte principalement la technologie de rétroéclairage direct à LED blanches. Le rétroéclairage direct est une source lumineuse ponctuelle composée de centaines de LED. Afin de fournir un rétroéclairage uniforme au panneau à cristaux liquides, il est nécessaire d'ajouter une plaque de diffusion de la lumière devant le réseau de LED. La haute diffusivité de la plaque de diffusion peut empêcher efficacement la source de lumière ponctuelle des LED de produire des images sur le panneau à cristaux liquides. L'éclairage intérieur et extérieur est le domaine d'application le plus prometteur des LED. Lorsqu'elles sont utilisées pour l'éclairage intérieur et extérieur, l'éblouissement est causé par la température de couleur élevée et la haute performance de pointage des sources lumineuses à DEL, ce qui peut facilement causer une perte de lumière pour les yeux humains. Il est donc nécessaire d'utiliser la plaque de diffusion de la lumière pour transformer la source lumineuse ponctuelle ou la source lumineuse linéaire LED à haute luminosité en une source lumineuse plane uniforme et douce afin d'améliorer l'uniformité de l'intensité lumineuse et l'efficacité de l'utilisation de l'énergie lumineuse et d'éviter l'éblouissement.

1.1.2 Applications et perspectives de marché des LED

Le matériau d'enveloppe utilisé dans l'éclairage LED, le matériau de diffusion de la lumière, comme le montre la figure 1.1, désigne le matériau qui peut non seulement faire passer la lumière mais aussi la diffuser efficacement, ce qui permet de transformer les sources lumineuses ponctuelles et linéaires en sources lumineuses linéaires et surfaciques. Évaluer le matériau à travers lequel la lumière peut être efficacement diffusée, ce qui permet de transformer les sources lumineuses ponctuelles et linéaires en sources lumineuses linéaires et surfaciques. Les deux indices les plus importants pour évaluer les propriétés optiques des matériaux de diffusion de la lumière sont la transmission de la lumière et le voile. Pour que la lumière soit douce et uniforme, il est généralement exigé que le facteur de transmission de la lumière du matériau de diffusion de la lumière soit supérieur à 50% et que le voile soit supérieur à 90%.

En raison de la contradiction entre la transmission de la lumière et la non-toxicité, la brume augmente souvent et la transmission de la lumière diminue. Pour équilibrer ces deux indicateurs, le choix du diffuseur optique est particulièrement important. Avec le développement rapide de l'industrie de l'éclairage LED, il est nécessaire d'améliorer l'efficacité de production de la diffusion de la lumière pour atteindre une production continue. La plupart des matériaux de diffusion de la lumière sont préparés en mélangeant des matrices polymères transparentes avec des particules diffusant la lumière. Les particules de diffusion de la lumière comprennent la microsilice inorganique, les billes de verre et les particules de polymère organique, telles que le polyméthacrylate, le polystyrène PS, le poly (éthylène téréphtalate), etc. Nous utilisons le PC, qui possède d'excellentes propriétés mécaniques et une bonne résistance à la chaleur, comme matériau de matrice, et nous étudions les effets de différents types de diffuseurs optiques avec différentes micro-morphologies sur les propriétés optiques des matériaux de diffusion de la lumière de l'éclairage LED, afin de fournir des données de référence puissantes pour la production industrielle.

1.2 Situation du développement des matériaux de diffusion optique dans le pays et à l'étranger

Le matériau de diffusion de la lumière est un matériau optique doté d'une certaine transmission de la lumière et d'un certain trouble, qui peut convertir une source de lumière ponctuelle et une source de lumière linéaire en une source de lumière linéaire et une source de lumière superficielle, et obtenir une distribution uniforme de l'intensité de la lumière incidente. Il est largement utilisé dans les écrans plats, l'ingénierie de l'éclairage, le laser, l'imagerie par projection et d'autres domaines techniques. Aujourd'hui, avec la maturité de la technologie de fabrication des puces LED à diode électroluminescente de haute puissance et sa large application dans l'éclairage automobile, les indicateurs de signaux, les écrans d'affichage extérieurs, l'éclairage intérieur et extérieur et d'autres domaines, la demande de particules de diffusion de la lumière LED augmente rapidement.

À l'heure actuelle, les matériaux de diffusion optique aux performances supérieures sur le marché national proviennent principalement de sociétés étrangères telles que Teijin et Asahi Kasei, et leur traitement est plus coûteux. La recherche et le développement indépendants des marques nationales est le principal moyen de briser leur monopole. En outre, le trouble et la transmittance étant des indices importants pour évaluer les propriétés optiques des matériaux de diffusion de la lumière, ils sont en contradiction l'un avec l'autre. De nombreux facteurs affectent les propriétés optiques des matériaux de diffusion de la lumière, et l'interaction est plus complexe, de sorte que le développement de matériaux de diffusion de la lumière avec une transmittance élevée et un voile élevé est devenu le point central de la recherche actuelle.

La recherche sur les matériaux polymères de diffusion de la lumière est d'abord venue des États-Unis, puis a rapidement déclenché un essor de la recherche et du développement des matériaux polymères de diffusion de la lumière dans différents pays. En 1944, Yoshio Ohtsuka et al ont utilisé le PC comme matrice et des particules de CaCO3 et de PMMA dopées pour préparer des matériaux de diffusion de la lumière afin d'obtenir l'effet de diffusion de la lumière. En 2000, Mcneil LE et al ont préparé des films de diffusion de la lumière en dopant des particules de TiO2 dans une résine acrylique transparente et ont analysé en détail le coefficient de diffusion et la fonction de diffusion multiple en théorie, ce qui a servi de référence pour les travaux de recherche suivants. En 2004, Kim GH et al ont utilisé du PMMA comme matrice, dans lequel de la fibre de verre a été ajoutée pour préparer le film de diffusion de la lumière et l'ont appliqué au module de rétroéclairage LCD, de sorte que la lumière émise par le LCD était uniforme et présentait de bonnes propriétés physiques. De 1998 à 2004, l'université de Keio au Japon a commencé à appliquer un polymère de diffusion à haute performance à la plaque guide d'éclairage de rétroéclairage à cristaux liquides et a proposé pour la première fois le concept de plaque guide d'éclairage de diffusion sans treillis, tout en maintenant la puissance électrique de la source lumineuse inchangée. La luminosité du rétroéclairage à cristaux liquides a été doublée, ce qui a attiré l'attention du monde entier. En 2005, la société japonaise SONY a acquis et industrialisé cette technologie, qui a été utilisée pour la production d'ordinateurs portables ultraminces. En 2007, l'université de technologie chimique de Pékin a préparé des matériaux de diffusion de la lumière en ajoutant du Pr-MMA et du SBR (caoutchouc styrène-butadiène) au PS par polymérisation in situ, avec une transmission de la lumière de 79,9% et une brume de 83,11%. En 2009, Meng Qinghua et al ont synthétisé un agent de diffusion de la lumière nano-PMMA/PS et l'ont ajouté à des matériaux de matrice PMMA pour préparer des composites de diffusion de la lumière avec un trouble et une transmission de la lumière de 70-80%. En 2009, Wang et al ont préparé des films de diffusion de la lumière avec des gouttelettes d'eau dispersées dans des polymères de silicone, avec une transmission de la lumière d'environ 88%. L'effet de diffusion est illustré à la figure 1.2. Avec la demande croissante de LED et d'autres matériaux optiques, la recherche sur les matériaux de diffusion optique est toujours d'une grande importance.

1.2.1 Comment choisir le diffuseur optique ?

Les diffuseurs de lumière couramment utilisés comprennent des particules inorganiques telles que TiO2, BaSO4, SiO2, CaCO3, Al2O3 et des billes de verre, ainsi que des particules de polymère organique telles que PS et résine de silicone.

Quelles sont les exigences à respecter ? lors du choix des matériaux de diffusion ?
(1 ) Le matériau diffuseur et le matériau de la matrice doivent avoir des propriétés optiques spécifiques différentes (telles que l'indice de réfraction).
(2) le matériau diffuseur doit absorber peu ou pas de lumière.
(3) la taille des particules diffusantes doit répondre à certaines exigences, et les particules ne doivent être ni trop petites ni trop grandes, sinon l'effet de diffusion n'est pas évident, la taille des particules est très faible, et la diffusion de la lumière augmente avec l'augmentation de la taille des particules, mais lorsqu'elle atteint une certaine taille, cette relation linéaire n'est plus valable.

1.2.2 Comment choisir les matériaux de diffusion de la lumière ?

À l'heure actuelle, les matériaux de diffusion de la lumière produits dans le pays et à l'étranger sont principalement divisés en matériaux de diffusion de surface et en matériaux de diffusion en vrac. Les matériaux de diffusion de la lumière traditionnels sont des matériaux de diffusion de surface, et leur lumière diffusée dépend principalement des structures de surface, telles que les microlentilles, les pyramides, les surfaces rugueuses et d'autres microstructures. Les méthodes de préparation des matériaux de diffusion de la lumière en surface comprennent la texturation de la surface, la pulvérisation, la gravure à la bougie au laser, le pressage à chaud et le gaufrage par ultrasons. Les méthodes de pulvérisation et de texturation de surface présentent l'avantage d'être simples à mettre en œuvre et peu coûteuses, mais l'inconvénient est qu'il est difficile d'obtenir une transmission lumineuse idéale. Les matériaux de diffusion de surface préparés par la sculpture de bougies au laser et le moulage de chrysanthèmes à l'encre ont de bonnes performances et peuvent même contrôler avec précision la forme du faisceau, mais les exigences relatives aux instruments et aux moules utilisés sont très élevées et le coût est très important. Le coût de la méthode de pressage à chaud est relativement faible, mais comme le processus de chauffage et de refroidissement prend du temps et que l'efficacité est faible, cette méthode ne peut pas être utilisée pour la production à grande échelle.

La plupart des matériaux à diffusion globale de la lumière sont des matériaux polymères transparents avec des diffuseurs de lumière, qui atteignent l'objectif de diffusion de la lumière en ajoutant des diffuseurs de lumière qui sont différents de la réfraction de la matrice dans les matériaux collectifs transparents. Ce matériau utilise le mécanisme de diffusion globale, c'est-à-dire que l'intérieur et la surface du matériau jouent un rôle de diffusion, et l'échantillon présente une forte diffusion de la lumière, une grande transparence et de bonnes propriétés globales.
Actuellement, les matériaux de diffusion de la lumière en volume, en tant que nouveau type de matériaux de diffusion de la lumière, remplacent progressivement les matériaux de diffusion de la lumière traditionnels dans de nombreux domaines d'application et commencent à être largement utilisés dans l'éclairage LED, l'affichage à cristaux liquides et d'autres domaines.

Les matériaux que nous utilisons sont généralement des matériaux à diffusion volumique. Le PC a une transmission lumineuse de 89%, de bonnes propriétés mécaniques, une faible hygroscopicité et une bonne ignifugation, mais les rayons ultraviolets ou l'irradiation de la peau peuvent facilement le faire jaunir. Le PS a une transmission de la lumière de 90%, une faible hygroscopicité et une mauvaise résistance à la chaleur. En raison de la faible dureté de sa surface et de sa fragilité, il est facile de produire des fissures et des craquelures, et il est facile de détériorer la couleur sous l'effet d'un rayonnement ultraviolet à long terme. Le PMMA est extrêmement transparent, avec une transmission de la lumière de 92% dans le domaine visible, une bonne aptitude au traitement et de fortes propriétés anti-ultraviolettes, mais il absorbe fortement l'humidité, est peu résistant et inflammable. L'ABS possède deux propriétés de résistance aux chocs, de résistance à la chaleur et de résistance aux basses températures. Il est facile à transformer, l'échelle du produit est stable et la brillance de la surface est bonne, mais comme l'ABS est un mélange, sa transmission de la lumière est faible. Compte tenu des propriétés optiques, des propriétés mécaniques, de l'aptitude à la transformation et d'autres facteurs de la résine, le PC et le PMMA deviennent le premier choix de matériaux matriciels de diffusion de la lumière.