I requisiti della tecnologia LED per i materiali a diffusione ottica e le condizioni di sviluppo dei materiali a diffusione ottica

1.1 Introduzione dei LED

Negli ultimi anni, a causa della crisi energetica globale, il rapido sviluppo dei LED è stato ampiamente utilizzato nell'illuminazione, nella retroilluminazione, nei display e in altri settori. Grazie ai suoi vantaggi in termini di protezione ambientale, risparmio energetico e lunga durata, il LED ha un'ampia prospettiva di applicazione. Con lo sviluppo dell'industria dell'illuminazione a LED, anche il pannello di diffusione della luce a LED sta aumentando rapidamente. Oggi i materiali per la diffusione della luce LED sono monopolizzati da alcune grandi aziende straniere (come Teijin, Asahi Huacheng, la sudcoreana LG, ecc.), il cui costo è piuttosto elevato.

1.1.1 Tecnologia LED e requisiti dei materiali di diffusione ottica.

La tecnologia di retroilluminazione dei LED-TV è il campo di applicazione più importante dell'illuminazione a LED. La tecnologia di produzione dei TV LCD a LED adotta principalmente la tecnologia di retroilluminazione diretta a LED bianchi. La retroilluminazione diretta è una sorgente luminosa puntiforme composta da centinaia di LED. Per fornire una retroilluminazione uniforme al pannello a cristalli liquidi, è necessario aggiungere una piastra di diffusione della luce davanti all'array di LED. L'elevata diffusività della piastra di diffusione può impedire efficacemente che la sorgente luminosa puntiforme a LED si immagini sul pannello a cristalli liquidi. L'illuminazione interna ed esterna è il campo di applicazione più promettente del LED. Quando viene utilizzato per l'illuminazione di interni ed esterni, l'abbagliamento è causato dall'alta temperatura di colore e dalle elevate prestazioni di puntamento delle sorgenti luminose LED, che possono facilmente causare una perdita di luce agli occhi umani. Pertanto, è necessario utilizzare la piastra di diffusione della luce per trasformare la sorgente luminosa puntiforme a LED ad alta luminosità o la sorgente luminosa lineare in una sorgente luminosa piana uniforme e morbida, per migliorare l'uniformità dell'intensità luminosa e l'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa e prevenire l'abbagliamento.

1.1.2 Applicazioni e prospettive di mercato dei LED

Il materiale a guscio utilizzato nell'illuminazione a LED, sia il materiale di diffusione della luce, come mostrato nella figura 1.1, si riferisce al materiale che può non solo far passare la luce, ma anche disperderla efficacemente, trasformando le sorgenti luminose puntiformi e lineari in sorgenti luminose lineari e superficiali. Valutare il materiale attraverso il quale la luce può diffondersi efficacemente, trasformando le sorgenti luminose puntiformi e lineari in sorgenti luminose lineari e superficiali. I due indici più importanti per valutare le proprietà ottiche dei materiali di diffusione della luce sono la trasmittanza luminosa e la velatura. Per rendere la luce morbida e uniforme, è generalmente richiesto che la trasmittanza della luce del materiale di diffusione sia superiore a 50% e che la foschia sia superiore a 90%.

A causa della contraddizione tra trasmittanza luminosa e non tossicità, la foschia spesso aumenta e la trasmittanza luminosa diminuisce. Come bilanciare questi due indicatori, la scelta del diffusore ottico è particolarmente importante. Con il rapido sviluppo dell'industria dell'illuminazione a LED, è necessario migliorare l'efficienza produttiva della diffusione della luce per ottenere una produzione continua. La maggior parte dei materiali per la diffusione della luce viene preparata miscelando materiali a matrice polimerica trasparente con particelle che diffondono la luce. Le particelle che diffondono la luce includono microsilice inorganica, perle di vetro e particelle di polimeri organici, come il polimetacrilato, il polistirene PS, il poli (etilene tereftalato), ecc. Utilizziamo il PC, che ha eccellenti proprietà meccaniche e resistenza al calore, come materiale matrice e studiamo gli effetti di diversi tipi di diffusori ottici con diverse micro-morfologie sulle proprietà ottiche dei materiali di diffusione della luce dell'illuminazione a LED, in modo da fornire potenti dati di riferimento per la produzione industriale.

1.2 Stato di sviluppo dei materiali di diffusione ottica in patria e all'estero

Per materiale di diffusione della luce si intende un materiale ottico con una certa trasmittanza della luce e una certa foschia, in grado di convertire una sorgente di luce puntiforme e una sorgente di luce lineare in una sorgente di luce lineare e una sorgente di luce superficiale e di ottenere l'effetto di una distribuzione uniforme dell'intensità luminosa del fascio incidente. Al giorno d'oggi, con la maturità della tecnologia di produzione dei chip LED a diodi a emissione luminosa ad alta potenza e la sua ampia applicazione nell'illuminazione delle automobili, negli indicatori di segnale, nei display esterni, nell'illuminazione interna ed esterna e in altri campi, la domanda di particelle di diffusione luminosa a LED sta aumentando rapidamente.

Attualmente, i materiali di diffusione ottica con prestazioni superiori sul mercato nazionale provengono principalmente da aziende straniere come Teijin e Asahi Kasei, e la lavorazione è più costosa. La ricerca e lo sviluppo indipendente di marchi nazionali è la via maestra per rompere il monopolio. Inoltre, poiché haze e trasmittanza sono indici importanti per valutare le proprietà ottiche dei materiali per la diffusione della luce, essi si contraddicono a vicenda. Molti fattori influenzano le proprietà ottiche dei materiali per la diffusione della luce e l'interazione è più complessa, per cui lo sviluppo di materiali per la diffusione della luce con alta trasmittanza e alta velatura è diventato il fulcro della ricerca attuale.

La ricerca sui materiali polimerici per la diffusione della luce è partita dagli Stati Uniti e ha rapidamente dato il via a un'impennata di ricerca e sviluppo di materiali polimerici per la diffusione della luce in vari Paesi. Nel 1944, Yoshio Ohtsuka et al. hanno utilizzato il PC come matrice e le particelle di CaCO3 e PMMA drogate per preparare materiali di diffusione della luce per ottenere l'effetto di diffusione della luce. Nel 2000, Mcneil LE et al hanno preparato film di diffusione della luce drogando particelle di TiO2 in resina acrilica trasparente e hanno analizzato in dettaglio il coefficiente di diffusione e la funzione di diffusione multipla, che hanno fornito un riferimento per i lavori di ricerca successivi. Nel 2004, Kim GH et al. hanno utilizzato il PMMA come matrice, a cui è stata aggiunta la fibra di vetro per preparare la pellicola di diffusione della luce e l'hanno applicata al modulo di retroilluminazione LCD in modo che la luce emessa dall'LCD fosse uniforme e avesse buone proprietà fisiche. Dal 1998 al 2004, l'Università di Keio in Giappone ha iniziato ad applicare il polimero di diffusione ad alte prestazioni alla piastra di guida della luce della retroilluminazione a cristalli liquidi, proponendo per la prima volta il concetto di piastra di guida della luce di diffusione priva di reticolo, mantenendo invariata la potenza elettrica della sorgente luminosa. La luminosità della retroilluminazione a cristalli liquidi è stata raddoppiata, attirando l'attenzione di tutto il mondo. Nel 2005, questa tecnologia è stata acquisita dalla giapponese SONY e industrializzata, per essere utilizzata nella produzione di computer portatili ultrasottili. Nel 2007, l'Università di Tecnologia Chimica di Pechino ha preparato materiali per la diffusione della luce aggiungendo Pr-MMA e SBR (gomma stirene-butadiene) al PS mediante polimerizzazione in situ, con una trasmittanza luminosa di 79,9% e una foschia di 83,11%. Nel 2009, Meng Qinghua et al. hanno sintetizzato un agente di diffusione della luce nano-PMMA/PS e lo hanno aggiunto ai materiali a matrice PMMA per preparare compositi a diffusione della luce con foschia e trasmittanza luminosa di 70-80%. Nel 2009, Wang et al. hanno preparato film di diffusione della luce con gocce d'acqua disperse in polimeri di silicone, con una trasmittanza luminosa di circa 88%. L'effetto di diffusione è mostrato nella figura 1.2. Con l'aumento della domanda di LED e di altri materiali ottici, la ricerca sui materiali di diffusione ottica è ancora di importanza positiva.

1.2.1 Come scegliere il diffusore ottico?

I diffusori di luce comunemente utilizzati includono particelle inorganiche come TiO2, BaSO4, SiO2, CaCO3, Al2O3 e perle di vetro, nonché particelle di polimeri organici come PS e resina siliconica.

Quali sono i requisiti da soddisfare nella scelta dei materiali di diffusione?
(1 ) Il materiale di diffusione e il materiale della matrice devono avere proprietà ottiche specifiche diverse (come l'indice di rifrazione).
(2) il materiale di diffusione deve assorbire poca o nessuna luce.
(3) Le dimensioni delle particelle diffusive devono soddisfare determinati requisiti e le particelle non devono essere né troppo piccole né troppo grandi, altrimenti l'effetto di diffusione non è evidente, le dimensioni delle particelle sono molto deboli e la diffusione della luce aumenta con l'aumentare delle dimensioni delle particelle, ma quando queste raggiungono una certa dimensione, questa relazione lineare non è più valida.

1.2.2 Come scegliere i materiali per la diffusione della luce?

Attualmente, i materiali per la diffusione della luce prodotti in patria e all'estero si dividono principalmente in materiali per la diffusione superficiale e materiali per la diffusione in massa. I materiali di diffusione della luce tradizionali sono materiali di diffusione superficiale e la loro luce diffusa dipende principalmente dalle strutture superficiali, come microlenti, piramidi, superfici ruvide e altre microstrutture. I metodi di preparazione dei materiali diffondenti la luce in superficie includono la testurizzazione della superficie, la spruzzatura, l'incisione a candela laser, la pressatura a caldo e la goffratura a ultrasuoni. I vantaggi dei metodi di spruzzatura e testurizzazione superficiale sono la semplicità operativa e il basso costo, mentre lo svantaggio è che è difficile ottenere una trasmittanza luminosa ideale. I materiali a diffusione superficiale preparati con l'intaglio laser a candela e lo stampaggio a inchiostro di crisantemo hanno buone prestazioni e possono persino controllare con precisione la forma del fascio, ma i requisiti degli strumenti e degli stampi utilizzati sono molto elevati e il costo è molto alto. Il costo del metodo di pressatura a caldo è relativamente basso, ma poiché il processo di riscaldamento e raffreddamento richiede molto tempo e l'efficienza è bassa, non può essere utilizzato nella produzione su larga scala.

La maggior parte dei materiali di diffusione della luce in massa sono materiali polimerici trasparenti con diffusori di luce, che raggiungono lo scopo della diffusione della luce aggiungendo diffusori di luce diversi dalla rifrazione della matrice nei materiali collettivi trasparenti. Questo materiale utilizza il meccanismo di diffusione globale, cioè l'interno e la superficie del materiale svolgono un ruolo di diffusione, e il campione ha un'elevata diffusione della luce, un'alta trasparenza e buone proprietà globali.
Attualmente, i materiali di diffusione della luce a diffusione volumetrica, come nuovo tipo di materiali di diffusione della luce, sostituiscono gradualmente i tradizionali materiali di diffusione della luce in molti campi di applicazione e iniziano a essere ampiamente utilizzati nell'illuminazione a LED, nei display a cristalli liquidi e in altri campi.

I materiali che utilizziamo sono generalmente materiali a diffusione volumetrica. Il PC ha una trasmittanza luminosa di 89%, buone proprietà meccaniche, bassa igroscopicità e buona resistenza alla fiamma, ma l'irradiazione ultravioletta o della linea della pelle può facilmente farlo ingiallire. Il PS ha una trasmittanza luminosa di 90%, bassa igroscopicità e scarsa resistenza al calore. A causa della sua bassa durezza superficiale e della sua fragilità, è facile che si formino crepe e screpolature e che il colore si deteriori facilmente in presenza di radiazioni ultraviolette a lungo termine. Il PMMA è estremamente trasparente, con una trasmittanza luminosa di 92% nel campo del visibile, una buona lavorabilità e forti proprietà anti-invecchiamento da raggi ultravioletti, ma ha un forte assorbimento di umidità, scarsa tenacità e infiammabilità. L'ABS ha due proprietà: resistenza agli urti, resistenza al calore e alle basse temperature, è facile da lavorare, la scala del prodotto è stabile e la lucentezza superficiale è buona, ma poiché l'ABS è una miscela, la sua trasmittanza luminosa è scarsa. Considerando le proprietà ottiche, le proprietà meccaniche, la lavorabilità e altri fattori della resina, il PC e il PMMA diventano la prima scelta di materiali a matrice di diffusione della luce.