LEDランプの光拡散特性解析

ランプ管のシェルとなるガラス管は、従来のランプ管の粉体塗装プロセスを引き続き採用している。高輝度LEDランプビーズによるグレア（眩しさ）による人体眼へのダメージを排除するため、PC（ポリカーボネート）管を使用する場合もガラス管を使用する場合も、LEDランプ管（以下、ランプ管）のシェルは光拡散効果（グレア（眩しさ）の排除）を考慮して設計されている。PC管をシェル材とするランプ管は、PC樹脂の加工時にシリコン拡散剤を添加し、ガラス管の内壁には光拡散コーティングを施している。LEDの光の吸収損失も、工程で使用される外管材料や光拡散材料の違いによって異なり、最終的に光透過率、光効率、ビーム角の違いにつながる。これらの違いは、照明器具の設計や室内照明環境に一定の影響を与える。

ランプチューブの光拡散効果の技術的分析。

1.1 PCランプシェード

PCチューブは広い温度範囲（-60℃～120℃）で使用できる。耐衝撃性、加工が簡単、成形が容易、光拡散層を塗布する必要がない、ライトストリップを別途接着する必要がない、輸送や使用中に破損しにくいなど多くの長所があるが、アルカリ腐食に対する耐性が低い、応力により割れやすい、長時間光にさらされると黄変して脆くなるなどの短所がある。ランプのメンテナンス率は、LEDランプの30000時間以上という要求を満たすのは難しい。

1.2 ガラスランプ

ガラス管の光拡散コーティングの工程は、従来の蛍光灯とほぼ同じだが、コーティングパウダーに使用される原料には共通点がない。現在、光拡散コーティングの原料は3種類に分けられる。

第一のカテゴリーは溶剤系塗料（油性塗料とも呼ばれる）であり、塗装産業から発展した最も成熟したプロセスであり、この種の塗料は乾燥後に塗料のような性能を持ち、最も信頼できる固さを持つ。最も一般的に使用される塗料は、溶剤系アクリル樹脂とシリコーン拡散パウダーの組み合わせであり、その光線透過率は一般的に92%までである。溶剤系塗料は塗布工程は簡単だが、ブチルエステルやベンゼン希釈剤を使用するため、生産時に大きな刺激臭やベンゼン公害が発生し、徐々に使用されなくなる。

二つ目のカテゴリーは水溶性コーティングである。水溶性コーティングは水を希釈剤として使用し、水溶性アクリル酸をバインダーとして使用する。このプロセスは無公害である。過去2年間、LEDランプ産業における重要な研究開発テーマとなり、重要な成果が得られている。現在、知られているこのような接着剤はすべて、脱水・乾燥後に生じる架橋反応によってフィルム状に固化する。最大の利点は、架橋反応後の塗膜が水に溶けなくなることであり、その固さは溶剤系塗膜に次ぐが、ランプには十分である。水溶性コーティングには多くの利点があるが、架橋反応という性質上、乾燥後の機械装置やスプリンクラーに残ったパウダーパルプによる機械洗浄の困難さという工程上の問題がある。

第三のタイプは、蛍光灯の水コーティングプロセスから発展したもので、発光に蛍光粉の代わりに光拡散板を使用し、バインダーはPEO（ポリ（エチレンオキシド））である。伝統的な蛍光灯を製造するメーカーにとって、この技術は比較的成熟しており、粉末の利用率が高く、製造コストが低く、コーティングの耐高温性が良好で、良好なシリコーン拡散粉末の光透過率も92%に達することができる。欠点は、塗膜の固さが水性塗料より若干劣ることであるが、バインダーPEO接着剤が蛍光灯のように焙焼工程を経ていないため、高温分解がなく、固さが蛍光灯の粉体層よりはるかに高いため、製造工程で塗膜に傷がない限り、ランプの寿命期間中に粉体層が脱落しないことが保証される。

1.3ガラスとPETの複合ランプ。

ガラス管の外側に拡散フィルムの層を巻き付ける工程も進歩している。光拡散コーティングの技術は、ガラス管の外側にPET（ポリエチレンテレフタレート）フィルムの層を巻き付けることである。このプラスチックフィルムは一定の高温で収縮効果を発揮し、ガラス管の外面に密着して巻き付けられる。収縮フィルムは光拡散剤と混合されているため、光を散乱させる目的を達成することができる。この種の複合ランプ管は、PC管とガラス管のいくつかの長所を兼ね備えている。光透過率が高く、加工が簡単で、耐熱性に優れている。強靭で引張強度が強く、壊れにくい。長さが1500mmを超えるハイパワーランプチューブでは、加工が容易であるという優位性を発揮する。欠点は、アルカリ環境の耐食性が悪く、熱水浸漬に耐えないので、長寿命ライトの過程で割れやすく、脱落しやすく、光拡散の効果が失われる。

2 光拡散材料のレビュー。

現在、PCチューブやPETフィルムに使用されている拡散材は主に有機ケイ素であり、ガラスチューブのコーティングに使用されている光拡散材は主に有機ケイ素、炭酸カルシウム、タルカムパウダー、蛍光体、酸化イットリウム、酸化ケイ素、硫酸バリウムなどである。この論文では、これらの光拡散剤の特性について多くの議論がなされている。本稿では、有機ケイ素光拡散体の特性と用途について補足する。

光拡散材の中で、シリコーン光拡散材が最も光透過率が高い。シリコーン透明球材料粒子はミクロン粒径の形で添加され、図1に顕微鏡写真を示すように、PC、PET、充填接着剤に使用する場合、樹脂中に均一に分散させることができる。ランプの光は、これらのフィルム形成コーティングの透明球を通過することができるので、何度も屈折と反射を繰り返した後、LEDランプビーズが発する強い光は、PCチューブやPETフィルムの表面から散乱して均一に放出され、点光源を面光源に変え、コード光をなくし、光を柔らかくする。光が直接光拡散球を透過するため、多重反射と吸収が避けられ、光損失が減少し、光透過率が向上する。

シリコーン光拡散剤はPCチューブやPETフィルムに使用するのは便利だが、水溶性コーティング工程では特別な処理が必要で、そうしないと均一に分散して懸濁液を形成するのが難しく、コーティング品質のコントロールが難しい。同時に、正確には透明であるため、光透過率は高いが、ヘイズは少し減少するため、一般的に単独で使用せず、無機光拡散剤と混合する効果がより良い。

無機系光拡散剤の場合、光は微小な粒子表面で多重反射を経て均一に拡散するが、無機粉末粒子は光が直接透過しにくく、無機系光拡散粉末も同様に球状粒子を形成しにくい。そのため、拡散粉自体の光吸収が大きくなり、光透過率が低下し、酸化イットリウムのような良質の無機拡散粉の光透過率も91%程度になる（図2）。現在、良い拡散材料のコーティングと高品質のPETフィルムを使用すれば、LED T8ランプ管の光透過率は92%に達することができる。PCプラスチックチューブの光透過率も91.5%に達することができるが、これはガラスよりもプラスチック自体の光吸収係数に大きく関係している。光透過率の向上により、ランプの光効率を向上させることができる一方、ランプチューブの温度を下げることができ、電源部品の寿命を延ばすことができる。無機光拡散パウダーのパウダー粒子を光が直接通過しにくいからこそ、反射時間が長くなる一方で、パウダーのヘイズも高くなり、無機光拡散パウダーのヘイズが高くなる。

3.光透過率の試験と分析。

3.1 光線透過率に及ぼすコーティングの厚さの影響。

表1に溶剤系バインダーを塗布した重量（厚み）の異なる光線透過率の測定値を示す。表から、コーティング量の増加に伴い、光拡散板の光吸収が増加し、その結果、光透過率が徐々に低下することがわかり、また、粉体コーティング（つまり厚さ）が67%増加しても、光透過率は1.7%しか低下しないことがわかります。

水溶性光拡散層を塗布した長さ1.2mのガラス管の異なる区間を測定した。パウダーチューブを300mmごとに1つのゾーンに分割し、4つのセクションの光透過率をそれぞれ検出した（表2参照）。薄いものから厚いものへと、光線透過率は92.7%から90.8%へと減少し、その差は1.9%であった。

3.2 ガラス管の肉厚が光透過率に及ぼす影響。

肉厚の異なるNa-Ca-Siガラス管の光透過率を分析した結果、ガラス管および粉末管の光透過率は、ガラス管の肉厚が増加するにつれてわずかに減少するが、減少の程度は明らかでないことがわかった。肉厚が0.65 mmから0.90 mmに増加し、38%増加したが、光透過率は1.0%しか減少しなかった（表3参照）。

4 4つのビーム角の実験的解析。

ランプの設計は、光源のビーム角のパラメータによって決まる。従来のT8蛍光灯と交換する場合、LED T8ランプは、常にビーム角が大きいほど良いことを目指します（図3）。従来のT8蛍光灯は無指向性光源であり、C 0ランプの180°断面で発光するため、室内照明に使用した場合、空間全体が透明感を持ち、人々に快適な視覚的楽しみを与える。LED T8チューブは、光源ストリップのランプビーズがランプチューブの上部にあり、180°からチューブに向かって発光します。異なる光拡散経路で光を発散させた後、C 0 ram 180 °断面で形成される指向性ビーム角度も異なります。

4.1 ビーム角に対する粒子径の影響。

光拡散剤の粒径が大きいとヘイズが高くなり、粒径が小さいと光透過率が高くなる。実験条件の制約上、実験中のヘイズを測定することはできず、ランプが透明かどうかを観察することでしかヘイズを評価できない。平均粒径1.1μm、4.6μm、8.0μmの3種類の無機コーティングランプを用いて、ビーム角の試験を行った（表4参照）。実験データからわかるように、同じ種類のランプビーズ片では、ランプビーズは粉末の厚さの薄い端では見えない。拡散粉末の粒子径と粉末重量が減少するにつれて、ランプチューブのビーム角は徐々に減少し、ビーム角の最大差は50°であることがわかった。

4.2 ビーム角に対する異なる材料の影響。

同じLEDライトストリップを使用しても、拡散方法と材料が異なれば、ビーム角は異なる。実験結果から、PCチューブ、油性塗料、PETフィルム、水性塗料のビーム角は基本的に同じであるのに対し、伝統的な蛍光灯の水コーティングプロセスで作られた光拡散コーティングのビーム角は約320°に達する（表5参照）。

これは、従来の蛍光灯の水コーティング拡散パウダーコーティングの粒子ギャップが、上記のコーティングプロセスと比較して大きいためである（図4）。無機光拡散材粉末粒子は非球形、不規則な多角形であり、粒径の整合性が悪く、無機光拡散粉末が不透明であることと相まって、光は粉末粒子を直接通過することができない。これらのことから、光は粉末層を透過する前に、粉末層内で何度も不規則に反射しなければならず、光散乱後の発光角度は、緻密な半透明均一球コーティングを通過した後よりも明らかに大きい。

5 結語

光拡散材料はランプの光透過率に決定的な役割を果たし、有機シリコンは最も理想的な光拡散材料である。従来のPEO-無機光拡散粉末プロセスは、LED T8チューブのビーム角を増加させる上で明らかな利点がある。より高い光透過率、より良好なヘイズ、より高い性能対価格比を持つ水溶性光拡散コーティングの光拡散材料を探すことは、今後長期にわたって研究開発の焦点となる。