Wymagania technologii LED dla optycznych materiałów dyfuzyjnych i warunki rozwoju optycznych materiałów dyfuzyjnych

1.1 Wprowadzenie do diod LED

W ostatnich latach, wraz z globalnym kryzysem energetycznym, nastąpił szybki rozwój diod LED, które znalazły szerokie zastosowanie w oświetleniu, podświetleniu, wyświetlaczach i innych gałęziach przemysłu. Ze względu na swoje zalety w zakresie ochrony środowiska, oszczędności energii i długiej żywotności, diody LED mają szerokie perspektywy zastosowania. Wraz z rozwojem branży oświetleniowej LED, szybko rośnie również liczba płyt rozpraszających światło LED. Obecnie materiały rozpraszające światło LED są zmonopolizowane przez kilka dużych zagranicznych firm (takich jak Teijin, Asahi Huacheng, Korea Południowa LG itp.), których koszt jest dość wysoki.

1.1.1 Technologia LED i wymagania dotyczące optycznych materiałów dyfuzyjnych.

Technologia podświetlenia LED-TV jest najważniejszym obszarem zastosowań oświetlenia LED. Technologia produkcji telewizorów LCD w technologii LED-TV wykorzystuje głównie technologię bezpośredniego białego podświetlenia LED. Bezpośrednie podświetlenie to punktowe źródło światła składające się z setek diod LED. Aby zapewnić jednolite podświetlenie panelu ciekłokrystalicznego, konieczne jest dodanie płyty rozpraszającej światło przed matrycą LED. Wysoka dyfuzyjność płyty dyfuzyjnej może skutecznie zapobiegać obrazowaniu punktowego źródła światła LED na panelu ciekłokrystalicznym. Oświetlenie wewnętrzne i zewnętrzne jest najbardziej obiecującym obszarem zastosowań diod LED. W przypadku zastosowania w oświetleniu wewnętrznym i zewnętrznym, olśnienie jest spowodowane wysoką temperaturą barwową i wysoką wydajnością punktowych źródeł światła LED, co łatwo powoduje utratę światła dla ludzkich oczu. Dlatego konieczne jest zastosowanie płyty rozpraszającej światło, aby zamienić punktowe źródło światła LED o wysokiej jasności lub liniowe źródło światła w jednolite i miękkie płaskie źródło światła, aby poprawić jednorodność natężenia światła i efektywność wykorzystania energii świetlnej oraz zapobiec olśnieniu.

1.1.2 Zastosowanie i perspektywy rynkowe LED

Materiał powłoki stosowany w oświetleniu LED, zarówno materiał rozpraszający światło, jak pokazano na rysunku 1.1, odnosi się do materiału, który może nie tylko przepuszczać światło, ale także skutecznie rozpraszać światło, co może przekształcić punktowe i liniowe źródła światła w liniowe i powierzchniowe źródła światła. Ocena materiału, przez który światło może skutecznie rozpraszać światło, co może przekształcić punktowe i liniowe źródła światła w liniowe i powierzchniowe źródła światła. Dwa najważniejsze wskaźniki do oceny właściwości optycznych materiałów rozpraszających światło to przepuszczalność światła i zamglenie. Aby światło było miękkie i jednolite, ogólnie wymagane jest, aby przepuszczalność światła materiału rozpraszającego światło była większa niż 50%, a zamglenie większe niż 90%.

Ze względu na sprzeczność między przepuszczalnością światła a nietoksycznością, zamglenie często wzrasta, a przepuszczalność światła maleje. Jak zrównoważyć te dwa wskaźniki, wybór dyfuzora optycznego jest szczególnie ważny. Wraz z szybkim rozwojem branży oświetleniowej LED, konieczne jest poprawienie wydajności produkcji rozpraszania światła w celu osiągnięcia ciągłej produkcji. Większość materiałów rozpraszających światło jest przygotowywana przez zmieszanie przezroczystych polimerowych materiałów matrycowych z cząstkami rozpraszającymi światło. Cząstki rozpraszające światło obejmują nieorganiczną mikrokrzemionkę, szklane kulki i organiczne cząstki polimerowe, takie jak polimetakrylan, polistyren PS, poli (tereftalan etylenu) itp. Używamy PC, który ma doskonałe właściwości mechaniczne i odporność na ciepło, jako materiału matrycy i badamy wpływ różnych rodzajów dyfuzorów optycznych o różnych mikromorfologiach na właściwości optyczne materiałów rozpraszających światło oświetlenia LED, aby zapewnić potężne dane referencyjne dla produkcji przemysłowej.

1.2 Stan rozwoju optycznych materiałów dyfuzyjnych w kraju i za granicą

Materiał rozpraszający światło odnosi się do materiału optycznego o pewnej przepuszczalności światła i zamgleniu, który może przekształcić punktowe źródło światła i liniowe źródło światła w liniowe źródło światła i powierzchniowe źródło światła oraz osiągnąć efekt równomiernego rozkładu natężenia padającej wiązki światła. jest szeroko stosowany w płaskich wyświetlaczach panelowych, inżynierii oświetlenia, laserach, obrazowaniu projekcyjnym i innych dziedzinach technicznych. W dzisiejszych czasach, wraz z dojrzałością technologii produkcji chipów LED z diodami elektroluminescencyjnymi o dużej mocy i ich szerokim zastosowaniem w oświetleniu samochodowym, wskaźnikach sygnału, ekranach zewnętrznych, oświetleniu wewnętrznym i zewnętrznym oraz w innych dziedzinach, zapotrzebowanie na cząsteczki rozpraszające światło LED szybko rośnie.

Obecnie optyczne materiały dyfuzyjne o najwyższej wydajności na rynku krajowym pochodzą głównie od zagranicznych firm, takich jak Teijin i Asahi Kasei, a ich przetwarzanie jest droższe. Niezależne badania i rozwój krajowych marek to kluczowy sposób na przełamanie ich monopolu. Ponadto, ponieważ zamglenie i transmitancja są ważnymi wskaźnikami do oceny właściwości optycznych materiałów rozpraszających światło, są one ze sobą sprzeczne. Wiele czynników wpływa na właściwości optyczne materiałów rozpraszających światło, a interakcja jest bardziej złożona, więc rozwój materiałów rozpraszających światło o wysokiej przepuszczalności i wysokim zamgleniu stał się głównym celem obecnych badań.

Badania nad polimerowymi materiałami rozpraszającymi światło po raz pierwszy rozpoczęły się w Stanach Zjednoczonych, a następnie szybko zapoczątkowały badania i rozwój polimerowych materiałów rozpraszających światło w różnych krajach. W 1944 r. Yoshio Ohtsuka i in. wykorzystali PC jako matrycę i domieszkowane cząstki CaCO3, PMMA do przygotowania materiałów rozpraszających światło w celu uzyskania efektu rozpraszania światła. W 2000 r. Mcneil LE i in. przygotowali folie rozpraszające światło poprzez domieszkowanie cząstek TiO2 do przezroczystej żywicy akrylowej i szczegółowo przeanalizowali teoretycznie współczynnik rozpraszania i funkcję wielokrotnego rozpraszania, co stanowiło punkt odniesienia dla poniższych prac badawczych. W 2004 r. Kim GH i in. wykorzystali PMMA jako matrycę, do której dodano włókno szklane w celu przygotowania folii rozpraszającej światło i zastosowano ją w module podświetlenia LCD, dzięki czemu światło emitowane przez LCD było jednolite i miało dobre właściwości fizyczne. W latach 1998-2004 Uniwersytet Keio w Japonii zaczął stosować wysokowydajny polimer rozpraszający do ciekłokrystalicznej płyty prowadzącej podświetlenie i po raz pierwszy przedstawił koncepcję bezkratowej rozpraszającej płyty prowadzącej światło, przy jednoczesnym zachowaniu niezmienionej mocy elektrycznej źródła światła. Jasność podświetlenia ciekłokrystalicznego została podwojona, co przyciągnęło uwagę całego świata. W 2005 roku technologia ta została przejęta przez japońską firmę SONY i wykorzystana w produkcji ultracienkich notebooków. W 2007 roku Beijing University of Chemical Technology przygotował materiały rozpraszające światło, dodając Pr-MMA i SBR (kauczuk butadienowo-styrenowy) do PS poprzez polimeryzację in-situ, o przepuszczalności światła 79,9% i zamgleniu 83,11%. W 2009 r. Meng Qinghua i in. zsyntetyzowali środek rozpraszający światło nano-PMMA/PS i dodali go do materiałów matrycowych PMMA w celu przygotowania kompozytów rozpraszających światło o zamgleniu i przepuszczalności światła 70-80%. W 2009 roku Wang i wsp. przygotowali folie rozpraszające światło z kroplami wody rozproszonymi w polimerach silikonowych, o przepuszczalności światła około 88%. Efekt rozpraszania światła pokazano na rysunku 1.2. Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na diody LED i inne materiały optyczne, badania nad optycznymi materiałami dyfuzyjnymi nadal mają pozytywne znaczenie.

1.2.1 Jak wybrać dyfuzor optyczny?

Powszechnie stosowane rozpraszacze światła obejmują cząstki nieorganiczne, takie jak TiO2, BaSO4, SiO2, CaCO3, Al2O3 i szklane kulki, a także organiczne cząstki polimerowe, takie jak PS i żywica silikonowa.

Jakie wymagania powinny być spełnione przy wyborze materiałów rozpraszających?
(1 ) Materiał rozpraszający i materiał matrycy powinny mieć różne właściwości optyczne (takie jak współczynnik załamania światła).
(2) materiał rozpraszający powinien pochłaniać niewiele światła lub nie pochłaniać go wcale.
(3) rozmiar cząstek rozpraszających musi spełniać określone wymagania, a cząstki nie powinny być zbyt małe lub zbyt duże, w przeciwnym razie efekt rozpraszania nie jest oczywisty, rozmiar cząstek jest bardzo słaby, a rozpraszanie światła wzrasta wraz ze wzrostem rozmiaru cząstek, ale gdy osiągnie określony rozmiar, ta liniowa zależność nie jest już ważna.

1.2.2 Jak wybrać materiały rozpraszające światło?

Obecnie materiały rozpraszające światło produkowane w kraju i za granicą dzielą się głównie na materiały rozpraszające powierzchniowo i materiały rozpraszające masowo. Tradycyjne materiały rozpraszające światło są materiałami rozpraszającymi powierzchnię, a ich rozproszone światło zależy głównie od struktur powierzchniowych, takich jak mikrosoczewki, piramidy, chropowate powierzchnie i inne mikrostruktury. Metody przygotowania powierzchniowych materiałów rozpraszających światło obejmują teksturowanie powierzchni, natryskiwanie, laserowe grawerowanie świec, prasowanie na gorąco i wytłaczanie ultradźwiękowe. Zaletami metod natryskiwania i teksturowania powierzchni są prosta obsługa i niski koszt, a wadą jest to, że trudno jest osiągnąć idealną przepuszczalność światła. Materiały rozpraszające powierzchnię przygotowane przez laserowe rzeźbienie świec i formowanie chryzantem atramentowych mają dobrą wydajność, a nawet mogą dokładnie kontrolować kształt wiązki, ale wymagania dotyczące używanych instrumentów i form są bardzo wysokie, a koszt jest bardzo wysoki. Koszt metody prasowania na gorąco jest stosunkowo niski, ale ponieważ proces ogrzewania i chłodzenia jest czasochłonny, a wydajność jest niska, nie można jej stosować w produkcji na dużą skalę.

Większość masowych materiałów rozpraszających światło to przezroczyste materiały polimerowe z rozproszonymi rozpraszaczami światła, które osiągają cel rozpraszania światła poprzez dodanie rozpraszaczy światła, które różnią się od załamania matrycy w przezroczystych materiałach zbiorczych. Materiał ten wykorzystuje globalny mechanizm rozpraszania, to znaczy wnętrze i powierzchnia materiału odgrywają rolę rozpraszającą, a próbka ma wysokie rozpraszanie światła, wysoką przezroczystość i dobre właściwości kompleksowe.
Obecnie objętościowe materiały rozpraszające światło, jako nowy rodzaj materiałów rozpraszających światło, stopniowo zastępują tradycyjne materiały rozpraszające światło w wielu obszarach zastosowań i zaczynają być szeroko stosowane w oświetleniu LED, wyświetlaczach ciekłokrystalicznych i innych dziedzinach.

Używane przez nas materiały są zazwyczaj materiałami rozpraszającymi objętość. PC ma przepuszczalność światła 89%, dobre właściwości mechaniczne, niską higroskopijność i dobrą ognioodporność, ale promieniowanie ultrafioletowe lub promieniowanie linii skóry może łatwo powodować żółknięcie. PS ma przepuszczalność światła 90%, niską higroskopijność i słabą odporność na ciepło. Ze względu na niską twardość powierzchni i kruchość, łatwo powstają na nim pęknięcia i rysy, a pod wpływem długotrwałego promieniowania ultrafioletowego łatwo pogarsza się jego kolor. PMMA jest niezwykle przezroczysty, z przepuszczalnością światła 92% w zakresie widzialnym, dobrą przetwarzalnością i silnymi właściwościami starzenia w ultrafiolecie, ale ma silną absorpcję wilgoci, słabą wytrzymałość i łatwopalność. ABS ma dwie właściwości: odporność na uderzenia, odporność na ciepło i odporność na niskie temperatury, jest łatwy w obróbce, skala produktu jest stabilna, a połysk powierzchni jest dobry, ale ponieważ ABS jest mieszanką, jego przepuszczalność światła jest słaba. Biorąc pod uwagę właściwości optyczne, właściwości mechaniczne, przetwarzalność i inne czynniki żywicy, PC i PMMA stają się pierwszym wyborem materiałów matrycowych rozpraszających światło.