Requisitos da tecnologia LED para materiais de difusão ótica e condições de desenvolvimento de materiais de difusão ótica

1.1 Introdução ao LED

Nos últimos anos, devido à crise energética mundial, o rápido desenvolvimento do LED tem sido amplamente utilizado nos sectores da iluminação, da retroiluminação, dos ecrãs e outros. Devido às suas vantagens de proteção ambiental, poupança de energia e longa vida útil, o LED tem uma ampla perspetiva de aplicação. Com o desenvolvimento da indústria de iluminação LED, a placa de difusão de luz LED também está a aumentar rapidamente. Atualmente, os materiais de difusão da luz LED são monopolizados por várias grandes empresas estrangeiras (como a Teijin, a Asahi Huacheng, a sul-coreana LG, etc.), cujo custo é bastante elevado.

1.1.1 Tecnologia LED e requisitos para materiais de difusão ótica.

A tecnologia de retroiluminação de televisores LED é o domínio de aplicação mais importante da iluminação LED. A tecnologia de produção de televisores LCD em LED-TV adopta principalmente a tecnologia de retroiluminação LED branca direta. A retroiluminação direta é um conjunto de fontes de luz pontual composto por centenas de LED. A fim de proporcionar uma retroiluminação uniforme ao painel de cristais líquidos, é necessário acrescentar uma placa de difusão de luz à frente do conjunto de LED. A elevada difusividade da placa de difusão pode impedir eficazmente que a fonte de luz pontual LED produza imagens no painel de cristais líquidos. A iluminação interior e exterior é o domínio de aplicação mais prometedor do LED. Quando é utilizado em iluminação interior e exterior, o encandeamento é causado pela elevada temperatura da cor e pelo elevado desempenho de apontamento das fontes de luz LED, o que pode facilmente causar perda de luz para os olhos humanos. Por conseguinte, é necessário utilizar a placa de difusão de luz para transformar a fonte de luz pontual LED de elevado brilho ou a fonte de luz linear numa fonte de luz plana uniforme e suave para melhorar a uniformidade da intensidade da luz e a eficiência da utilização da energia luminosa e evitar o encandeamento.

1.1.2 Aplicação e perspectivas de mercado do LED

O material de revestimento utilizado na iluminação LED, tanto o material de difusão da luz, como o mostrado na figura 1.1, refere-se ao material que pode não só fazer passar a luz, mas também dispersar eficazmente a luz, o que pode transformar fontes de luz pontuais e lineares em fontes de luz lineares e superficiais. Avaliar o material através do qual a luz pode efetivamente dispersar a luz, o que pode converter fontes de luz pontuais e lineares em fontes de luz lineares e superficiais. Os dois índices mais importantes para avaliar as propriedades ópticas dos materiais de difusão da luz são a transmitância da luz e a neblina. Para que a luz seja suave e uniforme, é geralmente necessário que a transmitância da luz do material de difusão da luz seja superior a 50% e a neblina seja superior a 90%.

Devido à contradição entre a transmitância da luz e a não toxicidade, a neblina aumenta frequentemente e a transmitância da luz diminui. Para equilibrar estes dois indicadores, a escolha do difusor ótico é particularmente importante. Com o rápido desenvolvimento da indústria de iluminação LED, é necessário melhorar a eficiência da produção de difusão de luz para alcançar a produção contínua. A maior parte dos materiais de difusão de luz são preparados através da mistura de materiais de matriz polimérica transparente com partículas que dispersam a luz. As partículas dispersoras de luz incluem microssílica inorgânica, esferas de vidro e partículas de polímeros orgânicos, como polimetacrilato, poliestireno PS, poli (tereftalato de etileno), etc. Utilizamos o PC, que tem excelentes propriedades mecânicas e resistência ao calor, como material de matriz, e estudamos os efeitos de diferentes tipos de difusores ópticos com diferentes micro-morfologias nas propriedades ópticas dos materiais de difusão da luz de iluminação LED, de modo a fornecer dados de referência poderosos para a produção industrial.

1.2 Estado de desenvolvimento dos materiais de difusão ótica no país e no estrangeiro

O material de difusão de luz refere-se ao material ótico com uma certa transmitância de luz e neblina, que pode converter a fonte de luz pontual e a fonte de luz de linha em fonte de luz de linha e fonte de luz de superfície, e conseguir o efeito de distribuição uniforme da intensidade da luz do feixe incidente. É amplamente utilizado em ecrãs planos, engenharia de iluminação, laser, imagens de projeção e outros campos técnicos. Atualmente, com a maturidade da tecnologia de fabrico de chips LED de díodos emissores de luz de alta potência e a sua vasta aplicação na iluminação automóvel, indicadores de sinalização, ecrãs exteriores, iluminação interior e exterior e outros domínios, a procura de partículas de difusão de luz LED está a aumentar rapidamente.

Atualmente, os materiais de difusão ótica com desempenho superior no mercado nacional provêm principalmente de empresas estrangeiras, como a Teijin e a Asahi Kasei, e o seu processamento é mais dispendioso. A investigação e o desenvolvimento independentes de marcas nacionais são a principal forma de quebrar o seu monopólio. Além disso, uma vez que a neblina e a transmitância são índices importantes para avaliar as propriedades ópticas dos materiais de difusão da luz, contradizem-se mutuamente. Muitos factores afectam as propriedades ópticas dos materiais de difusão da luz, e a interação é mais complexa, pelo que o desenvolvimento de materiais de difusão da luz com elevada transmitância e elevada nebulosidade se tornou o foco da investigação atual.

A investigação de materiais de difusão de luz em polímeros começou por ser feita nos Estados Unidos e rapidamente desencadeou um surto de investigação e desenvolvimento de materiais de difusão de luz em polímeros em vários países. Em 1944, Yoshio Ohtsuka et al utilizaram PC como matriz e CaCO3 dopado, partículas de PMMA para preparar materiais de difusão da luz para obter o efeito de dispersão da luz. Em 2000, Mcneil LE et al prepararam películas de difusão da luz através da dopagem de partículas de TiO2 em resina acrílica transparente e analisaram o coeficiente de dispersão e a função de dispersão múltipla em pormenor na teoria, o que constituiu uma referência para o trabalho de investigação seguinte. Em 2004, Kim GH et al utilizaram PMMA como matriz, à qual foi adicionada fibra de vidro para preparar a película de difusão da luz e aplicaram-na no módulo de retroiluminação do LCD, de modo a que a luz emitida pelo LCD fosse uniforme e tivesse boas propriedades físicas. De 1998 a 2004, a Universidade de Keio, no Japão, começou a aplicar polímero de dispersão de alto desempenho à placa de guia de iluminação de retroiluminação de cristais líquidos e apresentou pela primeira vez o conceito de placa de guia de luz de dispersão sem rede, mantendo inalterada a potência eléctrica da fonte de luz. O brilho da retroiluminação de cristais líquidos duplicou, o que atraiu a atenção mundial. Em 2005, esta tecnologia foi adquirida pela SONY do Japão e industrializada, tendo sido utilizada na produção de computadores portáteis ultra-finos. Em 2007, a Universidade de Tecnologia Química de Pequim preparou materiais de difusão de luz adicionando Pr-MMA e SBR (borracha de estireno-butadieno) ao PS por polimerização in-situ, com uma transmitância de luz de 79,9% e neblina de 83,11%. Em 2009, Meng Qinghua et al sintetizaram um agente de dispersão de luz nano-PMMA/PS e adicionaram-no a materiais de matriz PMMA para preparar compósitos de difusão de luz com neblina e transmitância de luz de 70-80%. Em 2009, Wang et al prepararam películas de difusão da luz com gotículas de água dispersas em polímeros de silicone, com uma transmitância da luz de cerca de 88%. O efeito de dispersão é mostrado na figura 1.2. Com a crescente procura de LED e outros materiais ópticos, a investigação sobre materiais de difusão ótica continua a ter um significado positivo.

1.2.1 Como escolher o difusor ótico?

Os difusores de luz normalmente utilizados incluem partículas inorgânicas, como TiO2, BaSO4, SiO2, CaCO3, Al2O3 e esferas de vidro, bem como partículas de polímeros orgânicos, como PS e resina de silicone.

Quais são os requisitos a cumprir ao escolher os materiais de dispersão?
(1 ) O material de dispersão e o material da matriz devem ter propriedades ópticas específicas diferentes (como o índice de refração).
(2) o material de dispersão deve absorver pouca ou nenhuma luz.
(3) o tamanho das partículas dispersoras deve cumprir determinados requisitos, e as partículas não devem ser demasiado pequenas ou demasiado grandes, caso contrário o efeito de dispersão não é óbvio, o tamanho das partículas é muito fraco, e a dispersão da luz aumenta com o aumento do tamanho das partículas, mas quando atinge um determinado tamanho, esta relação linear já não é válida.

1.2.2 Como escolher os materiais de difusão da luz?

Atualmente, os materiais de difusão da luz produzidos no país e no estrangeiro dividem-se principalmente em materiais de dispersão superficial e materiais de dispersão em massa. Os materiais tradicionais de dispersão de luz são materiais de dispersão de superfície, e a sua luz dispersa depende principalmente das estruturas de superfície, tais como microlentes, pirâmides, superfícies rugosas e outras microestruturas. Os métodos de preparação dos materiais de dispersão da luz à superfície incluem a texturização da superfície, a pulverização, a gravação a laser de velas, a prensagem a quente e a gravação ultra-sónica. As vantagens dos métodos de pulverização e texturização da superfície são a operação simples e o baixo custo, e a desvantagem é que é difícil obter uma transmissão de luz ideal. Os materiais de dispersão de superfície preparados por escultura de vela a laser e moldagem de crisântemo de tinta têm bom desempenho e podem até controlar com precisão a forma do feixe, mas os requisitos para os instrumentos e moldes utilizados são muito altos e o custo é muito alto. O custo do método de prensagem a quente é relativamente baixo, mas como o processo de aquecimento e arrefecimento é moroso e a eficiência é baixa, não pode ser utilizado na produção em grande escala.

A maioria dos materiais de dispersão de luz de dispersão em massa são materiais poliméricos transparentes com dispersores de luz espalhados, que atingem o objetivo de difusão de luz adicionando difusores de luz que são diferentes da refração da matriz nos materiais colectivos transparentes. Este material utiliza o mecanismo de dispersão global, ou seja, o interior e a superfície do material desempenham um papel de dispersão, e a amostra tem uma elevada dispersão de luz, elevada transparência e boas propriedades abrangentes.
Atualmente, os materiais de dispersão de luz por volume, enquanto novo tipo de materiais de dispersão de luz, substituem gradualmente os materiais de dispersão de luz tradicionais em muitos domínios de aplicação e começam a ser amplamente utilizados na iluminação LED, no ecrã de cristais líquidos e noutros domínios.

Os materiais que utilizamos são geralmente materiais de dispersão de volume. O PC tem uma transmissão de luz de 89%, boas propriedades mecânicas, baixa higroscopicidade e bom retardamento de chama, mas a irradiação ultravioleta ou da linha da pele pode facilmente torná-lo amarelado. O PS tem uma transmissão de luz de 90%, baixa higroscopicidade e fraca resistência ao calor. Devido à sua baixa dureza superficial e fragilidade, é fácil produzir fissuras e gretas, e é fácil deteriorar a cor sob radiação ultravioleta a longo prazo. O PMMA é extremamente transparente, com uma transmitância de luz de 92% na gama visível, boa processabilidade e fortes propriedades anti-envelhecimento ultravioleta, mas tem uma forte absorção de humidade, fraca tenacidade e inflamabilidade. O ABS tem duas propriedades de resistência ao impacto, resistência ao calor e resistência a baixas temperaturas, é fácil de processar, a escala do produto é estável e o brilho da superfície é bom, mas como o ABS é uma mistura, a sua transmissão de luz é fraca. Considerando as propriedades ópticas, as propriedades mecânicas, a processabilidade e outros factores da resina, o PC e o PMMA tornam-se a primeira escolha de materiais de matriz de dispersão de luz.