光扩散材料的研究以及进展

光扩散材料的研究以及进展

在当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，21世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。LED球泡灯具与白炽灯比较，其最大的发展动力就是节能环保的优势，相同照明效果比传统光源节能80%以上。

当LED新型点光源在照明灯具行业广泛应用的同时，为减弱LED光源单点光强度对视觉的不舒适性刺激，灯具行业出现了扩散板在照明产品中的大量应用。传统的材料用的是磨砂玻璃，但是这类材料易碎，透光率低，光扩散材料的出现，不仅解决了材料的易碎问题，在透光率上能提高20%以上，光扩散材料得到了快速的发展。

1.光扩散材料的概述

光扩散材料，指的是可以透过光线、又能够使光线发生散射的材料。光扩散材料可以将点、线状的光源转化为面状的光源，其散射范围较大、透光性良好，且光线分布均匀。光扩散现象的产生是媒质的均匀性遭到破坏的结果，即尺寸达到波长数量级的临近媒质小块之间在光学性质上（如折射率）有较大差异，在入射光的作用下，它们作为次级波源将辐射振幅大小不同的次波，彼此的相位也有差别。这样，由于次波的相干迭加，除了部分光波仍沿着几何光学规定的方向传播外，在其他方向不能抵消，造成散射。因此，当入射光照射在两种折射率不同。早期多用于液晶显示器的背光源材料，又称为光散射材料或散光材料。将光扩散材料用于发光二极管(LED)照明是近年来开辟的一个新应用领域。LED照明较液晶背光源更强、柔和光线性能更高；用于LED照明的光扩散材料在扩散光的同时，须尽量减少光损失，且有良好的韧性。

评价光扩散材料性能的两个重要指标是光线透过率和雾度，前者代表着一种材料的透明程度，而后者代表着材料散射光线能力的强弱。透光率是指透过试样的光通量和射到试样上的光通量之比，它是表征透明高分子材料透明程度的一个重要性能指标。一种高分子材料的透光率越高，其透明性就越好。雾度又称浊度，

是透过试样而偏离入射光方向的散射光与透射光通量之比，它衡量一种透明或半透明材料不清晰或者浑浊的程度，雾度大小是材料内部或表面上的不连续性或不规则性所造成的。通常用雾度表征光散射材料的光散射强弱。

随着液晶显示器的大量应用，作为其背光源模组重要组成部分的光扩散膜的需求也越来越大。光扩散膜的作用是将点光源、线光源转化为面光源，具有高透光率和高雾度等特点。光扩散材料根据作用机理不同，可分为面扩散和体扩散两种。面扩散主要通过打磨、涂层、喷砂或刻痕等手段，利用粗糙表面产生光扩散。如Lin Chifeng 等通过表面微结构处理制备光扩散材料；体扩散是通过在透明基体中添加异质颗粒的方法，利用颗粒的散射产生光扩散，一般采用共混法制备。如赵鋆冲等以聚碳酸酯为基体通过添加有机硅类光扩散剂制备的光扩散材料，其透光率为80.8%，雾度为94.9%。

光扩散材料是光线通过塑料基材的扩散层，遇到内含与其折射率相异的介质(扩散粒子)时，会发生多角度、多方向的折射、反射与散射的现象，从而使点光源达到光扩散效果，为照明灯具提供更加均匀、更加舒适的出光效果。目前，市场上主流光散射材料可采用聚合法制备与共混法制备。常用的光散射材料基体主要采用透明聚合物，如聚碳酸酯(PC)、PS、透明聚烯烃材料、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。

2.光扩散材料的发展背景

自20世纪60年代世界第一个半导体发光二极管诞生以来，作为一种全新的照明技术LED利用半导体芯片作为发光材料、直接将电能转换为光能，以其发光效率高、耗电量少、使用寿命长。安全可靠性强、环保卫生等优越性，已逐渐取代传统光源，成为新一代的主流光源。但是LED照明灯具一般由若刚LED排列组成，每一个LED都是一个独立的点发光源，发光强度相对较高，多个电光源密集组合成的LED照明必然会形成光线不均匀以及炫目等问题，用于照明时必然会给人的视觉带来炫目等不适。而光扩散膜可以有有效解决LED的抢光问题，使照明光均匀柔和，消除炫光。传统的透光和扩散光线的材料都是透明或乳白的玻璃或塑料，光线经过它们时发出折射（透明材料）或扩散（漫透射材料），将它们做成平片或棱镜透镜（仅对透明材料）后控制光线的走向，从而达到改变光源光分布的目的。不过控光部件的能力或功效比较低，受棱角大小、材料表面的反射和折射率数值的限制，光线的偏折角度是有上限的，效率不高。

近年来，液晶显示技术不断发展与成熟，在平板显示市场占据了主导地位，尤其是具有高画质、空间利用率佳、低消耗功率及无辐射等优越特性的薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD），更已成为市场主流。随着TFT-LCD的蓬勃发展，导光板作为其不可缺少的组成部分———背光照明系统的组成构件，其需求量也不断增加。传统的印刷型导光板由于散射角过大，印刷点亮度对比高，为了使光线均匀射出，必须使用较厚的扩散膜，但会使背光组件的照明亮度降低；而注射型导光板虽然能解决导光板厚度方面的问题，但其对于机械的加工精度要求非常高，也给实际工业生产带来诸多不便。因此，光扩散聚合物导光板具有非常高的研究和开发价值。

常用的光扩散材料的光学性能要求与主要技术指标主要有：(1) 具有高透光、高扩散、无眩光、无光影；(2) 光源隐蔽性要好，有效调整扩散率和透光率；

(3) 具有良好流动性，良好的模具脱模性质，优良的耐候性；(4) 透光率达到或超过80%；(5) 具有高阻燃性；(6) 具有高抗冲击强度；(7) 适合于LED灯罩、灯泡、灯管的使用。

3.常用光扩散材料简介

3.1 光扩散聚碳酸酯(PC)材料

聚碳酸酯(简称PC)是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，1898年Einhom 采用对苯二酚和间苯二酚在吡啶溶液中进行光气化反应，首次合成出聚碳酸酯。1953年，德国拜耳公司首先研究成功PC，并于1958年首先实现了工业化生产，至今已有50多年的历史。在聚碳酸酯合成工艺的发展历程中，出现过很多合成方法。目前，可用于工业规模生产的则有光气(界面缩聚)法和熔融酯交换缩聚法、非光气熔融酯交换缩聚法3种合成工艺，工艺由原来传统酯交换合成工艺从根本上摆脱了有毒的光气，是一种无污染的绿色合成。根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族．芳香族等多种类型引。由于脂肪族和脂肪族一芳香族聚碳酸酯的机械性能较低，从而限制了其在工程塑料方面的应用，因此仅有芳香族聚碳酸酯实现了工业化生产。芳香族聚碳酸酯具有无色透明，耐热，抗冲击，阻燃BI 级，在普通使用温度内都有良好的机械性能而广泛的被运用在各个领域，目前已经推出了光盘、汽车、办公设备、箱体、包装、医药、照明、薄膜等多种产品各自专用的品级牌号。