LED灯管光性能的分析
马健 乔更新
对目前市场上出现的PC罩型、玻璃管型以及玻璃-PET复合型LED灯管中所采用的光扩散形式进行对比，并对光扩散效果进行技术分析，指出各自的特点以及用于照明的优劣性。对有机和无机两种光扩散材料的透光率进行了实验分析和评述，指出材料用于光扩散涂层工艺的可行性。对多种采用不同光扩散材料的灯管所形成的光束角进行了测量分析。
为消除高亮度LED灯珠产生的眩光对人眼的伤害，LED灯管（以下简称灯管）的外壳不论是使用PC（聚碳酸酯）管还是玻璃管都进行了光扩散效果（消除眩光）的设计。以PC管作外壳材料的灯管在PC塑料加工时就已经添加了有机硅扩散剂，而以璃管作外壳的灯管则延用了传统灯管的涂粉工艺，在玻管内壁涂敷了光扩散涂层。工艺过程中所使用的外管材料或光扩散材料的不同，其对LED光的吸收损耗也不尽相同，最终导致了透光率、光效以及光束角的差异。这些差异将对照明灯具以及室内光环境的设计造成一定有影响。
1灯管光扩散效果的技术分析
1.1PC 罩灯管
PC管可在较宽的温度范围（－60～+120℃）下工作，具有耐冲击、加工简单、成型容易、不用涂敷光扩散层、无需单独粘结灯条、运输及使用过程中不易破损等诸多优点，而缺点是耐碱性物质腐蚀性能差、较易产生应力而开裂，且长时间处在光照环境下会发黄变脆，其灯管光通的维持率很难满足LED灯30000h以上的要求。
1.2玻璃型灯管
玻璃管光扩散涂层涂敷工艺与传统荧光灯涂粉工艺大致相同，但涂粉所用的原料则无任何相同之处，就目前光扩散涂层所用原料可分为3类。第1类是溶剂型涂料（也有称为油性漆），这是从涂料行业演变而来的最成熟的工艺，这种涂料的涂层烘干后具有油漆一样的性能，有最可靠的牢固度。最常用的是溶剂型丙烯酸和有机硅扩散粉组合的涂料，其透光率普遍可达到92%，溶剂型涂料尽管涂敷工艺简单，但因使用丁酯类或苯类稀释剂，生产中会产生很大刺激气味以及苯污染，将逐步被淘汰。第2类是水溶性涂料，水溶性涂料以水作为稀释剂，采用水溶性丙烯酸作为黏结剂[2]，工艺过程无污染，近两年来成为LED制灯行业的重要研发课题，并取得了重要成果。目前，所有已知的此类黏结剂都是利用其脱水干燥后产生的交联反应使其固化成膜的，最大的好处在于产生交联反应之后的涂层膜不再溶于水，其牢固度仅次于溶剂型涂层，但对于灯管来说已足够了。虽然水溶性涂料有许多优点，但也正是因为这种交联反应的性质决定了工艺过程中的问题——粉浆干燥后遗留在机器设备及喷头上造成机台清理的困难。第3类是从荧光灯水涂粉工艺演变而来，使用光扩散剂替代用于发光的荧光粉，黏结剂为PEO（聚氧化乙烯）。对本身为传统荧光灯生产制造的厂商来说，这种工艺技术比较成熟，粉的利用率高，生产成本低，涂层耐高温性能好，使用好的有机硅扩散粉透光率也可达到92%。其缺点是涂层的牢固度较水性漆稍差，但因黏结剂PEO胶没有经过像荧光灯一样在烤管工艺，不存在高温分解，其牢固度比荧光灯的粉层要高很多，只要生产过程不出现涂层划伤，就可以保证在灯在寿命期间不会出现粉层脱落现象。
1.3玻璃-PET复合型灯管
1种在玻璃管外面裹1层扩散膜的工艺也取得了一定的进展，这种制造光扩散涂层的技术是在玻管外面裹1层PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）膜，这层塑料薄膜在一定的高温下产生收缩效应，紧紧包裹在玻璃管的外表面。由于收缩膜中掺入了光扩散剂，可以达到散射光的目的。这种复合灯管集合了PC管和玻璃管的一些优点，透光率高、加工简单、耐热好，可在120℃长期使用，具有较强的韧性和拉伸强度，不易破碎，对长度＞1500 mm的大功率灯管更显示出了加工方便的优越性。缺点是耐碱性环境的腐蚀性能较差，也不耐热水浸泡，长寿命光照
过程容易出现脆裂脱落，失去光扩散效果。
2光扩散材料评述
目前，在PC管和PET膜中使用的扩散材料主要是有机硅光扩散剂，而在玻管涂料中使用的光扩散材料主要是有机硅、碳酸钙、滑石粉、荧光粉、氧化钇、二氧化硅、硫酸钡等。对于这些光扩散剂的性能，相关文献已作了大量的论述，本文对有机硅光扩散剂的一些性能及使用情况再作一些补充。在所有的光扩散剂中透光率最高的是有机硅光扩散剂。这种有机硅透明球体材料颗粒以微米粒度的形式加入，显微照片如图1所示，用于PC、PET及灌封胶中可以均匀地分散在树脂中。灯的光线可以穿过这些成膜涂层中的透明球体，这样，LED灯珠发出的强烈的光经过多次折射、反射后，从PC管或PET膜表面分散均匀地发出，将点光源变成了面光源，消除了弦光，使光线变得柔和。由于光线是直接透射出光扩散剂球体的，避免了多次反射和吸收，光损失减少，提高了透光率。
有机硅光扩散剂在PC管和PET膜中使用较为方便，但在水溶性涂料工艺中要经过特殊处理，否则很难分散均匀而形成悬浮液，涂敷质量也较难控制，同时正是因为它是透明体，在透光率高的同时，雾度也会稍有降低，因此一般不会单独使用，与无机光扩散剂混合使用效果较好。
对于无机光扩散剂，光线会通过微小颗粒的表面经多次反射后达到光扩散均匀的效果，但是光线很难直接穿透无机物粉体颗粒，且无机光扩散粉一般较难形成球形颗粒，因此扩散粉本身对光的吸收增大，导致透光率会降低，好的无机扩散粉如氧化钇的透光率也可达到91%左右（图2）。而目前LEDT8灯管，使用好的扩散材料涂层和优质的PET膜，透光率都可达到92%，PC塑料管透光率稍差也能达到91.5%，这与塑料本身对光吸收系数比玻璃大有关。透光率的提高，一方面可提高灯的光效，另一方面可降低灯管温度，延长电源元件寿命。也正是因为光线很难直接透过无机光扩散粉的粉体颗粒，在增加了反射次数的同时，粉体雾度也会增加，所以无机光扩散粉的雾度较高。
3透光率的试验与分析
3.1涂层厚度对透光率的影响
表1是采用溶剂型黏结剂涂敷不同重量（厚度）的透光率实测值。从表中可以看出，随着涂敷量的增加，光扩散剂对光的吸收增加，导致透光率逐步下降，同时也发现，当粉层涂敷（也即厚度）增加67%时，透光率仅仅减少1.7%。
对水溶性1.2m长的涂有水溶性光扩散层玻管的不同分段进行测量，按粉管每300mm分1个区，再分别检测4个区段的透光率（见表2），粉层从薄到厚，透光率依次从92.7%降到90.8%，相差1.9%
3.2玻管壁厚对透光率的影响通过对不同壁厚的钠钙硅玻璃管进行透光率分析，发现随着玻管厚度的增加引起玻璃管和粉管透光率都稍有下降，但下降的幅度并不明显。壁厚从0.65mm增加到0.90mm，增加了38%，而透光率仅仅降低了1.0%（见表3）
4光束角的实验分析
灯具的设计依赖于光源光束角的参数的大小。LEDT8灯管在替代传统T8荧光灯照明时，总会力求其光束角越大越好（图3）。传统的T8荧光灯管属非定向照明光源，灯管在C0/180°横切面360°发光，因此在用于室内照明时，整个空间都有透亮的感觉，给人以舒适的视觉享受。而对于LEDT8管来说，光源条中的灯珠在灯管顶部，从180°面向管内发光，经过不同的光扩散途径散光后，在C0/180°横切面形成的定向光束角也不同。
4.1粒度对光束角的影响
光扩散剂的颗粒度大可以产生高的雾度，而小的粒度又能产生好的透光率。因实验条件所限，没能测量实验中的雾度，只能以肉眼观察是否透灯珠光斑来评价雾度。取3种平均粒度分别为1.1μm、4.6μm和8.0μm的无机涂层制灯做光束角的试验（见表4），从实验数据可以看出，用同种灯珠条，在涂粉厚度为薄端看不到灯珠的情况下，随着扩散粉粒度的减少和粉重的下降，灯管光束角逐步下降，发现光束角最高可相差50°。
4.2不同材料对光束角的影响
使用相同的LED灯条，采用不同扩散方式和材料，其光束角不尽相同。从试验的结果来看，PC管、油性漆、PET膜和水性漆光束角基本一致，在210°左右，而采用传统荧光灯水涂粉工艺制造的光扩散涂层的光束角最高可达320°左右（见表5）。作者认为，这是由于传统荧光灯水涂扩散粉涂层相对上述几种涂层工艺而言粉体颗粒间隙较大所致（图4）。无机光扩散剂材料粉体颗粒非球形，显现不规则的多边形，且颗粒大小一致性差，加之无机光扩散粉不透光，光线不能直接穿过粉体颗粒，这些都导致光线必须在粉层中多次无规则的反射后，才能穿透粉层，光散射后出射角度自然要比穿过致密的半透明均匀球体涂层后的角度明显增大。
光扩散材料对灯的透光率起决定作用，其中有机硅是最理想的光扩散材料，传统的PEO——无机光扩散粉工艺对增大LEDT8管光束角有明显优势。寻找透光率更高、雾度更好、具有更高性价比的光扩散材料用于水溶性光扩散涂层是未来很长一段时间内研究开发的重点。
