低光损 LED 玻璃灯具水性光扩散
叶峰
LED照明灯具透光率和扩散率是一对矛盾的技术指标，存在着此消彼涨的关系。本文通过对水性光扩散膜材料、光扩散粒子、光学匹配、薄膜微结构、涂料配方等的研究，开发出低光损光扩散膜，实现了高透光高扩散的兼顾，为制造高品质玻璃LED灯具做了有益的尝试，得到了较满意的结论。
随着LED照明的普及，人们对LED灯具的光效、雾度(光扩散性)、显色性的要求越来越高。但光效、雾度、显色性相互制约、此消彼涨，要实现高光效高扩散兼顾十分困难。对于普通照明灯具，当灯珠、灯罩材质(玻璃或PC)、驱动确定后，光扩散膜的性能就决定了灯具的光效、扩散率。一般而言，透光率和扩散率是一对矛盾的技术指标［1］，存在着此消彼涨的关系，如何获得高透光率和高扩散率兼顾的光扩散膜成为玻璃(PC) 、驱动LED灯具的一个主要的技术热点。
光扩散膜材料按结构及光扩散原理的差别，主要分为两大类:掺杂粒子型和表面微结构型［2］。照明行业玻璃灯具最通用的方法是掺杂粒子型，即玻璃涂层。这种方法成本低、加工方便，便于大规模工业生产。本文重点讨论低光损玻璃涂层(扩散膜)及光扩散涂料的相关问题，探讨高透光和高扩散兼顾的涂层设计工艺。
1玻璃灯具光扩散膜的设计
1．1基本原则以与玻璃管(泡)相同厚度的玻璃平面薄片来计，假定所有光学原材料为完全透明不吸光，通过对原材料进行光学优化设计(成膜树脂
(1) 采用纯净的原材料成膜树脂、光扩散剂及各种助剂必须纯净、透明、无色。在涂料生产过程中，必须尽可能保证不引入杂质和灰尘。成膜树脂还必须具有良好的光稳定性，不会在光照射下粉化、开裂、黄变。光扩散剂尽可能采用高纯度的合成粉体，矿物球磨粉体本身可能含有吸光杂质，球磨细化过程中极易引入杂质(由研磨球及研磨罐的磨屑引入)。此外，杂质粒子会影响色散。
(2) 涂覆均匀、减少气泡成膜树脂必须涂覆均匀、厚度一致、光扩散粒子排列整齐规则。涂层在固化后不产生数量不可忽略的气泡(空洞)。气泡也是一种光扩散剂，通常会存在较强的反向散射。要消除气泡的影响。
(3)成膜树脂和光扩散剂、玻璃的光学匹配解决以上两个基本问题后，成膜树脂和光扩散剂、玻璃的光学匹配选型就是最重要解决的课题。成膜树脂、光扩散剂、玻璃的光学匹配不当，高透光率和高雾度是不可能同时实现的。
1．2成膜树脂与光扩散剂的光学匹配设计
1．2．1掺杂粒子相对成膜树脂的折射率的确定光扩散膜内的掺杂粒子相对成膜树脂的折射率是扩散膜设计的关键参数。折射率之差越大，反向散射光强的占比越大，透过率越低，所以折射率之差越小越好。而扩散率则需要折射率之差不能太小。图1给出了掺杂粒子相对折射率与扩散膜透过率及扩散率的关系，λ=550 nm; D =4 μm。掺杂粒子折射率与基质相同时，即纯基质材料制得的扩散膜具有理论上最高的透过率92%和最低的扩散率0%，随着二者折射率差异的增大，透过率刚开始平缓下降，之后较快下降。而扩散率刚开始快速上升，经过两侧尖峰峰值后，略有下降，然后呈波浪状起伏。折射率之差越大，反向散射光强的占比越大，透过率越低，所以折射率之差越小越好。而扩散率则需要折射率之差不能太小，综合两者对折射率之差的要求，相对折射率取值优选范围为0．91～0．97或1．03～1．09。
图1透过率与扩散率随着掺杂粒子相对折射率的变化(λ =550 nm，D=4 μm) Fig．1Transmittance and diffusivity change with the relative refractiveindex of doped particles( λ =550 nm，D=4 μm)
选择合适的相对折射率材料是同时获得较高透过率和扩散率的首要前提条件，常见的无机陶瓷掺杂粒子如 Al2O3，ZrO2，TiO2等具有过高的折射率，难以获得较高的透过率。硅 微 粉 (SiO2 ) 、碳酸 钙 (CaCO3) 、硫酸钡(BaSO4) 和一些树脂粒子(如聚硅氧烷微球 )与成膜树脂基质折射率较为匹配，可以获得较高的透过率［1］。
而对于某些基质材料，符合树脂相溶要求且折射率匹配的掺杂粒子难以找到，可采取折射率过渡的核壳结构有机微粒子掺杂来获得较高的透过率。或通过有机无机粒子搭配“填平补齐”，获得一个最佳的“有效折射率”，满足折射率的匹配，从而实现最佳的透过率、扩散率。
1．2．2掺杂粒子粒径和掺杂浓度的选择对于相对折射率已给定的掺杂粒子，粒径和掺杂浓度的选择也十分重要。
图2为透过率与扩散率随着掺杂粒子粒径的变化关系， λ= 550 nm，m= 0．96。相同的掺杂粒子浓度下，纳米及亚微米粒子的透过率和扩散率都不高。以规则的球形粒子来实验，粒径在微米量级时，随着粒径增加，透过率一直缓慢增加，而扩散率先快速增加，到达一个平台峰值后又开始下降。这用米氏光散射基本特性不难做出解释。
同理，随着粒子浓度(厚度)的增加，平均自由程减小，散射次数增加，透过率不断下降，扩散率不断增加。
图2透过率与扩散率随着掺杂粒子粒径的变化(λ =550 nm，m=0．96)Fig．2Transmittance and diffusivity change with the diameter of dopedparticles( λ =550 nm，m=0．96)
1 ． 3 光扩散膜的均匀性、微结构
玻璃管(泡)涂层一般采用管内垂直喷涂(喷淋)涂布，再用热风固化成膜。由于重力的作用，玻璃管下端涂层厚，上端涂层薄。为了使涂层均匀，对涂料的表面张力、流平速度和涂层定型速度需匹配优化。实验表明:涂料表面张力20．0～30．0mN/m、涂层定型速度即热风表干固定涂层5．0～15．0mm/s，可得到薄厚一致、均匀排列的薄膜。 图3为光扩散膜平面扫描电镜(SEM) 图。图中球形微粒子为光扩散剂，其周围包裹的是成膜树脂;膜层中凹凸不平的表面及排列是产生光漫反射的微结构。
图3光扩散膜平面扫描电镜照片Fig．3Plan scanning electron microscopeimage of light diffusing
图4为光扩散膜断面扫描电镜图。图中规则的圆球为有机光扩散剂微粒子，不规则的粒子为无机扩散微粒子，粒子表面包裹的为成膜树脂;空穴为断面剥落的光扩散微粒子形成的“空位”，非涂层缺陷;厚度尺寸为膜层的平均厚度;薄膜与玻璃基材接触面为光滑表面，非接触面为凹凸平面。
图4光扩散膜断面扫描电镜照片Fig．4Section scanning electron microscopeimage of light diffusing film
1．4玻璃管表面的增透技术光学增透技术有100多年的研究历史，历久而恒新，需根据具体的使用要求来选择合适的光学增透技术。仅从玻璃管(泡)光学膜来考虑，优选的成膜树脂有增透的作用(光减反机理)，玻璃管外表面可以达到95%以上的复合透光率(理论值可以达到97%以上)。在实际研究中，我们已将增透树脂搭配在基材成膜树脂中，达到了理想的效果。
1．5光扩散涂料的配方设计和工艺玻璃水性涂料技术已较为成熟，但要满足光学要求仍须优化。通过大量实验、生产，较为理想的配方设计如下:按质量份数计，包括如下组分:水性成膜树脂乳液或分散体30．0～56．0质量份［3］、水性有机光扩散微粒子10．0～30．0质量份、无机光扩散微粒子3．0～15．0质量份、水性涂料表面活性助剂4．0～8．0质量份、水性涂料成膜助剂2．0～5．0质量份、纯水15．0～20．0质量份。该涂料符合 ＲEACH法规。在常温下不会产生沉淀、分层，增稠或胶联，可在中高速荧光灯、灯泡等涂粉机上循环淋涂、喷涂、吸涂;以及平板玻璃上辊涂、流延涂，实现24h 连续生产。光扩散膜组分包括上述水性光扩散涂料和1%～2%密着剂混合、涂布后通过热风烘干附着于玻璃基材上。热风温度60～150℃，风速0．5～6．5m/s。光扩散膜在15wt%～20wt%的NaOH溶液中浸泡不溶解，浸泡4～8h 可在水中剥离为完好的微米级薄膜。光扩散膜具有良好的柔韧性和致密性。
2LED 玻璃灯具的增透技术
2．1灯板反射膜技术
为了使灯具射出光达到最佳效果，须减少灯板或底板的光吸收，可在 LED灯板或底板涂覆高性能反射膜。反射膜为漫反射率 ＞ 95%高分子纳米材料。其可提高整个灯具的光效0．6%～1．0%。2．2玻璃基材、灯珠等影响因素玻璃基材的优选是非常必要的。对玻璃基材要求纯净、透光率高，杂质离子含量低;玻璃的厚度、涂层与灯珠的距离(或管径)对透光率和扩散率都有影响。实验表明:( 1) 要得到低光损扩散膜，玻璃基材的透光率Tt应＞98．3%(积分球测试);玻璃中Fe2O3＜0．1%、Cr＜5PPM、Pb＜100PPM。杂质多吸光且光路复杂，光损大。
(2) 玻璃的最佳壁厚0．65～0．80mm; 对于普通照明球形玻璃灯罩，玻璃最佳壁厚 0．30～0．50mm; 对于普通照明平板、片形玻璃灯罩，玻璃最佳壁厚≤2．5mm; 玻璃罩与灯珠出光面正对方向的距离应≥11．0mm。
(3) 对于玻璃管直径选择在15～32mm 较理想。32mm 为最佳设计，此时Tt=96．5%(积分球测试)，扩散率可达96%以上(分光光度计)。此外，还应考虑灯珠的亮度及排列间距对整个灯具扩散率的影响。
参考 文 献
［1］汤华清，唐振方，赵亭亭，等． 聚硅氧烷微球/PMMA光散射材料的制备与光学性能［ J］． 光子学报， 2012，41( 6) :723727．
［2］宋时森，游 波． 水性光扩散涂层的制备及在光电领域的应用［ J］． 涂料技术与文摘， 2012，33( 6) :2022．
［3］耿耀宗． 现代水性涂料工艺·配方·应用［M］． 北京:中国石化出版社， 2013
