LED灯用光扩散涂料的研究及应用
苏荣欢 廖建良 廖 辉 何志明 何志平(佛山柯维光电股份有限公司,广东 佛山 528500)
1 光扩散材料的作用机理
随着科学技术的发展,LED照明进展迅速,其舒适性引起了生产企业和消费者的高度关注,一般在室内照明应用中,具有点光源特性的LED灯珠发光面积小,产生较强的眩光,对人眼造成强烈的刺激,易使人产生不舒适感,甚至会造成对人眼的严重伤害。为降低这种影响,通常采用具有散射效果的灯罩,使单向发射光扩散均匀,使光线变得柔和舒适,图1给出了LED灯加罩前后视觉效果的对比。
1 光扩散材料的作用机理
随着科学技术的发展,LED照明进展迅速,其舒适性引起了生产企业和消费者的高度关注,一般在室内照明应用中,具有点光源特性的LED灯珠发光面积小,产生较强的眩光,对人眼造成强烈的刺激,易使人产生不舒适感,甚至会造成对人眼的严重伤害。为降低这种影响,通常采用具有散射效果的灯罩,使单向发射光扩散均匀,使光线变得柔和舒适,图1给出了LED灯加罩前后视觉效果的对比。
散射效果主要利用光的反射、折射和衍射特性,图2给出了由粒子引起的折射现象,图3给出了小粒子周围的衍射现象。在这些现象的作用下,可以产生如图4所示1簇光线散射的效果。
2 LED灯用外壳材料的种类
目前常见的LED灯用外壳材料主要有两种:1种选用PC(聚碳酸酯)或者PMMA(亚克力)等塑胶材料作为LED灯的光扩散外壳,这种外壳具有容易成型、不易破碎、可设计成多种形状等优点,但同时存在成本高、容易黄变等缺点。另外1种为玻璃涂层外壳,由于其具有低成本、高透光率、不易黄变等优点,在LED灯中的应用越来越广泛。表1给出了两种LED灯用外壳材料的对比。
综合上表多项参数的对比,玻璃涂料外壳比塑料材料外壳的光散射效果更好,同时透光率更高,可以使LED点光源发出的光线变得均匀舒适,更符合室内照明的应用发展方向。
一般地,应用于玻璃管的涂层有两种:1种为光扩散涂层;1种为传统荧光粉涂层。光扩散涂层是涂布于玻璃表面,经干燥后形成1层薄膜,是赋予玻璃光散射、漫反射、光透过功能的材料。光扩散涂层与传统荧光粉涂层在表观上有着许多相似的地方,但在涂层的具体组成、特性以及应用环境等方面有着许多本质的不同,表2给出了两者的区别。
由于应用要求的差别,传统荧光粉涂层难以直接作为LED灯罩的光扩散涂层使用,需要对其进行针对性改进。专门设计的光扩散涂料具有较好的应用特性,在LED灯用涂层材料中得到越来越广泛的应用。同时,根据应用中的具体要求,涂料可以调配成不同的颜色,也可通过添加适当的荧光填料,使光扩散涂料具有改变光源色温的作用,以适应不同的使用需求。
由于应用要求的差别,传统荧光粉涂层难以直接作为LED灯罩的光扩散涂层使用,需要对其进行针对性改进。专门设计的光扩散涂料具有较好的应用特性,在LED灯用涂层材料中得到越来越广泛的应用。同时,根据应用中的具体要求,涂料可以调配成不同的颜色,也可通过添加适当的荧光填料,使光扩散涂料具有改变光源色温的作用,以适应不同的使用需求。
3 光扩散涂料的类型
光扩散涂料一般包含4大部分:成膜物质(也称主要成膜物质)、溶剂(或分散介质)、颜填料(也称次要成膜物质)、各种涂料助剂。根据溶剂的类型来分类,光扩散涂料可以分为有机溶剂型涂料和水性涂料,而水性涂料又可分为水乳型、水溶性两种。有机溶剂型涂料主要以有机溶剂为分散介质,具有较强的挥发性能,干燥快,但味道浓烈,影响环境,也有一定毒性;水乳型涂料主要以水为分散介质,通常含有少量的有机溶剂,呈乳液状,仍有一定的刺激性气味,污染和毒性较溶剂型涂料有所降低;水溶性涂料主要以水为分散介质,具有无味、低毒、低污染的特点。表3给出了这3种类型涂料的对比。
4 光扩散涂料的性能指标
光扩散涂料在生产以及应用中有许多参数及性能需要关注,针对LED灯用光扩散涂料主要有以下3大类参数性能:涂料参数、施工性能、涂层性能。
(1)涂料参数:主要有颜色、粘度、比重、固含量、细度、气味、稳定性等。
(2)施工性能:主要有流平性能、消泡性能、干燥时间等。
(3)涂层性能:主要有外观、涂覆量、附着力、硬度、柔韧性、透光率、光谱变化、光散射性能、耐高温性能、耐紫外性能等。
对上述参数性能的深入全面研究是用好LED光扩散涂料的关键,这里仅列举以下4个关键性参数的研究情况,分别是光谱变化、透光率、耐紫外、耐高温特性。
4.1 光谱变化
首先,不同的光扩散涂料对不同波长的光线具有不同程度的吸收,即有特定的光谱吸收曲线。在白光LED灯应用中,通常不希望某些谱线被严重吸收或者改变,因此要求涂层不改变整个光谱分布。特殊的,为了获得不同的色温或显色指数,也可人为地添加特定的荧光材料,使LED灯的光谱发生特定的变化,不在这里研究。图6给出了涂敷前后涂层的光谱对比。
由上图可见,涂覆前后LED灯的光谱曲线未发生明显变化,仅在强度上有所减弱,说明涂层没有选择性吸收光谱线,不改变原有光谱,保证了LED灯原有光谱特性。
4.2 透光率
其次,对于涂料的施工,为获得理想的效果,往往通过采用调整涂料粘度的方法来获得所需的涂层厚度。这里对球形灯罩和蜡烛形灯罩在不同粘度下的透光率进行了研究,测得的粘度-光透过率关系如图7、图8所示。
在图7、图8的透光率关系图中,从总体的趋势来看,涂料粘度越高(涂层越厚),透光率越低。因此在应用时应选择1个合适的施工粘度,使透光率处于佳值,涂层不透LED灯珠,涂层效果满足产品应用要求。
4.3 耐紫外特性
再次,由于LED灯光谱中有1部分短波谱线(如图6中的蓝光谱线),这部分谱线具有较强的能量,会使涂层材料老化造成黄变,故涂料需要具有良好的耐光照老化性能。为缩短试验时间,快速获得试验结果,实验室中采用UVC紫外光照射(8 W紫外灯,10 cm处紫外照度约1 800 μW/cm2),照射100 h后观察黄变情况和透光率的变化情况。照射前后的透光率数据见表4。
耐紫外测试结果显示,光扩散涂层对紫外的耐候性优良,在强紫外线的照射下,光透过率衰减仅1.2%。由于LED蓝光的光线能量远低于UVC紫外线(253.7 nm波长紫外线)的能量,从而可以得知LED蓝光对涂层的影响更小,老化黄变的可能性更低。
4.4 耐高温特性
后,LED灯罩内部温度普遍在50~80 ℃之间,由于光扩散涂层里含有树脂和填料,树脂或填料在高温下有发生老化和黄变的趋势。因此需要考察涂层的耐高温性能,实验室中,分别采用85 ℃恒温1周、120 ℃恒温2 h、170 ℃恒温2 h的方法进行测试,测试结果见表5。
以上结果表明,涂层能耐一定的高温,但温度过高,涂层会黄变无法恢复。对于LED灯罩长期工作在80 ℃以内的温度条件下,其性能不受影响。
从以上4个关键性能测试数据来看,光扩散涂料可良好地应用于LED灯罩获得持久、均匀的光照效果。
5 光扩散涂料的应用
通常根据LED灯罩的不同形状如球形、蜡烛形、梨形、半球形、直管形等,采用适宜的光扩散涂料涂覆工艺进行施工,目前光扩散涂料的涂覆工艺主要有3种。
(1)吸涂:主要应用于直管形玻管涂覆,采用负压吸取涂料,浸润玻管,然后流干。
(2)喷涂:可以用于直管也可以用于泡壳涂覆,目前泡壳涂覆普遍采用这种工艺;也有定量喷涂的工艺,可以解决涂覆不均匀的问题。
(3)灌涂:可以用于直管也可以用于泡壳涂覆,可采用手工操作,亦可自动灌涂操作。
在具体的涂覆生产操作过程中,通常会出现针孔、气泡、留痕、发花等问题,下表给出了一些主要问题的原因分析和应对措施,具体见表6。
6 结束语
通过对光扩散涂料玻璃外壳与塑料材料外壳比较,以及传统荧光粉涂层与光扩散涂层的对比得知,光扩散涂料是LED灯罩获得均匀的光扩散和高透过率效果的1种理想材料。光扩散涂料在透光性、耐候性等方面都能满足LED灯罩的要求,并且在许多方面优于其他材料,光扩散涂料越来越广泛地用于带罩LED灯的生产。
溶剂型涂料具有易燃性、危害环境等缺点,但也有挥发速度快、使用方便、工艺简单的优点,在生产应用中仍占有一定比例,在后续的发展当中,还需要综合性能更好的涂料来满足更高的要求。水性涂料由于其无毒、安全、易于清洗回用,能较好地满足企业低成本、绿色环保、安全性好的要求,是光扩散涂料应用的发展方向。但水性涂料也有一定的缺点:如干燥慢需要采用加热方式烘干,水性涂料的应用工艺也相对溶剂型复杂,这也增加了企业在应用方面的难度。为此,需要涂料生产企业和涂料应用企业共同深入研究,密切协作,为带罩LED光源的绿色生产做出贡献。