專(zhuān)利名稱：一種高效光擴(kuò)散材料及其制作方法與應(yīng)用的制作方法
一種高效光擴(kuò)散材料及其制作方法與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料和照明技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光擴(kuò)散材料及其制作方 法與應(yīng)用，特別是一種對(duì)入射光吸收少、擴(kuò)散效率高的光擴(kuò)散材料及其制作方法與應(yīng)用。背景技術(shù)：
照明是人類(lèi)生活中不可缺少的。對(duì)于多數(shù)情況的照明，都需要照明光 具有均勻的空間光強(qiáng)(或光亮度)分布。然而，幾乎現(xiàn)在所有的光源都是以點(diǎn)發(fā)光(即點(diǎn) 光源)或線發(fā)光(即線光源)的方式工作的。例如，普通的日光燈管和冷陰極燈管(CCFL) 就屬于典型的線光源，傳統(tǒng)的白熾燈是以一段燈絲發(fā)光，在一定距離外可將其視為點(diǎn)光源。 最典型的點(diǎn)光源應(yīng)該是目前正在快速發(fā)展的半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)。單個(gè)LED管芯的尺 寸非常小，發(fā)光區(qū)域也很小，對(duì)于照明而言是真正的點(diǎn)光源。為實(shí)現(xiàn)均勻照明，就需要將點(diǎn) 光源或線光源發(fā)出的光變換成面發(fā)光。常用的方法就是在光源前加入具有光散射或光擴(kuò)散 作用的材料，實(shí)現(xiàn)上述變換。例如在室內(nèi)照明中，經(jīng)常使用各種形式的燈罩，其目的就是將 燈泡或燈管發(fā)出的光變換成面發(fā)光，產(chǎn)生空間分布較為均勻的照明，消除眩光的感覺(jué)，使人 眼感覺(jué)柔和舒適。在采用LED為發(fā)光器件的照明中，光散射或光擴(kuò)散材料的作用則顯得更 加重要。已有實(shí)現(xiàn)光擴(kuò)散的方法包括1)在透明材料的表面制作出規(guī)則或隨機(jī)分布的光 學(xué)結(jié)構(gòu)，如微透鏡、微棱鏡等。光線經(jīng)過(guò)這些微結(jié)構(gòu)時(shí)，在與空氣的分界面處產(chǎn)生折射，入射 光的傳播方向發(fā)生偏折，從而產(chǎn)生光擴(kuò)散效應(yīng)。該類(lèi)方法的特點(diǎn)是光透過(guò)率較高，但是由于 只是界面的折射，所以光擴(kuò)散效果不夠理想。2)在透明材料中加入所謂的光擴(kuò)散劑，制成光 散射或光擴(kuò)散材料。光擴(kuò)散劑實(shí)際上是具有一定大小分布的顆粒，其材料可以是無(wú)機(jī)的也 可以是有機(jī)的。常用的無(wú)機(jī)粒子有二氧化硅、氧化鋅、二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、硫化鋅、硫 酸鋇，以及其混合物等。常用的有機(jī)顆粒包括苯乙烯類(lèi)聚合物、丙烯酸類(lèi)聚合物、硅氧烷類(lèi) 聚合物等。光擴(kuò)散劑顆粒通過(guò)各種方式加入到透明基材中，得到的光擴(kuò)散材料一般可視為 體擴(kuò)散材料，入射光可以在體擴(kuò)散材料中被多次散射、反射和折射。無(wú)機(jī)光擴(kuò)散劑粒子一般 具有不規(guī)則形狀也不透明，它們對(duì)入射光的作用主要是散射。眾所周知，光散射過(guò)程均伴隨 著不同程度的光吸收，因此上述光線的變換都是以損失一定的光能量為代價(jià)的。有機(jī)光擴(kuò) 散劑粒子可以具有規(guī)則形狀(如球形或接近球形)，也不同程度透明。在這種情況下，光擴(kuò) 散主要是以反射和折射的方式實(shí)現(xiàn)。表征光散射或光擴(kuò)散材料性能的主要技術(shù)參數(shù)包括透光率和霧度。透光率表示光 擴(kuò)散材料對(duì)入射光的總體利用率，而霧度則表示入射光偏離原入射方向的程度，故可以用 來(lái)表征光擴(kuò)散材料對(duì)入射光引入的擴(kuò)散程度。對(duì)于基于粒子散射的光擴(kuò)散材料來(lái)講，霧度 的增加必然要引起透光率的減小。實(shí)際上，人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫臒粽制渫腹饴示皇呛?高，也就是說(shuō)有相當(dāng)一部分光能量被損失掉。因此，開(kāi)發(fā)具有高透光率和高霧度的光擴(kuò)散材 料對(duì)于有效利用光源的光能十分重要。除了普通照明之外，高效光擴(kuò)散材料對(duì)于顯示技術(shù) 的發(fā)展也至關(guān)重要。目前LCD顯示器已在計(jì)算機(jī)顯示、家用電視機(jī)以及大屏幕顯示中得到 廣泛應(yīng)用。LCD顯示中需要照度均勻的背光照明器件，尤其是采用LED器件作光源的背光照 明器件。如前所述，LED是典型的點(diǎn)光源，要將其轉(zhuǎn)換成照度均勻的面光源才能用于LCD背 光，而具有高霧度和高透光率的光擴(kuò)散材料是實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵材料。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有光擴(kuò)散材料因利用散射、反射和折射改變光 線的傳播方向而無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透光率和高擴(kuò)散率的問(wèn)題，提供一種利用光的全反射而實(shí) 現(xiàn)光擴(kuò)散的材料，從而達(dá)到減少對(duì)入射光的吸收，可同時(shí)達(dá)到高透光率和高光擴(kuò)散率的目 的。本發(fā)明的目的之二是，提供一種制作上述光擴(kuò)散材料的方法。本發(fā)明的目的之三是，提供一種采用上述光擴(kuò)散材料制作的面發(fā)光裝置。本發(fā)明提供的高效光擴(kuò)散材料，包括具有高透明度的基體材料以及分布在基體材 料中的微小球體，所述的基體材料為玻璃或者有機(jī)樹(shù)脂材料，其折射率為nl，所述高透明度 是指透明度在80%以上；所述的微小球體為由兩種以上高透明度材料組成的具有兩層或 兩層以上殼體結(jié)構(gòu)的微小球體，球體的直徑為1微米至1000微米，球體各殼層的厚度是球 體直徑的_20%，由外層向內(nèi)層的折射率依次為π2，π3，. . .，ηΝ，且滿足nl > n2 > n3 > ...>nN, N為小于等于5的自然數(shù)，使光束由基體材料入射至微小球體上時(shí)，能夠在基 體材料與微小球體的界面以及微小球體各層之間的界面發(fā)生全反射，使原入射光的方向發(fā) 生偏折，達(dá)到光擴(kuò)散的效果。所述的基體材料與微小球體的界面、以及微小球體各層之間的 界面均為光滑表面。本發(fā)明提供的上述高效光擴(kuò)散材料的制作方法的制作過(guò)程是采用高透明度玻璃 或者有機(jī)樹(shù)脂材料作為基體材料，采用空心二氧化硅微小球體(由外層的二氧化硅和中間 的空氣兩種材料構(gòu)成)作為光擴(kuò)散介質(zhì)，所述空心二氧化硅微球體是在基體材料聚合過(guò)程 中混入，或是在紫外固化和熱固化過(guò)程中混入，再或者是在擠壓成型或注射成型過(guò)程中以 共混的形式加入，空心二氧化硅微球體與基體材料的體積比在5/95至50/50之間。本發(fā)明同時(shí)提供了 一種應(yīng)用上述高效光擴(kuò)散材料制作的面發(fā)光裝置，該裝置包括 基板，基板的上表面設(shè)置有一層高反射率的反光膜，反光膜的上方為一個(gè)由上述的高效光 擴(kuò)散材料構(gòu)成的光擴(kuò)散板，在基板上的反光膜與光擴(kuò)散板之間固定有至少一個(gè)點(diǎn)光源或線 光源。由點(diǎn)光源或線光源發(fā)出的光在光擴(kuò)散材料中的微小球體各層表面發(fā)生折射或全反 射，并沿?cái)U(kuò)散板平面進(jìn)行擴(kuò)散。由于光線在不同微小球體之間多次反射，有部分光將會(huì)向基 板的上表面的高反射膜傳播，而被該反射膜反射回?cái)U(kuò)散板。因此由點(diǎn)光源或線光源發(fā)出的 光會(huì)在沿?cái)U(kuò)散板傳播，而使其變換為面光源，并具有高的擴(kuò)散率。與粒子散射不同，光在折 射或全反射過(guò)程中并不損失能量，所以本發(fā)明的面發(fā)光裝置同時(shí)具有高的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明提供的光擴(kuò)散材料利用光的全反射而實(shí)現(xiàn)光的擴(kuò)散，從而達(dá)到減少對(duì)入射 光的吸收，可同時(shí)達(dá)到高透光率和高光擴(kuò)散率。該制作方法具有工藝簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求低和易于推廣等顯著優(yōu)點(diǎn)。該發(fā)光裝置可以高轉(zhuǎn)換效率將點(diǎn)光源(如LED)或線光源(如冷陰極燈管CCFL) 發(fā)出的光變換為面發(fā)光。

圖1是含有微小球體的光擴(kuò)散材料示意圖。圖2是面發(fā)光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，101為高透明度的基體材料；102為微小球體的內(nèi)核與外殼的界面；103為微
4小球體的外殼與基體材料的界面；104為入射光線；105為由不同介質(zhì)界面全反射的光線； 106為經(jīng)多次全反射后的光線；201為基板；202為點(diǎn)光源或線光源；203為反射膜；204為擴(kuò) 散板；205為光擴(kuò)散材料中的微小球體；206為點(diǎn)光源或線光源發(fā)出的光線；207為面發(fā)光 裝置發(fā)出的光線；208為經(jīng)反射膜反射的光線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明涉及的光擴(kuò)散材料及其制作方法與應(yīng)用的原理和具體實(shí) 施方式作詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1 光擴(kuò)散材料如圖1所示的光擴(kuò)散材料，由基體材料101和分布在其中的微小球體107構(gòu)成?；?體材料101為透明度在80%以上的高透明材料，如玻璃或者是有機(jī)樹(shù)脂材料。與玻璃材料 相比，有機(jī)樹(shù)脂材料具有不易破碎，可加工性好，成型性優(yōu)良，故優(yōu)選作為本發(fā)明涉及的光 擴(kuò)散材料的基體材料。可選用的有機(jī)樹(shù)脂材料的種類(lèi)有熱塑性樹(shù)脂、熱固性樹(shù)脂、紫外線固 化樹(shù)脂等。具體的有機(jī)樹(shù)脂材料有聚碳酸酯(PC)樹(shù)脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酯樹(shù) 脂、聚苯乙烯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰胺樹(shù)脂等?；w材料101的折射率用nl表示。按照本發(fā)明的思想，微小球體107應(yīng)為兩層或兩層以上殼體構(gòu)成的球體(可以是 實(shí)心球體，也可以是空心球體即中間為空氣)，由透明度在80%以上的高透明材料構(gòu)成。由 外層殼體向內(nèi)層殼體的折射率依次為η2，π3，. . .，ηΝ，并滿足nl > n2 > n3 > . . . > nN, N為小于等于5的自然數(shù)。附圖1表示的是一種兩層結(jié)構(gòu)的球體的情況(也可以取3層、4 層或5層)。微小球體107可用一種折射率較小的材料作為球核，在其外部包敷一層或多層 折射率依此增大的高透明材料的方法制備。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在可見(jiàn)光范圍的折射率為1. 49，以PMMA球形顆粒 為核，在其周?chē)笠粚诱凵渎蕿?.51的聚乙烯樹(shù)脂，即可形成本發(fā)明所要求的兩層殼體 構(gòu)成的球體。另一個(gè)例子是空心玻璃(二氧化硅)微球，其中的玻璃球殼的折射率為1. 45，玻璃 球殼內(nèi)氣體的折射率近似為1.0。如附圖1所示，當(dāng)入射光線由基體材料101入射至基體材 料101與微小球體107的界面103時(shí)，如果光線離球體中心線有一定距離，使入射角大于臨 界角，光線在界面103發(fā)生全反射；當(dāng)入射光靠近球體的中心線時(shí)，對(duì)于該界面其入射角較 小，光線將在該界面產(chǎn)生折射，而進(jìn)入微小球體107的殼層，當(dāng)?shù)竭_(dá)界面102時(shí)，其入射角可 能大于臨界角，而在界面102發(fā)生全反射。當(dāng)有多個(gè)微小球體存在時(shí)，光線可能在不同球體 之間發(fā)生多次折射和全反射，使入射光產(chǎn)生充分的擴(kuò)散。由于在擴(kuò)散過(guò)程中只存在折射、反 射和全反射，所以擴(kuò)散過(guò)程中光能幾乎不損失。因此，本發(fā)明涉及擴(kuò)散材料具有高擴(kuò)散率和 高光能利用率的顯著優(yōu)點(diǎn)。實(shí)施例2.光擴(kuò)散材料的制作方法依照本發(fā)明提供的光擴(kuò)散材料的制作方法，可以包括如下步驟1)制備具有由兩種以上高透明度材料組成的兩層或兩層以上殼體的微小球體；2)將上述微小球體通過(guò)各種不同的方式混入到具有高透明度的基體材料中。制備微小球體可以采用現(xiàn)有的方法，例如以一種折射率較低的透明樹(shù)脂材料為球 核，在其外圍包覆一層折射率大于所述球核折射率的另一種透明樹(shù)脂材料，形成一球核加第一殼層的結(jié)構(gòu)。還可以在第一層殼外再包覆第二層殼層，而第二層殼層的折射率大于第 一殼層的折射率。以此方法可以制備多殼層結(jié)構(gòu)的微小球體。在將微小球體混入基體材料的方法上，也可以采用已知的現(xiàn)有方法。例如，將制備 好的微小球體按設(shè)計(jì)要求的比例加入到液態(tài)的樹(shù)脂材料中，通過(guò)機(jī)械攪拌或是超聲振蕩使 微小球體與液態(tài)樹(shù)脂材料充分混和。然后采用紫外固化和熱固化的方法，制得光擴(kuò)散材料。 光擴(kuò)散材料可根據(jù)不同的應(yīng)用，制成塊狀、板材、薄膜等形狀，還可以使用模具直接成型為 所需的各種形狀。除此以外，也可以在擠出成型或是注射成型的過(guò)程中將微小球體混入基 體材料中。在此給出的實(shí)施方式中，選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為基體材料，空心玻璃 (二氧化硅)微小球體作為光擴(kuò)散介質(zhì)。PMMA在可見(jiàn)光范圍的折射率為1.49，二氧化硅的 折射率為1.45，玻璃球殼內(nèi)氣體的折射率近似為1.0。首先將市售的純白空心玻璃微球過(guò) 篩，選取平均直徑在50微米的作為光擴(kuò)散粒子?？招牟Ａ⑶虻谋诤駷?-10微米不等。將 空心玻璃微球與粉末狀PMMA按體積比10 90的比例均勻混合，然后將PMMA加熱至熔融 態(tài)，并攪拌使空心玻璃微球均勻分布在PMMA中。采用上述成型方法，經(jīng)冷卻后可得到所需 形狀的光擴(kuò)散材料。上述過(guò)程中還可以根據(jù)需要適量加入其它功能的添加劑，如各種紫外線吸收劑、 抗氧化劑、著色劑、熒光漂白劑、抗靜電劑、耐熱劑、選擇波長(zhǎng)吸收劑等，以獲得具有各種功 能的光擴(kuò)散材料。由上述方法制作的光擴(kuò)散材料，不僅具有透光率高和光擴(kuò)散率高的優(yōu)點(diǎn)，而且還 可以消除材料內(nèi)部應(yīng)力，確保尺寸穩(wěn)定性，提高抗壓和抗沖擊性、改善耐火性和耐腐蝕性等 特點(diǎn)。實(shí)施例3.面發(fā)光裝置如附圖2所示，基板201選50mmX50mm厚度為3mm的鋁合金板，將其一表面拋光處 理后，用真空蒸鍍法再鍍一層純鋁膜，作為反光膜。為防止純鋁膜因氧化而減低反射率，在 純鋁膜上再鍍一層二氧化硅保護(hù)膜，由此構(gòu)成反射膜203。在基板201的中心安裝發(fā)光二極 管(LED)作為點(diǎn)光源202。在點(diǎn)光源202上方安裝50mmX50mm厚度為3mm的光擴(kuò)散板204。 光擴(kuò)散板204根據(jù)上述原理和方法制作，其中均勻分布有空心玻璃微球205。由光源202 發(fā)出的光線206在空心玻璃微球205的外表面和內(nèi)表面發(fā)生多次折射和全反射，部分光線 (208)到達(dá)反射膜203被其反射回光擴(kuò)散板204。由于反射膜203和光擴(kuò)散板204的共同 作用，光線會(huì)沿光擴(kuò)散板204的平面由中心向四周傳播，實(shí)現(xiàn)光擴(kuò)散功能。擴(kuò)散的光線207 由光擴(kuò)散板204的上表面出射。按本發(fā)明的思想，可以采用陣列分布的多個(gè)點(diǎn)光源或線光 源，實(shí)現(xiàn)大面積的均勻照明。本發(fā)明提出的一種面發(fā)光裝置具有光擴(kuò)散率高、總體光能利用率高、發(fā)光均勻和 厚度薄等特點(diǎn)，可用于普通LED照明和包括液晶顯示器在內(nèi)直下型背光照明。本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員都清楚，本發(fā)明的思想可采用上面列舉的具體實(shí)施方式
以 外的其它方式實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1. 一種高效光擴(kuò)散材料，其特征在于該材料包括具有高透明度的基體材料以及分布 在基體材料中的微小球體，所述的基體材料為玻璃或者有機(jī)樹(shù)脂材料，其折射率為nl，透明 度在80%以上；所述的微小球體為由兩種以上高透明度材料組成的具有兩層或兩層以上 殼體結(jié)構(gòu)的微小球體，球體的直徑為1微米至1000微米，球體各殼層的厚度是球體直徑的 1% _20%，由外層向內(nèi)層的折射率依次為n2，n3，...，nN，且滿足nl > n2 > n3 > ... > nN, N為小于等于5的自然數(shù)，使光束由基體材料入射至微小球體上時(shí)，能夠在基體材料與 微小球體的界面以及微小球體各層之間的界面發(fā)生全反射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效光擴(kuò)散材料，其特征在于基體材料與微小球體的界面， 以及微小球體各層之間的界面均為光滑表面。
3. —種權(quán)利要求1所述的高效光擴(kuò)散材料的制作方法，其特征在于該方法的制作過(guò)程 是采用高透明度玻璃或者有機(jī)樹(shù)脂材料作為基體材料，采用空心二氧化硅微小球體作為 光擴(kuò)散介質(zhì)，所述空心二氧化硅微球體是在基體材料聚合過(guò)程中混入，或是在紫外固化和 熱固化過(guò)程中混入，再或者是在擠壓成型或注射成型過(guò)程中以共混的形式加入，空心二氧 化硅微球體與基體材料的體積比在5/95至50/50之間。
4. 一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的高效光擴(kuò)散材料制作的面發(fā)光裝置，其特征在于該裝置 包括基板，基板的上表面設(shè)置有一層高反射率的反光膜，反光膜的上方為一個(gè)由權(quán)利要求1 所述的高效光擴(kuò)散材料構(gòu)成的光擴(kuò)散板，在基板上的反光膜與光擴(kuò)散板之間固定有至少一 個(gè)點(diǎn)光源或線光源。
全文摘要
一種高效光擴(kuò)散材料及其制作方法與應(yīng)用。本發(fā)明提供的高效光擴(kuò)散材料，包括具有高透明度的基體材料(折射率為n1，透明度在80％以上)以及分布在基體材料中的由兩種以上高透明度材料組成的具有兩層或兩層以上殼體結(jié)構(gòu)的微小球體，由外層向內(nèi)層的折射率依次為n2，n3，…，nN，且滿足n1＞n2＞n3＞…＞nN(N為小于等于5的自然數(shù))，使光束由基體材料入射至微小球體上時(shí)，能夠在基體材料與微小球體的界面以及微小球體各層之間的界面發(fā)生全反射，使原入射光的方向發(fā)生偏折，達(dá)到光擴(kuò)散的效果。其制作過(guò)程是，采用包覆方法制備兩層或兩層以上殼體的微小球體，將上述微小球體通過(guò)各種不同的方式混入到具有高透明度的基體材料中。
文檔編號(hào)F21V7/00GK102073077SQ20101050764
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者傅克龍, 尚貴恩, 李恩邦 申請(qǐng)人:華澳富通(天津)科技發(fā)展有限公司