基于加工工艺创新的复合导光板材料研究及应用

张 欣，万奕甫，刘凯妮，邓小朋

(广东工业大学，广东广州 510090)

基于加工工艺创新的复合导光板材料研究及应用

张 欣，万奕甫，刘凯妮，邓小朋

(广东工业大学，广东广州 510090)

导光板在LED照明质量中起着重要的作用，为了促进导光板的发展，我们进行了一系列的复合导光板实验。该实验旨在获得导光板、扩散板、反光板、荧光粉一体化的新型复合导光板。使用LED蓝光芯片侧面进光，激发复合导光板中的黄色银光粉发射出的白光。实验经过对翻转时间、荧光粉浓度、热固温度、加热时间的变化来测试荧光粉在材料中分布的均匀度。结果显示：4分钟时进行翻转、80 ℃热固化、加热1小时荧光粉的分布最均匀，光效最高。并把得到的复合导光板材料在LED平板灯中进行了设计应用。

复合导光板；光效；LED平板灯；导光板

引言

随着近些年 LED 面光源的快速发展，LED 面光源侧面发光逐步成为照明市场发展的主要趋势,导光板性能对出光的均匀度、亮度、光效等性能起着十分重要的作用。

目前市面上最常见的LED白光实现方式为蓝光芯片+荧光粉涂层+硅基板，但据现有LED蓝光芯片与荧光粉热作用实验表明，LED蓝光芯片与荧光粉涂层在工作时发生相互热作用从而使荧光粉和荧光胶衰减严重，进而降低LED芯片寿命与光效。随着荧光胶、荧光粉颗粒、硅胶的温度从27 ℃升高到220 ℃，荧光胶、荧光粉受蓝光LED的激发光功率呈现指数衰减趋势，该趋势是由于高温下，热激活能超过了荧光粉的激活能，导致 Ce3+发生了非辐射热释放，从而引起了光谱激发强度衰减。在该温度的变化过程中，激发光谱的主波长随着温度的升高呈线性变化。

导光板(light guide plate)最初产生是用在LCD(液晶显示器)上。导光板主要材料为亚克力(PMMA)化学名为甲基丙烯酸甲脂。透明亚克力板透光率高，扩冲击能力强。导光板自产生以来，制造工艺也经过了很长时间的演变。主要出现过的成型工艺有挤出成型、辊轮法、激光雕刻法、油墨丝印法、化学蚀刻法、纳米加入法、直接注塑法、导光板与扩散板二合一。但是目前的导光板材料成型单一，整灯装配时需要配合反光板、扩散板一起使用，由于装配顺序、材料的精度和工艺问题会影响使用的光效及出光效果。

这次研究的主要是一体化成型的新型复合导光板，使用 LED 蓝光芯片侧面进光激发复合导光板中的黄色荧光粉发射出白光，通过实验研究得出新型复合导光板。并利用得到的复合导光板材料，使用隔离封装方式制作的 LED 面光源吊灯设计。

1 导光板工艺研究现状

20世纪90年代出现了辊轮法制造生产导光板[图1(a)]，它的制造过程是导光板的主要材料亚克力(PMMA)的液态物从模具中挤出成型，然后将待热压导光板输送至辊轮处，并将微结构热压于待压导光板上形成转印微结构。辊轮法是用物理的方法生成导光板的凹凸网点、出光率和均匀度较好，灵活性差，不能适应多种进光面和尺寸。

激光雕刻制作方法[图1(b)]是用电脑按照程序要求严格地控制激光头出射的能量和激光头的位置，用气化的方式在导光板的背面刻画出具有一定尺寸的微结构阵列，此方法能够很精确的控制散射结构的深度，但是效率很低，不便于批量生产。该方法制作的导光板对光的折射效果较好、亮度好，但是投资大，工艺较难掌握，生产效率低。雕刻后板材的强度遭到破坏，线槽或凹孔会储藏灰尘。

20世纪90年代出现了油墨丝印法[图1(c)]亚克力板完成外形加工后以死亡印刷的方式将导光点网印在表面。该网点的材料具有将光线折射、高反射的作用，分为IR和UV两种。优点具有将光线折射和高反射的双重效果，亮度好，制作工艺简单掌握，成本低、速度快。从小尺寸到大尺寸的导光板能够灵活制作。缺点是光线的折射效果比非印刷式稍差，但它具有的高反射作用可弥补。

化学蚀刻法[图1(d)]是根据背光源产品大小先将网点做成模具，利用模具和亚克力板结合通过化学方法对亚克力板进行腐蚀，使亚克力板生成网点。优点是折射效果好亮度比较好。缺点是投入资金较大，生产工艺难度较高，不同产品的尺寸需要不同的模具，模具定型后不能修改网点的大小尺寸参数，开模必须一次成功，否则模具报废生产工艺较难掌握，对大型的导光板制作比较困难。

纳米加入法[图1(e)]是一种物理法加化学法的方法，将具有折射和高反射的纳米级道光材料粉末混合在PMMA胶粒中，将PMMA胶粒热融化，利用准备好的模具进行浇注冷却成型成为导光板。优点是平面光均匀度较好，板材成型后不需要二次加工，工艺简单；可以加工成任意形状。应用在大尺寸灯具时均匀度较差，并且该方法生产的导光板没有底面之分，光线是平均向两面折射，虽然在其中一面贴上反光纸，但是亮度低、光线损失较大。另外投资大，工艺较难掌握。

直接注塑法[图1(f)]又叫射出成型。是根据导光板产品大小厚度将网点设计在注塑模具上，将溶融的成形PMMA胶粒通过注塑机以高压的方式填充到封闭的模具内。导光板于光射出面形成该扩散点,对光的折射效果好、亮度好。模具成本低，开模短。但是投资大，不同产品需要不同模具。当光线从亚克力板侧面射入，凹凸微孔将光线折射成平面光。

导光板与扩散板材料二合一[图1(g)]是将导光板、扩散板分别通过注塑成型后，再将两者通过热压为两层的复合结构。优点是实现了导光的模块化设计，简化加工工序，安装方便，结构设计简单。缺点是成本高，光学性能不如其他加工方式。

图1 导光板成型方法Fig.1 Forming method of light guide plate

根据目前的导光板的成型工艺演变，我们构建了导光板进化技术趋势的路线图，如图2所示。因此我们选择制作一种新型复合导光板为研究方向。将LED芯片上的荧光粉提取出来与面板灯中的扩散板相结合，并与导光板复合形成一块复合导光板，背面镀以反光涂层，从而实现导光板、扩散板、反光板和荧光粉合一的复合材料。蓝光芯片排列以侧发光形式提供光源，蓝光经过导光板均匀出光并激光荧光层中的荧光粉颗粒发出黄光与蓝光混合形成白光。

图2 LED导光板进化树Fig.2 Evolution of LED light guide plate

2 复合导光板制作实验过程

2.1 探究荧光粉沉淀情况对荧光板光效的影响

采用真空铸型机制作上述新型复合导光板(图3)，将亚克力胶水与荧光粉混合注入硅胶模具中制作荧光层。首先对荧光粉颗粒在荧光层中的沉淀情况对发光效果的影响进行探究。

图3 导光板复合材料结构图Fig.3 Composite structure of light guide plate

制作工序如下：将亚克力胶水B胶水与荧光粉混合并搅拌，与A胶水以1∶1.5的比例在真空铸型机中混合并注入硅胶模具中。注入完毕的硅胶模具需放入恒温保温箱进行保温凝固。在保温凝固过程中，为保证荧光粉颗粒在胶水中分布均匀，需在保温一段时间后将模具进行翻转继续保温。在保温总时间一定的情况下，翻转时间点的选择将影响荧光粉颗粒的沉淀情况。在此前提下，制作不同翻转时间点的荧光板样品，并对这些样品用光纤光谱仪进行测量，测量光线通过与吸收情况以判断光效情况。对实验现象与样品特征进行记录，结合测量结果进行判断。并以样品切片扫描手法辅证实验结果。

在荧光粉浓度一定下，制作翻转时间为2 min，3 min，4 min，5 min，6 min，7 min，8 min，20 min，40 min，不翻转的荧光板样品，进行测量得到图4的测量结果，将测量结果与翻转时间相联系得到曲线图(图5)。

根据实验结果，随着翻转时间的改变，在前4分钟时，随着翻转时间的增加，样品的光效增加，在4分钟达到最佳，随后随着翻转时间的增加光效降低，在翻转时间为10分钟时样品的光效最差，在10分钟后样品光效逐渐变好并渐趋向于稳定。

得出最佳翻转时间为4分钟，在4分钟时翻转的样品荧光粉颗粒分布最为均匀，光效最佳。

图4 不同翻转时间样品光纤光谱仪测量曲线Fig.4 Measurement curve of fiber spectrometer with different flipping time

图5 不同翻转时间样品透光数值曲线图Fig.5 Translucent numerical curve of samples with different turnover time

2.2 探究不同荧光粉浓度与不同成分对荧光板光效的影响

制作其它条件相同，不同荧光粉浓度的荧光板样品，及其它条件相同，在黄色荧光粉中混入一定比例的红荧光粉，总荧光粉浓度不同的荧光板样品，使用光线光谱仪进行测量，得到荧光板的光线吸收光谱，以推测荧光板的光效(图6)。根据测量结果,得到以下结论：不同荧光粉浓度样品,光纤光谱仪测量曲线起伏一致,说明光线吸收与反射一致,浓度越高吸收峰越低，光效越好。

混入一定比例红色荧光粉的样品测量结果与纯黄色荧光粉样品组趋势一致(图7)，浓度越高吸收峰越低光效越好，对比黄色荧光粉组混合组多一个吸收峰，但由于混入比例较小故另一吸收峰不明显。只加入黄色荧光粉组与混入红色荧光粉组对比，同一浓度下，混入红色荧光粉组吸收峰更低，光效更好。

图6 不同荧光粉浓度样品光纤光谱仪测量曲线图Fig.6 Measurement curve of fiber spectrometer with different concentration of phosphor

图7 不同荧光粉总浓度样品光纤光谱仪测量曲线图(固定红色荧光粉比例)Fig.7 Measurement curve of fiber spectrometer with different total concentration of phosphor

2.3 探究荧光粉浓度、各层厚度、光源位置等因素对复合板发光效果的影响

制作新型三合一复合板样品，制作过程如下：选取导光板，裁成样品模具合适大小，在贴合面进行防粘连处理，将导光板置入硅胶模具，使用真空注型机，在导光板上进行荧光板的注入成型，步骤可参考2.1小节中的实验步骤，待完全冷却成型后在背面镀反光膜，新型复合导光板成型。

在实验过程中发现，荧光层荧光粉浓度、导光板厚度与光源的位置都将影响复合板的发光效果。

首先测试不同荧光粉浓度对发光效果的影响，在选用导光板一致的前提下，制作荧光板浓度为1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%，9%，10%的三合一复合导光板样品，将样品置入现有灯具中进行测试，观察出光效果，测试结果显示，在低荧光粉浓度的复合板中，蓝光可转换为白光，但所出光中所含蓝光成分明显，推测为荧光粉不足导致。随着荧光粉浓度的增加，样品所出光蓝光成分逐渐降低，降低较为缓慢。到达一定浓度后，荧光粉浓度富余，复合板样品出光偏黄光。故应选取一个合适浓度，使出光尽可能达到标准光色。

测试过程中发现，LED蓝光灯带与荧光板距离，导光板厚度均会影响出光效果。由于实验条件限制，LED蓝光芯片选用普通蓝光芯片，未对芯片进行表面透镜处理使蓝光完全直射到达导光板，有部分蓝光上下散射到达荧光粉处使出光面光色无法完全均匀。在此条件下，我们试图调整导光板厚度，将导光板厚度从3 mm换为4 mm，并使灯带向导光板处偏移，使灯带尽可能远离荧光层，该不均匀现象得到缓解。

在理想实验条件下，应对LED蓝光芯片表面进行透镜处理，使蓝光可完全直射到达导光板处而无过多上下散射。在此条件下，导光板与荧光板厚度都可调整为相对更薄的厚度而保证出光效果。

在现有实验条件情况下，我们综合荧光板荧光粉浓度、灯带位置、导光板厚度等三重因素的实验测试，多次测试并进行平衡，得出最佳出光效果配置的复合板样品。通过光谱仪对复合导光板进行测试，得到它的光效、显色性、色温值的数据，我们发现其光效有明显的提高(图8)。

图8 新型复合导光板光谱数据图Fig.8 Spectral data of the new compusite light guide plate

在最终成品(图9)中，为提高灯具的显色性，我们选用了橙黄粉作为最后成品中荧光层成分，出光色温相对较高。

图9 复合导光板样品测试Fig.9 Test of composite light guide plate sample

3 平板灯中复合导光板设计应用

3.1 LED平板灯——EVI系列灯具

EVI系列灯具(图10)的设计基于新型三合一复合导光板的研发，目的在于将复合导光板进行实际运用，体现材料特性。新型复合导光板材料创新点在于将面板灯中LED灯中荧光粉分离置于扩散板中，并将导光板、扩散板与反光层分层合而为一，具有出光均匀，光效好，降低材料整体厚度，延长使用寿命等优点。

图10 EVI系列灯具Fig.10 EVI series lamps

基于出光均匀、光效好的材料优点，灯具使用定位于需要均匀、高光效灯光的工作台、书桌等场所，以及需要均匀、无眩光灯光并有一定阅读需求的卧室床边，衍生出了大吊灯、小型吊灯及小型壁灯的产品组合。

为展现复合导光板轻薄的优势，设计汲取了生活中书页、纸片、叶片等形态灵感，并将复合导光板的平面与有机曲面进行结合，力图将灯具做得尽可能薄，并给人灵动的曲面观感，打破了现有常见面板灯规整平面的单一刻板印象。产品外观曲线与边缘经过反复调整，既保证了产品边缘的安全性，又保证了产品外观的灵动感。这款吊灯就是以纸片为灵感，两边微微翘起，表达材料的轻薄特性，并增加空间灵动感。

使用上，小型吊灯与小型壁灯既可单独使用，又可多个单品组合使用，使用者可根据自己的喜好与使用面积进行组合搭配，应用广泛，且在组合使用时更具有韵律感。在结构实现上，复合导光板与外壳以槽位相接的方式进行固定，保证发光面与外壳面之间平整与尽可能小的接缝，使产品外观尽可能简洁。曲面外壳采用质轻的铝材一次成型并进行喷涂，外壳面边缘由厚到薄渐变，在视觉上更给人轻薄感。

整体而言，EVI系列灯具充分展现了复合导光板的均匀发光、高光效及轻薄的优点，并提出了轻薄有机曲面的创新外观解决方案。

3.2 LED平板灯——Galaxy系列灯具

Galaxy系列的灯具(图11)采用了新设计的三合一复合导光板材料，具有发光均匀、轻薄的优点,在OLED尚无法普及与市场化的情况下,具有较大发展空间。设计应体现面板灯相较 LED 点光源的优点。从而根据用户的需求点,市场的需求,结合新型复合导 光板一体化,设计出一款出光效率高,均匀度好的面光源家居吊灯。

Galaxy系列的灯具的设计灵感来自行星在空中运转、动态的起伏，造就了一个美观的造型，结合了明确的设计语言、创新的LED面光源技术，使灯看起来更加细腻而不失重，营造了一个令人印象深刻的美学氛围。在使用方面，这个系列的灯具可随意调节造型，调整到比较满意的方向，以达到最佳的照明效果，同时增加使用者与产品之间的互动，增加生活情趣感。

图11 Galaxy系列灯具Fig.11 Galaxy series lamps

Galaxy餐吊灯有三块发光面,中间的小圆发光面都可以随意调节角度,调节到使用最佳状态。设计中利用转轴结构和面的可旋转设计随意调整光线的角度。利用部分和整体的分离调节灯光，更增加了使用过程中的互动性。通过手动控制调节出光量和光的方向。外壳主要是以金属铝为主,使用金属拉丝包边;发光面主要是新型复合导光板,呈黄色,与黑色金属铝的搭配达到一种很新颖的视觉效果。

4 结语

导光板通过大小不一的光点使光线均匀柔和，提高出光效果，在LED照明产品中处于核心位置。我们研究的导光板的制作过程，通过多次试验，得出荧光粉与导光板结合的具体参数，通过对参数的研究与优化最终得到荧光粉颗粒分布最为均匀，光效最佳的样品。同时探究了不同荧光粉浓度、各层厚度、光源位置和不同的成分对复合板发光效果的影响，得到了最佳出光效果配置的复合板样品并成功制作了优质的灯具产品。

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[10] http://www.sipo.gov.cn/sipo/.

ResearchandApplicationofCompositeLightGuidePlateBasedonInnovationofProcessingTechnology

ZHANG Xin，WAN Yifu，LIU Kaini，DENG Xiaopeng
(GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou510090，China)

Light guide plate in the LED lighting quality plays an important role. In order to promote the development of light guide plate, we carried out a series of composite light guide plate experiment. The experiment aims to obtain a new composite light guide plate integrated with a light guide plate, a diffusion plate, a reflector, and a phosphor. LED blue chip is used with light entering from the side to stimulate the yellow silver powder in the composite light guide plate to emit white light . The uniformity of the distribution of the phosphor in the material was tested by changing the flipping time, the phosphor concentration, the thermosetting temperature and the heating time. The results show that flipping after 4 minutes, with 80 degrees heat curing, and heating 1 hour will bring the most uniform distribution of phosphor and the highest luminous efficiency. The composite light guide plate material was then applied in the LED plate lights design.

composite light guide plate；luminous efficiency；LED flat light；light guide plate.

广东省科技计划项目(项目编号:2013B061000008)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.019