張 欣，萬奕甫，劉凱妮，鄧小朋

(廣東工業(yè)大學，廣東廣州 510090)

基于加工工藝創(chuàng)新的復合導光板材料研究及應用

張 欣，萬奕甫，劉凱妮，鄧小朋

(廣東工業(yè)大學，廣東廣州 510090)

導光板在LED照明質量中起著重要的作用，為了促進導光板的發(fā)展，我們進行了一系列的復合導光板實驗。該實驗旨在獲得導光板、擴散板、反光板、熒光粉一體化的新型復合導光板。使用LED藍光芯片側面進光，激發(fā)復合導光板中的黃色銀光粉發(fā)射出的白光。實驗經(jīng)過對翻轉時間、熒光粉濃度、熱固溫度、加熱時間的變化來測試熒光粉在材料中分布的均勻度。結果顯示：4分鐘時進行翻轉、80 ℃熱固化、加熱1小時熒光粉的分布最均勻，光效最高。并把得到的復合導光板材料在LED平板燈中進行了設計應用。

復合導光板；光效；LED平板燈；導光板

引言

隨著近些年 LED 面光源的快速發(fā)展，LED 面光源側面發(fā)光逐步成為照明市場發(fā)展的主要趨勢,導光板性能對出光的均勻度、亮度、光效等性能起著十分重要的作用。

目前市面上最常見的LED白光實現(xiàn)方式為藍光芯片+熒光粉涂層+硅基板，但據(jù)現(xiàn)有LED藍光芯片與熒光粉熱作用實驗表明，LED藍光芯片與熒光粉涂層在工作時發(fā)生相互熱作用從而使熒光粉和熒光膠衰減嚴重，進而降低LED芯片壽命與光效。隨著熒光膠、熒光粉顆粒、硅膠的溫度從27 ℃升高到220 ℃，熒光膠、熒光粉受藍光LED的激發(fā)光功率呈現(xiàn)指數(shù)衰減趨勢，該趨勢是由于高溫下，熱激活能超過了熒光粉的激活能，導致 Ce3+發(fā)生了非輻射熱釋放，從而引起了光譜激發(fā)強度衰減。在該溫度的變化過程中，激發(fā)光譜的主波長隨著溫度的升高呈線性變化。

導光板(light guide plate)最初產(chǎn)生是用在LCD(液晶顯示器)上。導光板主要材料為亞克力(PMMA)化學名為甲基丙烯酸甲脂。透明亞克力板透光率高，擴沖擊能力強。導光板自產(chǎn)生以來，制造工藝也經(jīng)過了很長時間的演變。主要出現(xiàn)過的成型工藝有擠出成型、輥輪法、激光雕刻法、油墨絲印法、化學蝕刻法、納米加入法、直接注塑法、導光板與擴散板二合一。但是目前的導光板材料成型單一，整燈裝配時需要配合反光板、擴散板一起使用，由于裝配順序、材料的精度和工藝問題會影響使用的光效及出光效果。

這次研究的主要是一體化成型的新型復合導光板，使用 LED 藍光芯片側面進光激發(fā)復合導光板中的黃色熒光粉發(fā)射出白光，通過實驗研究得出新型復合導光板。并利用得到的復合導光板材料，使用隔離封裝方式制作的 LED 面光源吊燈設計。

1 導光板工藝研究現(xiàn)狀

20世紀90年代出現(xiàn)了輥輪法制造生產(chǎn)導光板[圖1(a)]，它的制造過程是導光板的主要材料亞克力(PMMA)的液態(tài)物從模具中擠出成型，然后將待熱壓導光板輸送至輥輪處，并將微結構熱壓于待壓導光板上形成轉印微結構。輥輪法是用物理的方法生成導光板的凹凸網(wǎng)點、出光率和均勻度較好，靈活性差，不能適應多種進光面和尺寸。

激光雕刻制作方法[圖1(b)]是用電腦按照程序要求嚴格地控制激光頭出射的能量和激光頭的位置，用氣化的方式在導光板的背面刻畫出具有一定尺寸的微結構陣列，此方法能夠很精確的控制散射結構的深度，但是效率很低，不便于批量生產(chǎn)。該方法制作的導光板對光的折射效果較好、亮度好，但是投資大，工藝較難掌握，生產(chǎn)效率低。雕刻后板材的強度遭到破壞，線槽或凹孔會儲藏灰塵。

20世紀90年代出現(xiàn)了油墨絲印法[圖1(c)]亞克力板完成外形加工后以死亡印刷的方式將導光點網(wǎng)印在表面。該網(wǎng)點的材料具有將光線折射、高反射的作用，分為IR和UV兩種。優(yōu)點具有將光線折射和高反射的雙重效果，亮度好，制作工藝簡單掌握，成本低、速度快。從小尺寸到大尺寸的導光板能夠靈活制作。缺點是光線的折射效果比非印刷式稍差，但它具有的高反射作用可彌補。

化學蝕刻法[圖1(d)]是根據(jù)背光源產(chǎn)品大小先將網(wǎng)點做成模具，利用模具和亞克力板結合通過化學方法對亞克力板進行腐蝕，使亞克力板生成網(wǎng)點。優(yōu)點是折射效果好亮度比較好。缺點是投入資金較大，生產(chǎn)工藝難度較高，不同產(chǎn)品的尺寸需要不同的模具，模具定型后不能修改網(wǎng)點的大小尺寸參數(shù)，開模必須一次成功，否則模具報廢生產(chǎn)工藝較難掌握，對大型的導光板制作比較困難。

納米加入法[圖1(e)]是一種物理法加化學法的方法，將具有折射和高反射的納米級道光材料粉末混合在PMMA膠粒中，將PMMA膠粒熱融化，利用準備好的模具進行澆注冷卻成型成為導光板。優(yōu)點是平面光均勻度較好，板材成型后不需要二次加工，工藝簡單；可以加工成任意形狀。應用在大尺寸燈具時均勻度較差，并且該方法生產(chǎn)的導光板沒有底面之分，光線是平均向兩面折射，雖然在其中一面貼上反光紙，但是亮度低、光線損失較大。另外投資大，工藝較難掌握。

直接注塑法[圖1(f)]又叫射出成型。是根據(jù)導光板產(chǎn)品大小厚度將網(wǎng)點設計在注塑模具上，將溶融的成形PMMA膠粒通過注塑機以高壓的方式填充到封閉的模具內(nèi)。導光板于光射出面形成該擴散點,對光的折射效果好、亮度好。模具成本低，開模短。但是投資大，不同產(chǎn)品需要不同模具。當光線從亞克力板側面射入，凹凸微孔將光線折射成平面光。

導光板與擴散板材料二合一[圖1(g)]是將導光板、擴散板分別通過注塑成型后，再將兩者通過熱壓為兩層的復合結構。優(yōu)點是實現(xiàn)了導光的模塊化設計，簡化加工工序，安裝方便，結構設計簡單。缺點是成本高，光學性能不如其他加工方式。

圖1 導光板成型方法Fig.1 Forming method of light guide plate

根據(jù)目前的導光板的成型工藝演變，我們構建了導光板進化技術趨勢的路線圖，如圖2所示。因此我們選擇制作一種新型復合導光板為研究方向。將LED芯片上的熒光粉提取出來與面板燈中的擴散板相結合，并與導光板復合形成一塊復合導光板，背面鍍以反光涂層，從而實現(xiàn)導光板、擴散板、反光板和熒光粉合一的復合材料。藍光芯片排列以側發(fā)光形式提供光源，藍光經(jīng)過導光板均勻出光并激光熒光層中的熒光粉顆粒發(fā)出黃光與藍光混合形成白光。

圖2 LED導光板進化樹Fig.2 Evolution of LED light guide plate

2 復合導光板制作實驗過程

2.1 探究熒光粉沉淀情況對熒光板光效的影響

采用真空鑄型機制作上述新型復合導光板(圖3)，將亞克力膠水與熒光粉混合注入硅膠模具中制作熒光層。首先對熒光粉顆粒在熒光層中的沉淀情況對發(fā)光效果的影響進行探究。

圖3 導光板復合材料結構圖Fig.3 Composite structure of light guide plate

制作工序如下：將亞克力膠水B膠水與熒光粉混合并攪拌，與A膠水以1∶1.5的比例在真空鑄型機中混合并注入硅膠模具中。注入完畢的硅膠模具需放入恒溫保溫箱進行保溫凝固。在保溫凝固過程中，為保證熒光粉顆粒在膠水中分布均勻，需在保溫一段時間后將模具進行翻轉繼續(xù)保溫。在保溫總時間一定的情況下，翻轉時間點的選擇將影響熒光粉顆粒的沉淀情況。在此前提下，制作不同翻轉時間點的熒光板樣品，并對這些樣品用光纖光譜儀進行測量，測量光線通過與吸收情況以判斷光效情況。對實驗現(xiàn)象與樣品特征進行記錄，結合測量結果進行判斷。并以樣品切片掃描手法輔證實驗結果。

在熒光粉濃度一定下，制作翻轉時間為2 min，3 min，4 min，5 min，6 min，7 min，8 min，20 min，40 min，不翻轉的熒光板樣品，進行測量得到圖4的測量結果，將測量結果與翻轉時間相聯(lián)系得到曲線圖(圖5)。

根據(jù)實驗結果，隨著翻轉時間的改變，在前4分鐘時，隨著翻轉時間的增加，樣品的光效增加，在4分鐘達到最佳，隨后隨著翻轉時間的增加光效降低，在翻轉時間為10分鐘時樣品的光效最差，在10分鐘后樣品光效逐漸變好并漸趨向于穩(wěn)定。

得出最佳翻轉時間為4分鐘，在4分鐘時翻轉的樣品熒光粉顆粒分布最為均勻，光效最佳。

圖4 不同翻轉時間樣品光纖光譜儀測量曲線Fig.4 Measurement curve of fiber spectrometer with different flipping time

圖5 不同翻轉時間樣品透光數(shù)值曲線圖Fig.5 Translucent numerical curve of samples with different turnover time

2.2 探究不同熒光粉濃度與不同成分對熒光板光效的影響

制作其它條件相同，不同熒光粉濃度的熒光板樣品，及其它條件相同，在黃色熒光粉中混入一定比例的紅熒光粉，總熒光粉濃度不同的熒光板樣品，使用光線光譜儀進行測量，得到熒光板的光線吸收光譜，以推測熒光板的光效(圖6)。根據(jù)測量結果,得到以下結論：不同熒光粉濃度樣品,光纖光譜儀測量曲線起伏一致,說明光線吸收與反射一致,濃度越高吸收峰越低，光效越好。

混入一定比例紅色熒光粉的樣品測量結果與純黃色熒光粉樣品組趨勢一致(圖7)，濃度越高吸收峰越低光效越好，對比黃色熒光粉組混合組多一個吸收峰，但由于混入比例較小故另一吸收峰不明顯。只加入黃色熒光粉組與混入紅色熒光粉組對比，同一濃度下，混入紅色熒光粉組吸收峰更低，光效更好。

圖6 不同熒光粉濃度樣品光纖光譜儀測量曲線圖Fig.6 Measurement curve of fiber spectrometer with different concentration of phosphor

圖7 不同熒光粉總濃度樣品光纖光譜儀測量曲線圖(固定紅色熒光粉比例)Fig.7 Measurement curve of fiber spectrometer with different total concentration of phosphor

2.3 探究熒光粉濃度、各層厚度、光源位置等因素對復合板發(fā)光效果的影響

制作新型三合一復合板樣品，制作過程如下：選取導光板，裁成樣品模具合適大小，在貼合面進行防粘連處理，將導光板置入硅膠模具，使用真空注型機，在導光板上進行熒光板的注入成型，步驟可參考2.1小節(jié)中的實驗步驟，待完全冷卻成型后在背面鍍反光膜，新型復合導光板成型。

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，熒光層熒光粉濃度、導光板厚度與光源的位置都將影響復合板的發(fā)光效果。

首先測試不同熒光粉濃度對發(fā)光效果的影響，在選用導光板一致的前提下，制作熒光板濃度為1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%，9%，10%的三合一復合導光板樣品，將樣品置入現(xiàn)有燈具中進行測試，觀察出光效果，測試結果顯示，在低熒光粉濃度的復合板中，藍光可轉換為白光，但所出光中所含藍光成分明顯，推測為熒光粉不足導致。隨著熒光粉濃度的增加，樣品所出光藍光成分逐漸降低，降低較為緩慢。到達一定濃度后，熒光粉濃度富余，復合板樣品出光偏黃光。故應選取一個合適濃度，使出光盡可能達到標準光色。

測試過程中發(fā)現(xiàn)，LED藍光燈帶與熒光板距離，導光板厚度均會影響出光效果。由于實驗條件限制，LED藍光芯片選用普通藍光芯片，未對芯片進行表面透鏡處理使藍光完全直射到達導光板，有部分藍光上下散射到達熒光粉處使出光面光色無法完全均勻。在此條件下，我們試圖調(diào)整導光板厚度，將導光板厚度從3 mm換為4 mm，并使燈帶向導光板處偏移，使燈帶盡可能遠離熒光層，該不均勻現(xiàn)象得到緩解。

在理想實驗條件下，應對LED藍光芯片表面進行透鏡處理，使藍光可完全直射到達導光板處而無過多上下散射。在此條件下，導光板與熒光板厚度都可調(diào)整為相對更薄的厚度而保證出光效果。

在現(xiàn)有實驗條件情況下，我們綜合熒光板熒光粉濃度、燈帶位置、導光板厚度等三重因素的實驗測試，多次測試并進行平衡，得出最佳出光效果配置的復合板樣品。通過光譜儀對復合導光板進行測試，得到它的光效、顯色性、色溫值的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)其光效有明顯的提高(圖8)。

圖8 新型復合導光板光譜數(shù)據(jù)圖Fig.8 Spectral data of the new compusite light guide plate

在最終成品(圖9)中，為提高燈具的顯色性，我們選用了橙黃粉作為最后成品中熒光層成分，出光色溫相對較高。

圖9 復合導光板樣品測試Fig.9 Test of composite light guide plate sample

3 平板燈中復合導光板設計應用

3.1 LED平板燈——EVI系列燈具

EVI系列燈具(圖10)的設計基于新型三合一復合導光板的研發(fā)，目的在于將復合導光板進行實際運用，體現(xiàn)材料特性。新型復合導光板材料創(chuàng)新點在于將面板燈中LED燈中熒光粉分離置于擴散板中，并將導光板、擴散板與反光層分層合而為一，具有出光均勻，光效好，降低材料整體厚度，延長使用壽命等優(yōu)點。

圖10 EVI系列燈具Fig.10 EVI series lamps

基于出光均勻、光效好的材料優(yōu)點，燈具使用定位于需要均勻、高光效燈光的工作臺、書桌等場所，以及需要均勻、無眩光燈光并有一定閱讀需求的臥室床邊，衍生出了大吊燈、小型吊燈及小型壁燈的產(chǎn)品組合。

為展現(xiàn)復合導光板輕薄的優(yōu)勢，設計汲取了生活中書頁、紙片、葉片等形態(tài)靈感，并將復合導光板的平面與有機曲面進行結合，力圖將燈具做得盡可能薄，并給人靈動的曲面觀感，打破了現(xiàn)有常見面板燈規(guī)整平面的單一刻板印象。產(chǎn)品外觀曲線與邊緣經(jīng)過反復調(diào)整，既保證了產(chǎn)品邊緣的安全性，又保證了產(chǎn)品外觀的靈動感。這款吊燈就是以紙片為靈感，兩邊微微翹起，表達材料的輕薄特性，并增加空間靈動感。

使用上，小型吊燈與小型壁燈既可單獨使用，又可多個單品組合使用，使用者可根據(jù)自己的喜好與使用面積進行組合搭配，應用廣泛，且在組合使用時更具有韻律感。在結構實現(xiàn)上，復合導光板與外殼以槽位相接的方式進行固定，保證發(fā)光面與外殼面之間平整與盡可能小的接縫，使產(chǎn)品外觀盡可能簡潔。曲面外殼采用質輕的鋁材一次成型并進行噴涂，外殼面邊緣由厚到薄漸變，在視覺上更給人輕薄感。

整體而言，EVI系列燈具充分展現(xiàn)了復合導光板的均勻發(fā)光、高光效及輕薄的優(yōu)點，并提出了輕薄有機曲面的創(chuàng)新外觀解決方案。

3.2 LED平板燈——Galaxy系列燈具

Galaxy系列的燈具(圖11)采用了新設計的三合一復合導光板材料，具有發(fā)光均勻、輕薄的優(yōu)點,在OLED尚無法普及與市場化的情況下,具有較大發(fā)展空間。設計應體現(xiàn)面板燈相較 LED 點光源的優(yōu)點。從而根據(jù)用戶的需求點,市場的需求,結合新型復合導 光板一體化,設計出一款出光效率高,均勻度好的面光源家居吊燈。

Galaxy系列的燈具的設計靈感來自行星在空中運轉、動態(tài)的起伏，造就了一個美觀的造型，結合了明確的設計語言、創(chuàng)新的LED面光源技術，使燈看起來更加細膩而不失重，營造了一個令人印象深刻的美學氛圍。在使用方面，這個系列的燈具可隨意調(diào)節(jié)造型，調(diào)整到比較滿意的方向，以達到最佳的照明效果，同時增加使用者與產(chǎn)品之間的互動，增加生活情趣感。

圖11 Galaxy系列燈具Fig.11 Galaxy series lamps

Galaxy餐吊燈有三塊發(fā)光面,中間的小圓發(fā)光面都可以隨意調(diào)節(jié)角度,調(diào)節(jié)到使用最佳狀態(tài)。設計中利用轉軸結構和面的可旋轉設計隨意調(diào)整光線的角度。利用部分和整體的分離調(diào)節(jié)燈光，更增加了使用過程中的互動性。通過手動控制調(diào)節(jié)出光量和光的方向。外殼主要是以金屬鋁為主,使用金屬拉絲包邊;發(fā)光面主要是新型復合導光板,呈黃色,與黑色金屬鋁的搭配達到一種很新穎的視覺效果。

4 結語

導光板通過大小不一的光點使光線均勻柔和，提高出光效果，在LED照明產(chǎn)品中處于核心位置。我們研究的導光板的制作過程，通過多次試驗，得出熒光粉與導光板結合的具體參數(shù)，通過對參數(shù)的研究與優(yōu)化最終得到熒光粉顆粒分布最為均勻，光效最佳的樣品。同時探究了不同熒光粉濃度、各層厚度、光源位置和不同的成分對復合板發(fā)光效果的影響，得到了最佳出光效果配置的復合板樣品并成功制作了優(yōu)質的燈具產(chǎn)品。

[1] 王能獲，趙韋人，陳均華，等.一種新型LED平面光源的研究[J].廣東工業(yè)大學學報，2017，34(1)：0323002.

[2] 殷錄橋，翁菲，宋朋，等.LED芯片與YAG熒光粉的相互熱作用[J].光學學報，2014，34(3)：0323002.

[3] 呂植成.基于硅基板的大功率LED封裝研究[D].武漢：華中科技大學，2013.

[4] 祁姝琪.LED芯片的COB封裝技術[D].杭州：杭州電子科技大學，2012.

[5] 劉宗源.大功率LED封裝設計與制造的關鍵問題研究[D].武漢：華中科技大學，2010.

[6] 王宏.LED多芯片快速封裝工藝與工裝設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011.

[7] 蘇永道，吉愛華，趙超.LED封裝技術[M].上海：上海交通大學出版社，2010.

[8] QITU Z，LE Z，PENGDE H，et al.Light converting inorganic phosphors for white light-emitting diodes[J].Progress in Chemistry，2011，23(6)：1108-1122.

[9] ZHANG J C，LONG Y Z，ZHANG H D，et al.Eu2+/Eu3+emission-ratio-tunable CaZr(PO4)2：Eu phosphors synthesized in air atmosphere for potential white light-emitting deep UV LEDs[J].Journal of Materials Chemistry C，2014，2(2)：312-318.

[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.

廣東省科技計劃項目(項目編號:2013B061000008)

TM923

A

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