专利名称：一种高效光扩散材料及其制作方法与应用的制作方法
一种高效光扩散材料及其制作方法与应用技术领域：
本发明属于材料和照明技术领域，涉及一种光扩散材料及其制作方 法与应用，特别是一种对入射光吸收少、扩散效率高的光扩散材料及其制作方法与应用。背景技术：
照明是人类生活中不可缺少的。对于多数情况的照明，都需要照明光 具有均勻的空间光强(或光亮度)分布。然而，几乎现在所有的光源都是以点发光(即点 光源)或线发光(即线光源)的方式工作的。例如，普通的日光灯管和冷阴极灯管(CCFL) 就属于典型的线光源，传统的白炽灯是以一段灯丝发光，在一定距离外可将其视为点光源。 最典型的点光源应该是目前正在快速发展的半导体发光二极管(LED)。单个LED管芯的尺 寸非常小，发光区域也很小，对于照明而言是真正的点光源。为实现均勻照明，就需要将点 光源或线光源发出的光变换成面发光。常用的方法就是在光源前加入具有光散射或光扩散 作用的材料，实现上述变换。例如在室内照明中，经常使用各种形式的灯罩，其目的就是将 灯泡或灯管发出的光变换成面发光，产生空间分布较为均勻的照明，消除眩光的感觉，使人 眼感觉柔和舒适。在采用LED为发光器件的照明中，光散射或光扩散材料的作用则显得更 加重要。已有实现光扩散的方法包括1)在透明材料的表面制作出规则或随机分布的光 学结构，如微透镜、微棱镜等。光线经过这些微结构时，在与空气的分界面处产生折射，入射 光的传播方向发生偏折，从而产生光扩散效应。该类方法的特点是光透过率较高，但是由于 只是界面的折射，所以光扩散效果不够理想。2)在透明材料中加入所谓的光扩散剂，制成光 散射或光扩散材料。光扩散剂实际上是具有一定大小分布的颗粒，其材料可以是无机的也 可以是有机的。常用的无机粒子有二氧化硅、氧化锌、二氧化钛、氧化锆、氧化铝、硫化锌、硫 酸钡，以及其混合物等。常用的有机颗粒包括苯乙烯类聚合物、丙烯酸类聚合物、硅氧烷类 聚合物等。光扩散剂颗粒通过各种方式加入到透明基材中，得到的光扩散材料一般可视为 体扩散材料，入射光可以在体扩散材料中被多次散射、反射和折射。无机光扩散剂粒子一般 具有不规则形状也不透明，它们对入射光的作用主要是散射。众所周知，光散射过程均伴随 着不同程度的光吸收，因此上述光线的变换都是以损失一定的光能量为代价的。有机光扩 散剂粒子可以具有规则形状(如球形或接近球形)，也不同程度透明。在这种情况下，光扩 散主要是以反射和折射的方式实现。表征光散射或光扩散材料性能的主要技术参数包括透光率和雾度。透光率表示光 扩散材料对入射光的总体利用率，而雾度则表示入射光偏离原入射方向的程度，故可以用 来表征光扩散材料对入射光引入的扩散程度。对于基于粒子散射的光扩散材料来讲，雾度 的增加必然要引起透光率的减小。实际上，人们日常生活中使用的灯罩其透光率均不是很 高，也就是说有相当一部分光能量被损失掉。因此，开发具有高透光率和高雾度的光扩散材 料对于有效利用光源的光能十分重要。除了普通照明之外，高效光扩散材料对于显示技术 的发展也至关重要。目前LCD显示器已在计算机显示、家用电视机以及大屏幕显示中得到 广泛应用。LCD显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是典型的点光源，要将其转换成照度均勻的面光源才能用于LCD背 光，而具有高雾度和高透光率的光扩散材料是实现上述转换的关键材料。
发明内容本发明目的是解决现有光扩散材料因利用散射、反射和折射改变光 线的传播方向而无法同时实现高透光率和高扩散率的问题，提供一种利用光的全反射而实 现光扩散的材料，从而达到减少对入射光的吸收，可同时达到高透光率和高光扩散率的目 的。
本发明的目的之二是，提供一种制作上述光扩散材料的方法。本发明的目的之三是，提供一种采用上述光扩散材料制作的面发光装置。本发明提供的高效光扩散材料，包括具有高透明度的基体材料以及分布在基体材 料中的微小球体，所述的基体材料为玻璃或者有机树脂材料，其折射率为nl，所述高透明度 是指透明度在80%以上；所述的微小球体为由两种以上高透明度材料组成的具有两层或 两层以上壳体结构的微小球体，球体的直径为1微米至1000微米，球体各壳层的厚度是球 体直径的_20%，由外层向内层的折射率依次为π2，π3，. . .，ηΝ，且满足nl > n2 > n3 > ...>nN, N为小于等于5的自然数，使光束由基体材料入射至微小球体上时，能够在基 体材料与微小球体的界面以及微小球体各层之间的界面发生全反射，使原入射光的方向发 生偏折，达到光扩散的效果。所述的基体材料与微小球体的界面、以及微小球体各层之间的 界面均为光滑表面。本发明提供的上述高效光扩散材料的制作方法的制作过程是采用高透明度玻璃 或者有机树脂材料作为基体材料，采用空心二氧化硅微小球体(由外层的二氧化硅和中间 的空气两种材料构成)作为光扩散介质，所述空心二氧化硅微球体是在基体材料聚合过程 中混入，或是在紫外固化和热固化过程中混入，再或者是在挤压成型或注射成型过程中以 共混的形式加入，空心二氧化硅微球体与基体材料的体积比在5/95至50/50之间。本发明同时提供了 一种应用上述高效光扩散材料制作的面发光装置，该装置包括 基板，基板的上表面设置有一层高反射率的反光膜，反光膜的上方为一个由上述的高效光 扩散材料构成的光扩散板，在基板上的反光膜与光扩散板之间固定有至少一个点光源或线 光源。由点光源或线光源发出的光在光扩散材料中的微小球体各层表面发生折射或全反 射，并沿扩散板平面进行扩散。由于光线在不同微小球体之间多次反射，有部分光将会向基 板的上表面的高反射膜传播，而被该反射膜反射回扩散板。因此由点光源或线光源发出的 光会在沿扩散板传播，而使其变换为面光源，并具有高的扩散率。与粒子散射不同，光在折 射或全反射过程中并不损失能量，所以本发明的面发光装置同时具有高的转换效率。本发明的优点和积极效果本发明提供的光扩散材料利用光的全反射而实现光的扩散，从而达到减少对入射 光的吸收，可同时达到高透光率和高光扩散率。该制作方法具有工艺简单，对设备要求低和易于推广等显著优点。该发光装置可以高转换效率将点光源(如LED)或线光源(如冷阴极灯管CCFL) 发出的光变换为面发光。
图1是含有微小球体的光扩散材料示意图。图2是面发光装置的结构示意图。图中，101为高透明度的基体材料；102为微小球体的内核与外壳的界面；103为微小球体的外壳与基体材料的界面；104为入射光线；105为由不同介质界面全反射的光线； 106为经多次全反射后的光线；201为基板；202为点光源或线光源；203为反射膜；204为扩 散板；205为光扩散材料中的微小球体；206为点光源或线光源发出的光线；207为面发光 装置发出的光线；208为经反射膜反射的光线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明涉及的光扩散材料及其制作方法与应用的原理和具体实 施方式作详细说明。实施例1 光扩散材料如图1所示的光扩散材料，由基体材料101和分布在其中的微小球体107构成。基 体材料101为透明度在80%以上的高透明材料，如玻璃或者是有机树脂材料。与玻璃材料 相比，有机树脂材料具有不易破碎，可加工性好，成型性优良，故优选作为本发明涉及的光 扩散材料的基体材料。可选用的有机树脂材料的种类有热塑性树脂、热固性树脂、紫外线固 化树脂等。具体的有机树脂材料有聚碳酸酯(PC)树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酯树 脂、聚苯乙烯树脂、环氧树脂、聚酰胺树脂等。基体材料101的折射率用nl表示。按照本发明的思想，微小球体107应为两层或两层以上壳体构成的球体(可以是 实心球体，也可以是空心球体即中间为空气)，由透明度在80%以上的高透明材料构成。由 外层壳体向内层壳体的折射率依次为n2，n3，. . .，nN，并满足nl > n2 > n3 > . . . > nN, N为小于等于5的自然数。附图1表示的是一种两层结构的球体的情况(也可以取3层、4 层或5层)。微小球体107可用一种折射率较小的材料作为球核，在其外部包敷一层或多层 折射率依此增大的高透明材料的方法制备。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在可见光范围的折射率为1. 49，以PMMA球形颗粒 为核，在其周围包敷一层折射率为1.51的聚乙烯树脂，即可形成本发明所要求的两层壳体 构成的球体。另一个例子是空心玻璃(二氧化硅)微球，其中的玻璃球壳的折射率为1. 45，玻璃 球壳内气体的折射率近似为1.0。如附图1所示，当入射光线由基体材料101入射至基体材 料101与微小球体107的界面103时，如果光线离球体中心线有一定距离，使入射角大于临 界角，光线在界面103发生全反射；当入射光靠近球体的中心线时，对于该界面其入射角较 小，光线将在该界面产生折射，而进入微小球体107的壳层，当到达界面102时，其入射角可 能大于临界角，而在界面102发生全反射。当有多个微小球体存在时，光线可能在不同球体 之间发生多次折射和全反射，使入射光产生充分的扩散。由于在扩散过程中只存在折射、反 射和全反射，所以扩散过程中光能几乎不损失。因此，本发明涉及扩散材料具有高扩散率和 高光能利用率的显著优点。实施例2.光扩散材料的制作方法依照本发明提供的光扩散材料的制作方法，可以包括如下步骤1)制备具有由两种以上高透明度材料组成的两层或两层以上壳体的微小球体；2)将上述微小球体通过各种不同的方式混入到具有高透明度的基体材料中。制备微小球体可以采用现有的方法，例如以一种折射率较低的透明树脂材料为球 核，在其外围包覆一层折射率大于所述球核折射率的另一种透明树脂材料，形成一球核加第一壳层的结构。还可以在第一层壳外再包覆第二层壳层，而第二层壳层的折射率大于第 一壳层的折射率。以此方法可以制备多壳层结构的微小球体。在将微小球体混入基体材料的方法上，也可以采用 已知的现有方法。例如，将制备 好的微小球体按设计要求的比例加入到液态的树脂材料中，通过机械搅拌或是超声振荡使 微小球体与液态树脂材料充分混和。然后采用紫外固化和热固化的方法，制得光扩散材料。 光扩散材料可根据不同的应用，制成块状、板材、薄膜等形状，还可以使用模具直接成型为 所需的各种形状。除此以外，也可以在挤出成型或是注射成型的过程中将微小球体混入基 体材料中。在此给出的实施方式中，选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为基体材料，空心玻璃 (二氧化硅)微小球体作为光扩散介质。PMMA在可见光范围的折射率为1.49，二氧化硅的 折射率为1.45，玻璃球壳内气体的折射率近似为1.0。首先将市售的纯白空心玻璃微球过 筛，选取平均直径在50微米的作为光扩散粒子。空心玻璃微球的壁厚为1-10微米不等。将 空心玻璃微球与粉末状PMMA按体积比10 90的比例均勻混合，然后将PMMA加热至熔融 态，并搅拌使空心玻璃微球均勻分布在PMMA中。采用上述成型方法，经冷却后可得到所需 形状的光扩散材料。上述过程中还可以根据需要适量加入其它功能的添加剂，如各种紫外线吸收剂、 抗氧化剂、着色剂、荧光漂白剂、抗静电剂、耐热剂、选择波长吸收剂等，以获得具有各种功 能的光扩散材料。由上述方法制作的光扩散材料，不仅具有透光率高和光扩散率高的优点，而且还 可以消除材料内部应力，确保尺寸稳定性，提高抗压和抗冲击性、改善耐火性和耐腐蚀性等 特点。实施例3.面发光装置如附图2所示，基板201选50mmX50mm厚度为3mm的铝合金板，将其一表面抛光处 理后，用真空蒸镀法再镀一层纯铝膜，作为反光膜。为防止纯铝膜因氧化而减低反射率，在 纯铝膜上再镀一层二氧化硅保护膜，由此构成反射膜203。在基板201的中心安装发光二极 管(LED)作为点光源202。在点光源202上方安装50mmX50mm厚度为3mm的光扩散板204。 光扩散板204根据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 发出的光线206在空心玻璃微球205的外表面和内表面发生多次折射和全反射，部分光线 (208)到达反射膜203被其反射回光扩散板204。由于反射膜203和光扩散板204的共同 作用，光线会沿光扩散板204的平面由中心向四周传播，实现光扩散功能。扩散的光线207 由光扩散板204的上表面出射。按本发明的思想，可以采用阵列分布的多个点光源或线光 源，实现大面积的均勻照明。本发明提出的一种面发光装置具有光扩散率高、总体光能利用率高、发光均勻和 厚度薄等特点，可用于普通LED照明和包括液晶显示器在内直下型背光照明。本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式
以 外的其它方式实现。
权利要求
一种高效光扩散材料，其特征在于该材料包括具有高透明度的基体材料以及分布在基体材料中的微小球体，所述的基体材料为玻璃或者有机树脂材料，其折射率为n1，透明度在80％以上；所述的微小球体为由两种以上高透明度材料组成的具有两层或两层以上壳体结构的微小球体，球体的直径为1微米至1000微米，球体各壳层的厚度是球体直径的1％-20％，由外层向内层的折射率依次为n2，n3，…，nN，且满足n1＞n2＞n3＞…＞nN，N为小于等于5的自然数，使光束由基体材料入射至微小球体上时，能够在基体材料与微小球体的界面以及微小球体各层之间的界面发生全反射。
2.根据权利要求1所述的高效光扩散材料，其特征在于基体材料与微小球体的界面， 以及微小球体各层之间的界面均为光滑表面。
3.—种权利要求1所述的高效光扩散材料的制作方法，其特征在于该方法的制作过程 是采用高透明度玻璃或者有机树脂材料作为基体材料，采用空心二氧化硅微小球体作为 光扩散介质，所述空心二氧化硅微球体是在基体材料聚合过程中混入，或是在紫外固化和 热固化过程中混入，再或者是在挤压成型或注射成型过程中以共混的形式加入，空心二氧 化硅微球体与基体材料的体积比在5/95至50/50之间。
4.一种应用权利要求1所述的高效光扩散材料制作的面发光装置，其特征在于该装置 包括基板，基板的上表面设置有一层高反射率的反光膜，反光膜的上方为一个由权利要求1 所述的高效光扩散材料构成的光扩散板，在基板上的反光膜与光扩散板之间固定有至少一 个点光源或线光源。
全文摘要
一种高效光扩散材料及其制作方法与应用。本发明提供的高效光扩散材料，包括具有高透明度的基体材料(折射率为n1，透明度在80％以上)以及分布在基体材料中的由两种以上高透明度材料组成的具有两层或两层以上壳体结构的微小球体，由外层向内层的折射率依次为n2，n3，…，nN，且满足n1＞n2＞n3＞…＞nN(N为小于等于5的自然数)，使光束由基体材料入射至微小球体上时，能够在基体材料与微小球体的界面以及微小球体各层之间的界面发生全反射，使原入射光的方向发生偏折，达到光扩散的效果。其制作过程是，采用包覆方法制备两层或两层以上壳体的微小球体，将上述微小球体通过各种不同的方式混入到具有高透明度的基体材料中。
文档编号F21V13/00GK101858570SQ20101017736
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年1月12日
发明者李恩邦 申请人:天津大学