CN104603646A - 用于led灯罩应用的板 - Google Patents

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阿德尔·法齐·巴斯塔罗斯
陈哲
孙亚峰
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Abstract

本文公开了板，其包括聚合材料；布置在所述聚合材料中的光散射颗粒；在所述板表面上的非无序的表面纹理；其中，所述表面纹理包括半球形结构、部分半球形结构、椭圆球形结构、浸渍球形珠粒、椭圆球形珠粒、“钟形”突起、复合透镜形结构、金字塔形结构、倒金字塔形结构，或包括上述至少一种的组合。所述板同时具有优异的遮盖力和透光性并适合于LED灯罩应用。所述单元结构具有0.15至0.5的长宽比和大于或等于100μm的间距。

Description

用于LED灯罩应用的板
技术领域
本公开总体上涉及聚合板(薄板，sheet)，更具体地，涉及用于发光二极管(LED)灯罩应用的聚合薄板。
背景技术
对于用于LED灯罩应用的薄板的光学性能，遮盖力和透光性是两个重要参数。虽然薄板中的光散射颗粒(散射体)可以在一定程度上改善遮盖力，但是该改善是有限的，通常以透光性为代价。特别地，为了实现合理的遮盖力性能，需要一定量的散射体加载(diffuser loading)。随着薄板厚度减少，为了达到期望的遮盖力所需的散射体加载量增加。对于具有小于0.5mm厚度的薄板，对于硅酮类散射体，所需的散射体加载量可以达到高达0.5wt％(与0.5wt％一样高)，而对于聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)类的散射体，所需的散射体加载量可以达到高达1wt％(与1wt％一样高)，这使它难以经济地获得平衡的遮盖力和光传输。
因此，在本领域中对于改进的聚合薄板，存在连续的需求，特别是具有良好遮盖力和透光性的薄聚合薄板，其适合于LED灯罩应用。
发明内容
本文公开了薄板，其包括聚合材料；布置在聚合材料中的光散射颗粒；以及在薄板表面上由单元结构形成的非无序表面纹理；其中，表面纹理包括半球形结构、部分半球形结构、椭圆球形结构、浸渍球形珠粒、椭圆球形珠粒、“钟形”突起、复合透镜形结构、金字塔形结构、倒金字塔形结构，或包括上述至少一种的组合。单元结构可以具有0.15至0.5的长宽比和大于或等于100μm的间距。
此外公开了LED照明系统，其包括LED光源；邻近LED光源的LED灯罩；其中，LED灯罩包括薄板，其包括聚合材料；布置在聚合材料中的光散射颗粒；在薄板表面上由单元结构形成的非无序表面纹理；其中，表面纹理包括半球形结构、部分半球形结构、椭圆球形结构、浸渍球形珠粒、椭圆球形珠粒、“钟形”突起、复合透镜形结构、金字塔形结构、倒金字塔形结构，或包括上述至少一种的组合。单元结构可以具有0.15至0.5的长宽比和大于或等于100μm的间距。
通过以下附图和具体实施方式举例说明上面描述的和其它特征。
附图说明
现在参照如图，它们是示例性的实施方式，并且其中，相同的元件编号相同。
图1是整体式薄板(monolithic sheet)的横截面图，该薄板具有光散射颗粒和表面纹理。
图2是两层共挤出薄板的横截面图，该薄板具有在基底层中的光散射颗粒和在表面纹理层上的表面纹理。
图3示出了用于制造所公开薄板的一些实施方式的压延挤出系统；并且图3A示出了主辊(master roller)的表面纹理。
图4示出了测量光分布度(Degree of Light Distribution)(DLD)的测角光度计的光学结构。
图5示出了DLD的限定。
图6示出了微透镜表面纹理的俯视图(鸟瞰图，bird view)和横截面图。
图7示出了仅具有光散射颗粒的薄板，仅具有表面纹理的薄板，和具有光散射颗粒和表面纹理两者的薄板的光分布均匀性的图形比较。
图8A是仅具有散射颗粒的薄板的横截面图；而图9B是仅具有表面纹理的薄板的横截面图。
图9A示出了仅具有散射颗粒的薄板的遮盖力；图9B示出了仅具有表面纹理的薄板的遮盖力；图9C示出了具有散射颗粒和表面纹理两者的整体式薄板的遮盖力；图9D示出了具有散射颗粒和表面纹理两者的共挤出薄板的遮盖力。
具体实施方式
当光束通过薄板时，表面粗糙度可以引起散射(diffusion)和/或反射(reflection)，从而潜在地改善薄板的遮盖力性能。可以使用无序纹理(例如，表面粗糙度)以潜在地增强遮盖力，但是当考虑到透光性降低时，该增强并不显著。
为了在背光模块表面上实现均匀的光分布并为了隐藏光源，所述光源可以是CCFL灯管，可以使用加载有散射体并且有时也加载有透镜形(半圆柱形)或棱镜形纹理的聚合薄板。然而，这些类型的纹理仅能够在垂直于光条(light bar)的方向上散射光，并且几乎不能在平行于光条的方向上散射光，从而使它们不适合于LED照明应用，因为这些应用使用在所有方向上的光散射。例如，在LCD背光模块中使用的1.2mm标准透镜形散射板给出仅4.7°的光分布度(DLD)遮盖力，这几乎不可以在LED照明应用中使用。用于LCD应用的表面纹理在一维上是线性的和连续地，它不能提供本文中描述的遮盖力和透光性的组合。
已发现具有表面纹理和包括散射颗粒的薄板的协同作用。已经发现，包括光散射颗粒和包括某些结构单元的特定表面纹理(例如，非无序的)的薄板同时具有良好的遮盖力和透光性。特别地，已经发现，这样的薄板的遮盖力性能比具有散射颗粒但没有表面纹理的薄板和具有表面纹理但没有散射颗粒的薄板的累积遮盖力性能更好。
薄板可以具有小于或等于4毫米(mm)的厚度，具体地，0.5mm至约4mm，更具体地，0.8mm至1.5mm。低于0.5mm，薄板的硬度不足。高于4mm，表面纹理的复制(replication)可能并不足够高以获得遮盖力和透光性的协同作用。当通过熔融压延方法制造薄板的情况中，有利地，薄板的厚度小于1.5mm，例如，为了获得一致的表面纹理复制。
薄板可以是由加载有光散射颗粒的聚合材料形成的整体式薄板。这样，薄板的表面纹理可以包括散射颗粒。示例性的整体式薄板在图1中示出。如图1所示，整体式薄板100包括聚合材料102，布置在聚合材料中的光散射颗粒103，以及在薄板表面上的微透镜表面纹理101。
可替代地，薄板可以具有多层(例如，两层-基底层和布置在基底层上的表面纹理层)。基底层可以由加载有光散射颗粒的第一聚合材料形成。表面纹理层可以由并未加载任何光散射颗粒的第二聚合材料形成。第一和第二聚合材料可以是相同的或不同的。表面纹理层包含薄板的表面纹理。它可以具有0.03mm至0.07mm，具体地，0.04mm至0.06mm的厚度。示例性的两层共挤出薄板在图2中示出。如图2所示，薄板200具有基底层205以及布置在基底层上的表面纹理层204。基底层包括第一聚合材料202，和布置在第一聚合材料中的散射颗粒203。表面纹理层包括第二聚合材料206和表面纹理201。
用于薄板(例如，用于基底层和表面纹理层)的聚合材料包括，但不限于，聚碳酸酯、丙烯酸酯树脂、聚酯、聚烯烃、聚氯乙烯、环氧树脂、苯乙烯树脂、氟树脂、纤维素树脂、聚氨酯树脂、苯酚树脂、三聚氰氨树脂，以及和包括上述聚合材料中至少一种的组合(如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂)。丙烯酸酯树脂的实例包括聚(甲基丙烯酸酯)和聚(甲基丙烯酸甲酯)。聚烯烃树脂的实例包括聚乙烯树脂和聚丙烯树脂。
光散射颗粒可以是基于丙烯酸的(如聚(丙烯酸酯)，例如，聚(甲基丙烯酸烷基酯)(如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA))；聚(四氟乙烯)(PTEF)；硅酮(如聚有机倍半硅氧烷(polyorganosilsequioxanes)，例如从MomentivePerformance Materials Inc.在商品名下得到的聚烷基倍半硅氧烷(polyalkylsilsequioxanes))；无机材料(如包含锑、钛、钡和锌的材料，例如锑、钛、钡和锌的氧化物或硫化物)；以及包括上述至少一种的组合。在聚(甲基丙烯酸烷基酯)和聚烷基倍半硅氧烷中的烷基基团可以包括一至约十二个碳原子。光散射颗粒也可以是交联的。例如，PMMA可以与其他共聚物(如聚苯乙烯或二甲基丙烯酸乙二醇酯)交联。由于散射效应依赖于聚合物基质和散射颗粒之间的界面区域，所述散射颗粒的粒径小于或等于10微米(μm)。例如，聚烷基倍半硅氧烷的粒径可以是1.6μm至2.0μm，并且交联的PMMA的粒径可以是3μm至6μm。
基于薄板的总重量，在薄板中散射颗粒能够以按重量计0.2％至约0.8％的量存在。例如，基于薄板的总重量，聚烷基倍半硅氧烷能够以0.2wt％至0.6wt％的量存在，并且基于薄板的总重量，交联的PMMA能够以0.4wt％至0.8wt％的量存在。与仅具有光散射颗粒但是没有表面纹理的薄板相比，本公开的薄板可以包含较低加载量的光散射颗粒，但具有更好的遮盖力性能。
薄板的表面纹理可以在薄板的一侧或两侧上。这种表面纹理是非无序的并且包括小室(cell)，并具有对称的多个轴。可能的单元结构包括半球形结构、部分半球形结构、椭圆球形结构、浸渍球形珠粒、椭圆球形珠粒、“钟形”突起、以及复合透镜形结构(例如，凸透镜和/或凹透镜)、金字塔形结构、倒金字塔形结构，以及包括上述至少一种的组合。
单元结构可以具有大于或等于0.15的长宽比，具体地，0.15至0.5，更具体地，0.15至0.3，并且更具体地，0.15至0.25，例如，0.2，其中，长宽比是单元结构的高度(H)除以单元结构的有效直径(Ds)或间距。在图6中说明微透镜的高度和有效直径。单元结构，例如，小室(cells)，可以具有大于或等于100微米(μm)的间距，具体地，100μm至300μm，更具体地，100μm至200μm，并且更具体地，125μm至175μm。单元结构可以包括凸透镜和/或凹透镜，例如，具有100微米至200微米的直径。
可以通过包括压延的各种方法制造薄板。图3示出了压延方法的实例的示意图。压延系统具有咬送辊对(nip roller pair)，其包括在表面上的具有单元结构(图3A)的主辊(master roller)303和具有磨砂或抛光表面的从动辊(compliant roller)304。聚合材料可以通过环箍(hoop)301进料至螺杆挤出机302。可以推动离开挤出机模具的熔融聚合网状物进入主辊和从动辊之间的辊隙(nip)中，其中，施加压力至熔体。一旦该网状物具有复制的纹理，将其冷却低于聚合物的玻璃转化温度，使聚合物固化同时仍带有(bearing)单元结构。
通过遮盖力和透光性参数评价本公开薄板的光学性能。
遮盖力是，从LED光的观看侧来看“隐藏”LED光源的能力。光散射度(DLD)是一个指标，其广泛用于该领域以定量分析遮盖力。在图5中限定了DLD，其中，Iθ是在特定接收角(θ)下的亮度，G是峰值(Ip)或在0度(I0)接收角的值，α(DLD)是获得G的1/2值的角度。在图5中，线501示出了散射传输，而502示出了连贯的透射光(coherent transmission light)。
用如图4所示的测角光度计测量DLD。如在图4中看见的，在DLD测试中使用卤素光源401，并且使用一组准直透镜将广角光转换成平行光束。平行光通常垂直于样品407；然而，在一些具体情况中可以存在入射角406。平行光在通过样品407后发生散射。当沿箭头在407和409之间的夹角从0到180度移动时，光检测器409可以通过望远镜408的帮助测量发光强度。在本文中进行的测量在GP200测角光度计上进行。
透光性与LED光的亮度有关。可以通过根据ASTM D1003-11e1，方法A，使用CIE标准灯D65作为光源测量的总透光率来评估它。
本公开的薄板具有好的遮盖力(对于LED下射灯(LED down light)应用，至少大于或等于10度的DLD，并且对于LED面板灯(LED panellight)应用，大于或等于30度的DLD，如由测角光度计确定的)和透光性(对于下射灯应用，大于或等于85％，并且对于面板灯应用大于或等于60％，如根据ASTM D1003-11e1，方法A照明体D65确定的)。薄板可以用于LED灯罩应用。因此，LED照明系统可以包括LED光源，和邻近LED光源的LED灯罩，其中，LED灯罩包括上面在本文中所描述的薄板。
以下给出的是在本文中公开的薄板和照明系统的一些实施方式。
实施方式1：一种薄板，包括：聚合材料；布置在聚合材料中的光散射颗粒；以及在薄板表面上由单元结构形成的非无序表面纹理；其中，表面纹理包括半球形结构、部分半球形结构、椭圆球形结构、浸渍球形珠粒、椭圆球形珠粒、“钟形”突起、复合透镜形结构、金字塔形结构、倒金字塔形结构，或包括上述至少一种的组合；其中，单元结构具有0.15至0.5的长宽比和大于或等于100μm的间距。
实施方式2：实施方式1的薄板，其中，该薄板具有0.5mm至4mm的厚度。
实施方式3：实施方式1-2中任一项的薄板，其中，表面纹理包括光散射颗粒。
实施方式4：实施方式1-3中任一项的薄板，其中，该薄板是整体式薄板。
实施方式5：实施方式1-3中任一项的薄板，其中，该薄板包括基底层和布置在基底层上的便面纹理层，其中，该基底层由加载有光散射颗粒的第一聚合材料形成，并且其中，表面纹理层具有表面纹理，由第二聚合材料形成，并且不包括光散射颗粒。
实施方式6：实施方式1-5中任一项的薄板，其中，光散射颗粒包括聚(丙烯酸酯)、聚(四氟乙烯)、硅酮、无机材料或包括上述至少一种的组合。
实施方式7：实施方式1-6中任一项的薄板，其中，光散射颗粒包括聚(甲基丙烯酸甲酯)。
实施方式8：实施方式1-6中任一项的薄板，其中，光散射颗粒包括聚烷基倍半硅氧烷，其中烷基基团具有一至约十二个碳原子。
实施方式9：实施方式1-8中任一项的薄板，其中，基于薄板的总重量，光散射颗粒以按重量计0.2％至0.8％的量存在。
实施方式10：实施方式1-9中任一项的薄板，其中，长宽比是0.15至0.3。
实施方式11：实施方式1-10中任一项的薄板，其中，长宽比是0.15至0.25。
实施方式12：实施方式1-11中任一项的薄板，其中，间距是100μm至300μm。
实施方式13：实施方式1-12中任一项的薄板，其中，间距是100μm至200μm。
实施方式14：实施方式1-13中任一项的薄板，其中，间距是125μm至175μm。
实施方式15：实施方式1-14中任一项的薄板，其中，单元结构包括具有70微米至100微米直径的凸透镜和/或凹透镜。
实施方式16：实施方式1-15中任一项的薄板，其中，当薄板具有0.5mm至4mm的厚度时，它具有由测角光度计确定的至少10度的遮盖力，和根据ASTM D1003-11e1(2011)，方法A，照明体D65确定的等于或大于60％的透光性。
实施方式17：一种LED照明系统，包括：一个LED；和邻近该LED的LED灯罩；其中，该LED灯罩包括实施方式1-16中任一项的薄板。
以下实施例仅为了进一步说明薄板的实施方案，并且并不旨在进行限制。
实施例
实施例1
将加载有0.6wt％交联PMMA的聚碳酸酯(PC)树脂进料至用于一体式挤出(monolithic extrusion)的压延挤出系统。在挤出系统中，用于压延挤出生产线的咬送辊组(nip roller stack)包括主辊和钢辊，其中，该主辊具有刻有微透镜纹理的陶瓷表面，所述微透镜纹理包括具有约100微米直径的透镜单元。最终薄板产品的厚度是1毫米(mm)。
离线测试结果表明，该微透镜的平均长宽比为0.24。整体式薄板的透光性和DLD分别是90.5％和13.3°。相比较而言，由相同材料但没有任何表面纹理制成的1mm整体式挤出薄板具有89.4％透光性，并几乎没有遮盖力(DLD是2.8°)。
实施例2
加载有0.2wt％的硅酮珠粒的PC树脂和无任何分散颗粒的PC树脂(透明PC(clear PC))在实施例1中描述的挤出系统中共挤出。控制PC树脂和透明PC的流速使得在最终薄板中透明PC层的厚度约为0.05mm，并且该薄板的总厚度为1毫米。在透明PC层上形成微透镜纹理。
离线测试结果显示该微透镜的平均长宽比为0.22。双层薄板分别具有88％的透光性和14.9°的DLD。相比较而言，具有相同厚度并由用于PC和透明PC层的相同材料制成，但没有任何表面纹理的两层薄板具有85.9％的透光性，并几乎没有遮盖力(DLD是1.3°)。
实施例3
这个实施例示出了在薄板中通过组合微透镜结构和光散射颗粒实现的遮盖力的协同作用。
根据在实施例1和2中描述的方法制造如表1所示的标记为“仅有散射体”，“仅有微透镜”，“散射体和微透镜(整体式薄板)”和“散射体和微透镜(共挤出薄板)”的四种薄板。
在真实LED写字台(real LED light box)中，通过DLD方法和目视检查测量遮盖力。测试结果在表2中显示。结果表明“仅有散射体”和“仅有微透镜”样品的DLD值是非常低的(分别为1.5°和6.1°)。相比之下，整体式和共挤出(微透镜层是50微米厚度)散射体和微透镜薄板均具有DLD遮盖力的显著增加，分别实现25.2°和24.3°的DLD值，其显著高于1.5°和6.1°的合并值。在真实LED写字台中目视检查显示出相同的现象。与仅有散射体的薄板和仅有微透镜的薄板相比，整体式和共挤出散射体和微透镜薄板的透光性能仅受到轻微影响。
在图7中进一步表示出散射颗粒和微透镜纹理组合的优势。在相对于入射光轴线的不同角度下透射光的发光强度可以用于定量描述横过灯罩表面的光分布的均匀性。在仅有微透镜纹理(无散射颗粒)的情况下(线701)，大部分光朝向同轴方向校准。在仅有散射颗粒的情况下(线705)，在无任何表面纹理的低加载下，入射光的校准仅稍微受到影响，并且它仍然高度集中于同轴方向。在具有散射颗粒和微透镜纹理的组合的情况下(线703)，在更广的角度下散射光并且发光强度的匀称性得到很大改善。
通常，本发明可以可替换地包括本文所公开的任何合适的组分、由其组成或基本上由其组成。本发明可以另外地，或可替换地，配制以不含、或基本上不含，在现有技术的组合物中使用的任何组分、材料、成分、佐剂、或物质，或者另外地这些对于实现本发明的功能和/或目的不必要的那些。
在本文公开的所有范围包括端点，并且端点可相互独立地组合(例如，“最高达到25wt.％，或更具体地，5wt.％至20wt.％”的范围包括端点和“5wt.％至25wt.％”范围的所有中间值，等等)。“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。此外，术语“第一”、“第二”等，在本文中不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一种元件与另一种元件区分开。在本文中术语“一个”、“一种”和“该”不表示数量的限制，而应解释为包括单数和复数，除非在本文中另有说明或者与上下文明确相矛盾。如在本文中使用的后缀“(s)”旨在包括它修改的术语的单数和复数，从而包括一个或多个该术语(例如，薄膜包括一个或多个薄膜)。贯穿整个说明书中提及“一种实施方式”，“另外的实施方式”，“实施方式”等等，是指与实施方式相结合描述的特定元件(例如，特征，结构，和/或特性)包括在本文中所描述的至少一种实施方式中，并且可以存在或可以不存在于其它实施方式中。此外，应当理解的是，在各种实施方式中可以以任何合适的方式组合所描述的元件。
尽管已经描述了具体的实施方式，申请人或本领域的其他技术人员可以想到目前预料不到或可能预料不到的替代、修改、改变、改进、和实质等效物。因此，提交的并且可以修正的所附权利要求旨在包括所有这些替代、修改、改变、改进、和实质等效物。

Claims (17)

1.一种板，包括：
聚合材料；
布置在所述聚合材料中的光散射颗粒；以及
在所述板表面上由单元结构形成的非无序的表面纹理；
其中，所述表面纹理包括半球形结构、部分半球形结构、椭圆球形结构、浸渍球形珠粒、椭圆球形珠粒、“钟形”突起、复合透镜形结构、金字塔形结构、倒金字塔形结构、或包括上述至少一种的组合；
其中，所述单元结构具有0.15至0.5的长宽比和大于或等于100μm的间距。
2.根据权利要求1所述的板，其中，所述板具有0.5mm至4mm的厚度。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的板，其中，所述表面纹理包括光散射颗粒。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的板，其中，所述板是整体式板。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的板，其中，所述板包括基底层，和布置在所述基底层上的表面纹理层，其中，由加载有光散射颗粒的第一聚合材料形成所述基底层，并且其中，所述表面纹理层具有表面纹理，由第二聚合材料形成，并且不包括光散射颗粒。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的板，其中，所述光散射颗粒包含聚(丙烯酸酯)、聚(四氟乙烯)、硅酮、无机材料或包含上述至少一种的组合。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的板，其中，所述光散射颗粒包括聚(甲基丙烯酸甲酯)。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的板，其中，所述光散射颗粒包括聚烷基倍半硅氧烷，其中，所述烷基基团具有一至约十二个碳原子。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的板，其中，基于所述板的总重量，所述光散射颗粒以按重量计0.2％至0.8％的量存在。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的板，其中，所述长宽比是0.15至0.3。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的板，其中，所述长宽比是0.15至0.25。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的板，其中，所述间距是100μm至300μm。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的板，其中，所述间距是100μm至200μm。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的板，其中，所述间距是125μm至175μm。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的板，其中，所述单元结构包括具有70微米至100微米直径的凸透镜和/或凹透镜。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的板，其中，当所述板具有0.5mm至4mm的厚度时，它具有由测角光度计确定的至少10度的遮盖力，和根据ASTM D1003-11e1(2011)，方法A，照明体D65确定的等于或大于60％的透光性。
17.一种LED照明系统，包括：
LED；和
邻近所述LED的LED灯罩；
其中，所述LED灯罩包括权利要求1-16中任一项所述的板。
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