LED导光板的进化趋势-专栏作家-云知光

云知光第二届商业照明论坛总赞助

金属质感分割线

张欣

云知光学堂签约讲师

壹启工业设计创始人

广东工业大学艺术设计学院副教授

广东省一级工业设计师

国家二级创新工程师

国际MTRIZ三级创新工程师

曾获广东省“十大工业设计师”

说起导光板，大家一定不会陌生，很多展示场所都会用到这个神器，最具代表性的案例就是被各大媒体争相报道的暴龙眼镜店。

这一设计斩获了多个国际大奖：

2015，DDC 德国设计大奖，法兰克福，铜奖；
2016，iF 设计大奖，慕尼黑，专业室内建筑；
2016，德国照明设计大奖，最佳“国际项目”奖；
2016，伦敦照明设计大奖，零售门店“高度赞扬”奖。

▲导光板发射出的底光照亮每副眼镜，尽显其特有色泽。

今天，我们就来介绍下导光板的前世今生以及未来。

导光板的前世

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。生产导光板应选用不易黄化且透光率在 92-93% 以上的透明板。

经过特殊的科学的加工后的透明压克力板，只要在边上装上发光体（视导光板面积大小可选择普通日光灯管、CCFL 冷阴极灯管、发光二极管等光源，一般装在长度的两边，宽度比较小时可只装一边)，通电后压克力板整个平面就会发出明亮均匀柔和的光，称为导光板。

导光板（light guide plate）最初产生是用在 LCD（液晶显示器）上。

▲早期导光板主要应用于LCD显示屏上。

导光板按形状分类可分为：

平板：导光板从入光处来看为长方形。
楔形板：又称斜板，从入光处来看为一边为厚一边为薄成楔形(三角形)状。

按照入光方式分类可分为：

侧入光式：将发光体(灯管或 LED)放置于导光板之侧部。
直下式：将发光体(灯管或 LED)放置于导光板之下方。

按成形分类可分为：

射出成形：应用射出成形机将光学级 PMMA 颗粒运用高温、高压射入模具内冷却成形。
裁切成形：将光学级 PMMA 原板经过裁切工序完成成品。

LED 平面光源导光板技术，多是 LED 屏幕导光板技术借鉴而来。所以，下面主要分析导光板技术进化过程，也是 LED 灯具导光板技术的进化过程。

导光板技术进化历程

因为导光板是一个 LCD 产业中重要之零件，所有的发展历史和技术更新也都是为了符合下游产品的需要，至今已发展出数种制程不同的导光板，主要有以下类型：

1挤压成型

20 世纪 80 年代，挤出成型制造生产导光板

2辊轮法

20 世纪 90 年代，出现了辊轮法制造生产导光板，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。

优点：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。

缺点：灵活性差，不能适应多种进光面和尺寸。

▲导光板成型方法－辊轮法

3激光雕刻

激光雕刻制作方法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。

优点：导光板对光的折射效果较好、亮度好。

缺点：雕刻后板材的强度遭到破坏，线槽或凹孔会储藏灰尘，生产效率低，无法批量生产。

420世纪90年代油墨丝印法

亚克力板完成外形加工后以丝网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，将从侧面射进的光线改变方向变为平行光。

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：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。

5化学蚀刻法

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：折射效果好、亮度比较好。

缺点：投入资金较大，生产工艺难度较高。

6纳米加入法

纳米加入法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：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。

缺点：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。

7直接注塑法又叫射出成型

它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完成导光板的制作。

优点：对光的折射效果好、亮度，可量产。

缺点：缺点是投资大，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。

8导光板与扩散板二合一

这种方法是将导光板、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，或分层注塑成型为两层的复合结构。

优点：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：成本高，光学性能不如其他加工方式。

LED 面板灯中的导光板与扩散板是有区别的，首先导光板与扩散板的材料不同，导光板多部分选用亚克力（PMMA），而扩散板也可用亚克力（PMMA），但大部分扩散板选用 PC 为材料。

PMMA 材料比 PC 价格高，但是光学性能好，透光性高于 PC，但是 PC 比 PMMA 更耐湿，PMMA吸水容易变形。

其次，导光板与扩散板的作用不同，导光板的主要作用是引导光源均匀发光到整个面板上，从而更高效的控制光的分布，以及更高效利用光源提高光效；扩散板主要是打散光通量，还有保护光学材料的作用。

LED照明产品导光板进化路径

1动态性进化法则

根据 TRIZ 技术进化趋势理论的法则，随着工程系统的演化发展，组件变得“动态化”，动态化是系统随着时间变化改变参数值的能力。

进化过程如下图所示：在表面特征进化中可以发现先是形成了凹凸，然后凹凸尺寸变小，形状变得复杂，最后转变到了微观层次，即转变到了有特殊性质的表面，这种性质是通过加入场或者力来实现的。

▲LED导光板进化路线

其进化过程如下图所示：

▲表面特征动态化进化路线

2向超系统进化法则

技术系统向超系统进化，可以在资源约束的条件下，通过系统合并增加功能或降低费用。并且通过融合集成使原技术系统被改进并简化，并通过与超系统组件合并获得大量资源。

向超系统进化有四个子趋势，导光板一部分的进化符合其中一个子趋势——超系统与原工程系统集成的主要功能差异化增加的趋势。功能差异性增加是指，随着技术系统的进化，相互合并系统的功能差异不断增加，集成两种以上不同功能的系统称为联合技术系统。

▲竞争系统合并路径

第一种联合系统的主要功能不同，但作用对象是一样的，主要功能是指系统设计的目的要实现的功能。

那么导光板使光从两侧光源进导光板碰到反射点时漫反射到导光板表面。扩散板是让光在行进途中遇到两个折射率相同的介质时，发生折射、反射与散射，让光束角变为 160°～176° 从而得到舒适的光。

所以导光板、扩散板的主要功能都是光的折射、反射与折射。2015 年前后，出现了导光板与扩散板二合一的产品，它是将导光板、扩散板分别进行注塑成型后，再将两者通过热压为两层的复合结构。然后又出现了分层注塑成型的一体化集成设计，实现了导光的模块化设计，简化了结构，安装方便。

向超系统进化的趋势，通过对“导光组件“的联合系统集成优化系统功效，需要集成的联合系统，原有部件有扩散板、导光板、反射板、荧光粉，实现的功能为四个组件的功能。

1、实现黄色荧光粉的功能，被蓝光 LED 激发产生黄光，并且与剩下的蓝光混合产生白光；

2、实现导光板的功能，使光源发射的光线进入导光板，经过多次反射，由导光网点射出，形成均匀的面光源；

3、实现扩散板的功能，通过扩散板中的扩散粉颗粒对光进行折射、反射、散射，打散光线，使光分布均匀，从而得到光束角 160 度～170 度的无眩光的平面光；

4、实现反射板的功能，利用材料镜面对光线全反射的作用，一般是抛光面金属，或板材表面光面电镀。

2012 年，经过设计及不断的实验测试，设计了导光组件系统，如下图。系统中包含荧光粉膜、截止滤光膜、导光板、反光膜组成的导光组件。将荧光粉通过粘合剂压制成荧光粉膜。当蓝光 LED 侧面 45 度角投射光线进入导光板，进行多次反射，从导光网点射出光线形成黄光，剩下的蓝光与黄光结合，形成白光。

截止滤光膜的作用是让蓝光全部通过，充分与荧光膜结合。使导光板表面不会反射一部分蓝光，而背面的减反膜阻止蓝光向反面流失，保证了蓝光反射效率。

▲导光组件示意图

这种设计的创新点一：导光板和蓝光采用 45 度照射，并采用荧光膜、截止滤光膜、减反膜技术，大大增加光效。具体设计原理如下图：

▲常规封装侧投复合光结构图

▲侧投蓝光光结构图

其发光效率计算依据为：

▲Te波界面反射

上述公式可用来计算高反膜反射和 K9 玻璃内传输产生的能量损失再设芯片输入功率 1W；芯片蓝光出光率为 45%，荧光粉量子效率为 90%。侧投复合光与侧投蓝光出光率对比见下图。

▲侧投复合光与侧投蓝光出光率对比

创新点二：LED寿命增加，影响 LED 寿命的主要因素是热量，普通封装模式下，热量从 LED 芯片直接传导到荧光粉，再高温下荧光粉容易衰减甚至性能弱化，在隔离封装模式下，荧光粉膜与 LED 芯片采用分离结构，阻隔了热量的传递。

▲普通LED荧光粉封装模式

▲荧光粉与LED芯片分离结构

创新点三：分离多组荧光粉减少相互吸收，常见的白光 LED 是在蓝光 LED 芯片上涂覆能被蓝光激发的黄色荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光。

该技术的原理性缺点是发射光谱不是连续光谱特性，显色性较差，难以满足低色温照明的要求，同时发光效率不够高，需要通过开发新型的高效荧光粉来改善。通过将蓝光 LED 与荧光粉分离的隔离的封装方法，可实现多组份调配，可以很好的解决上述问题。

▲单颗LED封装荧光粉分布与荧光粉多组份调配分布对比。

创新点四：简化封装工艺，提高面光源亮度均匀度。因为 LED 的封装不止要求能够保护灯芯，而且要能够透光。所以 LED 具备更好的发光效率和散热环境，进而提升 LED 的寿命。利用这种将荧光膜和蓝光芯片分离的隔离封装的新工艺可以更好的实现这些方面的要求。

然后在镀过膜的有机片上镀荧光膜，经过积分球测光色参数和光谱图，发现光谱数据如下图。有截止滤光膜的导光板无论是光效、显色性、色温数值均要高于无截止滤光膜的导光板。

▲侧投白光光谱

▲侧投蓝光光谱

有截止滤光膜与无截止滤光膜参数对比：

侧投白光的光效、显色性、色温数值均要高于侧投蓝光。

▲有截止滤光膜光谱

▲无截止滤光膜光谱

侧投白光光谱与侧投蓝光光谱数据对比：

根据实验获得的平面光实施方案，将其在T5、T8、插拔管、筒灯、O型灯、柱型灯上应用这种新的方式和原理。T5、T8适用传统灯管、灯座，插拔管适用PLL灯座。筒灯的接口型号E14，仅适用室内，如客厅、卧室、过道。O型灯也接口型号E14，适用家居、酒店、客房大堂、展厅、娱乐场所。柱型灯接口型号E27，适用家庭装饰台灯、学生用台灯等。具体设计如下图：