張林 東莞市銀禧光電材料科技股份有限公司 總經理
《2018阿拉丁照明產業調研白皮書》配套材料 顧問
傅軼 東莞市銀禧光電材料科技股份有限公司 總工程師
《2018阿拉丁照明產業調研白皮書》配套材料 顧問
一、前言
PC(聚碳酸酯)最早由德國科學家Alfred Einhorn在1898年首次合成，因為一直沒有找到合適的應用領域，長達半個多世紀“養在閨中無人知”。不過是金子就總會有發光的那一天，1955年，Bayer公司的科學家Hermannschnell重新將PC合成出來，并于當年申請了專利。同年，Bayer公司正式給自家的PC起了個商品名“Makrolon”。縱觀整個塑料科技史，不得不說，上世紀五六十年代是塑料科技大發展的時代。就在同一時期，1953年GE公司(后來塑料部門出身的杰克-韋爾奇擔任該公司CEO)的科學家 Daniel Fox 也獨立合成出了PC，而且，同樣在1955年向美國專利局提交了專利申請，一場知識產權大戰由此展開……
最后，美國專利局裁定，該項技術專利歸Bayer所有，因為他們比GE公司早提交申請書一個星期。就因短短一星期，Bayer從GE那里拿到了不少專利費。時間就是金錢，在這里得到了完美的體現。
1958年，Bayer公司開始量產并商業化“Makrolon”。兩年后，在支付了一筆“保護費”后，GE公司也開始量產PC，GE家的PC商品名是“Lexan”。自此，PC作為工程塑料登上歷史舞臺，由于它集良好的光學性能、力學性能以及阻燃性能于一體，很快就得到了人們的關注 [1]。
二、PC材料的結構和性能
聚碳酸酯是指大分子鏈由碳酸酯型重復結構單元組成的一類聚合物，英文名稱Polycarbonate，簡稱PC，它是第二大通用工程塑料品種。根據具體組成不同，PC可分成脂肪族、脂環族、芳香族三類，但在工程上具有實際應用價值的只有芳香族PC。
PC是一種無色透明(或淡黃色透明)、剛硬而堅韌的材料，無毒、無味，外觀類似于有機玻璃。PC的性能與其大分子的結構特征密切相關。PC大分子主鏈是由異丙撐基與碳酸酯基交互與苯環相連構成的線性大分子。分子結構對稱、規整、重復單元長。苯環是剛性的，碳酸酯基是極性吸水基，雖然具有柔性，但它與兩個苯環構成共軛體系，增加了主鏈的剛性和穩定性。異丙撐基是非極性的吸水基，對稱分布的甲基位阻降低，提供主鏈以柔性。所以PC大分子以剛性為主并具有一定柔性。聚碳酸基的極性受到芳烴基的影響，失水率不高(約 0.05%)，但依然存在高濕度下易水解的弊病。PC具有規整的結構，大分子能夠結晶。但實際上PC的結晶度很低，基本上屬無定形聚合物，這可能與其分子剛性和重復單元太長有關 [2]。
一般性能：PC為透明、呈微黃色或白色硬而韌的樹脂，燃燒時發出花果臭味、離火自熄、火焰呈黃色、熔融氣泡。
力學性能：PC的力學性能十分優良，具有剛而韌的優點。其沖擊性能是熱塑性塑料中最好的一種，比PA、POM高3倍之多，接近PF和UP玻璃鋼的水平。PC的拉伸強度和彎曲強度都好，并受溫度的影響小。PC的耐蠕變性優于PA和POM，尺寸穩定性好。熱學性能：PC的耐高低溫性好，可在-130~130℃溫度范圍內使用，熱變形溫度可達130-140℃，并受載荷作用小，熱導率和線膨脹系數都比較小，阻燃性好，屬于自熄性能材料。
電學性能：PC因屬弱極性聚合物，其絕緣性能一般。但可貴之處在于其電性能在很寬的溫度及溫度范圍內變化較小，如介電常數和介電損耗角正切值在23-125℃范圍內幾乎不變。但需注意的是，隨PC制品結晶度的提高，其體積電阻率增大。
環境性能：PC可耐有機酸、稀無機酸、鹽、油、脂肪烴及醇類，但不耐氯烴、稀堿、澳水、濃酸、胺類、酮及脂等，可溶于二氯甲烷、二氯乙烷及甲酚等溶劑中。PC不耐60℃以上的熱水，長期接觸會導致應力開裂并失去韌性。PC的耐紫外線性不好，需加入紫外線吸收劑，但PC的耐空氣、臭氧性較好。
光學性能：PC力量優異的力學塑料品種之一，其透光率可達93% 之多，折射率為1.587，適于透鏡材料。PC作為高檔光學材料的不足之處：一為硬度低，耐磨性差;二為雙折射高，不易用于光學儀器等高精度制品中 [3]。
三、PC材料在LED領域中的應用種類和性能特點
在光學材料領域，隨著光電產品向“輕、薄、短、小”的方向發展，人們對一些重要的光學元器件如光學透鏡、光釬、光盤、發光二極管等的綜合性能要求越來越高，光學元器件也越做越小。與無機材料玻璃相比，PC既有質輕、高強度、高抗沖性、易加工等優點，又具有高透光率(透光率可達 90%)、高折射率、優良尺寸穩定性等特點。采用光學級PC制作的各種光學透鏡，無論是抗沖性能還是成型加工性能，都是傳統無機玻璃無法相比的，所以在光學材料領域內占有日趨重要的位置。
3.1 健康照明——LED增透阻藍光擴散技術
3.1.1 LED藍光對健康的影響
作為第四代綠色光源，LED(Light-EmittingDiode)具有發光效率高、體積小、壽命長、節能環保等優點，自1998年世界第一支實用的白光發光二極管(WLED)問世以來，它已經應用于照明、液晶顯示、戶外顯示等領域。目前制備的WLED的主流方案是依靠450nm左右高能藍光激發黃光熒光粉(YAG:ce3+)產生白光。
生活中液晶顯示、照明等WLED光源無處不在，給人們帶來的舒適的生活環境和視覺享受。同時，由于對這種人造光的長期依賴，人們也逐漸認識并越來越重視LED激發的HEV對人的健康危害。過量的LED燈具藍光可能產生視網膜的結構損傷和視覺疲勞。藍光會穿透晶狀體，導致黃斑病變或形成白內障，尤其是兒童晶狀體較清澈，無法有效抵擋藍光，更容易導致黃斑病變以及白內障。眾多研究表明，過量藍光可對晝夜節律產生影響。人眼視網膜上存在第三類感光細胞——內在光敏性視網膜神經節細胞(intrinsicallyphotosensitive retinal ganglion cells(ipRGCs))，負責調節機體視覺以外的非視覺效應，如管理時間的功能，協調和控制人們在不同時段里的活動節律和幅度。藍光LED的波長在450nm左右，正好與人體的辰(晝夜節律/生物鐘)節律一致，藍光刺激ipRGcs產生信號阻止身體釋放褪黑素，而褪黑素與我們的晝夜節律循環密切相關，是影響睡眠的一種重要激素，眾多研究證明藍光會導致睡眠質量下降、失眠和抑郁等。
2012年，國際電工委員會IEC將LED燈具的藍光危害納入安全要求，從而使藍光危害成為燈具必須考量的參數之一。LED燈具的光輻射安全性，應符合EN62471《燈和燈系統的光生物安全性》標準要求，而后針對藍光危害又評價補充推出IEC/TR62778，并被同年修訂的IEC60598-1、IEC62031等各大光源和燈具安全標準引用。我國于2017年1月1日正式實施的最新版國家標準GB7000.1-2015 的《燈具第1部分：一般要求與試驗》也規定帶有整體式LED或LED模塊的燈具應根據IEC/TR62778進行藍光危害評估。藍光危害已經成為燈具必須考量的參數。
3.1.2 目前市場上的解決方案：
目前市場上主要采用光擴散技術解決光源刺眼問題。光擴散劑將LED點光源和線光源轉換成線光源和面光源，做到“不刺眼”效果，它可以添加到PC、PVC、PS、PMMA、PET、環氧樹脂等透明樹脂基材中，增加光的散射、折射和透射，使整個樹脂發出更加柔和，美觀，高雅的光，達到透光不透明的舒適效果，還可以在可視角度增加光線亮度，但光散射劑對藍光的吸收微乎其微，不能屏蔽藍光。
針對白光LED光源的富藍化現象，采用藍光吸收劑改性PC基材，利用藍光吸收劑吸收高能量的藍光并轉化為熱能或無害低能輻射釋放出來，以消除白光LED光譜中的高能藍光波段。結果表面，藍光吸收劑改性PC材料后，可以有效減少各波長處的藍光透過率，并且隨著藍光吸收劑比例的增加藍光吸收效果增強 [4]。雖然這種方法能夠有效減小藍光占比，降低藍光導致的健康危害，但是也存在一些缺點。
A 產品功能角度：
采用的色粉光譜吸收選擇性差，有效阻止HEV的同時，也會大量吸收高波長有益藍光和部分黃綠光，因此，相比原光擴散板，導致光通量減小，光效降低，透光率下降;
B 外觀性能角度 :
由于對藍光譜段過量吸收，導致產品外觀發黃偏色，對部分綠光和黃光的吸收造成光透下降。
C 加工工藝角度 :
該方法需要將色粉和基材粉末共混后注塑，而色粉容易團聚，很難在基材中分散均勻，導致產品色粉分布不均、阻藍效率低，造成產品色差，光學不穩定。
D 經濟價值角度 :
由于色粉的分散效果差，用量會增加，導致成本增高。
3.1.3 增透阻藍技術
為了給消費者提供更加健康的LED照明，針對目前阻藍技術存在的問題，開發了新一代增透阻藍技術，利用最新的量子型光擴散劑，高效阻隔高能藍光HEV，在不改變原來的工藝的基礎上，獲得降低有害藍光占比、消除黃變，增加光通量，提高透光率的效果。
量子型光擴散劑是一種石榴狀微納尺度核殼結構的雜化納米復合微球，結合了納米尺度的量子點材料和微米尺度光擴散劑各自的功能和優點，量子材料賦予吸收高能藍光和光轉換補償功能，微球具備光擴散效果。該增透阻藍技術特點如下：
A 產品功能角度：
量子型光擴散劑針對氮化鎵450nm激發光設計，阻藍具有專一性，只阻隔高能藍光，有益藍光全透過，并且吸收高能藍光的量子點能激發出綠光和黃光等可見光。因此，第二代增透阻藍光擴散板不僅獲得健康照明的效果，而且即使相比原光擴散板，都能增加光通量，降低光效，提高透光率。
B 外觀性能角度
由于對藍光譜段選擇性吸收，并能激發出長波藍光、綠光和黃光等可見光，產品外觀不會發黃偏色。
C 加工工藝角度
量子點型光擴散劑作為一種微納結構的球型粉末，具有極好的分散性和相容性，可直接和基材粉末共混后注塑，加工工藝一致，并且無需改變任何工藝參數。
D 經濟價值角度
由于光擴散劑本身用量少，而納米尺度量子點又可在微球中均勻分散，同時光波在光擴散劑中多次反射和折射，光程增加，每個量子點利用率提高，增透阻藍效率提高，因此只需少量量子材料就能獲得理想的性能，光學質量更穩定，光擴散劑用量減少，降低成本。
3.1.4 量子型增透阻藍PC光擴散板測試報告
在相同實驗條件下，對量子型增透阻藍PC光擴散板、普通光擴散板和LED裸光的測試參數進行了比較。
圖1為裸光、普通光擴散板和增透阻藍擴散板的光譜圖比較。增透阻藍擴散板在藍光激發峰高450nm處的絕對光譜值為14.96mW/nm，低于裸光(19.13mW/nm)和普通板(17.7mW/nm)，并且高能藍光光譜區域(小于450nm)明顯削減，其它可見光區域則得到增強，有益光譜相對高能藍光比例明顯變大。可見該產品能夠獲得理想的增透阻藍性能。
圖1 LED裸光、普通PC和增透阻藍PC光擴散板光譜比較圖
三者光譜測試相近數據的參數，并且對不同的參數進行了數據比較。從表一可以看出，增透阻藍PC光擴散板的眾多參數，如顯色指數、P(W)、PF、半波寬、CRI等測試數據和裸光、普通PC的基本一致。
增透阻藍PC光擴散板的特色體現在表二的數據比較中，該產品的絕對光譜小于裸光、普通PC，說明阻隔了高能藍光的通過，而Φe(mW) 和普通PC光擴散板相近，光通量反而比更大，接近LED裸光，這是因為該產品能夠激發出更多的有益可見光，補償了削減掉的高能藍光光能，同時長波藍光也得到補償，不會造成產品發黃。光效達到接近裸光的95.95lm/W，高于普通PC光擴散板的92.57lm/W。增透阻藍光擴散板的透光率高達98.4%，比普通PC光擴散板94.7% 增加了3.7%的透光率。
采用測試的絕對光譜數據作圖，以裸光數據為基準，對比普通PC和增透阻藍PC光擴散板的性能。從圖2可以看出，普通PC板不能阻藍，而且可見光部分會減弱。增透阻藍PC光擴散板不僅能夠有效阻藍，還能提供有益光補償機制，提高光透過率。
圖2 普通PC和增透阻藍PC光擴散板光譜對比
圖3對比了普通PC和增透阻藍PC光擴散板的藍光阻隔能力。從圖可以看出該產品具有高效的阻藍能力，尤其是對人的健康危害最大的420~460nm范圍內的HEV。
圖3 HEV阻隔能力對比
圖4顯示了增透阻藍技術的有益光補償機制，可以看出增加的有益光和阻隔的藍光相抵消，總的Φe保持不變。同時，因為增加了長波有益光，光效比普通PC板更高。
這張補償機制能部分補充LED燈白光中相較于太陽光譜缺失部分，使其光譜更連續，更接近太陽可見光.
圖4 光譜補償機制
3.1.5 總結
以普通光擴散PC板為參照，增透阻藍技術相比目前的阻藍技術優劣明顯。
目前的阻藍技術雖然能阻隔藍光，但也削減了大量其它可見光。相比普通光擴散PC板，各項指標都明顯下降，光效降低，透光率減小，顏色發黃。
增透阻藍技術利用量子型光擴散劑的對HEV的優異阻隔性能，采用有益光補償機制，獲得增透阻藍、更接近太陽光譜的健康照明效果。相比普通光擴散PC板，不僅能夠阻隔掉一半的高能藍光，而且光通量Φ=516.1lm，增加18.3lm(3.7%);光效95.95lm/W，提高 3.38lm/W(3.7%);透光率98.38%，增加了3.67%。
