LED照明产品或将步入纳米时代

在谈LED照明前，先就纳米材料做一解释。纳米是长度单位，即10-9m。人体细胞大小介于5微米至20微米。1微米等于1000纳米，大约等于头发直径的百分之一。这些纳米颗粒可同时装载各种东西,例如量子点和药物。量子点是非常细微的半导体材料。当半导体材料被缩小至非常非常细小、直径只有几个纳米大小的颗粒时，这些颗粒的特性出现很大的变化,变得很像原子。科学家把它们称为量子点或人工原子。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显着的不同。

中性水基纳米二氧化钛（TiO2）纳米溶胶，无毒无害，粒子尺度在0.1-100nm，为介电陶瓷材料具有相当高的电阻系数，薄膜的电阻介于106~1011Ω，因此在一般状况下，介电陶瓷也常被视为绝缘体。所以只要将中性水基纳米二氧化钛（TiO2）溶胶涂布于基材表面且有一定厚度时（膜层厚度为1nm－1μm），其绝缘性将会表现出来，又因可以形成一高介电层，可以改善闸间电场分布特性，又由于纳米二氧化钛的紧密堆积可使在空气中加速的电子减少，因而减少对绝缘层的破坏。具有防静电、耐污易洁、防止粉尘沾附、抑制和减少基材表面静电荷产生、预防电器品电子电路尘爆及绝缘等特点。目前大多数LED灯板制造商会使用凡立水作为绝缘漆，凡立水的热传导效率远不及纳米二氧化钛，商用型凡立水目前可以在200oC级以上的并不多，对LED灯板的散热却造成负面影响。而且近年来对材料的特性也要求日益严苛，如抗湿性、抗化性、抗溶剂性、抗热性以及环保要求等，因此凡立水已渐渐不敷使用，且一般的凡立水成分多为树酯，黏度较大，如果要降低黏度需使用专用溶剂或有机溶剂，对于操作人员及环境有潜在性的影响。

制备绝缘印刷电路板，操作方法采用提拉法，具体操作过程如下：
（1）    将印刷电路板表面用超声波清洗，可再以电子红外线烘干基材。并可配备独特的抛动、旋转等清洗工艺使工件表面各面更加洁净干净后，再浸泡在中性水基纳米二氧化钛（TiO2）溶胶中。
（2）    使用超声波将该溶胶充分布满在基板与电子零器件间隙中，5分钟后以提拉法将印刷电路板垂直提起至脱离液面。这样就可以在PC板外表面附着一层溶胶膜。
（3）    将涂布完成的电路板置入100℃的烘箱内，30分钟后干燥成膜。

             
（4）    将印刷电路板放置于水中，并接通印刷电路板的电源使通电，观察印刷电路板仍能正常运作。以相同方法测试未经绝缘处理的印刷电路板，发现印刷电路板在水中发生短路无法运作。（见Fig.1及Fig.2）

纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。由微观观点，物体表面通常是不平坦的，因此光线入射至不平整的表面时，有一部份的光会产生散射现象，此为透明物体透光性不佳的主因。

Fig.3 TiO2纳米材料处理前后变化（材质为光盘片），左边是透明基板涂布二氧化钛前，而右边则是透明基板涂布二氧化钛后。

Fig.4 TiO2纳米材料处理前后变化（材质为光盘片），上图表示处理前反射率平均值8.85，下图表示处理后反射率平均值5.24。
利用纳米材料，可改善表面粗糙度，使得散射率下降造成原来被散射出介质的光线变成穿透介质，因而提高透光度，处理前后比较如图Fig.3（一般约提高3%~7%）。搭配TiO2在基材表面涂布处理流程，可降低介质材料的相对折射率，使得整体反射率下降（见Fig.4）；特别要强调的是，反射率虽下降3.5%，但反射率相对质则下降40%以上。目前市场上现有的透镜其材质良莠不齐，透光率不佳且镜面不平整容易造成光散射，影响到LED光输出及光分布等效果。根据上述资料显示，在LED专用透镜表面涂布TiO2，即可改善有机玻璃透镜的发光效率及光分布。

纳米TiO2可经处理后镀覆于基材表面上，形成薄膜，利用TiO2的超亲水性，可进行表面自我洁净过程。光触媒吸收光线能量后，除了在表面产生氧化性活性物质，以及氧化分解污染物之外，当基材表面之二氧化钛薄膜经过紫外光照射，激发出电子-电洞对，电子会还原TiO2中的四价钛（Ti4+）成为三价钛（Ti3+），而电洞会氧化负一价态的氧离子（O-），当再结合四个电洞，会形成氧分子（O2）脱离，结果在TiO2薄膜结构上形成氧空缺（Vacancy）。

 
Fig.5 光触媒涂布后的亲水性试验比较图

当薄膜表面有水吸附时，水分子中的氧原子会填补氧的空缺，进而产生OH基，由于薄膜表面OH基的增加，因而增进二氧化钛薄膜表面的亲水性，所以可以藉由直接冲水的方式，将油污冲洗掉。另一种是进行污染物光分解的反应机制，有机污垢附着于TiO2薄膜上，经过适当光源照射，会使有机污垢氧化分解。亲水性表面的特性，使TiO2有许多应用的价值。通常亲水性的强弱是用水滴在表面的接触角（Contact Angle）来定量，接触角越小，代表亲水性越强（见Fig.5）。在适当的光源照射后，TiO2表面水滴的接触角会逐渐从原先的40~60度趋近于10度以下，因而会使原本凝聚的水滴摊开形成薄膜。

与一般超亲水性材料不同的是，TiO2薄膜经紫外光照射后，表面不但会亲水也会亲油（有机溶剂），呈现亲油水双性（Amphiphilic）。一颗水滴在表面的接触角会趋近零度，称为亲水性表面（Hydrophilic）；另一方面，一颗油滴在表面的接触角也会趋近零度，称为亲油性表面（Oleophilic）。此种现象经研究观察，TiO2的表面之所以具有双重的亲油和亲水性，是在表面上会形成像西洋棋盘式的区块（Domain），每一区块大小约为100 nm的长方形，亲油和亲水的区块交错排列。亲水的区块如上所述是氧空缺的位置（见Fig.6），吸附的水分子而形成，而亲油的区块，则是的原本未照射前，就是非亲水性（即亲油性）区块所组成。

 
Fig.6 反应机制
 

根据前述说明，针对LED照明产品品质良莠不齐现象，与纳米新材料科技技术作结合，不论在LED灯板的制作工序、有机玻璃透镜的光学效率以及灯具外观上的涂层，均有很大的应用空间。使用含纳米TiO2的绝缘剂，可确保LED灯板及电子电路控制板等产品，应用在户外时不再受潮湿影响造成误动作及损坏。该纳米材料更可取代现有的绝缘胶，改善LED灯板的散热问题，降低LED因散热不良而造成的光衰，并延长了LED本身的寿命。而将TiO2光触媒液涂布在有机玻璃透镜上，不仅改善光输出率、光分布及光束角等光学特性，还可达到自洁易洁的效果，使透镜表面的洁净度不影响LED光输出。由于LED灯具小，强调它的长效及免维护功能，其灯具的外观保洁更应考虑周详；利用TiO2光触媒材料的超亲水性，使灯具的外壳不易受空气污染及脏垢附着，可藉由大自然雨水冲刷的力量将灯具外壳清洗干净，永保灯具外观的清新亮丽。相信未来还有多的纳米新材料可以应用在LED照明产品上，使LED照明产品真的达到灯源寿命长，减少维护次数降低维护成本，成为节能的绿色环保照明产品。

来源：品能光电技术（上海）有限公司 姜兆昱 市场行销部副总经理