폴리카보네이트의 굴절률: 값, 분산 및 디자인 영향

LED 패널 조명의 프로토타입을 실행하는 동안 엔지니어링 팀은 내충격성과 난연성을 얻기 위해 PMMA 디퓨저를 폴리카보네이트 버전으로 교체했습니다. 투과광이 약 1%포인트 정도 떨어졌고, 처음에는 공급업체를 비난했습니다. 그러나 그 원인은 재료의 품질이 아니라 거의 모든 투명 광학 부품의 반사, 굴절 및 추출 효율을 조용히 지배하는 숫자인 폴리카보네이트의 굴절률에 있었습니다.

폴리카보네이트의 굴절률은 589nm(나트륨 D 선)에서 약 1.586이며, 이 값은 대부분의 데이터시트에 인쇄되어 있습니다. 632.8nm에서는 약 1.58132로 떨어집니다. 지수가 PMMA(약 1.491)와 폴리스티렌(약 1.59) 사이에 있기 때문에 PC는 적당한 프레넬 반사, 39도에 가까운 임계각, 정밀 광학 물질에 대한 충분한 분산으로 충격 강도를 제공합니다.

실제 부품에서 이 숫자가 중요한 이유

굴절률 n은 진공에서의 빛의 속도와 물질 내부의 속도의 비율입니다. 폴리카보네이트의 경우 n = 1.586은 빛이 시트를 통해 대략 1.9 x 10^8m/s의 속도로 이동한다는 것을 의미하며, 이는 진공 상태보다 약 37% 느립니다. 이러한 둔화는 실제로 세 가지를 변화시킵니다.

표면 반사

Air-to-PC 인터페이스는 표면당 수직 입사광의 약 5.1%를 반사합니다. 두 표면은 흡수가 계산되기 전에 대략 10%의 손실을 의미하며 이는 조명기구 효율에 직접적인 영향을 미칩니다.

전체 내부 반사

PC에서 공기를 향해 이동하는 빛은 약 39.1도의 임계각에 도달합니다. 이것이 바로 가장자리 조명 도광판이 패널 전체에 빛을 가두어 분배할 수 있게 해주는 것입니다.

각도에서의 굴절

PC로 만든 렌즈나 프리즘은 PMMA보다 빛을 눈에 띄게 더 많이 휘게 합니다. 이는 소형 광학에 유용하지만 백색광 시스템에서 색 분리도 증가합니다.

스펙트럼 전반에 걸친 참조 지수 값

플라스틱을 단일 굴절률을 갖는 것으로 취급하는 것은 실수입니다. PC는 분산형입니다. 파장이 증가하면 지수가 떨어집니다. 아래 값은 일반적으로 게시된 기준점이며 정확한 수치는 수지 등급, 첨가제 패키지 및 측정 방법에 따라 약간씩 다릅니다.

공개된 PC 굴절률 데이터 클러스터는 가시 범위에서 1.58~1.59에 가깝습니다. Sultanovaet al. (2009)는 0.437에서 1.05um까지의 연속 데이터 세트를 제공합니다. 항상 재료 데이터시트를 확인하세요.

파장

굴절률

참고사항

486.1nm(F 라인)

~1.594

일반적인 고분산 기준점

589.3nm(d라인)

1.585~1.586

데이터시트에서 가장 자주 인용되는 값

632.8nm

1.58132

KLA/Filmetrics 참조 측정

656.3nm(C 라인)

~1.575

일반적인 저분산 기준점

PC를 다른 광학 플라스틱과 비교하는 방법

폴리카보네이트의 굴절률을 다른 투명 열가소성 수지와 비교하면 설계 상충관계가 더 명확해집니다.

표면 반사는 프레넬 방정식을 사용하여 공기 중 수직 입사에 대해 계산됩니다. 실제 값은 파장, 각도, 표면 질감에 따라 달라집니다.

소재

589nm에서 n

아베수

반사/표면

폴리카보네이트

1.586

~30

5.1%

PMMA

1.491

~58

3.9%

폴리스티렌

1.590

~31

5.2%

COC

1.533

~56

4.4%

PET 필름

1.575

~24

5.0%

PMMA와 COC는 분산이 훨씬 낮기 때문에(아베수가 더 높음) 이미징 렌즈에 선호됩니다. PC와 PS는 지수와 분산이 거의 동일하지만 충격 강도, 내열성 및 난연성 옵션에서는 PC가 승리합니다. PET 필름의 낮은 아베수는 광학 경로가 짧은 얇은 백라이트 필름에서는 그다지 중요하지 않습니다.

숨겨진 지표 데이터시트가 항상 표시되는 것은 아닙니다

데이터시트 색인 값은 첫 번째 질문에 답하지만 세 가지 숨겨진 매개변수가 실제 성능을 결정합니다.

복굴절

압출 PC는 생산 중에 분자 방향을 발전시켜 복굴절을 생성할 수 있습니다. 그러면 굴절률은 축에 따라 다릅니다. 디스플레이 등급 도광판의 경우 밝기가 고르지 않을 수 있습니다. 적절하게 제어되는 압출 라인을 어닐링하거나 선택하면 효과가 줄어듭니다.

온도 의존성

PC의 열광학 계수는 K당 -1 x 10^-4 정도입니다. 일반적인 실내 온도 변동인 40K에서 지수는 대략 0.004만큼 이동합니다. 이는 디퓨저에는 관련이 없지만 간섭계 시스템이나 허용 오차가 엄격한 AR 코팅 광학 장치에는 중요할 수 있습니다.

표면별 프레넬 반사

수직 입사에서 n으로부터 계산된 반사 손실은 PC가 일반적인 재료 중 어디에 위치하는지 보여줍니다.

PC 5.1%

PS 5.2%

PMMA 3.9%

COC 4.4%

페트 5.0%

굴절률이 PC 선택을 좌우하는 곳

폴리카보네이트의 굴절률을 읽는 실용적인 방법은 이를 활용하는 응용 프로그램을 이용하는 것입니다. 아래 분포는 조명 및 디스플레이 산업 전반에서 광학 등급 PC 시트가 일반적으로 소비되는 방식을 반영합니다.

LED 패널 광 확산기 - 35%
도광판 - 25%
렌즈 및 보호창 - 20%
자동차 조명 - 12%
간판 및 디스플레이 커버 - 8%

반사를 최소화하는 것보다 내충격성과 내열성을 고려하여 PC를 선택하는 경우가 더 많습니다. 굴절률은 미세구조를 통해 효율적으로 광을 추출할 수 있을 만큼 충분히 높기 때문에 광확산과 UL 등급 가연성을 결합한 고정 장치에 난연성 광범위 온도 PC 확산 시트가 일반적으로 사용됩니다. 더 광범위한 재료 수준 비교를 보려면 다음을 참조하세요. LED 조명용 디퓨저 재료 가이드 .

선택 가이드: 폴리카보네이트 광학을 사용한 작업

굴절률 데이터를 최종 답변이 아닌 선별 도구로 사용하세요. PC를 이용한 실용적인 광학설계는 인덱스를 기계, 열, 가공 데이터와 함께 처리할 때 가장 잘 작동합니다.

1

파장 정의

LED 피크 파장을 선택합니다. 450nm 로얄 블루 펌프를 사용하면 지수는 589nm보다 높습니다. 가능한 경우 측정된 분산 곡선을 사용하십시오. 충격 저항성과 선명도가 모두 필요한 경우 광학급 PC 투명 시트 실질적인 출발점이다.

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2

프레넬 손실 추정

코팅되지 않은 PC 광학 장치의 경우 표면당 5.1% 반사율을 계산하고 에어 인터페이스 수를 곱합니다. 총 손실이 예산을 초과하는 경우 AR 코팅이나 PMMA와 같은 굴절률이 낮은 재료를 고려하십시오.

3

이미징을 위한 분산 확인

부품이 넓은 스펙트럼의 백색광을 이미지화하는 경우 약 30의 아베수는 눈에 띄는 색수차를 의미합니다. PC는 고급 이미징 렌즈보다 조명 및 조명 광학에 더 적합합니다.

4

복굴절 관리

엣지 조명 도광판의 경우 엄격한 두께 제어 및 어닐링이 가능한 압출 라인을 선택하십시오. 에이 자동차 라이트박스용 실크 인쇄 가능 PC 도광판 인쇄된 패턴이 넓은 영역에 걸쳐 정렬된 상태를 유지해야 하는 경우 실용적인 옵션입니다.

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5

굴절계로 검증

ASTM D542 또는 ISO 489에 따라 입고되는 재료를 측정합니다. 측정된 지수를 데이터시트와 비교하는 것은 수지 대체품이 생산되기 전에 이를 포착하는 저비용 입고 검사입니다.

PC 광학 장치의 유지 관리, 취급 및 규정 준수

폴리카보네이트 광학 제품은 올바르게 취급하고 유지 관리하는 경우에만 광학 특성을 유지합니다. 세 가지 영역에 주목할 필요가 있습니다.

세척 및 내용제성

부드러운 극세사 천과 순한 비눗물로 PC 표면을 닦으십시오. 아세톤, 벤젠 및 많은 탈지제와 같은 용제는 응력 균열이나 표면 흐림을 유발할 수 있습니다. 뜨거운 PC 디퓨저를 솔벤트가 함유된 물티슈로 닦지 마십시오. 온도가 상승하면 균열이 가속화됩니다.

자외선과 풍화

장기간 UV 노출 시 보호되지 않은 PC가 노란색으로 변합니다. 적용 분야가 실외 또는 높은 CCT LED 근처에 있는 경우 UV 안정화 등급을 사용하고 가속 풍화 후 투과율 유지를 확인하십시오. UV 저하로 인한 굴절률 변화는 후기 단계의 경고 신호입니다. 부품이 광학적으로 중요한지 모니터링하십시오.

가연성 및 화학 규정 준수

조명 기구의 경우 UL94 등급(V-2 또는 V-0)을 확인하고 REACH, RoHS 및 해당 IEC 60598 요구 사항을 확인하세요. 난연성 PC 등급은 투명 및 확산기 형태로 존재하지만 첨가제 패키지는 굴절률을 약간 이동할 수 있으므로 FR 등급에 대한 광학 데이터를 다시 검증하십시오. 건축 또는 건물 관련 PC 및 PMMA 선택에 대해서는 당사를 참조하십시오. 건축 자재 가이드 .

폴리카보네이트의 굴절률은 기억할 수 있는 고정된 상수가 아닙니다. 이는 측정, 비교, 검증을 위한 설계 입력입니다. 올바르게 사용하면 이 숫자 하나가 단순히 빛을 전달하는 조명기구와 빛을 효율적으로 관리하는 조명기구의 차이를 만듭니다.