JP2013140703A - 放出光拡散層及びそれを用いた導光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度が大きい導光装置及びそれに用いられる放出光拡散層を提供する。
【解決手段】放出光拡散層１３、１５は導光板１１の光放射側に配置され、光透過性のマトリックスと、マトリックスに分散されるナノ中空シリカ粒子とを含む。ナノ中空シリカ粒子はその一次粒子径が５００ｎｍ以下であり、壁厚が３０ｎｍ以下であり、かつ空隙率が４０％以上である。ナノ中空シリカ粒子はマトリックスにおいて凝集しており、その二次凝集粒子径が１５００ｎｍ以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、導光板から放出された光を拡散するために、光放射側に配置される放出光拡散層及びそれを用いた導光装置に関する。

液晶テレビやＬＥＤを用いた発光装置等、多くの産業分野において導光装置が用いられている（例えば特許文献１）。これらの導光装置においては、発光面での高い輝度が求められており、導光装置を構成する各部材はこれに要求される機能を発揮し、それを向上するとともに、光の減衰を低減する必要がある。

特開２００４−６１８７号公報

しかし、上記従来の導光装置では、いまだ十分な輝度が得られていないという課題があった。本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、輝度が大きい導光装置及びそれに用いられる放出光拡散層を提供することを解決すべき課題としている。

本発明は、導光板の光放射側に配置される放出光拡散層であって、光透過性のマトリックスと、該マトリックスに分散されるナノ中空シリカ粒子であって、該ナノ中空シリカ粒子はその一次粒子径が５００ｎｍ以下であり、壁厚が３０ｎｍ以下であり、かつ空隙率が４０％以上であり、前記マトリックスにおいて凝集しており、その二次凝集粒子径が１５００ｎｍ以下であるナノ中空シリカ粒子と、を含む放出光拡散層である。
尚、本明細書における「導光板」は板状物に限定されないことは当業者であれば理解される。

本発明の放出光拡散層は、導光板の光放射側に配置され、これにより光を拡散する機能を発揮するものである。すなわち、放出光拡散層中に含まれているナノ中空シリカ粒子は光透過性のマトリックスに分散されており、ナノ中空シリカ粒子による光の散乱は、粒子外表面のみならず粒子内表面でも起こる（図６参照）。さらには、中空構造を有することから、中実粒子とは異なり、粒子内部に入る光のエネルギー減衰も少なく、効率よく散乱が起こる（図６及び図７参照)。このため、本発明の放出光拡散層では、透過性を確保しつつ、なおかつ散乱効果をも有することとなる。つまり透過性（粒子内部を通過する分もある）と散乱性（粒子内壁分もある）のバランスが、中実粒子と異なることで、透過性を確保しつつ均一に散乱するという特徴を有することとなるのである。このような特徴は、可視光下で不透明とならないサイズの凝集塊では、ナノ中空シリカ粒子の高透過性・高散乱性が相俟って効率的に均一に起こる。

また、本発明の放出光拡散層中に含まれているナノ中空シリカ粒子は光透過性のマトリックスに分散されており、１次粒子径は５００ｎｍ以下と極めて小さく、且つその壁厚が３０ｎｍ以下と極めて薄くされている。このため、ナノ中空シリカ粒子の粒子径及び壁厚が可視光や赤外線の波長と同程度以下であり、可視光や、赤外線に対する透明性が失われ難い。また、このナノ中空シリカ粒子の空隙率は４０%以上と高くされていることも相俟って、高い光透過率を有することとなる。このため、放出光拡散層における光強度の減衰が少ない。
したがって、本発明の放出光拡散層を導光板の光放出側に配置させれば、輝度が大きく、輝度ムラの少ない導光装置となる。本発明の「導光装置」は光源、導光板及び放出光拡散層を含む装置であればよく、具体的には、液晶TV用、広告用、看板用、照明用、自動車のメーターパネル用などに用いることができる。

本発明者らの試験結果によれば、本発明の放出光拡散層中におけるナノ中空シリカ粒子は、放出光拡散層中では二次凝集粒子となるため、空気を内包した二次凝集粒子としての特性としても、高透過率と高散乱とを両立させるものと考えられる。また、このような特徴を生かし、二次凝集粒子によって透過及び散乱のバランスを調整することもできる。すなわち、散乱に関しては一粒子からの散乱（粒子内壁分もある）と二次凝集粒子外壁の散乱が重なっているので、一次粒子及び二次粒子を調整するのである。具体的には、ナノ中空シリカ粒子における一次粒子の径、シリカセルの壁厚、空隙率及び二次凝集粒子径を調整することによって、透過及び散乱のバランスを調整することができる。
ナノ中空シリカ粒子の二次凝集粒子径は１５００ｎｍ以下であり、好ましいのは５００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、さらに好ましいのは７００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。二次凝集粒子径が５００ｎｍ未満では光の散乱や反射が起こり難くなる。また、二次凝集粒子径が１５００ｎｍを超えると光の透過性が悪くなり、導光板の光放射面での輝度が低下する。

実施形態に係るサイドライト式導光装置の分解斜視図である。 実施形態に係るサイドライト式導光装置の模式断面図である。 実施例１及び比較例１のサイドライト式導光装置の分解斜視図である。 実施例１及び比較例１のサイドライト式導光装置の模式断面図である。 実施例１及び比較例１のサイドライト式導光装置の平面図である（○で囲んだ数字は輝度を測定した位置を示す）。 ナノ中空シリカ粒子による光の散乱及び透過を示す模式図である。 中実粒子による光の散乱及び透過を示す模式図である。

図１は本発明の放出光拡散層をサイドライト式導光装置に適用した実施形態の分解斜視図である。このサイドライト式導光装置は導光装置本体１０と、導光装置本体１０の側面に設置されるＬＥＤ光源２０とからなる（ＬＥＤ光源２０の替りに蛍光管等の光源を配置してもよい）。
導光装置本体１０は導光板１１を備えており、導光板１１は、図２に示すように、無色透明のアクリル樹脂等からなる導光板本体１１ａと、導光板本体１１ａの光放射面と反対側の面（以後「裏側面」という）にドット印刷された光分配層１１ｂとから構成されている。光分配層１１ｂには、ナノ中空シリカ粒子を含ませてもよいし、含ませなくてもよい。光分配層１１ｂにはシリカヒューム等の光散乱微粒子を添加できる。光分配層１１ｂは、後述する光透過性樹脂溶液組成物をスクリーン印刷等によって印刷することにより形成することができる。導光板１１の裏側面にはアルミ板からなる反射層１２が積層されている。ここで、積層とは、密着されている場合のみならず、単に各層が重ねられて接着していない場合（すなわち層間に僅かな空隙を有する場合）も含む。図２では、光分配層１１ｂはドット印刷されているが、これに限定されるものではなく、目的に応じて好適な印刷パターンを採用でき、塗布、スピンコート等印刷以外の方法で形成してもいいし、導光板本体１１ａと別体のシートとすることもできる。
導光板１１の裏側面には反射部材１２が積層されている。反射部材１２は反射層１２ａに厚さ３〜１０μｍの反射光拡散層１２ｂが積層された構造となっている。この反射光拡散層１２ｂは、反射層１２ａに、光透過性樹脂溶液組成物をスクリーン印刷等によって印刷することにより形成することができる。

一方、導光板１１の光放射面側には第1放出光拡散層１３が積層されている。第1放出光拡散層１３は、アクリル等の無色透明樹脂からなるフィルム１３ａの裏側面に、導光板１１からの放射光を拡散するための光散乱粒子含有層１３ｂが積層された構造となっている。光散乱粒子含有層１３ｂの厚さは、放射光の明るさを均一にするために必要とされる拡散効果を奏し、かつ必要とされる光透過性を奏するように、適宜調整する。この光散乱粒子含有層１３ｂは、フィルム１３ａに、後述する光透過性樹脂溶液組成物をスクリーン印刷等によって印刷することにより形成することができる。また、光散乱粒子含有層１３ｂはフィルム１３ａ中に組み込まれてもよいし、分散されてもいてもよく、一体で形成されてもよい。
第１放出光拡散層１３を導光板本体１１ａと別シートとせず、導光板本体１１ａへ印刷、その他のデポジション法により形成することもできる。

さらに、第１放出光拡散層１３の光放射面側には、第１放出光拡散層１３からの放射光を屈折作用により正面に集光させ、正面輝度を向上させる機能を果たす集光層１４が設けられている。集光層１４は無色透明の樹脂からなり、断面が三角形状の構造列が並んだ構造とされている。なお、図１及び図２においては、集光層１４が１枚のみとされているが、三角形状の構造列が直交するように複数の集光層を入れることも好ましい。マイクロレンズ構造の集光層を採用することもできる。

また、集光層１４の光放射面側には、集光層１４からの放射光の明るさを均一にするための第２放出光拡散層１５が積層されている。第２放出光拡散層１５はアクリル等の無色透明樹脂からなるフィルム１５ａの光放射面側に放射光を拡散するための光散乱粒子ナノ中空シリカ粒子含有層１５ｂが積層された構造となっている。この光散乱粒子含有層１５ｂも、前述した光散乱粒子含有層１３ｂと同様、フィルム１５ａに、後述する光透過性樹脂溶液組成物をスクリーン印刷等によって印刷することにより形成することができる。また、光散乱粒子含有層１５ｂもフィルム１５ａ中に組み込まれてもよいし、分散されてもいてもよく、一体で形成されてもよい。

（光透過性樹脂溶液組成物）
前述した光透過性樹脂溶液組成物は、溶剤に溶解した光透過性のマトリックスにナノ中空シリカ粒子が分散されてなる粘性液である。なお、ナノ中空シリカ粒子だけでは、光拡散性が足りない場合には、光拡散用のメジウムを添加してもよい。この場合の光拡散用のメジウムは、透明なものが好ましい。こうであれば、第１及び第２放出光拡散層１３、１５における光の減衰が少なくなるからである。また、印刷に適する粘度やチクソトロピー性を付与するための増粘剤等を加えもよい。

ナノ中空シリカ粒子以外に光拡散粒子を添加する場合の添加量は、導光板内に照射された光の散乱及び透過のバランスを考慮して適宜決定すればよい。ナノ中空シリカ粒子の量や割合を増やせば散乱光及び透過光の双方が増大するため、放出光拡散層を設けた側の面が明るくなる。一方光拡散粒子が光透過率の低い中実粒子の場合には、散乱光は増大するが透過光は減少するため、放出光拡散層を設けた側と反対側の面が明るくなる。さらには、ナノ中空シリカ粒子以外の光拡散粒子の成分や一次粒子の径を調整することによっても、透過及び散乱のバランスを調整することができる。
通常推奨されるのは以下の範囲である。
ナノ中空シリカ粒子：
10重量％〜40重量％、好ましくは15重量％〜30重量％、さらに好ましくは20重量％〜25重量％。
ナノ中空シリカ粒子以外の光拡散粒子：
20重量％〜80重量％、好ましくは30重量％〜60重量％、さらに好ましくは40重量％〜50重量％。

光拡散粒子を添加せず、全てナノ中空シリカ粒子としてもよい。ナノ中空シリカ粒子の粒子径が光の波長よりも小さい場合においても放出光拡散層の中では凝集して大きな二次粒子を形成するため、空気を内包した凝集粒子としての特性では高透過と高散乱を両立させることができるからである。

光透過性のマトリックスとしては、光を透過する材料であれば特に限定はない。例えば、透明樹脂や無機ガラス等が用いられる。透明樹脂としては、例えばポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）樹脂、メタクリル樹脂、メタクリル酸メチル−スチレン共重合体樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ）樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。
なお、本明細書において、光とは可視光の他、赤外線や紫外線をも含む。

光透過性樹脂溶液組成物に分散させるナノ中空シリカ粒子は、１次粒子径が５００ｎｍ以下であり、壁厚が３０ｎｍ以下であり、空隙率が４０％以上である。好ましくは１次粒子径が１０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下であり、壁厚が５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、空隙率が４０％以上９０％以下である。

このような中空ナノ粒子は、例えば、特開２００５−２６３５５０号公報に記載の方法によって製造することができる。すなわち、炭酸カルシウムを調製する第１工程、炭酸カルシウムにシリカをコーティングする第２工程、及び炭酸カルシウムを溶解させる第３工程により、シリカの殻からなる中空粒子を製造する方法において、
(１)第１工程において、透過型電子顕微鏡法による一次粒子径が２０〜２００ｎｍの炭酸カルシウムを水系にて調製し、静的光拡散法による粒子径が２０〜７００ｎｍになるように熟成させた後、脱水して含水ケーキの状態とし、
(２)第２工程において、(１)の含水ケーキをアルコール中に分散させ、アンモニア水、水、シリコンアルコキシドを、シリコンアルコキシド／アルコールの体積比を０．００２〜０．１、アンモニア水に含有されるＮＨ₃を、シリコンアルコキシド１モルに対して、４〜１５モル、水をシリコンアルコキシド１モルに対して、２５〜２００モルとなるように添加することにより、シリカでコーティングされた炭酸カルシウムを調製した後、アルコール及び水による洗浄を行い、再び含水ケーキとし、
(３)第３工程において、(２)の含水ケーキを水に分散させ、酸を添加して、液の酸濃度を０．１〜３モル／Ｌとすることにより炭酸カルシウムを溶解させることにより、緻密なシリカ殻からなる高分散の中空状粒子である。

この方法によれば、透過型電子顕微鏡法による一次粒子径が３０〜５００ｎｍ、静的光拡散法による粒子径が３０〜８００ｎｍ、壁厚５〜３０ｎｍ、水銀圧入法により測定される細孔分布において２〜２０ｎｍの細孔が検出されない高分散シリカナノ中空粒子を製造することができる。また、上記第１工程において調製される炭酸カルシウムの結晶はカルサイトであり六方晶系であるが、合成条件を制御することにより、あたかも立方晶系であるかのような形状、即ち「立方体状」に成長させることができる。ここで、「立方体状」とは、立方体に限らず面で囲まれた立方体に似た形状も含む意味である。

発明者らは、この方法に順じ、適宜薬剤濃度や撹拌方法や温度やアルカリの種類等を調整することにより、以下に示す様々な１次粒子径、壁厚、及び空隙率のナノ中空シリカ粒子を製造できることを確認している。

また、ナノ中空シリカ粒子は、透明性マトリックスに分散し易くするために、表面処理剤で疎水性処理がなされていてもよい。

次に、実施形態のサイドライト式導光装置の作用・効果について述べる。
このサイドライト式導光装置では、ＬＥＤ光源２０によって導光体１１の側面から照射された光が導光板本体１１ａの中を境界面で反射しながら進行するとともに、光分配層１１ｂ中の光散乱粒子によって散乱し、その一部が裏面側に進行する。こうして裏面側に抜けた光は、反射層１２で反射され、導光体１１側に戻される。そして導光板１１内を反射及び／又は屈折し、光放射面側に抜け出た光が第1放出光拡散層１３によって拡散し、輝度ムラが改善されて集光層１４に入る。この集光層１４では、放射光を屈折作用により正面に集光させ、正面輝度を向上させる機能を果たす。そして、第２放出光拡散層１５によって拡散し、輝度ムラが改善されて正面側に輝度が高く、輝度ムラの少ない光が放射される。

ここで、第1放出光拡散層１３の光散乱粒子含有層１３ｂ及び第２放出光拡散層１５の光散乱粒子含有層１５ｂにはナノ中空シリカ粒子が含有されているため、導光板本体１１ａの光放射面側から放出された光を拡散し、光放射面での発光を均一なものにするという光拡散機能を発揮する。しかも、ナノ中空シリカ粒子の一次粒子径は５００ｎｍ以下であり、壁厚が３０ｎｍ以下であり、かつ空隙率が４０％以上であるため、高い光透過率を有し、反射層１２における光強度の減衰が少ない。また、ナノ中空シリカ粒子の散乱は粒子外表面のみならず、粒子内表面でも起こる。さらには、中空構造を有することから、中実粒子とは異なり、粒子内部に入る光のエネルギー減衰も少なく、効率よく散乱が起こる。このため、本発明の放出光拡散層では、透過性を確保しつつ、なおかつ散乱効果をも有することとなる。つまり透過性（粒子内部を通過する分もある）と散乱性（粒子内壁分もある）のバランスが、中実粒子と異なることで、透過性を確保しつつ均一に散乱するという特徴を有することとなるのである。このような特徴は、可視光下で不透明とならないサイズの凝集塊では、ナノ中空シリカ粒子の高透過性・高散乱性が相俟って効率的に均一に起こる。
また、放出光拡散層１３及び放出光拡散層１５の高い光透過性によって光のロスも少なくなる。
したがって、放出光拡散層１３及び放出光拡散層１５の存在により、輝度が大きく、輝度ムラの少ない光が放射される。

（実施例１）
図３に示すように、A4版/5mm厚のアクリル樹脂性の導光板２０の半面Ａに中実SiO2粒子（ミノグループ製SR931白色メジウムインキ）を用いてスクリーン印刷にて導光パターンをスクリーン印刷し、残りの反面Ｂにミノグループ製SR930透明メジウムインキにナノ中空シリカ（GRANDEX製NanoBalloon XP200一次粒子径200nm/二次粒子径1000nm、壁厚約10nm）を20重量パーセント混合したインキを用い、スクリーン印刷にて導光パターンを印刷してこれを光分配層とした。

また、透明のポリカーボネート製のシート（厚み0.2mm）に、ミノグループ製SR930透明メジウム（フィラー添加なし・アクリル樹脂系スクリーン印刷用透明インキ）にGRANDEX製NanoBalloon XP100（中空ナノシリカ・一次粒子径100nm/二次粒子径1000nm/壁厚10nm）を30重量%分散させたインキをスクリーン印刷にて10μmの膜厚にて塗布して放出光拡散層を形成したものを拡散シート２３とした。

そして、図４にも示すように、導光板２０の長辺方向側面にLED光源３０を置き、図５に示すように、導光板２０の導光パターン印刷面２１を下とし、さらに反射シート２２として東レ製白色PETフィルムを重ねた。また、導光板２０の上には拡散シート２３を重ねた。こうして実施例１の導光装置を作製した。

（比較例１）
比較例１では、実施例１における拡散シート２３の代わりに、麗光製ルイルライト（同じ膜厚＝0.2mm）を用いた。その他については実施例１の導光装置と同じであり、説明を省略する。

＜評 価＞
実施例１及び比較例１の導光装置について、LED光源を点灯させた場合の光放射面の輝度を場所ごとに測定した。輝度測定ポイントは図５に示すとおり等間隔に２列８か所とした。輝度の測定にはコニカミノルタセンシンク゛株式会社CA-1500Wを用いた。比較例１における結果を表２に、実施例１における結果を表３にそれぞれ示す。

Ａ領域（すなわち光分配層の光拡散粒子が白色メジウムのみの領域）においては、比較例１で平均輝度921cd/m2であったのに対し、実施例１では平均輝度が955cd/m2となり、比較例１に対して約3.5％の輝度向上が確認された。
また、Ｂ領域（すなわち光分配層の光拡散粒子が透明メジウム+ナノ中空シリカの領域）においては、比較例１で平均輝度1081cd/m2であったのに対し、実施例１では平均輝度が1141cd/m2と約5.5%の輝度向上が確認された。
以上結果から、Ａ、Ｂいずれの領域であっても、実施例１のほうが比較例１よりも輝度が高いことが分かる。特に、光分配層にナノ中空シリカが存在するＢ領域において、輝度向上の効果が優れていることが分かった。すなわち、ナノ中空シリカを含有する実施例１の放出光拡散層を用いた導光装置は、光分配層にもナノ中空シリカを含有する場合において、特に高い輝度（約２４％の輝度向上）が得られることが分かった。

上記実施例では、ＬＥＤ用のパネルについて説明したが、同様に光拡散を必要とする用途全てに適用できる。具体的には、導光板（液晶TV用、広告用、看板用、照明用、自動車のメーターパネル用など）やLED透過光による自動車の計器類や家電製品の表示板に用いたり、液晶TV用拡散板や、液晶TV用反射シートや、蛍光灯／ハロゲンランプのレンズ及びその表面コーティングや、LED電球／LED照明や、各種照明・看板機器や、自動車や自転車などのヘッドライト・テールランプに用いることができる。これらの使用には、光透過材料の表面にスクリーン印刷等の方法によってコーティングして用いるほか、バルク材として使用することもできる。また、上記実施例ではLEDが光源であったが、これは光源をLEDに限るものではなく、冷陰極管などの蛍光灯タイプの光源でも適用が可能である。

この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
上記の実施例では放出光拡散層にナノ中空シリカを配合する例を説明してきた。放出光拡散層以外の要素は周知、汎用されている部材、材料を利用できることは言うまでもない。なお、反射光拡散層、光分配層の少なくとも一つへこの発明で規定するようにナノ中空シリカを配合することができる。
２以上の放出光拡散層を備える装置においては、少なく１つの放出光拡散層へこの発明で規定するようにナノ中空シリカを配合することが好ましい。
放出光拡散層や集光層の枚数や重ねる順番については、上記に限るものではなく、集光層にプリズムレンズとマイクロレンズとを併せて使用したり、放出光拡散層、マイクロレンズ及びプリズムレンズを複数枚組み合わせたり、光放出面から各層を置く順番を変える等、自由な組み合わせが許される。

１０…導光装置本体、２０、３０…ＬＥＤ光源、
１１、２０…導光板（１１ａ…導光板本体、１１ｂ…光分配層）
１３…第1放出光拡散層（１３ａ…フィルム、１３ｂ…光散乱粒子含有層）
１５…第２放出光拡散層（１５ａ…フィルム、１５ｂ…光散乱粒子含有層）
１２…反射層、２２…反射シート

Claims (2)

1. 導光板の光放射側に配置される放出光拡散層であって、
   光透過性のマトリックスと、
   該マトリックスに分散されるナノ中空シリカ粒子であって、該ナノ中空シリカ粒子はその一次粒子径が５００ｎｍ以下であり、壁厚が３０ｎｍ以下であり、かつ空隙率が４０％以上であり、前記マトリックスにおいて凝集しており、その二次凝集粒子径が１５００ｎｍ以下であるナノ中空シリカ粒子と、を含む放出光拡散層。
2. 請求項１に記載の放出光拡散層を含む導光装置。

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