光拡散プラスチックの特性に及ぼす光拡散剤の影響

電気エネルギーを光エネルギーに直接変換する固体半導体デバイスである発光ダイオード（LED）は、堅牢な構造、耐衝撃性、高速光応答、長寿命だけでなく、低消費電力でもある。LEDは点光源である。実用的なアプリケーションでは、通常、光を明るく柔らかくするために、線光源や面光源に変換する必要があります。この変換を実現するためには、光拡散材料が必要となる。光拡散材料は、一般に光拡散剤とポリマーから構成される。

1.光拡散剤

光拡散剤は特殊な加工と表面処理によって作られる。粒径は一般的に1μm～10μm、平均粒径は約2μmで、非点収差の機能を持ち、流動性が良く、光学樹脂基材との相性が良いビーズです。

現在、光拡散剤は主に無機系と有機系に分けられる。無機光拡散剤は主に二酸化ケイ素、二酸化チタン、炭酸カルシウム、水酸化アルミニウム、ガラスビーズなどの無機粒子を含み、有機光拡散剤は主に架橋ポリスチレン、ポリメタクリレートなどの有機高分子微小球を含む。

無機光拡散剤

二酸化ケイ素、二酸化チタン、炭酸カルシウムなどの無機微粒子を添加すると、微粒子の表面から光が無数に拡散し、均一な光の効果が得られる。無機粒子は耐熱性に優れているが、形状が異なり、粒径の偏差が大きく、光の拡散性が均一でない。無機光拡散剤は、ミクロ的に見ると固体の微小球体であり、光はこの固体の球体を通過することができない。多くの光の透過に影響を与え、光の一部しか屈折しないため、光の明るさや透過率に影響を与える。ランプシェードに50%以上の光線透過率を要求される方は、無機系の光拡散剤を選ぶことはできません。

有機光拡散剤
架橋ポリスチレンおよびポリメタクリレート微小球は、形状の均一性がよく、粒径偏差を制御でき、光透過率が高いが、耐熱性が低い。光拡散ポリマーの押出造粒や導光体の高温射出成形や押出成形の際、ポリマー粒子が変形しやすく、光の均一拡散に影響を与える。さらに、ポリスチレン光拡散板の耐光性が悪く、黄変しやすく、LEDの品質と寿命に影響する。

近年、有機-無機ハイブリッド有機シリコン微小球拡散板が開発された。シリコーン微小球光拡散板は、無機微粒子の高耐熱性、耐光性、耐老化性などの特徴を持つだけでなく、有機微粒子の形状の均一性、高光透過率、良好な光拡散均一性などの特徴を持ち、合成モノマーの変化により屈折率を変化させることができ、光拡散によりその場で微粒子表面を改質することができる。ポリカーボネート（PC）、ポリメチルメタクリレート（PMMA）、ポリスチレン（PS）および他の導光板マトリックス樹脂との光拡散粒子の相溶性および適応性を改善する広い応用の見通しを持っている。従って、シリコーン微小球は、LED用の高性能光拡散剤として期待されている。シリコーン光拡散剤は通常、メチルトリメトキシシランとフェニルトリメトキシシランから加水分解、縮合、架橋反応により形成される微小球製品であり、粒度分布は1μm～8μm、平均粒径は2μm～4μmである。

2 光拡散プラスチック
PC樹脂に光拡散板を添加すると、光拡散板は球状となり、PC樹脂中に均一に分散して島状構造を形成する。PC樹脂と光拡散体の屈折率が異なるため、光拡散体の表面で鏡面反射に近い光となり、多重反射後に光拡散効果が得られる。

光拡散材料の調製には、一般に重合法とブレンド改質法があり、それぞれに特徴がある。重合法は、光の屈折の原理に従い、屈折率が異なり、相溶性の悪い2種類のポリマーモノマーの共重合、または分割重合を選択し、さらに光散乱材料を調製する方法である。一般的に用いられる重合方法は、反応活性の異なる2種類のモノマーを用意する方法である。散乱体モノマーの反応活性はマトリックスモノマーの反応活性と異なり、散乱体モノマーはマトリックスモノマーと自己重合またはブロック共重合を生じるからである。このようにして、それぞれの重合鎖に形成される縮合核の光学的性質は均一であり、光は縮合核の境界で反射・屈折し、散乱を形成する。重合は、ポリ（メチルメタクリレート）ベース（PMMA）ベースの光拡散材料の調製に広く使用されているが、PCベースの光拡散材料の調製に使用されることはほとんどなく、関連する報告や研究も非常にまれである。

配合変更方法は、PC樹脂に光拡散材を添加する方法である。光拡散板は球状で、PC樹脂中に均一に分散して島状構造を形成する。PC樹脂と光拡散体の屈折率が異なるため、光拡散体の表面で鏡面反射に近い光となり、何度も反射することで光拡散効果が得られる。同時に、光拡散剤の量、粒子径と分布、屈折率が材料の光学特性を決定する。現在、多くの新しいタイプの光拡散材料は、この方法はポリマーのドーピングに似ており、プロセスが簡単であるため、特に消費量が非常に大きい光拡散板では、この方法は連続的に生産することができ、高い生産効率を持っている方法を使用して製造されています。.

光拡散剤は、PC、PMMA、PSなどの透明プラスチックに添加され、光拡散プラスチックを得る。光拡散プラスチックは、光源やまぶしい光をカバーするだけでなく、透明樹脂全体をより柔らかく、美しく、優雅な光で発光させ、光透過性と不透明性の快適な効果を実現する。
LED照明のグレアとブルーライトの害の問題を解決するために、有機ケイ素光拡散材料から出発して、二酸化チタン（TiO2）とセリア（CeO2）を用いて光拡散剤の表面を改質・機能化し、良好な光学特性とブルーライト遮蔽機能を有する光拡散材料を得た。

光拡散プラスチックの特性に及ぼす光拡散剤の影響は？

光拡散剤の種類は、有機粒子、無機粒子、複合材料の3つに分けられる。散乱体粒子は以下の3点を満たす必要がある：
主な結果は以下の通り：

(1) 光学的特性とマトリックス材料との間には、いくつかの違いがある。
(2) 透過光の吸収がない、あるいは少ないこと。
(3) 粒子の大きさは一定の条件を満たさなければならない。

研究当初は、無機散乱体粒子が広く使用されているが、この粒子は硬く不規則であるため、加工時に装置を傷つけやすく、分散粒子の均一性も十分ではない。また、粒子自体の大きさが大きすぎると、高分子材料の表面が平滑にならない。そのため、生産現場では徐々に無機粒子に置き換わっている。有機散乱粒子と基材との相溶性は無機粒子よりも優れているため、次第に無機粒子に取って代わられる。シェル-コア構造の散乱粒子は、コアとシェルから構成され、最外層のコア-シェル材料が良好に適合できるため、散乱粒子の分散特性が向上し、より大きな利点があることが判明した。同時に、粒子間の緊密な結合により、複合材料の機械的特性も向上している。より強靭な材料をコアに使用すれば、材料の衝撃性能が向上する。

光拡散剤の屈折率
光散乱理論によると、同じ体積と同じ直径の光拡散剤の異なる光拡散ポリマーの光散乱効果は、屈折率と直接関係している。PC光拡散材料では、光拡散剤粒子とマトリックス樹脂の屈折率の差が光拡散材料の拡散効果と光透過効果を直接決定する。

について 光拡散剤の粒子径
光拡散剤の粒子はマトリックス樹脂材料中に分散しており、この粒子径も複合材料の特性に影響を与える。あるドーピング濃度において、光拡散剤の粒子径が大きくなるにつれて、光透過率は徐々に増加し、拡散率は急激に増加し、ピークに達した後、減少し始めることがわかった。光拡散剤の粒子径が大きくなるにつれて、逆散乱効果は弱まり、順散乱効果が増強され、光透過率が向上する。

ナノ粒子のような小さな粒子をPCに混合した場合、拡散率は主に光拡散剤粒子の散乱能に依存し、この場合散乱係数は小さく、拡散率も非常に低くなる。粒子径が徐々に大きくなると、粒子の散乱能が大きくなり、拡散率が大きくなる。粒子径が大きくなり続けると、散乱能はあまり影響を受けなくなり、散乱光はほとんど前面に集中するため、拡散率は低下傾向を示す。

光拡散剤粒子のドープ量
光拡散剤粒子のドーピング量も材料の散乱効果を決定する重要な要素である。数値シミュレーション研究では、散乱剤粒子のドーピング量が出射光面の均一性を決定できることがわかった。媒質中の散乱体粒子のドーピング量が臨界点を超えると、出射光の最も強い部分が光源から遠く離れて現れ、粒子の濃度がちょうど臨界点にあるとき、出射光の強度分布は非常に均一である。散乱体粒子の量が増えると、出力光の最大強度は遠方から近傍に移動する。したがって、ドーピング粒子の数を効果的にコントロールしさえすれば、均一な分布光を得ることができる。