光拡散材料に求められるLED技術と光拡散材料の開発条件

1.1 LEDの紹介

近年、世界的なエネルギー危機、LEDの急速な発展により、LEDは照明、バックライト、ディスプレイなどの産業で広く使用されている。LEDは環境保護、省エネ、長寿命などの長所があるため、応用範囲が広い。LED照明産業の発展に伴い、LED光拡散板も急速に増加している。現在、LED光拡散材料はいくつかの大手外資系企業（帝人、旭華城、韓国LGなど）に独占されており、コストがかなり高い。

1.1.1 LED技術と光拡散材料の要件。

LED-TVバックライト技術はLED照明の最も重要な応用分野である。LED-TVのLCD TV生産技術は主に直下型白色LEDバックライト技術を採用している。直下型バックライトは、数百個のLEDで構成される点光源アレイである。液晶パネルに均一なバックライトを提供するため、LEDアレイの前に光拡散板を追加する必要がある。拡散板の高い拡散率は、LED点光源が液晶パネルに結像するのを効果的に防ぐことができる。屋内外照明は、LEDの最も有望な応用分野である。屋内外の照明に使用する場合、LED光源の高い色温度と高い点光性能によりグレアが発生し、人間の目に光損失を引き起こしやすい。そのため、光拡散板を利用して、高輝度LED点光源や線光源を均一で柔らかい面光源に変え、光量の均一性と光エネルギーの利用効率を向上させ、まぶしさを防止する必要がある。

1.1.2 LEDの用途と市場展望

LED照明に使用されるシェル材料は、図1.1に示すように、いずれも光拡散材料であり、光を通過させるだけでなく、光を効果的に散乱させ、点光源や線光源を線光源や面光源に変えることができる材料を指す。点光源や線光源を線光源や面光源に変換することができる、光を効果的に散乱させることができる材料を評価する。光拡散材料の光学特性を評価する上で最も重要な2つの指標は、光線透過率とヘイズである。光を柔らかく均一にするためには、一般的に光拡散材料の光透過率が50%以上、ヘイズが90%以上であることが要求される。

光透過率と無害性の矛盾により、ヘイズはしばしば増加し、光透過率は減少する。この2つの指標をどのようにバランスさせるか、光拡散板の選択が特に重要である。LED照明産業の急速な発展に伴い、光拡散の生産効率を向上させ、連続生産を実現する必要がある。光拡散材料のほとんどは、透明ポリマーマトリックス材料と光散乱粒子をブレンドすることによって調製される。光散乱粒子には、無機マイクロシリカ、ガラスビーズ、ポリメタクリレート、ポリスチレンPS、ポリ（エチレンテレフタレート）などの有機ポリマー粒子がある。我々は、機械的特性と耐熱性に優れたPCをマトリックス材料として使用し、LED照明光拡散材料の光学特性に及ぼす微細形状の異なる様々な種類の光拡散材の影響を研究し、工業生産のための強力な参考データを提供します。

1.2 国内外における光拡散材料の発展状況

光拡散材料とは、一定の光透過率とヘイズを持つ光学材料を指し、点光源と線光源を線光源と面光源に変換し、入射ビーム光強度の均一分布効果を実現することができる。フラットパネルディスプレイ、照明工学、レーザー、投影画像などの技術分野で広く使用されている。現在、高出力発光ダイオードLEDチップ製造技術が成熟し、自動車照明、信号表示器、屋外表示スクリーン、屋内外照明などの分野に広く応用され、LED光拡散粒子の需要が急速に増加している。

現在、国内市場で優れた性能を持つ光拡散材料は、主に帝人や旭化成などの海外メーカーのもので、加工コストも高い。国内ブランドの独自研究開発は、その独占を崩す重要な手段である。また、ヘイズと透過率は光拡散材料の光学特性を評価する重要な指標であるため、相反する関係にある。光拡散材料の光学特性には多くの要因が影響し、相互作用はより複雑であるため、高透過率と高ヘイズを有する光拡散材料の開発が現在の研究の焦点となっている。

高分子光拡散材料の研究は、まず米国から始まり、その後急速に各国で高分子光拡散材料の研究開発が活発化した。1944年、大塚芳夫らはPCをマトリックスとし、CaCO3、PMMA粒子をドープして光拡散材料を調製し、光散乱効果を実現した。2000年、Mcneil LEらは、透明アクリル樹脂にTiO2粒子をドープして光拡散フィルムを作製し、散乱係数と多重散乱関数を理論的に詳細に分析した。2004年、Kim GHらはPMMAをマトリックスとし、これにガラス繊維を添加して光拡散フィルムを作製し、LCDバックライトモジュールに適用した。1998年から2004年まで、日本の慶應義塾大学は高性能散乱ポリマーを液晶バックライト導光板に応用し始め、光源の電力を変えずに、初めて格子なし散乱導光板の概念を打ち出した。液晶バックライトの輝度は2倍になり、世界的に注目された。2005年、この技術は日本のSONYに買収され工業化され、超薄型ノートパソコンの生産に使われた。2007年、北京化工大学はPSにPr-MMAとSBR（スチレンブタジエンゴム）をその場重合で添加して光拡散材料を作製し、光線透過率は79.9%、ヘイズは83.11%であった。2009年、Meng QinghuaらはナノPMMA/PS光散乱剤を合成し、PMMAマトリックス材料に添加することで、ヘイズと光透過率が70～80%の光拡散複合材料を調製した。2009年、Wangらはシリコーンポリマー中に水滴を分散させた光拡散フィルムを作製し、光透過率は約88%であった。散乱効果を図1.2に示す。LEDやその他の光学材料の需要が高まる中、光拡散材料の研究は依然として積極的な意義を持っている。

1.2.1 光拡散板の選び方は？

一般的に使用される光拡散剤には、TiO2、BaSO4、SiO2、CaCO3、Al2O3、ガラスビーズなどの無機粒子や、PS、シリコーン樹脂などの有機ポリマー粒子がある。

何を満たすべきか 散乱材を選ぶとき？
(1) 散乱体材料とマトリックス材料は、特定の異なる光学特性（屈折率など）を持つ必要がある。
(2)散乱体は光をほとんど、あるいはまったく吸収しないこと。
(3)散乱体粒子の大きさは一定の要件を満たす必要があり、粒子が小さすぎても大きすぎてもいけない。そうでなければ散乱効果は明らかではなく、粒子径は非常に弱く、粒子径が大きくなるにつれて光散乱は大きくなるが、ある大きさに達すると、この直線関係はもはや成り立たなくなる。

1.2.2 光拡散材料の選び方は？

現在、国内外で生産されている光拡散材料は、主に表面散乱材料とバルク散乱材料に分けられる。従来の光散乱材料は表面散乱材料であり、その散乱光は主にマイクロレンズ、ピラミッド、粗面などの表面構造に依存する。表面散乱光散乱材料の調製方法には、表面テクスチャリング、スプレー、レーザーキャンドル彫刻、ホットプレス、超音波エンボスなどがある。溶射法と表面テクスチャリング法の長所は操作が簡単で低コストであること、短所は理想的な光透過率を得るのが難しいことである。レーザー蝋燭彫刻と墨菊成形で作成した表面散乱材料は性能がよく、ビーム形状を正確に制御することさえできるが、使用する器具と金型に対する要求が非常に高く、コストが非常に高い。ホットプレス法はコストは比較的低いが、加熱・冷却工程に時間がかかり、効率も低いため、大規模生産には使えない。

バルク散乱光散乱材料の多くは、散乱光散乱体を有する透明高分子材料であり、透明集合材料にマトリックスの屈折とは異なる光拡散体を添加することで光拡散の目的を達成している。この材料は大域的散乱機構を利用しており、つまり材料の内部と表面が散乱の役割を果たし、サンプルは高い光散乱性、高い透明性、良好な総合特性を有する。
現在、体積散乱光散乱材料は、新しいタイプの光散乱材料として、多くの応用分野で従来の光散乱材料に徐々に取って代わり、LED照明、液晶ディスプレイなどの分野で広く使用され始めている。

私たちが使用する素材は、一般的に体積散乱素材です。PCは光線透過率が89%で、機械的性質が良く、吸湿性が低く、難燃性も良いが、紫外線やスキンライン照射で黄変しやすい。PSは光線透過率が90%で、吸湿性が低く、耐熱性に劣る。表面硬度が低く脆いため、クラックやクレーズが発生しやすく、長時間の紫外線照射で変色しやすい。PMMAは、可視域の光線透過率が92%と非常に透明で、加工性が良く、紫外線老化防止性が強いが、吸湿性が強く、強靭性に劣り、引火性がある。ABSは耐衝撃性、耐熱性、耐低温性の2つの性質があり、加工しやすく、製品のスケールが安定し、表面光沢も良いが、ABSはブレンドであるため、光線透過率が悪い。樹脂の光学特性、機械特性、加工性などを考慮すると、PCとPMMAが光散乱マトリックス材料の第一選択肢となる。