JP5496799B2

JP5496799B2 - 発光体

Info

Publication number: JP5496799B2
Application number: JP2010156094A
Authority: JP
Inventors: 達也植田; 陽二小野
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: JP2012018323A

Description

本発明は導光方式を用いて光が供給される発光体に関する。

導光方式面発光体においては、液晶表示装置のバックライト光源装置に見られるように、導光板表面に凹凸やドット印刷等で散乱機能を付与する構成や、導光板に基材樹脂との屈折率差がある光拡散材を内添する構成がある。

また導光方式面発光体は各種遊戯機、玩具などの発光装飾品として使用することができる。

また近年、導光方式面発光体の光源としてＬＥＤ（発光ダイオード）が広く用いられるようになっている。

光拡散材が内添されている導光板においては、光拡散材の粒径が小さい場合、もしくは光拡散材と基材樹脂との屈折率差が小さい場合には、導光板の光源入射側端面付近で観察される光とその反対面端面付近で観察される光で色度変化が起こる場合があることがこれまでに分かっている。

色度変化はミー散乱理論の散乱効率を計算することで把握できる。光拡散材の粒径が小さいほど、かつ、光拡散材と基材樹脂との屈折率差が小さいほど、色度変化を起こさない光拡散材の粒径および屈折率差の取れる範囲が狭くなる。

特許文献１に見られるように、色度変化を起こさないためには、粒径の大きい拡散材を使用するか、あるいは、ミー理論における散乱効率比（ηＢ（ｂ）／ηＲ（ｂ））が０．７５〜１．２５以内となる特定の粒径の拡散材を使用する必要があった。

前記特許文献１に記載される理論に従えば、特定の粒径、あるいは特に大きな粒径を使用した場合に前期散乱効率比が０．７５〜１．２５以内となる。ところが、使用したい拡散材の材料（無機材料、樹脂材料）について、都合の良い粒径の拡散材が容易に入手できるとは限らない。また通常入手が困難な粒径の拡散材を特に希望する場合は、入手コストが高価になりがちである。また大きな粒径のものを使用した場合には、個々の粒子、あるいはその凝集体が輝点となって目立ち、品位を損なう場合がある。

また、前記特許文献１に記載される理論に従えば、基材と拡散材との屈折率差が特定の範囲、あるいは特に大きな屈折率差である場合に前期散乱効率比が０．７５〜１．２５以内となる。ところが、使用したい基材や拡散材の材料（無機材料、樹脂材料）について、透明性、加工性、価格、分散性などの点で、必ずしも前期散乱効率比が０．７５〜１．２５以内となるような基材と拡散材の組み合せを選べるとは限らない。

特許第３８７４２２２号公報

本発明は、光拡散材が内部に添加された、導光方式により発光する発光体において、色度変化が起きやすい拡散材と基材の組み合せであっても使用可能な発光体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る発光体の一態様は、
導光体の端部に光源を備え、
拡散粒子が導光体基材へ含有され、導光方式により前記端部に直交する面が発光する発光体であって、
前記拡散粒子は、重量平均粒径ｂ_０であるものを含み、かつ、当該重量平均粒径ｂ_０を、拡散粒子の位相遅延量φ（ｒａｄ）に対応する青色散乱効率と赤色散乱効率の比ηＢ（ｂ_０）／ηＲ（ｂ_０）が０．７５以上１．２５以下の範囲外とし、
前記光源が単色であることを特徴とする。

さらに本発明の発光体は、前記光源がＬＥＤであることを特徴とする。

さらに本発明の発光体は、単色画像表示装置のバックライトであることを特徴とする。

さらに本発明の発光体は、装飾用であることを特徴とする。

本発明によれば、従来、色変化が生じて目立つとされる拡散粒子を用いた発光体であっても、色変化が目立たず使用することが可能になる。

本発明の実施形態にかかる面発光体の、位相遅延量の定義を示す図である。本発明の実施形態にかかる面発光体の、散乱断面積の定義を示す図である。本発明の実施形態にかかる面発光体の、散乱効率η（φ）と位相遅延量φの関係の一例を示す図である。本発明の実施形態にかかる面発光体の、散乱効率η（ｂ）と拡散粒子直径ｂの関係の一例を示す図である。本発明の実施形態にかかる面発光体の、散乱効率比ηＢ（ｂ）／ηＲ（ｂ）の一例を示す図である。

＜実施の形態１＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態では、面発光体を一例として説明する。
本発明では位相遅延量という指標を定義して散乱効率を計算する。従来考慮されるミー散乱理論によって散乱効率計算が行われた場合には、色目変化に影響を及ぼす２つのパラメータ、具体的には、光拡散材の粒径、光拡散材と基材樹脂（基材）との屈折率差の内どちらか１つを固定して計算する場合が多かった。この場合、同材質で光拡散材の粒径が小さくなった場合、あるいは、同粒径で屈折率が小さくなった場合の散乱効率の変化は理解しやすいが、材質と光拡散材の粒径が同時に変化した場合の散乱効率変化を理解するのは容易ではない。すなわち、屈折率差と粒径とが同時に変化した場合に、散乱効率の変化、または、実効散乱係数の変化を把握することは困難である。本発明で考慮する位相遅延量は、色目変化に影響を及ぼす２つのパラメータ（光拡散材の粒径、光拡散材と基材樹脂との屈折率差）双方を盛り込んでいるため、光拡散材の材質と粒径とが同時に変化した場合でも、散乱効率の変化を位相遅延量の大小を比較することにより容易に理解できる。

本発明における位相遅延量φ（ｒａｄ）は、以下で定義される。

ｂ（ｂ＞０）は光拡散材の粒子直径（μｍ）、Δｎは光拡散材屈折率と基材屈折率との差、λ（μｍ）は光の波長である。以下、「光拡散材の粒子」を適宜、「拡散粒子」と称す。図１に示すとおり、位相遅延量φ（ｒａｄ）は、波長λ（μｍ）の光において、基材１内に存在する光拡散材２の粒子中心を通過したものと、光拡散材２を通過しなかったものの光学距離差ｂΔｎを波長λ（μｍ）の位相差で表したものである。
ここで、屈折率ｎの値として、空気がｎ＝１、基材１がｎ＝ｎ_１、光拡散材２がｎ＝ｎ_２とする。また、屈折率差Δｎを、光拡散材２の屈折率ｎ_２から基材１の屈折率ｎ_１を差し引いた値（ｎ_２−ｎ_１）とする。

散乱効率は以下の通り定義される。拡散粒子１個の散乱効率ηは散乱断面積Ａ／見かけの円面積πａ^２で表され、ａ（ａ＞０）は粒子半径（μｍ）である。図２に散乱断面積の定義を示す。散乱断面積Ａは粒子断面積πａ^２を粒子に起因する光電界擾乱効果の２乗で加重積分したものとして定義され、従って式（２）で近似できることが判っている。この場合のφ（ｒ）は光拡散材２の粒子の中心を通る光入射光軸からの距離ｒに入射した光に対する粒子の位相遅延量である。なお、位相遅延量φ（ｒ）は式（１）により算出される。

散乱効率η（φ）を横軸の位相遅延量φに対して図示すると図３となる。この図の横軸を位相遅延量φ（ｒａｄ）＝２πΔｎｂ／λから青、緑、赤の各波長に対応する粒子直径に変換すると、従来よく見られる散乱効率の関係に変換できる。逆に位相遅延量φを定義したことで、青、緑、赤の散乱効率を一つの曲線上で表すことが可能となっている。

図３の横軸位相遅延量φ（ｒａｄ）＝２πΔｎｂ／λにおいて、屈折率差Δｎ＝０．１と固定し、青色光λ＝０．４５（μｍ）、緑色光λ＝０．５５（μｍ）、赤色光λ＝０．６３（μｍ）に対するそれぞれの拡散粒子直径ｂ（μｍ）を求め、それを横軸に取り直すと図４となる。

ここで、赤色光の位相遅延量φ＿Ｒ（ｒａｄ）は、式（１）より、
φ＿Ｒ（ｒａｄ）＝２πΔｎ＊ｂ／λ＝６．２８＊０．１＊ｂ／０．６３≒ｂ（μｍ）である。このことから、図３のη（φ）と図４のηＲ（ｂ）はほぼ同値となる。
特定粒径の散乱効率の赤青比はηＢ（ｂ）／ηＲ（ｂ）で求められる。

本計算においてΔｎは波長依存性を考慮していないが、それを考慮した場合においても同様の計算を行えば良い。
なおΔｎが負の場合は位相遅延量φの値も負となるが、式（２）から判る通り散乱効率ηは位相遅延量φについて偶関数であり、Δｎおよび位相遅延量φの値の正負に関わらず、その値は０または正の値となる。図３では位相遅延量φの値が０以上の場合についてのみ散乱効率ηの値を示したが、上記理由により位相遅延量φの値が負の場合における散乱効率ηはその図示を省略している。

ある光拡散材粒径の散乱効率の赤青比ηＢ（ｂ）／ηＲ（ｂ）が１であるということは、この特定粒径の光拡散材のみが内添されている導光板を作製した場合、両端面付近で観察される光の色度変化がないことを示している。同構成において、ηＢ（ｂ）／ηＲ（ｂ）が１以上とは、光源入射側端面付近で観察される光の色合いは青みを帯び、その反対面付近では、青色光成分が少なくなっていることから赤みを帯びることを示す。また、ηＢ（ｂ）／ηＲ（ｂ）が１以下とは、光源入射側端面付近で観察される光の色合いは赤みを帯び、その反対面付近では、赤色光成分が少なくなっていることから青みを帯びることを示す。

図５において、粒径約３μｍ以下、約４〜６μｍ、および約７〜８．５μｍのものは、散乱効率の青赤比ηＢ（ｂ）／ηＲ（ｂ）＞１．２５または＜０．７５となっている。このため、この該当粒径を含んだ導光板を作製すると、両端面付近で観察される光の色度変化が起きると予想される。

通常、光拡散材の粒径は一定の分布を有しているため、本発明における散乱効率の青赤比は、粒径ｂとして重量平均粒径ｂ_０を用いたηＢ（ｂ_０）／ηＲ（ｂ_０）である。

従来技術は光源が白色光であるという前提であり、特許文献１では、両端面付近で観察される光の色度変化を起こさないために該当粒径は使用しないとしている。
しかしながら、本発明では光源が単色であるため、色味の変化がほとんど目立たない。本発明において単色光源とは、スペクトルの半値幅が１００ｎｍ以下のものをいう。

また本発明の発光体は色味の変化がほとんど目立たないため、単色画像表示装置のバックライトとして好適に使用することができる。

また本発明の発光体は色味の変化がほとんど目立たないため、装飾用発光体として好適に使用することができる。

本発明でいうＬＥＤとはレーザーダイオード（ＬＤ）を含む。

本発明で言う単色のＬＥＤとは、その発光スペクトルが線状であるものには限られず、光源のスペクトルの半値幅が１００ｎｍ以下であるものをいう。一方、青色ＬＥＤ素子と蛍光剤を組み合せた、いわゆる擬似白色ＬＥＤのように、その発光スペクトルが明確に２つ以上のピークを有するものは本発明の単色光源には含まれない。

また、例えば青色のＬＥＤと赤色のＬＥＤなど、複数の色の光源を同時に使用し、それぞれを点滅するなどし、いずれの時間においても１つの色だけが発光している場合は実質的に単色のＬＥＤを使用しており、本発明を交互に使用していると見なすことができる。たとえば、赤、緑、青色３種のＬＥＤを備え、これらＬＥＤを交互に点滅していずれの時間においても１つの色だけを発光させるバックライトを作製してもよい。各色の散乱光率が異なることに起因する面の明るさの不均一性を、各色が発光しているタイミングに合わせて透過型液晶表示装置の透過率を変調することで、色ムラを抑えた表示装置が得られる。

さらに、例えば長方形の導光板の一辺に青色のＬＥＤを備え、対向する一辺に赤色のＬＥＤを備え、同時に点灯した場合は、本発明を２つ同時に使っていると見なすことができる。

本発明で使用する発光体の基材は透明性、加工性などの点から、ポリカーボネート系樹脂、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂などが好ましく用いられる。透明性の点から、特にアクリル系樹脂が好ましい。

本発明で使用する光拡散材としては、例えば架橋アクリル系樹脂、架橋ポリスチレン系樹脂、無機ガラス、金属酸化物、各種顔料などを使用することができる。

光拡散材の粒子径については、一般の白色光源を用いたバックライトでは、例えば１０μｍ以下、特に５μｍ以下では色ムラが目立ちやすくなるが、本発明ではそのような粒径の光拡散材も好適に使用できる。

基材の屈折率と光拡散材の屈折率との差については、一般の白色光源を用いたバックライトでは例えば０．３以下、特に０．２以下では色ムラが目立ちやすくなるが、本発明ではそのような屈折率差があっても好適に使用できる。

光拡散材の濃度は、低濃度であれば色ムラは特に目立ちにくいため、例えば０．１質量％以下などとすることが好ましい。一方、０．００００５質量％より少ないと、明るさが不足する場合がある。０．０００１質量％以上０．０５質量％以下とすることが好ましい。さらに、０．０００２質量％以上０．０１質量％以下とすることが好ましい。

＜その他の実施の形態＞
実施の形態１では、面発光体を一例として説明したが、本発明は、面発光体に限られることはなく、他の形状の発光体に適用することも可能である。例えば、円、楕円、波状などの曲面の断面（端面）を有する柱状、多角形の断面（端面）を有する柱状、あるいはこれらの外形を有する筒状など、他の形状であってもかまわない。

なお、本発明における平均粒径とは、重量平均粒径であり、光散乱粒子計測法により測定することができる。

＜実施例＞
基材樹脂としてアクリル樹脂（屈折率１．４９）を使用し、光拡散材として平均粒径２μｍの架橋ポリスチレン樹脂（屈折率１．５９）を０．００３質量％含むシートを押し出し成形した。シート厚みは５ｍｍであった。

上記シートを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形に切断し、短辺側のシート端面に光源として青色ＬＥＤを設置して導光式発光板を作製した。

本実施例では、平均粒径は２μｍであり、屈折率差は０．１である。図５から判る通り、散乱効率の青赤比ηＢ（ｂ_０）／ηＲ（ｂ_０）＞１．２５となっている。

＜比較例＞
光源として冷陰極管を設置した以外は実施例と同様にして導光式発光板を作製した。

実施例および比較例の導光式発光板の光源を点灯し、シートに垂直な面から目視観察した。その結果、実施例の発光板は明るく、また色目の変化が目立たなかったが、比較例の発光板は明るいが光源付近が青みを帯び、光源から離れるに従って黄味を帯びており、色目の変化が目立だった。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１基材、２光拡散材

Claims

導光体の端部にいずれの時間においても１つの色だけが発光する光源を備え、
拡散粒子が導光体基材へ含有され、導光方式により前記端部に直交する面が発光する発光体であって、
前記拡散粒子は、重量平均粒径ｂ_０であるものを含み、かつ、当該重量平均粒径ｂ_０を、
拡散粒子の位相遅延量φ（ｒａｄ）に対応する青色散乱効率と赤色散乱効率の比ηＢ（ｂ_０）／ηＲ（ｂ_０）が０．７５以上１．２５以下の範囲外とし、
前記光源が単色であることを特徴とする発光体。
前記光源がＬＥＤであることを特徴とする請求項１の発光体。
単色画像表示装置のバックライトとして用いられることを特徴とする請求項１または２の発光体。
装飾用として用いられることを特徴とする請求項１または２の発光体。