JP6481987B1 - 白色ｌｅｄ光源用照明カバー及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】白色ＬＥＤ光源を利用した直管型ＬＥＤ照明において、ブルーライトを低減する照明カバーの改良技術を提供する。
【解決手段】光拡散グレードポリカーボネート樹脂に限定し、波長４００ｎｍ〜５００ｎｍを吸収して波長４５０ｎｍ〜５５０ｎｍで発光するペリレン系蛍光性染料を重量比で２０ｐｐｍ〜７０ｐｐｍ含有する照明カバー１が、青色光（ブルーライト）ピークの分光放射照度値（Ｗ／ｍ２／ｎｍ）をブランク（光拡散グレードポリカーボネート樹脂）対比６０％以下にする。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤ照明に使用されるポリカーボネート樹脂製の照明カバーに関する。
とりわけ、青色発光ダイオード光源と蛍光部に黄色蛍光体を有する白色ＬＥＤ光源に関する。
光源を均一拡散させるカバーは光拡散グレードポリカーボネート樹脂を異形溶融押出し成型によって製造された照明カバーの分野に関する。
技術分野としては光源の分光放射照度（Ｗ／ｍ２／ｎｍ）を照明カバーの光学特性によって制御することに関する。

ＬＥＤ照明は低消費電力と長寿命の性能から多様な照明空間で使用され、低消費電力化と長寿命が完全に定着している。更に、多様な空間のなかで、快適な生活環境、安全で効率的な業務作業環境を求める照明の役割が益々大きくなっている。
とりわけ、直管型ＬＥＤ照明は事務所、学校、病院など公共の空間を照らす白色ＬＥＤ光源としての利用が拡大している。
白色ＬＥＤ光源は青色ＬＥＤ光と黄色の蛍光体の組み合わせが圧倒的に多く、ブルーライトと定義される波長３８０ｎｍ〜４９５ｎｍの短波長領域の青色光はそのピーク波長を４５０ｎｍ近辺に有する。

ブルーライトが生体に及ぼす影響は医学的な面から検証が進められており、社会問題化を呈している。 特に網膜に障害を与え易いことが一般的に知られる様になり、蛍光ランプなど、従来から使われている光源に比べて白色ＬＥＤ光源がブルーライトを多く含まれているという懸念が問題視されている。この技術背景から白色ＬＥＤ照明のブルーライトの低減するための技術が提案されている。

これらの提案はＬＥＤ白色光源を生み出す設計の変更、具体的には青色発光ダイオードを紫外線に切り替える方式が実用に具されている。
また光源の設計は変更せず、光拡散カバーにブルーライト低減機能を付与する技術手段としては、ブルーライトを低減できる樹脂、染料、色素などをカバーの樹脂に練りこむ、コーテイングする、またはこれらのフイルムを樹脂カバーにラミネートするなど多様な技術が提案されている。

従来技術

ＬＥＤ照明は大きく電球型と直管型（蛍光管型）、シーリングライト（平板）に分けられる。
いずれの方式であってもプラスチックの拡散カバーが用いられているが、耐熱性、光学性能、安全耐久性、価格の点でポリカーボネート樹脂が最も多く使用されている。

蛍光管の代替を目的とする直管型照明は白色ＬＥＤ光源が使われる。
光源は青色発光ダイオード光源と蛍光部に黄色蛍光体を組合した白色ＬＥＤ光源が最も多いので、ブルーライトの課題は社会問題化のリスクを秘めている。

ブルーライト低減対応技術として、青色光の代わりに紫外線と蛍光体の組み合わせ設計の白色光源が実用化されてきたが、寿命、生産コストの面でまだ課題があり、一般普及には至っていない。

光拡散カバーにブルーライトを低減させる機能を付与する技術が種々提案されている。
先行特許文献１には色素を含む樹脂粒子をポリカーボネート樹脂に０．５重量部（５０００ＰＰＭ）をシリコン系拡散材とともに溶融押出しすることで、市販カバー対比約２０％ブルーライトを低減できるとしている。「０１５３ 図２」

一方、本発明は光拡散グレードポリカーボネート樹脂にペリレン系蛍光性染料を重量比で２０ｐｐｍ〜７０ｐｐｍ含有することでブランクカバー対比４０％以上のブルーライトを低減できる。さらに、極微量の添加量で低減効果を得るものである。

本発明では蛍光顔料、金属錯塩染料についても比較実験を実施した結果、ペリレン系蛍光性染料との比較において、ブルーライト低減効果は８％であり、効果は不十分であった。

先行特許文献２はデイスプレイ用の防眩フイルムに関するもので、液晶バックライトの白色ＬＥＤ光源のブルーライトを低減する先行技術である。
色素を含む樹脂粒子をＭＭＡ樹脂に添加することでブルーライトを低減が可能であるとしている。
具体的な低減率の記載はないが、添加量は重量部で０．０１〜１が好ましく、０．００５重量部（５０ｐｐｍ）以下は効果ないと記載されている。
「００３１」
本発明はペリレン系蛍光性染料を重量部２０ｐｐｍ〜７０ｐｐｍ添加することでブルーライトを低減効果が発揮できる。

先行特許文献３は染料を１ｍｍ厚みのポリカーボネート樹脂に０．００２重量部（２０ＰＰＭ）添加すると、波長４７０ｎｍに於ける発光強度のピーク値を３０〜６０％減少させると記載している。
しかしながらブルーライトの定義は波長３８０ｎｍ〜４９５ｎｍの短波長の領域で青色光ピーク波長が４５０ｎｍ近辺なるのが一般的であり、本文献は波長範囲で２０ｎｍ長波長側にずれている。

本発明はピーク波長を４５０ｎｍ近辺として、波長４００ｎｍ〜５００ｎｍを吸収して波長４５０ｎｍ〜５５０ｎｍで発光するペリレン系蛍光性染料に特定して、蛍光体の励起吸収波長と発光波長の範囲を確定して、ブルーライトのピーク波長の分光放射照度が６０％以下にできるものであり、ピーク波長が異なる。

先行特許文献４には黄色と紫の色素を均等にＰＳ樹脂に添加することで波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍの光線透過率を６０％以下にできると記載されている。
ピーク波長については記載がなく、ブルーライトのピーク波長の分光放射照度がどの程度の低減率かが重要であるとした本発明とは評価方法が異なる。

先行特許文献５は液晶デイスプレイ前面を保護する保護フイルムに関する。
ベースフイルムにはＰＥＴフイルムを使い、シリコン粘着剤中に樹脂粒子を添加して界面で起こる光散乱現象によってブルーライトを低減すると記載されている。
製品化には直管型照明カバーに本フイルムを積層する加工工程が必要であり、カバー樹脂中にペリレン系蛍光性染料が含まれる構造の本願とは物が異なるものである。

屋内照明に広く利用されている白色蛍光灯は相関色温度３５００Ｋ（温白色）、４２００Ｋ（白色）５０００Ｋ（昼白色）の３段階に分類されており、このうち、ブルーライトを多く含むのは４０００Ｋ〜５０００Ｋが顕著である。

一方、昼間の太陽光に近い６５００Ｋ（昼光色）が高演色性が求められる生産工場等で使用されるが、さらに青色エネルギーが強く、ブルーライト低減には本発明が有効であると見られる。

従来技術の範囲で本願で述べているブルーライトのピーク波長の特定と、分光放射照度、相関色温度、照度、平均演色評価数など照明器具としての基本光学特性を記載した光拡散グレードポリカーボネート樹脂カバーの先行文献は見当たらなかった。

先行特許文献

再公表 ＷＯ２０１５−０４６２２２号公報 特許第 ６０６２９６８号公報 特開 ２０１４−１７００８２号公報 特許第 ６２０４７２６号公報 再公表 ＷＯ２０１５−１５１３１２号公報

本発明は相関色温度が４０００〜５０００Ｋである直管型白色発光ダイオード素子（ＬＥＤ素子）を有する照明装置であって、当該照明カバーにブルーライト低減の機能を付与する発明に関する。
しかしながら、プラスチックカバーにブルーライト低減加工を施すと、明るさ（照度）が低下するという技術課題がある。
本発明は明るさ（照度）を犠牲にする事なく、高演色性を維持して４５０ｎｍ近辺のブルーライトピーク波長の分光放射照度をブランクカバー対比６０％以下にすることが可能になった。

本発明は上記課解決するために鋭意題を検討した結果、照明カバーを拡散グレードポリカーボネート樹脂に限定して、波長４００ｎｍ〜５００ｎｍを吸収して波長４５０ｎｍ〜５５０ｎｍで発光するペリレン系蛍光性染料を添加することが有効であることが分かった。

本発明は４５０ｎｍ近辺にブルーライトピークを有する４２００Ｋ（白色）、５０００Ｋ（昼白色）である２種類の白色ＬＥＤ光源について、光源点灯時のブルーライトピーク波長の分光放射照度値（Ｗ／ｍ２／ｎｍ）がブランク対比６０％以下（低減率４０％以下）にすることが可能であることが分かった。

蛍光剤添加量は極微量として、ポリカーボネート樹脂重量比で２０ｐｐｍ〜７０ｐｐｍ、さらに好ましくは３０ｐｐｍ〜６０ｐｐｍ条件でブルーライト低減機能が発揮され、かつ照度は約１０％増加した。
演色性は平均演色評価数Ｒａが白色、昼白色と高演色性領域である９０以上であった。

ポリカーボネート樹脂は光拡散剤、紫外線吸収剤が練り込まれたタイプが好ましく、溶融押出し成型が可能であるグレードが好ましい。
さらに色目が白色で拡散光透過率が６０％以上、長期耐熱性（ＵＬ−７４６Ｂ）ＲＩＴ（ＲＴＩ＝Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｄｅｘ）が１２５℃以上であるものが好ましい。

ペリレン系蛍光性染料を光拡散グレードポリカーボネート樹脂ペレット表面に均一に分散付着させ、容器等の内壁に粉末が付着しない様にするかは混錬方法に工夫を要する。
本発明は混錬前のペレットの乾燥条件（温度、時間）さらに蛍光剤との混錬後の温度の適正範囲を見出した。

ポリカーボネート樹脂ペレット（白色）をポリエチレン袋に入れて、１２０℃ｘ６時間乾燥後、ペリレン系蛍光性染料（粉末）を加えて袋ごとタンブラー型均一混錬装置に移して毎分４〜５回ｘ３０分間回転混錬を実施する。
終了時に６０℃〜８０℃、好ましくは６５℃〜７５℃の温度状態であれば蛍光性染料はペレットに均一に付着する。
ペレット表面は白色から淡黄色になる。

混錬終了後、速やかに温度２４０℃〜２５０℃で異形押出しすると、乾燥後は全体積が淡緑色になる。
本蛍光剤は当然のことながら３００℃を超える耐熱性を有する。

本発明は照明カバーを拡散グレードポリカーボネート樹脂に限定して、波長４００ｎｍ〜５００ｎｍを吸収して波長４５０ｎｍ〜５５０ｎｍで発光するペリレン系蛍光性染料が有効であることが分かった。
比較例３に示す様に黄色の金属錯塩染料をコーテイングによって積層したが、吸収波長が存在しないため、ブルーライト低減効果は不十分であった。吸収波長が存在する蛍光剤であっても吸収波長が紫外波長域ではブルーライト低減の効果は認められなかった。

本発明の対象は直管型ＬＥＤ照明用カバーとしているが、平板状のベースライト用ＬＥＤ照明カバーにつても効果的であり、さらにＬＥＤ照明モジュールの配置は直下型方式、或いはエッジライト方式の何れにも有効である。

本発明の直管型ＬＥＤ照明用カバーは単純な構造で優れた白色ＬＥＤ出射光のブルーライトを大幅に低減が可能であり、さらに明るさ（照度）を向上することができる。

以下、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。本発明はこれにより何ら限定を受けるものではない。
図１に示す様に、光拡散性ポリカーボネート樹脂を溶融異形押出法にて外径２６ｍｍφ寸法の金型で肉厚１ｍｍの筒型カバーを押出し、冷却工程を経て、カッターにて所定の長さに切断する異形押出しラインを使用した。
機種名： ＩＫＧ製 ＰＭＳ５０−２８ 口径５０ｍｍφ押出機

本発明の蛍光性染料の添加は異形押し出し工程で混錬する方法である。
比較のために、切断した筒形カバーの両面に黄色染料を溶剤コーテイングする方法も試作した。
蛍光性染料の色目は青色の補色が好ましく、黄色を選択した。

ポリカーボネート樹脂カバーへのＬＥＤモジュール３の挿入はアルミニウム架台２（＃６０６３純アル分：９９．３５％）をスライド爪４に挿入して、架台平面部にＬＥＤモジュールテープを糊で固定した。ＬＥＤモジュールテープは基板幅９ｍｍ、ＳＭＤ型３５２８ ＬＥＤ１２０チップ／メートル １２ボルト，消費電力９．６ワット市販品を色温度４２００Ｋ（白色）と色温度５０００Ｋ（昼白色）の２水準を使用した。

外部環境の光を無視できる暗室で、色温度４２００Ｋ（白色）と色温度５０００Ｋ（昼白色）の２種類のＬＥＤ光源を別々に点灯して、直管カバーから垂直距離１メートルの位置で光学性能の測定を各々実施した。

表１に白色ＬＥＤ光源（４２００Ｋ）点灯時の分光放射照度の測定値と光学性能を記載した。
表２には昼白色光源（５０００Ｋ）点灯時の分光放射照度の測定値と光学性能を記載した。
いずれもカバーを使わない裸で測定器がＬＥＤ光源を直接受光した場合を比較に入れた。
詳細について、実施例１〜２、比較例１〜５に詳しく記載する。

光拡散性ポリカーボネート樹脂（帝人（株）製 ＭＬ−６１０５ＺＨＰ ＭＶＲ＝２．５ｃｍ^３／１０ｍｉｎ、白色ペレット）１０Ｋｇを１２０℃ｘ６時間乾燥し、ペリレン系蛍光性染料（ＢＡＳＦ社モノゲンＦ Ｙｅｌｌｏｗ８３）粉末０．５ｇを図２に示す特殊タンブラー混錬装置にてペレットの表面に散布した。ペリレン系蛍光性染料の添加量はポリカーボネート樹脂重量比で５０ＰＰＭとなった。
混錬直後の着色ペレットの温度は約７０℃であり、表面の色目は淡黄色に変わった。

次いで速やかに、当該ペレットを外径２６ｍｍφ寸法の金型で溶融温度２４０℃〜２５０℃条件下で肉厚１ｍｍの筒型カバーを押出し、冷却後、長さを１２００ｍｍ長に切断した。
製品カバーの色目は淡緑色に替わった。

色温度４２００Ｋ（白色）ＬＥＤ光源モジュールを本カバーに挿入して点灯、青色のピーク波長の分光放射照度を測定した結果は０．００５ Ｗ／ｍ２／ｎｍであった。
ブランクカバー分光放射照度を１００とした低減効果は５４となり、図３に示す通り、波長４５０ｎｍ近辺のブルーライト低減効果は十分認められた。
照度はブランクカバー対比約１０％増加し、点灯時の相関色温度は３９７０Ｋであった。

比較例１

実施例１にて蛍光剤を全く含まない光拡散性ポリカーボネート樹脂ペレット（ブランク）を同一押し出し条件にて製品カバーを作成した。
製品カバーの色目は白色であった。
色温度４２００Ｋ（白色）ＬＥＤ光源モジュールを本カバーに挿入して点灯、青色のピーク波長の分光放射照度を測定した結果は０．００９５Ｗ／ｍ２／ｎｍであった。
点灯時の相関色温度は４１６０Ｋであった。

比較例２

実施例１にてカバーを使用せず色温度４２００Ｋ（白色）ＬＥＤ光源モジュールを直接青色のピーク波長の分光放射照度を測定した結果は０．０１４Ｗ／ｍ２／ｎｍであった。
点灯時の相関色温度は４３１０Ｋであった。

比較例３

コルコート（株）会社社製 商品名ＰＣ３０１（屈折率１．４７の有機コーテイング剤）をイソプロピルアルコール：ノルマルブタノール＝１：１の中に希釈して、固形分割合を３．８％とした。
当該コーテイング液に保土谷化学工業社製金属錯塩染料アイゼンスピロンＹｅｌｌｏｗ ＧＲＬＨ Ｓｐｅｃｉａｌを固形分重量比で０．１％添加して撹拌分散させて、当該塗液を満たしたバスに直管カバーの内外両面をデイップ（浸漬）塗布した。
１２０℃ｘ１分で乾燥して直管カバーの内外面に３００ｎｍの透明被膜を積層した。染料のポリカーボネート樹脂重量比で３０ＰＰＭとなった。
製品カバーの色目は極淡黄色であった。

色温度４２００Ｋ（白色）ＬＥＤ光源モジュールを本カバーに挿入して点灯、青色のピーク波長の分光放射照度を測定した結果は０．００８７ Ｗ／ｍ２／ｎｍであった。
ブランクカバー分光放射照度を１００とした低減効果は９２となり、低減効果は不十分であった。
点灯時の相関色温度は４０９０Ｋであった。

光源を色温度５０００Ｋ（昼白色）にした以外は全て実施例１に準ずる。
色温度５０００Ｋ（昼白色）光源モジュールを本カバーに挿入して点灯、青色のピーク波長の分光放射照度を測定した結果は０．００５ Ｗ／ｍ２／ｎｍであった。
ブランクカバー分光放射照度を１００とした低減効果は５４となり、図４に示す通り、波長４５０ｎｍ近辺のブルーライト低減効果は十分認められた。
点灯時の相関色温度は４４８０Ｋであった。

比較例４

実施例２にて蛍光剤を全く含まない光拡散性ポリカーボネート樹脂ペレット（ブランク）を同一押し出し条件にて製品カバーを作成した。
製品カバーの色目は白色であった。
色温度５０００Ｋ（昼白色）ＬＥＤ光源モジュールを本カバーに挿入して点灯、青色のピーク波長の分光放射照度を測定した結果は０．０９５ Ｗ／ｍ２／ｎｍであった。
点灯時の相関色温度は４９２０Ｋであった。

比較例５

実施例２にてカバーを使用せず色温度４２００Ｋ（白色）ＬＥＤ光源モジュールを直接測定した青色のピーク波長の分光放射照度を測定した結果は０．０１７ Ｗ／ｍ２／ｎｍであった。
色目を表す点灯時の相関色温度は５０５０Ｋであった。

本文及び実施例に記載の光学特性の測定方法について記載する
（１）屈折率
株式会社アタゴ製 アッベ屈折計ＮＡＲ−２Ｔ」測定波長：５５０ｎｍで測定した。
（２）照度、演色評価数、相関色温度、ピーク波長、分光放射照度値
コニカミノルタ社 演色照度計 ＣＬ−Ａ５００で測定した。

直管型ＬＥＤ照明において多様化する光学特性ニーズに対応できるプラスチックカバーに関する。

ポリカーボネート樹脂からなる照明カバーを通して出射光が発せられる白色ＬＥＤ素子を有する照明装置であって、青色光（ブルーライト）ピーク波長の分光放射照度値（Ｗ／ｍ２／ｎｍ）をブランク（光拡散グレードポリカーボネート樹脂）対比６０％以下にすることが出来る。

ＬＥＤ照明モジュールを配置した断面図 ペレットと蛍光粉末を均一混練する装置概略図 白色ＬＥＤ光源４２００Ｋ点灯時の直管カバーの分光放射照度グラフ 昼白色ＬＥＤ光源５０００Ｋ点灯時の直間カバー分光放射照度グラフ

１．ポリカーボネート樹脂カバー
２．アルミニウム架台
３．ＬＥＤモジュール
４．スライド爪部

Claims (2)

1. ４５０ｎｍ近辺にピークを有する相関色温度がそれぞれ４２００Ｋ（白色）、５０００Ｋ（昼白色）である白色ＬＥＤ光源であって、青色発光ダイオード光源と蛍光部に黄色蛍光体を有する前記白色ＬＥＤ光源に対して、光拡散ポリカーボネート樹脂に波長４００ｎｍ〜５００ｎｍを吸収して波長４５０ｎｍ〜５５０ｎｍで発光するペリレン系蛍光性染料を重量比で２０ｐｐｍ〜７０ｐｐｍ含有することで、光源点灯時の青色光（ブルーライト）ピーク波長の分光放射照度値（Ｗ／ｍ２／ｎｍ）がブランクカバー（光拡散グレードポリカーボネート樹脂単体）対比６０％以下にすることが可能な白色光源用直管型ＬＥＤ照明カバー。
2. 光拡散グレードポリカーボネート樹脂ペレットを１２０℃ｘ６時間乾燥後、ポリエチレン袋に入れ、ペリレン系蛍光性染料（粉末）を重量比で２０ｐｐｍ〜７０ｐｐｍをタンブラー型均一混錬装置にて毎分４〜５回転して３０分の間混錬を実施して、ペレット表面に当該粉末を均一に付着後、異形溶融押出を実施する請求項１記載の直管型ＬＥＤ照明カバーの製造方法。

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