導光フィルム、並びにこれを用いた植物の光合成を促進させる装置、太陽電池及び光電変換素子
【課題】入射光が出射部の手前で漏れることがなく、屈折率界面で界面反射が起こることによる光取出し効率の減少がない導光フィルム、この導光フィルムを用いた植物の光合成を促進させる装置、太陽電池及び光電変換素子の提供。
【解決手段】光源から入射される入射光を該入射光側の面で入光させる光入射部と、前記光入射部から入射された光を外部に出射する光出射部と、を有し、前記光出射部の少なくとも一つの面の表面には微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする導光フィルムにより、上記課題を達成できる。
【解決手段】光源から入射される入射光を該入射光側の面で入光させる光入射部と、前記光入射部から入射された光を外部に出射する光出射部と、を有し、前記光出射部の少なくとも一つの面の表面には微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする導光フィルムにより、上記課題を達成できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導光フィルム、並びにこれを用いた植物の光合成を促進させる装置、太陽電池及び光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油などの化石燃料使用により放出された二酸化炭素が大気中に増加すると、地球の温暖化など地球環境が悪化し、自然環境破壊のみならず、干ばつ、大雨、洪水などが多発し、自然災害の発生や農作物にも多大な被害が発生し、人類社会にも大きな影響が生じることから、環境に対しての意識が高まりつつある。
【０００３】
このため、大気中に放出される二酸化炭素を減少させる方法として、藻などの植物に太陽光を照射することにより、その光合成を利用して大気中の二酸化炭素を減少させる方法や植物の光合成を促進させる装置が検討されている。
【０００４】
また、環境に対しての意識と、エネルギー対策の一環から、太陽光から直接電気を得ることができるクリーンな発電方法である太陽電池の開発が検討され、実用化されようとしている。
【０００５】
ところで、上述した二酸化炭素を減少させる方法及び太陽電池で使用する一般的な装置は、光源より発光された光が、導光フィルムの入射部を通じて導光フィルムの内部へ入射する。導光フィルムの内部に入射した光は、導光フィルムの出射面（上面）と反射面（下面）との間で反射を繰り返し、その反射光と、出射面の法線とのなす角度が臨界角より小さくなると、その反射光が出射面を透過して出射される。
【０００６】
このような導光フィルムでは、一般的に、入射部と逆側に位置する反入射部が平坦性を有するので、光源から出射された光のうち、入射面に対し直交する方向に出射される平行光又は反入射面への入射角が臨界角より小さい光は、それぞれ反入射面側からそのまま外部へ出射されてしまい、光の損失が生じる。
【０００７】
このため、二酸化炭素を減少させる方法や植物の光合成を促進させる装置において、ある程度植物の光合成を進行させることができても、光合成に必要な光が十分に届かないという問題があった。また、光の散乱により、特定方向の光の出射量が少ないので、植物の光合成を促進させる装置から離れた場所では特に光量が少ないといった問題もあった。
【０００８】
このような問題を解決するために、例えば、光を閉じ込めて面部を導光させ、目的エリアに出射させるために、装置の端部から光を入射させる方法が提案されている（特許文献１参照）。しかし、装置の端部に対して垂直に入射しない光は、出射部の手前で漏れてしまい、出射部まで導光せず、光取出し効率が減少するという問題があった。
【０００９】
また、例えば、太陽電池や光合成担体などの光を有効物に変換する部材において、有効物に変換する効率の高い波長に変換して光を活用する方法が提案されている（特許文献２、特許文献３参照）。しかし、変換物質にいたる屈折率界面において、界面反射が生じ、目的の場所に光を導く光取出し効率が低くなるという問題があり、その解決が望まれているのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】実登２６０１４４９号公報
【特許文献２】特開平７−１４２７５２号公報
【特許文献３】特開平６−３８６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、回折効果を持たせた形状を光出射部に形成させることにより、光の出射方向を制御し、光が散乱する状況であってもより遠くに光を届けることができる導光フィルム、この導光フィルムを用いた植物の光合成を促進させる装置、太陽電池及び光電変換素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 光源から入射される入射光を該入射光側の面で入光させる光入射部と、前記光入射部から入射された光を外部に出射する光出射部と、を有し、前記光出射部の少なくとも一つの面の表面には微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする導光フィルムである。
＜２＞ 光の発光波長をλ、光出射部の屈折率をｎとしたとき、光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離を０．１×（λ／２ｎ）〜１０×（λ／２ｎ）の範囲内とする前記＜１＞に記載の導光フィルムである。
＜３＞ 光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の凸部の高さが、０．０１μｍ〜１０００μｍである前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜４＞ 光入射部と光出射部との間に光を導光させる導光部を有する前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜５＞ 微細凹凸構造がナノインプリント法で形成させる前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜６＞ 光源から入射される入射光を該入射光側の面で入光させる光入射部と、前記入射光側の面の反対側の面に積層され、前記光入射部よりも屈折率が大きい高屈折率層と、前記光入射部から入射された光を外部に出射する光出射部と、を有し、前記光出射部の少なくとも一つの面の表面には微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする導光フィルムである。
＜７＞ 光の発光波長をλ、光出射部の屈折率をｎとしたとき、光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離を０．１×（λ／２ｎ）〜１０×（λ／２ｎ）の範囲内とする前記＜６＞に記載の導光フィルムである。
＜８＞ 光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の凸部の高さが０．０１μｍ〜１，０００μｍである前記＜６＞から＜７＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜９＞ 光入射部と光出射部との間に光を導光させる導光部を有する前記＜６＞から＜８＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１０＞ 入光層と高屈折率層との間の界面には、微細凹凸構造が形成されている前記＜６＞から＜９＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１１＞ 入光層と高屈折率層との間の界面に形成されている微細凹凸構造及び光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造は、ナノインプリント法で形成させる前記＜６＞から＜１０＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１２＞ 高屈折率層は、光入射部から入射した光を蛍光変換する蛍光体を含有する前記＜６＞から＜１１＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１３＞ 蛍光体は、ペリレン化合物である前記＜１２＞に記載の導光フィルムである。
＜１４＞ 高屈折率層の屈折率が１．４〜４．０である前記＜６＞から＜１３＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１５＞ 光入射部の屈折率が１．０５〜１．８である前記＜６＞から＜１４＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１６＞ 高屈折率層と光入射部との屈折率差が０．０１〜２．０である前記＜６＞から＜１５＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１７＞ 前記＜１＞から＜１６＞のいずれかに記載の導光フィルムを用いたことを特徴とする植物の光合成を促進させる装置である。
＜１８＞ 前記＜１＞から＜１６＞のいずれかに記載の導光フィルムを用いたことを特徴とする光電変換素子である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来における前記諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、光の出射方向を制御して光の指向性を向上させたので、光が散乱する状況であってもより遠くに光を届けることができる導光フィルム、この導光フィルムを用いた植物の光合成を促進させる装置、太陽電池及び光電変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の導光フィルムの一例を示す平面図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態の導光フィルムの一例を示す断面図である。
【図３】図３は、光出射部の表面に形成された微細凹凸構造の一例を示す拡大図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態の導光フィルムの一例を示す平面図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態の導光フィルムの一例を示す断面図である。
【図６】図６は、光入射部と高屈折率層との界面に形成された微細凹凸構造の一例を示す拡大図である。
【図７】図７は、植物の光合成を促進させる装置の一例を示す模式図である。
【図８】図８は、植物の光合成を促進させる装置の一例を示す模式図である。
【図９】図９は、導光フィルムの固定方法の一例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、実施例及び比較例における光合成を評価するための装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（導光フィルム）
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の導光フィルムの一例を示す平面図であり、図２は、第１実施形態の導光フィルムの一例を示す断面図であり、図３は、光出射部の表面に形成された微細凹凸構造の一例を示す拡大図である。本発明の導光フィルム１は、同一のフィルムに、光源から入射される光を面全体で入光させる光入射部１１及び光入射部１１から入射された光を外部に出射する光出射部１２を有する。また、より遠くへ光を届けるために、光の出射方向を制御し、光の指向性を向上させる必要がある。このため、光出射部１２の少なくとも一つの面の表面に微細凹凸構造１２１が形成されている。また、必要に応じて、光入射部１１と光出射部１２との間には、光入射部１１から入射した光を光出射部１２へ導光させる導光部１４を備えるようにしてもよい。
【００１６】
前記導光フィルム１の屈折率（光入射部１１の屈折率）としては、特に制限はなく、使用目的に応じて適宜変更することができ、１．０５〜１．８が好ましく、１．１〜１．７５がより好ましく、１．２〜１．７が特に好ましく、１．３〜１．６５が最も好ましい。前記屈折率が、１．０５未満であると、臨界角が大きすぎ、フィルム内部を伝播する光の多くが漏れてしまうことがあり、１．８を超えると、界面反射が大きく、光のフィルム内部への入射光量が低下しすぎることがある。
【００１７】
導光フィルム１の形状としては、図１に示すように、説明の便宜上長方形状としているが、特に制限はなく、使用目的に応じて適宜変更することができ、例えば、長方形状、正方形状、円状等が挙げられる。
【００１８】
前記導光フィルム１の長さ（Ｈ）としては、特に制限はなく、使用目的に応じて適宜変更することができるが、例えば、１０ｍｍ〜５０，０００ｍｍが好ましく、１００ｍｍ〜５，０００ｍｍがより好ましく、２００ｍｍ〜１，０００ｍｍが特に好ましい。前記長さが、１０ｍｍ未満であると、導光させるロスに比べ距離が短すぎ導光の意義がなくなる（直接届けた方が効率高い）ことがあり、５０，０００ｍｍを超えると、フィルムの吸収により光が届かなくなることがある。
【００１９】
前記光入射部１１の長さとしては、特に制限はなく、使用目的に応じて適宜変更することができるが、例えば、１ｍｍ〜５，０００ｍｍが好ましく、５ｍｍ〜１，０００ｍｍがより好ましく、２０ｍｍ〜５００ｍｍが特に好ましい。前記長さが、１ｍｍ未満であると、捕らえられる光が少なくなりすぎることがあり、５，０００ｍｍを超えると、フィルムによる光吸収のロスが大きくなりすぎることがある。
【００２０】
前記光出射部１２の長さとしては、特に制限はなく、使用目的に応じて適宜変更することができるが、例えば、１ｍｍ〜５，０００ｍｍが好ましく、５ｍｍ〜１，０００ｍｍがより好ましく、２０ｍｍ〜５００ｍｍが特に好ましい。前記長さが、１ｍｍ未満であると、捕らえられる光が少なくなりすぎることがあり、５，０００ｍｍを超えると、フィルムによる光吸収のロスが大きくなりすぎることがある。
【００２１】
前記導光フィルム１の厚み（Ｄ）としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、０．１μｍ〜２００，０００μｍが好ましく、１μｍ〜２０，０００μｍがより好ましく、１０μｍ〜２，０００μｍが特に好ましく、５０μｍ〜５００μｍが最も好ましい。前記厚み（Ｄ）が、０．１μｍ未満であると、表面の割合が多すぎ閉じ込め効率が下がることがあり、２００，０００μｍを超えると、材質が不均質になり光が漏れる割合が増えることがある。なお、導光フィルム１の厚み（Ｄ）は、光入射部１１及び光出射部１２を有する同一のフィルムの厚みのことをいう。
【００２２】
前記導光フィルム１の長さ（Ｈ）及び厚み（Ｄ）は、例えば、導光フィルム１を測定計で挟んで導光フィルム１の厚みを測定する膜厚計、光学的な干渉を利用して導光フィルム１の厚みを測定する非接触膜厚計等を使用することにより、測定することができる。
【００２３】
前記導光フィルム１の材料としては、透明であり、ある程度の強度を有するものであれば、特に制限はなく、例えば、樹脂、ガラス等が挙げられる。これらの中でも、柔軟性があり、軽量であることから、樹脂が好ましい。
【００２４】
前記樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選定することができ、例えば、ポリスチレン、スチレン・メチルメタクリレート共重合体、（メタ）アクリル樹脂、ポリメチルペンテン、アリルグリコールカーボネート樹脂、スピラン樹脂、アモルファスポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリアリルサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ジアリルフタレート、フッ素樹脂、ポリエステルカーボネート、ノルボルネン系樹脂（ＡＲＴＯＮ）、脂環式アクリル樹脂（オプトレッツ）、シリコーン樹脂、アクリルゴム、シリコーンゴムなどの透明材料が挙げられ、これらの１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中でも、透明性、屈折率等の光学特性、加工性などの面から、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル含有樹脂、ＰＥＴ、スチレン−（メタ）アクリル共重合体（ＭＳポリマー）などが好ましい。
【００２５】
前記導光フィルム１のヘイズとしては、１０％以下であることが好ましく、２％以下であることがより好ましく、０．５％以下であることが特に好ましい。前記ヘイズが、１０％を超えると、入射光を制御して採光する集光効率や導光効率が著しく低下することがある。
【００２６】
ここで、前記「ヘイズ」とは、曇り度合いの値を指し、例えば、ＪＩＳ ７１０５に準拠したヘイズメータ（型番：ＨＺ−１、スガ試験機（株）製）等の測定装置により評価される値である。
【００２７】
光入射部１１の端部には、反射部１３を有するようにしてもよい。前記反射部１３は、必要に応じて適宜省略することができる。前記反射部１３の材料としては、反射率が高ければ特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、銀、アルミニウム、金、銅、マグネシウムなどの金属や、高屈折率のＴｉＯ２、ＺｎＳ、シリコンなどの誘電体や半導体が挙げられる。
【００２８】
−微細凹凸構造−
前記光出射部１２の少なくとも一つの面の表面に微細凹凸構造１２１が形成されている。前記微細凹凸構造１２１を形成させることで、光の出射方向が制御され、光の指向性が向上する。このため、より遠くに光を届けることができる。前記微細凹凸構造１２１としては、より遠くに光を届けたい方向に形成されていればよく、例えば、図２に示したように二つの面の表面に形成してもよく、より遠くに光と届けたい方向側の光出射部１２の面の表面のみに形成してもよい。
【００２９】
前記微細凹凸構造１２１の形状としては、断面形状が前記光出射部１２側に起伏する凹凸形状を有するものであれば、特に制限はなく、円錐形状、角錐形状、のこぎり状、蛇腹状、方形状などの凹凸形状とすることができる。微細凹凸構造１２１の形状を適宜変化させることで、例えば、正面輝度を向上させたり、特定の方向の輝度を向上させたり、光の出射方向を制御することができる。
【００３０】
前記微細凹凸構造１２１のピッチ間隔Ｐの主要発光波長に対する下限としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、その下限は、光量向上の観点から、光源からの主要発光波長をλとして０．０１λ以上が好ましく、０．０５λ以上がより好ましく、０．１λ以上が更により好ましく、０．２λ以上が特に好ましい。
また、上限としては、光量向上の観点から、１００λ以下が好ましく、５０λ以下がより好ましく、２０λ以下がより更に好ましく、１０λ以下が特に好ましい。
【００３１】
前記微細凹凸構造１２１の隣接する凸部間の最短距離Ｐ（以下、ピッチ間隔ともいう。）（単位：μｍ）としては、入射させる光の波長によって適宜変更することができるが、光の発光波長をλ、光出射部の屈折率をｎとしたとき、０．１×（λ／２ｎ）〜１０×（λ／２ｎ）の範囲内とすることが好ましく、０．２×（λ／２ｎ）〜５×（λ／２ｎ）の範囲内とすることがより好ましく、０．４×（λ／２ｎ）〜２．５×（λ／２ｎ）の範囲内とすることが特に好ましい。前記ピッチ間隔Ｐが０．１×（λ／２ｎ）未満であると、細かすぎて光の相互作用が低く効果が小さくなることがあり、１０×（λ／２ｎ）を超えると、光の変化する角度が小さく効果が小さくなることがある。
【００３２】
前記微細凹凸構造１１２の隣接する凸部間の最短距離Ｐの下限としては、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．１５μｍ以上であることがより好ましく、０．２μｍ以上であることが特に好ましい。前記下限が、０．１μｍ未満であると、加工が困難で均一性が得られないことがある。
【００３３】
また、前記ピッチ間隔の上限としては、４μｍ以下が好ましく、３．５μｍ以下がより好ましく、３μｍ以下が特に好ましい。前記上限が、４μｍを超えると、光を閉じ込める効果が下がってしまうことがある。
【００３４】
前記微細凹凸構造１２１の凸部の高さＨの下限としては、０．０１μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上がより好ましく、０．１５μｍ以上が特に好ましい。前記下限が、０．０１μｍ未満であると、相互作用が小さくなりすぎ、効果が低くなることがある。
【００３５】
前記微細凹凸構造１２１の凸部の高さＨの上限としては、１，０００μｍ以下が好ましく、４μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下が特に好ましい。前記上限が、１，０００μｍを超えると、強度が低く形状が保たれないことがある。
【００３６】
−−微細凹凸構造の形成方法−−
前記微細凹凸構造１２１の形成方法としては、特に制限はなく、例えば、切削法、ナノインプリント法、レーザ微細加工、エッチング法など目的に応じて適宜選択することができるが、これらの中でも、同じ形状のものを均一に形成するという理由からナノインプリント法で形成させることが好ましい。
【００３７】
前記ナノインプリント法としては、予め所望の凹凸形状を備えるスタンパ（金型）で転写することで微細凹凸構造１２１を形成させることができる。具体的には、スタンパ原版（シリコン基板）上にフォトレジスト材料からなるフォトレジスト層をスピンコート法などで塗布し、光学系レンズでレーザ光をフォトレジスト層に集光して照射することで複数の微細孔を形成させ、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのエッチング処理を行い、原版上に形成された複数の微細孔の深さを調整した後、フォトレジスト層を除去することで所望の凹凸形状を有するスタンパを作製する。
光を入光させる光入射部１１の面の反対側の面にナノインプリント材料からなるナノインプリント層を形成させ、このナノインプリント層を前記スタンパで押圧し、必要に応じて加熱又は光照射することで光出射部１２に微細凹凸構造を形成させる。
前記フォトレジスト材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、通常の光反応を利用するフォトレジスト材料、熱反応を利用するフォトレジスト材料など挙げられるが、高精細で、凹凸周囲に細かな構造ができ、より光相互作用に高い効果を発現できる点で熱反応を利用できるフォトレジスト材料が好ましい。
前記熱反応を利用できるフォトレジスト材料としては、例えば、メチン色素（シアニン色素、ヘミシアニン色素、スチリル色素、オキソノール色素、メロシアニン色素など）、大環状色素（フタロシアニン色素、ナフタロシアニン色素、ポルフィリン色素など）、アゾ色素（アゾ金属キレート色素を含む）、アリリデン色素、錯体色素、クマリン色素、アゾール誘導体、トリアジン誘導体、１−アミノブタジエン誘導体、経皮酸誘導体、キノフタロン系色素などが挙げられる。
【００３８】
前記ナノインプリント材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、熱可塑性樹脂及び光硬化性樹脂の少なくともいずれかを含有するインプリントレジスト組成物などが挙げられる。
前記インプリントレジスト組成物としては、例えば、ノボラック系樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、有機ガラス樹脂、無機ガラス樹脂などが挙げられる。
【００３９】
前記フォトレジスト層の厚みとしては、スタンパの表面上に形成される凸部の高さに対して５％以上、２００％未満であることが好ましい。前記厚みが５％未満であると、レジスト量が不足し、所望の微細凹凸構造を形成することができないことがある。
【００４０】
前記フォトレジスト層の厚みとしては、例えば、該フォトレジスト層を形成した光出射部１２から該フォトレジスト層を一部剥離し、剥離後の段差（高さ）をＡＦＭ装置（ＯＬＳ、オリンパス株式会社製）にて測定することができる。
【００４１】
前記インプリントレジスト組成物の粘度としては、例えば、超音波式粘度計などを用いて測定することができる。前記インプリントレジスト組成物の粘度としては、２５℃で１ｍＰａ・ｓ〜２００ｍＰａ・ｓが好ましく、１ｍＰａ・ｓ〜１００ｍＰａ・ｓがより好ましい。
【００４２】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の導光フィルムは、光源から入射される光を面全体で入光させる光入射部と光入射部よりも屈折率が大きい高屈折率層との２層構造となっている以外は第１実施形態と同一である。以下、第２実施形態の導光フィルムについて詳細に説明するが、第１実施形態と内容が重複する箇所の説明は適宜省略する。
【００４３】
図４は、本発明の導光フィルムの第２実施形態の一例を示す平面図であり、図５は、本発明の導光フィルムの第２実施形態の一例を示す断面図であり、図６は、光入射部１１と高屈折率層１１１との界面に形成された微細凹凸構造の一例を示す拡大図である。第２実施形態の導光フィルム１´は、同一のフィルムに、光源から入射される光を面全体で入光させる光入射部１１及び光入射部１１から入射された光を外部に出射する光出射部１２を有し、光入射部１１の面の反対側の面に積層され、光入射部１１よりも屈折率が大きい高屈折率層１１１をさらに有する。光入射部１１と高屈折率層１１１との界面に微細凹凸構造１１２が形成されている。また、必要に応じて、高屈折率材料に蛍光体が含有している構成としてもよい。
【００４４】
前記高屈折率層１１１は、図５に示すように、光入射部１１の光を入光させる面の反対側に積層されている。光の閉じ込め効率を向上させるためには光の反射の臨界角を小さくする必要があるので、前記高屈折率層１１１は、光入射部１１（導光フィルム１）よりも屈折率を大きくする必要がある。
【００４５】
前記高屈折率層１１１を構成する高屈折率材料としては、導光フィルム１´よりも屈折率が高く、ある程度の強度を有するものであれば、特に制限はなく、例えば、ＴｉＯ２やＺｎＳ等の高屈折率微粒子が含有された樹脂、高屈折率樹脂などが挙げられる。
前記高屈折率樹脂としては、例えば、ポリカーボネート、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＢＰＥＦＡなどが挙げられる。
【００４６】
前記高屈折率層１１１の屈折率としては、光入射部１１（導光フィルム１）の屈折率よりも大きければ、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、１．４〜４．０が好ましく、１．５〜３．０がより好ましく、１．６〜２．０が特に好ましい。前記高屈折率層１１１の屈折率が、１．４未満であると、入射光の臨界角を小さくすることができず、光閉じ込め効率を向上させることができないことがあり、４．０を超えると、界面反射により高屈折率層１１１への光入射が少なくなりすぎることがある。
【００４７】
高屈折率層１１１の屈折率は、散乱粒子を含まない状態の塗布液を調液し、この塗布液をガラス上に塗布し、紫外線で硬化させた後、エリプソメータ（ＪＡウーラム製）で測定することができる。
【００４８】
また、高屈折率層１１１の屈折率Ａと光入射部１１の屈折率Ｂとの屈折率差（Ａ−Ｂ）としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、０．０１〜２であることが好ましく、０．０５〜１．５であることがより好ましく、０．１〜１であることが特に好ましい。前記差が、０．０１未満であると、光を閉じ込める効果が殆ど得られないことがあり、２を超えると、高屈折率層１１１への光入射が低くなりすぎることがある。
【００４９】
−蛍光体−
前記高屈折率層１１１には、蛍光体を含有させ、光入射部１１から入射した光の光電エネルギーを変換することで必要とする波長を増強させることができる。例えば、光合成において、光エネルギーを吸収する役割を持つクロロフィルは、種々の種類があるが、４００ｎｍ〜５００ｎｍの領域と６００ｎｍ〜７５０ｎｍの領域の波長の光をより多く吸収することが多いことが知られている。導光フィルム１を植物の光合成を促進させる装置に使用する際、６００ｎｍ〜７５０ｎｍ付近で発光する示す蛍光体を高屈折率層１１１に含有させることで、光入射部１１から入射した光を６００ｎｍ〜７５０ｎｍ付近の波長に光電エネルギーを蛍光変換し、光出射部１２から蛍光変換した光を出射させることができ、効果的に光合成を促進させることができる。即ち、蛍光体を高屈折率材料に含ませることで、特定の波長の光を光出射部１２から出射させることができる。
【００５０】
前記蛍光体としては、必要とする波長を増強させることができれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＤＣＭ、ＤＭＥＴＣＩ、ＤＯＣＩ、ＤＯＤＣＩ、ＤＱＯＣＩ、ＤＱＴＣＩ、ＨＩＤＣＩ等の蛍光化合物、インドレニン、クマリン、クレジルバイオレット、シアニン、フルオレセイン、マラカイトグリーン、ナイルブルー、オキサジン、ペリレン化合物、フェノキサゾン、フェニルアラニン、フタロシアニン、ピナシアニン、ポルフィン、プロフラビン、ピリジン、ピロメテン、ローダミン、リボフラビン、スチルベン、スチリル化合物、スルホローダミン、ウラニンなどが挙げられる。中でも、ペリレン化合物が好ましく、該ペリレン化合物としては、蛍光発光するものであれば特に制限はなく、ペリレン、ペリレンレッド、ペリレンオレンジ等が挙げられる。
また、前記蛍光体としては、例えば下記のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【化１】
【化２】
【化３】
【化４】
【化５】
【化６】
【化７】
【化８】
【化９】
【化１０】
【化１１】
【化１２】
【００５１】
前記蛍光体の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、高屈折率材料１００ｍｇに対して０．００１ｍｇ〜２０ｍｇであることが好ましく、０．０１ｍｇ〜１０ｍｇであることがより好ましく、０．１ｍｇ〜５ｍｇであることが特に好ましい。前記含有量が０．００１ｍｇ未満であると、光入射部１１から入射した光を効果的に蛍光変換することができないことがあり、２０ｍｇを超えると、形状を保つことが困難となることがある。
【００５２】
−光入射部と高屈折率層との界面に形成された微細凹凸構造−
光入射部１１と高屈折率層１１１との界面に微細凹凸構造１１２を形成してもよい。光入射部１１と高屈折率層１１１との界面の微細凹凸構造１１２は光出射部１２の表面に形成された微細凹凸構造１２１と同一の形成方法で形成させ、微細凹凸構造１２１を形成させた後、微細凹凸構造１２１上に高屈折率材料及び蛍光体を溶剤に溶解させ、スプレー法、スピンコート法、ディップ法、ロールコート法、ブレードコート法、ドクターロール法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法等で塗布することで高屈折率層１１１を形成させる。
【００５３】
前記微細凹凸構造１１２のピッチ間隔Ｐ´の主要発光波長に対する下限としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、その下限は、光量向上の観点から、光源からの主要発光波長をλとして０．０１λ以上が好ましく、０．０５λ以上がより好ましく、０．１λ以上が更により好ましく、０．２λ以上が特に好ましい。
また、上限としては、光量向上の観点から、１００λ以下が好ましく、５０λ以下がより好ましく、２０λ以下がより更に好ましく、１０λ以下が特に好ましい。
【００５４】
前記微細凹凸構造１１２のピッチ間隔Ｐ´の下限としては、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．１５μｍ以上であることがより好ましく、０．２μｍ以上であることが特に好ましい。前記下限は、０．１μｍ未満であると、加工が困難で均一性が得られないことがある。
【００５５】
また、上限としては、１００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以下であることが特に好ましい。前記上限が、１００μｍを超えると、光を閉じ込める効果が下がってしまうことがある。
【００５６】
前記微細凹凸構造１１２の凸部の高さＨ´の下限としては、０．０５μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることがより好ましく、０．１５μｍ以上であることが特に好ましい。前記下限は、０．０５μｍ未満であると、界面反射低減効果が得られないことがある。
【００５７】
前記微細凹凸構造１１２の凸部の高さＨ´の上限としては、１０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以下であることが特に好ましい。前記下限は、１０μｍを超えると、強度が低く形状が保たれないことがある。
【００５８】
（植物の光合成を促進させる装置）
前記植物の光合成を促進させる装置としては、前記導光フィルム１又は導光フィルム１´と、前記導光フィルム１を固定するパイプ３などの固定手段を備える。例えば、図７、図８に示すように、導光フィルム１を折り曲げ、光出射部１２を藻などの植物が存在する水中に入れ、太陽光などの光源から入射された光を光入射部１１から入射させ、水中の光出射部１２から光を出射することで、水中の植物の光合成を促進させることができる。なお、折り曲げる箇所は、光出射部１２であってもよく、導光部１４であってもよい。
前記導光フィルム１又は導光フィルム１´としては、例えば、前記導光フィルム１同士の一部を接着し、水中に設けられているパイプ３などで固定してもよく、また、図９に一例を示したように、例えば、複数のパイプ３を用いて前記導光フィルム１を固定するようにしてもよい。
【００５９】
前記第１実施形態の導光フィルム１及び第２実施形態の導光フィルム１´は、光出射部１２の表面に形成されている微細凹凸構造１２１により、光の出射方向が制御され光の指向性が向上する。このため、より遠くに光が届くようになり、従来では光が届かなかった箇所に存在する植物にも光を届くようにすることができる。
【００６０】
第２実施形態の導光フィルム１´において、前記高屈折率層１１１に含む蛍光体としては、光エネルギーを吸収する役割を持つクロロフィルαは、４２０ｎｍと６６０ｎｍの波長をより多く吸収するので、光合成をより促進させるために６００ｎｍ〜７００ｎｍ付近で発光する蛍光体であれば特に制限されないが、特に、ＬｕｍｏｇｅｎＦ Ｒｅｄ ３０５（ＢＡＳＦ社製）などのペリレン蛍光体を高屈折率層１１１に含有させることが好ましい。
【００６１】
また、上記蛍光体の他に６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長をより多く発光する６ＭｇＯ・Ａｓ２Ｏ５Ｍｎ４＋を高屈折率層１１１に含ませてもよい。上記蛍光体を高屈折率材料に含ませることで、波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの光を光出射部１２から出射させることができ、効果的に藻などの光合成を促進させることができる。
【００６２】
（光電変換素子）
前記第１実施形態の導光フィルム１及び第２実施形態の導光フィルム１´は、光出射部１２の表面に形成されている微細凹凸構造１２１により、光の出射方向が制御されている。このため、導光フィルム１を光電変換素子に用いることで、光電変換効率を向上させることができる。
【００６３】
前記光電変換素子としては、光センサ、有機ＥＬ素子、撮像素子などが挙げられる。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００６５】
（実施例１）
＜導光フィルム１の作製＞
−光入射部と光出射部の作製−
長さ１００ｍｍ、幅４０ｍｍ及び厚みが０．２ｍｍであり、屈折率が１．５のアクリルフィルム（ソフトアクリル 新光エージー社製）を端部から３０ｍｍを光入射部とし、他方の端部から５０ｍｍを光出射部とした。
【００６６】
−光出射部の微細凹凸構造の形成−
前記光入射部と同一形状（３０ｍｍ×４０ｍｍ）のシリコン基板上に、フォトレジスト化合物として下記構造式で表される化合物Ａ ２０ｍｇを２，２，３，３−テトラフルオロ−１−プロパノール １ｍｌの割合になるように溶解させ、この溶液を１，０００ｒｐｍで回転させながらスピンコート法を用いて１００ｎｍの厚さに塗布し、シリコン基板上にフォトレジスト層を形成させた。
【化１３】
【００６７】
基板上に形成させたフォトレジスト層に対して、パルステック工業社製ＮＥＯ１０００（波長４０５ｎｍ、ＮＡ０．８５）で線速５ｍ／ｓ、４ｍＷで微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離のピッチ間隔が０．２μｍとなるように複数の微細孔を形成させた。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理を行いフォトレジスト層の形成された複数の微細孔の深さを０．２μｍに調整し、フォトレジスト層を２，２，３，３−テトラフルオロ−１−プロパノールで除去することでスタンパを作製した。
【００６８】
光出射部の両面全体にインプリント化合物（ＰＡＫ−０１−ＣＬ 東洋合成社製）を１，０００ｒｐｍで回転させながらスピンコート法を用いて１μｍの厚さに塗布し、光入射部上にインプリント層を形成させた。このインプリント層を前記スタンパ押圧し、ＵＶを照射することで光出射部表面に微細凹凸構造を形成させ、導光フィルム１を作製した。
【００６９】
（実施例２）
＜導光フィルム２の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を０．５μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム２を作製した。
【００７０】
（実施例３）
＜導光フィルム３の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を０．３μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム３を作製した。
【００７１】
（実施例４）
＜導光フィルム４の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を１．５μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム４を作製した。
【００７２】
（実施例５）
＜導光フィルム５の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を２．５μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム５を作製した。
【００７３】
（実施例６）
＜導光フィルム６の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を０．８μｍとし、スタンパの微細孔の深さを０．３μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム６を作製した。
【００７４】
（実施例７）
＜導光フィルム７の作製＞
光を入光させる前記光入射部の面の反対側の面に高屈折率層を積層させ、光入射部と高屈折率層との界面に微細凹凸構造を形成させた以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム７を作製した。高屈折率層と光入射部と高屈折率層との界面の微細凹凸構造は、以下のように形成した。
【００７５】
前記光入射部と同一形状（３０ｍｍ×４０ｍｍ）のシリコン基板上に、フォトレジスト化合物として下記構造式で表される化合物Ａ ２０ｍｇを２，２，３，３−テトラフルオロ−１−プロパノール １ｍｌの割合になるように溶解させ、この溶液を１，０００ｒｐｍで回転させながらスピンコート法を用いて１００ｎｍの厚さに塗布し、シリコン基板上にフォトレジスト層を形成させた。
【化１４】
【００７６】
基板上に形成させたフォトレジスト層に対して、パルステック工業社製ＮＥＯ１０００（波長４０５ｎｍ、ＮＡ０．８５）で線速５ｍ／ｓ、４ｍＷで微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離のピッチ間隔が０．２μｍとなるように複数の微細孔を形成させた。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理を行いフォトレジスト層の形成された複数の微細孔の深さを０．２μｍに調整し、フォトレジスト層を２，２，３，３−テトラフルオロ−１−プロパノールで除去することでスタンパを作製した。
【００７７】
光を入光させる光入射部の面の反対側の面（端部から３０ｍｍ）にインプリント化合物（ＰＡＫ−０１−ＣＬ 東洋合成社製）を１，０００ｒｐｍで回転させながらスピンコート法を用いて１μｍの厚さに塗布し、光入射部上にインプリント層を形成させた。このインプリント層を前記スタンパ押圧し、ＵＶを照射することで光入射部に微細凹凸構造を形成させた。
【００７８】
−高屈折率層の作製−
光入射部上に形成させた微細凹凸構造上に、蛍光体として、ペリレンレッド（Ｌｕｍｏｇｅｎ Ｆ Ｒｅｄ ３０５、ＢＡＳＦ社製）２質量％と、高屈折率材料として屈折率が１．６のＢＰＥＦＡ（大阪ガス化学社製）２０質量％を溶剤であるメチルエチルケトンに溶解させ、刷毛を用いて約５０μｍの厚さに塗布、乾燥させることで高屈折率層を積層させることで導光フィルム７を作製した。
【００７９】
（比較例１）
＜導光フィルム８の作製＞
実施例１において、サンドブラスト法にて光出射部の表面を加工した以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム８を作製した。
【００８０】
（参考例１）
＜導光フィルム９の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を５μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム９を作製した。
【００８１】
（評価）
＜正面明るさ向上率＞
導光フィルム１から導光フィルム９の光入射部から光源である太陽光（可視光の中心は長λは５５０ｎｍ）を入射させ、光出射部から出射する光の正面の明るさを評価した。評価方法としては、光出射部の表面に微細凹凸構造を有さない以外は実施例１と同様にして作製した導光フィルムの正面輝度を基準にし、この導光フィルムに対して正面の明るさの向上率を評価した。光の明るさは、光入射部及び光入射部から１００ｍｍ離れた光出射部を除き導光フィルム全体に遮光用の黒紙を載置し、導光フィルム１から導光フィルム９の光入射部から光源である太陽光を入射させ、遮光用の黒紙が載置されていない光出射部から出射する光の正面光量をＵＳＢ２０００（オーシャンオプティクス製）を用いて測定することで正面の明るさの向上率を評価した。結果を表１に示す。
【００８２】
＜正面光量と４５度光量との比率＞
導光フィルム１から導光フィルム９の正面光量及び４５度光量も評価した。評価方法としては、光入射部及び光入射部から１００ｍｍ離れた光出射部を除き導光フィルム全体に遮光用の黒紙を載置し、導光フィルム１から導光フィルム９の光入射部から光源である太陽光を入射させ、遮光用の黒紙が載置されていない光出射部から出射する光の正面光量及び４５度光量を測定し、正面光量と４５度光量との比率（正面光量／４５度光量）を求めることで、光の出射方向を制御して光の指向性がどの程度向上したのか評価した。正面光量及び４５度光量は、ＵＳＢ２０００（オーシャンオプティクス製）を用いて測定した。結果を表１に示す。
【００８３】
＜光合成＞
図１０に示すように遮光板６０で遮光された暗室に水槽５０を配し、この水槽５０中に５０万個／ｍＬの濃度のクロレラを満たした。遮光板６０の切り欠き部６５に対して、導光フィルム１００を光の漏れがないように光出射部７５側から挿通させるとともに、導光フィルム１００の長さ方向の略中央部付近に曲率半径２０ｍｍにて、導光フィルム１００を折曲げ、光入射部７０にランプ８０からの光を入射可能としつつ、光出射部７５が水槽５０中に含浸されるように導光フィルム１００を配した。
ランプ８０として、ＬＥＤランプより光量の大きな１００Ｗハロゲンランプを用い、前記の通り、光入射部７０にランプ８０からの光を入射可能としつつ、光出射部７５が水槽５０中に含浸されるように配された導光フィルム１００の光入射部７０に対して、光を照射して、水槽５０中のクロレラの培養を行った。
ランプ８０による光の照射を２４時間継続し、その後、光学顕微鏡を用いて個数を測定し、該個数を試験前の個数と比較して、増減率を算出し、下記評価基準に基づき評価した。結果を下記表１に示す。
［評価基準］
◎・・・クロレラの増加率が２０％以上
○・・・クロレラの増加率が１０％以上２０％未満
△・・・クロレラの増加率が０％以上１０％未満
×・・・クロレラの増加率が０％未満
【００８４】
【表１】
【００８５】
表１から、実施例１から実施例７は、正面明るさ向上率が向上していることがわかる。また、正面光量／４５度光量も向上していることがわかる。この結果から、実施例１から実施例６は、光の出射方向が制御され、光の指向性が向上し、より遠くに光が届いていることがわかる。
一方、比較例１では、実施例１から実施例７と比較して明るさ向上率及び正面光量／４５度光量がほとんど向上していないことから、光が散乱しており、光の指向性が向上していない。このため、実施例１から実施例７と比較して遠くに光が届いていないことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の導光フィルムは、光の出射方向が制御され光の指向性が向上するので、より遠くに光を届けることができる。このため、本発明の導光フィルムは、様々な状況において使用することができ、例えば、植物の光合成を促進させる装置、光電変換素子などに幅広く用いることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１ 導光フィルム
１´ 導光フィルム
１１ 光入射部
１１１ 高屈折率層
１１２ 微細凹凸構造
１２ 光出射部
１２１ 微細凹凸構造
１３ 反射部
１４ 導光部
３ パイプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導光フィルム、並びにこれを用いた植物の光合成を促進させる装置、太陽電池及び光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油などの化石燃料使用により放出された二酸化炭素が大気中に増加すると、地球の温暖化など地球環境が悪化し、自然環境破壊のみならず、干ばつ、大雨、洪水などが多発し、自然災害の発生や農作物にも多大な被害が発生し、人類社会にも大きな影響が生じることから、環境に対しての意識が高まりつつある。
【０００３】
このため、大気中に放出される二酸化炭素を減少させる方法として、藻などの植物に太陽光を照射することにより、その光合成を利用して大気中の二酸化炭素を減少させる方法や植物の光合成を促進させる装置が検討されている。
【０００４】
また、環境に対しての意識と、エネルギー対策の一環から、太陽光から直接電気を得ることができるクリーンな発電方法である太陽電池の開発が検討され、実用化されようとしている。
【０００５】
ところで、上述した二酸化炭素を減少させる方法及び太陽電池で使用する一般的な装置は、光源より発光された光が、導光フィルムの入射部を通じて導光フィルムの内部へ入射する。導光フィルムの内部に入射した光は、導光フィルムの出射面（上面）と反射面（下面）との間で反射を繰り返し、その反射光と、出射面の法線とのなす角度が臨界角より小さくなると、その反射光が出射面を透過して出射される。
【０００６】
このような導光フィルムでは、一般的に、入射部と逆側に位置する反入射部が平坦性を有するので、光源から出射された光のうち、入射面に対し直交する方向に出射される平行光又は反入射面への入射角が臨界角より小さい光は、それぞれ反入射面側からそのまま外部へ出射されてしまい、光の損失が生じる。
【０００７】
このため、二酸化炭素を減少させる方法や植物の光合成を促進させる装置において、ある程度植物の光合成を進行させることができても、光合成に必要な光が十分に届かないという問題があった。また、光の散乱により、特定方向の光の出射量が少ないので、植物の光合成を促進させる装置から離れた場所では特に光量が少ないといった問題もあった。
【０００８】
このような問題を解決するために、例えば、光を閉じ込めて面部を導光させ、目的エリアに出射させるために、装置の端部から光を入射させる方法が提案されている（特許文献１参照）。しかし、装置の端部に対して垂直に入射しない光は、出射部の手前で漏れてしまい、出射部まで導光せず、光取出し効率が減少するという問題があった。
【０００９】
また、例えば、太陽電池や光合成担体などの光を有効物に変換する部材において、有効物に変換する効率の高い波長に変換して光を活用する方法が提案されている（特許文献２、特許文献３参照）。しかし、変換物質にいたる屈折率界面において、界面反射が生じ、目的の場所に光を導く光取出し効率が低くなるという問題があり、その解決が望まれているのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】実登２６０１４４９号公報
【特許文献２】特開平７−１４２７５２号公報
【特許文献３】特開平６−３８６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、回折効果を持たせた形状を光出射部に形成させることにより、光の出射方向を制御し、光が散乱する状況であってもより遠くに光を届けることができる導光フィルム、この導光フィルムを用いた植物の光合成を促進させる装置、太陽電池及び光電変換素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 光源から入射される入射光を該入射光側の面で入光させる光入射部と、前記光入射部から入射された光を外部に出射する光出射部と、を有し、前記光出射部の少なくとも一つの面の表面には微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする導光フィルムである。
＜２＞ 光の発光波長をλ、光出射部の屈折率をｎとしたとき、光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離を０．１×（λ／２ｎ）〜１０×（λ／２ｎ）の範囲内とする前記＜１＞に記載の導光フィルムである。
＜３＞ 光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の凸部の高さが、０．０１μｍ〜１０００μｍである前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜４＞ 光入射部と光出射部との間に光を導光させる導光部を有する前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜５＞ 微細凹凸構造がナノインプリント法で形成させる前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜６＞ 光源から入射される入射光を該入射光側の面で入光させる光入射部と、前記入射光側の面の反対側の面に積層され、前記光入射部よりも屈折率が大きい高屈折率層と、前記光入射部から入射された光を外部に出射する光出射部と、を有し、前記光出射部の少なくとも一つの面の表面には微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする導光フィルムである。
＜７＞ 光の発光波長をλ、光出射部の屈折率をｎとしたとき、光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離を０．１×（λ／２ｎ）〜１０×（λ／２ｎ）の範囲内とする前記＜６＞に記載の導光フィルムである。
＜８＞ 光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の凸部の高さが０．０１μｍ〜１，０００μｍである前記＜６＞から＜７＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜９＞ 光入射部と光出射部との間に光を導光させる導光部を有する前記＜６＞から＜８＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１０＞ 入光層と高屈折率層との間の界面には、微細凹凸構造が形成されている前記＜６＞から＜９＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１１＞ 入光層と高屈折率層との間の界面に形成されている微細凹凸構造及び光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造は、ナノインプリント法で形成させる前記＜６＞から＜１０＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１２＞ 高屈折率層は、光入射部から入射した光を蛍光変換する蛍光体を含有する前記＜６＞から＜１１＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１３＞ 蛍光体は、ペリレン化合物である前記＜１２＞に記載の導光フィルムである。
＜１４＞ 高屈折率層の屈折率が１．４〜４．０である前記＜６＞から＜１３＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１５＞ 光入射部の屈折率が１．０５〜１．８である前記＜６＞から＜１４＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１６＞ 高屈折率層と光入射部との屈折率差が０．０１〜２．０である前記＜６＞から＜１５＞のいずれかに記載の導光フィルムである。
＜１７＞ 前記＜１＞から＜１６＞のいずれかに記載の導光フィルムを用いたことを特徴とする植物の光合成を促進させる装置である。
＜１８＞ 前記＜１＞から＜１６＞のいずれかに記載の導光フィルムを用いたことを特徴とする光電変換素子である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来における前記諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、光の出射方向を制御して光の指向性を向上させたので、光が散乱する状況であってもより遠くに光を届けることができる導光フィルム、この導光フィルムを用いた植物の光合成を促進させる装置、太陽電池及び光電変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の導光フィルムの一例を示す平面図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態の導光フィルムの一例を示す断面図である。
【図３】図３は、光出射部の表面に形成された微細凹凸構造の一例を示す拡大図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態の導光フィルムの一例を示す平面図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態の導光フィルムの一例を示す断面図である。
【図６】図６は、光入射部と高屈折率層との界面に形成された微細凹凸構造の一例を示す拡大図である。
【図７】図７は、植物の光合成を促進させる装置の一例を示す模式図である。
【図８】図８は、植物の光合成を促進させる装置の一例を示す模式図である。
【図９】図９は、導光フィルムの固定方法の一例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、実施例及び比較例における光合成を評価するための装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（導光フィルム）
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の導光フィルムの一例を示す平面図であり、図２は、第１実施形態の導光フィルムの一例を示す断面図であり、図３は、光出射部の表面に形成された微細凹凸構造の一例を示す拡大図である。本発明の導光フィルム１は、同一のフィルムに、光源から入射される光を面全体で入光させる光入射部１１及び光入射部１１から入射された光を外部に出射する光出射部１２を有する。また、より遠くへ光を届けるために、光の出射方向を制御し、光の指向性を向上させる必要がある。このため、光出射部１２の少なくとも一つの面の表面に微細凹凸構造１２１が形成されている。また、必要に応じて、光入射部１１と光出射部１２との間には、光入射部１１から入射した光を光出射部１２へ導光させる導光部１４を備えるようにしてもよい。
【００１６】
前記導光フィルム１の屈折率（光入射部１１の屈折率）としては、特に制限はなく、使用目的に応じて適宜変更することができ、１．０５〜１．８が好ましく、１．１〜１．７５がより好ましく、１．２〜１．７が特に好ましく、１．３〜１．６５が最も好ましい。前記屈折率が、１．０５未満であると、臨界角が大きすぎ、フィルム内部を伝播する光の多くが漏れてしまうことがあり、１．８を超えると、界面反射が大きく、光のフィルム内部への入射光量が低下しすぎることがある。
【００１７】
導光フィルム１の形状としては、図１に示すように、説明の便宜上長方形状としているが、特に制限はなく、使用目的に応じて適宜変更することができ、例えば、長方形状、正方形状、円状等が挙げられる。
【００１８】
前記導光フィルム１の長さ（Ｈ）としては、特に制限はなく、使用目的に応じて適宜変更することができるが、例えば、１０ｍｍ〜５０，０００ｍｍが好ましく、１００ｍｍ〜５，０００ｍｍがより好ましく、２００ｍｍ〜１，０００ｍｍが特に好ましい。前記長さが、１０ｍｍ未満であると、導光させるロスに比べ距離が短すぎ導光の意義がなくなる（直接届けた方が効率高い）ことがあり、５０，０００ｍｍを超えると、フィルムの吸収により光が届かなくなることがある。
【００１９】
前記光入射部１１の長さとしては、特に制限はなく、使用目的に応じて適宜変更することができるが、例えば、１ｍｍ〜５，０００ｍｍが好ましく、５ｍｍ〜１，０００ｍｍがより好ましく、２０ｍｍ〜５００ｍｍが特に好ましい。前記長さが、１ｍｍ未満であると、捕らえられる光が少なくなりすぎることがあり、５，０００ｍｍを超えると、フィルムによる光吸収のロスが大きくなりすぎることがある。
【００２０】
前記光出射部１２の長さとしては、特に制限はなく、使用目的に応じて適宜変更することができるが、例えば、１ｍｍ〜５，０００ｍｍが好ましく、５ｍｍ〜１，０００ｍｍがより好ましく、２０ｍｍ〜５００ｍｍが特に好ましい。前記長さが、１ｍｍ未満であると、捕らえられる光が少なくなりすぎることがあり、５，０００ｍｍを超えると、フィルムによる光吸収のロスが大きくなりすぎることがある。
【００２１】
前記導光フィルム１の厚み（Ｄ）としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、０．１μｍ〜２００，０００μｍが好ましく、１μｍ〜２０，０００μｍがより好ましく、１０μｍ〜２，０００μｍが特に好ましく、５０μｍ〜５００μｍが最も好ましい。前記厚み（Ｄ）が、０．１μｍ未満であると、表面の割合が多すぎ閉じ込め効率が下がることがあり、２００，０００μｍを超えると、材質が不均質になり光が漏れる割合が増えることがある。なお、導光フィルム１の厚み（Ｄ）は、光入射部１１及び光出射部１２を有する同一のフィルムの厚みのことをいう。
【００２２】
前記導光フィルム１の長さ（Ｈ）及び厚み（Ｄ）は、例えば、導光フィルム１を測定計で挟んで導光フィルム１の厚みを測定する膜厚計、光学的な干渉を利用して導光フィルム１の厚みを測定する非接触膜厚計等を使用することにより、測定することができる。
【００２３】
前記導光フィルム１の材料としては、透明であり、ある程度の強度を有するものであれば、特に制限はなく、例えば、樹脂、ガラス等が挙げられる。これらの中でも、柔軟性があり、軽量であることから、樹脂が好ましい。
【００２４】
前記樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選定することができ、例えば、ポリスチレン、スチレン・メチルメタクリレート共重合体、（メタ）アクリル樹脂、ポリメチルペンテン、アリルグリコールカーボネート樹脂、スピラン樹脂、アモルファスポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリアリルサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ジアリルフタレート、フッ素樹脂、ポリエステルカーボネート、ノルボルネン系樹脂（ＡＲＴＯＮ）、脂環式アクリル樹脂（オプトレッツ）、シリコーン樹脂、アクリルゴム、シリコーンゴムなどの透明材料が挙げられ、これらの１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中でも、透明性、屈折率等の光学特性、加工性などの面から、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル含有樹脂、ＰＥＴ、スチレン−（メタ）アクリル共重合体（ＭＳポリマー）などが好ましい。
【００２５】
前記導光フィルム１のヘイズとしては、１０％以下であることが好ましく、２％以下であることがより好ましく、０．５％以下であることが特に好ましい。前記ヘイズが、１０％を超えると、入射光を制御して採光する集光効率や導光効率が著しく低下することがある。
【００２６】
ここで、前記「ヘイズ」とは、曇り度合いの値を指し、例えば、ＪＩＳ ７１０５に準拠したヘイズメータ（型番：ＨＺ−１、スガ試験機（株）製）等の測定装置により評価される値である。
【００２７】
光入射部１１の端部には、反射部１３を有するようにしてもよい。前記反射部１３は、必要に応じて適宜省略することができる。前記反射部１３の材料としては、反射率が高ければ特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、銀、アルミニウム、金、銅、マグネシウムなどの金属や、高屈折率のＴｉＯ２、ＺｎＳ、シリコンなどの誘電体や半導体が挙げられる。
【００２８】
−微細凹凸構造−
前記光出射部１２の少なくとも一つの面の表面に微細凹凸構造１２１が形成されている。前記微細凹凸構造１２１を形成させることで、光の出射方向が制御され、光の指向性が向上する。このため、より遠くに光を届けることができる。前記微細凹凸構造１２１としては、より遠くに光を届けたい方向に形成されていればよく、例えば、図２に示したように二つの面の表面に形成してもよく、より遠くに光と届けたい方向側の光出射部１２の面の表面のみに形成してもよい。
【００２９】
前記微細凹凸構造１２１の形状としては、断面形状が前記光出射部１２側に起伏する凹凸形状を有するものであれば、特に制限はなく、円錐形状、角錐形状、のこぎり状、蛇腹状、方形状などの凹凸形状とすることができる。微細凹凸構造１２１の形状を適宜変化させることで、例えば、正面輝度を向上させたり、特定の方向の輝度を向上させたり、光の出射方向を制御することができる。
【００３０】
前記微細凹凸構造１２１のピッチ間隔Ｐの主要発光波長に対する下限としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、その下限は、光量向上の観点から、光源からの主要発光波長をλとして０．０１λ以上が好ましく、０．０５λ以上がより好ましく、０．１λ以上が更により好ましく、０．２λ以上が特に好ましい。
また、上限としては、光量向上の観点から、１００λ以下が好ましく、５０λ以下がより好ましく、２０λ以下がより更に好ましく、１０λ以下が特に好ましい。
【００３１】
前記微細凹凸構造１２１の隣接する凸部間の最短距離Ｐ（以下、ピッチ間隔ともいう。）（単位：μｍ）としては、入射させる光の波長によって適宜変更することができるが、光の発光波長をλ、光出射部の屈折率をｎとしたとき、０．１×（λ／２ｎ）〜１０×（λ／２ｎ）の範囲内とすることが好ましく、０．２×（λ／２ｎ）〜５×（λ／２ｎ）の範囲内とすることがより好ましく、０．４×（λ／２ｎ）〜２．５×（λ／２ｎ）の範囲内とすることが特に好ましい。前記ピッチ間隔Ｐが０．１×（λ／２ｎ）未満であると、細かすぎて光の相互作用が低く効果が小さくなることがあり、１０×（λ／２ｎ）を超えると、光の変化する角度が小さく効果が小さくなることがある。
【００３２】
前記微細凹凸構造１１２の隣接する凸部間の最短距離Ｐの下限としては、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．１５μｍ以上であることがより好ましく、０．２μｍ以上であることが特に好ましい。前記下限が、０．１μｍ未満であると、加工が困難で均一性が得られないことがある。
【００３３】
また、前記ピッチ間隔の上限としては、４μｍ以下が好ましく、３．５μｍ以下がより好ましく、３μｍ以下が特に好ましい。前記上限が、４μｍを超えると、光を閉じ込める効果が下がってしまうことがある。
【００３４】
前記微細凹凸構造１２１の凸部の高さＨの下限としては、０．０１μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上がより好ましく、０．１５μｍ以上が特に好ましい。前記下限が、０．０１μｍ未満であると、相互作用が小さくなりすぎ、効果が低くなることがある。
【００３５】
前記微細凹凸構造１２１の凸部の高さＨの上限としては、１，０００μｍ以下が好ましく、４μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下が特に好ましい。前記上限が、１，０００μｍを超えると、強度が低く形状が保たれないことがある。
【００３６】
−−微細凹凸構造の形成方法−−
前記微細凹凸構造１２１の形成方法としては、特に制限はなく、例えば、切削法、ナノインプリント法、レーザ微細加工、エッチング法など目的に応じて適宜選択することができるが、これらの中でも、同じ形状のものを均一に形成するという理由からナノインプリント法で形成させることが好ましい。
【００３７】
前記ナノインプリント法としては、予め所望の凹凸形状を備えるスタンパ（金型）で転写することで微細凹凸構造１２１を形成させることができる。具体的には、スタンパ原版（シリコン基板）上にフォトレジスト材料からなるフォトレジスト層をスピンコート法などで塗布し、光学系レンズでレーザ光をフォトレジスト層に集光して照射することで複数の微細孔を形成させ、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのエッチング処理を行い、原版上に形成された複数の微細孔の深さを調整した後、フォトレジスト層を除去することで所望の凹凸形状を有するスタンパを作製する。
光を入光させる光入射部１１の面の反対側の面にナノインプリント材料からなるナノインプリント層を形成させ、このナノインプリント層を前記スタンパで押圧し、必要に応じて加熱又は光照射することで光出射部１２に微細凹凸構造を形成させる。
前記フォトレジスト材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、通常の光反応を利用するフォトレジスト材料、熱反応を利用するフォトレジスト材料など挙げられるが、高精細で、凹凸周囲に細かな構造ができ、より光相互作用に高い効果を発現できる点で熱反応を利用できるフォトレジスト材料が好ましい。
前記熱反応を利用できるフォトレジスト材料としては、例えば、メチン色素（シアニン色素、ヘミシアニン色素、スチリル色素、オキソノール色素、メロシアニン色素など）、大環状色素（フタロシアニン色素、ナフタロシアニン色素、ポルフィリン色素など）、アゾ色素（アゾ金属キレート色素を含む）、アリリデン色素、錯体色素、クマリン色素、アゾール誘導体、トリアジン誘導体、１−アミノブタジエン誘導体、経皮酸誘導体、キノフタロン系色素などが挙げられる。
【００３８】
前記ナノインプリント材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、熱可塑性樹脂及び光硬化性樹脂の少なくともいずれかを含有するインプリントレジスト組成物などが挙げられる。
前記インプリントレジスト組成物としては、例えば、ノボラック系樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、有機ガラス樹脂、無機ガラス樹脂などが挙げられる。
【００３９】
前記フォトレジスト層の厚みとしては、スタンパの表面上に形成される凸部の高さに対して５％以上、２００％未満であることが好ましい。前記厚みが５％未満であると、レジスト量が不足し、所望の微細凹凸構造を形成することができないことがある。
【００４０】
前記フォトレジスト層の厚みとしては、例えば、該フォトレジスト層を形成した光出射部１２から該フォトレジスト層を一部剥離し、剥離後の段差（高さ）をＡＦＭ装置（ＯＬＳ、オリンパス株式会社製）にて測定することができる。
【００４１】
前記インプリントレジスト組成物の粘度としては、例えば、超音波式粘度計などを用いて測定することができる。前記インプリントレジスト組成物の粘度としては、２５℃で１ｍＰａ・ｓ〜２００ｍＰａ・ｓが好ましく、１ｍＰａ・ｓ〜１００ｍＰａ・ｓがより好ましい。
【００４２】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の導光フィルムは、光源から入射される光を面全体で入光させる光入射部と光入射部よりも屈折率が大きい高屈折率層との２層構造となっている以外は第１実施形態と同一である。以下、第２実施形態の導光フィルムについて詳細に説明するが、第１実施形態と内容が重複する箇所の説明は適宜省略する。
【００４３】
図４は、本発明の導光フィルムの第２実施形態の一例を示す平面図であり、図５は、本発明の導光フィルムの第２実施形態の一例を示す断面図であり、図６は、光入射部１１と高屈折率層１１１との界面に形成された微細凹凸構造の一例を示す拡大図である。第２実施形態の導光フィルム１´は、同一のフィルムに、光源から入射される光を面全体で入光させる光入射部１１及び光入射部１１から入射された光を外部に出射する光出射部１２を有し、光入射部１１の面の反対側の面に積層され、光入射部１１よりも屈折率が大きい高屈折率層１１１をさらに有する。光入射部１１と高屈折率層１１１との界面に微細凹凸構造１１２が形成されている。また、必要に応じて、高屈折率材料に蛍光体が含有している構成としてもよい。
【００４４】
前記高屈折率層１１１は、図５に示すように、光入射部１１の光を入光させる面の反対側に積層されている。光の閉じ込め効率を向上させるためには光の反射の臨界角を小さくする必要があるので、前記高屈折率層１１１は、光入射部１１（導光フィルム１）よりも屈折率を大きくする必要がある。
【００４５】
前記高屈折率層１１１を構成する高屈折率材料としては、導光フィルム１´よりも屈折率が高く、ある程度の強度を有するものであれば、特に制限はなく、例えば、ＴｉＯ２やＺｎＳ等の高屈折率微粒子が含有された樹脂、高屈折率樹脂などが挙げられる。
前記高屈折率樹脂としては、例えば、ポリカーボネート、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＢＰＥＦＡなどが挙げられる。
【００４６】
前記高屈折率層１１１の屈折率としては、光入射部１１（導光フィルム１）の屈折率よりも大きければ、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、１．４〜４．０が好ましく、１．５〜３．０がより好ましく、１．６〜２．０が特に好ましい。前記高屈折率層１１１の屈折率が、１．４未満であると、入射光の臨界角を小さくすることができず、光閉じ込め効率を向上させることができないことがあり、４．０を超えると、界面反射により高屈折率層１１１への光入射が少なくなりすぎることがある。
【００４７】
高屈折率層１１１の屈折率は、散乱粒子を含まない状態の塗布液を調液し、この塗布液をガラス上に塗布し、紫外線で硬化させた後、エリプソメータ（ＪＡウーラム製）で測定することができる。
【００４８】
また、高屈折率層１１１の屈折率Ａと光入射部１１の屈折率Ｂとの屈折率差（Ａ−Ｂ）としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、０．０１〜２であることが好ましく、０．０５〜１．５であることがより好ましく、０．１〜１であることが特に好ましい。前記差が、０．０１未満であると、光を閉じ込める効果が殆ど得られないことがあり、２を超えると、高屈折率層１１１への光入射が低くなりすぎることがある。
【００４９】
−蛍光体−
前記高屈折率層１１１には、蛍光体を含有させ、光入射部１１から入射した光の光電エネルギーを変換することで必要とする波長を増強させることができる。例えば、光合成において、光エネルギーを吸収する役割を持つクロロフィルは、種々の種類があるが、４００ｎｍ〜５００ｎｍの領域と６００ｎｍ〜７５０ｎｍの領域の波長の光をより多く吸収することが多いことが知られている。導光フィルム１を植物の光合成を促進させる装置に使用する際、６００ｎｍ〜７５０ｎｍ付近で発光する示す蛍光体を高屈折率層１１１に含有させることで、光入射部１１から入射した光を６００ｎｍ〜７５０ｎｍ付近の波長に光電エネルギーを蛍光変換し、光出射部１２から蛍光変換した光を出射させることができ、効果的に光合成を促進させることができる。即ち、蛍光体を高屈折率材料に含ませることで、特定の波長の光を光出射部１２から出射させることができる。
【００５０】
前記蛍光体としては、必要とする波長を増強させることができれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＤＣＭ、ＤＭＥＴＣＩ、ＤＯＣＩ、ＤＯＤＣＩ、ＤＱＯＣＩ、ＤＱＴＣＩ、ＨＩＤＣＩ等の蛍光化合物、インドレニン、クマリン、クレジルバイオレット、シアニン、フルオレセイン、マラカイトグリーン、ナイルブルー、オキサジン、ペリレン化合物、フェノキサゾン、フェニルアラニン、フタロシアニン、ピナシアニン、ポルフィン、プロフラビン、ピリジン、ピロメテン、ローダミン、リボフラビン、スチルベン、スチリル化合物、スルホローダミン、ウラニンなどが挙げられる。中でも、ペリレン化合物が好ましく、該ペリレン化合物としては、蛍光発光するものであれば特に制限はなく、ペリレン、ペリレンレッド、ペリレンオレンジ等が挙げられる。
また、前記蛍光体としては、例えば下記のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【化１】
【化２】
【化３】
【化４】
【化５】
【化６】
【化７】
【化８】
【化９】
【化１０】
【化１１】
【化１２】
【００５１】
前記蛍光体の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、高屈折率材料１００ｍｇに対して０．００１ｍｇ〜２０ｍｇであることが好ましく、０．０１ｍｇ〜１０ｍｇであることがより好ましく、０．１ｍｇ〜５ｍｇであることが特に好ましい。前記含有量が０．００１ｍｇ未満であると、光入射部１１から入射した光を効果的に蛍光変換することができないことがあり、２０ｍｇを超えると、形状を保つことが困難となることがある。
【００５２】
−光入射部と高屈折率層との界面に形成された微細凹凸構造−
光入射部１１と高屈折率層１１１との界面に微細凹凸構造１１２を形成してもよい。光入射部１１と高屈折率層１１１との界面の微細凹凸構造１１２は光出射部１２の表面に形成された微細凹凸構造１２１と同一の形成方法で形成させ、微細凹凸構造１２１を形成させた後、微細凹凸構造１２１上に高屈折率材料及び蛍光体を溶剤に溶解させ、スプレー法、スピンコート法、ディップ法、ロールコート法、ブレードコート法、ドクターロール法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法等で塗布することで高屈折率層１１１を形成させる。
【００５３】
前記微細凹凸構造１１２のピッチ間隔Ｐ´の主要発光波長に対する下限としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、その下限は、光量向上の観点から、光源からの主要発光波長をλとして０．０１λ以上が好ましく、０．０５λ以上がより好ましく、０．１λ以上が更により好ましく、０．２λ以上が特に好ましい。
また、上限としては、光量向上の観点から、１００λ以下が好ましく、５０λ以下がより好ましく、２０λ以下がより更に好ましく、１０λ以下が特に好ましい。
【００５４】
前記微細凹凸構造１１２のピッチ間隔Ｐ´の下限としては、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．１５μｍ以上であることがより好ましく、０．２μｍ以上であることが特に好ましい。前記下限は、０．１μｍ未満であると、加工が困難で均一性が得られないことがある。
【００５５】
また、上限としては、１００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以下であることが特に好ましい。前記上限が、１００μｍを超えると、光を閉じ込める効果が下がってしまうことがある。
【００５６】
前記微細凹凸構造１１２の凸部の高さＨ´の下限としては、０．０５μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることがより好ましく、０．１５μｍ以上であることが特に好ましい。前記下限は、０．０５μｍ未満であると、界面反射低減効果が得られないことがある。
【００５７】
前記微細凹凸構造１１２の凸部の高さＨ´の上限としては、１０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以下であることが特に好ましい。前記下限は、１０μｍを超えると、強度が低く形状が保たれないことがある。
【００５８】
（植物の光合成を促進させる装置）
前記植物の光合成を促進させる装置としては、前記導光フィルム１又は導光フィルム１´と、前記導光フィルム１を固定するパイプ３などの固定手段を備える。例えば、図７、図８に示すように、導光フィルム１を折り曲げ、光出射部１２を藻などの植物が存在する水中に入れ、太陽光などの光源から入射された光を光入射部１１から入射させ、水中の光出射部１２から光を出射することで、水中の植物の光合成を促進させることができる。なお、折り曲げる箇所は、光出射部１２であってもよく、導光部１４であってもよい。
前記導光フィルム１又は導光フィルム１´としては、例えば、前記導光フィルム１同士の一部を接着し、水中に設けられているパイプ３などで固定してもよく、また、図９に一例を示したように、例えば、複数のパイプ３を用いて前記導光フィルム１を固定するようにしてもよい。
【００５９】
前記第１実施形態の導光フィルム１及び第２実施形態の導光フィルム１´は、光出射部１２の表面に形成されている微細凹凸構造１２１により、光の出射方向が制御され光の指向性が向上する。このため、より遠くに光が届くようになり、従来では光が届かなかった箇所に存在する植物にも光を届くようにすることができる。
【００６０】
第２実施形態の導光フィルム１´において、前記高屈折率層１１１に含む蛍光体としては、光エネルギーを吸収する役割を持つクロロフィルαは、４２０ｎｍと６６０ｎｍの波長をより多く吸収するので、光合成をより促進させるために６００ｎｍ〜７００ｎｍ付近で発光する蛍光体であれば特に制限されないが、特に、ＬｕｍｏｇｅｎＦ Ｒｅｄ ３０５（ＢＡＳＦ社製）などのペリレン蛍光体を高屈折率層１１１に含有させることが好ましい。
【００６１】
また、上記蛍光体の他に６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長をより多く発光する６ＭｇＯ・Ａｓ２Ｏ５Ｍｎ４＋を高屈折率層１１１に含ませてもよい。上記蛍光体を高屈折率材料に含ませることで、波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの光を光出射部１２から出射させることができ、効果的に藻などの光合成を促進させることができる。
【００６２】
（光電変換素子）
前記第１実施形態の導光フィルム１及び第２実施形態の導光フィルム１´は、光出射部１２の表面に形成されている微細凹凸構造１２１により、光の出射方向が制御されている。このため、導光フィルム１を光電変換素子に用いることで、光電変換効率を向上させることができる。
【００６３】
前記光電変換素子としては、光センサ、有機ＥＬ素子、撮像素子などが挙げられる。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００６５】
（実施例１）
＜導光フィルム１の作製＞
−光入射部と光出射部の作製−
長さ１００ｍｍ、幅４０ｍｍ及び厚みが０．２ｍｍであり、屈折率が１．５のアクリルフィルム（ソフトアクリル 新光エージー社製）を端部から３０ｍｍを光入射部とし、他方の端部から５０ｍｍを光出射部とした。
【００６６】
−光出射部の微細凹凸構造の形成−
前記光入射部と同一形状（３０ｍｍ×４０ｍｍ）のシリコン基板上に、フォトレジスト化合物として下記構造式で表される化合物Ａ ２０ｍｇを２，２，３，３−テトラフルオロ−１−プロパノール １ｍｌの割合になるように溶解させ、この溶液を１，０００ｒｐｍで回転させながらスピンコート法を用いて１００ｎｍの厚さに塗布し、シリコン基板上にフォトレジスト層を形成させた。
【化１３】
【００６７】
基板上に形成させたフォトレジスト層に対して、パルステック工業社製ＮＥＯ１０００（波長４０５ｎｍ、ＮＡ０．８５）で線速５ｍ／ｓ、４ｍＷで微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離のピッチ間隔が０．２μｍとなるように複数の微細孔を形成させた。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理を行いフォトレジスト層の形成された複数の微細孔の深さを０．２μｍに調整し、フォトレジスト層を２，２，３，３−テトラフルオロ−１−プロパノールで除去することでスタンパを作製した。
【００６８】
光出射部の両面全体にインプリント化合物（ＰＡＫ−０１−ＣＬ 東洋合成社製）を１，０００ｒｐｍで回転させながらスピンコート法を用いて１μｍの厚さに塗布し、光入射部上にインプリント層を形成させた。このインプリント層を前記スタンパ押圧し、ＵＶを照射することで光出射部表面に微細凹凸構造を形成させ、導光フィルム１を作製した。
【００６９】
（実施例２）
＜導光フィルム２の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を０．５μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム２を作製した。
【００７０】
（実施例３）
＜導光フィルム３の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を０．３μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム３を作製した。
【００７１】
（実施例４）
＜導光フィルム４の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を１．５μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム４を作製した。
【００７２】
（実施例５）
＜導光フィルム５の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を２．５μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム５を作製した。
【００７３】
（実施例６）
＜導光フィルム６の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を０．８μｍとし、スタンパの微細孔の深さを０．３μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム６を作製した。
【００７４】
（実施例７）
＜導光フィルム７の作製＞
光を入光させる前記光入射部の面の反対側の面に高屈折率層を積層させ、光入射部と高屈折率層との界面に微細凹凸構造を形成させた以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム７を作製した。高屈折率層と光入射部と高屈折率層との界面の微細凹凸構造は、以下のように形成した。
【００７５】
前記光入射部と同一形状（３０ｍｍ×４０ｍｍ）のシリコン基板上に、フォトレジスト化合物として下記構造式で表される化合物Ａ ２０ｍｇを２，２，３，３−テトラフルオロ−１−プロパノール １ｍｌの割合になるように溶解させ、この溶液を１，０００ｒｐｍで回転させながらスピンコート法を用いて１００ｎｍの厚さに塗布し、シリコン基板上にフォトレジスト層を形成させた。
【化１４】
【００７６】
基板上に形成させたフォトレジスト層に対して、パルステック工業社製ＮＥＯ１０００（波長４０５ｎｍ、ＮＡ０．８５）で線速５ｍ／ｓ、４ｍＷで微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離のピッチ間隔が０．２μｍとなるように複数の微細孔を形成させた。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理を行いフォトレジスト層の形成された複数の微細孔の深さを０．２μｍに調整し、フォトレジスト層を２，２，３，３−テトラフルオロ−１−プロパノールで除去することでスタンパを作製した。
【００７７】
光を入光させる光入射部の面の反対側の面（端部から３０ｍｍ）にインプリント化合物（ＰＡＫ−０１−ＣＬ 東洋合成社製）を１，０００ｒｐｍで回転させながらスピンコート法を用いて１μｍの厚さに塗布し、光入射部上にインプリント層を形成させた。このインプリント層を前記スタンパ押圧し、ＵＶを照射することで光入射部に微細凹凸構造を形成させた。
【００７８】
−高屈折率層の作製−
光入射部上に形成させた微細凹凸構造上に、蛍光体として、ペリレンレッド（Ｌｕｍｏｇｅｎ Ｆ Ｒｅｄ ３０５、ＢＡＳＦ社製）２質量％と、高屈折率材料として屈折率が１．６のＢＰＥＦＡ（大阪ガス化学社製）２０質量％を溶剤であるメチルエチルケトンに溶解させ、刷毛を用いて約５０μｍの厚さに塗布、乾燥させることで高屈折率層を積層させることで導光フィルム７を作製した。
【００７９】
（比較例１）
＜導光フィルム８の作製＞
実施例１において、サンドブラスト法にて光出射部の表面を加工した以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム８を作製した。
【００８０】
（参考例１）
＜導光フィルム９の作製＞
実施例１において、スタンパの微細凹凸構造のピッチ間隔を５μｍとした以外は、実施例１と同様にして、導光フィルム９を作製した。
【００８１】
（評価）
＜正面明るさ向上率＞
導光フィルム１から導光フィルム９の光入射部から光源である太陽光（可視光の中心は長λは５５０ｎｍ）を入射させ、光出射部から出射する光の正面の明るさを評価した。評価方法としては、光出射部の表面に微細凹凸構造を有さない以外は実施例１と同様にして作製した導光フィルムの正面輝度を基準にし、この導光フィルムに対して正面の明るさの向上率を評価した。光の明るさは、光入射部及び光入射部から１００ｍｍ離れた光出射部を除き導光フィルム全体に遮光用の黒紙を載置し、導光フィルム１から導光フィルム９の光入射部から光源である太陽光を入射させ、遮光用の黒紙が載置されていない光出射部から出射する光の正面光量をＵＳＢ２０００（オーシャンオプティクス製）を用いて測定することで正面の明るさの向上率を評価した。結果を表１に示す。
【００８２】
＜正面光量と４５度光量との比率＞
導光フィルム１から導光フィルム９の正面光量及び４５度光量も評価した。評価方法としては、光入射部及び光入射部から１００ｍｍ離れた光出射部を除き導光フィルム全体に遮光用の黒紙を載置し、導光フィルム１から導光フィルム９の光入射部から光源である太陽光を入射させ、遮光用の黒紙が載置されていない光出射部から出射する光の正面光量及び４５度光量を測定し、正面光量と４５度光量との比率（正面光量／４５度光量）を求めることで、光の出射方向を制御して光の指向性がどの程度向上したのか評価した。正面光量及び４５度光量は、ＵＳＢ２０００（オーシャンオプティクス製）を用いて測定した。結果を表１に示す。
【００８３】
＜光合成＞
図１０に示すように遮光板６０で遮光された暗室に水槽５０を配し、この水槽５０中に５０万個／ｍＬの濃度のクロレラを満たした。遮光板６０の切り欠き部６５に対して、導光フィルム１００を光の漏れがないように光出射部７５側から挿通させるとともに、導光フィルム１００の長さ方向の略中央部付近に曲率半径２０ｍｍにて、導光フィルム１００を折曲げ、光入射部７０にランプ８０からの光を入射可能としつつ、光出射部７５が水槽５０中に含浸されるように導光フィルム１００を配した。
ランプ８０として、ＬＥＤランプより光量の大きな１００Ｗハロゲンランプを用い、前記の通り、光入射部７０にランプ８０からの光を入射可能としつつ、光出射部７５が水槽５０中に含浸されるように配された導光フィルム１００の光入射部７０に対して、光を照射して、水槽５０中のクロレラの培養を行った。
ランプ８０による光の照射を２４時間継続し、その後、光学顕微鏡を用いて個数を測定し、該個数を試験前の個数と比較して、増減率を算出し、下記評価基準に基づき評価した。結果を下記表１に示す。
［評価基準］
◎・・・クロレラの増加率が２０％以上
○・・・クロレラの増加率が１０％以上２０％未満
△・・・クロレラの増加率が０％以上１０％未満
×・・・クロレラの増加率が０％未満
【００８４】
【表１】
【００８５】
表１から、実施例１から実施例７は、正面明るさ向上率が向上していることがわかる。また、正面光量／４５度光量も向上していることがわかる。この結果から、実施例１から実施例６は、光の出射方向が制御され、光の指向性が向上し、より遠くに光が届いていることがわかる。
一方、比較例１では、実施例１から実施例７と比較して明るさ向上率及び正面光量／４５度光量がほとんど向上していないことから、光が散乱しており、光の指向性が向上していない。このため、実施例１から実施例７と比較して遠くに光が届いていないことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の導光フィルムは、光の出射方向が制御され光の指向性が向上するので、より遠くに光を届けることができる。このため、本発明の導光フィルムは、様々な状況において使用することができ、例えば、植物の光合成を促進させる装置、光電変換素子などに幅広く用いることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１ 導光フィルム
１´ 導光フィルム
１１ 光入射部
１１１ 高屈折率層
１１２ 微細凹凸構造
１２ 光出射部
１２１ 微細凹凸構造
１３ 反射部
１４ 導光部
３ パイプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から入射される入射光を該入射光側の面で入光させる光入射部と、
前記光入射部から入射された光を外部に出射する光出射部と、を有し、
前記光出射部の少なくとも一つの面の表面には微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする導光フィルム。
【請求項２】
光の発光波長をλ、光出射部の屈折率をｎとしたとき、光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離を０．１×（λ／２ｎ）〜１０×（λ／２ｎ）の範囲内とする請求項１に記載の導光フィルム。
【請求項３】
光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の凸部の高さが、０．０１μｍ〜１０００μｍである請求項１から２のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項４】
光入射部と光出射部との間に光を導光させる導光部を有する請求項１から３のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項５】
微細凹凸構造がナノインプリント法で形成させる請求項１から４のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項６】
光源から入射される入射光を該入射光側の面で入光させる光入射部と、
前記入射光側の面の反対側の面に積層され、前記光入射部よりも屈折率が大きい高屈折率層と、
前記光入射部から入射された光を外部に出射する光出射部と、を有し、
前記光出射部の少なくとも一つの面の表面には微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする導光フィルム。
【請求項７】
光の発光波長をλ、光出射部の屈折率をｎとしたとき、光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離を０．１×（λ／２ｎ）〜１０×（λ／２ｎ）の範囲内とする請求項６に記載の導光フィルム。
【請求項８】
光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の凸部の高さが０．０１μｍ〜１，０００μｍである請求項６から７のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項９】
光入射部と光出射部との間に光を導光させる導光部を有する請求項６から８のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１０】
入光層と高屈折率層との間の界面には、微細凹凸構造が形成されている請求項６から９のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１１】
入光層と高屈折率層との間の界面に形成されている微細凹凸構造及び光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造は、ナノインプリント法で形成させる請求項６から１０のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１２】
高屈折率層は、光入射部から入射した光を蛍光変換する蛍光体を含有する請求項６から１１のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１３】
蛍光体は、ペリレン化合物である請求項１２に記載の導光フィルム。
【請求項１４】
高屈折率層の屈折率が１．４〜４．０である請求項６から１３のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１５】
光入射部の屈折率が１．０５〜１．８である請求項６から１４のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１６】
高屈折率層と光入射部との屈折率差が０．０１〜２．０である請求項６から１５のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれかに記載の導光フィルムを用いたことを特徴とする植物の光合成を促進させる装置。
【請求項１８】
請求項１から１６のいずれかに記載の導光フィルムを用いたことを特徴とする光電変換素子。
【請求項１】
光源から入射される入射光を該入射光側の面で入光させる光入射部と、
前記光入射部から入射された光を外部に出射する光出射部と、を有し、
前記光出射部の少なくとも一つの面の表面には微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする導光フィルム。
【請求項２】
光の発光波長をλ、光出射部の屈折率をｎとしたとき、光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離を０．１×（λ／２ｎ）〜１０×（λ／２ｎ）の範囲内とする請求項１に記載の導光フィルム。
【請求項３】
光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の凸部の高さが、０．０１μｍ〜１０００μｍである請求項１から２のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項４】
光入射部と光出射部との間に光を導光させる導光部を有する請求項１から３のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項５】
微細凹凸構造がナノインプリント法で形成させる請求項１から４のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項６】
光源から入射される入射光を該入射光側の面で入光させる光入射部と、
前記入射光側の面の反対側の面に積層され、前記光入射部よりも屈折率が大きい高屈折率層と、
前記光入射部から入射された光を外部に出射する光出射部と、を有し、
前記光出射部の少なくとも一つの面の表面には微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする導光フィルム。
【請求項７】
光の発光波長をλ、光出射部の屈折率をｎとしたとき、光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の隣接する凸部間の最短距離を０．１×（λ／２ｎ）〜１０×（λ／２ｎ）の範囲内とする請求項６に記載の導光フィルム。
【請求項８】
光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造の凸部の高さが０．０１μｍ〜１，０００μｍである請求項６から７のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項９】
光入射部と光出射部との間に光を導光させる導光部を有する請求項６から８のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１０】
入光層と高屈折率層との間の界面には、微細凹凸構造が形成されている請求項６から９のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１１】
入光層と高屈折率層との間の界面に形成されている微細凹凸構造及び光出射部の表面に形成されている微細凹凸構造は、ナノインプリント法で形成させる請求項６から１０のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１２】
高屈折率層は、光入射部から入射した光を蛍光変換する蛍光体を含有する請求項６から１１のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１３】
蛍光体は、ペリレン化合物である請求項１２に記載の導光フィルム。
【請求項１４】
高屈折率層の屈折率が１．４〜４．０である請求項６から１３のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１５】
光入射部の屈折率が１．０５〜１．８である請求項６から１４のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１６】
高屈折率層と光入射部との屈折率差が０．０１〜２．０である請求項６から１５のいずれかに記載の導光フィルム。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれかに記載の導光フィルムを用いたことを特徴とする植物の光合成を促進させる装置。
【請求項１８】
請求項１から１６のいずれかに記載の導光フィルムを用いたことを特徴とする光電変換素子。
【図９】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１６７０８７（Ｐ２０１１−１６７０８７Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３１７３２（Ｐ２０１０−３１７３２）
【出願日】平成２２年２月１６日（２０１０．２．１６）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１６日（２０１０．２．１６）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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