JP7494040B2 - Scintillator unit and radiation detector - Google Patents

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Description

本発明は、シンチレータユニット、及び放射線検出器に関する。 The present invention relates to a scintillator unit and a radiation detector.

放射線検出器は、医療現場などでの被写体の放射線による撮影に用いられている。特に、CT(Computed Tomography)に用いられる放射線検出器は、放射線(例えば、X線)により光を発生するシンチレータ、及び2次元に複数配列した受光素子を含む検出部で構成されている。被写体にX線を照射すると、被写体を透過したX線によりシンチレータから光が発生し、その発生した光をシンチレータごとに対応する受光素子が検出することで、透過したX線の2次元像が得られる。 Radiation detectors are used in medical settings and other settings to take radiographic images of subjects. In particular, radiation detectors used in CT (Computed Tomography) are composed of a scintillator that generates light in response to radiation (e.g., X-rays), and a detection section that includes multiple light-receiving elements arranged two-dimensionally. When X-rays are irradiated onto a subject, light is generated from the scintillator by the X-rays that pass through the subject, and the light generated is detected by the light-receiving elements corresponding to each scintillator, resulting in a two-dimensional image of the transmitted X-rays.

しかし、シンチレータから発生する光は、あらゆる方向に出射してしまう。シンチレータから発生する光の大部分を検出部に導くために、シンチレータの検出部が配置された面とは反対の面に接着層を介して反射層が取り付けられている場合がある。例えば、特許文献1には、放射線が入射する方向から順に、空気層、誘電体多層反射膜、接着層、蛍光体層、及び光検出器を含むフラットパネルディテクタ(FPD)が記載されている。また、特許文献2には、検出器への光の収集効率を向上させるために、シンチレータと銀コーティングとの間に、シンチレータ側から順に、接着層、及び屈折率が1.3より小さい屈折コーティングを有する構成が記載されている。 However, the light generated from the scintillator is emitted in all directions. In order to guide most of the light generated from the scintillator to the detection section, a reflective layer may be attached via an adhesive layer to the surface of the scintillator opposite the surface on which the detection section is located. For example, Patent Document 1 describes a flat panel detector (FPD) that includes, in order from the direction in which radiation is incident, an air layer, a dielectric multilayer reflective film, an adhesive layer, a phosphor layer, and a photodetector. Patent Document 2 also describes a configuration that has, in order from the scintillator side, an adhesive layer and a refractive coating with a refractive index smaller than 1.3 between the scintillator and the silver coating in order from the scintillator side in order to improve the efficiency of light collection to the detector.

国際公開第2016/167334号International Publication No. 2016/167334 特表2001-516888号公報JP 2001-516888 A

本発明者らは、特許文献1に記載のFPDの構成を、CTに用いられるような、複数のシンチレータを備え、かつ、各シンチレータに対応する受光素子を複数備える検出器に適用して、検討を行った。その結果、あるシンチレータから発生した光は、対応する受光素子に入るのではなく、対応する受光素子に隣接する受光素子に入り込んでしまい、クロストークが発生してしまうことがわかった。 The inventors of the present invention conducted an investigation by applying the configuration of the FPD described in Patent Document 1 to a detector equipped with multiple scintillators and multiple light receiving elements corresponding to each scintillator, such as those used in CT. As a result, it was found that light generated from a certain scintillator does not enter the corresponding light receiving element, but enters the light receiving element adjacent to the corresponding light receiving element, resulting in crosstalk.

また、特許文献2では、複数のシンチレータを備え、かつ、各シンチレータに対応する受光素子を複数備える検出器に、シンチレータと銀コーティングとの間に、シンチレータから順に、接着層、及び屈折コーティングを有する構成が適用されていなかった。 In addition, in Patent Document 2, a detector having multiple scintillators and multiple light receiving elements corresponding to each scintillator does not have a configuration having an adhesive layer and a refractive coating between the scintillator and the silver coating, in that order from the scintillator.

したがって、本発明の目的は、複数のシンチレータを備えるシンチレータユニットを用いる場合に、クロストークを低減することが可能なシンチレータユニットを提供することにある。また、本発明の別の目的は、前記シンチレータユニットを使用する放射線検出器を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a scintillator unit that can reduce crosstalk when using a scintillator unit that includes multiple scintillators. Another object of the present invention is to provide a radiation detector that uses the scintillator unit.

本発明は、複数のシンチレータと前記複数のシンチレータとの間に反射層を備えるシンチレータユニットであって、前記シンチレータと前記反射層との間に、前記シンチレータから順に接着層、及び前記接着層よりも屈折率の低い低屈折率層を有することを特徴とするシンチレータユニットに関する。 The present invention relates to a scintillator unit having a plurality of scintillators and a reflective layer between the plurality of scintillators, characterized in that, between the scintillators and the reflective layer, there are, in order from the scintillators, an adhesive layer and a low refractive index layer having a refractive index lower than that of the adhesive layer.

また、本発明は、複数のシンチレータと前記複数のシンチレータとの間に反射層を備えるシンチレータユニットと、前記シンチレータから発生した光を検出する検出部とを備える放射線検出器であって、前記シンチレータユニットが、前記シンチレータと前記反射層との間に、前記シンチレータから順に接着層、及び前記接着層よりも屈折率の低い低屈折率層を有することを特徴とする放射線検出器に関する。 The present invention also relates to a radiation detector comprising a scintillator unit having a plurality of scintillators and a reflective layer between the plurality of scintillators, and a detection unit that detects light generated from the scintillator, characterized in that the scintillator unit has, between the scintillator and the reflective layer, an adhesive layer and a low refractive index layer having a refractive index lower than that of the adhesive layer, in that order from the scintillator.

本発明によれば、複数のシンチレータを備えるシンチレータユニットを用いる場合に、クロストークを低減することが可能なシンチレータユニット、及び放射線検出器を提供することができる。 The present invention provides a scintillator unit and a radiation detector that can reduce crosstalk when using a scintillator unit that includes multiple scintillators.

本発明の実施形態における低屈折率層の一例を模式的に示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a low refractive index layer in an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における放射線検出器の一例を模式的に示す概略鳥瞰図である。1 is a schematic bird's-eye view illustrating an example of a radiation detector according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における反射率測定に用いる試料を模式的に示す概略鳥瞰図である。1 is a schematic bird's-eye view showing a sample used in reflectance measurement according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例において、反射率測定に用いる試料を模式的に示す概略断面図であり、(a)は実施例1における試料の概略断面図であり、(b)はシンチレータ/空気層/反射層の概略断面図であり、(c)は比較例1の概略断面図である。1A is a schematic cross-sectional view showing a sample used for reflectance measurement in an embodiment of the present invention, FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a sample in Example 1, FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of a scintillator/air layer/reflective layer, and FIG. 1C is a schematic cross-sectional view of Comparative Example 1. 本発明の実施例の説明における反射率スペクトルの測定結果の一例であり、(a)は入射角が70度の実施例1と比較例1の反射スペクトルの測定結果であり、(b)は入射角が74度の実施例1と比較例1の反射スペクトルの測定結果である。1 shows an example of the measurement results of the reflectance spectrum in the explanation of the embodiments of the present invention, where (a) shows the measurement results of the reflectance spectrum of Example 1 and Comparative Example 1 at an incident angle of 70 degrees, and (b) shows the measurement results of the reflectance spectrum of Example 1 and Comparative Example 1 at an incident angle of 74 degrees.

本発明のシンチレータユニットは、複数のシンチレータと複数のシンチレータとの間に反射層を備える。さらに、シンチレータと反射層との間に、シンチレータから順に接着層、及び接着層よりも屈折率の低い低屈折率層を有する。あるシンチレータで発生する光のうち、隣接する別のシンチレータに向かう光は、シンチレータと反射層との間に低屈折率層が配置されていることで、接着層と低屈折率層との界面、及び反射層により反射される。これは、2つの媒質の屈折率差により生じる「全反射」という物理現象を利用したことにより、生じた現象である。これにより、あるシンチレータから発生した光が、対応する受光素子に入るのではなく、対応する受光素子に隣接する受光素子に入り込んでしまうことにより生じるクロストークを低減することが可能となる。 The scintillator unit of the present invention has a reflective layer between multiple scintillators. In addition, between the scintillators and the reflective layer, there is an adhesive layer and a low refractive index layer with a lower refractive index than the adhesive layer, in that order from the scintillator. Of the light generated by a scintillator, the light directed toward another adjacent scintillator is reflected by the interface between the adhesive layer and the low refractive index layer and by the reflective layer, since the low refractive index layer is disposed between the scintillator and the reflective layer. This phenomenon occurs by utilizing the physical phenomenon of "total reflection" caused by the difference in refractive index between two media. This makes it possible to reduce crosstalk caused by light generated from a scintillator entering a light receiving element adjacent to the corresponding light receiving element, rather than entering the corresponding light receiving element.

以下、本発明の実施形態について、詳細に述べる。各種の物性値は、特に断りのない限り、25℃における値である。 Embodiments of the present invention are described in detail below. All physical properties are measured at 25°C unless otherwise specified.

図2は、本発明の放射線検出器の一実施形態を模式的に示す概略鳥瞰図である。図2において、シンチレータユニット205は、複数のシンチレータ201が2次元に配列し、2つのシンチレータ201の間に反射層204が配置された構成である。シンチレータ201と反射層204の間には、シンチレータ201から順に、接着層202と低屈折率層104とが設けられ、それぞれの部材が密着した構成となっている。 Figure 2 is a schematic bird's-eye view showing one embodiment of the radiation detector of the present invention. In Figure 2, the scintillator unit 205 has a configuration in which a plurality of scintillators 201 are arranged two-dimensionally, and a reflective layer 204 is disposed between two scintillators 201. Between the scintillator 201 and the reflective layer 204, an adhesive layer 202 and a low refractive index layer 104 are provided in this order from the scintillator 201, so that the respective members are in close contact with each other.

また、複数のシンチレータ間で、シンチレータから順に、接着層、接着層よりも屈折率の低い低屈折率層、反射層を有していれば、シンチレータと反射層とが接した構成を有していてもよい。 In addition, between multiple scintillators, if there are, in order from the scintillator, an adhesive layer, a low refractive index layer having a lower refractive index than the adhesive layer, and a reflective layer, the scintillator and the reflective layer may be in contact with each other.

なお、本発明の効果を得られる範囲において、シンチレータや各層の間に別の層を有していても良い。 In addition, as long as the effects of the present invention can be obtained, other layers may be included between the scintillator and each layer.

シンチレータユニットを構成する層の例として、シンチレータ、接着層、低屈折率層、反射層を順に含む構成や、シンチレータ、接着層、低屈折率層、反射層、低屈折率層、接着層、シンチレータを順に含む構成が挙げられる。 Examples of layers constituting a scintillator unit include a configuration including, in order, a scintillator, an adhesive layer, a low refractive index layer, and a reflective layer, and a configuration including, in order, a scintillator, an adhesive layer, a low refractive index layer, a reflective layer, a low refractive index layer, an adhesive layer, and a scintillator.

また、シンチレータ、接着層、低屈折率層、基材、低屈折率層、接着層、シンチレータを順に含む構成や、シンチレータ、反射層、低屈折率層、接着層、低屈折率層、反射層、シンチレータを順に含む構成が挙げられる。基材としては後述の材料を用いることができる。 Other examples include a configuration including a scintillator, an adhesive layer, a low refractive index layer, a substrate, a low refractive index layer, an adhesive layer, and a scintillator, in that order, and a configuration including a scintillator, a reflective layer, a low refractive index layer, an adhesive layer, a low refractive index layer, a reflective layer, and a scintillator, in that order. Materials described below can be used as the substrate.

シンチレータユニット205は、2つの低屈折率層104で反射層204を挟む構成になっており、1つの反射層204の両側に低屈折率層104を配置させることができる。これにより、一方のシンチレータ(例えば、図2の紙面上部)から他方のシンチレータ(例えば、図2の紙面下部)に向かって進む光に関して、反射層204と低屈折率層104(図2の紙面下部。他方のシンチレータ側)との界面で高い確率で光を反射することができる。その結果、使用する反射層の数が少なくても、クロストークを低減することが可能となる。そのため、複数のシンチレータを高い密度で配置することができ、放射線に対する感度や得られる画像の解像度が向上する。 The scintillator unit 205 has a structure in which a reflective layer 204 is sandwiched between two low-refractive index layers 104, and low-refractive index layers 104 can be arranged on both sides of one reflective layer 204. This allows light traveling from one scintillator (e.g., the upper part of the paper in FIG. 2) to the other scintillator (e.g., the lower part of the paper in FIG. 2) to be reflected at the interface between the reflective layer 204 and the low-refractive index layer 104 (the lower part of the paper in FIG. 2; the other scintillator side) with a high probability. As a result, it is possible to reduce crosstalk even if a small number of reflective layers are used. Therefore, multiple scintillators can be arranged at a high density, improving sensitivity to radiation and the resolution of the resulting image.

特許文献1に記載のFPDの構成の場合、凹凸の形状を有するプリズムシートと誘電体多層反射膜とにより、空気層が形成されている。複数のシンチレータ間にこのような凹凸の形状を有するプリズムシートを挿入する場合、シンチレータユニットとして十分な強度が得られない。また、誘電体多層反射膜の片面にしか空気層を形成できないため、クロストークを低減するためには、複数の誘電体多層反射膜が必要となるため、複数のシンチレータを高い密度で配置しにくい。 In the case of the FPD configuration described in Patent Document 1, an air layer is formed by the uneven prism sheet and the dielectric multilayer reflective film. If a prism sheet with such an uneven shape is inserted between multiple scintillators, sufficient strength cannot be obtained as a scintillator unit. In addition, since an air layer can only be formed on one side of the dielectric multilayer reflective film, multiple dielectric multilayer reflective films are required to reduce crosstalk, making it difficult to arrange multiple scintillators at high density.

したがって、複数のシンチレータが2次元に配置した構成の放射線検出器を用いるCTなどの用途には、本実施形態のシンチレータユニットは、特に有用である。さらに、低屈折率層104は、隣接する部材(図2の場合、反射層204と接着層202)と面で接している。そのため、本実施形態のシンチレータユニットは、デバイス化する上で十分な強度を有している。 Therefore, the scintillator unit of this embodiment is particularly useful for applications such as CT, which uses a radiation detector configured with multiple scintillators arranged two-dimensionally. Furthermore, the low refractive index layer 104 is in surface contact with adjacent members (in the case of FIG. 2, the reflective layer 204 and the adhesive layer 202). Therefore, the scintillator unit of this embodiment has sufficient strength for fabrication into a device.

[シンチレータ201]
本実施形態のシンチレータユニット205に用いるシンチレータ201は、放射線(X線、γ線、荷電粒子など)により発光する材料を含むことが好ましい。
[Scintillator 201]
The scintillator 201 used in the scintillator unit 205 of this embodiment preferably contains a material that emits light when exposed to radiation (X-rays, gamma rays, charged particles, etc.).

シンチレータ201として適用可能な材料としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、典型元素、又は希土類金属のハロゲン化物などが挙げられる。その他、酸化物、窒化物、カルコゲン化物、13族-14族化合物などが挙げられる。具体的には、TlドープNaI、TlドープCsI、NaドープCsI、CeドープLuSiO(LSO)、CeドープLuSiO(LYSO)、GdSiO、BiGe12、ZnWO、CdWO、PbWO,LuAlO、CeドープYAl12、CeドープYAlO(YAP)、CeドープGdAlO(GAP)、CeドープLuAlO(LuAP)、CeドープLuAl12、PrドープLuAl12、CeFなどが挙げられる。なかでも、シンチレータ201は、CeドープLuSiO、及びCeドープLuSiOの少なくとも一方を含むことが好ましい。 Examples of materials that can be used as the scintillator 201 include halides of alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, typical elements, and rare earth metals, as well as oxides, nitrides, chalcogenides, and Group 13-14 compounds. Specifically, examples of the doped oxide include Tl - doped NaI, Tl - doped CsI, Na-doped CsI, Ce-doped Lu2SiO5 (LSO ) , Ce - doped Lu2Y2SiO5 (LYSO), Gd2SiO5 , Bi4Ge3O12, ZnWO4 , CdWO4 , PbWO4, LuAlO3 , Ce-doped Y3Al5O12 , Ce-doped YAlO3 (YAP), Ce-doped GdAlO3 (GAP) , Ce-doped LuAlO3 ( LuAP ), Ce -doped Lu3Al5O12 , Pr -doped Lu3Al5O12 , and CeF3 . In particular, it is preferable that the scintillator 201 contains at least one of Ce-doped Lu 2 Y 2 SiO 5 and Ce-doped Lu 2 SiO 5 .

[接着層202]
接着層202としては、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、及びビニル系樹脂の少なくともいずれか一種の光学用接着剤を用いることができる。
[Adhesive layer 202]
The adhesive layer 202 can be made of at least one optical adhesive selected from the group consisting of epoxy resin, acrylic resin, and vinyl resin.

接着層202の屈折率は、例えば1.30より大きく1.70より小さいことが好ましく、1.30より大きく1.50より小さいことがより好ましい。接着層202の屈折率が1.70より小さいことで、反射層204と低屈折率層104の界面で反射されてきた光が、低屈折率層104と接着層202の界面で反射されて隣接する別のシンチレータの方に向かってしまう確率が減り、元の発光源であるシンチレータ201内に戻ることができる。 The refractive index of the adhesive layer 202 is preferably, for example, greater than 1.30 and less than 1.70, and more preferably greater than 1.30 and less than 1.50. By making the refractive index of the adhesive layer 202 smaller than 1.70, the probability that light reflected at the interface between the reflective layer 204 and the low refractive index layer 104 will be reflected at the interface between the low refractive index layer 104 and the adhesive layer 202 and head toward another adjacent scintillator is reduced, and the light can return to the scintillator 201, which is the original light source.

接着層202の厚みは、5μm以下であることが好ましく、1μm以上5μm以下であることがより好ましく、2μm以上5μm以下であることがさらに好ましい。接着層202が5μm以下であると、厚みの変動が抑えられるため、シンチレータユニットの組立誤差を小さくすることができる。接着層202の厚みが2μm以上であると、十分な接着強度が得られる。 The thickness of the adhesive layer 202 is preferably 5 μm or less, more preferably 1 μm to 5 μm, and even more preferably 2 μm to 5 μm. When the adhesive layer 202 is 5 μm or less, thickness variation is suppressed, so that assembly errors of the scintillator unit can be reduced. When the adhesive layer 202 is 2 μm or more in thickness, sufficient adhesive strength is obtained.

[反射層204]
反射層204としては、例えば、アルミニウムや銀などの金属材料を用いることができる。反射層は、PET(ポリエチレンテレフタラート)フィルムにアルミニウムを蒸着したもの(アルペット(登録商標))を用いてもよい。
[Reflective layer 204]
For example, a metal material such as aluminum or silver can be used as the reflective layer 204. A PET (polyethylene terephthalate) film on which aluminum is vapor-deposited (Alpet (registered trademark)) may also be used as the reflective layer.

反射層に金属材料を用いる場合、400nm~700nmの波長を有する光の反射率は、80%以上100%以下である。ここで、光の反射率は、空気中で測定される値である。 When a metal material is used for the reflective layer, the reflectance of light having a wavelength of 400 nm to 700 nm is 80% or more and 100% or less. Here, the reflectance of light is a value measured in air.

(誘電体多層膜)
反射層204としては、反射率の高い誘電体多層膜を用いることが好ましい。反射層として誘電体多層膜を用いる場合、400nm~700nmの波長を有する光の反射率は、95%以上100%以下である。ここで、光の反射率は、空気中で測定される値である。また、用いるシンチレータの発光波長帯で高反射率であればよく、発光波長以外の波長域では必ずしも高反射率である必要はない。アルミニウムや銀などの金属材料を用いる場合と比べて、誘電体多層膜を用いる場合は、光の反射率が高い。これにより、シンチレータから発生した光が、隣接したシンチレータにまで漏えいした結果生じるクロストークをさらに低減することが可能となる。
(Dielectric multilayer film)
It is preferable to use a dielectric multilayer film with high reflectance as the reflective layer 204. When a dielectric multilayer film is used as the reflective layer, the reflectance of light having a wavelength of 400 nm to 700 nm is 95% or more and 100% or less. Here, the reflectance of light is a value measured in air. In addition, it is sufficient that the reflectance is high in the emission wavelength band of the scintillator used, and it is not necessarily required that the reflectance is high in wavelength ranges other than the emission wavelength. Compared to the case where a metal material such as aluminum or silver is used, the reflectance of light is high when a dielectric multilayer film is used. This makes it possible to further reduce crosstalk that occurs as a result of light generated from a scintillator leaking to an adjacent scintillator.

誘電体多層膜を構成する誘電体は、無機材料でも有機材料でもよく、これらの組み合わせでもよい。有機材料は、軽量かつ柔軟であるため、より好ましい。有機材料としては、例えば、ポリエステル系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂などが挙げられる。 The dielectrics constituting the dielectric multilayer film may be inorganic or organic materials, or a combination of these. Organic materials are more preferable because they are lightweight and flexible. Examples of organic materials include polyester resins, urethane resins, and acrylic resins.

前記誘電体多層膜は低屈折率層と接していることが好ましい。これにより、誘電体多層膜の屈折率と隣接する層との屈折率差が大きくなるため、400nm~700nmの波長の光の反射率は、向上する。誘電体多層膜と低屈折率層とが接する場合、低屈折率層の屈折率は、1.05以上1.30以下であることが好ましく、1.10以上1.20以下であることがより好ましく、1.15以下であることが特に好ましい。 The dielectric multilayer film is preferably in contact with a low refractive index layer. This increases the difference in refractive index between the dielectric multilayer film and the adjacent layer, improving the reflectance of light with wavelengths of 400 nm to 700 nm. When the dielectric multilayer film is in contact with the low refractive index layer, the refractive index of the low refractive index layer is preferably 1.05 or more and 1.30 or less, more preferably 1.10 or more and 1.20 or less, and particularly preferably 1.15 or less.

(低屈折率層)
<組成、及び構成>
図1において、屈折率が1.65以下の固体物質を骨格とする場合、低屈折率化のために空隙率を適切に設定することができ、低屈折率層104の強度を向上させることができる。
(Low Refractive Index Layer)
<Composition and structure>
In FIG. 1, when a solid substance having a refractive index of 1.65 or less is used as the skeleton, the porosity can be appropriately set to lower the refractive index, and the strength of the low refractive index layer 104 can be improved.

固体物質は、結晶質、及び非晶質のいずれでもよい。固体物質は、粒子であってもよい。粒子は、特に限定されず、球状粒子、不定形状粒子、該球状又は不定形状粒子が数珠状又は分鎖状に連結した粒子、内部に空洞を有する中空粒子、又中空粒子が数珠状又は分鎖状に連結した粒子などが挙げられる。 The solid substance may be either crystalline or amorphous. The solid substance may be particles. There are no particular limitations on the type of particle, and examples include spherical particles, particles with irregular shapes, particles in which the spherical or irregular particles are linked in a beaded or branched chain shape, hollow particles having a cavity inside, and particles in which the hollow particles are linked in a beaded or branched chain shape.

固体物質としては、フッ素系ポリマーやアクリル樹脂などの樹脂、フッ化マグネシウムやフッ化カルシウムなどのフッ化物、炭酸カルシウムや炭酸カリウムなどの炭酸塩、硫酸バリウムなどの硫酸塩、二酸化ケイ素(以下、シリカともいう)や酸化アルミニウムなどの酸化物などが挙げられる。 Examples of solid substances include resins such as fluoropolymers and acrylic resins, fluorides such as magnesium fluoride and calcium fluoride, carbonates such as calcium carbonate and potassium carbonate, sulfates such as barium sulfate, and oxides such as silicon dioxide (hereinafter also referred to as silica) and aluminum oxide.

固体物質で屈折率の低い材料としては、有機材料ではフッ素系ポリマー、無機材料では、フッ化マグネシウムや二酸化ケイ素が例示できる。 Examples of solid materials with a low refractive index include organic materials such as fluorine-based polymers, and inorganic materials such as magnesium fluoride and silicon dioxide.

しかしながら、フッ素系ポリマーの屈折率は低いもので1.30程度、フッ化マグネシウムと二酸化ケイ素(石英)の屈折率はそれぞれ1.38と1.46であり、単体の屈折率が1.30を大きく下回る材料は、窒素や酸素のような気体が主である。 However, the refractive index of fluoropolymers is as low as 1.30, while the refractive indexes of magnesium fluoride and silicon dioxide (quartz) are 1.38 and 1.46, respectively. Materials with a refractive index significantly below 1.30 as a single substance are mainly gases such as nitrogen and oxygen.

屈折率、コスト、化学的安定性の観点から、固体物質は、二酸化ケイ素を含むことが好ましい。すなわち、固体物質の主成分は、二酸化ケイ素であることが好ましい。ここで、「固体物質の主成分が二酸化ケイ素である」とは、固体物質中、二酸化ケイ素が50質量%以上であることを意味する。典型的には、固体物質中の二酸化ケイ素は、90質量%以上である。 From the viewpoints of refractive index, cost, and chemical stability, it is preferable that the solid material contains silicon dioxide. That is, it is preferable that the main component of the solid material is silicon dioxide. Here, "the main component of the solid material is silicon dioxide" means that silicon dioxide is 50 mass% or more in the solid material. Typically, silicon dioxide is 90 mass% or more in the solid material.

二酸化ケイ素粒子の具体例として、日産化学(株)製のスノーテックスシリーズ、オルガノシリカゾル、日揮触媒化成(株)のスルーリアシリーズ、日本アエロジル(株)販売のEVONIK製アエロジルシリーズなどが挙げられる。 Specific examples of silicon dioxide particles include the Snowtex series and Organosilicasol manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd., the Sururia series manufactured by JGC Catalysts and Chemicals, and the Aerosil series manufactured by EVONIK and sold by Nippon Aerosil Co., Ltd.

一般に、屈折率nの物質Aと屈折率nの物質Bで構成される複合物質Cの屈折率nは、近似的に以下の式(1)で表される。
式(1)
=〔n×v/100〕+〔n×v/100〕 (1)
ここで、v、vはそれぞれ複合物質を構成する物質A、物質Bの体積分率である(v+v=100)。
In general, the refractive index n c of a composite material C composed of a material A having a refractive index n a and a material B having a refractive index n b is approximately represented by the following formula (1).
Formula (1)
n c = [n a × v a / 100] + [n b × v b / 100] (1)
Here, v a and v b are the volume fractions of material A and material B constituting the composite material, respectively (v a +v b =100).

式(1)によると、固体物質と空気の複合物質、つまり、固体物質を骨格とする多孔質膜を低屈折率層104として用いることによって、元の固体物質の屈折率より低くすることができる。その際、骨格となる固体物質の屈折率が低いほど、また、低屈折率層104の空隙率が高いほど、低屈折率層104の屈折率は低くなる。低屈折率層104の空隙率を高めるために、低屈折率層104は多孔質構造を有してもよい。この観点において低屈折率層104を多孔質膜と称することができる。 According to formula (1), by using a composite material of a solid material and air, that is, a porous film having a solid material as a skeleton, as the low refractive index layer 104, the refractive index can be made lower than that of the original solid material. In this case, the lower the refractive index of the solid material that forms the skeleton, and the higher the porosity of the low refractive index layer 104, the lower the refractive index of the low refractive index layer 104. In order to increase the porosity of the low refractive index layer 104, the low refractive index layer 104 may have a porous structure. From this perspective, the low refractive index layer 104 can be called a porous film.

なお、上記式(1)において、物質Aを空気、物質Bを二酸化ケイ素とした場合、空気の屈折率n=1.00、二酸化ケイ素の屈折率n=1.46、二酸化ケイ素の体積分率v=100-vとなる。すなわち、vは低屈折率層104の屈折率nの関数となり、vを求めることができる。このvは、空隙率である。 In the above formula (1), if material A is air and material B is silicon dioxide, the refractive index of air n a =1.00, the refractive index of silicon dioxide n b =1.46, and the volume fraction of silicon dioxide v b =100- va . In other words, v a is a function of the refractive index n c of the low refractive index layer 104, and v a can be obtained. This v a is the porosity.

低屈折率層104が空隙を有する場合、その低屈折率層の空隙率は、60.0%以上95.0%以下であることが好ましく、65.0%以上90.0%以下であることがより好ましい。 When the low refractive index layer 104 has voids, the porosity of the low refractive index layer is preferably 60.0% or more and 95.0% or less, and more preferably 65.0% or more and 90.0% or less.

例えば、式(1)によると、二酸化ケイ素(屈折率1.46)を骨格とする低屈折率層104の空隙率が60.0%未満では、屈折率は1.15を超える場合がある。 For example, according to formula (1), if the porosity of the low refractive index layer 104, which has a skeleton of silicon dioxide (refractive index 1.46), is less than 60.0%, the refractive index may exceed 1.15.

一方、空隙率が95.0%を超える場合、低屈折率層104の屈折率が1.05未満という、過剰に低い屈折率になると共に、低屈折率層104を構成する骨格が少ないため強度が低下する可能性がある。 On the other hand, if the porosity exceeds 95.0%, the refractive index of the low refractive index layer 104 will be excessively low, less than 1.05, and the strength may decrease due to the small amount of skeleton that constitutes the low refractive index layer 104.

二酸化ケイ素は、その表面に有機基、及び水酸基の少なくとも1つを有することが好ましい。表面に水酸基を有する二酸化ケイ素は親水性が高いため、このような二酸化ケイ素粒子を骨格とすると、親水性の高い低屈折率層104を形成することができる。 It is preferable that the silicon dioxide has at least one of an organic group and a hydroxyl group on its surface. Since silicon dioxide having hydroxyl groups on its surface is highly hydrophilic, a highly hydrophilic low refractive index layer 104 can be formed by using such silicon dioxide particles as the skeleton.

また、例えば、シランカップリング剤で二酸化ケイ素の表面を修飾することによって低屈折率層104に機能性を付与することができる。二酸化ケイ素の表面に水酸基を有する場合には、水酸基とシランカップリング剤の加水分解生成物の間の脱水縮合反応を利用することができる。 In addition, functionality can be imparted to the low refractive index layer 104 by modifying the surface of the silicon dioxide with a silane coupling agent, for example. When the silicon dioxide surface has hydroxyl groups, a dehydration condensation reaction between the hydroxyl groups and the hydrolysis product of the silane coupling agent can be utilized.

有機基としてはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基などの炭素数1以上4以下のアルキル基;ビニル基、アクリル基、メタクリル基などの重合性部位を有する炭化水素基;フェニル基などの芳香族炭化水素基などが挙げられる。 Examples of organic groups include alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms, such as methyl, ethyl, propyl, and butyl groups; hydrocarbon groups having a polymerizable site, such as vinyl, acrylic, and methacrylic groups; and aromatic hydrocarbon groups, such as phenyl groups.

二酸化ケイ素の表面に有機基を有する場合、撥水性、撥油性、生体適合性、電子輸送性、重合性など、様々な機能を低屈折率層104に付与することができる。 When the silicon dioxide surface has organic groups, various functions can be imparted to the low refractive index layer 104, such as water repellency, oil repellency, biocompatibility, electron transport properties, and polymerizability.

また、二酸化ケイ素の表面に存在する官能基の全てが有機基に置換されている必要はなく、有機基と水酸基の両方が任意の割合で存在していてもよい。 In addition, it is not necessary for all of the functional groups present on the surface of the silicon dioxide to be substituted with organic groups, and both organic groups and hydroxyl groups may be present in any ratio.

〔中空シリカ粒子〕
低屈折率層104が、中空粒子を含有する場合について、さらに説明するが、これらに限定されることはない。中空粒子とは、外殻が固体物質で形成され、外殻の内側に空洞(空隙)を有する粒子である。
[Hollow Silica Particles]
A further description will be given of the case where the low refractive index layer 104 contains hollow particles, but is not limited thereto. A hollow particle is a particle having an outer shell formed of a solid substance and having a cavity (void) inside the outer shell.

低屈折率層104は、複数の中空粒子を含むことが好ましい。複数の中空粒子を含む低屈折率層104は、中空粒子の他に、中実粒子を含んでいてもよいし、バインダを含んでいてもよい。 The low refractive index layer 104 preferably contains a plurality of hollow particles. The low refractive index layer 104 containing a plurality of hollow particles may contain solid particles or a binder in addition to the hollow particles.

固体物質で構成された一次粒子として、中空粒子を含む場合の低屈折率層104の構造の一例を図1に示す。 Figure 1 shows an example of the structure of the low refractive index layer 104 when it contains hollow particles as primary particles made of a solid substance.

低屈折率層104は、複数の中空粒子301を含有し、複数の中空粒子301間には空隙302が存在している。また、中空粒子の内部にも空隙304が存在する。図1中、符号303は外殻、符号305は基材を表す。 The low refractive index layer 104 contains a plurality of hollow particles 301, and gaps 302 exist between the plurality of hollow particles 301. Furthermore, gaps 304 exist inside the hollow particles. In FIG. 1, reference numeral 303 denotes the outer shell, and reference numeral 305 denotes the substrate.

低屈折率層104の単位体積に対する複数の中空粒子内の空隙の合計体積の割合を空隙率X(%)とし、低屈折率層104の単位体積に対する中空粒子間の空隙の合計体積の割合を空隙率Y(%)としたときに、X<Yの関係を満たすことが好ましい。ここで、(X+Y)は、上記低屈折率層104の空隙率を意味する。 When the ratio of the total volume of voids in a plurality of hollow particles to a unit volume of the low refractive index layer 104 is the porosity X (%), and the ratio of the total volume of voids between hollow particles to a unit volume of the low refractive index layer 104 is the porosity Y (%), it is preferable that the relationship X<Y is satisfied. Here, (X+Y) means the porosity of the low refractive index layer 104.

また、低屈折率層104の屈折率nは以下の式(2)で表される。
式(2)
n=〔n×(X+Y)/100〕+〔n×(100-X-Y)/100〕
(2)ここで、nは空気の屈折率(n=1)、nは中空粒子の外殻の屈折率(n>1)である。式(2)によると、X+Yが大きいほど、また、nが低いほど、nは低くなる。
The refractive index n of the low refractive index layer 104 is expressed by the following formula (2).
Equation (2)
n = [n a × (X + Y) / 100] + [n s × (100 - X - Y) / 100]
(2) Here, n a is the refractive index of air (n a =1), and n s is the refractive index of the outer shell of the hollow particle (n s >1). According to formula (2), the larger X+Y is and the lower n s is, the lower n is.

また、低屈折率層104の屈折率nは以下の式(3)でも表される。
式(3)
n=〔n×Y/100〕+〔n×(100-Y)/100〕
(3)ここで、nは中空粒子1個の屈折率(n>1)である。屈折率nは、中空粒子1個に占める外殻の体積および屈折率と空隙の体積および屈折率の割合から算出される見かけの屈折率である。つまり、式(1)において、n=1、n=nとし、vを中空粒子の空隙の体積、vを外殻の体積とすれば、n=nとなる。式(3)によると、Yが大きいほど、また、nが低いほど、nは低くなる。
The refractive index n of the low refractive index layer 104 is also expressed by the following formula (3).
Equation (3)
n = [n a × Y / 100] + [n p × (100 - Y) / 100]
(3) Here, np is the refractive index of one hollow particle ( np >1). The refractive index np is an apparent refractive index calculated from the ratio of the volume and refractive index of the shell to the volume and refractive index of the void in one hollow particle. That is, in formula (1), if n a =1, n b =n s , v a is the volume of the void of the hollow particle, and v b is the volume of the shell, then n c =n p . According to formula (3), the larger Y is and the lower n p is, the lower n is.

なお、光学測定により低屈折率層104の屈折率nを求め、式(2)、(3)に既知のn、n、nを代入することで、X及びYを推定することもできる。 It is also possible to estimate X and Y by determining the refractive index n of the low refractive index layer 104 by optical measurement and substituting the known values n a , n s , and n p into equations (2) and (3).

中空粒子が密に配置されると、中空粒子の間に存在する空隙の体積分率が減少し、空気よりも高い屈折率を有する成分である外殻の体積分率が大きくなるため、低屈折率層104の屈折率が高くなる。一方、中空粒子が疎に配置されると、中空粒子間に存在する空隙の体積分率が増加し、外殻の体積分率が小さくなるため、低屈折率層104の屈折率が低くなる。すなわち、低屈折率層104の屈折率をより低くするためには、Y/Xを大きくするとよい。具体的には、Y/X>1、つまりX<Yの関係を満たしていることが好ましい。 When the hollow particles are densely arranged, the volume fraction of the gaps between the hollow particles decreases and the volume fraction of the outer shell, which is a component with a higher refractive index than air, increases, resulting in a higher refractive index of the low refractive index layer 104. On the other hand, when the hollow particles are sparsely arranged, the volume fraction of the gaps between the hollow particles increases and the volume fraction of the outer shell decreases, resulting in a lower refractive index of the low refractive index layer 104. In other words, to further lower the refractive index of the low refractive index layer 104, it is preferable to increase Y/X. Specifically, it is preferable that the relationship Y/X>1, that is, X<Y, is satisfied.

また、X及びYは、X<(100-X-Y)<Yの関係を満たすことが好ましい。 It is also preferable that X and Y satisfy the relationship X<(100-X-Y)<Y.

低屈折率層104は、固体物質で構成された粒子、及び、高強度化のため、該粒子を結合するバインダを含有してもよい。バインダを使用する場合、低屈折率層104中に含まれる固体は、中空粒子の外殻とバインダであり、低屈折率層104の単位体積に対する固体の体積分率は(100-X-Y)(%)で表される。 The low refractive index layer 104 may contain particles made of a solid material and a binder that binds the particles together to increase strength. When a binder is used, the solids contained in the low refractive index layer 104 are the outer shells of the hollow particles and the binder, and the volume fraction of the solids relative to the unit volume of the low refractive index layer 104 is expressed as (100-X-Y) (%).

X<(100-X-Y)の関係を満たす場合、低屈折率層104の強度がより向上する。また、(100-X-Y)<Yの関係を満たす場合、低屈折率層104の屈折率がより低くなる。 When the relationship X<(100-X-Y) is satisfied, the strength of the low refractive index layer 104 is further improved. Also, when the relationship (100-X-Y)<Y is satisfied, the refractive index of the low refractive index layer 104 is further reduced.

XとYの合計値(X+Y)は、60.0%以上95.0%以下であることが好ましく、65.0%以上~90.0%以下であることがより好ましい。(X+Y)を上記範囲にすることで、低屈折率層104の強度と低屈折率層104の屈折率を所望の範囲に調整することが容易となる。 The total value of X and Y (X+Y) is preferably 60.0% or more and 95.0% or less, and more preferably 65.0% or more and 90.0% or less. By setting (X+Y) within the above range, it becomes easy to adjust the strength of the low refractive index layer 104 and the refractive index of the low refractive index layer 104 to the desired range.

低屈折率層104において、Xは、8.0%以上32.0%以下であることが好ましく、10.0%以上28.0%以下であることがより好ましく、12.0%以上24.0%以下であることがさらに好ましい。 In the low refractive index layer 104, X is preferably 8.0% or more and 32.0% or less, more preferably 10.0% or more and 28.0% or less, and even more preferably 12.0% or more and 24.0% or less.

一方、Yは、30.0%以上80.0%以下であることが好ましく、35.0%以上75.0%以下であることがより好ましく、40.0%以上70.0%以下であることがさらに好ましい。 On the other hand, Y is preferably 30.0% or more and 80.0% or less, more preferably 35.0% or more and 75.0% or less, and even more preferably 40.0% or more and 70.0% or less.

X及びYを上記範囲とすることで、低屈折率層104の強度と低屈折率層104の屈折率を所望の範囲に調整することが容易となる。 By setting X and Y within the above ranges, it becomes easy to adjust the strength of the low refractive index layer 104 and the refractive index of the low refractive index layer 104 to the desired range.

図1の例示は、中空粒子の形状が実質的に球状のものであるが、これに限定されるものではない。中空粒子は、外殻303と、外殻に包囲され中空粒子の内部に形成された空隙304を有する。この場合、中空粒子は、コアを空気とするコア・シェル粒子の一種とみなすことができる。 In the example of FIG. 1, the hollow particles are substantially spherical in shape, but are not limited to this. The hollow particles have an outer shell 303 and a void 304 that is surrounded by the outer shell and formed inside the hollow particle. In this case, the hollow particles can be considered as a type of core-shell particle with air as the core.

中空粒子1個の屈折率nは、式(4)で表される。
式(4)
=〔n×(100-V)/100〕+〔n×V/100〕 (4)
ここで、Vは中空粒子の全体積に対する内部の空隙の体積分率である。すなわち、中空粒子1個の屈折率nは外殻の材料の屈折率nと中空粒子1個の空隙率Vによって決定される。
The refractive index np of one hollow particle is expressed by formula (4).
Equation (4)
n p = [n s × (100 - V a ) / 100] + [n a × V a / 100] (4)
Here, Va is the volume fraction of the internal void with respect to the total volume of the hollow particle. In other words, the refractive index np of one hollow particle is determined by the refractive index ns of the shell material and the porosity Va of one hollow particle.

中空粒子1個の空隙率nは、30.0%以上70.0%以下であることが好ましく、35.0%以上65.0%以下であることがさらに好ましい。 The porosity np of one hollow particle is preferably 30.0% or more and 70.0% or less, and more preferably 35.0% or more and 65.0% or less.

空隙率nが上記範囲である場合、低屈折率層104の屈折率を低下させやすく、中空粒子外殻の強度及び低屈折率層104の強度を安定化させることができる。 When the porosity np is within the above range, the refractive index of the low refractive index layer 104 can be easily reduced, and the strength of the hollow particle outer shell and the strength of the low refractive index layer 104 can be stabilized.

中空粒子の外殻nの屈折率は、上記固体物質の屈折率と同様、1.10以上、1.20以上、1.25以上、1.30以上、1.35以上であることが好ましく、1.65以下、1.60以下であることが好ましい。この数値範囲は、任意に組み合わせることができる。中空粒子の外殻nの屈折率は、1.35以上1.60以下であることがより好ましい。 The refractive index of the outer shell n s of the hollow particles is preferably 1.10 or more, 1.20 or more, 1.25 or more, 1.30 or more, or 1.35 or more, and preferably 1.65 or less, or 1.60 or less, similar to the refractive index of the solid substance. These numerical ranges can be combined in any manner. The refractive index of the outer shell n s of the hollow particles is more preferably 1.35 or more and 1.60 or less.

中空粒子の外殻の屈折率nが上記範囲である場合、低屈折率層104の製造の容易性、中空粒子の強度、低屈折率層104の強度に優れ、かつ、低屈折率層104の屈折率を低く調整することができる。 When the refractive index n s of the outer shell of the hollow particle is within the above range, the ease of production of the low refractive index layer 104, the strength of the hollow particle, and the strength of the low refractive index layer 104 are excellent, and the refractive index of the low refractive index layer 104 can be adjusted to a low value.

中空粒子の外殻の材質としては、上記固体物質と同様のものを用いることができる。 The shell of the hollow particles can be made of the same material as the solid substances mentioned above.

また、中空粒子の外殻はミクロな細孔を有していてもよい。外殻にミクロな細孔を形成すると外殻の屈折率をより低くすることができる。 The outer shell of the hollow particles may also have micropores. Forming micropores in the outer shell can further reduce the refractive index of the outer shell.

中空粒子の一次粒子の個数平均粒径は、1nm以上200nm以下であることが好ましく、5nm以上100nm以下であることがより好ましく、10nm以上100nm以下であることがさらに好ましく、20nm以上100nm以下であることが特に好ましい。 The number average particle size of the primary particles of the hollow particles is preferably 1 nm or more and 200 nm or less, more preferably 5 nm or more and 100 nm or less, even more preferably 10 nm or more and 100 nm or less, and particularly preferably 20 nm or more and 100 nm or less.

個数平均粒径が上記範囲であると、中空粒子の作製が容易であり、光の散乱を低減しやすく、低屈折率層104の透過率をより向上させることができる。 When the number-average particle size is within the above range, hollow particles are easy to produce, light scattering is easily reduced, and the transmittance of the low refractive index layer 104 can be further improved.

〔ヒュームドシリカ粒子、鎖状シリカ粒子〕
低屈折率層104は、固体物質で構成された一次粒子が三次元構造を形成した二次粒子、固体物質で構成された一次粒子が鎖状に連結した鎖状二次粒子、及び固体物質で構成された一次粒子が分鎖状に連結した分鎖状二次粒子からなる群より選択される少なくとも1種の粒子を含有することが好ましい。ここで、固体物質で構成された粒子が凝集体を形成している場合、凝集体も固体物質で構成された一次粒子が三次元構造を形成した二次粒子に含まれる。
[Fumed silica particles, chain silica particles]
The low refractive index layer 104 preferably contains at least one type of particle selected from the group consisting of secondary particles in which primary particles made of a solid substance form a three-dimensional structure, chain-like secondary particles in which primary particles made of a solid substance are linked in a chain, and branched-chain secondary particles in which primary particles made of a solid substance are linked in a branched chain. Here, when particles made of a solid substance form aggregates, the aggregates are also included in the secondary particles in which primary particles made of a solid substance form a three-dimensional structure.

固体物質で構成された一次粒子が三次元構造を形成した二次粒子、固体物質で構成された一次粒子が鎖状に連結した鎖状二次粒子、及び固体物質で構成された一次粒子が分鎖状に連結した分鎖状二次粒子は、低屈折率層104中の固体物質の体積分率を小さくする。そして、空隙の体積分率を大きくすることができる。すなわち、低屈折率層104の屈折率を低くすることができる。 Secondary particles in which primary particles made of solid substances form a three-dimensional structure, chain-like secondary particles in which primary particles made of solid substances are linked in a chain, and branched-chain secondary particles in which primary particles made of solid substances are linked in a branched chain reduce the volume fraction of solid substances in the low refractive index layer 104. The volume fraction of voids can then be increased. In other words, the refractive index of the low refractive index layer 104 can be reduced.

固体物質で構成された一次粒子の個数平均粒径は、1nm以上200nm以下であることが好ましく、5nm以上100nm以下であることがより好ましい。また、固体物質で構成された一次粒子の個数平均粒径は、10nm以上100nm以下であることがさらに好ましく、20nm以上100nm以下であることが特に好ましい。 The number-average particle size of the primary particles made of solid substances is preferably 1 nm or more and 200 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 100 nm or less. The number-average particle size of the primary particles made of solid substances is further preferably 10 nm or more and 100 nm or less, and particularly preferably 20 nm or more and 100 nm or less.

一次粒子の個数平均粒径が上記範囲の場合、粒子の凝集を適切に制御することが可能であり、塗工液への分散性を向上させることができる。また、一次粒子が400nm~700nmの波長域における光の散乱体となることを低減し、低屈折率層104の透過率をより向上させることができる。 When the number-average particle size of the primary particles is within the above range, it is possible to appropriately control particle aggregation, and the dispersibility in the coating liquid can be improved. In addition, the primary particles are less likely to become light scatterers in the wavelength range of 400 nm to 700 nm, and the transmittance of the low refractive index layer 104 can be further improved.

ここで、固体物質で構成された一次粒子が三次元構造を形成した二次粒子の例として、ヒュームドシリカ粒子を用いた例を説明するが、これに限定されるわけではない。 Here, we will explain an example of using fumed silica particles as a secondary particle in which primary particles made of a solid substance form a three-dimensional structure, but this is not limited to this.

ヒュームドシリカ粒子は、四塩化ケイ素を酸素及び水素炎中において高温加水分解によって生成させることができる。上記製法で生成されたヒュームドシリカ粒子は、数十ナノメートルの一次粒子が融着して、三次元構造の二次粒子を形成する。また、二次粒子は、それらが凝集して複雑な高次構造を有することもある。 Fumed silica particles can be produced by high-temperature hydrolysis of silicon tetrachloride in oxygen and hydrogen flames. The fumed silica particles produced by the above process are made up of primary particles of several tens of nanometers fused together to form secondary particles with a three-dimensional structure. The secondary particles may also aggregate to form complex higher-order structures.

ヒュームドシリカ粒子は、その特徴的な構造のため、見掛けの比重が0.01g/cm~0.1g/cmである非常に嵩高い粒子である。したがって、ヒュームドシリカ粒子を含む低屈折率層104は、空隙率が大きく、屈折率を顕著に低減することができる。 Due to their characteristic structure, fumed silica particles are very bulky particles with an apparent specific gravity of 0.01 g/cm 3 to 0.1 g/cm 3. Therefore, the low refractive index layer 104 containing fumed silica particles has a large porosity and can significantly reduce the refractive index.

二次粒子の個数平均粒径は、10nm以上1000nm以下であることが好ましく、50nm以上500nm以下であることがより好ましい。 The number-average particle size of the secondary particles is preferably 10 nm or more and 1000 nm or less, and more preferably 50 nm or more and 500 nm or less.

二次粒子の個数平均粒径が上記範囲である場合、例えば、二次粒子が、二酸化ケイ素の一次粒子が三次元構造を形成しており、数個の一次粒子が集合した単純な構造とはならない。 When the number-average particle size of the secondary particles is within the above range, for example, the secondary particles are made up of primary particles of silicon dioxide that form a three-dimensional structure, and do not have a simple structure consisting of an aggregate of several primary particles.

二次粒子が上記構造を有することで、低屈折率層104の空隙率を上記範囲に制御しやすくなり、低屈折率層104の屈折率を上記範囲に制御することが容易になる。また、二次粒子の粒子間に、400nm~700nmの波長域における光の散乱体となりうる、巨大な空隙が形成されにくく、低屈折率層104の光の透過率を上記範囲に制御しやすくなる。 When the secondary particles have the above structure, it becomes easier to control the porosity of the low refractive index layer 104 within the above range, and it becomes easier to control the refractive index of the low refractive index layer 104 within the above range. In addition, large gaps that can scatter light in the wavelength range of 400 nm to 700 nm are less likely to form between the secondary particles, making it easier to control the light transmittance of the low refractive index layer 104 within the above range.

一次粒子及び二次粒子の個数平均粒径は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて測定することができる(いずれも最大径の算術平均値から算出する)。また、一次粒子及び二次粒子の個数平均粒径は、例えば、上述のように、四塩化ケイ素を酸素及び水素炎中において高温加水分解する際の条件を調整することで制御することができる。 The number-average particle size of the primary particles and secondary particles can be measured using a transmission electron microscope (TEM) (calculated from the arithmetic mean of the maximum diameter). The number-average particle size of the primary particles and secondary particles can be controlled, for example, by adjusting the conditions for high-temperature hydrolysis of silicon tetrachloride in oxygen and hydrogen flame, as described above.

<成膜方法>
〔塗工液の調整〕
低屈折率層104を成膜するための塗工液の調製方法について説明する。二酸化ケイ素の一次粒子が三次元構造を形成したヒュームドシリカ粒子を用いた場合の例について説明するが、これに限定されるわけではない。
<Film formation method>
[Adjustment of Coating Fluid]
A method for preparing a coating liquid for forming the low refractive index layer 104 will be described. An example will be described in which fumed silica particles in which primary particles of silicon dioxide form a three-dimensional structure are used, but the present invention is not limited thereto.

ヒュームドシリカ粒子を溶媒に分散する。ヒュームドシリカ粒子を分散する溶媒としては、ヒュームドシリカ粒子と親和性の高い溶媒が好ましく、ヒュームドシリカ粒子の表面の官能基の種類によって、一種類の溶媒又は二種類以上の混合溶媒を用いてもよい。 The fumed silica particles are dispersed in a solvent. As a solvent for dispersing the fumed silica particles, a solvent having a high affinity with the fumed silica particles is preferable, and one type of solvent or a mixed solvent of two or more types may be used depending on the type of functional group on the surface of the fumed silica particles.

溶媒としては、有機溶媒が好ましく、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどのアルコール系溶媒、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのグリコール系溶媒、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテルなどのエーテル系溶媒、エチルアセテート、プロピルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテートなどのアセテート系溶媒、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒を用いることができる。 As the solvent, organic solvents are preferred, and examples of the solvent that can be used include alcohol-based solvents such as methanol, ethanol, propanol, and isopropanol; glycol-based solvents such as ethylene glycol and propylene glycol; ether-based solvents such as dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, and propylene glycol monoethyl ether; acetate-based solvents such as ethyl acetate, propyl acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, and propylene glycol monoethyl ether acetate; and ketone-based solvents such as acetone and methyl ethyl ketone.

溶媒として水を用いることもできるが、水は表面張力が大きいため、乾燥する際に大きい毛管力が発生し、ヒュームドシリカ粒子間の空隙が収縮する場合がある。そのため、低屈折率層104の空隙率が低下しやすく、屈折率が上昇する可能性がある。 Water can be used as a solvent, but because water has a high surface tension, a large capillary force is generated when it dries, which may cause the gaps between the fumed silica particles to shrink. This may lead to a decrease in the porosity of the low refractive index layer 104, and an increase in the refractive index.

また、シンチレータ105の材料として、アルカリ金属、特にCsIを用いる場合、その強い潮解性のため、水を溶媒として用いるのは適切ではない。固体物質で構成された粒子は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。 In addition, when an alkali metal, particularly CsI, is used as the material for the scintillator 105, it is not appropriate to use water as a solvent due to its strong deliquescence. Particles made of solid substances may be used alone or in combination of two or more types.

塗工液中の固体物質で構成された粒子の含有量は、1.0質量%以上であることが好ましく、2.0質量%以上であることがより好ましく、3.0質量%以上であることがさらに好ましく、7.0質量%以上であることが特に好ましい。塗工液中のシリカ粒子の含有量は、50.0質量%以下であることが好ましく、30.0質量%以下であることがより好ましく、20.0質量%以下であることがさらに好ましい。数値範囲は、任意に組み合わせることができる。 The content of particles composed of solid substances in the coating liquid is preferably 1.0 mass% or more, more preferably 2.0 mass% or more, even more preferably 3.0 mass% or more, and particularly preferably 7.0 mass% or more. The content of silica particles in the coating liquid is preferably 50.0 mass% or less, more preferably 30.0 mass% or less, and even more preferably 20.0 mass% or less. The numerical ranges can be combined in any way.

例えば、塗工液中のヒュームドシリカ粒子の濃度(固形分濃度)は、1.0質量%以上30.0質量%以下であることが好ましく、2.0質量%以上20.0質量%以下であることがより好ましい。 For example, the concentration (solids concentration) of fumed silica particles in the coating liquid is preferably 1.0% by mass or more and 30.0% by mass or less, and more preferably 2.0% by mass or more and 20.0% by mass or less.

塗工液中の固体物質で構成された粒子の含有量、例えば、ヒュームドシリカ粒子の含有量(濃度)が上記範囲である場合、低屈折率層104の膜厚を500nm以上に調整することが容易となる。また、ヒュームドシリカ粒子の溶媒中への均一分散性を向上させることができ、得られた低屈折率層104の透過率を上記範囲に調整することも容易となる。 When the content of particles composed of solid substances in the coating liquid, for example the content (concentration) of fumed silica particles, is within the above range, it becomes easy to adjust the film thickness of the low refractive index layer 104 to 500 nm or more. In addition, the uniform dispersion of the fumed silica particles in the solvent can be improved, and it becomes easy to adjust the transmittance of the obtained low refractive index layer 104 to the above range.

ヒュームドシリカ粒子を上記溶媒に添加した後、分散処理を施す。ヒュームドシリカ粒子が複雑な高次構造を維持したまま溶液中に分散している塗工液を成膜すると、ヒュームドシリカ粒子及びヒュームドシリカ粒子間の空隙が可視光を散乱するサイズとなるため、低屈折率層104の透過率が低下する場合がある。ヒュームドシリカ粒子に分散処理を施すと、分散処理時間と共に、塗工液の透明度が上昇していく。 After adding the fumed silica particles to the above solvent, a dispersion treatment is performed. When a coating liquid in which the fumed silica particles are dispersed in the solution while maintaining their complex higher-order structure is formed, the fumed silica particles and the gaps between the fumed silica particles are of a size that scatters visible light, and this may result in a decrease in the transmittance of the low refractive index layer 104. When the fumed silica particles are subjected to a dispersion treatment, the transparency of the coating liquid increases with the duration of the dispersion treatment.

ヒュームドシリカ粒子が適度に分散された塗工液を成膜すると、ヒュームドシリカ粒子の骨格及びヒュームドシリカ粒子間の空隙が可視光の散乱体にならないサイズになるため、透過率の高い低屈折率層104が形成される。 When a coating liquid in which fumed silica particles are appropriately dispersed is formed, the skeleton of the fumed silica particles and the voids between the fumed silica particles are of a size that does not scatter visible light, forming a low refractive index layer 104 with high transmittance.

分散処理をさらに施すと、ヒュームドシリカ粒子の嵩高い高次構造が一次粒子まで破壊されやすく、空隙率が低下する場合があり、得られる低屈折率層104の屈折率が上昇する傾向にある。 If further dispersion treatment is performed, the bulky higher-order structure of the fumed silica particles may be easily destroyed down to the primary particles, the porosity may decrease, and the refractive index of the resulting low refractive index layer 104 tends to increase.

また、分散処理が過度であると、いわゆる過分散の状態になり、ヒュームドシリカ粒子は再凝集しやすく、成膜後の低屈折率層104の透過率が低下する場合がある。 Moreover, if the dispersion process is excessive, the fumed silica particles may become overdispersed, and the particles may easily re-aggregate, resulting in a decrease in the transmittance of the low refractive index layer 104 after film formation.

したがって、適度な分散状態にすることが好ましい。分散処理には、スターラー、超音波、自転公転ミキサー、ボールミル、ビーズミル、ホモジナイザーなどを用いることができる。 Therefore, it is preferable to achieve a moderately dispersed state. Dispersion processing can be performed using a stirrer, ultrasonic wave, planetary centrifugal mixer, ball mill, bead mill, homogenizer, etc.

固体物質として、外殻が二酸化ケイ素である中空粒子を用いる場合の例について説明するが、これに限定されるわけではない。 An example will be described in which hollow particles with an outer shell of silicon dioxide are used as the solid substance, but the present invention is not limited to this.

中空粒子の分散液を使用することができる。中空粒子の分散液としては、中空粒子の空隙率、中空粒子の外殻の屈折率、中空粒子の一次粒子の個数平均粒径などを満足する中空粒子の分散液であれば、特に限定されない。 A hollow particle dispersion can be used. There are no particular limitations on the hollow particle dispersion, so long as it satisfies the porosity of the hollow particles, the refractive index of the outer shell of the hollow particles, and the number-average particle size of the primary particles of the hollow particles.

例えば、外殻が二酸化ケイ素である中空粒子(以降、中空シリカ粒子ともいう)のイソプロパノール(以降、IPAともいう)分散液である、日揮触媒化成製スルーリアシリーズが好適に用いられる。スルーリアシリーズのような市販品のほか、中空シリカ粒子であれば、上記ヒュームドシリカ粒子の溶媒分散と同様の方法により中空粒子を溶媒に分散したものを用いてもよい。 For example, the Surulia series manufactured by JGC Catalysts and Chemicals, which is a dispersion in isopropanol (hereinafter also referred to as IPA) of hollow particles whose outer shell is silicon dioxide (hereinafter also referred to as hollow silica particles), is preferably used. In addition to commercially available products such as the Surulia series, hollow silica particles may be dispersed in a solvent in the same manner as the above-mentioned solvent dispersion of fumed silica particles.

溶媒中の中空粒子濃度は、上記塗工液中のヒュームドシリカ粒子濃度(固形分濃度)と同様の範囲にすればよい。 The hollow particle concentration in the solvent should be in the same range as the fumed silica particle concentration (solids concentration) in the coating liquid.

中空シリカ粒子の表面は、水酸基を有しており、親水性であるため、疎水性が強い溶媒は適していない。具体的には、オクタノール/水分配係数logPowが2以下である、有機溶媒を用いることが好ましい。有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどのアルコール系溶媒、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのグリコール系溶媒、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテルなどのエーテル系溶媒、エチルアセテート、プロピルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテートなどのアセテート系溶媒、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒が挙げられる。 The surface of the hollow silica particles has hydroxyl groups and is hydrophilic, so a solvent with strong hydrophobicity is not suitable. Specifically, it is preferable to use an organic solvent with an octanol/water partition coefficient logP ow of 2 or less. Examples of the organic solvent include alcohol-based solvents such as methanol, ethanol, propanol, and isopropanol, glycol-based solvents such as ethylene glycol and propylene glycol, ether-based solvents such as dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, and propylene glycol monoethyl ether, acetate-based solvents such as ethyl acetate, propyl acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, and propylene glycol monoethyl ether acetate, and ketone-based solvents such as acetone and methyl ethyl ketone.

前述したように、膜の屈折率を低くするためには、Y及びX+Yを大きくする必要がある。その方法の一つとして、中空シリカ粒子をランダムに配列することが挙げられる。 As mentioned above, to lower the refractive index of the film, it is necessary to increase Y and X+Y. One method for doing this is to randomly arrange hollow silica particles.

ここで、中空シリカ粒子をランダムに配列する方法について説明する。分散液中において中空シリカ粒子の緩やかな凝集体を形成することによって、中空シリカ粒子をランダムに配列することができる。 Here, we will explain how to randomly arrange hollow silica particles. By forming loose aggregates of hollow silica particles in a dispersion liquid, the hollow silica particles can be arranged randomly.

凝集体も、固体物質で構成された一次粒子が三次元構造を形成した二次粒子に含まれる。 Agglomerates are also included in the category of secondary particles, which are formed by primary particles made of solid substances forming a three-dimensional structure.

分散液中で良好に分散している中空シリカ粒子を凝集させる方法の一つとして、分散媒より相対的にlogPowが大きい溶媒(以降、凝集剤)を添加する方法が挙げられる。該方法に限ったものではなく、中空シリカ粒子の凝集状態をコントロール可能な方法が好ましい。 As a method for aggregating hollow silica particles well dispersed in a dispersion liquid, a method of adding a solvent (hereinafter, aggregating agent) having a relatively larger log Pow than the dispersion medium can be mentioned. However, the method is not limited to this, and a method capable of controlling the aggregating state of hollow silica particles is preferable.

中空シリカ粒子の表面は、水酸基を有しており、親水性であるため、分散媒よりlogPowが大きい、つまり、分散媒より相対的に疎水的な凝集剤を添加すると、中空シリカ粒子の凝集が引き起こされる。 The surfaces of the hollow silica particles have hydroxyl groups and are hydrophilic, so that the log Pow is greater than that of the dispersion medium. In other words, when a flocculant that is relatively more hydrophobic than the dispersion medium is added, the hollow silica particles are caused to aggregate.

分散液中で良好に分散している中空シリカ粒子を凝集させるための凝集剤における、logPowと添加量について述べる。分散媒と凝集剤のlogPowの差が小さすぎると、中空シリカ粒子の凝集が起こらず、差が大きすぎると、凝集剤の添加量が少量であっても中空シリカ粒子は激しく凝集する。中空シリカ粒子が大きな凝集体を形成すると、凝集体自体が光の散乱体になることがある。 The log Pow and the amount of flocculant added to flocculate hollow silica particles well dispersed in a dispersion liquid are described below. If the difference between the log Pow of the dispersion medium and the flocculant is too small, the hollow silica particles do not aggregate, and if the difference is too large, the hollow silica particles aggregate violently even if the amount of the flocculant added is small. If the hollow silica particles form large aggregates, the aggregates themselves may become light scatterers.

一方、中空シリカ粒子の大きな凝集体の間に形成された巨大な空隙も光の散乱体になりやすいため、塗布後の低屈折率層104が白濁し、透過率が低下する場合がある。 On the other hand, the huge gaps formed between the large aggregates of hollow silica particles also tend to scatter light, which can cause the low refractive index layer 104 to become cloudy after application, resulting in a decrease in transmittance.

また、激しい凝集が引き起こされると、塗工液の保存安定性が低下しやすい。したがって、屈折率が低く、透過率の高い低屈折率層104を形成するためには、凝集剤の種類と添加量で、中空シリカ粒子の凝集状態を制御するとよい。このような性質を利用し、凝集剤の種類と添加量で中空シリカ粒子の凝集状態を制御することで、低屈折率層104の屈折率を制御してもよい。 Furthermore, if severe aggregation occurs, the storage stability of the coating liquid is likely to decrease. Therefore, in order to form a low refractive index layer 104 with a low refractive index and high transmittance, it is advisable to control the aggregation state of the hollow silica particles by the type and amount of aggregating agent added. By utilizing this property, the refractive index of the low refractive index layer 104 can be controlled by controlling the aggregation state of the hollow silica particles by the type and amount of aggregating agent added.

また、中空シリカ粒子の間の空隙が何らかの物質で充填されると、Y及びX+Yが小さくなり、低屈折率層104の屈折率が高くなる可能性があるので、凝集剤は後工程で除去可能であることが好ましく、加熱により揮発することがより好ましい。 In addition, if the gaps between the hollow silica particles are filled with some substance, Y and X+Y become smaller, and the refractive index of the low refractive index layer 104 may become higher. Therefore, it is preferable that the aggregating agent be removable in a later process, and it is even more preferable that it volatilizes by heating.

凝集剤としては、例えばX-22-164(信越化学工業製)などのシリコーンオイルを用いることができるが、これに限定されない。 As an aggregating agent, for example, silicone oil such as X-22-164 (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) can be used, but is not limited to this.

以下、低屈折率層104の成膜方法について説明する。 The method for forming the low refractive index layer 104 is described below.

上記塗工液を用いて、膜を形成する。成膜方法としては、バーコート法、ドクターブレード法、スキージ法、スプレー法、スピンコート法、ディップコート法、スクリーンプリント法などを用いることができる。なかでも、低屈折率層104の膜厚を均一にする観点からスピンコート法を用いることが好ましい。また、シンチレータを形成した大面積なセンサパネルに成膜する場合はスプレー法を用いることが好ましい。 A film is formed using the above coating liquid. Examples of film formation methods include bar coating, doctor blade, squeegee, spray, spin coating, dip coating, and screen printing. Of these, it is preferable to use the spin coating method from the viewpoint of making the film thickness of the low refractive index layer 104 uniform. In addition, it is preferable to use the spray method when forming a film on a large-area sensor panel on which a scintillator is formed.

また、低屈折率層104が所望の膜厚を有し、上面が平坦である膜を得るためには、例えば、スピンコート法における回転数を適切に調整するとよい。 In addition, to obtain a low refractive index layer 104 having a desired thickness and a flat upper surface, it is advisable to appropriately adjust the rotation speed in the spin coating method, for example.

上記方法で成膜した膜は、20℃以上100℃以下で乾燥することが好ましい。 The film formed by the above method is preferably dried at a temperature between 20°C and 100°C.

得られた膜は、さらに加熱処理を施してもよい。加熱処理は100℃以上200℃以下であることが好ましく、120℃以上180℃以下であることがより好ましい。 The resulting film may be further subjected to a heat treatment. The heat treatment is preferably performed at a temperature of 100°C or higher and 200°C or lower, and more preferably at a temperature of 120°C or higher and 180°C or lower.

加熱温度を100℃以上とすることで、例えば、中空粒子の内部の空隙に溶媒が残存する可能性を低減できる。一方、加熱温度を200℃以下とすることで、光検出部113に相当するセンサパネルの性能が低下する可能性を低減できる。 By setting the heating temperature to 100°C or higher, for example, it is possible to reduce the possibility of the solvent remaining in the voids inside the hollow particles. On the other hand, by setting the heating temperature to 200°C or lower, it is possible to reduce the possibility of the performance of the sensor panel corresponding to the light detection unit 113 being degraded.

また、膜がバインダ及び重合開始剤を含有する場合は、熱硬化又は光硬化の工程を含むことが好ましい。なお、熱硬化の場合は、乾燥又は加熱の工程で溶媒の揮発と同時にバインダの熱硬化も行うこともできる。 In addition, when the film contains a binder and a polymerization initiator, it is preferable to include a thermal curing or photocuring process. In the case of thermal curing, the binder can also be thermally cured at the same time as the solvent is evaporated in the drying or heating process.

一般的に、微粒子で形成されている膜は、分子間力でその膜形状を維持している。また、微粒子表面が疎水性の場合は疎水性相互作用、微粒子表面が親水性の場合は液架橋も作用するが、何れも物理的な相互作用である。膜を加熱処理すると、例えば、ヒュームドシリカ粒子表面に存在している水酸基同士が脱水反応で化学結合するため、膜の強度向上が期待できる。 Generally, films formed from microparticles maintain their shape through intermolecular forces. In addition, hydrophobic interactions occur when the microparticle surface is hydrophobic, and liquid bridging also occurs when the microparticle surface is hydrophilic; both are physical interactions. When the film is heat-treated, for example, the hydroxyl groups present on the surface of the fumed silica particles chemically bond with each other through a dehydration reaction, which is expected to improve the strength of the film.

低屈折率化を目的として、上記固体物質で構成された粒子を含有する膜を形成する場合、粒子間に作用するファンデルワールス力や液架橋によって、その構造及び膜形状を維持している。 When a film containing particles composed of the above solid substances is formed to achieve a low refractive index, the structure and film shape are maintained by the van der Waals forces and liquid bridges acting between the particles.

前記構造を有する膜の強度を向上するための方法の一つとして、粒子同士を結着するバインダを用いてもよい。膜の強度向上の観点から、低屈折率層104は、さらにバインダを含有してもよい。 As one method for improving the strength of a film having the above structure, a binder that bonds the particles together may be used. From the viewpoint of improving the strength of the film, the low refractive index layer 104 may further contain a binder.

また、低屈折率層104は、固体物質がバインダで結合された結合体を含有することが好ましい。具体的には、低屈折率層104は、固体物質で構成された粒子がバインダで結合された結合体を含有することが好ましい。バインダによる固体物質の結合は、固体物質で構成された一次粒子同士、固体物質で構成された一次粒子が形成した二次粒子同士、一次粒子と二次粒子の間などのいずれの結合も包含する概念である。また、結合は、イオン結合や共有結合などの化学的な結合であってもよく、力学的接着のような結合であってもよい。 The low refractive index layer 104 preferably contains a bond in which solid substances are bonded with a binder. Specifically, the low refractive index layer 104 preferably contains a bond in which particles made of solid substances are bonded with a binder. The bonding of solid substances with a binder is a concept that includes any bonding between primary particles made of solid substances, between secondary particles formed by primary particles made of solid substances, between primary particles and secondary particles, etc. The bonding may be a chemical bond such as an ionic bond or a covalent bond, or a bond such as mechanical adhesion.

バインダとしては、アクリル樹脂、フッ素樹脂、スチレン樹脂、イミド樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂などの樹脂を用いることができる。 As binders, resins such as acrylic resin, fluororesin, styrene resin, imide resin, urethane resin, and phenolic resin can be used.

また、重合性基を有するシリコーンオイルを重合させたり、シリコンアルコキシドの加水分解し、縮重合させたりして得られる有機ケイ素化合物を用いることができる。 Organosilicon compounds obtained by polymerizing silicone oils having polymerizable groups or by hydrolyzing silicon alkoxides and subjecting them to condensation polymerization can also be used.

屈折率が低く、無色透明であり、粒子同士を結着できるものであれば、これらに限ったものではない。 As long as it has a low refractive index, is colorless and transparent, and can bond particles together, it is not limited to these.

バインダを含有する膜の製造方法の例として、固体物質と溶媒とバインダを含有する混合液を準備する工程、混合液に分散処理を施して塗工液を得る工程、及び塗工液を成膜、乾燥、必要に応じて加熱又は高エネルギー線照射して膜を得る工程を有する方法がある。 An example of a method for producing a film containing a binder is a method that includes a step of preparing a mixed liquid containing a solid substance, a solvent, and a binder, a step of dispersing the mixed liquid to obtain a coating liquid, and a step of forming the coating liquid into a film, drying it, and, if necessary, heating or irradiating it with high-energy rays to obtain a film.

バインダは、シロキサンを含有することが好ましく、シルセスキオキサンを含有することがより好ましい。 The binder preferably contains siloxane, and more preferably contains silsesquioxane.

シルセスキオキサンは、組成式[R(SiO1.5](Rは反応性の官能基であり、例えば、重合性基、水酸基、塩素原子、炭素数1以上6以下のアルキル基、及び炭素数1以上6以下のアルコキシ基からなる群より選択される少なくとも1種を表す。)で表されるT3単位構造を有する化合物であり、酸化ケイ素と有機物質のハイブリッド材料である。 Silsesquioxane is a compound having a T3 unit structure represented by the composition formula [R 1 (SiO 1.5 ) n ] (R 1 is a reactive functional group, e.g., at least one selected from the group consisting of a polymerizable group, a hydroxyl group, a chlorine atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms), and is a hybrid material of silicon oxide and an organic substance.

シルセスキオキサン(以下、SQと略すこともある)とは、主鎖骨格がSi-O結合からなるシロキサン系の化合物で、[R(SiO1.5]の組成式で表される。Rは、アクリロイル基、メタクリロイル基、オキセタニル基及びエポキシ基からなる群より選択される少なくとも1種の重合性基であることが好ましい。 Silsesquioxane (hereinafter sometimes abbreviated as SQ) is a siloxane-based compound whose main chain skeleton is composed of Si—O bonds, and is represented by the composition formula [R 1 (SiO 1.5 ) n ]. R 1 is preferably at least one polymerizable group selected from the group consisting of an acryloyl group, a methacryloyl group, an oxetanyl group, and an epoxy group.

シルセスキオキサンが多数の固体物質で構成された粒子同士を結合する役割を果たす場合、高い空隙率を有したまま、より優れた膜強度を実現することが可能となる。 When silsesquioxane acts to bond particles made up of multiple solid substances, it becomes possible to achieve superior film strength while maintaining a high porosity.

シルセスキオキサンは、重合体の形態としては特に制限はなく、例えば公知の直鎖状ポリシロキサン、かご型ポリシロキサン、ラダー型ポリシロキサンなどを挙げることができる。シルセスキオキサン構造とは、各ケイ素原子が3個の酸素原子と結合し、各酸素原子が2個のケイ素原子と結合している構造(ケイ素原子数に対する酸素原子数が1.5)である。コストの観点から、直鎖状ポリシロキサン、かご型ポリシロキサン、ラダー型ポリシロキサンが混在していても構わない。 There are no particular limitations on the form of the polymer for silsesquioxane, and examples include known linear polysiloxanes, cage polysiloxanes, and ladder polysiloxanes. A silsesquioxane structure is a structure in which each silicon atom is bonded to three oxygen atoms, and each oxygen atom is bonded to two silicon atoms (the number of oxygen atoms relative to the number of silicon atoms is 1.5). From the viewpoint of cost, linear polysiloxanes, cage polysiloxanes, and ladder polysiloxanes may be mixed.

シルセスキオキサンは、分子中に重合性基(上記式中のR)を有し、ラジカル重合、又はカチオン重合によって硬化する化合物であることが好ましい。 The silsesquioxane is preferably a compound that has a polymerizable group (R 1 in the above formula) in the molecule and is cured by radical polymerization or cationic polymerization.

ラジカル重合によって硬化するシルセスキオキサンとしては、Rとしてアクリロイル基やメタクリロイル基などを有するシルセスキオキサンなどが挙げられる。一方、カチオン重合によって硬化するタイプでは、Rとしてオキセタニル基やエポキシ基などを有するシルセスキオキサンなどが挙げられる。 Examples of silsesquioxanes that cure by radical polymerization include silsesquioxanes that have an acryloyl group or a methacryloyl group as R. On the other hand, examples of silsesquioxanes that cure by cationic polymerization include silsesquioxanes that have an oxetanyl group or an epoxy group as R.

具体的には、東亜合成製のシルセスキオキサン誘導体SQシリーズ(AC-SQ、MAC-SQ、OX-SQ)などが挙げられる。 Specific examples include the SQ series of silsesquioxane derivatives (AC-SQ, MAC-SQ, OX-SQ) manufactured by Toagosei.

シルセスキオキサンは、粘性の高い液体であるため、塗工液に添加して使用するとよい。必要に応じて、重合開始剤を添加してもよい。 Since silsesquioxane is a highly viscous liquid, it is recommended to add it to the coating liquid before use. If necessary, a polymerization initiator may also be added.

機能膜中のバインダの含有量は、固体物質で構成された粒子100質量部に対して3.0質量部以上60.0質量部以下であることが好ましく、7.0質量部以上30.0質量部以下であることがより好ましい。また、機能膜中のバインダの含有量は、固体物質で構成された粒子100質量部に対して7.0質量部以上25.0質量部以下であることがさらに好ましく、10.0質量部以上25.0質量部以下であることが特に好ましい。 The content of the binder in the functional film is preferably 3.0 parts by mass or more and 60.0 parts by mass or less, and more preferably 7.0 parts by mass or more and 30.0 parts by mass or less, per 100 parts by mass of particles composed of solid substances. The content of the binder in the functional film is further preferably 7.0 parts by mass or more and 25.0 parts by mass or less, and particularly preferably 10.0 parts by mass or more and 25.0 parts by mass or less, per 100 parts by mass of particles composed of solid substances.

この塗工液を基材上に塗工し、加熱又は光照射をすることによって、シルセスキオキサンを硬化させることができる。 This coating liquid is applied onto a substrate and the silsesquioxane can be cured by heating or irradiating it with light.

この操作で、固体物質で構成された粒子がシルセスキオキサンで結合された結合体を含有する膜が形成される。シルセスキオキサンの硬化により、膜の強度を高めることができる。 This process forms a film containing particles of solid substances bound together by silsesquioxane. The strength of the film can be increased by hardening the silsesquioxane.

重合開始剤としては、例えば、光ラジカル重合開始剤、光カチオン重合開始剤、熱ラジカル重合開始剤、熱カチオン重合開始剤などが挙げられる。これらの重合開始剤は、一種の重合開始剤で構成されていてもよく、複数種の重合開始剤で構成されていてもよい。 Examples of polymerization initiators include photoradical polymerization initiators, photocationic polymerization initiators, thermal radical polymerization initiators, and thermal cationic polymerization initiators. These polymerization initiators may consist of one type of polymerization initiator, or may consist of multiple types of polymerization initiators.

光ラジカル重合開始剤としては、例えば、2-(o-クロロフェニル)-4,5-ジフェニルイミダゾール二量体、2-(o-クロロフェニル)-4,5-ジ(メトキシフェニル)イミダゾール二量体、2-(o-フルオロフェニル)-4,5-ジフェニルイミダゾール二量体、2-(o-又はp-メトキシフェニル)-4,5-ジフェニルイミダゾール二量体などの置換基を有してもよい2,4,5-トリアリールイミダゾール二量体;ベンゾフェノン、N,N’-テトラメチル-4,4’-ジアミノベンゾフェノン(ミヒラーケトン)、N,N’-テトラエチル-4,4’-ジアミノベンゾフェノン、4-メトキシ-4’-ジメチルアミノベンゾフェノン、4-クロロベンゾフェノン、4,4’-ジメトキシベンゾフェノン、4,4’-ジアミノベンゾフェノンなどのベンゾフェノン誘導体;2-ベンジル-2-ジメチルアミノ-1-(4-モルフォリノフェニル)-ブタノン-1、2-メチル-1-〔4-(メチルチオ)フェニル〕-2-モルフォリノ-プロパン-1-オンなどのα―アミノ芳香族ケトン誘導体;2-エチルアントラキノン、フェナントレンキノン、2-t-ブチルアントラキノン、オクタメチルアントラキノン、1,2-ベンズアントラキノン、2,3-ベンズアントラキノン、2-フェニルアントラキノン、2,3-ジフェニルアントラキノン、1-クロロアントラキノン、2-メチルアントラキノン、1,4-ナフトキノン、9,10-フェナンタラキノン、2-メチル-1,4-ナフトキノン、2,3-ジメチルアントラキノンなどのキノン類;ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインフェニルエーテルなどのベンゾインエーテル誘導体;ベンゾイン、メチルベンゾイン、エチルベンゾイン、プロピルベンゾインなどのベンゾイン誘導体;ベンジルジメチルケタールなどのベンジル誘導体;9-フェニルアクリジン、1,7-ビス(9,9’-アクリジニル)ヘプタンなどのアクリジン誘導体;N-フェニルグリシンなどのN-フェニルグリシン誘導体;アセトフェノン、3-メチルアセトフェノン、アセトフェノンベンジルケタール、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノンなどのアセトフェノン誘導体;チオキサントン、ジエチルチオキサントン、2-イソプロピルチオキサントン、2-クロロチオキサントンなどのチオキサントン誘導体;2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、ビス(2,4,6-トリメチルベンゾイル)フェニルフォスフィンオキサイド、ビス-(2,6-ジメトキシベンゾイル)-2,4,4-トリメチルペンチルフォスフィンオキサイドなどのアシルフォスフィンオキサイド誘導体;1,2-オクタンジオン,1-[4-(フェニルチオ)-,2-(O-ベンゾイルオキシム)]、エタノン,1-[9-エチル-6-(2-メチルベンゾイル)-9H-カルバゾール-3-イル]-,1-(O-アセチルオキシム)などのオキシムエステル誘導体;キサントン、フルオレノン、ベンズアルデヒド、フルオレン、アントラキノン、トリフェニルアミン、カルバゾール、1-(4-イソプロピルフェニル)-2-ヒドロキシ-2-メチルプロパン-1-オン、2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニルプロパン-1-オンなどが挙げられるが、これらに限定はされない。 Examples of photoradical polymerization initiators include 2,4,5-triaryl imidazole dimers that may have a substituent, such as 2-(o-chlorophenyl)-4,5-diphenylimidazole dimer, 2-(o-chlorophenyl)-4,5-di(methoxyphenyl)imidazole dimer, 2-(o-fluorophenyl)-4,5-diphenylimidazole dimer, and 2-(o- or p-methoxyphenyl)-4,5-diphenylimidazole dimer; benzophenone derivatives such as benzophenone, N,N'-tetramethyl-4,4'-diaminobenzophenone (Michler's ketone), N,N'-tetraethyl-4,4'-diaminobenzophenone, 4-methoxy-4'-dimethylaminobenzophenone, 4-chlorobenzophenone, 4,4'-dimethoxybenzophenone, and 4,4'-diaminobenzophenone. Conductors; α-amino aromatic ketone derivatives such as 2-benzyl-2-dimethylamino-1-(4-morpholinophenyl)-butanone-1,2-methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-morpholino-propan-1-one; quinones such as 2-ethylanthraquinone, phenanthrenequinone, 2-t-butylanthraquinone, octamethylanthraquinone, 1,2-benzanthraquinone, 2,3-benzanthraquinone, 2-phenylanthraquinone, 2,3-diphenylanthraquinone, 1-chloroanthraquinone, 2-methylanthraquinone, 1,4-naphthoquinone, 9,10-phenanthranequinone, 2-methyl-1,4-naphthoquinone, and 2,3-dimethylanthraquinone; benzoins such as benzoin methyl ether, benzoin ethyl ether, and benzoin phenyl ether. benzyl derivatives such as benzyl dimethyl ketal; acridine derivatives such as 9-phenylacridine and 1,7-bis(9,9'-acridinyl)heptane; N-phenylglycine derivatives such as N-phenylglycine; acetophenone derivatives such as acetophenone, 3-methylacetophenone, acetophenone benzyl ketal, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, and 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone; thioxanthone derivatives such as thioxanthone, diethylthioxanthone, 2-isopropylthioxanthone, and 2-chlorothioxanthone; 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide, bis( ... Acylphosphine oxide derivatives such as bis-(2,6-dimethoxybenzoyl)-2,4,4-trimethylpentylphosphine oxide; oxime ester derivatives such as 1,2-octanedione, 1-[4-(phenylthio)-, 2-(O-benzoyloxime)], ethanone, 1-[9-ethyl-6-(2-methylbenzoyl)-9H-carbazol-3-yl]-, 1-(O-acetyloxime); xanthone, fluorenone, benzaldehyde, fluorene, anthraquinone, triphenylamine, carbazole, 1-(4-isopropylphenyl)-2-hydroxy-2-methylpropan-1-one, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one, etc., but are not limited to these.

光ラジカル重合開始剤の市販品としては、Irgacure184、369、651、500、819、907、784、2959、CGI-1700、-1750、-1850、CG24-61、Darocur1173、LucirinTPO、LR8893、LR8970(以上、BASF製、「Darocur」及び「Lucirin」は登録商標)、ユベクリルP36(UCB製)などが挙げられるが、これらに限定はされない。 Commercially available photoradical polymerization initiators include, but are not limited to, Irgacure 184, 369, 651, 500, 819, 907, 784, 2959, CGI-1700, -1750, -1850, CG24-61, Darocur 1173, Lucirin TPO, LR8893, LR8970 (all manufactured by BASF, "Darocur" and "Lucirin" are registered trademarks), and Ubecryl P36 (manufactured by UCB).

光カチオン重合開始剤としては、オニウム塩、芳香族オニウム塩、アリールスルホニウム塩、アリールヨウドニウム塩などが好ましい。アニオンの具体例としては、テトラフルオロボレートイオン、ヘキサフルオロホスフェートイオン、ヘキサフルオロアンチモネートイオン、過塩素酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、フルオロスルホン酸イオンなどが挙げられる。 As the photocationic polymerization initiator, onium salts, aromatic onium salts, arylsulfonium salts, aryliodonium salts, etc. are preferred. Specific examples of anions include tetrafluoroborate ions, hexafluorophosphate ions, hexafluoroantimonate ions, perchlorate ions, trifluoromethanesulfonate ions, fluorosulfonate ions, etc.

光カチオン重合開始剤の市販品としては、サンアプロ製CPI-210S(サンアプロ製)、UVI-6950(ユニオンカーバイド製)、アデカオプトマーSP-150(ADEKA製)などが挙げられる。 Commercially available photocationic polymerization initiators include San-Apro CPI-210S (San-Apro), UVI-6950 (Union Carbide), and Adeka Optomer SP-150 (ADEKA).

塗工液中の重合開始剤の含有量は、シルセスキオキサン固形分100質量部に対し、0.01質量部以上1.5質量部以下であることが好ましく、0.03質量部以上1.0質量部以下であることがより好ましい。 The content of the polymerization initiator in the coating liquid is preferably 0.01 parts by mass or more and 1.5 parts by mass or less, and more preferably 0.03 parts by mass or more and 1.0 parts by mass or less, per 100 parts by mass of the silsesquioxane solid content.

固体物質で構成された粒子、溶媒及びバインダ、並びに必要に応じて重合開始剤を混合して、塗工液を調製するとよい。溶媒としては有機溶媒を用いることが好ましい。有機溶媒としては、特に限定されないが、アルコール、カルボン酸、脂肪族系又は脂環族系の炭化水素類、芳香族系炭化水素類、エステル、ケトン類、エーテル類、あるいはこれら2種以上の混合溶媒を用いることができる。 The coating liquid may be prepared by mixing particles composed of solid substances, a solvent, a binder, and, if necessary, a polymerization initiator. It is preferable to use an organic solvent as the solvent. The organic solvent is not particularly limited, but may be alcohol, carboxylic acid, aliphatic or alicyclic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, esters, ketones, ethers, or a mixture of two or more of these.

アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、2-プロパノール、ブタノール、2-メトキシエタノール、2-エトキシエタノール、1-メトキシ-2-プロパノール、1-エトキシ-2-プロパノール、1-プロポキシ-2-プロパノール、4-メチル-2-ペンタノール、2-エチルブタノール、3-メトキシ-3-メチルブタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリンなどが挙げられる。 Examples of alcohols include methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, 1-ethoxy-2-propanol, 1-propoxy-2-propanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-ethylbutanol, 3-methoxy-3-methylbutanol, ethylene glycol, diethylene glycol, and glycerin.

カルボン酸としては、具体的には、n-酪酸、α-メチル酪酸、i-吉草酸、2-エチル酪酸、2,2-ジメチル酪酸、3,3-ジメチル酪酸、2,3-ジメチル酪酸、3-メチルペンタン酸、4-メチルペンタン酸、2-エチルペンタン酸、3-エチルペンタン酸、2,2-ジメチルペンタン酸、3,3-ジメチルペンタン酸、2,3-ジメチルペンタン酸、2-エチルヘキサン酸、3-エチルヘキサン酸などが挙げられる。 Specific examples of carboxylic acids include n-butyric acid, α-methylbutyric acid, i-valeric acid, 2-ethylbutyric acid, 2,2-dimethylbutyric acid, 3,3-dimethylbutyric acid, 2,3-dimethylbutyric acid, 3-methylpentanoic acid, 4-methylpentanoic acid, 2-ethylpentanoic acid, 3-ethylpentanoic acid, 2,2-dimethylpentanoic acid, 3,3-dimethylpentanoic acid, 2,3-dimethylpentanoic acid, 2-ethylhexanoic acid, and 3-ethylhexanoic acid.

脂肪族系又は脂環族系の炭化水素類としては、具体的にはn-ヘキサン、n-オクタン、シクロヘキサン、シクロペンタン、シクロオクタンなどが挙げられる。 Specific examples of aliphatic or alicyclic hydrocarbons include n-hexane, n-octane, cyclohexane, cyclopentane, and cyclooctane.

芳香族炭化水素類としては、トルエン、キシレン、エチルベンゼンなどが好ましい。 Preferred aromatic hydrocarbons include toluene, xylene, and ethylbenzene.

エステル類としては、ギ酸エチル、酢酸エチル、酢酸n-ブチル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、γ-ブチロラクトンなどが挙げられる。 Examples of esters include ethyl formate, ethyl acetate, n-butyl acetate, ethylene glycol monomethyl ether acetate, ethylene glycol monoethyl ether acetate, ethylene glycol monobutyl ether acetate, and gamma-butyrolactone.

ケトン類としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどが挙げられる。 Ketones include acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, etc.

エーテル類としては、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジイソプロピルエーテルなどが挙げられる。 Ethers include dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxane, and diisopropyl ether.

塗工液を調製するに当たり、溶液の安定性の点から上述した各種の溶剤類のうちアルコールを使用することが好ましい。 When preparing the coating solution, it is preferable to use alcohol among the various solvents mentioned above in terms of solution stability.

塗工液は、予め固体物質で構成された粒子を溶媒中に分散させた液に、所定量のバインダ及び必要に応じて重合開始剤を添加することにより調製することができる。粒子を有機溶媒中に分散させた液は、上記分散処理と同様の方法(例えば、ボールミルなど)を用い、粒子粉末を溶媒に分散させて調製してもよく、市販の分散液を用いてもよい。 The coating liquid can be prepared by adding a predetermined amount of binder and, if necessary, a polymerization initiator to a liquid in which particles composed of solid substances are dispersed in a solvent. The liquid in which particles are dispersed in an organic solvent may be prepared by dispersing particle powder in a solvent using a method similar to the above-mentioned dispersion treatment (e.g., a ball mill, etc.), or a commercially available dispersion may be used.

塗工液を用いて膜を形成する際には、塗布を行う雰囲気を乾燥空気もしくは乾燥窒素等の不活性気体雰囲気とすることが好ましい。乾燥雰囲気の相対湿度は30%以下にすることが好ましい。 When forming a film using a coating liquid, it is preferable to perform the coating in an inert gas atmosphere such as dry air or dry nitrogen. The relative humidity of the dry atmosphere is preferably 30% or less.

さらに、膜を形成する溶液塗布法としては、例えばディッピング法、スピンコート法、スプレー法、印刷法、フローコート法、ならびにこれらの併用など、既知の塗布手段を適宜採用することができる。膜厚は、ディッピング法における引き上げ速度やスピンコート法における基板回転速度などを変化させることと、塗工液の濃度を変えることにより制御することができる。 Furthermore, as a solution application method for forming a film, known application means such as dipping, spin coating, spraying, printing, flow coating, and combinations of these can be appropriately adopted. The film thickness can be controlled by changing the pulling speed in the dipping method or the substrate rotation speed in the spin coating method, and by changing the concentration of the coating liquid.

得られた膜の硬化は、光照射や放射線照射などの高エネルギー線照射により行ってもよく、加熱により行ってもよい。高エネルギー線照射と加熱を併用して硬化を行っても構わない。 The resulting film may be cured by exposure to high-energy rays such as light or radiation, or by heating. Curing may also be achieved by a combination of high-energy ray irradiation and heating.

高エネルギー線照射により硬化する場合、高エネルギー線としては、電子線、X線、紫外線などが挙げられ、特に限定されるものではない。高エネルギー線として紫外線を用いる場合、照射波長領域は160nm~400nmが好ましく、その出力は0.1mW/cm以上2000mW/cm以下であることが好ましい。シルセスキオキサンの酸化を防止するという観点から、硬化雰囲気は窒素などの不活性雰囲気を用いることが好ましい。加熱により硬化する場合、50℃以上250℃以下、好ましくは80℃以上200℃以下の温度で、1分間~20分間実施するとよい。 When curing by irradiation with high energy rays, examples of the high energy rays include, but are not limited to, electron beams, X-rays, and ultraviolet rays. When ultraviolet rays are used as the high energy rays, the irradiation wavelength region is preferably 160 nm to 400 nm, and the output is preferably 0.1 mW/cm 2 or more and 2000 mW/cm 2 or less. From the viewpoint of preventing oxidation of silsesquioxane, it is preferable to use an inert atmosphere such as nitrogen as the curing atmosphere. When curing by heating, it is preferable to carry out the curing at a temperature of 50° C. to 250° C., preferably 80° C. to 200° C., for 1 minute to 20 minutes.

<膜の空隙率、及び屈折率の評価方法>
膜における、空隙率X(%)及び空隙率Y(%)の算出は、下記の通りに行うことができる。
<Method for evaluating film porosity and refractive index>
The porosity X (%) and the porosity Y (%) of the film can be calculated as follows.

まず、基材上に形成した膜に、Model681 イオンビームコーターIBC(Gatan製)を用いてカーボン膜をコートした後、収束イオンビーム加工装置(FIB-SEM、FEI製、Nova600)内で、イオンビームによる断面出し加工(30kV-0.1nA)を行った後、走査型電子顕微鏡(以降、SEMという)により加速電圧2kVでSEM画像を取得する。 First, the film formed on the substrate is coated with a carbon film using a Model 681 Ion Beam Coater IBC (manufactured by Gatan), then cross-section processing (30 kV-0.1 nA) is performed using an ion beam in a focused ion beam processing device (FIB-SEM, manufactured by FEI, Nova 600), and an SEM image is then obtained using a scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) at an acceleration voltage of 2 kV.

SEM画像の観察倍率は、少なくとも厚み方向には膜全体をカバーし、かつ、例えば、中空粒子の一つ一つの形状が判別できる倍率とする。具体的には、5万倍から20万倍程度とする。 The observation magnification of the SEM image is set to a magnification that covers the entire film at least in the thickness direction and allows, for example, the shape of each hollow particle to be distinguished. Specifically, it is set to about 50,000 to 200,000 times.

また、膜の単位体積は、1000nm×1000nm×(厚さ方向)100nmとする。取得した断面SEM像における空隙率の算出には、グレースケール画像の二値化により、中空粒子と、中空粒子の間の空隙とを区分して、各領域の面積計算を行う。画像処理には、画像解析ソフトウェアImage J(NIH Image、https://imagej.nih.gov/ij/より入手可能)を用いる。 The unit volume of the film is 1000 nm x 1000 nm x 100 nm (thickness direction). To calculate the porosity in the acquired cross-sectional SEM image, the hollow particles and the gaps between the hollow particles are separated by binarizing the grayscale image, and the area of each region is calculated. For image processing, the image analysis software Image J (NIH Image, available from https://imagej.nih.gov/ij/) is used.

具体的には、求めた中空粒子の面積A(%)に、中空粒子の全体積に対する内部の空隙の体積分率Vをかけたものが、空隙率X(%)であり、X=A×Vとする。また、空隙率Y(%)は、Y=100-Aとする。 Specifically, the porosity X (%) is calculated by multiplying the determined area A (%) of the hollow particle by the volume fraction Va of the internal voids relative to the total volume of the hollow particle, where X = A × Va . The porosity Y (%) is calculated by Y = 100 - A.

以上により求めたX、Yと式(2)から低屈折率層104の屈折率nを算出することができる。 The refractive index n of the low refractive index layer 104 can be calculated from the X and Y determined above and formula (2).

<膜の厚み>
低屈折率層104の厚みは、例えば、100nm以上3.5μm以下とすることができ、150nm以上3μm以下とすることができる。また、低屈折率層104の厚みは、300nm以上2μm以下であることが好ましい。好ましい厚みの下限値は、全反射効率を十分に高めるためにはシンチレータの発光波長と同等以上が好ましいことから決定される。可視光域に発光を呈するシンチレータを用いるため、低屈折率層は、300nm以上の厚みを有することが好ましい。また、低屈折率層の厚みが2μm以下であると、クラックが発生しにくく、十分な強度を有する低屈折率層が得られる。低屈折率層104の厚みは、膜の空隙率、及び屈折率の評価方法に記載したように、断面SEM像より測定できる。
<Film thickness>
The thickness of the low refractive index layer 104 can be, for example, 100 nm or more and 3.5 μm or less, and can be 150 nm or more and 3 μm or less. The thickness of the low refractive index layer 104 is preferably 300 nm or more and 2 μm or less. The preferred lower limit of the thickness is determined because it is preferable to be equal to or greater than the emission wavelength of the scintillator in order to sufficiently increase the total reflection efficiency. Since a scintillator that emits light in the visible light range is used, the low refractive index layer preferably has a thickness of 300 nm or more. Furthermore, if the thickness of the low refractive index layer is 2 μm or less, cracks are unlikely to occur, and a low refractive index layer with sufficient strength can be obtained. The thickness of the low refractive index layer 104 can be measured from a cross-sectional SEM image as described in the evaluation method of the porosity and refractive index of the film.

[放射線検出器]
図2に示すように、シンチレータユニット205と、シンチレータユニット205からの光を検出する検出部206とを組み合わせることで、放射線検出器207とすることができる。検出部206としては、シリコン・フォト・マルチプライア・アレイ(SiPMA)、相補性金属酸化膜半導体センサー(CMOS)、フラットパネルディテクター(FPD)などを用いることができる。
[Radiation detector]
2, a radiation detector 207 can be formed by combining a scintillator unit 205 with a detection section 206 that detects light from the scintillator unit 205. As the detection section 206, a silicon photomultiplier array (SiPMA), a complementary metal oxide semiconductor sensor (CMOS), a flat panel detector (FPD), or the like can be used.

検出部206は、シンチレータ201と接するように配置されていることが好ましい。これにより、検出部206は、シンチレータ201で発生した光を効率的に検出することができる。また、検出部206は、シンチレータ201と一対になっていることが好ましい。これにより、検出部206は、それぞれのシンチレータ201で発生した光を個別に検出することができる。 The detection unit 206 is preferably arranged so as to be in contact with the scintillator 201. This allows the detection unit 206 to efficiently detect the light generated by the scintillator 201. In addition, the detection unit 206 is preferably paired with the scintillator 201. This allows the detection unit 206 to individually detect the light generated by each scintillator 201.

図2に示す光取り出し面208とは、シンチレータユニット205において、シンチレータ201で発生した光が射出される面のことである。図2では、光取り出し面208に対して、反射層204及び低屈折率層104が略垂直に配置されている。すなわち、反射層204及び低屈折率層104を介して、複数のシンチレータ、及び複数のシンチレータと対となっている複数の検出部が配置されることとなる。これにより、あるシンチレータで発生した光は、対となっている検出部では検出されるものの、対となっていない検出部では検出されにくいため、クロストークをさらに低減することが可能となる。 The light extraction surface 208 shown in FIG. 2 is the surface in the scintillator unit 205 from which the light generated in the scintillator 201 is emitted. In FIG. 2, the reflective layer 204 and the low refractive index layer 104 are arranged substantially perpendicular to the light extraction surface 208. That is, multiple scintillators and multiple detection units paired with the multiple scintillators are arranged via the reflective layer 204 and the low refractive index layer 104. This allows the light generated by a scintillator to be detected by the paired detection unit but is difficult to detect by the unpaired detection unit, making it possible to further reduce crosstalk.

(反射率の測定方法)
反射率には、絶対反射率と相対反射率がある。絶対反射率は、測定試料へのある波長の入射光に対する反射光の強度比のことである。入射角とは、入射光と、測定試料の反射面の法線がなす角のことである。反射角とは、反射光と、反射面の法線がなす角のことである。絶対反射率の測定のおいては、入射角と反射角が等しい場合の強度比を測定する。
(Method of measuring reflectance)
There are two types of reflectance: absolute reflectance and relative reflectance. Absolute reflectance is the intensity ratio of reflected light to incident light of a certain wavelength on the measurement sample. The angle of incidence is the angle between the incident light and the normal to the reflection surface of the measurement sample. The angle of reflection is the angle between the reflected light and the normal to the reflection surface. In measuring absolute reflectance, the intensity ratio is measured when the angle of incidence and the angle of reflection are equal.

相対反射率は、ある測定試料の絶対反射率を参照とした際の相対的な反射率のことである。例えば、2つの測定試料の相対反射率は、一方の測定試料の絶対反射率と他方の絶対反射率の比のことである。 Relative reflectance is the reflectance relative to the absolute reflectance of a measurement sample. For example, the relative reflectance of two measurement samples is the ratio of the absolute reflectance of one measurement sample to the absolute reflectance of the other.

以下に実施例を挙げて、本発明に係るシンチレータユニットを詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例によりなんら限定されるものではない。 The scintillator unit according to the present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited in any way to the following examples.

(実施例1)
本実施例のシンチレータユニットの低屈折率層による反射率の向上は、以下のように評価した。図3は、本発明の反射率測定に用いる試料を模式的に示す概略鳥瞰図である。図3に示すようにθが40°となるようにシンチレータを加工した。加工したシンチレータ201に、接着層202、低屈折率層104、及び反射層204を順に接するように配置した。
Example 1
The improvement in reflectance due to the low refractive index layer of the scintillator unit of this example was evaluated as follows. Fig. 3 is a schematic bird's-eye view showing a sample used in the reflectance measurement of the present invention. As shown in Fig. 3, the scintillator was processed so that θ 1 was 40°. The adhesive layer 202, the low refractive index layer 104, and the reflective layer 204 were arranged in this order so as to be in contact with the processed scintillator 201.

低屈折率層は、中空シリカ粒子を用いて作製した。膜形成用塗工液の調製には、日揮触媒化成製スルーリア4110(分散媒:IPA、シリカ固形分濃度:20.5質量%、中空粒子1個の個数平均粒径:60nm、中空粒子1個の空隙率:45%、中空粒子1個の屈折率:1.25)を用いた。そして、シリカの固形分濃度が6.0質量%となるように調整したものを塗工液とした。この塗工液をスピンコート法で反射層に塗布し、回転速度を1000rpmとして10秒間回転させて、低屈折率層を成膜した。 The low refractive index layer was made using hollow silica particles. To prepare the coating liquid for film formation, JGC Catalysts and Chemicals' Sururia 4110 (dispersion medium: IPA, silica solid content concentration: 20.5 mass%, number average particle size per hollow particle: 60 nm, porosity per hollow particle: 45%, refractive index per hollow particle: 1.25) was used. The coating liquid was prepared by adjusting the silica solid content concentration to 6.0 mass%. This coating liquid was applied to the reflective layer by spin coating, and rotated for 10 seconds at a rotation speed of 1000 rpm to form a low refractive index layer.

作製した低屈折率層に対して、収束イオンビーム加工装置(FIB-SEM、FEI製、Nova600)内で、イオンビームによる断面出し加工(30kV-0.1nA)を行った。その後、走査型電子顕微鏡(以降、SEMと記載する)により加速電圧2kVでSEM画像を取得した。低屈折率層は、反射層と隙間なく接着できており、膜厚は、0.5μmであった。低屈折率層の断面SEM像に対して、グレースケール画像の二値化により、中空粒子と、中空粒子の間の空隙とを区分して、各領域の面積計算を行った。算出した中空粒子の面積に、中空粒子の全体積に対する内部の空隙の体積分率を考慮して、低屈折率層の空隙率を算出すると、67%であった。式(2)からns=1.46として低屈折率層の屈折率を算出すると1.15であった。 The fabricated low-refractive index layer was subjected to cross-section processing (30 kV-0.1 nA) using an ion beam in a focused ion beam processing device (FIB-SEM, FEI, Nova 600). After that, a SEM image was obtained using a scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) at an acceleration voltage of 2 kV. The low-refractive index layer was bonded to the reflective layer without any gaps, and the film thickness was 0.5 μm. The cross-sectional SEM image of the low-refractive index layer was divided into hollow particles and voids between the hollow particles by binarizing the grayscale image, and the area of each region was calculated. The porosity of the low-refractive index layer was calculated to be 67% by taking into account the calculated area of the hollow particles and the volume fraction of the internal voids relative to the total volume of the hollow particles. The refractive index of the low-refractive index layer was calculated to be 1.15 when ns = 1.46 from formula (2).

低屈折率層を形成した反射層に、エポキシ系の光学用接着剤(屈折率1.43)を用いて、シンチレータ(LSO)を接着させた。接着層の厚みが2μmとなるように、接着剤の液量と、接着する際の押し付け圧力を調節した。反射層は誘電体多層膜を用いた。 A scintillator (LSO) was attached to the reflective layer with the low refractive index layer formed using an epoxy-based optical adhesive (refractive index 1.43). The amount of adhesive and the pressure applied during bonding were adjusted so that the adhesive layer was 2 μm thick. A dielectric multilayer film was used for the reflective layer.

絶対反射率及び相対反射率の測定は、日本分光製のVR670及びARMN-735を用いて、以下のように行なった。 Absolute reflectance and relative reflectance were measured using JASCO's VR670 and ARMN-735 as follows:

図3のA-A’断面を図4(a)に示す。図4(a)において、入射光401が反射層204に入射し、反射層204で反射した反射光402の強度を測定した。測定した反射光402の反射角404は、入射角403と同じとした。以下の測定結果の入射角とは、入射角403のことである。 The cross section A-A' of FIG. 3 is shown in FIG. 4(a). In FIG. 4(a), incident light 401 is incident on reflective layer 204, and the intensity of reflected light 402 reflected by reflective layer 204 is measured. The measured reflection angle 404 of reflected light 402 is set to be the same as incident angle 403. The incident angle in the following measurement results refers to incident angle 403.

以下の測定結果では、相対反射率を用いる。相対反射率の参照としては、図4(b)に示すように不図示のスペーサーを入れて、反射層とシンチレータの間が空気の場合の絶対反射率を用いた。各条件で測定した絶対反射率を、図4(b)の絶対反射率で除して、相対反射率を算出した。図5は、測定した相対反射率スペクトルの測定結果の一例である。 In the following measurement results, relative reflectance is used. As a reference for relative reflectance, the absolute reflectance when a spacer (not shown) is inserted as shown in Figure 4(b) and there is air between the reflective layer and the scintillator is used. The absolute reflectance measured under each condition was divided by the absolute reflectance in Figure 4(b) to calculate the relative reflectance. Figure 5 shows an example of a measured relative reflectance spectrum.

(比較例1)
低屈折率層を用いなかったこと以外は実施例1と同様に試料を作製した。すなわち、図4(c)に示すようにシンチレータ201、接着層202、及び反射層204の順に積層された試料を作製した。実施例1と同様に相対反射率を測定した。測定した相対反射率のスペクトルを図5に示す。
(Comparative Example 1)
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that no low refractive index layer was used. That is, a sample was prepared in which a scintillator 201, an adhesive layer 202, and a reflective layer 204 were laminated in this order, as shown in Fig. 4(c) . The relative reflectance was measured in the same manner as in Example 1. The spectrum of the measured relative reflectance is shown in Fig. 5.

図5の相対反射率スペクトルから、すべての波長で実施例1の方が比較例1よりも反射率が高いことが分かる。すなわち、シンチレータと反射層との間に、シンチレータから順に接着層、及び低屈折率層を配置させることで、光を反射させやすいことが読み取れる。 From the relative reflectance spectrum in Figure 5, it can be seen that Example 1 has a higher reflectance than Comparative Example 1 at all wavelengths. In other words, it can be seen that light is easily reflected by arranging, in order from the scintillator, an adhesive layer and a low refractive index layer between the scintillator and the reflective layer.

さらに、図5(a)及び(b)は、それぞれ入射角が70°、74°の際の相対反射スペクトルである。図5(a)及び(b)を比較すると、入射角が大きくなるほど、実施例1の相対反射率と比較例1の相対反射率との差が大きくなっていることが分かる。これは、図2に示すように光の取り出し面208と反射層204が略垂直である場合、実施例1の方が比較例1よりも相対反射率は高くなることが分かる。すなわち、シンチレータと反射層との間に、シンチレータから順に接着層、及び低屈折率層を配置させることで、光を反射させやすいことが読み取れる。 Furthermore, Figures 5(a) and (b) show the relative reflectance spectra when the angles of incidence are 70° and 74°, respectively. Comparing Figures 5(a) and (b), it can be seen that the difference between the relative reflectance of Example 1 and the relative reflectance of Comparative Example 1 increases as the angle of incidence increases. This shows that when the light extraction surface 208 and the reflective layer 204 are approximately perpendicular as shown in Figure 2, Example 1 has a higher relative reflectance than Comparative Example 1. In other words, it can be seen that light is easily reflected by arranging an adhesive layer and a low refractive index layer, in that order from the scintillator, between the scintillator and the reflective layer.

本発明によれば、複数のシンチレータを備えるシンチレータユニットを用いる場合に、クロストークを低減することが可能なシンチレータユニットを有する放射線検出器を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a radiation detector having a scintillator unit capable of reducing crosstalk when using a scintillator unit having multiple scintillators.

104 低屈折率層
201 シンチレータ
202 接着層
204 反射層
205 シンチレータユニット
206 検出部
207 放射線検出器
208 光射出面
301 中空粒子
302 中空粒子間の空隙
303 中空粒子の外殻
304 中空粒子の内部に形成された空隙
305 基材
401 入射光
402 反射光
403 入射角
404 反射角
REFERENCE SIGNS 104 Low refractive index layer 201 Scintillator 202 Adhesive layer 204 Reflective layer 205 Scintillator unit 206 Detection section 207 Radiation detector 208 Light exit surface 301 Hollow particle 302 Void between hollow particles 303 Outer shell of hollow particle 304 Void formed inside hollow particle 305 Substrate 401 Incident light 402 Reflected light 403 Incident angle 404 Reflection angle

Claims (16)

複数のシンチレータと前記複数のシンチレータの間に反射層を備えるシンチレータユニットであって、
前記シンチレータと前記反射層との間に、前記シンチレータから順に接着層、及び前記接着層よりも屈折率の低い低屈折率層を有するシンチレータユニット。
A scintillator unit including a plurality of scintillators and a reflective layer between the plurality of scintillators,
The scintillator unit has, between the scintillator and the reflective layer, an adhesive layer and a low refractive index layer having a refractive index lower than that of the adhesive layer, in that order from the scintillator.
前記シンチレータユニットが、前記シンチレータ、前記接着層、前記低屈折率層、前記反射層、前記低屈折率層、前記接着層、前記シンチレータを順に含む構成を有する請求項1に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to claim 1, wherein the scintillator unit is configured to include, in order, the scintillator, the adhesive layer, the low refractive index layer, the reflective layer, the low refractive index layer, the adhesive layer, and the scintillator. 前記反射層が、誘電体多層膜を含む請求項1または2に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to claim 1 or 2, wherein the reflective layer includes a dielectric multilayer film. 前記低屈折率層が、前記シンチレータユニットの光取り出し面に対して略垂直に配置されている請求項1乃至3のいずれか1項に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to any one of claims 1 to 3, wherein the low refractive index layer is disposed substantially perpendicular to the light extraction surface of the scintillator unit. 前記接着層がエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、及びビニル系樹脂の少なくともいずれか一種を含む請求項1乃至4のいずれか1項に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to any one of claims 1 to 4, wherein the adhesive layer contains at least one of an epoxy resin, an acrylic resin, and a vinyl resin. 前記接着層の厚みが2μm以上5μm以下である請求項1乃至5のいずれか1項に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to any one of claims 1 to 5, wherein the thickness of the adhesive layer is 2 μm or more and 5 μm or less. 前記接着層の屈折率が1.30より大きく1.70より小さい請求項1乃至6のいずれか1項に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to any one of claims 1 to 6, wherein the refractive index of the adhesive layer is greater than 1.30 and less than 1.70. 前記低屈折率層が、酸化ケイ素を含む請求項1乃至7のいずれか1項に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to any one of claims 1 to 7, wherein the low refractive index layer contains silicon oxide. 前記低屈折率層の屈折率が1.10以上1.20以下である請求項1乃至8のいずれか1項に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to any one of claims 1 to 8, wherein the refractive index of the low refractive index layer is 1.10 or more and 1.20 or less. 前記低屈折率層が空隙を有し、前記低屈折率層の空隙率が、60.0%以上95.0%以下である請求項1乃至9のいずれか1項に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to any one of claims 1 to 9, wherein the low refractive index layer has voids, and the porosity of the low refractive index layer is 60.0% or more and 95.0% or less. 前記低屈折率層の厚さが300nm以上2μm以下である請求項1乃至10のいずれか1項に記載のシンチレータユニット。 A scintillator unit according to any one of claims 1 to 10, wherein the thickness of the low refractive index layer is 300 nm or more and 2 μm or less. 前記低屈折率層が、中空粒子を含む請求項1乃至11のいずれか1項に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to any one of claims 1 to 11, wherein the low refractive index layer contains hollow particles. 前記中空粒子の外殻の屈折率が1.35以上1.60以下である請求項12に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to claim 12, wherein the refractive index of the outer shell of the hollow particle is 1.35 or more and 1.60 or less. 前記中空粒子が中空シリカ粒子である請求項12又は13に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to claim 12 or 13, wherein the hollow particles are hollow silica particles. 前記低屈折率層がヒュームドシリカ粒子を含む請求項1乃至11のいずれか1項に記載のシンチレータユニット。 The scintillator unit according to any one of claims 1 to 11, wherein the low refractive index layer contains fumed silica particles. 複数のシンチレータと前記複数のシンチレータとの間に反射層を備えるシンチレータユニットと、前記シンチレータから発生した光を検出する検出部とを備える放射線検出器であって、
前記シンチレータユニットが、前記シンチレータと前記反射層との間に、前記シンチレータから順に接着層、及び前記接着層よりも屈折率の低い低屈折率層を有することを特徴とする放射線検出器。
A radiation detector comprising: a scintillator unit including a plurality of scintillators and a reflective layer between the plurality of scintillators; and a detection unit that detects light generated from the scintillators,
A radiation detector comprising: the scintillator unit having, between the scintillator and the reflective layer, an adhesive layer and a low refractive index layer having a refractive index lower than that of the adhesive layer, in that order from the scintillator.
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