JP3820623B2

JP3820623B2 - 導光板および液晶表示装置

Info

Publication number: JP3820623B2
Application number: JP10785896A
Authority: JP
Inventors: 浩一村田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2016-04-26
Also published as: JPH09292530A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を導光し、表面から拡散する光拡散型の導光板および、その導光板をバックライトとして用いた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
従来から、光源と導光板とを用いた面状光源が直視型の液晶表示素子のバックライトとして用いられている。導光板は光の拡散体として用いられ、光源から出射した光は導光板に入射され、導光板の中を進みその表面から液晶表示素子側に向けて出射されるように構成される。また、位相差板や反射板、偏光分離面を備えた面状光源が知られている。
【０００４】
もっとも簡素な構造を有する拡散型の導光板として、従来ガラスやプラスチックの表面に凹凸を設けたものや散乱体を印刷したものなどが知られている。
【０００５】
しかし、光源からの光が導光板中で凹凸や散乱体により拡散されて、導光板の表面に出射されていた。この場合の光の偏光状態はランダムであり、偏光状態に偏りはほとんどなかった。このような光拡散型の導光板を用いた液晶表示素子のバックライトについて考察する。
【０００６】
液晶表示素子の多くは、液晶層を挟むように２枚の偏光板が備えられ、表示に用いる光はどちらか一方の偏光方向の光のみを用いていた。そのため、光源から出射された光の少なくとも半分は無駄になっていた。このため、表示輝度を確保するために、出力の大きな光源を用いる必要があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来技術が有していた前述のような欠点を解決しようとするものであり、従来知られていなかった導光板および液晶表示装置を新規に提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、態様１は光源からの光を導光する基板が備えられ、前記基板の少なくとも１つの面から光が出射する導光板において、導光機能を有する層が２層以上備えられ、第１の層と第２の層との間に界面が設けられ、その界面に凹凸が備えられ、凹凸により導光機能を有する層の厚さに変化を持たせ、第１の層が複屈折性を示し、その２つの屈折率をｎ_１、ｎ_２とし、第２の層は複屈折性を示さないか、または第１の層に比べて小さな複屈折性を示し、その屈折率をｎ_３とすると、第２の層は複屈折性を示さないか、または第１の層に比べて小さな複屈折性を示し、その屈折率をｎ_３とすると、屈折率差｜ｎ_１−ｎ_３｜が屈折率差｜ｎ_２−ｎ_３｜よりも大きいか、または屈折率差｜ｎ _１ −ｎ _３｜が屈折率差｜ｎ _２ −ｎ _３｜よりも小さく、屈折率差が大きい方における屈折率ｎ _１または屈折率ｎ _２に対応する第１の偏光方向の光を界面で散乱または屈折または回折させ、屈折率差が小さい方における屈折率ｎ _２または屈折率ｎ _１に対応する第２の偏光方向の光を導光板内で進行させて、その偏光の方向を、第１の偏光方向に変え、
光が導光板の表面で全反射し、かつ、導光板の裏面で全反射するか、もしくは、基板の裏面側に設けられた反射膜によって反射され、界面で光が散乱または屈折または回折し拡散した光が導光板の表面から出射することを特徴とする導光板を提供する。
【００１０】
また、態様２は｜ｎ _１ −ｎ _３｜と｜ｎ _２ −ｎ _３｜のどちらか一方が０．０５以内である態様１の導光板を提供する。
【００１１】
また、態様３は第１の層の異方性屈折率Δｎが０．１以上であり、ｎ _１とｎ _３の差が０．０４５以下とされ、ｎ _２とｎ _３の屈折率の差が０．０５５以上とされてなることを特徴とする態様１または２の導光板を提供する。
【００１２】
また、態様４はｎ ₃ ＜ｎ₁ ＜ｎ₂ 、または、ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃ の関係を満たすことを特徴とする態様１、２または３の導光板を提供する。この場合、ｎ₃ は実効的な屈折率を意味する。
【００１３】
また、態様５は導光板の表面と裏面がともにほぼ平坦である態様１〜４のいずれかの導光板を提供する。
【００１４】
また、態様６は態様１〜５のいずれかの導光板と液晶表示素子とが備えられ、導光板から選択的に出射される光の偏光方向と液晶表示素子の光源側の偏光板の光を通す偏光方向とが合わせられた液晶表示装置を提供する。
【００１５】
また、態様７は複屈折性を示す層が液晶表示素子に対して反対側に備えられた態様６の液晶表示装置を提供する。以下に、図面を参照しつつ本発明を説明する。
【００１６】
図１は、本発明の導光板を光源と組み合わせた場合のブロック図である。本発明の導光板２０の一例として、透明で複屈折性を有する第１の物質からなる層の一面に凹凸加工を施した基板１を、接着材２で基板３に接着して形成できる。第１の物質の複屈折性は、基板面内に平行な偏光方向に対する屈折率をｎ₁ 、垂直な偏光方向に対する屈折率をｎ₂ とする。
【００１７】
この基板１のｎ₂ とほぼ同じ屈折率ｎ₃ （ｎ₁ ≠ｎ₃ ）を有する接着層２を用いて他の基板３に積層することにより構成される。このような、光拡散型の導光板、光源および液晶表示素子を組み合わせた液晶表示装置の一例を図２に示す。また、導光板２０中における光の光路図を図３、４に示す。
【００１８】
光源から発せられたランダムな偏光状態の光が、導光板の中を進行していく。このとき、光の偏光方向が基板と平行な成分の光（図３）は、複屈折性の基板１とコーティング材４との界面の凹凸が、屈折率差（ｎ₁ −ｎ₃ ）の凹凸として機能することとなって、光が界面で散乱・拡散し、導光板表面から出射することになる。この光の偏光方向は、図３の紙面に対し垂直方向になる。
【００１９】
これに対して、導光板中の光の偏光方向が基板と垂直な成分の光（図４）は、前述の凹凸が、光学的には、屈折率差（ｎ₂ −ｎ₃ ）が小さいためにほとんど散乱されずそのまま全反射を繰り返して導光板中を進む。しかし、光が導光板表面で全反射したり、複屈折性の基板１の中を進行することにより偏光方向が回転し、いずれ基板１の面に平行な偏光成分になる。この基板１に平行な偏光成分は前述のように凹凸が設けられた界面で散乱され、導光板の表面から出射することになる。
【００２０】
以上のように光源からのランダムな偏光の光のほとんどは、基板表面から出射するときには、図３、４において紙面に垂直方向の成分に変換されて出射することになる。
【００２１】
この導光板を液晶表示素子と組み合わせた例を図２に示す。液晶表示素子の光源側の偏光板７の光を通す偏光方向と、本発明の光拡散を利用する導光板２０から出射される光の偏光方向とをほぼ合わせておくことにより、光源から出射された光に対し、偏光板７による損失がほとんどなくなる。このことにより、従来の光拡散型導光板をバックライトに用いた場合に比べて、表示に有効な偏光性分の光が格段に多くなり、非常に明るいバックライトを構成できる。
【００２２】
本発明で用いられる複屈折性を有する第１の物質としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、アクリル等がある。また、層状に形成して用いる基板の厚みは数μｍから数十μｍのフィルムでもよいし、また、それ以上厚い板状の物体でもよい。
【００２３】
その複屈折率としては、たとえば基板面内に平行な偏光方向に対する屈折率ｎ₁ と垂直な偏光方向に対する屈折率ｎ₂ との差を０．１以上とすることが好ましい。さらに０．１５、０．２と大きくなる方が光の散乱効率が大きくなるので好ましい。
【００２４】
また、接着層の屈折率ｎ₃ は、ｎ₁ あるいはｎ₂ のいずれかと等しくても表面からの拡散出射光は、いずれかの偏光に偏る効果が生まれる。また、構成として図５のように複屈折性の基板に前述の屈折率条件を有する物質４をコーティングする事も可能である。また、本発明によれば、｜ｎ₁ −ｎ₃ ｜と｜ｎ₂ −ｎ₃ ｜の差の違いにより、いずれかの偏光に偏る性質を出現させている。よりその差を大きくするために、ｎ₃ ＜ｎ₁ ＜ｎ₂ 、またはｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃ と設定することは、｜ｎ₁ −ｎ₃ ｜と｜ｎ₂ −ｎ₃ ｜の差をｎ₁ とｎ₂ の差まで大きくすることができるため好ましい。
【００２５】
また、複屈折性の基板の両面に凹凸を設け、両面の前述した接着層により、他の基板に挟み込むことも可能である。さらに、何層か積層することも可能である。また、図６のように、基板の一方の面に反射膜１０を施すことも可能である。また、光の出射面に偏光板を積層することも可能である。
【００２６】
さらに、導光板の最表面を平坦化することは、前述のように取り出したくない偏光方向の光を効率よく全反射することができるために好ましい。また、さらに効率よく全反射するために、反射率の偏光依存性の大きな光学膜を付加することが好ましい。
【００２７】
また、複屈折性を示す層は、前述したように光の偏光を少し回転させる効果があるために、凹凸により選択的に拡散した光の偏光方向を回転させてしまう効果もある。それを防止するため、複屈折層を導光板の光の出射面と反対側、つまり、液晶表示素子と反対側に設けることは、さらに偏光選択性を向上させるので好ましい。
【００２８】
また、光の出射強度が面内で均一になるように、凹凸の高さや密度を面内で分布をつけ調整することも可能である。以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
【実施例】
図１は、本発明の導光板と光源とを組み合わせた構成のブロック図である。図１において光拡散型の導光板２０は５０μｍの厚みで片面に凹凸を施したＰＥＴのフィルムを複屈折性の基板１として用いた。このＰＥＴの屈折率は、面に垂直な偏光方向に対しての屈折率ｎ₂ は、約１．４９であり、面に平行な２つの偏光方向の屈折率ｎ₁ は、それぞれ１．６７、１．６５であった。この基板１が複屈折性を示す第１の層である。
【００３０】
このＰＥＴフィルムからなる基板１の凹凸面をＵＶ硬化型接着剤でガラス基板３に貼り付けた。このとき用いた接着剤の屈折率ｎ₃ は１．５０であった。図１のように、この導光板２０のエッジから光源５からの光または光源反射板６からの反射光を入射せしめ、導光板２０の表面から出射する光の偏光方向による強度比を測定した。
【００３１】
その結果図１の紙面に垂直な偏光方向の光強度は、図１の紙面に平行な偏光方向の光強度に比べ４倍も大きく、光源のランダムな偏光の光が、この導光板２０の表面から出射するときには、特定の偏光方向に変換されていることがわかった。
【００３２】
このように作製した、導光板２０をバックライトとして用いて図２のように液晶表示装置を作製した。この液晶表示素子の、導光板側に設けられている偏光板７の偏光方向を、導光板２０から出射される光強度の強い偏光方向にあわせた。この液晶表示装置３０では、従来の導光板を用いた場合に比べ光強度は約５０％増大した。
【００３３】
【発明の効果】
態様１の発明においては、きわめて簡素な構造であっても、高効率のバックライトを構成できる導光板を得た。そして、小さい光源でも明るい液晶表示素子を形成できた。また、凹凸を設けることで、より光の利用効率が向上できた。また、導光板の構造強度が高まり平坦性も向上した。また、導光板から出射される光の面内むらが低減された。
【００３５】
態様２の発明においては、導光板中における光損失が低減され、全体としての利用効率が向上できた。
【００３６】
態様３の発明においては、偏光選択特性が向上し、出射光の輝度がより高くなった。また、本発明はその効果を損しない範囲で種々の用途に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導光板と光源を組み合わせた一例のブロック図。
【図２】本発明の導光板と液晶表示素子を組み合わせた液晶表示装置の構成のブロック図。
【図３】導光板中の光の挙動を示すブロック図。
【図４】導光板中の光の挙動を示すブロック図。
【図５】本発明の導光板の構成概念図。
【図６】本発明の導光板の構成概念図。
【符号の説明】
１：基板
２：接着層
３：第２の基板
４：コーティング材
５：光源
６：光源反射板
７、９：偏光板
８：液晶表示素子
１０：反射膜

Claims

光源からの光を導光する基板が備えられ、前記基板の少なくとも１つの面から光が出射する導光板において、
導光機能を有する層が２層以上備えられ、
第１の層と第２の層との間に界面が設けられ、その界面に凹凸が備えられ、凹凸により導光機能を有する層の厚さに変化を持たせ、
第１の層が複屈折性を示し、その２つの屈折率をｎ_１、ｎ_２とし、
第２の層は複屈折性を示さないか、または第１の層に比べて小さな複屈折性を示し、その屈折率をｎ_３とすると、屈折率差｜ｎ_１−ｎ_３｜が屈折率差｜ｎ_２−ｎ_３｜よりも大きいか、または屈折率差｜ｎ _１ −ｎ _３｜が屈折率差｜ｎ _２ −ｎ _３｜よりも小さく、屈折率差が大きい方における屈折率ｎ _１または屈折率ｎ _２に対応する第１の偏光方向の光を界面で散乱または屈折または回折させ、屈折率差が小さい方における屈折率ｎ _２または屈折率ｎ _１に対応する第２の偏光方向の光を導光板内で進行させて、その偏光の方向を、第１の偏光方向に変え、
光が導光板の表面で全反射し、かつ、導光板の裏面で全反射するか、もしくは、基板の裏面側に設けられた反射膜によって反射され、界面で光が散乱または屈折または回折し拡散した光が導光板の表面から出射することを特徴とする導光板。
｜ｎ _１ −ｎ _３｜と｜ｎ _２ −ｎ _３｜のどちらか一方が０．０５以内である請求項１に記載の導光板。
第１の層の異方性屈折率Δｎが０．１以上であり、ｎ _１とｎ _３の差が０．０４５以下とされ、ｎ _２とｎ _３の屈折率の差が０．０５５以上とされてなる請求項１または２に記載の導光板。
ｎ ₃ ＜ｎ₁ ＜ｎ₂ 、または、ｎ₁ ＜ｎ₂ ＜ｎ₃ の関係を満たす請求項１、２または３に記載の導光板。
導光板の表面と裏面がともにほぼ平坦である請求項１〜４のいずれか１項に記載の導光板。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の導光板と液晶表示素子とが備えられ、導光板から選択的に出射される光の偏光方向と液晶表示素子の光源側の偏光板の光を通す偏光方向とが合わせられた液晶表示装置。
複屈折性を示す層が液晶表示素子に対して反対側に備えられた請求項６に記載の液晶表示装置。