JP3991044B2

JP3991044B2 - バックライトおよびそれを用いた液晶表示装置

Info

Publication number: JP3991044B2
Application number: JP2004236449A
Authority: JP
Inventors: 泰子林; 雅春小田
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2004-08-16
Filing date: 2004-08-16
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2015-12-06
Also published as: JP2005038863A

Description

本発明は、ノートパソコン、携帯用液晶ＴＶ等に使用される液晶表示装置に関するものであり、さらに詳しくは、出射光線の分布角度が狭く、ピーク光の出射面の法線方向に出射する優れた指向性を有するバックライト、および、指向性に優れ、視野角が広く、コントラストが良好で、中間色の輝度反転のない液晶表示装置に関するものである。

近年、カラー液晶表示装置は、携帯用ノートパソコンや、カラー液晶パネルを使った携帯用液晶ＴＶあるいはビデオ一体型液晶ＴＶ等として種々の分野で広く使用されてきている。また、情報処理量の増大化、ニーズの多様化、マルチメディア対応等に伴って、液晶表示装置の大画面化、高精細化が盛んに進められている。

液晶表示装置は、基本的にバックライト部と液晶表示素子部とから構成されている。バックライト部としては、液晶表示素子の直下に光源を設けた直下方式や導光体の側面に光源を設けたエッジライト方式があり、液晶表示装置のコンパクト化からエッジライト方式が多用されてきている。このエッジライト方式は、板状の導光体の側面部に光源を配置して、導光体の表面全体を発光させる方式のバックライトである。

液晶表示素子部としては、その駆動方式によって薄膜トランジスタ駆動のティン・フィルム・トランジスタ型（ＴＦＴ）とスパー・ツイスティッド・ネマティック型（ＳＴＮ）に大別される。ＴＦＴ型液晶表示素子は、薄膜トランジスタが形成され電気的なスイッチの役割をするＴＦＴ基板と、カラーフィルターが設けられ発色の役目をするカラーフィルター基板との間に、液晶が９０゜捻られて封入された構造を有している。さらに、基板の前後には偏光板が載置されており、偏光板で偏光された光が液晶層に入射すると液晶分子に沿って９０゜回転し、出射側の偏光板の軸が９０゜回転されていることによって光が透過して出射してくるようになっている。一方、ＴＦＴ基板のスイッチがオンになると液晶分子が立ち上がり、液晶層に入射した光は回転することができず、出射側の偏光板を透過することができなくなる。このように、ＴＦＴ基板のスイッチの状態に対応した画像情報が表示されるようになっている。このようなＴＦＴ型液晶表示素子は、高速のスイッチングが可能であり、フルカラーに対応する中間調の色の表示に適しているとされている。

しかしながら、このような液晶表示装置においては、見る角度によって画質が大きく変化し、例えば、画面を見る角度によって、コントラスト、明るさが変化したり、中間調の色の光度が反転して色調が変化したりして正常な画像が得られない等の問題を有している。これは、ＴＦＴ型液晶表示素子においては、中間調の色の表示は液晶分子が完全に立ち上がらない状態にあり、液晶分子が傾いた方向で見た光は液晶分子中を垂直に近い角度で通過した光となり、光が回転する確率が高くなり偏光板を透過する光が多くなって白っぽい表示となるためである。また、液晶分子が傾いてない方向から見た場合には、液晶層を通過する光は液晶分子の影響が低くなり光が回転せずに暗い表示となるためである。このような問題は、液晶表示装置の画面サイズの大型化、用途の拡大による複数人での観察等の要求によって、より大きな問題となってきている。

そこで、本発明は、プリズムシート等の部品を使用することなく、出射光線の分布角度が狭く、ピーク光（出射光線の光度分布において、最も光度の高い光線をいう。）の出射面の法線方向に出射する優れた指向性を有し、正面での光度を最も高くできる優れた指向性を有するバックライトを提供するとともに、視野角が広く、コントラストが良好で、中間色での輝度反転が少ない液晶表示装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明のバックライトは、光源と、該光源に対向する少なくとも一つの入射面および出射面を有する導光体と、該導光体上にプリズム面が出射面側となるように配置されたプリズムシートから構成され、前記導光体の裏面に、入射面に対して４５゜〜９０゜の角度を有する多数のレンズ列が平行に形成され、該レンズ列の平均傾斜角が３０゜以上であることを特徴とするものである。また、本発明の液晶表示装置は、上記バックライトと、該バックライト上に配置された液晶表示素子とを有することを特徴とするものである。

本発明のバックライトは、図１に示したように、光源４、導光体２とプリズムシート５から構成されている。導光体２は、少なくとも一つの側面を入射面とし、これと略直交する一つの面を出射面４とし、出射面４あるいはこれと対向する裏面の少なくとも一方に、例えば図２に示したような断面形状を有する多数のレンズ列３が平行に形成されている。

導光体２に形成されるレンズ列３としては、その平均傾斜角が３０゜以上であるような形状特性を有していることが必要であり、このような形状特性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、プリズム、断面半円状あるいは半楕円状等のレンチキュラーレンズや波型レンズ等のレンズ列を形成することができる。レンズ列３の平均傾斜角（θａ）を３０゜以上とすることによって、導光体２からの出射光の水平方向の分布を狭くすることができるものであり、好ましくは４５゜以上である。

本発明において、レンズ列３の形状特性の指標となる平均傾斜角（θａ）は、ＩＳＯ４２８７／１−１９８７で規定される平均傾斜角（θａ）である。具体的には、ＩＳＯ４２８７／１−１９８４に従って求めた。触針として０１０−２５２８（１μｍＲ、５５゜円錐、ダイヤモンド）を用いた触針式表面粗さ計（東京精器社製サーフコム５７０Ａ）にて、粗面の表面粗さを駆動速度０．０３ｍｍ／秒で測定した。この測定した平均線より、その平均線を差し引いて傾斜を補正し、下記（１）〜（２）式によって計算して求められる。

また、本発明においては、導光体２に形成されるレンズ列３は、導光体２の入射面に対して４５゜〜９０゜の角度を有して形成されることが必要である。これは、レンズ列の有する角度を４５゜以上、すなわち４５゜〜９０゜とすることによって、導光体２からの出射光の水平方向の分布を狭くすることができるものであり、好ましくは６０゜〜９０゜の範囲である。

形成されるレンズ列３のピッチは、加工可能な範囲で適宜選定することができるが、１０〜５００μｍの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは３０〜３００μｍの範囲である。導光体２の形状等によって光出射面での光度分布に斑が生じるような場合には、レンズ列３のピッチを部分的あるいは連続して変化させることによって、光出射面での光度分布の均一化を図ることができる。導光体２に形成されるレンズ列３は、導光体２の裏面を熱プレス法等によって加工して形成してもよいし、押出成形や射出成形等によって導光体２を製造する際に同時に加工して形成してもよい。また、熱あるいは光硬化性樹脂等を用いて一体に形成してもよい。熱あるいは光硬化性樹脂等を用いて導光体２の表面にレンズ列３を一体に形成する方法では、導光体２とレンズ列３の屈折率が異なるものを製造することもできる。さらに、ポリエステル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリメタクリルイミド系樹脂等からなる透明フィルムあるいはシート等の透明基材上に、活性エネルギー線硬化型樹脂によってレンズ列３を形成したレンズシートを、導光体２に接着、融着等の方法によって一体化させてもよい。

活性エネルギー線硬化型樹脂を用いてレンズ列３を形成する場合には、所定のレンズパターンを形成した型に活性エネルギー線硬化型樹脂液を注入し、導光体２あるいは透明フィルムを重ね合わせる。次いで、導光体２を通して紫外線、電子線等の活性エネルギー線を照射し、活性エネルギー線硬化型樹脂液を重合硬化して、型から剥離することによって製造することができる。レンズ列３を構成する活性エネルギー線硬化型樹脂としては、多官能（メタ）アクリル化合物、ビニル化合物、（メタ）アクリル酸エステル類、アリル化合物、（メタ）アクリル酸の金属塩等を使用することができる。

導光体２としては、板状、くさび状、船型状等の種々の形状のものが使用でき、光線透過率の高い合成樹脂から構成される。光源４から導光体２へ有効に光を導入するために、光源４および導光体２の光入射面を内側に反射剤を塗布したケースやフィルムで覆うように構成することが好ましい。導光体２の裏面には、反射面を構成するために金属蒸着等によって反射層８が形成されてもよい。導光体２を構成する合成樹脂としては、メタクリル樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂等の高透明性の種々の合成樹脂を使用して、押出成形、射出成形等の通常の成形方法で製造することができる。特に、メタクリル樹脂が、その光線透過率の高さ、耐熱性、力学的特性、成形加工性にも優れており、導光体用材料として最適である。このようなメタクリル樹脂とは、メタクリル酸メチルを主成分とする樹脂であり、メタクリル酸メチルが８０重量％以上であることが好ましい。

本発明のバックライトは、上記のような導光体２の出射面上にプリズムシート５を配置する。プリズムシート５は、透明基材の一方の面に多数のプリズム列が平行に形成されたレンズ面を有するものである。プリズムシート５のプリズム列のピッチは３０μｍ〜０．５ｍｍ程度とすることが好ましく、そのプリズム頂角は導光体２からの出射光の出射角によって適宜選定されるが、５０〜１２０゜の範囲とすることが好ましい。また、プリズムシート５の向きについても、導光体２からの出射光の出射角によって適宜選定され、プリズム面が導光体２の出射面側となるように載置してもよいし、逆向きに載置してもよい。

このプリズムシート５は、導光体２の入射面に対してプリズム列が２０゜以下の角度となるように配置され、導光体２からの出射光の垂直方向の分布を狭くするとともに、出射面にほぼ直角な方向に変角させるものである。導光体２から出射する光は、出射面に垂直な方向に対して７０〜４０゜程度傾いた指向性を持った光であり、これを出射面に対してほぼ直角な方向に変角して、液晶表示素子６に入射させる必要がある。この変角の度合いは、プリズムシート５のプリズム頂角と屈折率によってスネルの法則を用いて設計することができる。例えば、アクリル系樹脂で構成された屈折率１．４９〜１．５３程度のプリズムシート５では、プリズム頂角を５５゜〜６５゜とし、プリズム面が導光体２の出射面側となるように載置することで、約６０゜の傾きを持った光を出射面とほぼ垂直な方向に変角することができる。

本発明において、プリズムシート５としては、可視光透過率が高く、屈折率の比較的高い材料を用いて製造することが好ましく、例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、活性エネルギー線硬化型樹脂等が挙げられる。中でも、レンズシートの耐擦傷性、取扱い性、生産性等の観点から活性エネルギー線硬化型樹脂が好ましい。また、プリズムシート５には、必要に応じて、酸化防止剤、紫外線吸収剤、黄変防止剤、ブルーイング剤、顔料、拡散剤等の添加剤を添加することもできる。プリズムシート５を製造する方法としては、押出成形、射出成形等の通常の成形方法が使用できる。活性エネルギー線硬化型樹脂を用いてプリズムシート５を製造する場合には、ポリエステル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリメタクリルイミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂等の透明樹脂からなる透明フィルムあるいはシート等の透明基材上に、活性エネルギー線硬化型樹脂によってプリズム部を形成する。まず、所定のプリズムパターンを形成したレンズ型に活性エネルギー線硬化型樹脂液を注入し、透明基材を重ね合わせる。次いで、透明基材を通して紫外線、電子線等の活性エネルギー線を照射し、活性エネルギー線硬化型樹脂液を重合硬化して、レンズ型から剥離してプリズムシート５を得る。

本発明の液晶表示装置１は、図１に示したように、光源４と上記のような構成からなる導光体２から構成されるバックライト部と液晶表示素子６からなる。上記のような特定の出射面から構成される導光体２を用いることによって、導光体２からの出射光線は液晶表示素子６を通過する際には角度分布の小さい疑似平行光となり、液晶分子の傾き方向の影響を最小限とできるため、見る角度によるコントランスや中間色の輝度反転による色調の変化が少ない液晶表示装置１を得ることができる。液晶表示素子６としては、特に限定されるものではなく、アクティブマトリックス駆動のＴＦＴ型液晶表示素子、単純マトリックス駆動のＳＴＮ型液晶表示素子のいずれでも使用することができる。また、ＴＦＴ型液晶表示素子では、その素子そしてポリシリコン、アモルファスシリコン、メタル・インシュレータ・メタル等の種々のアクティブ素子を用いることができる。

また、図１に示したように、液晶表示素子６の上に少なくとも一方の面に多数の細かいレンチキュラーレンズ等が平行に形成されたマイクロレンズシートや拡散シート７を載置してもよい。このようにマイクロレンズシート７や拡散シートを液晶表示素子６上に載置することによって、液晶表示素子６を透過した疑似平行光がマイクロレンズシートや拡散シート７に入射し、入射光は拡散出射されるため、液晶表示装置１の視野角を広くことができる。すなわち、特定の出射面から構成される導光体２によって、液晶表示素子６を通過する際には角度分布の小さい疑似平行光で液晶分子の傾き方向の影響を最小限とでき、液晶表示素子６を透過した後にマイクロレンズシートや拡散シート７によって光の拡散を行うため、見る角度によるコントランスや中間色の輝度反転による色調の変化が少なく、かつ広い視野角の液晶表示装置１を提供できる。

液晶表示素子６の上に載置されるマイクロレンズシートや拡散シート７は、液晶表示素子６を透過した光を拡散させることによって視野角を広げる機能を有する部材である。マイクロレンズシート７としては、少なくとも一方の面に、半円柱状、半楕円柱状あるいはこれらと類似の形状を有するレンチキュラーレンズ等のレンズを平行に多数形成してなるものであり、厚さ０．１〜１０ｍｍ程度、レンズピッチが１０〜８００μｍ程度であることが好ましい。また、マイクロレンズシートや拡散シート７は、可視光透過率が高い材料を用いて製造することが好ましく、例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、活性エネルギー線硬化型樹脂等が挙げられ、押し出し成形、射出成形、活性エンルギー線硬化型樹脂を使用する方法等の通常の成形方法が使用できる。本発明においては、マイクロレンズシートや拡散シート７に、必要に応じて、酸化防止剤、紫外線吸収剤、黄変防止剤、ブルーイング剤、顔料、拡散剤等の添加剤を添加することもできる。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。なお、以下の実施例における各物性の測定は下記のようにして行った。

光度分布の測定
導光体の冷陰極管にインバーター（ＴＤＫ社製ＣＸＡ−Ｍ１０Ｌ）を介して直流電源に接続し、ＤＣ１２Ｖを印加して点灯させた。液晶表示装置を測定台に載置し、その中央で冷陰極管軸と平行な回転軸で回転するように調節した。次いで、３ｍｍφのピンホールを有する黒色の紙を、ピンホールが導光体の中央に位置するように導光体上に固定し、輝度計（ミノルタ社製ｎｔ−１゜）を用いて測定円が８〜９ｍｍとなるように距離を調整した。冷陰極管のエイジング時間が３０分以上経過後に、回転軸を８０゜〜−８０゜まで５゜間隔で回転させながら、出射光の光度の角度分布を測定した。

平均傾斜角（θａ）
触針として０１０−２５２８（１μｍＲ、５５゜円錐、ダイヤモンド）を用いた触針式表面粗さ計（東京精器社製サーフコム５７０Ａ）にて、粗面の表面粗さを駆動速度０．０３ｍｍ／秒で測定した。この測定した平均線より、その平均線を差し引いて傾斜を補正し、前記（１）〜（２）式によって計算して求めた。

実施例１
アクリル系樹脂の射出成形によって、一方の表面に平均傾斜角（θａ）が６０゜の傾斜面を有するピッチ１００μｍのレンチキュラーレンズが、長辺に対して９０゜の方向に形成された大きさ１００ｍｍ×９０ｍｍ、厚さ４ｍｍの導光体を作製した。得られた導光体の９０ｍｍの二つの端面に銀蒸着したＰＥＴフィルムを粘着加工して貼り付け、レンチキュラーレンズを形成した面の反対側の表面に銀蒸着したＰＥＴフィルムをテープ止めして反射面を形成した。アクリル板の１００ｍｍの二つの端面に、銀蒸着したＰＥＴフィルムで冷陰極管（松下電器社製ＫＣ１３０Ｔ４Ｅ７２、４ｍｍφ×１３０ｍｍ）を巻き付けて、光源ランプとして設置した。

一方、プリズム頂角６３゜、ピッチ５０μｍのプリズムパターンを形成した金型に、アクリル系紫外線硬化型樹脂液を注入し、厚さ１５０μｍのポリエチレンテレフタレートフィルムをロールを用いて重ね合わせ、次いで、ポリエチレンテレフタレートフィルムを通して５７０ｍＪの紫外線を照射して、アクリル系紫外線硬化型樹脂液を重合硬化させた後、金型から剥離して屈折率１．５９、頂角６３゜のプリズムシートを得た。

得られた導光体の出射面（レンチキュラーレンズを形成した面）上に、上記プリズムシートをプリズム面が導光体の出射面側に位置するように載置して、バックライトを構成した。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表１に示した。さらに、プリズムシート上にＴＦＴ型液晶表示素子を載置して、その上に厚さ５ｍｍのアクリル系樹脂板にピッチ０．２２ｍｍのレンチキュラーレンズを形成したマイクロレンズシートを載置し、液晶表示装置を組み立てた。得られた液晶表示装置を用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表１に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して３０゜の角度から観察（光源に対して水平方向と垂直方向の２方向から）し、その画像の状態（コントラスト、色調、明るさ）を目視にて評価し、その結果を表１に示した。

実施例２
導光体の表面に平均傾斜角（θａ）が６０゜の傾斜面を有するピッチ１００μｍのレンチキュラーレンズが、長辺に対して８５゜の方向に形成した以外は、実施例１と同様にしてバックライトおよび液晶表示装置を組み立てた。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表１に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して３０゜の角度から観察（光源に対して水平方向と垂直方向の２方向から）し、その画像の状態（コントラスト、色調、明るさ）を目視にて評価し、その結果を表１に示した。

実施例３
導光体のレンチキュラーレンズを形成した面の反対側の表面に平均傾斜角（θａ）５゜の粗面を形成した以外は、実施例１と同様にしてバックライトおよび液晶表示装置を組み立てた。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表１に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して３０゜の角度から観察（光源に対して水平方向と垂直方向の２方向から）し、その画像の状態（コントラスト、色調、明るさ）を目視にて評価し、その結果を表１に示した。

比較例１
導光体の表面にレンチキュラーレンズに変えて平均傾斜角（θａ）が１５゜のマット面を形成した以外は、実施例１と同様にしてバックライト、液晶表示装置を組み立てた。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表１に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して３０゜の角度から観察（光源に対して水平方向と垂直方向の２方向から）し、その画像の状態（コントラスト、色調、明るさ）を目視にて評価し、その結果を表１に示した。

比較例２
導光体の表面に平均傾斜角（θａ）が１５゜の傾斜面を有するピッチ１００μｍのレンチキュラーレンズが、長辺に対して９０゜の方向に形成した以外は、実施例１と同様にしてバックライトおよび液晶表示装置を組み立てた。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表１に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して３０゜の角度から観察（光源に対して水平方向と垂直方向の２方向から）し、その画像の状態（コントラスト、色調、明るさ）を目視にて評価し、その結果を表１に示した。

比較例３
導光体の表面に平均傾斜角（θａ）が６０゜の傾斜面を有するピッチ１００μｍのレンチキュラーレンズが、長辺に対して５゜の方向に形成した以外は、実施例１と同様にしてバックライトおよび液晶表示装置を組み立てた。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表１に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して３０゜の角度から観察（光源に対して水平方向と垂直方向の２方向から）し、その画像の状態（コントラスト、色調、明るさ）を目視にて評価し、その結果を表１に示した。

本発明の液晶表示装置の構成例を示すの斜視図である。本発明の導光体に形成されたレンチキュラーレンズを示すの部分断面図である。

符号の説明

１・・・液晶表示装置
２・・・導光体
３・・・レンズ列
４・・・光源
５・・・プリズムシート
６・・・液晶表示素子
７・・・マイクロレンズシート、拡散シート

Claims

光源と、該光源に対向する少なくとも一つの入射面および出射面を有する導光体と、該導光体上にプリズム面が出射面側となるように配置されたプリズムシートから構成され、前記導光体の裏面に、入射面に対して４５゜〜９０゜の角度を有する多数のレンズ列が平行に形成され、該レンズ列の平均傾斜角が３０゜以上であることを特徴とするバックライト。
前記導光体の出射面およびその裏面の少なくとも一方に形成されたレンズ列が、プリズム列、レンチキュラーレンズ列、波型レンズ列のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のバックライト。
前記導光体のレンズ列が形成された面の反対側の面が粗面であることを特徴とする請求項１または２に記載のバックライト。
請求項１〜３のいずれかに記載のバックライトと、該バックライト上に配置された液晶表示素子とを有することを特徴とする液晶表示装置。