JP5446185B2 - 光学シート - Google Patents

Description

本発明は、画素単位での透過／非透過のレンズシートおよびディスプレイ用光学シート、あるいは透明状態／散乱状態に応じて表示パターンが規定される表示素子が配置された液晶パネルを、背面側から照明するバックライトユニット、ディスプレイ装置に関する。

近年、ＴＦＴ型液晶パネルやＳＴＮ型液晶パネルを使用した液晶表示装置は、主としてＯＡ分野のカラーノートＰＣ（パーソナルコンピュータ）を中心に商品化されている。

このような液晶表示装置においては、液晶パネルの背面側（観察者側）に光源を配置し、この光源からの光で液晶パネルを照明する方式、いわゆる、バックライト方式が採用されている。

この種のバックライト方式に採用されているバックライトユニットとしては、大別して冷陰極管（ＣＣＦＴ）等の光源ランプを、光透過性に優れたアクリル樹脂等からなる平板状の導光板内で多重反射させる「導光板ライトガイド方式」（いわゆる、エッジライト方式）と、導光板を用いない「直下型方式」とがある。

導光板ライトガイド方式のバックライトユニットが搭載された液晶表示装置としては、例えば、図４に示すものが一般に知られている。

これは、上部に偏光板７１，７３に挟まれた液晶パネル７２が設けられ、その下面側に、略長方形板状のＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やアクリル等の透明な基材からなる導光板７９が設置されており、該導光板の上面（光射出側）に拡散フィルム（拡散層）７８が設けられている。

さらに、この導光板７９の下面に、導光板７９に導入された光を効率よく上記液晶パネル７２方向に均一となるように散乱して反射されるための散乱反射パターン部が印刷などによって設けられる（図示せず）と共に、散乱反射パターン部下方に反射フィルム（反射層）７７が設けられている。

また、上記導光板７９には、側端部に光源ランプ７６が取り付けられており、さらに、光源ランプ７６の光を効率よく導光板７９中に入射させるべく、光源ランプ７６の背面側を覆うようにして高反射率のランプリフレクター８１が設けられている。上記散乱反射パターン部は、白色である二酸化チタン（ＴｉＯ_２）粉末を透明な接着剤等の溶液に混合した混合物を、所定パターン、例えばドットパターンにて印刷し乾燥、形成したものであり、導光板７９内に入射した光に指向性を付与し、光射出面側へと導くようになっており、高輝度化を図るための工夫である。

さらに、最近では、光利用効率をアップして高輝度化を図るべく、図５に示すように、拡散フィルム７８と液晶パネル７２との間に、光集光機能を備えたプリズムフィルム（プリズム層）７４，７５を設けることが提案されている。このプリズムフィルム７４，７５は導光板７９の光射出面から射出され、拡散フィルム７８で拡散された光を、高効率で液晶パネル７２の有効表示エリアに集光させるものである。

しかしながら、図４に例示した装置では、視野角の制御は、拡散フィルム７８の拡散性のみに委ねられており、その制御は難しく、ディスプレイの正面方向の中心部は明るく、周辺部に行くほど暗くなる特性は避けられない。そのため、液晶画面を横から見たときの輝度の低下が大きく、光の利用効率の低下を招いていた。
さらに、図５に例示したプリズムフィルムを用いる装置では、プリズムフィルムの枚数が２枚必要であるため、フィルムの吸収による光量の低下が大きいだけでなく、部材数の増加によりコストが上昇する原因にもなっていた。

一方、直下型方式は、導光板の利用が困難な大型の液晶ＴＶなどの表示装置が用いられている。

直下型方式の液晶表示装置としては、図６に例示する装置が一般的に知られている。これにおいては、上部に偏光板７１、７３に挟まれた液晶パネル７２が設けられ、その下面側に、蛍光管等からなる光源５１から射出され、拡散フィルム８２のような光学シートで拡散された光を、高効率で液晶パネル７２の有効表示エリアに集光させるものである。光源５１からの光を効率よく照明光として利用するために、光源５１の背面には、リフレター５２が配置されている。

しかしながら、図６に例示する装置でも、視野角の制御は、拡散フィルム８２の拡散性のみに委ねられており、その制御は難しく、ディスプレイの正面方向の中心部は明るく、周辺部に行くほど暗くなる特性は避けられない。そのため、液晶画面を横から見たときの輝度の低下が大きく、光の利用効率の低下を招いていた。さらに、プリズムフィルムを用いるものでは、プリズムフィルムの枚数が２枚必要であるため、フィルムの吸収による光量の低下が大きいだけでなく、部材数の増加によりコストが上昇する原因にもなっていた。

また光源５１間の間隔が広すぎると、画面上に輝度ムラが生じやすく、光源５１の数を減らせず、消費電力の増加及びコストの増加を招く原因となっていた。

ところで、このような液晶表示装置では、軽量、低消費電力、高輝度、薄型化であることが市場ニーズとして強く要請されており、それに伴い、液晶表示装置に搭載されるバックライトユニットも、軽量、低消費電力、高輝度であることが要求されている。

特に、最近、目覚しい発展をみるカラー液晶表示装置においては、液晶パネルのパネル透過率がモノクロ対応の液晶パネルに比べ格段に低く、そのため、バックライトユニットの輝度向上を図ることが、装置自体の低消費電力を得るために必須となっている。

しかしながら、上述したように従来の装置では、高輝度、低消費電力の要請に充分に応えられているとは言いがたく、ユーザからは、低価格、高輝度、高表示品位で、かつ低消費電力の液晶表示装置を実現できるバックライトユニットの開発が待ち望まれている。
特表2008-515026

バックライトユニットに用いられる複数の光学シートの機能を、より少ない枚数の光学シートで実現しようとする試みがなされている。集光と拡散の機能をあわせ持った光学シートの開発が盛んになされている。
しかし、少なからず集光機能をもった光学シートがパネル側最表面に位置すると、周囲環境の変化、特に光源が点灯した時の熱によって光学シートにしわが発生した場合、非常に目立つという問題がある。
特に押出法で作成したシートはしわが発生しやすい。
しわの発生を防ぐために光学シートを厚くする方法もあるが、コストアップや厚みが増すことによる光のロス、反りの問題が発生し完全な解決策にはなっていない。
本発明は押出法で作成したシートに着目して案出されたものであって、本発明の目的は、厚さを大きくすることなく、しわの発生を抑制する上で有利な光学シートを提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１の発明は、押出成形で製造され、ディスプレイ用バックライト・ユニットの照明光路制御に使用される光学シートであって、押出成形時における光学シートの流れ方向の７５℃±５℃における線膨張係数Aと、光学シートの流れ方向と垂直方向の７５℃±５℃における線膨張係数Bが式（１）を満たし、かつ、前記光学シートは、前記押出成形時において前記光学シートの流れ方向の垂直方向において延伸されないことを特徴とする光学シートである。
０．８<Ａ／Ｂ<１．２・・・式（１）

請求項２の発明は、前記光学シートは、集光機能を有するマトリックス状の構造体を表面に有することを特徴とする。

請求項３の発明は、前記光学シートは、集光機能を有し直線状に延在する突条が複数平行に並べられたライン状の構造体を表面に有することを特徴とする。

請求項４の発明は、前記光学シートが表面に光拡散機能を奏する構造体を有するか、シート材料に粒子を含有することで光拡散機能を奏することを特徴とする請求項１乃至３に何れか１項記載の光学シートである。

請求項５の発明は、表示画像を規定する画像表示素子の背面に、光源と、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の光学シートを少なくとも備えることを特徴とするディスプレイ用バックライト・ユニットである。

光源としては、冷陰極管もしくはＬＥＤもしくは半導体レーザーなどを用いることができる。

請求項６の発明は、画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する液晶表示素子からなる画像表示素子と、光源と、請求項５記載のバックライト・ユニットを備えることを特徴とするディスプレイである。

本発明者は鋭意研究することで、押出法で作成したシートは、その製法上、シートの流れ方向（MD）と、流れ方向に垂直な方向（TD）で、線膨張係数に大きな違いが生じていることを突き止めた。
ここで、シートの流れ方向（MD）とは、押出工程の製造ライン上で製品が流れていく方向である。
そして、更なる鋭意研究の結果、光学シートのしわの発生原因は、熱が加わった状況下で光学シートのMDとTDの伸縮率が異なり、ゆがみが生じるためと考えた。
光学シートのMDとTDの伸縮率は線膨張係数で確認することができる。
押出法で作成した光学シートのMDとTDの線膨張係数の差を小さくした本発明によれば、すなわち、光学シートのMDとTDの線膨張係数の差異を所定の範囲内に抑えた本発明によれば、しわをなくすことが可能となった。
光学シートのMDとTDの線膨張係数の差を小さくする調節作業は、押出工程の製造時に行なうことができ、また、製造後、製品となってからも行なうことができる。
なお、MDとTDの線膨張係数として、７５℃±５℃の値を用いたのは、液晶テレビのバックライト・ユニットが使用時に７５℃±５℃前後になるためであるが、本発明の用途は液晶テレビに限定されず、液晶テレビ以外の各種の装置に広く適用される。

以下、本発明の実施形態を説明する。

図２、図３は本発明の光学シートを使用したバックライト構成例の断面を示している。光源１５からの光Ｋは、拡散板５に入射する。その後、拡散板５の出射面から光学シート２、もしくは１の入射面に到達する。最終的に光は光学シート１の出射面からＬとして出射される。Ｌは偏光板２１にはさまれた液晶層１９に到達する。ここを透過した光はＳへと出射し、観察者に視認される。なお、光学シート１と拡散板５の間は光学シート２のみではなく、適宜光学シートを増やしても良い。いずれの構成でも本発明の光学シート１が液晶層側の最表面に位置する。

図１(a-1) (a-2) (a-3) (b)(c)は本発明の光学シートの構成例を示す図である。(a-1) (a-2) (a-3)はＭＤとＴＤの配置例、(b)(c)は光学シートの形状例を示す。上記のように光学シートのしわは押出で生じるＭＤとＴＤの線膨張係数の差で発生するものであるから、これを改善した本発明の光学シートは形状に対し、どのような向きでＭＤとＴＤを配置してもかまわない。また、光学シート形状はディスプレイの筐体に合わせて適宜変えても良い。

光学シートの主となる材質としては、例えば、ポリカーボネートもしくはアクリル−スチレン共重合体もしくはポリスチレンもしくはスチレン・ブタジエン・アクリロニトリル共重合体もしくはシクロオレフィンポリマーを使用しても良い。また、主となる材質の中に分散された透明粒子を具備していても良く、これら主となる材質の屈折率と透明粒子の屈折率が異なるものである。主となる材質の屈折率と透明粒子の屈折率の差は０．０１以上であることが望ましい。屈折率の差がこれより小さいと十分な光散乱性能が得られない。また、その屈折率差は０．５以下で十分である。前記透明粒子の平均粒径は０．５〜３０．０μｍであることが望ましい。

透明粒子としては、無機酸化物からなる透明粒子又は樹脂からなる透明粒子が使用できる。例えば、無機酸化物からなる透明粒子としてはシリカやアルミナ等からなる粒子を挙げることができる。また、樹脂からなる透明粒子としては、アクリル粒子、スチレン粒子、スチレンアクリル粒子及びその架橋体；メラミン−ホルマリン縮合物の粒子、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシ樹脂）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフルオロビニリデン）、及びＥＴＦＥ（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体）等の含フッ素ポリマー粒子、シリコーン樹脂粒子等を挙げることができる。これら透明粒子は、２種類以上を混合して使用してもよい。または、板状の部材は主となる材質中に空気を含む微細な空洞を有した構造をしており、主となる材質と空気の屈折率差で拡散性能を得ても良い。

光学シートは表面に微細な凹凸を具備し、この表面の微細な凹凸で光の拡散性を有していても良い。ここで、微細な凹凸の種類としては、凸状シリンドリカル形状のもの、レンズ形状のもの、三角プリズム形状が挙げられるが、これらに限らず、光拡散機能が微細の凹凸が付与される前に比較して向上する凹凸形状のものであれば上記の形状に限らない。また、微細な凹凸は光学密着、ムラ、ニュートンリングなどの外観特性を向上することもできる。

光学シートは複層構造でもよく、透明層を含んでいても良い。

光学シートは表面に構造体を設けることで集光機能を有している。集光機能を奏する構造体としては、プリズム、レンズ、マイクロレンズ、またはこれらを組み合わせた形状がよく知られている。近年では特表2008-515026に示すようにこれまでの構造体の定義に当てはまらない形状が多く提案されているが、集光機能を有する光学シートであれば同様に使用することができる。

光学シートは押出法で製造され、厚みが１２uｍ以上１ｍｍ以下のものが使用できる。

ここで、通常押出法で製造された場合のＭＤとＴＤの線膨張係数の調節について説明する。すなわち、光学シートが製品となった後のMDとTDの線膨張係数の差を小さくする調節作業について説明する。
ダイから溶融押出された光学シートは所望の形状やサイズの金型で成形され、徐々に温度が低くなるように複数の温度の異なるロールで冷やされ、巻き取られる。
光学シートは温度の高いうちからラインのＭＤに張力がかかり伸ばされ、ＴＤには特に力を受けていない。
そして、この状態のまま冷やされる。
このため、作成した光学シートに熱を加えると伸ばされたＭＤに縮み復元しようとする力が働き、線膨張係数が小さくなる。
そこで、何度か加熱を繰り返し、伸ばされた状態の内部応力がなくなればＭＤの線膨張係数はもとの材料の値に近づく。
上述のように、製品化された後でも、加熱を繰り返して行うことでＭＤの線膨張係数を調節でき、ＭＤとＴＤの線膨張係数の差を式（１）の範囲に収めることが可能となる。なお、ＴＤにはこのような動きは無い。

また、本発明の光学シートのＭＤとＴＤの線膨張係数の差を式（１）の範囲になるように製造時に調節してもよい。
この場合には、上記のライン中で光学シートにかかるＭＤの張力を低減しなければならない。
ダイから溶融押出された光学シートはまず基材シートとラミネートされ、ラミネートされた状態のまま冷却され、十分に冷却した後基材シートから剥離され、巻き取られる。
通常の方法と異なり冷却までの間、基材シートとともにラインの張力を受けるため、ＭＤの伸びが緩和され、ＭＤとＴＤの線膨張係数の差を式（１）の範囲に収めることが可能となる。
なお、MDとTDの線膨張係数について、製造時に行なう調節作業と、製品となった後に行う調節作業とを併用してもよい。
基材シートとしてはポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリ４−メチルペンテンー１（TPX）等のポリオレフィン系等の合成樹脂シート、及びこれらの積層シート等を使用することが出来る。

また、基材シートにあらかじめ所望の形状の逆版形状を付与しておけば、光学シートに所望の形状、構造体を付与することが出来る。

拡散板は光学シートと同様の主となる材質使用することができ、同様に前述した透明粒子を具備して構成されていてもよい。これら主となる材質の屈折率と透明粒子の屈折率が異なるものである必要がある。主となる材質の屈折率と透明粒子の屈折率の差は０．０１以上であることが望ましい。屈折率の差がこれより小さいと十分な光散乱性能が得られない。また、その屈折率差は０．５以下でよい。また光学層に入射した光を散乱させながら透過させる必要があるため、前記透明粒子の平均粒径は０．５〜３０．０μｍであることが望ましい。または、主となる材質中に空気を含む微細な空洞を有した構造をしており、主となる材質と空気の屈折率差で拡散性能を得ても良い。

なお、本発明の光学シートとあわせて使用する光源側の光学シートは、当業界でよくしられた拡散シートやプリズムシートなど、適宜使用する。

以上のように作成した光学シートは光学シートに比べ、パネル側際表面に用いてもしわを改善することができる。バックライトに使用する際は、本発明の光学部材や他の光学部材を組み合わせて使用することで所望の表示性能を持つディスプレイを提供することができる。

以下、実施例を記載する。

（実施例１、２、３、４と比較例１、２の製造方法）
ピッチ６６μｍ、頂角９０°のプリズム形状をＰＥＴ上にＵＶ硬化樹脂で形成した基材シートを準備した。熱可塑性ポリカーボネート樹脂シートを溶融し、押出機にてダイよりシート形状に樹脂シートを押し出し、当該シートが冷却、硬化する前に上記基材シートとラミネートし、冷却した後基材シートから剥離して、レンチキュラーレンズを有する押出シートを得た。厚みは３２０ｕｍとした。ラインの張力を調整し、ＭＤの線膨張係数の異なる押出シートを得た。
熱可塑性ポリカーボネートは帝人化成(株)のM1201ZとML1103を適宜配合して使用し、拡散性を有する押出シートとした。３２０ｕｍにおけるHzを１５％に調整した。
押出シートは中心から７３０ｍｍ×３１０ｍｍの真四角に切り取り、光学シートを得た。光学シートの長辺方向がＭＤとなっている。
このようにして実施例１、２、３、４と比較例１、２とを製作した。

（従来例の製造方法）
ピッチ６６μｍ凸シリンドリカルレンズの形状に切削した第１金型ロールを押出し機に近接して配置した。熱可塑性ポリカーボネート樹脂シートを溶融し、上記押出し機により成型し、当該シートが冷却、硬化する前に上記第１金型ロールによって成形して、レンチキュラーレンズを有する押出シートを得た。厚みは３２０ｕｍとした。
熱可塑性ポリカーボネートは帝人化成(株)のM1201ZとML1103を適宜配合して使用し、拡散性を有する押出シートとした。３２０ｕｍにおけるHzを１５％に調整した。
押出シートは中心から７３０ｍｍ×３１０ｍｍの真四角に切り取り、光学シートを得た。光学シートの長辺方向がＭＤとなっている。
このようにして従来例を製作した。

（線膨張係数の測定）
各シートのＭＤとＴＤから４ｍｍ幅のひも状に測定サンプルを切り取った。
線膨張係数の測定はTMA（SEIKO製 EXS TC6000PCステーション）の石英の引っ張り冶具を使用して測定した。測定サンプルに５０ｍNの加重をかけながら、１５ｍｍ長さの部分のTMA−温度曲線を測定した。７５℃±５℃の範囲の線膨張係数を算出した。結果を表１に示す。

（しわの確認）
作成した光学シートを３２型のディスプレイに市販の拡散板（帝人化成６５ＨＬＷ）と組み込み、点灯した後１時間放置ししわを目視確認した。この時を初期状態とした。初期状態でしわが認められなかったディスプレイを点灯したまま６０℃の環境に２４時間投入した。このときの光学シートの置かれた箇所の環境は７５℃±５℃であった。２４時間後、点灯したまま常温環境に戻し、１時間ごとに２４時間しわを目視確認した。
この結果を表１に示す。
実施例１、２、３、４では光学シートにしわが発生していないのに対して、従来例と比較例１、２では光学シートにしわが発生した。

本発明の光学シートの構成例を示す説明図。 本発明の光学シートを使用したバックライト構成例の断面を示す説明図。 本発明の光学シートを使用したバックライト構成例の断面を示す説明図。 従来技術による液晶表示装置の構成例を示す説明図。 従来技術による液晶表示装置の構成例を示す説明図。 従来技術による液晶表示装置の構成例を示す説明図。

符号の説明

１ 本発明の光学シート
２ 本発明以外の光学シート
５ 拡散板
１０ 光学部材
１５ 光源
１７ 反射板
１９ 液晶層
２１ 偏光板
Ｋ 光源からの光
L 光学部材からの出射光
Ｓ ディスプレイの視認方向

Claims (6)

1. 押出成形で製造され、ディスプレイ用バックライト・ユニットの照明光路制御に使用される光学シートであって、
   押出成形時における光学シートの流れ方向の７５℃±５℃における線膨張係数Aと、光学シートの流れ方向と垂直方向の７５℃±５℃における線膨張係数Bが式（１）を満たし、かつ、前記光学シートは、前記押出成形時において前記光学シートの流れ方向の垂直方向において延伸されないことを特徴とする、
   光学シート。
   ０．８<Ａ／Ｂ<１．２・・・式（１）
2. 前記光学シートは、集光機能を有するマトリックス状の構造体を表面に有することを特徴とする、
   請求項１記載の光学シート。
3. 前記光学シートは、集光機能を有し直線状に延在する突条が複数平行に並べられたライン状の構造体を表面に有することを特徴とする、
   請求項１記載の光学シート。
4. 前記光学シートが表面に光拡散機能を奏する構造体を有するか、シート材料に粒子を含有することで光拡散機能を奏することを特徴とする、
   請求項１乃至３に何れか１項記載の光学シート。
5. 表示画像を規定する画像表示素子の背面に、
   光源と、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の光学シートを少なくとも備えることを特徴とするディスプレイ用バックライト・ユニット。
6. 画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する液晶表示素子からなる画像表示素子と、
   光源と、請求項５記載のバックライト・ユニットを備えることを特徴とするディスプレイ。

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