JP2005068241A - プラスチック複合透明シート及びそれを使用した表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い表面平滑性を有し、低線膨張係数で透明性に優れ、各種の光学用途、特に各種表示素子用途に好適に用いられるプラスチック透明複合シートを提供すると共に、それを使用した表示素子を提供する。
【解決手段】 （ａ）熱硬化性樹脂もしくは紫外線硬化性樹脂、（ｂ）粉体状の無機充填剤、（ｃ）繊維状の無機充填剤、を必須成分としたプラスチック複合透明シートであって、プラスチック複合透明シートの全重量１００重量％に対し粉体状と繊維状の無機充填材の合計量が５０〜９５重量％を占め、なおかつ粉体状と繊維状の無機充填剤の重量比率が２／９８〜９５／５であり、更に粉体状の無機充填剤の平均粒径が１〜１００ｎｍであることを特徴とするプラスチック複合透明シート、およびそれらを利用した表示素子。

Description

本発明は線膨張係数が小さく、高い表面平滑性を有し、透明性、耐熱性、耐溶剤性に優れたプラスチック複合透明シート及びそれを使用した表示素子に関するものである。

一般に、液晶表示素子用基板、カラーフィルター基板、有機ＥＬ表示素子用基板、太陽電池用基板等としては、ガラス板が多く用いられている。しかし、割れ易い、曲げられない、比重が大きく軽量化に不向き等の問題から、近年、ガラス板の代わりにプラスチック素材を用いる試みが数多く行われるようになってきた。例えば、特許文献１や特許文献２には、エポキシ樹脂、酸無水物系硬化剤及び硬化触媒を含むエポキシ樹脂組成物を硬化して得られる硬化体や、熱可塑性樹脂からなる液晶表示素子用透明樹脂基板が記載されている。
しかしながら、従来のガラス代替用プラスチック材料は、線膨張係数が大きいため、例えばアクティブマトリックス表示素子基板に用いるとその製造工程において反りやアルミ配線の断線などの問題が生じ、適用が困難であり、問題であった。
更に、表示装置に用いられるプラスチックシートには表面平滑性が求められている。特に表示装置に用いる場合は基板上に直接半導体素子を書き込むこともあり最大表面粗さで２００ｎｍレベルでの平滑性が求められているが、表面性状の平滑なものを作成することが非常に困難であり、問題であった。
また各種プラスチックシートは剛性が高く反りやうねりが少ないことが必要である。剛性が低く容易にしなる場合、特にそれによって反りやうねりが大きい場合、表示素子等にするための加工が困難であり、このプラスチックシートを表示素子に適用することは多くの困難を伴う。この問題を解決するために既存のプラスチックシートの厚みを厚くすることが有効な対策であると推測しているが、この手法は重量増加の問題があり、よりよい解決方法が望まれている。

特開平６−３３７４０８号公報 特開平７−１２０７４０号公報

本発明は、高い表面平滑性を有し、低線膨張係数で透明性に優れ、各種の光学用途、特に各種表示素子用途に好適に用いられるプラスチック透明複合シートを提供すると共に、それを使用した表示素子を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、（ａ）熱硬化性樹脂もしくは紫外線硬化性樹脂、（ｂ）粉体状の無機充填剤、（ｃ）繊維状の無機充填剤、を必須成分としたプラスチック複合透明シートであって、プラスチック複合透明シートの全重量１００重量％に対し粉体状と繊維状の無機充填材の合計量が５０〜９５重量％を占め、なおかつ粉体状と繊維状の無機充填剤の重量比率が２／９８〜９５／５であり、更に粉体状の無機充填剤の粒径が１〜１００ｎｍであることを特徴とするプラスチック複合透明シートを利用することにより、熱膨張係数や平滑性や透明性に優れたプラスチック複合透明シートを得られることを見出し、更にそれを用いて表示素子を作成することができることを見出し、本発明に至った。

すなわち本発明は
（１）（ａ）熱硬化性樹脂もしくは紫外線硬化性樹脂、（ｂ）粉体状の無機充填剤、（ｃ）繊維状の無機充填剤、を必須成分としたプラスチック複合透明シートであって、プラスチック複合透明シートの全重量１００重量％に対し粉体状と繊維状の無機充填材の合計量が５０〜９５重量％を占め、なおかつ粉体状と繊維状の無機充填剤の重量比率が２／９８〜９５／５であり、更に粉体状の無機充填剤の平均粒子径が１〜１００ｎｍであることを特徴とするプラスチック複合透明シート。
（２） 前記（ａ）熱硬化性樹脂もしくは紫外線硬化性樹脂と（ｂ）粉体状無機充填剤の混合物である樹脂組成物と、（ｃ）繊維状無機充填剤の屈折率の差が、０．０１以下である（１）記載のプラスチック複合透明シート。
（３） 波長５５０ｎｍにおける光線透過率が６０％以上である（１）または（２）記載の透明プラスチック複合透明シート。
（４） ３０〜１５０℃の平均線膨張係数が２５ｐｐｍ以下である（１）〜（３）記載のプラスチック複合透明シート。
（５） 前記樹脂組成物のアッベ数が、４５以上である（１）〜（４）記載のプラスチック複合透明シート。
（６） 基板表面の最大表面粗さが２００ｎｍ以下である（１）〜（５）記載のプラスチック複合透明シート。
（７） （ｂ）粉末状の無機充填剤が、金属酸化物である（１）〜（６）記載のプラスチック複合透明シート。
（８） （１）〜（７）記載のプラスチック複合透明シートを利用した表示素子。
である。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明中の（ａ）における熱硬化性樹脂とは、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂等、熱によって三次元架橋し硬化する樹脂一般を示す。これらは単独でも混合しても良い。熱硬化性樹脂として最も好適に使用されるものはエポキシ樹脂であり、例えば化学構造式（１）〜（３）に示されるエポキシ樹脂が特に好適である。また用いる樹脂が硬化剤及び硬化促進剤を必要とする場合はそれを併用することもできる。このとき硬化剤としてアミン系、特にジシアンジアミドと芳香族アミン、テトラメチレンヘキサミン及びフェノールノボラック系硬化剤や酸無水物系硬化剤が使用される。硬化促進剤としては、トリフェニルホスフィン等の有機燐系や、イミダゾール系の窒素系の硬化促進剤、ジアルキル−４−ヒドロキシフェニルスルホニウム塩等の光カチオン触媒もしくは熱カチオン触媒が好適に使用される。

本発明中の（ａ）における紫外線硬化性樹脂とは、アクリレート樹脂、エポキシアクリレート樹脂等の、紫外線により三次元架橋し硬化する樹脂一般を示す。これらは単独でも混合しても良い。このとき重合開始剤として紫外線照射によりラジカルを発生させうる物質、例えばアリールアルキルケトンや、紫外線照射によってカチオンを発生させうる物質、例えばアリールジアゾニウム塩などを配合することが望ましい。なおカチオン型重合開始剤を使用する場合はエポキシ樹脂を反応させることも可能であるので、そういった樹脂系も紫外線硬化性樹脂に分類することができる。なお紫外線硬化性樹脂は、一般に電子線の照射や単なる加熱によっても硬化することができるため、紫外線硬化性樹脂を硬化させる手段に関しては紫外線照射、電子線照射、加熱のいずれかあるいはこれらの併用としても問題はない。

表示素子用のプラスチック複合透明シートは、当然ながら透明である事が望ましい。そのとき使用される透明の熱硬化性樹脂や透明の紫外線硬化性樹脂（以後透明樹脂と略す）とは、完全硬化したときでも可視光線の透過性を有する樹脂を示す。本発明の透明樹脂の透明性は、厚さ５０〜１００ミクロンのシートに成形した際の５５０ｎｍでの光線透過率が８０％以上のものが好ましく、より好ましくは８５％以上、最も好ましくは９０％以上であるものを指す。表示素子用基板として用いる場合には、８５％以上が好ましい。これら樹脂は、単独で用いても２種以上を併用してもよい。

本発明で用いる（ｂ）粉体状の無機充填剤とは、粒子状の無機質の充填剤であり、その平均粒子径が１〜１００ｎｍであることが必要である。粒子径が可視光線の波長より大幅に短いことにより、無機充填剤の材質に関わらず、プラスチック複合透明シート中の無機充填剤は散乱現象、回折現象を生じにくく、その結果として目に見えなくなる。それゆえプラスチック複合透明シートにおける光線透過率が大幅に向上する。特に重要なことは、この（ｂ）粉体状の無機充填剤を、（ａ）熱硬化性樹脂もしくは紫外線硬化性樹脂、に配合したものは（以後、これを樹脂組成物と称する）、この樹脂組成物の屈折率はほぼ加成性が成り立ち、屈折率やアッベ数を制御できることである。それゆえ、屈折率の高い粉体状の無機充填剤を、屈折率の低い樹脂に所定の量配合することで、希望の屈折率とアッベ数を持つ樹脂組成物を得ることを可能とする。（もちろん屈折率の低い粉体状の無機充填剤を、屈折率の高い樹脂に配合することで屈折率制御しても良い）。そしてそのため、その樹脂組成物と、（ｃ）繊維状の無機充填剤、との屈折率差をゼロに近づけ、プラスチック複合透明シートの透明性をより向上させることを可能とする。樹脂組成物と、（ｃ）繊維状無機充填剤の屈折率の差が、０．０１以下であることが、透明性向上の点で望ましい。屈折率差がそれ以上であると、プラスチック複合透明シートの透明性は低下する。
（ｂ）粉体状の無機充填剤に関する比表面積や形状については特に限定はしない。さらには形状に関しては、球状、破砕状、鱗片状、何れに関しても問題はない。
（ｂ）粉体状の無機充填剤の素材に関しても特に限定しない。例としては各種金属、金属酸化物、ガラス組成物、樹脂粉末などが挙げられる。しかし特に、化学的安定性の高く、更にゾルゲル法等でナノ粒子を容易に調整する事のできる各種の金属酸化物、例えばシリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化コバルトなどが好適に使用される。

本発明で用いる（ｃ）繊維状の無機充填剤とは、アスペクト比が２０以上の無機充填剤か、あるいはそれを編んで布にしたものや、不織布にしたものを含む。特に可視光線領域で透明な素材であることが、プラスチック複合透明シートへの適用という点で需要である。例えばガラス繊維、ガラスクロス、ガラス不織布、ガラスビーズ、ガラスパウダー、ミルドガラスなどがあげられ、中でも線膨張係数の低減効果や透明性が高いことから、ガラス繊維、ガラスクロス、ガラス不織布が好ましく、ガラスクロスが最も好ましい。繊維の厚みは特に限定されるものではないが、３０〜３００μｍであることが好ましい。ガラスの種類としては、Ｅガラス、Ｃガラス、Ａガラス、Ｓガラス、Ｄガラス、ＮＥガラス、Ｔガラスなどがあげられ、中でもアルカリ金属が少ないＥガラス、Ｓガラス、Ｔガラス、ＮＥガラスが好ましい。

本発明において、プラスチック複合透明シートの全重量１００重量％に対し粉体状と繊維状の無機充填材の合計量が５０〜９５重量％を占める必要がある。無機充填剤の合計の配合量が５０重量％未満である場合、剛直性が低下しシートに反りうねりが生じる。また難燃性も低下する。配合量が９５重量％より大きければ、粉体状もしくは繊維状の無機充填剤がマトリックス樹脂たる熱硬化性樹脂もしくは紫外線硬化性樹脂に均一に分散することができず、基板の内部で無機充填剤配合比率が不均一になり、プラスチック複合透明シートが大幅に反ったりゆがんだりする上、極めて脆くなり実用に値しない。

本発明において、粉体状と繊維状の無機充填剤の重量比率が２／９８〜９５／５である事が必要である。重量比率が２／９８よりも小さい場合、プラスチック複合透明シートの剛性は不十分であり反りやうねりが生じやすい。一方、重量比率が９５／５よりも大きい場合、線膨張係数が大きくなり、好ましくない。

本発明の樹脂組成物（（ａ）熱硬化性樹脂もしくは紫外線硬化性樹脂と、（ｂ）粉体状の無機充填剤を混合したもの）のアッベ数が４５以上であることが、優れた透明性を維持するために望ましい。アッベ数とは屈折率の波長依存性を示すパラメータであり、この数値が大きければ大きいほど屈折率の波長依存性が小さい。ガラスのような無機材料に関してはアッベ数が比較的大きく、プラスチックのような有機材料に関しては比較的小さい。透明複合体基板においてどの波長域でも透明性を維持するには、樹脂組成物と繊維状の無機充填剤の屈折率の波長依存性をできるだけ合致させる必要がある。アッベ数が４５未満である透明樹脂を用いた場合、透明複合体樹脂の透明性が劣る可能性がある。

本発明においては、無機充填剤と樹脂とが密着しているほど、本発明の複合体組成物の透明性が良くなるため、無機充填剤表面をシランカップリング剤などの公知の表面処理剤で処理することが好ましい。シランカップリング剤としては、エポキシシランカップリング剤、チタネート系カップリング剤、アミノシランカップリング剤及びシリコーンオイル型カップリング剤等が挙げられ、これらを単独で用いても数種複合して用いてもよい。

本発明におけるプラスチック複合透明シートの成形方法には制限がなく、例えば、樹脂と粉体状の充填剤と繊維状の充填剤を直接混合し、必要な型に注型したのち架橋させる方法とか、樹脂を溶剤に溶解し、粉体状の充填剤を分散させ、それをガラスクロスとかガラス不織布の上にキャストした後、架橋させる方法や、粉体状の充填剤を分散させた樹脂を、ガラスクロスやガラス不織布に含浸させたのち架橋させる方法などが挙げられる。あるいは上記の方法で製造した後、表面に平滑化コーティングを施すことによって、表面の平滑性を向上させる処理を行っても問題ない。

本発明におけるプラスチック複合透明シートの最大表面粗さ（ＰＶ値）は１０００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５００ｎｍ以下、さらに好ましくは２００ｎｍ以下である。透明複合シートがこれより粗い場合は、シートに接触している液晶部分に厚みムラを生じ、表示不良の問題が起こりうる。

本発明のプラスチック透明シートを、透明板、光学レンズ、液晶表示素子用プラスチック基板、カラーフィルター用基板、有機ＥＬ表示素子用プラスチック基板、太陽電池基板、タッチパネル、光学素子、光導波路、ＬＥＤ封止材等の透明シートとして用いる場合は、５０〜１００μｍの厚みの基板に成形した場合に波長５５０ｎｍの光線透過率が６０％以上であることが好ましく、さらに好ましくは、８５％以上である。波長５５０ｎｍの光線透過率が６０％以下の場合は、光を利用する効率が低下するので、光効率が重要な用途には好ましくない。

本発明のプラスチック複合透明シートを、透明板、光学レンズ、液晶表示素子用プラスチック基板、カラーフィルター用基板、有機ＥＬ表示素子用プラスチック基板、太陽電池基板、タッチパネル、光学素子、光導波路、ＬＥＤ封止材等として用いる場合は、３０〜１５０℃の平均線膨張係数が２５ｐｐｍ以下であることが好ましい。例えば、この複合体組成物をアクティブマトリックス表示素子基板に用いた場合、この上限値を越えると、その製造工程において反りやアルミ配線の断線などの問題が生じる恐れがある。

本発明の透明複合シートは、平滑性を向上させるために両面に樹脂のコート層を設けても良い。コートする樹脂としては、優れた透明性、耐熱性、耐薬品性を有していることが好ましく、具体的には多官能アクリレートやエポキシ樹脂などをあげることができる。コートする樹脂の厚みとしては、０．１〜５０μｍが好ましく、０．５〜３０μｍがより好ましい。

本発明の透明複合シートは、必要に応じて透明電極層を設けても良い。
また、本発明の透明複合シート中には、必要に応じて、透明性、耐溶剤性、耐熱性等の特性を損なわない範囲で、少量の酸化防止剤、紫外線吸収剤、染顔料、他の無機フィラー等の充填剤等を含んでいても良い。

以下に実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。

粉体状無機充填剤(1)：ナノシリカ試作品（平均粒子径１２ｎｍ、球状、メチルエチルケトンゾル、１０ｗｔ％配合）粉体状無機充填剤(2)：ナノジルコニア試作品（平均粒子径１５μｍ、球状、メチルエチルケトンゾル、１０ｗｔ％配合） 粉体状無機充填剤(3)：ナノアルミナ試作品（平均粒子径５０μｍ、球状、メチルエチルケトンゾル、１０ｗｔ％配合）粉体状無機充填剤(4)：シリカ（融点１２００℃、平均粒子径０．５μｍ、球状）

（実施例及び比較例）
脂環式エポキシ樹脂（ダイセル化学工業製ＥＨＰＥ３１５０）８０重量部、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業製エピクロンＥＸＡ１５１４）２０重量部、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸（新日本理化製リカシッドＭＨ−７００）７５重量部、テトラフェニルホスホニウムブロマイド（北興化学工業製ＴＰＰ−ＰＢ）０．５重量部の割合で配合した未架橋の樹脂１００重量部、１，３ジオキソラン３０重量部と混合してワニスとした。このワニスに粉体状無機充填剤(1)〜(3)のいずれかを表１に示す割合で添加、混合し、各々ワニスを得た。これを、厚さ８０μｍのＮＥガラス系ガラスクロスもしくは厚さ１２０μｍのＥガラスクロスに含侵し、１４０℃で３分間乾燥した後離型処理したガラス板に挟み込み、真空プレス機を用いて３０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力でプレスしながら２００℃で２時間硬化させ、透明プラスチック複合透明シートを得た。

以上のようにして作製したプラスチック複合透明シートについて、下記に示す評価方法により、各種特性を測定した。
(1)表面粗さ（ＰＶ値） ＺＹＧＯ社製干渉計を用いて透明複合シートの最大表面粗さ（ＰＶ値）を測定した。
(2)線膨張係数 セイコー電子（株）製ＴＭＡ／ＳＳ１２０Ｃ型熱応力歪測定装置を用いて、窒素雰囲気下、１分間に５℃の割合で温度を３０℃から４００℃まで上昇させて２０分間保持し、３０℃〜１５０℃の時の値を測定して求めた。荷重を５ｇにし、引張モードで測定を行った。測定は、独自に設計した石英引張チャック（材質：石英，線膨張係数０．５ppm）を用いた。一般に使われているインコネル製のチャックは、それ自体の線膨張が高いことやサンプルの支持形態に不具合があり、１００μｍを超える厚いシートに適用すると線膨張係数が圧縮モードで測定した結果よりも大きくなったり、測定ばらつきが大きくなる問題があった。したがって、石英引張チャックを独自に設計し、それを用いて線膨張係数を測定することにした。この引張チャックを用いることにより、圧縮モードで測定した場合とほぼ同様の値で測定できることを確認している。
(3)光線透過率 分光光度計Ｕ３２００（日立製作所製）で５５０ｎｍの光線透過率を測定した。
(4)反り厚さ１００μｍのプラスチック複合透明シートを切り出して長さ１０ｃｍ、幅２ｃｍの短冊にする。一端を押さえて多端がどれくらい上に持ち上がるかを定規で計測した。 以上の結果を表１に示す。

本発明により得られるプラスチック複合透明シートは、例えば、液晶表示用基板、ＥＬ表示素子基板、カラーフィルター用基板、タッチパネル、太陽電池基板などの光学シート、透明板、光学レンズ、光学素子、光導波路、ＬＥＤ封止材等に好適に用いることができる。

Claims (8)

1. （ａ）熱硬化性樹脂もしくは紫外線硬化性樹脂、（ｂ）粉体状の無機充填剤、（ｃ）繊維状の無機充填剤、を必須成分としたプラスチック複合透明シートであって、プラスチック複合透明シートの全重量１００重量％に対し粉体状と繊維状の無機充填材の合計量が５０〜９５重量％を占め、なおかつ粉体状と繊維状の無機充填剤の重量比率が２／９８〜９５／５であり、更に粉体状の無機充填剤の平均粒子径が１〜１００ｎｍであることを特徴とするプラスチック複合透明シート。
2. 前記（ａ）熱硬化性樹脂もしくは紫外線硬化性樹脂と（ｂ）粉体状無機充填剤の混合物である樹脂組成物と、（ｃ）繊維状無機充填剤の屈折率の差が、０．０１以下である請求項１記載のプラスチック複合透明シート。
3. 波長５５０ｎｍにおける光線透過率が６０％以上である請求項１または２記載の透明プラスチック複合透明シート。
4. ３０〜１５０℃の平均線膨張係数が２５ｐｐｍ以下である請求項１〜３いずれか記載のプラスチック複合透明シート。
5. 前記樹脂組成物のアッベ数が、４５以上である請求項１〜４いずれか記載のプラスチック複合透明シート。
6. 基板表面の最大表面粗さが２００ｎｍ以下である請求項１〜５いずれか記載のプラスチック複合透明シート。
7. （ｂ）粉末状の無機充填剤が、金属酸化物である請求項１〜６いずれか記載のプラスチック複合透明シート。
8. 請求項１〜７いずれか記載のプラスチック複合透明シートを利用した表示素子。