JP2006145714A - 光屈折素子アレイ基板およびそれを用いた表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガラス基板の分断過程などにおいて、光屈折素子の損傷を有効に防止することができる光屈折素子アレイ基板を提供する。
【解決手段】本発明の光屈折素子アレイ基板１０は、基板１と、基板１上に設けられた複数の光屈折素子２ａを有する光屈折素子アレイ２とを備えている。複数の光屈折素子２ａのそれぞれは、互いに異なる材料から形成された本体部３と表層部４とを有しており、表層部４の硬度は本体部３の硬度より高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、光屈折素子（例えば、レンズやプリズム）を有する光屈折素子アレイ基板（例えば、マイクロレンズアレイ基板）およびそれを備えた表示素子などに関する。

一般に、非発光型の表示装置は、複数の画素の光透過率または反射率を駆動信号によって変化させ、表示パネルなどの表示素子に照射される光の強度を変調して、画像や文字を表示する構成を有する。このような表示装置には、直視するモードで動作する直視型表示装置と、投影光学系によって画像や文字をスクリーン上に拡大投影する投影モードで動作する投影型表示装置とがある。

非発光型の表示素子としては、液晶表示素子、エレクトロクロミック表示素子、および電気泳動型表示素子などがあり、中でも液晶表示素子は、モニター、携帯情報端末、デジタルカメラ、携帯電話やプロジェクタに幅広く利用されている。

液晶表示素子は、マトリクス状に規則的に配列された画素電極に画像信号に対応した駆動電圧をそれぞれ印加することによって、画素部の液晶層の光学特性を変化させ、画像や文字などを表示するように構成されている。このため、液晶表示素子は、駆動電圧を印加する駆動方式により、単純マトリクス方式とアクティブマトリクス方式とに分類される。アクティブマトリクス方式では、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）素子やＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）素子などのアクティブ素子が液晶表示素子に設けられている。

図７を参照しながら、一般的なアクティブマトリクス型液晶表示素子の構造を説明する。

図７に示すように液晶表示素子１００は、互いに対向するように配置されたＴＦＴ基板などのアクティブマトリクス基板１０２およびカラーフィルタ基板などの対向基板１０３と、これらの基板の間に配置された液晶層１０４とを備えている。アクティブマトリクス基板１０２は、例えば照明装置側に配置され、対向基板１０３は観察者側に配置されている。

アクティブマトリクス基板１０２には、ガラスなどの透明絶縁性基板１０６と、透明絶縁性基板１０６上に形成されたＴＦＴなどのアクティブ素子（不図示）、画素電極１０５、画素電極１０５に駆動電圧を供給するための配線（不図示）とが設けられている。

対向基板１０３は、ガラスなどの透明絶縁性基板１０７と、透明絶縁性基板１０７上に形成された複数の着色層（不図示）、対向電極（不図示）、およびこれらを覆う配向膜（不図示）とを備えている。複数の着色層は、複数のカラーフィルタ層と遮光層とを含んでいる。

このようなアクティブマトリクス型液晶表示素子において、ＴＦＴなどのアクティブ素子に強い光が入射すると、ＯＦＦ状態における素子抵抗が下がり、電圧印加時に充電した電荷が放電されるだけでなく、アクティブ素子や配線が形成された領域に存在する液晶層に正規の駆動電圧が印加されず、本来の表示動作が実行されないため、例えば、黒表示状態で光漏れが発生し、表示のコントラスト比が低下するという問題がある。

従って、例えば透過型の液晶表示素子では、上述した領域に入射する光を遮断するために、カラーフィルタ基板（またはＴＦＴ基板）にブラックマトリクスと称される遮光層１０８が設けられている。そのため、透過型の液晶表示素子の場合には、各々遮光性のあるＴＦＴ、ゲートバスラインおよびソースバスラインに加えて、ブラックマトリクスによっても遮光されるため、画素の区画中に占める有効な画素部の面積、即ち開口率が低下する。

さらに、これらアクティブ素子や配線は、その電気的性能や製造技術などの制約から、ある程度以下の大きさで形成することは困難である。従って、液晶表示素子の高精細化、小型化に伴って、画素電極のピッチが小さくなるほど開口率がさらに低下し、輝度およびコントラストが低下するという問題が顕著になる。

このような問題は、例えば、透過反射両用型液晶表示素子（半透過型液晶表示素子）においても見られる。透過反射両用型液晶表示素子は反射型と透過型との両方のモードで表示する機能を有しており、反射型液晶表示素子が有する低消費電力という特徴と、透過型液晶表示素子が有する周囲の明るさに影響されることが少なく、明るい高コントラスト比の表示を行うことができるという特徴とを兼ね備えている。

図８を参照しながら、一般的な透過反射両用型液晶表示素子の構造を説明する。

図８に示すように透過反射両用型液晶表示素子２００は、互いに対向するように配置されたＴＦＴ基板などのアクティブマトリクス基板２０２およびカラーフィルタ基板などの対向基板２０１と、これらの基板の間に配置された液晶層２０３とを備えている。アクティブマトリクス基板２０２には、１つの画素領域に、周囲光を反射する反射電極２０５と、バックライトからの光を透過する透過電極２０４とが設けられており、使用環境（周囲の明るさ）に応じて、透過モードによる表示と反射モードによる表示との切り替え、または両方の表示モードによる表示を行うことができる。

対向基板２０１と反射電極２０５との距離ｄ１（反射領域の液晶層の厚さ）は、対向基板２０１と透過電極２０４との距離ｄ２（透過領域の液晶層の厚さ）の２分の１とする（ｄ１＝１／２×ｄ２）ことが好ましい。これにより、反射領域を通過する光のリタデーション（位相差）を、透過領域を通過する光のリタデーションと一致させることができ、高品位の表示を実現することができる。

しかしながら、透過反射両用型液晶表示では、反射領域をある程度広く確保する必要があるため、画素に対する透過領域の面積比率が低下して透過領域の開口率が低下し、透過モードにおける輝度やコントラストなどが低下するという問題がある。

上記の問題を解決する１つの方法として、液晶表示素子の個々の画素部に光を集光し、液晶表示素子の実効的な開口率を向上させるマイクロレンズなどの光屈折素子を設ける方法が実用化されている。

特許文献１には、アクティブマトリクス基板とバックライトとの間にマイクロレンズを設けることによってバックライトからの光を透過電極に集め、表示装置の輝度を高めた透過反射両用型液晶装置が開示されている。

特許文献２には、マイクロレンズ付対向基板を備えた投射型液晶表示装置が開示されている。特許文献２によれば、マイクロレンズを通過した入射光は集光されてＴＦＴ基板上に形成された遮光膜の開口部を通過するため、遮光膜で反射されることによる入射光の減衰が抑制され、画素部で高い光の透過率を示し、比較的小さい光量で明るい画像を形成することができる。

また、特許文献３には、固体撮像素子の組立工程時にマイクロレンズが破損するなどして固体撮像素子の感度が低下することを防止するため、マイクロレンズの硬度を高める方法が開示されている。詳細には、フォトレジストなどのマイクロレンズ形成用物質を用いてマイクロレンズを形成した後、当該マイクロレンズに光（例えば、ＤＵＶ）を照射することにより、マイクロレンズの鉛筆硬度を、約２から、約７以上の範囲まで高めている。

以下、図９（ａ）から（ｄ）を参照しながら、特許文献２に記載されたマイクロレンズの形成方法を説明する。図９（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、特許文献２に記載された図３（ｃ）、（ｄ）、および図４（ｆ）の各工程図に対応し、これらの工程図を模式的に示している。図９に示す液晶表示素子１００の構成は、前述した図７に示す液晶表示素子と同じである。したがって、図７に付した参照符号と同じ符号を、図９（ａ）から（ｄ）にも用いている。これは、後記する図５に示す液晶表示素子についても同様である。

まず、図９（ａ）に示すように、対向基板１０３の絶縁性基板１０７上に紫外線硬化性樹脂１１３を塗布する。

次に、図９（ｂ）に示すように、液晶層１０４を介して対向基板１０３と対向するように配置されるアクティブマトリクス基板１０２の方向から、画素開口部１１５を経て紫外線１１６を照射する。詳細には、紫外線１１６は、透明絶縁基板１０６に垂直な法線方向１１７に対して角度θ₁だけ傾斜した方向から照射する。その結果、紫外線１１６が照射された紫外線硬化性樹脂１１３の部分は硬化し、硬化部１１８ａが形成される。

続いて、透明絶縁基板１０６に垂直な法線方向１１７から紫外線１１６を照射し、紫外線１１６が照射された紫外線硬化性樹脂１１３の部分を硬化させる（不図示）。

次いで、図９（ｃ）に示すように、透明絶縁基板１０６に垂直な法線方向１１７に対して角度θ₂（＝−θ₁）だけ傾斜した方向から紫外線１１６を照射し、さらに他の硬化部１１８ｂを形成する。

最後に、紫外線１１６が照射されなかった紫外線硬化性樹脂１１３の部分（未硬化部）１１９を除去する。これにより、紫外線硬化性樹脂１１３の硬化部分（１１８ａおよび１１８ｂを含む）のみが残り、画素開口部１１５に対向する位置にマイクロレンズ５が形成される（図９（ｄ））。

このようにして形成されたマイクロレンズは、わずかに丸みを帯び、周囲よりも屈折率が高いためにマイクロレンズ効果（凸レンズ効果）が発揮される。
特開平１１―１０９４１７号公報 特開２００２−６２８１８号公報 特開２００２−３３４９８２号公報

液晶表示装置の液晶表示パネルは、高い生産性を得るために、多面取り法で生産されることが多い。例えば、表示領域２インチ程度の小型液晶表示パネルを作製する場合、まず、最終的な表示装置に用いられる複数枚の液晶表示パネルが一体に形成された大きなマスターパネルを作製し、これを分断することによって個々の液晶表示パネルを作製している。

図１０を参照しながら、複数の表示素子が形成された２枚のガラス基板を分断して個々の液晶表示パネルを作製する方法を説明する。まず、２枚のマザー基板（マザーガラス）１２１、１２２を用意する。一方のマザー基板１２１には複数の画像表示領域駆動電極（不図示）を形成し、他方のマザー基板１２２には当該画像表示領域に対応する共通電極（不図示）を形成する。次に、各画像表示領域毎にシール部材を設けて２枚のマザー基板を位置合わせして貼付し、複数の表示素子が形成されたマザー基板１２３を形成する。次いで、図１０に示すように、マザー基板１２３の上下に、マザー基板分断用治具１２４を用いて傷を入れ（スクライブ）、圧力を加えて個々の画像表示領域ごとに分断することによって個々の液晶表示パネルを作製する。

ここで、上記のように液晶表示パネルにマイクロレンズなどの光屈折素子を装着する場合、製造コストなどを考慮すると、表示素子が形成されたガラス基板を分断した後に個々の表示素子に対応してマイクロレンズを装着するよりも、表示素子が形成されたガラス基板を分断する前に、予め、個々の表示素子に対応してマイクロレンズを装着することが好ましい。

しかしながら、紫外線硬化性樹脂などの感光性樹脂を用いて形成されたマイクロレンズの硬度は、鉛筆硬度でＢ程度と比較的柔らかく、耐溶剤性も低いため、マイクロレンズに傷が付いたり剥離したりするなどの問題が生じる。例えば、ガラス基板を分断する前にマイクロレンズを形成する場合、分断工程やその後の品質検査工程、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）やＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の実装工程などにおいてマイクロレンズの損傷が発生しやすい。また、洗浄工程では、マイクロレンズが剥離するなどの問題が発生する。

このようなマイクロレンズの損傷は、上記方法に限られず、ガラス基板を分断した後にマイクロレンズを装着する場合にも同様に見られる。この場合は、特に、ＣＯＧやＦＰＣの実装工程においてマイクロレンズが損傷しやすい。

このように感光性樹脂を用いてマイクロレンズを形成する場合、マイクロレンズの損傷防止は重要な解決課題であるが、特許文献２には、この解決策は開示されていない。

マイクロレンズの損傷を防止するため、感光性樹脂を用いてマイクロレンズを形成するのではなく、ガラスを使用してマイクロレンズを形成する方法も考えられる。この方法によれば、高硬度のマイクロレンズが得られるため、マイクロレンズの損傷は低減される。具体的には、例えば、予め、ガラス基板を用いてマイクロレンズを作製しておき、表示素子が形成されたガラス基板を分断する前に、当該マイクロレンズを個々の表示素子に対応して貼り付ける方法が考えられる。

しかしながら、上記方法の場合、感光性樹脂を用いる方法では生じなかったさまざまな問題が発生する。まず、上記方法では、感光性樹脂を用いる方法に比べ、「ガラス基板を使用してマイクロレンズを形成する工程」および「当該マイクロレンズを表示素子が形成されたガラス基板に貼り付ける工程」の二つの工程が付加されるため、生産効率が低下する。また、上記方法では、表示素子を形成するための２枚のガラス基板とは別に、マイクロレンズを形成するためのガラス基板が必要であり、コストの上昇を招く。また、ガラス基板の分断時には、ガラス基板が合計３枚重ね合わさった状態で分断しなければならないが、中央のガラス基板に分断のための傷を精度よく入れることは、技術的に極めて困難である。さらに、ガラス基板の使用枚数の増加に伴って表示素子の厚さも増大するために薄型軽量化を実現できず、コストがますます上昇する。

あるいは、上記のように、表示素子を構成する２枚のガラス基板とは別のガラス基板を用いてマイクロレンズを形成するのではなく、当該２枚のガラス基板のうち一方のガラス基板の表面に、ドライエッチングなどを用いてマイクロレンズを直接形成する方法が考えられる。この方法によれば、使用するガラス基板の枚数は、感光性樹脂を用いてマイクロレンズを形成する方法と同様、２枚でよいため、ガラス基板の数の増加に伴って生じる上記の問題は生じない。

しかしながら、上記方法では、ガラス基板の表面に厚みが１０μｍを超えるレンズを、ドライエッチングなどを用いて精度よく形成しなければならず、レンズの形成位置も極めて厳格に調整しなければならないなど、技術面で多くの制約を抱えている。

このように、ガラス基板を用いてマイクロレンズを形成する方法は、感光性樹脂を用いる方法に比べ、コスト面でも技術面でも不利な点が多い。したがって、これらの点を勘案すれば、マイクロレンズは、感光性樹脂を用いて形成することが好ましい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、ガラス基板の分断過程などにおいて、マイクロレンズの損傷を有効に抑制することができる光屈折素子アレイ基板、およびその製造方法を提供することにある。

本発明の光屈折素子アレイ基板は、基板と、前記基板上に設けられた複数の光屈折素子を有する光屈折素子アレイとを備えた光屈折素子アレイ基板であって、前記複数の光屈折素子のそれぞれは、互いに異なる材料から形成された本体部と表層部とを有しており、前記表層部の硬度は前記本体部の硬度より高い。

ある好ましい実施形態において、前記表層部の硬度は鉛筆硬度で２Ｈ以上であり、前記本体部の硬度は鉛筆硬度でＢ以下である。

ある好ましい実施形態において、前記表層部は熱硬化性樹脂から形成されている。

ある好ましい実施形態において、前記表層部は、エポキシ樹脂およびシリカを含む樹脂から形成されている。

ある好ましい実施形態において、前記本体部は、光硬化性樹脂から形成されている。

ある好ましい実施形態において、前記本体部は凸部を有している。

ある好ましい実施形態において、前記複数の光屈折素子のそれぞれはマイクロレンズである。

ある好ましい実施形態において、前記複数の光屈折素子のそれぞれはレンチキュラーレンズである。

本発明による光屈折素子アレイ基板の製造方法は、基板上に、本体部と表層部とを有する光屈折素子が形成された光屈折素子アレイ基板の製造方法であって、光硬化性樹脂を用いて、前記基板上に前記光屈折素子の前記本体部を形成する工程と、熱硬化性樹脂を用いて、前記本体部よりも高い硬度を有する表層部を形成する工程とを包含する。

ある好ましい実施形態において、前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂および低級アルコキシ基含有シロキサンを含有する。

本発明の表示素子は、上記のいずれかの光屈折素子アレイ基板と、前記光屈折素子アレイ基板の前記基板側に設けられた表示媒体層と、前記表示媒体層を介して前記光屈折素子アレイ基板に対向するさらなる基板とを有する。

本発明における光屈折素子は、互いに異なる材料から形成された本体部と表層部とを含み、表層部は、本体部に比べて高い硬度を有しているため、以下の効果が発揮される。まず、表層部を本体部よりも硬くしたことにより、光屈折素子の表面の損傷（分断治具などによって傷が付きやすいなど）を有効に防止できる。一方、本体部を表層部よりも柔らかくしたことにより、光屈折素子の製造過程などにおける硬化収縮による歪みや反りを防止し得、組立て工程時などにおける割れを低減できるなどの効果が得られる。したがって、本発明によれば、破損し難く丈夫で、反りも見られず、傷が付き難い光屈折素子を提供できる。

本願発明者は、紫外線硬化性樹脂などの光硬化性樹脂（感光性樹脂）を用いて形成された光屈折素子が、ガラス基板の分断過程などで割れたり傷付いたりするという問題を解決するため、主に、光屈折素子の硬度を改善するという観点から、上記問題を検討した。その結果、単純に、光屈折素子全体の硬度を高くするのではなく、光屈折素子を、互いに異なる材料から形成した表層部と本体部とを含む構造とし、表層部の硬度が本体部の硬度よりも高くなるような光屈折素子を採用することにより、高硬度化された表層部の形成による光屈折素子の損傷防止作用と、低硬度化された本体部の形成による歪み防止作用や割れ防止作用とを兼ね備えた光屈折素子を提供できることを見出し、本発明を完成した。

好適な光屈折素子としては、本体部は、例えば、従来の比較的硬度の低い光硬化性樹脂を用いて形成し、表層部は、熱硬化性樹脂を用いて形成する。熱硬化性樹脂は、一般に、光硬化性樹脂よりも硬化収縮が小さく、機械強度などに優れる。また、高い硬度を有する材料の選択肢も広い。本体部を熱硬化性樹脂から形成すると生産性が低下するが、表層部だけに熱硬化性樹脂を適用しても生産性の低下は小さい。したがって、本発明によれば、本体部を光硬化性樹脂から形成することによる高い生産性を維持しつつ、表層部を熱硬化性樹脂から形成することによって表面の損傷を防止できるなどの効果が得られる。

これに対し、例えば、前述した特許文献３に記載されている方法で、光硬化性樹脂にＤＵＶを照射することによって架橋密度を高め、硬度を高めたマイクロレンズは、脆くて割れやすく、マイクロレンズの破損が見られる。また、架橋密度の増加に伴う硬化収縮による歪の発生（複屈折）も懸念される。さらに、マイクロレンズ全体の硬度が上昇すると、接着界面における接着性が低下するなどの問題もある。

以下、図面を参照して、本発明による実施形態の光屈折素子アレイ基板およびそれを備える表示素子および表示装置を説明する。以下の説明では、光屈折素子としてレンチキュラーレンズを例示し、表示素子および表示装置として液晶表示素子および透過型液晶表示装置を例示するが、本発明はこれらに限定されない。

まず、図１を参照しながら、光屈折素子として、カマボコ状のレンズを配列したレンチキュラーレンズを有する、本発明による実施形態のレンチキュラーレンズ基板１０の構成を説明する。

図１に示すように、レンチキュラーレンズ基板１０は、基板１と、基板１上に設けられた複数のレンチキュラーレンズ２ａを有するレンチキュラーレンズアレイ２とを備えている。複数のレンチキュラーレンズ２ａのそれぞれは、互いに異なる材料から形成された本体部３と表層部４とを有しており、表層部４の硬度は本体部３の硬度より高いことに本実施形態の特徴がある。

具体的には、表層部４の硬度は鉛筆硬度で２Ｈ以上であり、本体部３の硬度は鉛筆硬度でＢ程度であることが好ましい。このようにレンチキュラーレンズ２ａを、表層部４が硬く本体部３が柔らかくなるような積層構造とすることにより、レンチキュラーレンズの損傷を防止できるとともに、割れや反りを低減でき、丈夫で傷の付き難い光屈折素子が得られる。

鉛筆硬度は鉛筆引っ掻き値とも呼ばれ、ＪＩＳ Ｋ ５４００ ８．４に規定する方法によって測定される。鉛筆硬度は、高硬度側から順に、Ｈ（９Ｈ〜Ｈ）、Ｆ、ＨＢ、Ｂ（Ｂ〜６Ｂ）の１７段階で評価される。最も高い硬度は９Ｈであり、最も柔らかいのは６Ｂである。以下、本明細書では、特に断らない限り、「硬度」は「鉛筆硬度」を意味する。

本体部３は、レンチキュラーレンズを構成する主要部であり、主に、光学特性を発揮する部分である。製造工程における硬化収縮による反りを防止し、ガラス基板の分断過程などにおける割れを防止するため、本体部３の硬度は、好ましくはＢ程度とする。本体部３の硬度は、２Ｂ以上であることが好ましい。

表層部４は、本体部３の表面を被覆するように形成されている。表層部４は、レンチキュラーレンズ２ａの損傷を防止するために設けられ、本体部３の保護膜として作用する。このような作用を最も有効に発揮させるためには、表層部４は、本体部３の表面の全面を覆うように形成されていることが好ましいが、上記作用を発揮させることができる限り、本体部３の表面の少なくとも一部を覆うように形成されていればよい。

上記の保護作用を有効に発揮させるため、表層部４の硬度は、２Ｈ以上であることが好ましい。ただし、表層部４の硬度が高くなり過ぎると、レンズが割れるなどの問題が発生するため、上限を３Ｈとすることが好ましい。

本体部３との関係で言えば、本体部３の硬度と表層部４の硬度との差（硬度差）は、前述した鉛筆硬度試験における評価基準に従えば４段階の範囲内であることが好ましい。これにより、本体部３および表層部４の形成による上記作用が有効に発揮される。

表層部の厚さは、レンチキュラーレンズの損傷を防止するため、おおむね、１μｍ以上であることが好ましい。ただし、表層部の厚さが約１０μｍを超えると、レンチキュラーレンズ間に表層部を構成する材料が入り込み、レンズの機能が損なわれるなどの問題が生じるため、上限を５μｍ程度とすることが好ましい。

本体部３は、特許文献２に記載されているように、感光性樹脂から形成されていることが好ましい。前述したとおり、感光性樹脂を用いれば、レンチキュラーレンズなどの光屈折素子を低コストで簡便に作製できるほか、本体部３の硬度を、上記の好ましい範囲内に調整しやすい。

本体部３に用いられる感光性樹脂は、紫外線などの光によって硬化する紫外線硬化樹脂など、光屈折素子の形成に通常用いられる光硬化性樹脂であれば特に限定されず、例えば、アクリル系樹脂、ビニル系樹脂などの有機樹脂が挙げられる。

表層部は、熱硬化性樹脂から形成されていることが好ましい。これにより、表層部４の硬度を上記の好ましい範囲内に容易に調整できるほか、耐熱性などの特性も高められる。

表層部４に用いられる熱硬化性樹脂は、光屈折素子の形成に通常用いられる樹脂であれば限定されず、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂およびこれに充填材を混合したものなどが挙げられる。なかでも、表層部は、エポキシ樹脂およびシリカを含む樹脂（ハイブリッド樹脂）から形成されていることが、より好ましい。上記のハイブリッド樹脂を用いれば耐熱性が一層高められるほか、光屈折素子に要求される他の特性も向上する（詳細は後述する）。

表層部４は、エポキシ樹脂および低級アルコキシ基（例えば、メトキシ基など）含有シリカを含むハイブリッド樹脂から形成されていることが好ましい。上記樹脂は、基板１に対する密着性に優れているだけでなく、動的粘弾性や耐熱性、力学強度や電気絶縁性なども良好である。具体的には、例えば、荒川化学工業製のコンポセランＥシリーズ（コンポセランＥ１０２、コンポセランＥ１０２Ａ、コンポセランＥ１０２Ｂ、コンポセランＥ１１２、コンポセランＥ２１２、コンポセランＥ２２２など）を用いることができる。これらは、高温で軟化せず（Ｔｇレス）、熱膨張係数が小さく、耐熱密着性にも優れるなどの利点を有している。上記樹脂は、例えば、エポキシ樹脂とメトキシ基含有シロキサンの縮合物を硬化させることによって得られる。上記樹脂の構造や調製方法などは、例えば、特開２０００−２６５０６１号公報、特開２００２−２９３９３３号公報、特開２００３−４８９５３号公報などに記載されている。

基板１に用いられる材料は特に限定されず、液晶表示素子などに通常、用いられる透明の絶縁性基板が用いられ、ガラス基板や石英基板などが例示される。

本実施形態のレンチキュラーレンズ基板は、図２に示すように、液晶表示素子１０の短辺方向に沿ってカマボコ状のレンズを配列したレンチキュラーレンズ２ａを用いた。詳細には、図３に示すように、それぞれが画素の行（画素行）５１に対応して設けられた複数の半円柱状を有するレンチキュラーレンズ２ａを用いた。

光屈折素子の種類および配置は、これに限定されない。例えば、図４に示すような、微小単位レンズを面状に配列した球面状のマイクロレンズ５を使用してもよい。また、光屈折素子として、プリズムを使用することも可能である。これらは、用途などに合わせて選択することができる。

本実施形態に用いられる光屈折素子は、基板のバックライト側（光源側）に形成してもよいし、基板の観察者側に形成してもよい。

図５は、基板の光源側に光屈折素子アレイ基板が形成された液晶表示素子の構成を模式的に示す図である。詳細には、アクティブマトリクス基板の光源側にレンチキュラーレンズが形成されている。本実施形態の液晶表示素子１００は、マトリクス状に配列された画素を有し、液晶表示素子の大きさ（対角線サイズ）は２．４インチである。

図５に示すように、複数のレンチキュラーレンズ２ａは、ＴＦＴ基板などのアクティブマトリクス基板１０２の光源側に形成されている。レンチキュラーレンズ２ａのピッチＰは１５３μｍであり、レンチキュラーレンズの焦点（光束の断面積が最小となる点、すなわち収束点）は、画素開口部１０５内に形成されることが好ましい。このようにレンチキュラーレンズをアクティブマトリクス基板１０２の光源側に形成すれば、レンチキュラーに入射したバックライトなどからの光は、液晶表示素子の各画素部に集光され、レンチキュラーの実効的な開口率の向上効果によって表示装置の輝度が高められる。

本実施形態の液晶表示素子において、レンチキュラーレンズ基板は、図５に示すように、レンチキュラーレンズの表面（表層部）が露出しており、接着層などを介して他の基板に接合されていない。この点で、例えば、特許文献２の図７（ｅ）に示されているように、レンチキュラーレンズを保護するカバー透明絶縁基板が接着層を介して透明絶縁性基板に接合されたマイクロレンズ付き透明絶縁基板と相違する。

なお、図５では、アクティブマトリクス基板の光源側にレンチキュラーレンズが形成されているが、カラーフィルタ基板などの対向基板の光源側にレンチキュラーレンズを形成してもよい。

あるいは、本実施形態に用いられる光屈折素子は、基板（アクティブマトリクス基板または対向基板）の観察者側に形成してもよい。これにより、周囲から入射した光が光屈折素子によって拡散され、視野角が向上する。また、透過反射両用型液晶表示素子の場合、周囲から入射した光を、反射電極に高効率で集光させることができる。

さらに、本実施形態のレンチキュラーレンズ基板は、上記のような直視型表示装置に限られず、小さなパネルを大画面に拡大投影するプロジェクタなどの投影型表示装置にも用いられる。

次に、本発明によるレンチキュラーレンズ基板の製造方法の実施形態を説明する。

本実施形態のレンチキュラーレンズ基板における本体部は、好ましくは、特許文献２に記載されたように、紫外線硬化性樹脂などの感光性樹脂を用いて形成する。具体的には、前述した図９（ａ）から（ｃ）に示す方法により、レンチキュラーレンズ基板の本体部を形成する。図９に示す方法では、紫外線の照射角度を同一面上でθ₁〜０〜θ₂（＝−θ₁）の範囲で変化させることによってレンチキュラーレンズ基板を作製したが、これに限定されず、紫外線の照射角度を異なる面上で変化させるとともに、紫外線の強度を適切に変化させてもよい。紫外線の照射角度は、レンチキュラーレンズを形成する領域や形状などによって適宜、決定され得る。

本体部の硬度や厚さは、使用する感光性樹脂の種類、照射される光の波長や強度、時間などによって調整することができる。例えば、Ｂ程度の硬度を有し、厚さが約３０μｍの本体部を備えたレンチキュラーレンズ（レンズのピッチ：１５３μｍ）を作製する場合、ガラスなどの透明性絶縁性基板に感光性樹脂を塗布し、波長４２０ｎｍ以下の紫外線を約３０ｍＷ／ｃｍ²の強度で照射することが好ましい。前記透明性絶縁性基板の厚みについては、使用目的に最適となるように決定すればよい。

次に、本体部の表面の少なくとも一部を覆うようにして表層部を形成する。表層部は、例えば、熱硬化性樹脂を用い、スピンコート法などの方法によって本体部を塗布した後、１００℃以上の温度で１時間程度硬化させることにより、所定の硬度を備えた表層部を形成することが好ましい。熱硬化性樹脂の使用により、表層部の硬度を容易に本実施形態の好ましい範囲内に調整でき、丈夫で傷が付き難いレンズが得られるだけでなく、耐熱性などの特性も向上する。

表層部に用いられる熱硬化性樹脂は、特に、前述したエポキシ樹脂および低級アルコキシ基含有シロキサンを含有するハイブリッド樹脂を用いることが、より好ましい。上記のハイブリッド樹脂中、シロキサン部分は硬化反応によってシリカに変化する。このようにして形成される表層部は、硬化後の硬度が２Ｈ以上であり、耐熱性や力学特性に極めて優れているほか、アセトンやエタノールなどの溶剤に対する耐溶剤性も非常に良好であり、光屈折素子としての特性を総合的に高めることができる。

具体的には、例えば、上記のようにして形成された本体部の表面に、荒川化学工業製のコンポセランＥ１０２などを用いてスピンコート法などによって塗布し、約１３０℃の温度で約１時間硬化させる。このようにして形成された表層部の硬度は、２Ｈ程度である。また、弾性率は約１×１０¹⁰Ｐａである。

このようにして得られた光屈折素子は、透明で割れや反りの発生は全く見られず、傷も付き難い。例えば、鉛筆硬度試験によって耐傷付き性を評価したところ、本実施形態の光屈折素子に傷は全く観察されなかった。

これに対し、本実施形態のように本体部と表層部とを含む積層構造を有していない光屈折素子の場合、以下のような不具合が生じる。例えば、感光性樹脂のみによって光屈折素子を形成して上記と同様にして耐傷付き性を評価したところ、当該光屈折素子の表面には多くの傷が発生した。また、熱硬化性樹脂のみによって光屈折素子を形成した場合、反りが発生した。さらに、上記の光屈折素子が装着されたガラス基板を分断すると、割れが多く見られた。

なお、本実施形態では、カマボコ状のレンチキュラーレンズを形成したが、これにより、球面状のマイクロレンズに比べ、表層部の形成によるレンズの損傷防止作用などを有効に発揮できる。レンチキュラーレンズの表面に塗布された熱硬化性樹脂は容易に拡散し、均一な厚さを備えた表層部が得られやすいからである。

次に、図６を参照しながら、本実施形態の液晶表示装置を説明する。図６は、図５に示す液晶表示素子を備えた液晶表示装置の構成を模式的に示す断面図である。

図６の液晶表示装置３００は、液晶表示素子３０１と、バックライト部３０２とを有している。

液晶表示素子３０１は、光入射側に配置されたレンチキュラーレンズアレイ基板３０３と、基板（例えば対向基板）３０４とを有している。レンチキュラーレンズアレイ基板３０３と基板３０４との間には液晶層（不図示）を有し、基板３０３の液晶層側には、液晶層の各画素部に所定の電圧を印加するための電極（不図示）や、さらに必要に応じて配向膜（不図示）が設けられている。液晶表示素子３０１は、一対の偏光板（典型的にはパネルの前後に配置される）や、必要に応じて位相差板（例えばパネルの光出射側に配置される）をさらに有する（いずれも不図示）。

バックライト部３０２は、光源３０５と導光板３０６とを有し、導光板３０６の少なくとも一方の端面（入射端面）に光源３０５を配置したエッジライト方式の構成を有している。ただし、バックライト部３０２は、エッジライト方式の構成に限定されず、直下型の照明装置などを用いてもよい。光源３０５としては、例えば発光ダイオードや冷陰極管などが用いられる。バックライト部３０２からの光３０７をレンチキュラーレンズによって十分集光するには、バックライト部３０２から出射される光の平行度が高い（例えば出射光の輝度の半値幅が±５°以内である）ことが好ましい。

本発明の光屈折素子アレイ基板は、透過型、反射型、透過反射両用型（半透過型）の直視型液晶装置や、投影型表示装置などの様々な液晶表示装置に適用することができる。また、液晶表示装置の表示モードも限定されず、ＴＮ型をはじめ、ＭＶＡやＩＰＳなどの種々の表示モードに適用できる。さらに、アクティブマトリクス型液晶表示装置の他、液晶層以外の表示媒体層、例えば電気泳動層などを有する他のタイプの表示装置を含む種々のカラー表示装置に用いることが可能である。

本発明の実施形態におけるレンチキュラーレンズ基板の構成を示す断面図である。 本実施形態のレンチキュラーレンズ基板の構成を示す斜視図である。 本実施形態のレンチキュラーレンズ基板において、画素行とレンチキュラーレンズとの関係を説明するための図である。 球面形状のマイクロレンズを備えた表示素子の構成を示す斜視図である。 本実施形態のレンチキュラーレンズ基板を備えた液晶表示素子の構成を示す断面図である。 図５に示す液晶表示素子を備えた液晶表示装置の構成を示す断面図である。 一般的なアクティブマトリクス型液晶表示素子の構成を示す断面図である。 一般的な透過反射両用型液晶表示素子の構成を示す断面図である。 （ａ）から（ｃ）は、特許文献２に記載されたマイクロレンズ基板の製造工程を示す模式的な断面図であり、（ｄ）は、上記工程によって得られたマイクロレンズ基板を備えた表示素子の構成を示す断面図である。 分断用治具を用いて２枚のガラス基板を分断する方法を説明するための概略図である。

符号の説明

１ 基板
２ａ レンチキュラーレンズ
２ レンチキュラーレンズアレイ
３ 本体部
４ 表層部
５ マイクロレンズ
１０ レンチキュラーレンズ基板
５１ 画素行
１００ 液晶表示素子
１０２ ＴＦＴ基板などのアクティブマトリクス基板
１０３ カラーフィルタ基板などの対向基板
１０４ 液晶層
１０５ 画素電極
１１５ 画素開口部
１０６、１０７ 透明絶縁性基板
１０８ 遮光層
１１３ 紫外線硬化性樹脂
１１５ 画素開口部
１１６ 紫外線
１１７ 透明絶縁基板１０６に垂直な法線方向１１７
１１８ａ、１１８ｂ 硬化部
１２１、１２２ マザー基板（マザーガラス）
１２３ 表示素子が形成されたマザー基板
１２４ 分断用治具
２００ 透過反射両用型液晶表示素子
２０１ カラーフィルタ基板などの対向基板
２０２ ＴＦＴ基板などのアクティブマトリクス基板
２０３ 液晶層
２０４ 透過電極
２０５ 反射電極
３００ 液晶表示装置
３０１ 液晶表示素子
３０２ バックライト部
３０３ レンチキュラーレンズアレイ基板
３０４ 基板（例えば対向基板）
３０５ 光源
３０６ 導光板
３０７ 光

Claims (11)

1. 基板と、前記基板上に設けられた複数の光屈折素子を有する光屈折素子アレイを備えた光屈折素子アレイ基板であって、
   前記複数の光屈折素子のそれぞれは、互いに異なる材料から形成された本体部と表層部とを有しており、
   前記表層部の硬度は前記本体部の硬度より高い、光屈折素子アレイ基板。
2. 前記表層部の硬度は鉛筆硬度で２Ｈ以上であり、前記本体部の硬度は鉛筆硬度でＢ以下である、請求項１に記載の光屈折素子アレイ基板。
3. 前記表層部は熱硬化性樹脂から形成されている請求項１または２に記載の光屈折素子アレイ基板。
4. 前記表層部は、エポキシ樹脂およびシリカを含む樹脂から形成されている請求項３に記載の光屈折素子アレイ基板。
5. 前記本体部は、光硬化性樹脂から形成されている請求項１から４のいずれかに記載の光屈折素子アレイ基板。
6. 前記本体部は凸部を有している、請求項１から５のいずれかに記載の光屈折素子アレイ基板。
7. 前記複数の光屈折素子のそれぞれはマイクロレンズである、請求項１から６のいずれかに記載の光屈折素子アレイ基板。
8. 前記複数の光屈折素子のそれぞれはレンチキュラーレンズである、請求項１から６のいずれかに記載の光屈折素子アレイ基板。
9. 基板上に、本体部と表層部とを有する光屈折素子が形成された光屈折素子アレイ基板の製造方法であって、
   光硬化性樹脂を用いて、前記基板上に前記光屈折素子の前記本体部を形成する工程と、
   熱硬化性樹脂を用いて、前記本体部よりも高い硬度を有する表層部を形成する工程と、
   を包含する光屈折素子アレイ基板の製造方法。
10. 前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂および低級アルコキシ基含有シロキサンを含有する樹脂である請求項９に記載の光屈折素子アレイ基板の製造方法。
11. 請求項１から８のいずれかに記載の光屈折素子アレイ基板と、
    前記光屈折素子アレイ基板の前記基板側に設けられた表示媒体層と、
    前記表示媒体層を介して前記光屈折素子アレイ基板に対向するさらなる基板と、
    を有する表示素子。

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