JP2010128430A - 光学シート、光学シートの製造方法、照明装置、投影装置、看板および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ＬＥＤバックライトユニットの場合、光源の輝度がＣＣＦ
Ｌよりもはるかに高いので、印刷層が拡散しなくてはならない光量が増加し、結果として限られた印刷層の厚さでは拡散効果が十分な光学シートを提供する。
【解決手段】 透明基材の片面から入射する光を拡散して該透明基材の他方の面から射出する光学シートであって、前記透明基材に光拡散性を有するインクが所定のパターンで印刷されて光拡散部が形成され、かつ光拡散部を構成するインクが、体積空隙率５％〜４０％であるドライハイドであることを特徴とする光学シートである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、点光源または線光源による光を均一な面光源にするための拡散板に関するもので、光源から発生した光を均一化するための拡散材料および該拡散材料を用いた拡散パターンの技術に関する。

液晶テレビ、液晶モニター、看板、標識・表示、照明器具などに使用されるバックライトユニットのうち、光源が直下型のものは、光源の真上が明るく光源の間は相対的に暗くなる傾向があり、そのままだと輝度の面内不均一が生じる。そのため、従来のバックライトユニットでは光源からの光を拡散して均一化する工夫が行われている。

例えば、特開平６−１１１６１２号公報（特許文献１）や特開２００６−３０８３９号公報（特許文献２）には、無機顔料や有機粒子などの拡散子を樹脂板中に分散し、これによって樹脂板に入った光を拡散して均一化を図るという技術である。しかし、このような拡散板を単独で用いると拡散効果は不十分で、光源の真上の輝度が高くなるのは避けられない。特に、近年の薄型液晶表示装置は、光源と拡散板の距離が近くなる傾向があり、相対的に光源の間隔が開いていることになるため、明らかに光の拡散効果が不十分となる。

一方、拡散子を印刷によって透明板上に付与し、かつ印刷する領域の密度や大きさ、あるいは濃度を変化させることによって、光源の真上は拡散効果が高くなり光源の間は徐々に拡散効果が低くなるようにパターニングされた拡散板が提案されている。例えば、特開２００４−１７０６９８号公報（特許文献３）には、ドット印刷で拡散板上にグラデーションパターンを作成し、かつそのパターンは輝度分布反転像に基づいて設計されたグラデーションであるという技術が紹介されている。また、特開２００３−１５６６０２号公報（特許文献４）には、インク塗布層が光源の位置に対応して厚みが変化するように形成される光拡散板が記載されている。

これらの方法は、必要なところに必要な量の拡散子を配置できるので、より効果的に光源からの光を均一化できるという利点がある。実際に、光源と拡散板の距離が極めて短い薄型液晶画像表示装置のバックライトユニットにおいても、このようなパターン印刷による光拡散手段を用いれば、効果的に光源の光を分散して均一化することが可能である。透明基材に対するパターン印刷による光拡散のもう一つのメリットは、使用する拡散子が少なくて済むので、拡散子を樹脂中に練りこんだ拡散板と比較して、熱拡散による光のロスが小さいということである。

一方、通常の顔料インクは、図１のように樹脂中に顔料粒子が分散した構成であるため、インク中の顔料の混合率を上げていくと、ある一定の顔料体積濃度までは粒径に依存して隠蔽力が決定されるが、顔料体積濃度が２０％付近を越える高濃度領域になると、マトリックス樹脂だけでは顔料粒子間の空間を埋めることができなくなり、インク層に空気が入った空隙が発生することが知られている。

特開平６−１１１６１２号公報 特開２００６−３０８３９号公報 特開２００４−１７０６９８号公報 特開２００３−１５６６０２号公報

しかしながら、近年の冷陰極管光源（以下ＣＣＦＬとも言う。）による薄型バックライトユニットやＬＥＤバックライトユニットでは、実際にパターン印刷で輝度ムラを完全にゼロにすることが極めて困難である。これは、近年のＣＣＦＬによる薄型バックライトユニットの場合、光源と拡散部材との距離が近いので、印刷層が拡散しなくてはならない光量が増加し、また、ＬＥＤバックライトユニットの場合、光源の輝度がＣＣＦＬよりもはるかに高いので、印刷層が拡散しなくてはならない光量が増加し、結果として限られた印刷層の厚さでは拡散効果が不十分となる可能性がある。

印刷層の厚さはインクの種類や印刷方式にもよるが、例えばオフセット印刷では約２μｍ程度、スクリーン印刷では約１５μｍ、インクジェット印刷では約３０μｍ程度までが通常得られるインク層の厚さであり、この程度では、薄型バックライトユニットやＬＥＤバックライトユニットの場合光源の直上付近で拡散効果が不足して輝度ムラを生じる。
印刷を重複することで印刷層厚さを増加することは可能であるが、工程数が増えるだけでなく、経済性に劣り、さらに印刷層の厚さが１００μｍ以上になるとインク層にひびが入ったり、剥落するという問題を生じる。

本発明者らはかかる事情に鑑み、パターン印刷による光学シートの光拡散効果を飛躍的に高め、かつインク塗膜の厚さを比較的薄くする手法として、塗膜を構成するインクの体積空隙率が５％〜４０％であるドライハイドを採用することが効果的であるということを見出し、本発明に達した。ここで、ドライハイドとは、マトリックス相が空気（屈折率１．００）とマトリックス樹脂（屈折率１．４〜１．６程度）を含有することで、その平均屈折率（見かけ屈折率）が大幅に減少し、顔料粒子とマトリックス相の屈折率の差が大きくなり、顔料粒子の光散乱性能が増加したインク塗膜（以下印刷層ともいう。）をいう。

即ち、本発明によれば、以下の技術の提供が可能である。
[１] 透明基材の片面から入射する光を拡散して該透明基材の他方の面から射出する光学シートであって、前記透明基材に光拡散性を有するインクが所定のパターンで印刷されて光拡散部が形成され、かつ光拡散部を構成するインクが、体積空隙率５％〜４０％であるドライハイドであることを特徴とする光学シート。
[２] 透明基材に印刷される光拡散性インクの直線光透過率を０％から１００％の範囲で任意に変えて階調を有する光拡散部を形成し、前記光拡散部の光拡散性が前記透明基材内で部分的に任意に変化するようにした上記[１]に記載の光学シートである。

[３] 印刷された領域は、光源に正対する領域に形成されたドット集合体であり、光源から遠ざかるにしたがって徐々にドットの密度を低下あるいはドットの直径を減少することにより、一定面積あたりの印刷領域の面積を調整する、[１]または[２]に記載の光学シートである。
[４] 印刷された領域は、光源に正対する領域に形成された濃度階調であり、光源から遠ざかるにしたがって徐々に印刷層の厚さを減少する、[１]または[２]に記載の光学シートである。
[５] 印刷に用いる光拡散性を有するインクが溶剤中に樹脂バインダーと光拡散剤を分散したものであり、印刷後溶剤が気化する際に空隙ができる、[１]または[２]に記載の光学シートである。

[６] 前記[１]〜[５]のいずれかに記載の光学シートの製造方法である。
[７] 前記[１]〜[５]のいずれかに記載の光学シートを一部に組み込んだ照明装置、投影装置、看板および画像表示装置である。

ドライハイド拡散体を用いた場合、従来のインク印刷法で同等の拡散効果を得る場合と比較して、インク塗膜の厚さが薄いため輝度の低下を少なくすることができる。
また、非常に高い隠蔽力を持ち、光拡散性が高いので、インク層の厚さが薄い場合でも十分な光拡散効果を得ることができる。
さらに、高度な隠蔽性の必要とされる近年のＣＣＦＬによる薄型バックライトユニットや、ＬＥＤバックライトユニットにおいても、ドライハイドによるインク塗膜でパターン印刷した光学部材は、輝度の均斉化に優れている。

本発明のドライハイドからなるインク塗膜とは、具体的には、インク層の体積空隙率が５％〜４０％の範囲で作製される。ドライハイドの模式図を図２に示し、製造法について詳述する。

本発明の拡散板またはシートなどの透明基材の材料としては、例えば、ガラス基板、透明プラスチックシート等の可視光を透過する部材が用いられる。さらに、透明プラスチックシートを構成する透明樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、トリアセテートセルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル樹脂などが挙げられる。また、透明基材には、可視光を透過する範囲で、着色剤が含まれていてもよいし、光拡散性粒子が均一に含まれていてもよい。

本発明では基材の片面または両面に印刷法によりインクを印刷し、光の拡散機能を持たせる。印刷方法としては、例えば、オフセット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷、インクジェット印刷、昇華転写等が挙げられる。

上記印刷に用いるインクの色としては、白色インク、黒色インク、灰色インク等が可能であるが、特に白色インクは光のロスが少なく、本発明の主旨である拡散光の輝度向上に適しているためこれを用いることが好ましい。

白色顔料インク組成物には、溶剤、白色顔料、分散剤、及び対象物表面への固着剤としての樹脂が基本成分として含まれる。インク組成物における白色顔料としては、酸化チタン（ＴｉＯ_２、チタンホワイト） 、シリカ（ＳｉＯ_２)、炭酸カルシウム、タルク、クレー、ケイ酸アルミニウム、塩基性炭酸鉛（２ＰｂＣＯ_３Ｐｂ（ＯＨ）_２ 、シルバーホワイト）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、ジンクホワイト）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３、チタンストロンチウムホワイト）、硫酸バリウムなどが単独または混合系で使用できる。酸化チタン以外の白色顔料は、必要により分散補助等の目的で顔料全体の３割程度までの量で使用するのが一般的である。

特に酸化チタンは、他の無機白色顔料と比べると比重が小さいため分散安定性があり、屈折率が大きく光学拡散性に優れ、化学的、物理的にも安定である。このため、顔料としての隠蔽力や光学拡散性が大きいので、本発明に使用される無機白色顔料としては酸化チタンを主成分として用いるのが好ましい。拡散光の色目を調整する目的で、上記白色顔料を混合することも可能である。

インク組成物における樹脂としては、ケトン樹脂、スルホアミド樹脂、マレイン酸樹脂、エステルガム、キシレン樹脂、アルキド樹脂、ロジン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、アクリル系樹脂、メラミン系樹脂、セルロース樹脂、ビニル樹脂、フェノール樹脂、エステル樹脂などが使用できるが、中でもアクリル系樹脂が好適に使用できる。

インク組成物における有機溶剤は樹脂の溶解、粘度の調整などを目的として使用するものでありトルエン、キシレン、エチルベンゼンなどの芳香族炭化水素系溶剤、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、イソヘプタン、ｎ−オクタン、イソオクタンなどの脂肪族炭化水素系溶剤、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサンなどのシクロパラフィン系溶剤、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶剤などが単独又は混合物の形で使用できる。有機溶剤の使用量は、インク組成物全体の３０〜９０質量％程度である。

その他黒インクや灰色インクで印刷することも可能である。黒インクや灰色インクの場合、ある程度光のロスが生じるため、透過率は多少減少する傾向になるが、光の廻り込みが少ないため、後述する輝度均整化のための印刷によるパターニングは容易になるという利点もある。例えば、黒インクとしてカーボンブラックを含むインクセット、灰色インクとして上記白インクと金属粒子の混合物等が使用可能である。

本発明のドライハイドのインク塗膜は、上述のインクを印刷したものである。印刷層上面の形状は特に制限されない。例えば、上面が円形状、三角形状、四角形状、楕円形状等のドットや、帯状、ベタ塗り等などが挙げられる。
輝度調整手段として、ドットの密度や直径の調整、およびベタ塗りの印刷層の厚さを調整することによる濃度階調が可能である。ドットを印刷する場合、レイアウトが容易であるという観点から、ドット形状は円形を選択することが好ましい。
また、印刷層の形状が円形状のドットである場合、その直径は５〜１００μｍであることが好ましい。印刷層の直径が５μｍ以上であれば、光拡散性をより高くでき、１００μｍ以下であれば、ドットが充分に小さいため、ドットとして視認されず、粒状感のないパターンを形成できる。

印刷層の厚みは、０．５〜１００μｍであることが好ましい。印刷層の厚みが０．５μｍ以上であれば、光拡散性をより高くでき、１００μｍ以下であれば、印刷層の基材からの剥離を抑制できる。

印刷層のドットは、所定のパターンで設けられている。例えば、印刷層上面の形状が円形状のドットを用いる場合、所定のパターンは光学フィルムに求められる光拡散性に応じて適宜設定される。即ち、光拡散性が強く求められる程、単位面積あたりのドットの面積比率が高くなるように設定される。

所定のパターンで印刷された印刷層は、光源からの光を拡散し、輝度の均整度を効率的に向上する。その結果、光学シートを通過した光の強度分布を測定すると、輝度の均一性が図られる結果となる。例えば、液晶表示装置のバックライトユニットに使用された場合、光源直上の単位面積あたりのドットの面積比率が高くなるようにし、光源から遠ざかるにしたがって徐々にドットの密度を低下あるいはドットの直径を減少するように調整する。特に、ドットの直径を調整する方法を用いる場合は、ハーフトーン若しくはグレイスケールの考え方に基づき、いわゆる網点の要領を用いることができるので、簡便である。

また、光学フィルム内で求められる光拡散性が一様でない場合には、求められる光拡散性に合わせて、単位面積あたりのドットの面積比率も一様でないものとする。
例えば、ドットパターンは、基材の一方の面の一部の領域にドットが均一に配置され、残りの領域にドットが設けられていないパターンとすることができる。
また、基材の一方の面に、１個あたりの面積が略均一なドット印刷が、単位面積あたりのドット数が多い高光拡散性領域と、該高光拡散性領域より単位面積あたりのドット数が少ない低光拡散性領域とを有するように設けられているパターンであってもよい。
また、基材の一方の面に、単位面積あたりの個数が同一であるドット状のパターン発泡層で、１個あたりのドットの面積が大きい高光拡散性領域と、該高光拡散性領域より１個あたりのドットの面積が小さい低光拡散性領域とを有するパターンであってもよい。
また、ドットパターンは、単位面積あたりのドットの面積比率が、基材の一方向に沿って漸次増加するパターンや、基材の一方向に沿ってドットの面積比率が周期的に変化するパターンであってもよい。
また、ドットが基材の一方の面の全面に均一に分散して設けられたパターンであっても差し支えない。

もうひとつの均斉度調整方法として、ベタ塗りの印刷層を設け、この印刷層の厚さを調整する濃度階調がある。即ち、光源に正対する領域に形成された濃度階調であり、光源直上の印刷層厚さが大きくなるようにし、光源から遠ざかるにしたがって徐々に印刷層の厚さを減少することで、光学シートを通過した光の均整化を図ることも可能である。

また、光学フィルム内で求められる光拡散性が一様でない場合には、求められる光拡散性に合わせて、ベタ塗り印刷層の厚さも一様でないものとする。
例えば、ベタ塗り印刷層は、基材の一方の面の一部の領域に一定の厚さに印刷され、残りの領域に印刷層が設けられていないパターンとすることができる。
また、基材の一方の面に、ベタ塗り印刷層の厚さが大きい高光拡散性領域と、該高光拡散性領域よりベタ塗り印刷層の厚さが小さい低光拡散性領域とを有するように設けられているパターンであってもよい。
また、ベタ塗り印刷層の厚さが基材の一方向に沿って漸次増加するパターンや、基材の一方向に沿ってベタ塗り印刷層の厚さが周期的に変化するパターンであってもよい。
また、ベタ塗り印刷層が基材の一方の面の全面に一定の厚さで設けられたものであっても差し支えない。
また、印刷面が基材の両面であっても良い。即ち、印刷パターンを基材の一方の面に作成し、もう一方の面に別の印刷パターンを設けることが可能である。また、これらのどちらかの面の印刷層を部分的もしくは全面的なベタ塗りとしても差し支えない。

本発明では、光拡散性インクの直線光透過率を０％から１００％の範囲で任意に変えて階調を調整する。直線光透過率は、どの様な光学機器によって測定してもよいが、簡便に測定するにはＪＩＳ−Ｋ７１０５に準拠したヘーズメーターで行うのが好ましい。

以上のようにして基材の少なくとも一方の面に光を拡散するドライハイド印刷層を持つ光学シートが完成する。このような構成の光学シートは、印刷層の設計通りに光を拡散することができ、バックライトユニットの輝度の均斉化に有用である。

（実施例１）
実施例１は、ドライハイド印刷層を有する光学フィルムを作製し、その光学フィルムを用いて直下型バックライトユニットを得る例である。
（インク作成工程）
平均粒径１．２μｍのアナターゼ型酸化チタン粒子とメチルエチルケトン（広島和光製一級）のそれぞれ所定量を、市販のUV硬化白インク（東洋インキ製FDOニュー青口T白HF1ロ）中に混合・攪拌した。作成した混合インクを塗工・乾燥したインク層の見かけ比重と灼熱減量の測定から、混合インク印刷層は顔料体積濃度が５９．２％、樹脂体積濃度が７．２％、空隙率が３３．６％のドライハイドであることがわかった。

（ドット印刷工程）
ポリエチレンテレフタレートシートの表面に対し、前述の混合インクを用いて、図３のような所定のパターンドットをスクリーン印刷機（ニューロング精密工業LS-56TVA）で印刷した。印刷後、露光機を用いて２２０〜２８０ｍＪ／ｃｍ^２の紫外線を、印刷した濃度階調のインク層に対し、基材の屈折率傾斜構造の面側から照射して、UV硬化インキを硬化させた。得られたパターン印刷層の厚さは１０．５μｍであった。

（輝度測定）
得られた光学フィルムを、図４のように光拡散性領域が冷陰極管からなる光源の直上に位置するように取り付けて、直下型バックライトユニットを作製した。
この直下型バックライトユニットの光源を発光させて、輝度およびその分布をトプコン製輝度色度ユニフォミティ測定装置ＵＡ−１０００により測定した結果、均一な面発光が得られ、充分な輝度を有していることを確認できた。平均輝度のデータを表１に示す。

（比較例１）
印刷層に用いるインクを通常のものとすることを除いて、比較例１は、実施例１と全く同じである。
（ドット印刷工程）
ポリエチレンテレフタレートシートの表面に対し、市販のUV硬化白インク（東洋インキ製FDOニュー青口T白HF1ロ）を用いて、図３のような所定のパターンドットをスクリーン印刷機（ニューロング精密工業LS-56TVA）で印刷した。印刷後、露光機を用いて２２０〜２８０ｍＪ／ｃｍ^２の紫外線を、印刷した濃度階調のインク層に対し、基材の屈折率傾斜構造の面側から照射して、UV硬化インキを硬化させた。得られたパターン印刷層の厚さは１１．２μｍであった。

（輝度測定）
得られた光学フィルムを、図４のように光拡散性領域が冷陰極管からなる光源の直上に位置するように取り付けて、直下型バックライトユニットを作製した。
この直下型バックライトユニットの光源を発光させて、輝度およびその分布をトプコン製輝度色度ユニフォミティ測定装置ＵＡ−１０００により測定した結果、均一な面発光が得られ、充分な輝度を有していることを確認できた。平均輝度のデータを表１に示す。

（比較例２）
印刷層に用いるインクを通常のものとすることを除いて、比較例１は、実施例１と全く同じである。
（ドット印刷工程）
ポリエチレンテレフタレートシートの表面に対し、市販のUV硬化白インク（東洋インキ製FDOニュー青口T白HF1ロ）を用いて、図３のような所定のパターンドットをスクリーン印刷機（ニューロング精密工業LS-56TVA）で印刷した。印刷後、露光機を用いて２２０〜２８０ｍＪ／ｃｍ^２の紫外線を、印刷した濃度階調のインク層に対し、基材の屈折率傾斜構造の面側から照射して、UV硬化インキを硬化させた。この操作を３回繰り返し、インク層の厚さを比較例１の約３倍に増加させた。得られたパターン印刷層の厚さは３１．９μｍであった。

（輝度測定）
得られた光学フィルムを、図４のように光拡散性領域が冷陰極管からなる光源の直上に位置するように取り付けて、直下型バックライトユニットを作製した。
この直下型バックライトユニットの光源を発光させて、輝度およびその分布をトプコン製輝度色度ユニフォミティ測定装置ＵＡ−１０００により測定した結果、均一な面発光が得られ、充分な輝度を有していることを確認できた。平均輝度のデータを表１に示す。

表１の結果より、本発明の光学シート（実施例１）は、ドライハイド拡散体によって光を効果的に拡散することができるので、印刷法で同等の印刷層厚さになるようにした場合（比較例２）よりも均斉度が高く、また、印刷法で同等の均斉度を与えるまで印刷層厚さを増加した場合（比較例２）よりも平均輝度が大きくできる。

インク中の顔料粒子の分散を表す模式図である。 ドライハイド中の顔料粒子と空隙を表す模式図である。 ドットの密度で輝度を均整化する印刷パターンの模式図である。 図３の光学シートをバックライトユニットに組み込んだ模式図である。

符号の説明

１ 顔料粒子
２ 樹脂
３ 空隙
４ ドット印刷部
５ 光源
６ 支柱

Claims (7)

1. 透明基材の片面から入射する光を拡散して該透明基材の他方の面から射出する光学シートであって、前記透明基材に光拡散性を有するインクが所定のパターンで印刷されて光拡散部が形成され、かつ光拡散部を構成するインクが、体積空隙率５％〜４０％であるドライハイドであることを特徴とする光学シート。
2. 透明基材に印刷される光拡散性インクの直線光透過率を０％から１００％の範囲で任意に変えて階調を有する光拡散部を形成し、前記光拡散部の光拡散性が前記透明基材内で部分的に任意に変化するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の光学シート。
3. 印刷された領域は、光源に正対する領域に形成されたドット集合体であり、光源から遠ざかるにしたがって徐々にドットの密度を低下あるいはドットの直径を減少することにより、一定面積あたりの印刷領域の面積を調整することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の光学シート。
4. 印刷された領域は、光源に正対する領域に形成された濃度階調であり、光源から遠ざかるにしたがって徐々に印刷層の厚さを減少することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の光学シート。
5. 印刷に用いる光拡散性を有するインクが溶剤中に樹脂バインダーと光拡散剤を分散したものであり、印刷後溶剤が気化する際に空隙ができることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の光学シート。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の光学シートの製造方法。
7. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の光学シートを一部に組み込んだことを特徴とする、照明装置、投影装置、看板および画像表示装置。

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