JP2010271703A - 偏光薄膜、偏光板および液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の偏光薄膜は、吸収軸方向に振動する光を吸収し、それを熱エネルギーに変えるため、入射する自然光の５７％以上が損失となる。
【解決手段】二色性物質１１を含むポリビニルアルコール系樹脂層１２からなる偏光薄膜１０であって、（ａ）膜厚ｔが０．５μｍ〜５μｍであり、（ｂ）波長５５０ｎｍの単色光に対する、膜厚１μｍあたりの異常光の吸光度（単位吸光度）が１．５以上であることを特徴とする偏光薄膜１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、二色性物質を含むポリビニルアルコール系樹脂層からなる偏光薄膜、前記偏光薄膜を有する偏光板、および、前記偏光薄膜あるいは前記偏光板を備えた液晶表示装置に関する。

従来から、二色性物質を含むポリビニルアルコール系樹脂層からなる偏光薄膜が知られている（例えば特許文献１）。

図５は従来の偏光薄膜５０の一例の模式図である。従来の偏光薄膜５０において、二色性物質５１を含むポリビニルアルコール系樹脂層５２からなる偏光薄膜５０に、自然光５３が入射する場合、自然光５３は、偏光薄膜５０の吸収軸方向５４の成分と、それに直交する透過軸方向（図示しない）の成分に分解できる。偏光薄膜５０は、吸収軸方向５４に振動する光（振動面が吸収軸方向５４の光）を吸収し、それに直交する透過軸方向の光５５（振動面が透過軸方向の光）を透過させる。このとき吸収された光のエネルギーは熱エネルギーに変わるため、入射した自然光５３の５７％以上が損失となる。

特開２００１−３４３５２１号公報

従来の偏光薄膜５０は、吸収軸方向５４に振動する光を吸収し、それを熱エネルギーに変えるため、入射する自然光５３の５７％以上が損失となる。本発明は、吸収軸方向に振動する光の一部を反射する機能をもつ偏光薄膜を提供する。本発明により、偏光薄膜での光の損失を減らすことができる。

本発明の要旨は以下の通りである。
（１）本発明の偏光薄膜は、二色性物質を含むポリビニルアルコール系樹脂層からなる偏光薄膜である。本発明の偏光薄膜は、
（ａ）膜厚が０．５μｍ〜５μｍであり、
（ｂ）波長５５０ｎｍの単色光に対する、膜厚１μｍあたりの異常光の吸光度が、１．５〜７．０であることを特徴とする。
（２）本発明の偏光薄膜は、二色性物質がヨウ素であることを特徴とする。
（３）本発明の偏光薄膜は、ポリビニルアルコール系樹脂層が、ポリビニルアルコール、あるいは、エチレン−ビニルアルコール共重合体であることを特徴とする。
（４）本発明の偏光板は、上記に記載のいずれかの偏光薄膜と、偏光薄膜を片側から支持する透明基材を有する偏光板であって、透明基材の、偏光薄膜の吸収軸方向の屈折率が１．５４未満であることを特徴とする。
（５）本発明の液晶表示装置は、液晶セルとバックライトを有する液晶表示装置であって、液晶セルとバックライトの間に、上記に記載の偏光薄膜を有することを特徴とする。
（６）本発明の液晶表示装置は、液晶セルとバックライトを有する液晶表示装置であって、液晶セルとバックライトの間に、上記に記載の偏光板を有することを特徴とする。

図１に本発明の偏光薄膜１０を模式的に示す。本発明者らは、高濃度の二色性物質１１を含み、膜厚ｔが０．５μｍ〜５μｍのポリビニルアルコール系樹脂層１２からなる偏光薄膜１０が、吸収軸方向１３の偏光を一部反射することを見出した。ここで高濃度とは、波長５５０ｎｍの単色光に対する、膜厚１μｍあたりの異常光の吸光度（単位吸光度）が１．５以上となる濃度を意味する。本発明の偏光薄膜１０は、自然光１４を入射させたとき、吸収軸方向１３に振動する光１５（異常光）の一部を反射し、それに直交する透過軸方向に振動する光１６（常光）を透過させる機能を有する。

偏光薄膜１０の異常光反射率Ｒ_ｅは、ｎ_１を偏光薄膜表面と接する材料の屈折率、ｎ_ｅを偏光薄膜の異常光の屈折率、ｋを消衰係数としたとき、
Ｒ_ｅ＝｛（ｎ_１−ｎ_ｅ）^２＋ｋ^２｝／｛（ｎ_１＋ｎ_ｅ）^２＋ｋ^２｝ ...（１）
となる。

式（１）中、消衰係数の二乗値（ｋ^２）は、二色性物質１１の濃度や偏光薄膜１０の膜厚ｔを、特定の範囲とすることにより、大きくすることができる。このため、本発明の偏光薄膜１０は異常光の反射率Ｒ_ｅが大きいと考えられる。

一方、従来の偏光薄膜（図５）は、二色性物質の濃度や偏光薄膜の膜厚が、本発明の規定する条件を満たさないため、通常の界面反射しか示さない。従来の偏光薄膜では、消衰係数の二乗値（ｋ^２）が小さいため、Ｒ_ｅは５％未満の範囲でほぼ一定の値をとる。そのため本発明の効果を得ることができない。

本発明の偏光薄膜は、吸収軸方向に振動する光（異常光）の一部を反射する。異常光の反射率は入射光に対して、例えば５％以上である。この反射光は、光エネルギーのままであるので、他の反射材で再び反射させて再利用することができる。

本発明の偏光薄膜あるいは偏光板を、液晶セルとバックライトとの間に配置することによって、高価な既存の輝度向上フィルムを用いなくても、液晶表示装置の輝度を向上させることができる。

本発明の偏光薄膜の模式図 本発明の偏光板の模式図 本発明の液晶表示装置の模式図 本発明の液晶表示装置の模式図 従来の偏光薄膜の模式図

［偏光薄膜］
図１に本発明の偏光薄膜１０の一例を示す。本発明の偏光薄膜１０は、二色性物質１１を含むポリビニルアルコール系樹脂層１２からなる。本発明の偏光薄膜１０は、可視光領域（波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）のいずれかの波長で、吸収異方性と反射異方性を示す。

本発明の偏光薄膜１０は、二色性物質１１を含むポリビニルアルコール系樹脂層１２からなるものであれば、さらに適当な添加剤を含有していてもよい。そのような添加剤として、界面活性剤や酸化防止剤が挙げられる。

本発明の偏光薄膜１０は、膜厚ｔが薄く、二色性物質１１の濃度が高いことが特徴である。偏光薄膜１０の膜厚ｔは、０．５μｍ〜５μｍであり、好ましくは０．５μｍ〜３μｍである。偏光薄膜１０の膜厚ｔが５μｍを超えると、異常光反射率が低くなる。一方、偏光薄膜１０の膜厚ｔが０．５μｍよりも小さくなると、ポリビニルアルコール系樹脂層１２を延伸することが難しくなり、二色性物質１１の配向の度合いが低くなる場合がある。

本発明の偏光薄膜１０の、波長５５０ｎｍの単色光に対する、膜厚ｔ＝１μｍあたりの異常光の吸光度（単位吸光度）は１．５〜７．０であり、好ましくは１．８〜７．０である。本発明の偏光薄膜１０は、膜厚ｔが０．５μｍ〜５μｍの条件下で、単位吸光度を上記の範囲にする。それによって、本発明の偏光薄膜１０は、自然光１４を入射させたとき、吸収軸方向１３に振動する光１５（異常光）を一部反射し、それに直交する透過軸方向に振動する光１６（常光）を透過させることができる。

［二色性物質］
本発明に用いられる二色性物質１１は、代表的には、ヨウ素、有機染料、およびそれらの混合物である。二色性物質１１としては、ヨウ素が好ましい。

［ポリビニルアルコール系樹脂層］
本発明に用いられるポリビニルアルコール系樹脂層１２は、ポリビニルアルコール系樹脂を層状に成形したものである。

ポリビニルアルコール系樹脂は、代表的には、ポリ酢酸ビニル系樹脂を鹸化することによって得られる。本発明に用いられるポリビニルアルコール系樹脂は、通常、鹸化度が８５モル％〜１００モル％であり、重合度が１，０００〜１０，０００のものである。本発明に用いられるポリビニルアルコール系樹脂は、例えば、ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体である。

［偏光薄膜の製造方法］
本発明の偏光薄膜１０は、延伸したポリビニルアルコール系樹脂層１２を二色性物質１１を含む染色液中に浸漬し、染色して得ることができる。あるいは、ポリビニルアルコール系樹脂層１２を二色性物質１１を含む染色液中に浸漬して染色し、染色したポリビニルアルコール系樹脂層１２を延伸して得ることができる。

ポリビニルアルコール系樹脂層１２を延伸する方法としては、ロール延伸やテンター延伸などの任意の延伸加工法が用いられる。ポリビニルアルコール系樹脂層１２の延伸倍率は、通常、元長に対して３倍〜７倍である。ポリビニルアルコール系樹脂層１２の延伸温度は、通常３０℃〜１６０℃である。延伸前のポリビニルアルコール系樹脂層１２の膜厚は、延伸倍率を考慮して、延伸後の膜厚ｔが０．５μｍ〜５μｍとなるように適宜設定される。

ポリビニルアルコール系樹脂層１２を染色するための、二色性物質１１を含む水溶液の濃度は、水１００重量部に対して、二色性物質１１が、好ましくは１重量部を超え５重量部以下である。

二色性物質１１がヨウ素である場合、偏光薄膜１０の単位吸光度は、染色液中にホウ酸、尿素、ヨウ化カリウムなどを添加することによって、適宜、調整することができる。例えば、単位吸光度は、染色液中のヨウ化カリウムの添加量を増すことにより、大きくすることができる。他方、単位吸光度は、染色液中のホウ酸の添加量を増すことにより、小さくすることができる。

染色液の温度や浸漬時間は、染色液の濃度やポリビニルアルコール系樹脂層の膜厚に応じて、本発明に規定の特性を満足するように、適宜決定される。染色液の温度は、好ましくは１０℃〜４０℃であり、浸漬時間は２０秒〜３００秒である。このような条件であれば、偏光薄膜の単位吸光度を、１．５〜７．０とすることができる。

延伸および染色をしたポリビニルアルコール系樹脂層は、耐水性を付与するために、ホウ酸水溶液に浸漬して、ホウ酸処理することが好ましい。ホウ酸処理された偏光薄膜は、通常、水洗して乾燥される。

［偏光板］
図２に示すように、本発明の偏光板２０は、偏光薄膜１０と、偏光薄膜１０を片側から支持する透明基材２１とを有する。透明基材２１の、偏光薄膜１０の吸収軸方向１３の屈折率は１．５４未満である。

本発明の偏光板２０は、自然光２２を入射させたとき、偏光薄膜１０の吸収軸方向１３に振動する光２３（異常光）の一部を反射し、それに直交する透過軸方向に振動する光２４（常光）を透過させる。

偏光薄膜１０の異常光反射率Ｒ_ｅを大きくするためには、透明基材２１の屈折率と偏光薄膜１０の異常光屈折率の差が大きい方が好ましい。偏光薄膜１０の異常光屈折率（吸収軸方向１３の屈折率）は１．５４程度であるから、透明基材２１の、偏光薄膜１０の吸収軸方向１３の屈折率は、１．５３以下であることが好ましい。

透明基材２１は、上記の屈折率の条件を満足するものであれば特に制限はないが、好ましくは、透明高分子フィルムである。

本発明の偏光板２０は、透明基材２１上に偏光薄膜１０が直接形成されていてもよいし、接着層を介して積層されていてもよい。

偏光薄膜１０と透明基材２１との間に接着層が配置される場合、接着層の、偏光薄膜１０の吸収軸方向１３の屈折率も１．５３以下であることが好ましい。

偏光板２０の透過率は、好ましくは２５％〜４４％であり、さらに好ましくは３５％〜４２％である。

偏光板２０の偏光度は、好ましくは９９％以上である。

本発明によれば、偏光板２０の異常光反射率Ｒ_ｅを５％以上とすることができ、好ましくは５％〜１５％とすることができる。

また、偏光板２０の輝度向上割合を１．４以上とすることができ、好ましくは１．４〜３．０とすることができる。

［液晶表示装置］
図３に示すように、本発明の液晶表示装置３０は、液晶セル３１とバックライト３２を有し、液晶セル３１とバックライト３２の間に、偏光薄膜１０を有する。

あるいは、図４に示すように、本発明の液晶表示装置４０は、液晶セル４１とバックライト４２を有し、液晶セル４１とバックライト４２の間に、偏光板２０を有する。

本発明の液晶表示装置３０に用いられる偏光薄膜１０は、バックライト３２の光源３２ａからの入射光３３のうち、吸収軸方向１３の直交方向に振動する光３４（常光）を透過させ、吸収軸方向１３に振動する光３５（異常光）の一部を反射する。

偏光薄膜１０で反射された光３５は、バックライト３２の裏面反射膜３２ｂで再び反射され、振動方向が９０°回転した光３６となる。光３６は偏光薄膜１０を通過して、光３７となり、液晶セル３１に入射する。

この結果、従来の偏光膜を用いた場合に比べて、液晶セル３１に入射する光が、光３７の分だけ増加するため、液晶表示装置３０の輝度を向上させることができる。

本発明の液晶表示装置４０においても、本発明の液晶表示装置３０と同様のメカニズムにより、液晶セル４１に入射する光が増加するため、液晶表示装置４０の輝度を向上させることができる。

本発明の液晶表示装置４０に本発明の偏光板２０を用いる場合、バックライト４２からの入射光４３は、図４のように透明基材２１側から入射させてもよいし、逆に偏光薄膜１０をバックライト４２側にして、偏光薄膜１０側から入射させてもよい。

入射光４３を、図４のように透明基材２１側から入射させた場合、透明基材２１に複屈折があったとしても、液晶表示装置４０の表示特性には影響が無い。

一方、入射光４３を偏光薄膜１０側から入射させた場合は、偏光薄膜１０の異常光反射率Ｒ_ｅを大きくすることができる。

本発明に用いられる液晶セル３１、４１は、通常、２枚の基板と、基板の間に狭持された、表示媒体としての液晶層とを備える。代表的には、一方の基板には、カラーフィルター、対向電極、配向膜が形成され、他方の基板には、液晶駆動電極、配線パターン、薄膜トランジスタ素子、配向膜が形成される。

液晶セル３１、４１の動作モードとしては、例えば、捩れネマチック（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モードや複屈折制御（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モードがある。複屈折制御（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モードには、垂直配向（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ）方式、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式などがある。

本発明に用いられるバックライト３２、４２には、直下方式、サイドライト方式、面状光源方式などの任意のものが用いられる。バックライト３２、４２は、通常、光源３２ａ、４２ａと、裏面反射膜３２ｂ、４２ｂを有する。

［実施例］
［実施例１］
（１）膜厚１５０μｍのノルボルネン系樹脂フィルム（ＪＳＲ社製ＡＲＴＯＮ）からなる透明基材の表面に、コロナ処理を行なった。
（２）上記のノルボルネン系樹脂フィルムの片面に、ポリビニルアルコール（日本合成化学工業社製ＮＨ１８）の、７重量％水溶液を塗布した。
（３）上記のノルボルネン系樹脂フィルムとポリビニルアルコール膜の積層フィルムを、１００℃で１０分間乾燥して、ノルボルネン系樹脂フィルムの片面に、膜厚５μｍのポリビニルアルコール層を成膜した。
（４）この積層フィルムを、延伸倍率が元長の５倍になるように、１５０℃でロール延伸した。
（５）延伸した積層フィルムを、ヨウ素とヨウ化カリウムを含む水溶液からなる染色液（液温２０℃）に３０秒間浸漬して、ポリビニルアルコール層にヨウ素を吸着・配向させた。
（６）この積層フィルムを、濃度１０重量％のホウ酸水溶液（液温５５℃）に４２０秒間浸漬し、さらに濃度４重量％のヨウ化カリウム水溶液に１０秒間浸漬した。
（７）この積層フィルムを６０℃で４分間乾燥した。
以上のようにして、偏光薄膜、および、偏光薄膜を片側から支持する透明基材を有する偏光板を作製した。偏光薄膜は、ポリビニルアルコール層であり、透過率が４１％、偏光度が９９．８％以上であった。透明基材は、ノルボルネン系樹脂フィルムであった。この偏光薄膜と偏光板の特性を表１に示す。

上記の染色液のヨウ素含有量は、水１００重量部に対して１．１重量部であった。また、ヨウ化カリウム含有量は、水１００重量部に対して１０重量部であった。

延伸されたノルボルネン系樹脂フィルムの、偏光薄膜の吸収軸と平行な方向の屈折率は、１．５２であった。

［実施例２］
延伸前のポリビニルアルコール層の膜厚を３μｍとした以外は、実施例１と同様にして、偏光薄膜、および、偏光薄膜を片側から支持する透明基材を有する偏光板を作製した。偏光薄膜は、ポリビニルアルコール層であり、透過率が４１％、偏光度が９９．８％以上であった。透明基材は、ノルボルネン系樹脂フィルムであった。この偏光薄膜と偏光板の特性を表１に示す。

［比較例１］
市販の偏光板（日東電工社製ＮＰＦ−ＳＥＧ１２２４、透過率４３％、偏光度９９．８％以上）を評価した。

［比較例２］
染色液（液温２０℃）に浸漬する時間を１０秒間に変更した以外は、実施例１と同様の方法で、偏光薄膜、および、偏光薄膜を片側から支持する透明基材を有する偏光板を作製した。偏光薄膜は、ポリビニルアルコール層であり、透過率が４１％、偏光度が９９．８％以上であった。透明基材は、ノルボルネン系樹脂フィルムであった。この偏光薄膜と偏光板の特性を表１に示す。

［評価］
表１に示すように、比較例１および２の偏光板に比べ、実施例１の偏光板の輝度向上割合は高く、実施例２の偏光板の輝度向上割合は格段に高かった。

［測定方法］
［膜厚］
デジタルマイクロメーター（アンリツ社製ＫＣ−３５１Ｃ）を用いて、偏光薄膜などの膜厚を測定した。

［単位吸光度］
単位吸光度の測定には、染色前の延伸ポリビニルアルコール層をレファレンスとして、ベースライン補正し、グランテーラープリズム偏光子を備えた積分球付分光光度計（日立製作所製Ｕ−４１００）を用いた。偏光薄膜の、波長５５０ｎｍの単色光に対する異常光の透過率ｋ_２を測定し、次式により単位吸光度を求めた。
単位吸光度（１／μｍ）＝−Ｌｎ（ｋ_２）／膜厚（μｍ）
なお表１の単位吸光度は、測定光を偏光薄膜側から入射させたときの値である。

［異常光反射率］
裏面反射を無視できる程度に低減するため、偏光板の透明基材側を紙やすりで荒らした後、アクリル黒ラッカーを吹き付けて、よく乾燥させた。偏光薄膜側（透明基材の反対側）から測定光を入射させ、グランテーラープリズム偏光子を備えた積分球付分光光度計（日立製作所製Ｕ−４１００）を用いて、波長５５０ｎｍの単色光に対する異常光の反射率を測定した。なお、標準白色板（ＢａＳＯ_４）の反射率を１００％とした。

［輝度向上割合］
市販の３２インチ液晶テレビ（日立製作所製Ｗｏｏ）から、バックライトを取り出した。また、実施例、比較例の各偏光板を、ガラス板に貼着したサンプルを準備した。偏光薄膜側からバックライトの光が入射するように、上記のサンプルを、上記のバックライトの前面に配置した。輝度計（トプコン社製ＢＭ−５）を用いて、バックライト点灯後の正面方向からの輝度（Ｂ_１）を測定した。

輝度向上割合（％）は、比較例１の偏光板を用いたときの輝度をＢ_０とし、次式により求めた。
輝度向上割合（％）＝（Ｂ_１−Ｂ_０）／Ｂ_０×１００

本発明の液晶表示装置は、液晶テレビ、コンピューターディスプレイ、カーナビゲーション、携帯電話、ゲーム機などに好適に用いられる。

１０ 偏光薄膜
１１ 二色性物質
１２ ポリビニルアルコール系樹脂層
１３ 吸収軸方向
１４ 自然光
１５ 反射光
１６ 透過光
２０ 偏光板
２１ 透明基材
２２ 自然光
２３ 反射光
２４ 透過光
３０ 液晶表示装置
３１ 液晶セル
３２ バックライト
３２ａ 光源
３２ｂ 裏面反射膜
３３ 自然光
３４ 透過光
３５ 反射光
３６ 反射光
３７ 透過光
４０ 液晶表示装置
４１ 液晶セル
４２ バックライト
４２ａ 光源
４２ｂ 裏面反射膜
４３ 入射光
５０ 偏光薄膜
５１ 二色性物質
５２ ポリビニルアルコール系樹脂層
５３ 自然光
５４ 吸収軸方向
５５ 透過光

Claims (6)

1. 二色性物質を含むポリビニルアルコール系樹脂層からなる偏光薄膜であって、
   （ａ）膜厚が０．５μｍ〜５μｍであり、
   （ｂ）波長５５０ｎｍの単色光に対する、膜厚１μｍあたりの異常光の吸光度（単位吸光度）が、１．５〜７．０
   であることを特徴とする偏光薄膜。
2. 前記二色性物質がヨウ素であることを特徴とする、請求項１に記載の偏光薄膜。
3. 前記ポリビニルアルコール系樹脂層が、ポリビニルアルコール、あるいは、エチレン−ビニルアルコール共重合体であることを特徴とする、請求項１または２に記載の偏光薄膜。
4. 請求項１から３に記載のいずれかの偏光薄膜と、前記偏光薄膜を片側から支持する透明基材とを有する偏光板であって、
   前記透明基材の、前記偏光薄膜の吸収軸方向の屈折率が１．５４未満であることを特徴とする偏光板。
5. 液晶セルとバックライトを有する液晶表示装置であって、
   前記液晶セルと前記バックライトとの間に、請求項１から３のいずれかに記載の偏光薄膜を有することを特徴とする液晶表示装置。
6. 液晶セルとバックライトを有する液晶表示装置であって、
   前記液晶セルと前記バックライトとの間に、請求項４に記載の偏光板を有することを特徴とする液晶表示装置。

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