JP2012068276A

JP2012068276A - 光拡散シート

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Publication number: JP2012068276A
Application number: JP2010210346A
Authority: JP
Inventors: Toshio Nagasawa; 敏雄長沢; Toshiki Okayasu; 俊樹岡安; Eriko Endo; 江梨子遠藤
Original assignee: Oji Paper Co Ltd
Current assignee: New Oji Paper Co Ltd
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-04-05

Abstract

【課題】一方向に山が連続しており、それに直交する方向に山と谷が繰り返される、略波形の凹凸模様を有する合成樹脂性の光拡散シートにおいて、異方性拡散の能力を更に高める。
【解決手段】一方向に山が連続しており、該方向に直交する方向に、山と谷が繰り返され、山のピッチの平均値が1〜10μmである、略波形あるいは略半円柱形の凹凸模様を有する合成樹脂性の光拡散シートにおいて、山の頂部に、200nm以下の微細凹凸を形成したことを特徴とする、光拡散シート。該微細凹凸は半球状が好ましく、該微細凹凸は該一方向に連続する山の頂部に連続してもしくは、間歇的に配置される。
【選択図】図５

Description

本発明は、ディスプレイ、照明器具などに使用され、表面に凹凸模様を有する光拡散シートに関する。具体的には、一方向に山が連続しており、それに直交する方向に山と谷が繰り返される、略波形あるいは略半円柱形の凹凸模様を有する光拡散シートに関する。

波状の凹凸パターンが表面に形成された凹凸模様形成シートは、従来から光拡散体や反射防止体などとして、利用されている。
例えば、特許文献１には、凹凸模様が形成された光拡散体として、光透過性基材の少なくとも片面に突起体が複数形成され、突起体の高さが2〜20μm、突起体の頂点の間隔が1〜10μm、突起体のアスペクト比が１以上のものが開示されている。また、突起体を形成する方法として、光透過性基材の表面を、ＫｒＦエキシマレーザー等のエネルギービームの照射により加工する方法が開示されている。

特許文献２には、波状の凹凸からなる異方性拡散パターンが片面に形成された光拡散体が開示されている。異方性拡散パターンを形成する方法として、感光性樹脂のフィルムにレーザー光を照射して露光し、現像して、片面に凹凸が形成されたマスターホログラムを形成し、そのマスターホログラムを金型に転写し、その金型を用いて樹脂を成形する方法が開示されている。

特許文献３、４には、熱収縮性フィルムの表面に薄膜を形成し、熱収縮することにより、表面に畝状（波状）の凹凸を形成する技術が開示されている。これらの技術も、波の山は一方向に伸びており、該方向と、それに直交する方向とでは、光の拡散の度合いが異なり、異方性拡散パターンが形成されている。
特許文献５には、金型による成形などにより、不規則な波形を形成した異方性拡散シートが開示されている。

特開平１０−１２３３０７号公報特開２００６−２６１０６４号公報特開２００８−２９９０７２号公報特開２００８−３０２５９１号公報特開２００９−２５４３８号公報

ディスプレイ輝度向上用のプリズムシートの場合には、光拡散シートと異なり、山の頂部と頂部の間隔（ピッチ）が概略10μmを超えており、頂部の形状は、角ばった形状のものも多く提案されている。また、太陽電池や発光ダイオードのような分野では、光拡散、光閉じ込め、光取り出し効率などの種々の目的で、シリコーン等の半導体や電極の表面にピラミッド状や円錐状の凹凸が形成されることがある。
一方、前記特許文献２〜５のような、合成樹脂性フィルムで形成され、凹凸が1〜10μm程度である光拡散シートの場合、合成樹脂の成形という手段を取るため、表面が角ばった鋭利な形状にはならない。そのため、異方性拡散の効果は制限されている。即ち、図１において、波形の斜面にあたるdのような光は屈折したり反射したりしてＸ軸方向に拡散されるが、波形のなだらかな頂部においては、a〜cように、拡散しない光が多く存在する。

そこで本発明は、一方向に山が連続しており、それに直交する方向に山と谷が繰り返される、略波形または略半円柱形の凹凸模様を有する合成樹脂性の光拡散シートにおいて、異方性拡散の能力を更に高めることを課題とする。

上記課題を解決するため本発明は、以下の第１〜第３の発明、即ち、［１］〜［３］の発明の構成を採用する。
［１］一方向に山が連続しており、該方向に直交する方向に、山と谷が繰り返され、山のピッチの平均値が0.4〜10μmである、略波形あるいは略半円柱形の凹凸模様を有する合成樹脂性の光拡散シートにおいて、山の頂部に、大きさが200nm以下の微細凹凸を形成したことを特徴とする、光拡散シート。
［２］該微細凹凸は半球状であり、球の直径が200nm以下である、［１］に記載の光拡散シート。
［３］該微細凹凸は該一方向に連続する山の頂部に、凝集物が間隔をおいて配置されていることを特徴とする、［１］または［２］に記載の光拡散シート。

本発明により、一方向に山が連続しており、それに直交する方向に山と谷が繰り返される、略波形あるいは略半円柱形の凹凸模様を有する合成樹脂性の光拡散シートにおいて、光が直進する領域が少なくなり、異方性拡散の能力が更に高まる。

光の拡散効果を示す概念図断面形状が略半円柱状形の凹凸を有する原反シートの模式図断面形状が略波形の凹凸を有する原反シートの模式図図３のＹ方向に直角な面で切断した断面模式図微細凹凸を形成した本発明の光拡散シートの模式図

本発明は異方性拡散シートに関するものであるが、本明細書においては、光を拡散させる一方向を拡散方向と表現し、それに対して直角な方向を非拡散方向と表現する。図２において、Ｘ軸方向が拡散方向、Ｙ軸が非拡散方向である。
本発明において、「一方向に山が連続している」とは、典型的には図２のような形状を指すが、図３のようなものも含んでいる。即ち、図３において、全体として山がＹ軸方向に向かって連なっているという意味であり、ある部分で山の頂部がＸ軸に向かってうねっている状態があっても良い。
本明細書で略波形とは、図３のように、断面が概略三角形の山であるが、頂部が丸みを帯びているものを示す。断面がサインカーブのような形状もこれに該当する。
また、略半円柱形とは、図２のように、山の断面形状が大体半円形状であるものを意味し、半円よりも深い円に近いもの、あるいは半円よりも浅い形状であっても良い。また、前記特許文献５の図1あるいは図２のように、不規則な形状のものも含む。

図４は図３の凹凸形状をＹ軸方向に直角な面で切った断面図であるが、本発明において山のピッチとは、図４に示した長さＬを意味する。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向にランダムに20箇所のＬを測定し、平均化したものがピッチの平均値である。
本発明において、山の高さは、谷と谷に挟まれる山の谷からの平均的な高さのことであり、図４におけるｂ₁とｂ₂の平均値からＢ₂を引いた値を多数求めて20箇所の平均値を取った値である。
本発明では、光を拡散するという目的から、ピッチの平均値は0.4〜10μmの範囲であり、高さは任意で良いが、好ましくは、0.2〜20μmの範囲である。高さは、ピッチの0.5〜2倍程度が好ましい。

本発明で光拡散シートを構成する合成樹脂は特に制限なく、一般的に光学シートに使用されている樹脂が使用できる。ここで言う合成樹脂とは、熱可塑性樹脂、熱硬化性あるいは放射線硬化性などの硬化性樹脂、合成ゴムなどであり、天然物であるセルロースを原料とした半合成品も含まれる。
熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリイミド系、ポリアクリル酸エステル系、ポリウレタン系など各種の汎用樹脂あるいはシリコーン樹脂、フッ素樹脂などが使用できる。拡散のみならず、輝度向上を兼ねる場合には透明樹脂が好ましく、透明樹脂としては、例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリスチレン、メチルメタクリレートとスチレンの共重合体などが挙げられる。

硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、エポキシ・アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ウレタン・アクリル樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが使用できる。
セルロースを原料とした半合成体としては、セルロースアセテート、レーヨンなどが挙げられる。
光拡散シートの厚さとしては、30μm〜3mm程度である。

微細凹凸の大きさは、シートの平面上から見た顕微鏡写真で、見たときの、最も大きい方向の径で判定する。凹凸が球形の場合は直径を意味する。
微細凹凸の大きさは、全体の光透過率の均一性を損なわないように、可視光線の半波長未満であることが好ましく、球状である場合は直径が200nm以下であることが好ましい。繊維状のように細長い場合では、長さが200nm以下であることが好ましい。また、微細凹凸は幾つかの粒子が凝集して存在していることが光の拡散性の観点から好ましく、特に、凝集物が間隔をおいて飛び飛びに存在することが好ましい。
微細凹凸の量は、シートを上面から電子顕微鏡で撮影し、撮影部分の面積に対して、微細凹凸部の面積が閉める割合を面積占有率とした時に、面積占有率が0.1〜10％であることが好ましい。なお、面積占有率は、任意に10箇所を測定し、平均値を取るものとし、1箇所の撮影は、10μm角の視野を1万倍で撮影する。
面積占有率で0.1％より少ないと、異方性拡散を向上する効果に乏しく、10％を超えると、大きな凹凸が不均一に発生する危険性が出てくる。同様の理由で、面積占有率は、0.5〜5％が最も好ましい。

次に、製造方法について、表面形状が略波形の場合を例として説明する。
本発明の光拡散シートは、まず、「一方向に山が連続しており、それに直交する方向に山と谷が繰り返される、略波形の凹凸模様を有する合成樹脂性のシート」を原反シートとして製造する。続いて、該原反シートの山部または谷部に微細粒子を付着させ、その状態で、該原反シート表面全体を金属蒸着などの導電化処理を行い、それに電気メッキを行うことにより、波形模様と微細凹凸が複合した表面形状の鋳型を製造する。この鋳型により樹脂シートを成形することによって、本発明の光拡散シートが完成する。

まず、原反シートの製造について説明する。
原反シートは本出願人による前記特許文献４に記載の方法により製造できる。
一軸方向に熱収縮性を有するフィルム基材の片面に、表面が平滑で厚さが0.05〜5μm程度の硬質層を設けて積層シートを形成し、積層シートを熱収縮させることにより硬質層が折り畳まれるように変形し、表面に波形の凹凸が発生する。
フィルム基材はポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂などの汎用樹脂を用いて、Ｔ−ダイ法またはインフレーション法により一軸方向の熱収縮率が大きくなるように延伸して製造する。
フィルム基材の厚さは0.3〜500μmが好ましい。フィルム基材の厚みが0.3μm以上であれば、凹凸パターン形成シートが破れにくくなり、500μmあれば、強度的には十分であり、これ以下であれば取り扱いも容易である。

硬質層を形成する物質が樹脂である場合、その樹脂は、フィルム基材を構成する樹脂よりもガラス転移温度が10℃以上高いことが好ましい。また、硬質層としては金属あるいは金属酸化物の蒸着層であっても良い。硬質層を形成する樹脂としては、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、アクリル樹脂、スチレン−アクリル共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体、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、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、フッ素樹脂などが挙げられる。
硬質層の厚さは、0.05μmを超え5.0μm以下、好ましくは0.1〜1.0μmである。硬質層厚さを前記範囲にすることにより、凹凸パターンの最頻ピッチを、0.4〜10μmに制御できる。

以下に、前記原反シートに微細凹凸を形成する方法を具体的に説明する。ここでは、原反に微細粒子を付着する方法を説明するが、原反から鋳型としての金属板を作成した後に、該金属板に対して、レーザー光線やエッチングなどの加工を施すとい別の方法も可能である。
＜実施例１＞
作成した原反シートに、微細粒子を分散した水分散液を塗工し、乾燥することによって、波形凹凸の谷部に粒子を付着させる。水分散液中の粒子濃度と液塗工量を調整することで、谷部のみに、適当な間隔をおいて、微細粒子を付着できる。
なお、この際に、微細粒子が、凹凸の頂部や山の斜面に付着しないよう、頂部近傍の表面は撥水性にしておくことが必要である。
微細粒子の大きさは前記した微細凹凸のサイズと同程度のものが好ましいが、非常に小さい粒子であれば、ある程度凝集して塗布されても、凝集粒子の大きさを微細凹凸のサイズにすることが可能である。

粒子の材質としては、Ａｌ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｉなどの金属、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＭｇＯ_２、ＣａＯ_２などの金属酸化物、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレートなどの有機高分子などの他、半導体材料、無機高分子などのうち１種以上を採用できる。
具体的には、例えば、アニオン性コロイダルシリカゾル、カチオン性アルミナゾルなどが使用できる。コロイダルシリカとして、例えば日産化学工業株式会社製のスノーテックスシリーズST-XS（平均粒経4〜6nm）、ST-20（平均粒経10〜20nm）、ST-20L（平均粒経40〜50nm）、ST-YL（平均粒経50〜80nm）、ST-ZL（平均粒経70〜100nm）などを挙げることができる。アルミナゾルとしては、日産化学工業株式会社製アルミナゾル520（平均的粒子の大きさ10〜20nm）、アルミナゾル100（平均的粒子の大きさ10×100nm）などが挙げられる。
また、微細粒子としては、微細繊維であっても良い。

微細粒子を塗工し乾燥した後に、
微細粒子を付着させた状態で、該原反シートの凹凸表面全体を金属蒸着などの導電化処理を行い、それに電気メッキを行うことにより、波形模様と微細凹凸が複合した表面形状の鋳型を製造する。
導電処理は、該表面に金属を真空蒸着するかスパッターリング蒸着する。あるいはＣＶＤ法を用いても良い。蒸着金属は銅、亜鉛、アルミニウム等の通常の電極膜に使用するもので良く、膜厚さは20〜100nm程度で十分である。

次に、電気メッキ法により、前記導電加工された表面に金属メッキを行う。メッキの厚さは、メッキされた部分が金属板として変形しない程度で、その後の成形加工に耐えられる厚さであれば良く、0.1〜1mm程度のシートでも良い。しかし、単独でスタンパーとして使用する場合には、メッキ層の厚さは1mm以上必要で、2〜5mm程度が好ましい。メッキを行う金属としては、特に制限はなく、銅、銀、鉄、鉛、亜鉛、錫、ニッケル、クロム、モリブデンあるいはこれらの適宜の合金が使用できる。
その後、原反シートとメッキ法で製造された前記金属板を分離し、必要に応じて蒸着金属の洗浄除去等を行い、鋳型が完成する。
上記手順において用いた微細粒子は球形であったが、蒸着、メッキの工程で、微細粒子の球形と谷部の接点付近は埋まって行き、結果的に、微細粒子による突起は略半球形になる。

＜実施例２＞
上記の鋳型に樹脂を流し込んで成形した場合は、出来上がった成形樹脂は、山の頂部に微細な凹部が存在する形となる。逆に成形樹脂の凹凸の山の頂部に微細な凸部を設けたい場合には、別の製造方法が必要であり、ここではその方法の一例を以下に示す。
まず、プレートに微細粒子の粒子層を塗工法により形成し、原反シートの凹凸の山の頂部に接着剤を微量塗布し、該粒子層から、粒子を山の頂部に転写する方法が可能である。

接着剤の微量塗布は、以下のような転写法により作成することが好ましい。
まず、ストライプ状や水玉模様状に厚さ10〜50nm程度の粘着剤を塗布したシートを作成し、該シートから粘着剤層を原反シートの山の頂部に転写する。別途、微細粒子を塗布したシートを用意し、前記粘着剤層が転写された原反シートを押し当て、粘着剤層に微細粒子を転写する。
この方法により、凝集した微細粒子を間欠的に凹凸の山の頂部に配置することができる。前記ストライプの間隔や水玉模様を製品識別に用いることもできる。この方法による場合も、鋳型の製造は実施例１と同様に、メッキ法により行う。
ここでも、用いた微細粒子は球形であったが、接着、蒸着、メッキの工程で、微細粒子の球形と山部の接点付近は埋まって行き、結果的に、微細粒子による突起は略半球形になる。

＜実施例３＞
上記鋳型を用いて本発明の光拡散シートを製造する具体的な方法としては、例えば、下記（ａ）〜（ｄ）の方法が挙げられる。
（ａ）鋳型の凹凸パターンが形成された面に、未硬化の電離放射線硬化性樹脂を塗工する工程と、紫外線や電子線などの電離放射線を照射して前記硬化性樹脂を硬化させた後、硬化した塗膜を鋳型から剥離する工程とを有する方法。
（ｂ）鋳型の凹凸パターンが形成された面に、未硬化の液状熱硬化性樹脂を塗工する工程と、加熱して前記液状熱硬化性樹脂を硬化させた後、硬化した塗膜を鋳型から剥離する工程とを有する方法。
（ｃ）鋳型の凹凸パターンが形成された面に、シート状の熱可塑性樹脂を接触させる工程と、該シート状の熱可塑性樹脂を鋳型に押圧しながら加熱して軟化させた後、冷却する工程と、その冷却したシート状の熱可塑性樹脂を鋳型から剥離する工程とを有する方法。
（ｄ）鋳型の凹凸パターンが形成された面に、溶融状の熱可塑性樹脂を流して冷却固化する方法。

＜比較例１＞
原反シートの作成：
一軸方向に熱収縮する厚さ50μmのポリエチレンテレフタレート製加熱収縮性フィルム（三菱樹脂株式会社製ヒシペットＬＸ−６０Ｓ、ガラス転移温度70℃）の片面に、トルエンに希釈したポリメチルメタクリレート（ポリマーソース株式会社製Ｐ４８３１−ＭＭＡ、ガラス転移温度100℃）を厚さが1μmになるようにバーコーターにより塗工し、機能層を形成して積層シートを得た。次いで、その積層シートを80℃で50秒間加熱することにより、加熱前の長さの60％に熱収縮させ（すなわち、変形率40％で変形させ）、機能層形成面に、収縮方向に対して直交方向に沿って波状の凹凸パターンを有する原反シートを得た。この原反シートを用いて、以下のようにして光学素子を得た。

原反シートからの転写：
すなわち、原反シートの凹凸パターンが形成された面に、ニッケルめっきを施し、そのニッケルめっきを剥離することにより、厚さ200μmの鋳型を得た。該鋳型の凹凸パターンが形成された面にエポキシアクリレート系プレポリマー、２−エチルヘキシルアクリレートおよびベンゾフェノン系光重合開始剤を含む未硬化の紫外線硬化性樹脂組成物を塗工した。
次いで、未硬化の紫外線硬化性樹脂組成物の塗膜の原反シートと接していない面に厚さ50μmのトリアセチルセルロースフィルムを重ね合わせ、押圧した。
次いで、トリアセチルセルロースフィルムの上から紫外線を照射し未硬化の紫外線硬化性樹脂組成物を硬化させ、その硬化物を鋳型から剥離することにより、異方性拡散シートを得た。
得られた異方性拡散シートの、光拡散体としての性能を次のように評価した。すなわち、ＧＥＮＥＳＩＡＧｏｎｉｏＦａｒＦｉｅｌｄＰｒｏｆｉｌｅｒ（ジェネシア社製）を用いて、拡散角度を測定した。その結果、収縮方向の拡散角度すなわち拡散角度の最大値は27度であった。

なお、ここで拡散角度とは、異方性拡散シートの凹凸パターンが形成されていない側の面から、シート面の法線方向に沿って測定光を入射させ、凹凸パターンが形成された面から出射させ、その照度を測定する際、シート面の法線方向（この方向を出光角度0度とする）における相対照度を1とした場合に相対照度が0.5以上となる±（プラスマイナス）の角度範囲である。例えば、出光角度が±15度の範囲で相対照度が0.5以上である場合、拡散角度は30度となる。また、拡散角度の最大値とは、シート面内の全方向で拡散角度を測定した場合の、最大拡散角度である。

＜実施例４＞
ポリプロピレンフィルムに、幅1mm、間隔1mmでアクリル粘着剤のストライプ膜を、厚さ約50nmで形成し、このストライプ模様を、前記比較例１の原反シートの凹凸面に転写した。次いで、実施例２の方法により、平均粒子径約100nmのコロイダルシリカを塗布し乾燥して得られた粒子層を、前記転写されたストライプ膜に転写し、図５と同様の形状の微細粒子付き原反シートを作製した。次いで、以後は、比較例１と同様の方法で異方性拡散シートを作製した。この異方性拡散シートについて、比較例１と同様にして最大拡散角度を測定した結果、32度であり、比較例１と比べて18％の向上であった。

ディスプレイあるいは照明器具などにおいて、蛍光灯、発光ダイオード、有機ＥＬなどから発する光を望みの方向に拡散させ、光源の形状を隠す異方性光拡散シートとして使用できる。

Claims

一方向に山が連続しており、該方向に直交する方向に、山と谷が繰り返され、山のピッチの平均値が0.4〜10μmである、略波形あるいは略半円柱形の凹凸模様を有する合成樹脂性の光拡散シートにおいて、山の頂部に、大きさが200nm以下の微細凹凸を形成したことを特徴とする、光拡散シート。
該微細凹凸は半球状であり、球の直径が200nm以下である、請求項１に記載の光拡散シート。
該微細凹凸は該一方向に連続する山の頂部に、凝集物が間隔をおいて配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光拡散シート。