JP2013145742A - 面光源装置用導光体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高効率の光拡散機能を持った光出射機構を備えた面光源装置用導光体を生産性よく容易に得ることが可能な面光源装置用導光体の製造方法を提供する。
【解決手段】板状の面光源装置用導光体24を製造する方法であって、透明樹脂からなる板状の導光体素材の少なくとも一方の主表面の少なくとも一部の領域に短パルスレーザーを照射することにより前記導光体素材に多孔質構造を形成し、該多孔質構造からなる光出射機構部244を持つ導光体24を得る。
【選択図】図24

Description

本発明は、エッジライト方式の面光源装置を構成するのに用いられる導光体に関するものであり、特に、光出射機能構造(光出射機構)に特徴を持つ面光源装置用導光体を製造する方法に関するものである。
本発明の方法により製造される導光体を用いて構成される面光源装置は、例えば、携帯用ノートパソコン等のモニターや液晶テレビ等の表示部として使用される液晶表示装置のバックライトおよび、照明や看板に、好適である。
液晶表示装置は、基本的にバックライトと液晶表示素子とから構成されている。バックライトとしては、液晶表示装置のコンパクト化の観点からエッジライト方式のものが多用されている。エッジライト方式のバックライトにおいては、矩形板状の導光体の少なくとも1つの端面を光入射端面として用いて、該光入射端面に沿って直管型蛍光ランプなどの線状または棒状の一次光源あるいは発光ダイオード(LED)などの点状の一次光源を配置し、該一次光源から発せられた光を導光体の光入射端面に入射させて導光体内部へと導入し、該導光体の2つの主表面のうちの一方である光出射面から出射させるようにしている。導光体の光出射面から出射した光は、光出射面上に配置される光拡散フィルムなどの光拡散素子及びプリズムシートなどの光偏向素子により拡散され所要の方向へと偏向される。導光体の2つの主表面のうちの他方である裏面からも光は出射し、この光を導光体へと戻すために、裏面に対向して光反射シートなどの光反射素子が配置される。
導光体の光出射面または裏面には、導光体内を導光される光を適宜出射させるための光学機能構造としての光出射機構が形成される。この光出射機構としては、たとえば、適度に荒らされた粗面または多数のレンズ列を配列したレンズ列形成面のような微小凹凸構造が用いられる。
このような微小凹凸構造を形成するためには、ブラストまたは切削などにより形成した形状転写面を有する成形用型部材を含んでなる成形装置を用いてアクリル樹脂などの透光性素材に形状を転写する方法が知られている(特許文献1及び特許文献2参照)。
また、光出射機構は導光体の内部に形成されていてもよい。そのような光出射機構として光拡散剤や発泡層を用いたものが知られている。たとえば、特許文献3には、放射線エネルギー及び熱エネルギーの付与により発泡した発泡体からなる導光体が開示されている。
また、特許文献4には、重量平均分子量が10万を超えるアクリル樹脂板の一方の表面にレーザー光を照射して発泡表面層を有する凹部を多数形成することで、当該表面を拡散(散乱)面となした導光板が開示されている。
国際公開第2005/073625号公報 特開2009−266830号公報 特開2006−155937号公報 特開2010−103068号公報
特許文献1及び特許文献2の導光体のように、成形用型部材からの形状転写により光出射機構を形成する場合には、品種毎に型部材を準備する必要がある。さらに、液晶テレビのような大型の液晶表示装置に用いる面光源装置用導光体を製造するためには、大型の型部材を準備する必要があるうえ、成形工程において面全体で精度良く形状を転写するのが困難であるといった課題があるため、適用が困難である。
また、成形用型部材に微小凹凸構造を形成するためにはブラスト加工が広く用いられているが、ブラスト加工はブラスト粒子のばらつきや湿度などの環境条件のばらつきによって形成される微小凹凸構造が変化しやすいため、再現性が得られにくいという課題があった。また、切削などにより光出射機構を形成する場合には、主表面の表面形状のみに基づき光拡散を行うため、出射光が特定の方向に集中してしまい、光拡散性が低く、即ち半値幅が狭く、指向性が強い光出射となる。このような面光源装置用導光体を用いると、拡散シート及び/またはプリズムシートなどの光学シートと組合せて面光源装置を構成した場合に、導光体の微小凹凸構造の配置パターンが透けて見え易いため、品位の高い面光源装置を得ることが困難となる。このような微小凹凸構造配置パターン透けの問題を解決して高品位の面光源装置を得るには、導光体の微小凹凸構造配置パターンをより小さく、高密度に配置する必要があるため、複雑な設計が必要になる。
また、特許文献4の導光板では、レーザー照射加工により凹部を形成するため、加工データを変更するだけで多数の品種に対応することができるが、基材として使用する導光体素材によってレーザー加工性が異なるため、基材によっては拡散性が高い光出射機構を形成できないという問題がある。
一方、特許文献3の導光体では発泡部による光拡散に基づき光出射を実現している。しかしながら、この導光体を製造するには、放射線照射工程と加熱工程との双方を必要とし、製造工程が複雑であるうえ、発泡を誘起する添加剤を必要とするため、コストの上昇を招く。
本発明の目的は、以上のような技術的課題に鑑みて、高効率の光拡散機能を持った光出射機構を備えた面光源装置用導光体を生産性よく容易に得ることが可能な面光源装置用導光体の製造方法を提供することにある。
本発明によれば、上記目的を達成するものとして、
板状の面光源装置用導光体を製造する方法であって、
透明樹脂からなる板状の導光体素材の少なくとも一方の主表面の少なくとも一部の領域に短パルスレーザーを照射することにより前記導光体素材に多孔質構造を形成し、該多孔質構造からなる光出射機構を持つ導光体を得る、面光源装置用導光体の製造方法、
が提供される。
本発明の一態様においては、前記短パルスレーザーは、発振波長が1080nm以下かつ、パルス幅が200フェムト秒以下である。本発明の一態様においては、前記短パルスレーザーの発振波長が795nmである。本発明の一態様においては、前記短パルスレーザーは、発振波長が266nmかつ、パルス幅が20ナノ秒以下である。本発明の一態様においては、前記透明樹脂がアクリル樹脂である。
本発明によれば、基材を選択することなしに、高効率の光拡散機能を持った光出射機構を備えた面光源装置用導光体を生産性よく容易に得ることが可能な面光源装置用導光体の製造方法が提供され、これにより容易に高品位の面光源装置を得ることが可能になる。とくに、本発明においては、短パルスレーザー(超短パルスレーザーと呼ばれるものを含む)の照射により導光体素材に形成される多孔質構造を導光体の光出射機構として用いるので、炭酸ガスレーザーなどを用いたレーザー加工の加工メカニズム(発熱による熱溶融を伴う)とは異なり、実質上発熱による熱溶融を伴うことなく導光体素材による光エネルギーの直接吸収により効率良く多孔質構造を形成することができる。この多孔質構造を構成する気孔の内部は導光体材料とは屈折率が大きく異なるので、ランダムで大きな光拡散作用が得られる。かくして、半値幅が広いブロードな光出射が得られ、これにより容易に、光出射機構配置パターン透けのない高品位の面光源装置を得ることが可能になる。また、本発明によれば、上記のような特徴的なレーザー加工メカニズムに基づき、レーザー光に対する吸収帯が存在しない導光体素材をも使用することができ、導光体素材の選択の自由度が増加する。
本発明の面光源装置用導光体の製造方法の実施に使用されるフェムト秒レーザー加工装置の概略構成図である。 本発明の面光源装置用導光体の製造方法の実施に使用されるナノ秒レーザー加工装置の概略構成図である。 実施例1(イ)で得られた面光源装置用導光体サンプルの光出射機構部の表面形状および断面形状を示すSEM図である。 実施例1(ロ)で得られた面光源装置用導光体サンプルの光出射機構部の表面形状および断面形状を示すSEM図である。 実施例1(ハ)で得られた面光源装置用導光体サンプルの光出射機構部の表面形状および断面形状を示すSEM図である。 実施例1(ニ)で得られた面光源装置用導光体サンプルの光出射機構部の表面形状および断面形状を示すSEM図である。 実施例1(ホ)で得られた面光源装置用導光体サンプルの光出射機構部の表面形状および断面形状を示すSEM図である。 比較例1(イ)で得られた面光源装置用導光体サンプルの光出射機構部の表面形状および断面形状を示すSEM図である。 比較例1(ロ)で得られた面光源装置用導光体サンプルの光出射機構部の表面形状および断面形状を示すSEM図である。 比較例1(ハ)で得られた面光源装置用導光体サンプルの光出射機構部の表面形状および断面形状を示すSEM図である。 比較例1(ニ)で得られた面光源装置用導光体サンプルの光出射機構部の表面形状および断面形状を示すSEM図である。 比較例1(ホ)で得られた面光源装置用導光体サンプルの光出射機構部の表面形状を示すSEM図である。 板状導光体素材を製造するための装置の一例を示す模式的構成図である。 実施例で作製した面光源装置用導光体サンプルの概略図である。 実施例で作製した面光源装置用導光体サンプルの光学特性の評価方法の説明図である。 実施例2乃至6及び比較例2で得られた導光体サンプルの光出射機構部の評価結果を示す図である。 実施例2で得られた面光源装置用導光体サンプルの出射光輝度分布を示す図である。 実施例3で得られた面光源装置用導光体サンプルの出射光輝度分布を示す図である。 実施例4で得られた面光源装置用導光体サンプルの出射光輝度分布を示す図である。 実施例5で得られた面光源装置用導光体サンプルの出射光輝度分布を示す図である。 実施例6で得られた面光源装置用導光体サンプルの出射光輝度分布を示す図である。 比較例2で得られた面光源装置用導光体サンプルの出射光輝度分布を示す図である。 本発明の方法により製造される面光源装置用導光体を用いた面光源装置の一実施形態を示す模式的構成図である。 図23の面光源装置における面光源装置用導光体の模式的部分断面図である。 図24の面光源装置用導光体の光出射機構部の配列形態を説明するための模式図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図23は本発明方法により製造される面光源装置用導光体を用いた面光源装置の一実施形態を示す模式的構成図であり、図24は該面光源装置における面光源装置用導光体の模式的部分断面図である。図23に示されているように、本実施形態の面光源装置は、点状の一次光源としてのLED22と、該LEDから発せられる光を導光する板状の面光源装置用導光体24と、光拡散素子26と、第1の光偏向素子28と、第2の光偏向素子30と、光反射素子32とを備えている。
導光体24は、図23及び図24における上下方向を厚み方向としており、紙面と垂直の方向に広がりをもっており、全体として矩形板状をなしている。導光体24は、4つの側端面を有しており、そのうちの1対の側端面のうちの一方が光入射端面241とされ、該光入射端面と対向するようにLED22が隣接配置されている。尚、本実施形態では導光体24が1つの光入射端面241を有するが、所望により1対の側端面の双方、或いは2対の側端面の全て、を光入射端面としてもよい。この場合、全ての光入射端面と対向するようにLEDが隣接配置される。
導光体24の光入射端面241に略直交する2つの主表面のうちの一方である上面が光出射面242とされている。本実施形態では該光出射面242は、平滑面(鏡面)からなるが、これに限定されるものではなく、光出射面にプリズム形状や、レンチキュラーレンズ形状、マイクロレンズ形状などを付与することができる。
尚、LED22は、複数設けられていてもよい。この場合、複数のLED22は、図23の紙面と垂直の方向に適宜の間隔をもって配置され、それらから発せられる光の最大強度光の方向が互いに平行となるように配置するのが好ましい。
導光体24の光出射面242と反対側の主表面である下面(裏面)243には、光出射機構が形成されている。光出射機構は、裏面243の一部の領域において形成された多孔質構造の部分244からなる。該多孔質構造部分244は、表面が大略的にみて凹面形状とされており、本明細書においては、この表面部を凹部と云うことがある。また、多孔質構造部分244により光出射機構が形成されるので、本明細書においては、この部分を光出射機構部と云うこともある。
光出射機構部244が形成されている領域は、裏面243におけるドット状領域からなる。このドット状領域の径は、たとえば1μm〜1000μmである。光出射機構部244の凹部深さは、たとえば0.1μm〜500μmである。また、光出射機構部244の厚みは、たとえば1μm〜2000μmである。
裏面243における光出射機構部244の領域は、複数設けることができる。光出射機構部244の領域がドット状である場合には、その分布(配列形態)は、たとえば、ランダム状、碁盤目状、千鳥状、最密充填状のようにすることができる。
図25に、裏面243における光出射機構部244の配列形態の一例を示す。光出射機構部244は、裏面243において、横方向配列ピッチP1及び縦方向配列ピッチP2の格子状に配列してもよい。このような配列形態は、レーザー加工において、後述のようにして導光体素材の主表面上で短パルスレーザースポットを走査することで、形成することができる。ピッチP1,P2は、たとえば10μm〜1000μmである。
尚、光出射機構部244が形成されている領域の形状は、以上のようなドット状に限定されるものではなく、ストライプ状領域すなわち線状または帯状の領域からなるものであってもよい。この場合においても、ストライプの延在方向と直交する断面(縦断面)の形状について、上記ドット状の場合の断面(縦断面)の形状についての説明が当てはまる。光出射機構部244の領域がストライプ状である場合には、その配列形態は、たとえば、平行縞状のようにすることができる。
光出射機構部244は、透明樹脂からなる板状の導光体素材を用いて、後述のようにして短パルスレーザーを照射することで、形成することができる。透明樹脂としては、たとえばアクリル樹脂、ポリカーボネート、メタクリル酸−スチレン共重合体(MS樹脂)、環状オレフィン系樹脂(COP)などが挙げられるが、透明性、加工性の観点から、アクリル樹脂が好ましい。光出射機構部244の縦断面形状(プロファイル)の変化は、後述のような製造方法において、導光体素材の主表面に対するレーザーの出力、走査速度、焦点位置(フォーカス位置)を変化させることで、実現することができる。
光出射機構部244は、多数の気泡を含んだ多孔質構造をとっており、気泡内部に導光体材料とは屈折率が大きく異なる気体を内包している。かくして、光出射機構部244は光の透過及び反射に対する不均一層として機能し、その光学的性質において光拡散層として機能する。これにより、光入射端面241に入射し、導光体内部を導光される光は、光出射機構部244において拡散反射され、一部が光出射面242からの出射が許容される角度にて光出射面242へと向かい、該光出射面から出射する。
導光体裏面243の一部の領域において以上のような光出射機構部244が形成されているので、光出射面242からは、光出射面242の法線方向(図23及び図24における上下方向)及び光入射端面241と直交する方向の双方を含む面内の分布において十分にブロードな光が出射する。
このような光出射機構部244の機能は、該光出射機構部244の多孔質状態に依存する。形成される気泡の単位面積あたりの数が少なすぎたりすると、良好な光拡散機能が得にくくなる。本発明者らは、この多孔質状態(高気泡密度状態)に影響する因子の1つとして、レーザー加工において照射されるレーザーの特性乃至種類があることを見出した。即ち、透明樹脂からなる板状導光体素材をレーザー加工するに際して、照射レーザーとして短パルスレーザーを用いることで、導光体素材に形成される多孔質構造即ち導光体の光出射機構の多孔質状態が極めて良好なものとなる。
ここで、短パルスレーザーは、ナノ秒レーザーやピコ波レーザー、およびフェムト波レーザーを含む。このような短パルスレーザーとしては、発振波長が266nmかつパルス幅が20ナノ秒以下のものを使用することができる。C−C結合、C−H結合を分子骨格に持つ樹脂は、波長339nm以下の紫外光領域において、分子骨格を形成している化学結合を1光子のエネルギーだけで切断することが可能になる。例えば、C−C結合は波長339nm付近以下、C−H結合は波長293nm付近以下の光を照射することで化学結合が切断される。そのため、発振波長が339nm以下のものを使用する必要がある。
発振波長339nm以下の短パルスレーザーとしては、YAGレーザーやYVOレーザーの基本波(1064nm)を波長変換素子により、4倍波(266nm)に変換したQスイッチレーザーや、エキシマーレーザーなどを用いることができる。
また、短パルスレーザーとして、発振波長が1080nm以下かつパルス幅が200フェムト秒以下の超短パルスレーザーを使用しても良い。短パルスレーザーの発振パルスが、200フェムト秒以下の超短パルスになると、樹脂に2個以上の光子が同時に吸収される多光子吸収が起こる確率が高くなる。
例えば、波長1017nmにおける3光子のエネルギーは、波長339nmの1光子のエネルギーと等しく、樹脂の分子骨格を形成している化学結合(C−C結合など)を切断することが可能となる。
発振パルスが200フェムト秒以下の超短パルスレーザーとしては、発振波長が780nm、795nm、808nm、830nmのものを用いることができる。
後述の実施例にて示されるように、導光体素材を短パルスレーザーにより加工することで、光拡散機能が極めて良好な光出射機構部244を形成することができる。
なお、導光体24の光出射機構としては、上記の様な裏面243に形成した光出射機構部244と併用して、導光体24の内部に光拡散性微粒子を混入分散することで形成したものを用いることができる。また、光出射面242または裏面243にプリズム列、レンチキュラーレンズ列及びマイクロレンズなどの形状を付与してもよい。
また、導光体24としては、図23及び図24に示される様な全体として一様な厚さ(裏面243の光出射機構部244の凹部表面形状を無視した場合の厚さ)の板状のものの他に、光入射端面241から反対端面の方へと次第に厚さが小さくなる様なくさび状のもの等の、種々の断面形状のものを使用することができる。
導光体24の厚さは、例えば0.1〜15mmである。
光拡散素子26は、導光体24の光出射面242上に配置されており、たとえば光拡散フィルムからなる。光出射面242から出射される光の指向性が所望の出射角度、視野角を持つ場合においては、光拡散素子26を省略してもよい。
第1の光偏向素子28は光拡散素子26上に配置されており、第2の光偏向素子30は第1の光偏向素子28上に配置されている。すなわち、第1の光偏向素子28と導光体の光出射面242との間に光拡散素子26が介在している。
第1及び第2の光偏向素子28,30は、導光体24に近い側の入光面と、該入光面と反対側の出光面とを備えており、出光面は互いに平行に配列された複数のプリズム列を含んでなる。但し、第1の光偏向素子28と第2の光偏向素子30とでは、出光面の複数のプリズム列の延在方向が互いに直交している。
本実施形態では、第1の光偏向素子28の出光面の複数のプリズム列の延在方向は光入射端面241と平行であり、第2の光偏向素子30の出光面の複数のプリズム列の延在方向は光入射端面241と垂直である。但し、これに限定されない。第1の光偏向素子28の出光面の複数のプリズム列の延在方向及び第2の光偏向素子30の出光面の複数のプリズム列の延在方向の双方が、光入射端面241に対して斜めで且つ互いに直交しているものであってもよい。
第1及び第2の光偏向素子28,30の厚さは、例えば30〜350μmである。
光出射面242から出射される光が所要の方向に分布のピークを持つような場合においては、第1または第2の光偏向素子28,30を省略してもよい。また、光出射面242から出射される光または光拡散素子26から出射される光の角度分布が、光偏向を要することなく所要の用途(たとえば看板)での使用を可能となすような場合には、第1または第2の光偏向素子28,30を省略してもよい。
光反射素子32としては、例えば表面に金属蒸着反射層を有するプラスチックシートや顔料を含有させた白色のシートや発泡シートなどの光反射シートを用いることができる。前記顔料としては、たとえば、酸化チタン、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等が挙げられる。尚、導光体24の光入射端面として利用される端面以外の端面にも反射部材を付することが好ましい。裏面243から出射される光の量が無視し得る程度に少ない場合においては、光反射素子32を省略してもよい。
以上のようなLED22、導光体24、光拡散素子26、第1及び第2の光偏向素子28,30および光反射素子32からなる面光源装置の発光面(第2の光偏向素子30の出光面)上に、液晶表示素子を配置することにより液晶表示装置が構成される。液晶表示装置は、図23における上方から液晶表示素子を通して観察者により観察される。
なお、第2の光偏向素子30の出光面上に、第2の光拡散素子を隣接配置して、画像表示の品位低下の原因となるぎらつきや輝度斑などを抑止し、画像表示の品質を向上させることができる。
次に、以上のような面光源装置用導光体を製造するための本発明による製造方法の実施形態を説明する。
先ず、主表面に光出射機構部が形成されていない導光体素材を用意する。この導光体素材は、たとえばアクリル樹脂板からなる板状のものであり、導光体24と同等の厚みを有する。
導光体素材は、たとえば、上下に相対するように配置された2個のエンドレスの金属回転ベルトとその両側辺部でベルト間に挟まれたガスケットとでシールされて構成される鋳型にメタクリル酸メチルのシラップを連続的に注入し重合させて板を得る製板法により製造される。
この方法は、公知の連続キャスト製板法であり、たとえば、
20℃での粘度が0.5Pa・s以上で重合体含有率が10〜40重量%であるメタクリル酸メチル系シラップに1種以上の重合開始剤を添加し、このシラップを鋳型に供給して50〜100℃の温度に加熱し重合体含有率が少なくとも70重量%に達した後、重合中のシラップ温度とほぼ同じかもしくはそれ以上の温度下で自生する重合発熱を利用して重合を行うことを特徴とするアクリル板状重合体の製造方法、
である。
ここで、好ましくは、重合中のシラップ温度とほぼ同じかもしくはそれ以上の温度が60〜150℃である。また、好ましくは、自生する重合発熱を利用して重合するシラップのピーク温度が105〜140℃である。また、好ましくは、鋳型が上下に相対するように配置され、同一方向に同一速度で走行する2個のエンドレスベルトと、その両側辺部でエンドレスベルトに挟まれて走行する連続したガスケットとで構成される鋳型である。
本発明で用いられるシラップの原料となる単量体は、メタクリル酸メチル単独またはメタクリル酸メチルを主成分とする単量体混合物であり、単量体混合物の場合メタクリル酸メチルは80重量%以上であることが望ましい。
メタクリル酸メチルと共に使用される単量体としては、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸−2−エチルヘキシル、メタクリル酸ベンジル等のメタクリル酸エステル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸シクロヘキシル、アクリル酸−2−エチルヘキシル、アクリル酸ベンジル等のアクリル酸エステル、スチレン、α−メチルスチレン等が挙げられる。
上記の単量体を重合してシラップを得るのに使用される重合開始剤としては、例えば、ジ−イソプロピルパーオキシジカーボネート、t−ブチルネオデカノエート、t−ブチルパーオキシピバレート、t−ヘキシルパーオキシピバレート、ラウロイルパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、t−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート、t−ブチルパーオキシベンゾエート、ジクミルパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド等の有機過酸化物;2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、1,1’−アゾビス(1−シクロヘキサンカルボニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4,4−トリメチルペンタン)等のアゾ化合物が挙げられる。重合開始剤の添加量は、通常単量体100重量部に対して0.01〜0.5重量部であるが重合温度や目的とする重合体転化率によって適宜決定される。
シラップを得るに当っては、必要に応じて分子量調整剤を使用することができる。具体的にはアルキル基または置換アルキル基を有する第1級、第2級または第3級のメルカプタン、例えば、n−ブチルメルカプタン、i−ブチルメルカプタン、n−オクチルメルカプタン、n−ドデシルメルカプタン、s−ブチルメルカプタン、s−ドデシルメルカプタン、t−ブチルメルカプタン等が挙げられる。分子量調整剤の使用量は特に限定されないがたとえば単量体100重量部に対して0.01〜0.2重量部の範囲で好ましく使用することができる。
上記の単量体から製造されるシラップは、20℃での粘度が0.5Pa・s以上で重合体含有率が10〜40重量%であることが必要である。シラップの粘度が0.5Pa・s未満または重合体含有率が10重量%未満では重合時間が長くなり、一方、重合体含有率が40重量%を越えると重合開始剤の混合や鋳型へのシラップの供給が困難となる。
上記の粘度および重合体含有率を有するシラップは、公知の方法、例えば特公昭40−3701号公報、特公昭47−35307号公報、特公昭53−39918号公報等に記載の方法により製造することができる。
次に、上記のシラップに添加される重合開始剤としては、上述のシラップを得る際に用いられる重合開始剤と同様のものが使用される。重合開始剤の添加量は、通常シラップ100重量部に対して0.03〜0.5重量部が好ましい。
なお、本発明で用いられるシラップには、さらに必要に応じて各種の添加剤、例えば分子量調整剤、酸化安定剤、可塑剤、染料、顔料、離型剤、紫外線吸収剤等を添加してもよい。
本発明のアクリル板状重合体を得るのに使用される鋳型としては、特公昭46−41602号公報、同47−33495号公報等に記載されるような上下に相対するように配置され、同一方向に同一速度で走行する2個のエンドレスベルトと、その両側辺部でエンドレスベルトに挟まれて走行する連続したガスケットとで構成される連続的に板状重合体を製造する方式のものが好ましい。
図13は、アクリル板状重合体(板状導光体素材)を連続的に製造するのに使用される重合装置の一例を示す概略説明図である。
供給ダイ201から紫外線重合性粘性液体(シラップ)202を供給し、アクリルキャストシート(導光体素材)202’を製造する。繰り出し装置214および巻き取り装置215を用いて第一のフィルム213を走行させ、繰り出し装置装置217および巻き取り装置218を用いて第二のフィルム216を走行させる。供給された紫外線重合性粘性液体202は、第一および第二のフィルム213,216により挟持され、上面押し付けロール208および下面押し付けロール208’によりニップされて所要厚さの層状にされ、走行する。その間、紫外線照射装置204により第一および第二のフィルム213,216を介して紫外線が照射され、更に熱風加熱装置210により加熱がなされ、紫外線重合性粘性液体202が重合し、アクリルキャストシート202’となる。
尚、以上のような導光体素材は、市販品(たとえば、三菱レイヨン社製 アクリライトLまたはアクリライトLX)を使用してもよい。更に、本発明においては、導光体素材として、アクリルキャストシート以外のもの、たとえば公知の押し出し法により製造されたアクリル押し出しシート、を使用することも可能である。
次いで、導光体素材の主表面に対して、短パルスレーザー照射による加工(短パルスレーザー加工)を行い、導光体素材に光出射機構部244を形成する。
図1および図2に本発明の短パルスレーザー加工による導光体製造のための装置の構成例を示す。
図1に示す装置は、フェムト秒レーザー加工装置である。図1において、フェムト秒レーザー加工装置100は、フェムト秒レーザー光源1、半波長板2、グランレーザープリズム3、シャッター4、ミラー5、5’、ガルバノミラー6、Z軸ステージ8、およびレーザー照射制御とくにガルバノミラー駆動制御のための制御用PC(パーソナルコンピュータ)10を含んでいる。Z軸ステージ8上に被加工物であるところの導光体素材7が載置される。レーザー光源1から発せられたフェムト秒パルスレーザーは、半波長板2、グランレーザープリズム3、シャッター4、ミラー5、5’、及びガルバノミラー6を経て、レーザー光9としてZ軸ステージ8上の導光体素材7に照射される。
図2に示す装置は、ナノ秒レーザー加工装置である。図2において、ナノ秒レーザー加工装置200は、ナノ秒レーザー光源20、ミラー5、5’、5”、平凸レンズ12、Z軸ステージ8、自動二軸[X軸・Y軸]ステージ13、およびレーザー照射制御とくに自動二軸ステージ駆動制御のための制御用PC(パーソナルコンピュータ)10を含んでいる。Z軸ステージ8上に被加工物であるところの導光体素材7が載置される。レーザー光源20から発せられたナノ秒パルスレーザーは、ミラー5、5’、5”を経た後、平凸レンズ12で集光され、レーザー光9としてZ軸ステージ8上の導光体素材7に照射される。
ここでは一例として、ガルバノミラーを用いてレーザー光を走査するフェムト秒レーザー加工装置、および自動二軸ステージを用いてレーザー光を走査するナノ秒レーザー加工装置を例示したが、求められる加工精度や効率により、レーザー光源と走査方法とを任意の組合せとしても良い。
短パルスレーザーを用いることで、炭酸ガスレーザー(COレーザー)などの場合とは異なり、実質上アクリルシートによるレーザー光吸収に起因する発熱を伴うことなく、照射光と導光体素材とを直接的に相互作用させることで効率良く気泡を発生させて多孔質化させ、その状態が固定される。このような短パルスレーザー照射による多孔質化は、単一のパルス照射により当該照射部分において実現する。
上述したように、光出射機構部244の縦断面形状(プロファイル)は、導光体素材の主表面に対するレーザーの出力、走査速度、焦点位置(フォーカス位置)を変化させることで、容易に変化させることができる。
以下、実施例および比較例によって本発明をさらに具体的に説明する。
以下の実施例および比較例において、重量平均分子量の測定および光出射機構部の評価は次のようにして実施した。
<重量平均分子量の測定>
面光源装置用導光体素材であるアクリルシートの重量平均分子量は、サンプルにテトラヒドロフラン(THF)を加えて、一晩静置溶解させた後、液体クロマトグラフィー(東ソー社製 液体クロマトグラフィー HLC−8120型)を用いて測定した。ガードカラムは東ソー社製TSKguardcolumn SuperH−Hを、分離カラムは東ソー社製TSK−Gel SuperHM−Hを2本直列、溶媒はTHF、流量は0.6ml/min、検出器は示差屈折計、測定温度は40℃、注入量は10μLとした。標準ポリマーとしては、ポリスチレンを使用した。
<光出射機構部の評価>
透明樹脂からなる導光体素材の表面にレーザー照射加工を施すことによって得られる光出射機構部の評価は、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製 S−4300SE/N形走査電子顕微鏡、以下SEM)にて光出射機構部の表面および断面を観察することにより行い、断面に多数の空隙が内包されているものを『○』、断面に空隙が観察されないものを『×』とした。また以下の実施例および比較例においては、複数の透明材料について前記光出射機構部の評価を行い、すべて『○』である場合は、総合判定『○』、ひとつでも『×』が含まれる場合は、総合判定『×』とした。
(実施例1)
面光源装置用導光体素材として、
(イ)アクリルキャストシート(三菱レイヨン社製 アクリライトL#001 厚み4mm 重量平均分子量61.0万)、
(ロ)アクリル樹脂ペレット(三菱レイヨン社製 アクリペットVH#001 重量平均分子量8.6万)を原料とし、公知の押出プロセスにより得られた厚み4mmのアクリル押出シート、
(ハ)ポリカーボネート樹脂ペレット(三菱エンジニアリングプラスチックス社製 ユーピロンHL−4000)を原料とし、公知の射出成形プロセスにより得られた厚み4mmのポリカーボネート樹脂成形シート、
(ニ)MS樹脂ペレット(電気化学工業社製 TXポリマーTX−100S)を原料とし、公知の射出成形プロセスにより得られた厚み4mmのMS樹脂成形シート、及び
(ホ)COP樹脂ペレット(日本ゼオン社製 ゼオノア1060R)を原料とし、公知の射出成形プロセスにより得られた厚み4mmのCOP樹脂成形シート、
を用いた。
これらの導光体素材(イ)〜(ホ)のそれぞれにつき、表面に、図1に示すフェムト秒レーザー加工装置100を用いて短パルスレーザーをスポット状に照射し且つ照射スポットを走査することで、短パルスレーザー加工を施した。これにより、照射スポットに対応する導光体素材の領域(部分)に多孔質構造を形成し、該多孔質構造からなる光出射機構を持つ導光体を得た。
フェムト秒レーザー光源1は、QUANTRONIX社製 Integra−cであり、波長:795nm、パルス幅:130fs、パルス周波数:1kHzであった。短パルスレーザー加工条件は、出力100mW、走査速度5mm/sec、焦点位置は導光体素材のレーザー入射側表面(加工面)とした。
得られた導光体サンプルの表面には、多孔質構造部に対応して凹部が形成されていた。導光体サンプルの多孔質構造部即ち光出射機構部をSEMにより評価した。
(比較例1)
実施例1で使用したものと同様な導光体素材(イ)〜(ホ)の表面に、キーエンス社製COレーザーマーカー ML−Z9520T(波長:9.3μm、平均出力:20W)を用いてレーザー加工を施すことで光出射機構部を形成し、光出射機構部の評価を行った。レーザー加工条件は、出力80%、走査速度500mm/sec、焦点位置は加工面とした。
<実施例1および比較例1の試験評価結果>
表1は、実施例1および比較例1で製造した導光体サンプルの光出射機構部の評価結果である。
表1および図8〜12に示す通り、COレーザーを用いた場合、重量平均分子量が61.0万であるアクリルキャストシート(導光体素材(イ))にレーザー加工を施すことにより得られる凹状の光出射機構部では、表面全域にわたって多数の凹凸が形成され、断面には発泡による多数の空隙が内包されているのに対し、重量平均分子量が8.6万であるアクリル押出シート(導光体素材(ロ))、ポリカーボネート樹脂成形シート(導光体素材(ハ))およびMS樹脂成形シート(導光体素材(ニ))にレーザー加工を施すことにより得られる凹状の光出射機構部では、表面が鏡面に近い面となっており、断面にも空隙は観察されなかった。また、COP樹脂成形シート(導光体素材(ホ))の場合には、レーザー加工部に凹部が形成されず、良好な光出射機構部を形成することができなかった。以上の結果から、レーザー光源としてCOレーザーを用いた比較例1では、導光板素材として使用する透明材料の種類によってレーザー加工性が変化するため、総合評価は『×』であった。
これに対して表1および図3〜7に示す通り、フェムト秒レーザーを用いた実施例1では、光出射機構部は、アクリル樹脂の重量平均分子量や透明樹脂材料の種類に依存していない。即ち、重量平均分子量が61.0万であるアクリルキャストシート(導光体素材(イ))、重量平均分子量が8.6万であるアクリル押出シート(導光体素材(ロ))、ポリカーボネート樹脂成形シート(導光体素材(ハ))、MS樹脂成形シート(導光体素材(ニ))、およびCOP樹脂成形シート(導光体素材(ホ))のいずれを用いた場合においても、光出射機構部は、表面全域に多数の凹凸が形成され、断面は発泡による極めて多数の空隙が内包された多孔質構造をとっていることが分かり、総合評価は『○』であった。
(実施例2)
フェムト秒レーザー光源の出力の違いと、レーザー加工を施すことにより得られる光出射機構部の表面形状及び断面形状並びに導光体の光学特性との関係を詳細に評価するため、以下の方法で面光源装置用導光体を作製し、評価を行った。
<導光体素材の作製>
メチルメタクリレートモノマー60重量部に対し、紫外線分解重合開始剤1−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニルケトン(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製 イルガキュア184)を0.05重量部、離型剤としてジオクチルスルホ琥珀酸ナトリウム(三井サイアナミッド社製 エアロゾルOT−100)を0.05重量部添加し、常温にて溶解させた後、メチルメタクリレートポリマービーズ(三菱レイヨン社製 BR−80 重量平均分子量9.5万)40部を80℃で30分間かけて加熱溶解させ、紫外線重合性粘性液体202を調製した。調合時の泡を抜くために50℃にて2時間静置させた後、常温まで自然冷却させた。
次いで、前記紫外線重合性粘性液体202を用いて、図13に示される装置でアクリルキャストシート202’を製造した。第一と第二のフィルム213,216としては幅500mmで厚さ188μmのポリエチレンテレフタレートフィルム(東洋紡社製 コスモシャイン A4100)を使用し、紫外線照射装置204として東芝社製 FL30S−BLランプを使用した。
フィルム213,216の搬送速度を0.13m/minとし、供給ダイ201から、先に調整した紫外線重合性粘性液体202をフィルム216上に幅400mm、厚さ0.46mmのシート状に供給した後、フィルム213を被せた。その後、紫外線照射装置204により2mW/cmの照射強度で20分間紫外線を照射し、熱風加熱装置210により143℃にて3分間熱処理した後、常温まで空冷し、フィルム213,216から剥離することにより、厚み0.4mmのアクリルキャストシート202’を得た。得られたアクリルキャストシート202’を幅30mmおよび長さ100mmの矩形に切り出すことにより面光源装置用導光体素材aを作製した。得られた面光源装置用導光体素材aの重量平均分子量は、79.6万であった。
これとは別に、紫外線重合性粘性液体を調整する際に、n−オクチルメルカプタンを0.2重量部加えた以外は面光源装置用導光体素材aと同様にして、面光源装置用導光体素材bを作製した。得られた面光源装置用導光体素材bの重量平均分子量は、7.8万であった。
<面光源装置用導光体の作製>
本実施例で作製した導光体サンプル300の概略図を図14に示す。
前述の方法で得られた面光源装置用導光体素材aおよびbの一主面(導光体サンプル300の光出射面310に対応する主面と反対側の主面)に、実施例1で用いたものと同様のフェムト秒レーザー加工装置(波長:795nm、パルス幅:130fs、パルス周波数:1kHz)を用い、出力200mW、走査速度60mm/sec、焦点位置を加工面に合わせた条件にてレーザー加工を施し、表面凹状の多孔質構造部を形成した。これにより、前記多孔質構造部からなる光出射機構部を備えた面光源装置用導光体A2およびB2を得た。レーザー加工は、光入射端面320から50mm、側端面330,330’から15mmの位置を中心とした5mm×5mmのエリア(光出射機構配列エリア)301にのみ施し、加工パターンは、パルス発振するレーザーの照射スポットを光入射端面320と平行な方向にライン状に走査し、このラインを光入射端面320と垂直な方向に0.1mmピッチで50列配列することで、ドット形状を配列したパターンとした(図25参照)。
<光出射機構部の観察>
得られた光出射機構部のドットピッチおよびサイズは、レーザー共焦点顕微鏡(オリンパス社製 走査型共焦点レーザー顕微鏡 LEXT OLS−3000)を用いて評価した。また、形成された光出射機構部の表面形状および断面形状は、SEMで評価した。
<光学評価>
図15は、光学評価に用いた測定系の模式図である。
面光源装置の光学特性は、下記の方法により評価した。定電流電源450により20mAで発光させたLED光源440(日亜化学工業社製 LED NSSW020BT 1灯)を被測定用の面光源装置用導光体サンプル400の光入射端面402と対向するように配置し、反射シート410(帝人デュポンフィルム社製 UX 厚み225μm)を光出射面と反対側の裏面に対向するように配置し、輝度計460(TOPCON社製 輝度計BM−7)を用い、光出射機構配列エリア401を中心とした視野角2度のエリアの光出射面から出射される光の、導光方向と平行で光出射面に垂直な面の−90度から90度までの出射光角度における輝度分布を測定した。なお出射方向は、法線方向を0度、光出射機構から見て光入射端面に近づく方向を−(マイナス)、その反対方向を+(プラス)とした。
(実施例3)
フェムト秒レーザー加工装置のレーザー出力を400mWとした以外は実施例2と同様にして、面光源装置用導光体A3およびB3を作製し、光出射機構部の観察、光学評価を行った。
(実施例4)
フェムト秒レーザー加工装置のレーザー出力を600mWとした以外は実施例2と同様にして、面光源装置用導光体A4およびB4を作製し、光出射機構部の観察、光学評価を行った。
(実施例5)
ナノ秒レーザー光源の出力の違いと、レーザー加工を施すことにより得られる光出射機構部の表面形状および断面形状並びに導光体の光学特性との関係を詳細に評価するため、面光源装置用導光体A5およびB5を作製し、評価を行った。
面光源装置用導光体A5およびB5は、実施例2で作製した面光源装置用導光体素材aおよびbの一主面(導光体サンプル300の光出射面310に対応する主面と反対側の主面)に、図2に示すナノ秒レーザー加工装置200を用いて短パルスレーザー加工を施すことにより作製した。
ナノ秒レーザー光源としては、タレスレーザー社製 SAGA120(波長266nm、パルス幅:5〜20ns、パルス周波数:10Hz)を用い、出力200mW、走査速度2.5mm/sec、焦点位置を加工面に合わせた条件にてレーザー加工を施し、表面凹状の多孔質構造部を形成した。これにより、前記多孔質構造部からなる光出射機構部を備えた面光源装置用導光体A5およびB5を得た。レーザー加工は、光入射端面320から50mm、側端面330,330’から15mmの位置を中心とした5mm×5mmのエリア(光出射機構配列エリア)301にのみ施し、加工パターンは、パルス発振するレーザーの照射スポットを光入射端面320と平行な方向にライン状に走査し、このラインを光入射端面320と垂直な方向に0.25mmピッチで20列配列することで、ドット形状を配列したパターンとした(図25参照)。
面光源装置用導光体A5およびB5を用いて、実施例2と同様の方法で光出射機構部の観察、光学評価を行った。
(実施例6)
ナノ秒レーザー加工装置のレーザー出力を400mWとした以外は実施例5と同様にして、面光源装置用導光体A6およびB6を作製し、光出射機構部の観察、光学評価を行った。
(比較例2)
実施例2で作製した面光源装置用導光体素材aおよびbの一主面(導光体サンプル300の光出射面310に対応する主面と反対側の主面)に、比較例1で用いたものと同様のCOレーザーマーカーを用い、出力80%、走査速度500mm/sec、レーザー焦点位置を加工面に合わせた条件にてレーザー加工を施し、表面が凹状の光出射機構部を備えた面光源装置用導光体A7およびB7を得た。レーザー加工のパターンはドット形状とし、光入射端面320から50mm、側端面330から15mmの位置を中心とした5mm×5mmのエリアに、光入射端面320と平行な方向に約0.5mmピッチで11個配列したパターンを、光入射端面320と垂直な方向に約0.5mmピッチで11列配列することで、ドット形状を配列したパターンとした(図25参照)。
面光源装置用導光体A7およびB7を用いて、実施例2と同様の方法で光出射機構部の観察、光学評価を行った。
<実施例2〜6および比較例2の試験評価結果>
実施例2〜6および比較例2で作製した面光源装置用導光体A2〜A7およびB2〜B7の光出射機構部のピッチおよび凹部サイズを表2に、出射機構部の評価結果を図16に示す。なお、表2の中で、x方向は光入射端面320と平行な方向を、y方向は光入射端面320と垂直な方向を表し、それぞれの値は、任意に抽出した3箇所の測定結果の平均値とした。
表2より、実施例2〜6および比較例2ともに、導光体素材であるアクリルシートの重量平均分子量の違いによらず、ほぼ同等のサイズ、ピッチで光出射機構部が形成されていることが確認された。
一方、図16を見ると、短パルスレーザーを用いて加工して得られた実施例2〜6の面光源装置用導光体では、導光体素材であるアクリルシートの重量平均分子量の違いによらず、レーザー加工を施すことにより得られる光出射機構部の表面には全域にわたって多数の凹凸が形成され、断面は多孔質構造をとっており、レーザー加工部に極めて多数の空隙を内包した構造をとっている。これに対し、COレーザーを用いて加工して得られた比較例2では、導光体素材であるアクリルシートの重量平均分子量によって光出射機構部の形状が著しく変化し、重量平均分子量が7.8万と小さいアクリルシートでは、凹部表面が鏡面となり、断面に空隙が内包されていないことが分かる。このことから、短パルスレーザーを用いることで、導光体素材であるアクリルシートの重量平均分子量によらずレーザー加工部に極めて多数の空隙を内包した構造を形成できることがわかる。
図17は実施例2で得られた面光源装置用導光体A2およびB2の、図18は実施例3で得られた面光源装置用導光体A3およびB3の、図19は実施例4で得られた面光源装置用導光体A4およびB4の、図20は実施例5で得られた面光源装置用導光体A5およびB5の、図21は実施例6で得られた面光源装置用導光体A6およびB6の、図22は比較例2で得られた面光源装置用導光体A7およびB7の、導光体単体での各出射角度における輝度の分布を示したものである。ここでは輝度分布のプロファイルを比較するため、ピーク輝度の値を1.0として規格化したデータを示している。また、表3は、光学評価の結果をまとめたもので、各面光源装置用導光体の出射プロファイルの半値幅(出射ピーク値の50%以上の輝度をとる角度幅)を示している。
図17〜図21および表3からわかるように、短パルスレーザーを用いて加工した実施例2〜6の面光源装置用導光体では、導光体素材であるアクリルシートの重量平均分子量によらずブロードな、半値幅の広い出射プロファイルを示す。これは、レーザー加工により形成した光出射機構部が極めて多数の空隙を内包した構造をとっていることに起因しており、導光体素材であるアクリルシートと比較して屈折率が著しく低い極めて多数の空隙部が導光体の光出射機構部に局在するため、導光体中を伝播してきた光が光出射機構部で散乱されながら、出射するためである。
これに対し、図22に示したCOレーザーを用いて加工した比較例2の面光源装置用導光体では、導光体素材であるアクリルシートの重量平均分子量により出射プロファイルが変化し、重量平均分子量が7.8万と小さい面光源装置用導光体B7では、半値幅の狭い指向性の強い出射プロファイルしか得られておらず、レーザー加工により形成された光出射機構部で散乱がほとんど起こっていないことがわかる。
一般的に、半値幅が狭い、つまりシャープな出射パターンを持った面光源装置用導光体を用いると、拡散シート・上向きプリズムシートなどの光学シートを組合せ面光源装置とした際に、導光体の出射パターンが透けて見え易いため、品位の高い面光源装置を得るためには、光出射機構部ドットを高密度に形成する必要がある。その結果、レーザー加工に長時間を要するため、加工コストの増大に繋がる。これに対し、本発明の製造方法で製造した面光源装置用導光体では、半値幅が広い、つまりブロードな出射パターンとなるため、比較的低密度の光出射機構部ドットでも容易に高品位の面光源装置を得ることができるため、レーザー加工時間を短縮でき、低コストで面光源装置用導光体を製造することができる。
以上の結果により、本発明の製造方法で製造した面光源装置用導光体を用いることにより、品位の調整が容易な面光源装置を、低コストで製造できることが示された。
100 フェムト秒レーザー加工装置
1 フェムト秒レーザー光源
2 半波長板
3 グランレーザープリズム
4 シャッター
5、5’、5” ミラー
6 ガルバノミラー
7 導光体素材
8 Z軸ステージ
9 レーザー光
10 制御用PC
12 平凸レンズ
13 自動二軸ステージ
22 LED
24 導光体
241 光入射端面
242 光出射面
243 裏面
244 光出射機構部
26 光拡散素子
28 第1の光偏向素子
30 第2の光偏向素子
32 光反射素子
201 供給ダイ
202 紫外線重合性粘性液体(シラップ)
202’ アクリルキャストシート(導光体素材)
204 紫外線照射装置
208 上面押し付けロール
208’ 下面押し付けロール
210 熱風加熱装置
213 第一のフィルム
214 第一のフィルム繰り出し装置
215 第一のフィルム巻き取り装置
216 第二のフィルム
217 第二のフィルム繰り出し装置
218 第二のフィルム巻き取り装置
300 面光源装置用導光体
301 光出射機構配列エリア
310 光出射面
320 光入射端面
330,330’ 側端面
400 面光源装置用導光体
401 光出射機構配列エリア
402 光入射端面
410 反射シート
440 LED光源
450 定電流電源
460 輝度計

Claims (5)

  1. 板状の面光源装置用導光体を製造する方法であって、
    透明樹脂からなる板状の導光体素材の少なくとも一方の主表面の少なくとも一部の領域に短パルスレーザーを照射することにより前記導光体素材に多孔質構造を形成し、該多孔質構造からなる光出射機構を持つ導光体を得る、面光源装置用導光体の製造方法。
  2. 前記短パルスレーザーは、発振波長が1080nm以下かつ、パルス幅が200フェムト秒以下である、請求項1に記載の面光源装置用導光体の製造方法。
  3. 前記短パルスレーザーの発振波長が795nmである、請求項2に記載の面光源装置用導光体の製造方法。
  4. 前記短パルスレーザーは、発振波長が266nmかつパルス幅が20ナノ秒以下である、請求項1に記載の面光源装置用導光体の製造方法。
  5. 前記透明樹脂がアクリル樹脂である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の面光源装置用導光体の製造方法。
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