JP2013222157A

JP2013222157A - 光拡散部材および表示装置

Info

Publication number: JP2013222157A
Application number: JP2012095137A
Authority: JP
Inventors: Toru Sugano; 透菅野; Emi Yamamoto; 恵美山本; Tsuyoshi Maeda; 強前田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2013-10-28

Abstract

【課題】光の利用効率に優れる光拡散部材、および、光拡散部材を備えた表示装置を提供する。
【解決手段】光拡散部材１６は、基材４２と、基材４２の一面に形成された光拡散部４３と、基材４２の一面に形成された複数の遮光層４４と、光拡散部４３の間、かつ、遮光層４４と重なる位置に形成された空隙４５に形成された複数の低屈折率部４６と、を備え、光拡散部４３が、基材４２側に光射出端面４３ａを有し、基材４２側と反対側に光射出端面４３ａよりも面積の大きい光入射端面４３ｂを有し、光拡散部４３の光入射端面４３ｂから光射出端面４３ａまでの高さが遮光層４３の層厚よりも大きく、複数の低屈折率部４６のうち少なくとも１つが、遮光層４４の直径をＬ、光拡散部４３の厚さをｄ、光拡散部４３の厚さの中間部位において、光拡散部４３と、基材４２に平行な直線とのなす角をθとしたとき、ｔａｎθ＝２ｄ／Ｌの関係を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、光拡散部材、および、光拡散部材を備えた表示装置に関する。

携帯電話機等をはじめとする携帯型電子機器、もしくは、テレビジョン、パーソナルコンピューター等のディスプレイとして、液晶表示装置が広く用いられている。ところが、一般に液晶表示装置は、正面からの視認性に優れる反面、視野角が狭いことが従来から知られており、視野角を広げるための様々な工夫がなされている。その１つとしては、液晶パネル等の表示体から射出される光を拡散させるための部材（以下、「光拡散部材」と言う。）を表示体の視認側に備える構成が考えられる。

このような光拡散部材としては、例えば、光透過性を有する基材と、基材の一面に形成された光拡散部と、基材の一面において光拡散部の形成領域以外の領域に形成された複数の遮光層と、光拡散部の間で、かつ、遮光層と重なる位置に形成された空隙と、を備えたものが知られている。

上記のような従来の光拡散部材を液晶表示装置に用いた場合、光源から出射された垂直光のうち、光拡散部の開口位置（光拡散部材の厚さ方向と平行であり、光拡散部材の光入射端面から光射出端面に向かう直線が光拡散部の斜面（側面）と交わらない位置）に入射した光は、そのまま光拡散部内を直進して通過し、基材の光出射側から外部に射出される。また、光源から出射された垂直光のうち、光拡散部の斜面（側面）に入射した光は、光拡散部と空隙との屈折率差によって全反射し、所定の角度をもって基材の光出射側から外部に射出される。さらに、光源から出射された垂直光の一部は、空隙内に入射して、空隙内に存在し、基材上に設けられた遮光層に直接入射し、吸収される。このように、従来の光拡散部材では、光源から出射された垂直光全てが基材の光出射側から外部に射出されるわけではないため、光の利用効率が悪いという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、光の利用効率に優れる光拡散部材、および、光拡散部材を備えた表示装置を提供することを目的とする。

本発明の光拡散部材は、光透過性を有する基材と、前記基材の一面に形成された光拡散部と、前記基材の一面において前記光拡散部の形成領域以外の領域に形成された複数の遮光層と、前記光拡散部の間、かつ、前記遮光層と重なる位置に形成された空隙に、前記光拡散部の構成材料よりも屈折率が低い低屈折率材料が充填されてなる複数の低屈折率部と、を備え、前記光拡散部が、前記基材側に光射出端面を有するとともに、前記基材側と反対側に前記光射出端面の面積よりも大きい面積の光入射端面を有し、前記光拡散部の前記光入射端面から前記光射出端面までの高さが前記遮光層の層厚よりも大きく、前記複数の低屈折率部のうち少なくとも１つが、前記遮光層の直径をＬ、前記光拡散部の厚さをｄ、前記光拡散部の厚さの中間部位において、前記光拡散部と、前記基材に平行な直線とのなす角をθとしたとき、ｔａｎθ＝２ｄ／Ｌの関係を満たすことを特徴とする。

本発明の光拡散部材において、前記複数の遮光層が、前記基材の前記一面の法線方向から見て非周期的に配置されていてもよい。

本発明の光拡散部材において、前記複数の遮光層のうち少なくとも一つの遮光層の寸法が他の遮光層の寸法と異なっていてもよい。

本発明の光拡散部材において、前記遮光層が前記基材の一面に接する部分の平面形状が、少なくとも長軸と短軸とを有する異方形状であってもよい。

本発明の光拡散部材において、前記遮光層が前記基材の一面に接する部分の平面形状が、等方性形状と異方性形状とが混在していてもよい。

本発明の光拡散部材において、前記低屈折率材料が、空気または不活性ガスであってもよい。

本発明の表示装置は、本発明の光拡散部材と、該光拡散部材に接合された表示体と、を備えたことを特徴とする。

本発明の表示装置において、前記表示体は、液晶表示素子であってもよい。

本発明によれば、光源から入射された光の利用効率を向上することができる。

液晶表示装置の第１実施形態を示す模式図であり、（Ａ）は液晶表示装置を斜め下方（背面側）から見た斜視図であり、（Ｂ）は液晶表示装置の断面図である。液晶表示装置における液晶パネルの一実施形態を示す断面図である。光拡散部材の作用を説明するための模式図である。ｔａｎθ＝２ｄ／Ｌの関係を満たす光拡散部材を用いた液晶表示装置、および、従来の光拡散部材を用いた液晶表示装置について、方位角９０°〜２７０°における視野角輝度変化を測定した結果を示すグラフである。指向性バックライトの輝度特性を示すグラフである。バックライトからの出射角と、光拡散部のテーパ角との関係を説明するための断面図である。バックライトからの出射角と、臨界角となる光拡散部のテーパ角との関係を示すグラフである。光拡散部材の他の例を示す断面図である。液晶表示装置の光拡散部材を、製造工程順を追って示す斜視図である。液晶表示装置の第２実施形態において、光拡散部材を示す斜視図である。光拡散部材において、遮光層を示す斜視図である。光拡散部材を示す断面図である。光拡散部材の作用を説明するための模式図である。

本発明の光拡散部材および表示装置の実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

[第１実施形態]
図１は、本実施形態の液晶表示装置を示す模式図であり、（Ａ）は本実施形態の液晶表示装置を斜め下方（背面側）から見た斜視図であり、（Ｂ）は本実施形態の液晶表示装置の断面図である。
本実施形態の液晶表示装置（表示装置）１０は、バックライト（光源）１１と、第１偏光板１２、液晶パネル（光変調素子）１３および第２偏光板１４を有する液晶表示体（表示体）１５と、光拡散部材（視野角拡大フィルム、視野角拡大部材）１６とから概略構成されている。

なお、図１（Ｂ）では、液晶パネル１３を模式的に１枚の板状に図示しているが、その詳細な構造については後述する。
観察者は、光拡散部材１６が配置された図１（Ｂ）における液晶表示装置１０の上側から表示を見ることになる。よって、以下の説明では、光拡散部材１６が配置された側を視認側と称し、バックライト１１が配置された側を背面側と称する。

液晶表示装置１０においては、バックライト１１から射出された光を液晶パネル１３で変調し、変調した光によって所定の画像や文字等を表示する。また、液晶パネル１３から射出された光が光拡散部材１６を透過すると、射出光の角度分布が光拡散部材１６に入射する前よりも広がった状態となって、光が光拡散部材１６から射出される。これにより、観察者は広い視野角を持って表示を視認できる。

以下、液晶パネル１３の具体的な構成について説明する。
ここでは、アクティブマトリクス方式の透過型液晶パネルを一例に挙げて説明するが、本実施形態に適用可能な液晶パネルは、アクティブマトリクス方式の透過型液晶パネルに限定されるものではない。本実施形態に適用可能な液晶パネルは、例えば、半透過型（透過・反射兼用型）液晶パネルや反射型液晶パネルであってもよく、さらには、各画素がスイッチング用薄膜トランジスタ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ、以下、「ＴＦＴ」と略記する。）を備えていない単純マトリクス方式の液晶パネルであってもよい。

図２は、液晶表示装置における液晶パネルの一実施形態を示す断面図である。
液晶パネル１３は、図２に示すように、スイッチング素子基板としてのＴＦＴ基板１７と、ＴＦＴ基板１８に対向して配置されたカラーフィルター基板１８と、ＴＦＴ基板１７とカラーフィルター基板１８との間に挟持された液晶層１９と、を有している。液晶層１９は、ＴＦＴ基板１７と、カラーフィルター基板１８と、ＴＦＴ基板１７とカラーフィルター基板１８とを所定の間隔をおいて貼り合わせる枠状のシール部材（図示略）と、によって囲まれた空間内に封入されている。

液晶パネル１３は、例えば、ＶＡ（ＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ、垂直配向）モードで表示を行うものであり、液晶層１９には誘電率異方性が負の垂直配向液晶が用いられる。
ＴＦＴ基板１７とカラーフィルター基板１８との間には、これら基板間の間隔を一定に保持するための球状のスペーサー２０が配置されている。なお、表示モードについては、上記のＶＡモードに限らず、ＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）モード、ＳＴＮ（ＳｕｐｅｒＴｗｉｓｔｅｄ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−ＰｌａｎｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード等を用いることができる。

ＴＦＴ基板１７には、表示の最小単位領域である画素（図示略）がマトリクス状に複数配置されている。ＴＦＴ基板１７には、複数のソースバスライン（図示略）が、互いに平行に延在するように形成されるとともに、複数のゲートバスライン（図示略）が、互いに平行に延在し、かつ、複数のソースバスラインと直交するように形成されている。したがって、ＴＦＴ基板１７上には、複数のソースバスラインと複数のゲートバスラインとが格子状に形成され、隣接するソースバスラインと隣接するゲートバスラインとによって区画された矩形状の領域が一つの画素となる。ソースバスラインは、後述するＴＦＴのソース電極に接続され、ゲートバスラインは、ＴＦＴのゲート電極に接続されている。

ＴＦＴ基板１７を構成する透明基板２１の液晶層１９側の面には、半導体層２２、ゲート電極２３、ソース電極２４、ドレイン電極２５等を有するＴＦＴ２６が形成されている。
透明基板２１としては、例えば、ガラス基板が用いられる。透明基板２１上には、例えば、ＣＧＳ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＧｒａｉｎＳｉｌｉｃｏｎ：連続粒界シリコン）、ＬＰＳ（Ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ：低温多結晶シリコン）、α−Ｓｉ（ＡｍｏｒｐｈｏｕｓＳｉｌｉｃｏｎ：非結晶シリコン）等の半導体材料からなる半導体層２２が形成されている。

また、透明基板２１上には、半導体層２２を覆うようにゲート絶縁膜２７が形成されている。ゲート絶縁膜２７の材料としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、または、これらの積層膜等が用いられる。
ゲート絶縁膜２７上には、半導体層２２と対向するようにゲート電極２３が形成されている。ゲート電極２３の材料としては、例えば、Ｗ（タングステン）／ＴａＮ（窒化タンタル）の積層膜、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）等が用いられる。

ゲート絶縁膜２７上には、ゲート電極２３を覆うように第１層間絶縁膜２８が形成されている。第１層間絶縁膜２８の材料としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、または、これらの積層膜等が用いられる。

第１層間絶縁膜２８上には、ソース電極２４およびドレイン電極２５が形成されている。
ソース電極２４は、第１層間絶縁膜２８とゲート絶縁膜２７とを貫通するコンタクトホール２９を介して、半導体層２２のソース領域に接続されている。同様に、ドレイン電極２５は、第１層間絶縁膜２８とゲート絶縁膜２７とを貫通するコンタクトホール２９を介して半導体層２２のドレイン領域に接続されている。ソース電極２４およびドレイン電極２５の材料としては、上述のゲート電極２３と同様の導電性材料が用いられる。
第１層間絶縁膜２８上に、ソース電極２４およびドレイン電極２５を覆うように、第２層間絶縁膜２４が形成されている。第２層間絶縁膜２４の材料としては、上述の第１層間絶縁膜２８と同様の材料、または、有機絶縁性材料が用いられる。

第２層間絶縁膜３０上には、画素電極３１が形成されている。画素電極３１は、第２層間絶縁膜３０を貫通するコンタクトホール３２を介して、ドレイン電極２５に接続されている。よって、画素電極３１は、ドレイン電極２５を中継用電極として、半導体層２２のドレイン領域に接続されている。画素電極３１の材料としては、例えば、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ、インジウム錫酸化物）、ＩＺＯ（ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ、インジウム亜鉛酸化物）等の透明導電性材料が用いられる。この構成により、ゲートバスラインを通じて走査信号が供給され、ＴＦＴ２６がオン状態となったときに、ソースバスラインを通じてソース電極２４に供給された画像信号が、半導体層２２、ドレイン電極２５を経て画素電極３１に供給される。

また、画素電極３１を覆うように第２層間絶縁膜３０上の全面に、配向膜３３が形成されている。この配向膜３３は、液晶層１９を構成する液晶分子を垂直配向させる配向規制力を有している。
なお、ＴＦＴの形態としては、図２に示したボトムゲート型ＴＦＴであってもよいし、トップゲート型ＴＦＴであってもよい。

一方、カラーフィルター基板１８を構成する透明基板３４の液晶層１９側の面には、ブラックマトリクス３５、カラーフィルター３６、平坦化層３７、対向電極３８、配向膜３９が順次形成されている。ブラックマトリクス３５は、画素間領域において光の透過を遮断する機能を有している。ブラックマトリクス３５は、例えば、Ｃｒ（クロム）やＣｒ／酸化Ｃｒの多層膜等の金属、または、カーボン粒子を感光性樹脂に分散させたフォトレジストで形成されている。

カラーフィルター３６には、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各色の色素が含まれている。ＴＦＴ基板１７上の一つの画素電極３１には、Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれか一つのカラーフィルター３６が対向して配置されている。なお、カラーフィルター３６は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色以上の多色構成としてもよい。

平坦化層３７は、ブラックマトリクス３５およびカラーフィルター３６を覆う絶縁膜で構成されている。平坦化層３７は、ブラックマトリクス３５およびカラーフィルター３６によって生じる段差を緩和して平坦化する機能を有している。
平坦化層３７上には対向電極３８が形成されている。対向電極３８の材料としては、画素電極３１と同様の透明導電性材料が用いられる。また、対向電極３８上の全面には、垂直配向規制力を有する配向膜３９が形成されている。

また、バックライト１１は、発光ダイオード、冷陰極管等の光源４０と、光源４０から射出された光の内部反射を利用して液晶パネル１３に向けて射出させる導光板４１と、を有している。バックライト１１は、光源が導光体の端面に配置されたエッジライト型でもよく、光源が導光体の直下に配置された直下型でもよい。本実施形態で用いるバックライト１１としては、光の射出方向を制御して指向性を持たせたバックライト、いわゆる指向性バックライトを用いることが望ましい。後述する光拡散部材１６の光拡散部にコリメートまたは略コリメートした光を入射させるような指向性バックライトを用いることでボヤケを少なくし、光の利用効率を高めることができる。上記の指向性バックライトは、導光板４１内に形成する反射パターンの形状や配置を最適化することで実現できる。または、バックライト１１上にルーバーを配置することで指向性を実現してもよい。また、バックライト１１と液晶パネル１３との間には、偏光子として機能する第１偏光板１２が設けられている。また、液晶パネル１３と光拡散部材１６との間には、偏光子として機能する第２偏光板１４が設けられている。

以下、光拡散部材１６について説明する。
図３は、光拡散部材の断面図である。
光拡散部材１６は、図１および図３に示すように、基材４２と、基材４２の一面（視認側と反対側の面）に形成された光拡散部４３と、基材４２の一面に形成された複数の円形の遮光層４４と、光拡散部４３の間、かつ、遮光層４４と重なる位置に形成された空隙４５に、光拡散部４３の構成材料よりも屈折率が低い低屈折率材料が充填されてなる複数の低屈折率部４６とから概略構成されている。
光拡散部材１６は、図１（Ｂ）に示すように、光拡散部４３が設けられた側を第２偏光板１４に向け、基材４２の側を視認側に向けた姿勢で第２偏光板１４上に配置されている。

基材４２としては、一般に、熱可塑性ポリマー、熱硬化性樹脂、光重合性樹脂等の樹脂類からなる基材が用いられる。このような基材としては、例えば、アクリル系ポリマー、オレフィン系ポリマー、ビニル系ポリマー、セルロース系ポリマー、アミド系ポリマー、フッ素系ポリマー、ウレタン系ポリマー、シリコーン系ポリマー、イミド系ポリマー等からなる適宜な透明樹脂製の基材が用いられる。このような透明樹脂製の基材のなかでも、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）フィルム、ポリカーボネート（ＰＣ）フィルム、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）フィルム、ポリイミド（ＰＩ）フィルム等の透明樹脂製の基材が好ましく用いられる。

基材４２は、後述する製造プロセスにおいて、後で遮光層４４や光拡散部４３の材料を塗布する際の下地となるものであり、製造プロセス中の熱処理工程における耐熱性と機械的強度とを備える必要がある。したがって、基材４２としては、樹脂製の基材の他、ガラス製の基材等を用いてもよい。
ただし、基材４２の厚さは、耐熱性や機械的強度を損なわない程度に薄い方が好ましい。その理由は、基材４２の厚さが厚くなる程、表示のボヤケが生じるおそれがあるからである。
また、基材４２の全光線透過率は、ＪＩＳＫ７３６１−１の規定で９０％以上が好ましい。全光線透過率が９０％以上であると、十分な透明性が得られる。

光拡散部４３は、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の光透過性および感光性を有する有機材料から構成されている。光拡散部４３の形成には、前記の樹脂に、重合開始剤、カップリング剤、モノマー、有機溶媒等を混合した透明樹脂製の混合物を用いることができる。さらに、重合開始剤は、安定剤、禁止剤、可塑剤、蛍光増白剤、離型剤、連鎖移動剤、他の光重合性単量体等のような各種の追加成分を含んでいてもよい。その他、特許第４１２９９９１号公報に記載されている材料を用いることもできる。
また、光拡散部４３の全光線透過率は、ＪＩＳＫ７３６１−１の規定で９０％以上が好ましい。全光線透過率が９０％以上であると、十分な透明性が得られる。

光拡散部４３は、光射出端面４３ａとなる基材４２側の水平断面の面積が小さく、基材４２から離れるにつれて水平断面の面積が徐々に大きくなり、光射入端面４３ｂ側の水平断面の面積が大きくなっている。すなわち、光拡散部４３は、基材４２側から見たとき、いわゆる逆テーパ状の円錐台状の形状を有している。

光拡散部４３は、光拡散部材１６において光の透過に寄与する部分である。すなわち、光拡散部４３に入射した光は、光拡散部４３のテーパ状の側面４３ｃで全反射しつつ、光拡散部４３の内部に略閉じこめられた状態で導光し、射出される。

また、光拡散部４３は、基材４２上に連続して形成されている。

遮光層４４は、図１および図３に示すように、基材４２の光拡散部４３が形成された側の面（基材４２の一面）のうち、光拡散部４３の形成領域以外の領域に形成されている。
遮光層４４は、一例として、ブラックレジスト等の光吸収性および感光性を有する有機材料で構成されている。遮光層４４としては、この他に、Ｃｒ（クロム）やＣｒ／酸化Ｃｒ等金属単体、金属酸化物、または、金属単体と金属酸化物との多層膜等の金属膜、黒色インクに用いられるような顔料・染料、黒色樹脂、多色のインクを混合して黒色インクとしたもの等、遮光性を有する材料が用いられてなるものが挙げられる。

遮光層４４の層厚は、光拡散部４３の光入射端面４３ｂから光射出端面４３ａまでの高さよりも小さく設定されている。したがって、光拡散部４３間の空隙４５は、基材４２の一面に接する部分には遮光層４４が存在し、それ以外の部分には空気または窒素等の不活性ガスが存在している。

なお、基材４２の屈折率と光拡散部４３の屈折率とは略同等であることが望ましい。その理由は、例えば、基材４２の屈折率と光拡散部４３の屈折率とが大きく異なっていると、光入射端面４３ｂから入射した光が光拡散部４３から射出しようとする際に、光拡散部４３と基材４２との界面で不要な光の屈折や反射が生じて、所望の光拡散角度が得られない、射出光の光量が減少する等の不具合が生じるおそれがあるからである。

光拡散部材１６は、図１（Ｂ）に示すように、基材４２が視認側に向くように配置されるため、円錐台状の光拡散部４３の２つの対向面のうち、面積の小さい方の面が光射出端面４３ａとなり、面積の大きい方の面が光入射端面４３ｂとなる。また、光拡散部４３の側面４３ｃの傾斜角（光射出端面４３ａと側面４３ｃとのなす角。低屈折率部４６と基材４２とのなす角。）は、一例として８０°程度である。ただし、光拡散部４３の側面４３ｃの傾斜角度は、光拡散部材１６から射出する際に入射光を十分に拡散することが可能な角度であれば、特に限定されない。

図１に示すように、光拡散部４３を基材４２の一面と平行な面（ｘｙ平面）で切断したとき、遮光層４４の水平断面は円形である。複数の遮光層４４の直径は、全て同一であっても、異なっていてもよい。
また、複数の遮光層４４は、基材４２上に点在して配置されている。

また、複数の遮光層４４は、基材４２の主面の法線方向から見てランダムに（非周期的に）配置されている。したがって、隣接する遮光層４４間のピッチは一定ではない。

光拡散部４３間の空隙４５には空気または不活性ガスが存在し低屈折率部４６を形成しているため、光拡散部４３を例えばアクリル樹脂で形成したとすると、光拡散部４３の側面４３ｃは、アクリル樹脂と、空気または不活性ガスとの界面となる。仮に、光拡散部４３の周囲を他の低屈折率材料で充填したとしても、光拡散部４３の内部と外部との界面の屈折率差は、外部にいかなる低屈折率材料が存在する場合よりも空気が存在する場合が最大となる。したがって、Ｓｎｅｌｌの法則より、本実施形態の構成においては臨界角が最も小さくなり、光拡散部４３の側面４３ｃで光が全反射する入射角範囲が最も広くなる。その結果、光の損失がより抑えられ、高い輝度を得ることができる。

ただし、光拡散部４３の光入射端面４３ｂに対して９０度から大きくずれた角度で入射する光は、光拡散部４３の側面４３ｃに対して臨界角以下の角度で入射し、全反射することなく光拡散部４３の側面４３ｃを透過する。それでも、光拡散部４３の形成領域以外の領域に遮光層４４が設けられているため、光拡散部４３の側面４３ｃを透過した光は遮光層４４で吸収される。そのため、表示のボヤケが生じたり、コントラストが低下したりすることはない。しかしながら、遮光層４４に直接入射し、吸収される光が増えると、光量の損失が生じ、輝度の高い画像が得られない。そこで、本実施形態では、複数の低屈折率部４６のうち少なくとも１つが、遮光層４４の直径をＬ、光拡散部４３の厚さをｄ、光拡散部４３の厚さの中間部位において、光拡散部４３と、基材４２に平行な直線βとのなす角をθとしたとき、ｔａｎθ＝２ｄ／Ｌの関係を満たすように形成されている。

図３において、例えば、遮光層４４の直径をＬ_１、光拡散部４３の厚さをｄ、光拡散部４３の厚さの中間部位において、光拡散部４３と、基材４２に平行な直線βとのなす角をθ_１としたとき、ｔａｎθ_１＝２ｄ／Ｌ_１の関係を満たしていれば、光拡散部４３の光入射端面４３ｂにおいて、空隙４５が開口することなく、光拡散部４３によって閉ざされた空間となっている。低屈折率部４６が、前記の関係を満たすことにより、バックライト１１から出射された垂直光αは、遮光層４４に直接入射し、吸収されることがない。したがって、バックライト１１から出射された垂直光αは、光拡散部４３の開口位置（光拡散部材１６の厚さ方向と平行であり、光拡散部４３の光入射端面４３ｂから光射出端面４３ａに向かう直線が光拡散部４３の側面４３ｃと交わらない位置）に入射した光は、そのまま光拡散部４３内を直進して通過し、基材４２の光出射側から外部に射出される。あるいは、バックライト１１から出射された垂直光αは、光拡散部４３に入射し、光拡散部４３の側面４３ｃにおいて、光拡散部４３と低屈折率部４６との屈折率差によって全反射し、所定の角度をもって基材４２の光出射側から外部に射出される。
このように、低屈折率部４６が、前記の関係を満たすことにより、バックライト１１から出射され、光拡散部４３に入射した垂直光αの全てを基材４２の光出射側から外部に射出することができるので、光の利用効率が高くなる。

なお、光拡散部４３に設けられた低屈折率部４６のうち、前記のｔａｎθ_１＝２ｄ／Ｌ_１の関係を満たす部位の割合（Ｅ＝（ｔａｎθ_１＝２ｄ／Ｌ_１の関係を満たす低屈折率部４６）／全ての低屈折率部４６×１００（％））は、特に限定されるものではないが、５０％以上であることが好ましい。
ここで、ｔａｎθ＝２ｄ／Ｌの関係を満たす光拡散部材を用いた液晶表示装置、および、前記の関係を満たさない従来の光拡散部材を用いた液晶表示装置について、方位角９０°〜２７０°における視野角輝度変化を測定した結果を図４に示す。
図４の結果から、前記のＥ＝５０％、５５％である光拡散部材を用いた場合、従来の光拡散部材を用いた場合よりも視野角輝度変化がなだらかになっていることが分かる。
これに対して、前記のＥ＝４５％である光拡散部材を用いた場合、従来の光拡散部材を用いた場合よりも急激に視野角輝度が変化していることが分かる。
以上の結果から、光拡散部材１６において、Ｅ＝５０％以上であることが好ましい。Ｅ＝５０％以上とすることにより、光拡散部材１６によって、視野角輝度変化がなだらかな配光特性を実現することができる。

また、光拡散部４３の厚さの中間部位において、光拡散部４３と、基材４２に平行な直線βとのなす角θは、特に限定されるものではないが、光の利用効率を１００％に近付けるために、６０°以上であることが好ましく、７５〜８５°であることがより好ましい。

図５は、バックライト１１として用いた指向性バックライトの輝度特性を示すグラフである。このグラフは、指向性バックライトから出射される光に関して、横軸が出射角度（°）、縦軸が輝度（ｃｄ／ｍ^２）を示している。このグラフから、バックライト１１として用いた指向性バックライトは、出射されるほぼ全ての光が出射角度±３０°以内におさまっていることが分かる。この指向性バックライトと上記の光拡散部材を組み合わせることにより、ボヤケを少なくし、光の利用効率の高い構成を実現できる。

図６は、バックライトからの出射角θ_１１と、光拡散部４３のテーパ角θ_１２との関係を説明するための断面図である。
なお、光拡散部４３のテーパ角θ_１２は、上記の光拡散部４３の厚さの中間部位において、光拡散部４３と、基材４２に平行な直線βとのなす角に等しい。
光拡散部４３に入射した入射角が小さい光α_１１は、光拡散部４３の側面４３ｃで全反射し、基材４２の表面から視認側へ出射される。しかしながら、光拡散部４３に入射した入射角度が大きい光α_１２は、光拡散部４３の側面４３ｃで全反射せずに、光拡散部４３を透過（迷光）し、入射光の損失が発生する場合がある。

図７は、バックライトからの出射角と、臨界角となる光拡散部のテーパ角との関係を示すグラフである。
例えば、バックライトからの出射角が３０°の光は、屈折率ｎ＝１．５の光拡散部４３のテーパ角が６０°未満の場合、光拡散部４３の側面４３ｃで全反射せずに、光拡散部４３を透過し、入射光の損失が発生する。そこで、バックライトからの出射角が±３０°以内の光を損失なく、光拡散部４３の側面４３ｃで全反射させるためには、光拡散部４３のテーパ角は６０°以上、９０°未満であることが好ましい。

光拡散部４３の斜辺は、図３に示すように、直線状をなすことが基本であるが、図８に示すように、場所によって異なっていても、少なくとも１つの光拡散部４３のテーパ角が他の光拡散部４３のテーパ角度と異なっていてもよい。この場合、光学測定によって、平均値やピーク値から判断される角度を、その光拡散部４３のテーパ角とする。

また、基材４２の他面（視認側の面）には、粘着層（図示略）を介して、拡散フィルム（図示略）が固定されていてもよい。
拡散フィルムは、例えば、アクリル樹脂等のバインダー樹脂の内部に多数のアクリルビーズ等の光散乱体が分散されて構成されている。

なお、光散乱体は、アクリルビーズ等に限定されず、アクリル系ポリマー、オレフィン系ポリマー、ビニル系ポリマー、セルロース系ポリマー、アミド系ポリマー、フッ素系ポリマー、ウレタン系ポリマー、シリコーン系ポリマー、イミド系ポリマー等からなる樹脂片、ガラスビーズ等の適宜な透明の物質で構成されていてもよい。また、これら透明な物質以外でも、光の吸収のない散乱体、反射体を用いることができる。あるいは、光散乱体を光拡散部４３内に拡散させた気泡としてもよい。
個々の光散乱体の形状は、例えば、球形、楕円球形、平板形、多角形立方体等、各種形状に形成することができる。光散乱体のサイズも均一あるいは不均一になるように形成されていればよい。

拡散フィルムは、防眩処理層（アンチグレア層）をも兼ねていてもよい。防眩処理層は、例えば、基材４２にサンドブラスト処理やエンボス処理等を施すことによって形成することもできるが、基材４２に複数の光散乱体を含む層を形成することにより防眩処理を施してもよい。この構成によれば、拡散フィルムが防眩処理層として機能するので、新たに防眩処理層を設ける必要がない。よって、装置の簡素化、薄型化を図ることができる。

なお、拡散フィルムを設ける代わりに、基材４２に拡散フィルムを固定するための粘着層そのものが光拡散性を有していてもよい。例えば、粘着層に多数の光散乱体を分散させることにより実現することができる。粘着層としては、ゴム系やアクリル系、シリコーン系やビニルアルキルエーテル系、ポリビニルアルコール系やポリビニルピロリドン系、ポリアクリルアミド系やセルロース系等の粘着剤等、接着対象に応じた適宜な粘着性物質を用いることができる。特に、透明性や耐候性等に優れる粘着性物質を好ましく用いる。なお、粘着層は、実用に供するまでの間、セパレータ等を仮着して保護しておくことが好ましい。

液晶表示装置１０によれば、光拡散部材１６を構成する複数の低屈折率部４６のうち少なくとも１つが、遮光層４４の直径をＬ、光拡散部４３の厚さをｄ、光拡散部４３の厚さの中間部位において、光拡散部４３と、基材４２に平行な直線βとのなす角をθとしたとき、ｔａｎθ＝２ｄ／Ｌの関係を満たしているので、光の利用効率を向上することができる。その結果、広い視野角で明るい表示が得られる。

次に、上記構成の液晶表示装置１０の製造方法について、図９を用いて説明する。
以下では、光拡散部材１６の製造工程を中心に説明する。
液晶表示体１５の製造工程の概略を先に説明すると、最初に、ＴＦＴ基板１７とカラーフィルター基板１８をそれぞれ作製する。その後、ＴＦＴ基板１７のＴＦＴ２６が形成された側の面とカラーフィルター基板１８のカラーフィルター３６が形成された側の面とを対向させて配置し、ＴＦＴ基板１７とカラーフィルター基板１８とをシール部材を介して貼り合わせる。その後、ＴＦＴ基板１７とカラーフィルター基板１８とシール部材とによって囲まれた空間内に液晶を注入する。そして、このようにしてできた液晶パネル１３の両面に、光学接着剤等を用いて第１偏光板１２、第２偏光板１４をそれぞれ貼り合わせる。以上の工程を経て、液晶表示体１５が完成する。
なお、ＴＦＴ基板１７やカラーフィルター基板１８の製造方法には従来から公知の方法が用いられるため、説明を省略する。

最初に、図９（Ａ）に示すように、ポリエチレンテレフタレートの基材４２を準備し、スピンコート法を用いて、この基材４２の一面に遮光層材料としてカーボンを含有したブラックネガレジストを塗布し、塗膜４７を形成する。
次いで、上記の塗膜４７を形成した基材４２をホットプレート上に載置し、温度９０℃で塗膜４７のプリベークを行う。これにより、ブラックネガレジスト中の溶媒が揮発する。

次いで、露光装置を用い、平面形状が円形の複数の開口パターン４８が形成されたフォトマスク４９を介して、塗膜４７に光Ｅを照射し、露光を行う。このとき、波長３６５ｎｍのｉ線、波長４０４ｎｍのｈ線、波長４３６ｎｍのｇ線の混合線を用いた露光装置を使用する。露光量は１００ｍＪ／ｃｍ^２とする。

図９（Ａ）に示すように、遮光層４４の形成時に用いるフォトマスク４９は、ランダムに配置された複数の円形の開口パターン４８を有している。このフォトマスク４９を設計する際には、最初に開口パターン４８を一定のピッチで規則的に配置しておき、次に、ランダム関数を用いて、例えば、開口パターン４８の中心点等、各開口パターン４８の基準位置データに揺らぎを持たせ、開口パターン４８の位置をばらつかせることにより、ランダムに配置された複数の開口パターン４８を有するフォトマスク４９を製作することができる。

上記のフォトマスク４９を用いて露光を行った後、専用の現像液を用いてブラックネガレジストからなる塗膜４７の現像を行い、１００℃で乾燥し、図９（Ｂ）に示すように、平面形状が円形の複数の遮光層４４を基材４２の一面に形成する。本実施形態の場合、次工程でブラックネガレジストからなる遮光層４４をマスクとして透明ネガレジストの露光を行い、中空部（空隙）４５を形成する。そのため、フォトマスク４９の開口パターン４８の位置が中空部（空隙）４５の形成位置に対応する。円形の遮光層４４は、次工程の光拡散部４３の非形成領域（中空部（空隙）４５）に対応する。

なお、本実施形態では、ブラックネガレジストを用いたフォトリソグラフィー法によって遮光層４４を形成したが、この構成に代えて、本実施形態の開口パターン４８と遮光パターンとが反転したフォトマスクを用いれば、光吸収性を有するポジレジストを用いることもできる。もしくは、蒸着法や印刷法等を用いてパターニングした遮光層４４を直接形成してもよい。

次いで、図９（Ｃ）に示すように、スピンコート法を用いて、遮光層４４の上面に光拡散部材料としてアクリル樹脂からなる透明ネガレジストを塗布し、遮光層４４の層厚よりも大きな膜厚の塗膜５０を形成する。次いで、上記の塗膜５０を形成した基材４２をホットプレート上に載置し、温度９５℃で塗膜５０のプリベークを行う。これにより、透明ネガレジスト中の溶媒が揮発する。

次いで、基材４２側から遮光層４４をマスクとして塗膜５０に拡散光Ｆを照射し、露光を行う。このとき、波長３６５ｎｍのｉ線、波長４０４ｎｍのｈ線、波長４３６ｎｍのｇ線の混合線を用いた露光装置を使用する。露光量は６００ｍＪ／ｃｍ^２とする。露光工程では、平行光または拡散光を用いる。

また、露光装置から射出された平行光を拡散光Ｆとして基材４２に照射する手段として、露光装置から射出された光の光路上にヘイズ５０程度の拡散板を配置する。拡散光Ｆで露光を行うことにより、塗膜５０は、遮光層４４の非形成領域から外側に広がるように放射状に露光される。これにより、順テーパ状の中空部（空隙）４５が形成され、光拡散部４３の中空部（空隙）４５と面する部分には逆テーパ状の側面が形成される。
その後、上記の塗膜５０を形成した基材４２をホットプレート上に載置し、温度９５℃で塗膜５０のポストエクスポージャーベイク（ＰＥＢ）を行う。

次いで、専用の現像液を用いて透明ネガレジストからなる塗膜５０の現像を行い、１５０℃でポストベークし、図９（Ｄ）に示すように、複数の中空部（空隙）４５を有する光拡散部４３を基材４２の一面に形成する。

以上の工程を経て、本実施形態の光拡散部材１６が完成する。なお、上記の例では遮光層４４や光拡散部４３の形成時に液状のレジストを塗布することとしたが、この構成に代えて、フィルム状のレジストを基材４２の一面に貼付するようにしても良い。

最後に、完成した光拡散部材１６を、図１に示すように、基材４２を視認側に向け、光拡散部４３を第２偏光板１４に対向させた状態で、光学接着剤等を用いて液晶表示体１５に貼付する。
以上の工程により、本実施形態の液晶表示装置１０が完成する。

[第２実施形態]
本実施形態の液晶表示装置が、上述の第１実施形態と異なる点は、光拡散部材６０を構成する遮光層６３の水平断面が楕円形をなしている点である。
すなわち、光拡散部材６０は、図１０に示すように、基材６１と、基材６１の一面（視認側と反対側の面）に形成された光拡散部６２と、基材６１の一面において光拡散部６２の形成領域以外の領域に形成された複数の楕円形の遮光層６３と、光拡散部６２の間、かつ、遮光層６３と重なる位置に形成された空隙６４に、光拡散部６３の構成材料よりも屈折率が低い低屈折率材料が充填されてなる複数の低屈折率部６５とから概略構成されている。

図１１および図１２に示すように、基材６１の一面において、楕円形の遮光層６３の短軸の長さをＬ_４とする。この場合、空隙６４では、光拡散部６２の光射出端面６２ａ側において、遮光層６３と重なる面（空隙６４の水平断面）の形状は楕円形であり、その短軸の長さもＬ_４である。そして、光拡散部６２の光射出端面６２ａ側から、光拡散部６２の厚さ方向に、空隙６４における遮光層６３と重なる面を、光拡散部６２の光入射端面６２ｂに投影すると、光拡散部６２の光入射端面６２ｂにおいて、楕円形の投影図形６６が得られる。
ここで、図１３に示すように、楕円形の投影図形６６の短軸長さの１／２をａとすると、２ａ＝Ｌ_４の関係を満たしていれば、光拡散部６２の光入射端面６２ｂにおいて、空隙６４が開口することなく、光拡散部６２によって閉ざされた空間となっている。この場合も、楕円形の遮光層６３の短軸の長さをＬ_４、光拡散部６２の厚さをｄ、光拡散部６２の厚さの中間部位において、光拡散部６２と、基材６１に平行な直線βとのなす角をθとしたとき、ｔａｎθ＝２ｄ／Ｌ_４の関係を満たしている。

このように、基材６１の一面において、遮光層６３を楕円形としても、その短軸の長さＬ_４を、基材６１の一面に形成された他の円形の遮光層の直径や他の楕円形の遮光層の短軸の長さと等しくするとともに、遮光層６３の短軸の長さＬ_４、光拡散部６２の厚さｄ、低屈折率部４６と基材４２とのなす角θが、ｔａｎθ＝２ｄ／Ｌ_４の関係を満たすようにすれば、遮光層６３の長軸の長さと、基材６１の一面に形成された他の円形の遮光層の直径や他の楕円形の遮光層の長軸の長さとが相違していても、光拡散部６２の光入射端面６２ｂにおいて、空隙６４は開口することなく、光拡散部６２によって閉ざされた空間とすることができる。したがって、光の利用効率を向上することができ、広い視野角で明るい表示が得られる。

本発明は、液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス表示装置、プラズマディスプレイ等の各種表示装置に利用可能である。

１０液晶表示装置（表示装置）
１１バックライト（光源）
１２第１偏光板
１３液晶パネル（光変調素子）
１４第２偏光板
１５液晶表示体（表示体）
１６光拡散部材
１７ＴＦＴ基板
１８カラーフィルター基板
１９液晶層
２０スペーサー
２１透明基板
２２半導体層
２３ゲート電極
２４ソース電極
２５ドレイン電極
２６ＴＦＴ
２７ゲート絶縁膜
２８第１層間絶縁膜
２９コンタクトホール
３０第２層間絶縁膜
３１画素電極
３２コンタクトホール
３３配向膜
３４透明基板
３５ブラックマトリクス
３６カラーフィルター
３７平坦化層
３８対向電極
３９配向膜
４０光源
４１導光板
４２基材
４３光拡散部
４４遮光層
４５空隙
４６低屈折率部
４７塗膜
４８開口パターン
４９フォトマスク
５０塗膜
６０光拡散部材
６１基材
６２光拡散部
６３遮光層
６４空隙
６５低屈折率部
６６投影図形

Claims

光透過性を有する基材と、前記基材の一面に形成された光拡散部と、前記基材の一面において前記光拡散部の形成領域以外の領域に形成された複数の遮光層と、前記光拡散部の間、かつ、前記遮光層と重なる位置に形成された空隙に、前記光拡散部の構成材料よりも屈折率が低い低屈折率材料が充填されてなる複数の低屈折率部と、を備え、
前記光拡散部が、前記基材側に光射出端面を有するとともに、前記基材側と反対側に前記光射出端面の面積よりも大きい面積の光入射端面を有し、
前記光拡散部の前記光入射端面から前記光射出端面までの高さが前記遮光層の層厚よりも大きく、
前記複数の低屈折率部のうち少なくとも１つが、前記遮光層の直径をＬ、前記光拡散部の厚さをｄ、前記光拡散部の厚さの中間部位において、前記光拡散部と、前記基材に平行な直線とのなす角をθとしたとき、ｔａｎθ＝２ｄ／Ｌの関係を満たすことを特徴とする光拡散部材。
前記複数の遮光層が、前記基材の前記一面の法線方向から見て非周期的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光拡散部材。
前記複数の遮光層のうち少なくとも一つの遮光層の寸法が他の遮光層の寸法と異なることを特徴とする請求項１または２に記載の光拡散部材。
前記遮光層が前記基材の一面に接する部分の平面形状が、少なくとも長軸と短軸とを有する異方形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光拡散部材。
前記遮光層が前記基材の一面に接する部分の平面形状が、等方性形状と異方性形状とが混在していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光拡散部材。
前記低屈折率材料が、空気または不活性ガスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光拡散部材。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光拡散部材と、該光拡散部材に接合された表示体と、を備えたことを特徴とする表示装置。
前記表示体は、液晶表示素子であることを特徴とする請求項７に記載の表示装置。