JP2014093264A - 導光体、その製造方法、導光体を用いたバックライト及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射逆側端面からの抜け光を低減させた導光体、その製造方法、導光体を用いたバックライト及び表示装置を提供する。
【解決手段】表層、中心層、裏層の３層をこの順に積層して構成され、表層もしくは裏層のいずれか一方もしくは両方に光学形状を有し、側面から入射される光を表層から射出する導光体であって、表層の屈折率ｎｓ、中心層の屈折率ｎｃ、裏層の屈折率ｎｂが｜ｎｓ−ｎｃ｜＜０．０００５または｜ｎｂ−ｎｃ｜＜０．０００５の少なくとも一方を満たし、かつ、表層および裏層の少なくとも一方が屈折率増加剤を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディスプレイ表示部材もしくは照明用部材として用いられるバックライト部材に使用される導光体に関する。

バックライト部材用導光体はディスプレイ表示用部材、照明用部材などのバックライトユニット部材の一部として用いられている。このような導光体には、光源からの光の光取り出し効率向上による輝度向上と消費電力低減とが求められている。

従来の導光体を用いた面光源装置は、冷陰極管やＬＥＤ等の光源と、光源に入射端面を近接させて配置する透明体で構成される導光体と、導光体の表面に配置した拡散板やレンズなどの光取り出し構造と、導光体の裏面に設けられた反射面とにより構成されている。

この面光源装置では、光源から発した光を導光体の入射端面より導光体内に取り入れ、導光体の表面と裏面にて反転、伝播することにより、入射端面の反対側へ伝達されている。そして、導光体内で伝播する一部の光を導光体表面もしくは裏面に設けられた光学形状により射出させることでこの射出された光を照明光としている。

導光体表面もしくは裏面に光学形状を施すに際には、予め用意された金属や樹脂などからなる型を用意して、その形状を転写する工法が一般的に用いられる。具体的には特許文献１にあるように熱と圧力により、プラスチックシートと型とを圧着して形状を熱転写・剥離する方法や、放射線などの手法で液状の樹脂を重合硬化する作用を利用することで、型の形状が転写された導光体を得る方法が一般的である。

また、その光学形状としては、プリズム形状や、レンズ形状とする場合が多く、それらの形状を正確に実現し、所望の光学特性を得るには、プリズムの頂点などに代表されるエッジ部分が丸くなることなく正確に形成されることが重要である。

また、面積の全域においてムラ無く表示方向へ向けて光線を射出させるために、導光体表面及び裏面に光学形状を設けて、光線の反射及び屈折を適切にコントロールする方式が一般的であるが、光利用効率が良好な導光体とするには、一般に、プリズム形状のようなエッジを有するパターンが有効である。

導光体は、ディスプレイ装置その他の表示装置、照明装置等において、他の部材と比べて比較的大きな重量と厚さを占める部材である。導光体は、光源からの光線をその内部で伝播し、所望の位置で、所望の方向にその光線を射出させる機能が求められているため、ディスプレイ装置・照明装置・その他の表示装置全体をカバーする面積と、たわみなどが生じない、機械的強度が必要となる。

導光体の表面のエッジを有するパターンにおける、エッジ部分の形状を成形するには、導光体を柔らかい素材とし、且つ、柔らかくなる条件（例えば温度や圧力など）で、金型などから転写する方式で作製される。しかし、転写が容易な粘度の低い樹脂は柔らかい素材であるため機械的強度が低い。したがって、板状に成形した場合に粘度の高い樹脂と比べて、脆くなってしまうので更に厚みが必要となり重量も増加してしまう。

そのため、表示装置とりわけ大型の装置においては装置全体の薄型化や軽量化に限界が生じている。

以上の背景から、導光体は構造内部に機械的強度が異なる、表層、中心層、裏層の３層での構成での作製が試みられている。すなわち、中心層にＭＩ値（メルトインデックス）が低い材料、すなわち硬い材料を用いることで、導光体自体の充分な機械的強度を得ることができる。また、導光体の表層、もしくは裏層にＭＩ値の高い樹脂を用いることで、微細であり、かつエッジを有する良好な光学形状を転写することができる。

特許第２９２５０６９号公報

しかしながら表層及び裏層に所望の光学形状を転写する為にＭＩ値の高い熱可塑性樹脂材料を利用した場合において、以下のような課題が生じる。一般的にＭＩ値が高くなる、すなわち熱可塑性樹脂が柔らかくなるにつれて、その熱可塑性樹脂固有の屈折率が小さくなる。例えば、アクリル樹脂材料として中心層に三菱レイヨン社製アクリペット（登録商標）ＶＨ０００（ＭＩ＝２）、表層および裏層に三菱レイヨン社製アクリペットＴＦ９（ＭＩ＝２０）を用いた場合などにおいて、ＪＩＳ Ｋ７１４２（２００８）記載の方法にて各材料の屈折率を測定した場合、ＭＩ値が高いほど屈折率が低いといった傾向があることが示された。

上述のように、中心層にＭＩ値が相対的に低い、すなわち屈折率の高い熱可塑性樹脂を使用し、表層及び裏層にＭＩ値の高い、すなわち屈折率の低い熱可塑性樹脂を使用した場合、屈折率の高い材質から屈折率の低い材質に光が進行する層界面において全反射が生じる。

層界面で全反射が生じる場合、導光体端面入射光が表層および裏層に与えた所望の光学形状に達する光線量が減少し、界面での全反射を繰り返すことにより導光体の入射逆側端面より抜け光が発生し、面光源としての光取り出し効率が低下してしまうという課題がある。

なお、光入射端面の逆端面に反射テープ、反射板等を設置することで、端面からの抜け光を低減させる方策をとることも考えられるが、製造のプロセス数の増加や、コストの増加といった問題点が生じることや、両側端面に光源を配置する形態をとる際に反射テープの設置が事実上不可能となる。そのため、導光体成形プロセスにおいて抜け光低減を図ることのできる方策を講じることが必要とされる。

本発明は、このような問題を解決し、入射逆側端面からの抜け光を低減させた導光体、その製造方法、導光体を用いたバックライト及び表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一局面は、表層、中心層、裏層の３層をこの順に積層して構成され、表層もしくは裏層のいずれか一方もしくは両方に光学形状を有し、側面から入射される光を表層から射出する導光体であって、表層の屈折率ｎｓ、中心層の屈折率ｎｃ、裏層の屈折率ｎｂが｜ｎｓ−ｎｃ｜＜０．０００５または｜ｎｂ−ｎｃ｜＜０．０００５の少なくとも一方を満たし、かつ、表層および裏層の少なくとも一方が屈折率増加剤を含むことを特徴とする導光体である。

また、表層及び裏層の各ＭＩ値が中心層のＭＩ値よりも大きいことが好ましい。

また、表層の屈折率ｎｓ、中心層の屈折率ｎｃ、裏層の屈折率ｎｂが、ｎｓ＝ｎｃ＝ｎｂを満たすことが好ましい。

本発明の他の局面は、上述の導光体の製造方法であって、押出法によって表層を構成する樹脂と中心層を構成する樹脂と裏層を構成する樹脂とを同時に溶融しシーティングする工程を含むことを特徴とする導光体の製造方法である。

本発明のさらに他の局面は、上述の導光体と、導光体の側面に配置される光源と、導光体の表層に対向して配置される光学シートとを備えるバックライトである。

本発明のさらに他の局面は、上述のバックライトと、表示画面を規定する画像表示素子とを備える表示装置である。

また、画像表示素子が液晶セルを備えることが好ましい。

本発明によれば、導光体の表層及び裏層の屈折率を制御し、中心層との屈折率差を小さくすることにより、導光体の表層と中心層、裏層と中心層との層界面における端面入射光の全反射を低減させる、光の入射逆端面からの抜け光を低減させることができ、これにより面光源としての光取り出し効率が向上し、導光体を用いたバックライト及び表示装置等の輝度向上に寄与することが可能となる。

本発明における導光体の一例を示した概略断面図である。 本発明における導光体に光線を通した状態を示す概略図である。 本発明における導光体の斜視概略図である。 本発明における導光体の製造方法を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を詳細に説明する。

図１は本発明における導光体の一例の概略断面図である。本発明の導光体は、表層１２、中心層１１、裏層１３がこの順に積層された３層構成となっている。これら３層の境界面は、平滑かつ平行な面となっている。表層１２もしくは裏層１３の少なくとも一方には光線射出用の光学形状が形成されており、このパターンによって光の射出方向や明るさをコントロールすることができる。光学形状の一例としてプリズム形状が挙げられる。

導光体の表層１２もしくは裏層１３には、屈折率増加剤が含有されている。含有させる屈折率増加剤としては、添加することにより材料の屈折率を増加させる物質であれば特に限定されるものではないが、具体的な例を示すと、酸化チタン微粒子、酸化亜鉛、ジルコニア、酸化スズ、酸化アルミ等を挙げることができる。

導光体に用いられる素材は、光学シートの製造に適した熱可塑性樹脂が用いられる。導光体には透明性、耐熱性、耐湿性、耐衝撃性が必要であり、熱可塑性樹脂として、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、メタクリルスチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂等が適している。また、表層１２及び裏層１３には、所望の光学形状を良好に転写する為に、中心層１１に比べＭＩ値の高い熱可塑性樹脂材料を使用する。

図２は、本発明の導光体に対して光源からの光線を通したときの伝播経路の概略を説明する図である。光源２１から発して導光体の端部から入射した光線は、中心層１１と表層１２あるいは裏層１３との境界面に当たるたびに屈折と反射とを繰り返して、入射側と反対側へと導かれる。導光体内での反射は、中心層１１と表層１２あるいは裏層１３との屈折率差で生じるため、屈折率差が無いと見なせる程度に小さい事が望ましい。光学形状により所望の取り出し光となった光が取り出し光２２であり、層界面での全反射を繰返し、入射逆側端面から発せられる光が抜け光２３である。一般に、光の全反射は光が屈折率の高い物質から屈折率の低い物質の界面に入射した際に生じる現象であることが知られており、そのことから表層１２及び裏層１３の屈折率の値ｎｓ、ｎｂが中心層１１の屈折率ｎｃの値に限りなく近くなることが好ましい。そのため、上述の屈折率増加剤によって、表層の屈折率ｎｓ、中心層の屈折率ｎｃ、裏層の屈折率ｎｂが｜ｎｓ−ｎｃ｜＜０．０００５または｜ｎｂ−ｎｃ｜＜０．０００５の少なくとも一方を満たすよう調整される。また、界面の屈折率差がない、ｎｓ＝ｎｃ＝ｎｂを満たすよう調整されることがさらに好ましい。

図３は本発明における導光体の斜視概略図である。図１で示した断面形状を、連続して構成することで、導光体３１の端面すなわち入射面３２側に配置した光源３３からの入射光を導光体の上面方向へ立ち上げ、取り出し光３４、すなわち面光源として利用することができる。

導光体の製造方法としては、Ｔダイによる多層押出法や、インジェクション法、あるいは押出コーティング法などが挙げられるが、本実施形態では生産性に優れたＴダイによる多層押出法を用いて製造を行う。Ｔダイによる多層押出法は、Ｔダイを用いて樹脂膜を作り冷却ロールで樹脂を冷却しながらシーティングを行う方式である。

図４は本発明における導光体の製造方法を説明するための図である。表層１２を構成する原材料となる樹脂ペレット４８ａ、中心層１１を構成する原材料となる樹脂ペレット４８ｂ、裏層１３を構成する原材料となる樹脂ペレット４８ｃはそれぞれ別の押出機４１にて溶融され、Ｔダイ４２へ供給される。溶融樹脂は、Ｔダイ４２の上流部分に設けられるフィードブロックなどで合流、多層化される。あるいは、Ｔダイ４２内部で合流多層化されてもよい。

表層１２を構成する原材料となる樹脂ペレット４８ａ及び裏層１３を構成する原材料となる樹脂ペレット４８ｃの調整の際には、上述の屈折率増加剤を適当な割合で混合した樹脂ペレットマスターバッチを準備し、このマスターバッチを適当な割合で均等に原材料樹脂に混合した樹脂ペレットを調整し、押出機に供給を行えばよい。

Ｔダイ４２から吐出される樹脂は、押出機４１の回転数、温度条件などを調整することで、適切な層比、厚みをコントロールできる。

Ｔダイ４２から吐出された溶融樹脂は冷却ロール４３および冷却ロール４４間で挟み込み、冷却ロール４４に密着するようにロール温度、トルク、挟圧を調整する。この際に、冷却ロールで挟み込む力をコントロールすることで、厚みの調整を行うこともあるが、この際には、樹脂が外力で変形可能な温度に保たれていることが必要である。

更には、冷却ロール４３と冷却ロール４４で挟みこむ際に、それらの表面に転写形状を彫刻したロールなどを使用することで、溶融樹脂に形状の転写を行うことができる。

冷却ロール４４と冷却ロール４５で除熱を行い、冷却ロールの温度差や、張力等を用いてシートの反りを矯正しながらシーティングを行い、下流部分で断裁を行うことで、目的の導光体を得られる。

この導光体と、導光体の側面に配置される光源とを備えることで、バックライトを構成することができる。このような導光体を用いたエッジライト方式をとったバックライトにおいては、導光体を用いず光取り出し方向の背面側に光源を配置し、その間に拡散板を配置する直下型方式のバックライトに比べ、視野角の制御、光取り出し効率の向上及びバックライトの薄型化を図ることができる。

導光体を用いたバックライトにおいては、光源の光の利用率を高める手段として輝度向上光学シートを併せて使用することが好ましい。光学シートは、導光体の光取り出し方向である表層側に配置されていれば、特に限定されるものではないが、具体的な例を示すと、液晶表示装置の輝度向上を目的として表面にプリズム形状を付与したシートである、３Ｍ社のＢＥＦ（Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ）に代表される上向きに設置する頂角９０°のプリズムシートなどが挙げられる。

また、このバックライトと、表示画面を規定する画像表示素子とを備えることでディスプレイ装置（表示装置）を構成することができる。画像表示素子は例えば液晶セルを備える。

また、エッジライト方式を用いたバックライトの用途としては表示装置のみならず、照明用部材など様々な使用例を選択することが可能である。

以下、本発明の実施例および比較例を示して本発明を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１）
例えばアクリル樹脂を材料として選定する場合、中心層１１に三菱レイヨン社製アクリペットＶＨ０００（ＭＩ＝２）、表層１２及び裏層１３に三菱レイヨン社製アクリペットＴＦ９（ＭＩ＝２０）を用いることができる。ＪＩＳ（Ｋ７１４２）（２００８）記載の方法にて、原材料の屈折率を測定した所、それぞれＶＨ０００の屈折率が１．４９２５、ＴＦ９の屈折率が１．４９２０となる値が得られた。

表層１２を構成する原材料となるＴＦ９を用いて、屈折率増加剤として酸化チタン微粒子（屈折率：２．７６）を１０重量％含む樹脂ペレットマスターバッチを調整し、これを原材料ＴＦ９と共に酸化チタン微粒子添加量が最終的に０．０７５重量％となるように押出機４１に供給、スクリュー４９にて混合することで表層１２の屈折率が１．４９２５となるように調整した。成形の際には表層１２、中心層１１、裏層１３を構成するアクリル樹脂をそれぞれ押出機４１に投入し、Ｔダイ４２にて多層化せしめた溶融樹脂を吐出し、冷却ロール４３、冷却ロール４４及び冷却ロール４５にてシーティングを行った。成形時には冷却ロール４３及び冷却ロール４４の表面にそれぞれ光学形状を彫刻したロールを使用し、溶融樹脂に光学形状の転写を行い、下流にてシートを断裁、端面の研磨を行うことで目的の導光板を得た。

導光体をバックライトユニットに組み込み、輝度の測定を行った。

（実施例２）
実施例１において表層１２の屈折率調整を行わず、代わりに裏層１３に対して酸化チタン微粒子添加量が最終的に０．０７５重量％となるよう添加し、裏層１３の屈折率が１．４９２５となるように調整した。以下実施例１と同様にして導光体を作製し、輝度の測定を行った。

（実施例３）
実施例１において表層１２と同様に裏層１３に対して酸化チタン微粒子添加量が最終的に０．０７５重量％となるよう添加し、表層１２及び裏層１３の屈折率が１．４９２５となるように調整した。以下実施例１と同様にして導光体を作製し、輝度の測定を行った。

（比較例１）
実施例１において表層１２の屈折率調整を行わず原材料をそのまま使用し、以下実施例１と同様にして導光体を作製し、輝度の測定を行った。

（比較例２）
比較例１において、表層１２及び裏層１３に対して酸化チタン微粒子添加量が最終的に０．１５重量％となるよう添加し、表層１２及び裏層１３の屈折率が１．４９３０となるように調整した。以下実施例１と同様にして導光体を作製し、輝度の測定を行った。

表１に実施の結果を示す。表１中の「屈折率調整の有無」欄の○／×は、それぞれ屈折率調整剤添加の有／無、「屈折率」欄の数値は作製した導光体の各構成層の屈折率を示す。また、「輝度」欄の中心輝度比は、比較例１における光取り出し面中心部の輝度を１としたときの相対値、積分輝度比は、比較例１における光取り出し面全体光量の積分値を１としたときの相対値を示し、輝度性能は、中心輝度比および積分輝度に基づく評価結果（○：良、◎：最良）を示している。

実施結果より、屈折率を調整していない比較例１に対して、表層１２もしくは裏層１３のどちらか一方に屈折率増加剤を添加し、屈折率の調整を行った実施例１及び実施例２では、中心輝度比、積分輝度比ともに向上したことがわかった。また、表層１２と中心層１１、裏層１３の屈折率を同一の値とした実施例３では、中心輝度及び積分輝度が最も高くなった。また、中心層１１の屈折率よりも表層１２及び裏層１３の屈折率を高くした比較例２では、積分輝度は向上したものの、中心輝度は低下した。以上の結果より、ｎｓ＝ｎｃ＝ｎｂの条件を満たす実施例３において光取り出し効率が最も向上したことがわかった。

以上のように、本発明の導光体は、光源より入射した光の面光源としての光取り出し効率を上げることができる。また本発明の導光体は、ＴＶをはじめとする各種ディスプレイ装置のみならず、照明機材、デジタルサイネージなど各種装置の輝度向上や視野角改善にも用いることができる。

本発明は、導光体、これを用いたバックライト、表示装置、照明機材等に利用可能である。

１１ 導光体の中心層
１２ 導光体の表層
１３ 導光体の裏層
２１ 光源
２２ 取り出し光
２３ 抜け光
３１ 導光体
３２ 入射面
３３ 光源
３４ 取り出し光
４１ 押出機
４２ Ｔダイ
４３ 冷却ロール
４４ 冷却ロール
４５ 冷却ロール
４６ 中心層を構成する樹脂
４７ 表層もしくは裏層を構成する樹脂
４８ａ 樹脂ペレット
４８ｂ 樹脂ペレット
４８ｃ 樹脂ペレット
４９ スクリュー

Claims (7)

1. 表層、中心層、裏層の３層をこの順に積層して構成され、前記表層もしくは前記裏層のいずれか一方もしくは両方に光学形状を有し、側面から入射される光を前記表層から射出する導光体であって、前記表層の屈折率ｎｓ、前記中心層の屈折率ｎｃ、前記裏層の屈折率ｎｂが｜ｎｓ−ｎｃ｜＜０．０００５または｜ｎｂ−ｎｃ｜＜０．０００５の少なくとも一方を満たし、かつ、前記表層および前記裏層の少なくとも一方が屈折率増加剤を含むことを特徴とする導光体。
2. 前記表層及び前記裏層の各ＭＩ値が前記中心層のＭＩ値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の導光体。
3. 前記表層の屈折率ｎｓ、前記中心層の屈折率ｎｃ、前記裏層の屈折率ｎｂが、ｎｓ＝ｎｃ＝ｎｂを満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の導光体。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の導光体の製造方法であって、押出法によって前記表層を構成する樹脂と前記中心層を構成する樹脂と前記裏層を構成する樹脂とを同時に溶融しシーティングする工程を含むことを特徴とする導光体の製造方法。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の導光体と、前記導光体の側面に配置される光源と、前記導光体の表層に対向して配置される光学シートとを備えるバックライト。
6. 請求項５に記載のバックライトと、表示画面を規定する画像表示素子とを備える表示装置。
7. 前記画像表示素子が液晶セルを備えることを特徴とする請求項６に記載の表示装置。

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