JP2015015259A - 導光体 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、導光板及び製造方法に関する。導光板は、様々な分野、例えば液晶表示のような、特に表示ユニットのバックライトで使用されるのに適している。
【解決手段】導光板は、複数の導光層と、１又はそれ以上の散乱構造の組合せを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、導光板と、この導光板を含む導光装置、及びこれらの製造方法に関する。導光装置は、様々な利用分野において、特に液晶表示のような表示用バックライトに関連して使用するのに適している。

導光装置は、この分野において知られており、例を挙げると、照明、バックライト、標識、表示目的などにおいて利用されている。典型的には、導光装置は、蛍光灯或いは複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源と、標準的な、射出成型されたか、機械仕上げされた透明プラスチック部品から構成された導光板とを含んでいる。

導光板は多くの場合に、光源からの光の全反射を散乱させるのにふさわしい構造的な表面変形部を備えており、これによって、光は、制御された形態で透明な導光板を通って案内されて、この透明ガイド内の光伝達方向に対し実質的に直交方向に出射される。

しかしながら、このような導光板の製造には、幾つかの問題が存在する。例えば、これらの表面構造を射出成型で形成した導光板には、超精密機械仕上げされた、或いはレーザー加工された適切な金型が必要となり、多大な費用を必要とする事が多い。

導光板を製造する他の有用な技術は、適切なポリマーシートに超精密型打ち、或いはホットエンボスする技術が含まれる。しかし、導光板端面の光学的品質は、型打ちの品質及び、関連する製造工程によって制約される。

更に、超精密機械仕上げにより形成される表面構造は、導光板の製造中又は導光装置の組立中に損傷を生じ易い。更に、この表面構造に塵埃が付着すると導光板を通る光の伝播に悪影響が生じるので、該表面構造に塵埃が付着しないように、厳しく管理された塵埃のない製造及び組立工程が求められる。この結果、製造費用及び組立工程の費用が高くなる。

表示ユニット寸法の大型化により、これらのユニットに使用するのに必要なバックライト寸法も大型化するので、この製造及び組立工程における物理的制約は、より重大となり、これに関連した費用が増大する。このために、代わりの及び／又は改良された、特にバックライト用途に使われる導光板と導光装置及びその製造方法に対する継続した必要性がある。

国際特許公開ＷＯ２００５／１０１０７０号公報

本発明の目的は、上述した１つ又はそれ以上の欠点を解決する導光板を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、導光材料の第１層を備え、該第１層の第１表面上に導光材料の第２層が取り付けられ、導光材料の前記第１層と第２層の界面に１又はそれ以上の光散乱構造が設けられた導光板が提供される。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様による導光板と、１又はそれ以上の光源とを有する導光装置が提供される。１又はそれ以上の光源は、導光板の外部に結合することができる。この装置は、端面照射型であることが好ましい。任意的に、１又はそれ以上の光源は、導光材料層によってカプセル化されないようにすることができる。

１又はそれ以上の光源からの光は、導光材料の第１層及び導光材料の第２層の両者の中を全反射によって案内することができる。１又はそれ以上の光散乱構造は、案内される光の全反射を散乱し、又は分裂させ、この散乱された光は、案内される光の方向と直交するか、又は実質的に直交する方向に出射させられるようになる。このように、導光材料の第１層を備え、該第１層の第１表面上に導光材料の第２層が取り付けられ、導光材料の前記第１層と第２層の界面に１又はそれ以上の光散乱構造が設けられた導光板に結合された１又はそれ以上の光源を有し、該１又はそれ以上の光源からの光は、導光材料の第１層及び導光材料の第２層の両者の中を全反射によって案内され、１又はそれ以上の光散乱構造が、案内された光の全反射を散乱させ、散乱された光は、案内される光の方向と直交するか、又は実質的に直交する方向に出射されるように構成された導光装置が提供される。

本発明の第３の態様によれば、本発明の第２の態様による導光装置を有する表示装置が提供される。この表示装置は、液晶表示装置とし、それによって、液晶パネルとも言われる液晶セルを構成することができる。

本発明の第４の態様によれば、
ａ）導光材料の第１層の第１表面に１又はそれ以上の散乱構造を形成すること、及び、 ｂ）導光材料の第１層の第１表面上に、導光材料の第２層を、該１又はそれ以上の光散乱構造が、導光材料の第１層と第２層の界面に位置するように取り付けること、
を含む導光板の製造方法が提供される。

この方法は更に、導光装置を構成する為に、導光板を１又はそれ以上の光源と結合することを含むことができる。この方法は又、該導光装置を用いて表示装置を形成することを含むことができる。

導光材料第１層の第１表面上に、１又はそれ以上の光散乱構造を形成する方法は、１又はそれ以上の光散乱構造を含むインクを、前記第１表面上に塗布して、このインクを硬化させることを含むことができる。このインクを塗布する方法は、導光材料の第１層の該第１表面上に、インク印刷又はステンシルインク印刷することを含んでいる。この１又はそれ以上の散乱構造は、上述の層を結合する前に、導光材料の第１層と導光材料の第２層の一方又は両方に形成することができる。

上記のｂ）において、導光材料の第１層と導光材料の第２層とを結合する方法は、液体ポリマーを第１表面に塗布して、硬化させることを含むことができる。

導光材料の第２層は、標準的な積層技術を使って、導光材料の第１層と結合することができる。このような技術には、透明接着剤が必要になる。

この１又はそれ以上の散乱構造は、導光材料の外表面ではなく、導光材料の第１層と第２層の界面に配置されているので、本発明による導光板は、清掃が容易であり、また取扱い中に損傷するリスクを低減することができる。

更に、１又はそれ以上の光散乱構造は、導光材料層の表面上に、例えばスクリーン印刷のような添加剤印刷方法によって簡単に形成することができるので、予め、表面を変形させた構造的な散乱構造を形成するために高価な超精密機械仕上げ装置を必要とせず、製造費用を低減することができる。本発明による導光板は、ロール・ツゥ・ロール製造方式を用いて製造することができる。

本発明による導光装置とその光透過の効果を示す。

導光材料層
ここでは、第１及び第２の導光層とも呼ばれる、導光材料の第１層及び導光材料の第２層は、光透過性である。好ましくは、導光層は、１又はそれ以上の光源により生成される光に対して透明である。第１の導光層（この層は基板層とも言われる）は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート又はアクリルのような透明ポリマーシートから形成することができる。第２の導光層は、アクリル、エポキシ又はウレタンを含む、いくつかの好ましいポリマーから形成することができる。第１の導光層及び第２の導光層の厚みは、互いに無関係に、約０．１〜１０ｍｍとすることができる。典型的には、導光層の厚みは、約０．１ｍｍのオーダーである。２つの導光層の屈折率は、１．４に等しいか、それより大きくすることができる。２つの導光層の屈折率は、互いに無関係に、約１．４から約１．７までに選択することができる。第１層と第２層の屈折率は、同じでもよく、異なっていてもよい。

第２の導光層は、標準的な積層技術により、第１の導光層に結合することができる。この技術は、透明接着剤の利用を必要とする。透明接着剤は、第１及び第２の導光層の屈折率と同一、又は実質的に同じ屈折率とすることができる。第１及び第２の導光層は、製造中に光学的に結合することができる。光学的に結合するとは、これらの層が、事実上見分けがつかないような方法で、両層が光学的に結合されることを示している。第１層に対して第２層を適用する方法は、液体ポリマーを塗布して硬化させることを含むことができる。硬化方法は、１又はそれ以上の熱硬化、又はＵＶ硬化、及び／又は２部分硬化とすることができる。この方法は、液体ポリマー印刷、ステンシル印刷又は滴下法を含むことができる。好ましくは、第２の導光層が液体ポリマー形態で塗布される場合に、２つの導光層を組み合わせる結合前に、１又はそれ以上の散乱構造を第１の導光層上にのみに形成する。

散乱構造
１又はそれ以上の光散乱構造は、案内された光の全反射を散乱させる。１又はそれ以上の光散乱構造は、光抽出構造とも言われることもある。この散乱構造の形成は、散乱構造を透明印刷インク中に分散させ、２つの導光層が結合される前に、該インクを１又はそれ以上の導光層表面上に塗布することにより達成することができる。

好ましくは、この散乱構造は、１又はそれ以上の光源により生成される光に対して透明である。該散乱構造は、例えば、銀フレークのように反射性を有するものとすることができる。好ましくは、該散乱構造は、第１及び／又は第２の導光層の屈折率より高い屈折率を有し、それは、例えば、約１．６〜約２．０であり、例えば、約１．６より大きい。１又はそれ以上の散乱構造は、微粒子形状とすることができる。１又はそれ以上の散乱構造は、約１〜約２０ミクロン幅の微粒子サイズを有するものとすることができる。第１の導光層の屈折率よりも高屈折率の透明微粒子材料が、本発明での使用に適している。この微粒子は、シリカ微粒子、例えばシリカ球体とすることができる。

散乱構造、例えば微粒子は、インク内に充填することができる。インクは、光透過性であり、好ましくは、１又はそれ以上の光源により生成される光に対して透明である。インクは、ポリマー材料とすることができ、散乱構造を含むことができ、一般用語で添加剤印刷方法と呼ばれる、多くの方法の中の任意の方法に従って、薄い散乱構造パターンが形成されるように、導光層に適用することができる。例えば、通常のスクリーン印刷法は、印刷に必要なパターンに対応した穴を備えたメッシュスクリーンの使用を含む。このパターンは、導光層上の必要領域に、正確にインク量を供給することを容易にする。添加剤印刷方法で他に好適な方法には、ステンシル印刷法、インクジェット印刷法、フレキソ印刷法、又公知のリソグラフ法の技術がある。

本発明の使用に適したインクは、１又はそれ以上の光源により生成される光に対して透明であり、例えば、約１．４〜約１．５の低屈折率を有し、ＵＶ又は溶剤硬化が可能なものを含む。インクの屈折率は、第１及び／又は第２の導光層の屈折率と同じか、実質的に同じとすることができる。例えば、好ましいＵＶ硬化インクとしては、ウィンドウテックスグロスがあり、これはアクリルベースの、透明ＵＶ硬化ポリマーで、スクリーン印刷可能なインクであり、マックダーミッド・オートタイプ社から市販されている。

１又はそれ以上の光源にどれだけ接近してインクが配布されるかにより、インクは、供給量及び形状を変えて適用することができる。光が導光板から散乱して出る場合には、光の強度は、光源からの距離が増加するにつれて減少する。したがって、インクのドットが小さい場合には、このインクドットは、広い間隔にして光源位置の近くに配置することができ、一方、インクのドットが大きい場合には、インクドットは、狭い間隔で光源位置から遠くに配置することになる。インクのドットは、高さが約０．０１〜約０．１ｍｍ、間隔及び／又は直径が約０．１〜約１０ｍｍとすることができる。インクの分布は、全体的な光抽出が均一、又は実質的に均一となるように目的に合わせて調整することができる。インクの印刷パターンは、導光層表面上における微粒子のパターンを決定し、従って光散乱構造の位置を決定することになる。

任意ではあるが、例えば反射シートのような、付加的な反射要素を、第１の導光層の下側外面の下方に配置して、例えば、バックライトとして使用する場合において、装置の観察想定方向から、反射要素がないと目立って遠ざかる方向に向かうことになる光の向きを修正するようにすることができる。

本発明においては、微粒子サイズ分布は、マルバーン・インスツルメンツ社製のマルバーンパーティクルサイズアナライザー、モデル・マスターサイザーを使って測定される。ヘリウム・ネオンガスレーザー光が、水溶液中に分散された微粒子を含む透明セルを通して照射される。微粒子に当たる光線は、微粒子サイズに逆比例した角度で散乱する。光検出アレイでは、幾つかの所定角度において光量を測定する。計測された光量値に比例した電気信号が、マイクロコンピュータシステムにより処理され、サンプル及び水溶液分散剤の屈折率により定義された理論的微粒子から予測される拡散パターンに対して微粒子サイズ分布が求められる。

導光装置
導光装置は、照明、バックライト、標識、表示目的を含む広い範囲の機能に採用されている。典型的には、公知の導光装置は、射出成型品であるか、又は、機械仕上げされた透明プラスチック部品の端部に、光源が機械的取り付け手段により一体化されることにより構成される。このような装置の例は、国際特許公開ＷＯ２００５／１０１０７０号公報（特許文献１）に記載されており、その内容は、引用により全てここに組み込まれる。

これら装置の全てに共通することは、光源からの光が、典型的にはプラスチック製である透明導光板を通り、全反射によって案内されるという事実である。端面照射するバックライト方式では、光は、透明な導光板内の光伝達方向に対して実質的に直交する方向に出射する。これは、導光板の外面に配置され、平坦でない表面を形成し、全反射に乱れを与えるように形成された散乱構造と相互作用するように、光を向けることにより達成される。

本発明による導光装置は、ロール・ツゥ・ロール方式と、スクリーン印刷技術を利用して製造することができる。本発明による導光板及び導光装置の外部表面は、従来の導光板より、典型的には平滑であり、好ましくは平坦である。

１又はそれ以上の光源を本発明による導光板の端部に一体化することは、種々の技術により達成することができる。光源は、機械的取り付け手段により、導光板端部に一体化することができる。１又はそれ以上の光源を導光板端部に一体化することは、突き合わせ結合工程により達成することができ、１又はそれ以上の光源は、導光層端面の反射を低減させるように作用する高屈折率の光学接着剤を用いてＵＶ硬化させ、導光板端部に取り付けられる。導光板は、熱硬化性粘着剤又は研磨で、導光板端部に適した光学面を形成することにより形成でき、これによって、１又はそれ以上の光源から導光層への良好な光結合を促進することができる。

光源
１又はそれ以上の光源は、バックライトの使用に適したものを含め、当業者に知られるどのようなものでもよい。このような光源には、１又はそれ以上のＬＥＤ、冷陰極管、レーザーダイオード、有機発光ダイオード光源、その他の電気冷光装置が含まれる。光は無指向性とすることができる。

ＬＥＤは、端面発光、態様発光、上面発光、又は、ベアダイＬＥＤを含む、当業者に知られたどんな設計のものでもよい。

導光装置の使用
本発明による導光装置は、照明、バックライト、標識、表示目的を含む種々の機能に採用することができる。

液晶装置は、この分野ではよく知られている。透過型モードで作動する液晶表示装置は、典型的には、液晶パネルとも言われる液晶セルと、導光装置に組み込まれるバックライトユニットと、１又はそれ以上の光源とを含んでいる。液晶セルは又、よく知られたディバイスである。一般に、液晶セルは、典型的に２つの透明基板と、これらの間に配置される液晶材料層を有する。液晶表示セルは、２枚の透明板を有するものとすることができ、これらの内面にはそれぞれ、透明導電電極が形成されている。配向層をこれらのセル内面に導入することができ、これによって、分子は、液晶線材料を所望の方向に配向させられる。透明板は、スペーサーにより適当な距離、例えば約２ミクロン離される。液晶材料は、これらの透明板の間に、流動性充填によりこれらの間の間隙を満たすことにより導入される。セルの前後に偏光板を配列することができる。バックライトユニットは、通常の手段により液晶セルの背面に配置することができる。作動において、透過モードで動作する液晶セルは、導光装置を含むバックライトユニットのような光源光を変調する。

本発明の実施形態が、例示的な手法で、限定に意味を伴わずに、添付図面及び実施例を参照して説明される。

図１において、態様図で示す導光装置（１）は、例えば、ポリエステル、ポリカーボネート又はアクリルのような透明ポリマー基板からなる第１の導光層（２）を有する。これら第１の導光層と第２の導光層（７）との間には、複数の散乱構造（４）が配置される。第２の導光層は、第１の導光層の第１表面上に、この分野で知られた適切な手段のいずれかにより固定することができ、これにより、第１の導光層と第２の導光層との間に、散乱構造を効果的に封入することができる。例えば、ＬＥＤのような外部光源（３）が、導光板を一緒に構成する複数の導光層の一端に、任意の適切な手段により機械的に取り付けられる。ＬＥＤ光源により生成された光（５ａ、５ｂ、５ｃ）は、導光層内に導かれ、この光は、複数の導光層により定められた平面と実質的に平行な方向に、導光層内を通って伝達される。光は、全反射によって透明導光板内を通って案内される。光が散乱構造（４）に当たると、光は、この散乱構造と相互作用し、光が再指向され、６ａ、６ｃで示されるように上表面を通って導光装置から出射されるため、バックライト機能をもたらす。また、装置の上表面を通り、（６ｂ）で示す全体方向に向けるために、（５ｂ’）で示す光を向け直すことが必要な場合には、図示された任意の反射要素（８）を備えてもよい。

典型的には、第２の導光層（７）の屈折率は、第１の導光層（２）の屈折率と実質的に等しく、光源（３）からの光は、全反射効果により第１及び第２の導光層の両層内を案内される。したがって、散乱構造をこれらの間に配置した第１の導光層と第２の導光層は、全体的には導光板とも呼ばれ、導光板の端部に取り付けられた光源により生成される光の導光媒体として作用する複合構造を形成する。
（実施例１）

本発明による導光板は、以下のように製造される。０．３ｍｍ厚のアクリルシートが、第１の導光層として使われる。シリカ微粒子（粒子サイズ１０ミクロン）が、マックダーミッド・オートタイプ社から市販されている、アクリルベースの、透明ＵＶ硬化ポリマーのスクリーン印刷可能なインクである、ウィンドウテックスグロス（厚さ０．０２５ｍｍ）に分散される。出来あがった分散物は、アクリル基板上にスクリーン印刷され、硬化される。次いで、ＵＶ硬化性で、アクリルベースの透明ポリマー（屈折率１．５１）の、０．１ｍｍ厚のダイマックス４−２０６４５の層が、アクリル基板の印刷インクを硬化させた面と同じ面に塗布され、２つのアクリル層間の界面に光散乱シリカ微粒子を封入した、光学的に連続する複合構造が形成される。上述したように、複合導光板の上下表面は、損傷又は塵埃を捕集し易い構造とは無関係であり、光散乱構造はこの複合構造内部に含まれる。

１ 導光装置
２ 第１の導光層
３ 外部光源
４ 光散乱構造
５ａ〜５ｃ ＬＥＤ光源により発した光
６ａ〜６ｃ 散乱光
７ 第２の導光層
８ 反射要素

Claims (25)

1. 導光材料の第１層を含み、該第１層の第１表面上に導光材料の第２層が取り付けられ、導光材料の前記第１層と第２層の界面に１又はそれ以上の光散乱構造が設けられた、
   ことを特徴とする導光板。
2. 導光材料の前記第１層及び前記第２層が透明ポリマーシートからなる、請求項１に記載の導光板。
3. 導光材料の前記第１層及び前記第２層の屈折率が同じ又は実質的に同じである、請求項１又は請求項２に記載の導光板。
4. 導光材料の前記第１層及び前記第２層の屈折率が、互いに無関係であり、約１．４〜約１．７である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の導光板。
5. 導光材料の第１の導光層及び第２の導光層の厚みが、互いに無関係であり、約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍである、請求項１から請求項４のいずれかに記載の導光板。
6. １又はそれ以上の光散乱構造の屈折率が導光材料第１層の屈折率より大きい、請求項１から請求項５のいずれかに記載の導光板。
7. 前記１又はそれ以上の散乱構造が透明インク中に分散されている、請求項１から請求項６のいずれかに記載の導光板。
8. 透明インクの屈折率が導光材料第１層の屈折率と同じ又は実質的に同じである、請求項７に記載の導光板。
9. 前記１又はそれ以上の散乱構造が微粒子形状である、請求項１から請求項８のいずれかに記載の導光板。
10. 微粒子の粒子サイズが約１〜約２０ミクロンの範囲である、請求項９に記載の導光板。
11. この微粒子がシリカ微粒子である、請求項９又は請求項１０に記載の導光板。
12. 前記散乱構造の屈折率が約１．６〜約２．０である、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の導光板。
13. 請求項１から請求項１２のいずれかに記載の導光板と、１又はそれ以上の光源と、を含む、導光装置。
14. 前記１又はそれ以上光源が、ＬＥＤ、冷陰極管、レーザーダイオード、有機発光ダイオード光源、及び、他の電気冷光装置から選択される、請求項１３に記載の導光装置。
15. １又はそれ以上光源が１又はそれ以上のＬＥＤから選択される、請求項１４に記載の導光装置。
16. 導光装置が端面照射型である、請求項１３から請求項１５のいずれかに記載の導光装置。
17. １又はそれ以上の光源が導光材料層によって封入されていない、請求項１３から請求項１６のいずれかに記載の導光装置。
18. 請求項１３から請求項１７のいずれかに記載の導光装置を有する表示装置。
19. 表示装置が液晶セルを含む請求項１８に記載の表示装置。
20. ａ）導光材料の第１層の第１表面に１又はそれ以上の光散乱構造を設けること、
    ｂ）導光材料の第１層の前記第１表面上に導光材料の第２層を、前記１又はそれ以上の光散乱構造が導光材料の前記第１層と第２層の界面に位置するように取り付けること、
    を含む、導光板の製造方法。
21. 前記ａ）は、前記第１表面上に前記散乱構造を含む透明インクを適用し、該インクを硬化させることを含む、請求項２０に記載の製造方法。
22. 添加剤印刷方法が、前記１又はそれ以上の光散乱構造を適用するために使用される請求項２０又は請求項２１に記載の製造方法。
23. 前記添加剤印刷方法がスクリーン印刷方法である、請求項２２に記載の製造方法。
24. 前記ｂ）が、液体ポリマーを第１表面上に適用して、この液体ポリマーを硬化させることを含む、請求項２０から請求項２３のいずれかに記載の製造方法。
25. 第２の導光層がポリマーシートであり、前記ｂ）が第１の導光層に該ポリマーシートを貼り合わせることを含む、請求項２０から請求項２３のいずれかに記載の製造方法。

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