JP2019071275A - 光学体、光学体の製造方法、発光装置、及び画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、図1〜図14に基づいて、本実施形態に係る光学体1の構成について説明する。光学体1は、導光板とも称される部材であり、基材10と、光取出し部11とを備える。光取出し部11は、基材10の表面10Aのうち、少なくとも一部の領域に形成される。
次に、図1に基づいて、発光装置の構成について説明する。発光装置は、上述した光学体1と、光源20とを有する。光源20の種類は特に問われず、従来の導光板に適用される光源であればよい。すなわち、光源20は、白色光を出射するものであっても、単色光を出射するものであってもよい。発光装置の動作は概略以下の通りである。まず、光源20から光学体1に光が入射する。光学体1の内部に入射された光、すなわち内部伝播光は、基材10の両面で反射しながら光学体1の内部を伝播する。
次に、図15〜図17に基づいて、発光装置が適用される画像表示装置の例について説明する。この画像表示装置は、図15に示すように、発光装置500a、500bが重畳された構成を有する。発光装置500aは、光学体1a及び光源20a−1、20a−2を備える。発光装置500bは、光学体1b及び光源20b−1、20b−2を備える。したがって、光学体1(1a、1b)が重畳して使用される。発光装置500aは視認者から見て発光装置500bよりも奥側に配置される。光学体1a、1bの構成は上述した光学体1と同様である。すなわち、光学体1aの裏面には発光領域1a−1、1a−2が形成されている。発光領域1a−1、1a−2には光取出し部11(すなわち凹凸構造11c)が形成されており、光学体1aをオンする(すなわち、光源20a−1、20a−2を発光させる)と、発光領域1a−1、1a−2が発光する。発光領域1a−1、1a−2の形状は文字形状(アルファベット、数字)となっている。したがって、発光領域1a−1、1a−2が発光すると、発光領域1a−1、1a−2、すなわち文字画像が視認されることになる。
つぎに、光学体1の製造方法について説明する。光学体1の製造方法は、凹凸構造11cの反転形状を有する転写型を作製する第1の工程と、基材の表面に未硬化の樹脂層を形成する第2の工程と、未硬化の樹脂層を硬化させるとともに、転写型の凹凸構造を硬化後の樹脂層に転写する第3の工程と、を含む。
第1の工程は、凹凸構造11cの反転形状を有する転写型を作製する工程である。転写型は、例えば図18に示す原盤100である。
そこで、原盤100の構成について説明する。原盤100は、円筒形状となっている。原盤100は円柱形状であっても、他の形状(例えば平板状)であってもよい。ただし、原盤100が円柱または円筒形状である場合、ロールツーロール方式によって原盤100の凹凸構造(すなわち、原盤凹凸構造)120を樹脂基材等にシームレス的に転写することができる。これにより、基材10の表面10Aに凹凸構造11cを高い生産効率で形成することができる。このような観点からは、原盤100の形状は、円筒形状または円柱形状であることが好ましい。
つぎに、原盤100の製造方法を説明する。まず、原盤基材110上に、基材レジスト層を形成(成膜)する。ここで、基材レジスト層を構成するレジスト材は特に制限されず、有機レジスト材及び無機レジスト材のいずれであってもよい。有機レジスト材としては、例えば、ノボラック系レジスト、または化学増幅型レジストなどが挙げられる。また、無機レジスト材としては、例えば、タングステン(W)またはモリブデン(Mo)などの1種または2種以上の遷移金属を含む金属酸化物等が挙げられる。その他、無機レジスト材としては、Cr、Au等が挙げられる。ただし、熱反応リソグラフィを行うためには、基材レジスト層は、金属酸化物を含む熱反応型レジストで形成されることが好ましい。
次に、図19に基づいて、露光装置200の構成について説明する。露光装置200は、基材レジスト層を露光する装置である。露光装置200は、レーザ光源201と、第1ミラー203と、フォトダイオード(Photodiode:PD)205と、偏向光学系と、制御機構230と、第2ミラー213と、移動光学テーブル220と、スピンドルモータ225と、ターンテーブル227とを備える。また、原盤基材110は、ターンテーブル227上に載置され、回転することができるようになっている。
次に、図21を参照して、原盤100を用いた凹凸構造11cの形成方法の一例について説明する。凹凸構造11cは、原盤100を用いたロールツーロール方式の転写装置300によって基材10上に形成可能である。図21に示す転写装置300では、光硬化性樹脂(紫外線硬化性樹脂)を用いて光学体1を作製する。転写装置300を用いて、上述した第2および第3の工程が行われる。
次に、本実施形態の実施例について説明する。実施例1では、以下の工程により光学体1を作製した。
基材10として、厚さ3mmのアクリル板(三菱レイヨン社製アクリライトEX)を準備した。
上述した第1〜第3の工程を行うことで、光学体1を作製した。具体的には、ガラス製の原盤基材110を用意し、上述した第1の工程により、原盤100を作製した。ここで、基材レジスト層は、図20Aに示すレジスト層とした。第1の無機レジスト層110aはCr層とし、第2の無機レジスト層110bはAu層とした。Cr層、Au層はスパッタにより形成した。有機レジスト層を構成する材料は、東京応化社製THMR−IP3250とした。露光装置200に相当する露光装置としてニコン社製NSR−4425iを使用した。現像液は、東京応化社製NMD−3を使用し、Auエッチング液としてTransene社製GE8111を使用し、Crエッチング液として林純薬工業社製CR100を使用し、ガラスエッチング液としてステラケミファ社製フッ化水素酸50質量%水溶液を水で希釈したものを使用した(希釈後濃度5質量%)。
次に、光学体1を発光させた際の輝度を測定した。測定は以下の工程で行った。なお、測定は暗所環境下で行った。まず、光学体1の行方向側の端部にLED光源(アイテックシステム社製LPAC1−2430NCW−R24)を設置した。また、表面10B側に輝度計(コニカミノルタ社製CS1000)を設置した。設置位置は表面10Bから50cm離間した位置とし、輝度計の光軸を表面10Bと垂直とした。ついで、LED光源から高輝度白色光を光学体1に入射し、輝度計で発光輝度(cd/m2)を測定した。また、日本分光社製V650により光学体1の透過率として波長550nmにおける垂直透過率(%)を測定した。結果、発光輝度は336cd/m2となり、垂直透過率は79%であった。
比較例1では、実施例1と同様の工程により光学体を作製した。ここで、比較例1に係る光学体1では、凸部11aがマイクロレンズ形状となっている。つまり、凸部11aは錐台形状となっていない。凸部11aの曲率半径を33μm、凸部11aの平面視の直径を75μm、充填率を70%、配列を六方細密配列のランダム配列とした。図39に凹凸構造11cの平面光学顕微鏡写真(倍率235倍)を示し、図40に凹凸構造11cの断面SEM写真(倍率1000倍)を示す。また、実施例1と同様に発光輝度および垂直透過率を測定したところ、発光輝度は286cd/m2となり、垂直透過率は28%であった。
実施例1と比較例1とを対比すると、実施例1は、比較例1よりも充填率が高いにもかかわらず、垂直透過率が優れた結果となった。さらに、実施例1の発光輝度は、比較例1よりも優れていた。したがって、実施例1では、高い発光輝度を維持しつつ、垂直透過率を高めることができた。なお、実施例1の光学体1を複数枚重畳し、いずれか1つの光学体1をオンし、他の全ての光学体1をオフしてみた。この結果、オンされた光学体1の発光領域を明確に視認することができた。一方、オフされた光学体1の発光領域の意匠はほとんど確認できなかった。
実施例2では、凸部11aの錐台形状を正六角錐台形状とした他は実施例1と同様の処理を行った。ここで、凸部11aの配列を六方細密配列の規則配列とし、充填率を約90%とした。また、凸部11aのピッチを40μmとし、六角錐台の平面視での対角寸法を33μmとした。また、テーパ面部11a−2の曲率半径を2.5μmとし、凹部11bの幅を2.5μmとした。図30に凹凸構造11cの平面光学顕微鏡写真(倍率1045倍)を示す。光学体1の発光輝度は362(cd/m2)、垂直透過率は75.4%であった。したがって、錐台形状が円錐台形状以外であっても同様の効果が得られることが明らかになった。特に、充填率が90%と非常に高いが、垂直透過率は実施例1と遜色ない値であった。平面部分が多く形成されるからである。
実施例3では、発光輝度および垂直透過率に影響を与えるパラメータについて検討した。具体的には、実施例1と同様の工程により複数種類の光学体1を作製した。ここで、凸部11aを円錐台形状とした。さらに、凹部11bの幅を2.5μmで固定した。さらに、ピッチを10、20、40、80、160、および320μmのいずれかに設定し、テーパ面部11b−2の曲率半径を1.25、2.5、5.4、10.9、および21.25μmの何れかに設定した。図23は、ピッチ20μm、曲率半径1.25μmの光学体1の平面光学顕微鏡写真(倍率2090倍)を示し、図24は、ピッチ20μm、曲率半径2.5μmの光学体1の平面光学顕微鏡写真(倍率2090倍)を示し、図25は、ピッチ20μm、曲率半径5.4μmの光学体1の平面光学顕微鏡写真(倍率2090倍)を示す。図23〜図25に示すように、ピッチが同じで、凹部11bの幅が同じであれば、凸部11aの平面視の直径(すなわち、面積)が同じになる。このような条件では、曲率半径が大きくなるほど、テーパ面部11a−2の平面視の面積が大きくなり、平面部11a−1の平面視の面積が小さくなる。
実施例4では、充填率について調査した。具体的には、凸部11aを正四角錐台形状とした。凸部11aの平面視での寸法を20μm×20μmとし、テーパ面部11a−2の曲率半径を2.5μmとした。凸部11aの配列は格子配列の規則配列とした。この条件下で、ピッチを30μm(充填率約44%)、40μm(充填率約25%)、60μm(充填率約11%)、および80μm(充填率約6%)の何れかとした。こうすることで単位面積当たりに配置される凸部11aの数が変わるので、凸部11aの充填率、言い換えれば平面部分の面積比(凹凸構造11cの平面視の全面積に対する平面部分の平面視の面積の比)が変動する。図36は、ピッチが30μmの光学体1の平面光学顕微鏡写真(倍率1045倍)を示し、図37は、ピッチが80μmの光学体1の平面光学顕微鏡写真(倍率1045倍)を示す。これらの光学体1の発光輝度および垂直透過率を実施例1と同様に測定した。結果を図38に示す。
実施例5では、面積比A/Bの好ましい範囲について調査した。具体的には、テーパ面部11a−2の曲率半径を変える他は実施例1と同様の処理を行うことで、面積比A/Bの値が異なる複数種類の光学体1を作製した。つまり、ここでは、単位領域X1の面積Bを固定し、テーパ面部11a−2のうち、単位領域X1内に存在する部分11a−3の面積Aを変更した。そして、これらの光学体1の発光輝度および垂直透過率を実施例1と同様の処理により測定した。結果を図41に示す。図41から明らかな通り、面積比A/Bが小さいほど、垂直透過率が高まることがわかる。そして、面積比A/Bが0.68以下となる場合に、垂直透過率が50%以上となり、面積比A/Bが0.40以下となる場合に、垂直透過率が65%以上となる。実用上、透過率は50%以上であればよく、65%以上であれば、外来光による画像をより鮮明に表示することができる。したがって、面積比A/Bは0.68以下が好ましく、0.40以下がより好ましいことが明らかになった。
実施例6では、実施例1の凹凸を逆転した光学体1を作製した。具体的には、実施例1で作製した転写型の凹凸をさらに転写した転写型を作製し、これを用いて実施例1と同様の処理を行うことで、実施例1の凹凸を逆転した光学体1を作製した。凹凸が逆転していることは、光学顕微鏡による表面観察、SEMを用いた断面観察の他、三菱ケミカルシステム社製のVertscan(型番:R5300GL−Lite−AC)を用いて確認した。この光学体1の発光輝度は342cd/m2となり、垂直透過率は79%であった。したがって、凹凸を入れ替えても同様の結果が得られた。
実施例7では、凸部11aの形状を円錐台形状または異形の多角形錐台形状とし、かつ凹凸構造11cをランダム配列として、光学体1の光学特性を検証した。まず、実施例1と同様の工程により複数種類の光学体1を作製した。ただし、原盤100を作製する際の基材レジスト総はCu層のみとした。Cu層はスパッタにより形成した。Cuエッチング液は林純薬工業社製Pure Etch CR201を使用した。また、転写用フィルムの基材をポリエステルフィルムからPETフィルムに変更した。光学体1においては、凹凸構造11cは六方細密配列を基準とし、基準配列からのずれ量を2、3、4μmのいずれかに設定した。基準配列のピッチは20、30、40、50、60μmのいずれかに設定し、テーパ面部11a−2の曲率半径は1.25μmで固定した。そして、凸部11aの形状を円錐台形状または異形の多角形錐台形状とした。実施例7では、凸部11aの形状が円錐台形状である光学体1、凸部11aの形状が異形の多角形錐台形状である光学体1をそれぞれ15種類(ずれ量3種×ピッチ5種)、合計30種類の光学体1を作製した。ここで、凸部11aの形状が異形の多角形錐台形状となる光学体1では、各凸部11aの形状がランダムとなるように設定した。そして、これらの光学体1の輝度および透過率を実施例1と同様の方法で測定した。
10 基材
10A、10B 表面
11 光取出し部
11a 凸部
11a−1 平面部
11a−2 テーパ面部
11b 凹部
11b−1 平面部
11b−2 テーパ面部
20 光源
100 原盤
110 原盤基材
120 原盤凹凸構造
Claims (11)
- 基材と、
前記基材の少なくとも一方の表面に形成され、前記基材の側面から前記基材の内部に入射された内部伝播光を前記基材の外部に取出す光取出し部と、を有し、
前記光取出し部は、凹部および凸部の少なくとも一方が錐台形状を有する凹凸構造を有し、
前記凹凸構造の充填率が15%以上であり、
光透過率が50%以上であることを特徴とする、光学体。 - 前記凹凸構造は周期的に配列されていることを特徴とする、請求項1記載の光学体。
- 前記凹凸構造は、格子配列、千鳥配列、および六方細密配列からなる群から選択されるいずれか1種以上の態様で配列されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の光学体。
- 前記凹凸構造の最小構造単位の中心軸間を連結することで得られる単位領域の面積Bと、前記最小構造単位を構成するテーパ面部のうち、前記単位領域内に存在する部分の面積Aとの比A/Bが、0.68以下であることを特徴とする、請求項2または3に記載の光学体。
- 前記凹凸構造はランダムに配列されていることを特徴とする、請求項1記載の光学体。
- 前記凹凸構造は、円錐台、楕円錐台、正多角形錐台、多角形錐台、半円錐台、1/4円錐台、及び異形の多角形錐台形状からなる群から選択される何れか1種以上の錐台形状を有することを特徴とする、請求項1〜5の何れか1項に記載の光学体。
- 前記基材は、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、およびガラスからなる群から選択される何れか1種以上で構成されることを特徴とする、請求項1〜6の何れか1項に記載の光学体。
- 前記凹凸構造は、紫外線硬化性樹脂の硬化物を含むことを特徴とする、請求項1〜7の何れか1項に記載の光学体。
- 請求項1〜8の何れか1項に記載の光学体を製造する光学体の製造方法であって、
前記凹凸構造の反転形状を有する転写型を作製する工程と、
前記基材の表面に未硬化の樹脂層を形成する工程と、
前記未硬化の樹脂層を硬化させるとともに、前記転写型の凹凸構造を硬化後の樹脂層に転写する工程と、を含むことを特徴とする、光学体の製造方法。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の光学体と、
前記光学体の側面に設けられ、前記光学体の側面から前記光学体の内部に光を入射する光源と、を備える、発光装置。 - 請求項10記載の発光装置が複数重畳された構成を有することを特徴とする、画像表示装置。
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