JP4147356B2 - 光拡散フィルムおよび面光源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶ディスプレイのバックライト、投射型液晶表示装置等に用いられる光拡散フィルムとその光拡散フィルムを用いた面光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示素子、特にカラー表示素子を用いた液晶表示装置の技術進歩はめざましく、ＣＲＴに劣らぬ表示品位のディスプレイが数多く観られるようになった。
【０００３】
数年前までは、面光源装置であるバックライトを用いない反射型液晶表示素子が主流であったが、現在は白黒表示に於いてもほとんどバックライトを用いる透過型液晶表示素子に置き換わっている。特に、カラー表示液晶ディスプレイでは、バックライトなしではディスプレイとしての態をなさず、バックライトは、直視型液晶表示装置において必須のデバイスとなっている。
【０００４】
カラー液晶表示装置は、大別してＴＦＴを用いたアクティブマトリクス駆動によるＴＮ液晶表示装置とマルチプレックス駆動のＳＴＮ液晶表示装置との２方式があり、いずれも液晶層をガラス基板で保持した素子の光入射側および光出射側に偏光板が装着された構成となっていて、直線偏光入射光の偏光状態を変調して液晶表示を行うものである。
【０００５】
しかしながら、液晶表示素子への入射光の偏光方向は不揃いでランダム偏光であるため、ＴＮ型およびＳＴＮ型いずれの液晶素子の場合も、表示素子の入射側に装着された偏光板により入射光のうち半分以上が吸収されてしまい、そのため光利用効率が低く、結果的に暗い表示画面となっている。あるいは、液晶表示を明るくするためには、電力消費量が増加してしまうといった問題があった。
【０００６】
バックライトに要求される輝度レベルは、その用途によって様々であるが、特にカラーノートパソコンでは要求輝度だけではなく、薄型化、軽量化、低消費電力化もあわせて要求される。
【０００７】
面光源装置を作るには種々の方式があるが、２種に大別される。一般的に最も多い方式は、内部照光方式あるいは直下型といわれる方式で、光源が照光面の内側にある方式である。一方、エッジライト型は、光源が照光面の外に配置され、照光面である透明なアクリル樹脂板などからなる導光板の一辺あるいは二辺に蛍光ランプ（多くは冷陰極放電管）等の例えば略線状発光体を密着させ、反射体からなるランプカバーを設けて導光板内に光を導入する方式である。
【０００８】
カラーノートパソコンでは特に薄型化、軽量化が要求されるため、エッジライト型バックライトが有効である。エッジライト型バックライトの導光板に求められる必要な機能は、端部より入射した光を前方に送る機能と、送られた光を液晶表示素子側に出射する機能である。
【０００９】
前者の機能は、使用する材料および界面反射特性に応じて決まり、後者の機能は、全反射条件を回避する導光板表面の形状に応じてきまる。この全反射条件を回避する導光板表面の形状に関して、導光板表面に白色の拡散材を形成する方法と導光板表面にレンチキュラーあるいはプリズムのフレネル形状を形成する方法が知られている。
【００１０】
また、表示画面の高輝度化と液晶表示装置等自体の低消費電力化のため、面光源装置の光が透過する各部材（導光板、光拡散フィルム等）は、高光透過率の材料が採用される等、光の損失を抑えて光利用効率を向上させる工夫がなされている。また、上記光拡散フィルムとしては、透明なプラスチックフィルムからなる基材フィルムの片面を粗面化したものや、基材フィルムの片面に微粒子を分散させた樹脂組成物をコーティングしたものが採用されている。
【００１１】
更に、面光源装置の正面輝度を向上させるため、光拡散フィルムを透過して出射する光をできるだけ正面方向に集めるように、集光シートが用いられる。この集光シートは、表面にプリズム状やウェーブ状、ピラミッド状等の微小な凹凸が多数並んだ透明シートであり、光拡散フィルムを透過した出射光を屈折させて正面に集め、照射面の輝度を向上させるようになっている。この様な集光シートは、上記光拡散フィルムの表面側に、１枚もしくは２枚重ねで配設され使用される。
【００１２】
上記のような面光源装置に用いられる光拡散フィルムとしては、例えば、特開平６−５９１０８号公報、特開平７−２０９５０２号公報、特開平７−２１６３２８号公報等において提案されているように、透明樹脂フィルムからなる基材フィルムの表面に透明樹脂バインダーに有機もしくは無機の微粒子を分散させた光拡散層を形成した物等が提案されている。この光拡散フィルムにより上記光拡散層を通過する光を拡散、散乱させ、光出射面の輝度を均一にするよう試みられている。
【００１３】
一方、透過型プロジェクターに液晶表示装置をその光変調器として使う場合のように装置の奥行きに対して許容度が大きい場合には、光源ランプの光利用効率を向上するために、光源ランプと液晶表示装置との間に無偏光光を互いに直交する偏光光に分離する偏光分離器を介在させ、一方の光は偏光分離器を直接出射させ、他方の光は光源ランプに集束させて再び光源光として使用することが提案されている（例えば特開平４−１８４４２９号公報）。
【００１４】
また、直視型液晶表示装置用に、偏光分離器として多層膜偏光板や、誘電体多層膜偏光板（例えば特開平９−１０５９２９号公報）を用いて光利用効率の向上も試みられている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
最近では、ノート型パソコン等に用いられる面光源装置のように、小型化、薄型化へのニーズが高くなっている。また、低消費電力化をはかり、電池消費を低減させるために、光出射面を高輝度化させることも望まれている。
【００１６】
ところが、一般に導光板から出射する光の光出射面に対する角度の違いによる輝度分布に難点があり、真正面方向（光出射面に対する法線方向）から６０度以上傾いた角度においてピークを有する場合が多く正面輝度が不足する傾向がある。この様な場合に、従来の光拡散フィルムによって、正面輝度を高めようとすると、透過光をより一層散乱、拡散させるように光拡散性を強くしなければならない。しかしながら、この様に光拡散フィルムの光拡散性を強めると、それに伴い光透過率が低下して光の利用効率が悪くなり、低消費電力化にとってマイナス要因となるほか、正面輝度がかえって低下するという問題が生じる。また、上述したように、集光シートを複数枚重ねて使用することも行われているが、複数枚重ねて使用しても、輝度のピークを法線方向に近づけることができず、正面輝度が不足するという問題があった。
【００１７】
この様に、従来の光拡散フィルムを使用した面光源装置では、充分な正面輝度を得るために集光シート等を使用しなければならないため部品点数が多くなり、コストアップの原因になるほか、面光源装置自体の厚みもそれだけ厚くなり、薄型化、軽量化のニーズにこたえることができない。しかも、光が多くの部材を通過することになり、それだけ反射損失等が増加して光利用効率が低下し、光出射面の輝度が低下するという問題点もある。
【００１８】
また、上記の液晶表示装置を光変調器として使うという方法を直視型液晶表示装置について単純に適用したのでは、直視型液晶表示装置の持つ、薄型でコンパクトという特徴を損なうという問題点もある。
【００１９】
更に、光利用効率の向上として、偏光分離器を従来の液晶表示装置に追加して用いる方法は、偏光分離器自体が、多層膜偏光分離器や誘電体多層膜偏光分離器であるため、部品点数の増加、コストアップの原因となる。
【００２０】
従って、本発明は、上記欠点を解決しようとするものであり、その目的は、光拡散フィルムに液晶表示素子入射光の偏光方向を揃える偏光機能を付与することにより、光の利用効率を向上することのできる低コストの光拡散フィルムを提供しようとするものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、光拡散フィルムを構成する基材フィルムに一軸異方性フィルムを用いることで、光の利用効率を改善できることを見いだし、本発明に至った。
【００２２】
即ち、本発明は、それ自体を透過する光を拡散させる光拡散フィルムであって、その光拡散フィルムを構成する基材フィルムが一軸異方性フィルムであり、前記光拡散フィルムは、前記基材フィルムの片面に光拡散層が形成されてなり、下記式（１）に示す前記一軸異方性フィルムの屈折率異方性△ｎが、０．０８より大きく、前記一軸異方性フィルムがポリエチレンテレフタレート又はこれを主体とするポリエステルで構成されていることを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
△ｎ＝｜ｎｘ−ｎｙ｜・・・（１）
（ここで、ｎｘ、ｎｙは、フィルムの厚さ方向の屈折率をｎｚとし、厚さ方向と直交する他の２つの軸方向をそれぞれｘ，ｙとしたときの屈折率である。）
【００２３】
一つの実施態様では、前記基材フィルムの片面に、基材フィルムの粗面化あるいは微粒子が拡散された樹脂組成物のコーティングにより光拡散層が形成されている。
【００２６】
本発明の面光源装置は、透明な導光板と、この導光板の一部から光を入射させる光源と、上記導光板の光出射面側に配設され光出射面から出射される光を拡散させる光拡散フィルムを備えた面光源装置であって、該光拡散フィルムが上記光拡散フィルムであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２８】
本発明における光拡散フィルムは、構成する基材フィルムが一軸異方性フィルムであることを特徴とする光拡散フィルムであり、さらに、基材フィルムの片面に基材フィルムの粗面化あるいは、微粒子が拡散された樹脂組成物のコーティングによる光拡散層が形成されていることを特徴とする光拡散フィルムであり、さらにそれらを用いた面光源装置で、次の方法によって製造することができる。但し、この方法に限定されるものではない。
【００２９】
上記基材フィルムの材質としては、光学的透明性を有するものが好ましく、例えば、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネート、ポリ（メタ）アクリレート、ポリメチル（メタ）アクリレート、ポリスチレン等のホモポリマー、または、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体、ポリ−４−メチルペンテン−１、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート等上記樹脂のモノマーと共重合可能なモノマーとのコポリマー等が挙げられるが、これらのものに限られるものではなく、各種のものが用いられる。
【００３０】
これらの中でも、特にポリエチレンテレフタレートは、不純物が少なく透明性が高い上に、耐薬品性に優れ、更に安価であるため、最も好適に用いられる。
【００３１】
また、一軸異方性の基材フィルムは常法により製膜することにより得ることができる。すなわち、ホモポリマーあるいはコポリマーの融液あるいは溶液を、押出法、カレンダー法や流延法などによりフィルム状に成形し、次いで、ロール法、テンター法、チューブラー法などにより縦あるいは横方向に一軸延伸されて得られる。
【００３２】
一軸異方性フィルムの屈折率異方性△ｎは、下記（１）式により得られる。
【００３３】
△ｎ＝｜ｎｘ−ｎｙ｜・・・（１）
ここで、ｎｘ、ｎｙは、厚さ方向の屈折率をｎｚとし、厚さ方向と直交する他の２つの軸方向をそれぞれｘ，ｙとしたときの屈折率である。
【００３４】
屈折率異方性△ｎは、充分な偏光度を得るために、好ましくは０．０２より大きいことが望ましい。より好ましくは、０．０８以上、特に好ましくは０．１以上である。
【００３５】
また、この基材フィルムの厚さとしては、特に限定するものではないが、用途や作業性を考慮すると、３０〜５００μｍに設定するのが適当である。３０μｍよりも薄い場合には機械的強度が充分ではなく、５００μｍを越える厚さの場合は薄いというプラスチックフィルムの利点がなくなる。一軸異方性フィルムとしては、単層のみならず、複層であってもよい。
【００３６】
本発明における基材フィルムの粗面化による光拡散層は、基材フィルムの粗面化加工処理により得られる。粗面化加工処理は、予め表面を凹凸形状のあるロールにより、ダイス口から出た樹脂を直ちにフィルム状に急冷固化させると同時にロール面の凹凸形状を転写させ粗面化加工を施す方法、両面が艶面となるようにメッキ金属ロールで作って一旦ロール状に巻き取ってフィルム製品としたのち、再度表面を加熱し、凹凸形状のあるロール間にフィルムを通して表面に凹凸形状を施す方法等がある。
【００３７】
ロールの凹凸形状や材質は特に限定するものではないが、金属ロールの場合、一般に格子状、角錐状、台形状、絹目状、カップ状等の各種彫刻を施した物、サンドブラスト処理されたもの等が使用できる。また、ロール類の材質は、金属、ゴム、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂など多種の材質から選ぶことができるが、基材フィルムに用いる樹脂の加工温度に充分耐えられる程度の耐熱性を有した物が望ましく、一般に金属、シリコンゴム、熱硬化性樹脂が望ましい。
【００３８】
粗面化加工は、フィルムの全光線透過率が３０〜９０％、かつ拡散透過率が２０〜７０％になるようにすることが望ましい。この範囲であれば本発明で得られたフィルムは、光源から放射される光を均一に拡散して効率的な照明が可能となる。
【００３９】
上記光拡散層に用いられる透明樹脂としては、特に限定するものではないが、アクリル系樹脂、ポリエステル樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、シリコーン樹脂等各種の樹脂が用いられる。また、これらの樹脂の重合性モノマーも使用可能である。
【００４０】
上記光拡散層に用いる微粒子としては、特に限定するものではないが、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ナイロン樹脂、ウレタン樹脂、スチレン樹脂、ポリエチレン樹脂、シリカ、ガラス、炭酸カルシウム、酸化チタン、水酸化アルミニウム等各種粒子が用いられる。これらの粒子は、１種類でも、また２種類以上を混合して用いても良い。
【００４１】
上記微粒子の透明樹脂に対する配合部数としては、特に限定されるものではないが、光透過率を確保しつつ、充分な光拡散性を得るという観点から、透明樹脂１００重量部に対して５〜１５０重量部程度が好ましく、６０〜１００重量部であればより好ましい。
【００４２】
また、上記微粒子の粒径は、特に限定されるものではないが、通常、平均粒径１〜７０μｍ、好ましくは１５〜５０μｍである。
【００４３】
上記光拡散層を形成する場合には、上記透明樹脂を適当な配合部数で溶剤中に溶解し、この溶解液に微粒子を混合分散させた混合分散液を、基材フィルムの表面に塗工した後、乾燥固化させることにより形成される。
【００４４】
上記溶剤としては、トルエン、メチルエチルケトン、キシレン、シクロヘキサン、酢酸エチル、シクロヘキサノン等各種の物が用いられる。これらは、一種類でもしくは二種類以上が混合されて用いられる。また、透明樹脂と溶剤の配合部数としては、特に限定されるものではなく、塗工方法や作業性、溶剤の種類等により最適な配合部数に設定される。例えば、透明樹脂１００重量部に対して溶剤５０〜９００重量部程度が好ましく、より好ましくは、１００〜４００重量部程度である。
【００４５】
上記混合分散溶液に対しては、イソシアネート、エポキシ樹脂、メチロール化メラミン樹脂、メチロール化尿素樹脂、金属塩、金属水酸化物等の架橋剤、グアニジン誘導体、含リン酸陰イオン活性剤、スルホン酸類、第４アンモニウム塩、ピリジニウム塩、イミダゾリン誘導体、モルホリン誘導体、ポリオキシエチレン−アルキルフェノール、アルキルアミドエーテル、ソルビタン脂肪酸エステル等の帯電防止剤、シランカップリング剤等の副成分が１種類もしくは２種類以上混合され配合されていてもよい。
【００４６】
基材フィルム表面への上記混合分散溶液の塗布方法としては、特に限定されるものではなく、ロールコート法、ディピング法、スプレーコーティング、スピンコーティング、ラミネート法等各種の方法が用いられ、溶剤、微粒子の配合部数、混合分散溶液の粘度、目的とする光拡散層の厚さ、基材フィルムの表面状態等によって最適なものを選んで行う。
【００４７】
また、基材フィルム表面に塗工された混合分散溶液の乾燥方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、自然乾燥、熱風乾燥、真空乾燥等各種の方法が用いられる。
【００４８】
上記のようにして形成された光拡散層の厚みは、光拡散性と光透過率とのバランスにより決定され、５〜１００μｍ程度が好ましく、３０〜７５μｍであればさらに好ましい。
【００４９】
【実施例】
次に実施例をあげて本説明をさらに説明する。
【００５０】
以下「部」とあるのは重量部である。
【００５１】
（実施例１）
図１は本発明の光拡散フィルムの一例を模式的に示した断面図であり、また、図２はその光拡散フィルムを用いて作製した液晶表示装置の一例を模式的に示した断面図である。
【００５２】
炭酸カルシウムを０．５重量％含有したポリエチレンテレフタレート樹脂を押出し温度２６０〜２８０℃で押出し、さらに、横方向（幅方向）あるいは縦方向に４倍延伸して厚さ１２０μｍ、△ｎ＝０．１の一軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを得た。
【００５３】
この一軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを２００メッシュのサンドブラスト処理した、艶消しロール（凹凸のピッチ：約８〜４０μｍ）と、ＪＩＳ硬度９０度のゴムロールとの間で、線圧１２０ｋｇ／ｃｍ、ロール温度１６０℃で処理し、図１に模式的に示す本発明の光拡散フィルム１を得た。なお、図１において、２は基材フィルム、３は該基材フィルム２の片面に積層された光拡散層であり、該光拡散層３は透明樹脂５と該透明樹脂中に分散された微粒子４とから構成されている。
【００５４】
このようにして作成された光拡散フィルム１を、図２に示すように、出射角度６３度の導光板１３を用いた面光源装置の上面に設置し、その上に、プリズムシート１５を設置し、バックライトユニットを得た。更にその上に、液晶パネル１６を設け、液晶パネル１６を通してみる光のコントラストが最も高くなるように光拡散フィルム１を設置した。なお、図２中、１１は蛍光ランプ、１２は反射面、１７は偏光板である。
【００５５】
この液晶表示装置からの出射光の輝度分布を測定したところ、従来の光拡散フィルムを用いたものに比べ１．１５倍の正面輝度が得られた。
【００５６】
（実施例２）
厚さ１２０μｍ、△ｎ＝０．１である一軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを用い、この片面に、透明樹脂として、ポリエステル系樹脂（商品名：バイロン６３０、東洋紡績社製）１００重量部に対して溶剤としてトルエン３００重量部、微粒子としてポリスチレン球状粒子（商品名：テクポリマーＳＢＸ−１７、積水化成品工業社製）を６０重量部添加した混合分散溶液を、乾燥膜厚３０μｍになるように塗布して乾燥固化させ、光拡散層を形成させ、本発明の光拡散フィルムを得た。
【００５７】
このようにして作成された光拡散フィルムを、実施例１と同様に、出射角度６３度の導光板を用いた面光源装置の上面に設置し、その上に、プリズムシートを設置し、バックライトユニットを得た。更にその上に、液晶パネルを設け、液晶パネルを通してみる光のコントラストが最も高くなるように光拡散フィルムを設置した。この液晶表示装置からの出射光の輝度分布を測定したところ、従来の光拡散フィルムを用いたものに比べ１．１８倍の正面輝度が得られた。
【００５８】
（比較例１）
上記実施例１において、一軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの代わりに、厚さ１２０μｍ、△ｎ＝０．０２である二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを用いた以外は、実施例１と同様に行った。その結果、正面輝度は従来の光拡散フィルムを用いたものと変化なかった。
【００５９】
（比較例２）
上記実施例２において、一軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの代わりに、厚さ１２０μｍ、△ｎ＝０．０２である二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを用いた以外は、実施例２と同様に行った。その結果、正面輝度は従来の光拡散フィルムを用いたものと変化なかった。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の光拡散フィルムは、構成する基材フィルムに一軸異方性フィルムを用いることで、光の利用効率を改善することができるため、従来と同程度の正面輝度を低消費電力で実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光拡散フィルムの一例を模式的に示した断面図である。
【図２】図１の光拡散フィルムを用いて作製した液晶表示装置の一例を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１ 光拡散フィルム
２ 基材フィルム
３ 光拡散層
４ 微粒子
５ 透明樹脂
１１ 蛍光ランプ
１２ 反射面
１３ 導光板
１５ プリズムアレイ
１６ 液晶パネル
１７ 偏光板

Claims (4)

1. それ自体を透過する光を拡散させる光拡散フィルムであって、
   その光拡散フィルムを構成する基材フィルムが一軸異方性フィルムであり、
   前記光拡散フィルムは、前記基材フィルムの片面に光拡散層が形成されてなり、
   下記式（１）に示す前記一軸異方性フィルムの屈折率異方性△ｎが、０．０８より大きく、前記一軸異方性フィルムがポリエチレンテレフタレート又はこれを主体とするポリエステルで構成されていることを特徴とする光拡散フィルム。
   △ｎ＝｜ｎｘ−ｎｙ｜・・・（１）
   （ここで、ｎｘ、ｎｙは、フィルムの厚さ方向の屈折率をｎｚとし、厚さ方向と直交する他の２つの軸方向をそれぞれｘ，ｙとしたときの屈折率である。）
2. 前記光拡散層が、前記基材フィルムの片面の粗面化により形成されていることを特徴とする請求項１記載の光拡散フィルム。
3. 前記光拡散層が、微粒子が拡散された樹脂組成物を前記基材フィルムの片面にコーティングすることによって形成されていることを特徴とする請求項１記載の光拡散フィルム。
4. 透明な導光板と、この導光板の一部から光を入射させる光源と、上記導光板の光出射面側に配設され光出射面から出射される光を拡散させる光拡散フィルムを備えた面光源装置であって、該光拡散フィルムが請求項１〜３のいずれかに記載の光拡散フィルムであることを特徴とする面光源装置。

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