JP4793046B2 - 光学シートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、集光、拡散等の調光機能を備えた光透過性の光学シート、光学シートの製造方法、バックライト装置および液晶表示装置に関する。

液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）は、ブラウン管（ＣＲＴ：Cathode Ray Tube）と比較して低消費電力かつ小型化、薄型化が可能であり、現在では携帯電話、デジタルカメラ等の小型機器から、大型サイズの液晶テレビに至るまで、様々なサイズのものが幅広く使用されている。

液晶表示装置は、透過型、反射型等に分類され、特に透過型液晶表示装置は、液晶層を一対の透明基板で挟んだ液晶表示パネルと、照明光源としてのバックライトユニットを備えている。バックライトユニットは、光源を液晶表示パネルの直下に配置する直下型のほか、エッジライト型がある。

一般に、液晶表示装置用のバックライトユニットにおいては、光源光の出射方向を正面方向に配光させるプリズムシートや、光源光の輝度の均一化を図るための拡散シート等の光学シートが用いられている。

例えば、プリズムシートは、光出射側の面に断面三角形状のプリズムが多数配列されており、プリズムシートに入射した光をプリズム斜面で屈折透過させることで正面方向に集光する作用を行う。また、特にモバイル機器用途では、プリズム列が直交するように２枚のプリズムシートを重ねて配置することで、２方向の光を効率よく集光し正面輝度を向上させる構成例が知られている（下記特許文献１参照）。

しかしながら、上述のように各種光学シートを複数枚重ねてバックライトユニットを構成する従来技術においては、シートの使用枚数が増えることにより、バックライトユニット自体の総厚が大きくなるという問題がある。

また、集光、拡散等、様々な機能を持たせるために、それぞれの機能をもったシートを組み込む必要があるため、要求される光学特性に適したシートの組合せの選定やそれらの組込みに多くの工数を費やし、バックライト製造のコストアップの要因となっている。

更に、各光学シートを重ねて配置しても、各シート間には空間が介在するため、ここに異物を挟み込む等して、バックライトユニットの製造作業性が大きく損なわれ、歩留まり低下の要因になるという問題がある。

これに対して、下記特許文献２には、プリズムシートや拡散シート等の複数枚の光学シート間にこれらの光学シートよりも屈折率の低い材料層を介在させて相互に積層した構成が記載されている。この構成によれば、各シートをシート単位で取り扱う必要性がなくなるのでバックライトユニットの製造が容易となり、シート間に空間が存在することもないので異物の挟み込みによる生産性の低下も回避できる。

特開２００５−３８７７６号公報 特開平９−１４６０９３号公報

しかしながら、上記特許文献２の構成は、既存の各種光学シートを低屈折率材料を介して単に貼り合わせただけの構成であるので、シート全体の総厚を低減することはできず、バックライトユニットの薄型化を図れないという問題がある。

また、作製した各種光学シートの積層体が所定の光学特性を得るためには、シート間に一定の平坦度や平行度が必要とされる。従って、各光学シートの貼り合わせ作業は容易ではなく、製造コストの増大を招くおそれがある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、複数の光学的機能層を有しながらもシート総厚の低減を図ることができ製造も容易な光学シート、光学シートの製造方法、バックライト装置および液晶表示装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の光学シートは、断面三角形状のプリズムが多数配列されたプリズム層を有し、各プリズム間にプリズムよりも低屈折率の透光性材料が充填されて表面が平坦化されたシート基材と、このシート基材の表面に形成され、シート基材を透過した光を調光する光学層とを備えている。

また、本発明の光学シートの製造方法は、一方の面に、断面三角形状のプリズムが多数配列されたプリズム層を有するプリズムシートを準備する工程と、プリズムシート上の各プリズム間に、プリズム層よりも低屈折率の透光性材料を充填してプリズム層の表面が平坦化されたシート基材を作製する工程と、シート基材の上に光学層を形成する工程とを有する。

光学層は、シート基材の上に直接形成された、プリズムやレンズアレイ等の集光層あるいは拡散層等の光学的機能層として構成される。このとき、光学層は、シート基材を構成するプリズム層の各プリズムの頂点と接するように積層される。この構成により、既存のプリズムシートや拡散シートを単に貼り合わせる構成と比較して、光学シートの総厚を大幅に低減することが可能となる。また、プリズム層の表面が平坦化処理されているので、プリズム層の上に光学層を容易かつ高精度に形成することが可能となる。

光学シートの総厚を更に低減するために、シート基材は、実質的に、プリズム層一層分の厚さで形成されるのが好ましい。この場合、プリズム層を構成するプリズムシートは、ベースフィルム上にプリズム層を分離可能に積層することで構成し、シート基材上に光学層を形成した後、ベースフィルムをプリズム層から分離除去する。これにより、シート基材の薄厚化を容易に実現できる。

そして、バックライト装置および液晶表示装置に本発明に係る光学シートを適用することにより、機器の薄型化と生産性の向上を図ることができる。

以上述べたように、本発明によれば、複数の光学的機能層を有する光学シートの総厚を低減でき、バックライト装置あるいは液晶表示装置の薄型化を図ることができる。
また、複数の光学的機能層を有する光学シートを生産性高く製造することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

図１は本発明の一実施形態による光学シート１０の概略構成を示す全体斜視図である。本実施形態の光学シート１０は、プリズム層１１および充填材１２からなるシート基材１３と、このシート基材１３の上に形成された集光層１４とで構成されており、液晶表示装置用のバックライトユニットに組み込まれる輝度向上シートとして用いられる。

プリズム層１１は、断面三角形状のプリズムが多数配列されて構成される。プリズムの形状、高さおよび配列ピッチは特に限定されない。本実施形態では、各プリズムは、頂角９０度の直角二等辺三角形であり、プリズム高さは２５μｍ、配列ピッチは５０μｍとされている。プリズム層１１のプリズム面とは反対側の面は、平坦面とされている。

充填材１２は、プリズム層１１の各プリズム間の谷部を埋めるように充填されるとともに、シート基材１３の表面（プリズム構造面）を平坦化する。好適には、充填材１２によって、各プリズムの頂点と同一の高さ位置でシート基材１３の表面が構成される。

充填材１２は、プリズム層１１よりも屈折率の低い材料で構成されている。具体的に、本実施形態では、プリズム層１１は屈折率が約１．５〜１．６のポリカーボネート樹脂あるいは紫外線硬化樹脂で構成され、充填材１２は、屈折率が約１．３〜１．４のアクリル系の紫外線硬化樹脂で構成されている。これにより、プリズム層１１と充填材１２との界面に、０．１〜０．３程度の屈折率差が発生する。

集光層１４は、シート基材１３を透過した光を調光する光学層を構成する。集光層１４は、断面三角形状のプリズムが多数配列されて構成され、シート基材１３を透過した光を集光する作用を行う。集光層１４は、充填材よりも屈折率の高い材料で構成され、例えば屈折率が約１．５〜１．６の紫外線硬化樹脂で構成されている。これにより、充填材１２と集光層１４との界面に、０．１〜０．３程度の屈折率差が発生する。

集光層１４は、充填材１２で平坦化されたシート基材１３の表面に直接、成形法、転写法等によって形成されている。このとき、集光層１４のシート基材１３側の下面が、プリズム層１１を構成する各プリズムの頂点に接しているか、近接している。

なお、図１に示した光学シート１０は、集光層１４を構成するプリズムが、下層のプリズム層１１のプリズム配列方向と平行な方向に配列されている例を示しているが、図２に示す光学シート１０Ａのように、プリズム層１１のプリズム配列方向と直交する方向に集光層１４Ａの各プリズムを配列させてもよい。集光層１４，１４Ａの各プリズムの形状、高さおよび配列ピッチは特に限定されず、例えば、頂角９０度、プリズム高さ２５μｍ、配列ピッチ５０μｍとされている。また、集光層１４，１４Ａとプリズム層１１の各々のプリズム形状、高さ、配列ピッチを互いに異ならせてもよい。

図３Ａは、２枚のプリズムシート１，２を空気層３を介して積み重ねたときの、光Ｌの透過経路を示す模式図である。プリズムシート１の平坦な下面から入射した光Ｌは、プリズムシート１と空気層３との界面、および空気層３とプリズムシート２との界面における屈折作用を受けて、プリズムシート２のプリズム面から出射される。このとき、プリズムシート２からの光Ｌの出射方向は、プリズムシート１に対する光Ｌの入射位置および入射角で一義的に決定される。

一方、図３Ｂは、本実施形態の光学シート１０を透過する光Ｌの透過経路を示す模式図である。本実施形態では、プリズム層１１と集光層１４との間に、これらよりも屈折率が低いが空気よりも屈折率の高い充填材１２が充填されている。このため、プリズム層１１と充填材１２との界面および充填材１２と集光層１４との界面における屈折光路が、図３Ａの例と異なり、集光層１４からの光Ｌの出射方向も異なることになる。

以上のように、本実施形態の光学シート１０においては、充填材１２の構成材料を適宜選択することでプリズム層１１および集光層１４との間の屈折率差を調整することが可能であることから、シート内における光Ｌの透過光路および出射方向を自由にコントロールすることができるようになる。これにより、光学シート１０の光学特性の最適化を図ることができるとともに、光学設計を容易に行うことが可能となる。

また、本実施の形態においては、プリズム層１１のプリズム間に充填材１２を充填することでシート基材１３を構成し、このシート基材１３の表面に直接、集光層１４を形成するようにしているので、複数の光学的機能層を一枚のシートで構成することができ、これにより取り扱い性が向上すると同時に、バックライト装置への組込み作業性も向上し、生産性を高めることができる。

更に、本実施の形態の光学シート１０においては、下層側のプリズム層１１に対して、上層側の集光層１４がプリズム層１１の各プリズム頂点に接するようにして積層されているので、２枚のプリズムシートを低屈折率材料を介して単純に貼り合わせる構成と比較して、光学シート１０のシート総厚の低減を図れるようになる。これにより、当該光学シート１０が組み込まれるバックライトユニットおよび液晶表示装置の薄型化を図ることが可能となる。

次に、以上のように構成される本実施形態の光学シート１０の製造方法の一例について図４および図５を参照して説明する。図４は、光学シート１０の製造方法を模式的に説明する工程断面図、図５Ａおよび図５Ｂはその工程の一部の説明図である。

まず、一方の面に、断面三角形状のプリズムが多数配列されたプリズム層１１を有するプリズムシート１５を準備する（図４Ａ）。

プリズムシート１５は、そのベースフィルム１６の表面にプリズム層１１が形成されてなるもので、後工程においてベースフィルム１６とプリズム層１１とが互いに分離自在とされている。このようなプリズムシート１５としては、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＣ（ポリカーボネート）等の透明樹脂フィルムからなるベースフィルム１６の上に、紫外線硬化樹脂でプリズム層１１を転写形成する構成が採用可能である。この場合、後工程でプリズム層１１とベースフィルム１６との分離を容易にするために、ベースフィルム表面に離型剤等で剥離層を形成しておいてもよい。

次に、プリズム層１１の各プリズム間の谷部に充填材１２を充填するとともに、プリズム層１１の表面を当該充填材１２で平坦化する工程が行われる（図４Ｂ、図５Ａ）。

プリズム層１１に対する充填材１２の供給は、印刷法等によって行うことも可能であるが、本実施形態では図５Ａに示すようにして充填材１２の塗布、成形を行うようにしている。図５Ａにおいて、プリズムシート１５（プリズム層１１）は、ノズル５から吐出された充填材１２とともに送りローラ４と転写ローラ６との間に供給される。転写ローラ６の周面は鏡面に加工されており、送りローラ４と転写ローラ６との間の挟圧作用で充填材１２がプリズム間に充填され、かつ、各プリズムの頂点位置においてプリズム層１１表面が平坦化される。充填材１２は、紫外線ランプ８からの紫外線の照射を受けて硬化し、ガイドローラ７を経て送出される。

以上のようにして、ベースフィルム１６の上にシート基材１３が作製される。なお、図５Ａにおいてベースフィルム１６の図示は省略している。

続いて、充填材１２によって平坦化されたプリズム層１１の表面に、集光層１４を形成する工程が行われる（図４Ｃ、図５Ｂ）。

本実施形態において、集光層１４の形成は、図５Ｂに示すようにして行われる。図５Ｂにおいて、プリズムシート１５（シート基材１３）は、ノズル５から吐出される紫外線硬化樹脂１７とともに送りローラ４と転写ローラ９との間に供給される。紫外線硬化樹脂１７は集光層１４を形成する材料であり、充填材１２よりも高い屈折率を有している。転写ローラ９の周面は、集光層１４に対応した断面直角三角形の彫刻形状が設けられており、送りローラ４と転写ローラ９との間の挟圧作用でシート基材１３の上に紫外線硬化樹脂１７からなるプリズム形状が付加される。紫外線硬化樹脂１７は、紫外線ランプ８からの紫外線の照射を受けて硬化し、ガイドローラ７を経て送出される。

以上のようにして、プリズムシート１５（シート基材１３）の上に集光層１４が形成されるとともに、ベースフィルム１５の上に本発明に係る光学シート１０が作製される。なお、図５Ｂにおいてベースフィルム１６の図示は省略している。

最後に、ベースフィルム１６をプリズム層１１から分離し、光学シート１０とする工程が行われる（図４Ｄ）。

本実施形態の光学シート１０は、以上のようにして製造される。従って、本実施形態によれば、ロール・ツー・ロール方式で、複数の光学的機能層を備えた光学シート１０を製造することができるので、生産性の向上を図ることができる。また、上層側の集光層１４を形成するに当たり、下地となるシート基材１３の表面が充填材１２によって平坦化されているので、集光層１４の形成を容易かつ高精度に行うことができる。

また、本実施形態によれば、シート基材１３および集光層１４の形成にあたり、プリズム層１１を表面に有するプリズムシート１５を用いているので、シート基材１３および集光層１４の作製が容易であるとともに、ロール・ツー・ロール方式による連続生産が可能となり、生産性の向上を図ることができる。そして、集光層１４の形成後は、プリズムシート１５のベースフィルム１６をプリズム層１１から剥離除去しているので、光学シート１０のシート厚の薄厚化を容易に達成することが可能となる。

更に、以上の説明では、プリズム層１１と集光層１４の２層の光学的機能層を備えた光学シート１０を例に挙げて説明したが、集光層１４の上に更に他の光学的機能層を設けてもよい。この場合、集光層１４の各プリズム間の谷部に充填材１２と同様な低屈折率材料を充填することで集光層１４を平坦化した後、集光層や拡散層等の他の光学的機能層を形成すればよい。

例えば、図６は、集光層１４の上に拡散層２１を形成した光学シート２０の構成を概略的に示す。図示する光学シート２０は、集光層１４を構成する各プリズム間の谷部に、充填材１２と同一構成の充填材２２を充填して集光層１４を平坦化するとともに、この平坦化された集光層１４の上に拡散層２１を直接形成することによって構成されている。この光学シート２０は、シート基材１３を透過した光を集光層１４で集光した後、拡散層２１で拡散出射して輝度の面内均一性を高める機能を有している。なお勿論、集光層１４と拡散層２１の形成位置を互いに入れ替えることも可能である。

拡散層２１の構成は特に限定されないが、本例では、比較的屈折率の高い透光性の樹脂フィルム中にガラスビーズ等の拡散性粒子やエア（気泡）を分散させた構成のものが用いられている。拡散層２１の形成方法としては、液状の光拡散性樹脂を塗布する方法のほか、シート状の光拡散性樹脂を貼り付ける方法等も適用可能であり、特に、ロール方式で連続生産できる方法が好ましい。拡散層２１は、集光層１４の各プリズムの頂点と接するように形成されることで、光学シート２０の総厚を低減することができる。

また、シート基材１３の上にプリズム状の集光層１４を形成する例に限られない。例えば、集光層１４に代えて、図６に示した拡散層２１を形成してもよいし、図７に示す光学シート３０の例のようにレンズ形状の集光層３１を形成してもよい。この集光層３１は、断面が球面、非球面あるいは双曲面形状のレンズ形状を有するもので、シート基材１３を透過した光を集光層３１で更に集光する機能を有している。集光層３１は、レンズが１次元的に配列されたシリンドリカルレンズや２次元的に配列されたレンズアレイ等で構成することができる。また、集光層３１は、上述した集光層１４の形成方法と同様な方法で形成することができる。

次に、図８は、図２に示した光学シート１０Ａの側面図である。この光学シート１０Ａは、下層のプリズム層１１はＸ方向に広がる光をＺ方向（正面方向）に集光する機能を有し、上層の集光層１４はＹ方向に広がる光をＺ方向に集光する機能を有している。
このとき、充填材１２の屈折率調整によっても光学シート１０Ａによる光の出射制御が不十分な場合も想定される。この場合、集光層１４の上に更に集光層を形成することで所望の出射特性を得ることも可能であるが、逆に、シートの総厚が大きくなる。
そこで、図９および図１０に示すように、シート基材１３の表面に形成した集光層１４Ｂ，１４Ｃの各プリズム稜線を凸状あるいは凹状に形成することで光の出射方向を制御することにより、例えば視野角の調整を自由に行うことが可能となる。

すなわち、図９に示す光学シート１０Ｂは、集光層１４Ｂの各プリズム稜線が光出射側に凸なる形状に形成されている。この構成により、集光層１４Ｂを透過した光は正面内方に向かう配光作用を受けて出射されることになるので、プリズム層１１の集光作用を補完した光の出射方向制御を実現することができる。

これに対して、図１０に示す光学シート１０Ｃは、集光層１４Ｃの各プリズム稜線が光出射側に凹（光入射側に凸）なる形状に形成されている。この構成により、集光層１４Ｃを透過した光は正面外方に向かう配光作用を受けて出射されることになるので、プリズム層１１の集光作用を緩和した光の出射方向制御を実現することができる。

続いて、図１１を参照して、本発明に係る光学シートを備えた液晶表示装置４０について説明する。本例では、光学シートとして、図６を参照して説明した光学シート２０を例に挙げて説明するが、光学シートの構成は勿論、これだけに限られない。

本実施形態の液晶表示装置４０は、液晶表示パネル４１と、この液晶表示パネル４１の背面側に配置されたバックライトユニット４２とを備えている。バックライトユニット４２は、光源４３と、反射板４４と、光源４３の直上に配置された光学シート２０とを備えている。光源４３は、蛍光管のような線状光源でもよいし、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の点状光源であってもよい。光学シート２０は光源４３からの出射光を調光して液晶表示パネル４１へ入射させる。液晶表示パネル４１は入射光を画素ごとに変調してパネル正面に画像を形成する。

本実施の形態の液晶表示装置４０においては、光学シート２０がプリズム層１１、集光層１４および拡散層２１を備えた１枚のシートで構成されているので、従来のように複数枚のプリズムシート、拡散シートを用いることなくバックライトユニット４２を構成することができる。これにより、各種光学シートの設置スペースを低減してバックライトユニット４２および液晶表示装置４０の薄型化を図ることができる。

また、光学シートに要求されるバックライト光の集光機能、拡散機能を１枚のシートに集約できるので取り扱い性、組込作業性を向上させることができる。また、用途や仕様に応じた光学シートのカスタマイズも容易に行うことができる。

本発明の一実施形態による光学シートの概略構成を示す斜視図である。 図１の光学シートの構成の変形例を示す斜視図である。 Ａは空気層を介して２枚のプリズムを積層したときの光の透過経路を示す模式図、Ｂは低屈折率材料を介して２枚のプリズムを積層したときの光の透過経路を示す模式図である。 図１に示した光学シートの一製造方法を説明する工程図である。 図４の一部の工程を説明するシート製造装置の概略構成図である。 本発明の他の実施形態による光学シートの概略構成図である。 本発明の他の実施形態による光学シートの概略構成図である。 図２に示した光学シートの概略側面図である。 図８の光学シートの構成の変形例を示す図である。 図８の光学シートの構成の他の変形例を示す図である。 本発明の一実施形態による液晶表示装置の概略構成図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０，３０…光学シート、１１…プリズム層、１２，２２…充填材、１３…シート基材、１４，１４Ａ，３１…集光層、１５…プリズムシート、１６…ベースフィルム、２１…拡散層、４０…液晶表示装置、４１…液晶表示パネル、４２…バックライトユニット、４３…光源、４４…反射板

Claims (1)

1. 断面三角形状のプリズムが多数配列されたプリズム層が、ベースフィルム上に分離可能に積層されてなるプリズムシートを準備し、
   前記プリズムシート上の各プリズム間に、前記プリズム層よりも低屈折率の透光性材料を充填して前記プリズム層の表面が平坦化されたシート基材を作製し、
   前記シート基材の上に光学層を形成し、
   前記ベースフィルムを前記プリズム層から分離除去する
   光透過性の光学シートの製造方法。

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