JP4892939B2

JP4892939B2 - 液晶表示装置用バックライト導光板及びその製造方法

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Publication number: JP4892939B2
Application number: JP2005338166A
Authority: JP
Inventors: 彰永野
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2025-11-24
Also published as: JP2007147685A

Description

本発明は、液晶表示装置用バックライト導光板に関するものであり、特に光学的な性能が大幅に低下することなく、より短時間での作製が可能なバックライト導光板とその製造方法に関する。

従来、透過型の液晶パネルの背面に用いられる照明光源である所謂バックライトユニットには、光源からの光を均一に液晶パネルに導くために、透明樹脂からなる導光板が用いられている。図１に示すように、この種の導光板１０に光源１２が配置されてなるバックライトユニット１４では、導光板１０の入光面１１から導光板１０内に入射した光は、導光板１０の内部を全反射しながら進行する。

なお、光源１２としては複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の点状光源、或いは、冷陰極管（ＣＣＦＬ）光源のような線状光源が利用される。導光板１０の平面部には所々にＶ字溝１３が設けられ、Ｖ字溝１３に達した光は、図１中矢印に示すような斜めの方向に向かって射出される。

この斜めの方向に進行する光の輝度分布を均一化させつつ、液晶パネル１９の方向へ導くために、必要の応じて拡散板１６及びプリズムシート１７，１８が用いられる。視域を確保するために、プリズムシートは２枚配置され、各々はプリズムが直交するようになっている。
図１に示すように背面にＶ字溝１３が設けられた導光体に係る公知例としては、例えば、下記特許文献１がある。

また、Ｖ字溝を用いないバックライトユニットの例としては、導光板１０の底面に散乱性のマイクロドットを形成し光を拡散射出する方法や、光源からの光を所望の方向へ効率良く導光させる回折格子が知られている。

回折格子の典型的な構成は、等間隔に配置された平行線（格子線）の集合体であり、格子線を濃淡で表現すると振幅型回折格子、凹凸形状で表現すると位相型回折格子となる。一般に、可視光に対しては、０．５〜２μｍ程度の格子間隔（ピッチ）の回折格子が利用される。位相型回折格子を形成した導光板は、端面に配置された光源からの光を効率よく回折させ、液晶パネルの方向へ導くことができる。

回折格子を利用した導光板に係る公知例としては、例えば、特許文献２がある。特許文献２では、輝度分布を制御するために、密度や格子形状を変化させた回折格子を下面に形成した導光板について述べられている。

光源からの光を所望の方向へ導光させる機能を有する光制御要素としては、このようにＶ字溝、マイクロドット、回折格子等いろいろなものがあるが、液晶パネルを観察した際に輝度ムラが少なく輝度分布が均一となるように、光制御要素の形状、数、配置などの構成（配置パターン）は、光源からの距離、光源との角度、光源の波長等に応じて様々に変化せしめている。

特に、複数の光源が配置されている液晶表示装置用バックライトユニットでは、各光源からの光を効率よく利用するために、光制御要素の配置パターンは複雑なものとなる。輝度分布が均一となるように光制御要素の配置パターンを決定するためには、導光板の内部
を伝搬する光の分布についてコンピュータシミュレーションを行うことが一般的であるが、光源数の増加や導光板の面積の増大等による条件設定の複雑化に伴い、計算時間が膨大になってしまったり、適切な解が得られないということも起こりうる。また、光制御要素の配置パターンの複雑化に伴い、加工にも多くの時間が必要となってしまう。
特開平５−２６４８１９号公報特許第２８６５６１８号公報

以上のように、導光板の表面に形成される光制御要素の配置パターンは、液晶パネル側から観察した際に輝度分布が均一となるように、複雑な配置にする必要があり加工に時間を要する。特に、ＬＥＤ等の点状光源を複数用いるバックライトユニットの場合、光制御要素の配置パターンはより複雑なものとなり、コンピュータシミュレーションにも光制御要素の配置パターンの加工にも膨大な時間が必要となる。
本発明は、上記のような問題を解決するために成されたものであり、コンピュータシミュレーションに要する時間や加工時間を短縮した液晶表示装置用バックライト導光板を提供することを課題とする。
また、上記液晶表示装置用バックライト導光板の製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、上面又は／及び下面に形成された光制御要素により光源からの光を導光し、液晶パネル側へ射出する板状もしくはシート状の液晶表示装置用バックライト導光板であって、前記光源と、該光源に対応した光制御要素の配置パターンの対が、隣接して複数対設けられている液晶表示装置用バックライト導光板の製造方法であって、
前記光制御要素の配置パターンが形成された第一金属スタンパーを原版とし、
１）平面状の基板表面に熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂を塗布する工程、
２）前記原版を該熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂に密着させ、加熱もしくは光照射に
より該熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂を硬化させ、光制御要素の配置パターンの凹凸
形状を該熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂に転写する工程、
３）前記原版と前記基板との位置を所定の位置に変化させた上記２）工程を複数回行い、
前記光制御要素の配置パターンの凹凸形状を該熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂に複数
面付け転写する工程、
４）該熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂の凹凸形状を電鋳によって第二金属スタンパー
とする工程、
５）該第二金属スタンパーを母型とし、樹脂を用いて導光板を形成する工程、
を具備することを特徴とする液晶表示装置用バックライト導光板の製造方法である。

本発明は、光源と、該光源に対応した光制御要素の配置パターンの対が、隣接して複数対設けられている液晶表示装置用バックライト導光板、或いは、光源が複数種であり、該複数種の各々の光源と、該複数種の各々の光源に対応した各々の光制御要素の配置パターンの複数種の対が、一定の隣接した列をなし、該列が隣接して複数列設けられている液晶表示装置用バックライト導光板であるので、コンピュータシミュレーションに要する時間や加工時間を短縮した液晶表示装置用バックライト導光板となる。また、導光板の面積の変化、特に導光板の大型化にも柔軟に対応できる液晶表示装置用バックライト導光板となる。

また、本発明は、光制御要素の配置パターンが形成された領域の外形が矩形であるので、矩形の液晶パネルを有する一般的な液晶表示装置用バックライトユニットの導光板面内に隙間無く光制御要素の配置パターンを整然と配置することができる。

また、本発明は、上記光制御要素の配置パターンが形成された第一金属スタンパーを原版として第二金属スタンパーを複製し、該第二金属スタンパーを母型とし、樹脂を用いて導光板を形成する液晶表示装置用バックライト導光板の製造方法であるので、コンピュータシミュレーションに要する時間や加工時間を短縮した液晶表示装置用バックライト導光板の製造方法となる。

以下に回折格子を例にして本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図２は、凹凸形状で表現した位相型回折格子による光制御要素１５が上面に形成された導光板１０と導光板１０の側面に配置された複数の点状光源１２による、所謂、サイドライト型の液晶表示装置用バックライトユニットに用いられる導光板と光源の構成の一例を示す説明図である。

また、図３は上記光制御要素１５が下面に形成された導光板１０と導光板１０の下面側に配置された複数の線状光源３２による、所謂、光源直下型の液晶表示装置用バックライトユニットに用いられる導光板と光源の構成の一例を示す説明図である。
液晶表示装置用バックライトユニットとしては、その他に導光板の下面側に反射板を配置したり、導光板の上面側に拡散板やプリズムシート等の光制御機能を有した部材を適宜配置するがそれらは省略する。

図２や図３のように、導光板１０に一様な形状の光制御要素１５が形成されていると、光源そのものの特性や光源からの距離、角度等に応じて導光板１０の上面（液晶パネル側）から観察した際の輝度分布が不均一となり望ましくない。
そこで、点状光源１２や線状光源３２からの光の量が導光板の各所で概ね一定となるように光制御要素１５の形状や向き、配置密度等を適宜制御することで輝度分布の均一化を図ることが行われる。

近年、導光板の面積の大型化や光源の高輝度化、微小化が進むのに伴って輝度分布の均一化を図ることが一層困難になってきており、コンピュータによる導光板内の光学シミュレーションに膨大な時間を費やすようになったり、従来より複雑な形状の光制御要素を複雑な配置で形成するために加工時間も長くなってしまう傾向にある。

しかし、一般に点状光源１２や線状光源３２は、導光板１０の側面或いは下面に等間隔
で整然と配置されるものである。そこで、導光板１０を液晶パネル側から観察した図４のように複数の点状光源１２のうちの１つの光源２２と、光源からの光の主進行方向２４（もっとも光量の多い光が進行する方向）を含む導光板内の小領域４０に着目する。

図４のように導光板１０の一側面に複数の点光源１２が等間隔で配置されている場合、隣接する光源の中間地点を境界として小領域４０を決定すると良い。ここで、１つの光源２２と小領域４０だけを対象として輝度分布が均一となるよう光学シミュレーション等を行って小領域４０内の光制御要素の配置パターンを決定する。このような方法により決定された光制御要素の配置パターン３５を、図５のように他の領域４１，４２にも繰り返し配置していくことで導光板面内全体の光制御要素の配置パターンの配置を決定する。

図６（ａ）は、１つの光源２２から射出される光線が小領域４０内を伝搬する様子を模式的に示した平面図である。光源２２から小領域４０に向かって斜め方向に射出された光線３４は小領域４０の側面５０で反射し、反射光４４となり再度小領域４０内を進んでいく。この反射光４４は図６（ｂ）のように複数の光源があった場合に光源２２と隣接する光源３２から射出され小領域４０に直接入ってくる光５４とほぼ同一と見なすことができる。
すなわち、１つの光源と、その光源から射出される光の小領域内での進行の様子をシミュレーションすることで、複数の光源があった場合とほぼ同等の結果が得られるのである。

従って、このように１つの光源と小領域とによって決定された光制御要素の配置パターンを導光板面内の他の領域にも適用することで、複数の光源と導光板全体を対象としてシミュレーション等によって決定される光制御要素の配置パターンとほぼ同等の光学性能を有する導光板を得ることができるのである。
ここでは一実施例として点状光源が導光板の一側面に配置されている場合について示したが、線状光源もしくは点状光源が導光板の下面に配置されているような場合でも同様の概念を適用することができる。

液晶パネルの表示面は長方形や正方形等の矩形であることが一般的であり、それに伴いバックライト導光板もバックライトユニットに固定するための突起等を除けば矩形である。そのため、基本となる光制御要素の配置パターンの形成された領域の外形も矩形にすると、導光板面内に隙間等が生じることなく整然と配置できる。

また、複数の光源が互いに等間隔で配置されている場合、１つの光源と小領域とによって決定された光制御要素の配置パターンを光源の配置間隔に合わせて等間隔に光源の数と同数配置することで、すなわち、光源とその光源に対応した光制御要素の配置パターンを対として複数個を配置することで、導光板面内全体における光制御要素の配置パターンを決定することができ非常に効率が良い。

複数の光源から射出される光の波長分布や輝度、光の射出方向等の特性が互いにほぼ同一と見なせる場合、例えば、各光源から射出される光がほぼ同一の波長分布をもつ白色光であるような場合には、１つの光源と小領域とによって決定された光制御要素の配置パターンを光源の配置間隔に合わせて等間隔に隣接配置すれば良い。その際には、光制御要素の配置パターンは１種類だけで十分であり、シミュレーションや光制御要素の加工の時間が短縮できるだけでなく、導光板の面積の大面積化についても光制御要素の配置パターンの隣接した配置数を増やすことで容易に対応できる。

また、図７は、請求項２に係わる発明の例を説明する平面図である。この例は複数種の光源がＲ、Ｇ、Ｂ（赤、緑、青）の場合である。図７に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂ（赤、緑、青）に対応する波長の光を射出する３種類の光源６０、６１、６２がそれぞれ複数個、
順番に配置されているような場合、最適な光制御要素の形状、数、配置等（配置パターン）は光の波長毎に異なる。

それ故、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光源に対応する小領域７０、７１、７２を設定し、それぞれの小領域の内部には各波長に対応して最適化された形状もしくは数、配置等が異なる固有の光制御要素の配置パターンをそれぞれ決定し、小領域７０、７１、７２を順に導光板面内に配置してやればよい。この小領域７０、７１、７２の順序を列とし、この列を隣接して複数列設ける。このような方法により、シミュレーションや光制御要素の加工が必要最低限で済む。

本発明による導光板は、特に光制御要素として回折格子等の微細な形状が用いられる場合に一層効果的である。回折格子には、断面が正弦波状や矩形状のバイナリー格子や、断面が鋸歯状のブレーズド格子等があるが、高い回折効率を得るためには、いずれの場合においても理想的な形状を精度良く実現しなければならない。

また、回折格子は格子間隔が０．２〜２．０μｍ程度の非常に微細な凹凸から成り、従来導光板に用いられているＶ字溝やマイクロドットと比較して形状の加工に高い精度が要求されるので、多くの時間を必要とする。小領域に形成された回折格子等の微細な光制御要素のみを加工し、それを導光板面内に繰り返し配置することで作製に要する時間の短縮化を実現できる。
なお、光制御要素パターンは導光板の上面、または下面のいずれに形成されていても良く、また、導光板の上面、下面の両面に形成されていても良い。

本発明による導光板は、例えば、以下のような方法により作製することが可能である。まず、光制御要素の配置パターンの逆版が形成された第一金属製スタンパーを原版として作製する。第一金属製スタンパーは、１）金属表面を硬質な刃で直接バイト切削することによって削り出す方法や、２）樹脂やレジストの表面に光や熱を局所的に与え凹凸形状としたり、ガラス表面をエッチングして凹凸形状とするなどして、それらから電鋳により得る方法がある。

こうして得られた第一金属製スタンパーを、熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂を塗布した平面状の基板と密着固定して、熱や光を与えることで第一金属製スタンパーの凹凸形状を基板表面に樹脂の凹凸形状として転写する。
そして、この凹凸形状の転写工程を、第一金属製スタンパーと基板との位置を変化させて、繰り返し行うことで、光制御要素の配置パターンが導光板の面積と一致するように複数面付けする。次に、この樹脂の凹凸形状を電鋳によって光制御要素の配置パターンの逆版が形成された第二金属製スタンパーを作製する。

この第二金属製スタンパーを母型として、１）熱可塑性の粒状プラスチック等の成型用材料を充填し射出成形により導光板を作製する方法や、２）透明基材上に熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂を塗布し、第二金属製スタンパーを密着させ、熱や光を与えることで樹脂を硬化させ導光板を作製する。
光制御要素の配置パターンの逆版が形成されている第二金属製スタンパーは導光板の作製時に熱や光によるダメージを受けにくい耐久性のある金属等の素材を用いるのが好ましい。

従来の液晶表示装置用バックライトユニットの一例の断面図である。サイドライト型の液晶表示装置用バックライトユニットに用いられる導光板と光源の構成の一例を示す説明図である。光源直下型の液晶表示装置用バックライトユニットに用いられる導光板と光源の構成の一例を示す説明図である。導光板内の小領域の説明図である。小領域内に光制御要素の配置パターンが面付け配置された導光板の平面図である。（ａ）は、１つの光源から射出される光線が小領域内を伝搬する様子を模式的に示した平面図である。（ｂ）は、複数の光源があった場合に光源と隣接する光源から射出され小領域に直接入ってくる光線の様子を模式的に示した平面図である。複数の光制御要素の配置パターンが順に配置された導光板である。

符号の説明

１０・・・導光板
１１・・・入光面
１２、２２、３２・・・点状光源
１３・・・Ｖ字溝
１４・・・バックライトユニット
１５・・・光制御要素
１６・・・拡散板
１７，１８・・・プリズムシート
１９・・・液晶パネル
２３・・・偏光板
２４・・・光の主進行方向
２５・・・反射板
３２・・・線状光源
３４・・・光線
３５・・・光制御要素の配置パターン
４０、４１、４２、７０、７１、７２・・・小領域
４４・・・反射光
５０・・・側面
５１・・・終端面
５４・・・隣接する光源からの光
６０・・・点状光源（赤）
６１・・・点状光源（緑）
６２・・・点状光源（青）

Claims

上面又は／及び下面に形成された光制御要素により光源からの光を導光し、液晶パネル側へ射出する板状もしくはシート状の液晶表示装置用バックライト導光板であって、前記光源と、該光源に対応した光制御要素の配置パターンの対が、隣接して複数対設けられている液晶表示装置用バックライト導光板の製造方法であって、
前記光制御要素の配置パターンが形成された第一金属スタンパーを原版とし、
１）平面状の基板表面に熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂を塗布する工程、
２）前記原版を該熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂に密着させ、加熱もしくは光照射に
より該熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂を硬化させ、光制御要素の配置パターンの凹凸
形状を該熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂に転写する工程、
３）前記原版と前記基板との位置を所定の位置に変化させた上記２）工程を複数回行い、
前記光制御要素の配置パターンの凹凸形状を該熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂に複数
面付け転写する工程、
４）該熱硬化性樹脂もしくは光硬化性樹脂の凹凸形状を電鋳によって第二金属スタンパー
とする工程、
５）該第二金属スタンパーを母型とし、樹脂を用いて導光板を形成する工程、
を具備することを特徴とする液晶表示装置用バックライト導光板の製造方法。