JP5383763B2 - 面光源装置用導光板及びこれを用いたバックライトユニット - Google Patents

Description

本発明は面光源装置用導光板及びこれを用いたバックライトユニットに係り、さらに詳しくは、出射面の背面にはマイクロプリズムパターンが刻設された複数の単位セルが分散配置され、前記マイクロプリズムパターンの稜線方向がなすプリズム配列軸と、ランプの配列軸との交差角が錯角であることを特徴とする面光源装置用導光板及びこれを用いたバックライトユニットに関する。

一般に、導光板（Ｌｉｇｈｔ Ｇｕｉｄｅ Ｐｌａｔｅ）は、液晶表示装置に適用されて受動素子であるＬＣＤモジュールに光を印加する手段として用いられてきた。すなわち、導光板の側面や下部に配置される光源、例えば、ＬＥＤランプから放出される光を導いて拡散させて表面側に積層されるＬＣＤモジュールに光を印加していた。

また、光が出射する導光板の表面側に拡散シートやプリズムシートなどを積層してバックライトを構成することにより、光の輝度量及び視野角を制御する。

ところが、最近には、このように導光板に付設される各種の部品を導光板そのものに具備させることにより、部品点数を減らし、これにより、構造の簡単化及びコスト削減化を図るための努力が注がれてきた。

例えば、特許文献１には、導光板の下面又は表面のどちらか一方の面に微細な凹凸からなる乱反射部を形成し、ここに透明インキなどで乱反射量を制御する反射板を取り付けた導光板が開示されている。このような構成によれば、乱反射効率が良好であり、しかも、明るい導光板を簡単に且つ速やかに製造することができる。しかしながら、同文献には、乱反射部及び付着物により光量を制御することしか開示されていない。また、導光板の背面に陰刻のパターン形状を形成する製造工法が活用されているが、これは、印刷方式の導光板に比べて輝度がやや高まるとはいえ、依然として多量の光学シートを必要として、輝度の上昇が十分ではなく、またバックライトのコスト高が招かれるという問題がある。

上記の問題を解消するために、導光板の背面に三角形構造物などのパターンを形成して光路を制御することにより輝度を画期的に高めるといった技術の開発が試みられている。例えば、特許文献２には、出光面の背面に三角形状の反射部が設けられた導光板が開示されている。ところが、この技術の場合、三角形状の背面の反射面が限られた特定の方向に反射を行うため輝度には優れているとはいえ、輝度の均一性に乏しい不均一な光学分布を示すという特性があり、しかも、出射面の上面に光学シートとしてのプリズムを積層するとき、プリズム形状の組み合わせに起因するモアレ現象が引き起こされるという問題が続いている。

さらに、最近、ＬＥＤランプを光源として使用するに伴い、ランプとランプとの間の暗部の形成による輝度均一性の問題及び導光板の背面のプリズム構造物と光学シートとして使用されるプリズムシートとの組み合わせによるモアレ発生の問題が続いている。そこで、本発明者らは、導光板において、出射面の背面に形成されたプリズムパターン、又は背面単位セルの上に形成されたマイクロプリズムパターンの稜線方向を光が入射する方向と所定の角度だけ（錯角）ずらすことにより、正面輝度分布が向上してモアレ現象を抑えられるということを見出し、本発明を完成するに至った。

特開平６−１１８２４７号公報 大韓民国特許第５８０８９０号公報

本発明の目的は、正面輝度が高いだけではなく、輝度の均一性に優れており、しかも、モアレ現象も抑えられる面光源装置用導光板を提供することである。

本発明の他の目的は、前記面光源装置用導光板を用いたバックライトユニットを提供することである。

本発明に係る面光源装置用導光板は、所定の軸に沿って配置されたランプから光が入射する入射面と、前記入射する光が出射する出射面及び前記出射面と向かい合う背面を含む導光板において、前記背面にはマイクロプリズムパターンが刻設された複数の単位セルが分散配置されるが、前記マイクロプリズムパターンの稜線方向がなすプリズム配列軸と、前記ランプの配列軸との交差角が錯角であることを特徴とする。

前記単位セル上のマイクロプリズム配列軸と前記ランプの配列軸との交差角が０．１〜１０°であることが好ましい。

前記マイクロプリズムパターンの単位プリズム角が４０〜１２０°であり、単位プリズムピッチが１〜１００μｍであることが好ましい。

前記単位セルの最長径は１〜２，０００μｍであることが好ましい。

本発明に係る面光源装置用導光板は、所定の軸に沿って配置されたランプから光が入射する入射面と、前記入射する光が出射する出射面及び前記出射面と向かい合う背面を含む導光板において、前記背面にはマイクロプリズムパターンが刻設された複数の単位セルが分散配置されるが、前記マイクロプリズムパターンの稜線方向がなすプリズム配列軸と、前記ランプの配列軸との交差角が錯角であり、前記出射面の上にはレンチキュラーパターンが形成されていることを特徴とする。

前記レンチキュラーパターンの稜線方向は、光の入射方向と平行であることが好ましい。

前記レンチキュラーパターンのピッチが１０〜３００μｍであることが好ましい。

本発明に係るバックライトユニットは、前記導光板と、前記導光板の入射面の一方の側に設けられたランプと、導光板の出射面の上部に積層される拡散機能付き保護フィルムと、を備える。

本発明に係る面光源装置用導光板は、正面輝度が高く、輝度の均一性に優れていることから、視野角が制御可能であり、しかも、様々な角度からの視認性に優れている。また、モアレ現象も発生しない。これをバックライトユニットに使用する場合、導光板の上に積層される光学シートの使用を減らすことができ、液晶表示装置モジュールの薄型化及び製造工程の単純化を図ることが可能となり、しかも、製造コストを下げることができる。

図１は、本発明の一実施形態による面光源装置用導光板の斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態による面光源装置用導光板の背面１４０に対する部分拡大図である。 図３のＡからＤは、本発明の一実施形態による面光源装置用導光板の背面１４０に形成される単位セル１６０の形状を示す模式図である。 図４のＡ及びＢは、マイクロプリズムレンズが形成された単位セルの配置方向に対する例示図である。 図５は、本発明の他の実施形態による面光源装置用導光板の斜視図である。 図６のＡからＣは、本発明の他の実施形態による面光源装置用導光板の出射面に形成され得るパターンに対する例示図である。 図７のＡからＣは、交差角の変化による光出射角に対するシミュレーション結果である。

以下、添付図面に基づき、本発明の一実施形態による面光源装置用導光板を説明する。

図１は、本発明の一実施形態による面光源装置用導光板１００の斜視図である。本発明に係る面光源装置用導光板１００は、所定の軸に沿って配置されたランプ１１０から光が入射する入射面１２０と、前記入射する光が出射する出射面１３０及び前記出射面と向かい合う背面１４０を含む導光板において、前記背面１４０にはマイクロプリズムパターン１５０が刻設された複数の単位セル１６０が分散配置されるが、前記マイクロプリズムパターン１５０の稜線方向がなすプリズム配列軸１５１と、前記ランプの配列方向がなすランプ配列軸１１１との交差角θが錯角であることを特徴とする。

図１で、導光板１００はランプ１１０から出発して入射面１２０を通って前記導光板１００の内部に入射した光の経路を、反射、屈折、回折などの作用により出射面１３０の方向に変える機能をするものであり、その材質としては、可視光線の透過率が大きく、強度が高い他、変形、割れが少ない高分子素材が使用される。この目的に使用される高分子としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート、環状オレフィン共重合体などが挙げられ、中でも、アクリル樹脂が好適に使用され、特に好ましくは、ポリメタクリレートである。

ランプ１１０は、光源として機能する。ランプ１１０は、線光源であってもよく、点光源が線状に配列されたランプであってもよい。通常、ランプ１１０としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）や冷陰極管（ＣＣＦＬ）などを使用する。

前記導光板１００の背面１４０にはマイクロプリズムパターン１５０が刻設された複数の単位セル１６０が分散配置される。

図２は、背面１４０に形成された、プリズムパターン１５０が刻設されたいくつかの単位セル１６０の部分拡大図である。図２に示す単位セル１６０は、背面１４０に単位セル１６０が陰刻されたものであるが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、陽刻されてもよい。例えば、単位セル１６０上のマイクロプリズムパターン１５０の底面と背面１４０とが面一であってもよい。この場合には、マイクロプリズムパターン１５０の形状だけで単位セル１６０の形状が整えられる。

図３Ａから図３Ｄは、前記単位セル１６０の形状を示す模式図である。すなわち、前記単位セル１６０の形状は、円形であってもよく（図３Ａ）、長円状（図３Ｂ）であってもよく、正方形（図３Ｃ）であってもよく、六角形（図３Ｄ）であってもよい。また、本発明の単位セル１６０は、図示の形状に制限されたものではなく、例えば、長方形、菱形、またはこれらを組み合わせた形状など、如何なる形状にも変形してよいことはいうまでもない。前記単位セル１６０のサイズは、その形状が円形である場合には、その直径が、その他の場合には最長径が１〜２、０００μｍであることが好ましい。単位セルのサイズが１μｍ未満であれば、光反射効果が僅かなものとなり、２、０００μｍを超えると、ＬＥＤランプとＬＥＤランプとの間の輝度を一様に制御することが不可能となる。すなわち、ランプとランプとの間の輝度均一性の制御は単位セルの分布の調整によっても行われるが、２、０００μｍを超える単位セルである場合、分布の調整が制限されて単位面積当たりの単位セルの密度を所定のレベル以上に上げる上で妨げとなる。その一方で、前記単位セルの形状が長円状である場合には、その長軸及び／又は短軸が、多角形である場合には、一辺の長さが上述した範囲内に収まる程度であれば足りる。

前記背面１４０の上に形成された前記単位セルの分布は、同じ直径の単位セル１６０の配置する密度を調整する方法により調整可能である。すなわち、単位セル１６０の密度は、光が入射する側面に近づくにつれて減少し、光が入射する側面から遠ざかるにつれて増加する密度勾配を有する分布となる。なお、単位セルの前記分布は、単位セル１６０のサイズを変える方法により調整可能である。すなわち、単位セル１６０のサイズが、光が入射する側面に近づくにつれて減少し、光が入射する側面から遠ざかるにつれて大きくなる勾配を有する分布の形状となる。

一方、前記単位セル１６０にはマイクロプリズムパターン１５０が形成されている。前記マイクロプリズムは、光源から入射した光の経路を導光板の正面方向に切り換えることにより、輝度の上昇を導く。前記マイクロプリズムパターン１５０は単位プリズム角が４０〜１２０°であり、単位プリズムピッチが１〜１００μｍであることが好ましい。プリズム角が４０°未満であるか、または、１２０°を超える場合には、サイドローブの増加により輝度の低下が発生する。プリズムのピッチが１μｍ未満である場合には、光反射の効果が僅かなものとなる結果、輝度の上昇効果が得られず、１００μｍを超える場合には、導光板の全体の厚さが増大してバックライトユニットの全体の厚さの増大がもたらされる。

前記マイクロプリズムパターン１５０を構成する単位プリズムの稜線は互いに平行である。一方、前記マイクロプリズムパターン１５０の稜線方向がなすプリズム配列軸１５１と、前記ランプの配列方向がなすランプ配列軸１１１との交差角θが錯角になるべきである。本発明において、錯角とは、プリズム配列軸１５１と前記ランプの配列軸１１１との交差角θが０°ではなく、すなわち、プリズム配列軸１５１と前記ランプの配列軸１１１とが平行ではない場合を言う。前記交差角θは０．１〜１０°であることが好ましい。交差角θが０．１°未満であれば、輝度の均一性を期待することができず、交差角θが１０°を超えると、輝度の均一性は確保できるとはいえ、輝度自体の減少が発生する。前記範囲の交差角θによって直進性が優れたＬＥＤ光は、プリズム構造物による強度の勾配を有する反射が発生して、ＬＥＤ光が通らない暗部領域に対する輝度のばらつきを次第に減らすことにより導光板の輝度均一性が向上する。

図４は、単位セルの配置方向を示す例示図である。本発明において、前記単位セル１６０は、図４Ａに示すように、単位セル１６０に形成されたマイクロプリズムパターン１５０の稜線方向が全ての単位セルの間において一致するように配置可能である。あるいは、図４Ｂに示すように、一群の単位セルと他の一群の単位セルとの各稜線の方向が互い違いになるように配置されてもよい。この場合、各単位セルの間においては、稜線の配向がジグザグ状になる。なお、図示はしないが、一つの単位セル内においてプリズムレンズの稜線がジグザグ状に配置される場合もある。

図５は、本発明の第２の実施形態による面光源装置用導光板２００の斜視図である。図５を参照すると、本発明の他の実施形態による面光源装置用導光板２００の出射面にはレンチキュラーパターン２７０が形成されている。前記出射面に配置されるパターン２７０は、導光板の内部から出射する光の経路を最外郭で制御する構造物であり、輝線部と暗線部との明暗差を制御する２次的な手段である。

すなわち、表面レンチキュラーパターン２７０の相分離機能により輝線部の相が分かれつつ暗部の領域が次第に小さくなる。前記レンチキュラーパターン２７０により背面２４０から反射された光の出射角が制御されて視認性及び垂直輝度に優れた光分布に調節される。

図６は、本発明の第２の実施形態において、出射面に形成され得るパターンとして、前記レンチキュラーパターン以外のパターンを例示する図である。図５に示す出射面に形成されたパターンは断面半円形のレンチキュラーパターン（図６Ａ）であるが、その他にも、本発明の第２の実施形態による導光板２００の出射面には頂点を通る垂直線を基準に斜辺と斜辺がそれぞれの曲率を有する放物線レンズパターン（図６Ｂ）であってもよく、プリズムの頂角が曲率を有する丸み付きプリズム型レンズパターン（図６Ｃ）であってもよく、独立した半球状レンズアレイパターン（図６Ｄ）であってもよい。

本発明の第２の実施形態において、出射面に形成されたパターン２７０がレンチキュラーパターン、丸み付きプリズム型レンズパターンである場合、前記パターンの稜線がなす方向はランプ１１０から入射する光と平行（または、ランプの配列方向と垂直）にする。

前記レンチキュラーパターン２７０のピッチは１０〜３００μｍであることが好ましい。前記ピッチが１０μｍ未満であれば、レンズ機能をする最外郭の比表面積が減少して輝度の向上機能が低下し、３００μｍを超えると、液晶装置とのモアレ発生により画質が低下してしまうという欠点がある。

一方、本発明の第２の実施形態において、上述した出射面のレンチキュラーパターン２７０以外の構成、例えば、背面の単位セル、単位セルに形成されたプリズムパターン、交差角などについては、第１の実施形態における説明と同様である。

本発明に係る面光源装置用導光板は、前記導光板の入射面の一方の側に光源が配設され、導光板の出射面の上部に積層される拡散機能付き保護フィルムをさらに具備してバックライトユニットとして使用される。

本発明の各実施形態による導光板は、射出工法を用いて製作することが可能である。この場合には、射出用金型に背面、出射面の各パターンを加工して高分子材料を前記金型に射出加工することにより導光板が製作される。他の製作工法としては、導光板の母材となるプレートを準備して、前記プレートの上にパターン加工を行うことにより製作可能である。プレートの上にパターンを加工する方法は、加圧、加熱によるスタンピング工法、ＵＶ樹脂を用いたインプリント工法などが挙げられる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。これは本発明をより具体的に説明するためのものであり、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されることはない。

＜実施例＞
１．導光板用プレートの製作
ＰＭＭＡを原料として、厚さ３．５ｍｍ、横２０ｃｍ、縦１０ｃｍのＰＭＭＡプレートを製作した。ＰＭＭＡプレートは押出工法を用いて製作し、押出機としては通常のシングルスクリュー押出機を使用した。

プレートの上面にはレンチキュラーパターン２７０が形成されており、前記レンチキュラーパターン２７０はピッチ２００μｍ、高さ４０μｍの形状に製作した。

２．パターン加工用金型の製作
冷間合金工具鋼(ＳＫＤ−１１)に銅めっきを施し、銅厚さ３０μｍの金型原板を製作した。製作された金型原板にダイアモンドバイトにより旋盤加工して単位セルの直径２００μｍ、単位プリズム角９０°、単位セル上の単位プリズムピッチ５０μｍのプリズムを加工した。単位セルの分布は同一直径の密度を調整して配置する方法により調整した。すなわち、単位セルの密度が光が入射する側面に近づくにつれて減少し、光が入射する側面から遠ざかるにつれて増大するという密度勾配を有する分布にした。本実験においては、光源側の単位面積あたりの単位パターン密度を１０％とし、真ん中の単位面積あたりの単位パターン密度を７０％とし、光源側から中央までは０．２ｃｍおきに単位パターン密度が変化するような密度勾配を与えて配置した。

３．セルパターンの成形及び導光板の製作
準備されたプレートの下面側に、セルパターンを形成するために、予め準備されたパターン金型をプレスモールド装備に取り付けて、モールド温度２００℃、プレス時間１分、プレス圧力１０ｋｇ／ｍ^２にしてプレス成形してパターンが刻設された導光板を完成した。このとき、単位セルの上に形成されたプリズムの稜線方向により形成されるプリズムパターンの配列軸とランプ配列軸との交差角をそれぞれ０．５、２、５及び１０°にした。

＜比較例１＞
１．プレートの製作
ＰＭＭＡを原料として、厚さ３．５ｍｍ、横２０ｃｍ、縦１０ｃｍのＰＭＭＡプレートを製作した。ＰＭＭＡプレートは押出工法を用いて製作し、押出機としては通常の単一スクリュー押出機を使用した。但し、プレートの上面にはレンチキュラーパターンが形成されていなかった。

２．パターン加工用金型の製作
実施例の方法と同様にしてパターン加工用金型を製作した。

３．単位セルの成形及び導光板の製作
単位セル上のプリズムパターン配列軸１５１とランプ配列軸１１１との交差角７を０°にし、すなわち、プリズムパターン配列軸１５１とランプ配列軸１１１とを平行にした以外は、実施例１の方法と同様にして導光板を製造した。

＜比較例２＞
プレートの製作、パターン加工用金型の製作は実施例の方法と同様にするが、単位セル上のプリズムパターンの配列軸とランプの配列軸との交差角を０°にし、すなわち、プリズムパターン配列軸とランプ配列軸とを平行にした以外は、実施例１の方法と同様にして導光板を製造した。

＜比較例３＞
１．プレートの製作
ＰＭＭＡを原料として、厚さ３．５ｍｍ、横２０ｃｍ、縦１０ｃｍのＰＭＭＡプレートを製作した。ＰＭＭＡプレートは押出工法を用いて製作し、押出機としては通常の単一スクリュー押出機を使用した。但し、プレートの上面にはレンチキュラーパターンが形成されていなかった。

２．パターン加工用金型の製作
実施例の方法と同様にしてパターン加工用金型を製作した。

３．単位セルの成形及び導光板の製作
準備されたプレートの下面側に、セルパターン成形のために、予め準備されたパターン金型をプレスモールド装備に取り付けて、モールド温度２００℃、プレス時間１分、プレス圧力１０ｋｇ／ｍ^２にしてプレス成形してパターンが刻設された導光板を完成した。このとき、単位セルの上に形成されたプリズムパターンの配列軸とランプ配列軸との交差角をそれぞれ２°にした。

＜評価＞
１．正面輝度の測定
測定装備：トップコーン社製のＢＭ−７
測定方法：実施例及び比較例で製作された導光板にＬＥＤランプを取り付けてバックライトユニットとした後、導光板の面積を９等分し、それぞれの中心部の輝度を測定して、９ポイントの測定値を算術平均して輝度を測定した。

２．均一度の測定
測定装備：トップコーン社製のＢＭ−７
測定方法：実施例及び比較例で製作された導光板にＬＥＤランプを取り付けてバックライトユニットとした後、導光板の面積を３０等分し、それぞれの中心部の輝度を測定して、最大値に対する最小値の割合値を計算して均一度を算出した。

３．モアレの確認
バックライトユニットに導光板を取り付け、ランプ方向とプリズムの谷方向とが並ぶプリズムをバックライトに搭載した後に点灯してモアレの発生有無を目視で確認した。

以上の実施例及び比較例における評価結果を下記表１にまとめて示す。

前記表１の実施例１から実施例４の結果から、プリズム配列軸とランプの配列軸とが０．５°、２°、５°、１０°の角度で配置された導光板は、その角度が０°である比較例２と比較して、ほとんど同じ輝度値を示し、且つ、均一度が約１２％から２４％まで大幅に向上することが確認できた。また、前記角度がある実施例１から実施例４と、配列軸の角度が０°である比較例１及び比較例２の結果から、交差角が錯角である場合にモアレが発生しないことが確認できた。モアレ現象とは、上下の二つのプリズムが同じ周波数を有する場合に発生する現象である。上記の結果から、上下プリズムを互い違いに配置する本発明によってモアレ現象が制御可能となることが確認できた。

これは、図７のシミュレーション結果からも確認できるが、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃはそれぞれ比較例２、実施例３及び実施例４の交差角の変化による光出射角の変化のシミュレーション結果である。前記シミュレーションは、当業界において通常使用されている「ライトツール」シミュレーション装置を用いた。図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃを参照すると、比較例２においては、交差角が０°である場合に出射視野角も０°であり、これにより、プリズムが搭載される場合、プリズムの配列方向とランプ配列方向との交差角もまた０°であるため、導光板のプリズムの規則性とプリズムの規則性とが一致してモアレが発生した。これに対し、実施例３及び実施例４においては、交差角がそれぞれ５°、１０°であり、これにより、出射角もまた ５°、１０°であることがシミュレーションにより確認された。これは、光学シートとしてプリズムが取り付けられるとしても、導光板のプリズムパターンとのパターンの不一致によりモアレが発生しないことを示唆する。これは、配列軸の角度制御による光路制御が可能であることを意味し、とりわけ、実施例２からは、表面にレンチキュラーパターンがない比較例３に比べて、輝度及び均一度が同時に向上するという結果が確認できた。すなわち、レンチキュラーパターンによる輝度の向上効果もさらに確認することができた。

本発明に係る面光源装置用導光板及びこれを用いたバックライトユニットは、ＬＣＤ、照明用装置などＬＥＤランプを使用する装置における光出射の制御を目的に様々に使用可能である。

１００、２００…導光板、
１１０…ランプ、
１１１…ランプ配列軸、
１２０…入射面、
１３０…出射面、
１４０…背面、
１５０…マイクロプリズムパターン、
１５１…プリズム配列軸、
１６０…単位セル、
２７０…出射面パターン。

Claims (7)

1. 所定の軸に沿って配置されたランプから光が入射する入射面と、前記入射する光が出射する出射面及び前記出射面と向かい合う背面を含む導光板において、前記背面には互いに平行な複数のマイクロプリズムパターンが刻設された複数の単位セルが分散配置されるが、前記単位セルのマイクロプリズムパターンの稜線方向がなすマイクロプリズム配列軸と、ランプの配列軸との交差角が０．１〜１０°であることを特徴とする面光源装置用導光板。
2. マイクロプリズムパターンの単位プリズム角が４０〜１２０°であり、単位プリズムピッチが１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置用導光板。
3. 単位セルの最長径が１〜２，０００μｍである請求項１に記載の面光源装置用導光板。
4. 所定の軸に沿って配置されたランプから光が入射する入射面と、前記入射する光が出射する出射面及び前記出射面と向かい合う背面を含む導光板において、
   前記背面には互いに平行な複数のマイクロプリズムパターンが刻設された複数の単位セルが分散配置され、前記単位セルのマイクロプリズムパターンの稜線方向がなすプリズム配列軸と、前記ランプの配列軸との交差角が０．１〜１０°で配置され；
   前記出射面の上にはレンチキュラーパターンが形成さていることを特徴とする面光源装置用導光板。
5. レンチキュラーパターンの稜線方向は、光の入射方向と平行であることを特徴とする請求項４に記載の面光源装置用導光板。
6. レンチキュラーパターンのピッチが１０〜３００μｍであることを特徴とする請求項４に記載の面光源装置用導光板。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の導光板と、前記導光板の入射面の一方の側に設けられたランプと、導光板の出射面の上部に積層される拡散機能付き保護フィルムと、を備えることを特徴とする視野角が制御可能なバックライトユニット。

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