JP5563158B2 - バックライトユニット - Google Patents

Description

本発明は、バックライトユニットに用いられることができる光学フィルム及びそれを含むバックライトユニットに関するもので、より詳細には、従来より光学性能が向上したマイクロレンズアレイシートの構造及びこのような構造の光学フィルムを備えるバックライトユニットに関する。

一般に、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ）は、印加電圧による液晶透過度の変化を用いることにより、各種装置において発生する多様な電気的情報を視覚情報に変化させて伝達する電子素子である。

液晶表示装置は、小型化、軽量化、低電力消費化などの長所を有することから、従来広く用いられていたＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）の短所を克服することができる代替手段として注目されてきた。最近は、ディスプレイ装置を必要とする殆どの情報処理機器に装着されている実情にある。

このような液晶表示装置は、一般に、特定の分子配列を有する液晶に電圧を印加してそれとは異なる分子配列に変化させ、上記分子配列の変化によって発生する液晶の複屈折性、旋光性、二色性及び光散乱特性などの光学的性質の変化を視覚変化に変換するもので、液晶による光の変調を用いたディスプレイ装置である。

自体発光源がない受光型素子である液晶表示装置は、素子の画面全体を照明することができる別途の光源装置を必要とする。このような液晶表示装置用照明装置を一般的にバックライトユニット（Ｂａｃｋ Ｌｉｇｈｔ Ｕｎｉｔ）という。

一般に、バックライトユニットは、発光ランプが配置される方式によってエッジ（ｅｄｇｅ）方式及び直下方式に区別される。エッジ方式は、発光ランプから発生した光を案内する導光板の側面に発光ランプが配置される方式であり、デスクトップパソコンまたはノート型パソコンのモニターのような比較的小型の液晶表示装置に適用されるもので、光の均一性及び耐久性に優れ、装置の薄型化に有利となる。これに対し、直下方式は、２０インチ以上の中大型表示装置に用いられるために開発されており、液晶パネルの下部に複数のランプ光源を配列させて液晶パネルの全面を直接照明する方式である。

従来、バックライトユニット用発光ランプには冷陰極蛍光ランプ（Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ、以下、「ＣＣＦＬ」とする）のような線状光源が多く用いられてきたが、最近は、色再現性がＣＣＦＬより優れ、環境に優しく、薄型化、軽量及び低電力のために発光ダイオード（ＬＥＤ）に代替されている実情にある。

一方、従来のバックライトユニットには、光源から発生した光を拡散または集光したり、輝度の向上またはランプムラの減少などを目的にした複数の光学フィルムが多様な組み合わせと共に用いられることができる。

最近のＬＣＤ装置のような映像表示装置において、輝度及び視野角は極めて重要な特性である。これは、バックライトユニットを構成する光学フィルムの特性によって決められるものと知られている。最近は、半球型マイクロレンズアレイシートが広く用いられているが、上記半球型マイクロレンズアレイシートには輝度上昇に限界があり、視野角特性を改善すると輝度が相対的に低くなるという問題がある。

これにより、現在、バックライトユニットには、薄型化、軽量化を技術的目標とする研究及び開発が行われており、特に、輝度及び視野角特性の光学性能が改善されたマイクロレンズアレイシートが求められている。

よって、本発明の一側面は、コーニック（ｃｏｎｉｃ）レンズからなる輝度及び視野角が向上したマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シートを提供する。

本発明の他の側面は、上記マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シートを含む光学性能が向上したバックライトユニットを提供する。

本発明の一見地によると、基材部と、上記基材部の一面上に積層されるレンズ部と、を含み、上記レンズ部は、下記式で特定される複数のコーニック（ｃｏｎｉｃ）レンズからなるマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シートが提供される：

上記式において、ｋはコーニック定数、ｒは頂点における曲率半径を示しており、上記コーニック定数（ｋ）は−３から−１である。

上記コーニックレンズは、レンズ中央の縦断面が双曲線または放物線の形状であることが好ましい。

上記コーニックレンズのピッチ（ｐｉｔｃｈ）は、１０から５００μｍであることが好ましい。

上記コーニックレンズの底面の直径は、上記コーニックレンズピッチの９０から１１６％であることが好ましい。

上記コーニックレンズ頂点における曲率半径は、上記コーニックレンズピッチの０．２から２６％であることが好ましい。

上記コーニックレンズは、規則的に配列されることが好ましい。

本発明の他の見地によると、基材部と、上記基材部の一面上に積層されるレンズ部と、を含み、上記レンズ部は、レンズ中央の縦断面が双曲線または放物線の形状である複数のコーニック（ｃｏｎｉｃ）レンズからなるマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シートが提供される。

上記コーニックレンズは、規則的に配列されることが好ましい。

本発明のさらに他の見地によると、複数個の光源と、上記マイクロレンズアレイシートを含むバックライトユニットが提供される。

上記バックライトユニットは、２枚のマイクロレンズアレイシートを含むことが好ましい。

上記バックライトユニットは、直下型またはエッジ（ｅｄｇｅ）型であることができる。

従来の半球型マイクロレンズアレイシートの場合、輝度上昇に限界があるために高輝度の製品においてプリズムシートを代替することが困難であったが、本発明のコーニックレンズからなるマイクロレンズアレイシートを用いると、輝度及び視野角特性を両方とも改善させることができる。

マイクロレンズアレイシートを構成するレンズの形状を示したもので、本発明の例示的なコーニックレンズ（ａ）、半球型レンズ（ｂ）及び円錐型（ｃ）レンズを示したものである。 本発明の例示的なマイクロレンズアレイシートの正面図（ａ）及び断面図（ｂ）を示したものである。 本発明のコーニックレンズマイクロレンズアレイシート４、４'を含む本発明の例示的なバックライトユニットを示したものである。 本発明のシートを１枚または３枚配置した場合の輝度特性を示したものである。

以下では、添付の図面を参照し、本発明について詳細に説明する。

本発明は、光出面にコーニック（ｃｏｎｉｃ）形状からなる単位レンズ構造物をマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）で配列した光学フィルムに関する。即ち、基材部と、上記基材部の一面上に積層されるレンズ部と、を含み、上記レンズ部は、レンズ中央の縦断面が双曲線または放物線の形状である複数のコーニック（ｃｏｎｉｃ）レンズからなるマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シートに関する。

本発明において、「コーニックレンズ」は、レンズの底面が円状であり、レンズ中央の縦断面が双曲線及び放物線の場合を含む全ての曲面を含み、対称形状のレンズであるが、レンズ中央の縦断面が三角形である円錐型レンズ、その断面が半円形である半球型レンズ及びその断面が楕円形である楕円型レンズを除外したものを意味する。

上記コーニックレンズの形状は下記式から特定されることができる。下記式において、ｒはレンズの最頂点における曲率半径、ｋはコーニック（ｃｏｎｉｃ）定数を示す。一般に、曲面レンズの形状は、レンズの頂点における曲率半径（ｒ）及びコーニック定数（ｋ）を変数にする関数で示される。このとき、上記コーニック定数ｋはレンズの形状を決定するもので、ｋ＝０であると円形、ｋ＝−１であると放物線形状のレンズ、−１＜ｋ＜０であると楕円型レンズ、ｋ＜−１であると双曲線形状のレンズを示す。

即ち、本発明において、上記コーニックレンズのコーニック定数（ｋ）は−３から−１であり、−２．７から−１．７であることが好ましく、−２．６５から−１．７５であることがより好ましい。図１（ａ）は本発明の例示的なコーニックレンズの形状を示したものである一方、図１（ｂ）は半球の形状を、図１（ｃ）は円錐レンズの形状を示したもので、本発明に属さない例示的な形態を示したものである。コーニック定数（ｋ）が−３未満である場合は、光学的輝度が低下し、−１を超過する場合は、光学的輝度及び隠蔽性が低下するという問題がある。

上記本発明のコーニックレンズは、マイクロレンズアレイシートの一面に一定のピッチ（Ｐｉｔｃｈ、Ｐ）を有して配置されることができ、上記レンズ間のピッチは１０μｍから５００μｍであることが好ましく、３０μｍから７０μｍであることがより好ましい。上記レンズ間のピッチが１０μｍより小さいと、レンズが重畳されて集光効果に問題があり、形状モールドの製作難易度が増加し、スクラッチに弱いという問題がある。また、５００μｍより大きいと、レンズ間に空隙が発生して輝度損失が生じる可能性があり、形状モールドの製作価格が増加する。上記ピッチの範囲は、製作過程上の困難さまたは製作後に発生する可能性があるモアレなどのようなその他の外見上品質の諸問題を考慮したものである。

また、上記コーニックレンズの形状は、直径Ｄ及び高さＨで特定されることができる。上記コーニックレンズの底面の直径は、上記コーニックレンズピッチの９０から１１６％であることが好ましく、９２から１１６％であることがより好ましく、９８から１１６％であることが最も好ましい。上記コーニックレンズの直径がピッチの９０％未満であるか、ピッチの１１６％を超過する場合は、フィルム生産時において作業難易度及び不良可能性が増加し、光学的輝度が低下するおそれがあるという問題がある。これにより、上記本発明の範囲内に属する場合、好ましい集光効率を得ることができる。

上記コーニックレンズそれぞれは、上記直径の範囲内において多様なサイズの直径を有することができるが、同一の直径を有するレンズを配置することが工程上の容易性及び光出光などの観点においてより好ましい。

上記コーニックレンズそれぞれは、上記高さＨの範囲内において多様な高さを有することができるが、同一の高さを有するレンズを配置することが工程上の容易性及び光出光などの観点においてより好ましい。

即ち、上記コーニックレンズは、上述したピッチ及びレンズの底面の直径範囲内においてピッチＰの長さが異なるようにレンズが不規則に配列されることもできるが、ピッチＰの長さが一定したものが好ましい。図２は本発明の例示的なマイクロレンズアレイシートの正面図（ａ）及び断面図（ｂ）を示したもので、レンズが規則的に配列された場合を示す。上記図２は、例示的なレンズの配置を示すためのもので、本発明がこれに限定されるものではない。本発明のコーニックレンズは空隙なしで配置されることもできる。この場合、レンズの密集度を高めながらレンズ傾斜面による集光効率を維持することができる。

また、上記コーニックレンズ頂点における曲率半径（ｒ）は、上記コーニックレンズピッチの０．２から２６％であることが好ましく、０．２％から２４％であることがより好ましく、０．２％から２２％であることが最も好ましい。曲率半径（ｒ）が上記コーニックレンズピッチの０．２％未満である場合は、製品量産時において頂点に対して不良が発生したり、スクラッチに弱い可能性があり、気泡発生、生産時間の遅れなどの問題が発生するおそれがある。なお、コーニックレンズピッチの２６％を超過する場合は、集光効率に問題があり、光学的輝度及び隠蔽性が低下するという問題がある。

本発明によるマイクロレンズアレイシートの製造方法は、当該技術分野に周知の如何なる製造方法も用いることができる。例えば、本発明の上記コーニックレンズは、基材上部にコーニックレンズの形状が印刻された金型に硬化性樹脂溶液を流し、これを硬化させる方法で形成されることができ、非対称ビードを配列する方式、レーザを用いてマスクエッチング及び直加工する方式、フォトリソグラフィを用いた製作方式などによって形成されることができる。

このとき、本発明において用いられることができる硬化性樹脂としては、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、エステルアクリレートまたはラジカル発生型モノマーなどを挙げることができ、これらはそれぞれ単独または混合して用いられることができる。多様な形態が印刻された金型を用いることで、多様な形状、高さ及びピッチを有するレンズを形成することができる。他にも、多様なマイクロレンズアレイシートの製造方法が当該分野において知られており、本発明のマイクロレンズアレイシートは、上記した方法以外に他の従来製造方法によって製造されることもできる。

また、本発明によると、上記マイクロレンズアレイシートを少なくとも一つ以上含むバックライトユニットが提供される。

上記のような方法で製造された本発明のマイクロレンズアレイシートをバックライトユニットに用いる場合、本発明が適用されることができるバックライトユニットは、代表的に直下型バックライトユニット及びエッジ型（Ｅｄｇｅ）バックライトユニットを含む。

即ち、複数個の光源と、上記光源の上部に配置される上記少なくとも一つの本発明によるマイクロレンズアレイシートと、を含むバックライトユニットが提供される。このとき、上記光源の上部には、本発明によるマイクロレンズアレイシートが２枚以上配置されることが好ましく、２枚配置されることがより好ましい。

図３は本発明による例示的なバックライトユニットを示したもので、直下型バックライトユニットが示されている。本発明によるバックライトユニットは、図３に示されているように、後面に反射された光を出光面へ反射させるための反射シート１と、一定間隔で配列された複数の線光源２と、線光源から放出された光を面光源に変換させ、光学フィルムの支持台役割をする拡散板または拡散シート３と、を含むことができ、その上面に本発明によるコーニックレンズマイクロレンズアレイシート４、４'が１枚以上配置されることができる。

このとき、上記バックライトユニットは、本発明によるマイクロレンズアレイシートの上部または下部に拡散フィルムをさらに含むか、プリズムフィルムまたはレンチキュラーレンズフィルムのうち選択された集光フィルム及び拡散フィルムをさらに含んでなることができる。

上記で得られた本発明によるバックライトユニットによると、視野角及び輝度の光学性能が改善されることができる。

以下では、実施例を通じて本発明についてより詳細に説明するが、これは例示的なもので、本発明が実施例によって制限されるものではない。

実施例

１．マイクロレンズアレイシートの製造

実施例１：コーニックレンズを備えたマイクロレンズアレイシート
レーザーマスク加工方式を用いて本発明によるマイクロレンズアレイシートを製造した。このとき、レンズの直径Ｄは５５μｍ、コーニックレンズ頂点における曲率半径（ｒ）は５．５μｍ、コーニック定数（ｋ）は−２．１５、ピッチＰは５０とした。

比較例１：円錐型レンズを備えたマイクロレンズアレイシート
マイクロレンズアレイシートにおいて、レンズピッチは５０μｍ、直径は５０μｍ、頂角を９０度に形成した円錐型レンズを配置したことを除いては実施例１と同一の工程によってマイクロレンズアレイシートを製造した。

比較例２：半球型レンズを備えたマイクロレンズアレイシート
マイクロレンズアレイシートにおいて、レンズピッチ５０μｍ、直径５０μｍ、レンズ頂点における曲率半径（ｒ）は２５μｍ、コーニック定数は０にして形成された半球型レンズを配置したことを除いては実施例１と同一の工程によってマイクロレンズアレイシートを製造した。

実施例２から９及び比較例３から１８
マイクロレンズアレイシートにおいて、下記表１に示されているように、レンズピッチ、直径、レンズ頂点における曲率半径（ｒ）、コーニック定数（Ｋ）を多様に設定して上記実施例１と同一の工程によってマイクロレンズアレイシートを製造した。

２．レンズ形状による輝度特性の比較

上記で製造されたそれぞれのマイクロレンズアレイシート２枚を用いて光学シミュレーションの検証を行った。入力値のＢＬＵは２２インチ、ＬＥＤ光源のエッジ（Ｅｄｇｅ）方式によって光源を測定して適用しており、同一形状を有するシート２枚の上部にレシーバー（ｒｅｃｅｉｖｅｒ）を設定して光度に対する視野角のデータを比較した。その結果は表１に示されている。

下記表１では、その結果として光学フィルムに入射される光の輝度を１００％と設定したとき、マイクロレンズアレイシートを透過させた後の最大輝度値を百分率で示した。

表１から分かるように、本発明によるコーニックレンズを用いたマイクロレンズアレイシートの場合、半球及び円錐を用いた比較例１及び２のマイクロレンズアレイシートに比べて視野角輝度特性が向上することが確認できる。

また、表１に示されているように、本発明のピッチ及びコーニック定数の範囲に属するレンズ形状の場合、本発明の形状を外れる場合に比べて優れた輝度特性を有することが確認できる。

特に、比較例９の楕円型レンズ（ｋ＝０．９）を用いたマイクロレンズアレイシートの輝度特性と比較すると、本発明の実施例が顕著に優れた輝度特性を有することが確認できる。

３．本発明のシート配置による輝度特性の比較

本発明によるマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シートの配置による輝度特性を比較するために、上記本発明のシートをそれぞれ１枚、２枚、３枚配置した場合における輝度特性を比較した。

光学シミュレーションの検証を行っており、入力値のＢＬＵは２２インチ、ＬＥＤ光源がエッジ（Ｅｄｇｅ）方式によって光源を測定して適用した。シート２枚の上部にレシーバー（ｒｅｃｅｉｖｅｒ）を設定して光度に対する視野角データを比較した。

その結果は図４に示されている。図４から分かるように、本発明のシートを１枚または３枚配置した場合に比べて２枚配置した場合、輝度が顕著に向上することが確認できる。

上記から分かるように、マイクロレンズアレイシートにおけるレンズの形状が本発明の範囲に属するピッチ、直径、レンズ頂点における曲率半径（ｒ）及びコーニック定数（Ｋ）の比率を有する場合、特に、２枚のシートを用いる場合、輝度が顕著に上昇する。

Ｐ コーニックレンズ間のピッチ
Ｄ コーニックレンズの底面の直径
Ｈ コーニックレンズの高さ
１ 反射シート
２ 光源
３ 拡散板
４、４' 本発明のマイクロレンズアレイシート

Claims (9)

1. ２枚のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シートを含むバックライトユニットであって、
   上記２枚のマイクロレンズアレイシートの各々は、基材部と、前記基材部の一面上に積層されるレンズ部と、を含み、前記レンズ部は、底面が円形であり、レンズ中央の縦断面の形状が下記式で特定される双曲線または放物線である複数のコーニック（ｃｏｎｉｃ）レンズからなり、
   

   

   
   前記式において、ｋはコーニック定数、ｒは頂点における曲率半径を示し、前記ｋは−３から−１であり、前記ｒはコーニックレンズピッチの０．２から２２％であるバックライトユニット。
2. 前記コーニック定数（ｋ）は、−２．７から−１．７である、請求項１に記載のバックライトユニット。
3. 前記コーニック定数（ｋ）は、−２．６５から−１．７５である、請求項１または２に記載のバックライトユニット。
4. 前記コーニックレンズのピッチ（ｐｉｔｃｈ）は、１０から５００μｍである、請求項１から３の何れか１項に記載のバックライトユニット。
5. 前記コーニックレンズの底面の直径は、前記コーニックレンズピッチの９０から１１６％である、請求項１から４の何れか１項に記載のバックライトユニット。
6. 前記コーニックレンズの底面の直径は、前記コーニックレンズピッチの９２から１１６％である、請求項１から５の何れか１項に記載のバックライトユニット。
7. 前記コーニックレンズの底面の直径は、前記コーニックレンズピッチの９８から１１６％である、請求項１から６の何れか１項に記載のバックライトユニット。
8. 前記コーニックレンズは、規則的に配列される、請求項１から７の何れか１項に記載のバックライトユニット。
9. 前記バックライトユニットは、直下型またはエッジ（ｅｄｇｅ）型である、請求項１から８の何れか１項に記載のバックライトユニット。

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