JPH1195200A - バックライト用集光シート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 低コストで製造でき、高集光効率を有する、
液晶ディスプレイのバックライト用集光シートを提供す
る。 【解決手段】 重心点を共有する複数の正四角形が、該
正四角形の各辺が平行であるよう配置され、最内正四角
形との相似比の変化量が重心点からの距離に応じて減少
するように構成された単位正四角形フレネル板が２次元
的に規則正しく透明基体上に最密配列されている集光シ
ートを、紫外線硬化法により転写作製する。単位正四角
形フレネル板内の隣接する正四角形の辺の間隔が重心点
からの距離に応じて漸次減少するように設計されいるた
め、外周部に向かう程、光回折角が大きくなり、凸レン
ズに類似した集光効果を呈する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶ディスプレイ
パネルのバックライトに用いられる集光シートに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示素子、特にカラー表示素
子を用いた直視型液晶表示装置の技術進歩は目覚まし
く、ＣＲＴに劣らぬ表示品位のディスプレイが数多く開
発されている。また、画面サイズも大型化が進み、12.1
インチタイプが普及しつつあり、軽薄化、狭額縁化、
大画面化、高輝度化、省電力化などの要求がますます高
まってきた。これらの要求を達成するためのキーデバイ
スとしてバックライトの高性能化が必須の課題となって
いる。

【０００３】従来の液晶パネルディスプレイ用バックラ
イトは多くはエッジライト方式が採られ、図１に示す構
成から成る。１１は蛍光ランプ（光源）、１２は反射
体、１３は楔形の導光板、１４は光散乱板、１５は反射
体、１６は拡散シート、１７はプリズムシートである。
バックライトの主部である導光板１３の一般的な製造方
法は、まずアクリル樹脂を射出成形法で成形、その後、
底面にスクリーン印刷で光拡散材である酸化チタン（Ti
O₂）などを用いて円形または四角形のドットで光散乱板
１４を形成することで行われている。底面のドットは、
前記したように光をまんべんなく行き渡らせるためと、
輝度を上げるためのもので、光源に近いほど密度が粗
く、光源から遠ざかるほど密度が高くなっている。光拡
散材を用いたドットに代わり、凹凸のドットが使われる
こともある。拡散シート１６は光を散乱させることによ
り均一化するものである。拡散シートの上に配置される
プリズムシート１７は、厚さ150-230μm、頂角90-110
゜、ピッチ30-110μmの三角柱が２次元的に配列された
ものであり、その機能は散乱光を集光し、指向性を持っ
た光束でＬＣＤパネルを照明しようとするものである。
このプリズムシートは表示の視野角、画面輝度を決定す
るキーデバイスの一つである。

【０００４】しかしながら、図２(a)に示すように、三
角柱から成るプリズムシート２１はプリズム部の溝に対
して直角方向すなわち図中Ｘ方向の光線集光性には優れ
るものの、溝に対して平行方向すなわちＹ方向の光線の
集光機能は有せず、高輝度化の要求には応えられない。
その結果、現状では図２(b)に示すように２枚の三角柱
プリズムシート２１、２２を三角柱の長手方向をそれぞ
れ直交させて配置し、ＸーＹ方向の集光性を高めること
により高輝度化が図る方法が一般的に採られている。し
かし、プリズムシートを２枚用いることにより空気層と
の界面での反射による光損失などのため、その効果は期
待されるほど十分得られていない。また、プリズムシー
ト２枚を用いることはコスト面でも好ましいことではな
いという問題点がある。

【０００５】さらに、従来の三角柱プリズムシートでは
プリズムが概略 30-110μmのピッチで周期的に構成され
ており、これを製作するには精密金型を用いた紫外線硬
化法、あるいは射出成形法が使用される。しかし、金型
の製作には、サブミクロンの精度で加工する超精密切削
加工技術が必要とされ、また、金型は一辺が20-30 cmの
大型であるため、かなりの製作時間を要する。これらは
プリズムシートの単価を上げる要因となっていた。具体
的には 従来使われている三角柱プリズムシートのコス
トは、バックライト全体（図１）のコストの半分以上を
占める結果となっているのが現状である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来技
術の課題である軽薄化、大画面化、高輝度化、省電力化
などの趨勢に十分応えるため、低コスト、高集光効率で
あるバックライト用集光シートを提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決すべくなされたものであり、従来液晶パネルディス
プレイにおけるバックライトに一般的に用いられている
２枚の三角柱プリズムシートのもつ集光機能を、２次元
的に最密配置した正四角形フレネル板の光線回折を利用
した集光効果を用いて一体化したものである。２枚のプ
リズムシートを１枚のフレネル板に一体化することによ
り、界面の数を減らし反射損失を低減せしめ、その結果
コストの低減を可能とするものである。

【０００８】コストの低減を可能にした別の要因は、本
発明の集光プリズムシートの製造方法にも関連する。本
発明は、従来用いられてきた三角柱プリズムシートの金
型を製作する際、採用されている超精密切削加工技術に
替わって、フォトリソグラフィー技術とメッキ技術によ
り金型を製作し、それを用いて、紫外線硬化法もしくは
射出成形法により本発明の集光シートを製作するもので
あり、基本的には コンパクトディスク等の光ディスク
を製造する方法と類似している。

【０００９】本発明のバックライト用集光シートは多く
の単位正四角形フレネル板から構成されるが、この単位
フレネル板の機能はオーバーヘッドプロジェクターに広
く用いられているフレネルゾーンプレートに見られる集
光機能、即ち凸レンズ作用に類似している。本発明の作
用を図３を用いて説明する。周期 d をもつに平行に配
置され複数本の直線群、すなわち 周期格子に、波長λ
なる光が入射すると、出射光は回折され、次式を満たす
角度2θだけ進路が変化する。 2d sinθ= λ d'< d の周期 d'なる回折格子では、θ'はθ'>θとな
り、回折角は増加する。本発明では d が単位フレネル
板においてその重心から外周部に向かって漸次減少する
よう設計されているため、外周部ほど回折角は漸次増加
する。すなわち、凸レンズと類似した集光作用を有する
ことになる。

【００１０】本発明の集光シートの製造方法を順を追っ
て説明する。 線幅が一定で、重心点を共有する多数の
正四角形が、該正四角形の辺が平行であるよう配置さ
れ、最内正四角形との相似比の変化量が重心点からの距
離に応じて減少するように構成された単位正四角形フレ
ネル板が、２次元的に規則正しく透明基体上に最密配列
されている原画をガラス板状にフォトリソグラフィー技
術により描画し、マスク原画を製作する。正四角形フレ
ネル板の一辺の長さは 100-200μm、正四角形フレネル
板を構成する多数の正四角形群の線幅は 1-2μm、隣接
正三角形の平行な辺のピッチは最小0.4μm、最大5μm
が光の回折効果による集光効果を得るに好ましい値であ
る。

【００１１】次に膜厚が 1-3μmなるフォトレジストを
厚み 5mm,30cm 角のガラス板にスピンコートし、前記工
程で得られた正四角形フレネル板が２次元的に規則正し
く透明基体上に最密配列されているマスクを重ね、露光
し、現像することによりフォトレジスト原盤を製作す
る。この際用いるフォトレジストはネガタイプ、ポジタ
イプのどちらでも使用が可能である。たとえば、ネガレ
ジストを用いた場合、未露光部分のレジストが残存した
凸状直線で形成された正四角形フレネル板群が製作され
る。次に凸状パターンが形成されたフォトレジスト原盤
表面上に 例えばスパッタリングによりクロム薄膜を数
100 nm 成膜し、フォトレジストおよびガラス表面に導
電性を持たせる。その後、電解メッキ法により0.5 mm
程度の膜厚を持つニッケルメッキ層を形成する。次にニ
ッケルメッキ層に支持体として厚み約5mmの鉄板を接着
剤を介して接着する。支持体を含むニッケルメッキ層と
フォトレジスト原盤とを剥離し、ニッケルメッキ層上に
残存するフォトレジストを有機溶媒で除去し、原盤金型
は完成する。当然のことながら、ポジタイプレジストを
使用した場合には、前述の工程における凹凸パターンは
反転したニッケルメッキ原盤が得られる。

【００１２】上記工程で得られた支持体を含むニッケル
メッキ層から成る金型をマスター金型とし、さらにこの
マスター金型に前記工程と同様な工程を経てニッケルメ
ッキ層を形成し、マザー金型を複数枚製作することもで
きる。この場合、マスター金型とマザー金型とは凹凸の
反転したものとなるが、両者から転写して得られる集光
シートの光学的回折効果は等価であり、その集光機能も
同じである。集光シートを量産する場合、一般には後者
のマザー金型が使われる。その理由は製作工程で生じる
金型の劣化、例えば傷の発生などに対して、複数枚用意
したマザー金型に替えて使用できるためである。

【００１３】以上の工程で製作された金型を用いて、本
発明である集光シートを製作する。製作法としては、合
成樹脂を射出成形する方法、紫外線硬化型樹脂組成物を
金型内へ注入した後、紫外線を照射して硬化することで
原盤の表面凹凸形状を転写する方法、樹脂板と金型とを
加熱加圧することで型の表面形状を転写する方法などが
ある。これらの製造方法は、量産性、得られる集光シー
トの光学的品質（例えば複屈折性）の良否など各々特徴
を有しており、状況の応じて、製造方法は選ばれる。こ
こでは紫外線硬化法による例を示し、以下その製造工程
を説明する。

【００１４】前述の工程で得られた支持体付き金型原盤
を、フレネル板が形成されている面を上向きにし、紫外
線硬化型樹脂組成物を金型内へ注入する。次にこの上に
30-150μm程度の厚みを有する透明なポリカーボネー
ト、アクリル、ポリエステル、塩化ビニルなどのフィル
ムを貼着し、さらにこの上に厚み 5mm程度の加圧用ガラ
ス板を重ね、その上から紫外線露光装置を用いて 紫外
線硬化型樹脂組成物を硬化させる。加圧用ガラス板を取
り去り、透明基材とともに金型より剥離し本発明の集光
シートは完成する。

【００１５】本発明に使用できる紫外線硬化型樹脂組成
物としてはポリエステル-アクリレート系、エポキシア
クリレート系、ウレタンアクリレート系、などが挙げら
れる。これらの樹脂は、単独あるいは組み合わせで使用
することができるが、硬化性や得られる成形物の光学的
特性（透明性、複屈折性など）、機械的強度などを考慮
して適宜選択することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図４は本発明のバックライト用集
光シートの構造説明図である。図４(a)はシートの一部
を上面から見た図であり、単位正四角形フレネル板４１
が２次元的に最密配列されている様子を示している。図
４(b)は単位正四角形フレネル板４１の拡大図であり、
図４(c)は図４(b)における直線イ-ロに沿った断面構造
図であり、正四角形フレネル板を構成する四角形の各辺
は、実際は線幅を有している。さらに、前記の如く近接
する辺の間隔は内周部から外周部に向かって減少する。
このように構成することにより、単位正四角形フレネル
板の外周部に近くなる程、回折角度が大きくなる。すな
わち単位正四角形フレネル板は凸レンズに似た集光効果
を示すことになる。この単位正四角形フレネル板の集合
体が本発明のバックライト用集光シートであり、指向性
を持った光束で効率良くＬＣＤパネルを照明するもので
ある。

【００１７】

【実施例】以下、実施例を示し、本発明の詳細な内容を
述べる。原画マスク製作、フォトレジストを用いた原盤
製作、ニッケルメッキ原盤製作の工程を経て得た金型
を、前述したアクリル系紫外線硬化型樹脂組成物により
転写して正四角形フレネル板群から成るバックライト用
集光シートを製作した。基体フィルムとしては100μm厚
のポリエステルシートを用いた。365nmを主波長とし、2
0-30 mW/cm² のパワー密度を有する紫外線を 30 秒間
照射し、外形寸法は 20×25cm であり、単位正四角形フ
レネル板は14 個の重心点を共有する相似四角形から成
り、最外正四角形(n=1)の一辺の長さ L は 100μm、最
内正三角形(n=14)では L=8μm であり,両正四角形の間
には、nと一辺の長さ L(μm）とが L= -0.472*n²+100.
472 なる関係で決められる正四角形群が、線幅 0.3μm
の、高さ 1μmの凸状直線で形成された。すなわち、単
位正四角形フレネル板は、正四角形の一辺が 外周部か
ら順に100, 98.6, 96.2, 92.9, 88.7, 83.5, 77.3, 70.
3, 62.2, 53.3, 43.4, 32.5, 20.7, 8.0μm なる14 個
の、重心を共有し、かつ各辺が平行な正四角形群から成
っている。単位正四角形フレネル板内の相似四角形群の
平行な辺の間隔は 外周部から順に 0.7, 1.2, 1.65,
2.1, 2.6, 3.1, 3.5, 4.05, 4.45, 4.95, 5.45,5.9, 6.
35μm であり、外周部に近づくほど線密度が増加してい
る。本実施例のバックライト用集光シートでは、この単
位正四角形フレネル板が 約 500 万個の規則正しく最密
配列された単位正四角形フレネル板を得ることができ
た。

【００１８】上記の工程で作成した集光シートの性能を
以下の如く評価した。集光シートを拡散シートの上に正
四角形フレネル板が形成されている面を上にして設置
し、図４(a)において直線 a-b を含む法線面に沿って測
定角度を変え、集光シートの表面輝度を測定した。その
結果を図５における実線で示した。図中、鉛直方向を 0
°と表している。図４(a)において直線 c-d を含む法線
面に沿って測定角度を変えた場合も、直線 a-b を含む
法線面に沿って測定した結果とほぼ一致した。 比較の
ため、前記図２の２枚プリズムを使用した場合で x 軸
を含む法線面の鉛直方向の測定値で規格化したものであ
り、点線で示した。

【００１９】拡散シート直上での輝度は 1250 cd/m²で
あった。本発明の集光シートの場合、鉛直方向での輝度
は 2405 cd/m² であったのに対し、２枚プリズム（図
２(b)）を用いた場合では 1880 cd/m²であった。以上の
結果から、両者は視野角特性はほとんど同じであったが
輝度に関しては 28 % の向上が達成できた。

【００２０】

【発明の効果】本発明のバックライト用集光シートは、
線幅が一定で、高さ 1-3μm なる断面形状を有する凹も
しくは凸状直線で形成された多数の正四角形が、共通な
重心点を有し、かつ該正四角形の辺が平行であるよう配
置され、最内正四角形との相似比の変化量が、重心点か
らの距離に応じて漸次減少するように構成され、単位正
四角形フレネル板が凸レンズに類似した集光効果を示
し、単位正四角形フレネル板が２次元的に規則正しく透
明基体上に最密配列されているため、本発明のバックラ
イト用集光シート１枚で、従来の２枚の三角柱プリズム
アレーに置き換わるバックライト用集光シートを提供す
ることができる。その機能、すなわち集光効果は従来の
２枚の三角柱プリズムアレー集光シートに比し同等ある
いはそれ以上であった。本発明はこのように輝度向上効
果を得ることができ、さらに、製作工程が従来のプリズ
ム三角柱ものに比べ簡便であり、その結果、低コスト化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のバックライトを示す構造断面図であ
る。

【図２】 (a)は従来のプリズムシートを１枚用いた場
合の集光効果を説明するための図である。(b)は従来の
プリズムシートを２枚用いた場合の集光効果を説明する
ための図である。

【図３】 本発明の作用を説明する図である。

【図４】 本発明のバックライト用集光シートの構造説
明図である。(a)はシートの一部を上面から見た図であ
り、単位正四角形フレネル板が２次元的に細密配列され
ている様子を示す。(b)は単位正四角形フレネル板の拡
大図である。(c)は(b)における直線イ-ロに沿った断面
構造図である。

【図５】 本発明のバックライト用集光シートの輝度分
布測定結果の一例である。

【図６】 図４(a)の拡大図である。

【符号の説明】

１ 蛍光ランプ（光源） ２ 反射体 ３ 楔形の導光板 ４ 光散乱板 ５ 反射体 ６ 拡散シート ７ プリズムシート ２１ 第一のプリズムシート ２２ 第二のプリズムシート ４１ 単位正四角形フレネル板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 線幅が一定で、高さ 1-3μm なる断面形
   状を有する凹もしくは凸状直線で形成された n(n>10)個
   の正四角形が、最外正四角形と共通な重心点を有し、か
   つ該正四角形の各辺が平行であるよう配置され、n番目
   の正四角形と最外正四角形(n=1)との相似比は、n の関
   数で与えられ n の増加に伴い単調に減少するように構
   成された多数の正四角形群から成る単位正四角形フレネ
   ル板が、２次元的に規則正しく透明シート上に最密配列
   されていることを特徴とするバックライト用集光シー
   ト。