KR101422660B1

KR101422660B1 - 마이크로렌즈 어레이 시트

Info

Publication number: KR101422660B1
Application number: KR1020110053420A
Authority: KR
Inventors: 히토무 와타나베; 아츠시 사토; 이상흠; 타카시 타카기; 히데키 이마무라
Original assignee: 제일모직주식회사
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2014-07-23
Also published as: KR20120134495A

Abstract

본 발명은 마이크로렌즈 어레이 시트의 은폐성을 향상시키는 것이 가능한 마이크로렌즈 어레이 시트 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 광을 투과시키는 기판(10)과, 상기 기판(10)의 일 방면에 배치되는 복수개의 단위 렌즈(11)를 포함하되, 상기 단위 렌즈(11) 사이의 간극에 오목한 형상의 곡면인 오목 곡면(12)이 형성되고, 상기 오목 곡면(12)이 단위 렌즈(11)의 광축을 따른 중심축(X)에 대해서 비회전대칭으로 형성된, 백라이트용의 마이크로렌즈 어레이 시트(1)가 제공된다.

Description

마이크로렌즈 어레이 시트{MICROLENS ARRAY SHEET}

본 발명은, 마이크로렌즈 어레이 시트에 관한 것으로서, 특히, 액정표시장치 등의 투과형 표시장치를 배면으로부터 조명하는 조명장치에 사용되는 마이크로렌즈 어레이 시트에 관한 것이다.

액정표시장치(LCD)는, 다른 평판표시장치(FPD)와 달리 자체 발광 디바이스가 아니기 때문에, 냉음극선관(CCFL)이나 LED 등의 조명 장치로부터의 광을 확산판에 의해서 확산시켜, 균일한 조명으로 한 후, 광원의 광의 투과율을 제어함으로써 화상을 형성하고 있다.

최근, LCD TV의 저가격화나 박형화가 요구되어, 광원의 수를 저감시키거나, 광원과 확산판 및 액정 패널과의 사이의 거리를 짧게 하거나 한 결과, 종래와 같이 확산판에 의한 확산만으로는 광원의 명암이 줄무늬 형상으로 투영되어서 보이게 되어 버릴 경우가 있다.

광원의 투영을 방지하기 위해서, 확산판에 흰 점이나 흰 줄무늬를 인쇄하거나, 확산판의 탁도(헤이즈(haze))를 크게 하거나, 또한 확산판을 추가하는 방법 등이 사용되고 있다. 그러나, 흰 점/흰 줄무늬를 인쇄하는 방법은, 광원과의 위치맞춤이 필요하다. 또, 확산판에 후가공으로 인쇄할 필요가 있어서, 제조가 복잡하게 되어, 비용이 상승되는 결과를 낳는다. 한편, 확산판의 헤이즈를 크게 하거나 확산판을 추가하는 방법은 휘도 저하나 비용 상승을 초래할 수 있다.

또한, 휘도를 향상시키기 위해서, 투명 기판 상에 볼록한 형상의 미소한 마이크로렌즈를 복수개 배치한 마이크로렌즈 어레이 시트를 액정표시장치에 이용하는 방법이 있다. 마이크로렌즈 어레이 시트를 이용한 액정표시장치에서는, 광원으로부터 조사된 광이 확산판에서 일단 확산된 후에 마이크로렌즈 어레이 시트에서 평행화되어, 액정 패널에 입사된다.

마이크로렌즈 어레이 시트의 예로서, 이하의 특허문헌 1 내지 4를 들 수 있다. 특허문헌 1 내지 4에 기재된 마이크로렌즈 어레이 시트는, 투명 평판에 볼록한 형상의 곡면 형상의 마이크로렌즈가 복수개 배치되어 있다.

한편, 특허문헌 5에는, 볼록한 형상의 곡면 형상 사이에 오목한 형상의 곡면 형상을 형성한 렌티큘러(lenticular) 렌즈 시트가 기재되어 있지만, 일 방향으로 일정 단면을 가진 원통형 렌즈가 적용되고 있다.

또한, 특허문헌 6 및 7에는, 광의 이용 효율을 향상시키기 위해서 마이크로렌즈 어레이 시트의 렌즈 형상을 비구면 형상으로 하는 것이 개시되어 있다. 이들 비구면 형상의 마이크로렌즈는 렌즈의 아래쪽(즉, 기슭)이 오목한 형상의 곡면 형상으로 형성되어 있지만, 이들 발명은 개구부(수광부)로 유도하는 광의 이용률을 향상시키는 것이 목적이므로, 이들 오목형 곡면부에 있어서도, 마이크로렌즈와 중심축을 공유하는 회전대칭으로 형성되어 있다.

일본국 특표2008-527627호 공보 일본국 특표2006-500621호 공보 일본국 공개특허 제2005-55485호 공보 일본국 공개특허 평3-73954호 공보 일본국 공개특허 평11-38203호 공보 일본국 공개특허 제2002-122707호 공보 일본국 공개특허 평4-303801호 공보

마이크로렌즈 어레이 시트는, 통상, 휘도 향상을 위하여 이용되지만, 백라이트(backlight)의 CCFL에 기인한 명암반(明暗斑)이 보이지 않도록 하는 작용(은폐성)에 대해서는, 오로지 확산판 등에 의지하고, 마이크로렌즈 어레이 시트에 그러한 기능을 갖게 하는 것은, 특허문헌 1 내지 7에는 전혀 기재되어 있지 않다.

또, 특허문헌 5에 기재된 렌티큘러 렌즈는, 백라이트용이 아니라, 금형으로부터의 이형이나 금형 수명을 목적으로 하고 있어, 은폐성에 관해서는 언급되어 있지 않다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 은폐성이 향상되어 백라이트의 명암반을 높은 레벨로 저감시키는 것이 가능한 마이크로렌즈 어레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이는, 광을 투과시키는 기판과, 상기 기판의 일 방면에 배치되는 복수개의 단위 렌즈를 포함하되, 상기 단위 렌즈들 사이의 간극에 오목한 형상의 곡면인 오목 곡면이 형성되고, 상기 오목 곡면이 단위 렌즈의 광축을 따른 중심축에 대해서 비회전대칭으로 형성된, 백라이트용의 마이크로렌즈 어레이 시트이다.

전술한 바와 같이 구성된 마이크로렌즈 어레이에 의하면, 단위 렌즈들 사이의 간극에 형성되는 오목 곡면이, 단위 렌즈의 중심축에 대해서 비회전대칭으로 형성되어 있기 때문에, 단위 렌즈의 중심축으로부터의 방향을 따라서 다른 폭을 가진 간극에 대응해서, 넓은 범위에 오목 곡면을 형성할 수 있다. 이것에 의해, 간극이 평탄하다면 간극부로부터 그대로 빠져나가는 광을 굴곡시킬 수 있어, 마이크로렌즈 어레이 시트의 은폐성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 액정표시장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 마이크로렌즈 어레이 시트를 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 실시형태에 따른 마이크로렌즈 어레이 시트를 나타낸 것으로, (A)는 확대 평면도, (B)는 (A)의 B-B선을 따른 단면도, (C)는 (A)의 C-C선을 따른 단면도이다.
도 4는 본 실시형태에 따른 마이크로렌즈 어레이 시트의 다른 예를 나타낸 평면도이다.
도 5는 성형 금형을 제작할 때를 나타낸 부분 확대 사시도이다.
도 6은 본 실시형태에 따른 마이크로렌즈 어레이 시트 내를 투과하는 광을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 7은 단위 렌즈 및 오목 곡면의 단면을 기하학적으로 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 8은 단위 렌즈가 육방 배열의 마이크로렌즈 어레이 시트의 확대 평면도이다.
도 9는 단위 렌즈가 정방 배열의 마이크로렌즈 어레이 시트의 확대 평면도이다.
도 10은 마이크로렌즈 어레이 시트의 면적비율에 대한 상대휘도의 관계의 시뮬레이션 결과 및 실측치를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 실시형태에 따른 마이크로렌즈 어레이 시트 내를 투과하는 광을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 12는 단위 렌즈가 랜덤 배열된 마이크로렌즈 어레이 시트의 평면도이다.
도 13은 큰 단위 렌즈 사이에 작은 단위 렌즈가 배열된 마이크로렌즈 어레이 시트의 평면도로, (A)는 정방 배열, (B)는 육방 배열, (C)는 랜덤 배열을 나타낸 것이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 또, 도면의 치수비율은, 설명을 용이하게 하기 위해 과장될 수 있으며, 실제의 비율과는 다를 수 있다.

본 실시형태에 따른 마이크로렌즈 어레이 시트(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 액정표시장치(9)에 사용되는 것이다. 상기 액정표시장치(9)는 반사판(2), 광원인 백라이트(3), 광을 확산시키는 확산판(4), 확산판(4)을 통과한 광을 평행화시키는 마이크로렌즈 어레이 시트(1) 및 액정 패널(5)을 구비하고 있다. 본 실시형태에 있어서의 마이크로렌즈 어레이 시트(1)는, 액정표시장치(9)의 액정 패널(5)의 배면에 배치되어 있어, 휘도 향상 및 시야각 제어를 위하여 사용된다.

본 마이크로렌즈 어레이 시트(1)는, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 기판(10)과, 상기 기판(10)의 일 방면에 설치된 복수개의 단위 렌즈(11)를 구비하고 있고, 상기 기판(10) 및 상기 단위 렌즈(11)는 광을 투과시키는 재료로 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서의 단위 렌즈(11)는 기판(10) 상에 육방 배열로 배치된다.

상기 단위 렌즈(11)는, 정상부 근방이 대략 반구형상인 볼록한 형상의 곡면으로 형성되어 있고, 단위 렌즈(11)들 사이의 간극에는 오목한 형상의 곡면으로 형성되는 오목 곡면(12)이 형성되어 있다.

상기 기판(10)은, 예를 들어, 아크릴계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리스타이렌계 수지, 염화비닐계 수지 또는 폴리올레핀계 수지 등으로 형성되지만, 재료는 이들로 한정되지 않는다.

상기 단위 렌즈(11)는, 예를 들어, 우레탄 아크릴레이트계의 자외선 경화성 수지로 형성될 수 있지만, 재료는 이들로 한정되지 않는다. 또, 기판(10)과 단위 렌즈(11)를 동일 재료로 일체적으로 제작할 수도 있다.

상기 오목 곡면(12)은, 기판에 있어서의 단위 렌즈(11) 사이의 간극부(13)에, 평탄한 면으로 형성되는 평탄부가 가능한 한 형성되지 않도록 하기 위해서, 각각의 단위 렌즈(11)의 광축 방향의 중심축(X)에 대해서, 비회전대칭으로 형성되어 있다. 이와 같이, 비회전대칭성을 구비함으로써 단위 렌즈(11)의 중심축(X)으로부터의 방향을 따라서 다른 폭을 가진 간극부(13)에 대응해서, 광범위하게 오목 곡면(12)을 형성할 수 있고, 간극부(13)에 생기는 평탄부의 면적을 최대한 감소시켜, 바람직하게는, 마이크로렌즈 어레이 시트(1)의 전체 면적에 대해서 1% 이하로 억제된다. 1% 이하이면, 0%인 경우와 비교해도 휘도 및 은폐성에 거의 영향은 없는 것으로 여겨진다.

본 실시형태에서는, 단위 렌즈(11)가 육방 배열로 배치되어 있기 때문에, 도 3(A)에 나타낸 바와 같이, 인접한 단위 렌즈(11) 사이에 능선(14)이 형성되고, 인접한 3개의 단위 렌즈(11)와, 상기 3개의 단위 렌즈(11) 사이의 3개의 능선(14)에 의해서 둘러싸여, 오목영역(15)이 형성된다(도 3(A)의 2점 쇄선에 의한 사선부 참조). 오목영역(15)의 중심에는 가장 깊은 최하부(16)가 형성된다. 상기 최하부(16)는, 한점으로 형성되는 것이 바람직하지만, 미소한 평면의 영역(평탄부)으로 형성될 수도 있다. 또, 각각의 능선(14)의 중심에도 가장 낮은 저점(17)이 존재하고, 이 저점(17)이 전술한 오목영역(15)의 최하부(16)보다도 높은 위치에 형성된다.

예를 들어, 도 3(A)의 B-B선을 따른 단면(도 3(B) 참조)에 있어서의 오목 곡면(12)의 곡률반경(Rb)과 C-C선을 따른 단면(도 3(B) 참조)에 있어서의 오목 곡면(12)의 곡률반경(Rc)은, 단위 렌즈(11)의 중심축(X)으로부터의 거리가 같더라도 동일해서는 안된다. 이 경우, C-C단면에 있어서의 곡률반경(Rc)에 대해서, B-B단면에 있어서의 곡률반경(Rb)이 커지게 된다. 즉, 간극부(13)의 폭이 넓은 단면에 있어서 곡률반경을 크게 형성함으로써, 간극부(13)의 넓은 범위를 오목 곡면(12)으로 하는 것이 가능하다.

또, 본 실시형태의 다른 예로서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 단위 렌즈(11A)가 정방 배열로 배치될 수 있다. 이 경우, 인접한 4개의 단위 렌즈(11A)와, 상기 4개의 단위 렌즈(11A) 사이의 4개의 능선(14A)에 의해서 둘러싸여, 오목영역(15A)이 형성되고, 이 오목영역(15A)의 중심에는 가장 깊은 최하부(16A)가 형성된다. 또한, 각각의 능선(14A)의 중심에도, 가장 낮은 저점(17A)이 존재하고, 이 저점(17A)은 오목영역(15A)의 최하부(16A)보다도 높은 위치에 형성된다. 단위 렌즈(11A)의 중심축(X)과 최하부(16A)를 통과하는 단면에 있어서의 오목 곡면(12A)의 곡률반경(Rb)은, 능선(14A)을 따른 곡률반경(Rc)보다도 크다.

다음에, 본 실시형태에 따른 마이크로렌즈 어레이 시트(1)의 제조방법에 대해서 설명한다.

본 실시형태에 따른 마이크로렌즈 어레이 시트(1)는, 기본 금형을 제작하고, 압출 성형법, UV경화 성형법 등에 의해 제조할 수 있다. 이때, 각각의 단위 렌즈(11)의 기슭부의 오목 곡면(12)은, 평판 형상의 기판에 단위 렌즈를 성형한 제조물에 후가공으로 오목면 가공을 형성하는 것도 제조가능하지만, 성형 금형에 미리 마이크로렌즈 어레이 시트(1)의 완성품의 형상을 전사해둠으로써, 오목 곡면(12)의 형상이 항상 일정해져, 광학성능이 안정적으로 되고, 또한 오목 곡면(12)의 존재에 의해서 성형 금형으로부터의 이형이 용이해지므로 바람직하다.

이러한 성형 금형의 제조방법의 일례를 이하에 나타낸다.

우선, 구리 등의 금속으로 이루어진 평판 또는 롤에, 기계 가공, 레이저 가공 또는 에칭 등의 방법에 의해, 단위 렌즈의 반대형상(대략 반구 형상의 움푹 패인 형상)의 배열을 형성하고, 평판 성형 금형 또는 롤 성형 금형을 제작한다.

다음에, 평판 성형 금형 또는 롤 성형 금형의 대략 반구 형상의 움푹 패인 부분(21)에, 도 5에 나타낸 바와 같이, 움푹 패인 부분(21)의 개구부 측을 다소 노출시켜서 레지스트(22)를 충전시킨다. 이것에 의해, 성형 금형은, 평탄한 면의 테두리에 예각의 모서리부(23)가 형성된 볼록형 평탄부(24)가, 레지스트(22)로부터 노출된 상태로 된다. 이어서, 이 볼록형 평탄부(24)의 모서리부(23)를 에칭에 의해 부식시켜, 볼록형 평탄부(24)를 볼록한 형상의 매끄러운 곡면으로 가공한다. 이때, 성형 금형의 레지스트(22)에 덮여 있는 부분은, 레지스트(22)에 의해 보호되어 부식되지 않는다. 따라서, 3개의 움푹 패인 부분(21)에 둘러싸여 볼록형 평탄부(24)의 폭이 넓은 부분은, 2개의 움푹 패인 부분 사이에 끼여 있는 폭이 좁은 부분보다도 부식되기 어려워, 폭이 넓은 부분의 중앙부가 높게 형성된다.

그 후, 레지스트(22)를 제거하고, 금형 표면의 보호와 형상 표면의 평활화를 위하여, 성형 금형의 표면에 크롬이나 니켈 등을 도금한다.

에칭액의 농도, 온도 또는 시간 등의 조건에 의해, 부식 정도를 조정하고, 평탄부의 나머지 상태(면적비율)나, 오목면 형상의 정도를 조정할 수 있다. 에칭액에는, 사용하는 판의 금속종에 따라서, 산이나 알칼리 등을 사용한다. 또, 액에 의한 에칭 대신에, 샌드 블라스트 등을 사용해도 된다. 이 경우, 전술한 단순히 평탄면을 거칠게 하는 것이 목적인 샌드 블라스트가 아니라, 마무리한 면 특성이 경면(鏡面)에 가까운(면 조도가 작은) 곡면으로 하기 위해서, 결이 거친 것으로부터 미세한 것으로 몇 단계로 나누어서 샌드 블라스트를 행하는 것이 바람직하다.

또한, 볼록형 평탄부(24)의 모서리부(23)를 제거하기 전의 모형(母型)으로는, 평판 또는 필름 시트의 한쪽 면에 접착제 또는 점착제를 균일하게 도포하고, 그 위에 미소구(微小球)를 나열한 것이므로, 전기주조 등의 방법으로 복제한 것을 사용해도 된다.

본 실시형태와 같이, 단일 크기의 단위 렌즈(11)가 규칙적으로 배열되어 있을 경우, 그중에서도 특히 육방 배열의 경우, 간극부(13)도 극히 균일한 크기로 극히 균일하게 분포되어 있기 때문에, 비교적 용이하게, 균일한 오목 곡면(12)을 형성할 수 있다.

한편, 단위 렌즈가 불규칙하게 배열되어 있거나, 단위 렌즈의 크기가 분포를 갖고 있을 경우에는, 간극부도 불규칙하기 때문에, 면적이 넓은 간극부에 평탄부가 남지 않도록 하기 위해서, 규칙적으로 배열된 마이크로렌즈 어레이 시트(1)와 비교해서, 오목 곡면을 형성하는 에칭 공정을 보다 많이 실시하지 않으면 안된다. 이 경우, 면적이 좁은 간극부 주변의 단위 렌즈가 지나치게 깎여서 영향을 받을 가능성이 있으므로, 이러한 현상을 고려해서 제작하는 것이 바람직하다.

이와 같이 가공함으로써, 오목 곡면(12)으로의 가공 전의 볼록형 평탄부(24)의 평탄한 면이 가장 남기 쉬운 최하부(16)에 남는 평탄부의 면적비를, 전체의 1% 이하로 하는 것도 가능해진다. 이 평탄부는, 레이저 현미경이나 SEM 등의 정밀 현미경으로 표면을 관찰했을 때, 오목면 처리가 되지 않고 남겨진 부분으로서 관찰된다. 평탄부의 면적비를 0%로 하기 위해서는, 볼록형 평탄부(24)의 평탄한 면이 완전히 없어질 때까지 가공할 필요가 있으므로, 볼록형 평탄부(24)를 지나치게 깎을 가능성이 있지만, 1% 이하로 설정함으로써 렌즈에 영향을 최저한으로 억제할 수 있다.

본 실시형태에 따른 마이크로렌즈 어레이 시트(1)에 대해서 더욱 상세히 설명한다.

단위 렌즈(11)의 크기(직경)는 40 내지 200㎛, 바람직하게는, 60 내지 80㎛이다. 32형의 풀(Full) HD(고선명) TV의 화소가 약 0.37㎜이다. 이 화소의 크기는, 화면의 세로의 길이의 3배의 거리로부터 관찰했을 때, 시력 1.0인 사람의 해상 한계와 거의 동등하다. 이때, 각각의 화소 내의 RGB를 구획 짓는 블랙 마스크("블랙 매트릭스"라고도 칭함)의 피치는 약 0.123㎜이다. 또, PC 모니터에서는, 22형으로 풀 HD의 블랙 마스크는 약 85㎛로 되어 있어, 단위 렌즈의 크기(직경)는 이들보다도 작게 할 필요가 있다. 한편, 대략 반구 형상의 단위 렌즈가 규칙적으로 배열된, 마이크로렌즈 어레이의 배열 주기가 다른(이에 따라, 단위 렌즈의 직경이 변함) 복수개의 마이크로렌즈 어레이 시트를 제작해서, 백색의 투과광을 비교 관찰했을 때, 백색광이 무지개 형상으로 색이 분해되어 관찰된다. 이때, 마이크로렌즈 어레이의 배열 주기가 작을수록 무지개가 강하고, 배열 주기가 60㎛에서도 약하지만, 또한 무지개가 관찰되며, 80㎛에서 거의 관찰되지 않게 된다. 단위 렌즈의 형태는, 마이크로렌즈 어레이의 배열 주기에 관계없이 대략 반구 형상으로 상사형이기 때문에, 이 무지개는, 광의 굴절의 색수차에 의한 것이 아니라 회절에 의한 것으로 여겨진다. 이 회절에 의한 광의 산란 때문에, 배열 주기가 80㎛ 이하에서는, 가령 단위 렌즈의 형태는 상사형이어도, 배열 주기가 작아질수록, 마이크로렌즈 어레이 시트의 휘도 향상 효과는 약해진다. 배열이 불규칙한 경우에 있어서도, 무지개는 관찰되지 않지만 회절이 없어지고 있는 것은 아니고, 회절된 광끼리 하얗게 혼합되어 있을 뿐이다. 따라서, 마이크로렌즈 어레이의 배열 주기는 60 내지 80㎛의 범위에서, 블랙 마스크와의 무아레 등을 감안해서 결정하는 것이 바람직하다. 또, 배열이 불규칙한 경우에도, 단위 렌즈의 직경이 60 내지 80㎛로, 가능한 한 80㎛에 가깝게 하는 것이 바람직하다. 또한, 단위 렌즈의 배열 주기에 대한 직경의 비는 90 내지 95%로 하는 것이 바람직하다. 90% 이하에서는, 간극부(13)의 면적이 지나치게 넓어, 성형 금형의 오목 곡면화 공정에 있어서, 평탄부를 없애는 것이 곤란해지고, 95% 이상인 경우에는, 단위 렌즈 간의 간격이 좁기 때문에, 성형 금형의 오목 곡면화 공정에서 벽이 소실될 가능성이 높다.

평탄부를 샌드 블라스트 등의 방법으로 조면화(粗面化)하는 방법의 경우 은폐성을 향상시키는 것이 가능하지만, 조면화하는 방법은 성형 시의 이형성을 악화시키거나, 또한 휘도가 저하될 수 있다. 이에 비해, 본 발명의 오목 곡면화하는 방법은, 이형성이 악화되는 일은 없고, 또, 후술하는 바와 같이 오목 곡면(12)에서도 투과하는 광을 굴곡시킬 수 있으므로, 휘도 저하도 조면화하는 방법에 비해서 낮게 억제하는 것이 가능하다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 마이크로렌즈 어레이 시트(1)의 평탄한 이면(18)으로부터 입사한 광(입사각(ζ)의 광 참조)은 굴절되므로, 임계각보다 큰 광이 존재하지 않는다. 한편, 마이크로렌즈 어레이 시트(1)의 단위 렌즈(11)로부터 표면 쪽으로 출사하는 광(입사각(γ)의 광 참조)도, 임계각 이상의 각도의 광은 전반사되어 출사되지 않는다. 대략 반구형상의 단위 렌즈(11)의 경우, 한번 전반사된 광은 다음 입사면에서도 전반사되어서, 이 렌즈로부터 출사할 수 없어 이면 쪽으로 돌아와 버린다. 굴절률(n)의 재료에 있어서, 임계각은 sin^-1(1/n)으로 된다. 단위 렌즈(11)의 측면에 있어서의 정상부로부터의 각도를 δ라 하면, δ = γ+ζ가 성립되므로, 입사각(ζ)과 입사각(γ)이 모두 임계각으로 되는 δ = 2·sin^-1(1/n)보다 큰 각도의 부분을 오목 곡면(12)으로 해도, 렌즈의 기능은 저하되지 않아, 휘도 저하는 생기지 않는다.

또, 실제의 마이크로렌즈 어레이 시트(1)의 단위 렌즈(11)의 형상에서는, 오목 곡면(12)의 개시 각도(단위 렌즈(11)의 측면과 접하는 부위의 각도)는, 각도 δ = 2·sin^-1(1/n)보다 다소 작은 각도라도(정상부 방향 쪽까지 오목면 처리되어도), 오목 곡면(12)의 단위 렌즈(11)와의 경계 부근의 각도는, 처리되기 전과 처리한 후에 큰 차이는 없기 때문에, 렌즈의 기능에 큰 변화는 없다.

도 7은 단위 렌즈(11)의 중심축(X)과 오목 곡면(12)의 최하부(16)를 통과하는 단면을 나타낸다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 단위 렌즈(11)의 반경을 r, 단위 렌즈(11)끼리 접하는 것으로 가정했을 때의 단위 렌즈(11)의 반경을 ro, r과 ro의 비를 α(r = αro, 0 ≤α≤ 1), 오목 곡면(12)의 반경을 a, 단위 렌즈(11)의 중심축(X)과 오목 곡면(12)의 중심점과의 거리를 βro, 단위 렌즈(11)의 중심축(X)과 오목 곡면(12)의 최하부(16)를 통과하는 단면에 있어서의 오목 곡면(12)의 높이를 h라 하여, 단위 렌즈(11)의 중심점(O)이 최하부(16)보다 b만큼 낮고, 단위 렌즈(11)의 높이와 단위 렌즈(11)의 반경의 비를 ε(0 ≤ε≤ 1)라 하면, 이하의 수학식 1이 성립한다:

또, 이하의 수학식 2로 된다.

오목 곡면(12)의 높이(h)에 대해서는, 이하의 수학식 3으로 된다:

규칙적인 육방형의 가장 조밀한 배열의 경우에서는, 3개의 단위 렌즈(11)로 둘러싸인 오목영역(15)의 중앙(최하부(16))과, 단위 렌즈(11)의 중심(O)의 거리(L)는, 도 8과 같이, L = 2/√3·ro로 되고, β = 2/√3이다.

또한, 규칙적인 정방 배열의 경우에서는, 도 9와 같이, 4개의 단위 렌즈(11A)로 둘러싸인 오목영역(15A)의 중앙(최하부(16A))과, 단위 렌즈(11A)의 중심의 거리(L)는 L = √2·ro가 되고, β = √2이다.

이것을 상기 수학식 1 내지 3에 대입하고, 비율(α)을 0.75에서 1까지 0.05피치로, a/r, h/ar, θ 및 렌즈의 면적의 비율(FF)을 계산한 값을 이하의 표에 나타낸다. 또한, 면적비율(FF)은, 단위 렌즈(11)의 반경을 r로 했을 때 단위 렌즈(11)가 차지하는 면적의 비율이다.

한편, 도 6에서 설명한 임계각으로부터, 휘도가 저하하지 않는 θ의 범위는 90°-δ이기 때문에, 단위 렌즈(11)를 구성하는 재료의 굴절률이 n = 1.5~1.6인 것으로 고려하면, θ = 6.4∼12.6°이다. 이것보다 다소 큰 각도라도 영향이 없는 것으로 하면, 상기 표로부터, 육방 배열에 있어서는, a/r는 30% 정도 이내, h/εr는 25% 정도 이내로 하는 것이 바람직하다.

또한, 도 10에는 마이크로렌즈 어레이 시트의 면적비율에 대한 상대휘도의 관계의 시뮬레이션 결과 및 실측치를 나타낸다. 도 10에서는, 선에 의해 시뮬레이션 결과를 나타내고, 플롯에 의해 실측치를 나타내고 있다. 여기에서 상대휘도란, 확산판만으로 마이크로렌즈 어레이 시트가 없을 경우에 있어서의 휘도를 1이라 했을 때의 휘도의 상대값이다.

본 시뮬레이션에서는, 람베르트(Lambert) 확산을 가정한 확산판 상에 마이크로렌즈 어레이 시트를 배치했을 때의, 단위 렌즈의 면적의 총합이 마이크로렌즈 어레이 시트(1)의 면적에 차지하는 면적비율(FF)에 대한 상대휘도를 산출하였다. 시뮬레이션은, 단위 렌즈의 렌즈 반경(R)에 대한 렌즈 높이(H)의 비(H/R)를 1이라 했을 경우와, (H/R)을 0.9라 했을 경우의 2가지를 행하였다.

또한, 시뮬레이션에 있어서의, 백라이트의 광의 재이용 효율은, 확산판과 백라이트의 반사판을 조합시킨 것의 확산반사율의 측정치인 80%를 가정하였다.

또, 상대휘도의 실측치는, 실제로 제작한 마이크로렌즈 어레이 시트를 백라이트 상에서 확산판 위에 배치한 경우의 실측치이며, 육방 배열에서 H/R = 0.95, 육방 배열에서 H/R = 0.9, 정방 배열에서 H/R = 0.9인 경우의 3가지를 행하였다.

결과로서, 도 10에 나타낸 바와 같이, FF의 상승과 함께 상대휘도도 상승하지만, 상대휘도의 상승률은 FF가 80%를 넘은 부근에서 둔해지는 것이 확인되었다.

이와 같이, 면적비율(FF)은 80% 정도면, 그 이상 면적비율(FF)을 올려도 휘도는 그만큼 향상되지 않는다. 그리고, 면적비율(FF)이 80% 정도로 되는 것은, 상기 표 1에 나타낸 ε = 1인 경우의 계산 결과로부터, 육방 배열일 때는 a/r이 24% 정도, h/r이 20% 정도일 때이다.

한편, 정방 배열인 경우에는, 단위 렌즈(11A)끼리 접촉하는 조건인 α = 1인 경우에도 면적비율(FF)이 80%에 도달하지 않지만, 이 α가 최대의 조건인 경우에 a/r이 50% 정도, h/r이 33% 정도이다.

따라서, H/R = 1(ε = 1)이며, 오목영역(15)의 중앙에 위치하는 최하부(16)가, 가공 전의 평탄부를 면적이 한없이 작아지도록 남아 있는(최하부(16)의 높이가 에칭 전의 높이와 동등한) 것으로 하면, 오목 곡면(12)의 높이(h)는 단위 렌즈(11)의 높이(반경)(r)의 10∼35%로 하고, 오목 곡면(12)의 곡률반경은 단위 렌즈(11)의 반경(r)의 10∼50%, 더 바람직하게는 15∼45%의 곡률반경에 근사할 수 있는 오목 곡면으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 값으로 함으로써, 면적비율(FF)을 높게 유지해서 휘도를 유지하면서, 오목 곡면(12)에 의해서 은폐성을 향상시킬 수 있다.

또, H/R = 1이 바람직하지만, 실제의 마이크로렌즈 어레이 시트(1)의 H/R이 0.9 정도라고 하면, 오목 곡면(12)의 곡률반경의 상한치는 10% 정도 커지는 것으로 생각된다.

표 2에 나타낸 ε = 0.95인 경우에서는, 면적비율(FF)이 80% 정도 이상으로 되는 것은, 육방 배열일 때는 a/r이 31% 정도 이하, h/εr이 24% 정도 이하일 때이며, 이러한 조건을 충족시키는 것이 휘도의 유지 및 은폐성의 향상에 바람직하다.

한편, ε = 0.95에서 정방 배열인 경우에는, 단위 렌즈(11A)끼리 접촉하는 조건인 α = 1인 경우에도 면적비율(FF)이 80%에 도달하지 않지만, 이 α가 최대의 조건인 경우에 a/r이 58% 정도, h/εr이 37% 정도이다.

또한, 표 3에 나타낸 ε = 0.9인 경우에서는, 면적비율(FF)이 80% 정도 이상으로 되는 것은, 육방 배열일 때는 a/r이 38% 정도 이하, h/εr이 27% 정도 이하일 때이며, 이러한 조건을 만족시키는 것이 휘도의 유지 및 은폐성의 향상에 바람직하다.

한편, ε = 0.9에서 정방 배열인 경우에는, 단위 렌즈(11A)끼리 접촉하는 조건인 α = 1인 경우에도 면적비율(FF)이 80%에 도달하지 않지만, 이 α가 최대인 조건의 경우에 a/r이 66% 정도, h/εr이 40% 정도이다.

본 실시형태에 따른 마이크로렌즈 어레이 시트(1)에 의하면, 단위 렌즈(11) 사이에, 단위 렌즈(11)의 중심축(X)에 대해서 비회전대칭인 오목 곡면(12)이 형성되어 있기 때문에, 단위 렌즈(11)의 중심축(X)으로부터의 방향을 따라서 다른 폭을 가진 간극에 대응해서, 넓은 범위에 오목 곡면(12)을 형성할 수 있다. 이것에 의해, 도 11에 나타낸 바와 같이, 간극이 평탄하다면 간극부(13)로부터 그대로 빠져나가는 광(도 11의 점선 화살표 참조)을 굴곡시킬 수 있어, 마이크로렌즈 어레이 시트(1)의 휘도를 확보하면서 은폐성을 향상시킬 수 있다.

[실시예]

실시예로서, 직경 56㎛의 단위 렌즈를 피치 60㎛로 육방 배열로 배치한 마이크로렌즈 어레이 시트를 제작하였다. 또, 비교예로서, 단위 렌즈의 직경 및 피치가 실시예와 마찬가지로 간극부가 평탄한 것(비교예 1) 및 간극부에 샌드 블라스트법에 의해 Ra = 0.3㎛인 매트 처리를 실시한 것(비교예 2)을 제작하였다.

기판의 재료는 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 하고, 단위 렌즈의 재료는 우레탄 아크릴레이트계의 자외선 경화성 수지로 하였다.

실시예 및 비교예에 따른 마이크로렌즈 어레이 시트의 광학특성을 JIS K7105-1981, K7374에 의거해서 계측하였다. 그 결과를 하기 표에 나타낸다. 사상성의 계측에는, 투과법에 의한 장치를 이용하여, 광학 빗살의 암부와 명부의 폭을 2.0㎜로 하였다. 또, 은폐성은 육안으로 관찰하였다. 또한, 상대휘도는 비교예 1의 결과를 1이라 했을 경우의 상대값이다.

실시예의 마이크로렌즈 어레이 시트는, 오목 곡면을 구비하고 있지 않은 비교예 1과 비교해서 휘도가 저하하는 일 없이, 또한 은폐성이 향상되었다. 또, 헤이즈도 상승하고, 사상성의 값도 낮아지고 있는 점으로부터도, 마이크로렌즈 어레이 시트의 은폐성의 기능이 향상되어 있는 것을 확인할 수 있다.

한편, 샌드 블라스트에 의해 은폐성을 향상시킨 비교예 2에 있어서는, 은폐성은 비교예 1보다 양호해지고 있지만, 실시예의 마이크로렌즈 어레이 시트보다도 뒤떨어지고, 또한, 상대휘도가 저하하였다.

또한, 본 발명은 전술한 실시형태로 한정되는 것이 아니라, 특허청구범위의 범위 내에서 여러 가지로 변경할 수 있다. 예를 들어, 본 실시형태에서는 단위 렌즈(11), (11A)는 육방 배열 또는 정방 배열이지만, 도 12에 나타낸 바와 같이, 랜덤 배열로 단위 렌즈(11B)가 배열되어도 되고, 배열 방법은 한정되지 않는다. 특히, 불규칙한 배열인 경우, 단위 렌즈가 커도, 액정 패널의 화소와의 사이에서, 무아레가 생기기 어려워 바람직하다. 또, 다수 설치된 단위 렌즈의 크기가 각각 달라도 된다. 또한, 도 13(A) 내지 도 13(C)에 나타낸 바와 같이, 육방 배열, 정방 배열 또는 랜덤 배열의 분포를 갖는 큰 단위 렌즈(11C)∼(11E) 사이에, 별도의 분포를 갖는 작은 단위 렌즈(11F)∼(11H)가 배열된 마이크로렌즈 어레이 시트의 간극부를 오목 곡면으로 해도 된다.

1, 30: 마이크로렌즈 어레이 시트 2: 기판
11, 11A∼11H, 31: 단위 렌즈 12, 12A, 32: 오목 곡면
13, 13A, 33: 간극부 14, 14A: 능선
15, 15A: 오목영역 16, 16A: 최하부
17, 17A: 저점 a: 오목 곡면의 반경
h: 오목 곡면의 높이 r: 단위 렌즈의 반경
Rt: 능선의 곡률반경 Rc: 최하점의 곡률반경
X: 중심축

Claims

광을 투과시키는 기판; 및
상기 기판의 일 방면에 배치되는 복수개의 단위 렌즈를 포함하되,
인접한 2개의 단위 렌즈 사이의 간극에 오목한 형상의 곡면인 오목 곡면이 형성되고, 상기 오목 곡면이 단위 렌즈의 광축을 따른 중심축에 대해서 비회전대칭으로 형성되고,
인접한 상기 단위 렌즈들 사이에 능선이 형성되고,
인접한 적어도 3개의 단위 렌즈 사이에 상기 적어도 3개의 단위 렌즈 및 상기 능선에 의해 둘러싸인 오목 영역이 형성된 것을 특징으로 하는,
백라이트용의 마이크로렌즈 어레이 시트.
제1항에 있어서, 상기 단위 렌즈의 중심축과 상기 오목 영역의 가장 깊은 최하부를 통과하는 단면에 있어서의 상기 오목 곡면의 곡률반경이 상기 능선을 따른 단면의 곡률반경보다도 큰 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이 시트.
제1항에 있어서, 상기 단위 렌즈의 중심축과 상기 오목 곡면의 가장 깊은 최하부를 통과하는 단면에 있어서의 상기 오목 곡면의 높이가 상기 단위 렌즈의 반경의 10% 이상 35% 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이 시트.
제1항에 있어서, 상기 단위 렌즈의 중심축과 상기 오목 곡면의 가장 깊은 최하부를 통과하는 단면에 있어서의 상기 오목 곡면의 곡률반경이 상기 단위 렌즈의 반경의 10% 이상 50% 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이 시트.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단위 렌즈 사이에 존재하는 평탄부의 면적비율이 마이크로렌즈 어레이 시트의 전체면적에 대해서 1% 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이 시트.