JP5021182B2

JP5021182B2 - 薄型面光源素子の製造方法

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Publication number: JP5021182B2
Application number: JP2005146887A
Authority: JP
Inventors: 敦長澤; 克也藤澤
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: JP2006323183A

Description

本発明は、携帯電話、ＰＤＡ、ビデオカメラ、カーナビゲーションシステム、パーソナルコンピュータ、コンピュータ用モニタ、テレビ受像機、広告用看板などに利用される薄型面光源素子およびその製造方法、並びにそれを用いた液晶表示装置に関する。

携帯電話、ＰＤＡ、ビデオカメラなどの小型表示装置やカーナビゲーションシステム、パーソナルコンピュータ、コンピュータ用モニタ、テレビ受像機、広告用看板などの中大型表示装置として広く使用されるようになった液晶ディスプレイは、面状に光を発する面光源素子（バックライト）と映像情報を与える透過型または半透過型の液晶表示パネルとで構成され、該液晶表示パネルが与えた映像情報により光の透過率がコントロールされることによって文字および映像が表示される。

面光源素子に関する従来の技術として、導光体から光を出射するために散乱反射を利用する方式があるものの、これは出射光の角度分布は広がり過ぎるために正面方向には低い輝度しか得られない（特許文献１参照）。このため高輝度化を図る際には線状プリズムを多数配列したプリズムシートなどで代表される出射角度をコントロールする集光部材を用いる必要がある。しかしながら、これらの部品を用いる場合には、高コスト化や面光源素子の厚みが増すといった問題が生じる。

これに対して、導光体を薄型化することにより面光源素子を作製する方法がいくつか提案されている。特許文献２では導光体と反射層および光制御層からなる面光源素子が例示されており、該導光体の厚みは０.０５ｍｍから０．９ｍｍまでとされている。該発明によれば面光源素子の厚みを薄型化することは可能であるが、該面光源素子から光が発される原理については何ら明示されていないため、実現の可能性は乏しいと思われる。

また、特許文献３では面光源素子の剛性を確保するために使用していた金属フレームを省き、該面光源素子を樹脂フィルムで挟持することにより剛性を付与することで薄型化を達成可能とされているが、特許文献２と同様に面光源素子からの発光原理が不明確である。

更に、特許文献４では薄型で柔軟な導光体の裏面に、微小な凹凸パターンや拡散反射インクの印刷パターンなどからなる拡散パターンが設けられ、更に正反射シートが貼り付けられている。該発明によれば拡散パターンおよび正反射シートの設けられた部分でのみ発光させることができ、ポリカーボネートやポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンなどのシートを導光体として用いることで、柔軟な面光源素子を得ることができる。該方法であれば面光源素子の発光は確認できるものの、出射光には指向性が無いため正面方向への出射光の明るさは低いという課題を有している。また、指向性を付与するためにプリズムシートなどを併用することも考えられるが、その場合、部材数が多くなる上、厚みも増加することから好ましくない。

特開２００１−４３７１６号公報特開平６−１８６５５８号公報特開２００３−２４２８２１号公報特開２０００−２５８６３３号公報米国特許第５，３９６，３５０号公報特開２００５−３８７４９号公報特開２００５−３８７５０号公報特開２００４−２７３２３８号公報特開２００４−２６８３８３号公報

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、従来に比べ薄いこと、並びにフレキシブルであることを特徴とする薄型面光源素子およびその製造方法を提供することを目的とする。更に、該薄型面光源素子を用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する薄型面光源素子は、少なくとも１つ以上の光出射手段、導光体、および該導光体の側面に光を入射するための少なくとも１つ以上の光源、とからなる面光源素子において、該面光源素子における光出射手段と導光体とが一体に形成されてなり、かつ厚みが０．５ｍｍ以下であり、前記光出射手段が、頂部が同一平面内にあり光反射機能を有する複数の凸部を形成した厚み０．２５ｍｍ以下の出射光制御板であり、厚みが面内均一な導光体と該出射光制御板とが該凸部の頂部を介して接着されてなることを特徴とする。

本発明の薄型面光源素子の製造方法は、ロール状に巻かれた可視光の波長領域で透明な導光体用フィルムを引き出して搬送し、ロール状に巻かれた前記出射光制御板が配設されてなる長尺フィルムを引き出して搬送し、該導光体用フィルムに粘接着剤を塗布した後、該導光体用フィルムと該出射光制御板が配設されてなる長尺フィルムとを貼合せ、該貼合されたフィルムを所定位置で切断することで、複数の薄型面光源素子を連続的に製造することを特徴とする。

また本発明の薄型面光源素子の製造方法は、可視光波長で透明な導光体用フィルムおよび／または前記出射光制御板が配設されてなる長尺フィルムを４ｅＶ以上のエネルギーを有するエネルギー線の照射により表面処理した後、該導光体用フィルムと該長尺フィルムを貼合することで、複数の薄型面光源素子を連続的に製造することを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記薄型面光源素子を用いることを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べ薄いこと、並びにフレキシブルであることを特徴とする薄型面光源素子およびその製造方法を提供することができる。また、本発明の薄型面光源素子を用いることにより、薄型・軽量であるという特徴を活かし、モバイル用途などに最適な液晶表示装置を提供することができる。

本発明の薄型面光源素子は、光出射手段および導光体が一体に形成されてなり、かつ厚みが０．５ｍｍ以下である。該光出射手段と該導光体の厚みが０．５ｍｍ以下であればフレキシブルな薄型面光源素子を実現することができる。上記薄型面光源素子は、少なくとも導光体を用いる方式であれば特に限定されないが、導光体の裏面に拡散材を添加した塗料のドット印刷方式、導光体表面および／もしくは裏面に凹凸や溝を形成するパターン形成方式、導光体に拡散材を添加する散乱導光体方式などの光出射手段を具備する薄型面光源素子においては、反射シートや拡散シート、プリズムシートといった光学シートを少なくとも１枚以上使用しなければならず、薄型面光源素子との一体化は困難である。そのため、本発明を実現するためには、導光体と複数の凸部を有する出射光制御板とが、該出射光制御板の該凸部の頂部を介して接着された薄型面光源素子を用いることが必要である。

該薄型面光源素子１０の概略構成図を図１に示し（特許文献５、６、７参照）、発光原理を以下に簡単に説明する。光源１２から導光体１１に入射された光は、該導光体１１内を全反射しながら伝搬していく。該導光体１１と該凸部１３の頂部との接着部１５に伝搬光が達した場合、凸部１３と導光体１１の屈折率差が小さければ、該接着部１５から該出射光制御板１４側に光が取り出される。該面光源素子１０は散乱反射を利用せずに全反射のみを利用する発光原理であるため、光利用効率が高いという特長を有する。

また、従来の面光源素子では線状プリズムを多数配列したプリズムシートなどで代表される出射角度をコントロールする集光部材を使用しなければならなかったため、その分の厚み増加を避けることはできなかった。これに対して本発明の薄型面光源素子１０は、凸部１３の形状により出射角度を制御することができる。つまり、接着部１５で取出された光は薄型面光源素子の法線方向から傾いているため、該凸部１３の斜面に入射され、全反射乃至屈折されることとなる。ここで、該斜面においては空気と後述する凸部を形成する樹脂材料の界面が存在しており、比較的大きな屈折率差を有する。したがって、該斜面に入射された光は全反射条件を満たすことになり、薄型面光源素子の法線方向に光は反射し観察者側に発光される。このとき該斜面の傾きを最適化することにより出射光の指向性をコントロールできるため、プリズムシートなどの集光部材が不必要であることも本発明の薄型面光源素子の特長である。

図１には凸部１３として一次元のシリンドリカルレンズのような形状が示されているが、二次元のマイクロレンズ（フライアイレンズ）のような形状であっても良く、更に凸部の形状は上記に限定されず、いかなる形状であっても構わない。また、凸部のサイズは特に限定されないが、凸部を不可視化するためには１００μｍ以下であることが好ましく、更には５０μｍ以下であることがより好ましい。

出射光制御板における凸部の配置については特に限定されないが、薄型面光源素子の均整度を重視する場合、光源に近い領域を疎に、光源から遠い領域を密に配置し、配置密度をなめらかに変調させることが好ましい。このようにすることで、薄型面光源素子の面内均一な発光を実現することができる。

次に本発明に用いられる出射光制御板について説明する。出射光制御板において凸部が形成される主面（以下、入射側の主面と呼ぶことがある。）に対して反対側の主面（以下、出射側の主面と呼ぶことがある。）は平坦であっても、微細な凹凸が形成されていても良い。出射側の主面が平坦である場合、薄型面光源素子の出射光の角度分布は、入射側の主面に形成される凸部形状に依存する。一方、出射側の主面に微細な凹凸が形成される場合、薄型面光源素子の出射光の角度分布は、入射側の主面に形成される凸部形状および出射側の主面に形成される微細な凹凸に依存する。つまり、入射側の主面に形成される凸部形状を制御することにより出射光に指向性を付与し、出射側の主面に形成される微細な凹凸の形状を制御することにより出射光に所望の視野角を与えることが可能となる。なお、「出射光の指向性」とは面光源素子の出射光のピーク輝度が該面光源素子の法線方向から傾いていることを表し（ただし、０度の傾きも含む）、「出射光の視野角」とは面光源素子の出射光のピーク輝度に対する半値幅を表す。

本発明の薄型面光源素子における出射光制御板の厚みは０．２５ｍｍ以下であることが必要である。ここで出射光制御板の厚みは、入射側の主面と出射側の主面との厚みで定義され、入射側の主面における凸部の頂部から出射側の主面までの長さに対応する。ただし、出射側の主面に微細な凹凸が形成されている場合は、入射側の主面における凸部の頂部から出射側の主面における微細な凹凸の平均高さまでの長さとする。

出射光制御板を製造する方法としては、熱プレス成形法、射出成形法、押出成形法、光重合成形法などが挙げられる。しかし、熱プレス成形法や射出成形法では出射光制御板を連続的に成形することはできないため本発明に用いるには好ましくなく、熱可塑性樹脂を用いた押出成形法や活性エネルギー線硬化型樹脂を用いた光重合成形法が適している。押出成形法では出射光制御板における凸部のネガ形状が形成されたロール状の金型を用い、熱可塑性樹脂をシート状に押出した後、該金型に接触させながら該熱可塑性樹脂を冷却することにより、長尺フィルム状の出射光制御板を得ることができる。一方、光重合成形法では低粘度の活性エネルギー線硬化型樹脂を透明な支持体上に塗布した後、前述したロール状金型を該活性エネルギー線硬化型樹脂層に密着させる。その状態のまま透明支持体上から活性エネルギー線を照射することにより、長尺フィルム状の出射光制御板（以下、単に長尺フィルムと呼ぶことがある。）を得ることができる。ただし、出射光制御板の製造方法はこれらの方法に限定されるわけではなく、出射光制御板を連続的に成形できる方法であれば良い。また、長尺フィルム状の出射光制御板は前述したように厚みは０．２５ｍｍ以下であるため、ロール状に巻き取ることが可能である。

出射光制御板の出射側の主面に微細な凹凸を形成する際には、サンドブラストなどの表面処理を施して良いし、押出成形乃至光重合成形時に微細な凹凸を賦型しても良い。押出成形の場合、微細な凹凸のネガ形状が形成されたロール状の金型と出射光制御板における凸部のネガ形状が形成されたロール状の金型とを用い、熱可塑性樹脂を挟み込みながら冷却することにより、出射側の主面に微細な凹凸が形成された長尺フィルム状の出射光制御板を得ることができる。また光重合成形の場合、入射側の主面に凸部形状が形成された長尺フィルム状の出射光制御板に、出射側の主面に活性エネルギー線硬化型樹脂を塗布した後、前述した微細な凹凸のネガ形状が形成されたロール状金型を該活性エネルギー線硬化型樹脂層に密着させ、活性エネルギー線を照射することにより、出射側の主面に微細な凹凸の形成された長尺フィルム状の出射光制御板を得ることができる。

次に、本発明の薄型面光源素子の製造方法について説明する。一般的な面光源素子の導光体としては可視光波長で透明な材料が用いられる。代表例として、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、環状オレフィンポリマーなどが挙げられ、またここに挙げた材料のポリマーブレンドや共重合ポリマーを用いることも可能である。ただし、上記以外の材料でも可視光波長で透明であれば使用することができる。これらの透明材料を表裏面ともに平滑に成形した導光体用フィルムを本発明の薄型面光源素子に使用する。該導光体用フィルムは厚みを面内均一とする必要があり、厚みが０．２５ｍｍ以下であることが好ましい。厚みが不均一であったり、表面が平滑でなかったりする場合、導光体中を光が全反射しながら伝播する際に導光体の外へ光が漏れ出る現象が発生し、薄型面光源素子の光利用効率が低下する。また、厚みが０．２５ｍｍよりも厚い場合、導光体用フィルムを巻取り辛くなるために本発明の薄型面光源素子の製造方法の実現が困難となる場合がある。

図２に薄型面光源素子を製造するための簡略工程図を示す。上述したロール状の導光体用フィルム２１を巻出し部２２にセットし、該導光体用フィルム２１を搬送する。該導光体用フィルム２１の片方の主面にのみ粘・接着剤２３を塗布装置２４を用いて所定量塗布する（ここで、本明細書において粘・接着剤とは粘着剤および接着剤の総称を表す）。また、上述した出射光制御板が配設されてなるロール状の長尺フィルム２５を巻出し部２６にセットし、該出射光制御板の入射側の主面を貼合面とし、搬送速度が該導光体用フィルム２１と同一となるよう該長尺フィルム２５を搬送する。該導光体用フィルム２１と該長尺フィルム２５はラミネートロール２７で貼合されることにより両者が一体化され、薄型面光源素子が複数形成されたフィルム２８を得ることができる。該フィルムは総厚０．５ｍｍ以下でありフレキシブルであるため、巻取り部２９でロール状に巻取ることが可能である。

図２には図示しないが、粘・接着剤としてＵＶ硬化型接着剤を用いる場合、導光体用フィルム２１と長尺フィルム２５を貼合後に所定量のＵＶを照射することにより、両者を接着することも可能である。また、図２では導光体用フィルム２１に粘・接着剤２３を塗布する工程と該導光体用フィルム２１と長尺フィルム２５を貼合する工程を１つに示しているが、導光体用フィルム２１に粘・接着剤２３を塗布した後、離型処理が施されているカバーフィルムを貼合して巻取り、次の工程で該導光体用フィルム２１から該カバーフィルムを剥離し、長尺フィルム２５を貼合するという２つの工程に分割することも可能である。

本発明の薄型面光源素子の別の製造方法について図３を用いて説明する。ロール状の導光体用フィルム２１を巻出し部２２にセットし、該導光体用フィルム２１を搬送する。また、出射光制御板が配設されてなるロール状の長尺フィルム２５を巻出し部２６にセットし、該出射光制御板の入射側の主面を貼合面とし、搬送速度が該導光体用フィルム２１と同一となるよう該長尺フィルム２５を搬送する。次に、表面処理装置３１で該導光体用フィルム２１および／または該長尺フィルム２５の貼合面に表面処理を施す。更に、該導光体用フィルム２１と該長尺フィルム２５はラミネートロール２７で貼合されることにより両者が一体化され、薄型面光源素子が複数形成されたフィルム２８を得ることができる。該フィルムは総厚０．５ｍｍ以下でありフレキシブルであるため、巻取り部２８でロール状に巻き取ることが可能である。また、本発明の表面処理による貼合方法によれば、粘・接着剤を使用する必要が無いため、面光源素子の一層の薄型化が可能である。なお、導光体用フィルム２１および／または長尺フィルム２５の表面処理方法については、特許文献８、９に説明されている方法を利用することができる。

導光体用フィルムおよび／または長尺フィルムの表面処理は以下のようにして行うことができる。表面処理の方法としては、紫外線照射、コロナ放電処理、電子線照射、イオン線照射などが挙げられる。該表面処理のエネルギーとしては４ｅＶ以上が必要であり、７ｅＶ以上であることが好ましい。表面処理のエネルギーが４ｅＶ以上であれば、Ｃ−Ｃ結合、Ｃ−Ｈ結合などの分子結合が容易に切断されうる。つまり、照射するエネルギー線のエネルギーが４ｅＶに満たない場合は、Ｃ−Ｃ結合、Ｃ−Ｈ結合などの分子結合が切断されないために十分な粘着性・接着性が発現されない。

本発明の薄型面光源素子の製造方法において表面処理に用いられるエネルギー線としては、紫外線、コロナ放電、電子線、イオン線などが挙げられ、特に紫外線としてはエキシマレーザー、Ａｒ^＋レーザー、Ｋｒ^＋レーザー、Ｎ_２レーザー、Ｄ_２ランプ、高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、Ｘｅランプ、Ｈｇ−Ｘｅランプ、ハロゲンランプ、エキシマランプ、あるいは空気、窒素または他のガス雰囲気のアーク放電、コロナ放電または無声放電による紫外線ランプなどを発生源とするものが挙げられる。中でも、Ｄ_２ランプ、高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、Ｘｅランプ、Ｈｇ−Ｘｅランプ、ハロゲンランプ、エキシマランプなどの紫外線ランプをエネルギー線とするのがエネルギー、強度、照射範囲のバランスの点で好ましい。

以上のようにして作製した複数の面光源素子が形成されたロール状のフィルムについて、面光源素子の部分のみを切断することで、本発明の薄型面光源素子を得ることができる。切断の方法として、はさみやカッターナイフによる機械的切断、炭酸ガスレーザーによる熱的切断、トムソン刃による打抜きなどが挙げられるが、これらに限定されるわけではなく、複数の面光源素子が形成されたフィルムから所望の面光源素子の部分のみを切断できれば良い。

従来構成の面光源素子は板状の導光体を用いるために枚葉で製造せざるを得なかったため、製造コストを大幅に削減することは出来なかったが、本発明の製造方法によれば、薄型面光源素子を連続で製造することができることにより、コスト削減をも可能となる。

得られた薄型面光源素子の端面に光源を配置することにより観察者側に光を取り出すことが可能となる。薄型面光源素子に用いる光源として冷陰極管などの線光源や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの点光源が挙げられる。本発明の薄型面光源素子は厚みが０．５ｍｍ以下であるために、０．５ｍｍ以上の厚みを有する上記光源を薄型面光源素子の端面に配置するだけでは、光源から発せられる光を有効に利用することができない。そこで、薄型面光源素子と光源の間にライトガイドを使用することも可能である。該ライトガイドを用いることにより、該光源の発光部よりも薄い面光源素子に効率良く光を入射することができる。以上のようにして光源から入射された光は、薄型面光源素子の出射面側から観察者の方へ取り出されることになる。

本発明の薄型面光源素子を用いた液晶表示装置は従来品よりも非常に薄いことを特徴とし、特に薄型・軽量化を要求されるモバイル用途などに最適である。また、プラスチック基板を用いた液晶表示パネルと併用することにより、薄型・軽量であるだけでなく、フレキシブルな液晶表示装置を実現することも可能である。

薄型面光源素子の一例を示す概略構成図である。本発明の薄型面光源素子の製造方法を説明する簡略工程図である。本発明の薄型面光源素子の別の製造方法を説明する簡略工程図である。

符号の説明

１０：薄型面光源素子
１１：導光体
１２：光源
１３：凸部
１４：出射光制御板
１５：接着部
２１：導光体用フィルム
２２：導光体フィルム用の巻出し部
２３：粘・接着剤
２４：塗布装置
２５：出射光制御板が配設されてなる長尺フィルム
２６：長尺フィルムの巻出し部
２７：ラミネートロール
２８：薄型面光源素子が複数形成されたフィルム
２９：薄型面光源素子が複数形成されたフィルムの巻取り部
３１：表面処理装置

Claims

導光体、該導光体の側面に光を入射するための少なくとも１つ以上の光源および該導光体から出射光を取り出すための少なくとも１つ以上の光出射手段、とからなる面光源素子において、該光出射手段と該導光体とが一体に形成されてなり、かつ、厚みが０．５ｍｍ以下であり、前記光出射手段が、頂部が同一平面内にあり光反射機能を有する複数の凸部を形成した厚み０．２５ｍｍ以下の出射光制御板であり、厚みが面内均一な導光体と該出射光制御板とが該凸部の頂部を介して接着されてなることを特徴とする薄型面光源素子の製造方法であって、ロール状に巻かれた可視光の波長領域で透明な導光体用フィルムを引き出して搬送し、ロール状に巻かれた前記出射光制御板が配設されてなる長尺フィルムを引き出して搬送し、該導光体用フィルムに粘接着剤を塗布した後、該導光体用フィルムと該出射光制御板が配設されてなる長尺フィルムとを貼合せ、該貼合されたフィルムを所定位置で切断することで、複数の薄型面光源素子を連続的に製造することを特徴とする薄型面光源素子の製造方法。
請求項1記載の薄型面光源素子の製造方法であって、可視光の波長領域で透明な導光体用フィルムおよび／または前記出射光制御板が配設されてなる長尺フィルムを４ｅＶ以上のエネルギーを有するエネルギー線の照射により表面処理した後、該導光体用フィルムと該長尺フィルムを貼合することで、複数の薄型面光源素子を連続的に製造することを特徴とする薄型面光源素子の製造方法。