JP2007108475A - プリズムシートならびに光学シート - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも一面に、断面略三角形状で一方向に伸びるレンズ単位７ａが多数並列に設けられたプリズムシート７において、高輝度、広視野角特性を確保する。
【解決手段】レンズ単位７ａの頂部の曲率半径ｒが、１０〜２０μｍに設定されていて、複屈折位相差が、１５ｎｍ以下に設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば液晶表示装置用のバックライトに用いるプリズムシートならびに光学シートに関する。

近年、カラー液晶表示装置は、ノート型パソコンやデスクトップ型パソコンのモニターや、液晶テレビジョン（ＴＶ）等、種々の分野で幅広く使用されてきている。

液晶表示装置の基本構成は、液晶セルとバックライトとを備えている。バックライトには、光源を液晶セルの直下に設けた直下型や、光源を導光板の側面に設けたエッジライト方式がある。

カラー液晶表示装置は、他の表示装置（ＣＲＴ、ＰＤＰ、有機ＥＬ）と比較して、消費電力が少ないという点で優れているが、視認性の観点から正面輝度が低くなることは容認できない。

そこで、バックライトの光学的な効率を改善し、少ない消費電力で正面輝度を高くすることが必要とされており、従来から、バックライトの導光板の出射面側に、片面にプリズム列やレンチキュラー列等のレンズ単位を多数形成してなるプリズムシートを設けている（例えば特許文献１参照。）。

一般的に、プリズムシートのレンズ単位について、断面形状が二等辺三角形でかつ頂角を９０度としたものが輝度向上を図るうえで最適であると考えられていた。この場合、レンズ単位の頂部の曲率半径は「０」、つまり先鋭とされる。

このような形状のレンズ単位を有するプリズムシートは、バックライトからの入射光を屈折作用によって正面に向けて集光・出射する機能と、再帰反射機能において優れているものの、半値幅が狭くなり、視野角特性が低下することが確認されている。

つまり、プリズムシートのレンズ単位の頂部の曲率半径を「０」つまり頂部を先鋭にしている場合、頂部においてバックライトからの出射光を中心方向以外に拡散できないために、視野角特性が低下すると考えられる。

上記再帰反射機能とは、公知のように、バックライトからの出射光の一部が屈折作用によりバックライトに戻されるが、この戻された光を再反射させることにより、正面輝度の向上に寄与していなかった光を再利用することである。

なお、バックライトの導光板の出射面側にプリズムシートを設けた構造は、例えば特許文献１に、また、集光機能を有するプリズムシートと反射偏光機能フィルムとを一体化することによって正面輝度を向上させようとした技術は、例えば特許文献２に、それぞれ示されている。この他、光拡散フィルムにおいて、複屈折を３０ｎｍ以下に特定した技術は、例えば特許文献３に示されている。
特表平９−５０６９８４号の図７ 特開２００３−８４２６９号公報 特開２００４−５３９９８号公報

一般的に、上記プリズムシートは、微細な形状を精密転写して製造するために、成形性の良いポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、活性エネルギー線硬化型樹脂等の透明性に優れたプラスチック材料が一般的に用いられる。

この様なプラスチック材料は、成形時に複屈折を生じることがしばしばある。複屈折は樹脂の光弾性係数と成形品の残留応力の積で表される。ポリカーボネート系樹脂は、正の複屈折を有し、アクリル系樹脂は、負の複屈折を有することが知られている。

また、ポリカーボネート系樹脂の光弾性係数は、アクリル系樹脂の光弾性係数に比べて、１０倍程度高いので、ポリカーボネート系樹脂を用いてプリズムシートを製造した場合には、僅かな残留応力が発生していると複屈折が生じ易い。

このようなことから、プリズムシートの素材として、成形性および透明性に優れたポリカーボネート樹脂を用いた場合、製造過程で内部に僅かな残留応力でも発生すると、光学的な歪みが残って複屈折が高くなり、輝度の低下に大きな影響を与える。

本発明は、プリズムシートにおいて、反射偏光機能フィルムと一体化した状態で高輝度、広視野角特性を確保することを目的としている。

本発明に係るプリズムシートは、少なくとも一面に、断面略三角形状で一方向に伸びるレンズ単位が多数並列に設けられた合成樹脂製のものであって、前記レンズ単位の頂部の曲率半径が１０〜２０μｍに設定されていて、複屈折位相差が１５ｎｍ以下に設定されていることを特徴としている。

なお、曲率半径が１０μｍ未満であると、半値幅が小さく視野角が狭くなり、２０μｍを超えると視野角は広がるものの輝度が低下する。

また、複屈折位相差が１５ｎｍを超えると、反射偏光機能を有するフィルムと一体化した状態において、旋光や迷光による輝度低下が大きくなり、例えば液晶表示装置に実装したときに、十分な輝度を得ることができない。この複屈折位相差は、より好ましくは１０ｎｍ以下とされる。

また、プリズムシートのレンズ単位の斜面部分はＪＩＳ Ｂ ０６０１規格準拠の表面粗さＲａで０．１〜５μｍとすることが好ましい。より好ましくは、０．３〜４μｍである。斜面の表面粗さは前記の範囲を超えると、画面の中心輝度が低くなり、十分な輝度を確保することができない。

さらに、前記レンズ単位の頂角は、７０〜１１０度の範囲に設定することが好ましい。この他、隣り合うレンズ単位の頂部間のピッチは、２０〜１００μｍの範囲に設定することが好ましい。

上記プリズムシートは、反射偏光機能フィルムの下に一体化したときの輝度をＡとし、反射偏光機能フィルムの上に一体化したときの輝度をＢとし、（Ａ−Ｂ）／Ａ・１００により求められる輝度低下率Ｃが、８％以内に設定することが好ましく、３％以内に設定することがより好ましい。

上記プリズムシートは、反射偏光機能フィルムの下に一体化したときの正面輝度に対する半値幅をＸとし、反射偏光機能フィルムの上に一体化したときの半値幅をＹとし、（Ｘ−Ｙ）／Ｘ・１００により求められる半値幅低下率Ｚが、５％以内に設定することが好ましく、３％以内に設定することがより好ましい。

上記プリズムシートは、一種類もしくは二種類以上の樹脂で単層構造とすることもでき、複層構造とすることもできるが、単層構造とすることが好ましい。また、前記樹脂は、透明性や成形性の観点からポリカーボネート系樹脂が好ましいが、熱可塑性飽和ノルボルネン系樹脂やオレフィンとマレイミドとの共重合樹脂等も採用可能である。

ポリカーボネート樹脂の分子量は、粘度平均分子量（Ｍ）で１０，０００〜１００，０００が好ましく、１５，０００〜３５，０００がより好ましい。かかる粘度平均分子量を有するポリカーボネート樹脂は、十分な強度が得られ、また、成形時の溶融流動性も良好であり好ましい。

熱可塑性飽和ノルボルネン系樹脂は、例えば、（イ）ノルボルネン系モノマーの開環重合体若しくは開環共重合体を、必要に応じてマレイン酸付加、シクロペンタジエン付加の如き変性を行った後に、水素添加した樹脂、（ロ）ノルボルネン系モノマーを付加重合させた樹脂、（ハ）ノルボルネン系モノマーとエチレンやα−オレフィンなどのオレフィン系モノマーと付加重合させた樹脂、（ニ）ノルボルネン系モノマーとシクロペンテン、シクロオクテン、５，６−ジヒドロジシクロペンタジエンなどの環状オレフィン系モノマーと付加重合させた樹脂、これらの樹脂の変性物等が挙げられる。

上記熱可塑性飽和ノルボルネン系樹脂の数平均分子量は、小さくなると耐湿性が低下し透湿度が大きくなり、大きくなるとフィルム成形性が低下するので、トルエンまたは適宜の溶媒によるゲル・パーミエーション・クロマトグラフで測定して、２５０００〜１０００００が好ましく、より好ましくは３００００〜８００００である。前記ノルボルネン系樹脂を使用すると、成形時の溶融流動性も良好であり好ましい。

本発明に係る光学シートは、上述したプリズムシートと、このプリズムシートの前記レンズ単位形成面と反対面に重合接着された反射偏光機能フィルムとを含むことを特徴としている。

この光学シートにおいて、前記反射偏光機能フィルムは、二種類の透明樹脂を交互に数百層に亘り積層された構造とすることができる。

本発明のプリズムシートは、反射偏光機能フィルムと一体化した状態において、高輝度、広視野角特性を確保することが可能であり、優れた品質を発揮することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明に係るプリズムシートの説明に先立ち、その使用対象の一例となる液晶表示装置の基本構成を図１に示して、簡単に説明する。

図示例の液晶表示装置は、液晶セル１と、直下型のバックライト２とを備えている。液晶セル１の上下両面には、それぞれ偏光板１ａ，１ｂが貼着されている。バックライト２は、光源３と、拡散板４と、拡散シート５と、反射偏光機能フィルム６と、プリズムシート７とを有している。

このバックライト２の機能を説明する。まず、光源３より拡散板４を経て、拡散シート５に入射した光線が、拡散シート５の表面の全面から拡散放出される。拡散シート５から放出された光線は、反射偏光機能フィルム６を通過してプリズムシート７に入射し、プリズムシート７の表面から略真上方向にピークを示す分布に光線として出射され、液晶セル１全面を照明するようになる。

上記プリズムシート７は、その表面に、図２に示すように、一方向に伸びる凸形状のレンズ単位７ａ・・・が多数並列に設けられている。

このプリズムシート７は、例えばポリカーボネート系樹脂で単層構造とされている。レンズ単位７ａは、断面形状が略二等辺三角形に形成されており、その頂角θは、７０度〜１１０度の範囲に、また、隣り合うレンズ単位７ａの頂部間ピッチΔＷは、２０〜１００μｍの範囲にそれぞれ設定される。

そして、半値幅を大きくして視野角を可及的に広げるために、レンズ単位７ａの頂部の曲率半径ｒを１０〜２０μｍに設定している。

さらに半値幅を大きくし視野角を広げるために、レンズ単位の斜面に０．１〜５μｍの粗さを付与している。

また、プリズムシート７の裏面（レンズ単位７ａの形成面と反対面）に反射偏光機能フィルムを重合接着した状態において、輝度の低下を抑制するために、プリズムシート７の複屈折位相差を１５ｎｍ以下に設定している。

プリズムシート７を反射偏光機能フィルム６の下に一体化したときの輝度をＡとし、反射偏光機能フィルム６の上に一体化したときの輝度をＢとし、（Ａ−Ｂ）／Ａ・１００で求められる輝度低下率Ｃを８％以内に設定するのが好ましく、３％以内に設定するのがより好ましい。

また、プリズムシート７を反射偏光機能フィルム６の下に一体化したときの半値幅をＸとし、反射偏光機能フィルム６の上に一体化したときの半値幅をＹとし、（Ｘ−Ｙ）／Ｘ・１００で求められる半値幅低下率Ｚを５％以内に設定するのが好ましく、３％以内に設定するのがより好ましい。

以上説明した特定事項を有するプリズムシート７を製造する方法としては、例えば溶融押出法、溶液流延法を採用することができるが、その他には、プレス型表面に略プリズム形状と逆の模様を彫刻したものを用いて賦型する方法、射出成形により成形する方法等が適用可能である。プリズム形状の斜面は、プレス型表面をサンドブラスト法によって粗さを付与する方法や、プレス型の表面に処理を施して粗さを付与する方法、リソグラフィーやエッチングにより粗さを付与する方法がある。プリズム形状の精度とプレス型の製造の観点から考えると、プレス型の表面に処理を施して粗さを付与する方法が好ましい。

上記溶融押出法は、図３や図４に示すように、Ｔ型ダイ１１，２１より溶融樹脂をシート状に押出した後に、賦型ロール１２，２２と挟圧ロール（スリーブベルト１３または金属ロール２３）とで挟圧し、挟圧後はプリズムシート原反を速やかに冷却してガラス転移温度Ｔｇ以下にし、表面が鏡面でかつ温度調節機能を有した第１、第２アニールロール１４，２４，１５，２５を通過させて冷却することによって、カール防止や熱応力による残留歪を除去してから、巻き取り機１６，２６に巻き取るようにする。

なお、挟圧ロールとして、図３に示す装置ではスリーブベルト１３を用いているのに対し、図４に示す製造装置では金属ロール２３を用いており、それ以外の構成は共に同じである。

図３に示すスリーブベルト１３は、温度調節機能を有するゴム層を表面層とする弾性ロール１３ａ，１３ｂに巻き掛けられている。スリーブベルト１３は、例えば厚み２５０〜５００μｍ、好ましくは２５０〜３５０μｍであり、材質は耐久性や鏡面性の点からみて、ハードクロムやニッケル合金が好ましい。スリーブベルト１３の表面は、鏡面、マット、その他微細模様を施した形状の何れを使用しても良く、光学品質に合わせて適宜変更することができる。

なお、仮に、挟圧後の冷却が不十分で、プリズムシート原反の温度がガラス転移温度Ｔｇ以上であると、第１、第２アニールロール１４，２４，１５，２５を通過する際に樹脂の流れ方向に分子配向し、複屈折位相差が大きくなってしまう。

そのため、挟圧後の冷却は、樹脂のガラス転移温度Ｔｇ付近では樹脂の挙動が大きく変化するため、ガラス転移温度Ｔｇより１０℃、好ましくは２０℃以上低く設定することによって樹脂の挙動を安定させる温度にすることが好ましいと考える。

以上のように溶融押出法でポリカーボネート樹脂を用いて製造したプリズムシートであれば、特別な製造工程を必要とすることなく、複屈折位相差を可及的に低減することが可能になる。

但し、前記挟圧後の冷却は、図４に示す装置における金属ロール２３に比べて、図３に示すスリーブベルト１３のほうが効率よく行える。

つまり、スリーブベルト１３を用いる場合、挟圧時間を金属ロール２３に比べて可及的に長くすることができるので、冷却効果が大となるとともに、樹脂の収縮が賦型ロール１２とスリーブベルト１３とで挟まれた状態で安定して行われるので、これより下流側でプリズムシート原反に余分な位相差を加えることがなくなる。

このようなことから、プリズムシート７を図３に示す装置で製造した場合のほうが、図４に示す装置で製造した場合に比べて複屈折位相差を低減するうえで有利である。

次に、上記特定事項を適用した実施例１〜４に係るプリズムシート７と、上記特定事項から外した比較例１〜３に係るプリズムシートとを用意して評価したので、表１に示して説明する。

実施例１〜４に係るプリズムシートおよび比較例１〜３に係るプリズムシートの素材とする樹脂は、共に、帝人化成（株）製のパンライト１２２５ＬＬにしている。

実施例１〜４に係るプリズムシートは、図３に示す製造装置を用いて製造した。

Ｔ型ダイ１１は面長７００ｍｍ、スリーブベルト１３は直径３００ｍｍの鏡面、第１アニ−ルロール１４及び第２アニールロール１５は直径２５０ｍｍで、鏡面とされている。また、賦型ロール１２は、直径２５０ｍｍで、外周面に断面がピッチ５０μｍ、直角二等辺三角形のＶ溝を形成している。

巻き取り機１６により巻き取ったプリズムシート原反は、幅６５０ｍｍで厚み１５０μｍである。なお、厚みは、５０〜３００μｍ、好ましくは５０〜２５０μｍ、より好ましくは１００〜２５０μｍとされる。厚みが５０μｍ未満になると、レンズ単位７ａを形成している面側にカールし易くなり、また、厚みが３００μｍを超えると、賦型による樹脂への転写率が低下し、輝度が低下する。

Ｔ型ダイ１１より押出量１００ｋｇ／ｈで溶融樹脂をシート状に押出した後に、賦型ロール１２とスリーブベルト１３とで挟圧し、プリズムシート原反の温度をガラス転移温度Ｔｇ以下にした後に、１３５℃の第１アニ−ルロール１４を通過し、その直後に９５℃の第２アニ−ルロール１５を通過させ、巻き取り機１６により巻き取る。このとき、巻き取り機１６のロールの速度２６ｍ／ｍｉｎで、各ロール間の速度比を１．０とした。

比較例１〜３のプリズムシートは、図４に示す製造装置を用いて製造した。この場合の製造条件については、上述した実施例１〜４と同じにしている。

そして、実施例１〜４に係るプリズムシート７および比較例１〜３に係るプリズムシートにおける形状的な条件、つまり溝ピッチΔＷ、頂角θ、頂部の曲率半径ｒ、斜面粗さは、下記表１に示すとおりである。

以上のようにして製造した実施例１〜４および比較例１〜３のプリズムシート原反を、所定長さに切断し、この切断して得たプリズムシートに、粘着剤を用いて、反射偏光機能フィルム６として例えば３Ｍ社製のＤＢＥＦ（Dual Brightness Enhancement Film）をラミネーションした状態で、表１に示す項目について調べた。

なお、表１に示す項目のうち、複屈折位相差、輝度ならびに半値幅は、下記（１）〜（３）に記載の装置を用いて測定した。

（１）複屈折位相差
神港精機社製ポーラリメータＳＦII−Ｃ型を用いて測定した。光源にはハロゲンランプを用い、波長５９０ｎｍに対応する複屈折位相差を求めた。なお、入射光の拡散と散乱を極力防止するために、屈折率を調整した液中にサンプルを浸漬した状態で測定を行った。

（２）輝度
市販の２０インチ液晶テレビジョンに備える直下型バックライトに、縦３００ｍｍ、横４００ｍｍに裁断した測定対象となるプリズムシートを組み込み、コニカミノルタ（株）製の輝度計ＬＳ−１００で輝度を測定した。また、輝度計ＬＳ−１００には、プリンターが接続されており、測定の度に印字可能になっている。

（３）半値幅
半値幅とは、法線方向の輝度５０％が得られる全可視角度のことである。前項に記載の輝度計を水平方向と垂直方向に可動可能なステージに取り付け、両方向とも−７０°〜７０°の範囲で、５°刻みで輝度の測定を行い、その結果をプリンターで印字した。印字した結果をグラフにし、中心の輝度が半分となる角度を算出した。

結果としては、表１に示すように、図３に示した製造装置で製造した実施例１〜４に係るプリズムシート７は、図４に示した製造装置で製造した比較例１〜３に係るプリズムシートに比べて、複屈折位相差を１／８以下に小さくすることができる。

また、輝度、半値幅についても、図３に示した製造装置で製造した実施例１〜４に係るプリズムシート７は、図４に示した製造装置で製造した比較例１〜３に係るプリズムシートに比べて数値的に良好となる。

つまり、実施例１〜４に係るプリズムシート７は、複屈折位相差が最大で１３ｎｍ、輝度低下率Ｃが最大で８％、半値幅低下率Ｚが最大で５％であったのに対し、比較例１〜３に係るプリズムシートは、複屈折位相差が最小で１０７ｎｍ、輝度低下率Ｃが最小で１０％、半値幅低下率Ｚが最小で６％であった。

このような結果に基づき、本発明では、若干のマージンを見込んで、複屈折位相差を１５ｎｍ以下、輝度低下率Ｃを８％以内、半値幅低下率Ｚを５％以内に特定するに至った。

なお、上述した結果は、図３に示した製造装置の場合、図４に示した製造装置に比べて、挟圧直後の冷却時間を長くできて、樹脂の収縮を安定的に行えるようになっているからと考えられる。

したがって、本発明に係るプリズムシート７は、反射偏光機能フィルム６と一体化した状態で高輝度、広視野角特性を確保することが可能になる。

本発明に係るプリズムシートを用いた液晶表示装置を模式的に示す斜視図である。 図１のプリズムシート単体の一部を示す斜視図である。 図２のプリズムシートを製造するための製造装置を示す概略構成図である。 本発明の比較例としてのプリズムシートを製造するための製造装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 液晶セル
２ バックライト
３ 光源
４ 拡散板
５ 拡散シート
６ 反射偏光機能フィルム
７ プリズムシート
７ａ レンズ単位

Claims (8)

1. 少なくとも一面に、断面略三角形状で一方向に伸びるレンズ単位が多数並列に設けられた合成樹脂製のプリズムシートであって、
   前記レンズ単位の頂部の曲率半径が１０〜２０μｍに設定されていて、複屈折位相差が１５ｎｍ以下に設定されていることを特徴とするプリズムシート。
2. 前記樹脂は、ポリカーボネート系樹脂とされていることを特徴とする請求項１に記載のプリズムシート。
3. 前記レンズ単位の頂角は、７０〜１１０度の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプリズムシート。
4. 前記隣り合うレンズ単位の頂部間のピッチは、２０〜１００μｍの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプリズムシート。
5. 前記レンズ単位の斜面部分は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１規格準拠の表面粗さＲａで０．１〜５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプリズムシート。
6. 反射偏光機能フィルムの下に一体化したときの輝度をＡとし、反射偏光機能フィルムの上に一体化したときの輝度をＢとし、（Ａ−Ｂ）／Ａ・１００により求められる輝度低下率Ｃが、８％以内に設定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光学シート。
7. 反射偏光機能フィルムの下に一体化したときの正面輝度に対する半値幅をＸとし、反射偏光機能フィルムの上に一体化したときの半値幅をＹとし、（Ｘ−Ｙ）／Ｘ・１００により求められる半値幅低下率Ｚが、５％以内に設定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のプリズムシート。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のプリズムシートと、このプリズムシートの前記レンズ単位形成面と反対面に重合接着された反射偏光機能フィルムとを含むことを特徴とする光学シート。

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