JP2014093193A - 導光板、導光板を備えたバックライトユニットおよびディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックライトを長時間点灯し、導光板に反りが発生したとしても、光学性能が低下しない導光板を提供する。
【解決手段】透光性の導光板であって、導光板の出射面とは反対側の面に凹凸形状を有し、凹凸形状を形成するための第１の光学要素が一次元、または二次元に形成されており、導光板を１２０℃１時間加熱したときの、外形長辺方向の加熱寸法変化率と外形短辺方向の加熱寸法変化率のうち、大きい方の加熱寸法変化率をａ、小さい方の加熱寸法変化率をｂとすると、加熱寸法変化率ａが１．５％以上５.０％未満である。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶パネル等を背面側から照明するバックライトユニットに用いる導光板、およびこれを用いたディスプレイ装置に関する。

近年、ＴＦＴ型液晶パネルやＳＴＮ型液晶パネルを使用した液晶表示装置は、主としてＯＡ分野のカラーノートＰＣ（パーソナルコンピュータ）の用途などで商品化されている。

このような液晶表示装置においては、液晶パネルの背面側（観察者側）に光源を配置し、この光源からの光で液晶パネルを照明する方式、いわゆる、バックライト方式が採用されている。

この種のバックライト方式に採用されているバックライトユニットとしては、大別して冷陰極管（ＣＣＦＬ）などの光源ランプを、光透過性に優れたアクリル樹脂などからなる平板状の導光板内で多重反射させる「導光板ライトガイド方式」（いわゆる、エッジライト方式）と、導光板を用いない「直下型方式」とがある。

導光板ライトガイド方式のバックライトユニットが搭載された液晶表示装置としては、例えば、図１１に示すものが一般に知られている。図１１に示す液晶表示装置は、上部に偏光板７１、７３に挟まれた液晶パネル７２が設けられ、その下面側に、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やアクリルなどの透明な基材からなる略長方形板状の導光板７９が設置されており、該導光板の上面（光射出側）に拡散フィルム（拡散層）７８が設けられている。さらに、導光板７９の下面に、導光板７９に導入された光を効率よく、液晶パネル７２方向に均一となるように散乱して反射されるための散乱反射パターン部が印刷などによって設けられる（図示せず）と共に、散乱反射パターン部下方に反射フィルム（反射層）７７が設けられている。また、上記導光板７９には、側端部に光源ランプ７６が取り付けられており、さらに、光源ランプ７６の光を効率よく導光板７９中に入射させるべく、光源ランプ７６の背面側を覆うようにして高反射率のランプリフレクター８１が設けられている。また、上記の散乱反射パターン部は、白色である二酸化チタン（ＴｉＯ₂）粉末を透明な接着剤などの溶液に混合した混合物を、所定パターン、例えばドットパターンにて印刷して、形成したものである。この散乱反射パターン部は、導光板７９内に入射した光に指向性を付与し、光射出面側へと導くようになっており、高輝度化を図るための工夫である。

さらに、最近では、光利用効率をアップして高輝度化を図るべく、図１２に示すように、拡散フィルム７８と液晶パネル７２との間に、光集光機能を備えたプリズムフィルム（プリズム層）７４、７５を設けることが提案されている。プリズムフィルム７４、７５は導光板７９の光射出面から射出され、拡散フィルム７８で拡散された光を、高効率で液晶パネル７２の有効表示エリアに集光させるものである。

一方、直下型方式のバックライトユニットが搭載された液晶表示装置としては、図１３に示すものが一般に知られている。図１３に示す液晶表示装置は、上部に偏光板７１、７３に挟まれた液晶パネル７２が設けられ、その下面側に、蛍光管やＬＥＤなどからなる光源５１から射出され、拡散フィルム８２のような光学シートで拡散された光を、高効率で液晶パネル７２の有効表示エリアに集光させるものである。光源５１からの光を効率よく照明光として利用するために、光源５１の背面には、リフレクター５２が配置されている。

現在のバックライト市場では、コストダウンや、低消費電力、薄型化の要望が強い。低消費電力に関しては、光源数を削減しやすい導光板ライトガイド方式が、比較的実現し易い。また、薄型化に関しても、光源を光学部材の側面に配置することができるため、導光板ライトガイド方式のほうが有利である。そのため、現在は導光板ライトガイド方式が主流である。しかし、導光板ライトガイド方式は、薄型化が進むと、導光板に付与した散乱反射パターンがディスプレイ上で視認されるようになり、表示品位が低下する。現在、散乱反射パターンは、ドット形状を印刷した散乱反射パターン以外にも、半球形状やプリズム形状などの凹凸形状によってパターンを付与した導光板も数多く存在する。どちらの散乱反射パターンを採用している場合においても、改善策として最も効果的なのは散乱反射パターンのサイズを小さくすること、また、隣接する散乱反射パターンとの距離を小さくすることであり、これにより視認性を低下させることが可能である。

また、薄型化が進むと、バックライトユニットの信頼性が低下しやすい。とくに信頼性に関しては構成上、直下型方式よりも導光板ライトガイド方式が不利であることが判明している。導光板ライトガイド方式は、導光板や光学シートなどの光学部材と光源の位置が近いため、光源が点灯すると、光源から発生する熱により、近接する光学部材の温度が上昇する。すると、熱により導光板は膨張し、筐体のサイズ以上まで膨張すると光学シートや液晶パネル側の反りが発生し、輝度が低下する。熱の影響が短時間であれば、光源からの発熱がなくなれば、導光板の反りもなくなるが、長時間光源からの熱に晒されると、導光板は液晶パネル側に凸の反り形状がついてしまう。

そこで、特許文献１には、直下型方式に使用される拡散板であって、寸法安定性の高い拡散板についての提案がなされており、樹脂内にガラス繊維を分散した拡散板が示されている。同様に、導光板の場合にも、樹脂内にガラス繊維を分散させると、寸法安定性が向上すると予想される。しかしながら、導光板に樹脂と異なる屈折率を有するガラス繊維を分散すると、拡散性が増すため、導光板の光学性能が低下すると考えられる。また特許文献２には、導光板の加熱収縮率を規定内に収めることにより、熱変形が生じにくい導光板が示されている。しかしながら、線膨張により発生する反りに対する輝度低下に関しての解決方法を考慮されていない。

以上から、長時間の熱による導光板の反りを抑えるためには線膨張係数をできるだけ小さくするのが最も効果的である。しかし、線膨張係数は基本的には材料による固有の値であり、材料選定によってのみ調整することが可能である。しかしながら、導光板の材料は使用目的と作製方法により、自由に選定することが難しい。したがって、実際には長時間使用することにより、導光板に反りが発生し、それに起因する光学性能低下を抑え込むことができないでいる。

特開２００６−４０８６４号公報 特開２０１０−４２５９７号公報

導光板は、バックライトユニットに搭載した場合、光源から発生する熱により加熱され、膨張する。過熱され膨張した導光板は、筐体のサイズよりも大きくなるため、光学シートや液晶パネル側に凸の反り形状が発生する。それが数時間程度であれば、光源を消灯し、常温に戻る際に平面性を維持することができるが、さらに長時間の熱に晒されると、徐々に平面性が失われ、反り形状がついてしまう。よって、導光板端面が光源に対し湾曲するために、光源の入射光量が低下し、輝度が低下する減少がおきる。

それ故に、本発明は、バックライトを長時間点灯し、導光板に反りが発生したとしても、光学性能が低下しない導光板を提供することを目的とする。

透光性の導光板であって、導光板の出射面とは反対側の面に凹凸形状を有し、凹凸形状を形成するための第１の光学要素が一次元、または二次元に形成されており、導光板を１２０℃１時間加熱したときの、外形長辺方向の加熱寸法変化率と外形短辺方向の加熱寸法変化率のうち、大きい方の加熱寸法変化率をａ、小さい方の加熱寸法変化率をｂとすると、加熱寸法変化率ａが１．５％以上５.０％未満である。

加熱寸法変化率ｂが０．３％以上１．０％以下であることが好ましい。

導光板の出射面とは反対側の面に形成されている第１の光学要素の形状が一種類であり、出射面とは反対側の面内において、分布密度が異なるように配置されていることが好ましい。

導光板の出射面には一次元、または二次元に配置される第２の光学要素が形成されていることが好ましい。

押出工程で作製されていることが好ましい。

上述の導光板と、光を発生する光源とを少なくとも備える、ディスプレイ用バックライトユニット。

光源は、加熱寸法変化率ａを有する方向と平行に位置していることが好ましい。

画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する液晶表示素子と、上述のバックライトユニットとを備える、ディスプレイ装置。

本発明によれば、バックライトを長時間点灯し、導光板に反りが発生したとしても、光学性能が低下しない導光板を提供することができる。

本発明に係る導光板を含むディスプレイ装置の構成を示す断面図 本発明に係る導光板の説明図 加熱寸法試験方法の説明図 加熱寸法試験方法の説明図 導光板が通常の状態におけるバックライトユニットの光源付近の断面図 導光板が反り状態におけるバックライトユニットの光源付近の断面図 短辺方向に加熱寸法変化率ａを有する導光板に対して、短辺の両側に光源を配置した図 長辺方向に加熱寸法変化率ａを有する導光板に対して、長辺の両側に光源を配置した図 光源と導光板の入射端面とが近接しているバックライトユニットの光源付近の断面図 光源と導光板の入射端面とに隙間があるバックライトユニットの光源付近の断面図 本発明に係る導光板の出射面と反対面側の光学要素の配置方法の説明図 本発明に係る導光板の光学要素の配置と光源の位置を示す説明図 押出方法の概略図 従来技術による導光板ライトガイド方式によるディスプレイ装置の構成を示す説明図 従来技術による他の導光板ライトガイド方式によるディスプレイ装置の構成を示す説明図 従来技術による直下型方式によるディスプレイ装置の構成を示す説明図

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の導光板を設置したディスプレイ装置の構成を示す概略図である。ディスプレイ装置１は、バックライトユニット２と、画像表示素子としての液晶パネル（液晶表示素子）３とを備えている。バックライトユニット２において、所定間隔で配列されたＬＥＤなどからなる複数の光源４と、光源４の背面に配設されていて背面側の出射光を反射させる反射板５とで、ランプハウス６を構成している。また、光源４は、ＬＥＤに限定されるものではない。光源４としてＬＥＤの他に、冷陰極管（ＣＣＦＬ）、ＥＬ、ＬＥＤ、半導体レーザーなどを採用することができる。

さらに、光源４の光照射方向前方側には光源４から進入する光を、正面に導光させる導光板７が配設されている。液晶パネル３は、２枚の偏光板９の間に液晶素子１０が挟持されて構成されている。導光板７と、液晶パネル３との間には、導光板７を透過する光を集光および拡散する光学シート１２、１３、１４が配設されている。本実施形態では、光学シート１３には、光の集光効果が高いプリズムシートを設置し、光学シート１２、１４には、光を拡散させる効果の高い拡散シートを配置している。しかし、これらの光学シートの組み合わせは、本実施形態の組み合わせに限定されるものではない。例えば、光学シート１２、１３、１４は、すべて同じ光学シートを組み合わせることも可能であり、また、すべて異なる光学シートを組み合わせることも可能である。また、光学シートの積層枚数は３枚と限定されるものではない。光学シートは、１枚、もしくは２枚、または４枚以上の積層も可能である。さらに、使用される光学シートの種類や積載順序は、限定されるものではない。また、光学シートとして、プリズムシートや拡散シート以外にも、集光拡散効果のあるマイクロレンズシートや、２方向に形状が付与されているレンズシートなどの組み合わせを用いることができ、それらの種類と積載順序により得られる光学性能が異なってくる。また、光学シートの組み合わせは、バックライトユニット２の信頼性にも影響する。光学シートが大きくうねり、画面内で凹凸が発生すると、それが輝度ムラとなり視認され、表示品位が低下する場合がある。光学シートのしわやたわみ対策の例としては、光学シートの最も液晶パネル側の最上面に拡散シートなどの拡散効果の高い光学シートを配置し、輝度ムラを認識し難くさせる方法や、剛性の高い光学シートを設置し、しわ自体が発生を減少させる方法が一般的である。以上から光学シートは光学性能、信頼性、コストの観点から自由に組み合わせることができる。

まず、導光板７の加熱による収縮と線膨張とについて述べる。導光板7の加熱による収縮と線膨張とは、ともに熱により発生するが、それぞれ別の現象として発生する。導光板７の加熱による収縮は、導光板７の成形時のひずみにより発生する。導光板７の押出工程時において、溶融樹脂が流動する際に、高い圧力を受けながらダイや金型のせまい部分を流動すると、せん断抵抗を受けて、溶融樹脂の分子が長手方向に引き伸ばされる。溶融樹脂がこのままの状態で冷却され、ランダムコイルの状態に戻る前にガラス転移点以下になると、回復できずに配向ひずみが生じる。この配向ひずみがあると、再加熱時に樹脂がランダムコイルの状態に戻ろうとして収縮が発生する。そのため、成形条件により、収縮量を調製することができる。

一方、線膨張は、熱を加えたことにより、樹脂の分子間距離が増大して発生する。そのため、線膨張による伸びは材料により決定され、成形条件などにより調整することはできない。

次に、導光板７について、詳細に説明する。図２は、導光板７の構造を模式的に表した図である。導光板７において、出射面には、光学要素１５として、レンチキュラーレンズ形状からなる散乱反射パターンが賦形されており、また、出射面とは反対側の面には、光学要素１６として半球形状の凹み形状からなる散乱反射パターンが賦形されている。導光板７を、１２０℃で１時間加熱したとき、外形長辺方向の加熱寸法変化率と、外形短辺方向の加熱寸法変化率とのうち、大きい方の加熱寸法変化率をａ、小さい方の加熱寸法変化率をｂとしたとき、加熱寸法変化率ａが１．５％以上５.０％未満である。

加熱寸法変化率ａ、ｂは、ＪＩＳ Ｋ６７１８に規定されている方法で測定する。図３および４は、加熱寸法試験の方法を示す概略図である。図３に示すように、導光板７の外形に対し、平行に１２０ｍｍ角で試験片８を切り出す。次に、図４に示すように、試験片８の中央に直径１００ｍｍの円を描く。そして、外形に対し垂直の２本の線を記入し、導光板７の長辺方向に平行な方向をＡＢ、長辺に対し垂直方向をＣＤとする。そして、線分ＡＢ、ＣＤの長さをノギスで０．０５ｍｍまで測定する。そして加熱炉に投入し１２０℃で１時間加熱し、加熱後３０分以上、室温で徐冷したあとに、各線分の長さを測定した。加熱前ＡＢの加熱後の線分の長さをＡ´Ｂ´、加熱前ＣＤの加熱後の線分をＣ´Ｄ´としたとき、加熱寸法変換率は、以下の式（１）および（２）で、表すことができる。このとき、算出された２つの加熱寸法変化率のうち、大きい方の加熱寸法変化率ａは１．５％以上５.０％未満でなくてはならない。

導光板７は、１２０℃で１時間加熱すると、寸法が収縮するという特徴を持つことにより、導光板７をバックライトユニットにセットして長時間使用した場合、徐々に導光板が収縮することになる。これは、導光板７を構成する熱可塑性樹脂には、温度依存性があり、応力緩和の加熱温度が異なると、緩和時間に影響するという特徴のためである。１２０℃で１時間加熱での応力緩和は、８０℃では、１０００時間前後の加熱で発生する。導光板７は、隣接する光源の種類やバックライトユニットの使用環境によるが、８０℃から９０℃程度の高温に長時間さらされるため、導光板７も長時間使用すると徐々に寸法が変化した分、導光板７の厚みは、厚くなる。

一方、導光板７は、線膨張により伸びて、光学シートや液晶パネルの方向に凸形状となって湾曲する。図５Ａは、導光板７が通常の状態である場合の、バックライトユニット２の光源付近の断面図である。また、図５Ｂは、導光板７が反り状態である場合のバックライトユニット２の光源付近の断面図である。導光板７が通常の状態であれば図５Ａで示すように、光源４から発する光が充分に導光板７の端面に入射するが、導光板７に反りが起こると、光源４に対する導光板７の端面の位置ずれが大きくなり、図５Ｂに示すように光損失が発生する。すると、輝度低下が発生し、バックライトの光学性能の低下が起こる。しかし、ここで板厚が厚くなると、その分、導光板７の光立ち上げ効果が高くなり、輝度を維持することができる。しかし、加熱寸法変化率が大きすぎると、相対的に出射面側の光学要素１５と、出射面側と反対面側の光学要素１６の形状高さが大きくなる。特に、出射面とは反対面側の光学要素１６の高さが高くなると、光学要素１個あたりの光取り出し効果が高くなる。すると、導光板７の端面から入射した光が、画面全体で均一に出射せず、光源に近いエリアで輝度が想定より高くなる現象が発生し、結果的に画面中央部の輝度が低下してしまう。すると、画面全体での輝度分布が悪化し、光学性能が低下してしまう。以上により、加熱寸法変化率ａは５．０％未満でなくてはならない。

また、導光板７は、加熱寸法変化率ａを有する方向に対して、光源４の光軸が垂直になるように配置される。図６Ａは、導光板７の短辺方向に、加熱寸法変化率ａを有し、短辺方向の２つの端面に対向するように光源４を配置した図である。また、図６Ｂは、導光板７の長辺方向に、加熱寸法変化率ａを有し、長辺方向の２つの端面に対向するように光源４を配置した図である。加熱寸法変化率が大きいと、高温下での長時間使用により、寸法が小さくなる。導光板７の長辺方向に加熱寸法変化率ａを有し、光源４が導光板７の短辺側に配置されている場合、導光板７の長辺が非常に大きく縮むと、輝度低下を招いてしまう。また、導光板７の短辺方向に、加熱寸法変化率ａを有し、光源４が導光板７の長辺側に配置されている場合は、導光板７の短辺の寸法が大きく縮むと、同様に輝度の低下が発生する。これは、図７Ａに示すように、光源４と、導光板７の入射端面とが近接している場合、光源４の光がほぼすべて導光板７に入射するのに対し、図７Ｂに示すように、光源４と、導光板７の入射端面とに隙間が発生すると、光源の光が充分に導光板７の端面に、入射せず光損失が発生し、結果的に輝度が低下してしまうためである。そのため、導光板７の加熱寸法変化率ａを有する方向と平行に、光源４が位置しているほうがよい。また、光源４は、導光板７の長辺または短辺の２辺の両側に配置されていても、どちらか１辺側に配置されていてもよい。

また、上記で算出された２つの加熱寸法変化率のうち、小さい方の加熱寸法変化率ｂは、０．３％以上１．０％以下であることが好ましく、特に０．３％以上０．５％以下であることが好ましい。これは、８０℃程度の高温で、かつ、吸湿により導光板７の寸法が伸びるためである。線膨張係数は材料固有の値であり、選定した材料により、温度による伸びは異なるが、導光板７で一般的に使用される高透明性の熱可塑性樹脂の線膨張係数は、５×１０^-5/℃から９×１０^-5/℃程度が一般的である。そのため、バックライトの通常の使用環境温度から、光源点灯による８０℃程度まで変化すると、導光板７の寸法は、０．４％から０．６％程度伸びると考えることができる。よって、加熱寸法変化率ｂが０．３％未満だと、線膨張による伸びが、加熱による寸法の収縮より大きくなり、導光板７が筐体のサイズより大きくなってしまうため、反りの悪化へとつながる。一方、加熱寸法変化率ｂが、１．０％より大きくなると、導光板７を長時間使用したときの線膨張を加味しても、導光板７の寸法が小さくなってしまい、導光板７の固定が緩むことで、光源４と導光板７の位置がずれてしまい、ローカルディミングなどのバックライトユニット２のエリア制御への悪影響や、コントラストの低下が懸念される。

次に、導光板７の出射面とは反対側の面に賦形されている光学要素１６は、面内に一様に分布されていないことを特徴としている。光学要素１６は、導光板７の出射面とは反対側の面で、光源４にもっとも近い付近では凹凸形状の数は少なく、光源４から遠くなるにつれて、凹凸形状の数は多く配置されている。図８は、導光板７の短辺側の左右２辺に、光源４が配置されたバックライトユニット２に使用される導光板７の出射面とは反対側の面の概略図である。光源４に近い部分では、出射面と反対側の面に賦形されている光学要素１６の凹凸形状の分布密度が小さく、光源４から離れるにつれて、凹凸形状の分布密度が高くなっている。導光板７の出射面とは反対側の面上に、光学要素１６の凹凸形状が多数配置されていると、その近辺の表面積率が大きくなり、線膨張係数が大きくなる。一方、凹凸形状が配置されている数が少ないと、表面積は限りなく小さくなり線膨張率が小さくなる。光源４から生じる発熱により、導光板７内に熱分布が発生するため、通常の光学要素１６の賦形がない表面積が一律な板では、温度が高い光源４付近では、より大きく伸び、光源４から遠い、温度が低い部分では、伸びが小さいため、導光板が歪んだ形になってしまう。しかし、凹凸の光学形状を有する光学要素１６が、付与されることにより表面積が増えるため、一枚の導光板内部で熱分布が異なった場合に、この歪みを緩和することができる。

また、加熱寸法変化率の大きい導光板７を作製することにより、結果的には両面形状の高賦形性を確保することができる。加熱寸法変化率は、樹脂のせん断力による分子配向により発生する。分子配向は樹脂が融点以上であれば、分子鎖のミクロブラウン反応により配向が緩和するため、樹脂が融点以上である時間が長いほど分子配向は緩和され加熱寸法変化率の小さい導光板が作製される。また、樹脂が融点以上である時間が長いと、特に押出法により両面賦形導光板を作製した場合、金型形状から樹脂が離れたあとも樹脂温度が高いため、光学要素１５、１６の形状が崩れる可能性が高くなる。そのため所望の両面に付与した光学要素１５、１６の形状を得ることができなくなる。

また、導光板７を作製する時の樹脂のせん断力を上げること自体が、高賦形性につながりやすいため、加熱寸法変化率の大きい導光板は高賦形性を確保できる。せん断力を上げるひとつの成形条件として、溶融樹脂が光学要素１６に対応した形状が付与された金型などに、接触したときの挟圧力が挙げられる。挟圧力を高くすると、樹脂が金型の先端形状まで入るために、高賦形性が得られやすい。挟圧力を高く設定せずに、樹脂温度や樹脂粘度などを制御することにより、金型形状の先端まで入らずに、一定の光学要素１６を形成する方法もあるが、金型は冷却機構を兼ねていることが多いため、導光板の平面性の悪化などの問題点が発生することが多い。したがって、挟圧力が高いほど高賦形性は得られやすいが、挟圧力が高すぎると、導光板表面に光学要素１６とは異なる、流れ方向と直角に波状の凹凸が生ずる外観不良が発生しやすくなる。挟圧力は、４ｋＮ〜１２ｋＮの範囲であることが好ましい。挟圧力が４ｋＮに満たない場合には、両面に付与した凹凸形状が充分に賦形しないため、所望の光学性能を有する導光板７を作製することができなくなる虞がある。一方、挟圧力が１２ｋＮを超える場合には、押出工程時に形成される樹脂溜まり（パンク）が安定せず、得られる導光板７にパンクムラという厚さのばらつきによる外観不良が発生する虞がある。

以上のことから、光学要素１６が形成され、外観が良好な導光板７を作製するための条件は限られているため、さらに大きい加熱寸法変化率を有する導光板を作製することは実際困難である。

導光板７の出射面側とは反対側の面に付与された光学要素１６に関しては、図２に示した半球形状に限定されるものではなく、他の形状が付与されていてもよい。光学要素１６の形状としては、プリズム形状のほか、円錐状、多角錐状、円柱状、多角柱状の形状が一次元方向に連なって存在していてもよい。導光板７の出射面とは反対側の面に付与された光学要素１６は、導光板７の端面に配置された光源４からの光を液晶パネル側に導光させるために、非常に重要な役割を果たしており、その形状は、光源４からの光を正面に導光させる光取り出し効果と視認性から適宜選択することができる。

また、導光板７の出射面とは反対側の面に付与された光学要素１６は、光源４から正面への光の取り出し効果と、求められるバックライトユニット２の輝度分布により、配置方法が選択される。図２に示したように、光学要素１６としてすべて同一形状の光学要素形状を使用する場合、光学要素１６の１個当たりの光取り出し効果は同じであるため、単位面積当たりに付与されている光学要素１６の面積の割合を表す面積率を、光源４からの距離によって変化させることで正面方向に得られる輝度を可能な限り均一にするように配置される。そのため、光学要素１６として同一の形状を使用する場合は、光学要素１６の形状は、導光板７の出射面とは反対側の面内で分布密度を変化させて配置されるのが一般的である。また、光学要素１６として形状の異なる複数の光学要素形状を使用した場合、ひとつずつの光取り出し効果が異なるため、配置を導光板７の出射面とは反対側の面内で統一し、光学要素１６の形状を変化させることで正面方向に均一な輝度を得ることが可能となる。以上から、散乱反射パターンとして付与する、出射面と反対側の光学要素１６の形状は、光学要素１６の形状や配置に関して、適宜選択することができる。

また、導光板７の出射面側に光学要素１５を設ける利点として、光学性能の向上が挙げられる。図９は、導光板７に設ける光学要素の配置と光源の位置を示す図である。図９に示すように、光源４から発する光に対し、導光板７の出射面側の光学要素１５として平行にレンチキュラーレンズを配置した場合、出射面が平滑面の場合に比べ、光の直進性が向上することが分かっている。これは、レンチキュラーレンズの光閉じ込め効果が影響している。導光板７の出射面側にレンチキュラーレンズを付与し、導光板７の出射面とは反対面側に、散乱反射するための半球型の凹凸形状を付与した導光板７を使用した場合、出射面が平滑な導光板に比べ、光源４からの光の直進性が高いため、光源４の明るいところは、導光板も明るくなり、光源４の暗いところは、導光板４を暗くすることができる。この性質を利用すると、明るく表示したいところは光源４の出力を増やすことにより、より明るく表示することができる。一方、暗く表示したいところは、光源４の出力を減らすことにより、より暗く表示することが可能になることから、コントラストを向上させることができる。

また、そのほかに導光板７の出射面側に、凹凸形状である光学要素１５を設ける利点として、光学シートとの密着防止が挙げられる。出射面が平滑であり、かつ、光学シートの裏面も平滑面であると、局所的に光学密着が発生する場合がある。光学密着があると、空気層がなくなり、光学性能が低下するとともに、密着部分が視認されるため、表示品位の低下を招く。以上のことから、導光板７の出射面側に、凹凸形状である光学要素１５を付与するほうがよい。また、光学密着を防止する方法としては、図２に示すような、レンチキュラーレンズを一様に配置する方法以外にも、微小凹凸形状を多数付与する方法もある。微少凹凸形状を付与する方法としては、導光板７の成形時に表面形状自体に凹凸をつける方法や、フィラーなどを含有した液を表面に塗工して、インキ表面上にフィラー形状を表出させる方法がある。また、サンドブラストや腐食により粗面化されていてもよい。これは、導光板７の出射面の表面を粗面化することで、導光板７の出射面の表面に傷が付いた場合に、目立ち難くする効果や、微小凹凸による拡散効果、また、導光板７よりも液晶パネル側に設置される光学シートなどとの光学密着を発生し難くする効果がある。また、この微少凹凸形状は、中心平均粗さが１μｍ以下になるように設ける必要がある。これは、導光板７の出射面が粗いほど、表面の凹凸形状の影響により、光が出射する際に、導光板７の内部に戻る光が増え、画面輝度が低下するからである。また、光学シートの入射面に粗い凹凸形状を設けると、上記と同様に輝度が低下する。

導光板７として、一般的に使用される樹脂としては、例えば、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネ−ト樹脂、ポリスチレン樹脂、ＭＳ（アクリルとスチレンの共重合体）樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、シクロオレフィンポリマーなどの熱可塑性樹脂、あるいは、ポリエステルアクリレート、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレートなどのオリゴマーなどの透明樹脂が挙げられる。しかしながら、これらの樹脂の中でも、特にアクリル樹脂が良好である。これは、アクリル樹脂は透明で、他の樹脂と比較して光透過性が高いこと、かつ、線膨張率が比較的低いからである。また、アクリル樹脂の中でも、メルトフローレートが１．５ｇ／ｍｉｎから２０ｇ／ｍｉｎまでのアクリル樹脂を使用すると、透明性、寸法安定性に加え、高い成形性を確保することができる。メルトフローレートが高いと樹脂流動性が高いため、押出成形時に微小で複雑な散乱反射パターンや光学要素を賦形することができる。ただし、メルトフローレートは、曲げ弾性率と相関関係があり、メルトフローレートが高いほど曲げ弾性率が低下する傾向がある。曲げ弾性率は前述のとおり、導光板７の信頼性に大きく影響するため、信頼性と賦形性を鑑み、適宜選択する必要がある。特に、散乱反射パターンや光学要素を有する場合は、これらの形状が付与される表層のみをメルトフローレートの高いアクリル樹脂を使用し、中央の層はメルトフローレートの低い樹脂を使用すると、高賦形性と高信頼性の両方を有した導光板７を作製することができる。

次に、導光板７の作製方法について述べる。導光板７は、押出法、キャスト法、もしくはインジェクション法で製造することができるが、ここでは押出法について説明する。図１０は、押出法の概略図である。第一ロール３６および第二ロール３７には、導光板７の両面の光学要素１５、１６の形状に対応した凹凸形状が形成されている。

ダイ３８から溶融した樹脂が、第一ロール３６と第二ロール３７に接触し挟圧され、その後、冷却されることで導光板７の出射面と出射面とは反対側の面との両面に光学要素１５、１６の凹凸形状が賦形される。出射面側に対応した金型ロールと、出射面とは反対側の面側の金型ロールを、第一ロール３６と第二ロール３７とのどちらに配置してもよい。押出法の搬送ライン上から第一ロール３６の接触面と、第二ロール３７の接触面とでは、樹脂接触時間や冷却時間などが異なることから、それぞれの凹凸形状の賦形性の難易度や精度により選択することができる。

ここで、金型ロールの作製方法について説明する。金型ロールに賦形する断面形状が三角形状やレンチキュラーレンズ形状の場合、ダイヤモンドバイトを使用して、金型ロールを切削し各形状に対応する部分を作製する。また、半球状や楕円球状のレンズ形状に対応する部分を有する金型の成形方法の作製方法は、レーザー方式と切削方式が挙げられる。レーザー方式は、金型ロールの表面にブラック樹脂を均一に塗布し、レーザーを照射後、金型ロール全体を酸溶液につけることでレーザー照射部が腐食され光学突起部に対応する部分を成形する方法である。切削方式は、先端形状が非球面形状であるバイトの中心を金型ロールに断続的に押し当て、光学突起部に対応する部分を作製することができる方法である。

また、金型ロールの作製方法としては、レーザー方式や切削方式以外にも、サンドブラストを使用する方法やビーズ分散による成形方法がある。サンドブラスト方式は、金型表面に直接ガラスビーズなどを吹きつけ、金型表面に凹凸をつける方法である。また、ビーズ分散方式は、ガラスビーズを平面状に密に充填させたシートから逆版を作製する方法である。金型ロールの作製方法は、凹凸形状や凹凸の密度、また金型ロールの材料などにより適する成形方法が異なるため、求められる表面状態により適宜選択される。金型ロールの作製方法は１方式のみを採用する必要はなく、２方式以上を採用し作製してもよい。また上記以外の作製方法により作製してもよい。

上述の作製法を採用する場合、導光板７を製作するための板状の部材の厚みは、１２μｍ以上５ｍｍ以下とする。板状の部材の厚みが、１２μｍ未満では、上述した製造方法による加工に耐えうる剛性が無い。また、板状の部材の厚みが、５ｍｍを越えると、加工に耐えうる柔軟性がない。しかし、導光板７の厚みは、バックライトユニット２に搭載し使用する場合、特に０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下が望ましい。これは、導光板７の厚みと、光源４の大きさとの関係が、バックライトユニット２の光学性能に大きく影響するためである。導光板７の厚みに対して、光源４の大きさが非常に大きいと、導光板７の端面に入射されずに外部に漏れる光の量が多くなり、液晶表示素子へと導光する光が極端に減少するため、バックライトユニットの光学性能が大きく減少することが分かっている。一方、光源４に対して導光板７の厚みが厚いと、導光板７の反りによる影響が緩和されるが、導光板７のコストアップの大きな要因となる。そのため、現在の導光板の厚みは信頼性とコストの観点だけでなく、光源のサイズの問題から０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下が使用されている現状がある。なお、導光板７について代表的な作製例を説明してきたが、上記以外の材料や構造、プロセスなどを使用して作製してもよい。

以下、実施例について説明する。
（実施例、および比較例の導光板の作製）
両面に凹凸形状を付与した導光板を作製した。賦形形状は第一ロールと第二ロールそれぞれに形状が付与されている金型ロールを使用した。第一ロールには、導光板の出射面に設けるピッチ９８μｍ、高さ５０μｍのレンチキュラーレンズ形状に対応した凹凸形状が付与されている。一方、第二ロールには、導光板の出射面とは反対側の面に設ける半球状の凹み形状に対応した凹凸形状が形成されている。そして、ダイから溶融したアクリル樹脂が第一ロールと第二ロールに接触し、その後、冷却されることで、両面形状が賦形した。このとき、主に押出条件のうち挟圧荷重を変更して加熱寸法変化率が異なるサンプルを作製した。第一ロールと第二ロールとの間の挟圧条件を２ｋＮから２０ｋＮまで変化させたときの押出条件を、挟圧荷重から低い順に押出条件１〜押出条件５とした。押出条件１〜５の挟圧荷重を表１に示す。また、押出時の材料はすべて三菱レイヨン製アクリル樹脂ＶＨ０００を使用した。ここで、押出条件１で作製した導光板を比較例１、押出条件２で作製した導光板を比較例２、押出条件３で作製した導光板を実施例１、押出条件４で作製した導光板を実施例２、押出条件５で作製した導光板を比較例３とした。実施例１、２および比較例１〜３の導光板の厚みは、すべて２．０ｍｍとした。

（加熱寸法の評価方法、および評価結果）
次に、上記で作製した実施例１、２および比較例１〜３の導光板に関して、加熱寸法試験を実施した。評価用２３インチサイズの導光板の面内中心から、１２０ｍｍ角で試験片を切り出した。切り出したそれぞれの試験片の中央に直径約１００ｍｍの円を描いた後、円中心を通るように十字線を描いた。そして長辺方向（押出流れ方向）に平行な方向をＡＢ、長辺に対し垂直な方向（押出幅方向）をＣＤとし、長さをノギスで測定した。そして、１２０℃に予熱した加熱炉に投入し、加熱後３０分以上室温で徐冷したあとに線分の長さを測定した。それぞれの試験片について、加熱後の線分ＡＢの長さをＡ´Ｂ´、加熱後の線分ＣＤの長さをＣ´Ｄ´としたとき、加熱寸法変化率を、以下の式（１）、（２）で算出した。また、実施例１、２および比較例１〜３の導光板に関して、膜厚測定装置を用いて、厚み測定を実施した。また、それぞれの導光板の厚みに関して、加熱する前後で測定し、測定箇所は円と線分の交点４箇所と、線分の交点１箇所との計５点（図４の黒丸で示す各点）で測定した。実施例１、２および比較例１〜３の導光板の加熱寸法変化率の算出結果と、厚みの測定結果を表２に示す。表２から、挟圧荷重が大きくなるにつれ、上記で算出した加熱寸法変化率のうち大きい方の加熱寸法変化率ａが、大きくなることが判明した。それに対し、上記で算出した加熱寸法変化率のうち小さい方の加熱寸法変化率ｂは、挟圧荷重にかかわらず小さかった。

（光学測定用冶具による輝度測定結果）
上記で作製した実施例１、２および比較例１〜３の導光板に関して、輝度評価を実施した。導光板を自作した光学測定用冶具（約２３インチサイズ）の大きさに合わせて導光板を断裁し、その後、短辺左右２辺を研磨加工した。光学測定用冶具には、短辺左右２辺に対向するようにＬＥＤ光源が配置されており、導光板の反りを抑え込むフレームがあるため、導光板の反りによる輝度低下を無視することができる。また、光源の位置も調整できるため、導光板が伸縮し、光源と導光板との隙間が発生することによる輝度低下についても無視することができる。光学測定用冶具に、導光板をセットし、その上に、きもと製拡散シート、３Ｍ製プリズムシート、３Ｍ製再起反射シートの順に積載し、画面中心輝度を、トプコンテクノハウス製輝度計により測定した。その後、導光板を１２０℃１時間加熱し、３０分以上冷却した後、同様に輝度測定を行った。輝度はすべて、加熱前の輝度を１．００としたときの輝度比で表している。輝度測定の結果を、表３に示す。表３から、寸法が収縮することで、導光板の輝度自体は上がっていることが分かった。特に、加熱寸法変化率ａが大きいほど、加熱後に輝度が高くなっていることが確認できた。

（２３インチモニター輝度評価）
上記で作製した実施例１、２および比較例１〜３の導光板に関して、モニターによる輝度評価を行った。導光板をモニターのサイズに合わせて断裁し、その後、短辺左右２辺を研磨した。本モニターでは、短辺左右２辺に対向するようにＬＥＤ光源が配置されている。導光板の上に、きもと製拡散シート、３Ｍ製プリズムシート、３Ｍ製再起反射シートを順に積載し、導光板と光学部材とが落下しないようにフレームをセットした。このフレームは、モニターにもともと使用されていたものであり、光学シートが熱膨張したときにしわが発生しないように、隙間を作る構造になっている。そのため、導光板の反りが発生した場合に、これらを抑え込むような構造にはなっていない。モニターセット直後の輝度を測定し、その後、点灯したまま６０℃環境で１０００時間経過したあとに、同様に輝度を測定した。評価結果を表４に示す。表４から、比較例１、比較例２に関しては、反りにより１０％以上の大幅な輝度低下が発生した。一方、実施例１、実施例２に関しては、比較例１および比較例２とほぼ同等の反りが発生したが、板厚が厚くなり、導光板自体の輝度向上効果があったため、長時間点灯した場合でも、輝度低下はほぼなかった。一方、加熱寸法変化率が大きい比較例３の導光板に関しては、他の４種類の導光板とほぼ同程度の反りだったが、画面中心輝度の低下が発生した。そこで、サイバネット製輝度・照度・色度システムで画面内輝度分布を測定したところ、左右短辺の光源付近で大幅に輝度が高くなる一方、画面中心の輝度が低下し、画面内輝度の均一性が大幅に低下したことが確認できた。

本発明に係る導光板は、液晶表示装置などに用いられるバックライトユニットなどに有用である。

１ ディスプレイ装置
２ バックライトユニット
３ 液晶パネル
４ 光源
５ 反射板
６ ランプハウス
７ 導光板
８ 試験片
９ 偏光板
１０ 液晶素子
１２、１３、１４ 光学シート
１５、１６ 光学要素
３５ 押出機
３６ 第一ロール
３７ 第二ロール
３８ ダイ

Claims (8)

1. 透光性の導光板であって、
   前記導光板の出射面とは反対側の面に凹凸形状有し、
   前記凹凸形状を形成するための第１の光学要素が一次元、または二次元に形成されており、
   前記導光板を１２０℃１時間加熱したときの、外形長辺方向の加熱寸法変化率と外形短辺方向の加熱寸法変化率のうち、大きい方の加熱寸法変化率をａ、小さい方の加熱寸法変化率をｂとすると、前記加熱寸法変化率ａが１．５％以上５.０％未満であることを特徴とする、導光板。
2. 前記加熱寸法変化率ｂが０．３％以上１．０％以下であることを特徴とする、請求項１記載の導光板。
3. 前記導光板の出射面とは反対側の面に形成されている前記第１の光学要素の形状が一種類であり、前記出射面とは反対側の面内において、分布密度が異なるように配置されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の導光板。
4. 前記導光板の出射面には一次元、または二次元に配置される第２の光学要素が形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の導光板。
5. 押出工程で作製されていることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載の導光板。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の導光板と、
   光を発生する光源とを少なくとも備える、ディスプレイ用バックライトユニット。
7. 前記光源は、前記加熱寸法変化率ａを有する方向と平行に位置していることを特徴とする、請求項６に記載のバックライトユニット。
8. 画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する液晶表示素子と、
   請求項６または請求項７に記載されたバックライトユニットとを備える、ディスプレイ装置。

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