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ロール・ツー・ロール搬送方式を用いた超広幅液晶用光学フィルムの製造プロセス

マイクログルーブローラ

図1 マイクログルーブローラ

従来ローラとマイクログルーブローラの比較

図2 従来ローラとマイクログルーブローラの比較

超広幅光学フィルム外観

図3 超広幅光学フィルム外観

1.概要

 テレビ,パソコンモニターなどに代表されるディスプレイは,従来のCRT(ブラウン管)から液晶ディスプレイ(LCD)への置き換えが急激に進行している.LCDに使用される高機能な光学フィルムは,ガイドローラを使用したロール・ツー・ロール搬送方式により,連続で大量に,かつ安価に生産される.LCDの大型化に伴い幅の広い光学フィルムが必要になったが,ローラの広幅化で慣性モーメントが大きくなった.フィルムとローラ間ではスリップが発生し,わずかな傷も許されない光学フィルムにおいて,欠陥がなく安定に搬送することが極めて難しくなった.そこで,超広幅光学フィルムの生産をするにあたり,産学連携の下,ウェブハンドリング技術を学術見地から系統的に研究し,その成果を実生産ラインに適用することで,傷がなく高品質で高性能な超広幅光学フィルムの量産化を達成した.

2.技術の内容

 紙,フィルム,金属薄膜など薄くて柔軟な連続媒体はウェブ(Web)と称される.ウェブハンドリングとは,そのような柔軟な連続媒体であるウェブの性能を損なうことなく搬送する技術のことをいう.ガイドローラは,フィルム張力によるローラ表面への圧力によるトラクション(摩擦力)で駆動される.搬送速度の増加に伴いガイドローラとフィルムの間に空気が巻き込まれ,摩擦力が低下する.そこで,流体潤滑的な視点から空気膜を排除するマイクログルーブローラを考案した(図1).

 スリップを事前に予測し傷発生を防止することは,製造プロセスでは重要である.マイクログルーブローラの溝部はローラとフィルム間の空気膜厚と同程度であるマイクロメートルオーダであることから,グルーブ内の流れも粘性流とみなし,等価膜厚さの概念を適用し,ローラとフィルム間の空気膜厚さを求め,スリップ開始の張力と速度の関係を導出した.

 一方,厚さ60μm以下の光学フィルムは,過度の張力により容易にシワが発生し破断してしまう.2本のローラ間のミスアライメントによって生じる曲げモーメントによる座屈変形(トラフ)は,ローラとフィルム間の摩擦力により円筒状フィルムの臨界座屈応力を超えたときに折れシワとして成長する.この折れシワ発生時の臨界張力と速度の関係を導出した.

 一般に,スリップとシワはトレードオフの関係にあり,スリップとシワの発生させない安定な搬送領域を実現するローラの最適な溝形状を見出すことは,難しい課題である.溝形状の決定に,(スリップ開始張力/シワ発生張力)の最小化を目的関数とした最適化設計問題として取り組み,溝形状の最適解を求めた.

 上記最適化したマイクログルーブローラは,図2に示すように従来のローラと比較し,全ての速度域に渡り摩擦係数が下がることなく高いトラクション力を得られた.また,高速域でのフィルムとローラ間で発生するスリップを低い張力で防止することができ,しかもローラ上で発生するシワも回避できるようになった.

3.まとめ

 以上,技術開発したローラを実生産ラインに適用することにより,傷やシワなどの欠陥の全くない図3に示すような最大2300mm幅の光学フィルムの生産が可能となり,生産性を1.5倍に高めることができた.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、2011年、疋田伸治(富士フイルム(株))、藤倉大介(同左)、名和野隆(富士フイルムオプトマテリアルズ(株))、佐々木格(富士フイルム(株))、橋本巨(東海大学工学部)に日本機械学会賞(技術)を贈った。

文献

[1] 疋田伸治、橋本巨、「マイクログルーブローラを用いた搬送中に生じるウェブのスリップとしわの改善」、日本機械学会論文集C編、Vol.77, No.774, pp.556-567, 2011.
[2] S.Hikita、H.Hashimoto、「Improvement of Slippage and Wrinkling of Transporting Webs Using Micro-Grooved Rollers」、Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, Vol.4, Issue 1, pp.226-237, 2010.

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LCD(液晶パネル)用光学フィルム、ロール・ツー・ロール搬送、超広幅フィルム、マイクログルーブローラ、ウェブハンドリング技術
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