CN103423665A - 表面光源器件和包括表面光源器件的背光单元 - Google Patents

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CN103423665A CN2012104018876A CN201210401887A CN103423665A CN 103423665 A CN103423665 A CN 103423665A CN 2012104018876 A CN2012104018876 A CN 2012104018876A CN 201210401887 A CN201210401887 A CN 201210401887A CN 103423665 A CN103423665 A CN 103423665A
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Abstract

本发明提供一种表面光源器件和包括表面光源器件的背光单元。所述表面光源器件通过控制棱镜角优化前向亮度改善效率来实现高亮度和均匀亮度的性质并由此减少光学部件的数目，从而制造纤细模块和降低制造成本。

Description

表面光源器件和包括表面光源器件的背光单元
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年4月24日提交的第10-2012-0042843号韩国专利申请的优先权，其全部内容以所有目的通过引用并入本文。
技术领域
下面的描述涉及表面光源器件和包括表面光源器件的背光单元，并且更具体地，涉及以下表面光源器件和包括该表面光源器件的背光单元：其通过控制棱镜角度优化前向亮度(front brightness)改善效率来实现高亮度和均匀亮度的性质并且由此减少光学部件的数目，从而制造纤细模块并降低制造成本。
背景技术
一般地，导光板应用于液晶显示(LCD)设备以向作为无源元件的液晶显示(LCD)模块提供光。也就是说，导光板引导从设置在导光板侧面或下面的光源(例如，LED灯)发射的光，并对发射光进行漫射以将光提供给堆叠在发光表面上的LCD模块。另外，背光单元是通过将光漫射片、棱镜片等层叠在导光板的从其发射出光的表面上而形成的，由此控制光的亮度和视角。
进一步地，为了满足近来对体积小、环保和低功耗器件的需求，开发出来了边缘型发光二极管(LED)LCD，边缘型发光二极管(LED)LCD使用LED灯作为光源而不是使用常规冷阴极荧光灯(CCFL)并得到了许多的关注。
然而，与CCFL相比，LED灯有热辐射和零件昂贵的问题。
为了解决前述缺点，研发正在进行中以减少LED灯的数目。最近，早期的基于四边缘型LED的模式已经被基于两边缘LED的模式所代替，而基于单侧边缘型LED的模式也日益发展起来。
LED数目的减少提出了对实现高亮度的光学部件的越来越多的需求。例如，韩国公开特许公报第10-2008-0046321号公开了用于边缘型背光单元的导光板(LGP)结构，其中，在导光板的下表面上以从入射侧到非入射侧越来越高的密度雕刻或压印了微透镜图案，并且在顶面上在与入射表面垂直的方向上形成棱镜图案，使得光入射通过入射表面被汇聚并且朝向导光板的上部均匀地发射。进一步地，韩国注册专利第10-0702634号公开了一种导光板和使用导光板的背光单元，其中，通过使用以两个轴线为基础以规则间隔形成的反射图案，实现了棱镜之间的规则间隔，从光源来的光能够沿着与光入口表面的方向平行的方向入射，在雕刻的棱镜图案和压印的棱镜图案之间能够具有相同的相对宽的间距和距离，可以使得从光源来的光恒定不变，以使得能够通过使用导光板的上表面上的漫射片和棱镜片使得光可以预期的角度发射，由此能够实现高亮度。
然而，常规背光单元有低的光发射效率并且不能实现高亮度。
为了克服传统背光单元的这样的缺点，本发明公开了一种表面光源器件，在该表面光源器件中，在导光板的后表面上、在与光源如LED的布置方向对准的方向上形成有棱镜图案，从而提高了光发射效率，并且微棱镜片层叠在导光板上，同时考虑到从导光板发射的光，为了亮度最优化，棱镜角被设置成最优化。
相关的技术文件
专利文件
1.韩国特许公开专利第10-2008-0046312号
2.韩国专利注册第10-0702634号
发明内容
下面的描述涉及表面光源器件和包括表面光源器件的背光单元，其中棱镜的角度被调整以优化前向亮度改善效率，从而实现高亮度和均匀亮度的性质并且因此减少光学部件的数目，从而制造纤细模块并降低制造成本。
在一个总的方面中，提供有一种表面光源器件，其包括：导光板，该导光板配置为包括接收来自沿着预定轴线设置的光源的光的入射表面、通过其发射入射光的发射表面以及与发射表面朝向相反的后表面，其中，在发射表面上形成有透镜状图案，在后表面之上分布有其上刻有微棱镜图案的多个单元结构(unit cell)，微棱镜图案的单元棱镜具有在80°到83°之间的顶角θ，并且单元棱镜的布置方向与光源的布置方向对准；以及微棱镜片，该微棱镜片配置为层叠在导光板的上表面上且具有在90°至110°之间的棱镜顶角θ。
单元结构可以具有在30μm到1000μm之间的直径、宽度或者长度。
单元结构的形状可以是圆形、椭圆形或者多边形。
微棱镜图案可以具有在5μm至100μm之间的单元棱镜间距。
形成在发射表面上的透镜状图案可以具有在50μm至500μm的间距。
微棱镜片可以包括基底和形成在基底上的棱镜部，且棱镜部由折射率在1.5至1.6之间的丙烯酸树脂形成。
微棱镜片可沿与微棱镜图案在导光板的后表面上的布置方向垂直的方向层叠。
在另一个总体方面中，提供有一种包括上面描述的表面光源器件的背光单元。
其他的性质和方面将会在下面的具体实施方案、附图和权利要求中变得明显。
附图说明
图1是根据本发明一个示例性实施方案的表面光源器件的横截面视图。
图2是图1中的导光板的立体图。
图3A是根据本发明另一示例性实施方案的导光板(LGP)的立体图。
图3B至图3E是示出设置在后表面上的单元结构的形状的一个实例的图。
图4是示出在每个单元结构上形成的微棱镜图案的放大的单元棱镜的图。
图5A至图5C是示出在发射表面上形成的图案的实施例的图。
图6是根据本发明的示例性实施方案的微棱镜片的横截面视图。
图7是示出根据本发明的示例性实施方案用于制造棱镜片的处理的图。
图8是示出用于测量前向亮度和光发射角度的背光单元(BLU)的图。
图9是示出测量光发射角度的方法的图。
图10是示出根据本发明的示例性实施方案在导光板的后表面上形成的棱镜图案中的每个单元棱镜角的光发射角度的曲线图。
图11是示出棱镜片的亮度值与角度的关系曲线的曲线图。
除非另外描述，遍及附图和具体实施方案，相同的附图标记将被理解为指的是相同的元件、性质和结构。为了清楚、说明和方便，这些元件的相对尺寸和描绘可以被放大。
具体实施方式
提供下面的描述以帮助读者获得对本文所描述的方法、装置和/或系统的全面了解。相应地，本领域中的技术人员将会想到本文所描述的方法、装置和/或系统的各种变化、修改和等同方案。此外，为了增加清楚性和简明性，可省略对公知的功能和构造的描述。
图1是根据本发明的一个示例性实施方案的表面光源器件的横截面视图。参考图1，表面光源器件包括导光板100和微棱镜片210。导光板100包括：入射表面110，该入射表面110接收来自沿着预定轴线设置的光源200的光；发射表面120，该发射表面120发射所接收的光；以及后表面130，该后表面130与发射表面120朝向相反。发射表面120包括在其上形成的透镜状图案。多个单元结构131设置在后表面130上，每个单元结构具有棱镜图案140，并且单元结构131中的每一个的棱镜图案140的每个棱镜的顶角θ在80°至83°之间。棱镜图案140的布置方向与光源200的布置方向对准。棱镜片210层叠在导光板100的上表面上并且包括棱镜，每个棱镜的顶角θ在90°至110°之间。应当注意，为了帮助理解，在图1中仅放大了一个单元结构131且另外示出光源200。
导光板100借助于反射、折射和衍射等改变了从光源200通过入射表面110进入到导光板100内部的光的路径，从而朝发射表面120引导光。导光板100可以由具有高可见光透过性的坚固且不易碎的聚合物材料制成。用于导光板100的聚合物材料的实例可以包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯酸树脂、聚碳酸酯、环烯烃共聚物(COC)等，并且可以优选地(但不一定是)丙烯酸树脂，且更优选聚对苯二甲酸乙二醇酯。
更具体地，如示出图1中的导光板100的立体图的图2所示的，光源200沿着预定轴线布置以将光发射至导光板100，并且多个单元结构131以分布方式分布在导光板100的后表面130之上，每个单元结构131都有棱镜图案140。其上形成有棱镜图案140的单元结构131中的每一个通过雕刻设置在后表面130上，但是每个单元结构131可以压印在后表面130上。另外，单元结构131的微棱镜图案140的底表面可以是与后表面130相同的表面。在这种情况下，单元结构131的形状通过微棱镜图案140的形状形成。图2中的扫描电子微镜图片示出形成在下点内部的微棱镜。
图3A是根据本发明另一示例性实施方案的导光板的立体图，图3B至图3E是示出设置在后表面上的单元结构的形状的实例的图。如图3A所示，单元结构131以点的形式设置在后表面130之上。单元结构131的形状可以是圆形、椭圆形、三角形、矩形等。
当单元结构131是圆形时，每个单元结构131的尺寸可以为直径在30μm至1000μm之间。如果单元结构131的直径小于30μm，则单元结构131内的棱镜长度就变得过短而不能形成棱镜本身，如果单元结构131的直径大于1000μm，则变得难以通过调整棱镜密度来控制均匀性，并且出现当打开背光时通过肉眼观察到单元结构131的缺陷。此外，单元结构131的形状可以从椭圆形变化到多边形，只要椭圆形状的长轴和/或短轴的长度或者多边形形状的一边的长度在前述范围内即可。
图4是示出形成在导光板的后表面上的每个单元结构131上的微棱镜图案140的放大的单元棱镜的图。参考图4，微棱镜图案140的一个或更多个单元棱镜的特征在于：单元棱镜的与脊的方向垂直的横截面是三角形的。在这种情况下，每个棱镜的顶角θ1可以在80°至83°之间。如果顶角θ1超出了前述范围，则不是优选的，因为光可能会在不同的方向上发射而不是在正向上发射，因此导致前向亮度降低。也就是说，顶角θ1在80°至83°范围内的棱镜使得与来自光源的光入射的传播方向平行的发光部件在正向上的发光效率最优化。然而，如果棱镜的顶角θ1小于80°或者大于83°，则前向发射效率降低，由此亮度改善效率被降低。
另外，微棱镜图案的单元棱镜可以具有5μm至100μm之间的间距。如果单元棱镜的间距小于5μm，则亮度改善效果显著降低，而如果间距大于100μm，则包括棱镜图案的单元结构131的尺寸会显著增大，以致于对亮度均一性和单元结构外观的控制会非常受限制。
在后表面130上的单元结构131的布置可以通过控制具有相同直径的单元结构131的密度来调整。换句话说，单元结构131可以按如下方式以数目密度的梯度来分布：单元结构的数目密度在入射表面处具有最小值并且随着距入射表面的距离增大具有增加的值。或者，单元结构的分布可以通过调整单元结构131的尺寸来控制。换句话说，单元结构131的分布可以以如下方式具有单元结构的尺寸的梯度：单元结构131的尺寸在入射表面处具有最小值并且具有距入射表面的距离增大随着增加的值。
图5A至图5C是示出形成在导光板100的发射表面120上的图案的实施例的图。图案配置为控制从导光板100的内部发射的光在最外表面处的路径。图案能够借助于其表面层上的透镜形状把光汇聚成束。从后表面130反射的光的发射角度通过图案来控制，使得能够实现具有优良的能见度和垂直亮度的较佳光分布。图案可以是半圆形的透镜状图案(图5A)，其横截面是半圆。或者，其中倾斜侧基于通过峰的垂线具有各自的曲率的抛物线透镜图案(图5B)或者独立的半球形透镜阵列(图5C)可以形成在导光板100的发射表面120上。
另外，在其中形成在发射表面上的图案是透镜状图案或者抛物线透镜图案的情况下，由图案的脊线形成的方向应该与从光源200入射的光的方向平行(或者与光源200的布置方向垂直)。在发光二极管(LED)光源的情况下，具有极好的直度的LED光的路径在导光板100内部被观察到为直线。由此为了解决了这样的问题，可以在导光板100的发射表面上形成前述图案。
此外，在其中图案是透镜状图案或者抛物线透镜图案的情况下，图案可以具有优选在50μm至500μm之间的间距。如果间距小于50μm，则亮度改善降低，这是因为具有透镜功能的图案的比面积减小。如果间距大于500μm，则存在有下述缺点：由于液晶设备与图案之间的干扰所导致的莫尔现象(moiréphenomenon)的发生，使得图像质量下降。
图6中是根据本发明的一个示例性实施方案的微棱镜片210的横截面视图，所述微棱镜片210层叠在导光板100的上表面上。微棱镜片210包括棱镜，棱镜中的每一个具有优选地在90°至110°之间的顶角θ2，以针对来自导光板100的光的发射角度提供优化的光汇聚效率。如果棱镜顶角θ2超出了90°至110°之间的范围，则前向亮度光汇聚效率降低，因此整体的亮度降低。
微棱镜片210可以包括通常为PET膜的基底220。基底220可以是聚碳酸酯膜或聚酰亚胺膜。
微棱镜片210可以包括棱镜部230，棱镜部230由折射率在1.5至1.6之间的丙烯酸树脂制成并且通过UV印制形成在微棱镜片上。如果折射率小于1.5或者大于1.6，则由于光色散和/或漫射的量增加，光汇聚效率降低。
另外，微棱镜片210可以沿与微棱镜图案在导光板100的后表面130上的布置方向垂直的方向层叠在导光板100上。
根据本发明的一个示例性实施方案的背光单元可以包括具有微棱镜片210的表面光源器件。此外，背光单元还可以包括光源200和光学膜，光源200设置在导光板100的侧面中，光学膜层叠在导光板100的发射表面的顶部上且具有光汇聚和漫射功能。
根据本发明的示例性实施方案中的每个示例性实施方案的导光板100可以通过注塑成型来制造。在注塑成型中，通过将聚合物材料注入到模具中来制造导光板100，在所述模具上刻有针对后表面和发射表面的图案的负型刻纹(negative engraving)。作为另一种制造方法，通过对基板图案化来制造导光板100。在基板上形成图案的方法可以包括使用压力和加热的冲压法或使用超紫外(UV)树脂的印制法。
另外，可以通过挤出工艺或UV印制工艺来制造微棱镜片210。
在下文中，结合实例对本发明的配置和效果进行更详细地描述。这些实例意在更详细地描述本发明，但本发明的范围不限于这些实施例。
[实施例1]
1.用于导光板的板的制造
通过使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为原材料来制造厚度为3.5mm、宽度为20cm且长度为10cm的基板。使用挤出工艺来制造PMMA基板。使用普通的单螺杆挤出机用于挤出工艺。
透镜状图案120形成在基板的顶表面上，并且透镜状图案120具有300μm的间距和55μm的高度。
2.用于图案化的模具的制造
通过给冷加工合金工具钢SKD-11镀铜来制造具有30μm厚的铜的模具板。通过使用金刚石车刀加工所制造的原始模具板来制造下述图案：在所述图案上圆形单元结构的直径是100μm、微棱镜图案的单元棱镜的顶角是70°并且单元结构上的单元棱镜间距是20μm。通过使用控制具有相同直径的单元结构的密度来调整单元结构的分布。换句话说，分布被调整成如下梯度：单元结构的密度随着单元逐渐接近光入射到其中的面而降低，并且随着单元远离光入射到其中的面而增加。在这个实验中，在光源侧上每单位面积的图案的％面积是10％，在中心处每单位面积的图案的％面积是50％，单元结构的密度从光源侧到中心以0.2cm的间隔发生变化。
3.单元图案的模制和导光板的制造
为了在所准备的板的底部处模制单元图案，将所制备的图案模具安装在压模设备上，并且通过下述模压将图案压印到导光板，其中模压以200℃的模制温度、压制时间为1分钟、压制压力为10lg/m2来进行。
[实施例2]
除了制造图案模具和样品以使得微棱镜图案的单元棱镜的顶角变为80°之外，用与实施例1中使用的方法相同的方法制造导光板。
[实施例3]
除了制造图案模具和样品以使得微棱镜图案的单元棱镜的顶角变为83°之外，用与实施例1中使用的方法相同的方法制造导光板。
[实施例4]
除了制造图案模具和样品以使得微棱镜图案的单元棱镜的顶角变为85°之外，用与实施例1中使用的方法相同的方法制造导光板。
[实施例5]
除了制造图案模具和样品以使得微棱镜图案的单元棱镜的顶角变为90°之外，用与实施例1中使用的方法相同的方法制造导光板。
[对比例]
使用印制的导光板，其中通过在安装在5.7英寸BLU上的普通导光板的后表面上进行印制来形成图案。
[实施例6]
制造具有600mm的直径和1200mm的宽度的模制辊，使得以200mm的宽度间隔形成棱镜，棱镜中的每个棱镜具有76°、83°、90°、95°、100°和105°的顶角。
通过使用所制造的模制辊，如图7所示，使用UV压印工艺针对每个顶角制造棱镜片。使用188μmPET膜(XU7HU7，Toray AdvancedMaterials Korea Inc.)作为基板，且样品由折射率为1.56的UV硬化树脂(MINS-MOP，Minuta Technology Co.，Ltd.)制成。
以下使用根据实施例1至6的表面光源器件和以上描述的对比例通过实验实施例来评价物理性质，实验结果总结在下面的表1中。
[实验实施例]
1.前向亮度的评价
测量设备：由TOPCON TECHNOHOUSE CORPORATION制造的BM-7A。
测量方法：在背光单元上的9个点处测量亮度，并计算出这9个点处的测量值的平均值。
测量BLU：使用长边为5.7英寸的采用LED的BLU来测量每个样品(参考图8)。
2.光发射角度
测量设备：由TOPCON TECHNOHOUSE CORPORATION制造的BM-7A。
测量方法：将BM-7A测量设备固定到背光单元的中心点，并且通过改变设备的角度来测量光发射角度(参考图9)。
测量BLU：使用长边为5.7英寸的采用LED的BLU来测量每个样品。
测量方法：将导光板安装在背光单元上，所述背光单元上安装有32英寸的LED灯，32英寸区域分成三十等分，并且测量三十等分中的每个等分的中心部分处的亮度。通过计算每个测量的亮度的最小值与最大值的比获得亮度的均匀性。
表1
根据表1和图10中绘制的曲线图，指出的是，与对比例相比，对于在导光板的后表面上的棱镜图案的单元棱镜角，实施例1至实施例5具有优良的光发射角度和亮度值。更具体地，如果在导光板的后表面上的棱镜图案的单元棱镜角小于83°，则光发射角度朝光源取向。反之，如果棱镜图案的单元棱镜角大于83°，则光发射角度朝与光源相反的方向取向。此外，前向亮度测量结果显示：顶角为83°的以0°的前向光发射角度发射光的棱镜样品具有最高的亮度性质。
表2示出导光板的亮度的测量结果，导光板包括具有单元棱镜角为83°的棱镜图案的后表面且其上层叠有棱镜片，每个棱镜片以实施例6中使用的每个角度制造而成。相对于没有棱镜片的导光板的亮度值，计算每个亮度测量值的相对值。棱镜片层叠在导光板的上表面上，使得棱镜沿与微棱镜图案在导光板的后表面上的布置方向垂直的方向布置。
表2
Figure 2012104018876A00800012
从表2和图11中绘制的曲线图可以看出，在棱镜片沿与形成在导光板的后表面上且具有83°顶角的微棱镜图案的棱镜的布置方向垂直的方向被施加在导光板的顶表面之上的情况下，亮度增加。另外，随着顶角增加，亮度呈现出增加的趋势，而随着顶角大于100°，亮度趋向于降低。
根据以上结果，指出的是，与具有借助于印制工艺形成的图案的普通导光图案相比，在其底面上形成点图案且同时在每个点的内部形成微棱镜以便控制光发射角度的导光板具有基本增加的亮度。另外，指出的是，在棱镜片在与微棱镜在导光板的下表面上的布置方向垂直的方向上被施加在导光板的顶表面之上的情况下，前向亮度大幅增加。
如上所述，通过增加边缘型光源的前向光发射效率，可以通过使用最小数目的光学部件的组合来制造具有优良的前向亮度以及增加的整体亮度和亮度均一性的导光板。
因此，如果在背光单元或照明设备中采用本发明的导光板，则可以产生用于背光单元或照明设备的纤细模块，简化制造过程，由此降低制造成本。
根据本发明的示例性实施方案的表面光源器件和包括该表面光源器件的背光单元可以用于LCD并且广泛地用于控制使用LED灯的任何其他设备如照明设备的光发射并且增强设备的外观。
以上描述了多个实施例。然而，应当理解，可以做出多种修改方案。例如，如果以不同的顺序来执行所描述的技术和/或如果所描述的系统、结构、器件或电路中的部件以不同的方式结合在一起和/或被其他部件或其等同物替代或补充，可以实现合适的结果。因此，其他实现方式也在所附权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种表面光源器件，包括：
导光板，所述导光板配置为包括：接收来自沿着预定轴线设置的光源的光的入射表面、通过其发射入射光的发射表面和与所述发射表面朝向相反的后表面，其中在所述发射表面上形成有透镜状图案，在所述后表面之上分布有其上形成有微棱镜图案的多个单元结构，所述微棱镜图案的单元棱镜具有在80°至83°之间的顶角θ，并且所述单元棱镜的布置方向与所述光源的布置方向对准；以及
微棱镜片，所述微棱镜片配置为层叠在所述导光板的顶表面上且具有在90°至110°之间的棱镜顶角θ。
2.根据权利要求1所述的表面光源器件，其中所述单元结构具有在30μm至1000μm之间的直径、宽度或长度。
3.根据权利要求1所述的表面光源器件，其中所述单元结构是圆形、椭圆形或多边形的。
4.根据权利要求1所述的表面光源器件，其中所述微棱镜图案具有在5μm至100μm之间的单元棱镜间距。
5.根据权利要求1所述的表面光源器件，其中形成在所述发射表面上的所述透镜状图案具有在50μm至500μm之间的间距。
6.根据权利要求1所述的表面光源器件，其中所述微棱镜片包括基底以及形成在所述基底上的棱镜部，所述棱镜部由折射率在1.5至1.6之间的丙烯酸树脂形成。
7.根据权利要求1所述的表面光源器件，其中所述微棱镜片沿着与所述微棱镜图案在所述导光板的所述后表面上的布置方向垂直的方向层叠。
8.一种背光单元，其包括根据权利要求1至7中任一项所述的表面光源器件。
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