JP2001250410A

JP2001250410A - 面状発光装置

Info

Publication number: JP2001250410A
Application number: JP2000057221A
Authority: JP
Inventors: Eiji Nakanishi; 栄二中西
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2001-09-14
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JP4411732B2

Abstract

(57)【要約】【課題】液晶バックライト、パネルメーター、表示灯
や面発光スイッチなどに用いられる面状発光装置に係
り、特に、高輝度且つ色調差および輝度ムラの小さい面
発光が可能な面状発光装置に関する。【解決手段】本発明の面状発光装置は、透光性の導光
体中に該導光体と異なる屈折率を有する拡散材を含有さ
せた導光板と、該導光板の主面から光を放出させるため
に導光板の少なくとも一端面に光学的に接続させた発光
ダイオードと、導光板の背面に配された光拡散部および
反射部とを備える面状発光装置である。特に、拡散材は
ベンゾグアナミン系樹脂及び／またはポリエチレンテレ
フタレートからなる平均粒径３〜２０μｍの透光性粒子
であり、且つ拡散材が導光板中に０．００１〜０．４重
量％含有されている面状発光装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶バックライ
ト、パネルメーター、表示灯や面発光スイッチなどに用
いられる面状発光装置に係り、特に、高輝度且つ色調差
および輝度ムラの小さい面発光が可能な面状発光装置に
関する。

【０００２】

【従来技術】近年、液晶バックライトなどの光源に、点
光源として認識される発光ダイオード（以下、ＬＥＤと
いう）からの光を面状に発光させる面状発光装置が用い
られている。このような面状発光装置の一例として図４
に模式的斜視図を図５にその断面図を示す。図のように
面状発光装置には、透光性の導光板４０９と、導光板４
０９の一端面に設けられ導光板端面から光を入射させる
ＬＥＤ光源４０５が設けられている。また、導光板４０
９の面状発光が観測される主面及びＬＥＤ光源４０５が
接続される端面を除いて反射板４０４が設けられてお
り、ＬＥＤ光源４０５からの出射光を反射させて主面側
に放出させている。

【０００３】この様な面状発光装置では、発光面の輝度
及び色調が均一であることが望まれている。ところが、
光源としてＬＥＤを導光板の端面に配置させた場合、Ｌ
ＥＤはマクロ的には点光源として認識されるためＬＥＤ
近傍とその周辺では極めて光度差が大きくなる。このた
め、図５に示すように導光板４０９の背面にパターン状
の光拡散部４０３を設けたり、或いは透光性材料などの
拡散剤を導光板中に含有させたりすることで、ＬＥＤ光
源からの光を導光板内で拡散・反射させて発光面全体か
ら高輝度に均一発光させることが考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、面状発
光装置の発光面積をより大きくしたり、より高輝度に面
発光させるためには、光源であるＬＥＤからの発光輝度
を更に向上せざるを得ない。しかし、ＬＥＤからの光は
ある一定の指向角を持った放射状に発光する指向特性を
持つ。そのため発光観測面から見た導光板主面の１辺に
配置させると、ＬＥＤ近傍での発光強度が強くＬＥＤか
ら離れるに従って発光強度が弱い箇所が存在する。特
に、ＬＥＤ光源間や発光観測面から見た導光板の隅部は
暗くなる傾向が強い。従来のような導光板背面に備えら
れた光拡散部の拡散パターンなどによってある程度均一
光とさせることができるが、発光強度が数千ｍｃｄまで
向上した高輝度ＬＥＤをフルに発光させた場合では、Ｌ
ＥＤチップ数を減少させ小型化できるという利点がある
反面、光源となるＬＥＤ近傍の周辺では極めて強い発光
の強度分布が生ずる。したがって、導光板背面の拡散パ
ターンだけでは十分発光面の輝度を均一化できない。ま
た前記拡散パターンと同様、導光板に拡散材を含有させ
ることによって輝度ムラをある程度解決することができ
るものの、高輝度ＬＥＤを光源に用いた場合では、やは
り十分満足できるような均一な発光面は得られず、いず
れの方法も光源の輝度向上の利点を生かしきれないとい
う問題を有する。

【０００５】また、導光板に拡散材を含有させた場合、
導光板の発光面において光源側と光源から離れた端部で
出射光に色調の差が発生するという問題がある。ＬＥＤ
光源の光は、拡散材により短波長側の光が吸収されるた
め、光源から離れるに従い発光面の色調が黄色っぽくな
ってしまうのである。

【０００６】従って、本発明は上記課題を解決し高輝度
に発光可能な面状発光装置において、高輝度で、且つ輝
度ムラや色調差が極めて小さい面状発光装置を提供する
ことを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、種々の実験
の結果、背面に光拡散部が形成された導光板中に拡散材
を含有させ、さらに該拡散材の材料及び粒径を特定する
ことで課題を解決できることを見いだし本発明をなすに
至った。

【０００８】すなわち、本発明の面状発光装置は、透光
性の導光体中に該導光体と異なる屈折率を有する拡散材
を含有させた導光板と、該導光板の主面から光を放出さ
せるために導光板の少なくとも一端面に光学的に接続さ
せたＬＥＤと、導光板の背面に配された光拡散部および
反射部とを備える面状発光装置であって、前記拡散材は
ベンゾグアナミン系樹脂及び／またはポリエチレンテレ
フタレートからなる平均粒径３〜２０μｍの透光性粒子
であり、且つ該拡散材が導光板中に０．００１〜０．４
重量％含有されていることを特徴とする。このように構
成することにより、本発明の面状発光装置は、光源であ
る発光ダイオードからの光が、導光板の背面に配された
光拡散部により導光板内に拡散され、更に導光板内に含
有された拡散材によりＬＥＤ周辺の暗部まで光を導くこ
とができるので輝度ムラのない均一な発光面を得られ
る。また、拡散材としてベンゾグアナミン系樹脂又はポ
リエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴという）を用
いることで、光拡散効果を高め更に輝度ムラを小さくす
ることができるだけでなく、平均粒径を３〜２０μｍに
特定することで、発光面の色調差も小さくできる。

【０００９】本発明の請求項２に記載の面状発光装置で
は、前記拡散材を粒径１μｍ以下の大きさの微粒子が拡
散材全体の１０％以内になるようにする。これにより、
拡散材による短波長側の光の吸収をさらに低減させるこ
とができ、発光面の色調差を極めて小さくすることが可
能となる。

【００１０】本発明の請求項３に記載の面状発光装置
は、前記ＬＥＤとして、少なくとも発光層が窒化物半導
体である発光素子からの可視光と、該可視光により励起
され蛍光を発するセリウムで付活されたイットリウム・
アルミニウム・ガーネット系蛍光体からの光との混色光
を発光するＬＥＤを用いる。本発明によれば、このよう
なＬＥＤを用いた場合でも輝度ムラ及び色調差の小さい
均一発光可能な面状発光装置とすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態に係る面状発
光装置を図１及び図２を用いて詳述する。図１は本実施
の形態に係る面状発光装置の模式的斜視図であり、図２
は図１のＸＸ断面図である。図のように本実施の形態の
面状発光装置には、透光性の導光板１０９と、導光板１
０９の一端面に設けられ導光板端面から光を入射させる
ＬＥＤ光源１０５が設けられており、前記導光板１０９
は、透光性の導光体１０１と該導光体中に均一に混合さ
れた拡散材１０２とからなる。また導光板１０９の背面
には、ＬＥＤ光源１０５からの光を導光板内に拡散させ
るための光拡散部１０３が設けられ、導光板１０９の面
状発光が観測される主面及びＬＥＤ光源１０５が接続さ
れる端面を除いて反射板１０４が設けられている。

【００１２】ここで、特に本実施の形態の面状発光装置
においては、前記拡散材１０２として、ベンゾグアナミ
ン系樹脂及び／またはＰＥＴからなる平均粒径３〜２０
μｍの透光性微粒子を用いる。好ましくは、ベンゾグア
ナミン系樹脂であるベンゾグアナミン・メラミン・ホル
マリン樹脂、ベンゾグアナミン・ホルマリン樹脂を用い
る。これらの材料を拡散材として使用することで光拡散
効果を高め、発光面内の輝度ムラを小さくすることがで
きる。また、導光板中における拡散材の含有量は、０．
００１〜０．４重量％であり、好ましくは０．０１〜
０．２重量％である。これは、拡散材の含有量が０．０
０１重量％未満では、充分な光拡散効果が得られず、
０．４重量％より多いと光源周辺での輝点が目立ち、光
源からの距離による輝度差が大きくなるため、均一な面
発光が得られないからである。

【００１３】前記拡散材の平均粒径は３〜２０μｍであ
り、好ましくは５〜１５μｍである。なぜならば、平均
粒径が３μｍよりも小さいと可視光領域での短波長側の
光吸収により、光源から離れるに従い発光面の色調が黄
色っぽくなってしまうという色調差の問題が生じるから
である。平均粒径を上記範囲に限定することで、発光面
内の色調差をｘ、ｙともに０．０３以内に抑えることが
できる。逆に、平均粒径が２０μｍよりも大きいと光拡
散効果が低下するため、それに伴い添加量を増やす必要
があるが、添加量が多くなると上述したような問題が生
じる。更に、拡散材粒子が大きすぎると発光面側から輝
点として観測され不良品となる。更に、前記拡散材にお
いて、粒径１μｍ以下の大きさのものを拡散材全体の１
０％以内にすることが好ましい。なぜならば、上述した
ような短波長側の光吸収は、粒径１μｍ以下の大きさの
ものが影響している。従って、このような範囲に限定す
ることで、拡散材による短波長側の光の吸収をさらに低
減でき、発光面内の色調差をｘ、ｙともに０．０１以内
に抑えることができる。また、ここで拡散材に１μｍ以
下の微粒子が含有されていない場合、発光面内の色調差
をｘ、ｙともに０．００５以内と極めて小さくすること
が可能となる。

【００１４】拡散材の粒度分布はシャープである方が好
ましい。なぜなら、粒度分布がシャープである方が、輝
度が高く、色調差も小さくなる。また、拡散材の形状は
特に限定せず、導光板内に分散可能であれば、球状、フ
ィラー形状など種々の形状を選択することができるが、
好ましくは真球状のものを用いる。ここで、拡散材とし
て不定形のものを使用する場合、先端部又は薄い部分な
どが１μｍ以下であれば、前記で述べたように短波長側
の光吸収の影響を受けるため注意が必要である。

【００１５】本発明で用いる導光体１０１の材料として
は、透光性樹脂や硝子など種々のものが挙げられ、前記
拡散材と屈折率に差があるものであれば使用可能であ
る。導光体と拡散材との屈折率差は色調には関係しない
が、あまり小さいと効果が出なかったり、効果を出すた
めに添加量が極端に多くなったりするので、０．０１以
上あることが好ましい。好ましくは、導光体材料として
アクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂を用いる。導
光体の材料としてアクリル樹脂またはポリカーボネート
樹脂を用い、拡散材の材料としてベンゾグアナミン系樹
脂及び／またはＰＥＴを用いて導光板１０９を形成する
ことで、更に輝度が向上し、また輝度ムラや色調差を低
減することが可能となる。

【００１６】前記導光板１１０は光利用効率を向上させ
るために、光源と接続される端面及び発光面を除き、チ
タン酸バリウムや酸化アルミニウムなどを含有する樹脂
やアルミニウムなど金属から構成することができる反射
材で被覆することが好ましい。また反射部を導光板に接
着させる際、透光性の高いアクリル系またはシリコン系
の接着剤を用いるのがより好ましい。ＬＥＤ光源からの
光をより多く反射材まで到達させ、また反射した光もよ
り多く発光面側へと透過させるためである。また、前記
導光板を固定枠等にはめ込んで利用する場合、その固定
枠等自体を、ＰＣ、ＡＢＳ、ＰＢＴ等にＬＥＤからの光
を反射させるために酸化チタン、チタン酸バリウム、硫
酸バリウム、酸化アルミニウム等の拡散反射材を添加し
て成形した樹脂で形成すると、反射材との効果とも加わ
って、ＬＥＤ光源からの光の反射率を格段に向上させる
ことができ、発光装置外部へと効率よく光を取り出すこ
とができる。

【００１７】さらに本発明において、前記導光板１０９
の背面には、ＬＥＤ光源１０５からの光を導光板内に均
一に拡散するための光拡散部１０３が形成される。発光
強度が数千ｍｃｄの高輝度ＬＥＤを光源として使用した
場合、ＬＥＤ近傍の周辺では極めて強い発光の強度分布
が生じてしまい、導光板に拡散材を含有させるだけで
は、発光面の輝度を均一にすることは困難である。とこ
ろが、導光板の背面に光拡散部を形成すると、導光板の
背面に配された光拡散部により導光板内に拡散され、更
に導光板内に含有された拡散材によりＬＥＤ周辺の暗部
まで光を導くことができるので輝度ムラのない均一な発
光面が得られる。また、発光面側への出光も多くなるた
め、輝度を向上させることができる。前記光拡散部を形
成するのは、導光板の背面に微細な凹凸を施す方法、導
光板の背面に白色物質を印刷塗布する方法など、一般的
な方法を用いることができる。ここで、図１の面状発光
装置に配された光拡散部の拡散パターンを図３に示す。
導光板の発光面と対面する背面に、光拡散部として凹凸
を形成させてある。図３に示すように、ＬＥＤ光源１０
５近傍において、ＬＥＤチップ１０７前面の輝度の高い
ところはその間隔が疎として、ＬＥＤチップ１０７の間
などの輝度の低いところはその間隔が密となるような拡
散パターン（凸部）を形成させることが好ましい。この
ような拡散パターンを形成すれば、ＬＥＤ光源近傍にお
ける輝度ムラをさらに改善することが可能となる。ま
た、前記光拡散部１０３は、導光板に拡散材を含有しな
い時の発光面の輝度分布が、ＬＥＤ光源が配置された導
光板端面から離れるにしたがい高くなり、最も低い部分
の輝度が最も高い部分の輝度の３０〜９０％となるよう
に形成することが好ましい。このような光拡散部を形成
すれば、拡散材の添加量を調整するだけで均一な発光面
が得られるので、製造工程上非常に有利である。

【００１８】本発明において光源として用いられるＬＥ
Ｄは、導光板１０９の端面と光学的に接続可能なもので
あり導光板に光を照射させ得るものであれば種々のもの
を利用することができる。本実施の形態では、発光層に
窒化物半導体（Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦
ｙ、０≦ｘ＋ｙ≦１）を用いた青色が発光可能なＬＥＤ
チップ１０７、及びこれによって励起され黄色が発光可
能なセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム
・ガーネット系蛍光体を含有する樹脂１０８とを有する
ＬＥＤ光源１０５を配置させてある。このＬＥＤ光源１
０５は、ＬＥＤチップからの単色性ピーク波長と蛍光体
からのブロードな発光との混合色が観測される。このた
め、前述したように、粒径１μｍ以下の拡散材による光
吸収の影響を受けやすい。即ち、このような白色ＬＥＤ
を光源として使用した場合、粒径１μｍ以下の拡散材に
よりＬＥＤチップからの青色発光成分が吸収されるた
め、光源から離れるに従い発光面の色調が黄色味を帯
び、目的とする本来の白色から色調がずれていってしま
う。しかしながら、本発明においては、前記拡散材の粒
径を限定するため、拡散材による短波長側の光吸収の影
響による色調差を抑えることができる。またＬＥＤ光源
１０５は、２種以上のＬＥＤチップを備えていてもよ
い。例えば、ＬＥＤチップをＲＧＢ（赤・緑・青）とし
て全て発光させ混色することにより白色発光可能なＬＥ
Ｄ光源とすることもできる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明に係る実施例の面状発光装置に
ついて説明する。［実施例１］実施例１は、図１〜図３の実施の形態と同
様の構成を持った面状発光装置の例である。導光体とし
てアクリル樹脂（熱変形温度：７１〜９９℃、屈折率：
１．４９）を、拡散材としてベンゾグアナミン・メラミ
ン・ホルマリン樹脂からなる球状パウダー（日本触媒
(株)製エポスターＧＰ−Ｈ１００、熱変形温度：３
１０℃、屈折率：１．５２、平均粒径：１０μｍ、粒度
分布：±０．１μｍ）０．０１５重量％を撹拌・混合し
た後、ホッパに投入し、成形温度を２４０℃に設定して
アクリル樹脂を溶融させながら５００Ｋｇｆ／ｃｍ²の
圧力で射出成型する。金型は６０℃に加熱設定し、厚さ
２ｍｍ、縦横８５ｍｍ×３０ｍｍの板状導光板を成形し
た。

【００２０】この時、導光板形成用の金型には発光面と
対向する背面に光拡散部として凹凸を形成させてある。
凹凸は、ＬＥＤ光源近傍においては、輝度の高いところ
はその間隔が疎として、輝度の低いところはその間隔が
密となるように形成させた。また、導光板全体において
は、導光板に拡散材を含有しない時の発光面の輝度分布
が、ＬＥＤ光源が配置された端面から離れるに従い輝度
が高くなり、最も低い部分の輝度が最も高い部分の輝度
の７０％程度となるように凹凸を形成させた。

【００２１】形成された導光板に反射材としてアルミニ
ウム板を張り付けた。アルミニウム板は、発光面および
ＬＥＤ光源が光学的に接続される端面を除いて張り付け
た。また、アルミニウム板の設けられていない導光板の
端面に、青色が発光可能な窒化物半導体からなるＬＥＤ
チップ、およびＬＥＤチップからの青色光によって励起
され黄色光を放出するセリウムで付活されたイットリウ
ム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を含有する樹脂
とを有するＬＥＤ光源を配置させた。このようにして、
本発明の面状発光装置を形成した。

【００２２】［実施例２］ベンゾグアナミン・ホルマリ
ン樹脂からなる球状パウダー（日本触媒(株)製エポスタ
ーＬ１５、熱変形温度：３００℃、屈折率：１．５
７、平均粒径：１５μｍ、粒度分布：８〜３０μｍ）を
拡散材として０．０１重量％添加した以外は、実施例１
と同様にして面状発光装置を形成した。

【００２３】［実施例３］ＰＥＴ樹脂（熱変形温度７０
℃、屈折率：１．６４）を粉砕して得られた不定形の粒
子（平均粒径１０μｍ）を拡散材として０．０２重量％
添加した以外、実施例１と同様にして面状発光装置を形
成した。

【００２４】［実施例４］アクリル樹脂の代わりにポリ
カーボネート樹脂（熱変形温度：１４５℃、屈折率：
１．５８）を導光体として使用した以外、実施例１と同
様にして面状発光装置を得た。

【００２５】［実施例５］ベンゾグアナミン・メラミン
・ホルマリン樹脂からなる球状パウダー（日本触媒(株)
製エポスターＭ３０、熱変形温度：３００℃、屈折
率：１．５７、平均粒径：３μｍ、粒度分布：０．５〜
８μｍ）を拡散材として０．００６重量％添加した以外
は、実施例１と同様にして面状発光装置を形成した。

【００２６】［比較例１］比較例１は、図４、図５と同
様の構成を持った面状発光装置の例である。導光板に拡
散材が含有されていないことと、導光板背面に形成させ
た凹凸パターンが異なる以外は、実施例１と同様にして
面状発光装置を得た。この面状発光装置の凹凸パターン
はＬＥＤ近傍においては、輝度の高いところはその間隔
が疎として、輝度の低いところはその間隔が密となるよ
うに形成させてあり、また導光板全体においても、均一
な面発光が得られるように凹凸を形成させてある。

【００２７】＜特性の評価＞実施例１〜５および比較例
１で得られた面状発光装置について、その特性を調べ表
１に示した。ここで、輝度偏差は、それぞれの導光板の
対応する９点を取りそのばらつきを見たものであり、輝
度はその９点の平均値を比較例１で得られた面状発光装
置の輝度を１００％とした時の相対値で示した。なお、
色調差は、それぞれの導光板の対応する９点の測定値に
おける最大値と最小値の差を表したものである。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１の結果からもわかるように、本実施例
１〜５で得られた面状発光装置は、拡散材を含有せず背
面の拡散パターンのみを有する導光板を用いて形成した
面状発光装置（比較例１）と比べて、拡散効果が高いた
め輝度偏差が向上し、また発光面側への出力も多くなる
ため輝度も向上している。更に、色調差についてもｘ、
ｙともに０．０１以内に抑えることができた。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高輝度で、且つ輝度ムラや色調差が極めて小さい均一な
面発光が可能な面状発光装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る面状発光装置の模
式的斜視図。

【図２】図１のＸＸ断面における模式的断面図。

【図３】図１の面状発光装置の光拡散部の拡散パター
ンを示す模式図。

【図４】従来の面状発光装置の模式的斜視図。

【図５】図４のＹＹ断面における模式的断面図。

【符号の説明】

１００・・・面状発光光源１０１・・・透光性樹脂からなる導光体１０２・・・透光性樹脂からなる拡散材１０３・・・光拡散部１０４・・・導光板に設けられた反射板１０５・・・ＬＥＤ光源１０６・・・発光体を導光板に固定する手段１０７・・・ＬＥＤチップ１０８・・・ＬＥＤチップからの光によって蛍光を発す
る蛍光体が含有された樹脂１０９・・・導光板１１０・・・ＬＥＤチップに電流を供給するリード電極４００・・・面状発光光源４０３・・・光拡散部４０４・・・導光板に設けられた反射板４０５・・・ＬＥＤ光源４０６・・・発光体を導光板に固定する手段４０７・・・ＬＥＤチップ４０８・・・ＬＥＤチップからの光によって蛍光を発す
る蛍光体が含有された樹脂４０９・・・導光板４１０・・・ＬＥＤチップに電流を供給するリード電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性の導光体中に該導光体と異なる屈
折率を有する拡散材を含有させた導光板と、該導光板の
主面から光を放出させるために導光板の少なくとも一端
面に光学的に接続させた発光ダイオードと、導光板の背
面に配された光拡散部および反射部とを備える面状発光
装置であって、前記拡散材はベンゾグアナミン系樹脂及び／またはポリ
エチレンテレフタレートからなる平均粒径３〜２０μｍ
の透光性粒子であり、且つ該拡散材が導光板中に０．０
０１〜０．４重量％含有されていることを特徴とする面
状発光装置。
【請求項２】前記拡散材は粒径１μｍ以下の大きさの
微粒子が拡散材全体の１０％以内である請求項１に記載
の面状発光装置。
【請求項３】前記発光ダイオードは、少なくとも発光
層が窒化物半導体である発光素子からの可視光と、該可
視光により励起され蛍光を発するセリウムで付活された
イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体から
の光との混色光を発光する請求項１または２に記載の面
状発光装置。
【請求項４】前記導光体はアクリル樹脂またはポリカ
ーボネート樹脂からなる請求項１乃至３に記載の面状発
光装置。