JP2004118205A - 波長変換発光デバイスを用いるカラーｌｃｄのバックライト - Google Patents

Abstract

【課題】　色域が制限され、低輝度における効率が低いといった従来のＬＣＤの問題点を解決する。
【解決手段】　ＬＣＤ用のバックライトは、光源として少なくとも１つの赤色光源と、少なくとも１つの緑色光源と、少なくとも１つの青色光源とを使用しており、光源の１つは、第１波長の光を放出することができる発光ダイオードと、第１波長の光を吸収して第２波長の光を放出することができる波長変換材料とを備える。或る実施形態においては、波長変換材料は、ストロンチウム・チオガレート蛍光体か又はニトリドシリケート蛍光体である。或る実施形態においては、第１波長は、青色光源によって放出された光とほぼ同じか、又は人間の目にかろうじて見えるものである。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、赤色、緑色、及び青色成分を含むバックライトを必要とする透過型カラーＬＣＤに向けられている。

　液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）及びラップトップコンピュータのようなバッテリ駆動の装置に、並びにかさばるＣＲＴの代替物としてテレビ画面及びコンピュータのモニタに一般的に用いられる。

　現在、こうしたＬＣＤの欠点としては、水銀を使用すること、色域が制限されること、及び低輝度における効率が低いことが含まれる。ＬＣＤは、モノクロか又はカラーとすることができ、透過型又は反射型とすることができる。
本発明は、バックライトを必要とする透過型又は反射型カラーＬＣＤに対応するものである。

　本発明の実施形態によれば、ＬＣＤ用のバックライトは、光源として少なくとも１つの赤色光源と、少なくとも１つの緑色光源と、少なくとも１つの青色光源とを使用しており、赤色、緑色、及び青色光源の１つは、第１波長の光を放出することができる発光ダイオードと、該第１波長の光を吸収して第２波長の光を放出することができる波長変換材料とを備える。実施形態によっては、緑色光源は、第１波長の光を放出することができる発光ダイオードと、該第１波長の光を吸収して緑色光を放出することができる波長変換材料とを備えることができる。波長変換材料は、ストロンチウム・チオガレート蛍光体(strontium thiogallate phosphor)又はニトリドシリケート蛍光体(nitridosilicate phosphor)である。実施形態によっては、第１波長は、青色光源によって放出された光とほぼ同じか、又は人間の目にかろうじて見えるようにすることができる。

　ＬＣＤにおいて緑色光源として波長変換発光ダイオードを使用することは、幾つかの利点をもたらす。第１に、波長変換材料は、ポンプ波長(pump wavelength)範囲と同じ波長で発光するので、各ＬＣＤが同じ色の光を発光する必要なしに、ＬＣＤの彩度を維持することができる。第２に、波長変換材料によって発光された光の色は、温度又は動作電流によって大きく変化しない。

　図１は、本発明の一実施形態に係る透過型カラーＬＣＤの一部分の断面図である。ＬＣＤ１０は、ＬＣＤにバックライトをもたらすための赤色、青色、及び緑色発光ダイオードのアレイ２７を含む。アレイにおけるＬＥＤの数は、ディスプレイのサイズと要求される明るさに依存する。大抵は、アレイは、赤色ＬＥＤより緑色ＬＥＤを多く有し、青色ＬＥＤより赤色ＬＥＤを多く有する。実施形態によっては、単一光源が１つより多い色の光を生成するようにしてもよい。実施形態によっては、３つより多い色の光を用いても良い。光源の波長は、最良の見え方になるよう選択され、これは、そのシステムで用いる色フィルタの透過特性を含む。

　アレイ２７におけるＬＥＤは、例えば混合光ガイド２６の縁に沿って線状に配置してもよい。混合光ガイド２６は、ディスプレイの一方の縁に光学的に結合される。高い輝度が要求される場合には、付加的なアレイ２７と混合光ガイド２６を、ディスプレイの他方の縁に設けても良い。発光ダイオードアレイによって生成された光は、混ざり合った光が白色に見えるよう混合されなければならない。ＬＥＤアレイ２７は、混合光ガイド２６に結合される。混合された光は、ミラー２８によって反射されて光ガイド１２に入る。ＬＣＤのＬＥＤ光を混合するのに適した構造は、２００１年６月１日にヨーロッパ特許庁に出願された出願番号第０１２０２１３７．４号の「Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｆｏｒ　ＬＣＤ　Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ　Ｗｉｔｈ　ＬＥＤｓ」と、Ｇｅｒａｒｄ　Ｈａｒｂｅｒｓ，Ｗｉｍ　Ｔｉｍｍｅｒｓ，Ｗｉｌｌｅｍ　Ｓｉｌｌｅｖｉｓ−Ｓｍｉｔｔの「ＬＥＤ　Ｂａｃｋｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ＬＣＤ−ＨＤＴＶ」、第２回国際ディスプレイ製造会議の会議録、Ｊｉｎ　Ｊａｎｇ（編集者）、韓国ソウル、２００２年１月、ＩＳＳＮ１２２９−８８５９、ｐ１８１−１８４に説明されており、これらは参照先指定によりここに引用されたものとする。

　ディスプ７イの背面に均質な白色光を与えなければならない。こうした均質な白色光をもたらす一般的な技術は、混合光ガイドの出力を透明プラスチックシートの一又は二以上の縁に光学的に結合するというように、ＬＥＤアレイからの混合光を光ガイド１２に光学的に結合することである。シートは、光が表面から放出されるようにシートの上面のほぼ法線方向に光を曲げる変形部を有する。こうした変形部の例は、底面におけるリッジ、プラスチックシートに埋め込まれた反射粒子、或いはシートの上面又は底面の粗面を含む。変形部によって、準一様な光平面が光ガイドの前面の外に放出されることになる。明るさと一様性を改善するために、光ガイドの背面の後ろに非鏡面反射器を配置しても良い。

　ＬＣＤ１０は、液晶層２０によって分離された２つのガラスシートを含んでいる。ＬＥＤアレイ２７に最も近いガラスシートは、偏光フィルタ１４及びＴＦＴアレイ１６を含んでいる。偏光フィルタ１４は、白色光を直線偏光にする。偏光された白色光は、次いで各ピクセルに対して１つのトランジスタをもつ透過型薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ１６に伝達される。ＴＦＴアレイは非常によく知られている。
　ＴＦＴアレイ１６の上は液晶層２０であり、液晶層２０の上は接地された透明導電層２２である。液晶層２０のピクセル領域を横切る電界が存在しないときには、ピクセル領域を通過する光は、入ってくる偏光に対して直角に回転された偏光軸をもつことになる。液晶層２０のピクセル領域を横切る電界は、液晶を位置合わせさせ、光の方向性に影響を及ぼさない。トランジスタを選択的に励起することによって、液晶層２０を横切る局所的な電界が制御される。異なるディスプレイにおいて、常時開（白色）シャッターと常時閉（黒色）シャッターとの両方が用いられる。

　ＬＥＤアレイ２７から最も遠いガラスシートは、ＲＧＢフィルタ１８と偏光フィルタ２４を含んでいる。ＴＦＴアレイ１６からの光出力は、ＲＧＢピクセルフィルタ１８によってフィルタ処理される。ＲＧＢピクセルフィルタ１８は、赤色フィルタ層、緑色フィルタ層、及び青色フィルタ層から構成することができる。層は、薄膜として蒸着することができる。一例として、赤色フィルタ層は、ディスプレイの赤色ピクセル領域と一致する赤色光フィルタ領域のアレイを含む。赤色フィルタの残りの部分は、他の光を通すように透明にされる。したがって、ＲＧＢピクセルフィルタ１８は、ディスプレイのＲ、Ｇ及びＢピクセルの各々のためのフィルタを与える。ＲＧＢピクセルフィルタ１８に用いられるフィルタは、光源に用いられる波長に依存する。

　偏光フィルタ２４は、偏光フィルタ１４からの光出力に対して直角に偏光された光のみを通す。したがって、偏光フィルタ２４は、液晶層２０における励起されていないピクセル領域によって偏光された光のみを通し、液晶層２０の励起された部分を通過する光を吸収する。液晶層２０を横切る電界の大きさによって、個々のＲ、Ｇ、Ｂ成分の明るさが制御されて色のいずれかが作り出される。この手法においては、ＴＦＴアレイ１６における種々のトランジスタを選択的に励起することによって、いずれかの色の像が見る人に提示される。

　他のタイプのＬＣＤは、特定の横列の導体と縦列の導体を励起することによって交差点における液晶層のピクセル領域を励起する受動コンダクタグリッドを、ＴＦＴアレイ１６の代りに使用する。他のタイプのディスプレイシステムは、光源から光を取り入れて像を形成するために、ＬＣＤの代わりに反射型「デジタル光弁」（テキサス・インスツルメンツ社から入手可能）を使用するものである。

　本発明の実施形態によれば、バックライトＬＥＤアレイにおける少なくとも１つのＬＥＤは、波長変換ＬＥＤである。一実施形態においては、波長変換ＬＥＤは、緑色光源である。別の実施形態においては、他の光源は、波長変換ＬＥＤとすることができる。図２は、図１のＬＣＤ１０に用いるのに適したパッケージされた波長変換緑色ＬＥＤの例を示している。例えばＩＩＩ族窒化物発光デバイスとすることができるＬＥＤダイ１１６が、サブマウント１１８の上にマウントされる。サブマウントは、ペデスタル１１０によって支持され、ワイヤ１２２によってリード１１２に電気的に接続される。レンズ１２０が、ＬＥＤダイ１１６を覆う。ＬＥＤダイ１１６とレンズ１２０との間のスペース１１４は、波長変換材料１１５で満たされる。波長変換材料は、ケイ素又はエポキシのような別の材料に混合されてもよく、レンズ１２０からの光の抽出を最大にするように選択された屈折率をもつ。

　図３は、波長変換緑色ＬＥＤの別の実施形態を示している。ＩＩＩ族窒化物ｎ型領域４０、活性領域３８、及びｐ型領域３６が、ＳｉＣ又はサファイアのような基板上に製造される。コンタクト３４が、ｎ型領域とｐ型領域に接続される。デバイスは、例えばはんだとすることができるインターコネクト３２によってサブマウント３０にマウントされる。ＬＥＤの上面及び側面上に適当な同じ形状の波長変換層４４が形成される。波長変換層４４は、例えば、ステンシル加工か又は電気泳動析出によって形成することができる。ステンシル加工は、米国特許出願第０９／６８８，０５３号の「Ｓｔｅｎｃｉｌｌｉｎｇ　Ｐｈｏｓｐｈｏｒ　Ｃｏａｔｉｎｇｓ　Ｏｎ　Ｆｌｉｐ　Ｃｈｉｐ　Ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ＬＥＤ　Ｄｅｖｉｃｅｓ」に説明され、電気泳動析出は、米国特許出願第０９／８７９，６２７号の「Ｕｓｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ　Ｔｏ　Ｐｒｏｄｕｃｅ　Ａ　Ｃｏｎｆｏｒｍａｌｌｙ　Ｃｏａｔｅｄ　Ｐｈｏｓｐｈｏｒ−Ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」に説明されている。両方の特許出願は、参照先指定によりここに引用されたものとする。図３に示されるデバイスは、図２に示されたものと同様のパッケージの中に包み込むことができる。或る実施形態においては、波長変換材料は、該波長変換材料が曝される熱量を減らすために、ＬＥＤダイから離れているパッケージの領域に例えばレンズ１２０の内側又は外側のコーティングとして、或いはレンズ１２０を形成する材料内に配置される。

　波長変換材料１１５及び４４は、ＬＥＤダイの活性領域によって放出された光を吸収して、ＬＣＤに用いるのに適した波長の緑色光を放出するように選択される。ＬＥＤダイは、例えば、約４２０ｎｍから約４６０ｎｍまでの間の波長をもつ青色光を放出するものとすることができる。別の実施形態においては、ＬＥＤダイは、例えば約３８０ｎｍから約４２０ｎｍまでの間の波長をもつＵＶ光を放出するものとすることができる。ＵＶ光のＬＥＤを用いる実施形態においては、ＵＶ光がシステムから見る人に向かって出て行くことを防ぐために、波長変換材料と見る人との間にＵＶフィルタを配置することができる。波長変換材料１１５及び４４は、例えば、約５４２ｎｍの主波長をもつＳｒＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺のようなストロンチウム・チオガレート蛍光体、ニトリドシリケート蛍光体、又はその他の適当な緑色発光蛍光体でよい。

　ＬＣＤの緑色源として緑色発光蛍光体で被覆されたＬＥＤダイの使用は、直接に緑色光を発光するＬＥＤダイの使用を上回る幾つかの利点をもたらす。正確に同じ緑色のカラーを発光するデバイスを製造するのは困難である。一般に、緑色ＬＥＤは、青緑色から黄緑色までの色範囲にわたることがある。ＬＣＤ用のバックライトの異なる緑色ＬＥＤ間の色の変動は、全てのＬＥＤが同じ緑色のカラーを発光する場合に可能となるものより彩度を低くする。したがって、バックライトとして用いられる各緑色ＬＥＤは、同じカラーを発光しなければならない。同じカラーの緑色光を発光するＬＥＤの選択は、使用可能な緑色ＬＥＤがほんの幾つかのみとなるので、高価である。さらに、緑色ＬＥＤによって発光されたカラーは、温度及び／又は作動電流によって変化する。温度に伴い直接光のカラーが変化するので、及び／又は温度に伴いＬＥＤと同様には色フィルタの透過率が変化しないので、温度変化はディスプレイの見え方の変化をもたらす。

　緑色発光蛍光体で被覆されたＬＥＤは、緑色ＬＥＤが直面する問題をなくすことができる。緑色発光蛍光体は、比較的広範囲のポンプ波長によって緑色光の発光がもたらされ、各ＬＥＤが同じ色の光を発光する必要性がなくなり、一方でディスプレイの色の均一性が保たれるように選択することができる。さらに、高温での安定性のために、ＳｒＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺のような緑色発光蛍光体を選択して、温度に起因する色の変動をなくしてもよい。

　一般に、ＬＥＤを取り囲むか又は被覆する波長変換材料の厚さは、ＬＥＤの活性領域によって発光された光の一部が変換されずに波長変換層を出て行くように選択される。ＬＥＤによって発光された光を完全に変換するためには、波長変換層を厚くしなければならず、それにより波長変換層における光の背面散乱が増加されることになる。背面散乱は、ＬＥＤチップか又はデバイスの他の部分の半導体層による吸収によって光が失われる恐れを増加させ、デバイスの全ルーメン出力を減らすことになる。ＬＥＤの活性領域からの変換されなかった光の漏れは、波長変換材料によって放出された光と混合され、デバイスによって発光された光の見掛けの色を変化させる。図１に示されたＬＣＤにおいては、変換されなかった光の漏れのほとんどは、ＲＧＢピクセルフィルタ１８によってフィルタ処理される。変換されなかった光の漏れの影響はまた、バックライトの青色光を作り出すのに用いられる青色ＬＥＤと同じ色（例えば約４４０ｎｍから約４６０ｎｍまでの間）か、又は人間の目にかろうじて見えるような短波長（例えば約４２０ｎｍから約４４０ｎｍまでの間）のいずれかの光を発光するＬＥＤを選択することによって最小にされる。バックライトの青色ＬＥＤと適合されるか又はかろうじて人間の目に見えるポンプ波長をもつ緑色蛍光体変換ＬＥＤを、ＲＧＢピクセルフィルタを必要としないＬＣＤに用いても良い。こうしたＬＣＤの例は、米国特許出願第０９／８５４，０１４号の「Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ　Ｆｏｒ　Ａ　Ｃｏｌｏｒ　ＬＣＤ」に説明されており、参照先指定によりここに引用されたものとする。

　光ガイド及びＬＣＤを説明する多くの発行された特許は、光抽出効率を改善する技術をもたらし、適切な場合には、これらの技術のいずれかを本発明に用いても良い。これらの特許は、米国特許第６，０９４，２８３号、第６，０７９，８３８号、第６，０７８，７０４号、第６，０７３，０３４号、第６，０７２，５５１号、第６，０６０，７２７号、６，０５７，９６６号、第５，９７５，７１１号、第５，８８３，６８４号、第５，８５７，７６１号、第５，８４１，４９４号、第５，５８０，９３２号、第５，４７９，３２８号、第５，４０４，２７７号、第５，２０２，９５０号、第５，０５０，９４６号、第４，９２９，０６２号及び第４，５７３，７６６号を含み、これらの全ては参照先指定によりここに引用されたものとする。

　本発明を詳細に説明してきたが、当業者であれば、本発明の開示に基づき、ここで説明した発明概念の精神から逸脱することなく本発明に修正をなし得ることが分かるであろう。したがって、本発明の範囲は、図示され説明された特定の実施形態に限定されるようには意図されていない。

ＬＣＤの一部の断面図である。 パッケージされた波長変換発光デバイスを示す図である。 波長変換発光デバイスの断面図である。

符号の説明

１０　　ＬＣＤ
１２　　光ガイド
１４　　偏光フィルタ
１６　　ＴＦＴアレイ
１８　　ＲＧＢフィルタ
２０　　液晶層
２２　　透明導電層
２４　　偏光フィルタ
２６　　混合光ガイド
２７　　アレイ
２８　　ミラー
３０　　サブマウント
３２　　インターコネクト
３４　　コンタクト
３６　　ｐ型領域
３８　　活性領域
４０　　ｎ型領域
１１０　　ペデスタル
１１２　　リード
１１６　　ＬＥＤダイ
１２０　　レンズ
１２２　　ワイヤ

Claims (19)

1. 　少なくとも１つの赤色光源と、
   　少なくとも１つの青色光源と、
   　少なくとも１つの緑色光源と、
   からなるカラーディスプレイ用のバックライトを備えたデバイスであって、
   　前記赤色、緑色、及び青色光源の少なくとも１つは、第１波長の光を発することが発光ダイオードと、発光ダイオード上に配置された波長変換材料とを含み、前記波長変換材料は、第１波長の光を吸収して第２波長の光を放出するものであるデバイス。
2. 　前記緑色光源は、前記第１波長の光を発光する発光ダイオードを備え、前記波長変換材料は、前記第１波長の光を吸収して緑色光を放出するものである請求項１に記載のデバイス。
3. 　前記第１波長は、３８０ｎｍから４６０ｎｍまでの範囲である請求項２に記載のデバイス。
4. 　前記第１波長は、４２０ｎｍから４６０ｎｍまでの範囲である請求項２に記載のデバイス。
5. 　前記波長変換材料は、ＳｒＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺である請求項２に記載のデバイス。
6. 　前記波長変換材料は、ニトリドシリケート蛍光体である請求項２に記載のデバイス。
7. 　前記第１波長は、少なくとも１つの青色光源によって発光された光とほぼ同じである請求項２に記載のデバイス。
8. 　前記赤色光源は、前記第１波長の光を発する発光ダイオードを備え、前記波長変換材料は、前記第１波長の光を吸収して赤色光を放出するものである請求項１に記載のデバイス。
9. 　前記青色光源は、前記第１波長の光を発光する発光ダイオードを備え、前記波長変換材料は、前記第１波長の光を吸収して青色光を放出するものである請求項１に記載のデバイス。
10. 　少なくとも１つの赤色光源によって発光された光と、少なくとも１つの青色光源によって発光された光と緑色光とを混合する混合光ガイドをさらに備え、それにより混合された光が白色を呈するものである請求項１に記載のデバイス。
11. 　均質化光ガイドをさらに備える請求項１に記載のデバイス。
12. 　第１偏光フィルタと、
    　励起アレイと、
    　ＲＧＢピクセルフィルタと、
    　液晶層と、
    　第２偏光フィルタと、
    をさらに備える請求項１に記載のデバイス。
13. 　前記第１波長は、緑色ピクセルのＲＧＢピクセルフィルタの緑色ピクセルフィルタによってフィルタ処理されるものである請求項１２に記載のデバイス。
14. 　前記少なくとも１つの赤色光源と前記少なくとも１つの青色光源の各々は、発光ダイオードである請求項１に記載のデバイス。
15. 　前記波長変換材料は発光ダイオードの表面を被覆している、請求項１に記載のデバイス。
16. 　前記第１波長の光を発光する発光ダイオードからなる少なくとも１つの光源はレンズをさらに備え、
    　前記波長変換材料は前記レンズと前記発光ダイオードとの間に配置されている、請求項１に記載のデバイス。
17. 　前記波長変換材料上に配置され、前記第１波長の光の一部を吸収するか又は反射するフィルタをさらに備えている請求項１に記載のデバイス。
18. 　液晶層を含む複数の層と、少なくとも１つの赤色発光ダイオード、少なくとも１つの青色発光ダイオード、及び少なくとも１つの緑色光源からなるバックライトとを備え、前記緑色光源は、第１波長の光を発光する発光ダイオードと、第１波長の光を吸収して緑色光を放出する波長変換材料とを備えるカラー液晶ディスプレイによって行われる方法であって、
    　前記赤色発光ダイオードを励起し、
    　前記青色発光ダイオードを励起し、
    　前記第１波長の光を発光する発光ダイオードを励起して、前記波長変換材料が緑色光を放出するようにし、
    　前記液晶層を選択的に制御して、赤色、青色及び緑色光の組合せからなる像を表示すること、
    からなる方法。
19. 　前記複数の層は、第１偏光フィルタと、薄膜トランジスタアレイと、液晶層と、第２偏光フィルタとを含み、前記液晶層の選択的制御は、薄膜トランジスタアレイのトランジスタを選択的に作動させることを含む、請求項１８に記載の方法。

Images