JP2005347081A - 面光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＬ素子から出射された光の利用効率を高めるための好適な集光部を備えた面光源装置を提供する。
【解決手段】バックライト１３は、透明基板１４と、透明基板１４の光入射面１４１上に設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子１５と、透明基板１４の光出射面１４２に接着層１６を介して貼り付けられた散乱フィルム１７と、散乱フィルム１７の光出射面１７１側に設けられた２つのプリズムシート１８，１９とを備えている。散乱フィルム１７の光出射面１７１は、粗面に形成されている。プリズムシート１８，１９の光出射部１８１，１９１を構成するプリズム状の突条２３，２４の頂角は、９０°〜１０５°の範囲で設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エレクトロルミネッセンス素子を用いた面光源装置に関する。

エレクトロルミネッセンス素子（以下、ＥＬ素子と記すこともある）を発光源として面状に光を投射する面光源装置を例えば液晶表示装置のバックライトとして用いる技術が特許文献１，２，３に開示されている。

特許文献１に開示の装置では、有機ＥＬ素子の光取り出し面の外部に光散乱部が設けられている。光散乱部は、有機ＥＬ素子を設ける透明基板にレンズシートを貼り付けたり、透明基板の表面を艶消し処理したり、透明基板内に不透明粒子を分散させたりして構成されている。光散乱部は、有機ＥＬ素子が非発光状態にあるときに、有機ＥＬ素子を構成する陰極（鏡面性電極）が外部から入射する光を反射することによって鏡面として視認されてしまうのを防止するために用いられている。

特許文献２に開示の装置では、有機ＥＬ素子を設ける透明基板の光取り出し面側に集光層が設けられている。集光層は、微小なプリズムを複数平行に並べて構成されている。集光層は、有機ＥＬ素子から出射された光を集光して素子の前方への指向性を高めるために用いられている。

特許文献１，２に開示のいずれの装置においても、有機ＥＬ素子から出射された光を面光源装置の正面側に向けて正面輝度を高めるには不十分であり、有機ＥＬ素子から出射された光の利用効率は高くない。そのため、高い正面輝度を得るために必要な消費電力が大きくなってしまう。

特許文献３に開示の装置では、有機ＥＬ素子を設ける透明基板に光拡散部が設けられており、さらに、光拡散部の光取り出し側に集光部を設けた装置も開示されている。光散乱部は、透明シート内に透明シートと屈折率が異なる散乱材を散在させたり、透明基板内に透明基板と屈折率が異なる散乱材を散在させたりして構成されている。集光部は、光拡散部から出る光を集光するように設計された形状のレンズで構成されている。光散乱部は、有機ＥＬ素子から出射した光が透明基板の表面と空気との間の界面で全反射されるのを防止するために用いられており、集光部は、光拡散部から出た光を集光して正面輝度を高めるために用いられている。

光散乱部及び集光部を備えた特許文献３に開示の装置では、特許文献１，２に開示の装置に比べて、有機ＥＬ素子から出射された光の利用効率が高く、高い正面輝度を得るために必要な消費電力は、特許文献１，２の装置に比べて小さい。
特開平８−８３６８８号公報 特開２０００−２７７２６６号公報 特開２００３−１０９７４７号公報

しかし、光散乱部及び集光部を備えた特許文献３に開示の装置では、光拡散部から出る光を集光するように設計された形状のレンズで集光部を形成すると言及しているのみである。つまり、有機ＥＬ素子から出射された光の利用効率を高めるための好適な集光部の具体的な構成については何ら言及されていない。

本発明は、ＥＬ素子から出射された光の利用効率および正面輝度の高い面光源装置を提供することである。ここで、「正面輝度」とは、ＥＬ素子の出射面の法線方向の輝度を指す。

本発明は、エレクトロルミネッセンス素子と、エレクトロルミネッセンス素子の光出射面側に設けられた光散乱部と、前記光散乱部の光出射面側に設けられた集光部とを備えた面光源装置であって、集光部は光学シートで構成されている。光学シートは、光が入射する平面状の入射部と、入射した光を出射する出射部とを有し、出射部には複数のプリズム状の突条が互いに平行に設けられている。そして、光学シートは、入射部がＥＬ素子側を向いている。

本発明の発明者らは、鋭意研究・開発の結果、このような構成の面光源装置において、光学シートの出射部に設けられた突条の頂角を９０°〜１０５°の範囲内に設定し、このような光学シートを２枚、突条の配列方向が互いに直交するように配置すると、光利用効率および正面輝度を効果的に向上させることができることを見出した。

また、発明者らは、光散乱部のＨＡＺＥを６６％〜９５％の範囲内にすると、光利用効率および正面輝度の向上に効果的であることを見出した。
さらに、発明者らは、光散乱部の正面光に対する全光線透過率を５８％〜９９％にすると、光利用効率および正面輝度の向上に効果があることを見出した。ここで、「正面光に対する全光線透過率」とは、光散乱部の光入射面に垂直に入射する光に対して、光出射面から出てくる出射光の割合をいう。

ＥＬ素子を透明基板に設け、光出射面が粗面化された散乱フィルムを光散乱部とし、光出射面とは反対側の光入射面を透明基板の光出射面に対向するように、透明基板に散乱フィルムを貼り付けてもよい。

この発明は、エレクトロルミネッセンス素子として有機エレクトロルミネッセンス素子を用いる場合に、特に好適である。

本発明によれば、ＥＬ素子から出射された光の利用効率および正面輝度の高い面光源装置を提供することができる。

以下、本発明を液晶表示装置のバックライトに具体化した一実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、液晶表示装置１１は、液晶パネル１２と、液晶パネル１２の背面（表示面とは反対側の面）に配置された面光源装置としてのバックライト１３を備えている。バックライト１３は、透明基板１４と、透明基板１４の光入射面１４１上に設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子１５と、透明基板１４の光出射面１４２に接着層１６を介して貼り付けられた光散乱部としての散乱フィルム１７と、散乱フィルム１７の光出射面１７１側に設けられた２枚の光学シートとしてのプリズムシート１８，１９とを備えている。そして、プリズムシート１８，１９で集光部を構成している。散乱フィルム１７とプリズムシート１８とは隣り合っており、プリズムシート１８とプリズムシート１９とは隣り合っている。透明基板１４、接着層１６、散乱フィルム１７及びプリズムシート１８，１９は、光透過率の大きい材質で形成されている。

有機エレクトロルミネッセンス素子１５（以下においては有機ＥＬ素子１５と記すこともある）は、透明基板１４の光入射面１４１上に、第１電極２０、有機エレクトロルミネッセンス層２１（以下、有機ＥＬ層２１と記すこともある）、及び第２電極２２をこの順に積層して構成されている。有機ＥＬ素子１５は、有機ＥＬ層２１が外気と接触しないように、水分及び酸素の透過を抑制する保護膜（図示略）によって被覆されている。

第１電極２０は、透明な導電材（例えば、インジウム錫酸化物）によって形成されている。有機ＥＬ層２１は、第１電極２０側から順に、正孔輸送層、発光層、電子注入層を設けた３層構造、あるいは正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層を設けた４層構造となっている。有機ＥＬ層２１は、白色発光を行なうように構成されている。第２電極２２は、光反射性を有する金属（例えばアルミニウム）で形成されている。第２電極２２は、陰極であり、第１電極２０は、陽極である。第１電極２０と第２電極２２との間に電圧が印加されると、有機ＥＬ層２１が白色発光する。

散乱フィルム１７の光出射面１７１は、粗面化されており、この粗面にて光が散乱される。光出射面１７１の表面粗さは、Ｒａ（算術平均粗さ）が０．６μｍ〜１μｍの範囲に入るように設定されている。散乱フィルム１７は、粗面の光出射面１７１とは反対側の光入射面１７２が透明基板１４の光出射面１４２に対向するように、接着層１６を介して透明基板１４に貼り付けられている。

接着層１６の屈折率が、透明基板１４、及び散乱フィルム１７の屈折率に近くなるように、接着層１６を構成する材料を選ぶとよい。
図１（ｂ）に示すように、プリズムシート１８，１９の一面には複数のプリズム状の突条２３，２４が平行に配列されている。互いに平行に配列された複数の突条２３がプリズムシート１８の光出射部１８１を構成し、互いに平行に配列された複数の突条２４がプリズムシート１９の光出射部１９１を構成している。プリズムシート１８，１９の光出射部１８１，１９１と対向する部分は、平面状の光入射部１８２，１９２〔図１（ａ）に図示〕となっている。プリズムシート１８の光入射部１８２は、散乱フィルム１７の光出射面１７１と対向しており、プリズムシート１９の光入射部１９２は、プリズムシート１８の光出射部１８１と対向している。

図１（ｃ）に示すように、プリズムシート１８の突条２３は、一対の平面形状の斜面２３１，２３２を連ねて形成されている。斜面２３１，２３２の接続部２３３（光入射部１８２から遠い方の接続部）は、同一の平面Ｐ１に含まれており、各突条２３の高さは、同じである。本実施形態では、平面Ｐ１は、平面形状の光入射部１８２と平行である。斜面２３１，２３２が形成する頂角θ１（接続部２３３における頂角）は、各突条２３において同一であり、各突条２３は、その長さ方向〔図１（ｂ）に矢印Ｑ１で示す〕と直交する平面で切断した断面形状が全て同形同大の二等辺三角形となっている。平面Ｐ１と斜面２３１とのなす角度θ１１と、平面Ｐ１と斜面２３２とのなす角度θ１２とは、同一（θ１１＝θ１２）である。

図１（ｄ）に示すように、プリズムシート１９の突条２４は、一対の平面形状の斜面２４１，２４２を連ねて形成されている。斜面２４１，２４２の接続部２４３（光入射部１９２から遠い方の接続部）は、同一の平面Ｐ２に含まれており、各突条２４の高さは、同じである。本実施形態では、平面Ｐ２は、平面形状の光入射部１９２と平行である。斜面２４１，２４２が形成する頂角θ２（接続部２４３における頂角）は、各突条２４において同一であり、各突条２４は、その長さ方向〔図１（ｂ）に矢印Ｑ２で示す〕と直交する平面で切断した断面形状が全て同形同大の二等辺三角形となっている。平面Ｐ２と斜面２４１とのなす角度θ２１と、平面Ｐ２と斜面２４２とのなす角度θ２２とは、同一（θ２１＝θ２２）である。

本実施の形態では、プリズム状の突条２３，２４の頂角θ１，θ２は、同一（θ１＝θ２）である。
また、本実施の形態では、プリズムシート１８の突条２３の断面形状とプリズムシート１９の突条２４の断面形状とは、同形同大であり、突条２３のピッチと突条２４のピッチとは同一である。

プリズムシート１８は、光入射部１８２が散乱フィルム１７の光出射面１７１に対向して接触するように、散乱フィルム１７の光出射面１７１側に設けられている。プリズムシート１９は、光入射部１９２がプリズムシート１８の光出射部１８１に対向して接触するように、プリズムシート１８の光出射部１８１側に設けられている。一対のプリズムシート１８，１９は、一方のプリズムシート１８の突条２３の延びる方向と他方のプリズムシート１９の突条２４の延びる方向とが直角をなすように重ねられている。従って、プリズムシート１８における突条２３の配列方向〔図１（ｂ）に矢印Ｓ１で示す〕と、プリズムシート１９における突条２４の配列方向〔図１（ｂ）に矢印Ｓ２で示す〕とが直交する。

次に、バックライト１３の作用を説明する。
有機ＥＬ素子１５から出射した光は、透明基板１４及び接着層１６と通り、光入射面１７２から散乱フィルム１７内へ入射する。

接着層１６の屈折率を、透明基板１４、及び、散乱フィルム１７の屈折率に近い値にすると、有機ＥＬ素子１５で発せられた光は、透明基板１４と接着層１６との界面、および接着層１６と散乱フィルム１７との界面においてほとんど全反射されることなく散乱フィルム１７に入射される。これにより、光利用効率を高くすることができる。

そして、散乱フィルムに入射した光は、光出射面１７１を通って散乱フィルムの外部へ出射される。このとき、もし、出射面１７１が平面状であった場合には臨界角を越え全反射されてしまうような方向に進む光であっても、光出射面１７１が粗面に形成されているため、その一部が光出射面１７１から外部に出射されるようになる。また、出射面１７１で反射した光も、第２電極２２で反射して再び散乱フィルム１７に入射し、出射面１７１から外部へ出射される。従って、光利用効率が更に高くなる。

散乱フィルム１７から出射された光は、プリズムシート１８の光入射部１８２を通ってプリズムシート１８内に入射する。散乱フィルム１７の光出射面１７１は粗面化されているため、光出射面１７１とプリズムシート１８の光入射部１８２とが密着することはなく、その間には空気が介在する。空気の屈折率はプリズムシート１８の屈折率よりも小さいため、光入射部１８２を通ってプリズムシート１８に入射する光は、空気と光入射部１８２との界面において、光入射部１８２の法線方向に近づくように屈折する。

プリズムシート１８内へ入射して光出射部１８１に到達した光のうち一部は、突条２３を形成する斜面２３１，２３２を通ってプリズムシート１８の外部に出射される。斜面２３１，２３２はともに空気と接しているため、これらの面を通ってプリズムシート１８から出射される光は、進む方向のうち突条２３の長さ方向Ｑ１と垂直な面内の成分（突条２３の配列方向Ｓ１の成分）が入射部１８２の法線方向に近づくように屈折する。

光出射部１８１に達した光のうち残りの一部は、斜面２３１，２３２において全反射する。全反射した光は、散乱フィルム１７の粗面化された光出射面１７１や有機ＥＬ素子１５の第２電極２２で反射され、再度プリズムシート１８に入射する。このとき粗面化された光出射面１７１で光は変角され、よりプリズムシート１８から出射できるようになる。

プリズムシート１８から出射した光は、プリズムシート１９の光入射部１９２を通って、プリズムシート１９内へ入射する。このときも、プリズムシート１８に入射したときと同様に、入射部１９２の法線方向に近づくように屈折する。

プリズムシート１９内へ入射して光出射部１９１に到達した光のうち一部は、突条２４を形成する斜面２４１，２４２を通ってプリズムシート１９の外部に出射される。斜面２４１，２４２はともに空気と接しているため、これらの面を通ってプリズムシート１９から出射される光は、進む方向のうち突条２４の長さ方向Ｑ２と垂直な面内の成分（突条２４の配列方向Ｓ２の成分）が入射部１９２の法線方向に近づくように屈折する。

光出射部１９１に達した光のうち残りの一部は、斜面２４１，２４２において全反射する。全反射した光は、入射部１９２と空気との界面、空気とプリズムシート１８との界面、光入射部１８２と空気との界面、散乱フィルム１７の粗面化された光出射面１７１または有機ＥＬ素子１５の第２電極２２で反射され、再度プリズムシート１９に入射する。再度プリズムシート１９に入射した光のうち一部は、プリズムシート１９から出射される。

突条２３の配列方向Ｓ１と突条２４の配列方向Ｓ２とが直交するため、有機ＥＬ素子１５から出射された光のうち大部分の光が、プリズムシート１８およびプリズムシート１９を通過することにより、正面方向に集光される。

光出射部１９１から出射した光は、液晶パネル１２に入射する。液晶表示装置１１の使用者は、液晶パネル１２の表示をバックライト１３からの出射光によって視認する。
本実施形態では以下のような効果が得られる。

（１）接着層１６の屈折率が、透明基板１４、及び、散乱フィルム１７の屈折率に近い。そのため、有機ＥＬ素子１５からどの方向に出射された光でも、透明基板１４と接着層１６との界面、及び接着層１６と散乱フィルム１７との界面においてほとんど全反射せず散乱フィルム１７に達する。

従って、バックライト１３の光出射効率が向上する。
（２）散乱フィルム１７の出射面１７１を粗面化したため、出射面１７１が平面状である場合よりも多くの光を散乱フィルム１７外に出射することが可能となる。

これにより、バックライト１３の出射効率がさらに向上する。
（３）散乱フィルム１７を出た光は、プリズムシート１８およびプリズムシート１９を通過することにより、進む方向が透明基板１４の出射面１４２の法線方向に近づくように集光される。

これにより、バックライト１３の正面輝度が向上する。
（４）有機ＥＬ素子１５からの光は、まず散乱フィルム１７を通過し、その後プリズムシート１８およびプリズムシート１９を通過するため、光出射効率の向上のために散乱フィルム１７で進む方向が拡散された光をそのまま出射するのではなく、プリズムシート１８およびプリズムシート１９で集光する。これにより、バックライト１３の正面輝度を向上させることが可能となる。

（５）散乱フィルム１７は有機ＥＬ素子１５の透明基板１４に貼り付けられている。そのため、散乱フィルム１７と透明基板１４との間には空気が存在せず、有機ＥＬ素子１５からの光を散乱フィルム１７へ効率よく伝搬させることができる。

（６）有機ＥＬ素子１５は、無機エレクトロルミネッセンス素子にくらべて低電圧で発光させることができる。そのため、液晶表示装置１１のバックライト用の光源として好適である。

＜実施例１＞
上記のような実施の形態において、プリズムシート１８とプリズムシート１９の突条２３，２４の頂角を９０°とした。散乱フィルムのＨＡＺＥは９４％、正面光に対する全光線透過率は８２％である。
＜実施例２＞
プリズムシート１８とプリズムシート１９の突条２３，２４の頂角が１０５°である以外は、実施例１と同じ条件である。
＜実施例３＞
プリズムシート１８とプリズムシート１９の突条２３，２４の頂角が６５°である以外は、実施例１と同じ条件である。

実施例１、実施例２、実施例３において、有機ＥＬ素子１５に流す電流を一定（従って、有機ＥＬ素子１５の発光量も一定）にして、バックライト１３の中央部における正面輝度（透明基板１４の出射面１４２の法線方向の輝度）を測定した。結果を図２に示す。図２において縦軸は、実施例１の正面輝度を１としたときの相対的な正面輝度を表す。実施例２、実施例３の相対的な正面輝度は、それぞれ０．９３，０．７４であった。

この結果から、突条２３，２４の頂角を９０°〜１０５°の間の値にすれは、頂角が９０°の場合の正面輝度に対する相対的な正面輝度を０．９以上にでき、６５°〜１０５°の間の値にすれば相対的な正面輝度を０．７以上にできることがわかる。
＜実施例４〜１１＞
実施例４から実施例１１は、散乱フィルム１７のＨＡＺＥをそれぞれ３０％、４７％、６６％、８６％、８８％、９０％、９２％、９５％とした。それ以外の条件は実施例１と同じである。

実施例１及び実施例４〜１１において、有機ＥＬ素子１５に流す電流を一定にして、バックライト１３の中央部における正面輝度（透明基板１４の出射面１４２の法線方向の輝度）を測定した。結果を表１に示す。表１において正面輝度比は、実施例１の正面輝度を１としたときの相対的な正面輝度を表す。

この結果から、散乱フィルムのＨＡＺＥを８６％〜９４％の間の値にすれば、ＨＡＺＥが９４％の場合の正面輝度に対する相対的な正面輝度（正面輝度比）を０．９以上にでき、ＨＡＺＥを６６％〜９５％の間の値にすれば、正面輝度比を０．８５以上にでき、ＨＡＺＥを４７％〜９５％の間の値にすれば、正面輝度比を０．７５以上にできることがわかる。

このようにＨＡＺＥによって正面輝度が変わるのは、ＨＡＺＥが小さいと散乱フィルム１７に入射した光のうちプリズムシート１８に向けて出射する光の割合が小さくなり、光出射効率が低下し、逆にＨＡＺＥがあまりに大きいと、散乱フィルムから出射される際に、光が大きく散乱され、プリズムシート１８とプリズムシート１９において、効果的に集光できないためであると考えられる。
＜実施例１２〜２１＞
実施例１２から実施例２１は、正面光に対する全光線透過率をそれぞれ、４６％、５０％、５８％、７５％、７６％、８７％、８８％、９３％、９７％、９９％とした。それ以外の条件は、実施例１と同じである。

実施例１及び実施例１２〜２１において、有機ＥＬ素子１５に流す電流を一定にして、バックライト１３の中央部における正面輝度（透明基板１４の出射面１４２の法線方向の輝度）を測定した。結果を表２に示す。表２において正面輝度比は、実施例１の正面輝度を１としたときの相対的な正面輝度を表す。

この結果から、正面光に対する全光線透過率を７５％〜９３％の間の値にすれば、正面光に対する全光線透過率が８２％の場合の正面輝度に対する相対的な正面輝度を０．９５以上にでき、正面光に対する全光線透過率を５８％〜９９％の間の値にすれば、相対的な正面輝度を０．９以上にできることがわかる。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
（１）第１の実施形態において、プリズムシート１８の突条２３の頂角θ１と、プリズムシート１９の突条２４の頂角θ２とを異なるようにしてもよい。有機ＥＬ素子１５の特性に応じて、バックライト１３として所望の出射特性が得られるようにθ１とθ２とを調整すればよい。

（２）第１の実施形態において、角度θ１１と角度θ１２とが異なる値をとってもよく、角度θ２１と角度θ２２とが異なる値をとってもよい。必要な特性に応じてそれぞれを調整すればよい。例えば、透明基板１４の出射面１４２の法線方向とは異なる方向で輝度が最大となるようにしたい場合には、角度θ１１，θ１２，θ２１，θ２２を調整することにより実現できる。

（３）散乱フィルム１７を省略し、透明基板１４の光出射面１４２を粗面にして光散乱部を構成してもよい。
（４）散乱フィルム１７を省略し、透明基板１４内に散乱材を散在させて光散乱部を構成してもよい。

（５）有機ＥＬ素子１５の代わりに、無機エレクトロルミネッセンス素子を用いてもよい。
前記した実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。

〔１〕前記光散乱部と隣り合うプリズムシートの光入射部と、光散乱部の光出射面とが対向しており、前記光散乱部と隣り合うプリズムシートの光出射部と、別のプリズムシートの光入射部とが対向している請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の面光源装置。

一実施形態を示し、（ａ）は、面光源装置の側面概略図。（ｂ）は、部分分解斜視図。（ｃ），（ｄ）は、プリズムシートの部分側面図。 プリズム状の突条の頂角と正面輝度比との関係を示すグラフ。

符号の説明

１３…面光源装置としてのバックライト。１４…透明基板。１４２…透明基板の光出射面。１５…有機エレクトロルミネッセンス素子。１６…接着層。１７…光散乱部としての散乱フィルム。１７１…散乱フィルムの光出射面。１７２…散乱フィルムの光入射面。１８，１９…集光部を構成する光学シートとしてのプリズムシート。１８１，１９１…プリズムシートの光出射部。１８２，１９２…プリズムシートの光入射部。２３，２４…突条。θ１，θ２…頂角。Ｓ１，Ｓ２…配列方向。

Claims (5)

1. エレクトロルミネッセンス素子と、前記エレクトロルミネッセンス素子の光出射面側に設けられた光散乱部と、前記光散乱部の光出射面側に設けられた集光部とを備えた面光源装置において、
   前記集光部は、２枚の光学シートを重ねて構成されており、
   前記光学シートは、光が入射する平面状の入射部と、該入射した光が出射する出射部とを有し、該出射部には複数のプリズム状で頂角が９０°〜１０５°の範囲内にある突条が互いに平行に設けられており、
   前記２枚の光学シートは、どちらも前記入射部が前記エレクトロルミネッセンス素子側に向くとともに、前記突条の配列方向が互いに直交するように配置されている
   面光源装置。
2. 前記光散乱部のＨＡＺＥが６６％〜９５％である請求項１に記載の面光源装置。
3. 前記光散乱部の正面光に対する全光線透過率が５８％〜９９％である請求項１または請求項２に記載の面光源装置。
4. 前記エレクトロルミネッセンス素子は、透明基板に設けられており、前記光散乱部は、光出射面が粗面化された散乱フィルムであり、前記散乱フィルムは、前記光出射面とは反対側の光入射面が前記透明基板の光出射面に対向するように、前記透明基板に貼り付けられている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の面光源装置。
5. 前記エレクトロルミネッセンス素子は、有機エレクトロルミネッセンス素子である請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の面光源装置。

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