JP2007026702A

JP2007026702A - 直下型バックライト

Info

Publication number: JP2007026702A
Application number: JP2005202953A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Suehiro; 一郎末廣
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】白色のバックライトにおいて、面内の白色発光の均一性を向上させる直下型バックライトを提供すること。
【解決手段】発光色の異なる複数のＬＥＤ8が実装された基板7と、前記複数のＬＥＤ８からの発光を集光するための集光レンズ６と、導光板１が配置されている・導光板１の上面の中央部には光反射部２が形成され、その下面には光散乱部３が形成さらている。光散乱部３は、直下型バックライトの光半導体装置４から発光される光を反射し、導光板１内または導光板１の上面に散乱させる機能を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直下型バックライトに関する。さらに詳しくは、液晶ディスプレイのバックライト、平面照明などに使用される直下型バックライトなどとして好適に使用しうる直下型バックライトに関する。

赤色ＬＥＤ（発光ダイオード。以下同じ）、青色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤの発光を混合して白色のバックライトを得ることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

近年、この白色のバックライトにおいては、面内の白色発光の均一性の向上が求められている。
特開２００４−３４９２５１号公報

本発明は、前記従来技術に鑑みてなされたものであり、白色のバックライトにおいて、面内の白色発光の均一性を向上させる直下型バックライトを提供することを課題とする。

本発明は、
〔１〕発光色の異なる複数のＬＥＤが実装された基板と、前記複数のＬＥＤからの発光を集光するための集光レンズと、導光板を含んでなる直下型バックライト、
〔２〕前記複数のＬＥＤが、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤである前記〔１〕記載の直下型バックライト、ならびに
〔３〕導光板が、上面に光反射部を備え、さらに上面および／または下面に複数の円状の溝または突起からなる光散乱部を同心円状に備え、各同心円間の面積がいずれも実質的に等しい前記〔１〕または〔２〕記載の直下型バックライト
に関する。

本発明の直下型バックライトは、白色のバックライトにおいて、面内の白色発光の均一性を向上させるという効果を奏する。

本発明の直下型バックライトは、発光色の異なる複数のＬＥＤが実装された基板と、前記複数のＬＥＤからの発光を集光するための集光レンズと、導光板を含む点に、１つの特徴を有する。本発明の直下型バックライトは、かかる特徴を有するので、白色のバックライトにおいて、面内の白色発光の均一性を向上させることができる。

本発明の直下型バックライトの一実施態様を図１に示す。図１（ａ）は、直下型バックライトの平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ´部における断面図である。

直下型バックライトの上面には、導光板１が配置されている。導光板１の上面の中央部分には光反射部２が形成され、その下面には光散乱部３が形成されている。光散乱部３は、直下型バックライトの光半導体装置４から発光される光を反射し、導光板１内または導光板１の上面に散乱させる機能を有する。

導光板１は、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリカルボジイミドなどの樹脂を用いて、トランスファー成形、プレス成形などの成形法によって製造することができる。

なお、本明細書において、直下型バックライトの「上面」とは、直下型バックライトの使用時に光が観察される面をいい、直下型バックライトの「下面」とは、その上面と反対側の面をいう。

光反射部２は、直下型バックライトの光半導体装置４から外部に直接発光される光を遮断し、反射し、導光板１内に散乱させる機能を有する。光反射部２は、この機能を効率よく発揮させる観点から、光半導体装置４の真上にあることが好ましい。

導光板１の平面形状は、特に限定されないが、好ましくは四角形である。導光板１の平面形状が四角形である場合、その一辺の長さは、好ましくは３０〜１００ｍｍである。また、導光板１の厚さは、光反射部２および後述する光散乱部３を無視した状態で、好ましくは１〜３ｍｍである。

導光板１内に反射散乱された光が導光板１から外部に出ることを防止するために、導光板１の側面は、金属蒸着処理などの処理を施すことにより、光沢面ないし鏡面とすることが好ましい。

なお、導光板1には、直下型バックライトの面内で均一に発光させる観点から、光散乱部３が配設されていることが好ましい。光散乱部３は、直下型バックライトの上面および／または下面に配設することができるが、その形成が容易であることから、導光板１の上面に配設することが好ましい。光散乱部３は、光反射部２を形成させるのと同様の方法で形成することができる。

光散乱部３は、例えば、光反射部２を中心として、同心円状に配設することができる。この場合、各同心円間の面積がいずれも実質的に等しくなるように、光散乱部３を配設することが面輝度を均一にする観点から好ましい。なお、「面積が実質的に等しい」とは、本発明による効果が奏される限り、わずかな程度の違いは「等しい」として扱うという意味である。例えば、各同心円間の面積の差異が±５％以内、好ましくは±３％以内、さらに好ましくは±1％以内である場合には、面積に実質的に違いがあるとはいえず、「面積が実質的に等しい」ものとして扱う。

各同心円間の面積は、隣接する各同心円の面積の差として算出された面積を意味する。また、各同心円の面積は、その円の中心から光散乱部３の幅の中心までの距離を半径とする円の面積である。各同心円の面積は、効率よく光の導波を得る観点から、好ましくは１．６〜８５ｍｍ^２程度、より好ましくは２．５〜３０ｍｍ^２程度である。なお、円の半径は、好ましくは５〜１０ｍｍである。

光散乱部３の断面形状の好適な例としては、三角形、四角形などの多角形、半円、半楕円などが挙げられるが、これらのなかでは三角形が好ましい。なお、本発明の目的が阻害されない範囲内であれば、光散乱部３の断面形状には、複数種類の断面形状が用いられていてもよい。

例えば、図２（ａ）に示されるように、導光板１に配設される光散乱部３が溝であり、かつその断面形状が三角形である場合、反射部２側の辺と導光板１の面とのなす角度（θ_１）は、好ましくは２０〜５０度、より好ましくは３０〜４５度である。該三角形は、直角三角形であることが好ましく、斜面が反射部２側に形成されている直角三角形がより好ましい。この場合、斜面と導光板１の面とのなす角度（θ_１）は、好ましくは１５〜５０度、より好ましくは２０〜３５度である。

例えば、図２（ｂ）に示されるように、導光板１に配設される光散乱部３が突起であり、かつその断面形状が三角形である場合、反射部２と反対側の辺と導光板１の面とのなす角度（θ_２）は、好ましくは１５〜５０度、より好ましくは２０〜３５度である。該三角形は、直角三角形であることが好ましく、斜面が光反射部２と反対側に形成されている直角三角形がより好ましい。この場合、斜面と導光板１の面とのなす角度（θ_２）は、好ましくは１５〜５０度、より好ましくは２０〜３５度である。

また、導光板１の面内の発光量をより均一にするためには、図２に示される角度（θ_１）または角度（θ_２）が同心円の中心から外縁に向かって段階的に大きくなっていることが好ましい。同心円の中心から外縁に向けて、光散乱部３ごとに段階的に角度（θ_１）または角度（θ_２）が大きくなっていてもよいが、設計の容易さを考慮すると、複数の光散乱部３ごとに段階的に角度（θ_１）または角度（θ_２）が大きくなっていることが好ましい。

「複数の光散乱部３ごとに」とは、光散乱部３の数が１０〜２５個ごとであることが好ましく、１５〜２０個ごとであることがより好ましい。「段階的に角度（θ_１）または角度（θ_２）が大きくなる」とは、角度（θ_１）または角度（θ_２）の変化量が好ましくは１〜２度、より好ましくは１．５〜１．７５度で各角度が増大することを意味する。

導光板１に配設される光散乱部３の数は、面輝度の均一性および輝度の向上の観点から、導光板１の一面あたり、好ましくは５０〜７００個、より好ましくは１５０〜５００個である。

光散乱部３の幅は、光取り出し効率を向上させる観点および面内の発光強度を均一にする観点から、好ましくは１〜１００μｍ、より好ましくは２０〜７０μｍ、さらに好ましくは２０〜５０μｍである。また、光散乱部３の溝の深さまたは突起の高さは、それぞれ、好ましくは０．５〜１２０μｍ、より好ましくは１０〜３０μｍである。

光反射部２の形状については、特に限定がなく、例えば、円形、楕円形などが挙げられるが、光を均一に反射させる観点から、円形が好ましい。また、光反射部２は、光散乱部３のなかで、その中心に最も近い円の内側に配置されることが好ましい。光反射部２は、例えば、トランスファー成形、プレス成形などによって容易に形成させることができる。

なお、光半導体装置４から外部に直接発光される光が遮断され、かつ反射されやすくするようにするために、光反射部２の上面には、金属薄膜または金属粒子分散樹脂層（図示せず）が形成されていてもよい。金属薄膜に用いられる金属としては、例えば、銀、アルミニウムなどが挙げられる。金属粒子分散樹脂層に用いられる金属粒子としては、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウムなどの金属酸化物などの微粒子が挙げられる。

光反射部２の上面に金属薄膜を形成させる方法としては、例えば、光反射部２以外の部分にマスクキングを形成させた後、スパッタリングを行う方法などが挙げられる。また、金属粒子分散樹脂層を形成させる方法としては、例えば、キャスティング法、スピンコート法、噴霧法、シート状の樹脂を加熱加圧するラミネート法などが挙げられる。金属薄膜または金属粒子分散層の厚さは、好ましくは０．０５〜０．５μｍである。

導光板１の下部には、反射板５が配設されている。反射板５の開口部を介して、反射部２の直下に複数のＬＥＤ８からの発光を集光するための集光レンズ６が配設され、さらにその下部に、発光色の異なる複数のＬＥＤ８が実装された基板７が配設されている。各部材の固定は、例えば、接着剤などによって行うことができる。

光半導体装置４は、基板７に実装されたＬＥＤ８を樹脂層（図示せず）で封止することによって形成することができる。なお、光半導体装置４は、面内発光を均一に行う観点から、反射板５よりも上方に突出していないことが好ましい。

反射板５としては、例えば、アクリル樹脂板などの樹脂板、トタン板などの金属板などが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。反射板の厚さは、特に限定されないが、通常、好ましくは０．３〜１ｍｍである。なお、反射板５の表面は、例えば、銀蒸着などにより鏡面加工が施されていることが好ましい。

複数のＬＥＤ８の代表例としては、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤが挙げられる。近年、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤの発光を混合して白色のバックライトにおいては、面内の白色発光の均一性の向上が求められているが、本発明の直下型バックライトは、この面内の白色発光の均一性の向上の要請に応えるという利点を有する。

集光レンズ６としては、例えば、半球状レンズ、フレネルレンズ、マイクロレンズアレイなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。なお、集光レンズ６として、半球状レンズまたはフレネルレンズを用いる場合には、バックライトユニットの薄型化のため、焦点距離が短いほうが好ましく、具体的には０．７〜５．０ｍｍであることが好ましい。また、マイクロレンズアレイを用いる場合には、焦点距離は、集光された光に散乱性を持たせ、面内の光を均一にする観点から、０．０１〜０．５ｍｍであることが好ましい。集光レンズ６の材質には特に限定がなく、例えば、ガラス、アクリル系樹脂などのプラスチックなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。

なお、集光レンズ６の上には、迷光（光学機器内で、正規の屈折や反射以外の要因で生じる結像に有害な光）を遮断するために、絞り９が配設されていてもよい。絞り９の開口数（光源からの光が集光レンズを介して絞りによって絞られた光の交差角（θ）のｓｉｎθの値）は、迷光を有効にカットする観点から、好ましくは０．１〜０．５である。

絞り９は、例えば、接着剤などにより、反射板５に設置することができる。絞り９の大きさには、特に限定がないが、通常、その設置が容易であり、かつ集光レンズ６の設置を阻害しない範囲内にあればよい。絞り９の材質としては、例えば、鉄、鉄−亜鉛合金、銅、ニッケル、真鍮、アルミニウムなどの金属が挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。絞り９の厚さは、自重による反りが発生しないようにするために、０．１〜０．５ｍｍ程度であることが好ましい。また、絞り９には、光の乱反射を防止するために、黒化処理が施されていることが好ましい。

また、本発明においては、バックライトの中心の光度が低下しないようにするために、集光レンズ６の上方に拡散板１０を設置してもよい。拡散板１０としては、例えば、ポリエステルフイルム、ポリカーボネートフイルムなどの樹脂フイルムの表面に、シリカ粒子を被覆したフイルム、その表面にカレンダーなどにより凹凸加工が施されたフイルムなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示みに限定されるものではない。拡散板１０の大きさおよびその厚さは、いずれも任意であり、本発明の目的が阻害されない範囲内で適宜選択すればよい。拡散板１０は、例えば、接着剤、熱融着などの手段により、導光板１に固定することができる。

本発明の直下型バックライトは、発光色の異なる複数のＬＥＤが実装された基板と、前記複数のＬＥＤからの発光を集光するための集光レンズと、導光板を有するので、白色のバックライトにおいて、面内の白色発光の均一性を向上させるという利点を有する。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例のみに限定されるものではない。

実施例１
（１）半導体装置の作製
３個の発光ダイオードが点灯するように配線された白色基板（縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍ、基板の厚さ：０．２ｍｍ、銅箔の厚さ：０．１ｍｍ）に、赤色発光の超高輝度発光ダイオード（赤色発光ダイオード）、緑色発光の超高輝度発光ダイオード（緑色発光ダイオード）および青色発光の超高輝度発光ダイオード（青色発光ダイオード）を配線し、実装した。

トランスファー成形用透明エポキシ樹脂〔日東電工（株）製、品番：ＮＴ−８５２８〕を粉末状としたものをメチルエチルケトンに１：１の重量比で溶解させた後、その溶液を平板上でシート状に塗工し、半硬化状態にした封止シート（厚さ：０．２ｍｍ）を作製した。

その作製した封止シートを前記白色基板に配置した後、１２５℃の温度で１６時間加熱することにより、半導体装置を製造した。

（２）反射板の作製
基板〔三井化学（株）製、商品名：シルバーリフレクタＳＵ−１１９、厚さ０．０４ｍｍ〕の中心部（光半導体装置の設置場所）に、直径４ｍｍの孔をあけて使用した。

（３）導光板の作製
金型を使用して、一方の面に光反射部を有し、その反対の面に突起状の光散乱部を有するアクリル樹脂製の導光板（縦：５０ｍｍ、横：５０ｍｍ、厚さ：２ｍｍ）をプレス成形により作製した。

光反射部は、導光板の重心を原点、その原点を通る水平軸をｘ軸とし、垂直軸をｙ軸として、式：

（式中、ｘは原点からの水平距離（ｍｍ)、ｙは原点からの垂直距離(ｍｍ)を示し、ｘおよびｙは-1.5≦ｘ≦1.5, 0.0012≦y≦1を満足する）
で表される曲線をｙ軸に対して半回転させることによって得られる逆円錐様形状とした。

図２（ｂ）に示されるように、光散乱部２として突起を用いた。光散乱部２において、中心部の円の面積を６３．６ｍｍ^２（半径：約４．５ｍｍ）とし、同心円の数を１５０個とし、各同心円間の面積を２５．８ｍｍ^２（最も外側にある円の半径を約３５．４ｍｍ）とした。突起の形状は、幅を６０μｍとし、高さを２２μｍとし、断面形状を斜辺が光反射部と反対側にある直角三角形とし、角度（θ_２）は以下のように設定した。

同心円の数が同心円の中心から１５個目まで：２０．０度
同心円の数が１６個目から３０個目まで：２１．５度
同心円の数が３１個目から４５個目まで：２３．０度
同心円の数が４６個目から６０個目まで：２４．５度
同心円の数が６１個目から７５個目まで：２６．０度
同心円の数が７６個目から９０個目まで：２７．５度
同心円の数が９１個目から１０５個目まで：２９．０度
同心円の数が１０６個目から１２０個目まで：３０．５度
同心円の数が１２１個目から１３５個目まで：３２．０度
同心円の数が１３６個目から１５０個目まで：３３．５度

すなわち、同心円の中心から外縁に向けて、光散乱部１５個ごとに１．５度ずつ角度（θ_２）が大きくなるように設定した。

光反射部の反対面に、ポリエチレン製の拡散板（直径９ｍｍ、厚さ０．７ｍｍ）を設置した。

（４）直下型バックライトの作製
前記で得られた光半導体装置を前記で得られた反射板の反射面の反対の面に光学接着剤（ノーランド社製、品番：ＮＯＡ７８）で接着し、光半導体基板を得た。光半導体装置および反射板の配置は、反射板の孔の中心と光半導体装置の中心とが垂直方向で一致するようにした。

反射板の孔に、半球状のエポキシ樹脂製の集光レンズ（曲率半径：２．５ｍｍ、直径：５ｍｍ、焦点距離：５ｍｍ）設置し、その集光レンズの上面に、直径４ｍｍの孔があいた絞りを固定した。

光半導体基板上に、前記で得られた導光板を配置し、四方向端面を枠組みで固定して、直下型バックライトを得た。なお、光半導体基板と導光板の配置は、光半導体基板の中心と導光板の中心とが垂直方向で一致するように配設した。

比較例１
実施例１において、集光レンズを用いなかった以外は、実施例１と同様にして、直下型バックライトを作製した。

次に、実施例１および比較例1で得られた直下型バックライトの物性として、面内の発光の均一性および白色の程度を以下の方法にしたがって調べた。その結果をそれぞれ図３および図４に示す。

〔面内の発光の均一性〕
輝度評価装置（トプコン社製、品番：Ｂｍ−９ｘ０．２°）を用いて、直下型バックライトの発光の均一性を評価した。

〔白色の程度〕
面輝度計〔コニカミノルタ（株）製、ＣＡ−１５００Ｗ〕を用いてＸＹ色度図により、白色の程度を評価した。

図３に示された結果から、実施例１で得られた直下型バックライトを用いた場合には〔図３（ａ）〕、発光量が面内幅方向において均一な発光量が得られることがわかる。

これに対して、比較例１で得られた直下型バックライトを用いた場合には〔図３（ｂ）〕、２カ所の迷光部分で輝度が突出して高くなり、均一な発光が得られないことがわかる。

また、図４に示された結果から、実施例１で得られた直下型バックライトを用いた場合には〔図４（ａ）〕、比較例１で得られた直下型バックライトを用いた場合と対比して、Ｘ−Ｙ色度図において、斜線部分が色度座標の中心部にあるとともに、小さいことから、発光された光がより純白に近いことがわかる。また、Ｘ−Ｙ色度図において、小さい円状部分が散在しているが、これは飛散した光を示す。実施例１では、比較例１と対比して、飛散した光が少ないことがわかる。

本発明の直下型バックライトは、例えば、液晶ディスプレイのバックライト、平面照明などに使用される直下型バックライトなどとして好適に使用することができる。

（ａ）は本発明の直下型バックライトの一実施態様の平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ´部における断面図である。（ａ）は本発明に用いられる光散乱部の形状が溝である導光板の断面図、（ｂ）は本発明に用いられる光散乱部の形状が突起である導光板の断面図である。（ａ）は本発明の実施例１で得られた直下型バックライトを用いて面内の発光の均一性を測定した結果を示す図、（ｂ）は比較例1で得られた直下型バックライトを用いて面内の発光の均一性を測定した結果を示す図である。（ａ）は本発明の実施例１で得られた直下型バックライトを用いて白色の程度を測定した結果を示すＸ−Ｙ色度図、（ｂ）は比較例1で得られた直下型バックライトを用いて白色の程度を測定した結果を示すＸ−Ｙ色度図である。

符号の説明

１導光板
２反射部
３光散乱部
４光半導体装置
５反射板
６集光レンズ
７基板
８ＬＥＤ
９絞り
１０拡散板

Claims

発光色の異なる複数のＬＥＤが実装された基板と、前記複数のＬＥＤからの発光を集光するための集光レンズと、導光板を含んでなる直下型バックライト。
前記複数のＬＥＤが、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤである請求項１記載の直下型バックライト。
導光板が、上面に光反射部を備え、さらに上面および／または下面に複数の円状の溝または突起からなる光散乱部を同心円状に備え、各同心円間の面積がいずれも実質的に等しい請求項１または２記載の直下型バックライト。