JP2007066888A

JP2007066888A - 平板表示装置用照明装置

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Publication number: JP2007066888A
Application number: JP2006218408A
Authority: JP
Inventors: Bunkei Ri; 文圭李; Norihiro Minami; 昇浩南; Seong-Mo Hwang; 聖模黄; Young-Chan Kim; 泳燦金; Dong-Ho Wee; 東鎬魏; Kyung-Yeup Kim; 景 ▲ヨップ▼ 金
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-08-27
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: US7667788B2; EP1757962B1; KR100657968B1; JP4440238B2; EP1757962A2; EP1757962A3; US20070047259A1

Abstract

【課題】コリメーション手段を使うことなく、特定の偏光成分をさらに効率良く分離して出射できる平板表示装置用照明装置を提供する。
【解決手段】本発明による平板表示装置用照明装置は、光学的等方性物質から成る導光板の上面に、光学的異方性物質から成る上部層を含む。導光板と上部層との間の界面には好ましくはマイクロレンズアレイが設けられている。または、導光板の上面に、光学的等方性物質から成るマトリックスと、その中に分散された複数の偏光感応散乱材（ＰＳＳＥ）とを含む出光層が形成されていても良い。導光板と上部層との間の界面、またはマトリックスとＰＳＳＥとの間の界面では、特定の偏光成分が選択的に散乱する。一方、残りの偏光成分が上部層または出光層の上面で全反射して導光板の内部に戻る。
【選択図】図1

Description

本発明は平板表示装置用照明装置に関し、特に、その導光板に関する。

平板表示装置には自発光型素子と受光型素子とがある。液晶表示素子は受光型素子であり、外部の光源（例えば照明装置）から光を受けて画像を表示する。液晶表示装置用照明装置（バックライト）は光源の設置場所に応じ、直下方式とエッジ方式とに大別される。特にエッジ方式のバックライトでは、線形の光源が導光板の側面に沿って配置され、導光板がその光源からの光を液晶パネルの背面全体に均一に誘導する。

従来のバックライトでは、導光板を通じて出射された光が非偏光である。従って、その出射光を液晶表示装置で利用するには、その出射光をまず、偏光手段で偏光させねばならない。偏光手段では一般に、導光板の出射光がエネルギーの大部分を失いやすいので効率が低い。さらに、偏光手段で失われた光のエネルギーは熱に変換されて周辺に放出されるので、周辺部材の過熱などの問題が生じやすい。従って、液晶表示装置では、偏光手段の効率をさらに高めることが重要である。

偏光手段の効率をさらに高めるための従来の工夫として、次のような照明装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。その照明装置は、導光体内で特定の偏光成分を分離して外部に出射する一方、他の偏光成分を導光体内に戻して再利用する。例えば特許文献１に開示された照明装置では、特定の偏光成分の分離に、光学的等方性を持つ層と光学的異方性を持つ他の層との間の界面が次のように利用される。両層間には屈折率に差のある方向と差のない方向とがある。屈折率に差のある方向の偏光成分は上記の界面で全反射される。一方、屈折率に差のない方向の偏光成分はその界面をそのまま透過する。こうして、他の偏光成分を損なうことなく、特定の偏光成分を分離できる。両層間での屈折率の差が十分に大きくない場合は、例えば特許文献２で言及されているように、導光体内にコリメーション手段が設置され、光を上記の界面に対し、全反射条件を満足する角度で入射させる。
米国特許第5,845,035号明細書米国特許第5,808,709号明細書

光学的等方性を持つ層と光学的異方性を持つ他の層との間での屈折率の差は一般に小さいので、それらの層間の界面を利用するだけでは、特定の偏光成分をさらに効率良く分離することが困難である。一方、上記のコリメーション手段を利用する場合、そのコリメーション作用をさらに高めることが困難であるので、特定の偏光成分をさらに精度良く分離することが困難である。
本発明は、コリメーション手段を使うことなく、特定の偏光成分をさらに効率良く分離して出射できる平板表示装置用照明装置、の提供を目的とする。

本発明の一つの観点による平板表示装置用照明装置は、光源、導光板、上部層、及び偏光選択出射構造体を有する。導光板は光学的等方性物質から成り、光源から側面に入射した光を内部で伝播させ、上面（出射面）から出射する。その出射光は好ましくは、平板表示装置の表示パネルを均一に照射する。上部層は光学的異方性物質から成り、導光板の上面に設けられている。上部層の屈折率は方向に応じて異なる２つの値に変化し、それらの値の一方が導光板の屈折率と実質的に等しい。偏光選択出射構造体は導光板と上部層との間の界面に形成され、入射光をその偏光方向に応じて異なる態様で屈折させ、反射し、回折させ、または散乱させる。

上部層の屈折率が導光板の屈折率と等しい方向の偏光成分（以下、第１偏光成分という）は、導光板と上部層との間の界面をそのまま透過する。上部層と外気との間では屈折率に差があるので、導光板から上部層に入射する光の入射角が上部層の上面での全反射条件を満たすとき、第１偏光成分は上部層の上面で全反射され、導光板の内部に戻される。一方、上部層の屈折率が導光板の屈折率とは異なる方向の偏光成分（以下、第２偏光成分という）は、上記の界面に形成された偏光選択出射構造体により屈折し、回折し、反射され、または散乱される。それにより、第２偏光成分の大部分が上部層の上面に対して全反射角以下の入射角で入射する場合、その大部分が上部層からそのまま外部に出射される。導光板の内部に戻された第１偏光成分は導光板の内部で全反射を繰り返す。実際の導光板はわずかながらも光学的異方性を示すので、第１偏光成分は導光板の内部を進むうちに次第に非偏光状態の光に変換される。その非偏光状態の光が再び偏光選択出射構造体で第１偏光成分と第２偏光成分とに分離される。そのような過程が反復されることにより、光源から導光板に入射された光が全て第２偏光成分に変換されて出射される。こうして、第１偏光成分を効率良く再利用することにより、本発明による上記の照明装置はエネルギー効率を大きく向上させる。

本発明の他の観点による平板表示装置用照明装置は、上記と同様な光源と導光板との他に、出光層を有する。出光層は導光板の上面に設けられた層であり、マトリックスと複数の偏光感応散乱材（ＰＳＳＥ：Polarization Sensitive Scattering Element）を含む。マトリックスは光学的等方性物質から成り、その屈折率が導光板の屈折率と実質的に等しい。複数のＰＳＳＥはマトリックスの内部に分散された光学的異方性物質であり、特に共通の光学的異方性を示す。好ましくは、ＰＳＳＥの屈折率が方向に応じて異なる２つの値に変化し、それら２つの値の一方がマトリックスの屈折率と実質的に等しい。光学的等方性物質（マトリックス）と光学的異方性物質（ＰＳＳＥ）との間の界面では上記と同様に、第２偏光成分が選択的に散乱される。特にＰＳＳＥがマトリックス内に分散されているので、第２偏光成分が様々な方向に散乱される。従って、上記と同様に、第２偏光成分の大部分が平板表示装置の表示パネルに出射される一方、第１偏光成分が導光板の内部に戻され、再利用される。

本発明による平板表示装置用照明装置は上記の通り、導光板の上面に光学的等方性物質と光学的異方性物質との間の界面を設け、その界面で特定の偏光成分を選択的に散乱させる。一方、残りの偏光成分を上部層または出光層の上面で全反射して導光板の内部に戻し、再利用する。こうして、本発明による上記の照明装置は、従来の照明装置とは異なり、コリメーション手段を使うことなく、特定の偏光成分を効率良く分離して出射できる。従って、従来の照明装置より効率が高い。

以下、添付された図面を参照しながら、本発明の最適な実施形態を詳細に説明する。
図1は、本発明の第１実施形態による照明装置の断面図である。この照明装置は好ましくは、液晶表示装置の背後に設置されている。導光板20の少なくとも一つの側面には光源10が設置されている。光源10から発した光はその側面を通じて導光板20に入射し、導光板20内を伝搬して導光板20の上面（出射面）から液晶表示装置の背面に向けて出射される。導光板20の上面は上部層30で覆われている。上部層30は好ましくはフィルムまたはコーティングである。光源10が配置されていない導光板20の側面には側部反射鏡42が設けられている。導光板20の底面には底部反射鏡41が設けられている。

導光板20は光学的等方性物質から成り、屈折率n_oが全方向で均一である。上部層30は光学的異方性物質から成り、屈折率が方向によって２つの異なる値n_o、n_eに変化する。好ましくは、特定の方向では上部層30の屈折率が導光板20の屈折率n_oと等しい。さらに好ましくは、上部層30の屈折率が導光板20の屈折率n_oと等しい方向が平面を成し、その平面が導光板20の上面と、光源10が設置された側面との両方に直交する（図1に示されている座標軸参照）。一方、上部層30の屈折率が導光板20の屈折率n_oとは異なる値n_eである方向はその平面に対して垂直であり、すなわち導光板20の上面と光源10の長手方向との両方に対して平行である。

導光板20の上面と上部層30の底面との間の界面には偏光選択出射構造体21が形成されている。本発明の第１実施形態では特に、偏光選択出射構造体が複数の微細な立体構造物21である。立体構造物21は好ましくは、導光板20の上面に形成されたマイクロレンズアレイであり、それらの表面が上部層30で隙間なく覆われている。導光板20は光学的等方性素材から成るので、そのような立体構造物21を形成することは容易である。立体構造物21は好ましくは突起である。その他に、凹部など、多様な形状であっても良い。立体構造物21は、導光板20の内部から入射する光を偏光方向によって選択的に屈折させ、反射し、回折させ、または散乱させる。

本発明の第１実施形態による照明装置では、光源10の光から特定の偏光成分が次のように選択されて出射される。
光源10から導光板20の側面に非偏光状態の光S＋Pが入射され、導光板20の内部を伝搬して上面の立体構造物21に到達する。そのとき、導光板20と上部層30とで屈折率が同じ値n_oを示す方向（すなわち、導光板20の上面と光源10の長手方向との両方に対して垂直な断面に平行な方向。図1では紙面に平行な方向）の偏光成分（以下、第１偏光成分という）Pが、立体構造物21の表面をそのまま通過する。上部層30と外気との間では屈折率に差があり、かつ非偏光状態の光S＋Pが立体構造物21に入射する角度は上部層30の上面での全反射条件を満たすので、第１偏光成分Pは上部層30の上面で全反射され、導光板20の内部に戻される。一方、導光板20と上部層30とで屈折率が異なる方向（すなわち、導光板20の上面と光源10の長手方向との両方に平行な方向。図1では紙面に対して垂直な方向）の偏光成分（以下、第２偏光成分という）Sは、立体構造物21の表面で屈折し、反射され、回折し、または散乱する。それにより、第２偏光成分Sの一部は直接、残りの部分は底部反射鏡41で反射された後に、上部層30の上面に比較的小さな入射角で入射する。その結果、第２偏光成分Sの大部分が上部層30の上面をそのまま透過し、液晶表示装置の背面（図示せず）に向けて出射される。

導光板20の内部に戻された第１偏光成分Pは、底部反射鏡41、側部反射鏡42、及び上部層30の上面で幾度も全反射を繰り返しながら、導光板20の内部を伝搬し続ける。実際の導光板20はわずかながらも光学的異方性を示すので、第１偏光成分Pは次第に、非偏光状態の光S’＋P’に変換される。その非偏光状態の光S’＋P’が立体構造物21の表面で、上記の非偏光状態の光S＋Pと同様に、第１偏光成分P’と第２偏光成分S’とに分離される。第１偏光成分P’は導光板20の内部に戻され、第２偏光成分S’は液晶表示装置の背面に向けて出射される。以上の過程が繰り返されることにより、光源10から導光板20に入射した光量のほとんどが第２偏光成分Sに変換され、液晶表示装置の背面に向けて出射される。こうして、導光板20の内部で第１偏光成分Pが第２偏光成分Sに変換されることにより、その再利用が可能になる。その結果、照明装置の効率が向上する。

図2は、本発明の第２実施形態による照明装置の断面を示す。第２実施形態は前述の第１実施形態と比べ、導光板20の側面と側部反射鏡42との間に側部偏光変換部52を備えている点でのみ異なる。側部偏光変換部52は好ましくは光学的異方性物質層から成り、または特定の光学的構造体から成る。側部偏光変換部52は、入射光の偏光軸を90°回転させ、入射光を元の偏光方向に対して直交する偏光方向の光に変換する。その他に、側部偏光変換部52が特定の偏光成分を吸収しても良い。側部偏光変換部52は好ましくは1／4波長板である。第２実施形態では特に、導光板20の側面に到達した第１偏光成分Pが、図2に示されているように、側部偏光変換部52を透過して側部反射鏡42で反射され、再び側部偏光変換部52を透過する。その過程で、第１偏光成分Pの偏光軸が回転し、少なくともその一部が第２偏光成分Sに変換される。こうして、第１偏光成分Pから第２偏光成分Sへの変換がさらに効率良く行われるので、照明装置の効率がさらに向上する。

図3は、本発明の第３実施形態による照明装置の断面を示す。第３実施形態は第１実施形態や第２実施形態と比べ、導光板20の底面と底部反射鏡41との間に底部偏光変換部51を備えている点でのみ異なる。底部偏光変換部51は好ましくは光学的異方性物質層から成り、または特定の光学的構造体から成る。特に底部偏光変換部51の屈折率は方向に応じて少なくとも２つの異なる値を示し、好ましくは導光板20の底面に対して平行な方向では均一であり、導光板20の厚さ方向では異なる。底部偏光変換部51は、入射光の偏光軸をその入射角に応じて選択的に回転させる。上部層30の上面で全反射された第１偏光成分Pは導光板20の底面に比較的大きい入射角で入射するので、底部偏光変換部51を透過する間にその偏光軸が回転する。その結果、底部反射鏡41で反射される第１偏光成分Pの少なくとも一部が第２偏光成分Sに変換される。一方、立体構造物21の表面で反射された第２偏光成分Sの一部は、導光板20の底面に比較的小さい入射角で入射するので、偏光軸が回転することなく底部偏光変換部51をそのまま透過し、かつ底部反射鏡41でそのまま反射される。こうして、第１偏光成分Pから第２偏光成分Sへの変換がさらに効率良く行われるので、照明装置の効率がさらに向上する。

図4は、本発明の第４実施形態による照明装置の断面を示す。第４実施形態は、偏光選択出射構造体でのみ、前述の第１実施形態ないし第３実施形態とは異なる。第４実施形態による偏光選択出射構造体22は、導光板20の上面に形成された非周期的な凹凸であり、好ましくはホログラムパターンである。その他に、エッチングまたはサンドブラストによって形成された微細な凹凸であっても良い。第１偏光成分Pは偏光選択出射構造体22の形状に関わらず、その表面をそのまま透過するので、第１実施形態（図1参照）と同様に、上部層30の上面で全反射される。一方、第２偏光成分Sは偏光選択出射構造体22の表面で乱反射される。第２偏光成分Sの一部は直接、残りの部分は底部反射鏡41で反射された後に、上部層30の上面に様々な入射角で入射する。その結果、第２偏光成分Sの大部分が上部層30の上面をそのまま透過し、液晶表示装置の背面に向けて出射される。

図5は、本発明の第５実施形態による照明装置の断面を示す。第５実施形態は前述の第１ないし第３実施形態と比べ、導光板20の上面が平坦である点、及び導光板20の上面に上部層30に代え、出光層25を有する点で異なる。

出光層25はマトリックスと複数の偏光感応散乱材（ＰＳＳＥ）32とを含む。マトリックスは好ましくは導光板20と同様な光学的等方性物質から成る。マトリックスの屈折率は好ましくは導光板20の屈折率n_oと実質的に等しい。尚、場合によっては、マトリックスの屈折率が導光板20の屈折率より多少高くても良い。ＰＳＳＥ32は光学的異方性物質から成り、マトリックス内に分散されている。ＰＳＳＥ32の屈折率は方向に応じて異なる２つの値n_o、n_eを示す。特に、それらの値のいずれかはマトリックス（すなわち導光板20）の屈折率n_oと実質的に等しい。複数のＰＳＳＥ32は共通の光学的異方性を示す。好ましくは、図5に示されている座標軸の通り、複数のＰＳＳＥ32の屈折率が導光板20の屈折率n_oと等しい方向が平面を成し、その平面が、導光板20の上面とは直交し、光源10の長手方向に対しては平行である。一方、複数のＰＳＳＥ32の屈折率が導光板20の屈折率n_oとは異なる値n_eである方向はその平面に対して垂直であり、すなわち導光板20の上面に対しては平行で、光源10の長手方向とは直交する。

導光板20と出光層25とでは以下のように、特定の偏光成分が分離され、残りの偏光成分が特定の偏光成分に変換されて再利用される。光源10から導光板20の側面に非偏光状態の光が入射され、導光板20の内部を伝搬して上面を透過し、出光層25のマトリックスに進入してＰＳＳＥ32のいずれかに衝突する。そのとき、マトリックスとＰＳＳＥ32とで屈折率が同じ値n_oを示す方向（すなわち、導光板20の上面に対して垂直で、かつ光源10の長手方向に対して平行な断面に平行な方向）の偏光成分（以下、第１偏光成分という）が、マトリックスとＰＳＳＥ32との間の界面をそのまま通過する。出光層25と外気との間では屈折率に差があり、かつ非偏光状態の光が導光板20の上面に入射する角度は出光層25の上面での全反射条件を満たすので、第１偏光成分は出光層25の上面で全反射され、導光板20の内部に戻される。一方、マトリックスとＰＳＳＥ32とで屈折率が異なる方向（すなわち、導光板20の上面に対しては平行で、光源10の長手方向に対しては垂直な方向）の偏光成分（以下、第２偏光成分という）はマトリックスとＰＳＳＥ32との間の界面で散乱される。特にＰＳＳＥ32がマトリックス内に分散されているので、第２偏光成分が様々な方向に散乱される。それにより、第２偏光成分の一部は直接、残りは底部反射鏡41で反射された後に、マトリックスと外気との間の界面にその全反射条件より小さな入射角で入射する。その結果、第２偏光成分の大部分が出光層25の上面をそのまま透過し、液晶表示装置の背面に向けて出射される。

導光板20の内部に戻された第１偏光成分は、底部反射鏡41、側部反射鏡42、及び出光層25の上面で幾度も全反射を反復し、マトリックス及び導光板20の内部を伝搬し続ける。実際の導光板20はわずかながらも光学的異方性を示すので、第１偏光成分は次第に、非偏光状態の光に変換される。その非偏光状態の光が出光層25の内部で上記と同様に、第１偏光成分と第２偏光成分とに分離される。第１偏光成分は導光板20の内部に戻され、第２偏光成分は液晶表示装置の背面に向けて出射される。以上の過程が繰り返されることにより、光源10から導光板20に入射した光量のほとんどが第２偏光成分に変換され、液晶表示装置の背面に向けて出射される。こうして、導光板20の内部で第１偏光成分が第２偏光成分に変換されることにより、その再利用が可能になる。その結果、照明装置の効率が向上する。

ＰＳＳＥ32の光学的異方性素材は多様であり得る。好ましくは、ＰＳＳＥ32が液晶から成る。その場合、出光層25は好ましくは高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ：Polymer Dispersed Liquid Crystal）であり、すなわち、透明な高分子マトリックスに液晶が分散され、かつ一定の配向方向に揃えられている。出光層25はその他に、次のようなマトリックスとＰＳＳＥ32とから構成されていても良い（図6参照）。そのマトリックスでは、引張変形に関わらず屈折率が実質的に変わらない。一方、ＰＳＳＥ32では、引張変形に応じて屈折率が変わる。そのような出光層25の具体的な例としては、ＰＳＳＥ32がＰＥＮ（Polyethylene naphthalate）素材から成り、マトリックスがｃｏ−ＰＥＮ素材から成るフィルムが挙げられる。このようなフィルムに対して特定の一方向から引張力Tを加えれば、それに伴う引張変形に応じてＰＳＳＥ32の配向方向が変化する。出光層25をそのように引っ張られた状態で導光板20の上面に接合すれば、図5に示されている所望の導光体構造が得られる。

以上、本発明の望ましい実施形態を説明した。しかし、これらは例示的なものに過ぎない。実際、当業者であれば、これらの実施形態から多様な変形及び均等な他の実施形態を想到可能であろう。従って、それらの変形や均等な実施形態も当然に、本発明の保護範囲に属すると解されるべきである。

本発明は明らかに、平板表示装置用照明装置に関連する技術分野で利用可能である。

本発明の第１実施形態による照明装置の断面図本発明の第２実施形態による照明装置の断面図本発明の第３実施形態による照明装置の断面図本発明の第４実施形態による照明装置の断面図本発明の第５実施形態による照明装置の断面図本発明の第５実施形態による出光層を示す斜視図

符号の説明

10 光源
20 導光板
21 立体構造物
30 上部層
41 底部反射鏡
42 側部反射鏡
S 第２偏光成分
P 第１偏光成分

Claims

光源、
前記光源から側面に入射した光を内部で伝播させて上面から出射する、光学的等方性物質から成る導光板、
前記導光板の上面に設けられた光学的異方性物質から成る層であり、その屈折率が方向に応じて異なる２つの値に変化し、それらの値の一方が前記導光板の屈折率と実質的に等しい、上部層、及び、
前記導光板と前記上部層との間の界面に形成され、入射光をその偏光方向に応じて異なる態様で屈折させ、反射し、回折させ、または散乱させる偏光選択出射構造体、
を備えた平板表示装置用照明装置。
前記上部層が光学的異方性フィルムから成り、その屈折率が表面に対して平行な方向に応じて異なる２つの値に変化し、
前記偏光選択出射構造体が、前記導光板の上面に形成された複数の立体構造物と、それらの表面を覆う前記光学的異方性フィルムの表面とから成る、請求項１に記載の平板表示装置用照明装置。
前記立体構造物がマイクロレンズアレイである、請求項２に記載の平板表示装置用照明装置。
前記立体構造物がホログラムパターンである、請求項２に記載の平板表示装置用照明装置。
前記立体構造物が、エッチングまたはサンドブラストによって形成された非周期的な凹凸である、請求項２に記載の平板表示装置用照明装置。
前記導光板の底面に反射鏡を含む、請求項１に記載の平板表示装置用照明装置。
前記導光板と前記反射鏡との間に、光学的異方性物質から成る偏光変換部、をさらに備えた、請求項６に記載の平板表示装置用照明装置。
前記偏光変換部の屈折率が、表面に対して平行な方向では一定であり、厚さ方向では異なる、請求項７に記載の平板表示装置用照明装置。
光源、
前記光源から側面に入射した光を内部に伝播させて上面から出射する、光学的等方性物質から成る導光板、並びに、
前記導光板の上面に設けられた層であり、
前記導光板の屈折率と実質的に等しい屈折率を示す光学的等方性物質から成るマトリックス、及び、
前記マトリックスの内部に分散された光学的異方性物質であり、共通の光学的異方性を示す複数の偏光感応散乱材、
を有する出光層、
を備えた平板表示装置用照明装置。
前記偏光感応散乱材の屈折率が方向に応じて異なる２つの値に変化し、それらの値の一方が前記マトリックスの屈折率と実質的に等しい、請求項９に記載の平板表示装置用照明装置。
前記出光層が高分子分散型液晶である、請求項９に記載の平板表示装置用照明装置。
前記出光層のマトリックスが、引張変形に関わらず屈折率が実質的に変わらない物質から成り、前記偏光感応散乱材が、引張変形に応じて屈折率が変わる物質から成り、
前記出光層が一方向に引張変形されている、
請求項９に記載の平板表示装置用照明装置。
前記導光板の底面に設けられた反射鏡、及び、
前記導光板と前記反射鏡との間に設けられた、光学的異方性物質から成る偏光変換部、
をさらに備えた、請求項９に記載の平板表示装置用照明装置。
前記偏光変換部の屈折率が、表面に対して平行な方向では一定であり、厚さ方向では異なる、請求項１３に記載の平板表示装置用照明装置。