JP2007188035A - 酸化物を積層してなる光学層が形成されているバックライトユニット - Google Patents

Abstract

【課題】光学層を通じた光学的共振を利用してバックライトの光効率及び色純度を向上させることができるバックライトユニットを提供する。
【解決手段】本発明のバックライトユニット１００は、液晶パネルを有するＬＣＤで用いるバックライトユニットであって、基板３０と、前記基板３０上で互いから離隔して配列している複数の光源４０と、前記光源４０が放出した光を前記光源４０の上側方向に反射する全反射層５０と、前記光源４０の上側に形成され、前記放出した光の一部を透過し、前記放出した光の他の一部を前記基板３０の下側方向に反射するように酸化物層が積層されている光学層６０とを含み、前記光源４０が放出した光の光学的共振を誘起することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、バックライトユニットに関し、更に詳しくは、光学層による光学的共振を利用して輝度を増加させ得るバックライトユニットに関する。

典型的な表示装置の１つであるＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）は、テレビジョン受像機やコンピュータのモニタなどで広く使われているが、本質的に重く嵩張るため、最近の電子機器の小型化及び軽量化の潮流に追従できなくなった。

そのため、従来のＣＲＴを置換すべく、様々な技術が開発されており、電界光学的な効果を利用した液晶表示装置（ＬＣＤ、Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｉｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ガス放電を利用したプラズマ表示装置（ＰＤＰ、ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、及び電界発光効果を利用したＥＬ表示素子（ＥＬＤ、Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがその例である。

それらのうち、ＬＣＤは、軽量、薄型、及び低消費電力駆動などの特徴を有しており、液晶材料の改良及び微細画素加工技術の開発により、その応用範囲が急速に拡大し、テレビジョン受像機、デスクトップコンピュータのモニタ、ノートブックコンピュータのモニタ、大型フラットパネルテレビジョン受像機などに広く用いられている。

しかしながら、液晶表示装置の大部分は、外部から入ってくる光源の量を調節して画像を表示する消光性素子であって、別途のバックライトユニットを必要とする。

図１に示すように、通常のＬＣＤに用いられるＬＣＤモジュール１は、液晶が注入された液晶表示パネル２と、液晶表示パネル２の上下面へと向けられた光を偏光させるための偏光板４ａ及び４ｂと、液晶表示パネル２に均一な光を供給するためのバックライトユニット６と、ＬＣＤモジュール１の外形を保持する主支持体８ａと、トップケース８ｂとから構成されている。

ＣＲＴやＰＤＰとは異なり、液晶表示パネル２は、電源の印加により液晶の配向または配列のみを変化させるだけであって、液晶表示パネル２が自ら発光することはないので、情報表示面に光を均一に面照射するバックライトユニット６が液晶表示パネル２の後方に設置される。

ここで、バックライトユニット６は、光源の位置によってエッジ型と直下型とに分けられる。

エッジ型では、図２Ａに示すように、光を面照射させるための導光板１４のエッジに光源１２が設置され、直下型には、図２Ｂに示すように複数の点光源１６ａが基板３０に搭載された形態と、図２Ｃに示すように複数の線光源１６ｂが基板３０に搭載された形態とがあって、複数の光源は基板の全面にほぼ均一に分布している。

光源としては、ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子、ＣＣＦＬ（Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ、冷陰極型蛍光ランプ）、またはＨＣＦＬ（Ｈｏｔ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ、熱陰極蛍光ランプ）などが用いられているが、最近は、色再現領域が広く、環境にやさしい発光ダイオード（ＬＥＤ、Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ）が広く用いられている。

バックライトユニットで発光ダイオードを光源として用いる方法としては、第一に、青色発光ダイオードとＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）蛍光体とを利用した方法と、第二に、紫外線を発光する発光ダイオードを赤色、緑色、及び青色の蛍光体を組み合わせて使用する方法と、第三に、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードを用いてそれらが放出する光を混合する方法が研究されている。

青色発光ダイオードとＹＡＧ蛍光体とを利用した方法は、赤色の表現能力が劣るほか、発光効率が低く、紫外線を放出する発光ダイオードを赤色、緑色、及び青色の蛍光体と組み合わせて用いる方法は、蛍光体の開発が難しいうえ、熱的特性が良くない。

また、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードを用いる方法は、各発光ダイオードから放出される赤色光、緑色光、及び青色光の強度が高いので、色再現の範囲を広く設計することができるが、白色の面光源を構成するための発光ダイオードの組合せを構成することが難しいという問題点がある。

更に、最近の大型高画質表示装置を求める潮流に伴う、バックライトへの高い光束出力要求に応えるために、各発光ダイオードから放出される光を集束するためのレンズ、半導体チップ、及びダイオード材料が開発されている。

それらのうち、発光ダイオードは、電気エネルギーを光エネルギーに変換する固体素子の一種であり、一般にドーピング層と活性層を含み、２個の対向するドーピング層の両端にバイアスが印加されると、正孔と電子とが活性層に注入された後、再結合して光を生じる。活性領域で生じた光は、あらゆる方向に放出されて全ての露出された表面を通して半導体チップの外へと抜け出る。発光ダイオードを含んでいるバックライトユニットは、発光ダイオードから抜け出た光を所望の光出力方向に指向させる。

しかしながら、これまで開発された発光ダイオードは、電流拡散層への透過程度による光損失と、光を放出する界面における全反射による光損失により、充分な発光効率を得られなかった。

そのため、高い光束出力が要求されるバッククライトに発光ダイオードが用いられるためには、発光ダイオードに高い電流を印加するか、発光ダイオードの個数を増やす方法が利用される。

しかしながら、発光ダイオードに高い電流を印加する場合には、発光ダイオードで多くの熱が発生して発光効率が低下し、発光ダイオードが実装される基板に別途の放熱設計をしなければならないという問題点があり、発光ダイオードの個数を増やす場合には、バックライトユニットの設計が難しくなり、バックライトユニットの生産コストが上昇するという問題点がある。

別途に発光ダイオードの発光効率を向上させるために、窒化物半導体系やＩｎＧａＡｌＰを利用した発光ダイオードが開発されたが、ＣＣＦＬに比べて光束が低いため、バックライトユニットに用いるには困難であるという問題点がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光学層を通じた光学的共振を利用してバックライトの光効率及び色純度を向上させることができるバックライトユニットを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明のバックライトユニットは、基板と、前記基板上で互いから離隔して配列している複数の光源と、前記光源が放出した光を前記光源の上側方向に反射する全反射層と、前記光源の上側に形成され、前記放出した光の一部を透過し、前記放出した光の他の一部を前記基板の下側方向に反射するように酸化物層が積層されている光学層とを含み、前記光源が放出した光の光学的共振を誘起することを特徴とする。

本発明による酸化物が積層された光学層が形成されているバックライトユニットは、酸化物が積層された光学層による光学的共振を誘起して輝度を増加させ、光混合がより効率よく行われるようにするバックライトユニットを提供できるという効果を奏する。

これにより、高い輝度の白色光を必要とするバックライトユニットで消費される電力を減少させる効果が得られ、バックライトユニットの寿命も延びるほか、酸化物が積層された光学層による光学的共振が誘起されるので、発光スペクトル上で色毎のスペクトルヒストグラムの半値幅が減少して色純度が向上し、光学層及び全反射層の厚みを調節することによって所望のスペクトルピークを実現できる。

以下、添付の図面を参照しながら本発明による好適な実施形態について詳細に説明する。

図３は、本発明によるバックライトユニットの一部の正面図、図４Ａ及び図４Ｂは、図３に示した光学層の酸化物積層構造を示す正面図である。

図３に示すように、本発明によるバックライトユニット１００は、基板３０と、基板３０上で互いから離隔して配列している複数の発光ダイオード４０と、発光ダイオード４０が放出した光を発光ダイオード４０の上側、すなわち液晶層の方向に反射する全反射層５０と、発光ダイオード４０の上側に形成され、放出光の一部を透過し、放出光の他の一部を基板３０の下側方向に反射する光学層６０とを含んでいる。

回路パターンが形成されている基板３０は、発光ダイオード４０を支持するとともに発光ダイオード４０で発生する熱を放出させる。

基板３０には、離隔した複数の発光ダイオード４０が実装され、発光ダイオード４０の発光部４１の下側には全反射層５０が形成されている。

全反射層５０は、発光ダイオード４０が実装された基板３０の上側に接合されていてもよく、このような全反射層５０は、アルミニウムプレートに反射率の高い反射材フィルムが接合されて形成され、反射材フィルムは少なくとも８０％以上となる高い反射率を有し、吸収率及び透過率の低いものを用いることが好ましい。

発光ダイオード４０及び全反射層５０の上側には、所定の光学的距離（ｄ)だけ離隔し、放出光の一部を透過するとともに、光の他の一部を反射する光学層６０が形成され、全反射層５０と光学層６０とが離隔される距離（ｄ）は、光学層６０を通過した光が強めあう干渉を生じるように、以下のような数式によって決定される。

ここで、ｎは全反射層５０または光学層６０の屈折率、ｔは全反射層５０または光学層６０の幾何学的厚み、λは発光ダイオード４０が放出する光のピーク波長、ｍは０以上の整数である。

発光ダイオード４０が放出する光が、赤色光、緑色光、または青色光である場合、赤色光、緑色光、または青色光が強めあう干渉を生じるには、各色光のピーク波長の半波長の整数倍が全反射層５０及び光学層６０のそれぞれの屈折率と幾何学的厚みとの積の合計と等しくする。この場合、光学層６０を通過した光は、強めあう干渉を生じ、光学的共振を起こすことができる。

光学的共振によってバックライトユニット１００から放出される光の輝度が増加し、更に発光スペクトル上で色毎のスペクトルヒストグラムの半値幅が減少して、色純度が向上する。

ここで、全反射層５０または光学層６０の厚みを調節して発光スペクトル上で所望のスペクトルピークが得られることはもちろんである。

全反射層５０及び光学層６０の光学的距離（ｄ)を調節して発生する共振効果による最大透過量（Ｔｍａｘ）は、以下のような数式によって確認される。

ここで、Ｔ₁及びＲ₁は光学層６０の透過率及び反射率、Ｔ₂及びＲ₂は全反射層５０の透過率及び反射率、ｋは消滅係数、ｔは幾何学的厚み、θは光学層６０と全反射層５０との間の内部から外部に進行する光の角度、λは発光ダイオード４０から放出される光の波長である。

このように最大透過量が計算されると、それに該当する反射率を得られる光学層を設計することができるようになる。

基板３０に実装された１つの発光ダイオード４０が放出した光のうち、一部は光学層６０を透過して光学層６０の外側に放出され、残りは光学層６０で反射されて再び全反射層５０に進行し、この時、全反射層５０に進行した光は全反射層５０で反射されて再び光学層６０に進行する。

このような透過及び反射が繰り返され、光学層６０を透過して光学層６０の外側に放出された光が強めあう干渉を起こすことで、発光ダイオード４０から放出された光は増幅されて光学層６０の外側を照明する。

更に、光の移動経路が長くなることで、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードを用い、各発光ダイオードから放出される光を混合して白色光を照射する場合に、より効率よく光混合が行われる。

したがって、全反射層５０は、全反射層５０に進行された光についての反射率が高いほど、すなわち、透過率及び吸収率が低いほど良い。

光学層６０は、透過及び反射のいずれも行えるように酸化物または金属物質を積層して形成される。

酸化物を積層する場合、図４Ａに示すように、光屈折率が２．３未満の低屈折率の酸化物または中屈折率の酸化物と光屈折率が２．３以上の高屈折率の酸化物を少なくとも１層またはそれ以上に交互に積層するか、図４Ｂに示すように、光屈折率が１．５以上であり且つ２．３未満の中屈折率の酸化物、低屈折率の酸化物、そして高屈折率の酸化物を少なくとも１層またはそれ以上に交互に積層することが可能である。この場合、酸化物の積層厚みが厚くなり、積層する層の数が多くなるほど、吸収率が減少し、バックライトの輝度を向上させるのに有利になる。

屈折率に差がある層を積層すると、各層間の屈折率の差によって反射特性が形成され、積層される層の数が多くなるほど、光吸収率は最小化し、反射特性は向上する。

ここで、低屈折率酸化物としてはＳｉＯ₂が主に用いられ、中屈折率酸化物としてはＮｂ₂Ｏ₅が主に用いられ、高屈折率酸化物としてはＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₃、またはＹ₂Ｏ₃が用いられるのが一般的であるが、これは屈折率を考慮し、他の酸化物が用いられる得ることはもちろんである。

一方、金属物質を利用して光学層６０を形成する場合には、金属物質が薄膜の形態に形成されるようにすることが好ましく、これに適した金属物質は銀（Ａｇ)であり、厚みは約２１ｎｍであることが好ましい。

図５を参照すると、本発明の一実施形態による側反射部が形成されているバックライトユニットの正面図である。図５に示す本発明のバックライトユニット１００は、発光ダイオード４０から放出される光が全反射層５０と光学層６０との間の側面に流出するのを防ぐために、バックライトユニット１００の側面で全反射層５０から光学層６０まで延びた側反射部７０を更に含んでいる。

側反射部７０は、全反射層５０と同様に、反射率が高いほど、すなわち、透過率及び吸収率が低いほど好ましく、発光ダイオード４０から放出されて側反射部７０に照射される光を再びバックライトユニット１００の内側に反射させて光学層６０を通過して放出される光の量を増加させる。

図６Ａ及び図６Ｂは、本発明によるバックライトユニットに提供される側反射部の様々な形態を例示している。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、バックライトユニット１００の側反射部７０は、全反射層５０から光学層６０の方向に見た場合に、バックライトユニット１００の外側へ向かうように形成されていることが好ましい。これは、光の放出は光学層６０を通過して行われるので、側反射部７０に照射される光は光学層６０に向かう方向へ反射されることが好ましいからである。側反射部７０は、図６Ａに示すように、平板またはフィルム状にすることができるが、図６Ｂに示すように、弓状に形成されても良いことはいうまでもない。

本発明によるバックライトユニット１００の光学層６０を形成するための具体的な実験例を説明すると、以下の通りである。

図７は、本発明の一実験例による酸化物層の積層構造を示す正面図である。

１Ｗ級の出力を有しており、駆動電流条件や熱特性による中心波長の変化が５％以内の、中心波長が６２７ｎｍの赤色発光ダイオードと、中心波長が５３０ｎｍの緑色発光ダイオードと、中心波長が４５５ｎｍの青色発光ダイオードとを用い、駆動電流を２００ｍＡにする。

発光ダイオードを基板に実装し、実装された発光ダイオードは５〜６ｃｍの等間隔を維持するようにし、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードをそれぞれ１つずつ用いて１個の発光ダイオードセットとする。

もちろん、発光ダイオードの組合せは、多様な変形が可能であり、発光ダイオードの個数によって発光ダイオード間の距離は任意に変更でき、２個の赤色発光ダイオード、２個の緑色発光ダイオード、及び１個の青色発光ダイオードを用いるか、１個の赤色発光ダイオード、２個の緑色発光ダイオード、及び１個の青色発光ダイオードを用いても構わない。

図７に示すように、Ｅｓｓｅｎｔｉａｌ Ｍａｃｌｅｏｄプログラムを利用したシミュレーションを用いて、光学層６０の光透過率がそれぞれ４０％、５０％、６０％、７０％、及び８０％となるようにし、酸化物積層構造の界面特性及びコーティング条件に合せて酸化物の積層条件を導出して製作された光学層６０が含まれているフィルムを５通りに製作した。

図７Ａは、光学層６０の光透過率が４０％の酸化物積層構造であり、図７Ｂは、光透過率が５０％の酸化物積層構造であり、図７Ｃは、光透過率が６０％の酸化物積層構造であり、図７Ｄは、光透過率が７０％の酸化物積層構造であり、図７Ｅは、光透過率が８０％の酸化物積層構造である。

光反射率が高くなるためには、酸化物の積層構造において、層の数が多くなければならないので、光透過率が４０％である場合には酸化物層を１０回積層し、光透過率が５０％、６０％、及び７０％である場合には酸化物層を８回積層し、光透過率が８０％である場合には酸化物層を６回積層した。

５通りのフィルムをそれぞれバックライトユニットに含めて組立て、その特性を測定し、光共振の効果を測定するために、光学層及び反射板のない構造で測定して、それぞれの場合において特性の差を分析した。

酸化物のうち、低屈折率酸化物はＳｉＯ₂を用い、高屈折率酸化物はＴｉＯ₂を用いた。

図８は、本発明によって酸化物が積層された光学層が形成されて光共振が誘起されるバックライトユニットと、一般のバックライトユニットにおいて反射度と輝度との関係を測定した結果を表すグラフである。ここで、「ｂａｒｅ」は光共振のない一般のバックライトユニットにおいて、発光ダイオードが実装されたバックライトユニットの状態を表している。

図８に示すように、光透過率８０％（すなわち、反射率２０％）となるように酸化物が積層された光学層が形成されているバックライトユニットの場合には、一般のバックライトユニットより約１４％の輝度向上がなされ、光透過率が４０％、５０％、６０％、及び７０％（すなわち、反射率が６０％、５０％、４０％及び３０％）となるように酸化物が積層された光学層が形成されているバックライトユニットの場合にも一般のバックライトユニットより全般的に輝度の向上効果を得られることが分かる。

以上の内容は、本発明の好適な実施形態を例示したものに過ぎないもので、本発明は、請求範囲に開示された本発明の範囲内で多様に変更及び修正可能なものである。

従来技術によるＬＣＤモジュールの構成図である。 一般のバックライトユニットの第１の形態を示す斜視図である。 一般のバックライトユニットの第２の形態を示す斜視図である。 一般のバックライトユニットの第３の形態を示す斜視図である。 本発明によるバックライトユニットの一部の正面図である。 図３に示した光学層の酸化物積層構造を示す正面図である。 図３に示した光学層の他の酸化物積層構造を示す正面図である。 本発明の一実施形態による側反射部が形成されているバックライトユニットを示す正面図である。 本発明のバックライトユニットに提供される側反射部を示す正面図である。 本発明のバックライトユニットに提供される他の側反射部を示す正面図である。 本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。 本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。 本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。 本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。 本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。 本発明の一実験例による光反射率に対する輝度を表すグラフである。

符号の説明

１…ＬＣＤモジュール、２…液晶表示パネル、４ａ…偏光板、４ｂ…偏光板、６…バックライトユニット、８ａ…主支持体、８ｎ…トップケース、１２…光源、１４…導光板、３０…基板、４０…発光ダイオード、５０…全反射層、６０…光学層、７０側反射部、１００…バックライトユニット。

Claims (8)

1. 液晶パネルを有するＬＣＤで用いるバックライトユニットであって、
   基板と、
   前記基板上で互いから離隔して配列している複数の光源と、
   前記光源が放出した光を前記光源の上側方向に反射する全反射層と、
   前記光源の上側に形成され、前記放出した光の一部を透過し、前記放出した光の他の一部を前記基板の下側方向に反射するように酸化物層が積層されている光学層とを含み、
   前記光源が放出した光の光学的共振を誘起することを特徴とするバックライトユニット。
2. 前記光学層は、屈折率が互いに異なる酸化物層を交互に繰り返し積層してなることを特徴とする請求項１に記載のバックライトユニット。
3. 前記酸化物層は、屈折率が２．３以下の低屈折率酸化物または中屈折率酸化物層と、屈折率が２．３よりも大きな高屈折率酸化物層とを交互に繰り返し積層してなることを特徴とする請求項２に記載のバックライトユニット。
4. 前記酸化物層は、屈折率が１．５よりも大きく且つ２．３以下の中屈折率酸化物層と、屈折率が２．３よりも大きな高屈折率酸化物層と、屈折率が１．５以下の低屈折率酸化物層とを交互に繰り返し積層してなることを特徴とする請求項２に記載のバックライトユニット。
5. 前記光学層は、前記光学層に照射される光を透過及び反射可能な金属層を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のバックライトユニット。
6. 前記全反射層及び前記光学層のそれぞれの屈折率と厚みとの積の合計が、前記光源から放出される光の波長の半分の整数倍であり、
   前記光学層を透過して放出される光が強めあう干渉を起こすことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のバックライトユニット。
7. 前記光源が放出する光が、前記全反射層と前記光学層との間の側面からもれ出るのを防ぐために、前記バックライトユニットの側面で前記全反射層から前記光学層まで連結されている側反射部を更に含んだことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバックライトユニット。
8. 前記側反射部は、前記全反射層から前記光学層の方向に見た時に、前記バックライトユニットの外側へ向かうように形成されていることを特徴とする請求項７に記載のバックライトユニット。

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