JP2011071341A

JP2011071341A - 光源ユニット、ディスプレイ装置及び光源ユニットの製造方法

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Publication number: JP2011071341A
Application number: JP2009221346A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Ebina; 一義海老名
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: JP5353602B2

Abstract

【課題】生産性を損なうことなく光源部品と光学シートとの一体化を図り、生産性に優れた高効率な光源ユニットを実現することにある。
【解決手段】回路基板１上に形成された配線パターン１ｂに発光素子２が電気的に接続された光源ユニット基板７と、この光源ユニット基板７上に実装された発光素子２に対して、空隙層を介することなく直に光学樹脂を施して形成される光学樹脂層４と、この光学樹脂層の光線出射側面部に直接賦形される光学形状部６とを備えた光源ユニットである。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路基板上に発光素子が実装された光源ユニット、ディスプレイ装置及び光源ユニットの製造方法に関する。

液晶表示装置に代表されるディスプレイ装置は、画像表示に必要な明るさを得るために光源を内蔵するタイプが広く普及されている。例えばＴＦＴ型液晶パネルやＳＴＮ型（スーバーＴＮ型）液晶パネルを使用したカラーノートＰＣなどのディスプレイ装置では、液晶パネルの背面側（裏面側）に光源を配置し、この光源から出射された光を液晶パネルに入射するバックライト方式が多用されている。

ところで、この種のディスプレイ装置では、バックライト方式で使用される光源によって消費される電力が装置全体で消費される電力の多くを占めている。そのため、総電力の低減が強く要望される作今においては、光源効率の向上が課題となっている。

従来、光源効率を向上させる対策としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）等を光源として用いて電力−発光変換効率を高めたり、いわゆるローカルディミング法を適用して、周辺の明るさに応じて必要な分だけ発光（調光）させることにより、光源から発した光線の伝達利用効率を高めるなどの手法がとられている。

また、光線の伝達利用効率を高める手段としては、光源または導光板と液晶パネルとの間に、ＢＥＦ（米国３Ｍ社の登録商標：Brightness Enhancement Film）などの輝度向上フィルムを備えた光学シートを配置することが広く知られ、実際に使用されている。

この輝度向上フィルムは、一方の面部に断面三角形状のプリズムが一方向に配列された光学フィルム（すなわち、プリズムの反復的アレイ構造が一方向に配列してなるもの）であり、入射光の光線方向の変換（転換）及び再帰反射による光線のリサイクルを可能にする機能を持っている（例えば、特許文献１〜特許文献３参照）。このため、ディスプレイ装置に前述したＢＥＦに代表される輝度向上フィルムを採用することにより、電力消費を低減しながら所望の正面輝度を得ることが可能になる。なお、実際には、ディスプレイ装置の水平及び垂直方向での表示光の輝度制御が必要になることから、プリズム群の配列方向が互いに交差するように、輝度向上フィルムを備えた２枚の光学シートを重ね合わせて用いることが多い。

また、単純なシート構造のレンズシートとしてマイクロレンズシートを用いたものも提案されている（例えば、特許文献４参照）。

さらに、大型のディスプレイ装置においても、従来の直下型ＣＣＦＬ（冷陰極管）バックライトユニット、直下型ＬＥＤタイプのバックライトユニットの他に、導光板方式のバックライトユニット（例えば、特許文献１，２参照）が実用化されつつある。

特公平０１−３７８０１号公報特開平０６−１０２５０６号公報特表平１０−５０６５００号公報特開２００６−３０１５８２号公報

以上のようにディスプレイ装置の光利用効率を高めることは、省エネルギー化やディスプレイの明るさ向上に結びつけることができる。

しかし、従来の光源ユニットとしては、例えば発光素子等を光源として用いる場合、図３に示すように、回路基板２１上に実装される発光素子２２の上部に所定の距離を隔ててプリズム形状を有する光学シート２３を配置する構成となることが想定される。このような構成とした場合、光学シート２３の光入射面からの反射光２４による反射ロスが問題となってくる。

従って、発光素子等を用いた場合、光学シート２３の入射面での反射ロスを減らすことが重要なポイントとなる。

通常、光源である発光素子２２と光学シート２３との間に充填剤で満たして光学接合面とすることにより、光入射面での反射ロスを減らしているが、光学シート単体では有効な対策をとられていない。また、ここで使用される充填剤は、透明性や耐久性などが必要になるうえ、貼り合わせ工程が必要となり、コストアップにつながる問題がある。

また、光学シート２３に特定の表面形状を有するプリズムシートなどを用いた場合、その光学接合面の形成時にその裏面側に接触することができない為、その形成は困難であり、結果として歩留まり向上が難しくなる。

ちなみに、インジェクションなどで閉じた型内に樹脂を注入する方式であれば、レンズ形状を刻んだ型に、発光素子を実装した回路基板をセットした上で、溶融した光学樹脂を注入し冷却硬化することで、充填剤なしで同様の効果を得ることができる。

しかし、インジェクション方式では、大きさに制約がある上、一定の流れ作業の中で一工程終了ごとに次に移っていく作業方式であるタクトや型費用などが存在し、生産性の面から制約が大きい。

また、一般的なインジェクションにおいては、運転中に型が加熱されるため、型内にセットする回路基板への熱ダメージを考慮しなければならず、基板回路の保護や作業性の面からも望ましいものではない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、生産性を損なうことなく光源部品と光学シートとの一体化を図り、生産性に優れた高効率な光源ユニット、ディスプレイ装置及び光源ユニットの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、回路基板上に形成された配線パターンに発光素子が電気的に接続された光源ユニット基板と、この光源ユニット基板上に実装された発光素子に対して、空隙層を介することなく直に光学樹脂を施して形成される光学樹脂層と、この光学樹脂層の光線出射側面部に直接賦形される光学形状部とを備えた光源ユニットである。

なお、前記光学樹脂層としては、溶融状態にある光学樹脂を前記光源ユニット基板上に実装された発光素子を覆うように施し、冷却硬化させて形成する。

また、前記光学形状部としては、樹脂硬化前に前記光学樹脂層の光線出射側面部に前記光学形状の刻まれたエンボスロールで押し込むことで形成するものである。

さらに、液晶表示素子に前述した光源ユニットとを組合せることにより、ディスプレイ装置を実現することができる。

また、本発明は、複数のローラからなる搬送系と、この搬送系による搬送ラインの所望とする位置の真上に設置されたＴダイと、このＴダイの真下から所定距離下流側にずらして配置され、表面に所定の光学形状のエンボスが施された冷却機能をもったエンボスロールとを備え、
前記搬送系により搬送されてくる発光素子を含んだ回路基板上に対して、前記Ｔダイからシート状の溶融状態の光学樹脂を押出すとともに、当該溶融状態の光学樹脂の硬化前に前記エンボスロールの表面に施された所定の光学形状のエンボスを前記光学樹脂表面に転写加工を施すことにより、前記発光素子を含んだ回路基板と前記光学樹脂との境界部の空隙除去と、前記光学樹脂表面への光学形状の転写とを同時に行う光源ユニットの製造方法である。

なお、前記溶融状態の光学樹脂の硬化前に前記エンボスロールの表面に施された所定の光学形状のエンボスを前記光学樹脂表面に転写する際、当該エンボスロールに備える冷却機構による前記光学樹脂の冷却と、当該エンボスロールに対峙して前記搬送ライン下部側に設置される冷却ロールによる前記回路基板の冷却とを実行し、前記光源ユニットの回路保護を図ることを特徴とする。

本発明によれば、生産性を損なうことなく光源部品と光学シートとの一体化を図ることができ、生産性に優れた高効率な光源ユニット、ディスプレイ装置及び光源ユニットの製造方法を提供することができる。

本発明に係る光源ユニットの一実施の形態を示す構成図。光源ユニットの製造方法を説明する図。従来の光源ユニットを説明するための図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る光源ユニットの一実施の形態を示す構成図である。

この光源ユニットは、基板1ａ上に配線パターン１ｂが形成された回路基板１と、回路基板１上に配置され、両端に端子部２ａを有する発光素子２と、回路基板１上の所定位置に発光素子２を取付ける半田溶着部３と、この発光素子２の周辺を覆うように充填させた光学樹脂層４とによって構成される積層構成を成し、発光素子２からの光線５の射出側面となる光学樹脂層４の外側表面に光学形状部６が形成されている。

基板1ａは、従来から広く使用されている材料，例えばガラスエポキシや紙ベークライトなどの材料でよく、その層数についても単層から両面板、４層板、６層以上の高積層の基板でもよく、特に制約なく使用することができる。

基板1ａ上の配線パターン１ｂは、発光素子２の電極形状に応じ、あるいは発光素子数や発光素子の配列に応じて任意のパターンが形成される。

発光素子２としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。発光ダイオードは、半導体ダイオードのＰＮ接合に順方向電圧を印加したときに、Ｐ領域からのホールとＮ領域からのエレクトロンが、ＰＮ接合領域に向かって移動し電流が流れる。このとき、ＰＮ接合の付近で、エレクトロンとホールとがお互いに結合して消滅してしまう，再結合という現象が起きる。この再結合後の合算エネルギーとエレクトロン及びホールの持つエネルギーとの差が光線５となって光学形状部６の方向に射出される。

光学樹脂層４は、前述した光学シートに相当するものであって、発光素子２と当該光学樹脂層４との界面に空隙層（空気層）などを挟まないオプティカルカップリングが得られ、かつ、十分なる機械的接合強度を得るようにするため、発光素子２以外の部分も考慮し、勘合・密着・接着などにより一体化する。光学樹脂層４の具体的な製造方法は後記する。

光学樹脂層４は、発光素子２，特に発光部周辺を光学樹脂で充填して発光素子２との一体化を図ることにより、発光素子２の発光部から発した光線５の素子表面での界面や、光学樹脂層４及び光学形状部６から成る光学フィルムへの入射時に生じる反射を防止することができる。

なお、実際に発光素子２の発光部周辺に光学樹脂を充填する場合、予め発光ダイオードなどの発光素子２を実装した回路基板１を用意し、発光素子２の発光部周辺に光学樹脂を充填して光学樹脂層４を形成し、その光学樹脂層４表面に光学形状部６を付与する構成である。

前記光学樹脂層４を形成する光学樹脂は、例えばポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系アクリル樹脂、シリコーン系アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィンポリマー、メチルスチレン樹脂、フルオレン樹脂、ピリプロピレンなど，熱可塑性樹脂からなる透明樹脂を用いることが生産性の面から好ましい。

なお、製品の耐熱性や安定性を必要とする場合、熱硬化性樹脂を用いるのが望ましい。

更に加えて、光学樹脂と発光素子２の封止剤とを同じ材料にするなど、屈折率を同じに設定すれば、界面での反射が生じなくなり、光利用効率の面からも好ましい。なお、同じ屈折率でなくとも、両者の屈折率を近づけることで界面での反射を減ずることができ、光の利用効率の面からは望ましい。

前記光学形状部６は、光学樹脂層４の外側表面に形成する。すなわち、光学樹脂層４の光出射面側に直に光学形状部６を形成することにより、射出光の配光パターンの調整が可能となり、目的に応じた光学特性を与えることが可能となる。

具体的には、プリズム形状が一般的であるが、シリンドリカルレンズ形状などのストライプ形状やマイクロレンズアレイなどレンズが２次元配置となっている構造、さらには、それらの組合せなど、版のパターンに応じて、あるいは使用目的に応じ、様々な形状を与えることができる。

また、光学樹脂層４の中に拡散剤などの顔料や染料を含有あるいは分散させることにより、更なる配光パターンの調整が可能となる。拡散剤としては、例えば無機酸化物または樹脂からなるフィラー（透明粒子）を用いることが好ましい。なお、無機酸化物からなる透明粒子としては、例えばシリカ、アルミナなどが挙げられる。また、拡散剤として、白色顔料や気泡も使用することができる。

次に、光源ユニットの製造方法について、図面を参照して説明する。
光学ユニットは、例えば押出し成形法により製造することができる。図２は押出し成形法によって本実施の形態の光源ユニットを製造する方法を例示した図である。

先ず、予め回路基板１上に発光素子２を実装した光源ユニット基板７を、複数の搬送ローラから成る搬送系１１により押出し機Ｔダイ１２の直下を通るように搬送していく。押出し機Ｔダイ１２の直下には、搬送系１１とは別に当該搬送系１１の搬送ラインを挟むように、下部側に冷却ローラ１３、上部側にロール金型版１４が配置されている。

光源ユニット基板７は、搬送系１１による搬送により冷却ローラ１３とロール金型版１４との間を入っていくが、この入る直前に押出し機Ｔダイ１２から溶融状態の光学樹脂が押出し流下され、発光素子２を含む回路基板２上面に光学樹脂が施される。このとき、搬送ライン上に配置されるロール金型版１４にて溶融した光学樹脂に十分な圧力を掛けつつ、当該ロール金型版１４面部に刻まれた所望の光学形状（エンボス）により、発光素子２を実装した回路基板２上の光学樹脂を押し挟むことにより、光学樹脂外側面に光学形状部６が形成される。

すなわち、Ｔダイ１２を用いた押出し法により光学樹脂を平板状に押出し、当該光学樹脂の硬化前に回路基板１上にシーティングした後、所望の光学形状に刻まれたエンボスロールとなるロール金型版１４により押し挟むことにより、光学樹脂層４の表面に光学形状部６を形成するものである。

このとき、光学樹脂層４に光学形状部６を形成すると同時に、回路基板１と光学樹脂層４との密着度を高め、さらに発光素子２と光学樹脂層４とのオプティカルカップリングの増強を図るものである。

さらに、ロール金型版１４は、光学樹脂を冷却する機能を備えることにより、光学形状を賦形するのに適切な温度、速度に設定して使用する。

また、必要に応じて光学樹脂層４の裏面側に相当する面部にも冷却ロール（図示せず）を対応付けて配置し、光学形状の賦形を行い易くしてもよい。この冷却ロールは回路基板表面の凹凸形状に対応するため、ゴムロールとすると様々な品種に対応可能である。

さらに、搬送ラインを挟んでロール金型版１４と対峙するように冷却ローラ１３が配置されているが、当該冷却ローラ１３は、光学樹脂層４を形成するのと同時に回路基板１の裏面側を冷却することにより、予め基板１ａに搭載されている発光素子２やそれを駆動する半導体などの回路部品を、光学樹脂層４の形成時の温度から保護することができる。

特に、ポリカーボネート樹脂などのように、高温で溶融する樹脂を光学樹脂として使用する場合、回路基板１上も一時的に高温となるため、回路保護の観点からも冷却することが望ましい。

ところで、以上のようにして発光素子２を実装した回路基板１上に光学樹脂層４が施された光源ユニットは、溶融した光学樹脂のはみ出し部分の除去や所望の形状寸法に整える必要がある。そこで、搬送系１１の搬送速度と同期して動作する裁断機構１５を配置し、所望の形状寸法に裁断する。

なお、より断面形状を正確に刻みたい場合には、トムソン裁断機やレーザ裁断機などを設けてもよい。

また、生産性をいとわなければ、オフラインによる端面処理を行ってもよい。要するに、生産数量やタクトに応じて適切な裁断手段を選ぶことができる。

従って、以上のような実施の形態によれば、従来の光学シートを用いる方式と比べて、発光素子２から発した光線５が空気との界面に触れることなく光学樹脂層４に取り込まれ、光学樹脂層４に賦形された光学形状部６に達するため、界面での反射ロスがなく、発光素子２から発した光線５を効率良く取り出すでき、同じ電力であれば、明るい光源を得ることができる。

また、Ｔダイ１２を用いた押出し法により光学樹脂を平板状に押出し、その樹脂硬化前に光学形状の刻まれたロール金型版１４で押し込むことにより、光学樹脂層４の表面に光学形状部６を形成するので、光源ユニットの使用目的，例えば液晶ディスプレイ用バックライトやデジタルサイネージ（デジタルによる電子屋外広告）など、それら所望の光学特性に応じた光学形状を賦形することで、光利用効率の向上を図ることができる。

加えて、光学特性の調整のために光学樹脂中に顔料や染料を含有ないし分散させることにより、光学特性の調整を行うことができる。

さらに、発光素子２を実装した回路基板１と光学シートに相当する光学樹脂層４とを一体化できることから、光学シートを接着剤などで貼り合せる方式と比べて、構成部材を削減でき、かつ、シート成形に相当する工程の中で一括製造できる単純なプロセスとなるので、低コストで生産できる。

さらに、一連の製造工程が前述したインジェクション法などに比べてもシンプルであるばかりでなく、大型の閉じ型を必要とせず、間欠でのロール成形が可能であるため、時間当りの生産能力が高く、大量生産に向いた方法であると言える。

また、回路基板１が加熱されるのは、樹脂が接してから冷却されるまでであり、インジェクション法に比べて、加熱量は必要最低限に抑えることができる。

また、発光素子２を実装した回路基板１上に直接光学樹脂層４を形成するので、接着層となる接着材料を省略でき、温度や湿度などの耐環境性の点でも優れた特性を有する。

（その他の実施の形態）
（１）なお、上記実施の形態では、光源ユニットについて説明したが、前述したように発光素子２を実装した回路基板１上に直接光学樹脂層４を形成するので、接着材料が不要になり、温度や湿度などの耐環境性を高めることができる。従って、液晶ディスプレイにかかる光源ユニットを組込んで使用した場合、耐環境性に優れたものとなり、またテレビの筐体内での温度上昇に対しても、長期にわたって耐久性と安定性を維持させることができる。

（２）発光素子２としては、一般に発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられるが、レーザーダイオード（ＬＤ）、有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）などでもよく、特に制約するものではない。

その他、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

（３）さらに、本発明に係る光源ユニットは、液晶表示デバイス全般に用いることが可能であり、予め光線射出角度を調整した面発光光源として使用することが可能である。また、電飾看板や標識類のバックライトにも用いることができる。

１…回路基板、１ａ…基板、１ｂ…配線パターン、２…発光素子、４…光学樹脂層、５…光線、６…光学形状部、７…光源ユニット基板、１１…搬送系、１２…押出し機Ｔダイ、１３…冷却ローラ、１４…ロール金型版、１５…裁断機。

Claims

回路基板上に形成された配線パターンに発光素子が電気的に接続された光源ユニット基板と、
この光源ユニット基板上に実装された発光素子に対して、空隙層を介することなく直に光学樹脂を施して形成される光学樹脂層と、
この光学樹脂層の光線出射側面部に直接賦形される光学形状部と
を備えてなることを特徴とする光源ユニット。
請求項１に記載の光源ユニットにおいて、
前記光学樹脂層は、溶融状態にある光学樹脂を前記光源ユニット基板上に実装された発光素子を覆うように施し、冷却硬化して形成するものであることを特徴とする光源ユニット。
請求項１または請求項２に記載の光源ユニットにおいて、
前記光学形状部は、樹脂硬化前に前記光学樹脂層の光線出射側面部に前記光学形状の刻まれたエンボスロールで押し込むことで形成することを特徴とする光源ユニット。
液晶表示素子と前記請求項１の光源ユニットとを組合せて構成することを特徴とするディスプレイ装置。
複数のローラからなる搬送系と、この搬送系による搬送ラインの所望とする位置の真上に設置されたＴダイと、このＴダイの真下から所定距離下流側にずらして配置され、表面に所定の光学形状のエンボスが施された冷却機能をもったエンボスロールとを備え、
前記搬送系により搬送されてくる発光素子を含んだ回路基板上に対して、前記Ｔダイからシート状の溶融状態の光学樹脂を押出すとともに、当該溶融状態の光学樹脂の硬化前に前記エンボスロールの表面に施された所定の光学形状のエンボスを前記光学樹脂表面に転写加工を施すことにより、前記発光素子を含んだ回路基板と前記光学樹脂との境界部の空隙除去と、前記光学樹脂表面への光学形状の転写とを同時に行うことを特徴とする光源ユニットの製造方法。
請求項５に記載の光源ユニットの製造方法において、
前記溶融状態の光学樹脂の硬化前に前記エンボスロールの表面に施された所定の光学形状のエンボスを前記光学樹脂表面に転写する際、当該エンボスロールに備える冷却機構による前記光学樹脂の冷却と、当該エンボスロールに対峙して前記搬送ライン下部側に設置される冷却ロールによる前記回路基板の冷却とを実行し、前記光源ユニットの回路保護を図ることを特徴とする光源ユニットの製造方法。