JP3624503B2

JP3624503B2 - 面状光源

Info

Publication number: JP3624503B2
Application number: JP32553795A
Authority: JP
Inventors: 栄二中西; 功憲三谷; 美保岸
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1995-12-14
Filing date: 1995-12-14
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2015-12-14
Also published as: JPH09167860A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液晶ディスプレイのバックライト、照光式操作スイッチ等に使用される面状の光源に係り、特に低電力で高輝度に発光し長寿命な発光光源である面状光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、ノート型パソコン、携帯電話、ワープロ、液晶モニター等が急速に普及している。これに伴って電子機器の動作状態を表示する表示画面に対する社会の要求がますます高まりを見せている。表示画面は光のない環境化でも使用できるようにバックライト用の面状光源により発光させてある。この様なバックライト等として使用する面状光源には、ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ（以下、ＥＬと呼ぶ。）、サイドライト方式を利用した冷陰極管等が挙げられる。
しかし、面状光源としてＥＬを使用した場合、それ自体が面状発光光源であり薄型化には向いているものの発光輝度が暗く、寿命が短いという問題点を有する。特に、発光面側に複数の膜が介在するカラー液晶等のバックライトとして使用する場合においては更なる高輝度化、均一性が求められる上に発光色の選択幅が広いことが要求されるため問題となる。
【０００３】
また、サイドライト方式を利用した冷陰極管は拡散板と蛍光管を用いて面状光源とすることができるものである。この面状光源は、発光輝度自体ＥＬに比べ明るくすることが可能であるが蛍光管の外形が小さいもので４〜８ｍｍと大きく装置構造が大型化する。また、寿命が短く、昇圧回路や安定化回路等を必要とし駆動回路が複雑化、大型化するという問題点を有する。しかしながら、高輝度、低電力、長寿命及び小型化が可能な面状光源が開発されていないために液晶モニター等に使用する面状光源として、大型では冷陰極管、小型〜中型にはＥＬと使い分けられているのが現状である。
【０００４】
従って、高輝度、低電力、小型化及び長寿命化が可能な新規な面状光源の開発が要望されている。
【０００５】
一方、寿命が長く小型化が可能な発光光源として固体発光素子である発光素子（以下、ＬＥＤと呼ぶ。）を利用した面発光素子として実開昭６３−４３１７７号が挙げられる。このようなＬＥＤを用いた発光光源の一例を図３及び図４に示す。図３の様に青と緑と赤の波長を有するＬＥＤをそれぞれ複数個平面上に配置し、出力光を拡散板で拡散させて面発光体としている。これにより赤、青、緑の３波長を発光させフィルターを通して液晶カラーテレビに利用できる。
【０００６】
しかしながら、上記構成は自然光に近づけるためには青、緑、赤の各ＬＥＤの最小単位を近づけざるを得ない。一方、各ＬＥＤの最小単位を小さくすると自然光に近づけることはできるが発光部が集中してしまうため色むらを生じ均一に面発光できないという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の問題点を解決し、ＬＣＤや各種スイッチのバックライト等に利用できる面状光源を実現すると共に、高輝度、高信頼性及び均一性の優れた白色発光可能な面状光源を提供することにある。さらには白色以外の任意色の発光が可能な面状光源を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、導光板の端面の少なくとも一箇所に光学的に接続された多色発光素子と、導光板の第１の主面上に設けられた反射材と、導光板の第２の主面上の少なくとも一部に設けられた拡散膜と、を有し該拡散膜を介して発光させる面状光源であって、第２の主面は、その一部に、導光板と接する表面に凹凸構造を有するフィルム状部材からなる反射層を備え、該反射層と接する第２の主面上に凹凸が形成され、第２の主面から多色発光素子からの混色光が取り出されることを特徴とする面状光源である。また、混色光は白色からなる。さらに、反射層の反射率が９５％以上である面状光源である。さらに、多色発光素子が同一反射基板上に少なくとも４５０〜４９０ｎｍの発光波長を有する半導体からなるＬＥＤチップと４９５ｎｍ〜５６０ｎｍの発光波長を有する半導体からなるＬＥＤチップ及び６１０ｎｍ〜７００ｎｍの発光波長を有する半導体からなるＬＥＤチップとを設けられた面状光源である。
【０００９】
【効果】
請求項１の構成とすることによって、多色発光素子を用いた面状光源においても高輝度で均一性及び混色性の優れた面状光源とすることができる。
請求項２の構成とすることによって、さらに混色性が向上する。
請求項３の構成とすることによって、カラー表示可能なバックライトとすることができる。さらに、カラー液晶等のバックライトとして利用することができる。
請求項４の構成とすることによってさらに面均一性及び導光板との密着性が向上する。
【００１０】
【実施態様例】
本願発明者らは種種の実験の結果、多色発光素子を利用した面状光源において導光板上に配される反射部材と多色発光素子の特定の配置によって混色性、均一性が大きく変化することを見いだし本願発明を成すに至った。
白色発光可能な面状光源として、平面的に配置したＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）のＬＥＤの代わりに導光板の端面にＲＧＢのＬＥＤを配置することで発光面全体が白色に発光した。
【００１１】
しかしながら、導光板端部にＲＧＢのＬＥＤを設け発光させた場合、面状光源全体としては混色性良く白色に発光できるにもかかわらず多色発光素子が設けられた導光板端部においては部分的にＲＧＢ個々の発光色がバラバラに発光してリング状にみえる。
【００１２】
即ち、導光板端面では部分的に白色に見えず混色性が崩れる場合があった。本願発明者らは、この部分的な混色性低下を導光板端面上に設けられた反射部材によって解消できることを見いだした。この理由は定かではないが、平面的にＬＥＤを直接見るものと異なり導光板を介して見るものはＲＧＢのＬＥＤの最小単位をできるだけ近づけて配置しても導光板端面では各発光素子に用いられる半導体のバンドギャップの違いに伴う光の吸収、各発光素子の視野角の違い、ＬＥＤの配置、さらにはＬＥＤから発光された光が導光板の光放出面に接触する角度の違い等により導光板端面での混色性が崩れると考えられる。導光板上に設けられた反射部材は上述の拡散したＲＧＢ個々の発光を反射させて混合させることにより導光板端部の混色性を向上させることができると考えられる。また、ＬＥＤを近づけたことにともなう蛍現象の低下、さらには面状光源全体としての輝度向上が図られる。
【００１３】
以下図面を用いて本願発明を詳述する。図１は本願発明の面状光源の平面図を表し、図２は図１のａ−ａ断面図である。図１において反射機能を有する基板上にＲＧＢがそれぞれ発光可能な半導体発光素子が配置され導光板と光学的に接続できるように配置されている。導光板の裏面には発光素子からの光を導光板の一方の面である所望の方向に反射させるために裏面反射材が配置され、導光板の表面側には裏面から反射された光を均一にさせるための拡散膜が設けられている。
【００１４】
（導光板）
本願発明に用いられる導光板としては、多色発光素子からの光を効率よく導き面状にさせるものであり透過率、耐熱性に優れ均一に形成できることが求められる。また、導光板の形状は所望に応じて長方形や多角形等種種の形状とすることができる。具体的な構成材料としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、硝子等が挙げられる。導光板の厚みは、板厚が厚いほど光の利用効率が高くなるが多色発光素子の配置や種類等から１０ｍｍ以下が好ましい。導光板の端面に多色発光素子が埋設されることにより、導光板と多色発光素子とが光学的に接続されている。また、導光板が四角形であれば四方の端面全てに発光素子を接続してもよいことはいうまでもなく、ＬＥＤの個数も限定するものではない。
【００１５】
さらに、反射材や反射層と接する導光板面に凹凸を形成させることで発光素子からの光を散乱させることができる。また、拡散膜と接する導光板面に凹凸を形成させることで拡散膜が導光板に張り付いてできる干渉縞を防ぐことができる。
【００１６】
なお本発明において、多色発光素子と導光板の端面とが光学的に接続されているとは、導光板の端部から多色発光素子が発光する光を導入することをいう。具体的には多色発光素子を導光板に埋設することはもちろんのこと、多色発光素子を光透過性樹脂などにより接着したり、光ファイバー等を用いて導光板の端面に多色発光素子の発光を導くことである。
【００１７】
（多色発光素子）
半導体発光素子である多色発光素子は、液相成長法やＭＯＣＶＤ法等により基板上にＧａＡｌＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させた物が用いられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を紫外光から赤外光まで種種選択することができる。
【００１８】
本発明では一つのＬＥＤの発光波長の発光出力は２００μＷ以上、更に好ましくは３００μＷ以上の出力が好ましい。ＬＥＤの発光出力が２００μＷよりも少ないと、たとえ導光板の端面に光学的に接続するＬＥＤの数を増やしても、充分な明るさの均一な面状発光の光源が得られにくい傾向にあるからである。
【００１９】
面状光源の輝度を向上させるための具体的な材料として緑色及び青色を発光する半導体は窒化ガリウム系化合物半導体を用いることが好ましく、また、赤色ではガリウム、アルミニュウム、砒素系の半導体やアルミニュウム、インジュウム、ガリウム、燐系の半導体を用いることが好ましい。また、波長の異なるＬＥＤチップは、所望によって複数用いることができ、例えば青色を２個、緑色及び赤色をそれぞれ１個ずつとすることが出来る。また、発光波長は必ずしも青色、緑色、赤色に限られる物ではなく、所望に応じて黄色などが発光できるように半導体のバンドギャプを調節すれば良い。また、ＬＥＤチップの配置としては、混色性向上のために発光波長の長いＬＥＤチップほど中央側に配置させ１つの多色発光素子として用いてもよい。光学的には、それぞれの発光素子を直線状に配置することが好ましい。具体的な例としては、青緑色ＬＥＤチップに挟まれた黄色ＬＥＤチップを用いて白色光を発光させることが出来る。なお、白色バックライト用の多色発光素子として利用するためには赤色の発光波長が６１０ｎｍから７００ｎｍ、緑色が４９５ｎｍから５６５ｎｍ、青色の発光波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍであることが好ましい。
【００２０】
（支持体）
支持体としては、導光板端面と隙間を生ずることなく配すことができ多色発光素子の各ＬＥＤチップを嵌入しうる溝が形成されるものが好ましい。具体的には加熱溶着で形成できる材料であるとして、ポリカーボネート、ポリエチレン、アクリル、ウレタン、塩化ビニル、ナイロン、ポリエチレンテレフタレートが好ましい。さらに、支持体は導光板の端面支持体に向かう光を効率よく反射して、導光板に入射させるために白色に着色していることが好ましい。また、多色発光素子ではＬＥＤからの発熱量が多くなるため熱伝導部材を介して共通基板上に多色発光素子を配しても良い。熱伝導部材としては熱伝導度がよいことが求められる。具体的には、０．０１ｃａｌ／ｃｍ^２／ｃｍ／以上が好ましく、より好ましくは０．５ｃａｌ／ｃｍ^２／ｃｍ／以上である。これらの条件を満たす材料としては、鉄、銅、アルミニュウム、鉄入り銅、錫入り銅、メタライズパターン付きセラミック等が挙げられる。
【００２１】
（反射材）
本願発明に用いられる反射材は、導光板下側（即ち、第１の主面）と側面等に配置し導光板内部を反射しながら進んできた光を無駄なく発光面方向に反射させる働きをする。従って、発光素子からの光を導光板内に散乱させるものであればよく形状や大きさは特定されず、導光板を保持するケース状部材と兼用することや導光板の面上に加工することもできる。また、面状光源を均一に発光させるためには反射材をストライプ状とし、表面輝度が一定となるように、発光素子に接近するにつれて、単位面積あたりの反射材の面積を減じるようなパターンとすることができる。さらに、発光素子の配置により、発光を面状均一とするように反射材の形状を適宜変更することができる。
【００２２】
この様な反射材として白色顔料が含有された発砲ポリエステル等をフィルム状に加工したものが挙げられる。これら反射材はシリコン樹脂やエポキシ樹脂等によって導光板に装着される。
【００２３】
（拡散膜）
導光板の上面（即ち、第２の主面）に配置し、導光板からの光を散乱させて輝度を均一化する働きをする。従って、光透過率が高く効率よく拡散させることが必要である。本願発明に用いられる拡散膜としては、光透過率として、７０％以上の透過率を有することが好ましい。この様な材質として透明で耐熱性が高いポリカーボネートフィルムやポリエステルフィルムに屈折性微粒子樹脂ビーズや透光性無機微粒子をコーティングしたものさらにはエンボス加工したものが挙げられる。本願発明の拡散膜は、導光板の第２の主面及び反射膜上をも覆っても良いし、また、反射膜を除く導光板の第２の主面のみを覆っても良い。
【００２４】
また、２色を発光する多色発光素子と、２色が混合しあった発光色と補色関係にある顔料を添加させた拡散膜と、を用いて白色表示可能な多色面状光源とすることもできる。
【００２５】
さらに、ＲＧＢの３色を発光する多色発光素子の場合は、白色顔料を含有させて白色表示可能な多色面状光源とする。なお、白色顔料を多色発光素子からの距離に反比例させて含有させ濃淡をつけた拡散膜として用い均一な輝度を有する白色表示可能な多色面状光源とすることもできる。
【００２６】
（反射層）
本願発明に用いられる反射層とは、多色発光素子からの発光や反射材からの反射光を導光板を介して再び反射材側等に反射させて多色発光素子から放出された個々の発光色を混合せしめ混色性を高めるものであり、多色発光素子から放出される発光に対して９５％以上の反射率を有するものが好ましく、より好ましくは９８％以上のものである。また、導光板上に設けられることからその上に設けられる液晶などとの配置を考慮して好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下の膜厚が好ましい。
【００２７】
反射層は混色性を向上させる一方、導光板の発光面側に設けられるものであることから大きくさせすぎると面発光光源の面積率が低下する。したがって、多色発光素子や導光板等によって種種異なるが好ましくは多色発光素子と光学的に接続された導光板端面から１５ｍｍ以下が好ましい。
【００２８】
上記反射率を満たす反射層の材料としてポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂等の樹脂中に反射材としてチタン酸バリウム、酸化アルミニュウム、酸化チタン、酸化珪素、燐酸カルシュウム等を含有させて形成させたフィルム状部材が挙げられる。また、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属膜を導光板上にメッキ、スパッタリングにより形成させても良い。また、反射層の表面は更なる混色性向上のために凹凸を設けて多色発光素子からの発光を散乱させる構成としても良く、反射性と散乱性向上のために多層構成とすることも可能である。具体的には散乱性向上のためのガラス不織布上に金属コートしたものなどが挙げられる。これら反射層はシリコン樹脂やエポキシ樹脂等によって導光板に装着される。
【００２９】
以下、本願発明の具体的実施例を説明するが本願発明はこれら実施例のみに限定されるものでないことは言うまでもない。
【００３０】
【実施例】
［実施例１］
白色反射部材であるチタン酸バリウムをアクリル系バインダー中に分散したものを厚さ２ｍｍのアクリル板の片面にスクリーン印刷し硬化させることによって裏面反射材を形成した。
【００３１】
次に、裏面反射材が形成されたアクリル板を１０×３ｃｍの長方形に切断し、アクリル板の端面（切断面）を全て研磨した後、多色発光素子が光学的に接続される端面を除いて研磨面にＡｌの側面反射材を形成することにより、反射材が形成された導光板を得た。
【００３２】
一方、面状光源に用いられる多色発光素子の各ＬＥＤチップは、緑色、青色及び赤色の発光層の半導体としてそれぞれＩｎＧａＮ（発光波長５２５ｎｍ）、ＩｎＧａＮ（発光波長４７０ｎｍ）、ＧａＡｌＡｓ（発光波長６６０ｎｍ）を使用して構成させた。
【００３３】
具体的には、赤色を発光するＬＥＤチップ用の半導体ウエハーは、温度差液晶成長法で連続的にＰ型ガリウム・砒素基板上にＰ型ＧａＡｌＡｓを成長し、その上にＮ型ＧａＡｌＡｓを成長し、発光領域であるＰ型ＧａＡｌＡｓを形成させる。
青色及び緑色を発光する半導体ウエハーは、厚さ４００μｍのサファイヤ基板上にＮ型及びＰ型窒化ガリウム化合物半導体をＭＯＣＶＤ成長法でそれぞれ５μｍ、１μｍ堆積させヘテロ構造のＰーＮ接合を形成したものである。
【００３４】
なお、Ｐ型窒化ガリウム半導体は、Ｐ型ドーパントであるＭｇをドープした後アニールして形成させる。
【００３５】
こうしてできたウエハーをそれぞれ３５０μ角にしＲＧＢのＬＥＤチップを１画素の多色発光素子として共通支持体上にＡｇペーストを用いて固定させた後、電気的接続を行った。共通の支持体はポリカーボネート樹脂１００ｇ中に酸化珪素６０ｇ含有させたものを熱硬化により一体形成した。一体形成された支持体には、導光板の端面の大きさに合わせて直方体に形成され多色発光素子がそれぞれ配置できるよう３箇所穴が設けられてある。
【００３６】
導光板と支持体とを透光性樹脂を用いて光学的に接続させた後、多色発光素子が設けられた導光板端面上に発光面を一部覆う形で反射層を配置した。反射層の大きさは導光板の端面の長さに等しく導光板上に設けられた反射層の幅は多色発光素子と光学的に接続された導光板端面から５ｍｍ幅である。反射層は、ポリカーボネート樹脂１００ｇ中にチタン酸バリウム７０ｇ含有させ熱硬化させることによって反射率９９％が得られている。
【００３７】
最後に導光板の発光面上にはポリカーボネートのエンボスフィルムである白色拡散層を全面に渡って配置した。こうしてできた面状光源に電源を接続したところ主面側から完全に面状均一な白色発光が得られた。また、多色発光素子近傍の導光板端面においても混色が崩れることはなかった。輝度は８４ｃｄ／ｍ^２であった。
【００３８】
［比較例１］
反射層を用いない以外は実施例１と全く同様にして面状光源を形成させた。
面状光源からは均一な白色発光が得られているものの多色発光素子が設けられている導光板端面近傍では赤、青、緑の発光色がそれぞれリング状に見られた。面状光源としての輝度は７８ｃｄ／ｍ^２であった。
【００３９】
［実施例２］
反射材及び反射層を同一材料とし、ポリカーボネート樹脂１００ｇ中に酸化チタン５０ｇ含有させることによって形成させた反射率９９％のフィルムをエポキシ樹脂を用いて導光板に張り合わせた以外は実施例１と同様にして面状光源を形成させた。こうしてできた面状光源に電源を接続しバックライト用光源としたところ、多色発光素子近傍においても混色性が崩れることなくほぼ面状均一に白色発光が得られた。輝度は８６ｃｄ／ｍ^２であった。
【００４０】
［実施例３］
反射層の導光板端面に接触する面側に凹凸を設けた以外は実施例２と同様にして形成させた。こうしてできた面状光源に電源を接続しバックライト用光源としたところ、多色発光素子近傍においても混色性が崩れることなくほぼ面状均一に白色発光が得られた。輝度は８５ｃｄ／ｍ^２であった。なお、反射層と導光板の密着性が実施例２と比較して向上していると考えられる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の面状光源は、多色発光素子を用いた面状光源においても高輝度で均一性及び混色性の優れた面状光源とすることができる。また、カラー表示可能なバックライトとすることができる。さらに面均一性及び導光板との密着性が向上し信頼性の優れた面状光源とすることができる。蛍現象を緩和すると共に面均一性を向上させることができる。
【００４２】
更にフィルムに微細な凹凸を形成することにより、光を散乱させる作用を高め、フィルムが導光板に張り付いて干渉縞ができるのを防ぐことができる。
このように、本発明の面状光源は、バックライト用光源としてだけでなく、蛍光物質を利用した照光式操作スイッチ等に利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の面状光源の模式的平面図である。
【図２】図１の面状光源のａ−ａにおける模式的断面図である。
【図３】本願発明と比較のために示した面状光源の模式的平面図である。
【図４】図３の面状光源のｂ−ｂにおける模式的断面図である。
【符号の説明】
１０１・・・・・多色発光素子
１０２・・・・・導光板
１０３・・・・・反射材
１０４・・・・・反射層
１０５・・・・・拡散膜
１０６・・・・・支持体
２０１・・・・・ＬＥＤ
２０２・・・・・導光板
２０３・・・・・反射材
２０４・・・・・拡散膜

Claims

導光板の端面の少なくとも一箇所に光学的に接続された多色発光素子と、前記導光板の第１の主面上に設けられた反射材と、前記導光板の第２の主面上の少なくとも一部に設けられた拡散膜と、を有し該拡散膜を介して発光させる面状光源であって、
前記第２の主面は、その一部に、前記導光板と接する表面に凹凸を有するフィルム状部材からなる反射層を備え、該反射層と接する第２の主面上に凹凸が形成され、前記第２の主面から前記多色発光素子からの混色光が取り出されることを特徴とする面状光源。
前記混色光は、白色からなることを特徴とする請求項１に記載の面状光源。
前記反射層の反射率が９５％以上である請求項１または２に記載の面状光源。
前記多色発光素子は、少なくとも４５０〜４９０ｎｍの発光波長を有する半導体からなるＬＥＤチップと４９５ｎｍ〜５６０ｎｍの発光波長を有する半導体からなるＬＥＤチップ及び６１０ｎｍ〜７００ｎｍの発光波長を有する半導体からなるＬＥＤチップとを同一支持体上に設けた請求項１乃至３記載の面状光源。