JP4153515B2 - 導光板及びバックライトモジュール - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイに用いられる導光板及びバックライトモジュールに関し、特に、側光式の大寸法の導光板及びバックライトモジュールに関する。

導光板（Light Guide Plate, LGP）は、主に入射面、反射面、出射面及び複数の側面を含み、液晶ディスプレイのバックライトモジュールシステムにおける重要な構成部として、点光源（例えば、発光ダイオード）或は線光源（例えば、冷陰極管）からの光を導引・分散して所定の平面から出射させ、ＬＣＤパネルのグレーレベル及び輝度の均一度を高めるように利用される。一般に、導光板は合成樹脂材料から成り、基板の形状に伴って平板型と楔型の二種類がある。

入射光は全反射原理により導光板の中に伝播し、導光板の表面の微構成部（Pattern）に達すると、全反射条件が破られるので、該光は導光板の正面から出射される。従って、密度及び寸法が異なる微構成部により、導光板を均一に発光させることができる。導光板における微構成部についての製造方法は、印刷に類する方法及び印刷に類しない方法がある。印刷に類する方法とは、シルクスクリーン印刷法により、印刷インクを直接導光板に塗布して印刷して、微構成部の形状と分布を形成するものである。印刷に類しない方法とは、微構成部を有する金型を利用して、モールド射出成型法によって、前記導光板を形成する方法である。印刷に類しない方法は簡易な工程且つ高精密度という優れた点があるので、現在、導光板の製造技術の主流となっている。また、印刷に類しない方法としては、化学エッチング、レーザー直接描画法、精密機械加工法などがある。

液晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display, LCD）は薄型・軽量化、低消費電力及び高密度の画素という優れた点があり、大型乃至多色のディスプレイの開発へ進んでいる。ＬＣＤは、初め、腕時計や携帯電話などの小型表示機器に利用され、それから、ゲーム機やパソコン、テレビなどの中型表示機器に利用可能となった。近年、ＬＣＤは技術の飛躍に伴って、応用分野が広くになって、益々注目されている。従って、導光板を始めとしてより高度なバックライト技術に対して、例えば、高輝度、低コスト、低消費電力、薄型・軽量化、大寸法への対応などの特性が要求されることがある。

発光ダイオードを光源として利用するものは長寿命、低コストという優れた点があるので、一般に、小型化の表示装置、例えば、携帯電話、セルフォン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などに適用する。しかし、大型の透過型表示装置に対しては発光ダイオードの輝度が不足であるが、冷陰極管はその要求を満足できるので、光源として中型又は大型のバックライト表示装置に広く利用されている。

図１に示すように、従来、冷陰極管を光源とするバックライトモジュール１０は複数のランプが並列されるように構成され、導光板１３と、該導光板１３の下方に設置された複数の冷陰極管１１と、反射カバー１２と、該導光板１３の上方に設置された複数の拡散シート１４と、を含む。前記バックライトモジュール１０は大体積、高重量、高電気消費という欠点があり、また、ランプの影や熱の蓄積の対処に工夫する必要がある。例えば、ランプの影を除去するために、複数の拡散板と拡散シートを設置しなければならないので、バックライトモジュールの体積が大きくなり、電気消費が増加する問題が起こる。

そこで、現在、バックライトモジュールは側光源による照明系を採用するものが多く、導光板を介して光を導出させ、各種の光学素子も利用して射出光の輝度を高め、エネルギーを均一に分配し、ＬＣＤのバックライトモジュールの要求を満足するようになる。

図２に示すように、従来の側照明系のバックライトモジュール２０は側光源２１と、導光板２３と、反射シート２２と、拡散シート２４や光沢シート２５などの光学薄膜などを含む。該反射シート２２は分散されない光を再度導光板２３へ導入するものである。拡散シート２４は光を均一に拡散して、導光板における微構成部による特定の輝度領域を除去するためのものである。光沢シート２５は光を集中して、輝度を高めるためのものである。大寸法のバックライトモジュールの輝度を高めるために、光沢シートとしてプリズムを複数枚追加することができる。

しかし、上記導光板は光の射出角度の制御方面が考えられずに構成されるので、射出面からの光は射出面に垂直に射出せず、光源に離れて射出される。このような光は拡散シートと光沢シートなどの光学薄膜を介して、射出面に垂直に射出してＬＣＤへ射出されて、実用の要求を満足することができる。

図３に示すように、１９９６年９月１０日に公開された特許文献１に、射出の角度を制御できるバックライトモジュール３０が記載されている。このバックライトモジュール３０は側光源３１と導光板３２を含み、該導光板３２の射出面に複数の超小型プリズム３３を具備する。この小型プリズム３３は、入射面３４と、射出面３５と、導光板３２と角度を成す、少なくとも一つの反射面３６と、を含む。しかし、このようなバックライトモジュール３０は、上記角度の加工が複雑という原因で、製造が困難になり、モードル射出成型方式で量産ができない。

図４に示すように、１９９８年７月１４日に公開された特許文献２に、複数のＶ字形の突起４２を有する導光板４０が記載されている。しかし、このＶ字形の突起４２は中心から両側まで次第に高さ（深さ）が高くなって構成されるので、精密機械加工に不利があり、射出の光の角度を制御できないので、光が導光板４０の射出面に垂直して射出されるように光学素子を付加する必要がある。

図５に示すように、１９９３年８月１７日に公開された特許文献３に、射出角を制御できるバックライトモジュールが記載されている。このバックライトモジュールは側光源５１と導光板５２を含む。この導光板５２の反射面に多層の構成部が形成され、最外の層はＶ字形の構成部５４を具備している。しかし、この多層の構成部を有する導光板は加工が難いし、コストが高いという欠点があるので、大寸法のＬＣＤに適用し得ない。
米国特許第５，５５５，３２９号明細書 米国特許第５，７７９，３３７号明細書 米国特許第５，２３７，６４１号明細書

本発明は、射出角を制御でき、大寸法のＬＣＤに適用し得る大寸法の導光板を提供することを第一目的とする。

本発明は、射出角を制御でき、大寸法のＬＣＤに適用し得る大寸法のバックライトモジュールを提供することを第二目的とする。

本発明は第一目的を解決するために、入射面と、射出面と、反射面と、を含む大寸法の導光板を提供する。ここで、前記反射面には導光板の外部に突出した複数のＶ字形の微構成部が形成され、前記入射面に近い隣接の前記各Ｖ字形の微構成部の底角が、それぞれ同一の距離で離れている。又、前記Ｖ字形の微構成部の分布関数は式（１）を満足する。

y=9.2637×10⁻⁶x²−0.0003x+0.0232 （１）

ここで、ｘは前記Ｖ字形の微構成部において、入射面に近い底角の位置と入射面との間の距離、ｙは前記Ｖ字形の微構成部の幅であり、ミクロンを単位として設定する。

本発明は第二目的を解決するために、側面の線光源と導光板を含バックライトモジュールを提供する。ここで、この導光板は入射面と、射出面と、反射面と、を含む。又、前記反射面には導光板の外部に突出した複数のＶ字形の微構成部が形成され、前記入射面に近い隣接の前記各Ｖ字形の微構成部の底角が、それぞれ同一の距離で離れている。又、前記Ｖ字形の微構成部の分布関数は式（１）のようにする。

y=9.2637×10⁻⁶x²−0.0003x+0.0232 （１）

ここで、ｘは前記Ｖ字形の微構成部において、入射面に近い底角の位置と入射面との間の距離、ｙは前記Ｖ字形の微構成部の幅であり、ミクロンを単位として設定する。作業する場合、少なくとも側線光源からの光の一部は入射面を介して前記導光板へ入射され、反射面におけるＶ字形の微構成部を介して反射されて、射出面に対して垂直に射出される。

従来の技術と比べて、本発明にかかる導光板の反射面における、緊密に構成するＶ字形の微構成部によれば、大寸法の導光板からの射出光を射出面に垂直するように制御して、光エネルギーを最大に利用することができる。このような導光板及びそれと光輝度の側線光源とからなったバックライトモジュールによれば、輝度を高め、従来のバックライトモジュールの反射シートと拡散シートと光沢シートを省略し、システムを簡単にし、性能を高める効果がある。そして、本発明はＶ字形の微構成部の角度を調整して、射出光の輝度を均一に制御することができる。

以下、本発明にかかる導光板とバックライトモジュールを図面と実施例を参照してさらに詳しく説明する。

図６及び図７に示すように、本発明の実施例１に、入射面６２と、射出面６３と、該射出面６３に対向する反射面６４と、他の三つの側面（図示せず）と、を含む１４．１インチの平板型の導光板６０が例示される。ここで、入射面６２は前記導光板６０の冷陰極管６１に隣接する側面に設置される。射出面６３は前記導光板前記６０の上方に設置される。反射面６４は、導光板６０の下方に設置され、前記射出面６３にから離れた方向に沿って導光板６０の外部に突出する複数のＶ字形の微構成部６４０を有する。前記Ｖ字形の微構成部６４０は、頂角θ１が４０°〜９５°で、反射面６４と形成された第一底角θ２と第二底角θ３がそれぞれ７０°〜９０°と１５°〜５０°である。本実施例にかかる前記Ｖ字形の微構成部６４０の頂角θ１が６２°で、第一底角θ２と第二底角θ３がそれぞれ８２°と３６°であることが好ましい。作業する場合、導光板６０の一側に配置された冷陰極管６１からの光の一部は入射面６２を介して前記導光板６０へ入射され、反射面６４におけるＶ字形の微構成部６４０を介して反射されて、射出面６３に垂直して射出される。

射出光の均一度を高めるために、前記複数のＶ字形の微構成部６４０は前記入射面６２と背反する方向に沿って小寸法から大寸法まで配列され、即ち、光源に近いほど大きくなる。又、前記Ｖ字形の微構成部６４０は寸法が非線性の規律により増加し、導光板の材料特性及び射出光の輝度の均一度に対して適合するように構成される。

図７に示すように、本発明にかかるＶ字形の微構成部６４０は、各隣接のＶ字形の微構成部６４０がそれぞれ同じ距離Ｄで離れ、即ち、入射面に近いＶ字形の微構成部６４０の第一底角θ２と反射面６４の交差の各点がそれぞれ同じ距離で離れている。前記距離Ｄは最大Ｖ字形の微構成６４０の幅と同等である。前記Ｖ字形の微構成部６４０の寸法及び配列の密度は式（１）を満足する。

y=9.2637×10⁻⁶x²−0.0003x+0.0232 （１）

ここで、ｘは前記Ｖ字形の微構成部６４０において、入射面に近い第一底角の位置と入射面６２の間の距離、ｙはＶ字形の微構成部６４０の幅であり、ミクロンを単位として設定する。隣接する各Ｖ字形の微構成部６４０の距離Ｄがそれぞれ同じであるので、ｘの増加に伴って幅であるｙも増加し、入射面６２との距離が大きいほど、Ｖ字形の微構成部がより緊密に配列され、寸法が大きくなっている。前記式（１）から分かるように、入射面に近い第一Ｖ字形の微構成部６４０の第一底角θ２の位置と入射面６２の間の距離は１６．１９μｍである。

前記Ｖ字形の微構成部６４０の幅ｙは１０〜３００μｍであるので、人間の目でＬＣＤを通じて導光板におけるＶ字形の微構成部６４０が見えることはない。そこで、従来のバックライトモジュールにおける大量の光エネルギーがかかる拡散シートを省略することができる。加工技術の発展に伴って、幅ｙは１０μｍを下回ることが理解できる。前記導光板６０の一部を透過する光の輝度が高すぎるという現象がある場合には、Ｖ字形の微構成部６４０の配列の密度及びその寸法を小さく設ける。これに反して、前記導光板６０の一部を透過する光の輝度が低すぎるという現象がある場合には、Ｖ字形の微構成部６４０の配列の密度及びその寸法を大きく設ける。

光エネルギーの利用率を高めるために、反射面６４に金属膜又は媒質膜、例えば、アルミニウム膜や銀膜などを反射促進の膜（図示せず）として配置される。反射面６４及びＶ字形の微構成部６４０は、めっき加工を介して反射率を高めることができる。なお、導光板６０において、反射面６４、射出面６３、入射面６２及び６２’以外の三つの側面は反射促進の膜（図示せず）をめっき加工によって形成し、反射率を高める必要もある。

本発明の実施例にかかる導光板６０はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）からなるものである。前記導光板６０は、冷陰極管６１と、反射カバー６１１と併せてバックライトモジュールを構成することができる。ここで、冷陰極管６１からの射出光が最大に入射面６２に入射させるために、反射カバー６１１は冷陰極管６１を囲むように設置される。前記構成によれば、従来のバックライトモジュールにおける反射シートと、拡散シートと、光沢シートを省略し、射出光を射出面に垂直になるように制御し、従来のバックライトモジュールの機能を図ることができる。

更に、本発明は、導光板からの光の射出角を小さくして光を集中するために、導光板の射出面に周期に並列されたＶ字形の微構成部を設置する。図８に示すように、本発明の実施例２にかかる導光板８０は実施例１にかかる導光板をベースとして、射出面８３の表面に反射面のＶ字形の微構成部８４の方向と直交して周期に配列された第二Ｖ字形の微構成部８５を有する。且つ、該第二Ｖ字形の微構成部８５は前記反射面から離れた方向に沿って導光板８０の外部に突出する。前記第二Ｖ字形の微構成部８５は形状が同様な二等辺三角形であり、その頂角の範囲が５０°〜１５０°で、高さの最大値は５００μｍである。

広画角のための場合、導光板の射出面に別の構成部を設計しなくてもよいが、光源の傍に現れた影を除去するために、光源に近い射出面において、縦方向での周期に配列のＶ字形の微構成部を設置すればよい。図９に示すように、本発明の実施例３にかかる導光板９０は、実施例１にかかる導光板をベースとして、入射面９２の表面に縦方向での周期配列の第三Ｖ字形の微構成部９４を設ける。前記第三Ｖ字形の微構成部９４は形状が等しい二等辺三角形であり、頂角の範囲が５０°〜１５０°で、高さの最大値は５００μｍである。

図１０に示すように、本発明において、入射面に設けられたＶ字形の微構成部は、密接の周期配列のＶ字形の微構成部１０１又は間断した周期配列のＶ字形の微構成部１０３のように形成されることにより、光源に隣接する場所における不均一な光による影を除去する目的を図ることができる。なお、必要があれば、本発明にかかる導光板の入射面及び射出面には共に周期分布のＶ字形の微構成部を設ける場合もある。

以下、本発明にかかる各実施例について試験データを参照して詳しく説明する。

図１１は実施例１として反射面のみＶ字形の微構成部を有する単側照明導光板からの射出光についての角度の分布を示す図である。ここで、大部分の光は中央の部分から射出されることが分かる。

図１２は実施例２として、反射面及び射出面にＶ字形の微構成部を有する単側照明導光板からの射出光の分布を示す図である。ここで、射出面のＶ字形の微構成部は形状が等しい二等辺三角形であり、頂角が９０°であり、又、隣接するＶ字形の微構成部の間がそれぞれ０．２μｍで離れる。大部分の光は中央の部分から射出されることが分かる。

図１３は実施例３として、反射面及び射出面にＶ字形の微構成部を有する大寸法の導光板からの射出光の分布を示す図である。ここで、射出面のＶ字形の微構成部は形状が等しい二等辺三角形であり、その頂角が１２０°であり、又、それぞれ１μｍで離れる。図１１と比べて、光の射出角度は大きくなることが分かる。

前記試験データによって分析するように、本発明にかかる導光板における射出面のＶ字形の微構成部の形状は材料性能及び導光板の寸法に伴って異なるが、一般に非直線状に分布されている。前記Ｖ字形の寸法は図１４に示すようにＹ軸に沿って変化する。

本発明にかかる導光板は楔形に形成することが理解できる。また、本発明にかかる大寸法の導光板と両側の線光源とにより、高輝度乃至良好な均一度を持つバックライトモジュールを構成できる。なお、導光板の材料はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）に加えて、ポリカーボネート（ＰＣ）或いはアクリル（acrylic）材料など一般的な合成樹脂も利用できる。

本発明にかかる大寸法の導光板は、反射面のＶ字形の微構成によれば、射出光を射出面に垂直するように制御し、光エネルギーを最大限に利用することができる。このような導光板及びそれと高輝度の側線光源からなるバックライトモジュールにおいて、輝度を高め、従来の導光板の反射シートや拡散シート、光沢シートなどの光学素子を省略し、システムを簡単にし、性能を高める。同時に、本発明はＶ字形構成の角度調整して、射出光の輝度の均一度を制御することができる。同時に、本発明によれば、Ｖ字形の微構成部の角度を調整することにより、射出光の輝度の均一度を制御することができる。

従来技術である複数のライトが並列して構成されたバックライトモジュールを示す図である。 従来の側面照明のバックライトモジュールの構成を示す図である。 従来技術のバックライトモジュールを示す図である。 従来技術の導光板を示す図である。 従来技術のバックライトモジュールを示す図である。 本発明の実施例１にかかる導光板を示す図である。 図６におけるＶＩＩで示す部分を拡大して示す図である。 本発明の実施例２にかかる導光板を示す図である。 本発明の実施例３にかかる導光板を示す図である。 本発明にかかる導光板の入射面のＶ字形の微構成部の種類を示す図である。 本発明の実施例１にかかる導光板への射出光の角度の分布を示す図である。 本発明の実施例２にかかる導光板への射出光の角度の分布を示す図である。 本発明の実施例３にかかる導光板への射出光の角度の分布を示す図である。 本発明にかかる導光板における反射面のＶ字形の微構成部がＹ軸の方向へ大小変化するものを示す図である。

符号の説明

６０、８０、９０ 導光板
６２、９２ 入射面
６４ 反射面
６４０、８４、８５、９４、１０１，１０３ Ｖ字形の微構成部
６３、８３ 出射面
６１ 冷陰極管
６１１ 反射カバー

Claims (6)

1. 入射面と、射出面と、導光板の外部に突出された複数のＶ字形の微構成部を有する反射面と、を含む導光板において、
   前記入射面に隣接の前記各Ｖ字形の微構成部の底角が、それぞれ同一の距離で離れて、
   前記Ｖ字形の微構成部の分布関数は式（１）を満足し、
   y=9.2637×10⁻⁶x²−0.0003x+0.0232 （１）
   ここで、ｘは前記Ｖ字形の微構成部における、入射面に近い底角の位置と入射面との間の距離、ｙは前記Ｖ字形の微構成部の幅であり、マイクロメートルを単位として設定され、
   前記各Ｖ字形の微構成部は、頂角θ１が４０°〜９５°で、前記反射面と形成された第一底角θ２と第二底角θ３がそれぞれ７０°〜９０°と１５°〜５０°であるように設定されることを特徴とする導光板。
2. 前記射出面に前記反射面のＶ字形の微構成部の方向と直交して周期的に配列された第二Ｖ字形の微構成部を有し、
   前記第二Ｖ字形の微構成部は前記反射面の方向に背反して導光板の外部に突出することを特徴とする、請求項１に記載の導光板。
3. 前記入射面の表面に縦方向での周期配列の第三Ｖ字形の微構成部を形成することを特徴とする、請求項１に記載の導光板。
4. 側光源と大寸法の導光板を含むバックライトモジュールにおいて、
   前記大寸法の導光板は、入射面と、射出面と、導光板の外部に突出された複数のＶ字形の微構成部を有する反射面と、を含み、
   前記入射面に近い隣接の前記各Ｖ字形の微構成部の底角が、それぞれ同一の距離で離れて、
   前記Ｖ字形の微構成部の分布関数は式（１）を満足し、
   y=9.2637×10⁻⁶x²−0.0003x+0.0232 （１）
   ここで、ｘは前記Ｖ字形の微構成部において、入射面に近い底角の位置と入射面との間の距離、ｙは前記Ｖ字形の微構成部の幅であり、マイクロメートルを単位として設定され、
   前記各Ｖ字形の微構成部は、頂角θ１が４０°〜９５°で、前記反射面と形成された第一底角θ２と第二底角θ３がそれぞれ７０°〜９０°と１５°〜５０°であることを特徴とするバックライトモジュール。
5. 前記射出面に前記反射面のＶ字形の微構成部の方向と直交して周期に配列された第二Ｖ字形の微構成部を有し、
   前記第二Ｖ字形の微構成部は前記反射面に背反する方向に沿って導光板の外部に突出することを特徴とする、請求項４に記載のバックライトモジュール。
6. 前記入射面の表面に縦方向での周期配列の第三Ｖ字形の微構成部を構成することを特徴とする、請求項４に記載のバックライトモジュール。

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