JP4171107B2

JP4171107B2 - 面状光源

Info

Publication number: JP4171107B2
Application number: JP19350898A
Authority: JP
Inventors: 道宏佐野; 宗弘加藤
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: JP2000031547A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は照光式スイッチ、表示パネル、液晶表示装置のバックライト等に使用される面状の光源に関するものであり、詳細には、発光ダイオードチップ（以下、ＬＥＤチップと称す）からの放射光の色変換を目的とする波長変換物質を使用してＬＥＤチップからの出射光と異なる色調を発光する面状光源に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液晶表示装置のバックライト等として使用される面状光源として、導光板の端面に冷陰極管（ＣＦＬ）を配設したエッジライト方式のバックライトや面状であるエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子が用いられている。しかし、ＣＦＬを光源としたものはインバータ等の点灯回路を必要とするため全体として大型化するなどの問題点がある。また、エッジライト方式を利用しているので、全体の均一発光を得ることが難しく光源から遠い部分の輝度が低いという問題点もある。ＥＬを用いた場合には発光輝度が暗く、寿命が短いという問題点がある。
【０００３】
そこで、寿命に優れ、低消費電力という特徴を有する発光ダイオード（以下ＬＥＤと称す）を光源として利用したバックライトも提案されている。例えば、前記したＣＦＬの代わりにＬＥＤを配置したエッジライト方式のものや、、図５、図６に示したように赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のＬＥＤ群９２を１単位として、複数単位のＬＥＤ群９２を平面基板９１の上に配置し、その上に距離を設けて拡散板９３を固定した面状光源９０とした実開昭６３−４３１７７号のようなものがある。
【０００４】
しかし、該面状光源９０は、液晶表示装置のバックライトとしてＲ、Ｇ、Ｂ各波長域の色の発光スペクトルを含有している白色光を得るための手段として有用ではあるが、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長を発光する各ＬＥＤの放射光を拡散板９３にて拡散させるものとしているため（図６参照）、ＬＥＤ群９２と拡散板９３との距離を設けないと色むらが生じ均一混合色とすることはできなかった。また、均一混合色とするためにはＬＥＤ群９２毎に各色のＬＥＤの発光領域が一致するように設定しなければならず、均一混合色発光を得るための調整が困難であった。また、Ｒ、Ｇ、Ｂの各ＬＥＤが一定の明るさで点灯するようにしなければならないため、各ＬＥＤを別個に点灯制御するように配線しなければならないという問題点もある。さらにまた、均一な混合色、均一な明るさとするためには上記した理由により拡散板とＬＥＤ群とをある程度離して設ける必要があり、面状光源の薄型化が困難という問題点がある。
【０００５】
一方、ＬＥＤによる放射色は該ＬＥＤに使用されているＬＥＤチップの材料に依存するため、蛍光体を樹脂中に分散したものをＬＥＤチップ周囲にディップした後に樹脂を硬化して、ＬＥＤチップからの放射光の波長を変換して、白色発光を得る発光ダイオードも提案されている。
【０００６】
そこで、図５に示したＬＥＤ群９２を１個のＬＥＤチップとして面状光源を作成した。その際、図６に点線で記すようにＬＥＤ群９２に代えて配置した１個のＬＥＤチップの周囲には、熱硬化樹脂に蛍光体を分散させた蛍光体層９５を該ＬＥＤチップを覆うようにして滴下した後に硬化させており、また、これらの前面に図６のように拡散板９３を設けている。
【０００７】
該面状光源においては全て同一のＬＥＤチップを用いたので、前記したような各色ＬＥＤチップ放射光が均一に混合しないことに起因する均一混合色発光を得るための問題点は解決された。しかしながら、蛍光体層９５により波長変換された光には波長変換ムラがあり、それにより色の均一性に劣っていた。これは蛍光体含有樹脂を凸形状のＬＥＤチップの周囲に同じ厚みで均一に形成することが難かしいため、ＬＥＤチップから放射された光が蛍光体層を通過する際の厚みの相違により変換効率が異なること、及び蛍光体含有樹脂をＬＥＤチップ周囲に滴下した後、硬化するまでの時間に比重の大きな蛍光体が樹脂の下方に沈降して硬化したため、均一分散していない蛍光体含有樹脂となったこと等に起因するものと思われる。
【０００８】
【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、照光式スイッチ、表示パネル、液晶表示装置のバックライト等に利用でき、長寿命、高信頼性なＬＥＤチップと波長変換物質を用いた面状光源を提供することを第１の目的とする。さらに、均一性に優れた薄型の面状光源を提供することを第２の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基体上に複数の発光ダイオードチップを配設し、該複数のチップ上に該発光ダイオードチップから放射される光を波長変換する波長変換物質層と、拡散処理を施したシートとを備える面状光源であって、前記基体上の隣接する発光ダイオードチップ間に傾斜面を有する反射枠が設けてあり、前記拡散処理を施したシートの発光ダイオードチップ側の略全域には、予め所定の厚みに形成したシート状の前記波長変換物質層が配設され、前記波長変換物質層が前記反射枠に当接して配設してある面状光源を提供することで課題を解決するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明について、図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明にかかる面状光源１０の概略平面図を、図２は図１の面状光源１０のＡ−Ａ断面図を模式的に示す。なお、図３は他の実施形態の面状光源２０の断面図を、図４は更に別の実施形態の面状光源３０について一部切り欠いて説明するもので、同一個所は同一符号を用いて説明している。図１、２に示すように複数の凹部３を形成する反射枠２を設けた基体１には、各ＬＥＤチップ５に電力を供給する配線４が設けられており、前記凹部３内にはＬＥＤチップ５が凹部３内より外側に突出しないようにして配線４と電気的に接続して配置されている。これらの前面には波長変換シート６及び拡散板７が反射枠２と当接して凹部３を覆うように積層され、これらをモールド樹脂８により封止して面状光源１０を得ている。
【００１１】
（反射枠）
反射枠２には、配置されたＬＥＤチップ５側面から出射した光が上面に反射するようにすり鉢状の形状とした凹部３が複数個所設けられ、該凹部内面のすり鉢状の傾斜面３ａは高反射率を有するものとされている。反射枠２を金属により作成して傾斜面３ａを鏡面加工するものとしたり、高反射率となるように白色樹脂よりなる傾斜面３ａとしたり、金属・樹脂等により反射枠を作成して傾斜面３ａに高反射率となるＡｌ、Ａｇ、Ｗなどの金属や、ＴｉＯ２などの酸化物などの高反射率材料よりなる被膜を形成するものとするなどの方法により高反射率な傾斜面３ａを有す反射枠２とすることができる。
【００１２】
また、反射枠２の傾斜面３ａに、図３に示したように波長変換物質層３ｂを設けることもできる。波長変換物質層３ｂとしては、後述する波長変換シート６に用いる波長変換物質層６ｂと同じ材料を用いることができる。このようにすると、凹部傾斜面３ａに放射された光に対しても効果的に波長変換ができ好ましいものとなる。
【００１３】
(基体)
基体１は、金属、ガラスエポキシ樹脂などの様々なものを用いることができる。特に金属などの熱伝導率の高い材料を用いて形成すると、多数のＬＥＤチップ５を基体１上に設けた場合に発生する熱を外部に効率よく伝導することができ好ましい。また、基体１と反射枠２とは一体に形成したものとしても、別体に形成し両者を接合したものとしても、どちらも使用できる。基体１と反射枠２とを一体に形成するには、例えばガラスエポキシ樹脂板にすり鉢状の凹部３を切削して形成したり、所定形状の金型に樹脂を射出して成形したりすることにより得ることができる。
【００１４】
(配線)
配線４は各ＬＥＤチップに電力を供給するために設けられるもので、Ｃｕメッキなどを施すことにより形成されている。基体１と反射枠２を一体に成形した場合には、凹部３内のＬＥＤチップ５に接続する配線４を傾斜面３ａに形成する必要があるので、マスクを施して無電解メッキ、電解メッキを続けて実施するなどの方法により凹部３及び傾斜面３ａを含む反射枠２表面に直接に配線４を設けることができる。基体１と反射枠２とを別体に形成した場合には、例えば、予めガラスエポキシ等からなる基体１上に公知の方法で配線４を設け、反射枠２には配線４を設けることなく射出成形等の方法により凹部３を有するように白色樹脂などを用いて成形する。その後、前記基体１と前記反射枠２とを接着若しくはネジ等を用いて螺着する等により結合して固定して一体化する。
【００１５】
（ＬＥＤチップ）
ＬＥＤチップ５は、例えば青色および／または紫外光（λ＝３７０〜５００ｎｍ）を出射するＧａＮ系のＬＥＤチップを用いることができる。発光層から放射される波長光に対して透過性のサファイア等からなる透光性基板５ａの上にＧａＮ系の発光層５ｂをＭＯＣＶＤ法で形成し、同一面側に図示しないｐ電極およびｎ電極を形成したもの等を利用できる。
【００１６】
また、本実施形態においては、ＬＥＤチップ５の電極と配線４との電気的接続に従来多用されているワイヤーを用いずに接続している。即ち、ｐ電極およびｎ電極の夫々にはボンディング用バンプを形成し、該バンプを介して基体１に形成した配線４とを電気的に接続している。これにより放射光に対して透光性を示す基板５ａが上面側となり、凹部３の高さを最小限にすることができるものとなり好ましいものとなる。なお、ＬＥＤチップ５はＧａＮ系のＬＥＤに限られるものではなく、ＳｉＣ系ＬＥＤ、ＺｎＳｅ系ＬＥＤ、ＧａＡｓ系ＬＥＤ（λ＝６３０〜８５０ｎｍ）、ＧａＡｌＡｓ系ＬＥＤ、ＺｎＯ系ＬＥＤ等を用いることができる。
【００１７】
（波長変換シート）
波長変換シート６は、蛍光体等の波長変換物質によりＬＥＤチップ５からの照射光の波長を異なる波長に変換するものであり、波長変換物質と、波長変換物質を保持する樹脂結合剤とを均一に混合したものを、シート状の樹脂フィルムまたはガラス等からなる透光性シート基板６ａ上に波長変換物質層６ｂを塗布硬化させたもの等を用いることができる。また、予め波長変換物質を熱硬化型樹脂よりなる分散媒に分散させ、十分に攪拌させた後に、成形型に前記分散媒を流し込み、一定時間静置させ、その後分散媒を硬化させて比重差を利用して下部側には波長変換物質が高密度に均一分散し、上側には低密度もしくは波長変換物質が分散していない低密度波長変換素子領域を形成した波長変換シートを用いることもできる。さらに、低密度もしくは波長変換物質が分散していない低密度波長変換素子層と波長変換物質を高密度に均一分散した高密度波長変換素子層とを射出成形などの手法により所定形状に積層成形した波長変換シート等とすることもできる。
【００１８】
また、波長変換物質としては、例えば銅等の不純物を付活したＺｎＳ系蛍光体等を用いることができ、ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ蛍光体、ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ蛍光体、ＺｎＳ：Ａｇ蛍光体、ＺｎＳ：Ａｇ＋（Ｚｎ、Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ、Ａｌ蛍光体等のＺｎＳにＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇａ、Ｃｌなどの種々の不純物を付活させたものや、（Ｚｎ、Ｃｄ）ＳにＣｕ、Ａｌ、Ａｇ等の不純物を付活させたものなどを用いて青、白、黄緑等の色に変換するもの、ＮｄＰ_５Ｏ_１４、ＬｉＮｄＰ_４Ｏ_１２、Ｎａ_５Ｎｄ（ＷＯ_４）_４、Ａｌ_３Ｎｄ（ＢＯ_３）_４、Ｃｓ_２ＮａＮｄＣ_ｌ６、ＳｒＳなど各種の赤外励起蛍光体、およびその他の様々な蛍光体を単独で、もしくは複数の蛍光体を組み合わせて使用することで、異なる波長に変換するものとすることができる。また、波長変換物質として蛍光体ではなく、染料等の特定波長吸収物質を用いて波長変換するなどとすることもできる。
【００１９】
（拡散板）
拡散板７は、ヘアライン加工、梨地処理、ドット印刷など各種の公知の方法により拡散処理が施すことで、ＬＥＤチップ５からの照射光を拡散して均一な発光面を得るようにしたもので、樹脂シート等により形成し、波長変換シート６表面に配設する。また、波長変換シート６の透光性シート基板表面にも凹凸形状を形成するなどの拡散処理を施すと同時に拡散板７も並設するものとして、より一層の均一化を図る等とすることも可能であるし、波長変換シート６の表面に拡散処理を施して拡散板７を省略する等の変更もできる。なお、拡散板７をＬＥＤチップ５側に配設し波長変換シート６を表面側とすることもできるが、波長変換シート６、更に好ましくは波長変換物質がより多く存在する波長変換物質層６ｂがＬＥＤチップ５側に位置するように設けることが好ましい。ＬＥＤチップ５からの照射光が他の層中を通過して減衰する前に波長変換するようにＬＥＤチップ側に波長変換物質を配置した方が高効率だからである。さらに、波長変換シート６中の波長変換物質から発せられる光は拡散するものとなるので、従来と同じ拡散板を用いた場合であっても、本願発明ではより一層拡散効果が高められるものとなり、均一性が向上する。
【００２０】
（モールド樹脂）
モールド樹脂８は、基体１及び波長変換シート６、拡散板７を覆うように形成され、エポキシ樹脂等により所定形状に形成される。図２においては拡散板７と平行な表面となるよう方形状に形成されているが、用途によっては図３に示したようなかまぼこ状としたり、他の形状のレンズカットを形成したりすることもできる。また、基体１と波長変換シート６の間にＬＥＤチップ５を覆うようにして樹脂を設け、基体１と波長変換シートを接着するものとし、波長変換シート表面にモールド樹脂８が存在しないものとすることもできる。更に、波長変換シートと基体１との間の外周縁にモールド樹脂８を設け、ＬＥＤチップ５周囲他の波長変換シートとＬＥＤチップ５との間の空間にＡｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｋｒ、窒素などの不活性ガスを封止するものとする等の変更も可能である。
【００２１】
以下、本願発明の具体的実施例を説明する。
（実施例１）
放熱効果を持たせるために金属でできた２ｃｍ×３ｃｍの基体１上に絶縁層を印刷し、ＬＥＤチップ５に電力を供給するための所定のパターンとなるように配線４を形成する。また、その際、反射枠との位置合わせのためのアライメントマークも作製しておく。次に配線４を施した基体１上にＧａＮ系ＬＥＤチップ５の同一面側に設けられた一対の電極の夫々に金属バンプを形成して、反対側のＬＥＤチップ基板５ａ側が上面となるようにして多数のＬＥＤチップ５を所定位置の配線４に接続する。すり鉢状の凹部３を複数有するように加工したセラミック製の反射枠２を基体１に形成しておいたアライメントマークを基準にして金属製基体１に接着固定する。反射枠２は高さが２ｍｍとなるようにし、凹部３はその断面が直線状または放物線状となる傾斜面３ａとなるようにして形成してある。
【００２２】
波長変換シート６は白色光に変換するＺｎＳ系蛍光体１１．２ｇを分散媒である透光性エポキシ樹脂１００ｇに混合したものを、ガラスからなる透光性シート基板６ａ上に印刷後、硬化させて波長変換物質層６ｂを形成して作製した。続いて、ＬＥＤチップ５を配設した凹部３内にエポキシ樹脂８を流しこみ、気泡が入らないようにして、予め準備しておいた前記波長変換シート６を波長変換物質層６ｂ側がＬＥＤチップ５側となるようにして設置して加熱してエポキシ樹脂８を硬化させて接着固定する。また、梨地処理を施した白色ポリカーボネートフィルム拡散板７を波長変換シート６の上面に配設し、更にこれらをエポキシ樹脂８にて覆うようにして封止することで、図１および図２に示すような面状光源１０が得られた。こうして得られた面状光源１０に電源を接続したところ均一な白色発光が得られ、該面状光源を液晶表示装置のバックライトとして用いたところ良好な表示が得られた。
【００２３】
（実施例２）
前述した実施例１の面状光源１０のモールド樹脂形状などを変更して図３に示すような面状光源２０を作製する。反射枠２の傾斜面３ａに波長変換シートに形成した条件と同じ条件で波長変換物質層３ｂを設けた。また、面状光源２０を覆うモールド樹脂８の形状を図３に示すようにかまぼこ状とし、更に、拡散板７には所定色の表示パターンを印刷したものを用いた。それ以外は実施例１と同様にして図３に示すような面状光源２０を作製した。こうして得られた面状光源２０に電源を接続したところ均一な白色発光が得られ、該面状光源２０を照明スイッチの表示部とすると、拡散板７に形成した表示色パターンが良好に観視されるスイッチが得られた。
【００２４】
（実施例３）
前述した実施例１では凹部３内にモールド樹脂８を充填しているが、本実施例では不活性ガスを封入して図４に示すような面状光源３０を作製する。高さ２ｍｍの反射枠３２にすり鉢状とした凹部３３を、夫々の凹部３３が離間するようにして形成する。この反射枠３２を実施例１のＬＥＤチップ５を取り付けてある基体１に接着固定する。次にＡｒとＸｅの混合ガスからなる雰囲気中において、拡散板７を接合した波長変換シート６を前記反射枠３２の上方の平面に波長変換物質を設けた側がＬＥＤチップ５側となるようにして真空用接着剤、例えば、米国Ｖａｒｉａｎ社製の商品名Ｔｏｒｒ−Ｓｅａｌを用いて接着固定する。さらにこれらをエポキシ樹脂８にて覆うようにして封止して面状光源３０を作製した。こうして得られた面状光源３０も実施例１の面状光源と同様に良好な均一色の発光が得られた。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、予め波長変換物質の厚み、密度を所望の値に設定して形成した波長変換シートを用いているので、波長変換物質の厚み、分布の不均一に起因する変換効率差、さらには、それによる色ムラを著しく低減することができ、均一な発光色の面状光源を得ることができる。また、波長変換素子シートにより拡散光が生じ、その拡散光を更に拡散する拡散処理層を設けることでより一層均一な発光とすることができると共に、面状光源全体の厚みを薄くすることができるなどの優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の面状光源を説明する概略模式平面図である。
【図２】図１の面状光源の概略断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態を説明する概略断面図である。
【図４】本発明の別の実施形態を一部を切り欠いて説明する概略斜視図である。
【図５】従来の面状光源を説明する概略平面図である。
【図６】従来の面状光源を説明する概略断面図である。
【符号の説明】
１基体
２反射枠
３凹部
４配線
５ＬＥＤチップ
６波長変換シート
７拡散板
８モールド樹脂
１０、２０、３０面状光源
９０面状光源
９１平面基板
９２ＬＥＤ群
９３拡散板

Claims

基体上に複数の発光ダイオードチップを配設し、該複数のチップ上に該発光ダイオードチップから放射される光を波長変換する波長変換物質層と、拡散処理を施したシートとを備える面状光源であって、前記基体上の隣接する発光ダイオードチップ間に傾斜面を有する反射枠が設けてあり、前記拡散処理を施したシートの発光ダイオードチップ側の略全域には、予め所定の厚みに形成したシート状の前記波長変換物質層が配設され、前記波長変換物質層が前記反射枠に当接して配設されることを特徴とする面状光源。
前記傾斜面には波長変換物質層が形成してあることを特徴とする請求項１記載の面状光源。
前記波長変換物質層を設けた前記シートと前記発光ダイオードチップとの空間には、透光性の樹脂が満たされており、該樹脂により前記シートが接着されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の面状光源。
前記反射枠と前記波長変換物質層を設けた前記シートとが接着されており、該シートと前記発光ダイオードチップを載置した前記基体との間の空間には、不活性ガスが封入されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の面状光源。