JP4182848B2 - 面状発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶バックライト、パネルメータ、表示灯や面発光スイッチ等に用いられる面状発光装置に関する。

従来、液晶バックライトなどの光源に、半導体発光素子、例えば発光ダイオード（以下、ＬＥＤという。）からの光を面状に発光させる面状発光装置が用いられている。その面状発光装置の構造の一例を図９に示す。面状発光装置１００には、透光性の導光板１０１と、導光板１０１の一端面に設けられ導光板端面から光を入射させるＬＥＤ１０２が設けられている。ＬＥＤ１０２からの光の多くは、導光板１０１の入射面１０５より導光板１０１中へ導かれる。また、ロスした光もリフレクタ１０３により反射されて導光板１０１の入射面１０５に導かれる。また、導光板１０１の出射面１０６及びＬＥＤが対向配置されている端面を除いて反射板１０４が設けられており、ＬＥＤからの入射光は反射板１０４に反射されて出射面１０６から出射する。また、出射面方向へ出射する光の割合を増加させてバックライトの輝度を向上させるため、導光板と別体のプリズムシート（不図示）を出射面の上に配置したもの（例えば、特許文献１）も提案されている。
特開２００２−１０７５１５号公報

しかしながら、面状発光装置の発光面積を大きくしたり、より高輝度に面発光させるため、光源であるＬＥＤの輝度を一層向上させようとすると、以下のような問題があった。すなわち、ＬＥＤからの光は、ある一定の指向角を持ち放射状に発光する指向特性を持つ。そのため、ＬＥＤ近傍での発光強度が強く、ＬＥＤから離れるにしたがって発光強度が弱くなり、輝度むらが発生し易い傾向がある。特に、ＬＥＤ間や出射面側から見た隅部は暗くなる傾向が大きい。さらに、発光強度が数千ｍｃｄまで向上した高輝度のＬＥＤをフルに発光させた場合、ＬＥＤチップの数を減少させ小型化できるという利点がある反面、光源となるＬＥＤの近傍では極めて強い発光の強度分布が生じる。これに対し、導光板の出射面に対向する底面に反射パターンを設けて、入射光を導光板内で散乱・反射させて輝度を均一化する方法が考えられる。しかし、この方法だけでは、ＬＥＤの近傍での発光の強度分布を解消するのは困難である。
また、プリズムシートを用いると、発光装置を薄型化するのが困難であり、また、部品数の増加により製造工程が複雑化するという問題もあった。
そこで、本発明は、高輝度で輝度の均一な面状発光装置を提供することを目的とした。

上記課題を解決するため、本発明の面状発光装置は、複数の発光ダイオードと、該発光ダイオードからの光を側面から入射させ反射により上面から出射させる導光板と、を有する面状発光装置であって、上記導光板の少なくとも１つの側面は、凹凸部を有し、上記導光板の入射面は、導光板の上面から底面に所定の段差で連続する複数の段面を有し、上面側の段面は連続する底面側の段面に対し上記光源の方向に突出するように形成されており、上面側の段面と底面側の段面のそれぞれに、各段面に対向するように上記発光ダイオードを配置して成り、上記入射面の長手方向に沿って、上面側の段面と底面側の段面に交互に上記発光ダイオードを配置して成ることを特徴とする。

また、本発明の面状発光装置は、凹凸部として、連続した三角形状の断面を有する多数の突条から成るプリズム列を用いることができる。また、導光板の上面にも、凹凸部を設けることもできる。

また、本発明の面状発光装置は、光源が上記導光板の入射面に対向するように配置されており、入射面に、凹凸部を設けることもできる。

本発明の面状発光装置は、導光板の少なくとも１つの側面に、凹凸部を設けるようにしたので、光源からの光が凹凸部に反射して、側面への光の透過を防止できる。これにより、反射板の数を少なくして、光の取出し効率を向上させることができる。さらに、出射面に凹凸部を設けることにより、出射方向を調整して、出射面に垂直に出射する光の割合を増やすことができるので、発光輝度を高めることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る面状発光装置Ｃの構造を示す模式的な平面図、図２は側面図、そして図３は斜視図である。面状発光装置Ｃは、２つの光源列を側面に設けた２つの段面に配置している。
面状発光装置Ｃは、透光性の導光板５と、２つの光源列１，２を有している。導光板５の入射面５ｃは、上面５ａから底面５ｂに所定の段差で連続する第１の段面５１ｃと、第２の段面５２ｃと、を有しており、第１の段面５１ｃは第２の段面５２ｃに対し光源の方向に突出するように形成されている。第１の光源列１は第１の段面５１ｃに対向するように配置され、第２の光源列２は第２の段面５２ｃに対向するように配置されている。ここで、第１の光源列１と第２の光源列２は、それぞれ、入射面の長手方向に直線状に配置された複数のＬＥＤ１ａとＬＥＤ２ａから成り、ＬＥＤ１ａとＬＥＤ２ａは、入射面の長手方向に沿って、第１の段面５１ｃと第２の段面５２ｃに交互に配置されている。

導光板５は、上面である出射面５ａと、出射面５ａに対向する底面５ｂと、側面として、ＬＥＤからの光が入射する入射面５ｃと、入射面５ｃに対向する側面５ｄと、入射面５ｃに隣接し対向する一対の側面５ｅ，５ｆを有している。さらに、ＬＥＤの取付け面５ｇ及び５ｇ′を除く導光板５の表面全面に、図３に示すプリズム列からなる凹凸部が形成されている。

本実施の形態は、側面に２つの光源を有し高輝度であるため、光源を構成するＬＥＤの近傍では極めて強い発光の強度分布が生じる。しかし、２つの光源から導光板に入射した光は、導光板内部で反射され、一部が入射面に戻り、入射面で反射されて出射面から出射する。そのため、ＬＥＤ近傍の輝度ムラが解消されて、輝度の均一性を向上させることができる。特に、ＬＥＤ１ａとＬＥＤ２ａを、入射面の長手方向に沿って交互に配置することにより、ＬＥＤの近傍での発光の強度分布がより均一化される結果、ＬＥＤ近傍の輝度ムラをより効果的に解消することができる。

また、側面に設けた２つの段面のそれぞれに１個以上のＬＥＤから成る光源列を配置したので、導光板を大きくすることなく多くの光源を入射面に配置することができ、省スペースな発光装置を提供することができる。

また、第１の光源列の光源は第２の光源列の光源に比べ長い光路を有しているため、第２の光源列の光源と比べ、輝度は低くなるが、指向性が弱まり、ＬＥＤ間の混色性が高くなる。これに対し、第２の光源列の光源は光路が短いため、導光板の内部で反射散乱されにくくなり高輝度となる。したがって、本実施の形態の発光装置によれば、高輝度と混色性を両立させることが可能となる。
なお、本実施の形態では、段面が２つの場合を示したが、段面を３以上にしても本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本実施の形態によれば、側面は、反射板を用いることなく、側面への光の透過を防止できるので、光の取出し効率を向上させることができる。さらに、出射面に設けたプリズム列は出射方向を調整して、出射面に垂直に出射する光の割合が多くなるように作用する。これらにより、発光装置の輝度を向上させることができる。また、高輝度のＬＥＤをフルに発光させた場合、光源となるＬＥＤの近傍では極めて強い発光の強度分布が生じるが、入射面にプリズム列を設けることにより、入射面からの光の透過を防止し、ＬＥＤ近傍の暗部に光を導入することができるので、輝度を均一化することもできる。

また、従来、反射板には、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、そしてポリプロピレン等の樹脂に白色顔料や散乱材を含有させて成型されたシート状物が用いられているが、本実施の形態によれば、反射板の数を少なくすることができるので、発光装置をより安価に製造することも可能となる。

導光板を構成する材料としては、光透過性、成形に優れた材料、例えばポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂などが挙げられる。

所望の凹凸部を有する導光板を作製するには、例えば、射出成型法により、所望の凹凸パターンを有する金型を用いて作製することができる。凹凸部にプリズム列を用いる場合、プリズムピッチは３０〜１００μｍが好ましい。プリズムピッチが３０μｍよりも小さいと、プリズム間のＶ字状溝の深さが浅くなり、出射面に垂直に出射する光の割合が減り、輝度が低下するからである。また、１００μｍよりも大きいと、反射光の割合が減り、輝度が低下するからである。
また、第１プリズム列３２のプリズムの頂角は８０〜１２０度が好ましい。全反射を起こして反射光を増加させ、導光板の内部に光を閉じ込めることにより、出射面に垂直に出射する光の割合を多くすることができるからである。

また、導光板には拡散剤を含有させてさらに均一発光とさせることもできるし、着色剤を含有させて所望の発光色が発光可能な構成としても良い。導光板中に拡散剤や着色顔料を均一分散させても良いし、傾斜分布させても良い。拡散剤の材料には、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、ポリメチレンペンテン樹脂などが挙げられる。着色剤には、種々の顔料や染料を用いることができる。また、蛍光染料や蛍光顔料を用いることもできる。

また、Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕ等の反射率の高い金属膜を導光板の底面上にスパッタリングや真空蒸着法により形成することもできる。これにより、底面の反射率を高めて、光の取出し効率をさらに向上させることができる。

本発明においては光源として、電球、蛍光灯、レーザダイオード等、他のいかなる発光体を使用することができる。本発明の光源として用いることができる発光ダイオードは、導光板に光を効率良く導入可能な物であれば種々利用することができる。発光ダイオードはＳＭＤ（表面発光型）発光ダイオードでも、砲弾型発光ダイオードでも良い。また、発光素子であるＬＥＤチップそのものでも良い。

また、発光素子の材料として、ＢＮ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＢＡｌＧａＮ、ＢＩｎＡｌＧａＮなど種々の半導体を挙げることができる。同様に、これらの元素に不純物元素としてＳｉやＺｎなどを含有させ発光中心とすることもできる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構造のものを好適に挙げることができる。半導体層の材料やその混晶比によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体層を量子効果が生じる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることでより出力を向上させることもできる。

また、発光素子は、２個以上用いることができるし２種類以上利用することもできる。２種類以上利用する場合、発光色の混色により種々の発光色を得ることができる。発光素子をＲＧＢ（赤、緑、青）あるいは、ＢＹ（青、黄）とし全て発光させ混色することにより白色発光させることができる。

また、蛍光体と組合せて白色発光可能な発光素子としては、青色発光可能な窒化物系半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いた発光素子を好適に用いることができ、この場合、蛍光体にはＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体やぺリレン系誘導体を用いることが好ましい。また、紫外線を発光する発光素子の場合、少なくともＭｎ及び／又はＣｌを含むＥｕで付活されたアルカリ土類金属ハロゲンアパタイト蛍光体等を挙げることができる。

窒化物半導体を使用した場合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等を好適に用いることができる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性良く形成するためには、サファイヤ基板を用いることが好ましい。このサファイヤ基板上に、ＨＶＰＥ法やＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。サファイヤ基板上に、低温成長により非単結晶となるＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ等のバッファ層を形成し、その上にｐｎ接合を有する窒化物半導体を形成させる。

窒化物半導体を使用したｐｎ接合を有する紫外領域を効率良く発光可能な発光素子の例として、バッファ層上に、サファイヤ基板のオリフラ面と概ね垂直にＳｉＯ_２をストライプ状に形成する。ストライプ上にＨＶＰＥ法を用いてＧａＮをＥＬＯＧ（Epitaxial Lateral Over Growth）成長させる。続いて、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型窒化ガリウムで形成した第１のコンタクト層、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第１のクラッド層、窒化インジウム・アルミニウム・ガリウムの井戸層と窒化アルミニウム・ガリウムの障壁層を複数積層させた多重量子井戸構造とされる活性層、ｐ型窒化ガリウムで形成した第２のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構造などの構造を挙げることができる。

窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でｎ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のｎ型窒化物半導体を形成させる場合は、ｎ型ドーパントとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、ｐ型窒化物半導体を形成する場合、ｐ型ドーパントであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープすることが好ましい。窒化物半導体は、ｐ型ドーパントをドープしただけではｐ型化しにくいため、ｐ型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により低抵抗化することが好ましい。第１のコンタクト層の表面までｐ型側からエッチングして各コンタクト層を露出させる。各コンタクト層上にそれぞれ電極形成後、半導体ウェハからチップ状にカットさせることで窒化物半導体からなる発光素子を作製することができる。

本発明の面状発光装置は、発光素子からの光をそのまま面状に発光させる他に、色変換部材により発光素子からの光を種々の色に変換させて面状に発光させることもできる。色変換部材は、種々の形態をとることができ、例えば、導光板の入射面に蛍光体を含む塗膜を形成しても良く、また、蛍光体を保持したシートを導光板の出射面上に配置することもできる。具体的な色変換部材としては、発光素子からの光に対して光透過率が７０％以上のシート状ベースフィルムに蛍光体を含有させた樹脂をロールコータ等を用いて塗布することにより形成することができる。このようなベースフィルムとしては、透光性や耐熱性の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が好適に挙げられる。ベースフィルムは、より発光均一性を向上させるため、屈折性の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、さらには上記のフィルムをエンボス加工したものを好適に用いることができる。また、蛍光体とともに白色顔料を含有させてより均一な白色表示を得ることもできる。

色変換部材に含有させる蛍光体には、前述の蛍光体を用いることができる。すなわち、青色発光可能な窒化物系半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いた発光素子の場合、蛍光体にはＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体やぺリレン系誘導体を用いることが好ましい。また、紫外線を発光する発光素子の場合、少なくともＭｎ及び／又はＣｌを含むＥｕで付活されたアルカリ土類金属ハロゲンアパタイト蛍光体等を用いることが好ましい。

なお、上述した実施の形態１では、ＬＥＤの取付け面面５ｇ及び５ｇ′に対して凹凸部を形成することはなかったが、ＬＥＤの取付け面面５ｇ及び５ｇ′に対して他の面と同様に凹凸部を形成しても構わない。このようにＬＥＤの取付け面５ｇ及び５ｇ′に対して凹凸部を形成することによって、ＬＥＤの近傍での発光の強度分布を効果的に解消することが可能である。

また、実施の形態では、図３に示した形状のプリズム列を用いているが、本発明に用いる凹凸部は、図３に示す形状のプリズム列に限定されない。例えば、以下に示すような変形例が可能である。

（変形例１）
図４は、本変形例の凹凸部の形状を示す模式図であり、実施の形態１の面状発光装置に適用した例を示している。本変形例の凹凸部はプリズム列であって、所定のプリズムピッチで形成された第１プリズム列３２と、第１プリズム列の互いに隣接する２つのプリズムの間に形成された１以上のプリズムからなる第２プリズム列３３とを有し、第２プリズム列３３のプリズムの断面積が第１プリズム列３２のプリズムの断面積よりも小さくなるように形成されている。

断面積の異なるプリズムから成る２種のプリズム列を形成することにより、反射光を増加させて、出射面に垂直に出射する光の割合を多くすることができる。
図７は、本変形例の凹凸部の模式拡大図である。前述のように、第１プリズム列のプリズムピッチは３０〜１００μｍが好ましく、また、第１プリズム列３２のプリズムの頂角は８０〜１２０度が好ましい。
また、第２プリズム列３３のプリズムピッチは５〜２０μｍ、ピッチ方向の幅は１５〜６０μｍが好ましい。
また、プリズムの頂角は８０〜１２０度が好ましい。全反射を起こして反射光を増加させ、導光板の内部に光を閉じ込めることにより、出射面に垂直に出射する光の割合を多くすることができるからである。

（変形例２）
図５は、本変形例の凹凸部の形状を示す模式図であり、実施の形態１の面状発光装置に適用した例を示している。本変形例の凹凸部はプリズム列であって、連続した三角形状の断面を有する多数の第２の突条３４ａから成るプリズム列を表面に有する第１の突条３４が所定のピッチで連続して形成されている。
第２の突条の表面に微細な第１の突条を形成することにより、反射光を増加させ、導光板の内部に光を閉じ込めることにより、出射面に垂直に出射する光の割合を多くすることができる。

（変形例３）
図６は、本変形例の凹凸部の形状を示す模式図であり、実施の形態１の面状発光装置に適用した例を示している。本変形例の凹凸部は、断面三角形状のプリズム列に代えて、ピラミッド形状部３５が上下左右に連続して配置されている。
プリズム列を用いた場合と同様に、光源からの光はピラミッド形状部に反射して反射光を増加させ、出射面に垂直に出射する光の割合を多くすることができる。

ここで、図８の模式拡大図に示すように、ピラミッド形状部３５の底面は正方形状であって、１辺の長さは１０〜１００μｍが好ましい。１辺の長さ１０μｍよりも小さいと、ピラミッド形状部間のＶ字状溝の深さが浅くなり、出射面に垂直に出射する光の割合が減り、輝度が低下するからである。また、１００μｍよりも大きいと、反射光の割合が減り、輝度が低下するからである。プリズム３５の対向する傾斜面の交差する角度が８０〜１２０度であることが好ましい。反射光を増加させて、出射面に垂直に出射する光の割合を多くすることができるからである。なお、ピラミッド形状部３５は、導光板３の内部方向に凸でも、導光板３の外部方向に凸でも構わない。

本発明の実施の形態１に係る面状発光装置の構造を示す模式的な平面図である。 本発明の実施の形態１に係る面状発光装置の構造を示す模式的な側面図である。 本発明の実施の形態１に係る面状発光装置の構造を示す模式図であり、一部拡大図を含む斜視図である。 本発明の変形例１に係る面状発光装置の構造を示す模式図であり、一部拡大図を含む斜視図である。 本発明の変形例２に係る面状発光装置の構造を示す模式図であり、一部拡大図を含む斜視図である。 本発明の変形例３に係る面状発光装置の構造を示す模式図であり、一部拡大図を含む斜視図である。 本発明の変形例１に係る面状発光装置の表面形状を示す模式的な拡大図である。 本発明の変形例３に係る面状発光装置の表面形状を示す模式的な拡大図である。 従来の面状発光装置の構造を示す模式断面図である。

符号の説明

１，２ 光源列、
１ａ，２ａ 発光素子、
５ 導光板、
５ａ 上面（出射面）、
５ｂ 底面、
５ｃ 側面（入射面）、
５ｄ，５ｅ，５ｆ 側面、
５ｇ，５ｇ′ 取付け面、
３２ 第１プリズム列、
３３ 第２プリズム列、
３４ 第１の突条、
３４ａ 第２の突条、
３５ ピラミッド形状部、
５１ｃ 第１の段面、
５２ｃ 第２の段面、
Ｃ 面状発光装置。

Claims (8)

1. 複数の発光ダイオードと、該発光ダイオードからの光を側面から入射させ反射により上面から出射させる導光板と、を有する面状発光装置であって、
   上記導光板の少なくとも１つの側面は、凹凸部を有し、
   上記導光板の入射面は、導光板の上面から底面に所定の段差で連続する複数の段面を有し、上面側の段面は連続する底面側の段面に対し上記光源の方向に突出するように形成されており、上面側の段面と底面側の段面のそれぞれに、各段面に対向するように上記発光ダイオードを配置して成り、
   上記入射面の長手方向に沿って、上面側の段面と底面側の段面に交互に上記発光ダイオードを配置して成ることを特徴とする面状発光装置。
2. 上記凹凸部が、連続した三角形状の断面を有する多数の突条から成るプリズム列である請求項１記載の面状発光装置。
3. 上記プリズム列は、所定のプリズムピッチで形成された第１プリズム列と、該第１プリズム列の互いに隣接する２つのプリズム間に形成された第２プリズム列と、を有し、
   上記第２プリズム列のプリズムの断面積が、上記第１プリズム列のプリズムの断面積よりも小さくなる請求項２記載の面状発光装置。
4. 上記突条は、所定のピッチで連続して形成された第１の突条と、該第１の突条の表面に連続して形成された多数の第２の突条から成る請求項２記載の面状発光装置。
5. 上記凹凸部は、ピラミッド形状部が連続して配置されている請求項２記載の面状発光装置。
6. 上記導光板の上面に、上記凹凸部を設けて成る請求項１乃至５のいずれか一つに記載の面状発光装置。
7. 上記光源は上記導光板の入射面に対向するように配置されており、上記入射面に、上記凹凸部を設けて成る請求項１乃至６のいずれか一つに記載の面状発光装置。
8. 上記発光ダイオードは、発光色の異なる２種類以上が用いられている請求項１乃至７のいずれか一つに記載の面状発光装置。

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