JP4221816B2

JP4221816B2 - 導光板及びそれを用いた面状発光装置、および、導光板の製造方法

Info

Publication number: JP4221816B2
Application number: JP12911899A
Authority: JP
Inventors: 孝一国方; 栄二中西
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1999-02-03
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2019-05-10
Also published as: JP2000294020A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶バックライト、パネルメーター、表示灯や面発光スイッチなどに用いられる導光板やそれを用いた面状発光光源に係わり、特に、光源から入射される光を導光板内部で吸収されることなく、より高輝度且つ輝度偏差が少なく発光可能な面状発光光源などに関する。
【０００２】
【従来技術】
液晶バックライトなどに点光源として認識される発光ダイオード（以下、ＬＥＤともいう）からの光を面状に発光させる面状発光光源４００が設けられている。このような面状発光光源の一例として図４に模式的斜視図を図５にその断面図を示す。図４は内部を光が透過可能であり発光面を構成する平面状の導光板４１０と、導光板４１０の一側部に設けられ、導光板側部から光を入射させる冷陰極管やＬＥＤなどの発光体４０６が設けられている。また、導光板４１０の面状発光が観測される板状透光性樹脂の主面及びＬＥＤが接続される端面を除いて反射板４０４が設けられている。こうして形成された面状発光光源４００の発光体を光らせることにより、面状発光させることができる。
【０００３】
さらに、酸化珪素などの透光性無機材料などを用いた拡散材４０３を導光体４０２中に含有させることにより、面状発光光源４００を構成する導光板４１０から放出される光を導光板内で拡散材で散乱・反射させる。これにより、導光板４１０を覆う反射板４０４に加えて導光板４１０内部の光透過経路を変更させることにより、面状発光光源４００全体から高輝度に均一発光させられることが考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、拡散材４０３を含有させた導光板４１０は、比較的簡単な構成でより高輝度化などを行うことが可能と考えられているにもかかわらず、発光体４０６からの光に対して十分な発光輝度をえることができなかった。そのため、発光体を構成するＬＥＤなどの数を増やしたり、投入電力を多くすることによって対応していた。ＬＥＤなどの数を増やしたり投入電力を多くすることはコストが増大するだけでなく、二次電池などを利用した携帯用途の需要が多いバックライトなどではスペースをとることや消費電力が増大するなど種々の問題が生ずる。したがって、本発明は上記問題のない光利用効率の優れた導光板及びそれを用いた面状発光光源を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、種々の実験の結果、導光板と導光板中に含有させる拡散材とを特定の関係とさせることにより、比較的簡単な構成で光利用効率が高い面状発光光源とすることができることを見いだし、本発明をなすに至った。即ち、本発明は透光性の導光体（１０２）中に導光体と異なる屈折率を有する粒子状の拡散材（１０３）を含有させた導光板である。特に、導光体（１０２）及び拡散材（１０３）は熱変形温度の異なる透光性樹脂であり、且つ拡散材の各粒子と導光体との界面（１０１）は、拡散材を構成する樹脂から導光体を構成する樹脂に連続的に組成変化している導光板である。このような構成とすることにより導光板の外部から入射された光の吸収を抑制しつつ、拡散材及びその界面が光の進路を変更させて所望の導光板の形状に発光させることができる。
【０００６】
図３に本発明の作用を模式的断面図において説明すると、図３（Ｂ）の如く、導光体３０２中に拡散材３０３を単に含有させると、導光板に入射した矢印の如き光は拡散材３０３の界面において反射・散乱される。これにより、導光板から拡散光等を利用して有効に光を取り出すことができると考えられていた。しかし、拡散材の界面での拡散・反射時には、大幅な光の吸収を生ずる。また、入射経路から観測すると反射・散乱により、入射光は大幅に延びる。その結果、導光体などに吸収される割合も増え、導光板全体及び面状発光光源の光利用効率が低くなる。本発明は、図３（Ａ）の如く、拡散材１０３と導光体１０２との界面１０１の組成が変化していることから、導光体と拡散材界面の拡散・反射時における光吸収を極力さけ、且つ図の矢印の如く光を偏向させることにより光利用効率を高くすることができると考えられる。
【０００７】
本発明の請求項２に記載の面状発光装置は、透光性の導光体（１０２）中に導光体と異なる屈折率を有する粒子状の拡散材（１０３）を含有させた導光板と、導光板の端面から光を入射させ導光板の主面から光を放出させる発光体（１０５）とを有する面状発光装置（１００）である。特に、導光体（１０２）及び拡散材（１０３）は共に透光性樹脂であり、且つ拡散材の各粒子と導光体との界面（１０１）は、拡散材を構成する樹脂から導光体を構成する樹脂に組成傾斜している面状発光光源である。これにより、比較的簡単な構成で、導光板に入射された光を効率よく導光板から光を取り出せる面状発光装置とすることができる。そのため、光利用効率の高い、面状発光装置とすることができる。
【０００８】
本発明の請求項３に記載の面状発光装置は、透光性の導光体（１０２）中に該導光体と異なる屈折率を有する粒子状の拡散材（１０３）を含有させた矩形状の導光板と、該導光板の主面から光を放出させるために導光板の端面に光学的に接続させた発光ダイオードとを有する面状発光装置である。特に、導光体（１０２）及び拡散材（１０３）は共に透光性樹脂であり、且つ拡散材の各粒子と導光体との界面（１０１）は、拡散材を構成する樹脂から導光体を構成する樹脂に組成傾斜している面状発光光源である。この構成により、上記効果に加えて、マクロ的には点光源として認識されるＬＥＤを用いてもＬＥＤ近傍が明るくその周辺が暗く観測されることなく輝度偏差が少ない均一面状発光が可能な面状発光装置とすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）は本発明の導光板を用いた面状発光装置の模式的斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＸＸ断面図である。本発明において導光板を導光体としてアクリル樹脂（熱変形温度７１〜９９℃、屈折率１．４９）を用いる一方、拡散材として、ポリカーボネート樹脂（熱変形温度１４１℃、屈折率１．５９）を予め混合させたホッパを用いて射出成形により形成させた。
【００１０】
拡散材が導光体との界面で組成が傾斜勾配構成をもつためには、導光板を構成する導光体材料と拡散材材料の選択、導光板の形成時における、射出温度、金型内における冷却温度、時間及び圧力が重要となる。
即ち、本発明の導光体に用いられる材料としては光透光性、形成性に優れ拡散材との界面が傾斜溶融行いものを好適に利用することができる。具体的導光体の材料としては、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、ポリスチレン樹脂などが挙げられる。他方、拡散材としては、拡散材としての機能を満たすため導光体の材料の屈折率との差を比較的小さくすることで、より光利用効率を高められる傾向にある。また、組成傾斜させるためには、拡散材を構成する樹脂材料の熱変形温度が導光体を構成する樹脂材料の熱変形温度よりも高いことが好ましい。そのため、導光体材料との組み合わせにより拡散材の材料は、種々選択することができる。
【００１１】
具体的拡散材材料としてアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、ポリメチンペンテン樹脂やポリエチレンテレフタレート樹脂を好適に利用することができる。拡散材は効率よく導光板から光を取り出すために真球状を含めフィラー形状など種々の形状を選択することができる。また、拡散材の平均粒径も材料との選択などにもよるが、０．１μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。同様に、粒子径中央値は３μｍから２０μｍが好ましい。導光板中における拡散材の含有量は、面状発光光源からの均一性を向上させるために０．００１％以上１％以下が好ましい。より好ましくは０．０１％以上０．２％以下である。このような拡散材は、上述の条件を満たす限り、１種類のみならず、２種類以上混合して用いることができる。
【００１２】
具体的導光板の形成条件としては、アクリル樹脂中に粒径の中央値が３μｍに調整したポリカーボネート樹脂を拡散材として０．１％添加した材料を射出成型させた。拡散材となるポリカーボネート樹脂の熱変形温度点以下であり、且つ導光体の熱変形温度以上である約２４０℃で溶融させながら７０Ｋｇ／ｃｍ²の圧力で金型に押し込みさせた。なお、圧力は射出成型時に２段階以上変化させて１００から５０Ｋｇ／ｃｍ²に調整させることもできる。本発明では金型を６０℃に加熱設定し、金型内に樹脂が全て注入後においても１０ｓから２分の時間をかけて樹脂温度が６０℃になるまで、保持する。一旦、樹脂温度が６０℃に一定となった後、金型から厚さ２mm縦１０cm横２ｃｍの板状導光板を取り出した。なお、導光板の底面形状は、発光均一にさせるために図１の如き、船底状板体１０９とさせたが、所望に応じて種々形成できることはいうまでもない。同様に、導光板の主面上にＬＥＤが配置される近傍から遠く離れるにつれ大きな凹凸を形成させ、面状に均一発光可能な導光板形状とすることもできる。
【００１３】
こうして、例えば導光体を構成する樹脂と拡散材を構成する樹脂の融点が近く、導光体が熱変形するだけの温度であっても、加圧成形すると共に冷却時間を一定時間長く取ることにより、導光体と拡散材との界面は拡散材を構成する樹脂から徐々に導光体を構成する樹脂に組成傾斜させることができる。なお、この形成条件を変化させることにより、組成傾斜を徐々に行うこともできるし、急激に行うこともできる。また、組成傾斜は連続的でも良いし断続的に形成することもできる。
【００１４】
形成された導光板に、透光性の接着材としてエポキシ樹脂を介してチタン酸バリウムが含有されたアクリル樹脂を反射材として貼り合わせた。反射材は、導光板を通じて面状に光を取り出す主面及び導光板の光を導入させる側の端面を除いて配置してある。また、反射材の設けられていない導光板の端面には、青色が発光可能な窒化物半導体からなるＬＥＤチップ１０７及びＬＥＤチップからの青色光によって励起され補色となる黄色光を放出する蛍光体を含有する樹脂１０８とを有する発光ダイオードを配置させてある。この発光ダイオードに電流を流すと白色光が導光板の端面から入射され、導光板の主面から面状に発光させることができる。形成された面状発光光源は、拡散材と導光体の界面が明瞭なものに比べて格段に輝度を向上させることができる。
【００１５】
また反射材１０４を、図２（Ｂ）に示すように、光を導入させる導光板の第１の端面と対向する第２の端面へ折り返し、続けて面状に光を取り出す主面側の一部に約２ｍｍまで形成することにより、ＬＥＤチップ１０７から発光される光が第２の端面から外部へともれるのをなるべく防ぐことができる。図２のように導光板の形状が第２の端面に厚みがある場合には、厚みが少ない場合よりもＬＥＤチップからの光が外部へともれる割合が大きくなるので、反射材を前記のように形成するとより効果的である。第２の端面に反射材が存在しない場合は、ＬＥＤチップからの光はそのまま発光装置の外部へともれてしまうが、存在すれば光は反射材により反射され面状に光を取り出す主面側へと拡散させることができ、ＬＥＤチップからの光をできるだけもれなく発光面から取り出すことができる。
【００１６】
また反射材１０４を導光板に接着させる際、透光性の高いアクリル系またはシリコン系の接着剤を用いるのがより好ましい。ＬＥＤチップからの光をより多く反射材まで到達させ、また反射した光もより多く発光主面側へと透過させるためである。
さらに反射材として、ＬＥＤチップからの光を反射させるために酸化チタン、チタン酸バリウム、硫酸バリウム、酸化アルミニウム等の拡散反射材を添加した樹脂シートや、フィルムに銀、アルミニウム等の金属を蒸着した鏡面反射シート等を導光板に貼り合わせると、ＬＥＤチップからの光を効率よく取り出すことができる。
【００１７】
また、本発明による導光板を、固定枠等にはめ込んで利用する場合、その固定枠等自体を、ＰＣ、ＡＢＳ、ＰＢＴ等にＬＥＤチップからの光を反射させるために酸化チタン、チタン酸バリウム、硫酸バリウム、酸化アルミニウム等の拡散反射材を添加して成形した樹脂で形成すると、反射材との効果とも加わって、ＬＥＤチップからの光の反射率を格段に向上させることができ、発光装置外部へと効率よく光を取り出すことができる。
【００１８】
以下、本発明の具体的の異なる導光板や面状発光光源を列記するがいずれも上述と同様に拡散材と導光体の界面に組成傾斜を持ち、量産性よく輝度偏差及び発光輝度の優れた面状発光光源とすることができる。
本発明において上述の拡散材の代わりに、非晶性ポリオレフィン樹脂（熱変形温度１６２℃、屈折率１．５１）のパウダーで粒子径の中央値を２μｍに調整したものを拡散材として導光体の樹脂に重量で０．０８％添加させてた以外同様にして形成させた。なお、導光板の形成・冷却条件は、約２４０℃で溶融させながら１００〜５０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で金型に押し込みさせた。金型を５０℃に加熱設定し、金型内に樹脂が全て注入後においても１分の時間をかけて樹脂温度が５０℃になるまで、保持する。一旦、樹脂温度が５０℃に一定となった後に、金型から取り出し導光板を形成した。形成された導光板を用いた面状発光装置は上述面状発光装置の１．１倍の輝度があり、輝度偏差も１．０２倍向上していた。なお、輝度偏差は、それぞれの導光板の対応する９点を取りそのばらつきを見たものである。
【００１９】
本発明において上述の拡散材の代わりに、ポリメチンペンテン樹脂（熱変形温度５０℃、屈折率１．４７）のパウダーで粒子径の中央値を５μｍに調整したものを拡散材として導光体の樹脂に重量で１％添加させてた以外同様にして導光板を形成させた。なお、導光板の形成・冷却条件は、約２４０℃で溶融させながら１００〜５０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で金型に押し込みさせた。金型を８０℃に加熱設定し、金型内に樹脂が全て注入後においても１分の時間をかけて樹脂温度が８０℃になるまで、保持する。一旦、樹脂温度が８０℃に一定となった後、金型温度を室温まで下げた後に、金型から取り出し導光板を形成した。上述と同様優れた発光輝度及び輝度偏差を有していた。
【００２０】
次に、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート樹脂（屈折率１．５０）を熱硬化させたブロックを粉砕分級した。形成された粒子径の中央値が１μｍに調整したものを拡散材として導光体の樹脂に重量で０．１％添加させてた以外同様にして導光板を形成させた。なお、導光板の形成・冷却条件は、約２４０℃で溶融させながら１００〜５０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で金型に押し込みさせた。金型を１６０℃に加熱設定し、金型内に樹脂が全て注入後においても１分の時間をかけて樹脂温度が１６０℃になるまで、保持する。一旦、樹脂温度が１６０℃に一定となった後に、金型から取り出し導光板を形成した。上述と同様優れた発光輝度及び輝度偏差を有していた。
【００２１】
つづいて、導光体の樹脂をポリカーボネート樹脂（熱変形温度１４１℃、屈折率１．５９）にする一方、拡散材の樹脂は非晶性ポリオレフィン樹脂（熱変形温度１６２℃、屈折率１．５１）のパウダーで粒子径の中央値を２μｍに調整したもの用いた。拡散材は導光体の樹脂に重量で０．０８％添加させてある。
なお、導光板の形成・冷却条件は、約２７０℃で溶融させながら１５０〜５０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で金型に押し込みさせた。金型を１２０℃に加熱設定し、金型内に樹脂が全て注入後においても１分の時間をかけて樹脂温度が１２０℃になるまで、保持する。一旦、樹脂温度が１２０℃に一定となった後に、金型から取り出し導光板を形成した。このように形成された導光板は上述と同様に優れた発光輝度及び輝度偏差を有することができる。
【００２２】
次に、導光体の樹脂をアクリル樹脂とする。ポリカーボネート樹脂のパウダーで粒子径の中央値を２μｍに調整したものを拡散材として導光体の樹脂に重量で０．０５％添加させた。導光板形成用の金型には発光面と対向する主面に凹凸を形成させてある。凹凸は、ＬＥＤの発光が均一となるようにＬＥＤの輝度が低下する箇所にその間隔が密となるよう徐々に多く形成させてある。なお、導光板の形成・冷却条件は、約２４０℃で溶融させながら１００〜５０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で金型に押し込みさせた。金型を６０℃に加熱設定し、金型内に樹脂が全て注入後においても１分の時間をかけて樹脂温度が６０℃になるまで、保持する。一旦、樹脂温度が６０℃に一定となった後に、金型から取り出し導光板を形成した。上述と同様優れた発光輝度とできるほかに、最も輝度偏差を高くすることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は、拡散材の界面を組成傾斜した特定の関係とし、比較的簡単な構成で光の偏向を利用して発光輝度及び輝度偏差に優れた導光板及び面状発光光源とすることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は、本発明の一例である面状発光光源の模式的斜視図を示す。（Ｂ）は（Ａ）のＸＸ断面における模式的断面図を示す。
【図２】（Ａ）は、本発明の一例である面状発光光源の模式的斜視図を示す。（Ｂ）は（Ａ）のＹＹ断面における模式的断面図を示す。
【図３】本発明における発光輝度及び輝度偏差向上を説明するための模式的説明図を示す。
【図４】本発明と比較のために示す面状発光光源の模式的斜視図を示す。
【図５】図４のＺＺ断面における模式的断面図を示す。
【符号の説明】
１００・・・面状発光光源
１０１・・・拡散材を構成する樹脂のみから導光体を構成する樹脂のみとの間にあって組成傾斜した部位
１０２・・・透光性樹脂からなる導光体
１０３・・・透光性樹脂からなる拡散材
１０４・・・導光板に設けられた反射板
１０５・・・ＬＥＤを利用した発光体
１０６・・・発光体を導光板に固定する手段
１０７・・・ＬＥＤチップ
１０８・・・ＬＥＤチップからの光によって可視光を発光する蛍光体が含有された樹脂
１０９・・・船底状の導光板底面
１１０・・・導光板
１１１・・・ＬＥＤチップに電流を供給するリード電極
３０２・・・導光体
３０３・・・拡散材
４００・・・面状発光光源
４０１・・・発光体を導光板に固定する手段
４０２・・・導光体
４０３・・・拡散材
４０４・・・反射板
４０６・・・発光体
４０７・・・ＬＥＤチップ
４１０・・・導光板
４１１・・・ＬＥＤチップに電流を供給するリード電極

Claims

透光性の導光体（１０２）中に該導光体と異なる屈折率を有する粒子状の拡散材（１０３）を含有させた導光板であって、
前記導光体（１０２）及び前記拡散材（１０３）は熱変形温度の異なる透光性樹脂であり、且つ前記拡散材の各粒子と前記導光体との界面（１０１）は、前記拡散材を構成する樹脂から前記導光体を構成する樹脂に連続的に組成変化していることを特徴とする導光板。
透光性の導光体（１０２）中に該導光体と異なる屈折率を有する粒子状の拡散材（１０３）を含有させた導光板と、該導光板の端面から光を入射させ導光板の主面から光を放出させる発光体（１０６）とを有する面状発光装置（１００）であって、
前記導光体（１０２）及び前記拡散材（１０３）は共に透光性樹脂であり、且つ前記拡散材の各粒子と前記導光体との界面（１０１）は、前記拡散材を構成する樹脂から前記導光体を構成する樹脂に組成傾斜していることを特徴とする面状発光光源。
透光性の導光体（１０２）中に該導光体と異なる屈折率を有する粒子状の拡散材（１０３）を含有させた矩形状の導光板と、該導光板の主面から光を放出させるために導光板の端面に光学的に接続させた発光ダイオードとを有する面状発光装置であって、
前記導光体（１０２）及び前記拡散材（１０３）は共に透光性樹脂であり、且つ前記拡散材の各粒子と前記導光体との界面（１０１）は、前記拡散材を構成する樹脂から前記導光体を構成する樹脂に組成傾斜していることを特徴とする面状発光光源。
透光性の導光体（１０２）中に該導光体と異なる屈折率を有する粒子状の拡散材（１０３）が含有された導光板の製造方法であって、
導光体材料に前記粒子状の拡散材を添加する工程と、
前記粒子状の拡散材を構成する樹脂の熱変形温度以下であり、且つ前記導光体材料を構成する樹脂の熱変形温度以上の温度で、前記粒子状の拡散材と前記導光体材料とを加熱し、前記拡散材の各粒子と前記導光体材料との界面を溶融する工程と、を有することを特徴とする導光板の製造方法。