JP4327157B2 - バックライトユニット及びこれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶表示装置に係り、特に、色の均一度及び色混合を改善することができるバックライトユニット及びこれを用いた液晶表示装置に関する。
一般に、陰極線管(以下、「CRT」という。)は、テレビ(以下、「TV」という。)をはじめ、計測機器、情報端末機器などのモニタとして用いられてきているが、CRT自体の重さと大きさのために電子製品の小型化、軽量化に効率的に対応し難いという限界があった。
そこで、上記CRTの持つ限界を克服できる代替手段として、電界光学的な効果を用いる液晶表示装置(LCD;Liquid Crystal Display)、ガス放電を用いるプラズマ表示素子(PDP;Plasma Display Panel)及び電界発光効果を用いるEL表示素子(ELD;Electro Luminescence Display)などが注目されており、なかでも、液晶表示装置への研究者が活発に行われている。
小型・軽量・低消費電力などの特長からCRTに取って代わるものとされる液晶表示装置は、最近では、平板表示装置としての役割を十分に果たせるような水準に達し、実際にラップトップ型コンピュータのモニタの他、デスクトップ型コンピュータのモニタ及び大型情報表示装置などに採用されており、今後も液晶表示装置の需要は継続して増加すると予想される。
そして、液晶表示装置の大部分は、光源からの光量を調節して画像を表示する受光性素子で、液晶パネルに光を照射するための別途の光源、すなわち、バックライトを必ず必要とされる。このバックライトは、ランプユニットが設置される位置によってエッジ方式と直下方式とに区分される。
ここで、光源としては、エレクトロルミネセンス(EL;)、発光ダイオード(LED;Light Emitting Diode)、CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)、HCFL(Hot Cathode Fluorescent Lamp)などが使われ、特に、長寿命・低消費電力・薄型の点からCCFLが大画面カラーTFT液晶表示装置に多く採用されている。
このCCFLは、ペニング(penning)効果を利用するために、アルゴン、ネオンなどを添加した水銀ガスを低圧に封入した蛍光放電管を使用している。この管の両端には電極が形成されるが、陰極は、板状に広く形成され、電圧が印加されるとスパッタリング現象の如く放電管内の荷電粒子が板状の陰極と衝突して二次電子を発生させ、これは、周囲元素を励起させプラズマを生成させる。
これら元素は、強い紫外線を放出し、この紫外線が再び蛍光体を励起させ、蛍光体に可視光線を放出させるようにする。
上記のエッジ方式は、光を導く導光板の側面にランプユニットが設置されるもので、ランプユニットは、光を発するランプ、このランプの両端に挿入されてランプを保護するランプホルダー、及びランプの外周面を囲み、一側面が導光板の側面に挟み込まれ、ランプから発される光を導光板側に反射させるランプ反射板を備える。
このように導光板の側面にランプユニットが設置されるエッジ方式は、主としてラップトップ型コンピュータ及びデスクトップ型コンピュータのモニタのように比較的小型の液晶表示装置に適用されるもので、光の均一性が良く、耐久性に優れており、且つ、液晶表示装置の薄型化に有利である。
一方、直下方式は、液晶表示装置の大きさが20インチ以上と大型化するに伴って本格的に開発が始められたもので、拡散板の下部面に複数個のランプを一列に配列させて液晶パネルの全面に光を直接照射する構造となっている。
この直下方式は、エッジ方式に比べて光の利用効率が高いために、高輝度を要求する大画面の液晶表示装置に主として使われる。
しかしながら、直下方式を採択する液晶表示装置は、大型モニタやテレビなどに採用されるもので、ラップトップ型コンピュータに比べて使用時間が長く、ランプの個数も多いため、エッジ方式のものに比べて、ランプが故障したり寿命が尽きたりして点灯しないランプが発生する確率が高い。
また、直下方式では、画面の下面にランプが複数個設置されるため、ランプの寿命及び故障により、例えば1個のランプが点灯されないと、ランプの点灯していない部分が他の部分よりも顕著に暗くなり、ランプが点灯していない部分が画面上に直ちに現れることになる。
このため、直下方式ではランプの入れ替えが頻繁となり、よって、ランプユニットを分解及び組立のし易い構造としなければならない。
上にも述べたように、液晶表示装置は、液晶を用いて画面に透過される光量を調節し、この光を用いて画面の明暗と色を決定するもので、一般の表示装置とは幾つかの異なる特性を示す。
その一般の表示装置とは異なる液晶表示装置の特性とは、例えば、画面を見る角度によって画質が著しく変わる視野角、投射型発光ディスプレイによる透過率、透過された光がカラーフィルタを通過して赤(R)、緑(G)、青(B)の色をどれくらい再現するかに関連する色再現性、画像の明暗を表す輝度、同じ画像が長時間続いた際における画像の残像などである。
近来、液晶表示装置は、携帯用製品のディスプレイの他に、デスクトップPC用モニタ及び家庭用TVなどまでその使用領域が拡大しつつある。液晶表示装置は、軽く、薄く、短く、且つ小さい等の物理的長所を持つが、上述した特性のうち、特に色再現性及び輝度などがCRTに比して劣っている。
既存のノートブックコンピュータのモニタに採用される液晶表示装置は、米国テレビシステム委員会(NTSC;national television system committee)によりカラーテレビの放送方式として採用されたNTSC方式に比べ、40〜50%の水準の色再現性しか持たないが、これでも使用者の要求を充足させることができた。
しかしながら、新しい液晶表示装置の適用分野として注目されているTV分野では、CRT水準またはそれ以上の色再現性を持つ液晶表示装置の開発が望まれている。
通常の多色(マルチカラー)の液晶表示装置は、大きく、液晶パネル、バックライト及びカラーフィルタで構成される。すなわち、3波長蛍光ランプからなるバックライトを光源とし、ここから出射された白色光を、カラーフィルタで赤、緑、青の三色に分離し、これらを再び加法混合して様々な色を表現する。
ここで、白色を表現するためには、青色、緑色、及び赤色のLEDを三色同時に使用しなければならず、適用する上で多くの問題が生じる。特に、青色、緑色、及び赤色のLEDを三色同時に使用する場合には、それぞれのLEDの位置によって異なる色が出射されるが、これらを集めて白色にするのには技術的な限界があり、現実的に適用するのは困難であった。
したがって、白色光を得るためには、1個のLEDから3波長がいずれも一定強度以上に発光することが要求される。
そこで、色再現範囲に優れているノートブックコンピュータに使用するCCFLの長所と、小型で低消耗電力という携帯電話のSMD(Surface Mounting Device)を使用したLEDのバックライトの長所とを組み合わせたバックライトの開発が切実に要求されている。
次に、一般のバックライトユニットの構成について説明する。
図1は、一般のバックライトユニットの構造を示す図である。同図に示すように、バックライトユニットは、蛍光ランプ1、導光板2、拡散物質3、反射板4、拡散板5及びプリズムシート6等で構成される。
まず、蛍光ランプ1では、電圧が印加されると、蛍光ランプ1中の残留電子は陽極に移動しながらアルゴン(Ar)と衝突してアルゴンを励起させ、励起したアルゴンにより陽イオンが増加し、増加した陽イオンが陰極に衝突して2次電子を放出する。
放出された2次電子が管内に流れて放電を始めると、放電による電子の流れが水銀蒸気と衝突し電離して紫外線と可視光を放出し、放出された紫外線は、ランプ内壁に塗布された蛍光体を励起させて可視光を放出し、光を発散する。
また、導光板2は、蛍光ランプ1から発散された光を内部に入射させて上部に面光源として出射するウェーブガイド(Wave-Guide)であり、光透過力に優れたポリメチルメタクリレート(以下、「PMMA」という。;PolyMethyl MethAcrylate)樹脂からなる。
導光板2の光入射効率に関連する要素には、導光板の厚さとランプ径との割合、導光板2と蛍光ランプ1との間の距離、ランプ反射板の形態などがあり、通常、蛍光ランプ1を導光板2の中心から厚さ方向にずれるように配置することによって、光入射効率を増大させている。
LCD用バックライトユニットの導光板2は、印刷方式の導光板、V−cut方式の導光板及び散乱導光板などがある。
拡散物質3は、SiO粒子、PMMA、ソルベント(Solvent)等からなる。ここで、SiO粒子は、光拡散用のもので、多孔質粒子構造を持つ。また、PMMAは、SiO粒子を導光板2の下部面に付着させる機能を担う。
また、拡散物質3は、ドット形態に導光板の下部面に塗布され、導光板2上部での均一な面光源を得るために、ドットの面積が段階的に大きくなる。すなわち、蛍光ランプ1に近いほど単位面積当たりドットの占める面積率が小さく、蛍光ランプ1から遠いほど単位面積当たりドットの占める面積率が大きくなる。
この場合、ドットの形状は様々にすることができ、単位面積当たりドットの面積率が同じであれば、ドットの形状にかかわらず導光板上部において同じ明るさが得られる。
また、反射板4は、導光板2の後方に設置され、蛍光ランプ1から出射された光を導光板2の内部に入射させるように機能する。
また、拡散板5は、ドットパターンが塗布された導光板2の上部に設置され、視野角にかかわらず均一な輝度が得られるようにするもので、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリカーボネート(PC;PolyCarbonate)樹脂からなり、拡散板5の上部には拡散機能を有する粒子コーティング層が形成されている。
プリズムシート6は、拡散板5の上部に透過して反射される光の正面輝度を高めるためのもので、特定角度の光だけを透過させ、残りの角度で入射した光を内部全反射させ、プリズムシート6の下方に戻す。このように戻された光は、導光板2の下部に付着された反射板4から反射される。
上記のように構成されたバックライトユニットは、モールドフレームに固定され、バックライトユニットの上面に配置されたディスプレイユニットは、トップシャーシで保護され、トップシャーシとモールドフレームは、バックライトユニットとディスプレイユニットとをそれぞれ収容した状態で互いに結合される。
以下、添付の図面に基づき、従来の液晶表示装置のバックライトユニットについて説明する。
図2は、従来技術によるバックライトユニットの一例を示す斜視図である。また、図3は、従来技術によるバックライトユニットの他の例を示す平面図であり、図4A及び図4Bはそれぞれ図3の線I−I'と線II−II'に沿って切断した断面図である。
まず、図2に示す従来のバックライトユニットは、光に透明な材料で製造された長方形の光学導波管プレート10を使用したもので、この光学導波管プレート10は、光が抜け出る上部側面の光放出表面11と、光放出表面11の反対側に位置する下部側面12と、4つの側面13〜16からなる。そして、光源用の複数の円筒形穴20(概略図示)は、光放出表面11の方向に延長されるように光学導波管プレート10の下部側面に凹んでおり、R、G、及びBのLEDランプ(図示せず)は、これら穴20の下部にそれぞれ配置されている。穴20は、規則的な格子配列で光学導波管プレート10に均等に分布することが好ましい。
このようにR、G、及びBのLEDランプを用いるバックライトユニットは、色再現率が向上し且つ水銀を使用しないという長所があるが、R、G、及びBの各LEDランプから出るカラーを混合して放出すべく、各穴20には、光放出表面11に対応して上部側面と側部壁面とを備えなければならない。さらに、この上部側面は第1反射層でコーティングされ、下部側面は第2反射層でコーティングされ、上部側面と対向する穴20の縁部は、第3反射層により囲まれていなければならない。また、光学導波管プレート10と各穴20のLEDランプの光とは、各穴20の側部壁面を介しての結合されるように構成される等、その構造が複雑であるという問題があった。
一方、図3乃至図4Bに示すバックライトユニットは、直下方式のもので、中間導光板を使用した構造となっている。
図3乃至図4Bに示すバックライトユニットは、複数個のLEDランプ31が一方向に配列される複数本のランプアレイ部30と、液晶パネルに光を拡散させて伝達するためにランプアレイ部30の上部に配置された光散乱手段34と、LEDランプ31の光をよく混合して色均一度を合わせるべくLEDランプ31と光散乱手段34との間に配置された中間導光板32と、LEDランプ31のそれぞれに対応するように中間導光板32の下部に構成される複数枚の反射板33と、LEDランプ31が固定され、中間導光板32と光散乱手段34とを支持する外ケース40とで構成される。
このように従来の液晶表示装置のバックライトユニットは、LEDランプ31と対応するように、その下部に反射板33を付着した透明な中間導光板32を、LEDランプ31と隣接するように設置して各LEDランプ31から発光されたR、G、及びBの各色がよく混合されるようにしている。
のみならず、LEDランプ31とそれぞれ対応するように中間導光板32の下部に構成される反射板33により、LEDランプ31から発光された強い光が直接液晶パネルに届くのを防止している。
しかしながら、上記のように構成された従来技術による液晶表示装置のバックライトユニットは、熱、振動、衝撃などにより中間導光板32がLEDランプ31の方に垂れて反ってしまい、バックライトユニットの歪みまたはLEDランプ31の破損を招き、結果として色の均一度及び混合率の劣化につながる問題があった。
一方、このような問題を解決するために、中間導光板32とその下部に付着された反射板33を除去すると、LEDランプ31の上部から出る光がそのまま光散乱手段(拡散板)34に届くため、光が混合されず均一度が低下してしまう。
本発明は、上記の問題点を解決するためのもので、中間導光板を省くことによって、熱、振動、衝撃などによるバックライトユニットの歪みやLEDランプの破損を防止し、色の均一度及び混合度を改善することができるバックライトユニット及びこれを用いた液晶表示装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係るバックライトユニットは、複数個のLEDランプが一方向に一定の間隔で配列される複数本のランプアレイ部と、LEDランプの上部表面に形成されて、LEDランプから発光された光を側方に反射させる反射物質と、ランプアレイ部の上部に配置された光散乱手段と、光散乱手段を支持する外ケースとを備えてなることを特徴とする。
また、本発明による液晶表示装置は、一定の間隔で順次配列されてR、G、及びBの各光を発する複数個のLEDランプと、LEDランプの各々の上部表面に形成されて、LEDランプから発される光を側方に反射させる反射物質と、LEDランプの上部に配設され、反射物質により反射された光を拡散させて出射する光散乱手段と、LEDランプを固定するとともに、光散乱手段を支持する外ケースと、光散乱手段の上部に配設され、光散乱手段から入射される光により画像を表示する液晶パネルと、液晶パネルの縁部及び外ケースの側面に配置されて、液晶パネルと外ケースを固定するトップケースとを備えてなることを特徴とする。
本発明を適用したバックライトユニット及びこれを用いた液晶表示装置は、従来の中間導光板を省く代わりに、LEDランプの上部に反射物質を形成したため、熱、振動、衝撃などによるLEDランプの破損またはバックライトユニットの歪みを防止でき、色の均一度及び混合度を改善できる効果が得えられる。
以下、添付の図面に基づき、本発明に係るバックライトユニット及びこれを用いた液晶表示装置について詳しく説明する。
図5は、本発明の実施形態におけるバックライトユニットを示す平面図であり、図6A及び図6Bは、それぞれ図5の線III−III'及び線IV−IV'に沿って切断した断面図である。
本発明は、直下方式のLEDバックライトユニットに関するもので、図5乃至図6Bに示すように、複数個のLEDランプ51が一方向に配列された複数本のランプアレイ部50と、各LEDランプ51の上部表面に形成され、光を側方に反射させる反射物質52と、各LEDランプ51から発された光を拡散させて伝達するためにランプアレイ部50の上部に配置された光散乱手段53と、LEDランプ51を固定するとともに、光散乱手段53を支持する外ケース60とで構成されている。
ランプアレイ部50は、R、G、及びBの各LEDランプ51が順に複数個配置されてなる。
また、光散乱手段53は、LEDランプ51の形状が液晶パネルの表示画面に現れるのを防止し、全体的に均一な明るさ分布を持つ光源を提供するためのもので、光散乱効果を増進させるために、液晶パネルとの間に複数の拡散シート及び拡散プレートなどが配置されてなる。
また、外ケース60の内側の表面には、反射物質(図示せず)を形成し、LEDランプ51の上部に形成された反射物質52が反射した光を光散乱手段53側に反射させている。
また、LEDランプ51の上部に形成された反射物質52は、白色系列の乱反射、鏡反射、金属反射などが可能である様々な物質を使用することができる。
したがって、本発明によるバックライトユニットは、LEDランプ51の上部に反射物質52を形成することによって、LEDランプ51から発される光を、反射物質52で反射して側方に広がるようにし、結果として均一度及び色混合を改善することができる。
図7は、本発明と従来のバックライトユニットにおいてLEDランプから発される光の経路を比較した断面図である。
図7において向かって右側に点線矢印で示したように、従来技術では、LEDランプ100から発された光は上方に進行して光散乱手段200に直接照射されている。一方、図7において向かって左側に点線矢印で示したように、本発明では、LEDランプ100の上部表面に形成された反射物質110により側方へ反射され、その反射された光が光散乱手段200に照射されている。
図8A乃至図8Cは、本発明による液晶表示装置のバックライトユニットに使用された、反射物質が形成されたLEDランプの例を示した図である。
図8A及び図8Bに示すように、LEDランプ51は、光を発するLEDチップ51aと、LEDチップ51aを保護すると同時に、発された光を集光するレンズ51bと、レンズ51bの上部表面に形成されて、LEDチップ51aから発された光を側方に反射させる反射物質52と、LEDチップ51a及びレンズ51bを支持するボディー部51cとを備えてなる。
ここで、レンズ51bは、LEDチップ51aの周囲を囲むように形成され、凹状(凸状)、平面状または‘V’字凹状の形態に形成される。
また、このようなレンズ51bの上部表面には、反射物質52がコーティングされて形成される。
尚、レンズ51bの形状は、上記のものに限定されることなく、様々に形成可能である。
また、図8Cに示すように、レンズ51bの上部に透明または半透明材質54を付着し、この透明または半透明材質54の上部に反射物質52をコーティングして形成することも可能である。この場合にも、レンズ51bの形状は様々に形成可能である。
ここで、LEDランプ51を構成するレンズ51bの上部に一次的に透明または半透明材質のものを付着させる理由は、LEDチップ51aから発された光の色混合をより円滑にするためである。
図9は、図5に示したバックライトユニットが装着された液晶表示装置を示す断面図である。
同図において、液晶表示装置は、一定の間隔で順次配列されて、R、G、及びBの各光を発する複数個のLEDランプ51と、LEDランプ51の上部表面に形成されて、LEDランプ51から発される光を側方に反射させる反射物質52と、LEDランプ51の上部に配設されて、反射物質52から反射された光を拡散させて出射する光散乱手段53と、LEDランプ51が固定されるとともに、光散乱手段53を支持する外ケース60と、光散乱手段53の上部に配設され、光散乱手段53から入射される光により画像を表示する液晶パネル70と、液晶パネル70の縁部及び外ケース60の側面に形成されて、液晶パネル70と外ケース60を固定するトップケース80とを備えてなる。
このように構成された液晶表示装置は、液晶パネル70に画像を表現する際に、LEDランプ51を点灯する。このときに、複数個のLEDランプ51に全部または選択的に電圧が印加され、LEDランプ51のそれぞれが赤色、緑色、及び青色の光を発光するが、これらLEDランプ51から発された光は、LEDランプ51の上部表面に形成された反射物質52により直線に出射されずに側方に反射される。
このようにLEDランプ51の上部表面に形成された反射物質52により側方に反射された光は、光散乱手段53とLEDランプ51との間の空間で色混合されて白色光とされ、続いて光散乱手段53で拡散されて液晶パネル70の背面に照射されることによって、液晶パネル70に所望の画像が表示される。
以上では具体的な実施形態を挙げて本発明を説明してきたが、本発明は、これら具体例に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で様々な変更及び修正が可能であることは、当該技術分野で通常の知識を持つ者にとっては明らかである。
一般のバックライトユニットを示す構造図である。 従来技術によるバックライトユニットの一例を示す斜視図である。 従来技術によるバックライトユニットの他の例を示す平面図である。 図3の線I−I'に沿って切断した断面図である。 図3の線II−II'に沿って切断した断面図である。 本発明の実施形態によるバックライトユニットの平面図である。 図5の線III−III'に沿って切断した断面図である。 図5の線IV−IV'に沿って切断した断面図である。 本発明と従来のバックライトユニットにおいてLEDランプから発された光の経路を比較した断面図である。 本発明を適用したLEDランプの種々の実施形態を示す図である。 本発明を適用したLEDランプの種々の実施形態を示す図である。 本発明を適用したLEDランプの種々の実施形態を示す図である。 図5に示したバックライトユニットが装着された液晶表示装置の断面図である。
符号の説明
50 ランプアレイ部
51 LEDランプ
52 反射物質
53 光散乱手段
60 外ケース

Claims (3)

  1. 光を発するLEDチップと前記LEDチップを保護すると同時に発光される光を集光するレンズと前記LEDチップ及びレンズを支持するボディー部とを備えてなる複数個のLEDランプと、
    前記複数個のLEDランプが一方向に一定の間隔でR、G、及びBのLEDランプが順に複数配列された複数本のランプアレイ部と、
    前記集光するレンズの上部表面に付着させた透明または半透明物質と、
    前記透明または半透明物質の上部表面にコーティングされて形成され、前記LEDランプから発光された光を側方に反射させる第1反射物質と、
    前記ランプアレイ部の上部に複数枚の拡散シート及び拡散プレートからなって前記LEDランプの形状が液晶パネルの表示画面に現れるのを防止し、全体的に均一な明るさ分布を持つ光源を提供するための光散乱手段と、
    前記光散乱手段を支持する外ケースと、
    前記外ケースの内側の表面に前記LEDランプの上部表面に形成された第1反射物質が反射した光を光散乱手段側に反射させる第2反射物質と、
    を備えてなることを特徴とするバックライトユニット。
  2. 前記第1反射物質は、白色系列の乱反射、鏡反射、及び金属反射などが可能である物質からなることを特徴とする請求項1に記載のバックライトユニット。
  3. 光を発するLEDチップと前記LEDチップを保護すると同時に発光される光を集光するレンズと前記LEDチップ及びレンズを支持するボディー部とを備えてなる複数個のLEDランプと、
    前記複数個のLEDランプが一方向に一定の間隔でR、G、及びBのLEDランプが順に複数配列された複数本のランプアレイ部と、
    前記集光するレンズの上部表面に付着させた透明または半透明物質と、
    前記透明または半透明物質の上部表面にコーティングされて形成され、前記LEDランプから発光された光を側方に反射させる第1反射物質と、
    前記ランプアレイ部の上部に複数枚の拡散シート及び拡散プレートからなって前記LEDランプの形状が液晶パネルの表示画面に現れるのを防止し、全体的に均一な明るさ分布を持つ光源を提供するための光散乱手段と、
    前記光散乱手段を支持する外ケースと、
    前記外ケースの内側の表面に前記LEDランプの上部表面に形成された第1反射物質が反射した光を光散乱手段側に反射させる第2反射物質と
    前記光散乱手段の上部に配設され、前記光散乱手段から入射される光により画像を表示する液晶パネルと、
    前記液晶パネルの縁部及び前記外ケースの側面に配置されて、前記液晶パネルと外ケースを固定するトップケースと、
    を備えてなることを特徴とする液晶表示装置。
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