JP4411732B2

JP4411732B2 - 面状発光装置

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Publication number: JP4411732B2
Application number: JP2000057221A
Authority: JP
Inventors: 栄二中西
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JP2001250410A

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面状発光装置に係り、特に、高輝度且つ色調差および輝度ムラの小さい面発光が可能な面状発光装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、液晶バックライトなどの光源に、点光源として認識される発光ダイオード（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。このような面状発光装置の一例として図４に模式的斜視図を図５にその断面図を示す。図のように面状発光装置には、透光性の導光板４０９と、導光板４０９の一端面に設けられ導光板端面から光を入射させるＬＥＤ光源４０５が設けられている。また、導光板４０９の面状発光が観測される主面及びＬＥＤ光源４０５が接続される端面を除いて反射板４０４が設けられており、ＬＥＤ光源４０５からの出射光を反射させて主面側に放出させている。
【０００３】
この様な面状発光装置では、発光面の輝度及び色調が均一であることが望まれている。ところが、光源としてＬＥＤを導光板の端面に配置させた場合、ＬＥＤはマクロ的には点光源として認識されるためＬＥＤ近傍とその周辺では極めて光度差が大きくなる。このため、図５に示すように導光板４０９の背面にパターン状の光拡散部４０３を設けたり、或いは透光性材料などの拡散剤を導光板中に含有させたりすることで、ＬＥＤ光源からの光を導光板内で拡散・反射させて発光面全体から高輝度に均一発光させ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、面状発光装置の発光面積をより大きくしたり、より高輝度に面発光させるためには、光源であるＬＥＤからの発光輝度を更に向上せざるを得ない。しかし、ＬＥＤからの光はある一定の指向角を持った放射状に発光する指向特性を持つ。そのため発光観測面から見た導光板主面の１辺に配置させると、ＬＥＤ近傍での発光強度が強くＬＥＤから離れるに従って発光強度が弱い箇所が存在する。特に、ＬＥＤ光源間や発光観測面から見た導光板の隅部は暗くなる傾向が強い。従来のような導光板背面に備えられた光拡散部の拡散パターンなどによってある程度均一光とさせることができるが、発光強度が数千ｍｃｄまで向上した高輝度ＬＥＤをフルに発光させた場合では、ＬＥＤチップ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近傍の周辺では極めて強い発光の強度分布が生ずる。したがって、導光板背面の拡散パターンだけでは十分発光面の輝度を均一化できない。また前記拡散パターンと同様、導光板に拡散材を含有させることによって輝度ムラをある程度解決することができるものの、高輝度ＬＥＤを光源に用いた場合では、やはり十分満足できるような均一な発光面は得られず、いずれの方法も光源の輝度向上の利点を生かしきれないという問題を有する。
【０００５】
また、導光板に拡散材を含有させた場合、導光板の発光面において光源側と光源から離れた端部で出射光に色調の差が発生するという問題がある。ＬＥＤ光源の光は、拡散材により短波長側の光が吸収されるため、光源から離れるに従い発光面の色調が黄色っぽくなってしまうのである。
【０００６】
すなわち、本発明の面状発光装置は、透光性の導光体からなる導光板と、前記導光板の主面から光を放出させるために前記導光板の端面に光学的に接続させたＬＥＤと、前記導光板の背面に配された光拡散部および反射部とを備える面状発光装置であって、前記導光板は、該導光体と異なる屈折率を有し平均粒径３〜２０μｍの透光性粒子からなる拡散材が含有されており、
前記光拡散部のパターンは、前記導光板に前記拡散材を含有しないときの前記主面の輝度分布が、前記端面から離れるにしたがい高くなり、最も低い部分の輝度が最も高い部分の輝度の３０〜９０％となるように形成されていることを特徴とする。また、前記透光性粒子は、ベンゾグアナミン系樹脂からなり、前記導光板中に０．０１〜０．２重量％含有されていることが好ましい。このように構成することにより、本発明の面状発光装置は、光源である発光ダイオードからの光が、導光板の背面に配された光拡散部により導光板内に拡散され、更に導光板内に含有された拡散材によりＬＥＤ周辺の暗部まで光を導くことができるので輝度ムラのない均一な発光面を得られる。また、拡散材としてベンゾグアナミン系樹脂又はポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴという）を用いることで、光拡散効果を高め更に輝度ムラを小さくすることができるだけでなく、平均粒径を３〜２０μｍに特定することで、発光面の色調差も小さくできる。
【０００７】
【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、背面に光拡散部が形成された導光板中に拡散材を含有させ、さらに該拡散材の材料及び粒径を特定することで課題を解決できることを見いだし本発明をなすに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の面状発光装置は、透光性の導光体中に該導光体と異なる屈折率を有する拡散材を含有させた導光板と、該導光板の主面から光を放出させるために導光板の少なくとも一端面に光学的に接続させたＬＥＤと、導光板の背面に配された光拡散部および反射部とを備える面状発光装置であって、
前記拡散材はベンゾグアナミン系樹脂及び／またはポリエチレンテレフタレートからなる平均粒径３〜２０μｍの透光性粒子であり、且つ該拡散材が導光板中に０．００１〜０．４重量％含有されていることを特徴とする。
このように構成することにより、本発明の面状発光装置は、光源である発光ダイオードからの光が、導光板の背面に配された光拡散部により導光板内に拡散され、更に導光板内に含有された拡散材によりＬＥＤ周辺の暗部まで光を導くことができるので輝度ムラのない均一な発光面を得られる。
また、拡散材としてベンゾグアナミン系樹脂又はポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴという）を用いることで、光拡散効果を高め更に輝度ムラを小さくすることができるだけでなく、平均粒径を３〜２０μｍに特定することで、発光面の色調差も小さくできる。
【０００９】
また、拡散材の粒度分布は、前記平均粒径値マイナス０．１μｍ〜前記平均粒径値プラス０．１μｍであることが好ましい。これにより、拡散材による短波長側の光の吸収をさらに低減させることができ、発光面の色調差を極めて小さくすることが可能となる。
【００１０】
また、前記発光ダイオードは、複数のＬＥＤチップを有し、前記発光ダイオード近傍において、前記光拡散部のパターンは前記ＬＥＤチップ間が前記ＬＥＤチップの前面より密であることが好ましい。ＬＥＤとして、少なくとも発光層が窒化物半導体である発光素子からの可視光と、該可視光により励起され蛍光を発するセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体からの光との混色光を発光するＬＥＤを用いた場合でも輝度ムラ及び色調差の小さい均一発光可能な面状発光装置とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る面状発光装置を図１及び図２を用いて詳述する。図１は本実施の形態に係る面状発光装置の模式的斜視図であり、図２は図１のＸＸ断面図である。図のように本実施の形態の面状発光装置には、透光性の導光板１０９と、導光板１０９の一端面に設けられ導光板端面から光を入射させるＬＥＤ光源１０５が設けられており、前記導光板１０９は、透光性の導光体１０１と該導光体中に均一に混合された拡散材１０２とからなる。また導光板１０９の背面には、ＬＥＤ光源１０５からの光を導光板内に拡散させるための光拡散部１０３が設けられ、導光板１０９の面状発光が観測される主面及びＬＥＤ光源１０５が接続される端面を除いて反射板１０４が設けられている。
【００１２】
ここで、特に本実施の形態の面状発光装置においては、前記拡散材１０２として、ベンゾグアナミン系樹脂及び／またはＰＥＴからなる平均粒径３〜２０μｍの透光性微粒子を用いる。好ましくは、ベンゾグアナミン系樹脂であるベンゾグアナミン・メラミン・ホルマリン樹脂、ベンゾグアナミン・ホルマリン樹脂を用いる。これらの材料を拡散材として使用することで光拡散効果を高め、発光面内の輝度ムラを小さくすることができる。
また、導光板中における拡散材の含有量は、０．００１〜０．４重量％であり、好ましくは０．０１〜０．２重量％である。これは、拡散材の含有量が０．００１重量％未満では、充分な光拡散効果が得られず、０．４重量％より多いと光源周辺での輝点が目立ち、光源からの距離による輝度差が大きくなるため、均一な面発光が得られないからである。
【００１３】
前記拡散材の平均粒径は３〜２０μｍであり、好ましくは５〜１５μｍである。なぜならば、平均粒径が３μｍよりも小さいと可視光領域での短波長側の光吸収により、光源から離れるに従い発光面の色調が黄色っぽくなってしまうという色調差の問題が生じるからである。平均粒径を上記範囲に限定することで、発光面内の色調差をｘ、ｙともに０．０３以内に抑えることができる。逆に、平均粒径が２０μｍよりも大きいと光拡散効果が低下するため、それに伴い添加量を増やす必要があるが、添加量が多くなると上述したような問題が生じる。更に、拡散材粒子が大きすぎると発光面側から輝点として観測され不良品となる。
更に、前記拡散材において、粒径１μｍ以下の大きさのものを拡散材全体の１０％以内にすることが好ましい。なぜならば、上述したような短波長側の光吸収は、粒径１μｍ以下の大きさのものが影響している。従って、このような範囲に限定することで、拡散材による短波長側の光の吸収をさらに低減でき、発光面内の色調差をｘ、ｙともに０．０１以内に抑えることができる。また、ここで拡散材に１μｍ以下の微粒子が含有されていない場合、発光面内の色調差をｘ、ｙともに０．００５以内と極めて小さくすることが可能となる。
【００１４】
拡散材の粒度分布はシャープである方が好ましい。なぜなら、粒度分布がシャープである方が、輝度が高く、色調差も小さくなる。また、拡散材の形状は特に限定せず、導光板内に分散可能であれば、球状、フィラー形状など種々の形状を選択することができるが、好ましくは真球状のものを用いる。ここで、拡散材として不定形のものを使用する場合、先端部又は薄い部分などが１μｍ以下であれば、前記で述べたように短波長側の光吸収の影響を受けるため注意が必要である。
【００１５】
本発明で用いる導光体１０１の材料としては、透光性樹脂や硝子など種々のものが挙げられ、前記拡散材と屈折率に差があるものであれば使用可能である。導光体と拡散材との屈折率差は色調には関係しないが、あまり小さいと効果が出なかったり、効果を出すために添加量が極端に多くなったりするので、０．０１以上あることが好ましい。好ましくは、導光体材料としてアクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂を用いる。導光体の材料としてアクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂を用い、拡散材の材料としてベンゾグアナミン系樹脂及び／またはＰＥＴを用いて導光板１０９を形成することで、更に輝度が向上し、また輝度ムラや色調差を低減することが可能となる。
【００１６】
前記導光板１１０は光利用効率を向上させるために、光源と接続される端面及び発光面を除き、チタン酸バリウムや酸化アルミニウムなどを含有する樹脂やアルミニウムなど金属から構成することができる反射材で被覆することが好ましい。また反射部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光源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面側へと透過させるためである。
また、前記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光源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。
【００１７】
さらに本発明において、前記導光板１０９の背面には、ＬＥＤ光源１０５からの光を導光板内に均一に拡散するための光拡散部１０３が形成される。発光強度が数千ｍｃｄの高輝度ＬＥＤを光源として使用した場合、ＬＥＤ近傍の周辺では極めて強い発光の強度分布が生じてしまい、導光板に拡散材を含有させるだけでは、発光面の輝度を均一にすることは困難である。ところが、導光板の背面に光拡散部を形成すると、導光板の背面に配された光拡散部により導光板内に拡散され、更に導光板内に含有された拡散材によりＬＥＤ周辺の暗部まで光を導くことができるので輝度ムラのない均一な発光面が得られる。また、発光面側への出光も多くなるため、輝度を向上させることができる。前記光拡散部を形成するのは、導光板の背面に微細な凹凸を施す方法、導光板の背面に白色物質を印刷塗布する方法など、一般的な方法を用いることができる。
ここで、図１の面状発光装置に配された光拡散部の拡散パターンを図３に示す。導光板の発光面と対面する背面に、光拡散部として凹凸を形成させてある。図３に示すように、ＬＥＤ光源１０５近傍において、ＬＥＤチップ１０７前面の輝度の高いところはその間隔が疎として、ＬＥＤチップ１０７の間などの輝度の低いところはその間隔が密となるような拡散パターン（凸部）を形成させることが好ましい。このような拡散パターンを形成すれば、ＬＥＤ光源近傍における輝度ムラをさらに改善することが可能となる。
また、前記光拡散部１０３は、導光板に拡散材を含有しない時の発光面の輝度分布が、ＬＥＤ光源が配置された導光板端面から離れるにしたがい高くなり、最も低い部分の輝度が最も高い部分の輝度の３０〜９０％となるように形成することが好ましい。このような光拡散部を形成すれば、拡散材の添加量を調整するだけで均一な発光面が得られるので、製造工程上非常に有利である。
【００１８】
本発明において光源として用いられるＬＥＤは、導光板１０９の端面と光学的に接続可能なものであり導光板に光を照射させ得るものであれば種々のものを利用することができる。本実施の形態では、発光層に窒化物半導体（Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｘ＋ｙ≦１）を用いた青色が発光可能なＬＥＤチップ１０７、及びこれによって励起され黄色が発光可能なセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を含有する樹脂１０８とを有するＬＥＤ光源１０５を配置させてある。このＬＥＤ光源１０５は、ＬＥＤチップからの単色性ピーク波長と蛍光体からのブロードな発光との混合色が観測される。このため、前述したように、粒径１μｍ以下の拡散材による光吸収の影響を受けやすい。即ち、このような白色ＬＥＤを光源として使用した場合、粒径１μｍ以下の拡散材によりＬＥＤチップからの青色発光成分が吸収されるため、光源から離れるに従い発光面の色調が黄色味を帯び、目的とする本来の白色から色調がずれていってしまう。しかしながら、本発明においては、前記拡散材の粒径を限定するため、拡散材による短波長側の光吸収の影響による色調差を抑えることができる。
またＬＥＤ光源１０５は、２種以上のＬＥＤチップを備えていてもよい。例えば、ＬＥＤチップをＲＧＢ（赤・緑・青）として全て発光させ混色することにより白色発光可能なＬＥＤ光源とすることもできる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明に係る実施例の面状発光装置について説明する。
［実施例１］
実施例１は、図１〜図３の実施の形態と同様の構成を持った面状発光装置の例である。
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、拡散材としてベンゾグアナミン・メラミン・ホルマリン樹脂からなる球状パウダー（日本触媒(株)製エポスターＧＰ−Ｈ１００、熱変形温度：３１０℃、屈折率：１．５２、平均粒径：１０μｍ、粒度分布：±０．１μｍ）０．０１５重量％を撹拌・混合した後、ホッパに投入し、成形温度を２４０℃に設定してアクリル樹脂を溶融させながら５００Ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で射出成型する。金型は６０℃に加熱設定し、厚さ２ｍｍ、縦横８５ｍｍ×３０ｍｍの板状導光板を成形した。
【００２０】
この時、導光板形成用の金型には発光面と対向する背面に光拡散部として凹凸を形成させてある。凹凸は、ＬＥＤ光源近傍においては、輝度の高いところはその間隔が疎として、輝度の低いところはその間隔が密となるように形成させた。また、導光板全体においては、導光板に拡散材を含有しない時の発光面の輝度分布が、ＬＥＤ光源が配置された端面から離れるに従い輝度が高くなり、最も低い部分の輝度が最も高い部分の輝度の７０％程度となるように凹凸を形成させた。
【００２１】
形成された導光板に反射材としてアルミニウム板を張り付けた。アルミニウム板は、発光面およびＬＥＤ光源が光学的に接続される端面を除いて張り付けた。また、アルミニウム板の設けられていない導光板の端面に、青色が発光可能な窒化物半導体からなるＬＥＤチップ、およびＬＥＤチップからの青色光によって励起され黄色光を放出するセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を含有する樹脂とを有するＬＥＤ光源を配置させた。このようにして、本発明の面状発光装置を形成した。
【００２２】
［実施例２］
ベンゾグアナミン・ホルマリン樹脂からなる球状パウダー（日本触媒(株)製エポスターＬ１５、熱変形温度：３００℃、屈折率：１．５７、平均粒径：１５μｍ、粒度分布：８〜３０μｍ）を拡散材として０．０１重量％添加した以外は、実施例１と同様にして面状発光装置を形成した。
【００２３】
［実施例３］
ＰＥＴ樹脂（熱変形温度７０℃、屈折率：１．６４）を粉砕して得られた不定形の粒子（平均粒径１０μｍ）を拡散材として０．０２重量％添加した以外、実施例１と同様にして面状発光装置を形成した。
【００２４】
［実施例４］
アクリル樹脂の代わりにポリカーボネート樹脂（熱変形温度：１４５℃、屈折率：１．５８）を導光体として使用した以外、実施例１と同様にして面状発光装置を得た。
【００２５】
［実施例５］
ベンゾグアナミン・メラミン・ホルマリン樹脂からなる球状パウダー（日本触媒(株)製エポスターＭ３０、熱変形温度：３００℃、屈折率：１．５７、平均粒径：３μｍ、粒度分布：０．５〜８μｍ）を拡散材として０．００６重量％添加した以外は、実施例１と同様にして面状発光装置を形成した。
【００２６】
［比較例１］
比較例１は、図４、図５と同様の構成を持った面状発光装置の例である。導光板に拡散材が含有されていないことと、導光板背面に形成させた凹凸パターンが異なる以外は、実施例１と同様にして面状発光装置を得た。この面状発光装置の凹凸パターンはＬＥＤ近傍においては、輝度の高いところはその間隔が疎として、輝度の低いところはその間隔が密となるように形成させてあり、また導光板全体においても、均一な面発光が得られるように凹凸を形成させてある。
【００２７】
＜特性の評価＞
実施例１〜５および比較例１で得られた面状発光装置について、その特性を調べ表１に示した。ここで、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り、輝度はその９点の平均値を比較例１で得られた面状発光装置の輝度を１００％とした時の相対値で示した。なお、色調差は、それぞれの導光板の対応する９点の測定値における最大値と最小値の差を表したものである。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１の結果からもわかるように、本実施例１〜５で得られた面状発光装置は、拡散材を含有せず背面の拡散パターンのみを有する導光板を用いて形成した面状発光装置（比較例１）と比べて、拡散効果が高いため輝度偏差が向上し、また発光面側への出力も多くなるため輝度も向上している。更に、色調差についてもｘ、ｙともに０．０１以内に抑えることができた。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高輝度で、且つ輝度ムラや色調差が極めて小さい均一な面発光が可能な面状発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る面状発光装置の模式的斜視図。
【図２】図１のＸＸ断面における模式的断面図。
【図３】図１の面状発光装置の光拡散部の拡散パターンを示す模式図。
【図４】従来の面状発光装置の模式的斜視図。
【図５】図４のＹＹ断面における模式的断面図。
【符号の説明】
１００・・・面状発光光源
１０１・・・透光性樹脂からなる導光体
１０２・・・透光性樹脂からなる拡散材
１０３・・・光拡散部
１０４・・・導光板に設けられた反射板
１０５・・・ＬＥＤ光源
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蛍光を発する蛍光体が含有された樹脂
１０９・・・導光板
１１０・・・ＬＥＤチップに電流を供給するリード電極
４００・・・面状発光光源
４０３・・・光拡散部
４０４・・・導光板に設けられた反射板
４０５・・・ＬＥＤ光源
４０６・・・発光体を導光板に固定する手段
４０７・・・ＬＥＤチップ
４０８・・・ＬＥＤチップからの光によって蛍光を発する蛍光体が含有された樹脂
４０９・・・導光板
４１０・・・ＬＥＤチップに電流を供給するリード電極

Claims

透光性の導光体からなる導光板と、前記導光板の主面から光を放出させるために前記導光板の端面に光学的に接続させた発光ダイオードと、前記導光板の背面に配れた光拡散部および反射部とを備える面状発光装置であって、
前記導光板は、該導光体と異なる屈折率を有し平均粒径３〜２０μｍの透光性粒子からなる拡散材が含有されており、
前記光拡散部のパターンは、前記導光板に前記拡散材を含有しないときの前記主面の輝度分布が、前記端面から離れるにしたがい高くなり、最も低い部分の輝度が最も高い部分の輝度の３０〜９０％となるように形成されていることを特徴とする面状発光装置。
前記透光性粒子は、ベンゾグアナミン系樹脂からなり、前記導光板中に０．０１〜０．２重量％含有されていることを特徴とする請求項１に記載の面状発光装置。
前記拡散材の粒度分布は、前記平均粒径値マイナス０．１μｍ〜前記平均粒径値プラス０．１μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の面状発光装置。
前記発光ダイオードは、複数のＬＥＤチップを有し、
前記発光ダイオード近傍において、前記光拡散部のパターンは前記LEDチップ間が前記ＬＥＤチップの前面より密であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面状発光装置。