JP4604697B2

JP4604697B2 - 面発光装置及び面発光装置用導光板

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Publication number: JP4604697B2
Application number: JP2004360829A
Authority: JP
Inventors: 正和小谷; 勇作阿地; 達也柳本
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2024-12-14
Also published as: JP2006172785A

Description

本発明は、光源からの光を発光面全体に広げて出力するための面発光装置及び面発光装置用導光板に関する。

近年、液晶ディスプレイのバックライトや非常灯等の面状に発光する光源として、点光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等の光を導光板や反射性の筐体等により面状に広げたものが利用されている。より具体的には、ＬＥＤチップをリードフレームに配置し、モールド樹脂によって封止した砲弾型やＳＭＤ型（表面実装型）発光ダイオードからの光を導光板の端面から導入し、端面と垂直な方向の主面から面状に発光させる面発光装置が多く用いられている。この面発光装置は、対向する主面を有する導光板の一端面から複数の発光ダイオードからの光を入射して、その導光板の一方の主面全体から光を出射させるように構成される。

このような面発光装置の一例を、図１の平面図及び図２の断面図に示す。これらの図に示す面発光装置は、液晶ディスプレイのバックライトの光源としてＬＥＤ１を使用している。ＬＥＤ１からの光を導光板２である板状透過性部材に導入するために、ＬＥＤ１を板状透過性部材の端面と光学的に接続させる。また、ＬＥＤ１が接続される端面及び光取り出し面を除いて、導光板２及び実装基板３上に配置されたＬＥＤ１ごと、アルミニウムや銀、白色顔料等が添加された樹脂からなる反射板となる筐体４で覆い、面発光装置を構成する。特に、青色ＬＥＤチップと、青色ＬＥＤチップから放出された青色光を吸収して黄色に変換する蛍光体等とを組み合わせて、白色系等の混色光が発光可能なＬＥＤ１を光源として利用することにより、種々の発光色が発光可能な面発光装置として利用することができる。このような面発光装置は、携帯電話の液晶バックライト等として急速に普及している。また、青色ＬＥＤチップと緑色ＬＥＤチップ及び赤色ＬＥＤチップを利用して、補色となる白色光を含むフルカラー表現をさせることもできる。

このようなバックライトで光量を大きくするためは、ＬＥＤを複数配置することが行われる。一方で、バックライト光源の小型・薄型化や低消費電力化が求められており、ＬＥＤの高出力化、高輝度化に伴いＬＥＤの使用個数を少なくする傾向にある。ＬＥＤを一個使用する構成においては、発光を均一にするためにＬＥＤを導光板の隅部に配置する構成が採用される場合がある。しかしながら、ＬＥＤからの光は有効利用を考えるとその構造上指向性が比較的強い。そのため、近年のＬＥＤの高出力化及びより厳格な均一性を求められる現在においては、ＬＥＤを単に隅部に配置するのみでは十分ではなく、さらなる導光板の全面でのより均一な発光が求められている。
特開平１０−２２３０２１号公報

また一方で、導光板の厚さ方向において、図２に示すように光源１と光学的に接続する導光板２の端面は、光源１とほぼ等しい厚みに形成して光源１との接合面２Ａを大きくし、入光部分を広くとる一方で、導光板２全体の厚みは、上面の発光部に液晶パネルを載置する必要があり、またモジュールの薄型化の要求のために薄くする必要が考えられる。その結果、図２の断面図に示すように導光板２の端面から中央に向かって下り勾配となる傾斜面２Ｂが形成する。しかしながら、光源１から導光板２に向かって出射される光の内、傾斜面２Ｂに照射される成分は、光源１側に近付く程入射角度が急峻となるため、導光板２を通過してしまう成分が多くなる。導光板２の端面近傍から漏れた光は照明光として機能できず、無効成分となってしまう。このため傾斜面２Ｂによって導光板２から漏れて有効利用できない成分が多くなり、光の取り出し効率が悪くなるということが考えられる。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものである。本発明の第１の目的は、光源を少ない個数で使用する場合でも導光板の輝度ムラを低減して均一な発光を得られる面発光装置及び面発光装置用導光板を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、光源と導光板の界面近傍における漏れ光を低減し、光の取り出し効率を改善した面発光装置及び面発光装置用導光板を提供することにある。

以上の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る面発光装置は、内部に空間を形成した筐体と、筐体内に配置されて、互いに対向する第１の主面と第２の主面とを備えており、少なくとも一方の主面を発光面とし、発光面が略矩形状であって透過性を備える導光板と、導光板の主面におけるいずれかの隅部であって、かつ導光板の主面と略直交する端面に対向するように配置された一の光源とを備える。この面発光装置では、導光板の光源を配置する隅部を面取り状にカットした光源配置面とし、導光板の発光面の内、所定の領域を発光領域とし、該発光領域に向かう発光成分を多くするように、導光板の光源配置面を挟む２辺の少なくとも一方を、傾斜角度が光源配置面から離れるに従って大きくなるように形成された曲面に形成されており、前記導光板の断面において、前記光源を配置する導光板の光源配置面での厚さよりも、導光板の全体の厚さを薄く形成すると共に、該端面から水平方向に伸びる水平面を形成し、該水平面の端縁から、該端面よりも薄く形成した導光板の厚さ部分まで連続する傾斜面を形成してなり、前記水平面が、導光板の発光面における光源配置面から傾斜面までの幅を、発光領域に距離が近い程幅広となるように形成されている。この構成によって、曲面の傾斜が光源配置面から離れるに従って大きくなるため、発光面の中心側に向かって反射される成分が多くなり、その結果発光面の周辺における輝度不足を補う効果が得られる。また面発光装置に載置する液晶パネル等の対象物を、発光領域の部分に合わせることで、光源から出射されて側面で反射された光が発光領域に向かう成分を多くして輝度を向上させることができ、少ない光源でも効率よく発光させることができる。

また、導光板の発光面では光源配置面から水平面と、水平面から発光面に連続した傾斜面とが形成されるので、光源配置面近傍での光源からの漏れ光を低減できる。

さらに、光源配置面から発光領域に近い側では幅広の水平面によって光源配置面近傍での無効成分を少なくし、一方発光領域と遠い側では側面での反射光によって無効成分を少なくできるので、両方の領域での漏れ光を低減して輝度を向上させ発光ムラも抑制できる。

さらにまた、本発明の第２の側面に係る面発光装置は、曲面が、導光板の光源配置面を挟む２辺の両方に形成され、かつ各々の傾斜角度は、側面から発光領域までの距離が近い程急峻に形成されている。この構成によって、側面で反射されて発光領域に向かう光の成分を、側面から発光領域までの距離に応じて調整でき、より発光ムラの少ない面発光装置が得られる。

さらにまた、面発光装置は、光源が発光ダイオードである。この構成によって、指向性の強い発光ダイオードであっても発光領域での発光ムラを抑制して効率よく発光させることができる。

さらにまた、面発光装置は、導光板の発光面と対向する主面を反射面とし、反射面に反射シートを配置している。この構成によって、導光板を進む光が反射面で反射されて発光面から効率よく出射され、発光効率を改善できる。

さらにまた、本発明の第３の側面に係る面発光装置は、互いに対向する第１の主面と第２の主面とを備え、少なくとも一方の主面を発光面とする導光板と、該導光板の端面に光学的に接続された少なくとも１つの光源とを有する。この面発光装置では、光源は、発光面となる発光観測面側から見て導光板の２辺で挟まれる隅部に配置されると共に、２辺の少なくとも一方は光源から離れるに従って連続的に角度が大きくなる部位を有し、前記導光板の断面において、前記光源を配置する導光板の光源配置面での厚さよりも、導光板の全体の厚さを薄く形成すると共に、該端面から水平方向に伸びる水平面を形成し、該水平面の端縁から、該端面よりも薄く形成した導光板の厚さ部分まで連続する傾斜面を形成してなり、前記水平面が、導光板の発光面における光源配置面から傾斜面までの幅を、発光領域に距離が近い程幅広となるように形成されている。この構成によって、連続的な角度変化によって光源の光は発光面の中心側に向かって反射される成分が多くなり、その結果発光面の周辺における輝度不足を補う効果が得られる。

さらにまた、面発光装置は、光源をＳＭＤ型ＬＥＤとできる。この構成によって、指向性の強い発光ダイオードであっても発光領域での発光ムラを抑制して、効率よく発光させることができる。

さらにまた、光源配置面近傍における光源からの漏れ光を低減できる。

本発明の面発光装置及び面発光装置用導光板によれば、光源として少ない発光素子を使用しても発光ムラを抑制し、かつ輝度を向上させて効率よく発光を利用できるので、低消費電力で小型化、薄型化に適し、さらに発光面全体における輝度の均一性及び発光輝度の向上の要求にも応えることができる高性能、高品質な面発光装置及び面発光装置用導光板が実現される。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための面発光装置及び面発光装置用導光板を例示するものであって、本発明は面発光装置及び面発光装置用導光板を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

図３に、本発明の一実施の形態に係る面発光装置を示す。この図において図３（ａ）は面発光装置の平面図、図３（ｂ）は導光板の断面図をそれぞれ示している。この図に示す面発光装置１００は、筐体４０と、筐体４０内部に配置された導光板２０と、導光板２０の隅部に配置された光源１１とを備える。光源１１を実装した基板に導光板２０を光学的に接続した状態で、導光板２０の上面を発光面２１、下面を反射面２２として、光源１１から導光板２０に導入された光を発光面２１から出射する。
（導光板２０）

導光板２０は、第１の主面と第２の主面とを有する略平板状であり、この例では第１の主面を発光面２１、第２の主面を反射面２２としている。導光板２０の隅部には、光源１１を配置するための光源配置面２３を設けることができる。特に光源を１カ所のみに配置する構成では、矩形の導光板のいずれかの端面の中央部分に光源を配置すると、光源の指向性によって光源を配置した端面の隅部に伝達される光が少なくなり、この領域が暗くなる傾向にある。このため一の光源を隅部から対角線上の隅部に指向するように配置することで、更に均一発光に寄与させることができる。特に光源としてＬＥＤのような指向性の強い発光素子を使用する場合は、隅部への配置が好ましい。光源配置面２３は、頂点の部位をカットして面取りされるような形状とすることができる。光源配置面２３に面するように光源１１を対向して配置し、光学的に接合することで光の入射端面となる。なお光源配置面２３は、面取り状にカットした場合のみならず、導光板を部分的にくりぬいた穴や凹部に、ＳＭＤ型ＬＥＤや砲弾型ＬＥＤを配置させることもできる。本明細書においては、このような構成においても、発光素子であるＬＥＤは発光面となる発光観測面側から見て導光板の２辺で挟まれる隅部に配置されていることを意味する。
（発光領域２４）

この導光板２０により、光源１１から入射される光を一方の主面である発光面２１の内で特定の発光領域２４における発光を、効率良くかつ均一な輝度で取り出すことを目的とするものである。発光領域２４は、液晶表示パネルの表示部分等、照明対象の、照明したい領域と合致させる。例えば液晶バックライトに使用される場合、発光面２１の全面が液晶の表示部となるわけでなく、通常はバックライトよりも小さい領域に液晶の表示部が位置する。したがって、照明が不要な部分では光の導入利用効率を高めつつ、必要な部位にのみ効率よく均質な発光が得られるように構成することで、無駄のない均一面発光装置が得られる。このため導光板２０は、液晶バックライト用途等、使用される用途に応じて発光領域２４を指定し、この発光領域２４において均一で高輝度な発光が得られるように設計することができる。
（曲面２５）

導光板２０の側面は、光源配置面２３に接した２面、すなわち主面を構成する略矩形状の内、光源配置面２３と近接する少なくとも一辺を湾曲させた曲面２５とできる。曲面２５は、光源１１から出射され側面で反射される光の反射光が、光源配置面２３から離れるにつれて、発光領域２４に向かう発光成分を多くするように、傾斜角度を調整している。一般に光源１１から出力された光は、導光板２０を伝播されるに従って減少し、光源１１から離れるに従って光量が減少する。このため、光源１１を配置した隅部から遠くなる程輝度が低下する傾向にある。そこで、曲面２５の傾斜角度を、光源配置面２３から離れるに従って大きくなるように形成された曲面状とする。これによって、曲面２５の曲率が光源配置面２３から離れるに従って大きくなるため、発光領域２４側に向かって反射される成分が多くなり、その結果光源配置面２３から離れた位置における輝度不足を補う効果が得られる。このように、曲面２５の傾斜角を光源１１から離れるに従って急峻になるよう形成することで、発光領域２４に向かう光の成分を光源１１から離れる程多くでき、これによって発光ムラを抑制して均一な発光に近付ける効果が得られる。なお、導光板の総体積を少なくするには、発光領域に影響する辺を曲面状とし、それ以外を直線とすることもできる。したがって、少なくとも発光素子であるＬＥＤから離れるに従って連続的に角度が大きくなる部位によって、発光領域における発光ムラを抑制して均一発光に寄与することができる。
（水平面２６）

さらに、図３（ｂ）の断面図に示すように、導光板２０は光源配置面２３における厚さを厚くする一方、導光板２０の全体の厚さを薄く形成している。これらの境界部分、すなわち光源配置面２３近傍の厚さの変化は、光源配置面２３端面から水平方向に伸びる水平面２６を第一の略水平面とし、水平面２６の端縁から、発光領域を構成する第二の略水平面である導光板２０全体の厚さ部分まで連続する傾斜面２７を形成している。これによって、光源配置面２３における光源１１からの漏れ光を抑制し、光利用効率の向上、輝度ムラ低減及び面発光装置全体の小型化に寄与することができる。

導光板２０の厚さは、上面に拡散シートを載置したり、またバックライト等としての薄型化の要求のため、可能な限り薄く形成することが求められている。一方で光源１１からの光を効率よく導光板２０内に取り込むために、端面すなわち光源配置面２３の厚みは、少なくとも光源１１と同等以上の厚さを有する必要がある。この結果、図２の断面図に示すように、光源配置面２３を厚く、それ以外の領域すなわち発光面２１では薄く形成し、これらの間を傾斜面２７としている。しかしながらこの構成では、水平面と比較して傾斜面２７への入射角がきつくなり、光が反射せずに透過して外部に漏れる成分が多くなってしまう。特に光源配置面２３に近付く程、この漏れ光の割合が高くなる。そこで、本実施の形態では図３（ｂ）に示すように、光源配置面２３から水平面２６を形成し、このような入射角が急峻になる問題を緩和して有効利用できる成分を多くしている。すなわち、光源配置面２３より傾斜面２７を形成すると、入射角が大きくなるため臨界角を遙かに下回る成分は導光板２０より出射し、光をロスする結果となるが、上記のように水平面２６を形成することで、臨界角を超えない光を有効に発光面２１へ導くことが可能となり、光の利用効率を向上できる。また光源配置面２３から水平面２６、発光面２１に至る面を階段状の段差面や連続面とすることができる。連続面は界面における光の集中を回避して発光ムラを抑制でき、また製造も容易となる。さらにこれらの境界面を面取りすることもでき、これによって界面における光の集中をさらに緩和できる。また、面自体に散乱性を持たせるために凹凸加工を施すこともできる。

本実施の形態においては発光面２１を導光板２０の主面全体とするのでなく、発光面２１の内の限られた領域を発光領域２４として、この部分での発光品質をより高めることができる。このような能率的な考えに基づいて構成することにより、光源の使用数を少なくしても実用的で高品質な発光を得ることができ、安価かつ簡易な構成で効率よく面発光装置を実現できる。

また水平面は、図３（ａ）のように光源配置面から均一な幅に形成する例に限られず、幅を変化させてもよい。図４に、本発明の他の実施の形態に係る面発光装置２００の平面図を、図５及び図６にこの導光板２０Ｂの断面図を、それぞれ示す。これらの図に示す導光板２０Ｂは、光源配置面２３Ｂから傾斜面２７Ｂに至る水平面２６Ｂの幅を、光源配置面２３Ｂから発光領域２４までの距離が近い程幅広となるように形成されている。このように形成することで、水平面２６Ｂの内発光領域２４に近い程幅広の水平面２６Ｂによって光源配置面２３Ｂ近傍での無効成分を少なくし、一方発光領域２４と遠い側では上述した曲面２５での反射光によって無効成分を少なくできるので、両方の領域での漏れ光を低減して輝度を向上させ発光ムラも抑制できる。

なお上記の例では水平面の幅を直線的に変化させたが、曲面上に変化させることも可能であり、表示領域の形状や位置に応じた最適な形状に水平面の形状も調整できる。加えて、水平面のみならず傾斜面の幅も変化させてもよい。

また、上記の例では曲面を光源配置面に接した一方の側面のみに設けているが、発光輝度をさらに向上させる目的で両方の側面に形成することも可能である。この場合、各々の曲面の傾斜角度は個別に設計できる。好ましくは、曲面から発光領域までの距離が遠い側の傾斜角度を急峻に形成することができる。これによって、曲面で反射されて発光領域に向かう光の成分を、曲面から発光領域までの距離に応じて調整でき、より発光ムラの少ない面発光装置が得られる。

導光板２０は透過性樹脂で構成される。導光板２０は、アクリル板やポリカーボネート等の透明樹脂の板材を必要な形状に加工したり、樹脂材料を射出成形して作製することもできる。また導光板２０は、必要に応じて、反射面２２と発光面２１を略平行から傾斜させることもできる。例えば、入射面の端面となる光源配置面２３から、対向する隅部の端面に向かって発光面２１と反射面２２の間隔が狭くなるように勾配させる。これによって、発光面２１からの取り出される光の成分を多くして取り出し効率を改善できる。さらに、導光板２０の反射面２２側には適宜パターンを形成することができ、ドット状パターンやストライプ状、プリズム状パターン、円柱状、角柱状等の凹凸を形成することで、発光面２１への反射光を増すことができる。またこれらのパターンの形状、大きさ等を位置すなわち光源からの距離に応じて調整することで、発光強度を均一に近付けることもできる。さらに導光板２０の下面すなわち反射面２２には、光を散乱させる凹凸を形成する他、必要に応じて光の反射率を向上させるための反射シートを配置してもよい。また導光板２０を収納する筐体４０自体に反射板の機能を持たせることもできる。この筐体４０は、アルミニウムや銀、白色顔料が添加された樹脂で構成できる。一方導光板２０の上面すなわち発光面２１には、光を法線方向に立ち上げるための拡散シートやプリズムシートを一又は複数配置してもよい。

以上の実施の形態に係る面発光装置では、１つの隅部に１つの光源を使用したが、複数の隅部に光源を配置することも可能であり、例えば対向する隅部や隣接する隅部に各々光源を配置し、面発光装置の輝度をさらに向上させることもできる。同様に、矩形の導光板のみならず多角形の導光板でも、いずれかあるいはすべての隅部にそれぞれ配置させることもできる。また図３の構成では光源配置面２３の右側にのみ曲面を形成したが、表示領域との位置関係や形状等に応じて左側にのみ形成することも可能であるし、また左右の側面に形成することも可能であることはいうまでもない。

以上の構成の導光板は、光源からの出射光の横方向への広がりを、曲面で反射光の反射角度を深くさせて表示領域に集め、また光源配置面近傍での上方向への光の漏れも、水平面によって抑えることができる。特に曲面は光源より距離が遠くなる程反射角を大きくしているため、光源からの光の届き難い先端部にも光の回し込みが可能となる。これによって発光に関与しない部位に傾注せず、発光に関与する発光領域での発光が高輝度、均一となるように構成している。これによって無駄を省き、また必要な部位の発光を高品質とすることで効率の優れた面発光装置を得ることができる。

また光を拡散するために、光源配置面は単一な平面とせず凹凸を形成することもできる。このようにすることで、入射方向をあらかじめ設定することができ、任意の方向に光を屈折させて入射することができる。導光板に形成される凹凸は、凸部、或いは凹部のみでもよく、その形状は三角錐や円錐、或いは三角柱や円柱、若しくは粗面にする等、任意に選択することができる。
（光源１１）

光源１１は、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）等の半導体発光素子が好適に使用できる。本実施の形態ではＬＥＤが使用される。ＬＥＤ素子は、同一面側に正負一対の電極を有し且つ側方端面から発光の一部を発光することが可能であれば特に限定されない。また、蛍光物質を用いる場合は、用いる蛍光物質を励起可能な波長を発光できる発光層を有する半導体発光素子を用いることが好ましい。このような半導体発光素子としてＺｎＳｅやＧａＮ等種々の半導体を挙げることができるが、蛍光物質を効率良く励起できる短波長を発光することが可能な窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合等を有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ず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もできる。

窒化物半導体を使用した場合、半導体用基板にはサファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイア基板や窒化ガリウム基板を用いることが好ましい。このサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法等を用いて窒化物半導体を形成させることができる。サファイア基板上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡＩＮ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接合を有する発光素子例として、バッファ層上に、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、組成比の異なる窒化インジウム・ガリウムを多層で形成した多重量子井戸構造の活性層、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第２のクラッド層、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成等が挙げられる。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等所望の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させる場合は、ｐ型ドーパントであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。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させることが好ましい。電極形成後、半導体ウエハー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形成させることができる。

本発明の面発光装置において、光源として白色ＬＥＤを用いる場合は、紫外線が発光可能なＬＥＤ素子と白色が発光可能な蛍光体や混色により白色光が発光可能な複数の蛍光体、青色が発光可能なＬＥＤ素子と補色となる光を発光する蛍光体、ＲＧＢ（赤、緑、青）やＢＧ（青緑）とＲ（赤）がそれぞれ発光可能なＬＥＤ素子を近接配置されたもの等適宜用いることができる。混色光、特に蛍光体を用いて白色系を発光させる場合は、蛍光物質からの発光波長との補色関係や透光性樹脂の劣化等を考慮してＬＥＤ素子の発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましく、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。ＬＥＤ素子と蛍光物質との励起、発光効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。また、パッケージ上面より下になる封止部として、比較的紫外線により劣化しにくい樹脂や無機物であるガラス等を用いた場合、４００ｎｍより短い紫外線領域或いは可視光の短波長領域を主発光波長とするＬＥＤ素子を用いることもできる。紫外領域の波長を有するＬＥＤ素子を利用する場合は、蛍光物質により変換された発光色のみにより色度が決定されるため、可視光を発光する半導体発光素子を用いた場合に比較して半導体発光素子の波長等のバラツキを吸収することができ量産性を向上させることができる。

ＬＥＤ素子として、４００ｎｍ付近の短波長域を主発光ピークとする紫外線が発光可能なＬＥＤ素子を用いた場合は、ＬＥＤ素子に近接する封止部は、比較的紫外線に強い樹脂やガラス等と紫外線を吸収して可視光を発光することが可能な蛍光物質にて構成することもできる。このような短波長の光により赤、青、及び緑に蛍光可能な蛍光物質、例えば赤色蛍光体としてＹ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ、青色蛍光体としてＳｒ₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ、及び緑色蛍光体として（ＳｒＥｕ）Ｏ・Ａｌ₂Ｏ₃を耐紫外線樹脂等に含有させることにより、白色光を得ることができる。このように短波長発光の発光素子を用いる場合、発光素子の基板側は不透光性とするのが好ましい。上記蛍光物質の他、赤色蛍光体として３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ₂・ＧｅＯ₂：Ｍｎ、Ｍｇ₆Ａｓ₂Ｏ₁₁：Ｍｎ、Ｇｄ₂Ｏ₂：Ｅｕ、ＬａＯ₂Ｓ：Ｅｕ、青色蛍光体としてＲｅ₁₀（ＰＯ₄）₆Ｑ₂：Ｅｕ、Ｒｅ₁₀（ＰＯ₄）₆Ｑ₂：Ｅｕ，Ｍｎ（ただしＲｅはＳｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選択される少なくとも一種、Ｑはハロゲン元素のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選択される少なくとも１種）、ＢａＭｇ₂Ａｌ₁₆Ｏ₂₇：Ｅｕ等を好適に用いることができる。これらの蛍光物質を用いることにより高輝度に発光可能な白色発光ＬＥＤ光源を得ることができる。

異種の蛍光物質を混合して配置させる場合、各種の蛍光物質の中心粒径及び形状は類似していることが好ましい。これによって各種蛍光物質から発光される光が良好に混色され色ムラを抑制することができる。また、各蛍光物質を混合して用いるのではなく、各封止部の層を薄くした薄膜層の積層体として用いてもよい。各種の蛍光物質による封止部の薄膜層として配置させる場合、それぞれの蛍光物質の紫外光透過率を考慮して、赤色蛍光物質層、緑色蛍光物質層、及び青色蛍光物質層と順に積層させることが好ましい。また、前記薄膜層において下部層から上部層にかけて各層中の蛍光物質の粒径が小さくなるように、各種蛍光物質の中心粒径を青色蛍光物質＞緑色蛍光物質＞赤色蛍光物質とすると、最上層まで良好に紫外光を蛍光物質に透過させ可視光に変換することができ紫外線のもれを防止することができる。そのほか、ストライプ状、格子状、またはトライアングル状となるように各色変換層を素子上に配置させることもできる。このように各層の間に間隔を設けて配置させると混色性が良好となり好ましい。
（蛍光物質）

本発明で用いられる蛍光物質の粒径は、中心粒径が６μｍ〜５０μｍの範囲が好ましく、より好ましくは１５μｍ〜３０μｍであり、このような粒径を有する蛍光物質は光の吸収率及び変換効率が高く且つ励起波長の幅が広い。６μｍより小さく蛍光物質は、比較的凝集体を形成しやすく、液状樹脂中において密になって沈降されるため、光の透過効率を減少させてしまう他、光の吸収率及び変換効率が悪く励起波長の幅も狭い。

ここで本発明において、蛍光物質の粒径とは、体積基準粒度分布曲線により得られる値であり、体積基準粒度分布曲線は、レーザ回折・散乱法により蛍光物質の粒度分布を測定し得られるものである。具体的には、気温２５℃、湿度７０％の環境下において、濃度が０．０５％であるヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に蛍光物質を分散させ、レーザ回折式粒度分布測定装置（ＳＡＬＤ−２０００Ａ）により、粒径範囲０．０３μｍ〜７００μｍにて測定し得られたものである。本発明において蛍光物質の中心粒径とは、体積基準粒度分布曲線において積算値が５０％のときの粒径値である。この中心粒径値を有する蛍光物質が頻度高く含有されていることが好ましく、頻度値は２０％〜５０％が好ましい。このように粒径のバラツキが小さい蛍光物質を用いることにより、色ムラが抑制され良好なコントラストを有するＬＥＤ光源が得られる。

本実施の形態で用いられる蛍光物質は、窒化物系半導体を発光層とする半導体発光素子から発光された光を励起させて発光できるセリウムで付活されたガーネット系酸化物蛍光物質をベースとしたものである。具体的な蛍光物質としては、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）やＴｂ₃Ａｌ₃Ｏ₁₂：Ｃｅ、更にはこれらの混合物等が挙げられる。蛍光物質にＢａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎの少なくとも一種が含有されていてもよい。また、Ｓｉを含有させることによって、結晶成長の反応を抑制し蛍光物質の粒子を揃えることができる。Ｃｅで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質は特に広義に解釈するものとし、イットリウムの一部あるいは全体を、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ及びＳｍからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素に置換され、あるいは、アルミニウムの一部あるいは全体をＢａ、Ｔｌ、Ｇａ、Ｉｎの何れが又は両方で置換され蛍光作用を有する蛍光体を含む広い意味に使用する。

更に詳しくは、一般式（Ｙ_zＧｄ_1-z）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ（但し、０＜ｚ≦１）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体や一般式（Ｒｅ_1-aＳｍ_a）₃Ｒｅ’₅Ｏ₁₂：Ｃｅ（但し、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｓｃから選択される少なくとも一種、Ｒｅ’は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも一種である。）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体である。この蛍光物質は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークを４５０ｎｍ付近にさせることができる。また、発光ピークも、５８０ｎｍ付近にあり少なくとも７００ｎｍまですそを引くブロードな発光スペクトルを持つ。

また、このフォトルミネッセンス作用を有する蛍光体は、結晶中にＧｄ（ガドリニウム）を含有することにより、４６０ｎｍ以上の長波長域の励起発光効率を高くすることができる。Ｇｄの含有量の増加により、発光ピーク波長が長波長に移動し全体の発光波長も長波長側にシフトする。すなわち、赤みの強い発光色が必要な場合、Ｇｄの置換量を多くすることで達成できる。一方、Ｇｄが増加すると共に、青色光によるフォトルミネッセンスの発光輝度は低下する傾向にある。さらに、所望に応じてＣｅに加えＴｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｅｕ等を含有させることもできる。しかも、ガーネット構造を持ったガーネット系蛍光体の組成のうち、Ａｌの一部をＧａで置換することで発光波長が短波長側へ、組成のＹの一部をＧｄで置換することで、発光波長が長波長側へシフトすることができる。

Ｙの一部をＧｄで置換する場合、Ｇｄへの置換を１割未満にし、且つＣｅの含有（置換）を０．０３から１．０にすることが好ましい。Ｇｄへの置換が２割未満では緑色成分が大きく赤色成分が少なくなるが、Ｃｅの含有量を増やすことで赤色成分を補え、輝度を低下させることなく所望の色調を得ることができる。このような組成にすると温度特性が良好となり発光ダイオードの信頼性を向上させることができる。また、赤色成分を多く有するように調整されたフォトルミネッセンス蛍光体を使用すると、ピンク等の中間色を発光することが可能なＬＥＤ光源を形成することができる。

このような蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ａｌ、及びＣｅの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化バリウムやフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して焼成品を得、つぎに焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることができる。

本願発明の面発光装置のＬＥＤ光源において、このような蛍光体は、２種類以上のセリウムで付活されたガーネット系蛍光体や他の蛍光体を混合させてもよい。ＹからＧｄへの置換量が異なる２種類のイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を混合することにより、容易に所望とする色調の光を容易に実現することもできる。
（拡散材）

本発明において拡散材は、特に限定されず、チタン酸バリウム、硫酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、軽質炭酸カルシウム、重質炭酸カルシウム等、種々のものを用いることができる。拡散材の粒径値は、中心粒径が１．０μｍ以上５μｍ未満であることが好ましく、より好ましくは１．０μｍ以上２．５μｍ未満であり、粒径値を有する拡散材を用いるとＬＥＤ素子及び蛍光物質からの光を良好に乱反射させ色ムラを抑制することができ好ましい。また、拡散材が破砕形の場合、透過型電子顕微鏡法により測定される長辺長は１．０μｍ以上３．０μｍ未満が好ましい。透光性部材１００重量部に対して拡散材の含有量は、０．５重量部以上５重量部以下が好ましい。これにより、ＬＥＤ素子及び蛍光物質からの光の取り出し効率を低下させることなくＬＥＤ光源の光度及び信頼性を向上させることができる。また、発光スペクトルの半値幅を狭めることができ、色純度の高い発光装置が得られる。透光性部材の屈折率は１．４以上１．６５以下が好ましく、拡散材の屈折率は、透光性部材よりも高いことが好ましい。これにより拡散材により良好に光が反射散乱され優れた混色性を有するＬＥＤ光源が得られる。
（フィラー）

更に、本発明において、封止部中に蛍光物質に加えてフィラーを含有させても良い。具体的な材料は拡散材と同様であるが、拡散材と中心粒径が異なり、本明細書においてフィラーとは中心粒径が５μｍ以上１００μｍ以下のものをいう。このような粒径のフィラーを透光性樹脂中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。また、フィラーは蛍光物質と類似の粒径及び／又は形状を有することが好ましい。ここで本明細書では、類似の粒径とは、各粒子のそれぞれの中心粒径の差が２０％未満の場合をいい、類似の形状とは、各粒径の真円との近似程度を表す円形度（円形度＝粒子の投影面積に等しい真円の周囲長さ／粒子の投影の周囲長さ）の値の差が２０％未満の場合をいう。このようなフィラーを用いることにより、蛍光物質とフィラーが互いに作用し合い、樹脂中にて蛍光物質を良好に分散させることができ色ムラが抑制される。更に、蛍光物質及びフィラーは、共に中心粒径が１５μｍ〜５０μｍ、より好ましくは２０μｍ〜５０μｍであると好ましく、このように粒径を調整することにより、各粒子間に好ましい間隔を設けて配置させることができる。これにより光の取り出し経路が確保され、フィラー混入による光度低下を抑制しつつ指向特性を改善させることができる。また、このような粒径範囲の蛍光物質及びフィラーを透光性樹脂に含有させ孔版印刷法にて封止部材を形成すると、封止部材硬化後のダイシング工程においてダイシングブレードの目詰まりが回復されドレッサー効果をもたらすことができ量産性が向上される。
（封止部）

ＬＥＤ素子を覆う封止部は、ＬＥＤ素子を保護するだけでなく、上記蛍光物質、拡散材、フィラー等を含有させて、ＬＥＤ光源の発光特性を調整する部位として機能しているものである。封止部に蛍光物質を含有させない場合はＬＥＤ素子からの単色光を発光させることができるが、蛍光物質を用いることでＬＥＤ素子からの光と蛍光物質からの光との混色光を有するＬＥＤ光源とすることができる。混色光とすることで、任意の発光波長を有するＬＥＤ光源とすることができ、特に、バックライト等に用いられる白色系発光が得られ易くなる。また、蛍光物質に加えてフィラー及び拡散材等を併用することで、均一性に優れた混色光とすることができる。

また、封止部を２層或いは２層以上の多層構造とする場合は、蛍光物質及び拡散材等は、その両方に含有させることもできるし、どちらか一方にのみ含有させることもできる。どちらか一方に蛍光物質を含有させる場合は、上部層よりも下部層の方に含有させることで、ＬＥＤ素子と蛍光物質とを近傍に配置することができるので、より効率良くＬＥＤ素子からの光を吸収し変換することができるので好ましい。また、蛍光物質を上部層にも含有させる場合は、下部層に含有させた蛍光物質と同じ蛍光物質でもよいし、異なる発光波長の蛍光物質、或いは異なる組成の蛍光物質でもよい。また、異なる蛍光物質を用いる場合は、一方の蛍光物質は、ＬＥＤ素子からの光ではなく、他方の蛍光物質からの発光波長を吸収して異なる波長に変換する蛍光物質を用いてもよい。これにより、ＬＥＤ素子からの光では励起されないような蛍光物質でも用いることができるので、より広い範囲の発光波長の混色光を得ることができる。

本発明の面発光装置及び面発光装置用導光板は、液晶ディスプレイのバックライト光源等に好適に利用できる。

一般的な面発光装置を示す平面図である。一般的な面発光装置を示す断面図である。本発明の一実施の形態に係る面発光装置を示す平面図及び導光板を示す断面図である。本発明の他の実施の形態に係る面発光装置を示す平面図である。図４の導光板のＶ−Ｖ’線における断面図である。図４の導光板のＶＩ−ＶＩ’線における断面図である。

１００、２００…面発光装置
１…ＬＥＤ
２…導光板
２Ａ…接合面
２Ｂ…傾斜面
３…基板
４…筐体
１１…光源
２０、２０Ｂ…導光板
２１…発光面
２２…反射面
２３、２３Ｂ…光源配置面
２４…発光領域
２５…曲面
２６、２６Ｂ…水平面
２７、２７Ｂ…傾斜面
４０…筐体

Claims

内部に空間を形成した筐体と、
前記筐体内に配置されて、互いに対向する第１の主面と第２の主面とを備えており、少なくとも一方の主面を発光面とし、発光面が略矩形状であって透過性を備える導光板と、
前記導光板の主面におけるいずれかの隅部であって、かつ導光板の主面と略直交する端面に対向するように配置された一の光源と、
を備える面発光装置であって、
前記導光板の一の隅部を、前記光源と光学的に接続するよう配置するための光源配置面とし、
前記導光板の発光面の内、所定の領域を発光領域とし、該発光領域に向かう発光成分を多くするように、前記導光板の光源配置面を挟む２辺の少なくとも一方を、傾斜角度が光源配置面から離れるに従って大きくなるように形成された曲面に形成されてなり、
前記導光板の断面において、前記光源を配置する導光板の光源配置面での厚さよりも、導光板の全体の厚さを薄く形成すると共に、
該端面から水平方向に伸びる水平面を形成し、該水平面の端縁から、該端面よりも薄く形成した導光板の厚さ部分まで連続する傾斜面を形成してなり、
前記水平面が、導光板の発光面における光源配置面から傾斜面までの幅を、発光領域に距離が近い程幅広となるように形成されていることを特徴とする面発光装置。
請求項１に記載の面発光装置であって、
前記曲面が、前記導光板の光源配置面を挟む２辺の両方に形成され、かつ各々の傾斜角度は、曲面から発光領域までの距離が近い程急峻に形成されてなることを特徴とする面発光装置。
互いに対向する第１の主面と第２の主面とを備え、少なくとも一方の主面を発光面とする導光板と、該導光板の端面に光学的に接続された少なくとも一の光源とを有する面発光装置において、
前記光源は、発光面となる発光観測面側から見て導光板の２辺で挟まれる隅部に配置されると共に、前記２辺の少なくとも一方は光源から離れるに従って連続的に角度が大きくなる部位を有し、
前記導光板の断面において、前記光源を配置する導光板の光源配置面での厚さよりも、導光板の全体の厚さを薄く形成すると共に、
該端面から水平方向に伸びる水平面を形成し、該水平面の端縁から、該端面よりも薄く形成した導光板の厚さ部分まで連続する傾斜面を形成してなり、
前記水平面が、導光板の発光面における光源配置面から傾斜面までの幅を、発光領域に距離が近い程幅広となるように形成されていることを特徴とする面発光装置。