JP4622787B2 - バックライトシステム及び液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、バックライトシステム及び液晶表示装置に関し、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたバックライトシステム及び液晶表示装置に関する。

ＬＥＤは冷陰極管のように水銀を使用しておらず、しかも小型で低電力駆動が可能であり、近年ではその発光効率の向上が目覚しい。従来のＬＥＤモジュールの形状は砲弾型が主流であったが徐々に面実装タイプが増え、ＬＥＤモジュールが小型化することで、その利用が幅広く期待されている。また、近年では液晶テレビや携帯電話機の急速な普及やパーソナルコンピュータの小型化に伴い液晶表示装置の高性能化が推進され、バックライトの光源にＬＥＤを使用することでその要求を満たしている。特に色再現性については、ＬＥＤを用いることで蛍光ランプでは再現できなかった色が表示できるようになり、濃い赤色や濃い緑色の表示が可能となる。ＬＥＤは点光源であるため、サイドライト方式の場合、冷陰極管を用いたバックライトで使われる導光板をそのまま用いても輝度のムラが出てしまい、また、バックライトにＲＧＢの３種類のＬＥＤを光源として使用し、光の３原色によって白色光を得る方法であると、ＲＧＢの３色が混色しきれずに導光板に入光するため、色のムラが出てしまう。この種のバックライトで用いられる導光板は、例えば特許文献１に記載されている。
特開平１１−５２３７０号公報

液晶表示装置用サイドライト方式の冷陰極管を使用したバックライトシステムは、図２に示したように、透過性材料からなる導光板３’の端面に冷陰極管や熱陰極管の蛍光ランプからなる光源１を配置し、その光源１から出た光を無駄なく導光板３’に入射させるための反射板７を配置し、導光板３’の下面には光を反射させるための反射板２を、上面には輝度を均一化するための半透明な拡散物質含有の合成樹脂からなる拡散シート４と、拡散シート４から出た拡散光を集光させ、表示装置の正面輝度を向上させるための集光板５および集光板６が配置されている。

上記のような従来のバックライトシステムは、光源１から出た光が導光板３’に入光し、拡散シート４へと導かれた光が散乱物質によって拡散し、集光板５および集光板６を通る。光源１に使われる光源は、白色光を持つ冷陰極管や熱陰極管が前提となっている。

光源に赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ（以下ＲＧＢ−ＬＥＤ）を使用した場合、拡散シート４だけではＲＧＢの３色が混色しきれず、液晶表示画面上で色のムラが無い白色光を得ることが難しい。また、ＬＥＤの場合、冷陰極管や熱陰極管とは光の出射角度が異なるため、従来のバックライトシステムに使われている導光板３の形状とその入射面形状および反射板７を用いて輝度均一化と同時に混色を図ることは、困難である。

従って本発明の目的は、上述した課題を解決し、輝度ムラおよび色ムラが小さく収まる発光ダイオードを用いたバックライトシステム及び液晶表示装置を提供することにある。

上記目的は、主発光波長の異なる光を発光する２種類以上の発光ダイオードを実装した基板と、前記発光ダイオードの発光光を混色するための混色用導光板と、前記混色用導光板から光を入光し液晶パネルに対して出射する主導光板とを備えたバックライトシステムにおいて、前記発光ダイオードに前記混色用導光板を被せる構成とし、前記混色用導光板から光を入光する前記主導光板の入光面と前記発光ダイオードの実装面とが平行になるように配置したバックライトシステムにより、達成される。

ここで、前記主導光板と前記混色用導光板との間に光を拡散する機能を有する光学部材を配置することができる。また、前記混色用導光板の主導光板に対する面は光拡散加工されていることが好ましい。前記混色用導光板は前記発光ダイオードに対応する位置に凹部形状の空間を有することができる。前記凹部形状は直方体形状又は半球形状とすることができ、前記凹部形状の空間に透明樹脂を充填してもよい。さらに、前記混色用導光板は複数個の混色用導光板ユニットを連結して形成することができる。前記混色用導光板ユニット同士の接続面は光拡散加工されていることが好ましい。

また、前記混色用導光板は前記発光ダイオードからの光を前記主導光板に指向させるためのリフレクター形状部を有し、前記発光ダイオードの実装面と前記リフレクター形状部の面のなす角度が３６°から７５°の範囲内にあることが好ましい。前記リフレクター形状部の面に反射部材を設けることができる。前記反射部材は反射シート又は白色塗装により構成することができる。前記主導光板と前記混色用導光板の材質は同一であることが好ましい。また、前記主導光板と前記混色用導光板の厚みが異なる場合に、前記主導光板又は前記混色用導光板の厚みの大きい方の、前記主導光板と前記混色用導光板の対向面からはみ出した部分に反射部材を配置することが好ましい。
本発明に係る液晶表示装置は、上述のバックライトシステムと、このバックライトシステムの出射面に配置された液晶パネルとを備えるものである。

このように本発明は、液晶表示画面（液晶パネル）真下に位置する導光板（主導光板）と、ほとんどが液晶表示画面範囲外に位置し前記主導光板の横に設けられた混色させるための導光板（混色用導光板）を備える。ここで、混色用導光板にはＬＥＤから出射面までの距離と、混色用導光板がもつリフレクター機能によって、輝度ムラの抑制と混色を行うことが可能となる。

さらに前記主導光板と前記混色用導光板の間に、拡散シートを設けることにより効果を一層向上させることも可能となる。
バックライトシステムに使用されるＲＧＢ−ＬＥＤは混色用導光板に設けた凹部形状の空間に収まるよう配置し、また混色用導光板の凹部形状の空間には、透明樹脂を充填する構成とすることで、ＬＥＤからの光を効率よく混色用導光板に入光させることが可能となる。

本発明によれば、輝度ムラおよび色ムラが小さく収まる発光ダイオードを用いたバックライトシステム及び液晶表示装置を得ることができる。本発明では、主導光板に、輝度ムラと色ムラが低減されるようにＲＧＢ−ＬＥＤの適切な配置およびリフレクター形状の加工を施した混色用導光板を付加することによって、液晶表示に必要な白色光を得るバックライトシステム及び液晶表示装置を提供することが可能となる。

以下、本発明に係るバックライトシステム及び液晶表示装置の実施例について説明する。

図１は、本発明に係る液晶表示装置用のバックライトシステムの一例を示す斜視図である。本バックライトシステムは、図示のように、主発光波長の異なる光を発光する２種類以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を有するＬＥＤユニット１５を実装したメタルコア基板１３と、各ＬＥＤの発光光を混色するための混色用導光板１４と、混色用導光板１４から光を入光し液晶パネルに対して出射する主導光板３とを備え、ＬＥＤユニット１５（ＬＥＤ）に混色用導光板１４を被せる構成を有し、混色用導光板１４から光を入光する主導光板３の入光面とＬＥＤの実装面とが平行になるように配置される。

即ち、図１では、主導光板３とメタルコア基板１３と混色用導光板１４と複数個設けられた光源のＬＥＤユニット１５を最小構成部材としている。ＬＥＤユニット１５は、メタルコア基板１３の上に実装されており、混色用導光板１４もメタルコア基板１３の上に配置されている。混色用導光板１４には、ＬＥＤユニット１５を収容するための封止空間が設けられている。図１において、ＬＥＤユニット１５から出射された光は混色用導光板１４内にて反射を繰り返すことで混色し、また点光源であるＬＥＤの光を拡散し、混色導光板１４での出射面における明るさの均一化を図る。混色用導光板１４を出射した光は、混色用導光板１４と主導光板３の間に介在する光学シート１６等の光を拡散する機能を有する光学部材を通して、主導光板３に入射される構成となっている。

図４は、図１記載のバックライトシステムの断面図である。液晶表示装置は、このバックライトシステムとその出射面に配置された液晶パネル４０とを備える。光源のＬＥＤユニット１５はＲＧＢ−ＬＥＤとＬＥＤを実装するサブマウント基板によって構成される。本図において、主導光板３に入光された光は、反射シート２等の反射部材と主導光板３の働きにより、拡散シート４等の拡散部材と集光板５および集光板６を通して、液晶パネル４０の方向に光を出射する。図示のように、混色用導光板１４から光を入光する主導光板３の入光面とＬＥＤユニット１５（ＬＥＤ）のメタルコア基板１３への実装面とは平行とされ、これによりＬＥＤからの光が効率よく主導光板３に入射される。

図３は、ＬＥＤユニット１５を構成するＲＧＢ−ＬＥＤとサブマウント基板の位置関係を上から見た図である。一つのサブマウント基板８にＬＥＤが４個搭載されており、ＬＥＤ９は赤色ＬＥＤ、ＬＥＤ１０とＬＥＤ１２は緑色ＬＥＤ、ＬＥＤ１１は青色ＬＥＤである。ＬＥＤ９〜１２の発光は、全てが点灯し混色がなされた際に、色度座標（ｘ，ｙ）について、ｘは０．２７〜０．３１、ｙは０．２７〜０．３１になるように電流の配分が調整されているものとする。

図５は主導光板３の入光面の長手方向に対して、縦長の位置関係にサブマウント基板８を配置し、一つのサブマウント基板８にＬＥＤが４個搭載されている図であり、上から順にＬＥＤ９、ＬＥＤ１０、ＬＥＤ１２、ＬＥＤ１１とし光源のＬＥＤユニット１５を構成している。

図６は主導光板３の入光面の長手方向に対して、横長の位置関係にサブマウント基板８を配置し、一つのサブマウント基板８にＬＥＤが４個搭載されている図であり、左端から順にＬＥＤ９、ＬＥＤ１０、ＬＥＤ１２、ＬＥＤ１１とし、光源のＬＥＤユニット１５を構成している。

本発明の液晶表示装置の光源は、図３または図５または図６に示すＬＥＤが搭載されたサブマウント基板８をＬＥＤユニット１５とし、前記ユニットを１個以上並べたものを光源としている。

図４に示すように、主導光板３と混色用導光板１４の間に光学シート１６等の光学部材（望ましくは拡散シート）を配置することにより、さらにＲＧＢの色バラツキを低減させ主導光板３に白色に混色した光を入光させることが可能となる。
また、光学シート１６の代わりに、混色用導光板１４が主導光板３と対する面にシボ加工や擦りガラス加工等により光拡散加工を行うことで、ＲＧＢの色バラツキを低減することができ、光学シート１６の代替とすることができる。

以下に図７を説明する。図７は、本発明のＬＥＤユニット一つ分に対応する混色用導光板２０を主とした構成を模擬的に表した図である。１９はＬＥＤを収納するための凹部形状の空間（以下、封止空間とする）、１７は反射シート等の反射部材、２０はＬＥＤユニット一つ分に対応する混色用導光板である。
図７に示すように、混色用導光板２０の凹部形状にくり抜かれた封止空間１９を設けることで、ＬＥＤユニット１５を配置することができる。
さらに、封止空間１９に透明樹脂を充填することで、封止空間１９が空気によって満たされている場合に比べて、ＬＥＤと混色用導光板の間に生じる屈折率差を小さくすることができ、ＬＥＤからの光取り出し効率を向上させることができる。

図７で示す例は、封止空間１９は直方体である。また、図８で示すように、封止空間１９を半球体とした形状を用いることが可能である。この場合、封止空間に透明樹脂を充填する際に、気泡の発生の抑制や封止空間１９内の隅々に透明樹脂の充填することが容易になるという効果を得ることができる。

混色用導光板１４は、図７で示すように１つのＬＥＤユニット１５に対応する混色用導光板ユニット２０を連結した連続体で構成することができ、また図９で示すように複数個（図９は３個分）のＬＥＤユニット１５に対応する混色用導光板ユニット２１を連結することで構成することができ、さらに図１で示すように混色用導光板１４の全体を一体成形にて構成することができる。

混色用導光板ユニット同士を連結する際は、例えば図１０で示す構造になる。混色用導光板ユニット２０又は２１の接続は、間に接着媒体２２を用いて、接続面２３を接続する。また接着媒体２２には、接着用テープまたは糊または接着剤などの一般的な手段を用いることが可能である。

また、混色用導光板ユニット同士を接続する場合に、混色用導光板ユニット同士が接する接続面２３にドット加工やシボ加工等により光拡散加工を行うことで、光を拡散あるいは散乱反射させ輝線を低減させる効果を有することができる。

図１１は、リフレクター機能を具備した混色導光板の一例を示す図である。図１１は、混色用導光板ユニット２０の斜視図であり、１７は反射シート等の反射部材で、２２は反射シート１７をリフレクター形状部２４に貼り付けるための接着媒体である。図１１に示すように混色用導光板のＬＥＤの実装面から出射面に向かって、ＬＥＤ実装部を中心とし拡がる形状にて、斜めに傾斜させた面を設けることによるリフレクター形状２４の加工を施すことで、輝度ムラの低減と混色の効果をさらに高めることができる。このリフレクター機能は、混色用導光板ユニット２１や混色用導光板１４の全体を一体成形したものにも同様に設けることができる。

図１７にて示すように、ＬＥＤ実装面と、混色導光板２０の持つリフレクター形状部２４の面とが成す角度２７をリフレクター角度θと規定した場合、リフレクター角度θ２７の範囲は、３６°から７５°の範囲以内とすることが望ましい。図１８が示すグラフは、横軸がリフレクター角度θであり、左側縦軸がＬＥＤの光を混色導光板の出射面に伝えるまでの光の利用効率を表す。右側縦軸は、輝度のムラ具合を表す指標を表す。白丸を接続したグラフはＬＥＤの光の利用効率を示し、黒丸を接続したグラフは輝度のムラを示す。グラフ内の点線で示すように、輝度ムラの指標値が点線より上の領域になると、人間の目で見てわかる輝度ムラとなる。従って、点線より下の領域となるようにリフレクター角度θは３６°から７５°の範囲内に設定する必要がある。

図１１に戻って説明すると、前記混色用導光板２０のリフレクター形状部２４に接着媒体２２を用いて、前記反射シート１７等の反射部材を貼り付けることにより、リフレクターの反射性能を高め、ＬＥＤの発光を出射面に伝える効率を上げることが可能となる。なお、接着媒体２２は、接着テープ、糊や接着剤などの一般的な接着手段を用いることができる。また、反射シート１７は散乱反射の性質を持つことで、混色用導光板内での混色がより有利になる。
反射シート１７の代替として、リフレクター形状部２４に白色塗装を施す方法でも、同様の効果を得ることが可能となる。

さらに図１２に示すように、混色用導光板の領域２５の位置に反射シートまたは白色塗装等の反射部材を施し、反射性能を高めることにより、混色用導光板からの光取り出し効率を向上させることが可能となる。

図１に戻ってさらに説明する。ＬＥＤユニット１５より発光した光は、封止空間に充填された透明樹脂を介し、混色用導光板１４に入射される。混色用導光板１４の出射光は拡散シート１６を介して、主導光板３に入射される。これらの光の伝達経路において、光の伝達を阻害する要因の一つとして、各部材間に生じる屈折率差が上げられる。よって各部材間の屈折率差を小さくすることで伝達効率を高めることが可能となる。なかでも主導光板３と混色用導光板１４を同一材料とすることで、屈折率を同じとし、光の伝達効率を高めることができる。
主導光板３と混色用導光板１４の材質は、一般的に周知な導光板に用いられている材質とすることが望ましい、例えば、アクリル樹脂やメタクリル樹脂、ポリカーボネートなどが挙げられる。

図１３と図１４と図１５と図１６は、それぞれ本発明に係るバックライトシステムの他の例を示す断面図である。上述の図４に示すものは主導光板と混色用導光板の厚みが同じ例であるが、図１３〜図１６に示すものは両者の厚みが異なる例である。図１３と図１４は、主導光板３の厚みが混色用導光板１４よりも大きい場合の例である。この場合は、主導光板３が混色用導光板１４との対向面よりもはみ出している部分に、反射シート２６等の反射部材を配置することで、光のロスを低減させることができる。図１５と図１６は、主導光板３の厚みが混色用導光板１４よりも小さい場合の例である。この場合は、混色用導光板１４が主導光板３との対向面よりもはみ出している部分に、反射シート２６等の反射部材を配置することで、光のロスを低減させることができる。

本発明は、バックライトシステム及び液晶表示装置に関し、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたバックライトシステム及び液晶表示装置に関するもので、産業上の利用可能性がある。

本発明に係る液晶表示装置用のバックライトシステムの一例を示す斜視図である。 光源に蛍光ランプを使用した液晶表示装置のバックライトシステム部の断面図である。 ＬＥＤユニット１５を構成するＲＧＢ−ＬＥＤとサブマウント基板の位置関係を上から見た図である。 図１記載のバックライトシステムの断面図である。 主導光板の入光面の長手方向に対して、縦長の位置関係にサブマウント基板を配置し、一つのサブマウント基板にＬＥＤが４個搭載されている図である。 主導光板の入光面の長手方向に対して、横長の位置関係にサブマウント基板を配置し、一つのサブマウント基板にＬＥＤが４個搭載されている図である。 ＬＥＤユニット一つ分に対応する混色用導光板ユニットの一例を示す図である。 ＬＥＤユニット一つ分に対応する混色用導光板ユニットの他の例を示す図である ＬＥＤユニット複数分に対応する混色用導光板ユニットの一例を示す図である。 混色用導光板ユニット同士の連結を説明するための図である。 リフレクター機能を具備した混色導光板の一例を示す図である。 反射部材を施した混色導光板の一例を示す図である。 本発明に係る液晶表示装置用のバックライトシステムの他の例を示す断面図である。 本発明に係る液晶表示装置用のバックライトシステムの他の例を示す断面図である。 本発明に係る液晶表示装置用のバックライトシステムの他の例を示す断面図である。 本発明に係る液晶表示装置用のバックライトシステムの他の例を示す断面図である。 リフレクター機能を具備した混色導光板の一例を説明するための図である。 リフレクター角度θ、ＬＥＤの光の利用効率および輝度のムラの関係を示すグラフである。

符号の説明

１…冷陰極蛍光ランプ、２…反射板、３…主導光板、４…拡散シート、５…第１集光板、６…第２集光板、７…反射板、８…サブマウント、９…赤色ＬＥＤベアチップ、１０…第１緑色ＬＥＤベアチップ、１１…青色ＬＥＤベアチップ、１２…第２緑色ＬＥＤベアチップ、１３…メタルコア基板、１４…混色用導光板、１５…ＬＥＤユニット、１６…拡散シート、１７…リフレクター、１９…封止空間、２０…１ユニットの混色用導光板、２１…３ユニットの混色用導光板、２２…接着媒体、２３…接着面、２４…リフレクター形状部、２５…反射部材付与領域、２６…反射シート、２７…リフレクター角度θ

Claims (13)

1. 主発光波長の異なる光を発光する２種類以上の発光ダイオードを実装した基板と、前記発光ダイオードの発光光を混色するための混色用導光板と、前記混色用導光板から光を入光し液晶パネルに対して出射する主導光板とを備えたバックライトシステムにおいて、前記発光ダイオードに前記混色用導光板を被せる構成とし、前記混色用導光板から光を入光する前記主導光板の入光面と前記発光ダイオードの実装面とが平行になるように配置したこと、および前記混色用導光板は複数個の混色用導光板ユニットを連結して形成されることを特徴とするバックライトシステム。
2. 前記主導光板と前記混色用導光板との間に光を拡散する機能を有する光学部材を配置したことを特徴とする請求項１記載のバックライトシステム。
3. 前記混色用導光板の主導光板に対する面が光拡散加工されていることを特徴とする請求項１記載のバックライトシステム。
4. 前記混色用導光板が前記発光ダイオードに対応する位置に凹部形状の空間を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバックライトシステム。
5. 前記凹部形状は直方体形状又は半球形状であることを特徴とする請求項４記載のバックライトシステム。
6. 前記凹部形状の空間に透明樹脂を充填したことを特徴とする請求項４または５記載のバックライトシステム。
7. 前記混色用導光板ユニット同士の接続面が光拡散加工されていることを特徴とする請求項１記載のバックライトシステム。
8. 前記混色用導光板は前記発光ダイオードからの光を前記主導光板に指向させるためのリフレクター形状部を有し、前記発光ダイオードの実装面と前記リフレクター形状部の面のなす角度が３６°から７５°の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のバックライトシステム。
9. 前記リフレクター形状部の面に反射部材を設けたことを特徴とする請求項８記載のバックライトシステム。
10. 前記反射部材は反射シート又は白色塗装により構成されることを特徴とする請求項９記載のバックライトシステム。
11. 前記主導光板と前記混色用導光板の材質が同一であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のバックライトシステム。
12. 前記主導光板と前記混色用導光板の厚みが異なる場合に、前記主導光板又は前記混色用導光板の厚みの大きい方の、前記主導光板と前記混色用導光板の対向面からはみ出した部分に反射部材を配置することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のバックライトシステム。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載のバックライトシステムと、前記バックライトシステムの出射面に配置された液晶パネルとを備えたことを特徴とする液晶表示装置。
    

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