JP4683875B2 - 光源装置、および液晶表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、液晶表示パネルとバックライトからなる液晶表示装置に関し、特に、バックライトの光源に発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用した液晶表示装置に関するものである。

従来、液晶表示装置の表示方式のうち、透過型、半透過型の液晶表示装置は、液晶表示パネルと液晶表示パネルに透過する光を供給するバックライトが配置されて構成されている。一般に、バックライトは、光源と導光板とからなり、光源としてはＣＣＦＬ（冷陰極管）と称される小型の蛍光管を使用している。また、導光板は、液晶表示パネル側の主面（表面）は、液晶表示パネルの表示領域に対応するように対向し、この主面の反対側の主面（裏面）側には、光を表面側に拡散・反射する拡散部が形成されて構成されている。ＣＣＦＬ光源は導光板の端面に配置され、導光板の端面から入射されたＣＣＦＬの光は、導光板内に伝達され、導光板の裏面側で拡散・反射され、導光板から液晶表示パネルに向けて出射され、線光源から均一な面状光源へと変換し、液晶表示装置の光源として利用されている。

しかしこのＣＣＦＬ光源は、放電管の中にＨｇ（水銀）を封入し、放電により励起された水銀から放出される紫外線がＣＣＦＬ管壁の蛍光体にあたり可視光に変換させている。このため、環境面を考慮すると、有害な水銀の使用抑制により、代替光源の使用が求められている。またＣＣＦＬを点灯させる為には、高電圧高周波点灯回路が必要であり、高周波ノイズが発生する為、ノイズ対策が別途必要なばかりでなく、低温点灯しにくい等の問題があった。

一方、新たな光源として、点光源という特徴を持つ発光ダイオードチップ（ＬＥＤ）が収容された発光ダイオードモジュール（ＬＥＤ光源）を光源に利用したバックライトが開発された。このＬＥＤ光源を利用したバックライト（ＬＥＤバックライト）は、低価格化と発光効率向上、環境規制に伴い、液晶表示パネルのバックライトとして普及しつつある。同時に、液晶表示装置の高輝度化・大型化（表示領域の大型化）に伴い、ＬＥＤ光源を複数構成することの要求がますます高まりを見せている。

従って、高輝度・大型液晶表示パネルに用いられるＬＥＤバックライトとするために、点光源であるＬＥＤ光源を変換して、均一に発光する面状光源（導光板の出射表面で均一な光に変換された光源）とする必要があり、たとえば導光板の裏面の拡散部の材料、構造を制御するとともに、ＬＥＤ光源の指向性に合わせて、最適な位置にＬＥＤ光源を配置する必要がある。

ここで最も大きな課題は、ＬＥＤ光源の発熱によりＬＥＤ光源及びその周辺温度が上昇することで、ＬＥＤ光源のＬＥＤチップの発光効率や寿命が低下することである。ＬＥＤ光源は最近の改善により発光効率の向上はなされているものの、発光効率は現状で約１０％程度であり、残りの９０％は熱として放出されることになる。即ち、ＬＥＤを光源としたバックライトにおいては、この発生熱がＬＥＤ光源及びＬＥＤ光源を実装した絶縁基板に蓄熱され、ＬＥＤ光源やその周辺温度の上昇に伴い、ＬＥＤ自身の発光効率の低下を招くことになる。また寿命に関しては、たとえば、日亜化学製のトップビュー型ＬＥＤ（ＮＳＣＷ４５５）の順電流ＩＦ＝２０ｍＡにおける推定寿命データ（輝度半減期）は、周囲温度が２５℃において寿命は約１２０００時間であるのに対し、５０℃では約５５００時間しかなく、ＬＥＤの周辺温度の上昇に伴って、寿命が短くなることが分かる。さらにはＬＥＤで発生する熱はＬＥＤやそのＬＥＤを実装した絶縁基板の配線などを破損させる原因にもなりえる。しかも、バックライトの高輝度化のために、ＬＥＤ実装数を増加させると、その発熱量が増大することから、一層、この発熱を無視することが出来ない。

ＬＥＤで発生する熱に関する従来技術として、例えば特開２００３−２８１９２４号に開示されているように発光ダイオードは一般的には、ジャンクション温度が上昇すると、この発光効率が低下する不都合があり、たとえばＧａＮのジャンクションの温度が１℃上昇すると発光効率が１％程度低下することがある。発光ダイオードの温度上昇を抑制するため、電源供給端子を有する線状光源用基板である配線基板の片面に発光ダイオードを実装し、箱状金属ケース内に配された絶縁基板の電極を覆うが如く設けた放熱用絶縁樹脂層と該放熱用絶縁樹脂層上に、発光素子発光面を除いて導電性接着剤を箱状金属ケース内に充填した放熱構造の照明装置が知られている。
特開２００３−２８１９２４

しかしながら、液晶表示装置に用いられ、液晶表示パネルの裏面側に配置されるＬＥＤバックライトは、導光板と、光源体を実装した絶縁基板とを液晶表素装置のヒートシンク機能を兼ねた筐体に固定していた。尚、固定方法としては、バックライトの形状に合わせて筐体の内部に支持突起部などを形成し、その支持突起部を用いて固定したり、また、バックライトを両面接着テープで筐体の所定部位に接着していた。

しかし、この絶縁基板の裏面と液晶表示装置の筐体またはヒートシンク基板との面接触においては、その表面の微細な凹凸のために面接触は不十分で、熱伝導が極めて小さい空気層が介在することになっている。また、両面接着テープ固定の場合も、両面接着テープの熱伝導率が小さいため、絶縁基板からヒートシンク基板への熱伝導が不十分であり、ＬＥＤ光源またはその絶縁基板に蓄熱され、ＬＥＤ光源の温度上昇により、ＬＥＤ光源の発光効率の低下、さらには、発光ダイオードチップが短時間で損傷するという問題が発生してしまう。

また、ＬＥＤ光源を実装した絶縁基板の表面に熱伝導性樹脂を充填して、ＬＥＤ光源の温度上昇を抑制する技術が開示されているが、絶縁基板からヒートシンク基板への放熱が不十分であったため、絶縁基板に熱が蓄熱される。このため、ＬＥＤ光源での温度上昇により、ＬＥＤ光源の発光効率の低下する問題が発生する。また、熱伝導性樹脂となる樹脂ペーストを非常に狭い領域に充填するという工程が非常に困難となり、しかも、樹脂ペーストの硬化処理になり、内部に気泡を取り込んで硬化されることが多く、これによっても熱の伝導を阻害してしまうことになる。

本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、バックライトを構成するＬＥＤ光源を実装する絶縁基板および液晶表示装置の筐体またはヒートシンク基板との面接触状態を改善し、ＬＥＤ光源の発生熱をヒートシンク基板へ効率よく熱伝導させ、さらに、液晶表示パネルの裏面全体に一体に繋がったヒートシンク基板から効率よく放熱することにより、ＬＥＤ光源を実装した絶縁基板の蓄熱を低減し、ＬＥＤ光源の温度上昇を小さくすることにより、ＬＥＤ光源の発光効率低下を抑制できるＬＥＤ光源を有する液晶表示装置を提供するものである。

本発明の光源装置は、ＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源からの光が入射する導光板と、前記ＬＥＤ光源が実装される一方主面、および該一方主面の反対側に位置する他方主面を有した実装基板と、該実装基板の前記他方主面側に配置されたヒートシンク基板と、前記実装基板の前記他方主面と前記ヒートシンク基板とで圧接狭持され、弾性を有する放熱シートと、を備え、前記実装基板の前記他方主面と前記放熱シートとの界面、および前記ヒートシンク基板と前記放熱シートとの界面には、油脂成分を含む流体が介在している。

本発明の液晶表示装置は、上記の光源装置と、該光源装置における前記導光板の前記一方主面と対向して配置された液晶表示パネルと、を備える。

本発明の光源装置では、ＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源からの光が入射する導光板と、前記ＬＥＤ光源が実装される一方主面、および該一方主面の反対側に位置する他方主面を有した実装基板と、該実装基板の前記他方主面側に配置されたヒートシンク基板と、前記実装基板の前記他方主面と前記ヒートシンク基板とで圧接狭持され、弾性を有する放熱シートと、を備え、前記実装基板の前記他方主面と前記放熱シートとの界面、および前記ヒートシンク基板と前記放熱シートとの界面には、油脂成分を含む流体が介在している。これにより、放熱シートでは十分に対応しきれない実装基板の裏面と放熱シートとの当接面及び放熱シート当接面とヒートシンク基板の表面との当接面での微細な凹凸に、流動性の低い流体が入り込み、例えば実装基板と放熱シート、放熱シートとヒートシンク基板との馴染みが向上し、絶縁基板からヒートシンク基板への放熱効率を向上せることができ、結果として、ＬＥＤ光源の温度上昇を低減することができる。この結果、ＬＥＤ光源の発光効率低下を抑制するとともに、ＬＥＤ光源の損傷を防ぎ、明るい長寿命の液晶表示ができるＬＥＤバックライトを有する液晶表示装置を提供することができる。

以下、本発明の液晶表示装置を図面に基づいて詳説する。

図１は、本発明の液晶表示装置の概略断面図を示し、図２に液晶表示装置の表示面から見た外観斜視図を示し、図３に液晶表示パネルの概略断面構造を示し、図４にＬＥＤ光源を搭載した絶縁基板の斜視図を示し、図５に帯状の放熱シートの斜視図を示す。図６はＬＥＤ光源を説明する概略断面図である。

本発明の液晶表示装置は、液晶表示パネル１、ＬＥＤバックライト、液晶表示装置の筐体６、ヒートシンク基板１０とから主に構成されている。尚、図の筐体６は主に液晶表示パネル１を保護する上側筐体であり、ヒートシンク基板１０は主にＬＥＤバックライトを保護する筐体であるとともに、外部に熱を放出するヒートシンク機能を有するヒートシンク基板を兼ねるものである。

液晶表示パネル１は、図３に示す他方の基板である下部透明基板１１、一方の基板である上部透明基板１２、両透明基板１１、１２との間には、シール部１４によって周囲が囲まれた液晶層１３が配置されている。また、下部透明基板１１の内面には、例えば、表示電極、配向膜などが形成されており、また、上部透明基板１２内面にも表示電極、配向膜が形成されている。尚、図３では下部透明基板の内面の構造物を単に符号１５で示し、また、上部透明基板の構造物を単に符号１６で示している。

この下部透明基板１１の内部構造物を構成する表示電極と上部透明基板１２の内部構造物１６を構成する表示電極は、互いに対向してマトリックス状に配列された表示画素領域を形成している。

なお、各表示画素領域を構成する１画素は、たとえば透過型液晶表示装置においては、表示電極が全て透明電極で構成されてバックライトの光を透過しえる光透光部となり、半透過型液晶表示装置においては、一部が反射金属膜で構成された光反射部と、一部がバックライトの光を透過しえる光透過部を並設している。即ち、この半透過型液晶表示装置では、表示面側から入射した外部の光を利用して、画素領域の光反射部で反射し表示面側に戻すとともに、また、バックライトの光を透過させてその光を表示面側に与えている。これにより、外光が強い場合には、反射型モードで表示して、外光が弱い時には、透過型モードで表示を行っている。

また、下部透明基板１１の外面および上部透明基板１２の外面には、図では省略しているが、偏光板、位相差板、必要に応じて散乱板が配置されている。

また、カラー表示を達成するために、下部透明基板１１の内部構造物１５または上部透明基板１２の内部構造物１６のいずれかの各画素領域に対応したカラーフィルタを形成してもよい。

また、表示駆動方式によっては、下部透明基板１１の内部構造物１５の各画素領域にスイッチング手段を形成し、画素領域ごとに表示を制御するようにしてもよい。

また、上部透明基板１２や下部透明基板１１のいずれか一方の基板、たとえば形状の大きい基板、たとえば下部透明基板１１の外周領域には、下部透明基板１１の内面構造体１５のうち表示電極やスイッチング素子に接続する配線パターンを設け、この配線パターンに所定信号、所定電圧を供給する駆動回路や外部の駆動回路に接続する入力端子を設けても構わない。なお、配線パターンを形成しない側の基板、たとえば、上部透明基板１２の表示電極は、両基板１１、１２間の間隔に配置した導電性フィラーを介して下部透明基板側の配線パターンに接続しても構わない。

下部透明基板１１や上部透明基板１２は、ガラス、透光性プラスチックなどが例示できる。また、内部構造物１５、１６を構成する表示電極は、たとえば透明導電材料であるＩＴＯや酸化錫などで形成され、また、反射部を構成する反射金属膜はアルミニウムやチタンなどで構成されている。また、配向膜はラビング処理したポリイミド樹脂からなる。また、カラーフィルタを形成する場合には樹脂に染料や顔料など添加して、画素領域ごとに赤、緑、青の各色のフィルタを形成し、さらに各フィルタ間や画素領域の周囲を遮光目的で黒色樹脂を用いてもよい。

このような下部透明基板１１や上部透明基板１２は、シール部１４を介して貼り合わせ圧着し、そのシール部１４の一部の開口よりネマチック液晶などからなる液晶材を注入し、しかる後に、その注入口を封止する。この貼り合わせに際し、両透明基板１１、１２に配列した双方の表示電極を両者が直交するようになし、表示電極の交差部分が各画素領域となり、この画素領域が集合して表示領域となる。

このようにして、液晶表示パネル１が構成されている。この液晶表示パネル１の他方の透明基板である下部基板１１の外部側には、ＬＥＤバックライトが配置されている。

ＬＥＤバックライトは、図１に示すように、ＬＥＤモジュールであるＬＥＤ光源７、導光板４、レンズシート２、拡散シート３、反射シート５、絶縁基板８、帯状の放熱シート９、ヒートシンク基板１０とからなっている。

そして、導光板４の一方の主面（光が出射される面）が、液晶表示パネル１の表示領域に対向するように配置されている。

ＬＥＤバックライトを構成する導光板４は、透明樹脂基板からなり、その樹脂成分中に光散乱部材を含有させても構わない。導光板４の他方の主面には、光が拡散・反射される反射シート５が配置されている。この反射シート５は、導光板４中を伝搬する光を一方主面側に放射させるためのものである。尚、反射シート５の代わりに他方の主面に直接、拡散・反射させるための溝を形成したり、さらに、他方主面に拡散・反射機能を有する塗膜を形成して構わない。また、この反射シート５は、導光板４の４つの端面のうちＬＥＤ光源７が配置される端面を除く３つの端面にも形成してもよい。

絶縁基板８は、ガラス布基材エポキシ樹脂基板やセラミック基板からなり、ＬＥＤ光源７が実装される。このＬＥＤ光源７の実装面には、ＬＥＤ光源７に所定駆動電流を供給する金属配線が形成されている。そして、この金属配線に導電部材を介して、ＬＥＤ光源７が複数、所定間隔をおいて実装されることになる。

ＬＥＤ光源７は、図６に示す断面図のように、半導体材料からなる発光部、アノード電極、カソード電極を有するＬＥＤチップ７ａと、耐熱樹脂材料やセラミック材料などからなる容器７ｂとから構成されている。容器７ｂの光が出射される面には、すり鉢状キャビティー７ｄが形成されており、このキャビティー７ｄの底部にＬＥＤチップ７ａが配置・収容されている。このＬＥＤチップ７ａのアノード電極、カソード電極は、容器７ｂの光出射面以外の外面に形成した端子部７ｃに接続されている。尚、すり鉢状のキャビティーの内壁面に反射塗料が塗布されており、また、キャビティー内にはＬＥＤチップ７ａを埋設するように透光性樹脂や蛍光性樹脂が充填されている。

次に、ＬＥＤ光源７から発生する熱の放熱構造について説明する。

まず、上述の構造のＬＥＤ光源７は絶縁基板８の金属配線上に所定間隔をおいて、列状に複数配置実装されている。そして、この絶縁基板８は、実装したＬＥＤ光源７の発光面が導光板４の端面に対向する位置関係となるように設置されている。即ち、絶縁基板８の表面は、導光板４側に位置する。そして、絶縁基板８の裏面は金属製のヒートシンク基板１０またはヒートシンク機能を有する筐体（本件ではヒートシンク基板という）に対向することになる。この絶縁基板８の裏面とヒートシンク基板１０との間には、両者の間で熱の伝導を高める帯状の放熱シート９が配置されている。

このような構造によって、ＬＥＤ光源７に発生する熱は、容器７ｂに伝わり、容器７ｂから絶縁基板８に伝わる。そして、絶縁基板８から放熱シート９を介してヒートシンク基板１０に伝わることにより、ＬＥＤチップ７ａで発生した熱をヒートシンク基板１０に逃がすことができ、その結果、ＬＥＤ光源７の周囲の温度を低下させることができる。

ここで、放熱シート９は、弾性を有するゴム状のシート材を用いたとしても、絶縁基板８とヒートシンク基板１０とで放熱シート９を挟持する圧接状態により、絶縁基板８と放熱シート９との接触面および放熱シート９とヒートシンク基板１０との接触面で空気の層が発生してしまうことが多い。これは、絶縁基板８やヒートシンク基板１０が放熱シート９と接触する接触面が完全な平坦な面ではなく、微小な凹凸が避けられないこと、また、放熱シート９の挟持状態が外部の衝撃などによって変化してしまうためである。このようなことによる空気の層の発生を防止するために、放熱シート９と絶縁基板８との当接界面部分及び放熱シート９とヒートシンク基板１０との接触界面部分に、流動性の低い流体１７を介在させて、放熱シート９を絶縁基板８とヒートシンク基板１０とによって圧接している。この流体１７は、例えば油脂成分と熱伝導性の高いセラミックの微粒子からなるものであり、流体１７の存在により、絶縁基板８と放熱シート９の当接状態及び放熱シート９とヒートシンク基板１０の当接状態を確実に面当接させることができる。即ち、ヒートシンク基板１０や絶縁基板８の表面の微細な凹凸に対応して、流体１７が安定的に入り込み、熱伝導が極めて小さい空気層を排除し、絶縁基板８から放熱シート９を介してヒートシンク基板１０に効率よく熱伝導させることができる。

ここで、放熱シート９には弾性があるため、絶縁基板８とヒートシンク基板１０の表面の凹凸形状は吸収され、さらに流体１７（熱伝導コンパウンド）により、絶縁基板８及びヒートシンク基板１０の微小凹凸に対応し、流体１７の油脂成分が含浸し、微小な空気層を排除し、絶縁基板８からヒートシンク基板１０への熱伝導を良好にする。

ここで、液晶表示パネル１の表示情報の視認性を向上させるため、液晶表示装置のバックライトを駆動（ＬＥＤ光源７が点灯駆動）させた時、その発光とともに、熱が発生する。この発生した熱は、絶縁基板８と放熱シート９及び放熱シート９とヒートシンク基板１０間に流体１７を介在させることにより、絶縁基板８と放熱シート９とヒートシンク基板１０がほとんど空気層を介在させることなく完全に密着されることになり、絶縁基板８、放熱シート９を経由し、ヒートシンク基板１０に達することになる。

したがって、ＬＥＤ光源７で発生した熱は外部に有効に放熱されることになり、ＬＥＤ光源７や絶縁基板８に蓄熱されにくくなるため、ＬＥＤ光源７やその周辺の温度上昇を有効に抑えることができる。

これらの作用は、液晶表示パネル１の表示領域が大型化して、導光板４の形状が大型化して、大型化した導光板４に十分な光を供給すべく、絶縁基板８に多数のＬＥＤ光源７を搭載するようになればなるほど、その効果が大きくなる。

放熱シート９に、住友スリーエム（株）の型番No.5509を使用し、ヒートシンク基板１０に、厚み２mmのアルミニウムを使用し、熱伝導コンパウンドに東レ・ダウコーニング・シリコーン（株）のＳＣ１０２を使用し、絶縁基板８と放熱シート９とヒートシンク基板１０が面接触するように固定した。

ここで各使用材料の熱伝導率は、ガラスエポキシからなる絶縁基板が０．４５Ｗ／ｍ・Ｋ、放熱シートが５Ｗ／ｍ・Ｋ、熱伝導コンパウンドが０．８Ｗ／ｍＫ、ヒートシンク基板であるアルミニウムが２３６Ｗ／ｍ・Ｋである。

流体１７（熱伝導コンパウンド）は、粘度が高い油脂成分に、熱伝導率の高いセラミック微粒子等を混合した粘土状の状態をしており、含有油脂成分が微小凹凸に対応してなじむと同時に熱伝導率の高いセラミック粒子を介し、熱伝導を良好にする。

ＬＥＤ光源７で発光とともに発生する熱は、絶縁基板８、流体１７、放熱シート９、熱伝導コンパウンドを経由し、アルミニウムからなるヒートシンク基板１０に熱伝導されて放熱される。

ここで、絶縁基板８や放熱シート９の熱伝導率はヒートシンク基板であるアルミニウムに比べて非常に小さいため、熱伝導を改善するためには、絶縁基板８と放熱シート９の厚みを限り無く薄くする方法が有効である。また、ヒートシンク基板１０としては、マグネシウム、鉄であってもよい。ちなみに、マグネシウムの熱伝導率は、１５７Ｗ／ｍ・Ｋ，鉄の熱伝導率は８３．５Ｗ／ｍ・Ｋであり、放熱性が悪い場合は、板厚を増すか、放熱フィンを設ければよい。

そして、表示領域の大きさとして4．７インチサイズの液晶表示パネル１を用い、ＬＥＤ光源７を絶縁基板８に１６個配列実装し、常温（２５℃）状態にて各ＬＥＤ光源７に電流を２０ｍA流し、バックライト内のＬＥＤ光源７周辺温度の測定を行った。その結果、ＬＥＤ光源７の周辺温度は３９℃に抑えることができ、ＬＥＤ光源の推定寿命はおよそ７７００時間まで伸ばせることがわかった。また、ＬＥＤ光源の発光効率については、微小ではあるが改善の傾向が見られた。

一方で、放熱シート９、流体１７（熱伝導コンパウンド）を除いた場合には、ＬＥＤ光源の周辺温度は４４℃になり、ＬＥＤ光源の推定寿命はおよそ６６００時間にとどまることがわかった。

上記実験確認結果から、流体１７を放熱シート９と絶縁基板８との当接界面および放熱シート９とヒートシンク基板１０との当接界面に介在されて、完全に密着させることにより、ＬＥＤ光源１７からヒートシンク基板１０への熱伝導を改善し、ＬＥＤ光源７及び絶縁基板８の蓄熱を低減し、ＬＥＤ光源７及びその周辺の温度上昇を小さくすることにより、ＬＥＤ光源７の寿命低下と発光効率低下を抑制でき、長寿命で明るい液晶表示装置を実現できる。

本発明の液晶表示装置の概略断面図である。 本発明の液晶表示装置の表示面側から見た表面斜視図である。 本発明の液晶表示装置の液晶表示パネルの断面構造図である。 本発明の液晶表示装置の絶縁基板にＬＥＤ光源を搭載した絶縁基板の斜視図である。 本発明の液晶表示装置の帯状放熱シートの斜視図である。 本発明に用いるＬＥＤモジュール（ＬＥＤ光源）の概略断面図である。

符号の説明

１・・・・・液晶表示パネル
２・・・・・レンズシート
３・・・・・拡散シート
４・・・・導光板
５・・・・反射シート
６・・・・フレーム
７・・・・ＬＥＤモジュール（ＬＥＤ光源）
８・・・・絶縁基板
９・・・・放熱シート
１０・・・・ヒートシンク基板
１７・・・流体（放熱コンパウンド）

Claims (3)

1. ＬＥＤ光源と、
   該ＬＥＤ光源からの光が入射する導光板と、
   前記ＬＥＤ光源が実装される一方主面、および該一方主面の反対側に位置する他方主面を有した実装基板と、
   該実装基板の前記他方主面側に配置されたヒートシンク基板と、
   前記実装基板の前記他方主面と前記ヒートシンク基板とで圧接狭持され、弾性を有する放熱シートと、を備え、
   前記実装基板の前記他方主面と前記放熱シートとの界面、および前記ヒートシンク基板と前記放熱シートとの界面には、油脂成分を含む流体が介在している、光源装置。
2. 前記油脂成分には、セラミック微粒子が含まれている、請求項１に記載の光源装置。
3. 請求項１または２に記載の光源装置と、
   該光源装置における前記導光板に対向して配置された液晶表示パネルと、を備えた、液晶表示装置。

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