JP4800669B2 - 照明装置およびそれを用いた表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、携帯情報機器や携帯電話などに用いられる表示装置、及び、表示装置の表示素子を照明するフロントライトやバックライトに用いられる照明装置に関する。

近年の携帯電話やモバイルコンピュータなどに用いられる表示装置には、高精彩カラー画像が少ない消費電力で得られる液晶表示装置が多く用いられている。これらの液晶表示装置に用いられる液晶素子を照明するため、高輝度の白色ＬＥＤを用いた光源が照明装置用光源として用いられるようになっている。

特に携帯電話においては、開口が大きく明るい反射型液晶表示装置や、表裏両面から画像情報を表示することが可能な両面可視型液晶表示装置が用いられている。これらの表示装置の照明に用いられている白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤの発光面の直前に樹脂中に分散させた緑色蛍光体または黄色蛍光体を配して、その結果得られる緑色光または黄色光と元の青色光とを混色させて白色光を得る構造としたものが良く知られている。

青色光を黄色光に変換する蛍光体としては、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）に希土類元素をドープしたＹＡＧ蛍光体が良く知られている。また、青色光を緑色光や赤色光に高効率に変換する蛍光体としては希土類元素をドープしたカルコゲナイド系蛍光体が良く知られている。

また、回路を形成した任意の形状および面積のプリント基板上に青色光の波長以下の波長の光を発光する複数の発光素子を配置し、各発光素子を波長変換材料が含有された透光性樹脂で被覆したＬＥＤ表示用デバイスが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１２１８０２号公報（第２、３頁、第１図）

しかしながら、光変換効率の高い硫化物やセレン化物やテルル化物などのいわゆるカルコゲナイド化合物を用いる場合は、これらの蛍光体の耐湿性が悪いために蛍光体の長寿命化が困難であるという課題を有していた。

一方、携帯電話などの小型携帯情報機器に用いられる照明装置では、機器の小型化のためにＦＰＣなどの回路基板にＬＥＤを直接実装して用いることがあるが、この場合に用いられているＬＥＤ被覆材料は一般にエポキシ樹脂が主に用いられている。このエポキシ樹脂は、水分を透過する性質を有しているために、蛍光体として上記カルコゲナイド系蛍光体など耐水性が悪い蛍光体を用いる場合は大気中の水分の影響を受けその長寿命化が実現できなかった。そこで、本発明は、耐水性が悪い蛍光体を用いても、大気中の水分の影響により特性劣化を受けず長期間に渡って高効率で白色光を発生することが可能な照明装置を実現することを目的とする。

本発明の照明装置では、回路基板上に実装されたＬＥＤを、このＬＥＤからの出射光を異なった波長に変換する蛍光体粒子が混合された透光性の非通水性透明樹脂で完全に被覆し、ＬＥＤからの出射光と蛍光体粒子により変換された光とを加法混色して白色光を得る光源とする。

このようにＬＥＤを透光性の非通水性材料で被覆することによって、非通水性材料中に混合された蛍光体粒子を環境に含まれる水分から隔離することが可能となり、希土類元素を添加したカルコゲナイド化合物蛍光体のような吸湿性の大きな蛍光体を用いてもその特性を劣化させることなく長寿命化を実現することが可能となる。

そして本発明では、ＬＥＤは青色光を出射する青色ＬＥＤとし、蛍光体粒子は青色光を緑色光に変換する緑色蛍光体粒子と、青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体粒子とが所定の割合で混合されたものとする。この構成とすることによって、色表現範囲の広い光源とすることが可能となる。

また本発明では、上記ＬＥＤ光源を被覆する非通水性材料の形状を半球レンズ状とするものとした。この半球レンズの形状を調節することによって、ＬＥＤ光源からの出射光の広がりを調節することができる。

また本発明の照明装置では、回路基板の表面を非通水性材料で被覆した後、ＬＥＤを実装し、ＬＥＤ表面を蛍光体粒子が混合された透光性の非通水性材料で被覆する構成とする。さらにまた、回路基板のＬＥＤが実装されている面と逆側の面をも非通水性材料で被覆する。このようにすることによって、蛍光体粒子の水分に対する耐性をさらに向上させることができる。

さらに本発明の照明装置では、上記赤色蛍光体と緑色蛍光体を別々の非通水性材料に混ぜ込み、二層に分けてＬＥＤ上に被覆する構成が提案される。この構成として、例えばより耐水性の低い蛍光体粒子を含んだ非通水性材料を内側とすることにより、より耐水性が向上する。

また、本発明の照明装置では、蛍光体粒子を非通水性材料で被覆された蛍光体粒子として、透光性材料に混合しＬＥＤ上に被覆する構成としている。このような構成にすることによって、蛍光体粒子の水分に対する耐性を向上させることができると共に、蛍光体粒子の取り扱いを容易にすることが可能となる。

また本発明では、液晶表示装置の照明装置として本発明の照明装置を用いることが提案される。

本発明の液晶表示装置は、耐水性が悪い蛍光体を長寿命で使用することが可能となるため、長寿命で色再現領域が広く光利用効率の高い照明装置の実現が可能となる。また本発明の照明装置を液晶表示装置に用いることにより、表示画像の演色性を向上させるとともに、装置の長寿命化を実現することができるという効果を有する。

本発明の照明装置は、発光素子が回路基板に実装されており、発光素子からの出射光を異なった波長の光に変換する蛍光体粒子を保護するための非通水性材料を備えている。

したがって、発光素子を被覆するように非通水性材料を設け、非通水性材料に蛍光体粒子を分散した構成である。あるいは、発光素子を被覆するように透光性材料を設け、この透光性材料に蛍光体粒子を分散し、透光性材料を被覆するように非通水性材料を設けた構成でもよい。あるいは、発光素子を被覆するように透光性材料を設け、この透光性材料に非通水性材料で表面が覆われた蛍光体粒子を分散した構成でもよい。ここで、発光素子としてＬＥＤ素子を用いることとした。

ＬＥＤ素子に青色光を発する青色ＬＥＤ素子を用いた場合に、青色光を緑色光に変換する緑色蛍光体粒子と、青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体粒子を混在した蛍光体粒子を用いるとよい。あるいは、赤色蛍光体粒子が分散された非通水性材料と緑色蛍光体粒子が分散された非通水性材料を積層した構成でも良い。

以下に本発明に関する実施例を、図面を用いて具体的に説明する。

図１は本実施例による照明装置の構成の一部分を模式的に示す斜視図である。図示するように、電気配線４、５が形成された回路基板３の上に導電性台座２を介してＬＥＤ１が実装されている。この導電性台座２は導電性ペーストや半田などを用いて電気配線５に電気的に接合されている。さらに、ＬＥＤ１は導電性ペーストによって導電性台座２に電気的に接合されている。この導電性台座２はＬＥＤ１と電気配線５との電気的接合性を向上させたり、熱伝導性を向上させたり、回路基板３からの高さを調節したりするために用いられている。これらの条件が満足されている環境では必ずしも必要ではない。

ＬＥＤ１には電流注入用の電極９が形成されている。図では電極９は１つしか示されていないが、電極９と対向し導電性台座２と接触した状態の別の電極が形成されている。そして、電極９はワイヤー６で電気配線４と電気的に接合されており、この電極９と対向する電極（図示されていない）は導電性台座２を介して電気配線５と電気的に接合されている。この導電性台座２を用いない場合は、両電極ともにワイヤーにより電気配線に各々電気的に接合することになる。このワイヤーには、通常のワイヤーボンディングで用いられる金ワイヤーなどを用いることができる。

ＬＥＤ１と導電性台座２の全てとワイヤー６の少なくとも一部は透光性の非通水性材料７で被覆されており、その非通水性材料７の中には蛍光体粒子８が所定の濃度で混合されている。非通水性材料７としては、シリコン樹脂やシクロオレフィン系樹脂またはフッ素系樹脂などの高分子材料を用いることができる。これら非通水性材料は、必ずしも透明である必要はなく透光性であれば良い。

ここで、ＬＥＤ１の光出射面は回路基板上方である。従って、ＬＥＤ１から出射した光は上方の非通水性材料７を透過した後、その屈折率と表面形状で規制される出射角を持って上方に輻射される。すなわち、非通水性材料７の表面形状をその粘度やポッティング量で制御したり、ポッティング型を用いて制御したりすることによって光の輻射角を制御することが可能となる。

蛍光体粒子８としては、希土類元素を含有したＹＡＧ蛍光体微粒子やカルコゲナイド化合物蛍光体微粒子を用いることができる。特に、カルコゲナイド蛍光体微粒子は発光効率が高いが、吸湿性が大きく、吸湿によって特性が劣化するものが多くある。本発明に示したように、カルコゲナイド蛍光体微粒子を非通水性材料中に混合することによって、この吸湿による劣化がなくなり、長寿命化を実現することができた。

蛍光体粒子８の平均粒径は、５ｎｍ〜５０μｍとすることができるが、特に１０〜５０μｍが好ましい。また、非通水性材料７に混合する蛍光体粒子８の濃度は５〜８０％の範囲であり、この濃度はＬＥＤ１の発光面上にある非通水性材料７の厚みと用いる蛍光体粒子８の波長変換効率に依存する。発光面上の非通水性材料７の厚みが１００μｍのとき、１０〜６５％程度とすることが好ましい。

ＬＥＤ１として青色ＬＥＤを用い、青色光で赤色の蛍光を発する赤色蛍光体粒子と、青色光で緑色の蛍光を発する緑色蛍光体粒子を所定の割合で非通水性材料７に混合して図１に示すＬＥＤ１を被覆することによって、ＬＥＤ１からの青色光が波長変換されて生じた緑色光と赤色光とそれにもとの青色光とが加法混色されて目的の色度を持った発光色を得ることが可能となる。この発光色による色再現範囲は、用いる赤色蛍光体粒子と緑色蛍光体粒子の材料や、これらの混合比率や、各々の蛍光体粒子の混合濃度や、各々の蛍光体粒子の平均粒径、および照射する青色光の強度を調節することによって任意に制御することが可能となる。

図２は本実施例の照明装置の構成を模式的に示す断面図である。本実施例が実施例１と異なるところは、回路基板３のＬＥＤ側表面が第二非通水性材料１０によって被覆されていることである。この場合も、実施例１と同様の蛍光体粒子を用いることができる。第二非通水性材料１０は、非通水性材料７と同一の材料であっても異なっていても良い。特に第二非通水性材料１０は、非通水性材料７のように高粘度である必要がないために、または形状を形作る必要がないために、上述の高分子材料以外にも二酸化珪素やガラスなどの無機材料を用いることができる。これらの無機材料はゾルゲル法などを用いて容易に形成することができる。この第二非通水性材料１０は、導電性台座２と電気配線５との接合部や、電気配線４とワイヤー６との接合部を除いて、回路基板３のＬＥＤ１側表面を被覆するように形成されている。

具体的には、導電性台座２と電気配線５との接合部や、電気配線４とワイヤー６との接合部を撥水処理した後、無機ゾルを回路基板の表面にコートする。その後、１２０〜２２０℃で焼成することによって第二非通水性材料１０を形成する。あるいは、回路基板の表面に無機ゾルを一様にコートした後、８０〜１２０℃で仮焼成し、フォト工程によって導電性台座２と電気配線５との接合部や電気配線４とワイヤー６との接合部をエッチング除去し、さらに１２０〜２２０℃で焼成して形成しても良い。

蛍光体粒子８は実施例１に示すように、ＬＥＤ１として青色ＬＥＤを用いる場合は、青色光で赤色の蛍光を発する赤色蛍光体粒子と、青色光で緑色の蛍光を発する緑色蛍光体粒子を所定の割合で混合して用いることができる。もちろん、演色性は悪くなるが、青色ＬＥＤに対して青色光で緑色または黄色の蛍光を発する緑色蛍光体粒子だけ、または黄色蛍光体粒子だけを所定の濃度で混合しても良いことは言うまでもない。

本実施例のように、第二非通水性材料１０を回路基板３のＬＥＤ１側表面に形成することによって、回路基板３側から侵入する環境からの水分を遮断することが可能となり、蛍光体粒子８の水分による劣化をさらに低減させることができる。特に回路基板３としてポリイミドなどの高分子材料を用いたＦＰＣなどでは、回路基板３側からの水分の影響が大きいために、第二非通水性材料１０の効果は大きくなる。

図３は本実施例の照明装置の構成を模式的に示す断面図である。本実施例では、少なくともＬＥＤ１と導電性台座２とが完全に覆われるように蛍光体粒子８が混合された透光性材料１１で被覆し、その表面を透光性の非通水性材料７で被覆した構造になっている。透光性材料１１としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、スチレン樹脂、エポキシ樹脂等の通常の透光性樹脂を用いることができ、扱いが容易で蛍光体粒子を混合することも容易である。しかしながら、上述の透光性材料１１は通水性が大きいために、表面が外部環境と接触していると水分が通過して内部に混合されている蛍光体粒子を劣化させてしまう。従って、本実施例では、樹脂が混合された透光性材料１１の表面を非通水性材料７で被覆して環境からの水分が蛍光体粒子８に到達するのを防いだ。また、回路基板３側からの水分は、第二実施例と同様に、第二非通水性材料１０を回路基板３表面に塗布することによって防ぐ構造とした。

このように、本実施例では、少なくともＬＥＤ１と導電性台座２とを透光性樹脂１１で被覆し、その上にシクロオレフィン樹脂やフッ素樹脂やシリコン樹脂などの非通水性材料７で被覆し、さらに回路基板３上を第二非通水性材料１０で被覆することによって、蛍光体粒子８が環境の水分によって劣化することなく、長時間に渡って高い輝度と演色性を有する光源とすることができた。

図４は本実施例の照明装置の構成を模式的に示す断面図である。図４では、図３と同様の作用を有する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施例が実施例３と異なっているところは、回路基板３の裏面に第三非通水性材料１２が形成されている点である。回路基板３の電気配線形成面は、電気配線４と５による凹凸が形成されているために、ＬＥＤ１側表面を覆っている第二非通水性材料１０に亀裂等が発生しやすくなると同時に電気配線４と５のエッジ部の被覆厚が薄くなってしまう。そのため、特に薄いＦＰＣ基板を用いるときは、第二非通水性材料１０だけでは十分な水分遮断効果が得られなくなる場合がある。本実施例では回路基板３の裏面に第三非通水性材料１２を形成した。第三非通水性材料１２としては、第二非通水性材料１０と同様に、シクロオレフィン樹脂やフッ素樹脂やシリコン樹脂などの高分子非通水性材料や、二酸化珪素やガラスなどの無機非通水性材料を用いることができる。このような構成では、回路基板３の裏面には電気配線等が形成されていないために一様な被覆が可能となると同時に、ＬＥＤ１との電気的接合のための開口を設ける必要がないために比較的厚い膜を形成することができる。そのために、高い非通水特性を実現することができる。

図５は本実施例の照明装置の構成を模式的に示す断面図である。図示するように、本実施例では、ＬＥＤ１と導電性台座２とを被覆する非通水性材料７の中に蛍光体ビーズ１３が混合されている。蛍光体ビーズ１３の２種類の具体例を、図６と図７に示す。

図６に示す蛍光体ビーズ１３は、球状の非通水性材料１４の中に蛍光体粒子１５が複数混合されている。図６に示すような蛍光体ビーズ１３は、蛍光体粒子１５が分散された非通水性材料の原料中でビーズを合成することによって容易に作製することができる。非通水性材料としては、シクロオレフィン樹脂やフッ素樹脂やシリコン樹脂などの高分子非通水性材料や、二酸化珪素やガラスなどの無機非通水性材料を用いることができる。図６に示す蛍光体ビーズ１３は、ビーズ中に複数の蛍光体微粒子を入れるために、蛍光体粒子の粒径をビーズ径よりも小さくしなければならない。実際、蛍光体粒子の粒径はビーズ径の１／５程度以下にするのが望ましい。具体的には、蛍光体粒子の平均粒径は５ｎｍ〜１０μｍ程度であるのが望ましい。

また、図７に示す蛍光体ビーズ１３は、１つの蛍光体粒子１５の周りを非通水性材料１４で被覆している。一般に、市販の蛍光体粒子は１０〜５０μｍ程度の粒径である。そのため、図７に示すように１つ１つの蛍光体粒子１５を被覆することによって、蛍光体粒子の材用選定の自由度が広がり、発光色設計も容易になる。

このように、非通水性材料７の中に蛍光体ビーズ１３を混合することによって、さらに環境の水分による劣化の少ない光源とすることができた。もちろん、本実施例でも、ＬＥＤ１として青色ＬＥＤを用い、青色光を緑色光に変換する緑色蛍光体粒子を用いた緑色蛍光体ビーズと、青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体粒子を用いた赤色蛍光体ビーズとを所定の割合で非通水性材料７中に混合することによって、青色光、緑色光、赤色光の混色比を最適化した白色光源を実現することができた。

図８は本実施例の照明装置の構成を模式的に示す断面図である。本実施例が実施例１から実施例５と異なる点は、赤色蛍光体粒子２３を非通水性材料７ａに混合し、緑色蛍光体粒子２４を第二の非通水性材料７ｂに混合し、回路基板３上に二層に分けてポッティングしている点である。赤色蛍光体粒子２３のほうが水分による劣化が早い場合、外気と遠い位置に配置することと、非通水性材料７ａと７ｂ間の界面の存在により、赤色蛍光体２３に対する劣化速度を緩めることが可能となる。

また、非通水性材料７ａと７ｂに同じ材質を選択し、先に非通水性材料７ａを硬化させた後、第二の非通水性材料７ｂをポッティングし硬化させる場合でも界面が発生するため異なる材料を用いた場合と同様の効果が得られる。また、例えば非通水性材料７ａをＳｉＯ_２ のようなガラス材料にし、第二の非通水性材料７ｂをシリコン樹脂にするなど異なる材料とすることも可能である。異なる材料間の界面がより顕著に存在するため、異なる材料を用いるほうがより大きな効果が期待できる。

なお、本実施例では、赤色蛍光体２３を外気から遠い非通水性材料７ａに分散する構成について説明したが、これに限定されずより水分による劣化の早い蛍光体粒子を外気から遠い層へ分散させる構成とすることにより、本発明の効果を得ることができる。

以上説明した各実施例では、ＬＥＤが回路基板上に１つだけ実装されている場合を説明したが、ＬＥＤは回路基板上に何個実装しても良いことは明らかである。具体的には、ＬＥＤを線状に配列したり、行列状に配列したり、任意の配置で配列したりすることができる。

図９に、本発明による表示装置の構成を模式的に示す。前述の実施例で説明した構成の照明装置が液晶表示素子を照明するために設けられている。光源１６は基板１７上に実装されており、基板１７からは例えばＦＰＣなどの配線２１が外部へ出ている。光源１６の上部には導光板２２、拡散シート１９、液晶表示素子１８が配置されている。これらの部材はすべて筐体２０によって保護・固定されている。図９では拡散シート１９が設けられているが、拡散シートの代わりにプリズムシートを配しても良いし、基板１７の下部に反射シートを配しても良い。また、これらすべてを配する構成であっても良い。

本発明による照明装置の光源の構成を示す模式的斜視図である。 本発明による照明装置の光源部の断面構成を示す模式図である。 本発明による照明装置の光源部の断面構成を示す模式図である。 本発明による照明装置の光源部の断面構成を示す模式的である。 本発明による照明装置の光源部の断面構成を示す模式図である。 本発明で用いた蛍光体ビーズの構成を示す模式図である。 本発明で用いた蛍光体ビーズの構成を示す模式図である。 本発明による照明装置の光源部の構成を示す模式図である。 本発明による液晶表示装置の構成を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ
２ 導電性台座
３ 回路基板
４、５ 電気配線
６ ワイヤー
７、７ａ、７ｂ 非通水性材料
８ 蛍光体粒子
９ 電極
１０ 第二非通水性材料
１１ 透光性材料
１２ 第三非通水性材料
１３ 蛍光体ビーズ
１４ 非通水性材料
１５ 蛍光体粒子
１６ 光源
１７ 基板
１８ 液晶表示素子
１９ 拡散シート
２０ 筐体
２１ 配線
２２ 導光板
２３ 赤色蛍光体粒子
２４ 緑色蛍光体粒子

Claims (6)

1. 電気配線と電極部が形成された回路基板と、
   前記電極部を除いた部分を被覆するように前記回路基板に設けられた二酸化珪素と、
   前記回路基板の前記電極部に実装され、青色光を出射する青色ＬＥＤ素子と、
   前記青色ＬＥＤ素子を被覆する第一の非通水性材料と、
   前記第一の非通水性材料の中に設けられ、前記青色光を緑色光に変換する緑色蛍光体粒子と、前記青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体粒子と、を備えることを特徴とする照明装置。
2. 電気配線と電極部が形成された回路基板と、
   前記電極部を除いた部分を被覆するように前記回路基板に設けられた二酸化珪素と、
   前記回路基板の前記電極部に実装され、青色光を出射する青色ＬＥＤ素子と、
   前記青色ＬＥＤ素子を被覆する透光性材料と、
   前記透光性材料の中に設けられ、前記青色光を緑色光に変換する緑色蛍光体粒子と、前記青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体粒子と、
   前記透光性材料を被覆する第一の非通水性材料と、
   を備えることを特徴とする照明装置。
3. 前記第一の非通水性材料は、前記赤色蛍光体粒子が分散された第一の非通水性材料層と、前記緑色蛍光体粒子が分散された第二の非通水性材料層が積層された構成であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記青色ＬＥＤ素子が実装されている面とは反対側の面に、前記回路基板を覆うように第三の非通水性材料が設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記回路基板がＦＰＣ基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載された構成の照明装置と、前記照明装置によって照明される非自発光型の表示素子と、を備えることを特徴とする表示装置。

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