JP5530778B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特にシャーシ内部に発生する熱を効率よく排熱できる液晶表示装置に関する。

近年、表示装置として、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）に代わって、発光型のプラズマディスプレイ表示装置や非発光型の液晶表示装置の使用が多くなっている。
このうち、液晶表示装置は、透過型の光変調素子として液晶パネルを用い、その背面に照明装置（以下、バックライトと称する）を備えて光を液晶パネルに照射する。そして、液晶パネルはバックライトから照射された光の透過率を制御することにより画像を形成している。

液晶パネルに光を照射するためのバックライトの方式としては、主として次の２つの方式が知られている。
１つは、液晶パネルの左右または上下端部に光源を配置し、側面から入射した光を平面方向に出射させるための導光板を介して照射するサイドライト方式がある。もう１つは、液晶パネルの背面から光を照射する直下方式がある。

液晶表示装置は、外形を薄く構成できることが特徴の１つとなっているが、近年はより薄く、消費電力の少ない液晶表示装置が望まれている。液晶表示装置を薄くすると、液晶表示装置の外形を構成するシャーシ内部に発生する熱を排熱するための空気流路の確保が困難になるため効率よく排熱できず、熱に弱い部分が温度上昇してしまうという問題が生じる。

そこで、例えば特許文献１にはサイドライト方式の液晶表示装置において、バックライトの光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用い、ＬＥＤで発生した熱を除熱するために光源搭載基板（ＬＥＤ実装基板）を放熱部材に接続して光源搭載基板の両面から放熱する構成が記載されている。

特開２００６−２３５３９９号公報

液晶パネルに光を照射するためのバックライト方式のうち、サイドライト方式は、光源が画面の端に集中して配置されるため、光源からの熱の放熱もしくは冷却が直下方式に比較して困難である。
一方、直下方式は、サイドライト方式に比べ使用する光源数が多くなるためコストおよび消費電力が上昇する。また、直下方式は、液晶パネルに表示される映像の輝度むらを低減するためには光源から液晶パネルまでの距離（すなわち液晶パネルの厚さ方向の距離）を大きくする必要があり、液晶表示装置の薄型化に不利である。さらに、光源から液晶パネルまでの距離をとることで、光源の制御による高いコントラスト比が得にくくなるという不利な点もある。
本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、例えば複数のＬＥＤを光源とした液晶表示装置において、放熱性能および画質を向上するのに好適な技術を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明の液晶表示装置は、液晶パネルを背面から照明する光源を備えたバックライトと、このバックライトを保持するシャーシとを備えた液晶表示装置において、前記バックライトは前記液晶パネルの表示面と平行な方向に光を放出するＬＥＤと、前記ＬＥＤを搭載した配線基板と、前記ＬＥＤの光を前記液晶パネル方向へ導くための透光性を有する導光板とを組み合わせた複数の光源ユニットと、前記光源ユニットを支持する金属シャーシと、前記配線基板の前記ＬＥＤを搭載する面の裏面と前記金属シャーシとの間に密着して挿入された放熱シートとを有し、前記配線基板の前記裏面には配線パターンが形成されており、前記ＬＥＤ外周から所定の距離以内に形成された前記配線パターンと前記金属シャーシとを、前記放熱シートを介して接続したことを特徴とする。

好ましくは、上記前記配線板は、基材と、該基材の両面に設けられた配線パターンと、前記配線パターンの所定箇所を電気的に絶縁するレジストと、前記両面の配線パターン間を電気的に接続するするスルホールとを有する。

また好ましくは、前記所定の距離は、２０ｍｍ以内である。

また好ましくは、前記裏面の配線パターンに半田を盛り、前記半田を盛った部部分と前記放熱シートを介して密着して前記金属シャーシに取り付けるものである。

また好ましくは、前記配線基板の裏面には、他の回路基板への接続のためのコネクタが搭載される。

さらに好ましくは、前記配線基板は、前記液晶パネルの表示面と水平方向若しくは垂直方向の少なくとも１方向に、複数行若しくは複数列配置されるものである。

本発明によれば、液晶表示装置の薄型化を可能としつつ、放熱性能が向上した液晶表示装置を提供することができる。

液晶表示装置の第１実施例を示す図で、内部を正面から見た図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。 第１の実施例に用いる配線基板の部品図である。 サイドビュー型のＬＥＤをＬＥＤ基板に搭載した実施例を説明するための図である。 参照の配線基板の断面図をＬＥＤの実装部分まで延長して示した図である。 本発明の一実施例に係る配線基板の断面図をＬＥＤの実装部分まで延長して示した図である。 本発明に係る液晶表示装置に用いられる配線基板の一実施例の構成についての温度解析結果を説明するための図である。 本発明に係る液晶表示装置に用いられる配線基板の一実施例の構成について、実験用の基板で実際に温度を測定したときの測定条件を説明するための図である。 サイドビュー型のＬＥＤを使用した場合の、図１のＢ−Ｂ断面の部分拡大図である。 本発明のＬＥＤを光源として実装する配線基板の一実施例を示す図である。 本発明の配線基板を、ＬＥＤ実装面の裏面から見た一実施例の図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。

本発明を適用した液晶表示装置の一例である液晶表示装置を図１および図２に示す。
図１は、第１実施形態の液晶表示装置１内部の正面図である。
図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ断面の部分拡大図である。
図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ断面の部分拡大図である。

本実施例に係る液晶表示装置は、図２（ａ）に示されるように、パッシブ表示デバイスとしての液晶パネル２と、この液晶パネル２に光を照射するためのバックライトユニット３と、液晶パネル２とバックライトユニット３との間に配置され、バックライトユニット３の光を拡散させるための光学シート４を備えている。液晶パネル２は、カラーフィルタ付きでも、モノクロでもよく、ＩＰＳ方式，ＶＡ方式でもよい。バックライトユニット３は、たとえば、アルミ板や鋼板などの金属で箱型に成形されたシャーシ５の内部に組み付けられる。また、シャーシ５の背面には、信号制御回路，電源回路，パネル駆動回路などの回路基板６が搭載され、これらの要素を収納する背面カバー７などを含んで構成されるものとする。また光学シート４は、図２（ａ）では模式的に１枚としているが、実際は、拡散シート，プリズムシート，拡散板，偏光選択性の反射フィルムなどのいずれかを組み合わせて構成されている。これらのシートは、光源８から出射された光の一部を反射し、バックライトユニット３側に光を反射させるため、バックライトユニット３から再度反射された光が透過，拡散し、輝度均一性を高める効果がある。
また、バックライトユニット３は、図１に示すように、複数の行（水平方向：Ｃ方向）と複数の列（垂直方向：Ａ方向）の導光板ブロック２０に分割されて構成される（図１の実施例では、８列９行）。

バックライトユニット３は、図２（ｂ）に示すように、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を搭載した配線基板９と、配線基板９に設けられたアルミなどの熱伝導性の材料をＬ字状に成形したヒートシンク１０と、該光源８から矢印Ａの方向（即ち、液晶パネル２と平行な方向）に放出された光が導光板１１に入射され、これを矢印Ｂの方向（即ち、液晶パネル２の表示面と直交する方向）に折り曲げて面状に出射するバックライトユニット３の前面に配置される液晶パネル２に導くための導光板１１とを組み合わせた光源ユニット１２を含んでいる。この光源ユニット１２は、図１に示されるように矢印Ａの方向、および矢印Ｃの方向、すなわち液晶パネル２の表示面と平行な方向に複数個配列されている。

また例えば、光源ユニット１２をＡ方向に８個、Ｃ方向に１６個配置する場合は、各光源ユニット１２に対応して液晶パネル２の表示領域が１２８領域に分割され、その分割領域毎にその明るさや色などを制御することができる。勿論、光源ユニット１２の数（表示領域の分割数）はこれに限られるものではない。光源ユニット１２の数が多いほど決め細かい制御が可能となるが、多すぎると部品点数やコストの大幅な上昇になるので、液晶パネル２のサイズに応じて適切な数を設定することが望ましい。

また、図２（ｂ）に示すように、光源ユニット１２のシャーシ５への組み付けは、１つもしくは複数の光源ユニット１２をアルミなどの熱伝導性の金属からなるサブシャーシ１３にあらかじめ固定し、光源ユニット１２を搭載したサブシャーシ１３をシャーシ５に取り付けるようにしてもよい。これにより、組み立て性を向上することができる。バックライトユニット３を光源ユニット１２に分割し、配列することで、画面サイズが変わっても光源ユニット１２の共有化ができ画面サイズ展開が低コストで図れる。

さらに、本実施例の光源ユニットの詳細について図３を用いて説明する。
図３は、光源８として発光ダイオード（ＬＥＤ）を実装する配線基板９を示す。
図３は、ＬＥＤ搭載前の状態であるが、ＬＥＤ８はＬＥＤの電極に対応して形成した配線パッド部９ａに半田接続される。配線基板９には、ＬＥＤ搭載面９ｂ及び裏面においてＬＥＤ８への給電用の、例えば銅を使用した配線パターン９ｃが形成される。表面の配線パターン９ｃと裏面の配線パターン（図示せず）とは、複数のスルホール９ｄにより電気的および熱的に接続される。ＬＥＤ８で発生する熱は、表面の配線パターン９ｃで面方向に拡散されるとともにスルホール９ｄを介して裏面に熱伝導され、さらに裏面の配線パターンによって面方向に拡散される。

表裏で熱拡散された後、後述するように図２（ｂ）に示したヒートシンク１０およびサブシャーシ１３に熱が伝えられる。配線基板の裏面は全面がヒートシンク１０に接続されるので、ＬＥＤ８の熱ができるだけ短距離で裏面に伝えられるようスルホール９ｄは、なるべくＬＥＤ８が実装されるパターン部９ａに近いほうが望ましい。

ＬＥＤ８は、例えばＲＧＢ三色の発光素子の組を複数設けた構成としてもよく、またＲＧＢ以外の色（例えば、シアン、マゼンタ、イエロー）の組を用いてもよい。複数色の発光素子を使用する場合は、これら異なる色の発光素子からの光を混色させるための光学部品を光源８に設けてもよい。また、単一色（例えば白色）の発光素子を複数設けた構成としてもよい。

図２のバックライトユニット３において、ＬＥＤはトップビュー型の実装構造である。しかし、ＬＥＤの実装構造として、光源としてＬＥＤを使用し、導光板に光を伝播させ面状に出社するバックライトにおいて、図３の配線基板９と同じパターンでヒートシンク１０を介さず、シャーシ５に直接組み付けるサイドビュー型も考えられる。この場合、トップビュー型と比べて、ヒートシンク１０必要としないので、部品点数が削減でき、また、シャーシ５を通って裏面に熱が伝わり易い特徴がある。
図９はサイドビュー型のＬＥＤを光源として用いた場合における図１のＢ−Ｂ断面の部分拡大図である。
図９に示すように、サイドビュー型のＬＥＤ５０２は、配線基板５０２に半田、導電性接着剤等で熱的、電気的および機械的に接続され、配線基板４０１は図示しない放熱シート（図６参照）を介してシャーシ５に熱的および機械的に接続されている。

さらに、図９に示された実施例に係る光源ユニットの詳細について図１０を用いて説明する。
図１０は、ＬＥＤ５０２を光源として実装する配線基板４０１を示す。
図１０は、ＬＥＤ５０２搭載前の状態であるが、ＬＥＤ５０２はＬＥＤの電極に対応して形成した配線パッド部９ａに半田若しくは導電性接着剤で接続される。配線基板４０１には、ＬＥＤ搭載面９ｂ及び裏面においてＬＥＤ５０２への給電用の銅の配線パターン９ｃが形成される。表面の配線パターン９ｃと裏面の配線パターン（図示せず）とは、複数のスルホール９ｄにより電気的および熱的に接続される。ＬＥＤ８で発生する熱は、表面の配線パターン９ｃで面方向に拡散されるとともにスルホール９ｄを介して裏面に熱伝導され、さらに裏面の配線パターン（図６参照）によって面方向に拡散される。
配線基板４０１の裏面の、ＬＥＤ５０２直下の所定の範囲にはレジストが無いため、ＬＥＤ５０２で発生した熱は、直接、放熱シート５０１を通って、シャーシ８０３に伝導し、その結果、放熱性が向上し、冷却効率が改善される。
好ましくは、図４（ｃ）、図６、図１１、等において、レジストなしの部分に、半田を盛る。この結果、放熱シートと配線基板の裏面との接着面積の増大と、熱抵抗の減少とを図ることができる。
また好ましくは、図４（ｃ）、図６、図１１、等において、レジストなしの部分に、熱伝導性接着剤若しくは熱伝導性樹脂を塗布する。この結果、放熱シートと配線基板の裏面との接着面積の増大と、熱抵抗の減少とを図ることができる。

ＬＥＤ５０２は、例えばＲＧＢ三色の発光素子の組を複数設けた構成としてもよく、またＲＧＢ以外の色（例えば、シアン、マゼンタ、イエロー）の組を用いてもよい。複数色の発光素子を使用する場合は、これら異なる色の発光素子からの光を混色させるための光学部品を光源８に設けてもよい。また、単一色（例えば白色）の発光素子を複数設けた構成としてもよい。
なお、図１０の実施例の場合には、ＬＥＤ５０２以外の部品が、領域１００６部分に実装されているが、部品、配線パターン、レジスト等は図示していない。また、好ましくは、基板４０１は、図１のそれぞれの光源ユニット１２毎に、水平方向（矢印Ｃ）と垂直方向（矢印Ａ）に配列される。

図１１は、配線基板４０１を、ＬＥＤ実装面の裏面９ｂから見た一実施例の図である。斜線枠の領域１０４１は、ＬＥＤ５０２のＬＥＤ電極パッド発熱部に対応する配線パッド部９ａの裏面９ｅから所定の距離まで、レジストなし（図４（ｃ）若しくは図６参照）の領域があることを示す。また、領域１００６ｅを含め、裏面９ｅの他の領域には、必要箇所以外にレジストがかかっている。なお好ましくは、領域１００６ｅには、他の回路基板への接続のためのコネクタが搭載される他は、実装される部品はない。
上記図１１の実施例では、レジストなしの領域は、長方形であった。しかし、形状は任意であり、ＬＥＤからの距離も状況に応じて設計自由である。
さらに好ましくは、レジストなしの領域は、ＬＥＤ外周から２０ｍｍ以内である。

図４は、サイドビュー型のＬＥＤをＬＥＤ実装基板（配線基板）に搭載した実施例を説明するための図である。図４（ａ）はＬＥＤ実装面の斜視図、図４（ｂ）と図４（ｃ）は、図４（ａ）におけるスルホール４０３付近を、視点Ｃの方向から見たＣ−Ｃ断面図である。また、図４（ｃ）は本発明の一実施例の断面図で、図４（ｂ）は参照の断面図である。
４０１と４０１’は配線基板で、図３に示した配線基板９の一部分を示している。５０２はサイドビュー型のＬＥＤ、４０３〜４０８はスルホール、４２１はレジスト、４２２は配線パターンを形成する銅の配線パターン、４２３はレジスト、４２４は配線基板の基材、４２５はスルホール、４４１はレジストの無い部分である。基材４２４は、例えば、ガラスエポキシ樹脂で構成される。

参照図の図４（ｂ）に示すように、通常、配線基板４０１の裏面側（ＬＥＤ５０２の実装面と逆側の面）のスルホール４２５周辺のレジストが実装面側とほぼ同規模面積で覆っている。しかし、本実施例では、図４（ｃ）に示すように、裏面側のスルホール４２５周辺の所定範囲について、レジストがない配線基板４０１としたものである。
例えば、図４（ｃ）において、銅の配線パターン４２２の厚さは３５〜１００μｍ若しくは９０〜１００μｍであり、レジスト４２１、４２３の厚さは３７〜８０μｍである。また、基材４２４の厚さは１０００〜１６００μｍである。

図５、図６、図７および図８を用いて、図４（ｂ）の参照図の配線基板４０１’と図４（ｃ）の本発明の配線基板４０１の温度解析について説明する。図５は、配線基板４０１’の断面図をＬＥＤ５０２の実装部分まで延長して示した図で、図４（ｂ）では省略して図示しなかったシャーシ５０１も示した図である。また、図６は、本発明に係る液晶表示装置に用いられる配線基板４０１の断面図をＬＥＤ５０２の実装部分まで延長して示した図で、図４（ｂ）では省略して図示しなかった放熱シート５０１も示した図である。図７は、本発明に係る液晶表示装置に用いられる配線基板の一実施例の構成についての机上計算による温度解析結果を説明するための図である。また図８は、本発明の液晶表示装置の配線基板の一実施例の構成について、実験用の基板で実際に温度を測定したときの測定条件を説明するための図である。

図５に示す参照の配線基板４０１’と図６に示す本発明の一実施例の配線基板４０１では、基材４２４として厚さが１．５ｍｍのガラスエポキシ樹脂、銅の配線パターン４２２の厚さが９０〜１００μｍ、レジスト４２１の膜厚が１００μｍ、および、厚さが０．５ｍｍの放熱シート５０１を使用した。また、放熱シート５０１は両面接着材で配線基板４０１’または４０１側と、また、裏面には、図示しない鉄等の金属板と接着される。
図５および図６において、机上計算の条件として、ＬＥＤ５０２の電力Ｑを０．３６Ｗ（１２０ｍＡ、３Ｖ）、配線基板の放熱パターン面積Ａ（１つのＬＥＤ当たり）を１５ｍｍ×２０ｍｍ、配線基板の放熱パターンサイズの寄与率ｓを５０％、レジスト４２１の厚さを１００μｍ、レジスト４２１の熱伝導率λを０．２Ｗ／ｍ・Ｋとし、熱抵抗Ｒと温度差△Ｔを式（１）と式（２）で算出して、
Ｒ＝（１／λ）・（ｔ／Ａ／ｓ） ・・・式（１）
△Ｔ＝Ｒ・Ｑ ・・・式（２）
熱抵抗Ｒ＝３．３２（℃／Ｗ）、改善効果として、温度差△Ｔ＝１．２℃と算出した。

その結果、例えば図７の、曲線を大まかな境目とした、温度差の領域（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、および（７）のように、熱伝導され、ＬＥＤから発生する熱が、シャーシ８０３に方向に拡散し、放熱される。例えば、ＬＥＤ電極パッドの発熱量をどちらも０．３２Ｗとすると、領域（１）の温度ｔ１はほぼ９３≧ｔ１＞９１．５℃、領域（２）の温度ｔ２はほぼ９１．５≧ｔ２＞９１℃、領域（３）の温度ｔ３はほぼ９１≧ｔ３＞９０℃、領域（４）の温度ｔ４はほぼ９０≧ｔ３＞８８．５℃、（５）の温度ｔ５はほぼ８８≧ｔ５＞８７℃、領域（６）の温度ｔ６はほぼ８７≧ｔ６＞８６．５℃、（７）の温度ｔ７はほぼ８６．５≧ｔ４＞８６℃となる。
領域（４）と領域（５）の間には、レジストが存在しており、レジストでほぼ０．５℃の温度差がある。このレジストを削除することで、放熱性を高め、０．５℃配線基板の温度を低くすることができる。
なお、図７では、スルホール領域の温度を図示していない。図示すれば、スルホール領域の温度は下方（配線基板裏面方向）まで、周囲より高い温度となっていることは明らかである。

次に、図８に示す断面図で示す構成で、実際に温度測定を行った。図８では、ＬＥＤの替わりに同様の熱を発生するヒータとして、３２１６型のチップ抵抗体８０２を配線基板４０１に実装した。また、液晶表示装置のバックライト内部と同様な閉所性を持たせるために、ウレタンフォーム等の断熱材８０１で、チップ抵抗体８０２、配線基板４０１、放熱シート５０１を封止した。
配線基板４０１の裏面は、両面接着材付きの放熱シート５０１を介してシャーシ８０３と熱的に接続している。ＬＥＤ５０２がチップ抵抗体８０２に替わっている以外は、図５または図６の条件とほぼ同様にして温度を測定した。
その結果、参照の配線基板４０１’では、周囲温度２０．８℃、レジスト厚１００μｍとして、ヒートラン後３０．１℃となり、９．３℃上昇するのに比べ、本発明の配線基板４０１場合には、ヒートラン後２７．５℃となり、６．７℃上昇する。即ち、参照の配線基板に比べ、本発明の配線基板では、ＬＥＤ実装面の裏面のレジストを、ＬＥＤを中心として所定の範囲除去することにより、２．６℃温度を低くでき、放熱性、冷却性が改善されることが分かった。

本実施例によれば、液晶表示装置の薄型化を可能としつつ、放熱性能が向上した液晶表示装置を提供することができる。

１：液晶表示装置、 ２：液晶パネル、 ３：バックライトユニット、 ４：光学シート、 ５：シャーシ、 ６：回路基板、 ７：背面カバー、 ８：ＬＥＤ、 ９：配線基板、 １０，１６：ヒートシンク、 １１：導光板、 １１ｅ：導光板凸部、 １２：光源ユニット、 １３：サブシャーシ、 １４：切り起こし片（位置決め部材）、 １５：フレキシブル配線基板、 １８：第２のヒートシンク、 ４０１、４０１’：配線基板、 ４０３〜４０８：スルホール、 ４２１：レジスト、 ４２２：銅の配線パターン、 ４２３：レジスト、 ４２４：基材、 ４２５：スルホール、 ４４１：レジストの無い部分、 ５０１：放熱シート、 ５０２：ＬＥＤ、 ９０５：固定金具、 ９０６：反射シート、 ９１１：導光板、 １００６：部品実装面、 １０４１：レジストなし領域。

Claims (6)

1. 液晶パネルを背面から照明する光源を備えたバックライトと、このバックライトを保持するシャーシとを備えた液晶表示装置において、
   前記バックライトは前記液晶パネルの表示面と平行な方向に光を放出するＬＥＤと、前記ＬＥＤを搭載した配線基板と、前記ＬＥＤの光を前記液晶パネル方向へ導くための透光性を有する導光板とを組み合わせた複数の光源ユニットと、前記光源ユニットを支持する金属シャーシと、前記配線基板の前記ＬＥＤを搭載する面の裏面と前記金属シャーシとの間に密着して挿入された放熱シートとを有し、
   前記ＬＥＤはサイドビュー型のＬＥＤであり、該サイドビュー型のＬＥＤが搭載された配線基板が前記導光板の背面側と前記金属シャーシとの間に配置されており、
   前記配線基板は、基材と、該基材の前記ＬＥＤを搭載する面と前記裏面とに形成された配線パターンと、前記配線パターンを覆い且つ前記配線パターンの所定箇所を電気的に絶縁するレジストと、前記ＬＥＤを搭載する面と前記裏面の配線パターン間を電気的に接続するスルホールとを有し、
   前記配線基板の前記裏面の、前記ＬＥＤ外周から所定の範囲内は前記レジストが無い領域であり、前記スルホールを前記レジストが無い領域に設け、前記配線基板の裏面と前記金属シャーシとを、前記放熱シートを介して接続したことを特徴とする液晶表示装置。
2. 請求項１記載の液晶表示装置において、前記レジストが無い領域に熱伝導性接着剤若しくは熱伝導性樹脂を塗布して前記放熱シートを前記配線基板の裏面に接着したことを特徴とする液晶表示装置。
3. 請求項１または請求項２記載の液晶表示装置において、前記所定の範囲は、前記ＬＥＤの外周から２０ｍｍ以内であることを特徴とする液晶表示装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の液晶表示装置において、前記配線基板の裏面には、他の回路基板への接続のためのコネクタが搭載されることを特徴とする液晶表示装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の液晶表示装置において、前記配線基板は、前記液晶パネルの表示面と水平方向若しくは垂直方向の少なくとも１方向に、複数行若しくは複数列配置されたことを特徴とする液晶表示装置。
6. 請求項１記載の液晶表示装置において、前記配線基板の基材は、ガラスエポキシ樹脂であることを特徴とする液晶表示装置。

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