JP5733876B2 - フリップ型発光ダイオードをもつ薄型バックライト - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイのためのバックライトに関し、具体的には、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いるバックライトを照射することに関する。

液晶ディスプレイ（ＬＥＤ）のために用いられる多数の種類のバックライトがある。一般に、フルカラーのバックライトにおいて、バックライトを照射するために用いられる光は、赤色、緑色、及び青色の成分を有する。蛍光ランプは、最も一般的に光源として用いられる。高出力ＬＥＤの発展に伴い、そのようなＬＥＤは、幾つかの用途において蛍光ランプに取って代わってきている。赤色、緑色、及び青色ＬＥＤの組み合わせを用いてもよいし、又は「白色」ＬＥＤを用いてもよい。白色ＬＥＤは、結果としてもたらされる光が白色に見えるように、波長変換蛍光体で覆われた青色又はＵＶのＬＥＤを用いる。

小型又は中型ＬＣＤのための標準的なバックライトは、ポリマーから形成された固体の透明光導波路を用いる。蛍光灯又はＬＥＤのどちらかである光源は、長方形の光導波路の１つの側縁に光学的に結合される。光導波路はくさび形状であってもよいし、又は、ファセット、或いは光導波路の面から液晶層上に光を一様に漏出する他の種類のリフレクタを有していてもよい。液晶層の赤色、緑色、及び青色ピクセルの位置は、ＬＣＤ画面上にカラーイメージを生成するＲＧＢピクセルのための光シャッタとして効果的に機能するように、電気信号によって制御される。

図１は、バックライトに１つ又はそれ以上のＬＥＤを用いる標準的なＬＣＤを示す。光源はＬＥＤモジュール１０である。モジュール１０は、反射キャビティ１６内に格納された、サブマウント１４に取り付けられたＬＥＤダイ１２を含む。キャビティは、固体光導波路２０の側縁に光学的に結合された窓１８を有する。ＬＥＤ１２は青色光を放射することができ、ＬＥＤ上の蛍光層（例えばＹＡＧ：Ｃｅ）は青色光の幾らかを漏出し、黄緑色光を放射するため、混合光は白色になる。代替的に、光導波路２０に赤色、緑色、及び青色の光成分を供給するために、多数のカラーＬＥＤがあってもよい。

ＬＥＤダイ１２上の金属パッドは、サブマウント１４上の対応するパッドに結合される。ＬＥＤダイ１２は、フリップチップ型であってもよいし、又は結合は配線によるものであってもよい。サブマウント１４は、プリント基板（ＰＣＢ）２４に接続する端子２２を有する。ＰＣＢ２４は、端子２２をＬＥＤドライバ２６に接続する導体パターンを有する。

ＬＥＤダイ１２及びサブマウント１４は、或いは、固体光導波路２０に形成されたキャビティ内に配置してもよい。

拡散器２８及び輝度増強膜（ＢＥＦ）３０は、狭い視覚内で光をより一様かつより明るくするために、光導波路２０の上に配置される。

液晶層３２は、ＢＥＦ３０膜上に配置される。ＬＣＤドライバ３４は、ＬＣＤ上にイメージを表示するために、各ＲＧＢピクセル位置において電場を制御する。

底面反射膜３６は、光導波路におけるすべての光を液相層３２の方向に上方に反射する。光導波路２０は、くさび形状であってもよいし、表面上で粗面化されてもよいし、ファセットを有してもよいし、又は上面を通る光を漏出する他の変形を有していてもよい。

携帯電話、個人用携帯型情報端子（ＰＤＡ）、デジタルカメラ、及び他の小型デバイスに適するような、非常に薄型で小型のＬＣＤにおいては、液晶層は０．７５ｍｍほど薄い場合があり、拡散器２８及びＢＥＦ３０は０．２５ｍｍの組み合わせ厚さを有することができ、光導波路２０及びリフレクタ３６は０．６ｍｍの組み合わせ厚さを有する場合があり、合計厚さは約１．６ｍｍとなる。これらの厚さは、現在到達している最も薄い厚さであると信じられている。

ＬＤＣモジュール１０の合計高さは、光導波路／拡散器と同じだけ薄く作ることができる。ＰＣＢ２４は、ＬＥＤモジュール１０及び電気端子に機械的支持を与えるため、ＬＣＤに大幅な厚さを加える。ＰＣＢはまた、ＬＥＤの電力レベルに応じて、サブマウント１４から熱を取り除くために役立つことができる。ＰＣＢは、１．５ｍｍほどの厚さである場合がある。

非常に薄型のデバイスにおいては、ＬＣＤの厚さをさらに縮小することが望ましい。

いずれのプリント基板も用いずに、１つ又はそれ以上のＬＥＤをＬＣＤ内に取り付けて、通常のＰＣＢのおおよその厚さだけＬＣＤの厚さを減少させる、ＬＣＤの種々の実施形態が説明される。

一実施形態においては、ＬＥＤ及びサブマウントは、サブマウントがＬＣＤの液晶層側に対向するように、ＬＣＤ内に「逆さま」に取り付けられる。従って、液晶層はサブマウント及びＬＥＤダイに機械的支持を与える。（サブマウント上に取り付けられた）ＬＥＤダイは、光導波路の「上」面に形成されたキャビティに挿入することができ、光導波路の上面は液晶層、任意の拡散器、及び光導波路と液晶層との間のＢＥＦに当接する。そのような構成においては、全ての支持部品を含むＬＥＤ光源は、ＬＣＤにどのような厚さも加えない。

ＬＥＤは、白色光ＬＥＤであってもよいし、又は、赤色、緑色、及び青色の光成分で液晶層を照射するために複数のＬＥＤを含んでもよい。

別の実施形態においては、ＬＥＤダイに対向するＬＣＤの「底」面上には、２つの状態を有する電気切り替え可能ミラーがある。電気信号は、切り替え可能ミラーが、該ミラー上に当たる全ての光をＬＥＤの方向に反射して戻すように反射性になるようにするか、又は、光が切り替え可能ミラーを通過するように透過性になるようにする。光学レンズ、又は他の集光光学部品は、切り替え可能ミラーを通過する光をコリメートし、コリメートされた光は、携帯電話又はデジタル写真のための他のデバイスにおけるフラッシュとして、又はフラッシュ光として用いられる。ＬＥＤがフラッシュとして用いられる場合には、ＬＥＤを通して電流のパルスが与えられるように、好適なドライバ回路が設けられる。

さらに、他の実施形態も説明される。

様々な図において、同じ符号が付けられた要素は、同じ又は同等である。
図２は、本発明の一実施形態によるＬＣＤ４０を示す側面図である。図３は、図２のトップダウン透視図である。

ポリマー又はガラスから形成されるような固体透明光導波路４２は、その中にキャビティ４４が形成されており、そのキャビティは側面発光ＬＥＤ４６とほぼ同じ大きさを有する。側面発光ＬＥＤ４６は、ＬＥＤダイの周りの低角３６０度において、その光の大部分を放射する。このように、ＬＥＤ４６からの大部分の光は、直接、光導波路４２に透過される。任意のリフレクタは、光が側壁から逃げ出さないように、光導波路４２の側壁の周りに配置することができる。

底面リフレクタ４８は光導波路４２の光を液晶層の方向に上方に反射する。光導波路４２は、ファセットであるか、粗面化された表面であるか、又は光導波路４２の上表面から光を漏出させることを可能にする他の変形を有することができる。光導波路４２は、さらに、くさび形状であってもよい。光導波路から一様に光を漏出させるための多数の技術が周知である。

半透明膜とすることができる拡散器５０は、表面全体にわたる光の一様性を増加させるように、光導波路４２から光を拡散する。輝度増強膜（ＢＥＦ）５２は、より狭い視覚の中へ光の方向を変えて、視角内の輝度を増加させるようにする。そのようなＢＥＦ膜は周知のものである。

結果としてもたらされる光は、その後、液晶層５４の背面上に入射し、それは非常によく知られたものであり、詳細に説明される必要はない。液晶層の１つの種類は、基本的に、底面偏光子５６と、ガラス基板上の透明薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ５８と、液晶層６０と、ガラス基板上の透明接地層６２と、ＲＧＢピクセル位置に対応するＲＧＢフィルタ６４と、第２の偏光子６６とで構成される。ＬＣＤドライバ６８によって、選択されたピクセル位置でＴＦＴアレイ５８に適用された信号は、光の極性を変え、そのピクセル位置で光をＬＣＤ４０から、赤色、緑色、又は青色ピクセルとして出力させる。ＴＦＴ信号の適切な選択によって、カラーイメージがＬＣＤ４０により生成される。

ＬＥＤ４６は、サブマウント７０上に取り付けられる。サブマウント７０は、セラミック、シリコン、絶縁金属板、又は他の好適な材料から形成することができる。ＬＥＤ４６上の金属パッドは、サブマウント７０上の対応するパッドに結合される（はんだ屑７２が示される。）ＬＥＤ４６は、厚さを最小にするためにフリップチップ型であることが好ましく、フリップチップとは、サブマウント又は他の取り付け構造への直接結合のために、チップの「底」面上に全ての電気端子をもつチップである。サブマウント７０は、ＬＥＤドライバ７６に接続する端子７４を有する。ドライバ７６とＬＥＤ４６との間の電気的インターフェイスとして機能するサブマウント７０に加えて、サブマウント７０はまた、ＬＥＤ４６から熱を取り除くための放熱板として働く。サブマウント７０の表面は、光導波路４２の方向にＬＥＤ光を反射して戻すために、反射性であってもよい。

サブマウント７０とＬＥＤドライバ７６との間の電気的接続は、例えば、グールド・エレクトロニクスによって製造される、ＪＴＣ Ｆｌｅｘ（商標）のような、いわゆるフレックスフォイル相互接続によって、容易に実現することができる。代替技術として、サブマウント７０及び液晶層は、同じフレックスフォイル上で接続を共有してもよい。サブマウントが小さすぎて、フレックスフォイルに取り付けられない場合は、ワイヤボンディングを用いて、フレックスフォイルに対する電気的接続を行い、サブマウントの側面にクランプしてもよいし、又は、サブマウントをフレックスフォイル内の穴の中に配置（接着）してもよいし、又はＬＥＤ４６を薄いフレックスフォイルの上面上に直接取り付けてもよい。フレックスフォイルのような電気コネクタは、付加的に、ＬＥＤダイから熱を取り除くための放熱板として働くことができる。

金属ブラケット７８は、サブマウント７０を定位置に取り付けるため、及び付加的な放熱板として機能するために、液晶層の底面及びサブマウント７０の両方に接続される。金属ブラケット７８はまた、ＬＥＤの電力使用に応じて、付加的な放熱を提供するために、ＬＣＤ領域を超えて延びることができる。ブラケット７８及びサブマウント７０は、定位置に接着して取り付けてもよいし、又は熱伝導性テープ等による他の好適な方法で固定してもよい。別の実施形態によれば、サブマウント７０は、中間ブラケット７８を用いないで、液晶層５４に直接に取り付けられる。サブマウント７０を支持するために、１つ又はそれ以上の付加的な層を液晶層５４の底面に加えることができる。液晶層及び光導波路は、サブマウント７０から熱を除去する際の助けとなる。

金属ブラケットはまた、リードフレームであってもよく、そこでは金属ブラケットは少なくとも２つの部分に分けられ、各々の部分は、ＬＥＤダイにアノード電圧及びカソード電圧を提供する電気接続部であり、並びに、機械的支持及び放熱を提供する。ビアをもつサブマウントが用いられて、そのサブマウントはリードフレームにはんだ付けされるか、又はＬＥＤサブマウントがワイヤボンドによりリードフレームに接続されるかのどちらかである。

ＬＥＤ４６及びサブマウント７０は、機械的支持、放熱、及び電気的インターフェイスのためにどのようなプリント基板（ＰＣＢ）も必要としないため、ＬＣＤは図１の従来のＬＣＤよりもよりはるかに薄くすることができる。

液晶層上に逆さまにＬＥＤを取り付ける別の利点は、ＬＥＤ４６の発光部分からサブマウント７０への距離が非常に明確になることである。この構成によって、液晶層のインターフェイス及び光導波路とのサブマウント７０の位置合わせを正確に確定し、ＬＥＤ４６の発光部分を光導波路４２と正確に位置合わせすることができる。図１に示されるような従来技術の構成においては、光導波路に対するＬＥＤの発光部分の位置は、種々の部品（例えば、ＰＣＢ、サブマウント、リフレクタ）の大きさ及び位置合わせに基づいており、より大きな位置合わせ誤差が起こることがある。数ミクロンまでの位置合わせの正確さが超薄型バックライトに関連するのであれば、そのような位置合わせ誤差をなくすことは、顕著な進歩となる。

側面発光ＬＥＤは、最小の反射数で光導波路４２に光を結合するが、任意の種類のＬＥＤを図２の実施形態において用いることができる。サブマウントをもつ多数のＬＥＤは、光導波路４２の１つ又はそれ以上の側面又は角部に沿って、光を光導波路４２に結合するのに用いることができる。このことは、より大きなＬＣＤに必要になることがある。各々のＬＥＤは、図２に示されるように支持される。

様々な層の厚さは、本開示の背景技術の部分で説明されるものと同様とすることができ、結果として得られるＬＣＤ全体の厚さは、２ｍｍよりも少ない。

図４は、図２で用いることができる、１つの種類の側面発光白色光ＬＥＤ８２の断面図である。ＡｌＩｎＧａＮ材料から形成される青色ＬＥＤダイ８３は、その上に蛍光体層８４が付着又はめっきされている。蛍光体は、青色ＬＥＤによって励起されたときに、赤色及び緑色の光を放射し、青色光のいくらかを漏出させる。組み合わされた光は白色光である。多くの種類の白色光ＬＥＤが知られており、適している。側面発光レンズ８５は、ＬＥＤダイ８３からの光を反射及び屈折して、光の大部分がＬＥＤダイ８３の周りの低角で発光されるようにする。代替的に、赤色、緑色、及び青色ＬＥＤを用いて白色光を生成することができ、又は、赤色ＬＥＤと併せて白色光ＬＥＤを用いて光の赤色成分を増加させることができる。赤色、緑色、及び青色蛍光体をもつＵＶ ＬＥＤもまた、用いることができる。

ＬＥＤ８６は、基板７０の上に取り付けられた青色ＬＥＤダイ８７を含み、蛍光板８８がＬＥＤダイ８７の上部に取り付けられている。蛍光体組成は、本明細書に説明される、青色光と組み合わされた照射が白色光を生成する、任意の蛍光体組成とすることができる。上部にあるリフレクタ８９は、全ての光が、ＬＥＤ８６の側面から放射されることを保証する。

図５は、図２のＬＣＤ４０と多くの点で類似するＬＣＤ９０の側断面図であり、その類似点は繰り返す必要はない。図５においては、サブマウント７０は、液晶層５４に直接取り付けられるが、金属ブラケットもまた用いることができる。図５においては、光導波路４２の底部のリフレクタ４８は、ＬＥＤ４６の下に延びない。むしろ、電気切り替え可能ミラー９２が、ＬＥＤの下に配置される。切り替え可能ミラーは市販されており、一般に、通信用途における光スウィッチングのために用いられる。切り替え可能ミラーは、ミラー制御装置９４による、そのミラーに対する第１の電圧の印加による第１状態では反射性であり、第２の電圧の印加による第２の状態では透過性である。図５において、切り替え可能ミラーが第１の状態にあるときには、ミラーは衝突する光をキャビティ４４に反射して戻して、光導波路４２に結合されることができるようにする。このモードは、ＬＣＤだけが用いられるときに用いられる。

その第２の状態では、ＬＥＤ４６は、携帯電話におけるようなデジタルカメラのフラッシュ又はフラッシュ光として用いることができる。切り替え可能ミラー９２が透過性であるときには、ＬＥＤ光は集光光学部品９６（レンズ）によってコリメートされ、デジタル写真の対象を照射するために用いられる。携帯電話における通常のカメラ光学部品及び電子機器９８が示される。典型的には、ＬＣＤは写真の構図を決めるために用いられ、使用者はカメラのボタンを押し、切り替え可能ミラー９２は透過性になり、増加された電流パルスがドライバ７６によりＬＥＤ４６に供給されて明るいフラッシュを生成し、写真が現像されることになる。

図６は、図５のＬＣＤ及びフラッシュ機能を含む携帯電話のフリップ部分１００の側面図である。フラッシュ及びＬＣＤ画面は対向する側にあり、従来技術の図１と比較したときにＬＥＤを逆にすることによって可能になる。使用者が自分自身の写真を撮ることを望む場合のように、同じ側にフラッシュ及びＬＣＤを有することが望ましい場合には、フラッシュを携帯電話本体内に格納することができ、ＬＣＤは、曲げることができるフリップ部分内に収容することができる。

実施形態の任意の組み合わせが、可能である。ＬＣＤは、カラーであってもよいし又は単色であってもよい。

本発明が詳細に説明されたが、当業者であれば、本開示が与えられた場合、本明細書に説明される本発明の概念の精神から逸脱することなく、修正を行うことができることを理解するであろう。従って、本発明の範囲は図示され説明される特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。

ＬＥＤモジュールがプリント基板（ＰＣＢ）上に取り付けられた薄型ＬＣＤの側断面図である。 ＰＣＢの必要性をなくすようにサブマウントが液晶層及び／又は光導波路により支持されたＬＣＤの側断面図である。 液晶層、光導波路、サブマウント、及びＬＥＤダイの相対位置を示す、図２のＬＣＤのトップダウン透視図である。 図２のＬＣＤにおいて用いることができる、可能な側面発光白色光ＬＥＤの側断面図である。 切り替え可能ミラーが透過性の状態であるときには、ＬＥＤを携帯電話カメラのフラッシュとして用いることができる、図２と同様であるが、ＬＥＤダイと対向する電気切り替え可能ミラーをもつＬＣＤの側断面図である。 図５におけるＬＣＤ及び集光光学部品を示す携帯電話のフリップ部分の側面図である。

符号の説明

４０：液晶ディスプレイ
４２：光導波路
４４：キャビティ
４６：側面発光ＬＥＤ
４８：リフレクタ
５０：拡散器
５２：輝度増強膜
５４：液晶層
５６：偏光子
５８：ＴＦＴガラス基板
６０：液晶層
６２：透明接地層
６４：偏光子
６６：ＲＧＢフィルタ
６８：ＬＣＤドライバ
７０：サブマウント
７２：はんだ屑
７４：端子
７６：ＬＥＤドライバ

Claims (15)

1. 第１の表面上に全ての電気端子を有するフリップチップ型であり、前記第１の表面に隣接する側表面及び前記第１の表面に対向する第２の表面を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
   前面及び裏面を有し、前記ＬＥＤダイから放射される光が結合される、固体材料から形成された実質的に長方形の光導波路と、
   前記光導波路の前記前面上の液晶層積層体のパネルと、
   前記ＬＥＤダイの前記電気端子に結合した電気端子を有するサブマウントと、
   を含み、第１の方向で前記光導波路の前記前面から放射される光が、バックライトとして前記液晶層積層体のパネルの裏面を照射し、
   前記ＬＥＤダイは前記光導波路に形成されたキャビティ内に取り付けられ、前記ＬＥＤダイの前記第１の表面は実質的に第１の方向に向き、前記ＬＥＤダイの少なくとも一部は前記光導波路の前記前面と前記光導波路の前記裏面との間の面内において位置し、
   前記液晶層積層体のパネルは前記光導波路の縁を超えて延び、前記ＬＥＤダイは、前記液晶層積層体のパネルによって支持されるように、前記光導波路の縁を超えて延びる前記液晶層積層体のパネルに前記サブマウントを介して取り付けられ、
   前記光は、前記ＬＥＤダイの側面からのみ前記光導波路に放射され、
   前記ＬＥＤダイの前記第２の表面に対向する切り替え可能ミラーをさらに含み、前記切り替え可能ミラーは、前記ＬＥＤダイの前記第２の表面に面する前記切り替え可能ミラーの表面が反射性である第１の状態と、前記切り替え可能ミラーが実質的に透過性である第２の状態との間で電気的に切り替え可能であることを特徴とするＬＣＤデバイス。
2. 前記ＬＥＤダイの前記第２の表面に面するリフレクタをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤデバイス。
3. 前記ＬＥＤダイの前記電気端子に結合した電気端子を有するサブマウントをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤデバイス。
4. 前記液晶層積層体のパネルは、前記光導波路の縁を超えて延び、前記デバイスは前記光導波路の縁を超えて延びる前記液晶層積層体のパネルの一部に取り付けられた固定具をさらに含み、前記固定具は前記サブマウントを支持することを特徴とする請求項３に記載のＬＣＤデバイス。
5. 前記サブマウントの少なくとも一部分は、前記光導波路の前記前面と前記液晶層積層体のパネルの前記裏面との間の面内にあることを特徴とする請求項３に記載のＬＣＤデバイス。
6. 白色光が生成されるように、前記ＬＥＤダイによって放射される光の色変換のために、前記ＬＥＤダイに近接する蛍光体をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤデバイス。
7. 前記光導波路と前記液晶層積層体のパネルとの間に拡散器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤデバイス。
8. 前記ＬＥＤダイから熱を取り除くために、前記ＬＥＤダイに熱的に結合された放熱板をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤデバイス。
9. 前記第２の状態において、前記切り替え可能ミラーによって透過される光の光パターンを変更するために、前記切り替え可能ミラーの光出力側に集光光学部品をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤデバイス。
10. 前記切り替え可能ミラーがデジタルカメラのフラッシュとして用いられる前記第２の状態にある間に、前記ＬＥＤダイに電流パルスを与えるためのＬＥＤドライバをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤデバイス。
11. 前記デジタルカメラを含む携帯電話に収容されることを特徴とする請求項１０に記載のＬＣＤデバイス。
12. 前記ＬＥＤダイは、プリント基板を用いることなく前記液晶層積層体のパネルに前記サブマウントを介して取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤデバイス。
13. 前記ＬＣＤデバイスの合計厚さは約２ｍｍより少ないことを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤデバイス。
14. 前記ＬＥＤダイは青色光を放射することを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤデバイス。
15. 前記ＬＥＤダイに電気的に結合されるＬＥＤドライバと、前記液晶層積層体のパネルに電気的に結合されるＬＣＤドライバとをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤデバイス。
    

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