JP5827302B2 - 発光ダイオード - Google Patents

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Description

本発明は、表示装置用光源に関する。

コンピュータのモニターやTVなどに使用される表示装置には、発光ダイオード(LED)、EL、真空蛍光表示装置、電界発光素子、プラズマ表示装置などのよう自らが発光するものと、液晶表示装置などのように自ら発光せずに別途の光源を必要とするものとがある。

一般的な液晶表示装置は、電界生成電極が形成されている二つの表示板と、その間に注入されている誘電率異方性を有する液晶層とを含む。電界生成電極に電圧を印加して液晶層に電場を生成し、電圧を変化させて電場の強さを調節することにより、液晶層を通過する光の透過率を調節して、所望の画像を表示する。

この時の光は、別途に形成された人工光源が提供する光であっても自然光であってもよい。

液晶表示装置用の人工光源であるバックライト装置は、光源として、CCFL(cold cathode fluorescent lamp)やEEFL(external electrode fluorescent lamp)などのようないくつかの蛍光ランプや、複数の発光ダイオードを使用する。

特に発光ダイオードは、水銀を使用しないので環境に優しく、機構的に安定して寿命が長いなどの長所がある。そのため、次世代バックライト装置の光源として注目されている。

ところが、発光ダイオードは光が狭い領域に集中して発散する傾向がある。従って、これを面光源に適用するためには、光が広い領域に均一に分散されるようにしなければならない。

そこで、本発明は、発光ダイオード(LED)を光源として使用するバックライトが、光を均一に分散させる技術を提供することを目的とする。

底面と、前記底面から延長された第1周辺曲面と、前記第1周辺曲面から延長された第1中央曲面を有する外側レンズと、前記外側レンズの下に配置されている発光チップと、を含む発光ダイオードであって、前記第1中央曲面と前記第1周辺曲面の境界には凹凸が形成されており、前記発光チップ表面の任意の地点から前記第1中央曲面の輪郭面における任意の地点までの距離は、前記第1中央曲面の輪郭面の前記任意の地点の曲率半径よりも短く、前記第1周辺曲面は、その表面から出射される光を前記レンズの中心軸側の上側方向に出射させ、前記外側レンズの底面の中央に空洞が形成されており、前記発光チップを覆っており、前記外側レンズの中央空洞の内部に形成されている内側レンズを更に含み、 前記内側レンズは、底面と、前記底面から延長された第5周辺曲面と、前記第5周辺曲面から延長された次中央曲面と、前記次中央曲面から延長された最中央曲面と、を有し、前記発光チップ表面の任意の地点から前記次中央曲面の任意の地点までの距離は、前記次中央曲面の前記任意の地点の曲率半径よりも短く、前記最中央曲面は、前記内側レンズの中心軸に対して対称に形成され、前記次中央曲面と逆側に凸であることを特徴とする、発光ダイオードを提供する。

屈折率がnである物質からなり、底面と、前記底面から延長された第1周辺曲面と、前記第1周辺曲面から延長された第1次中央曲面と、前記第1次中央曲面から延長された第1最中央曲面と、を有する外側レンズと、
前記外側レンズの下に配置されている発光チップと、を含む発光ダイオードであって、前記第1最中央曲面と前記第1次中央曲面の境界及び前記第1次中央曲面と前記第1周辺曲面の境界には凹凸が形成されており、前記発光チップの表面の任意の地点から前記第1次中央曲面の内部の輪郭面における任意の地点までの距離は、前記第1次中央曲面の輪郭面の前記任意の地点の曲率半径より短く、前記第1周辺曲面は、その表面から出射される光を前記外側レンズの中心軸側の上側方向に出射させ、前記第1次中央曲面は外側に凸であり、前記第1最中央曲面は、前記外側レンズの中心軸に対して対称に形成され、前記第1次中央曲面と逆側に凸であり、前記外側レンズの底面の中央に上側に凸の空洞が形成されており、前記空洞の内部表面は第2周辺曲面及び前記第2周辺曲面から延長された中央曲面からなり、前記発光チップ表面の任意の地点から前記中央曲面の任意の地点までの距離は、前記中央曲面の前記任意の地点の曲率半径よりも長く、前記発光チップを覆っており、前記レンズの中央空洞の内部に形成されている内側レンズを更に含み、前記内側レンズは、底面と、前記底面から延長された第3周辺曲面と、前記第3周辺曲面から延長された第2中央曲面と、を有し、前記発光チップ表面の任意の地点から前記第2中央曲面の任意の地点までの距離は、前記第2中央曲面の前記任意の地点の曲率半径よりも短いことを特徴とする、発光ダイオードを提供する。

本発明によると、発光ダイオードの発光立体角を広くすることができる。そのため、液晶表示装置用バックライトで白色光を形成するための混色区間と、均一な面光を形成するための均分散区間と、を減少させることができる。したがって、液晶表示装置の薄型・軽量化に寄与することができる。

本発明の一実施例による液晶表示装置のブロック図。 本発明の一実施例による液晶表示装置の分解斜視図。 本発明の一実施例による液晶表示装置の一つの画素に対する等価回路図。 本発明の一実施例による発光ダイオード(LED)の透視図。 図4の発光ダイオードの垂直断面図。 図4の発光ダイオード用レンズの表面での光の屈折を説明するための参考図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの透視図。 図7の発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの透視図。 図11の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 図11の実施例による発光ダイオード用レンズの表面での光の屈折を説明するための参考図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図。 本発明の様々な実施例による発光ダイオードが発散する光の立体角によるフラックスを示すグラフ。

添付した図面を参考にして、本発明の実施例について、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。

図面では、複数の層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。明細書全体を通じて類似した部分については、同一な図面符号を付けた。層、膜、領域、基板、板などの部分が他の部分の“上に”あるとする時、これは他の部分の“すぐ上に”ある場合だけでなく、その中間に他の部分がある場合も含む。

まず、本発明の実施例による表示装置用光源について、添付した図面を参考にして詳細に説明する。
<液晶表示装置の構成>
図1は、本発明の一実施例による液晶表示装置のブロック図である。図2は、本発明の一実施例による液晶表示装置の分解斜視図である。図3は、本発明の一実施例による液晶表示装置の一つの画素に対する等価回路図である。

図1に示すように、本発明の一実施例による液晶表示装置は、液晶表示板組立体300と、これに連結されているゲート駆動部400及びデータ駆動部500と、データ駆動部500に連結されている階調電圧生成部800と、液晶表示板組立体300に光を照射する光源部910と、光源部910を制御する光源駆動部920と、これらを制御する信号制御部600と、を含む。

一方、図2に示したように、本発明の一実施例による液晶表示装置を構造的に見ると、液晶表示装置は、表示部330及びバックライト部340を含む液晶モジュール350と、液晶モジュール350を収容して固定する前面及び後面シャーシ361、362と、モールドフレーム363、364と、を含む。

表示部330は、液晶表示板組立体300と、これに付着されたゲートテープキャリアパッケージ410及びデータテープキャリアパッケージ510と、当該テープキャリアパッケージ410、510に付着されているゲート印刷回路基板450と、データ印刷回路基板550と、を含む。

液晶表示板組立体300は、図2及び図3に示したように、構造的に見ると、下部表示板100と、上部表示板200と、これら2つの表示板の間に注入されている液晶層3と、を含む。そして、図1及び図3に示したように、等価回路で見ると、液晶表示板組立体300は、複数の表示信号線(G1−Gn、D1−Dm)と、これに連結されほぼ行列形態に配列されている複数の画素を含む。

表示信号線(G1−Gn、D1−Dm)は、下部表示板100に形成されており、ゲート信号(“走査信号”ともいう)を伝達する複数のゲート線(G1−Gn)と、データ信号を伝達する複数のデータ線(D1−Dm)とを含む。ゲート線(G1−Gn)はほぼ行方向に延長され互いにほぼ平行である。データ線(D1−Dm)はほぼ列方向に延長され互いにほぼ平行である。

各画素は、表示信号線(G1−Gn、D1−Dm)に連結されているスイッチング素子(Q)と、これに連結された液晶キャパシタ(CLC)と、維持キャパシタ(CST)とを含む。維持キャパシタ(CST)は、必要に応じて省略することができる。

薄膜トランジスタなどのスイッチング素子(Q)は、下部表示板100に形成されており、三端子素子である。その三端子のうち制御端子及び入力端子は各々ゲート線(G1−Gn)及びデータ線(D1−Dm)に連結されており、出力端子は液晶キャパシタ(CLC)及び維持キャパシタ(CST)に連結されている。

液晶キャパシタ(CLC)は、下部表示板100の画素電極190と上部表示板200の共通電極270とを二端子とし、二つの電極190、270の間の液晶層3は誘電体として機能する。画素電極190はスイッチング素子(Q)に連結されている。共通電極270は上部表示板200の全面に形成されており、共通電圧(Vcom)の印加を受ける。図3とは異なって、共通電極270は下部表示板100に形成されていてもよい。この時には、二つの電極190、270のうちの少なくとも一つが線状または棒状に形成される。

維持キャパシタ(CST)は、液晶キャパシタ(CLC)の補助的役割を果たす。維持キャパシタ(CST)は、下部表示板100に形成された別途の信号線(図示せず)と画素電極190との間に絶縁体を隔て、別途の信号線及び画素電極90が重畳して形成されている。この別途の信号線には共通電圧(Vcom)などの決められた電圧が印加される。しかし、維持キャパシタ(CST)は、画素電極190が絶縁体を媒介として真上の前段ゲート線と重畳して形成されることもできる。

一方、色表示を行うために、各画素が三原色のうちの一つを固有に表示したり(空間分割)、各画素が時間によって交互に三原色を表示するようにして(時間分割)、これら三原色の空間的、時間的合計によって所望の色相が認識されるようにする。図3には、空間分割の一例として、各画素が画素電極190に対応する上部表示板200の領域に赤色、緑色、または青色のカラーフィルター230を形成している。また、図3とは異なって、カラーフィルター230は、下部表示板100の画素電極190上または下に形成されていてもよい。

図2で、バックライト部340は、光源体349と、導光板342と、複数の光学シート343と、反射板341と、モールドフレーム364と、を有する。光源体349は、液晶表示板組立体300の下部に装着されていて、複数の発光ダイオード344が印刷回路基板345に実装され形成されている。導光板342は、組立体300と発光ダイオード344との間に位置して発光ダイオード344からの光を組立体300に分散させる。反射板341は、印刷回路基板345の上部に位置して発光ダイオード344の発光部を突出させる複数の孔を有し、発光ダイオード344からの光を組立体300側に反射させる。モールドフレーム364は、反射板341と導光板342との間に装着され光源体349と導光板342と間の距離を一定に維持し、導光板342及び光学シート343を支持する。

光源として使用される発光ダイオード(LED)344は、白色光を発散する白色発光ダイオードを使用することができ、赤色、緑色、及び青色発光ダイオードを混合配置して使用することもできる。または、白色発光ダイオードに赤色発光ダイオードなどを補助的に使用することもできる。これら発光ダイオードが所定の形態で印刷回路基板345上に配列されて光源体349を形成する。

図2に示した光源体349の個数は3個であるが、その数は要求される輝度及び液晶表示装置の画面の大きさなどに応じて増減することができる。

液晶表示板組立体300の二つの表示板100、200の外側面には、光源体349から発散される光を偏光させる偏光子(図示せず)が付着されている。

また、階調電圧生成部800は、データ印刷回路550に形成されており、画素の透過率に関する二組の複数階調電圧を生成する。二組のうちの一組は共通電圧(Vcom)に対して正の値を有し、他の一組は共通電圧(Vcom)に対して負の値を有する。

ゲート駆動部400は、集積回路(IC)チップの形態で各ゲートテープキャリアパッケージ410上に装着されており、液晶表示板組立体300のゲート線(G1−Gn)に連結されている。外部からゲートオン電圧(Von)及びゲートオフ電圧(Voff)を受けると、これらの電圧を組み合わせてゲート信号を生成し、生成したゲート信号をゲート線(G1−Gn)に印加する。

データ駆動部500は、集積回路(IC)チップの形態で各データテープキャリアパッケージ510上に装着されており、液晶表示板組立体300のデータ線(D1−Dm)に連結されている。そして、階調電圧生成部800からの複数の階調電圧の中からデータ電圧を選択し、選択したデータ電圧をデータ線(D1−Dm)に印加する。

また、本発明の他の実施例によると、ゲート駆動部400またはデータ駆動部500は、集積回路(IC)チップの形態で下部表示板100上に装着される。また、集積回路(IC)チップは、これに限定されることはなく、下部表示板100に他の素子などと共に集積されてもよい。これらの場合、ゲート印刷回路450またはゲートテープキャリアパッケージ410は省略することができる。

信号制御部600は、そして、データ印刷回路550またはゲート印刷回路450に装着されており、ゲート駆動部400及びデータ駆動部500などの動作を制御する。
<液晶表示装置の表示動作>
次に、このような液晶表示装置の表示動作について詳細に説明する。

信号制御部600は、外部のグラフィック制御器(図示せず)から入力映像信号(R、G、B)と、入力映像信号(R、G、B)の表示を制御する入力制御信号の印加を受ける。ここで、入力制御信号とは、例えば垂直同期信号(Vsync)、水平同期信号(Hsync)、メインクロック信号(MCLK)、及びデータイネーブル信号(DE)などである。信号制御部600は、入力映像信号(R、G、B)及び入力制御信号に基づいて映像信号(R、G、B)を液晶表示板組立体300の動作条件に合うように適切に処理し、ゲート制御信号(CONT1)及びデータ制御信号(CONT2)などを生成する。そして、信号制御部600は、生成したゲート制御信号(CONT1)をゲート駆動部400に印加し、データ制御信号(CONT2)及び処理した映像信号(DAT)をデータ駆動部500に印加する。

ゲート制御信号(CONT1)は、フレームの開始を知らせる垂直同期開始信号(STV)と、ゲートオン電圧(Von)の出力時期を制御するゲートクロック信号(CPV)と、ゲートオン電圧(Von)の持続時間を限定する出力イネーブル信号(OE)等と、を含む。

データ制御信号(CONT2)は、映像データ(DAT)の送信開始を知らせる水平同期開始信号(STH)と、データ線(D1−Dm)にデータ電圧の印加を指示するロード信号(LOAD)と、共通電圧(Vcom)に対するデータ電圧の極性(以下、「共通電圧に対するデータ電圧の極性」を略して「データ電圧の極性」とする)を反転させる反転信号(RVS)と、データクロック信号(HCLK)等と、を含む。

データ駆動部500は、信号制御部600からのデータ制御信号(CONT2)に基づいて一つの行の画素に対する映像データ(DAT)を順次に受信してシフトする。そして、データ駆動部500は、階調電圧生成部800からの階調電圧のうち各映像データ(DAT)に対応する階調電圧を選択し、映像データ(DAT)を当該データ電圧に変換した後、これを当該データ線(D1−Dm)に印加する。

ゲート駆動部400は、信号制御部600からのゲート制御信号(CONT1)によってゲートオン電圧(Von)をゲート線(G1−Gn)に印加し、このゲート線(G1−Gn)に連結されたスイッチング素子(Q)をオンさせる。これにより、データ線(D1-Dm)に印加されたデータ電圧を、オンされたスイッチング素子(Q)を通じて当該画素に印加する。

画素に印加されたデータ電圧と共通電圧(Vcom)との差は、液晶キャパシタ(CLC)の充電電圧、つまり画素電圧として現れる。液晶分子は、画素電圧の大きさによってその配列を変化させる。

光源駆動部920は、光源部910に印加される電流を制御して、光源部910を構成する発光ダイオード344を点滅させ、その明るさを制御する。このような光源駆動部920の動作によって、発光ダイオード344から発散された光は、液晶層3を通過しながら液晶分子の配列によって偏光が変化する。このような偏光の変化は、偏光子によって光の透過率変化として現れる。

ここで、水平同期信号(Hsync)、データイネーブル信号(DE)、ゲートクロック信号(CPV)の一周期を1水平周期(または1H)と定義する。この1水平周期が経過すると、データ駆動部500及びゲート駆動部400は、次の行の画素に対して同じ動作を繰り返す。このような方式で、1フレームの間に全てのゲート線(G1−Gn)に対して順次にゲートオン電圧(Von)を印加して、全ての画素にデータ電圧を印加する。1フレームが終わると、次のフレームが始まる。すると、各画素に印加されるデータ電圧の極性が直前のフレームでの極性と反対になるように、データ駆動部500に印加される反転信号(RVS)の状態が制御される。これをフレーム反転という。この時、1フレーム内でも、反転信号(RVS)の特性によって一つのデータ線を通じて流れるデータ電圧の極性が変わったり(行反転、ドット反転)、一つの行の画素に印加されるデータ電圧の極性も互いに異なることがある(列反転、ドット反転)。

<発光ダイオードの一実施例>
以下より、本発明の一実施例による光源部910、即ち、バックライト装置を構成する発光ダイオードについて、図4、図5、及び図6を参考にして詳細に説明する。

図4、は本発明の一実施例による発光ダイオード(LED)の透視図である。図5は、図4の発光ダイオードの垂直断面図である。図6は、図4の発光ダイオード用レンズの表面での光の屈折を説明するための参考図である。

図4及び図5に示されているように、発光ダイオード344は、発光チップ4及びレンズを含む。レンズは、底面31と、底面から延長された周辺曲面2(第1周辺曲面に相当)と、周辺曲面2から延長された中央曲面(第1中央曲面に相当)1を有する透明な誘電体である。レンズの底面31には、発光チップ4を収容するためのチップ溝が形成されている。レンズの中央曲面1は、発光チップ4から見るとふくらんだ形状を有し、発光チップ4の中心から垂直方向にのびたレンズ軸を中心に対称をなすのが好ましい。また、発光チップ4の発光面の任意の地点からレンズの中央曲面1の任意の地点までの距離は、レンズの中央曲面1の当該任意の地点の曲率半径よりも常に短い。これを、以下より“第1曲率半径条件”という。これは、発光チップ4が発散する光をより広い領域に均一に分散させるためである。レンズだけを基準にする場合には、底面の中心からレンズの中央曲面1の任意の地点までの距離が、常にレンズの中央曲面1の当該任意の地点の曲率半径より短くなるようにレンズを形成するのが好ましいこれを、以下より “緩和された第1曲率半径条件”という。または、レンズ底面の中心からレンズの中央曲面1の任意の地点をつなぐ直線がレンズの中心軸となす角度のうちの鋭角が、レンズの中央曲面1の該当任意の地点での法線がレンズの中心軸となす角のうちの鋭角より、常に大きくなるようにレンズを形成する。これを、以下より “第1光拡散条件”という。

レンズの周辺曲面2はレンズの大きさを縮小すると同時に、レンズの側面方向に過度に傾いた経路を有する光の進行方向を屈折させてレンズの上側方向に進行するようにするために、レンズの側面を鋭く切り出すことによって形成された面である。しかし、必要に応じては、レンズの周辺曲面2も、第1曲率半径条件や光拡散条件を満たすようにして、周辺曲面2を省略し、中央曲面1を底面31に達するまで延長してレンズを形成することもできる。

レンズの中央曲面1及び周辺曲面2の境界では、曲率半径の変化が中央曲面1や周辺曲面2より急激で、曲率半径が不連続的な場合もある。しかし、曲率半径が不連続的な部分があると、光の分布にも不連続的な部分が発生するので、中央曲面1及び周辺曲面2の境界でも曲率半径の変化が連続的になるように角部を整えるのが好ましい。中央曲面1及び周辺曲面2の境界は発光チップ4の光発散分布によって調整するのが好ましいがチップ溝の中心から境界までの線と底面31とのなす角度(立体角)が約20度から50度の間であるように境界の位置を調整するとよい。つまり、発光チップ4が発散する光は、約20度から50度の間の所定の角度を境界としてそれよりも中央曲面側に集中する。約20度から50度の間の所定の角度を境界としてそれよりも底面31側へは、発光チップ4からの光の分布は微弱である。そのため、光が集中する領域にのみ、レンズの中央曲面1が置かれるようにレンズを形成する。

第1曲率半径条件や光拡散条件を満たすようにレンズを形成すると、発光チップ4が発散する光は、レンズの中央曲面1で常にレンズの中心軸から遠い方向に屈折する。これを図6を参照して説明する。

レンズが第1曲率半径条件や光拡散条件を満たす場合、図6に示したように、光線の波面がレンズの中央曲面1とぶつかる時、光線の波面のうちレンズの中心軸に近い方がまずレンズを脱出して空気中に入射するようになる。ここで、レンズの内側に比べて空気中は光の進行速度が速い。すると、空気中にまず入射した光線の波面とレンズの内部にまだ残っている光線の波面との進行速度の差により、光がレンズの中心軸から遠くなる方向に屈折する。
<発光ダイオードの他の実施例>
図7は、本発明の他の実施例による発光ダイオードの透視図である。図8は、図7の発光ダイオードの垂直断面図である。

図7及び図8の実施例による発光ダイオードは、図4及び図5の発光ダイオードに比べて、レンズの内部に底面31から湾入して形成された中央空洞を有し、発光チップ4をレンズの底面31に固定するための支持体7をさらに含む。

中央空洞は、レンズの内部表面である周辺曲面6及び中央曲面5によって形成される。中央空洞の中央曲面5は、発光チップ4から見るとふくらんだ形状を有し、発光チップ4の中心から垂直方向にのびた中心軸を中心に対称をなすのが好ましい。また、発光チップ4の発光面の任意の地点から中央空洞の中央曲面5の任意の地点までの距離は、レンズの中央曲面5の当該任意の地点の曲率半径よりも常に長い。これを以下より “第2曲率半径条件”という。これは、発光チップ4が発散する光をより広い領域に均一に分散させるためである。レンズだけを基準にする場合には、レンズ底面の中心から中央空洞の中央曲面5の任意の地点までの距離が、常に中央空洞の中央曲面5の当該任意の地点の曲率半径より長くなるようにレンズを形成するのが好ましい。以下より、これを緩和された第2曲率半径条件”という。または、レンズ底面の中心からレンズの中央空洞の中央曲面5の任意の地点をつなぐ直線がレンズの中心軸となす角のうちの鋭角は、レンズの中央空洞の中央曲面5の該当任意の地点における法線がレンズの中心軸となす角のうちの鋭角より、常に小さくなるようにレンズを形成する。以下より、これを“第2光拡散条件”という。

また、チップ溝は中央空洞に含まれる。したがって、中央空洞には発光チップ4を固定するための支持体7が必要であり、支持体7は中央空洞の入口を密閉しない形態でレンズの底面31に付着されるのが好ましい。中央空洞の入口を密閉する場合には、発光チップ4の駆動時に発生する熱によって空洞内の空気が膨脹して、支持体7及びレンズが分離されるためである。

中央空洞の中心曲面5が第2曲律半径条件または第2光拡散条件を満たすように中央空洞を形成する。すると、発光チップ4が発散する光が中央空洞の中央曲面5を通過した時に、光は、中央空洞の中央曲面5で常にレンズの中心軸から遠くなる方向に屈折する。

以上のように、中央空洞の中央曲面5では、光は空気からレンズに進行するので、レンズの中央曲面1とは反対の曲率半径条件または光拡散条件を満たすことによってのみ、光を分散させる効果を得ることができる。

図9は、本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図である。図9の発光ダイオードは、図4及び図5の発光ダイオードに比べて、レンズの中央曲面1及び周辺曲面2の一部に微細な凹凸8がさらに形成されている。凹凸8は光の分散をより均一にするためのものであって、中央曲面1だけでなく周辺曲面2全体に形成することもでき、中央曲面1及び周辺曲面2の境界にだけ部分的に形成することもできる。

図10は、本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図である。図10の発光ダイオードは、図7及び図8の発光ダイオードに比べて、レンズの中央曲面1及び周辺曲面2の境界に微細な凹凸8がさらに形成されている。凹凸8は光の分散をより均一にするためのものであって、中央曲面1及び周辺曲面2全体に形成することもでき、中央曲面1及び周辺曲面2の特定の部分にだけ部分的に形成することもできる。

前記図9及び図10の実施例において、中央曲面1及び周辺曲面2に凹凸8が形成されていても、中央曲面1の輪郭面(凸部の最上地点を連結して形成される面)は、第1曲率半径条件及び緩和された第1曲率半径条件を満たすか、または第1光拡散条件を満たす。

図11は、本発明の他の実施例による発光ダイオードの透視図である。図12は、図11の実施例による発光ダイオードの垂直断面図である。図13は、図11の実施例による発光ダイオード用レンズの表面での光の屈折を説明するための参考図である。

図11及び図12に示されているように、発光ダイオードは、発光チップ15及びレンズからなる。レンズは、底面14と、底面から延長された周辺曲面13と、周辺曲面13から延長された次中央曲面12と、次中央曲面12から延長された最中央曲面11と、を有する透明な誘電体である。レンズの底面14には、発光チップ15を収容するためのチップ溝が形成されている。

レンズの次中央曲面12は、発光チップ15から見るとふくらんだ形状を有しており、発光チップ15の中心から垂直方向にのびた中心軸を中心に対称をなすのが好ましい。また、発光チップ15の発光面の任意の地点からレンズの次中央曲面12の任意の地点までの距離は、レンズの次中央曲面12の当該任意の地点の曲率半径よりも常に短い(第1曲率半径条件)。これは、発光チップ15が発散する光をより広い領域に均一に分散させるためである。レンズだけを基準にする場合には、レンズ底面の中心からレンズの次中央曲面12の任意の地点までの距離は、レンズの次中央曲面12の当該任意の地点の曲率半径より常に短くなるようにレンズを形成するのが好ましい(緩和された第1曲率半径条件)。または、レンズ底面の中心からレンズの次中央曲面12の任意の地点をつなぐ直線がレンズの中心軸となす角のうちの鋭角は、レンズの次中央曲面12の該当任意の地点での法線がレンズの中心軸となす角のうちの鋭角より、常に大きくなるようにレンズを形成する(第1光拡散条件)。

レンズの最中央曲面11は、凹の形状を有しており、発光チップ15の中心から垂直方向にのびた中心軸を中心に対称をなすのが好ましい。具体的には、最中央曲面11は円錐の形状を有するように凹んでいる。また、レンズを構成する誘電体の屈折率をn、最中央曲面11の任意の地点での接線がレンズの中心軸と交差して中心軸となす角のうち、発光ダイオード内部の内角(レンズに対向する方向の角、図13を参照)をA1、発光チップ15表面の中心及び最中央曲面11の前記任意の地点を連結する直線がレンズの中心軸となす鋭角をA2とする時、最中央曲面11は以下の式(1)の条件を満たすように形成される。
(数1)
A1+A2<90+sin-1(1/n)・・・ (1)
最中央曲面11がこのような条件を満たせば、発光チップ15が発散する光は最中央曲面11で屈折して分散されるのみであって、全反射は起こらない。したがって、大部分の光がレンズの最中央曲面11及び次中央曲面12を通じて上方向に分散されながら発散する。

このように、光のほとんどが反射しないで直接上方向に発散されるので、発光ダイオードが発散する光を効率的に利用することができる。

(最中央曲面形成の条件)
以下より、図13を参考にして、式(1)の意味を説明する。

図13で、発光チップ15が発散した光のうちの最中央曲面11の一つの地点に入射する光の入射角をAi、屈折角をAr、レンズの屈折率をnとする時、式(2)のスネルの法則が成り立つ。
(数2)
sinAr/sinAi=n/1 ・・・ (2)
全反射が起こる場合は、Ar=90°であるので、臨界入射角Aiは、
(数3)
sinAi=1/n ・・・ (3)
(数4)
Ai=sin-1(1/n) ・・・ (4)
である。したがって、全反射が起こらない条件は、
(数5)
Ai<sin-1(1/n) ・・・ (5)
である。

図13で、三角形の内角の合計は180°であるので、
(数6)
A1+A2+A3=180° ・・・ (6)
となり、図13を参考にすると、
(数7)
Ai+A3=90° ・・・ (7)
である。式(5)、(6)、(7)をA1及びA2に対し整理すると、式(1)が得られる。つまり、式(1)は発光チップ15が発散した光が最中央曲面11で全反射が起こらない条件である。

レンズの周辺曲面13は、レンズの大きさを縮小すると同時に、レンズの側面方向に過度に傾いた経路を有する光の進行方向を屈折させてレンズの上側方向に進行するようにする。そのために、レンズの周辺曲面13は、レンズの側面を鋭く切り出すことによって形成された面である。しかし、必要に応じては、レンズの周辺曲面13も最中央曲面11と同様に形成することもできる。即ち、発光チップ15の発光面の任意の地点からレンズの周辺曲面13の任意の地点までの距離が、常にレンズの周辺曲面13の当該任意の地点の曲率半径より短くなるようにして、周辺曲面13を省略し、次中央曲面12を底面14に達するまで延長してレンズを形成することもできる。

レンズの最中央曲面11及び次中央曲面12の境界と、次中央曲面12及び周辺曲面13の境界とでは、曲率半径の変化が最中央曲面11、次中央曲面12、または周辺曲面13よりも急激で、曲率半径が不連続的な場合もある。しかし、曲率半径が不連続的な部分があると、光の分布にも不連続的な部分が発生してしまう。そのため、最中央曲面11及び次中央曲面12の境界と、次中央曲面12及び周辺曲面13の境界とでも曲率半径の変化が連続的になるように角部を整えるとよい。最中央曲面11及び次中央曲面12の境界と、次中央曲面12及び周辺曲面13の境界とは、発光チップ15の光発散分布によって調整するのが好ましいが、次中央曲面12及び周辺曲面13の境界は、チップ溝の中心から境界までの線と底面14とのなす角度が約20度から50度の間であるように境界の位置を調整するとよい。つまり、発光チップ15が発散する光は、約20度から50度の間の所定の角度を境界としてそれよりも最中央曲面11側に集中する。約20度から50度の間の所定の角度を境界としてそれよりも底面14側へは、発光チップからの光の分布が微弱である。そのため、光が集中する領域にのみ、レンズの最中央曲面11及び次中央曲面12が置かれるようにレンズを形成する。

最中央曲面11が式(1)を満たし、次中央曲面12が第1曲率半径条件を満たすようにレンズを形成すると、発光チップ4が発散する光はレンズの最中央曲面11及び次中央曲面12で常にレンズの中心軸から遠くなる方向に屈折する。

図14は、本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図である。

図14の実施例による発光ダイオードは、図11及び図12の発光ダイオードに比べて、レンズの内部に底面14から湾入して形成された中央空洞を有し、発光チップ15をレンズの底面14に固定するための支持体18をさらに含む。

中央空洞は、レンズの内部表面である周辺曲面17及び中央曲面16によって形成される。中央空洞の中央曲面16は、発光チップ15から見ると凸にふくらんだ形状を有し、発光チップ15の中心から垂直方向に形成された中心軸を中心に対称をなすのが好ましい。また、発光チップ15の発光面の任意の地点から中央空洞の中央曲面16の任意の地点までの距離は、レンズの中央曲面16の当該任意の地点の曲率半径よりも常に長い(第2曲率半径条件)。これは、発光チップ15が発散する光をより広い領域に均一に分散させるためである。レンズだけを基準にする場合には、レンズ底面の中心から中央空洞の中央曲面16の任意の地点までの距離は、中央空洞の中央曲面16の当該任意の地点の曲率半径より常に長くなるようにレンズを形成するのが好ましい(緩和された第2曲率半径条件)。または、レンズ底面の中心からレンズの中央空洞の中央曲面16の任意の地点をつなぐ直線がレンズの中心軸となす角のうちの鋭角は、レンズの中央空洞の中央曲面16の該当任意の地点での法線がレンズの中心軸となす角のうちの鋭角より、常に小さくなるようにレンズを形成する(以下、“第2光拡散条件”という)。

また、チップ溝は中央空洞に含まれる。したがって、中央空洞には、発光チップ15を固定するための支持体18が必要である。支持体18は、中央空洞の入口を密閉しない形態でレンズの底面14に付着されるのが好ましい。中央空洞の入口を密閉する場合には、発光チップ15の駆動時に発生する熱によって空洞内の空気が膨脹して、支持体18及びレンズが分離してしまうためである。

上記の条件で中央空洞を形成すると、発光チップ15が発散する光は中央空洞の中央曲面16で常にレンズの中心軸から遠くなる方向に屈折する。

図15は、本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図である。

図15の発光ダイオードは、図11及び図12の発光ダイオードに比べると、レンズの最中央曲面11と次中央曲面12と周辺曲面13との一部に、微細な凹凸19がさらに形成されている。凹凸19は光の分散をより均一にする。凹凸19は、最中央曲面11だけでなく次中央曲面12全体にも形成することができ、また最中央曲面11及び次中央曲面12の境界にだけ部分的に形成することもできる。

図16は、本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図である。

図16の発光ダイオードは、図14の発光ダイオードに比べると、レンズの最中央曲面11及び次中央曲面12の境界と、次中央曲面12及び周辺曲面13の境界とに微細な凹凸19、20がさらに形成されている。凹凸19、20は、光の分散をより均一にする。この凹凸19,20は、最中央曲面11、次中央曲面12、及び周辺曲面13全体に形成することができる。また、凹凸19、20は、最中央曲面11、次中央曲面12、及び周辺曲面13の特定の部分にだけ部分的に形成してもよい。

上記の図15及び図16の実施例において、最中央曲面11、次中央曲面12、及び周辺曲面13に凹凸19、20が形成されていても、次中央曲面12の輪郭面(凸部の最上地点を連結して形成される面)は、第1曲率半径条件及び緩和された第1曲率半径条件を満たすか、または第1光拡散条件を満たしている。さらに、最中央曲面11の輪郭面は、式(1)の条件を満たしている。

図17は、本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図である。

図17の発光ダイオードは、図7及び図8の発光ダイオード用レンズの中央空洞内に発光チップ4を覆う内側レンズ200をさらに含む。内側レンズ200の形状は、図4及び図5の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有する。つまり、底面、底面から延長された周辺曲面、周辺曲面から延長された中央曲面を有し、内側レンズの底面にはチップ溝が形成されている。この時、内側レンズの中央曲面も第1曲率半径条件または第1光拡散条件を満たす。また、内側レンズも、周辺曲面を省略し、中央曲面を底面に達するまで延長することもできる。

このような構造の発光ダイオードでは、内側レンズの表面、外側レンズの内部表面、及び外側レンズの外部表面で各々屈折が生じるため、より広い範囲に光を分散させることができる。

図18は、本発明の他の実施例による発光ダイオードの垂直断面図である。

図18の発光ダイオードは、図14の発光ダイオードの中央空洞内に発光チップ15を覆う内側レンズ200をさらに含む。内側レンズ200の形状は、図4及び図5の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有する。つまり、底面、底面から延長された周辺曲面、周辺曲面から延長された中央曲面を有し、内側レンズの底面にはチップ溝が形成されている。この時、内側レンズの中央曲面も第1曲率半径条件または第1光拡散条件を満たす。また、内側レンズも、周辺曲面を省略し、中央曲面を底面に達するまで延長することもできる。

このような構造の発光ダイオードでは、内側レンズの表面、外側レンズの内部表面、及び外側レンズの外部表面で各々屈折が起きて、より広い範囲に光を分散させることができる。

図17及び図18の実施例では、内側レンズを図4及び図5の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有するようにしたが、内側レンズの形状は多様に変更することができる。以下では、そのような内側レンズの形状の多様な変形について見てみる。

図19の発光ダイオードは、外側レンズ101及び内側レンズ401を有する。外側レンズ101は、図7及び図8の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有している。内側レンズ401は、外側レンズ101の中央空洞内に配置されており、中央空洞9を有する。発光チップ4は、内側レンズ401の中央空洞9内に配置される。内側レンズ401は、図7及び図8の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有する。つまり、内側レンズ401も、外部表面、中央空洞9を形成する内部表面、及び底面を有し、外部表面は周辺曲面及び第1曲率半径条件または第1光拡散条件を満たす中央曲面からなり、内部表面は周辺曲面及び第2曲率半径条件または第2光拡散条件を満たす中央曲面からなる。

このような構造の発光ダイオードでは、内側レンズの内部表面及び外部表面、及び外側レンズの内部表面及び外部表面で各々屈折が起きて、より広い範囲に光を分散させることができる。

図20の発光ダイオードは、外側レンズ301及び内側レンズ401を有する。外側レンズ301は、図14の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有している。内側レンズ401は、外側レンズ301の中央空洞16内に配置されており、中央空洞9を有する。発光チップ15は、内側レンズ401の中央空洞9内に配置される。内側レンズ401は、図7及び図8の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有する。つまり、内側レンズ401も、外部表面、中央空洞9を形成する内部表面、及び底面を有し、外部表面は周辺曲面及び第1曲率半径条件または第1光拡散条件を満たす中央曲面からなり、内部表面は周辺曲面及び第2曲率半径条件または第2光拡散条件を満たす中央曲面からなる。

このような構造の発光ダイオードでは、内側レンズの内部表面及び外部表面、及び外側レンズの内部表面及び外部表面で各々屈折が起きて、より広い範囲に光を分散させることができる。

図21の発光ダイオードは、外側レンズ101及び内側レンズ601を有する。外側レンズ101は、図7及び図8の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有している。内側レンズ601は、外側レンズ101の中央空洞5内に配置されており、発光チップ4を覆っている。内側レンズ601は、図11及び図12の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有する。つまり、内側レンズ601は、底面、底面から延長された周辺曲面、周辺曲面から延長された次中央曲面、及び次中央曲面から延長された最中央曲面を有する透明な誘電体である。内側レンズ601の底面には発光チップ4を収容するためのチップ溝が形成されている。この時、内側レンズ601の次中央曲面は第1曲率半径条件または第1光拡散条件を満たし、最中央曲面は全反射が起こらない条件である式(1)を満たす。

このような構造の発光ダイオードでは、内側レンズの表面、外側レンズの内部表面、及び外側レンズの外部表面で各々屈折が起きて、より広い範囲に光を分散させることができる。

図22の発光ダイオードは、外側レンズ301及び内側レンズ601を有する。外側レンズ301は、図14の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有している。内側レンズ601は、外側レンズ301の中央空洞16内に配置されており、発光チップ15を覆っている。内側レンズ601の形状は、図11及び図12の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有する。つまり、内側レンズ601は、底面、底面から延長された周辺曲面、周辺曲面から延長された次中央曲面、及び次中央曲面から延長された最中央曲面を有する透明な誘電体である。内側レンズ601の底面には発光チップ15を収容するためのチップ溝が形成されている。この時、内側レンズ601の次中央曲面は第1曲率半径条件または第1光拡散条件を満たし、最中央曲面は全反射が起こらない条件である式(1)を満たす。

このような構造の発光ダイオードでは、内側レンズの表面、外側レンズの内部表面、及び外側レンズの外部表面で各々屈折が起きて、より広い範囲に光を分散させることができる。

図23の発光ダイオードは、外側レンズ101及び内側レンズ801を有する。外側レンズ101は、図7及び図8の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有している。内側レンズ801は、外側レンズ101の中央空洞5内に配置されていて、中央空洞22を有する。

発光チップ4は、内側レンズ801の中央空洞22内に配置される。内側レンズ801の形状は、図14の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有する。つまり、内側レンズ801も、外部表面、中央空洞22を形成する内部表面、及び底面を有し、外部表面は周辺曲面、第1曲率半径条件または第1光拡散条件を満たす次中央曲面、及び全反射が起こらない条件である式(1)を満たす最中央曲面からなり、内部表面は周辺曲面及び第2曲率半径条件または第2光拡散条件を満たす中央曲面からなる。

このような構造の発光ダイオードでは、内側レンズの内部表面及び外部表面、及び外側レンズの内部表面及び外部表面で各々屈折が起きて、より広い範囲に光を分散させることができる。

図24の発光ダイオードは、外側レンズ301及び内側レンズ801を有する。外側レンズ301は、図14の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有している。内側レンズ801は、外側レンズ301の中央空洞16内に配置されており、中央空洞22を有する。発光チップ15は、内側レンズ801の中央空洞22内に配置される。内側レンズ801は、図14の発光ダイオード用レンズと同一な形状を有する。つまり、内側レンズ801も、外部表面、中央空洞22を形成する内部表面、及び底面を有し、外部表面は周辺曲面、第1曲率半径条件または第1光拡散条件を満たす次中央曲面、及び全反射が起こらない条件である式(1)を満たす最中央曲面からなり、内部表面は周辺曲面及び第2曲率半径条件または第2光拡散条件を満たす中央曲面からなる。

このような構造の発光ダイオードでは、内側レンズの内部表面及び外部表面、及び外側レンズの内部表面及び外部表面で各々屈折が起きて、より広い範囲に光を分散させることができる。

以上より、外側レンズ及び内側レンズを有する発光ダイオードの多様な構造について説明したが、これは例示にすぎず、他の多様な変形がありえる。例えば、外側レンズ及び内側レンズの表面全体または一部に、図9、図10、図15、または図16に示したように凹凸を形成することもできる。

図25は、本発明の様々な実施例による発光ダイオードが発散する光の発散角によるフラックス(flux)を示すグラフである。図25に係る、C0、C1、C2、C3は、図4及び図5の実施例、図7及び図8の実施例、図11及び図12の実施例、図14の実施例による各々の発光ダイオードが発散する光の立体角によるフラックスである。フラックスの測定位置は発光ダイオードの発光チップ上20mmの地点である。

図25より、図4及び図5の実施例、図7及び図8の実施例、図11及び図12の実施例、図14の実施例の順に、光が広い領域に分散されることが分かる。

発光ダイオードの発光立体角が広ければ広いほど、液晶表示装置用バックライトで白色光を作るための混色区間(R、G、Bの3色の発光ダイオードを使用する場合)及び均一な面光を形成するための均分散区間を減少させることができる。したがって、液晶表示装置の軽薄化に有利である。

以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形及び改良形態も、本発明の権利範囲に属する。

1、5、16 中央曲面
2、6、13、17 周辺曲面
14、31 底面
3 液晶層
4、15 発光チップ
7、18 支持体
8、19、20 凹凸
9 中央空洞
11 最中央曲面
12 次中央曲面
22 内側レンズ
100 下部表示板
190 画素電極
200 上部表示板
270 共通電極
300 液晶表示組立体
330 表示部
340 バックライト部
341 反射板
342 導光板
343 光学シート
344 発光ダイオード(LED)
345 PCB基板
349 光源体
350 液晶モジュール
361 前面シャーシ
362 後面シャーシ
363、364 モールドフレーム
400 ゲート駆動部
410 ゲートテープキャリアパッケージ(ゲートTCP)
450 ゲート印刷回路基板(ゲートPCB)
500 データ駆動部
510 データテープキャリアパッケージ(データTCP)
550 データ印刷回路基板(データPCB)
600 信号制御部
800 階調電圧生成部
910 光源部
920 光源駆動部
101、301 外側レンズ
401、601、801 内側レンズ

Claims (4)

  1. 底面と、前記底面から延長された第1周辺曲面と、前記第1周辺曲面から延長された第1中央曲面を有する外側レンズと、
    前記外側レンズの下に配置されている発光チップと、を含む発光ダイオードであって、
    前記第1中央曲面と前記第1周辺曲面の境界には凹凸が形成されており、
    前記発光チップ表面の任意の地点から前記第1中央曲面の輪郭面における任意の地点までの距離は、前記第1中央曲面の輪郭面の前記任意の地点の曲率半径よりも短く、
    前記第1周辺曲面は、その表面から出射される光を前記外側レンズの中心軸側の上側方向に出射させ、
    前記外側レンズの底面の中央に空洞が形成されており、
    前記発光チップを覆っており、前記外側レンズの中央空洞の内部に形成されている内側レンズを更に含み、
    前記内側レンズは、底面と、前記底面から延長された第5周辺曲面と、前記第5周辺曲面から延長された次中央曲面と、前記次中央曲面から延長された最中央曲面と、を有し、
    前記発光チップ表面の任意の地点から前記次中央曲面の任意の地点までの距離は、前記次中央曲面の前記任意の地点の曲率半径よりも短く、
    前記最中央曲面は、前記内側レンズの中心軸に対して対称に形成され、前記次中央曲面と逆側に凸であり、
    前記最中央曲面の任意の地点での接線が前記内側レンズの中心軸となす角のうち内角をA1とし、前記発光チップ表面の中心及び前記最中央曲面の前記任意の地点を連結する直線が前記内側レンズの中心軸となす鋭角をA2とすると、A1+A2<90+sin −1 (1/n)を満たすことを特徴とする発光ダイオード。
  2. 前記空洞の内部表面は第2周辺曲面及び第2中央曲面からなり、
    前記発光チップ表面の任意の地点から前記第2中央曲面の任意の地点までの距離は、前記第2中央曲面の前記任意の地点の曲率半径よりも長いことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
  3. 屈折率がnである物質からなり、底面と、前記底面から延長された第1周辺曲面と、前記第1周辺曲面から延長された第1次中央曲面と、前記第1次中央曲面から延長された第1最中央曲面と、を有する外側レンズと、
    前記外側レンズの下に配置されている発光チップと、を含む発光ダイオードであって、
    前記第1最中央曲面と前記第1次中央曲面の境界及び前記第1次中央曲面と前記第1周辺曲面の境界には凹凸が形成されており、
    前記発光チップの表面の任意の地点から前記第1次中央曲面の内部の輪郭面における任意の地点までの距離は、前記第1次中央曲面の輪郭面の前記任意の地点の曲率半径より短く、
    前記第1周辺曲面は、その表面から出射される光を前記外側レンズの中心軸側の上側方向に出射させ、
    前記第1次中央曲面は外側に凸であり、前記第1最中央曲面は、前記外側レンズの中心軸に対して対称に形成され、前記第1次中央曲面と逆側に凸であり、
    前記外側レンズの底面の中央に上側に凸の空洞が形成されており、
    前記空洞の内部表面は第2周辺曲面及び前記第2周辺曲面から延長された中央曲面からなり、
    前記発光チップ表面の任意の地点から前記中央曲面の任意の地点までの距離は、前記中央曲面の前記任意の地点の曲率半径よりも長く、
    前記発光チップを覆っており、前記外側レンズの中央空洞の内部に形成されている内側レンズを更に含み、
    前記内側レンズは、底面と、前記底面から延長された第3周辺曲面と、前記第3周辺曲面から延長された第2中央曲面と、を有し、
    前記発光チップ表面の任意の地点から前記第2中央曲面の任意の地点までの距離は、前記第2中央曲面の前記任意の地点の曲率半径よりも短く、
    前記第1最中央曲面の任意の地点での接線が前記外側レンズの中心軸となす角のうち内角をA1とし、前記発光チップ表面の中心及び前記第1最中央曲面の前記任意の地点を連結する直線が前記外側レンズの中心軸となす鋭角をA2とすると、A1+A2<90+sin −1 (1/n)を満たすことを特徴とする発光ダイオード。
  4. 前記第1最中央曲面は、円錐状に凹んでいることを特徴とする請求項3に記載の発光ダイオード。
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