JP5877347B2 - バックライト装置、およびそのバックライト装置を用いた液晶表示装置、およびそれらに用いる発光ダイオード - Google Patents

バックライト装置、およびそのバックライト装置を用いた液晶表示装置、およびそれらに用いる発光ダイオード Download PDF

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Description

本発明は、バックライト装置、およびそのバックライト装置を用いた液晶表示装置、およびそれらに用いる発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）に関する。
大型の液晶ディスプレイ装置のバックライト装置では、冷陰極管が液晶パネルの直下に多数配置されていた。そして、この冷陰極管は、冷陰極管の発光を液晶パネル側に反射する反射板や、冷陰極管から発せられる発光を拡散させて面光源とする拡散板等の部材と共に使われていた。
近年、この種のバックライト装置の光源として、発光ダイオードが使用されるようになっている。発光ダイオードは、近年、効率が向上し、蛍光灯に変わる消費電力の少ない光源として期待されている。また液晶ディスプレイ装置用の光源として発光ダイオードを用いた場合、映像に応じて発光ダイオードの明暗を制御することで、液晶表示装置の消費電力を下げることができる。
ところで、液晶表示装置用の発光ダイオードとしては、活性層にＧａＮ系の半導体を用いた青色発光ダイオードに蛍光体を組み合わせる方式のものが主流になりつつある。
図１９は、特許文献１に示されているＧａＮ系の発光ダイオードの構成を示す図である。図１９に示すように、発光ダイオードは、サファイア基板３１の上にバッファ層（図示せず）を介して、ｎ型のＧａＮ膜よりなるｎ型コンタクト層３２およびｎ型クラッド層３３が形成されている。ｎ型クラッド層３３の上には、ＩｎＧａＮ膜よりなる発光層３４が構成されており、発光層３４の上には、ｐ型のＡｌＧａＮ膜よりなるｐ型クラッド層３５とｐ型のＧａＮ膜よりなるｐ型コンタクト層３６が下から順に構成されている。ｎ型コンタクト層３２の上にはｎ型電極３７が形成されていると共に、ｐ型コンタクト層３６の上にはｐ型電極３８が形成されている。ｎ型電極３７とｐ型電極３８の間に電圧を印加することにより、発光層３４が発光する。
特許文献１に示すような発光ダイオードでは、発光ダイオードのチップの正面方向に最も多くの光が発光している。そのため、レンズを用いて、光軸近傍の凹面でチップからの正面方向に向かう光を屈折により発散させれば、被照射面における光軸近傍の照度を抑えて広がりのある照度分布にすることができる。
本発明は、広配光の発光特性を有する発光ダイオードを提供し、この発光ダイオードを用いることによって、安価で高効率のバックライト装置を提供し、このバックライト装置を用いることによって、画質向上を図った液晶表示装置を提供することを目的としている。
特開２００１−７３９９号公報
本発明のバックライト装置は、特定の色の光を発光する発光手段を備え、前記発光手段は、透明な基板上に設けられ特定の波長の光を発光する発光層と、前記発光層に対して光の出射側に形成されかつ前記発光層から発光される光を反射する機能を有する第１の反射層と、前記第１の反射層とで前記発光層を挟むように前記基板側に設けた第２の反射層とを備えた発光ダイオードであって、前記第１の反射層および第２の反射層の間に前記発光層から発光される光を拡散させる光拡散層を配置し、かつ前記第２の反射層は、反射率の高い金属膜からなる高反射金属層と、屈折率の低い材料膜からなる低屈折率層と、屈折率の異なる材料膜を積層した多層膜反射層とにより構成したことを特徴とする。
本発明の液晶表示装置は、特定の色の光を発光する発光手段を備えたバックライト装置と、前記バックライト装置からの出射光を背面側から入射し画像を表示する液晶パネルとを備えた液晶表示装置であって、前記発光手段は、透明な基板上に設けられ特定の波長の光を発光する発光層と、前記発光層に対して光の出射側に形成されかつ前記発光層から発光される光を反射する機能を有する第１の反射層と、前記第１の反射層とで前記発光層を挟むように前記基板側に設けた第２の反射層とを備えた発光ダイオードであって、前記第１の反射層および第２の反射層の間に前記発光層から発光される光を拡散させる光拡散層を配置し、かつ前記第２の反射層は、反射率の高い金属膜からなる高反射金属層と、屈折率の低い材料膜からなる低屈折率層と、屈折率の異なる材料膜を積層した多層膜反射層とにより構成したことを特徴とする。
本発明の発光ダイオードは、透明な基板上に設けられ特定の波長の光を発光する発光層と、前記発光層に対して光の出射側に形成されかつ前記発光層から発光される光を反射する機能を有する第１の反射層と、前記第１の反射層とで前記発光層を挟むように前記基板側に設けた第２の反射層とを備えた発光ダイオードであって、前記第１の反射層および第２の反射層の間に前記発光層から発光される光を拡散させる光拡散層を配置し、かつ前記第２の反射層は、反射率の高い金属膜からなる高反射金属層と、屈折率の低い材料膜からなる低屈折率層と、屈折率の異なる材料膜を積層した多層膜反射層とにより構成したことを特徴とする。
上記構成のバックライト装置によれば、安価で高効率、かつ、色むらの少ないバックライト装置を得ることができる。
また、上記構成の液晶表示装置によれば、画質向上を図れる液晶表示装置を得ることができる。
また、上記構成の発光ダイオードによれば、広配光の発光特性を有する発光ダイオードを得ることがでる。
本発明の一実施の形態による直下型バックライト装置の概略構成を示す斜視図 同バックライト装置を用いた液晶表示装置の概略構成を示す断面図 同バックライト装置に用いるＬＥＤの構造を示す断面図 同ＬＥＤのＬＥＤチップの構造を模式的に示す断面図 同ＬＥＤチップの第１の反射層の構造を模式的に示す断面図 同ＬＥＤから出射される光の相対強度の角度特性を示す図 同ＬＥＤチップの第２の反射層の構造を模式的に示す断面図 第２の反射層において、表２に示す構成の反射率の角度分布を示す図 第２の反射層において、表３に示す構成の反射率の角度分布を示す図 第２の反射層において、表４に示す構成の反射率の角度分布を示す図 第２の反射層において、表５に示す構成の反射率の角度分布を示す図 第２の反射層において、表１に示す構成の反射率の角度分布を示す図 同ＬＥＤの青色光と蛍光体からの黄色光の強度の角度特性を示す図 同ＬＥＤから出射される青色光の０度と６０度の発光スペクトルを示す図 黄色の蛍光体の吸収スペクトルの一例を示す図 ＬＥＤの蛍光体層透過後の０度方向の白色光スペクトルの一例を示す図 ＬＥＤの蛍光体層透過後の６０度方向の白色光スペクトルの一例を示す図 紫外光のＬＥＤと赤色、青色、緑色蛍光体の混色による白色ＬＥＤのスペクトルの一例を示す図 本発明の他の実施の形態によるバックライト装置を用いた液晶表示装置の概略構成を示す断面図 従来のＬＥＤのＬＥＤチップの構造を模式的に示す断面図
以下、本発明の一実施の形態によるバックライト装置ついて、図面を用いて説明する。
本実施の形態によるバックライト装置は、直下型バックライト装置である。
図１は本発明の一実施の形態による直下型バックライト装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は図１に示す直下型バックライト装置を用いた液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。なお、図２は、図１のｘ−ｙ平面におけるＬＥＤの光軸を含む位置での概略断面を示している。ここで、図１、図２において、ｘ軸の方向を「横方向」と呼び、直下型バックライト装置１の光の出射方向であるｙ軸の正の方向を「正面方向」、ｙ軸の負の方向を「背面方向」と呼び、ｚ軸の正の方向を「上方向」、ｚ軸の負の方向を「下方向」と呼ぶ。
図１、図２に示すように、直下型バックライト装置１は、複数個のＬＥＤ２がマトリックス状に均等間隔で配列されるように反射板３の前面に配置されている。そしてＬＥＤ２の正面方向側には、ＬＥＤ２との間に間隔をあけて、各種の光学シートが配置されている。すなわち、ＬＥＤ２の正面方向側には、拡散シート４と波長変換シート５と輝度上昇シート６が配置されている。
拡散シート４は、ＬＥＤ２からの光および反射板３により反射された光を拡散させ、面光源を形成するための拡散部材である。波長変換シート５は、拡散シート４を通して入射される光のうち、その一部の光を透過させ、透過させた光と混色することによって例えば白色の光のような、特定の色の光に変換する波長変換手段である。輝度上昇シート６は、出射面の法線方向に向けて集光して出射することによって出射光の正面輝度を上昇させるものである。
このＬＥＤ２は、直下型バックライト装置１の構成によって適宜最適な数および間隔で配置される。例えば、直下型バックライト装置１の大きさ、厚み、ＬＥＤ２の配光特性等に応じて決定される。
また、この直下型バックライト装置１は、輝度上昇シート６の正面方向側の面を光の出射面として、白色の面状光を出射する。ここで、白色とは、色温度が３０００Ｋ〜１００００Ｋ以内のことをいう。
反射板３は、平板形状で、ＬＥＤ２の背面方向側に配置されている。この反射板３は、少なくともＬＥＤ２が配置される前面に白色のポリエステルなどからなる拡散反射面３ａを備えている。その拡散反射面３ａに到達した光は拡散されて正面方向に反射する。つまり、反射板３に到達した光は、正面方向側に拡散して反射される。
拡散シート４は、平板形状で、ＬＥＤ２の正面方向側に、ＬＥＤ２および反射板３との間に間隔をあけて配置されている。この拡散シート４は、ＬＥＤ２側、すなわち拡散シート４の背面側から入射する光を拡散する。そして、一部の光は拡散シート４を透過して前面から正面方向に出射し、一部の光は拡散シート４に反射して背面側（ＬＥＤ２側）に戻るように光を制御する。
波長変換シート５は、その略平板形状の外形形状を有し、拡散シート４と後述する輝度上昇シート６との間に配置されている。波長変換シート５は、内部に蛍光体膜を有する。この蛍光体膜は、ＬＥＤ２が発する青色の光によって励起されて、特定色の光、すなわち本実施の形態においては、蛍光体膜の作用により、青色の光の波長を、長波長側の発光主波長が５５０ｎｍ〜６１０ｎｍの黄色の光に変換し、正面方向に光を出射するものである。すなわち、背面側から入射する青色光の一部は波長変換シート５をそのまま透過するとともに、蛍光体膜の波長変換作用によって、一部の光は黄色の光に変換されて波長変換シート５を透過する。その結果、波長変換シート５は、青色光と黄色光とを混色させることによって、白色光を出射するものである。もちろん、青色光が多い場合には青色がかった白色光となり、黄色光が多い場合には、黄色がかった白色光となる。
輝度上昇シート６は、平板形状で、前記拡散シート４の前方に配置されている。輝度上昇シート６は、入射光の一部を背面方向に反射するとともに、入射光の一部を透過させて出射面の法線方向に向けて集光させ出射する。これによって、出射光の正面輝度を上昇させるものである。具体的には、例えば輝度上昇シート６の前面にプリズムを設けた構成とすることによって、所定の角度の光だけを出射させることができる。
以上の構成部材により直下型バックライト装置１が構成される。また、図２に示すように、この直下型バックライト装置１の正面方向に画像を表示する液晶パネル７を配置すれば、液晶表示装置が構成される。また、液晶パネル７は、透明電極とスイッチング素子としての薄膜トランジスタを形成した基板と偏向板を設けた基板との間に、液晶を封入することにより複数の画素を形成したパネルが構成されている。そして、それぞれの画素を画像信号に応じてスイッチングすることにより、パネルを透過するバックライトの光の量を調整して、所望の画像を表示するものである。
ところで、図２においては、拡散シート４、波長変換シート５、輝度上昇シート６の各シート間に隙間を設けているが、必ずしも、このような隙間を設けて各シートを配置する必要はない。単なる一例に過ぎない。
次に、本実施の形態のバックライト装置に使用するＬＥＤ２について、詳細に説明する。
ＬＥＤ２は、発光主波長４３０〜４８０ｎｍの青色の光を発光するものである。図３に示すように、ＬＥＤ２は、ＬＥＤチップ８をＬＥＤパッケージ９内に配置し、ＬＥＤチップ８を保護するための樹脂１０により封止することにより構成されている。また、ＬＥＤチップ８は、ＬＥＤパッケージ９の基板（図示せず）に配線部材により電気的に接続されている。なおここで、発光主波長とは、発光スペクトルにおいて発光強度の極大値を有する波長を意味している。また、図３において、点線Ａは、ＬＥＤ２の光の出射パターンを模式的に示すものである。
図４はＬＥＤチップ８の構造を模式的に示した断面図である。図４において、１１はＧａＮよりなる透明な基板である。この基板１１の一方の主面上には、ｎ型のＧａＮ膜よりなるｎ型コンタクト層１２、ｎ型のＡｌＧａＮ膜よりなるｎ型クラッド層１３、ＩｎＧａＮ膜よりなる特定の波長の光を発光する活性層である発光層１４、ｐ型のＡｌＧａＮ膜よりなるｐ型クラッド層１５、ｐ型のＧａＮ膜よりなるｐ型コンタクト層１６が順次積層形成されている。
また、この積層体の発光層１４に対して光の出射側には、発光層１４から発光される光を反射する機能を有する第１の反射層１７が積層形成されている。この第１の反射層１７は、後述するように、誘電体多層膜により構成されている。本実施の形態では、第１の反射層１７は、複数のＴｉＯ2からなる層と、ＳｉＯ2からなる層とから構成されている。
１８は高反射金属層、低屈折率層、多層膜反射層により構成した第２の反射層であり、１９はｎ型の電極、２０はｐ型の電極である。
第２の反射層１８は基板１１の他方の主面側に設けられており、この第２の反射層１８と第１の反射層１７とによって発光層１４が挟まれている。
また、第１の反射層１７とｐ型のＧａＮ膜よりなるｐ型コンタクト層１６との間には、第１の反射層１７と発光層１４との間に配置されるように、オパール硝子からなる光拡散層２１が形成されている。
図４において、ｎ型の電極１９とｐ型の電極２０の間に電圧を印加することにより、発光層１４が発光する。発光層１４から発光される光は等方発光であるので、発光された光のうち一部は第２の反射層１８および第１の反射層１７に向かい、一部はＬＥＤ２を構成する積層体のいずれかの界面で全反射され、また一部はＬＥＤ２を構成する積層体のいずれかの材質により吸収される。
ここで、第１の反射層１７の反射率は、第２の反射層１８の反射率より低く設定されている。発光層１４で発光した光は、反射を繰り返しながら第１の反射層１７より取り出される。
図５は第１の反射層１７の断面図を示す。図５に示すように、第１の反射層１７はｐ型コンタクト層１６上に形成され、第１の誘電体である二酸化チタン（ＴｉＯ2）からなる７層の高屈折率層１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆ、１７ｇと、第２の誘電体である二酸化珪素（ＳｉＯ2）からなる６層の低屈折率層１７ｈ、１７ｉ、１７ｊ、１７ｋ、１７ｌ、１７ｍとを交互に積層した誘電体多層膜により構成されている。そして、二酸化チタンからなる高屈折率層１７ａがｐ型コンタクト層１６と接している。
ここで、第１の反射層１７を構成する第１の誘電体からなる高屈折率層１７ａ〜１７ｇと、第２の誘電体からなる低屈折率層１７ｈ〜１７ｍにおいて、それぞれの光学膜厚は、発光層１４からの光の第１の誘電体および第２の誘電体の中での波長の１／４近傍に設定している。
具体的には、ｐ型コンタクト層１６側から、高屈折率層１７ａが２５．０ｎｍ、低屈折率層１７ｈが８３．３ｎｍ、高屈折率層１７ｂが４９．０ｎｍ、低屈折率層１７ｉが８０．０ｎｍ、高屈折率層１７ｃが４７．５ｎｍ、低屈折率層１７ｊが７８．３ｎｍ、高屈折率層１７ｄが４５．５ｎｍ、低屈折率層１７ｋが７３．３ｎｍ、高屈折率層１７ｅが４２．０ｎｍ、低屈折率層１７ｌが６６．７ｎｍ、高屈折率層１７ｆが３８．０ｎｍ、低屈折率層１７ｍが６０．０ｎｍ、高屈折率層１７ｇが１８．０ｎｍである。ここで、二酸化チタンの波長４５０ｎｍにおける屈折率は２．５、二酸化珪素の波長４５０ｎｍにおける屈折率は１．５である。
このように、ＬＥＤチップ８における第１の反射層１７について、屈折率の異なる第１の誘電体および第２の誘電体からなる誘電体多層膜により構成することにより、図６に示すような配光特性を有するＬＥＤ２とすることができる。
図６は、上述した図４、図５の構成を備えたＬＥＤ２から出射される光の相対強度の角度特性の一例を示す図である。図６に示す特性においては、発光層１４から発光される光は等方発光としている。また、図６に示す特性において、出射角０度、すなわち正面方向に出射する光の強度を１に規格化して示している。
ところで、一般的なＬＥＤでは、発光層を挟むように反射層を配置すると、その反射層により共振器構造が形成され、ＬＥＤから出射する光の指向性がランバーシャンに近い分布になる。すなわち、光の出射角０度で強度は最大となり、出射角のコサインに比例する角度分布となる。
一方、本実施の形態におけるＬＥＤ２においては、図６に示すように、出射角度が大きくなるにつれ光の強度が増大し、出射角が６５度以上の７０度近傍で強度が最大になる広配光の配光特性を示すこととなる。
すなわち、本実施の形態におけるＬＥＤ２においては、発光層１４から発光される光のうち半分は、第２の反射層１８側に向かう。第２の反射層１８で反射され、第１の反射層１７方向に向かいＬＥＤ２から出射する。発光した光で第１の反射層１７で反射された光は第２の反射層１８に向かう。第１の反射層１７と第２の反射層１８との間には光拡散層２１が配置されているため、光拡散層２１に入射した光は完全拡散されて透過もしくは反射する。この光拡散層２１を完全拡散層とすることで、第１の反射層１７と第２の反射層１８とによる光の多重反射が抑制され、ＬＥＤ２の中に閉じ込められる光を減少させることができる。
このように、本実施の形態におけるＬＥＤ２は、第１の反射層１７と第２の反射層１８とによる光の多重反射が抑制される。さらに、第１の反射層１７の透過／反射率の角度特性を、出射角が６５度以上において透過率のピークが存在するような特性とし、発光層１４から発光される光の配光特性を考慮することで、ＬＥＤ２の配光特性を図６に示すような広配光の配光特性に容易に制御できるものである。
次に、第２の反射層１８の詳細構成について、図７を用いて説明する。第２の反射層１８は、アルミニウム、金、銀の中から選ばれた反射率の高い金属膜からなる高反射金属層１８ａと、この高反射金属層１８ａ上に形成され、かつ二酸化珪素（ＳｉＯ２）などの屈折率の低い材料膜からなる低屈折率層１８ｂと、この低屈折率層１８ｂ上に形成され、かつ屈折率の異なる高屈折率材料と低屈折率材料それぞれからなる材料膜を交互に積層した構造の多層膜反射層１８ｃとにより構成されている。ここで、多層膜反射層１８ｃの高屈折率材料は、二酸化チタン、窒化珪素、三酸化二タンタル、五酸化ニオブ、二酸化ジルコニウムの中から選ばれた材料であり、低屈折率材料は、二酸化珪素である。この第２の反射層１８の構成の一例を表１に示す。
以下、第２の反射層１８を構成する高反射金属層１８ａ、低屈折率層１８ｂ、多層膜反射層１８ｃそれぞれの層の効果について説明する。
表２に高反射金属層１８ａのみの場合の層構成を示す。
図８は表２の構成における波長４５０ｎｍの反射率の角度依存性を示したグラフである。０°では反射率は約８８％であり、角度が大きくなるにつれて反射率が大きくなることが分かる。
まず、低屈折率層１８ｂの効果について説明する。表３には高反射金属層１８ａと低屈折率層１８ｂの構成を示している。ここで低屈折率層１８ｂの効果を得るために、媒質としては屈折率２．５よりも低い屈折率１．５の低屈折率層、膜厚は発光波長（λ）４５０ｎｍのλ／２以上の光学膜厚である膜厚６００ｎｍとした。
図９は表３の構成における波長４５０ｎｍの反射率の角度依存性を示した特性を示している。低屈折率層１８ｂの効果により、４０°以上の光の反射率はほぼ１００％となっている。これは基板１１の屈折率２．５と低屈折率層１８ｂの屈折率１．５とから算出される臨界角３７°とほぼ近い値となっている。つまり、臨界角を超える角度の光は全反射し、反射率は１００％となることから、低屈折率層１８ａを用いることで、広角度側の反射率を向上させることができる。また、この低屈折率層１８ｂでは全反射を用いるため、膜厚が薄くなると、薄膜干渉の影響が大きくなり全反射の効果が得られなくなる。したがって、低屈折率層１８ｂの膜厚は、ＬＥＤ２の発光波長（λ）のλ／２以上の光学膜厚とするのが望ましい。
次に、多層膜反射層１８ｃの効果について説明する。表４には高反射金属層１８ａと多層膜反射層１８ｃの構成を示している。ここで、多層膜反射層１８ｃの媒質としては、屈折率２．５の媒質１と屈折率３．５の媒質２を用いた。媒質１と媒質２の消衰係数は０としている。媒質１および媒質２の膜厚は、ＬＥＤ２の発光中心波長４５０ｎｍのλ／４となるように、媒質１は４５ｎｍ、媒質２は３２．１４ｎｍとした。
図１０は表４の構成における波長４５０ｎｍの反射率の角度依存性を示す特性を示している。多層膜反射層１８ｃの効果により、０°付近の光の反射率はほぼ１００％となっている。これは多層膜反射層１８ｃが高屈折率の媒質２と低屈折率の媒質１により構成し、膜厚がλ／４の多層膜としたことにより、薄膜干渉効果によって反射率が向上した結果である。
次に、上記で説明した低屈折率層１８ｂと多層膜反射層１８ｃをあわせた効果について説明する。表５には高反射金属層１８ａ、低屈折率層１８ｂ、多層膜反射層１８ｃで構成された第２の反射層１８の構成を示している。ここで、上記と同じように、低屈折率層１８ｂの媒質としては屈折率２．５よりも低い１．５の低屈折率層１８ｂ、膜厚は発光波長（λ）４５０ｎｍのλ／２以上の光学膜厚である実膜厚８８０ｎｍとした。一方、多層膜反射層１８ｃの媒質としては屈折率２．５の媒質１と屈折率３．５の媒質２を用いた。媒質１と２の消衰係数は０としている。媒質１および媒質２の膜厚はＬＥＤの発光波長４５０ｎｍのλ／４となるように、媒質１は４５ｎｍ、媒質２は３２．１４ｎｍとした。
図１１に表５の構成における波長４５０ｎｍの反射率の角度依存性を示す特性を示している。低屈折率層１８ｂの効果により、４０°以上の光の反射率は全反射によりほぼ１００％となっていることがわかる。さらに、多層膜反射層１８ｃの効果により、０°付近の光の反射率はほぼ１００％となっている。これは多層膜反射層１８ｃが高屈折率の媒質２と低屈折率の媒質１とから構成され、膜厚がλ／４の多層膜となっているため、薄膜干渉効果によって反射率が向上した結果である。つまり、第２の反射層１８を高反射金属層１８ａと低屈折率層１８ｂと多層膜反射層１８ｃを用いて構成することにより、あらゆる入射角に対して反射率を大幅に高めることができる。
図１２は表１に示す構成の第２の反射層１８について、波長４５０ｎｍの反射率の角度依存性を示す特性を示している。表１の構成では、低屈折率層１８ｂの材料を屈折率１．５のＳｉＯ2とし、多層膜反射層１８ｃで用いる低屈折率材料を、低屈折率層１８ｂと同じ材料であるＳｉＯ2としている。上記構成とすることで、作製プロセスが簡略化され、コスト低減となる。反射率の角度特性においてはこれまでと同様に、低屈折率層１８ｂの効果により、４０°以上の光の反射率はほぼ１００％となり、多層膜反射層１８ｃの効果により、０°付近の光の反射率はほぼ１００％となっている。第２の反射層１８を高反射金属層１８ａ、低屈折率層１８ｂと多層膜反射層１８ｃを用いて構成することで、反射率を大幅に高めることができる。
また、光拡散層２１はオパール硝子で構成しているため、発光層１４のＧａＮの屈折率２．５よりも屈折率が低い。したがって、光拡散層２１を発光層１４と第１の反射層１７の間に配設することで、第２の反射層１８における低屈折率層１８ｂの効果を損なうことなく、高い取り出し効率を実現することができる。
以上説明したように、本実施の形態においては、特定の色の光を発光する発光手段であるＬＥＤ２と、このＬＥＤ２からの光を拡散させて面光源とするための拡散部材である拡散シート４とを備えたバックライト装置において、ＬＥＤ２は、透明な基板１１上に設けられ特定の波長の光を発光する発光層１４と、発光層１４に対して光の出射側に形成されかつ発光層１４から発光される光を反射する機能を有する第１の反射層１７と、第１の反射層１７とで発光層１４を挟むように基板１１側に設けた第２の反射層１８とを備え、第２の反射層１８は、反射率の高い金属膜からなる高反射金属層１８ａと、屈折率の低い材料膜からなる低屈折率層１８ｂと、反射率の異なる材料膜を積層した多層膜反射層１８ｃとにより構成している。これによって、第２の反射層１８と第１の反射層１７とによる光の干渉効果が抑制される。さらに、第１の反射層１７の透過／反射率の角度特性を出射角が６５度以上において透過率のピークが存在するような特性にすることで、図６に示すように、広配光の配光特性に容易に制御することができ、安価で高効率のバックライト装置を提供することができる。
なお、図４に示す例では、光拡散層２１を第１の反射層１７と発光層１４との間に配置したが、発光層１４と第２の反射層１８との間に光拡散層２１を配置してもよい。要は、第１の反射層１７と第２の反射層１８との間に、発光層１４から発光される光を拡散させる光拡散層２１を配置すればよい。
なお、図７に示す例で第２の反射層１８の構成は高反射金属層１８ａ、高反射金属層１８ａ上に形成された低屈折率層１８ｂ、低屈折率層１８ｂ上に形成された多層膜反射層１８ｃとしたが、低屈折率層１８ｂと多層膜反射層１８ｃの順序は入れ替わっていてもかまわない。要は、高反射金属層１８ａ上に、低屈折率層１８ｂと多層膜反射層１８ｃが形成されていればよい。
ところで、レンズを使用せずにＬＥＤ２から発光する光そのものを広配光化させた場合、図１３の特性Ｂに示すように、ＬＥＤチップ８から発光する青色は広配光化されているが、ＬＥＤ２からの青色の光により蛍光体膜が励起されて発光する発光主波長が５５０ｎｍ〜６１０ｎｍの黄色の光の配光特性は、特性Ｙのようにランバーシャンとなる。つまり、ＬＥＤパッケージ９から出射後の青色光と黄色光の配光特性が異なり、黄色の光は、ＬＥＤ２の直上方向に強度の極大値を有し、青色の光は６５度以上の７０度付近に強度の極大値を有する。このため、ＬＥＤ２の直上においては黄色がかった白色となり、７０度付近では青色がかった白色となり、角度によって色が異なる結果となり、色むらの原因となる。
また、第１の反射層１７として誘電体多層膜を出射側に用いて広配光化した場合には、誘電体多層膜における光の干渉により強め合う波長と弱め合う波長が存在し、角度によって発光スペクトルが異なってしまう。図１４に青色のＬＥＤのスペクトルの一例を示している。図１４に示すように、ここで、０度方向に出射する光Ｂ１に対して、６０度方向に出射する光Ｂ２のスペクトルが約１０ｎｍ長波長側にシフトしていることが分かる。また、この図１４に示すように角度により、発光スペクトルが変化するため、色度もずれることとなる。
また、図１５には黄色に発光する蛍光体の吸収スペクトルの一例を示している。吸収スペクトルにおけるピークは、０度方向の発光スペクトルのピークと同じ４５０ｎｍ付近にあり、４５０ｎｍより長波長側になると、吸収係数が減少する。つまり、蛍光体の光の吸収量が減少し、励起される黄色の蛍光体の発光強度が弱くなる。したがって、蛍光体を透過した後の０度方向は、図１６Ａに示すスペクトルとなり、６０度方向は図１６Ｂに示すスペクトルとなる。図１６Ｂでは、青色ＬＥＤの発光強度に対して、黄色の蛍光体の発光強度が相対的に弱くなってしまい、０度と６０度で色が変化してしまうことから、結果としてバックライト装置において色むらが発生することとなる。
一方、本実施の形態におけるバックライト装置においては、上述したように、ＬＥＤ２から出射した青色の光は、図６に示すような配光特性を示し、このような配光特性の青色の光が拡散シート４を透過し、波長変換シート５に入射する。そして、波長変換シート５に入射した青色の光の一部は、そのまま透過し、残りの青色の光は、蛍光体の波長変換作用によって黄色の光に変換されて透過する。このとき、波長変換シート５を透過した直後の青色の光の配光特性と、蛍光体の波長変換作用によって変換された黄色の光が同じ照度分布で、しかも共にランバーシャンの配光特性となることから、青色の光と黄色の光で同じ特性となる。すなわち、上述したような色むらの発生を抑制することができ、液晶表示装置として画質の向上を図ることができる。
なお、以上の説明では、波長変換シート５は、拡散シート４と輝度上昇シート６の間に配置したが、これに限定されない。例えば、反射板３と拡散シート４の間に配置することもできる。要するに、反射板３と輝度上昇シート６の間に配置されていれば、色むらを低減する効果を得ることができる。
また、拡散部材として、拡散シート４の代わりに、機械的強度の高い拡散板を用いれば、この拡散板に他の光学シートを保持させることができ、この場合、波長変換シート５は拡散板と輝度上昇シート６の間に配置されればよい。
また、輝度上昇シート６は、入射光の一部を後方へ反射するとともに、一部を透過して出射面の法線方向に向けて集光して出射することで出射光の正面輝度を上昇させるように構成したが、これに限定されない。例えば、入射光の一部を後方へ反射するものであれば、他のものであってもかまわない。また、液晶表示装置を構成した場合に、液晶パネル７で吸収される偏光成分のみを反射して、残りの光を透過させるような構成であってもよい。
さらに、本実施の形態において、波長変換シート５は、青色の光を黄色の光に変換する蛍光体膜を設けた構成としたが、これに限定されない。例えば、青色の光を赤色の光に変換する蛍光体膜と、青色の光を緑色の光に変換する蛍光体膜とを有していてもよい。この構成によれば、発光手段であるＬＥＤ２からの青色の光と、波長変換シート５で波長変換された赤色の光および緑色の光とを混色させて白色光を生成することもできる。
さらには、ＬＥＤ２として、発光主波長が３５０ｎｍ〜４００ｎｍの紫外の光を発光するＬＥＤを用い、そして波長変換シート５として、図１７に示すように、紫外光のＬＥＤによって励起されかつ赤色、青色、緑色の光を発光する特性を有する蛍光体Ｒ、Ｇ、Ｂの膜を形成したものを用い、青色、緑色、赤色の混色により白色を実現するような構成としてもよい。この紫外光のＬＥＤを用いて構成すると、紫外光は白色の一部として利用されないため、色むらがＬＥＤの色度変化の影響を受けず、蛍光体の励起効率のみに影響されるため、さらに色むらの少ないバックライト装置を実現することができる。
また、ＬＥＤチップ８の光拡散層２１については、ｐ型コンタクト層１６の一部の面に、例えばエッチング等によりランダムな凹凸構造を形成し、凹凸構造の表面にＳｉＯ2からなる層を形成して光拡散層２１としてもよい。
次に、他の実施の形態について説明する。図１８は他の実施の形態における直下型バックライト装置を用いた液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。
本実施の形態においては、波長変換手段として、強度の極大値を有する角度近傍において厚みが厚くなるように構成した波長変換シート２５を用いたものである。
すなわち、図１８に示すように、波長変換シート２５は、ＬＥＤ２の光軸上における厚みｔ１よりもＬＥＤ２の光軸外で、ＬＥＤ２の強度の極大値を有する角度近傍における厚みｔ２の方が厚くなるように構成したものである。ＬＥＤ２の光軸上における波長変換シート２５の厚みがｔ１であり、光軸から離れるにつれてその厚みが薄くなる。そして、色度変化の最も大きい角度においてその厚みがｔ１よりも厚いｔ２となる。ＬＥＤ２の光軸上における厚みｔ１は、各ＬＥＤ２で一致し、波長変換シート２５の膜厚変化はＬＥＤ２の光軸を中心として同心円形状に変化している。
本実施の形態におけるＬＥＤ２において、第１の反射層１７を誘電体多層膜で構成すると、光の干渉効果によって強め合う波長と弱め合う波長が存在し、また、ＬＥＤ２の出射角が異なると、図１４に示すように光のスペクトルが異なってしまい、蛍光体の励起効率が低下することから、色むらが発生してしまう。
本実施の形態の構成とすることにより、ＬＥＤ２の青色の光の発光強度に対する黄色の蛍光体膜の発光強度をほぼ等しくすることが可能となり、色むらの少ないバックライト装置とすることができる。
以上のように本発明は、安価で高効率のバックライト装置を提供するとともに、液晶表示装置の画質を向上させる上で有用な発明である。
１ 直下型バックライト装置
２ ＬＥＤ
３ 反射板
４ 拡散シート
５，２５ 波長変換シート
６ 輝度上昇シート
７ 液晶パネル
８ ＬＥＤチップ
９ ＬＥＤパッケージ
１０ 樹脂
１１ 基板
１２ ｎ型コンタクト層
１３ ｎ型クラッド層
１４ 発光層
１５ ｐ型クラッド層
１６ ｐ型コンタクト層
１７ 第１の反射層
１７ａ〜１７ｇ 高屈折率層
１７ｈ〜１７ｍ 低屈折率層
１８ 第２の反射層
１８ａ 高反射金属層
１８ｂ 低屈折率層
１８ｃ 多層膜反射層
１９ ｎ型電極
２０ ｐ型電極
２１ 光拡散層

Claims (21)

  1. 特定の色の光を発光する発光手段を備え、前記発光手段は、透明な基板上に設けられ特定の波長の光を発光する発光層と、前記発光層に対して光の出射側に形成されかつ前記発光層から発光される光を反射する機能を有する第１の反射層と、前記第１の反射層とで前記発光層を挟むように前記基板側に設けた第２の反射層とを備えた発光ダイオードであって、前記第１の反射層および第２の反射層の間に前記発光層から発光される光を拡散させる光拡散層を配置し、かつ前記第２の反射層は、反射率の高い金属膜からなる高反射金属層と、屈折率の低い材料膜からなる低屈折率層と、屈折率の異なる誘電体材料膜を積層した多層膜反射層とにより構成し、前記高反射金属層上に前記低屈折率層を配置し、前記低屈折率層上に前記多層膜反射層を配置し、
    前記第２の反射層の低屈折率層の膜厚は、発光ダイオードの発光中心波長（λ）に対してλ／２以上の光学膜厚を有するバックライト装置。
  2. 前記発光手段からの光のうちの一部の光を透過するとともに、前記透過した光と混色することで白色の光となる特定の色の光に変換する波長変換手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のバックライト装置。
  3. 前記第２の反射層の多層膜反射層は、高屈折率材料と低屈折率材料とを積層することにより構成したことを特徴とする請求項１に記載のバックライト装置。
  4. 前記高屈折率材料は、二酸化チタン、窒化珪素、三酸化二タンタル、五酸化ニオブ、二酸化ジルコニウムの中から選ばれた材料であり、前記低屈折率材料は、二酸化珪素であることを特徴とする請求項１に記載のバックライト装置。
  5. 前記第１の反射層は、誘電体多層膜で構成したことを特徴とする請求項１に記載のバックライト装置。
  6. 前記光拡散層は、第１の反射層と発光層の間に配設したことを特徴とする請求項１に記載のバックライト装置。
  7. 前記第２の反射層の高反射金属層は、アルミニウム、金、銀の中から選ばれた金属により構成したことを特徴とする請求項１に記載のバックライト装置。
  8. 前記発光ダイオードの第１の反射層は、出射角が６５度以上に透過率のピークが存在するように構成したことを特徴とする請求項１に記載のバックライト装置。
  9. 前記発光手段は、発光主波長が４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの青色の光を発光する青色の発光ダイオードであり、前記波長変換手段は、前記青色の発光ダイオードによって励起されかつ青色の光と混色することで白色の光となる特定色の光を発光する蛍光体膜を有するものである請求項２に記載のバックライト装置。
  10. 前記発光手段は、発光主波長が３５０ｎｍ〜４００ｎｍの紫外の光を発光する発光ダイオードであり、前記波長変換手段は、前記紫外の発光ダイオードによって励起されかつ赤色、青色、緑色の光を発光する蛍光体膜を有するものである請求項２に記載のバックライト装置。
  11. 特定の色の光を発光する発光手段を備えたバックライト装置と、前記バックライト装置からの出射光を背面側から入射し画像を表示する液晶パネルとを備えた液晶表示装置であって、前記発光手段は、透明な基板上に設けられ特定の波長の光を発光する発光層と、前記発光層に対して光の出射側に形成されかつ前記発光層から発光される光を反射する機能を有する第１の反射層と、前記第１の反射層とで前記発光層を挟むように前記基板側に設けた第２の反射層とを備えた発光ダイオードであって、前記第１の反射層および第２の反射層の間に前記発光層から発光される光を拡散させる光拡散層を配置し、かつ前記第２の反射層は、反射率の高い金属膜からなる高反射金属層と、屈折率の低い材料膜からなる低屈折率層と、屈折率の異なる誘電体材料膜を積層した多層膜反射層とにより構成し、前記高反射金属層上に前記低屈折率層を配置し、前記低屈折率層上に前記多層膜反射層を配置し、
    前記第２の反射層の低屈折率層の膜厚は、発光ダイオードの発光中心波長（λ）に対してλ／２以上の光学膜厚を有する液晶表示装置。
  12. 前記バックライト装置は、前記発光手段から発光される光のうち一部の光を透過するとともに、前記透過した光と混色することで白色の光となる特定の色の光に変換する波長変換手段を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
  13. 透明な基板上に設けられ特定の波長の光を発光する発光層と、前記発光層に対して光の出射側に形成されかつ前記発光層から発光される光を反射する機能を有する第１の反射層と、前記第１の反射層とで前記発光層を挟むように前記基板側に設けた第２の反射層とを備えた発光ダイオードであって、前記第１の反射層および第２の反射層の間に前記発光層から発光される光を拡散させる光拡散層を配置し、かつ前記第２の反射層は、反射率の高い金属膜からなる高反射金属層と、屈折率の低い材料膜からなる低屈折率層と、屈折率の異なる誘電体材料膜を積層した多層膜反射層とにより構成し、前記高反射金属層上に前記低屈折率層を配置し、前記低屈折率層上に前記多層膜反射層を配置し、
    前記第２の反射層の低屈折率層の膜厚は、発光ダイオードの発光中心波長（λ）に対してλ／２以上の光学膜厚を有する発光ダイオード。
  14. 前記第２の反射層は、前記高反射金属層上に前記低屈折率層を配置し、前記低屈折率層上に前記多層膜反射層を配置したことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
  15. 前記第２の反射層の低屈折率層の膜厚は、発光ダイオードの発光中心波長（λ）に対してλ／２以上の光学膜厚を有することを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
  16. 前記第２の反射層の多層膜反射層は、高屈折率材料と低屈折率材料とを積層することにより構成したことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
  17. 前記高屈折率材料は、二酸化チタン、窒化珪素、三酸化二タンタル、五酸化ニオブ、二酸化ジルコニウムの中から選ばれた材料であり、前記低屈折率材料は、二酸化珪素であることを特徴とする請求項１６に記載の発光ダイオード。
  18. 前記第１の反射層は、誘電体多層膜で構成したことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
  19. 前記光拡散層は、第１の反射層と発光層の間に配設したことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
  20. 前記第２の反射層の高反射金属層は、アルミニウム、金、銀の中から選ばれた金属により構成したことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
  21. 前記発光ダイオードの第１の反射層は、前記発光層からの光の主波長に対して、出射角が６５度以上に透過率のピークが存在するように構成したことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
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