JP6692595B2 - バックライト発光素子及び液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ発光素子と量子ドット蛍光体を含む波長変換素子から構成されるバックライト発光素子に関する。さらに、発光時間の長い、強さの安定した蛍光を放出することのできるバックライト発光素子に関する。

液晶装置用バックライト、照明などに広く使われる白色ＬＥＤ発光素子は、青色光を放出する半導体発光素子と、緑色、赤色、黄色蛍光体などを組み合わせることで実現している。蛍光体の種類は、無機蛍光体、有機蛍光体、半導体から構成される量子ドット蛍光体（量子ドット）がある。量子ドット蛍光体は、化合物半導体結晶をナノサイズにしたもので、化合物半導体励起子のボーア半径より小さい領域で量子閉じ込め効果を示す。そのため、高い発光効率を実現することが出来る。

量子ドットの製造方法としては、例えば、粒子形成用前駆体含有溶液をマイクロ流路内に連続的に供給しながら、加熱して反応させた後、冷却する方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

ＬＥＤ発光素子は、電圧の印加によって発光する半導体の一種であり、Ｐ型半導体（正孔が多い半導体）とＮ型半導体（電子が多い半導体）とが接合された「ＰＮ接合」によって構成されている。ＰＮ接合半導体チップに順方向の電圧が印加されると、電子と正孔（キャリア）の移動によって電流が流れる。キャリアは、接合部付近で禁制帯を越えて再結合する。この再結合エネルギーが光として放出される。ＬＥＤ発光素子は、高輝度かつ長寿命であることや不要な紫外線や赤外線を含まない光が得られるという特徴から、広く用いられている。用途としては、照明器具をはじめ、自動車のヘッドライト、電子機器のバックライト及び各種ディスブレイ等に応用されている。

ＬＥＤ発光素子内の半導体チップから放出される光は、半導体を構成する化合物のバンドギャップに対応する周波数の単色光である。よって、放出される光の波長は化合物の種類に応じて変化するため、多様な発光色を発するＬＥＤ素子が製造されている。化合物として、例えば、Ｇａ（ガリウム）、Ｎ（窒素）、Ｉｎ（インジウム）、Ａｌ（アルミニウム）及びＰ（リン）等が使用される。

前記量子ドット蛍光体を用いることで、ＬＥＤ発光素子が放出した光は、その一部が量子ドット蛍光体により所定の波長の光に変換され、一部がそのまま放出される。この２種類の光が混合されて、人間の視覚には自色光として認識される。こうしたなか、前記半導体量子ドット蛍光体を用いて、所望の波長の光を放出することのできるＬＥＤ発光素子に関する技術や、ＬＥＤ発光素子の回りを樹脂で充填し、前記樹脂内に量子ドット蛍光体粒子を拡散する方法により、白色光などの所望の発光色を得る方法が提案されている（特許文献３参照）。

前記量子ドット蛍光体を用いたＬＥＤ発光素子では、様々な環境の下で長い発光時間を維持し、安定した光出力を得ることが重要である。一方で、量子ドット蛍光体の発光効率や寿命は、量子ドット蛍光体の表面構造や表面結晶性などの表面特性に依存する。特に量子ドット蛍光体は、粒子サイズが数１０ｎｍと非常に小さいため、その体積に対する表面積の割合が大きい。そのため、量子ドット蛍光体の表面には欠陥が生じやすい。この欠陥が、バンドギャップ間に存在する様々なエネルギートラップとして働き、発光効率が低下する。例えば、特許文献３では、前記欠陥の原因が水分であるとし、前記水分の進入を低減する方法が提案されている。

また、量子ドット蛍光体は、高温では蛍光特性が低下する問題を持つ。このため、高温度を避ける構成が必要とされる。さらには、粒子直径が光の波長に対して１／１０以下と非常に小さいため、量子ドット蛍光体が存在する媒質への入射光はレイリー散乱を起してあらゆる方向に散乱する。そのため、このような散乱による光損失を出来るだけ低減するバックライト光源の構造が必要となる。

さらに、量子ドット蛍光体は、熱により発光性能が低下することが実験的に知られている。このため、ＬＥＤ半導体発光素子を含むパッケージの中の封止材には、量子ドット蛍光体を混入させない。この問題への対応は、発熱のもととなる半導体発光素子と、量子ドット蛍光体との間の距離を大きくすることにより、熱の影響による量子ドットの性能低下を防ぐことが出来る。

このように、半導体を利用した発光デバイスでは、量子ドット蛍光体を用いるものに限らず、光源となる半導体発光素子やワイヤーリードを、樹脂等を用いた封止材で覆い、保護する構造を有している。封止材は、振動や外部からの湿気の侵入を防いだり、熱や物理的な外部からの衝撃からＬＥＤ発光素子全体を保護する役割を果たしている。

ところで、近年の液晶表示装置を持つ携帯電話装置、小型ノートコンピュータ装置やＴＶ装置では、装置の小型化、薄型化が急速に進展している。特に携帯電話の薄型化では、液晶表示装置部の薄型化が必要であり、前記液晶表示装置の小型化、薄型化に合わせて量子ドットを含むＬＥＤ発光素子の小型化、薄型化が非常に重要である。しかしながら、単純に前記ＬＥＤ発光素子の小型化、薄型化を図った場合、量子ドット蛍光体と半導体ＬＥＤ発光素子との距離が取れないことや、発光部分の防湿性向上を図らなければならないが、これらを実現した具体的方法については報告されていない。

さらに、小型の携帯端末装置では出来るだけ薄い導光体が必要とされ、前記導光体とＬＥＤ光源との結合にも精度の高い位置合わせが必要となり、組立作業が複雑となる。例えば、携帯電話や小型携帯端末（コンピュータ）では１ｍｍ以下の厚さの導光体が必要とされている。また、大型液晶テレビジョンにおいても、導光体の厚さは２ｍｍ程度が必要とされている。

例えば、特許文献４では、ＬＥＤ発光素子と導光体との組み合わせについては、前記ＬＥＤ発光素子の中ではなく、導光体端面やＬＣＤに面する方向とは反対側の面に前記蛍光体を塗布する方法も提案されている。

一方、光ファイバと光ファイバ（またはＬａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）をカップリングさせる分野の技術として、非特許文献１に述べられているボールレンズを用いた方式がある。前記方式は、まず光ファイバの端面を小球レンズの焦点位置に設置する。すると、小球レンズから出射される光線はコリメートされるため、その光軸上にもう一個小球レンズを設置し、他の光ファイバの端面をその焦点位置に設置すればカップリングが成立する。

本方式の利点は、光ファイバ端がボールレンズの焦点に来るようにボールレンズを置くことにより、ボールレンズからの出射ビームはコリメートされている。２つのボールレンズ同士を軸合わせすると、初めのボールレンズの前側焦点から後側のボールレンズの後側焦点にビームを移行することができる。ビームを拡げれば、軸合わせの必要精度を低減できる。

また、光ファイバの径がボールレンズの焦点距離に比べて十分に小さいので、軸外の収差は無視できる。したがって、前記ボールレンズを用いたファイバカップリングの方法では、面方向の精密な位置調整は必要ない。

特開２００３−２２５９００号公報 再表２００５−０２３７０４号公報 特開２０１２−１９１１４４号公報 特開２０１２−０２２０２８号公報

ニーチア（ＮＩＣＩＡ Ａ）著、「ファイバ光学素子におけるレンズ結合 効率限界（Ｌｅｎｓ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｎ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃｄｅｖｉｃｅｓ：ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｌｉｍｉｔｓ）」、応用光学（ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ）、（米国）、１９８１年９月１５日、第２０巻、第１８号、ｐ．３１３６−３１４５

このように、薄型バックライトユニットでは、ＬＥＤ光源から放出された光が、量子ドット蛍光体により波長変換され、導光体へ光が入射されるまでの過程について、改善すべき多くの課題がある。

まず、ＬＥＤ発光素子の発熱に起因する素子周辺の熱により、量子ドット蛍光体の発光性能が低下するという問題があり、さらには、粒子直径が５０ｎｍ未満である量子ドット蛍光体による、入射光の散乱（レイリー散乱）と、前記散乱による光利用効率の低下により、結果として、光損失が増加するという問題がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、量子ドット蛍光体の発光性能、発光寿命及び光利用効率を満足させることのできる、つまり、外部要因による性能低下を出来るだけ低減し、長寿命で安定した光量を維持することのできるバックライト発光素子を提供することを目的とする。

本発明は、光子を放出する半導体発光素子と、半導体発光素子から放出された光子が入射される少なくとも１つのレンズと、該レンズに入射し透過した光子が入射される、蛍光体粒子を含有する蛍光体含有レンズとを備え、該レンズに入射し透過した光子の収束点が、蛍光体含有レンズの内部となるように蛍光体含有レンズが配置されており、蛍光体粒子が５０ナノメートル以下の直径を有する少なくとも１種の量子ドット蛍光体粒子である、バックライト発光素子に関する。

前記レンズは、半導体発光素子から放出された光子を入射する略円形断面を有する第１のレンズと、前記第１のレンズから放出された光子を入射する略円形断面を有する第２のレンズとから構成されることが好ましい。

蛍光体含有レンズの少なくとも一部は、金属蒸着膜又は金属メッキを備えることが好ましい。

蛍光体含有レンズは、略半円形断面を有することが好ましい。

蛍光体含有レンズは、略三角形断面を有することが好ましい。

蛍光体含有レンズは、略四角形断面を有することが好ましい。

さらに本発明は、前記バックライト発光素子を備えた液晶表示装置に関する。

量子ドット蛍光体粒子を含まない半導体発光素子と、量子ドット蛍光体粒子を含む波長変換素子を個別に作成し、前記半導体発光素子と波長変換素子をレンズで結合することにより光学路の位置合わせを容易にすることができる。さらに、前記量子ドット蛍光体粒子を含む波長変換素子において、レンズからの光入射側の少なくとも一部を金属蒸着膜や金属メッキによる反射面を設けることにより、量子ドット蛍光体粒子によるレイリー散乱光を導光体側に導くことで、光の利用効率を高めると共に、半導体発光素子の熱による量子ドット蛍光体粒子の性能低下を防ぐことができ、長寿命のバックライト発光素子を実現できる。結果として、ＬＥＤ発光素子と導光体について、光損失の少ない光学的結合をさせることができる。

本発明の実施の形態にかかる半導体発光素子を含む、バックライト発光素子の断面図である。 本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、バックライト発光素子部分の光子の入射及び放出を示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、第１のレンズを透過する光の拡がりを示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、第１のレンズと第２のレンズを透過する光の拡がりを示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、半導体発光素子と第１のレンズと第２のレンズと蛍光体含有レンズの配置図である。 導光体の構造の一例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、バックライト発光素子と導光体部分の光子の入射及び放出を示す図である。 本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、第２のレンズと蛍光体含有レンズの配置図である。 本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、蛍光体含有レンズの具体的構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、蛍光体含有レンズの具体的構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、蛍光体含有レンズの具体的構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、バックライト発光素子と導光体と液晶表示装置の具体的実装方法を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、蛍光体含有レンズの具体的構造の一例を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、蛍光体含有レンズの具体的構造の一例を示す断面図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を説明する。なお、以下に説明する形態は、本発明の一例に過ぎず、本発明の要旨を変更しない範囲で、本発明の実施の形態が適宜変更できる。

本発明では、ＬＥＤ発光素子などの半導体発光素子と、半導体発光素子から放出された光子が入射される少なくとも１つのレンズと、該レンズに入射し透過した光子が入射される、蛍光体粒子を含有する蛍光体含有レンズとを備える。前記レンズに入射し透過した光子の収束点が蛍光体含有レンズの内部となるように設計されていれば、レンズの数、形状や素材等は特に限定されない。

前記半導体発光素子から放出された光子が入射される少なくとも１つのレンズは、本発明の趣旨に反しない範囲であれば、量子ドット蛍光体粒子などの蛍光体粒子を含有させることも可能である。

前記レンズは、１つであっても良く、２つ以上であっても良い。また、レンズの形状は、通常、棒状であり、棒状レンズが複数存在する場合は、棒状レンズの長さ方向に平行になるようにレンズは配置されることが好ましい。また、蛍光体含有レンズも棒状とすることができ、棒状レンズと棒状蛍光体含有レンズの長さ方向が互いに平行となるように配置される。この場合、光子の入射方向は、前記長さ方向とは垂直な方向となる。棒状レンズ及び棒状蛍光体含有レンズの断面形状は、特に限定されず、略円形状、略半円形状、略多角形状など、適宜設計することができる。

前記レンズは、公知の製造方法により得られる。一方、蛍光体含有レンズの製造方法としては、例えば、射出成形、押出成形、中空成形、熱成形、圧縮成形する方法などがあげられる。中でも、蛍光体含有レンズが複雑な形状を有するものであっても、製造が短時間、且つ、安価でできる射出成形や、一様な形状の蛍光体含有レンズを製造することができる押出成形が好ましい。

射出成形する方法とは、量子ドット蛍光体を、加熱溶融したプラスチック原料と混合し、それを加圧して閉じた金型内に注入し、冷却、固化させた後、金型を開いて取出す方法である。

押出成形する方法とは、量子ドット蛍光体とプラスチック原料をホッパーより投入し、加熱されたシリンダーとスクリュー回転で生じる剪断力による発熱により溶融し、それをスクリュー回転による圧力により、シリンダー先端方向に移送し、先端に取付けられた金型から押出す方法である。

上記以外の製造方法としては、透光性を有する硬化性の媒体（例えば、感光性樹脂）に量子ドット蛍光体粒子を混合して硬化させる方法がある。

前記レンズ及び蛍光体含有レンズに用いられる素材としては、ガラスレンズ、プラスチックレンズのいずれかが用いられる。プラスチックレンズとしては、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリカーボネート樹脂などの熱可塑性樹脂を用いたレンズを用いることができる。中でも、ポリメタクリル酸メチル樹脂やポリカーボネート樹脂を用いた非球面レンズは、射出成形する方法により、安価に大量に生産できる点で好ましい。さらに、射出成形する方法では、これらの樹脂は、金型表面への密着力に優れているため、成形後の研磨が不要であるという点で好ましい。また、レンズ及び蛍光体含有レンズは、同じ素材のものを用いても良く、異なる素材のものを用いても良い。

図１は、本発明の実施の形態にかかる半導体発光素子を含む、バックライト発光素子（１０）の断面図である。なお、本発明の実施の形態で説明する断面とは、レンズの長さ方向に対し、光軸と平行に切断した面を示す。本発明のバックライト発光素子（１０）は、ＬＥＤ発光素子（５）などの半導体発光素子と、前記半導体発光素子から放出された光子が入射される少なくとも１つレンズと、該レンズに入射し透過した光子が入射される、蛍光体粒子を含有する蛍光体含有レンズ（２２）と、レンズ及び蛍光体含有レンズ（２２）の上下に平行に配置することで、これらのレンズを固定する保持板（２０１）とを備える。保持板（２０１）の内部には、略三角形断面を有する複数の突起（２０２）を備えており、レンズ及び蛍光体含有レンズ（２２）は、突起（２０２）に収まるようにして固定されている。なお、本発明の実施の形態にあっては、突起（２０２）により、レンズ及び蛍光体含有レンズ（２２）を固定する例を説明したが、これに限定されない。例えば、保持板（２０１）の内部に溝を設け、レンズ及び蛍光体含有レンズ（２２）を溝に嵌め込むことで固定する方法や、接着剤により接着固定する方法などがあげられる。また、これらの方法を組み合わせることで、レンズ及び蛍光体含有レンズ（２２）をより確実に固定する方法であってもよい。

図１に示すように、本発明の実施の形態にかかるレンズは、略円形断面を有する第１のレンズ（２０）と、略円形断面を有する第２のレンズ（２１）とが、並列に配置されるように構成されている。第１のレンズ（２０）と第２のレンズ（２１）は同じ直径を有する略円形状を有しており、第１のレンズ（２０）と第２のレンズ（２１）の直径と、蛍光体含有レンズ（２２）の高さ方向の長さとも同一である。

ここでは、第１のレンズ（２０）及び第２のレンズ（２１）は、蛍光体粒子を含有しないレンズを例に用いて説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲で、これらのレンズに量子ドット蛍光体粒子などの蛍光体粒子を含有させることもできる。第１のレンズ（２０）及び第２のレンズ（２１）のように複数のレンズが配置される場合は、これらのレンズの全てに蛍光体粒子を含有させても良く、また、いずれかのレンズだけに蛍光体粒子を含有させても良い。なお、前記レンズが複数配置される場合においては、ＬＥＤ発光素子の発熱により蛍光体粒子の発光寿命が短くなることを防止するために、蛍光体含有レンズ（２２）により近いレンズに、蛍光体粒子を含有させることが好ましい。

本発明に用いられる半導体発光素子は、ＬＥＤ発光素子（５）を例に用いて説明したが、これに限定されず、外部エネルギーを加えることで発光現象を生じる半導体素子であれば、例えば、ダイオードレーザーであってもよい。

前記ＬＥＤ発光素子（５）は、パッケージの中にエポキシ樹脂、メラミン樹脂やシリコーン樹脂などのプラスチックを充填した素子であり、青や青紫の単一周波数の光を発光し、そのまま放出するため、前記樹脂の中には量子ドット蛍光体粒子を含まない。

図２は、本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子（１０）における、バックライト発光素子（１０）部分の光子（３００）の入射及び放出を示す断面図である。図２に示すように、ＬＥＤ発光素子（５）から放出された光子（３００）は、第１のレンズ（２０）に入射される。入射した光子（３００）は、一旦拡散し、第２のレンズ（２１）に入射する。そして、第２のレンズ（２１）を透過した光子（３００）は、収束点Ｐに収束する。このとき、蛍光体含有レンズ（２２）は、収束点Ｐが蛍光体含有レンズ（２２）の内部となるように、第１のレンズ（２０）と第２のレンズ（２１）と並列に配置されている。なお、収束点Ｐの位置は、簡単な下記式（１）で計算できる。

式（１）中のｎは光周波数に対する材料の屈折率、ｒはレンズの半径、ｆは焦点距離である。例えば、ガラス（ｎ＝１．５）で直径１ｍｍ（ｒ＝０．５ｍｍ）の前記レンズを作製した場合、焦点距離ｆは０．７５ｍｍとなり、前記レンズの端から０．２５ｍｍの位置に焦点を結ぶ。実用上は、ガラスレンズよりプラスチックレンズの方が安価で使いやすいため、プラスチックレンズを使用して前記第１のレンズ（２０）、第２のレンズ（２１）及び蛍光体含有レンズ（２２）を作製する方法が便利である。

プラスチックレンズの場合は、材質に応じて種々の屈折率であるが、ポリメタクリル酸メチル樹脂の光学プラスチックで、青色光波長６００ｎｍ〜６５０ｎｍ付近ではｎ＝１．７〜１．８ 程度であり、半径０．５ｍｍのプラスチックレンズでは、焦点距離は、中心から０．５５ｍｍ程度となり、辺縁から０．０５ｍｍの位置となる。

また、開口数 ＮＡ は次の下記式（２）となる。

式（２）中のｄはレンズに入射するビームの直径、ｎはレンズの屈折率、ｒはレンズの半径である。なお、前記非特許分献１で用いられているレンズは、光ファイバへの集光やカップリング、またファイバからの射出光をコリメートする用途に主として利用される。曲率半径が実質的に最小のため、球面収差は通常の単レンズに比べて大きくなり、イメージング用途には一般には向かない。本発明では、イメージング用途ではなく、光拡散、収束目的に使用するものである。

本発明の実施の形態にあっては、略円形断面を有する２つのレンズ（２０、２１）をカップリングさせて、ＬＥＤ発光素子（５）からの光子（３００）を一旦拡大してから収束させることにより、放出された光子（３００）のコリメートが容易であり、また、ＬＥＤ発光素子（５）と薄型導光体（４００）との位置合わせの必要精度を低減できるため、組み立てが容易になる。

さらに、ＬＥＤ発光素子（５）と蛍光体含有レンズ（２２）の位置を離すことにより、前記ＬＥＤ発光素子（５）の発熱が、量子ドット蛍光体粒子に直接伝わらない構造とすることができる。そのため、量子ドット蛍光体粒子の発光寿命の低下を防ぐことが出来る。

図３（ａ）は、本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子（１０）における、第１のレンズ（２０）を透過した光の円柱軸方向（棒状レンズの長さ方向）の断面を示す図である。ＬＥＤ発光素子（５）から放出された光子（３００）は、第１のレンズ（２０）の長さ方向及び、バックライト発光素子（１０）の高さ方向に拡散する。第１のレンズ（２０）を透過した光の円柱軸方向の断面（７００）は、その上下方向が第１のレンズ（２０）の長さ方向への光の拡がりを示すものであり、左右方向がバックライト発光素子（１０）の高さ方向への光の拡がりを示すものである。図３（ｂ）は、本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子（１０）における、第１のレンズ（２０）を透過した光路断面を示す図である。第１のレンズ（２０）へ入射した光子（３００）は、バックライト発光素子（１０）の高さ方向に所定の幅で拡散し、コリメートされる。

図４（ａ）は、本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子（１０）における、第１のレンズ（２０）と第２のレンズ（２１）を透過した光の円柱軸方向（棒状レンズの長さ方向）の断面を示す図である。ＬＥＤ発光素子（５）から放出された光子（３００）は、第１、第２のレンズ（２０，２１）の長さ方向及び、バックライト発光素子（１０）の高さ方向に拡散する。第２のレンズ（２１）を透過した光の円柱軸方向の断面（７００）は、その上下方向が第１のレンズ（２０）の長さ方向への光の拡がりを示すものであり、左右方向がバックライト発光素子（１０）の高さ方向への光の拡がりを示すものである。図４（ａ）では、第１のレンズ（２０）でコリメートされた光が、第２のレンズ（２１）により収束されるため、図３（ａ）と比べ、光の円柱軸方向の断面（７００）の左右方向の幅が小さくなっている。つまり、第１のレンズ（２０）及び第２のレンズ（２１）を透過することで、図４（ｂ）に示すように、バックライト発光素子（１０）の高さ方向への光の拡がりが収束され、光利用効率が向上することになる。

図５は、本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子（１０）における、ＬＥＤ発光素子（５）と第１のレンズ（２０）と第２のレンズ（２１）と蛍光体含有レンズ（２２）の配置図である。ＬＥＤ発光素子（５）は、第１のレンズ（２０）の側面に配置されており、光子（３００）を入射する。

第１のレンズ（２０）と第２のレンズ（２１）は、大型テレビに応用する場合にあっては、高さ約１０００ｍｍのものが使用される。また、第１のレンズ（２０）と第２のレンズ（２１）の直径は、導光体の厚さに合わせ、約２ｍｍのものが使用される。本発明の実施の形態にあっては、ＬＥＤ発光素子（５）は、高さ１０００ｍｍの２つのレンズ（２０、２１）に対し、７ｍｍ間隔で配置しており、１４０個使用している。

図６は、導光体（４００）の構造の一例を示す図である。導光体（４００）は、プラスチック製の平面状に形成されたものであり、厚さＴは、用いる装置に依存する。例えば、携帯電話等の小型機器では厚さ１ｍｍであり、大型テレビでは厚さ２〜３ｍｍ程度である。前記導光体（４００）は、光拡散のために種々の構造があるが、本発明のバックライト発光素子は、前記導光体（４００）の構造には依存しないため、導光体（４００）を必ずしも必要とはしない。

図７は、本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子（１０）における、バックライト発光素子（１０）と導光体（４００）部分の光子の入射及び放出を示す図である。図７に示すように、バックライト発光素子（１０）により波長変換された白色光（５００）は、導光体（４００）に入射される。そして、入射された白色光（５００）は、導光体（４００）により拡散され放出される。

図８は、本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子（１０）における、第２のレンズ（２１）と蛍光体含有レンズ（２２）の配置図である。図８に示すように、前記蛍光体含有レンズ（２２）は、その内部に複数種類の量子ドット蛍光体粒子（１０１）を分散させてあり、青色入射光の一部を波長変換して放出すると共に、前記青色入射光の一部も放出する。これにより、所望の波長分布を持った光子を発生させることができる。

本発明において使用する量子ドット蛍光体粒子（１０１）は、粒子直径が５０ナノメートル以下である。前記量子ドット蛍光体粒子（１０１）を通過する光子（３００）は、レイリー散乱を起して、光子（３００）の放出方向だけではなく、入射方向も含む全方向に散乱するため、光損失が発生する原因となる。粒子直径が５０ナノメートルを超えると、可視光の波長に粒子径が近づくため、蛍光体粒子による光の散乱または反射が顕著になり、粒子直径が５０ナノメートル以下の場合と比べて、光損失がより増加する傾向にある。

本発明にいう、粒子直径が５０ナノメートル以下の量子ドット蛍光体粒子とは、用いられる量子ドット蛍光体粒子のほとんど、例えば、粒径分布を測定した場合に質量比にして９０質量％以上の粒子が５０ナノメートル以下の粒径を有していることをいう。なお、この場合の粒径分布の測定法としては、動的光散乱法（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）（ＪＩＳＺ８８２６、ＩＳＯ１３３２１、ＩＳＯ２２４１２）を用いることができる。

図９及び図１０は、本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子（１０）における、蛍光体含有レンズ（２２）の具体的構造の一例を示す断面図である。蛍光体含有レンズ（２２）の表面は、その一部に金属メッキ（３０１）による光反射材を備えている。本発明の実施の形態にあっては、光子（３００）が入射する側に金属メッキ（３０１）を施すことで、蛍光体含有レンズ（２２）内部で生じる散乱光（５０１）を反射させて、光子（３００）の放出側に向きを変えることにより達成できる。

図９及び図１０においては、光反射材として、金属メッキ（３０１）を備えた例を説明したが、これに限定されず、金属蒸着膜を備えていてもよい。

図１１は、本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子（１０）における、蛍光体含有レンズ（２２）の具体的構造の一例を示す断面図である。蛍光体含有レンズ（２２）は、表面に金属メッキ（３０１）を施した後に、防湿プラスチック（３０２）がコーティング処理されている。これにより、金属メッキ（３０１）は、傷が付きにくく保護される。また、蛍光体含有レンズ（２２）に浸透する微少な水分により、量子ドット蛍光体（１０１）の発光寿命が低下することがあるが、防湿プラスチック（３０２）によりこれを抑制することができる。

防湿プラスチック（３０２）は、例えば、シリコーン樹脂層から構成されており、その表面のコーティングには、例えば、防湿効果の高いエポキシ樹脂を用いることができる。エポキシ樹脂でシリコーン樹脂層をコーティングすることにより、蛍光体含有レンズ（２２）内部の量子ドットを含む領域への水分の侵入を低減することができる。シリコーン樹脂層は、防湿効果を高める場合には厚くすることができ、また、製造コストを抑制し、生産性を高める場合には薄くするなど、適宜設計することができるが、厚さ０．５〜１０μｍの薄膜であることが好ましい。

本発明で使用されるシリコーン樹脂の光屈折率は、１．４１〜１．５１程度であることが好ましく、１．４３であることがより好ましい。また、エポキシ樹脂の光屈折率は、１．５５〜１．６１程度であることが好ましい。エポキシ樹脂の方がシリコーン樹脂よりも水蒸気の透過度が低いため、エポキシ樹脂でシリコーン樹脂をコーティングすると、シリコーン樹脂だけの構造に比べ、耐久性が向上する。シリコーン樹脂のコーティングに使用する樹脂の例としては、水蒸気の透過度が低いエポキシ樹脂が好ましいが、例えば、メラミン樹脂などの更に透過度の低い材質の樹脂も使用可能である。

本実施の形態にあっては、蛍光体含有レンズ（２２）は、表面に金属メッキ（３０１）を施した後に、防湿プラスチック（３０２）がコーティング処理したものを例に説明したが、蛍光体含有レンズ（２２）の表面に防湿プラスチック（３０２）をコーティング処理した後に、金属メッキ（３０１）を施しても良い。これにより、蛍光体含有レンズ（２２）内部への水蒸気の透過を防ぐことができ、結果として、量子ドット蛍光体粒子（１０１）の湿度の影響による寿命低減を防ぐことで、量子ドット蛍光体粒子（１０１）の寿命を延ばすことができる。

図１２は、本発明の実施の形態にかかるバックライト発光素子（１０）における、バックライト発光素子（１０）と導光体（４００）と液晶表示装置（６００）の具体的実装方法を示す断面図である。ＬＥＤ発光素子（５）は、前記ＬＥＤ発光素子（５）から放出された光子（３００）を透過する媒体により封止してあり、前記ＬＥＤ発光素子（５）から放出された光子（３００）をそのまま透過し、端面から放出する。次に、前記端面から放出された光子（３００）は、次に、略円形断面を有する２つのレンズ（２０、２１）を２本平行に並べた光透過レンズに入射する。前記２つのレンズ（２０、２１）は直径が同一であり、具体的には数ｍｍである。これら２つのレンズ（２０、２１）は、量子ドット蛍光体粒子（１０１）を含まない。次に、前記２つのレンズ（２０、２１）を透過した光子（３００）は、量子ドット蛍光体粒子を含む蛍光体含有レンズ（２２）に入射する。前記蛍光体含有レンズ（２２）は、略半円形断面を有する。

図１３は、本発明の第２の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、蛍光体含有レンズ（２２）の具体的構造の一例を示す断面図である。これまでの実施の形態にあっては、蛍光体含有レンズ（２２）は、略半円形断面を有するものを例に説明したが、第２の実施の形態にあっては、蛍光体含有レンズ（２２）は、略三角形断面を有する。

図１４は、本発明の第３の実施の形態にかかるバックライト発光素子における、蛍光体含有レンズ（２２）の具体的構造の一例を示す断面図である。第３の実施の形態にあっては、蛍光体含有レンズ（２２）は、略四角形断面を有する。

蛍光体含有レンズ（２２）の断面形状を略三角形断面又は略四角形断面とすることは、溶融した量子ドット蛍光体とプラスチックを注入する金型の形状を、三角形状又は四角形状にすることである。そのため、金型の製造は、金型の形状を略半円形状とする場合よりも容易である。さらに、蛍光体含有レンズ（２２）自体を、安価、且つ、容易に製造することができる。

５ 半導体発光素子（ＬＥＤ発光素子）
１０ バックライト発光素子
２０ 第１のレンズ
２１ 第２のレンズ
２２ 蛍光体含有レンズ
１０１ 量子ドット蛍光体粒子（蛍光体粒子）
２０１ 保持板
２０２ 突起
３００ 光子
３０１ 金属メッキ
３０２ 防湿プラスチック
４００ 導光体
５００ 白色光
５０１ 散乱光
６００ 液晶表示装置
７００ 光の円柱軸方向の断面
Ｐ 収束点
Ｔ 導光体の厚さ

Claims (6)

1. 光子を放出する半導体発光素子と、
   半導体発光素子から放出された光子が入射される少なくとも１つのレンズと、
   該レンズに入射し透過した光子が入射される、蛍光体粒子を含有する蛍光体含有レンズとを備え、
   該レンズに入射し透過した光子の収束点が、蛍光体含有レンズの内部となるように蛍光体含有レンズが配置されており、
   蛍光体粒子が５０ナノメートル以下の直径を有する少なくとも１種の量子ドット蛍光体粒子であり、
   前記レンズが、半導体発光素子から放出された光子を入射する略円形断面を有する第１の棒状レンズと、前記第１の棒状レンズから放出された光子を入射する略円形断面を有する第２の棒状レンズとから構成される、バックライト発光素子。
2. 蛍光体含有レンズの少なくとも一部に、金属蒸着膜又は金属メッキ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発光素子。
3. 蛍光体含有レンズは略半円形断面を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のバックライト発光素子。
4. 蛍光体含有レンズは略三角形断面を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のバックライト発光素子。
5. 蛍光体含有レンズは略四角形断面を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のバックライト発光素子。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のバックライト発光素子を備える液晶表示装置。

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