JP7049599B2

JP7049599B2 - 表示装置

Info

Publication number: JP7049599B2
Application number: JP2018060460A
Authority: JP
Inventors: 口博関; 藤正浩後
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2022-04-07
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: JP2019175617A

Description

本発明は、表示装置に関する。

近年、複数の微小な発光ダイオード（ＬＥＤ）や配線等を形成された半導体をそのまま発光基板として用いる表示装置、いわゆるマイクロＬＥＤディスプレイが開発されている。マイクロＬＥＤディスプレイは、小型で軽量且つ薄型のディスプレイとして注目されている。

通常の発光ダイオードを用いた装置においては、発光ダイオードから射出する光が拡散光であるため、光を効率よく利用できていないという課題がある。このような課題に対して、例えば特許文献１では、光を出射させる側にマイクロレンズアレイを設けることで、特定の方向、例えば正面方向に集光する照明装置が開示されている。光を特定方向に集光することで、ＬＥＤから発光した光を効率よく利用することができる。

特開２００８－３０５８０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術をマイクロＬＥＤディスプレイに用いる場合、マイクロレンズアレイの個々のマイクロレンズの大きさが発光するＬＥＤの大きさに比べて同程度かそれより大きくなるため、単に光を出射させる側にマイクロレンズアレイを設けるだけでは望まれる程度にまで十分に特定の方向に集光することはできない。本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、マイクロＬＥＤディスプレイにおいて光を特定の方向に集光することを目的とする。

本発明の表示装置は、
単位領域に区分けされた半導体層と、少なくとも複数の単位領域に設けられた発光部と、を有する発光基板と、
前記発光基板に対向して配置されたレンズシートと、を備え、
前記レンズシートは、各単位領域に対応して配置された複数の単位レンズを有する。

本発明の表示装置において、前記単位領域及び前記単位レンズは、それぞれ第１方向および前記第１方向に非平行な第２方向に配列されていてもよい。

本発明の表示装置において、前記発光部は、第１発光体と、前記第１発光体と異なる波長の光を発光する第２発光体と、を含んでもよい。

本発明の表示装置において、前記レンズシートは、前記単位レンズの間に設けられた遮光部を含んでもよい。

本発明の表示装置において、前記遮光部は、前記レンズシートのシート面に沿った少なくとも一方向に延びてもよい。

本発明の表示装置において、前記遮光部は、前記一方向および前記一方向に非平行な他方向に延びてもよい。

本発明の表示装置において、前記発光基板と前記レンズシートとの間に空気層が設けられていてもよい。

本発明の表示装置において、
前記レンズシートの前記発光基板と対向する側には凹部が形成されており、
前記空気層は、前記凹部によって設けられていてもよい。

本発明の表示装置において、
前記発光基板と前記レンズシートとの間に隙間が設けられ、
前記空気層は、前記隙間によって設けられていてもよい。

本発明の表示装置において、前記レンズシートの前記発光基板が配置された側とは逆側に設けられた拡散層をさらに備えてもよい。

本発明によれば、マイクロＬＥＤディスプレイにおいて光を特定の方向に集光することができる。

図１は、表示装置の各要素を概略的に示す分解斜視図である。図２は、表示装置の発光基板の一部を拡大して示す断面図である。図３は、表示装置の発光基板及びレンズシートの一部を拡大して示す平面図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った表示装置の断面図であって、表示装置の作用を説明するための図である。図５は、レンズシートの製造方法の一例を説明するための図である。図６は、レンズシートの製造方法の一例を説明するための図である。図７は、レンズシートの製造方法の一例を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

また、「シート面（板面、フィルム面）」とは、対象となるシート状（板状、フィルム状）の部材を全体的かつ大局的に見た場合において対象となるシート状部材（板状部材、フィルム状部材）の平面方向と一致する面のことを指す。

さらに、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件ならびにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

図１は、本発明の表示装置１を概略的に示す分解斜視図である。表示装置１は、表示面５に画像等を表示する。図１に示されているように、表示装置１は、発光基板１０と、発光基板１０に対向して配置されたレンズシート２０と、レンズシート２０の発光基板１０が配置された側とは逆側に設けられた拡散層４０と、を備えている。発光基板１０とレンズシート２０との間には、空気層３０が設けられている。図１に示された例では、拡散層４０のレンズシート２０に対面する側とは逆側の面が、表示装置１の表示面５となっている。後述するように、本実施の形態の表示装置１は、１つ又は複数の発光ダイオードから発光した光を１つの画素として用いている、いわゆるマイクロＬＥＤディスプレイである。表示装置１の適用例としては、スマートフォン、腕時計、ＡＲ（ＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａｌｉｔｙ）やＶＲ（ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ）の画像を表示する眼鏡等を挙げることができる。表示装置１の表示面５は、例えば矩形形状の表示面５の対角線の長さが１０インチ以下、好ましくは５インチ以下である。

発光基板１０は、表示面５に表示する画像を形成する光を発光する。図２は、発光基板１０の構成を示す拡大断面図である。図２に示されているように、発光基板１０は、半導体層１１と、半導体層１１上に設けられた複数の発光部１３と、を有している。各発光部１３は、半導体層１１に接する活性層１４と、活性層１４に接する第２半導体層１５と、を含んでいる。すなわち、発光基板１０の発光部１３が設けられた位置において、半導体層１１、活性層１４及び第２半導体層１５がこの順で積層されている。半導体層１１、活性層１４及び第２半導体層１５は、例えばＩｎＰ系化合物半導体やＧａＮ系化合物半導体を含んでいる。半導体層１１の厚さは、例えば１０μｍ以上５００μｍ以下であり、活性層１４の厚さは、例えば０．１μｍ以上２０μｍ以下であり、第２半導体層１５の厚さは、例えば０．１μｍ以上２０μｍ以下である。

半導体層１１と第２半導体層１５との間に電圧を印加することで、活性層１４を発光させることができる。半導体層１１と第２半導体層１５との間に電圧を印加するために、半導体層１１及び第２半導体層１５には、図示しない電極が設けられており、半導体層１１に形成された回路を介して外部の電源と接続している。また、発光部１３の上面、詳しくは第２半導体層１５の活性層１４と接する側とは逆側の面が、活性層１４から発せられる光を射出する出射面１７となっている。

活性層１４から発せられる光の波長は、半導体層１１、活性層１４及び第２半導体層１５を構成する材料等によって決定される。本実施の形態において、発光部１３は、ある波長の光を発光する第１発光体１３Ｒと、第１発光体１３Ｒとは異なる波長の光を発光する第２発光体１３Ｇと、第１発光体１３Ｒ及び第２発光体１３Ｇとは異なる波長の光を発光する第３発光体１３Ｂと、を含んでいる。例えば、半導体層１１、活性層１４及び第２半導体層１５を構成する材料等を発光体ごとに適宜に選択することで、第１発光体１３Ｒを波長域６２０ｎｍ～６８０ｎｍの赤色の光に発光させ、第２発光体１３Ｇを波長域５３０ｎｍ～５７０ｎｍの緑色の光に発光させ、第３発光体１３Ｂを波長域４４０ｎｍ～４８０ｎｍの青色の光に発光させることができる。第１発光体１３Ｒ、第２発光体１３Ｇ及び第３発光体１３Ｂは、発光ダイオードとなっている。

図２及び図３に示すように、半導体層１１は、複数の単位領域１０ａに区分けされている。図３に示された例では、単位領域１０ａは、第１方向ｄ１と、第１方向ｄ１に非平行な第２方向ｄ２に配列されている。図示された例において、第１方向ｄ１と第２方向ｄ２とは、互いに直交している。また、図示された例において、単位領域１０ａは、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に同一の間隔で配列されている。図３において、１つの単位領域１０ａが、斜線を付した状態で示されている。発光部１３は、少なくとも複数の単位領域１０ａに配置されている。図示された例では、全ての単位領域１０ａに発光部１３が設けられている。また、図示された例では、発光部１３は、単位領域１０ａの中央に配置されている。また、図２に示された例では、発光部１３は、各単位領域１０ａにおいて、複数の発光体１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂを有している。単位領域１０ａは、表示装置１の画素領域となっており、各単位領域１０ａに配置された発光部１３は、表示装置１の画素を形成する。

しかしながら、発光部１３は、各単位領域１０ａにおいて、１つの発光体１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂのみを有していてもよい。この例において、単位領域１０ａはサブ画素領域を形成し、異なる波長の光を射出する発光部を有した別の単位領域１０ａと１つの画素を形成する。

各単位領域１０ａの第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に沿った長さは、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下である。また、発光部１３の第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に沿った長さは、例えば２μｍ以上１００μｍ以下である。

レンズシート２０は、発光基板１０から出射した光の進行方向を変化させる。とりわけ、図示されたレンズシート２０は、発光基板１０から出射した光を特定の方向、具体的には表示装置１の正面方向へ集光させる。ここで、正面方向とは、表示装置１の表示面５の法線方向となる方向のことを意味する。レンズシート２０は、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に広がっている。レンズシート２０は、本体部２３と、本体部２３上に設けられた複数の単位レンズ２１と、各単位レンズ２１の間に設けられた遮光部２５と、を有している。また、レンズシート２０の発光基板１０と対向する側には、凹部２７が形成されている。

レンズシート２０の厚さは、例えば１０μｍ以上２００μｍ以下である。レンズシート２０の本体部２３及び単位レンズ２１は、例えばアクリレート系樹脂等の透明な部材で形成されている。ここで、「透明」とは、当該レンズシートを介して当該レンズシートの一方の側から他方の側を透視し得る程度の透明性を有していることを意味しており、例えば、３０％以上、より好ましくは７０％以上の可視光透過率を有していることを意味する。可視光透過率は、分光光度計（（株）島津製作所製「ＵＶ－３１００ＰＣ」、ＪＩＳＫ０１１５準拠品）を用いて測定波長３８０ｎｍ～７８０ｎｍの範囲内で測定したときの、各波長における透過率の平均値として特定される。

単位レンズ２１は、入射した光をその表面であるレンズ面２１ａにおいて屈折させ、例えば光を特定の方向へ或いは特定の角度範囲に、集光させる。単位レンズ２１は、例えば球面レンズである。単位レンズ２１のレンズ面２１ａの曲率半径は、要求される集光機能に応じて適宜に設定することができ、例えば５μｍ以上１００μｍ以下である。複数の単位レンズ２１は、それぞれ各単位領域１０ａに対応して配置されている。具体的には、１つの単位領域１０ａと重なる位置に１つの単位レンズ２１が配置される。したがって、１つの単位レンズ２１は、１つの発光部１３に対応して配置されている。単位領域１０ａが第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に配列されているため、単位レンズ２１もまた、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に配列されている。単位レンズ２１の第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に沿った長さは、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下である。

遮光部２５は、レンズシート２０に入射した光のうち、当該光を発光した発光部１３に対応する単位レンズ２１以外の単位レンズ２１に入射し得る光を遮光する。一例として、遮光部２５は、遮光のために光を吸収する機能を有している。遮光部２５は、例えばカーボンブラック等の黒色顔料を含む樹脂部によって形成されている。遮光部２５は、単位レンズ２１の間に設けられており、本体部２３の内部を延びている。図示された例において、任意の単位レンズ２１の間には、遮光部２５が設けられている。図３に示すように、遮光部２５は、レンズシート２０のシート面に沿った第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に延びている。また、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である図４に示すように、遮光部２５は、レンズシート２０の厚さ方向に、本体部２３の厚さの少なくとも半分以上にわたって延びているのが好ましく、本体部２３の全体にわたって延びているのがより好ましい。なお、厚さ方向とは、レンズシート２０のシート面の法線方向に沿った方向のことを意味する。遮光部２５の幅、例えば第１方向ｄ１に延びる遮光部２５の第２方向ｄ２に沿った方向の長さは、例えば１μｍ以上１０μｍ以下である。

空気層３０は、図４に示された例では、レンズシート２０の凹部２７によって設けられている。空気はレンズシート２０を形成する樹脂等と比較して屈折率が小さいため、空気層３０とレンズシート２０との界面で、光は、入射角より出射角を小さくするように屈折する。すなわち、光は、空気層３０とレンズシート２０との界面で、表示装置１の正面方向に近づくように屈折する。なお、レンズシート２０の入射面をその法線方向に直交する平坦面とし、空気層３０が、発光基板１０とレンズシート２０との間に設けられた単なる隙間によって設けられてもよい。

拡散層４０は、入射した光を拡散させる。拡散層４０は、例えばその内部に拡散粒子を有するマット層として構成される。あるいは、拡散層４０は、その表面に微小な凹凸を有し、表面において光を拡散させる表面拡散層であってもよい。拡散層４０の厚さは、例えば５０μｍ以上５００μｍ以下である。

次に、表示装置１の作用について説明する。

発光基板１０に電圧を印加すると、発光部１３は発光する。発光部１３から発光した光は、空気層３０を進む。図４に示すように、光Ｌ１、Ｌ２は、空気層３０とレンズシート２０との界面において、出射角が入射角より小さくなるよう屈折する。すなわち、光は、正面方向に集光される。さらに言い換えると、界面への入射方向が正面方向に対してなす角度よりも、界面からの出射方向が正面方向に対してなす角度が小さくなる。その後、正面方向に対する傾斜角度が比較的大きい光Ｌ１は、レンズシート２０の本体部２３内部の遮光部２５によって吸収される。一方、正面方向に対する傾斜角度が比較的小さい光Ｌ２は、発光した発光部１３に対応する単位レンズ２１のレンズ面２１ａに入射する。レンズ面２１ａにおいて光Ｌ２は正面方向へと屈折して、すなわち正面方向に集光されて、レンズシート２０から出射する。レンズシート２０から出射した光は、拡散層４０を透過して拡散される。このようにして、表示装置１の表示面５から光が出射する。各単位領域１０ａに設けられた発光部１３の発光および発光停止を切り換えることで、外部の観察者が観察可能な画像を形成することができる。

発光部１３が単位領域１０ａに配置され、単位レンズ２１が各単位領域１０ａに対応して配置されているため、１つの単位レンズ２１は、１つの発光部１３に対応している。１つの発光部１３から発光した光が単位レンズ２１の間に入射してしまうことを効果的に防止して、各発光部１３から発光した光を、発光部１３に対応する単位レンズ２１によって、効率よく特定の方向に集光させることができる。とりわけ、単位領域１０ａ及び単位レンズ２１がそれぞれ第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に配列されており、発光部１３が複数の単位領域１０ａに配置されているため、表示装置１の各画素領域において、特定の方向に十分に集光させることができる。

発光部１３は、互いに異なる波長の光を発光する複数の発光体を含んでいる。このため、発光部１３は、混色した光を発光することができる。特に、発光部１３が赤色の光を発光する第１発光体１３Ｒと、緑色の光を発光する第２発光体１３Ｇと、青色の光を発光する第３発光体１３Ｂと、を含む場合、発光部１３は、フルカラーで任意の色を発光することができる。

また、遮光部２５が単位レンズ２１の間に設けられている。遮光部２５によって、光を発光した発光部１３に対応する単位レンズ２１以外の単位レンズ２１に入射しようとする光を遮光することができる。ある発光部１３で発光する光をその発光部１３に対応する単位レンズ２１以外の単位レンズ２１に入射することを防止することで、対応する単位レンズ２１以外からある発光部１３で発光する光が出射することを防止することができる。したがって、表示装置１の１つの画素領域となっているある単位領域１０ａにおいて発光した光が、他の画素領域に入り込んでクロストークを発生させてしまうことを防止することができる。また、外部から表示装置１に入射した光を遮光部２５によって吸収して、表示装置１の表示面５に表示する画像のコントラストの低下を防止することができる。

遮光部２５によるこれらの効果は、遮光部２５が本体部２３の厚さの少なくとも半分以上にわたって延びていることで発揮されやすく、本体部２３の全体にわたって延びていることでより発揮されやすい。特に、表示装置１を観察する観察者に対して、遮光部２５が縦方向に延びている場合、画像の解像度に対する観察者の感度は縦方向より横方向でより高いため、より効果的にクロストークの発生を防止することができる。また、表示装置１を観察する観察者に対して、遮光部２５が横方向に延びている場合、観察者に観察され得る外部から表示装置１に入射した光を効率よく遮光部２５によって吸収できるため、より効果的にコントラストの低下を防止することができる。図３に示されているように、本実施の形態では、遮光部２５は第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２の両方に延びているため、クロストークの発生の防止およびコントラストの低下の防止の両方をより効果的に実現することができる。

さらに、空気層３０によって、発光部１３から発光した光は、空気層３０とレンズシート２０との界面で表面方向へと屈折する。すなわち、光の正面方向に対する傾斜角度を比較的小さくすることができる。このため、発光部１３から発光した光を、空気層３０によっても、正面方向に集光させることができる。また、遮光部２５によって遮光される光を減少させることができ、より効率よく発光部１３から発光した光を利用することができる。空気層３０は、発光基板１０とレンズシート２０との間に隙間を設けることで、あるいはレンズシート２０に凹部２７が設けることで、容易に設けられることができる。

また、拡散層４０によってレンズシート２０からの光を拡散することで、表示面５に表示する画像光を種々の方向から観察することができる。

次に、表示装置１の製造方法の一例について説明する。

まず、発光基板１０の製造方法について説明する。まず、発光部１３ごとに電圧を印加することができるよう、半導体層１１に電極を含む回路が形成される。次に、半導体層１１上に発光部１３となる活性層１４及び第２半導体層１５が直接形成される。このとき、活性層１４及び第２半導体層１５は、発光部１３ごとに分離して形成される。その後、第２半導体層１５に電極が形成され、半導体層１１に形成された回路と接続する。

次に、レンズシート２０の製造方法について、図５～図７を参照しながら説明する。まず、図５に示すような凹部２７が設けられている本体部２３を用意する。本体部２３には、遮光部２５が形成される穴部２４が設けられている。本体部２３は、樹脂を賦型することで作製してもよいし、樹脂製板材に切削等の機械加工を施すことで作製してもよいし、樹脂賦型と切削等の機械加工とを組み合わせて作製してもよい。次に、図６に示すように、例えば穴部２４に黒色顔料を含む樹脂組成物が注入され且つ樹脂組成物を硬化させることで、穴部２４内に遮光部２５が形成される。その後、図７に示すように、本体部２３の凹部２７が設けられた側とは逆側に、単位レンズ２１が設けられる。設けられる単位レンズ２１の境界は、遮光部２５と重なっている。なお、本体部２３の作製に樹脂賦型を用いる場合には、本体部２３と単位レンズ２１とを樹脂賦型により一体的に作製してもよい。

得られた発光基板１０及びレンズシート２０を、発光基板１０の発光部１３とレンズシート２０の凹部２７とが対面するように配置する。発光基板１０とレンズシート２０との間には、凹部２７によって空気層３０が設けられる。その後、レンズシート２０の単位レンズ２１が設けられた側に拡散層４０が配置されて、表示装置１が製造される。

以上のように、本実施の形態の表示装置１は、単位領域１０ａに区分けされた半導体層１１と、少なくとも複数の単位領域１０ａに設けられた発光部１３と、を有する発光基板と１０、発光基板１０に対向して配置されたレンズシート２０と、を備え、レンズシート２０は、各単位領域１０ａに対応して配置された複数の単位レンズ２１を有する。このような表示装置１によれば、各発光部１３から発光した光を発光部１３に対応する単位レンズ２１によって、効率よく特定の方向に出射させることができる。発光ダイオードである発光部１３が画素領域となる単位領域１０ａに設けられており、表示装置１は、マイクロＬＥＤディスプレイである。したがって、マイクロＬＥＤディスプレイにおいて特定の方向に出射する光を増加させることができる。

なお、上述した実施の形態に対して様々な変更を加えることが可能である。

上述した実施の形態において、遮光部２５は、光を吸収する機能を有していた。しかしながら、遮光部２５は、光を吸収する機能でなく、光を反射する機能を有していてもよい。このような遮光部２５は、例えば酸化チタン等の白色顔料を含む樹脂部によって形成され得る。遮光部２５が光を反射する機能を有していると、発光部１３に対応する単位レンズ２１以外の単位レンズ２１に入射し得る光を遮光するだけでなく、発光部１３に対応する単位レンズ２１側へ光を反射することで、発光部１３に対応する単位レンズ２１に入射する光を増加させることができる。これにより、発光部１３から発光した光をより効率よく利用することができる。

１表示装置
５表示面
１０発光基板
１０ａ単位領域
１１半導体層
１３発光部
１３Ｒ第１発光体
１３Ｇ第２発光体
１３Ｂ第３発光体
２０レンズシート
２１単位レンズ
２５遮光部
２７凹部
３０空気層
４０拡散層

Claims

単位領域に区分けされた半導体層と、少なくとも複数の単位領域に設けられた発光部と、を有する発光基板と、
前記発光基板に対向して配置されたレンズシートと、を備え、
前記レンズシートは、各単位領域に対応して配置された複数の単位レンズを有し、
前記発光基板と前記レンズシートとの間に空気層が設けられ、
前記レンズシートの前記発光基板と対向する側には凹部が形成されており、
前記空気層は、前記凹部によって設けられている、表示装置。
前記単位領域及び前記単位レンズは、それぞれ第１方向および前記第１方向に非平行な第２方向に配列されている、請求項１に記載の表示装置。
前記発光部は、第１発光体と、前記第１発光体と異なる波長の光を発光する第２発光体と、を含む、請求項１または２に記載の表示装置。
前記レンズシートは、前記単位レンズの間に設けられた遮光部を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表示装置。
前記遮光部は、前記レンズシートのシート面に沿った少なくとも一方向に延びる、請求項４に記載の表示装置。
前記遮光部は、前記一方向および前記一方向に非平行な他方向に延びる、請求項５に記載の表示装置。
前記発光基板と前記レンズシートとの間に隙間が設けられ、
前記空気層は、前記隙間によって設けられている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の表示装置。
前記レンズシートの前記発光基板が配置された側とは逆側に設けられた拡散層をさらに備える、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の表示装置。