TWI439767B - 平面型光源及具有該平面型光源之液晶顯示器背光單元 - Google Patents

平面型光源及具有該平面型光源之液晶顯示器背光單元 Download PDF

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Description

平面型光源及具有該平面型光源之液晶顯示器背光單元 [優先權之主張]
本申請案主張於2007年5月15日向韓國智慧財產局所提出之韓國專利申請案第2007-0046845號之優先權，該案揭示之內容併入本案作為參考。
本發明係關於平面型光源和具有該平面型光源之LCD背光單元，且詳言之，係關於藉由最佳化複數個發光裝置之配置和間距(pitch)而增加效率並減少發光裝置之數目之平面型光源，以及具有該平面型光源之LCD背光單元。
一般而言，依照先前技術用作液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)之光源之冷陰極螢光燈管(cold cathode fluorescent lamp，CCFL)使用鎂氣體。因此，CCFL可能導致環境污染、具有低的反應速度和較低的色彩重現性(color reproducibility)，並且可能導致LCD面板之尺寸、厚度、和重量無法縮減。
對比於CCFL，發光二極體(light emitting diode，LED)對於自然環境較友善，LED具有數奈秒(nanosecond)之反應速度以便達成高速反應並且對於視頻訊號流而言係有效率，以及允許脈衝式(impulsive)的驅動方式。再者，LED藉由控制紅、綠、和藍色LED之光強度而具有100%或更高之色彩重現性、照度(luminance)變化、色彩溫度(color temperature)等，並且能夠在LCD面板尺寸、厚度、和重量上得到縮減。因此，LED已廣範使用為用於LCD面板等的背光單元之光源。
依照光源之位置，使用LED之LCD背光可以分成邊緣型背光和直接型背光。於邊緣型背光之情況，具有寬度大於長度之條狀(bar-shaped)CCFL位於其側邊並且藉由使用光導板(light guide panel)而發射光至LCD面板之前表面。於直接型背光之情況，平面型光源位在LCD面板之下部，而光從平面型光源直接照射至LCD面板之前表面，該平面型光源幾乎具有與LCD面板相同之面積。
第1圖為顯示依照先前技術於平面型光源中發光裝置配置之圖式。
如第1圖中所示，用於依照先前技術中直接型LCD面板之平面型光源100包含在基板101上配置成列和行之複數個LED 102。此處，可以考慮複數個LED 102之四個鄰接之LED 102形成矩形。
然而，此等配置需要較所需更大量之LED來覆蓋相同的發光面積。
再者，鄰接於各LED 102之面積與距該LED 102某段距離的面積，尤其是由該四個LED 102所形成之矩形的中心面積間之亮度(brightness)差可能很大。也就是說，當配置了許多的LED 102時，也許達成了均勻的亮度。然而，當減少LED數量以改進如上述之效率時，鄰接LED之間的距離變成較大。如此可能導致亮度分佈(distribution) 的改變。
因此，對於用於LCD面板等之平面型光源，需要一種方法改進由於減少用於平面型光源發光裝置數量而導致有稍微亮度差之平面型光源之效能，也就是達成均勻的照度。
本發明之一態樣為提供一種藉由最佳化複數個發光裝置之配置和間距以減少發光裝置數量並增加效率之平面型光源，以及具有該平面型光源之LCD背光單元。
依照本發明之一態樣，提供一種平面型光源，該平面型光源具有配置在基板上具有列和行之發光裝置矩陣中之複數個發光裝置，該平面型光源包含：具有配置於列和行之複數個發光裝置之第一矩陣；以及，具有配置於列和行之複數個發光裝置之第二矩陣，各發光裝置位於由包含於該第一矩陣中之四個鄰接發光裝置所形成之矩形內，其中，包含於發光裝置矩陣中之一個發光裝置與最鄰接於該一個發光裝置之另一個發光裝置間之間距(pitch)S滿足下列方程式以獲得於距發光裝置之發光表面光學長度l 的位置距離處之均勻的照度分佈，
此處滿足-π/18≦α≦π/18(π=180°)，而θ為發光裝置之方向角(orientation angle)。
平面型發光裝置可復包含沿著該發光裝置之發光路 徑配置之擴散片(diffusion sheet)。
該擴散片可與該發光裝置之發光表面分離達光學長度l 。
包含於第二矩陣中之各發光裝置可以定位於該矩形之中心。
該發光裝置可以發射白光。
包含於該發光裝置矩陣中之一個發光裝置與最鄰接該一個發光裝置之另一個發光裝置之間之間距S可滿足上述方程式。
θ可以在110°≦θ≦130°之範圍內。
α可以在-π/90≦α≦π/90之範圍內。
該發光裝置為LED。
依照本發明之另一態樣，提供一種LCD背光單元附接到LCD面板之後表面，該LCD背光單元包含：平面型光源；擴散片，設置朝向靠近該平面型光源之LCD面板並均勻地擴散來自該平面型光源入射於其上之光；以及至少一個集光片(light collecting sheet)，設置朝向靠近該擴散片之該LCD面板並收集在垂直於LCD面板之平面方向上由該擴散片所擴散的光。
現將參照所附圖式而詳細說明本發明之示範實施例。
然而本發明可以許多不同的形式具體實施，並將不構成為受限於此處所提出之實施例。更確切地說，提供這些實施例以使得所揭示內容將為周密而完善的，並將對於熟 悉此項技術者完全表達本發明之範圍。於圖式中，為了清楚之目的，形狀和尺寸可以誇大，而相同的參考號碼於所有圖式中表示相同或相似的組件。
第2圖為顯示依照本發明之示範實施例平面型光源之發光裝置之配置之示意圖。
依照本發明之此實施例之平面型光源200包含配置在基板201上之複數個發光裝置202。
發光裝置202以Z字形之方式配置於具有列和行之矩陣中。具有與第一個矩陣相同配置方式之第二個矩陣配置在第一個矩陣內，該第一個矩陣具有配置於以直線方式配置之列和行中之複數個發光裝置。詳言之，第一個矩陣具有配置於排成直線之列和行中之發光裝置，而包含於第二個矩陣中之各發光裝置位於由包含於第一個矩陣中之四個鄰接之發光裝置所形成之矩形內。
為了改進平面型光源之照度之均勻性(uniformity)和發光的效率，第一和第二個矩陣之發光裝置之配置和間距可以互為不同。
如上所述，因為發光裝置之行不是以直線配置而是配置成Z字形，因此發光裝置之數目對於相同的發光面積能夠減少約15至25%。
同時，發光裝置202尤其不受限制，但是LED可用作為發光裝置202。較佳採用發射白光的裝置，而使得裝置能廣泛地用為光源。
於此實施例中，除了上述配置複數個發光裝置之方法 外，平面型光源200之鄰接發光裝置202之間之間距S1和S2被最佳化以確保平面型光源200之照度之均勻性。於此情況，一個發光裝置202與最鄰近該一個發光裝置202之發光裝置之間之間距S可以由下列方程式1決定。
於方程式1中，l 是光學長度，其可了解為光從發光裝置202之發光表面沿垂直方向行進之距離。於此情況，擴散片(未圖示)可以配置於對應光學長度l 之位置以擴散光線。再者，於方程式1中，滿足-π/18≦α≦π/18，以及θ為方向角。
導得方程式1以使平面型光源200之照度均勻。現在將說明其原理。
首先，將參照第3圖以說明用於本發明敘述中之方向角之意義。第3圖為顯示相關於發光裝置中光之發散角(divergence angle)之相對強度之圖式。此處，可考慮到發光的強度參考發光的通量(luminous flux)而與光之入射面積無關。
如第3圖中所示，發射自發光裝置202之發光表面到外部之光線係以0至180°之角度散射離開發光表面。此處，於發光表面之上方垂直方向獲得最大的發光強度I0 ，而在預定角度(predetermined angle)所獲得的發光強度為該最大發光強度I0 的一半。方向角係在該獲得一半最大發 光強度I0 的角度範圍內。於第3圖中，方向角為θ。
該方向角視該發光裝置202之結構特徵而定。具有一般結構之發光裝置中，方向角可以在110至130°之範圍內。然而，甚至當方向角不是於此範圍時，亦能滿足依照本發明之實施例之方程式1之條件。
第4圖中顯示在距離發光裝置光學長度l 的位置處根據與發光裝置的距離所得到的照度之圖式。於第4圖中，考慮到第3圖之對稱配置，僅顯示方向角之一半範圍。
如上所述，從發光裝置202a所發射之光線往所有方向散射。於第4圖中，在被發射出的光成分(emitted light component)之中，，於上方垂直方向上被發射之光成分和於相關於上方垂直方向θ/2角度上被發射之光成分到達擴散片(未圖示)，該擴散片與該發光裝置202a距離光學長度l 。
於此實施例中，如上所述，於第3圖中所示發光強度不考慮光之入射面積，由強度通量除以光入射面積所獲得的數值實際上使用作表示發光強度之照度。
首先，發射於上方垂直方向之光線沿著光學長度l 行進，並到達擴散片。考慮到在小角度範圍δ內發射之光線，沿著長度L1於角度範圍δ中之光線入射在該擴散片上，長度L1可以是約l ×δ。此時，假定光沿著其行進之長度l 係遠大於角度δ。因此，發射於上方垂直方向之光線入射於該擴散片上之面積為L1×L1，而照度L0 為I0 /(l ×δ)2 。
以相同的方式，當以θ/2角度發射之光線在擴散片上 的照度被計算出，該發射之光線到達擴散片所沿行走之該距離D可以是約l /{cos(θ/2)}，以及發射之光線沿著長度L2入射於該擴散片上之該長度L2為l ×δ/{cos(θ/2)}。再者，以θ/2角度發射之光線入射於擴散片上之面積為L2×L2，其等於(l ×δ)2 /{cos(θ/2)}2 。因此，關於θ/2角度之照度為I0 ×{cos(θ/2)}2 /{2×(l ×δ)2 }。此將以上方垂直方向的照度來表示成L0 /2×{cos(θ/2)}2 。
如上所述，於θ/2角度所發射的光線之發光通量具有於上方垂直方向所發射的光線之光通量大小的一半。當發射於θ/2角度之光線向上行進至擴散片時(其也許是達到照度均勻性之目標)，獲得較低很多之照度。此將參照第5圖說明。第5圖為顯示發光裝置中分別依照發光角度和水平距離於擴散片中發光通量和照度改變之圖式。
如第5圖中所示，發射於θ/2角度之光線之相對照度遠小於最大值之一半。此是因為{cos(θ/2)}2 小於1之關係。例如，當θ為經常被考慮的120°方向角時，相對照度僅僅是最大值的1/8。於第5圖中，由dc 所表示之距離為發射於θ/2角度之光線於到達擴散片之前相對於發光裝置202在水平方向上行進之距離。該距離dc 的數值為l /{tan(θ/2)}。
因此，當調整鄰接的發光裝置之間之距離以改善於平面型光源w照度之均勻性時，配置該複數個發光裝置，若二個鄰接發光裝置彼此分離2dc 之距離，則於發光裝置之 中央處藉由將二個發光裝置之照度值相加所獲得之相對照度為遠小於1。也就是說，為了改善平面型光源之照度均勻性，均勻的照度分佈須提供於對應於光學長度l 之位置。因此，藉由相加二個鄰接的發光裝置之相對照度值所獲得的數值需接近1，但是該數值卻遠小於1。例如，當θ為120°時，該值為1/4(1/8+1/8)。
因此，鄰接的發光裝置必須更靠近彼此。其詳細的說明將參照第6圖作說明。
第6圖為顯示二個彼此相距間距S的鄰接發光裝置之照度分佈之圖式。參照第6圖，當二個發光裝置彼此分離間距S時，一個發光裝置之相對照度為1/2之點幾乎與另一發光裝置之相對照度為1/2之點相同。因此，如相較者，當間距S大於距離dc 時，照度之均勻性明顯地獲得改善。
於此情況，可以適當地控制數值S之範圍至數值dc 之範圍之大約一半。因為距離dc 為l /{tan(θ/2)}，因此可以獲得相似於方程式1之方程式。
同時，即使已說明了二個發光裝置之光成分結合之情況，但是因為大量的發光裝置配置在平面型光源中，因此必須考慮到其他距離之發光裝置之影響。也就是說，甚至當鄰接發光裝置彼此於上方垂直方向上分離一距離很大於或較少之大於第6圖之間距S的距離時，仍可以獲得均勻的照度。
因此，於此實施例中，該角度可以控制在接近該方向角之範圍內。因此，可以提出如方程式1之方程式。於此 情況，用作為控制方法的因素之α值是在-π/18≦α≦π/18之範圍中。從構造中所獲得的最希望的值，顯示於第2圖中，經由實驗為約π/90。於此實施例中，α值可以根據發光裝置之方向角、發光裝置之間的間距和發光裝置之配置而改變。
依照本發明之實施例之上述平面型光源可以使用於LCD背光單元300，該LCD背光單元300發射LCD面板之後光(rear light)。
第7圖為顯示依照本發明之另一示範實施例的LCD背光單元300之分解側視圖。如第7圖中所示，附接到LCD面板後面之背光單元300具有依照本發明實施例之上述之平面型光源1和擴散片316。擴散片316設在朝向LCD面板310且靠近該平面型光源1並均勻地擴散入射於其上來自於平面型光源1之光線。
再者，LCD背光單元300包含至少一個集光片314。該至少一個集光片314設在朝向LCD面板310且靠近該擴散片316並收集在LCD面板310的平面之垂直方向上由該擴散片316所擴散之光線。LCD背光單元300可以進一步包含保護器片312。該保護器片312設置在集光片314上並保護在該保護器片312下方之光學結構。
再者，平面型光源1包含基板351和配置在基板351上的矩陣中之複數個發光裝置352。平面型光源1可以進一步包含側壁354和反射層(reflective layer)356。該側壁354形成在基板351之上表面之邊緣，以包圍配置在矩陣 中之發光裝置352。再者，側壁354具有傾斜表面於配置了發光裝置352之方向。該反射層356形成在基板351之上表面並將發射自發光裝置352之光線向上反射。
較佳情況是，反射材料354a被塗在側壁354之傾斜表面以將射向側面之光線向上反射。
位在平面型光源1上方之擴散片316擴散入射於其上來自於平面型光源1之光線，藉此防止光線的局部集中。再者，擴散片316調整光線的行進方向至朝向第一集光片314a以減少相對於第一集光片314a的傾斜角度。如上所述，包含於平面型光源1中之發光裝置352與對應於方程式1中光學長度l 之該擴散片316之間之距離，且因此，其間之距離可以根據發光裝置352之配置而決定。反之，可以根據發光裝置352與擴散片316之間之距離而決定發光裝置352之配置。
第一集光片314a和第二集光片314b中的每一個包含三角形棱鏡(triangular prism)，以預定之方式配置於其上表面。該第一集光片314a之棱鏡以相對於這些第二集光片314b的棱鏡某預定角度(例如，90°)配置。第一集光片314a和第二集光片314b中的每一個收集在LCD面板310的平面之垂直方向上由該擴散片316所擴散之光線。於此方式，獲得所希望之垂直入射光通過相關於保護器片312之第一和第二集光片314a和314b。通過第一和第二集光片314a和314b之大部分的光行進於垂直方向，以獲得於保護器片312中之均勻照度分佈。於第7圖中，使用了二個 集光片作為一個例子。然而，可以僅使用一個集光片。
形成在第二集光片314b上方之保護器片312保護第二集光片314b之表面並同時，擴散光線以獲得均勻的光分佈。LCD面板310形成在保護器片312上方。
如此情況，依照此實施例使用平面型光源1以獲得發射光之均勻的照度分佈之LCD背光單元300能夠減少根據LCD面板之區域的亮度變化。
最後，第8圖為顯示比較依照本發明之實施例的平面型光源與依照先前技術的平面型光源之間的照度均勻性之圖式。
首先，顯示於第8A圖中發光裝置之配置相同於第2圖中所述配置。發光裝置之間之距離滿足方程式1。再者，以實作來說，具有第2圖中所示配置之平面型光源1使用於如第7圖之40吋背光單元。當40吋背光單元使用具有第2圖中所示配置之平面型光源時，發光裝置之數目當與依照先前技術之發光裝置之數目相比較時能夠減少約25%。
第8B圖為顯示發射自依照第1圖中所示先前技術之平面型光源沿著垂直於發光方向之方向的光照度分佈。第8C圖為顯示第8A圖實施例之結果之圖式。此處，可以了解到第8B和第8C圖之各圖式之水平軸為如第4至6圖之預定發光裝置之右和左方向之距離。
參照第8B和第8C圖，依照本發明之此實施例之平面型光源展現了與先前技術幾乎相同的照度強度。考慮到事 實上發光裝置之數目減少約25%，能夠看出效率明顯較以前改善。
再者，即使減少發光裝置之數目導致於發光裝置之間的平均距離較先前技術增加，但是全然不會減少照度分佈之均勻性，反之較先前技術改善了照度分佈之均勻性。
如上述提出之說明，依照本發明之示範實施例，可能提供減少發光裝置之數目並藉由最佳化複數個發光裝置之配置和間距而增加效率的平面型光源，並提供具有該平面型光源之LCD背光單元。再者，依照本發明之實施例，該平面型光源能夠獲得均勻的照度。
雖然已顯示和詳細說明了本發明之示範實施例，但對於所屬技術領域中具有通常知識者而言，應了解其中可作各種改變和修飾而不偏離所附申請專利範圍定義之精神與範圍。
100‧‧‧平面型光源
101‧‧‧基板
102‧‧‧發光二極體(LED)
200‧‧‧平面型光源
201‧‧‧基板
202‧‧‧發光裝置
202a‧‧‧發光裝置
300‧‧‧LCD背光單元
310‧‧‧LCD面板
312‧‧‧保護器片
314‧‧‧集光片
314a‧‧‧第一集光片
314b‧‧‧第二集光片
316‧‧‧擴散片
351‧‧‧基板
352‧‧‧發光裝置
354‧‧‧側壁
354a‧‧‧反射材料
356‧‧‧反射層
S、S1、S2‧‧‧間距
D‧‧‧間距
dc ‧‧‧間距
L1‧‧‧長度
L2‧‧‧長度
α‧‧‧角度
l ‧‧‧光學長度
θ‧‧‧發光裝置之方向角
由以上之詳細說明，配合所附圖式，本發明之上述和其他態樣、特徵和其他優點將更清楚了解，其中：第1圖為顯示依照先前技術的平面型光源之發光裝置之配置之示意圖。
第2圖為顯示依照本發明之示範實施例的平面型光源之發光裝置之配置之示意圖。
第3圖為顯示相關於發光裝置中光線於發散角之相對強度之圖式。
第4圖為顯示在距離發光裝置光學長度的位置處根據 與發光裝置的距離所得到的照度的圖式。
第5圖為顯示於發光裝置中分別依照發光角度和水平距離於光片中光通量和照度改變之圖式。
第6圖為顯示二個彼此相距距離S的鄰接發光裝置之照度分佈之圖式。
第7圖為顯示依照本發明之示範實施例的LCD背光單元300之分解側視圖。
第8A、8B、和8C圖為顯示比較依照本發明之實施例的平面型光源與依照先前技術的發光裝置之間發光裝置之配置和照度分配之圖式。
200‧‧‧平面型光源
201‧‧‧基板
202‧‧‧發光裝置
S1、S2‧‧‧間距

Claims (8)

  1. 一種平面型發光裝置，具有複數個發光裝置，該等發光裝置配置在基板上具有列和行之發光裝置矩陣中，該平面型發光裝置包括：具有配置於列和行之複數個發光裝置之第一矩陣；以及具有配置於列和行之複數個發光裝置之第二矩陣，各該發光裝置位於由包含於該第一矩陣中之四個鄰接發光裝置所形成之矩形內，其中，包含於該發光裝置矩陣中之一個發光裝置與最鄰接於該一個發光裝置之另一個發光裝置間之間距S滿足下列方程式以獲得於距該發光裝置之發光表面光學長度l 位置距離處之均勻的照度分佈， 此處滿足-π/18≦α≦π/18，而θ為該發光裝置之方向角，其中，π=180°，其中，擴散片沿著該發光裝置之發光路徑配置，以及其中，該擴散片與該發光裝置之發光表面分離達該光學長度l 。
  2. 如申請專利範圍第1項之平面型發光裝置，其中，包含於該第二矩陣中之各該發光裝置係定位於該矩形之 中心。
  3. 如申請專利範圍第1項之平面型發光裝置，其中，該發光裝置發射白光。
  4. 如申請專利範圍第1項之平面型發光裝置，其中，包含於該發光裝置矩陣中之一個發光裝置與最鄰接該一個發光裝置之另一個發光裝置之間之間距S滿足上述方程式。
  5. 如申請專利範圍第1項之平面型發光裝置，其中，θ是在110°≦θ≦130°之範圍內。
  6. 如申請專利範圍第1項之平面型發光裝置，其中，α是在-π/90≦α≦π/90之範圍內。
  7. 如申請專利範圍第1項之平面型發光裝置，其中，該發光裝置為LED。
  8. 一種LCD背光單元，附接到LCD面板之後表面，該LCD背光單元包括：如申請專利範圍第1項之平面型發光裝置；擴散片，設置朝向靠近該平面型發光裝置之LCD面板並均勻地擴散來自該平面型發光裝置入射於其上之光；以及至少一個集光片，設置朝向靠近該擴散片之該LCD面板並收集在該LCD面板的平面之垂直方向上由該擴散片所擴散之該光。
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