JP2005038767A - バックライトとその製造方法、及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックライトからの光の取り出し効率を高めて輝度向上を実現する。
【解決手段】光透過性を有するガラス等の基板８の一面８Ａ側に有機エレクトロルミネッセンス素子１０を用いて白色の発光層９を形成し、この発光層９で生成された光を基板８の他面８Ｂ側から取り出すように構成された面発光型のバックライト２において、基板８の他面８Ｂをサンドブラスト処理やフッ酸処理などの粗面化処理によって凹凸状に形成することにより、基板８と空気層との界面で光の全反射を抑えて取り出し光量をアップさせる。
【選択図】図２

Description

本発明は、面発光型のバックライトとその製造方法、及び液晶表示装置に関する。

近年、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ(Personal Digital Assistant)、携帯電話機等の携帯情報端末から、ビデオカメラ、デジタルカメラ等の家電機器に至るまで、様々な電子機器に液晶表示装置が搭載されている。一般に、液晶表示装置においては、液晶自体が光を発しないため、映像を明るく表示するための光源ユニットとしてバックライトが用いられている。

バックライトしてはＬＥＤ（発光ダイオード）と導光板を組み合わせたエッジライト方式が多用されているが、現在のモバイル向けの液晶表示装置では、薄型軽量で低消費電力の要求が非常に強いため、こうした要求にエッジライト方式で対応するには限界がある。そこで近年においては、ガラス製やプラスチック製の基板上に発光素子を直接設けて面状に発光させる面発光型のバックライトが開発されている。また、面発光型バックライト用の発光素子として、基板上に薄く軽量に形成することができる有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子）を用いることが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。

特開２００３−１０７４７３号公報 特開２００３−１２１８３９号公報

しかしながら、面発光型のバックライトを用いた場合は、各々の界面での光の屈折によって液晶パネル側に取り出せない光が多く存在するため、バックライトからの光の取り出し効率が低く、十分な輝度が得られにくいという不具合があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その主たる目的は、バックライトからの光の取り出し効率を高めることにある。

本発明に係るバックライトは、光透過性を有する基板の一面側に発光層を形成し、この発光層で生成された光を基板の他面側から取り出す面発光型のバックライトであって、基板の他面が粗面化処理によって凹凸状に形成されていることを特徴とするものである。

このバックライトにおいては、発光層で生成された光が基板内に入射したときに、基板と空気層との界面で、基板の他面の凹凸により光の全反射が抑えられるとともに、その光を基板の他面側から外部に取り出すことが可能となる。また、基板の他面に粗面化処理によって直接凹凸を形成しているため、剥がれ等の問題が発生しない。

本発明に係る他のバックライトは、光透過性を有する基板の一面側に発光層を形成し、この発光層で生成された光を基板の他面側から取り出す面発光型のバックライトであって、基板の他面に、正面方向のヘイズ値が斜め方向のヘイズ値よりも低い光拡散部材が貼着されていることを特徴とするものである。

このバックライトにおいては、発光層で生成された光が基板内に入射したときに、基板と空気層との境界部分で、光拡散部材の拡散作用により光の全反射が抑えられるとともに、その光を基板の他面側から外部に取り出すことが可能となる。また、光拡散部材の光学的な特性として、正面方向の透過率が斜め方向の透過率よりも高くなるため、バックライトの正面輝度が上がる。

本発明によれば、液晶表示装置等の光源ユニットとして面発光型のバックライトを採用するにあたり、バックライトからの光の取り出し効率を高めて輝度を向上させることができる。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明が適用される透過型の液晶表示装置の構成を示す概略図である。図示のように液晶表示装置は、主として液晶パネル１とバックライト２とを備えるものである。液晶パネル１は、例えば、カラーフィルタ層、第１の透明電極及び配向膜を有する第１のパネル基板３と、第２の透明電極及び第２の配向膜を有する第２のパネル基板４とを備えるとともに、それら２つのパネル基板３，４を球状のスペーサ（不図示）を介して近接状態に対向配置し、その間（ギャップ空間）にシール材５を用いて液晶材料を封入して液晶層６を形成し、かつ各々のパネル基板３，４の外側面に偏向フィルム等の光学フィルム７Ａ，７Ｂを貼着して構成されるものである。

バックライト２は、液晶パネル１に映像（画像）を表示するための光源ユニットとして機能する。このバックライト２は、発光部分が面状に形成された面発光型のバックライトである。バックライト２は、例えば透明なガラス基板又はプラスチック基板などのように高い光透過性を有する平板状の基板８をベースに構成されるものである。基板８の一面８Ａ側には、バックライト２の発光部分（発光源）となる発光層９が平面状に形成されている。発光層９で生成された光は、基板８の他面８Ｂ側（液晶パネル１と対向する側）から取り出されるとともに、面状の光となって液晶パネル１に照射される。発光層９は、有機ＥＬ素子１０によって構成されている。なお、発光層９は、液晶表示装置用のバックライト２内で白色に発光することから、以降の説明では、発光層９を白色発光層９とも記す。

図２は本発明の実施形態に係るバックライトの構成例を示す断面図である。図において、基板８の一面８Ａ側には、有機ＥＬ素子１０の構成要素として、陽極１１と、正孔輸送層１２と、第１の有機発光層１３と、第２の有機発光層１４と、電子輸送層１５と、電子注入層１６と、陰極１７とが順に積層した状態で形成されている。陽極１１はＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明電極によって構成されるものである。

正孔輸送層１２は陽極１１から正孔（ホール）を受け取って発光層９まで輸送する層である。第１の有機発光層１３はオレンジ色に発光する有機材料によって構成されるもので、第２の有機発光層１４は青色に発光する有機材料によって構成されるものである。このうち、第１の有機発光層１３は正孔輸送層１２上にマトリクス状のパターンで形成され、第２の有機発光層１４は正孔輸送層１２上で第１の有機発光層１３のパターンを覆うように形成されている。そして、これら第１の有機発光層１３と第２の有機発光層１４との組み合わせによって白色発光層９が構成されている。電子輸送層１５は陰極１７から電子を受け取って発光層９まで輸送する層である。電子注入層１６は電子輸送層１５に対して電子を注入する層である。このような積層構造をなす有機ＥＬ素子１０の外表面は、必要に応じて保護膜（不図示）により被覆される。

上記有機ＥＬ素子１０においては、陽極１１と陰極１７との間に所定の電圧を加えることにより、陽極１１側から正孔輸送層１２によってホールが発光層９に送られるとともに、陰極１７側から電子注入層１６で注入された電子が電子輸送層１５によって発光層９に送られる。これにより発光層９では、ホールと電子が結合（再結合）して励起子となり、このときに発生するエネルギーによって発光層９の有機材料が光を放出する。このように有機ＥＬ素子１０の発光層９で生成された光を基板８の他面８Ｂ側から取り出すことにより、前述した液晶パネル１に所望の画像を表示することができる。

ただし、有機ＥＬ素子１０の発光層９で生成される光は任意の方向性をもつ光（拡散光）となるため、その全てを液晶パネル１側に取り出すことはできない。また、有機ＥＬ素子１０内の各層の界面や、有機ＥＬ素子１０と基板８との界面、さらには基板８と空気層との界面では、それぞれ屈折率の違いによって光の反射が生じる。特に、基板８と空気層との界面では屈折率の差が大きいため、光の反射が生じやすい。そのため、バックライト２内に閉じこめられて外部に取り出せない光も存在する。

そこで本発明の実施形態においては次のような構成が採用されている。すなわち、バックライト２の構成として、光の取り出し側となる基板８の他面８Ｂが粗面化処理によって微細な凹凸状に形成されている。凹凸形成のための具体的な手法としては、バックライト２の製造工程中に、基板８の他面８Ｂをサンドブラスト処理又はフッ酸処理などの粗面化処理によって凹凸状に形成する工程（表面処理工程）を設ける方法を採用すればよい。サンドブラスト処理やフッ酸処理を採用した場合は、基板８の他面８Ｂに直接凹凸を形成することになるため、基板８にフィルムやシートなどを貼り付ける場合に比較して、温度や振動、衝撃等による剥がれの問題がなく、しかも所望の凹凸構造を容易に作り出すことができるという利点がある。

また、液晶表示装置用のバックライトとして考えた場合、基板８の凹凸を規則的に形成すると液晶パネル１の画素等との干渉によりモアレ等の画質劣化が生じることが懸念される。これに対して、サンドブラスト処理を採用した場合は、基板８上で凹凸が不規則に形成されるため、モアレ等の発生を抑えて良好な画質を得ることが可能となる。

上記構成からなる液晶表示装置においては、バックライト２の構成として、光の取り出し側となる基板８の他面８Ｂを粗面化処理によって微細な凹凸状に形成することにより、有機ＥＬ素子１０の発光層９で生成された光が基板８内に入射したときに、基板８と空気層との界面で光の全反射が抑えられる。そのため、バックライト２内に閉じこめられる光が減少する。また、基板８の他面８Ｂが平面状の場合に取り出せなかった光も、当該他面８Ｂが凹凸状になることで外部に取り出すことが可能となる。したがって、バックライト２からの光の取り出し効率を高めることができる。

また、本発明の応用例として、図３に示すように、基板８の他面８Ｂに、発光層９から生成された光を正面方向に集光するフィルム状、シート状等の集光部材１８を貼着した構成を採用することにより、液晶表示装置の表示特性に直接影響を与えるバックライト２の正面輝度を大幅に向上させることができる。正面方向とは、基板８の他面８Ｂを平面と仮定した場合に、これとほぼ直角をなす方向（換言すると、液晶パネル１にほぼ垂直に入射する方向）をいう。また、正面方向から±３０°以上（最大で±９０°）の傾きをもつ方向を斜め方向と定義する。

また、本発明の他の実施形態として、図４に示すように、基板８の他面８Ｂに、正面方向のヘイズ値（濁り度）が斜め方向のヘイズ値よりも低いシート状の光拡散部材１９を貼着した構成を採用することもできる。このような指向性をもつ光拡散部材１９を基板８の他面８Ｂに貼着することにより、有機ＥＬ素子１０の発光層９で生成された光が基板８内に入射したときに、基板８と空気層との境界部分で光拡散部材１９の拡散作用により光の全反射が抑えられる。そのため、バックライト２内に閉じこめられる光が減少する。したがって、バックライト２からの光の取り出し効率を高めることができる。また、光拡散部材１９の光学的な特性として、正面方向の透過率が斜め方向の透過率よりも高くなるため、バックライト２の正面輝度を大幅に向上させることができる。

また、図５に示すように、基板８の他面８Ｂに、上記光拡散部材１９と上記集光部材１８を積層状態で貼着した構成を採用することにより、バックライト２の正面輝度をより一層向上させることが可能となる。

ここで、本発明の具体的な実施例について説明する。先ず、有機ＥＬ素子１０を用いたバックライト２を得るにあたっては、５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形のガラス基板を基板８とし、この基板８の一面８Ａに陽極１１としてＩＴＯ電極を形成した。次いで、基板８を有機溶媒、純水、オゾンクリーナーを用いて洗浄した後、真空に排気した蒸着装置内で、N、N’-ビス（3≡メチルフェニル）-N、N‘-ジフェニルベンジシン（TPD）からなる正孔輸送層１２と、ルブレン（Rubrene）からなる第１の有機発光層１３と、4,4’-ビス(2,2-ジフェニルビニル)-１，１’-ビフェニル（DPVBi）からなる第２の有機発光層１４と、バソクプロイン（BCP）からなる電子輸送層１５と、フッ化リチウム（LiF）からなる電子注入層１６とアルミニウムからなる陰極１７とを、それぞれ陽極１１上に順に成膜した。このうち、第１の有機発光層１３を成膜する際には、400メッシュで且つ開口領域が３４％の金属マスクを用いて成膜を行った。そうしたところ、バックライト２の特性として、有機ＥＬ素子１０の印加電圧が７Ｖで、正面輝度が２０００cd/m²、色度(X,Y)=(0.25,0.33)であった。

その後、基板８の他面８Ｂをサンドブラスト処理で凹凸状に形成したところ、サンドブラスト処理前は正面輝度が２０００cd/m²であったものが、サンドブラスト処理後は正面輝度が２４００cd/m²に高まり、ブラスト処理前（つまり基板８の他面８Ｂが平面状のもの）に比較して２０％の輝度向上が認められた。

また、基板８の他面８Ｂに、上記集光部材１８として、図６に示すように住友スリーエム株式会社製の光学フィルム（商品名：ＢＥＦII輝度上昇フィルム）２０Ａ，２０Ｂを、プリズムパターンの方向を直交させて２枚重ねて貼着したところ、基板８の他面８Ｂが平面状のもの（サンドブラスト処理による凹凸がないもの）では正面輝度が２５００cd/m²であったものが、基板８の他面８Ｂがサンドブラスト処理で凹凸状に形成されたものでは正面輝度が３２００cd/m²に高まり、約３０％の輝度向上が認められた。

以上の結果から、基板８の他面８Ｂをサンドブラスト処理等の粗面化処理によって凹凸状に形成することにより、バックライト２の正面輝度が向上し、さらに基板８の他面８Ｂに集光部材１８を貼着することにより、バックライト２の正面輝度がより一層向上することが確認された。

また、本発明者による他の実験では、次のような結果も得られた。先ず、バックライト２を液晶パネル１側から正面視したときに、バックライト２の発光領域内の任意の一点（例えば、発光領域の中心）を座標原点として二次元の直交座標を想定し、その座標原点を中心とした大小複数の同心円の法線方向において、座標原点を基準とした法線方向からの角度と輝度の関係を調べた。そうしたところ、図７のような結果が得られた。

すなわち、サンドブラスト処理が無しのもの（基板８の他面８Ｂが平面状のもの）に比較して、サンドブラスト処理が有りのもの（基板８の他面８Ｂが凹凸状に形成されたもの）では輝度の向上が認められ、特に、法線方向からの角度が±６０〜±７０°のところで輝度の大幅な向上が認められた。さらに、サンドブラスト処理が有りのもので、基板８の他面８Ｂに集光部材１８を貼着したものでは、法線方向からの角度が０°付近（０〜±２０°）で大幅な輝度の向上が認められた。この輝度向上の効果は、サンドブラスト処理によって外部に取り出し可能となった光を集光部材１８で正面方向に集光したことによる効果と考えられる。

図８は光拡散部材１９のヘイズ(Haze)特性を示す図である。図示のように光拡散部材１９のヘイズ特性は、法線方向からの角度が０°付近よりも、そこから所定量だけずれた角度で、ヘイズ値が相対的に高くなっている。より具体的に記述すると、法線方向からの角度が０°付近となる正面方向ではヘイズ値が最も低く、法線方向からの角度が±４０〜±５０°となる斜め方向でヘイズ値が最も高くなっている。そのため、この光拡散部材１９に光を透過させたときの透過率で考えると、ヘイズ値が相対的に低くなる正面方向（法線方向からの角度が０°付近）では透過率が相対的に高くなり、ヘイズ値が相対的に高くなる斜め方向では透過率が相対的に低くなる。

上記ヘイズ特性を有する光拡散部材１９を、空気と基板（ガラス基板）８の中間的な屈折率をもつ接着材を用いて光学接着したところ、図９に示すように、法線方向からの角度が０°付近となる正面方向の輝度が、サンドブラスト処理したものより高くなった。ちなみに、上記上記ヘイズ特性を有する光拡散部材１９は、例えば特開２００１−１２４９０６号公報、特開２００２−１８９１０５号公報等に開示された方法で作成することができる。また、光拡散部材１９による輝度向上の効果は、法線方向からの角度が+４０〜+５０°となる斜め方向か、-４０〜-５０°となる斜め方向のいずれか一方側にのみ、ヘイズ値の最大ピーク（変曲点）をもつ特性のものであっても得られる。

また、図１０に示すように法線方向からの角度が０°付近となる正面方向の透過率が、法線方向からの角度が±４０〜±５０°となる斜め方向の透過率よりも低い透過率特性をもつバックライト２に適用したところ、図１１に示すように基板８の他面８Ｂをサンドブラスト処理によって凹凸状に形成したものと、基板８の他面８Ｂに光拡散部材１９を貼着したものの双方で、それぞれバックライト２の輝度向上は認められたものの、いずれも正面方向の輝度（正面輝度）が斜め方向の輝度よりも低い結果となった。ただし、基板８の他面８Ｂに集光部材１８を貼着した状態では、図１２に示すように、基板８の他面８Ｂをサンドブラスト処理によって凹凸状に形成したものと、基板８の他面８Ｂに光拡散部材１９を貼着したものの双方で、ともに正面方向の輝度が大幅に上昇した。

本発明が適用される透過型の液晶表示装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るバックライトの構成例を示す断面図である。 本発明の応用例に係るバックライトの構成例を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係るバックライトの構成例を示す断面図である。 本発明の他の応用例に係るバックライトの構成例を示す断面図である。 集光部材の貼着状態を説明する分解斜視図である。 バックライトの輝度特性を示す図（その１）である。 光拡散部材のヘイズ特性を示す図である。 バックライトの輝度特性を示す図（その２）である。 バックライトの透過率特性を示す図である。 バックライトの輝度特性を示す図（その３）である。 バックライトの輝度特性を示す図（その４）である。

符号の説明

１…液晶パネル、２…バックライト、８…基板、８Ｂ…他面、９…発光層、１８…集光部材、１９…光拡散部材

Claims (11)

1. 光透過性を有する基板の一面側に発光層を形成し、この発光層で生成された光を前記基板の他面側から取り出す面発光型のバックライトであって、
   前記基板の他面が粗面化処理によって凹凸状に形成されている
   ことを特徴とするバックライト。
2. 前記基板の他面に、前記発光層から生成された光を正面方向に集光する集光部材が貼着されている
   ことを特徴とする請求項１記載のバックライト。
3. 前記基板の他面の凹凸が不規則に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のバックライト。
4. 前記発光層は有機エレクトルミネッセンス素子によって構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のバックライト。
5. 光透過性を有する基板の一面側に発光層を形成し、この発光層で生成された光を前記基板の他面側から取り出す面発光型のバックライトであって、
   前記基板の他面に、正面方向のヘイズ値が斜め方向のヘイズ値よりも低い光拡散部材が貼着されている
   ことを特徴とするバックライト。
6. 前記基板の他面に、前記光拡散部材と、前記発光層から生成された光を正面方向に集光する集光部材とが積層状態で貼着されている
   ことを特徴とする請求項５記載のバックライト。
7. 前記発光層は有機エレクトルミネッセンス素子によって構成されている
   ことを特徴とする請求項５記載のバックライト。
8. 光透過性を有する基板の一面側に発光層を形成し、この発光層で生成された光を前記基板の他面側から取り出す面発光型のバックライトの製造方法であって、
   前記基板の他面を粗面化処理によって凹凸状に形成する工程を有する
   ことを特徴とするバックライトの製造方法。
9. 前記粗面化処理をサンドブラスト処理又はフッ酸処理によって行う
   ことを特徴とする請求項８記載のバックライトの製造方法。
10. 光透過性を有する基板の一面側に発光層を形成し、この発光層で生成された光を前記基板の他面側から取り出す面発光型のバックライトを備える液晶表示装置であって、
    前記基板の他面が粗面化処理によって凹凸状に形成されている
    ことを特徴とする液晶表示装置。
11. 光透過性を有する基板の一面側に発光層を形成し、この発光層で生成された光を前記基板の他面側から取り出す面発光型のバックライトを備える液晶表示装置であって、
    前記基板の他面に、正面方向のヘイズ値が斜め方向のヘイズ値よりも低い光拡散部材が貼着されている
    ことを特徴とする液晶表示装置。
    

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