JP2006156329A - 直下型バックライト用導光板および直下型バックライト - Google Patents
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Abstract
【課題】直下型バックライトの面内の発光量をより均一にすることが可能な導光板、および面内の発光量がより均一な直下型バックライトを提供すること。
【解決手段】上面に光反射部を備え、さらに上面および／または下面に複数の円状の溝または突起からなる光散乱部を同心円状に備え、各同心円間の面積がいずれも実質的に等しいことを特徴とする直下型バックライト用導光板、ならびに該直下型バックライト用導光板を備える直下型バックライト。
【選択図】なし
【解決手段】上面に光反射部を備え、さらに上面および／または下面に複数の円状の溝または突起からなる光散乱部を同心円状に備え、各同心円間の面積がいずれも実質的に等しいことを特徴とする直下型バックライト用導光板、ならびに該直下型バックライト用導光板を備える直下型バックライト。
【選択図】なし
Description
本発明は、液晶ディスプレイに使用される直下型バックライト用導光板および該導光板を備える直下型バックライトに関する。
光を散乱させるために、半円状断面の溝が多数同心円状に掘り込まれた光半導体素子（LED）を用いた面状光源装置が報告されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１８４１３７号公報
しかしながら、上記のような面状光源装置では、未だ、面内の十分な発光の均一性が得られていない。
従って、本発明の目的は、直下型バックライトの面内の発光量をより均一にすることが可能な導光板、および面内の発光量がより均一な直下型バックライトを提供することにある。
すなわち、本発明は、
〔１〕上面に光反射部を備え、さらに上面および／または下面に複数の円状の溝または突起からなる光散乱部を同心円状に備え、各同心円間の面積がいずれも実質的に等しいことを特徴とする直下型バックライト用導光板、ならびに
〔２〕前記〔１〕記載の直下型バックライト用導光板を備える直下型バックライト
に関する。
〔１〕上面に光反射部を備え、さらに上面および／または下面に複数の円状の溝または突起からなる光散乱部を同心円状に備え、各同心円間の面積がいずれも実質的に等しいことを特徴とする直下型バックライト用導光板、ならびに
〔２〕前記〔１〕記載の直下型バックライト用導光板を備える直下型バックライト
に関する。
本発明により、直下型バックライトの面内の発光量をより均一にすることが可能な導光板、および面内の発光量がより均一な直下型バックライトを提供することができる。
本発明の直下型バックライト用導光板は、上面に光反射部が形成され、さらに上面および／または下面に規則的に光散乱部が形成されていることを一つの大きな特徴とする。
かかる特徴を有することにより、光半導体装置からの光は、光反射部および／または光散乱部により導光板内に反射散乱され、さらに導光板の下面によって反射され、導光板の上面から効率よく均一に発光される。
本発明の直下型バックライト用導光板の一態様を図１に示す。
図１において、導光板１の上面には光反射部２が、下面には光散乱部３が形成されている。
導光板１は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリカルボジイミド樹脂などの樹脂から構成される。
導光板１の平面形状は、特に限定されないが、好ましくは四角形であり、四角形の場合のその一辺の長さは好ましくは30〜100mmである。また導光板の厚さは、光反射部および光散乱部を無視した状態で、好ましくは1〜3mmである。さらに好ましくは、導光板１の断面形状が、図２に示されるようなテーパー状の形状であり、その最も厚い部分の厚さが1〜3mmであり、周囲の厚さが0.2〜0.5mmである。反射散乱された光が外部へ出て行くことを防ぐため、導光板の側面を金属蒸着処理などの加工をして光沢面とすることが好ましい。
導光板１は、例えば、トランスファー成型、プレス成型などにより作製される。
本明細書において、「上面」とは、直下型バックライトに使用される場合に光が観察される面をいい、「下面」とは、上面と反対の面をいう。
本発明において、「光反射部」とは、直下型バックライトの光半導体装置から外部に直接発光される光を遮断し、反射し、導光板内に散乱させる機能を有する部分をいい、かかる機能を効率的に発揮する観点から、該光反射部は光半導体装置の真上にあることが好ましい。
上記機能を発揮させるため光反射部２には、図３（ａ）〜（ｆ）に示されるように、多数の細かな凹凸が形成されているかまたは凹みが形成されている。凹凸が形成されている場合、凹凸の形状としては、上記機能が発揮されれば特に限定されないが、半球形状、ピラミッド形状、規則性のないランダム形状が挙げられる。１つの凹凸の大きさは、特に限定されないが、例えば、半球形状の場合、曲率半径が1〜50μmであることが好ましく、凹凸高さが1〜50μmであるのことが好ましく、15〜30μmであるのがさらに好ましい。一方、凹みが形成されている場合、凹みの形状としては、上記機能が発揮されれば特に限定されないが、逆円錐様形状が好ましい。本発明において、逆円錐様形状とは、逆円錐形状はもとより、逆円錐形状の斜面が種々の傾きを有する形状をもいう。
光半導体から外部に直接発光される光が遮断および反射されやすくする観点から、図３（ｆ）に示されるような、光半導体から導光板に入射し、屈折した光に対して、全反射するような傾斜面を導光板に対する入射角度それぞれに応じて設計した曲面を有する形状の凹みがさらに好ましい。かかる曲面は、導光板の重心を原点とし、その原点を通る水平軸をx軸、垂直軸をy軸とした場合に、式（I）：
で得られる曲線をy軸に対して180°回転して得られる曲面である。
凹みの大きさは、特に限定されないが、逆円錐様形状の場合、円錐の底面の直径が3〜10mm、円錐の高さが0.1〜2mmであることが好ましい。
光反射部２の形状および大きさは、上記機能が発揮され、かつ本発明の効果が発現されれば特に限定されないが、好ましくは円形であり光散乱部３のなかで最も中心に近い部分よりも内側に配置できる大きさである。
光反射部２の凹凸または凹み（以下、パターンという場合がある）は、前記導光板作製の際に、表面に光反射部の凹凸または凹みとは逆のパターンが形成された金型を用いて形成することができる。例えば、トランスファー成型の場合、導光板の上面に相当する部分に上記逆パターンが形成されたトランスファー成型金型により形成し、プレス成型の場合、予め作製された樹脂シートの表面を上記逆パターンが形成されたプレス板により加圧して形成する。
当該金型は、例えば、ポリイミドシートをレーザー加工により所定のパターンの形状に加工し、さらに表面が平滑になるまで無電解ニッケルめっきによりニッケル薄膜を形成する。次いで、ニッケル薄膜を金型またはプレス板に転写することにより光反射部に所定のパターンを加工する金型が作製される。
光半導体装置から外部に直接発光される光が遮断および反射されやすくなる観点から、図３に示されるように、金属薄膜または金属粒子分散樹脂層４が光反射部２に沿って形成されていることが好ましい。金属薄膜の金属としては、例えば、銀、アルミなどが挙げられる。金属粒子分散樹脂層に使用される金属粒子としては、酸化チタン、酸化ジルコニウムなどの金属酸化物微粒子が挙げられる。光反射部の上面への金属薄膜の形成は、例えば、光反射部以外にマスクをかけ、スパッタリングをすることにより行うことができる。また、金属粒子分散樹脂層の形成は、例えば、キャスティング、スピンコート、噴霧、予めシート状に加工した樹脂を加熱加圧するラミネート法などにより行うことができる。なお、金属薄膜または金属粒子分散樹脂層の形成は、導光板作製をトランスファー成型で行った場合、成型と同時にパターン形成がなされるのでその後に行われるが、導光板作製をプレス成型で行った場合には、プレス板によるパターン形成前に行われても後に行われてもよい。金属薄膜または金属粒子分散層の厚さは、好ましくは0.05〜0.5μmである。あるいはまた、光反射部に凹みが形成されている場合は、図３に示されるように、凹みを塞ぐように金属薄膜または金属粒子分散樹脂層４を設け、さらにその上にアクリル樹脂などから構成される反射層５を設けてもよい。
本発明において、「光散乱部」とは、直下型バックライトの光半導体装置から発光される光を反射し、導光板内または導光板の上面に散乱させる機能を有する部分をいう。
光散乱部３は、図３に示されるように、導光板１の上面および／または下面に円状に複数、同心円状に形成されており、各同心円間の面積がいずれも実質的に等しくなるように配置されている。ここで、「面積が実質的に等しい」とは、本発明の効果が奏される限り、わずかな程度の違いは「等しい」として扱うという意味である。例えば、面積±5％以内程度の違いは、実質的に違いがあるとはいえず、「面積が実質的に等しい」として扱う。好ましくは±3％以内、さらに好ましくは±1％以内である。さらに本発明の導光板を発光が観察される面からみると、円状の光散乱部３は前記光反射部２を取り囲むように形成されている。
光散乱部は、形成容易性の観点から、導光板の上面に形成されることが好ましい。同心円の中心は、導光板の重心に対応する位置にあることがさらに好ましい。
本明細書において、「各同心円間の面積」とは、図４に示されるように隣接する各同心円の面積の差として算出された面積（Ａ）をいい、各同心円の面積とは円の中心６から光散乱部の幅の中心までの距離を半径とする円の面積をいう。当該面積は、効果的に光の導波を得る観点から、好ましくは約1.6〜約85mm2、より好ましくは約2.5〜約30mm2である。なお、本明細書において、「中心となる円」とは、円の中心６から光散乱部のなかで最も中心に近い溝または突起の幅の中心までの距離を半径とする円をいい、中心となる円の半径は、好ましくは5〜10mmである。
光散乱部３は、図３に示されるように、導光板１に対して溝または突起となっている。光散乱部３の断面形状は、三角形、四角形などの多角形、半円、半楕円などが好ましく、三角形がより好ましい。本発明の効果が発現されれば、断面形状は全ての光散乱部において同じである必要はない。光散乱部３が溝であり、かつその断面形状が三角形である場合、図５に示されるように、光反射部２側の辺と導光板１の面とのなす角度（θ１）は20〜50度が好ましく、30〜45度がより好ましい。あるいはまた、断面形状が三角形である場合、直角三角形であることが好ましく、斜辺が光反射部２側にある直角三角形がさらに好ましい。断面形状が直角三角形である場合もまた、斜辺と導光板１の面とのなす角度（θ１）は15〜50度が好ましく、20〜35度がより好ましい。光散乱部３が突起であり、かつその断面形状が三角形である場合、図５に示されるように、光反射部２と反対側の辺と導光板１の面とのなす角度（θ２）は15〜50度が好ましく、20〜35度がより好ましい。あるいはまた、断面形状が三角形である場合、直角三角形であることが好ましく、斜辺が光反射部２と反対側にある直角三角形がさらに好ましい。断面形状が直角三角形である場合もまた、斜辺と導光板１の面とのなす角度（θ２）は15〜50度が好ましく、20〜35度がより好ましい。
また、導光板１の面内の発光量をより均一にするためには、θ１またはθ２が同心円の中心から外縁に向かって段階的に大きくなっていることが好ましい。同心円の中心から外縁に向けて、光散乱部ごとに段階的にθ１またはθ２が大きくなっていてもよいが、設計の容易さを考慮すると、複数の光散乱部ごとに段階的にθ１またはθ２が大きくなっていることが好ましい。「複数の光散乱部ごとに」とは、10〜25個ごとが好ましく、15〜20個ごとがより好ましい。「段階的に」とは、θ１またはθ２の変化量が1〜2度であることが好ましく、1.5〜1.75度であることがより好ましい。
導光板の１つの面に形成される光散乱部の数は、好ましくは50〜700個、より好ましくは150〜500個である。光散乱部の幅は、光取り出し効率の向上および面内の発光強度の均一性の確保の観点から、好ましくは1〜100μm、より好ましくは20〜70μm、さらに好ましくは20〜50μmである。深さまたは高さは、好ましくは0.5〜120μm、より好ましくは10〜30μmである。
光散乱部は、前記光反射部を形成するのと同様の方法で形成することができる。また、光散乱部を形成する金型も前記光反射部を形成する金型と同様の方法で作製することができる。
本発明はまた、前記導光板を備える直下型バックライトを提供する。
本発明の直下型バックライトの一態様を図６に示す。
図６において、本発明の直下型バックライトは、
−配線回路基板９に光半導体素子８が実装され、樹脂層１０により光半導体素子８が封止されている光半導体装置１１および反射板７を備える光半導体基板１２；
−導光板１；ならびに
−固着部１３
を備える。
−配線回路基板９に光半導体素子８が実装され、樹脂層１０により光半導体素子８が封止されている光半導体装置１１および反射板７を備える光半導体基板１２；
−導光板１；ならびに
−固着部１３
を備える。
本発明に用いられる光半導体装置１１は、当該分野で公知の配線回路基板９、光半導体素子８および樹脂層１０を用いて公知の方法で作製される。
本発明に用いられる光半導体装置１１は、50〜70度の光指向性を有することが好ましく、その配光分布は、前記光反射部に光を反射させて面内発光を均一にする観点から、光半導体装置の中心から垂直方向の光強度よりも斜め方向の光強度が強いことが好ましい。
反射板７としては、例えばアクリル板などの樹脂板、トタン板などの金属板などが挙げられ、該板の表面が銀蒸着により鏡面加工されていることが好ましい。また、反射板の厚さは好ましくは0.3〜1mmである。
光半導体基板１２は、図７に示されるように、反射板７に開口部を設け、その開口部に光半導体装置１１を接着剤などにより接合して得ることができる。光半導体装置１１は、面内発光を均一にする観点から、反射板７より上に突出しないことが好ましい。
本発明の直下型バックライトは、前記光半導体基板１２の上に前記導光板１を設置し、その周囲を接着剤、シール材などの枠組みから構成される固着部１３で固定して得られる。
実施例１ 導光板の作製
金型を使用して、片面に光反射部を有し、反対の面に突起状の光散乱部を有する導光板（材質：アクリル樹脂、厚さ：2mm、大きさ：50mm×50mm）をプレス成型により作製した。さらに光反射部の円錐状凹みの側面に銀薄膜を蒸着した。この側面の透過率をマルチチャンネルフォトディテクタ（大塚電子社製：MCPD3000）で測定すると5％であった。
〔光反射部〕
導光板の重心に対応する位置を中心とする直径9.0mm、深さ1.9mmの円錐
〔突起状の光散乱部〕
中心となる円の面積：63.6mm2（半径＝約4.5mm）
同心円の数：150個
各同心円間の面積：25.8mm2（最も外側にある円の半径＝約35.4mm）
突起の形状：幅＝60μm、高さ＝22μm、断面形状＝斜辺が光反射部と反対側にある直角三角形、θ２は以下のように設定した。
同心円の中心から15個目まで：20.0度
16個目から30個目まで：21.5度
31個目から45個目まで：23.0度
46個目から60個目まで：24.5度
61個目から75個目まで：26.0度
76個目から90個目まで：27.5度
91個目から105個目まで：29.0度
106個目から120個目まで：30.5度
121個目から135個目まで：32.0度
136個目から150個目まで：33.5度
すなわち、同心円の中心から外縁に向けて、光散乱部15個ごとに1.5度ずつθ２が大きくなるように設定した。
金型を使用して、片面に光反射部を有し、反対の面に突起状の光散乱部を有する導光板（材質：アクリル樹脂、厚さ：2mm、大きさ：50mm×50mm）をプレス成型により作製した。さらに光反射部の円錐状凹みの側面に銀薄膜を蒸着した。この側面の透過率をマルチチャンネルフォトディテクタ（大塚電子社製：MCPD3000）で測定すると5％であった。
〔光反射部〕
導光板の重心に対応する位置を中心とする直径9.0mm、深さ1.9mmの円錐
〔突起状の光散乱部〕
中心となる円の面積：63.6mm2（半径＝約4.5mm）
同心円の数：150個
各同心円間の面積：25.8mm2（最も外側にある円の半径＝約35.4mm）
突起の形状：幅＝60μm、高さ＝22μm、断面形状＝斜辺が光反射部と反対側にある直角三角形、θ２は以下のように設定した。
同心円の中心から15個目まで：20.0度
16個目から30個目まで：21.5度
31個目から45個目まで：23.0度
46個目から60個目まで：24.5度
61個目から75個目まで：26.0度
76個目から90個目まで：27.5度
91個目から105個目まで：29.0度
106個目から120個目まで：30.5度
121個目から135個目まで：32.0度
136個目から150個目まで：33.5度
すなわち、同心円の中心から外縁に向けて、光散乱部15個ごとに1.5度ずつθ２が大きくなるように設定した。
製造例１ 光半導体装置の作製
白色基板（利昌工業社製：CS-3965、10mm×10mm、厚さ0.06mm）の中央部に光半導体素子を実装し、配線を行った。拡散機能を有する高屈折率ポリマー（ポリカルボジイミド（屈折率1.70）、シリカフィラー（平均粒子径100nmΦ）40重量％）を厚さ15μmで光半導体素子上にコーティングし、150℃×1時間、硬化を行った。さらにその上にエポキシ樹脂シート（厚さ0.25mm）を設置し、表面加工用の大きさ7mm×7mmのニッケルスタンパ（幅10μmかつアスペクト比1：1（高さ10μm）の凹みを多数有する）をシートの上に配置して真空ラミネータ（）を使用して、140℃、0.1MPaおよび60秒で、光半導体素子を封止し、表面加工処理が施された光半導体装置を得た。光半導体装置への通電は、光半導体基板へケーブルを接続、配線することで行った。
白色基板（利昌工業社製：CS-3965、10mm×10mm、厚さ0.06mm）の中央部に光半導体素子を実装し、配線を行った。拡散機能を有する高屈折率ポリマー（ポリカルボジイミド（屈折率1.70）、シリカフィラー（平均粒子径100nmΦ）40重量％）を厚さ15μmで光半導体素子上にコーティングし、150℃×1時間、硬化を行った。さらにその上にエポキシ樹脂シート（厚さ0.25mm）を設置し、表面加工用の大きさ7mm×7mmのニッケルスタンパ（幅10μmかつアスペクト比1：1（高さ10μm）の凹みを多数有する）をシートの上に配置して真空ラミネータ（）を使用して、140℃、0.1MPaおよび60秒で、光半導体素子を封止し、表面加工処理が施された光半導体装置を得た。光半導体装置への通電は、光半導体基板へケーブルを接続、配線することで行った。
製造例２ 反射板の作製
中央部に8mmΦの穴を開けた亜鉛メッキ鋼板（トタン板、大きさ50mm×50mm、厚さ0.5mm）の表面に銀蒸着シート（三井化学社製：SU-115、厚さ57μm）を貼り合わせて反射板を得た。
中央部に8mmΦの穴を開けた亜鉛メッキ鋼板（トタン板、大きさ50mm×50mm、厚さ0.5mm）の表面に銀蒸着シート（三井化学社製：SU-115、厚さ57μm）を貼り合わせて反射板を得た。
実施例２ 直下型バックライトの作製
製造例１で得られた光半導体装置を製造例２で得られた反射板の反射面の反対の面に光学接着剤（ノーランド社製：NOA78）で接着し、光半導体基板を得た。光半導体装置と反射板の配置は反射板の穴の中心と光半導体装置の中心が垂直方向で一致する配置とした。
製造例１で得られた光半導体装置を製造例２で得られた反射板の反射面の反対の面に光学接着剤（ノーランド社製：NOA78）で接着し、光半導体基板を得た。光半導体装置と反射板の配置は反射板の穴の中心と光半導体装置の中心が垂直方向で一致する配置とした。
光半導体基板の上に実施例１で得られた導光板を配置し、四方向端面を枠組みで固定して、直下型バックライト（大きさ50mm×50mm、厚さ約3mm（2.867mm））を得た。なお、光半導体基板と導光板の配置は、光半導体基板の中心と導光板の中心が垂直方向で一致する配置とした。
実施例３ 導光板の作製
金型を使用して、片面に光反射部を有し、反対の面に突起状の光散乱部を有する導光板（材質：アクリル樹脂、厚さ：2mm、大きさ：50mm×50mm）をプレス成型により作製した。
〔光反射部〕
導光板の重心を原点、その原点を通る水平軸をx軸、垂直軸をy軸として、式（II）：
金型を使用して、片面に光反射部を有し、反対の面に突起状の光散乱部を有する導光板（材質：アクリル樹脂、厚さ：2mm、大きさ：50mm×50mm）をプレス成型により作製した。
〔光反射部〕
導光板の重心を原点、その原点を通る水平軸をx軸、垂直軸をy軸として、式（II）：
で得られる曲線をy軸に対して180°回転して得られる逆円錐様形状
〔突起状の光散乱部〕
実施例１と同じ
〔突起状の光散乱部〕
実施例１と同じ
実施例４ 直下型バックライトの作製
製造例１で得られた光半導体装置を製造例２で得られた反射板の反射面の反対の面に光学接着剤（ノーランド社製：NOA78）で接着し、光半導体基板を得た。光半導体装置と反射板の配置は反射板の穴の中心と光半導体装置の中心が垂直方向で一致する配置とした。
製造例１で得られた光半導体装置を製造例２で得られた反射板の反射面の反対の面に光学接着剤（ノーランド社製：NOA78）で接着し、光半導体基板を得た。光半導体装置と反射板の配置は反射板の穴の中心と光半導体装置の中心が垂直方向で一致する配置とした。
光半導体基板の上に実施例３で得られた導光板を配置し、四方向端面を枠組みで固定して、直下型バックライト（大きさ50mm×50mm、厚さ約3mm（2.867mm））を得た。なお、光半導体基板と導光板の配置は、光半導体基板の中心と導光板の中心が垂直方向で一致する配置とした。
比較例１ 直下型バックライトの作製
金型を使用して、実施例１と同様の形状の光反射部を片面に有する導光板（材質：アクリル樹脂、厚さ：2mm、大きさ：50mm×50mm）をプレス成型により作製した。さらに光反射部の円錐状凹みの側面に銀薄膜を蒸着した。この側面の透過率をマルチチャンネルフォトディテクタ（大塚電子社製：MCPD3000）で測定すると5％であった。得られた導光板を使用して実施例２と同様に直下型バックライトを作製した。
金型を使用して、実施例１と同様の形状の光反射部を片面に有する導光板（材質：アクリル樹脂、厚さ：2mm、大きさ：50mm×50mm）をプレス成型により作製した。さらに光反射部の円錐状凹みの側面に銀薄膜を蒸着した。この側面の透過率をマルチチャンネルフォトディテクタ（大塚電子社製：MCPD3000）で測定すると5％であった。得られた導光板を使用して実施例２と同様に直下型バックライトを作製した。
試験例１ 面内の発光の均一性の評価
実施例２、実施例４および比較例１で作製した直下型バックライトの発光の均一性を輝度評価装置（トプコン社製：Bm-9x0.2°）を使用して計測した。その結果を図８に示す。
実施例２、実施例４および比較例１で作製した直下型バックライトの発光の均一性を輝度評価装置（トプコン社製：Bm-9x0.2°）を使用して計測した。その結果を図８に示す。
その結果、実施例２および実施例４で作製した直下型バックライトは面内幅方向において均一な発光量が得られることがわかる。一方、比較例１で作製した直下型バックライトは光半導体素子近傍に発光が集中して、均一な発光が得られないことがわかる。
本発明の直下型バックライトは、液晶ディスプレイのバックライトに利用することができる。
１ 導光板
２ 光反射部
３ 光散乱部
４ 金属薄膜または金属粒子分散樹脂層
５ 反射層
６ 同心円の中心
７ 反射板
８ 光半導体素子
９ 配線回路基板
１０ 封止樹脂
１１ 光半導体装置
１２ 光半導体基板
１３ 固着部
２ 光反射部
３ 光散乱部
４ 金属薄膜または金属粒子分散樹脂層
５ 反射層
６ 同心円の中心
７ 反射板
８ 光半導体素子
９ 配線回路基板
１０ 封止樹脂
１１ 光半導体装置
１２ 光半導体基板
１３ 固着部
Claims (5)
- 上面に光反射部を備え、さらに上面および／または下面に複数の円状の溝または突起からなる光散乱部を同心円状に備え、各同心円間の面積がいずれも実質的に等しいことを特徴とする直下型バックライト用導光板。
- 光散乱部の断面形状が三角形である請求項１記載の直下型バックライト用導光板。
- 請求項１または２記載の直下型バックライト用導光板を備える直下型バックライト。
- 反射板および光半導体装置をさらに備える請求項３記載の直下型バックライト。
- 反射板に開口部が設けられ、該開口部に光半導体装置が設置されている請求項４記載の直下型バックライト。
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