JP2007234975A - Ｌｅｄ光源モジュール、エッジ入力型バックライトおよび液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤアレイモジュールを用いたときのＬＥＤチップからの光取りだし効率を向上させ、明るいＬＥＤアレイモジュールを光源として用いた液晶表示装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ光源モジュール（ＬＯＭ１）において、ｐ型半導体（６９１）とｎ型半導体（６９２）で挟まれる発光層（６９３）の発光面がモジュール基板（６２２）の取付け面（ＰＢ）に垂直に取り付けられ、封止樹脂（６２４）はその台形状断面形状の上底部（ＰＢ）でモジュール基板（６２２）の取付け面（ＰＢ）に接してＬＥＤチップ（６２１）をモジュール基板（６２２）に封止し、封止樹脂（６２２）の両側面（ＰＳ）には反射フィルム（６３０）が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置、特に液晶パネルをその背面から照明するバックライトに関する。

薄型軽量で画像表示が可能な液晶表示装置は、製造技術の進展による価格低減や高画質化技術開発によって急速に普及し、パーソナルコンピュータやＴＶ受像機などのモニターとしての用途に広く用いられている。液晶表示装置としては、透過型液晶表示装置が一般的に用いられている。透過型液晶表示装置は、バックライトと呼ばれる面状光源を備え、同光源から発せられる照明光を液晶パネルによって空間変調して画像を形成して表示する。バックライトとしては、ほぼ線状光源である冷陰極管を用いて、薄板状の導光板の側面より入射する方式のものが良く用いられている。

図５を参照して、冷陰極線管を用いたバックライトについて説明する。図５（ａ）は、バックライトＢＬｃ１を出射面側から見た状態を示している。そして、図５（ｂ）は、図５（ａ）における直線Ｖｂ−Ｖｂに関するバックライトＢＬｃ１の断面を示している。図５（ａ）に示すように、バックライトＢＬｃは、導光板１１０および冷陰極線管１２０を含む。

図５（ｂ）に示すように、冷陰極線管１２０は、概ねコの字状の断面を有するリフレクタ１３０にて覆われている。なお、リフレクタ１３０の開放端は、導光板１１０の一端に接続されている。なお、図５（ａ）には、視認性の都合上、リフレクタ１３０は表示されていない。

冷陰極線管１２０から照射された光は、導光板１１０の入射面１１１から導光板１１０の内部に入射する。そして、光は、導光板１１０の対向する主面間で全反射を繰り返しながら伝播する。出射面１１２の対向面となる反射面１１３の表面には、伝播する光の一部を出射させるように、特定の密度分布、大きさの拡散反射層あるいは反射用凹凸が形成されている。

拡散反射層あるいは反射用凹凸を形成する密度分布、および大きさの分布などを適度に設定することにより、液晶パネルの全面にわたってほぼ一様な照明をすることが可能になる。導光板１１０の反射面１１３の側に、反射シート１４０を設けることにより、反射面１１３から導光板１１０の外部に漏れる一部の光を導光板１１０の方に反射して光の損失を防止する。

また、バックライトＢＬｃ１から出射する光の指向性を制御して所望の配光特性で液晶パネルを照明するために、一般的に、導光板１１０の出射面１１２の側に拡散フィルムやプリズムシートなどの光学フィルム１５０が設置される。なお、冷陰極線管１２０を囲み導光板１１０の入射面１１１に向かって開口するリフレクタ１３０が設けられる。これにより、冷陰極線管の発光する光を余すところなく導光板に導くことができる。

さらに、最近、発光効率の高い発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と称す）が開発され、これを液晶バックライト用の光源に用いることが提案されている。点光源であるＬＥＤから、バックライトとして使用可能な面状の発光をえるための方法としては、多数のＬＥＤを導光板の端面に配置して直接光を入力する方法が一般的である。

図６に、上述の多数のＬＥＤを導光板の端面に配置されて構成される、サイドエミッタ型と呼ばれるＬＥＤ発光素子を用いたバックライトについて説明する。なお、図６（ａ）は光源部を中心とした要部の部分断面を示し、図６（ｂ）は光源部を導光板の入射面から観察した状態を示している。なお、図６（ｂ）では透明な封止樹脂部を割愛して表示している。図６（ｃ）は、光源部から導光板の入射面を観察した状態を示している。

素子基板２２２上にＬＥＤチップ２２１がボンディングされ、その周囲に設けられた反射部材２２３と共に透明な封止樹脂２２４で封止されている。そして、接続電極２２５が設けられてサイドエミッタ型のＬＥＤ光源素子２２０が構成される。このように構成された複数のＬＥＤ光源素子２２０がフレキシブル基板２７０上に配列されて接続されて高原部Ｐｏｃと成る。光源部Ｐｏｃを複数のサイドエミッタ型のＬＥＤ素子２２０の開口部それぞれが導光板２１０の入射面と近接して対向するように、フレーム２６０上に固定される。このように構成することにより、光源部を導光板と対向する所定の位置に安定に保持して出射した光を導光板に導くことができる。

図６（ｃ）に示すように、ＬＥＤチップ２２１から出射された光束は拡散しながら導光板２１０の入射面２１１上を円形状に照明する。同図において、入射面２１１上に示される円形は、ＬＥＤチップ２２１から出射された光束が導光板２１０への入射する光束の断面形状を表している。この意味において、光束によって導光板の入射面上に描かれるこの円形を照射痕Ｃと呼ぶものとする。そして、図６（ｃ）に示される円形を照射痕Ｃ１と呼ぶものとする。

図７を参照して、上述の複数のＬＥＤにより面状の発光をえるバックライトについて説明する。図７（ａ）は光源部を中心とした要部の部分断面を示し、図７（ｂ）は光源部を導光板の入射面から観察した状態を示している。図７（ｃ）は、光源部から導光板の入射面を観察した状態を示している。

ＬＥＤ素子５２０は、素子基板５２２とＬＥＤチップ５２１と集光レンズ５２４を含む。ＬＥＤ素子５２０は、配線基板５７０の上に、直線状に多数配置される。反射部材５２３は断面がコの字状で、集光レンズ５２４が挿入できるだけの穴がＬＥＤ素子５２０の数だけ開いている。多数直線状に並んだＬＥＤ素子５２０と対向するように導光板５１０が配置される。このように構成することで、ＬＥＤ素子５２０からの光を導光板５１０に導くことができる。

図７（ｃ）に示すように、ＬＥＤチップ５２１から出射された光束は導光板５１０の入射面５１１上に照射痕Ｃ２を形成する。

図８に、複数のＬＥＤチップを１つの基板上に直線状に配列して封止したＬＥＤアレイモジュールを用いるバックライト（例えば、特許文献１）について説明する。図８（ａ）は光源部を中心とした要部の部分断面を示し、図８（ｂ）は光源部を導光板の入射面５１１から観察した状態を示している。図８（ｃ）は、光源部から導光板の入射面を観察した状態を示している。

ＬＥＤアレイモジュール３２０は、複数のＬＥＤチップ３２１をアレイモジュール基板３２２上に直線状に配列して透明な封止樹脂３２４されて構成されている。このようなアレイモジュールは１つの大きな基板上にマトリクス状にＬＥＤチップを配置して封止した後にこれを切断することによって効率よく作成できる。また、モジュール基板として配線基板を用いることによりモジュール内の複数のＬＥＤチップを内部で接続することが可能になり接続点数が削減できる効果もある。

このように作成されたＬＥＤアレイモジュール３２０は、樹脂封止部３２３の断面が矩形状となり、モジュール基板３２２と対向する面のみならず隣接する側面部からも光が出射可能な光出射部を有する。さらに、ＬＥＤアレイモジュール３２０の側面部に反射フィルム３２２を設けることにより、ＬＥＤアレイモジュール３２０の側面部から導光板３１０の入射面３１１以外の部分から光が漏れることを防止して光を有効利用できる。
図８（ｃ）に示すように、ＬＥＤチップ３２１から出射された光束は導光板３１０の入射面３１１上に照射痕Ｃ３を形成する。

このようにＬＥＤアレイモジュールを用いると、ＬＥＤチップを個々に封止したＬＥＤ光源素子を用いる場合に比べ、製造コストを低減でき、配線を簡略化できる等大きな効果が期待できる。
特開２００４−２３５１３９号公報

バックライトにおいて必要な明るさを確保するためには、使用するＬＥＤチップの数量を増やしたり、構成するＬＥＤチップの出力を大きくしたりすることが考えられる。しかしながら、ＬＥＤチップの増加や出力の増大は、とバックライトとしての消費電力が増え、発熱量も増える。結果、バックライトの製造コストおよびランニングコストの増大と共に、バックライト特にＬＥＤチップ周りの高温化が必至である。ＬＥＤチップは一般的に高温となると発光効率が低下するので、折角コストを犠牲にしてＬＥＤチップを増やしても、バックライトに必要な明るさを確保できない。

このように、ＬＥＤチップの数を増やしても、バックライトに所望な明るさを確保できるとは限らず、かり所望の明るさをえられたとしても製造コスト、ランニングコスト、および発熱等の製造上および使用上の問題を有する。それ故に、ＬＥＤチップから効率よく光を取り出す技術が求められている。ＬＥＤチップから効率よく光りを取り出すことができれば、バックライトの明るさを向上でき、消費電力を抑え、ＬＥＤチップ自身の温度を低く保てる。結果、ＬＥＤチップの発光効率の低下を抑えてバックライトの明るさ向上できる。

ＬＥＤチップの発光層からは四方八方に均一に光線が発散される。それゆえに、ＬＥＤチップを配線基板や保持具に保持すれば、ＬＥＤチップから配線基板上面方向への光は有効に利用できるが、ＬＥＤチップから配線基板へ向かう光は配線基板で吸収されて有効利用できない。

光の有効利用の観点から、ＬＥＤ光源モジュールにおいてＬＥＤチップの前方に軸対称の集光レンズを配置することも考えられる。この場合、ＬＥＤチップからの光の配光特性は軸対称であることが好ましいが、そのためにはＬＥＤチップの配置の位置や方法などに要求が生じる。そして、このような要求がバックライトに対する製造上の制限となり光の利用効率の改善を困難にしている。

本発明は、上述の問題に鑑みて、ＬＥＤアレイモジュールを用いたときのＬＥＤチップからの光取りだし効率を向上させ、明るいＬＥＤアレイモジュールを光源として用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明にかかるＬＥＤアレイモジュールは、
ＬＥＤチップ（６２１）と、
前記ＬＥＤチップ（６２１）を実装するモジュール基板（６２２）と、
台形状断面形状を有して、上底部（ＰＢ）で当該モジュール基板（６２２）に接して前記ＬＥＤチップ（６２１）を当該モジュール基板（６２２）の取付け面（ＰＢ）上に封止する封止樹脂（６２４）と、
前記封止樹脂（６２２）の両側面（ＰＳ）に設けられた反射フィルム（６３０）とを備え、
前記ＬＥＤチップ（６２１）のｐ型半導体（６９１）とｎ型半導体（６９２）で挟まれる発光層（６９３）の発光面が、前記取付面（ＰＢ）に対して垂直であることを特徴とする。

本発明のＬＥＤ光源モジュールは、ＬＥＤチップの発光層の片面のみならず両面からの光を有効に利用することができ、明るいＬＥＤ光源モジュールを実現できる。

本発明の実施の形態について詳述する前に、本発明にかかるＬＥＤ光源モジュールの特徴について説明する。上述のように、従来からＬＥＤ光源モジュールの光の利用効率改善のためにＬＥＤチップの前方に軸対称の集光レンズを配置するためには、ＬＥＤチップからの配光特性は軸対称であることが好ましいと広く認識されていた。そのために、従来はＬＥＤ光源モジュールの改良が困難とされていた。

しかしながら、本発明の発明者は実験により、ＬＥＤアレイモジュールを用いる構成では、ＬＥＤチップからの光の配光特性は軸対称である必要はなく、ＬＥＤアレイモジュールの光取り出し部の開口に対して、上下、もしくは左右対称であれば充分であるという事実を確認した。よって、この実実の基づいて、本発明にかかるＬＥＤ光源モジュールは以下に述べる実施の形態を例として提案されるものである。

（第１の実施の形態）
図１、および図２を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるＬＥＤ光源モジュールについて説明する。なお、図１にＬＥＤ光源モジュールの構成を示すＬＥＤチップを中心とする要部の断面を示し、図２にＬＥＤチップ位置を表すＬＥＤ光源モジュールの透過斜視図を示し、図３に図２と同様であるが複数のＬＥＤチップの位置を表すＬＥＤ光源モジュールの透過斜視図を示している。

図１に示すように、ＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ１は、概ね三角柱状のモジュール基板６２２の底面ＰＢ（図１においては、底面が上向きに載置されて状態が示されている）の上に、ＬＥＤチップ６２１がモジュール基板６２２の２つの斜辺ＰＬの一方側に変位して設けられている。

ＬＥＤチップ６２１は、サファイア基板６９４、ｎ型半導体６９２、ｎ電極６９６、発光層６９３、ｐ型半導体６９１、およびｐ電極６９５を含む。つまり、ｎ型半導体６９２およびｎ型半導体６９２は、サファイア基板６９４およびｎ型半導体６９２の上でそれぞれ成長させた後に、ｎ電極６９６およびｐ電極６９５が設けられる。

上述の如く構成されたＬＥＤチップ６２１は、サファイア基板６９４、発光層６９３、ｎ型半導体６９２、およびｐ電極６９５の各境界線が、モジュール基板６２２の底面ＰＢに対して概ね垂直に且つ底面ＰＢの中心よりモジュール基板６２２の２つの斜辺の一方に所定量だけシフトして設けられる。本例においては、発光層６９３がモジュール基板６２２の底面ＰＢをその長手方向に垂直な幅をおおよそ２分する中心面ＰＣ上に位置するようにＬＥＤチップ６２１は配置される。ｐ電極６９５ｎおよび電極６９６は、ワイヤ６９７によって、底面ＰＢに接続されて、ＬＥＤチップ６２１は電気的にモジュール基板６２２に電気的に接続されている。なお、底面ＰＢをＬＥＤチップ取付け面とも呼ぶ。

この状態で、ＬＥＤチップ６２１の周囲に、モジュール基板６２２の両斜辺の延長線に沿って封止樹脂６２４が充填されて断面形状の封止部が形成される。封止樹脂６２４によって形成されるこの封止部を必要に応じて、封止部６２４と呼ぶものとする。封止樹脂６２４の底面を照射面ＰＥと呼ぶ。封止樹脂６２４の両斜面ＰＳには、反射フィルム６３０が配置されている。

図２に、ＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ１を、その封止樹脂６２４の底面部を上にして斜め情報から見た様子を示す。上述のようにモジュール基板６２２の底面ＰＢ上に、中心面ＰＣに対して変位した位置に設けられているのが見て取れる。ＬＥＤチップ６２１の発光層６９３では光は指向性を持たずに発光するが、ｎ型半導体６９２およびｐ電極６９５の屈折率と封止樹脂６２４の屈折率の差が大きいため、ＬＥＤチップ６２１から出射される光の強度は発光層６９３の面に対する法線方向に強くなる。発光層６９３の面に対する法線方向に射出された光線は、封止樹脂６２４の側面に配置された反射フィルム６３０によって反射されて、封止樹脂６２４の照射面ＰＥから射出する。

発光層６９３の反対の面から反対方向の法線方向に射出した光は、封止樹脂６２４の反対のもう一方の斜面ＰＳに配置された反射シート６３０によって反射されて封止樹脂６２４の照射面ＰＥから射出する。なお、封止樹脂６２４の台形の形状は好ましくは台形の斜面ＰＳの傾斜角は４５度である。

このように、ＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ１においては、ＬＥＤチップ６２１の発光層６９３の両面から射出される光を一方向（照射面ＰＥ）から取り出すことができる。つまり、本発明においては、発光層６９３の両面からそれぞれ射出される光は反射フィルム６３０によって反射されて、２つの光束として照射面ＰＥから取り出される。よって、従来のＬＥＤチップの発光層の片面からの光しか有効に利用できないのに比較して明るい照明がえられる。

（第２の実施の形態）
図３を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるＬＥＤ光源モジュールについて説明する。同図に示すように、本実施の形態にかかるＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ２は、モジュール基板６２２の上に、複数（本例では３つ）のＬＥＤチップ６２１が設けられている点を除いて、図２に示したＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ１と同様に構成されている。なお、複数のＬＥＤチップ６２１はそれぞれ発光層６９３が中心面ＰＣ上にあるように設けられていることは言うまでもない。このように、１つのＬＥＤ光源モジュールに複数のＬＥＤチップを実装することでより均一度の高い照明効果をえることができる。

（第３の実施の形態）
図４を参照して、上述のＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ１あるいはＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ２を用いて構成されるエッジ入力型バックライトＢＬＥについて説明する。なお、ＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ１およびＬＯＭ２をＬＥＤ光源モジュールＬＯＭと総称する。
図４（ａ）は、ＬＥＤ光源モジュールＬＯＭおよびその近傍を含むエッジ入力型バックライトＢＬＥの要部断面を示している。エッジ入力型バックライトＢＬＥは、反射シート６４０と光学シート６５０によって両面が覆われた導光板６１０の入射面６１１に、照射面ＰＥが対向するようにＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ１あるいはＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ２が配置されて構成される。

図４（ｂ）は、ＬＥＤ光源モジュールＬＯＭからエッジ入力型バックライトＢＬＥの導光板６１０の入射面６１１を観察した状態を示している。上述のように、１つのＬＥＤチップ６２１から出射された光束は、２つの光束として照射面ＰＥから導光板６１０の入射面６１１に対して照射される。図４（ｂ）において、示される２つの照射痕Ｃはそれぞれ、１つのＬＥＤチップ６２１から照射された光束が入射面６１１に照射／入射していることを示している。

なお、図４（ｂ）においては、１つのＬＥＤチップ６２１の発光層６９３の二つの発光面のそれぞれから出射された光束による入射面６１１上に結ばれる２つの照射痕Ｃが示されている。なお、同図においては、ＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ１が用いられるエッジ入力型バックライトＢＬＥの場合（２つの照射痕Ｃ）が示されている。ＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ２が用いられる場合には、入射面６１１の表面には、使用されるＬＥＤチップ６２１のそれぞれに対して２つの照射痕Ｃが観察されることは言うまでもない。また、照射痕Ｃの大きさや位置はＬＥＤ光源モジュールＬＯＭ１やＬＯＭ２が用いられるエッジ入力型バックライトＢＬＥで、より均質かつ光効率が良くなるように設定されるが、基本的には２つの照射痕Ｃが入射面６１１の輪郭内に重複することなる収まる最大径であることが望ましい。

本発明は、液晶テレビや特に小型、軽量が要求されるノート型パーソナルコンピュータなどの映像表部等に有用である。

本発明の第１の実施の形態にかかるＬＥＤ光源モジュールの構成を示す断面図 図１のＬＥＤ光源モジュールを斜め上方見た透過斜視図 本発明の第１の実施の形態にかかるＬＥＤ光源モジュールを斜め上方見た透過斜視図 本発明の第３の実施の形態にエッジ入力型バックライトＢＬＥの構成の説明図 従来の冷陰極線管を用いたエッジ入力型バックライトの説明図 サイドエミッタ型ＬＥＤ光源素子を用いた従来のエッジ入力型バックライトの説明図 高出力型ＬＥＤ光源素子を用いた従来のエッジ入力型バックライトの説明図 ＬＥＤアレイモジュールを用いた従来のエッジ入力型バックライトの説明図

符号の説明

１１０、２１０、３１０、５１０、６１０ 導光板
１１１、２１１、３１１、５１１、６１１ 入射面
１１２ 出射面
１１３ 反射面
１２０ 冷陰極線管
１３０ リフレクタ
１４０、３４０、６４０ 反射シート
１５０、６５０ 光学フィルム
２２０、５２０、 ＬＥＤ素子
２２１、３２１、５２１、６２１ ＬＥＤチップ
２２２、５２２ 素子基板
２２３、５２３ 反射部材
２２４、３２４、６２４ 封止樹脂
２２５ 接続電極
２６０ フレーム
２７０ フレキシブル基板
３２０ ＬＥＤアレイモジュール
３２２ モジュール基板
５７０ 配線基板
６３０ 反射フィルム
６９１ ｐ型半導体
６９２ ｎ型半導体
６９３ 発光層
６９４ サファイア基板
６９５ ｐ電極
６９６ ｎ電極
６９７ ワイヤ
６２２ モジュール基板

Claims (7)

1. ＬＥＤチップと、
   前記ＬＥＤチップを実装するモジュール基板と、
   台形状断面形状を有して、上底部で当該モジュール基板に接して前記ＬＥＤチップを当該モジュール基板の取付け面上に封止する封止樹脂と、
   前記封止樹脂の両側面に設けられた反射フィルムとを備え、
   前記ＬＥＤチップのｐ型半導体とｎ型半導体で挟まれる発光層の発光面が、前記取付け面に対して垂直であることを特徴とするＬＥＤ光源モジュール。
2. 請求項１に記載のＬＥＤ光源モジュールを備えたことを特徴とするエッジ入力型バックライト。
3. 請求項２に記載のエッジ入力型バックライトを備えたことを特徴とする液晶表示装置。
4. 前記発光層は、前記取付け面を長手方向に垂直な方向に概ね２分する垂直平面上に位置することを特徴とする請求項１、請求項２、および請求項３の何れかに記載のＬＥＤ光源モジュール。
5. 前記エッジ入力型バックライトは前記ＬＥＤ光源モジュールから発せられた光を受ける導光板を備え、当該導光板の入射面には当該ＬＥＤ光源モジュールの発光層から出射された光束の２つの照射痕が結ばれることを特徴とする請求項２に記載のエッジ入力型バックライト。
6. 前記２つの照射痕のそれぞれは、前記発光層の２つの発光面のそれぞれから出射されて光束により形成されることを特徴とする請求項５に記載のエッジ入力型バックライト。
7. 前記２つの照射痕のそれぞれは、前記発光層の２つの発光面のそれぞれから出射されて光束がさらに前記２つの反射フィルムのそれぞれによって反射されて形成されることを特徴とする請求項６に記載のエッジ入力型バックライト。

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