JP4643411B2 - バックライト及び液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、バックライト及び液晶表示装置に関し、より詳細には、発光角度を拡張させたバックライト及びこれを搭載する液晶表示装置に関する。

液晶パネルは、テレビ、カーナビゲーション、パソコン、携帯電話を始め様々な機器に搭載されており、さらなる普及を目指すには、大画面化や高精細化を進めるとともに、製造コストを下げることが重要である。
液晶表示装置のほとんどは、液晶表示ユニットの背面に設けたバックライトユニットから照射された光を受けて、液晶表示ユニットの画面に画像を表示させている（例えば、特許文献１）。

このバックライトユニットの光源として、従来の冷陰極管の代わりにＬＥＤ素子（Light Emitting Diode）を搭載したＬＥＤ素子ユニットを用いると、消費電力が低下し、製品寿命が長くすることができる。さらには水銀を含まない材料であるため環境に優しい等の利点が挙げられる。

しかし、点発光のＬＥＤ素子を所定の間隔で一列に配置させると、ＬＥＤ素子間には発光度の低い領域や発光方向に筋状線等の輝度ムラが生じやすく、光効率が低下することが考えられる。

これに対して、ＬＥＤ素子ユニットからの光を均一化させる方法についてみると、例えば、ＬＥＤ素子ユニット発光面の対面に、グレーティング等のパターニングを形成した光導光板を有するバックライトが開示されている（例えば、特許文献２）。
特開２００１−２８１６５４号公報 特開２００４−１１１３８３号公報

本発明は、ＬＥＤ素子ユニットと導光板側面との間に中間層を設けることにより、輝度ムラのないバックライト及びこれを備えた液晶表示装置を提供する。

本発明の一態様によれば、光源と、導光板と、前記光源及び前記導光板とそれぞれ密着して前記光源と前記導光板との間に設けられた中間層と、を備え、前記光源は、発光ダイオードと、前記発光ダイオードを封止し光を外部に放出する光放出面を有する封止樹脂と、を有し、前記中間層は、前記封止樹脂の前記光放出面に密着してなり、前記導光体の屈折率以下、前記封止樹脂の屈折率以上の屈折率を有する材料により形成されてなることを特徴とするバックライトユニットが提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、
上記のバックライトユニットと、
前記導光板から放射された光の透過量を制御して画像を表示する液晶表示ユニットと、
を備えたことを特徴とする液晶表示装置が提供される。

本発明によれば、ＬＥＤ素子ユニットと導光板側面との間に中間層を設けることにより、輝度ムラのないバックライト及びそれを備えた液晶表示装置を提供することができ、産業上のメリットは多大である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るバックライトを例示する（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。
図１（ａ）に表したように、本実施形態のバックライトユニット１は、発光ユニット１０と、中間層１５と、導光板２０と、反射シート２５と、光量調整シート２３と、を備えている。中間層１５は、樹脂などからなり、発光ユニット１０の発光面と導光板２０の側面との間に挟持されている。導光板２０は、例えば、ポリメチルメタクリレート（PMMA:Polymethyl Methacrylate）などの樹脂や、シリカガラスなどにより形成することができる。また、導光板２０の発光面の主面上には光量調整シート２３が設けられ、この反対の背面側には、中間層１５から離れるに伴い板厚が薄くなるように傾斜面が設けられ、この傾斜面上には反射シート２５が設けられている。

発光ユニット１０は、例えば、実装基板７の上に複数のＳＭＤ（surface mounting device）素子５を所定の間隔で一列に配列させた構造を有する。ここで、発光ユニット１０に設けるＳＭＤ素子５の数は、必要総光束（ルーメン）をＬＥＤ素子１個あたりの光束で除して算出した整数である。例えば、対角サイズが８インチの液晶表示装置の場合、必要総光束はおよそ１５０ルーメンである。従って、ＳＭＤ素子１個当たりの光束が例えば、１２．５ルーメンの場合、発光ユニット１０に用いるＳＭＤ素子５の個数は１２個となる。仮に、製造コストを抑えるためにＬＥＤ素子の数量を減らすと、必要総光束が低下して暗領域１８が拡大され画像の輝度ムラが著しくなる場合がある。

図２は、ＳＭＤ素子５の構造を例示する断面図である。
本具体例のＳＭＤ素子５は、一対のリード５１Ａ及び５１Ｂを有しており、リード５１Ａの上にＬＥＤ素子５３が導電性銀ペースト（図示せず）などで接着されている。ＬＥＤ素子５３の上に設けられた電極５４は、ボンディングワイア５７により他方のリード５１Ｂに接続されている。リード５１Ａ及び５１Ｂは高熱伝導樹脂５２により固定されており、さらに高反射樹脂５５が設けられ光反射板を形成する。ＬＥＤ素子５３はボンディングワイア５７を接続した後、封止樹脂５８により封止される。ＬＥＤ素子５３から放出された光３は、封止樹脂５８を透過して略円形の光放出面から外部に放出される。

ＳＭＤ素子５のサイズは、例えば、縦横がそれぞれ３．６ミリメータ、高さが０．８ミリメータ程度であり、また、高反射樹脂５５に形成されている光放出部の開口は直径２．６ミリメータ程度とすることができる。

また、例えば、ＬＥＤ素子５３から放出される光を吸収して波長変換する蛍光体を封止樹脂５８に分散させることにより、白色をはじめとする各種の発光色が可能となる。具体的には、ＬＥＤ素子５３として、紫外線を放出するものを用い、また、この紫外線を吸収して、赤（Ｒ）色光と、緑（Ｇ）色光と、青（Ｂ）色光と、をそれぞれ放出する蛍光体を封止樹脂５８に分散させることにより、ＲＧＢの混合色として白色光が得られる。また、ＬＥＤ素子５３として、青色光を放出するものを用い、この青色光を吸収して黄色光を放出する蛍光体を封止樹脂５８に分散させることにより、青色光と黄色光との混合色として白色光が得られる。

ＳＭＤ素子５から放射された光３は、樹脂などからなる中間層１５を介して導光板２０側面から導光板２０の内部に入射し、導光板２０の斜面及び反射シート２５に導かれ、入射角に対して略直角方向に反射されて導光板２０の発光面に向けて放射される。導光板２０の発光面から放出された光は、光量調整シート２３を介して、図示しない液晶表示ユニットに入射する。ここで、光量調整シート２３は、例えば複数のシートからなり、光量を面内で均一化させることができる。

本実施形態によれば、図１に表したように、ＳＭＤ素子５と導光板２０の側面との間に中間層１５を挟持させることで、光の配光特性を改善し、導光板２０の有効発光面２２の範囲内において暗領域１８などの輝度ムラの発生を抑制できる。ここで、「有効発光面」とは、所望の画像を表示させるために必要とされる均斉度の高い照明領域をいう。

図３は、本実施形態のバックライトユニットを搭載した液晶表示装置の要部構造を例示する模式図である。
この液晶表示装置５０は、バックライトユニット１と液晶表示ユニット４８と、を備える。なお、図２においては、バックライトユニット１と液晶表示ユニット４８とを離した状態を表したが、実際の液晶表示装置においては、これらユニットは、ほぼ密着した状態とされる。

バックライトユニット１は、図１に関して前述した構造を有する。またここで、光量調整シート２３としては、例えば、光拡散フィルム３２と、プリズムシート３４と、輝度向上フィルム３６と、が順に積層されたものを用いることができる。

一方、液晶表示ユニット４８には、バックライトユニット１から照射される光を受光する第１偏光板３８と、液晶セル４０と、位相差板４２と、第２偏光板４４と、つや消しとして作用するアンチグレアフィルム４６と、がこの順で設けられた構造を有する。

液晶セル４０は、液晶層が駆動電極基板と対向電極基板との間に挟持された構造を有する。駆動電極基板と対向電極基板は、それぞれガラスなどの透光性材料からなる基板を用いて形成される。

ＬＥＤ素子ユニット１０から放射された光は、導光板２０の側面から入射し、導光板２０の背面側に設けられた傾斜面及び反射シート２５で反射され、光拡散フィルム３２と、プリズムシート３４と、輝度向上フィルム３６と、を順番に透過し、光量が均一化される。しかる後に、第１偏光板３８に入射した光は、液晶セル４０、位相差板４２、第２偏光板４４、アンチグレアフィルム４６を順番に介して透過量が制御され、所定の画像４９を表示する。

図４は、本実施形態のバックライトユニットに設けられる中間層１５の作用を説明するための模式図である。

また、図５は、比較例として中間層１５の代わりに空気層１７を設けた場合の光路を例示する模式図である。
図４に表したように、本実施形態においては、発光ユニットに設けられたＳＭＤ素子５と導光板２０の側面との間に樹脂などからなる中間層１５が挟持されている。ＳＭＤ素子５の封止樹脂５８を介して導光板２０の側面部へ光が入射する場合、中間層１５と導光板２０との界面での光路は、次式（１）に従う。

ｓｉｎθｔ／ｓｉｎθｉ ＝ ｎ_１／ｎ_２ （１）

ここで、θｉは入射角、θｔは反射角、ｎ_１は入射側の屈折率、ｎ_２は反射角側の屈折率である。

本実施形態によれば、ＳＭＤ素子５と導光板２０との間に、空気層が介在しないように樹脂などからなる中間層１５を挿入する。このようにすると、導光板２０に広い角度で光を導入できる。

すなわち、図５に表したように、ＳＭＤ素子５と導光板２０との間に空気層（屈折率ｎ＝１）が設けられている場合、ＳＭＤ素子５から放出された光は、空気層１７から導光板２０に入射する時に屈折する。導光板２０の屈折率は例えば１．５程度であるため、空気層１７から導光板２０に入射した光は、図示した如くその広がり角度が狭くなる。つまり、幅広い配光特性を持つＳＭＤ素子５を用いても、導光板２０に入射した光の配光特性は狭くなってしまう。

なお、ＳＭＤ素子５と導光板２０とを常に密着させることは、製造上の観点からは容易ではない。ＳＭＤ素子５の厚みのばらつきや、実装基板にマウントした後の高さのばらつきなどにより、ＳＭＤ素子５と導光板２０との間に隙間すなわち空気層が生ずることも多いと考えられる。

これに対して、本実施形態においては、ＳＭＤ素子５と導光板２０との間に樹脂などからなる中間層１５を挿入する。すると、中間層１５から導光板２０に光が入射する際の屈折を抑制でき、光の広がり角度が狭くなることを防止できる。つまり、図４に表したように、導光板２０に対してより幅広い角度の光を導入できる。その結果として、導光板２０の内部における光の分布を均一化でき、隣接するＳＭＤ素子５の間に形成される暗領域１８を小さくすることができる。

中間層１５の材料としては、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などを用いることができる。

また、中間層１５の材料として弾力性のある樹脂あるいは硬度の低い樹脂などを用い、中間層１５を挟んで発光ユニット１０と導光板２０とを押しつければ、ＳＭＤ素子５の厚みや高さなどのばらつきを吸収し、空気層が介在することを容易に防止できる。つまり、図４に関して前述した効果を確実に得ることができる。このような中間層１５の材料としては、例えば、ゴム状のシリコーン樹脂を挙げることができる。なお、シリコーン樹脂などの各種の樹脂において、屈折率と硬さとを独立に制御することは可能である。

また、中間層１５の屈折率は、ＳＭＤ素子５の封止樹脂５８の屈折率と導光板２０の屈折率との間に設定することが望ましい。このようにすると、導光板２０に広角の光を導入することができ、ＳＭＤ素子５同士の間において光量が低下する現象を抑制できる。 例えば、封止樹脂５８の屈折率を１．４１、導光板２０の屈折率を１．５１、とした場合には、中間層１５の屈折率を１．４１〜１．５１の間にするとよい。このようにすると、ＳＭＤ素子５から放出される光の広がり角度の低下を抑制しつつ、導光板２０に入射させることができる。

また、ＳＭＤ素子５と中間層１５との間や、中間層１５と導光板２０との間にマッチングオイル等の光学グリースを塗布すると、空気層の形成を防止できる。

図６は、本実施形態に係るバックライトユニットの比較例を表す（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。これらの図面については、図１乃至図５に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本比較例においては、発光ユニット１０と導光板２０との間には空気層１７が形成されている。

本比較例の場合、空気層１７と導光板２０との屈折率の差異が寄与して、導光板２０に入射する際に、光の広がり角が狭化する。

図７は、光が空気（屈折率ｎ＝１）から導光板２０（屈折率ｎ＝１．５）に入射する場合の屈折角を例示するグラフ図である。
空気層１７の屈折率（ｎ１）を１．０とし、導光板２０の屈折率を１．５とした場合、ＳＭＤ素子５から４５度の角度で空気層１７に入射すると、導光板には反射角が２８度で進行し、約３０％程度、狭窄される。そのため、導光板２０の発光ユニット１０側には、大きな暗領域１８が発生する。

この暗領域１８を回避するためには、有効発光面２２をＬＥＤ素子ユニット１０の光軸方向に距離ΔＬだけ短くせざるを得ず、有効発光面２２が縮小する。有効発光面２２を拡張するためには、ＳＭＤ素子５の数を増やす必要があるが、この対策では製造コストが増加する。

また、暗領域１８が大きいということは、有効発光面２２として利用されない部分が多いことを意味する。つまり、画像表示領域の周囲に形成される額縁領域が拡大することになり、小型化や軽量化あるいはデザイン上の観点から望ましくない。

図８は、本実施形態において用いることができるＳＭＤ素子５の光学特性を例示するグラフ図である。ここで、横軸は光の放射角度（°）であり、縦軸は相対光度（a.u.）である。

本実施形態においては、このように幅広い配光特性を有するＳＭＤ素子５を用いた場合に、導光板２０においてその配光特性の狭化を防ぐことができる。
次に、本実施形態にかかるバックライトユニットの他の具体例について説明する。

図９は、本実施形態に係るバックライトの第２の具体例を表す（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。図９についても、図１乃至図８に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本具体例においては、中間層１５として、導光板２０の屈折率よりも高い屈折率を有する材料を用いる。これにより、ＳＭＤ素子５から放射された光は、高屈折率の中間層１４を介して導光板２０に入射すると、広がり角度が増大する。そのため、ＬＥＤ素子ユニット１０の光軸方向に沿って有効発光面２２が距離ΔＭだけ長くなり、有効発光面２２の均斉度が高まるので、ＳＭＤ素子５の個数を減少させることが可能となる。ここで、中間層１４の材料としては、例えば高屈折率シリコーン樹脂や高屈折率エポキシ樹脂や高屈折率アクリル樹脂などの屈折率の高い材料を用いるとよい。

図１０は、本実施形態に係るバックライトの第３の具体例を表す（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。
本具体例においては、中間層１５には、光を散乱させる散乱体が分散されている。散乱体を含有させた中間層１５を用いることにより、ＳＭＤ素子５から放出された光が中間層１５の内部で拡散して広がり、導光板２０に入射する。つまり、導光板２０に対してより広い配光特性を有する光を導入することができる。その結果として、隣接するＳＭＤ素子５の間に形成される暗領域１８をさらに縮小させることができる。つまり、ＳＭＤ素子５の光軸方向にみて有効発光面２２が拡大し、ＳＭＤ素子５の個数を減少させることができる。

本具体例における散乱体としては、例えば、チタニア（ＴｉＯ_２）やシリカ（ＳｉＯ_２）などの粉末を挙げることができる。

次に、本実施形態に係るバックライトユニットの実施例と比較例について説明する。
（実施例）
図１１は、本実施形態にかかるバックライトの実施例を表す（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。
また、表１は、本実施例のバックライトユニットの解析領域Ｃについて輝度分布をシミュレーションした結果を表す一覧表である。
また、図１２は、この輝度分布を模式的に表すグラフ図である。


本具体例のバックライトユニットは、ＳＭＤ素子５と導光板２０との間にシリコーン樹脂からなる中間層１５（屈折率１．４５、透過波長５７８ナノメータ）を挟持した構造を有する。

また、本実施例の詳細な条件は、以下の通りである。
ＳＭＤ素子５は、光射出領域の直径が２．６ミリメートルで、長さ３．６ミリメートル×幅３．６ミリメートル×厚み０．８ミリメートルの外寸を有する白色発光型の素子である。また、その封止樹脂５８の屈折率は１．４１、透過波長は５７８ナノメートルである。

この１２個のＳＭＤ素子５を１４．６ミリメータ間隔で実装基板上に一列に載置し、発光ユニット１０を形成した。また、発光ユニット１０と導光板２０との間隔は０．５ミリメータとし、その間に隙間が生じないように中間層１５を挿入した。

導光板２０の発光面の主面上には光拡散フィルム３２と、プリズムシート３４と、輝度向上フィルム３６と、がこの順に設けられている。ここで、光拡散フィルム３２は、導光板２０からの光を拡散させ、輝度の均斉度を向上させる役割を有し、輝度向上フィルム３６は、輝度を上昇させる役割を有する。

そして、図１１（ｂ）に表したように、導光板のＬＥＤ素子ユニット側端部のある解析領域Ｃ（ＳＭＤの光軸に対して平行方向に１４．６ミリメートル、垂直方向に１０．０ミリメートル）について、輝度分布をシミュレーションした。ここで、有効発光面２２は、導光板２０端部と距離Ｇ（３．４ミリメータ）との間で囲まれる領域を除いた領域とする。

その結果、表１及び図１２に表したように、本実施例によれば、ＳＭＤ素子５から放出された光の入射角を狭窄させることなく、導光板２０に導入できることが確認できた。また、輝度ムラの原因になる暗領域１８は、導光板２０端部から距離Ｇの範囲に形成されるので、有効発光面２２を減少させることなく、輝度ムラを抑制できることが判明した。

（比較例）
図１３は、本比較例のバックライトを表す（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。
また、表２は、本比較例の解析領域Ｃについて輝度分布をシミュレーションした結果を表す一覧表である。
また、図１４は、この輝度分布を模式的に表したグラフ図である。
本比較例の基本構造及び構成要素は、図１１に関して前述した実施例と同様であるが、本比較例においては、発光ユニット１０と導光板２０との間に空気層１７（屈折率１．０）が挟持されている。


本比較例の場合、表２及び図１４に表したように、空気層１７を介して導光板２０に入射した光は、空気層１７と導光板２０との屈折率の差異により、狭窄されるという解析結果が得られた。そのため、導光板２０の主面のうちで発光ユニット１０の近傍には、暗領域１８が発生し、有効発光面２２が減少することが分かった。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。
しかし、本発明のバックライト及び液晶表示装置は、これら具体例には限定されない。例えば、中間層の種類、ＳＭＤ素子の数量、構成膜の種類、屈折率の組み合わせ等、構成する各要素などについて、当業者が適宜変更したものであっても、本発明の要旨を有する限りにおいて、本発明の範囲に包含される。

本実施形態に係るバックライトを例示する（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。 ＳＭＤ素子５の構造を例示する断面図である。 本実施形態のバックライトユニットを搭載した液晶表示装置の要部構造を例示する模式図である。 本実施形態のバックライトユニットに設けられる中間層１５の作用を説明するための模式図である。 比較例として中間層１５の代わりに空気層１７を設けた場合の光路を例示する模式図である。 本実施形態に係るバックライトユニットの比較例を表す（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。 光が空気（屈折率ｎ＝１）から導光板２０（屈折率ｎ＝１）に入射する場合の屈折角を例示するグラフ図である。 本実施形態において用いることができるＳＭＤ素子５の光学特性を例示するグラフ図である。 本実施形態に係るバックライトの第２の具体例を表す（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。 本実施形態に係るバックライトの第３の具体例を表す（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。 本実施形態にかかるバックライトの実施例を表す（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。 実施例の輝度分布を模式的に表すグラフ図である。 本比較例のバックライトを表す（ａ）断面図と、（ｂ）Ａ−Ａ’線の断面図である。 比較例の輝度分布を模式的に表したグラフ図である。

符号の説明

１ バックライトユニット
５ ＳＭＤ素子
１０ 発光ユニット（ＬＥＤ素子ユニット）
１４ 高屈折率中間層
１５ 中間層
１６ 散乱体含有樹脂層
１７ 空気層
１８ 暗領域
２０ 導光板
２２ 有効発光面
２３ 光量調整シート
２５ 反射シート
３２ 光拡散フィルム
３４ プリズムシート
３６ 輝度向上フィルム
３７ バックライトユニット
３８ 偏光板
４０ 液晶セル
４２ 位相差板
４４ 偏光板
４６ アンチグレアフィルム
４８ 液晶表示ユニット
４９ 画像
５０ 液晶表示装置
５１Ａ、Ｂ リード線
５２ 高熱伝導樹脂
５３ ＬＥＤ素子
５４ 電極
５５ 高反射樹脂
５７ ボンディングワイヤ
５８ 封止樹脂
Ｃ 解析領域

Claims (7)

1. 光源と、
   導光板と、
   前記光源及び前記導光板とそれぞれ密着して前記光源と前記導光板との間に設けられた中間層と、
   を備え、
   前記光源は、
   発光ダイオードと、
   前記発光ダイオードを封止し光を外部に放出する光放出面を有する封止樹脂と、
   を有し、
   前記中間層は、前記封止樹脂の前記光放出面に密着してなり、前記導光体の屈折率以下、前記封止樹脂の屈折率以上の屈折率を有する材料により形成されてなることを特徴とするバックライトユニット。
2. 前記中間層は、樹脂からなることを特徴とする請求項１記載のバックライトユニット。
3. 前記樹脂は、前記光源における前記中間層との密着部よりも低く、且つ前記導光板よりも低い硬度を有することを特徴とする請求項２記載のバックライトユニット。
4. 前記樹脂は、ゴム状弾性を有することを特徴とする請求項２または３に記載のバックライトユニット。
5. 前記中間層は、光を散乱させる散乱体を含有してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のバックライトユニット。
6. 前記光源と前記中間層との間と、前記中間層と前記導光板との間と、の少なくともいずれかに光学グリースが介在してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のバックライトユニット。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載のバックライトユニットと、
   前記導光板から放射された光の透過量を制御して画像を表示する液晶表示ユニットと、
   を備えたことを特徴とする液晶表示装置。