JP6768093B2 - Ｌｅｄパッケージ、バックライトユニット及び液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤパッケージ、バックライトユニット及び液晶表示装置に関する。

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）をフレームに実装したＬＥＤパッケージが照明器具や液晶表示装置などの光源として利用されている。
ＬＥＤパッケージに実装されるＬＥＤは、一般に、ｐ型半導体とｎ型半導体とがｐｎ接合された半導体であり、半導体として使用する化合物の種類によって放出される光の波長を制御することができる。

ＬＥＤは、他の光源に比べて消費電力が少なく且つ小型化も容易であるため、液晶表示装置の光源として適している。従来の液晶表示装置用のＬＥＤパッケージとしては、一般的に白色光を放出することができるものが用いられてきた。例えば、発光色の異なる複数のＬＥＤを実装したＬＥＤパッケージ（例えば、特許文献１）や、ＬＥＤと蛍光体とを組み合わせたＬＥＤパッケージ（例えば、特許文献２）が知られている。
一方、近年、有機ＥＬディスプレイの実用化に伴い、液晶表示装置の色再現性の向上が重要となってきている。液晶表示装置のカラー表示は、白色光源から放出された光をカラーフィルターによって一部の波長領域の光を吸収させることによって実現されている。液晶表示装置の色再現性を向上させるためには、カラーフィルターを透過する光の波長領域を狭くすることが有効であるが、その一方で光の利用効率が低下するという問題が生じる。この問題を解決するためには、光の三原色に対応する狭い波長範囲の光を光源から放出させ、それらの波長領域とカラーフィルターが透過する波長領域とを一致させることが必要である。
上記の様な背景を受けて、最近では、ＬＥＤと組み合わせる蛍光体として、量子ドット（ＱＤ）を用いることも知られている（例えば、特許文献３）。

特開２０１４−１５４６４４号公報 特開２００７−０６７１８４号公報 特開２０１２−１９１１４４号公報

量子ドットは、ＬＥＤからの光を励起源とし、励起源の波長よりも長い波長で発光させることができる。また、量子ドットは、種類又はサイズを変えることで波長の調整が可能であると共に、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光体に迫る高い量子効率を有する。そのため、量子ドットを用いることにより、所望の発光色を有し、高輝度且つ発光スペクトルの半値幅が狭いＬＥＤパッケージを得ることができる。更に、量子ドットを用いたＬＥＤパッケージをバックライトの光源として用いることにより、色再現範囲の広い液晶表示装置を得ることができる。
しかしながら、量子ドットは、水分又は酸素の存在下でＬＥＤからの光を受けると、短時間で劣化するという問題がある。また、量子ドットが、励起源のＬＥＤの近傍に存在する場合、高光量及び高温の環境下で量子ドットの劣化が加速する。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、量子ドットの劣化を抑制し、所望の発光色を有し、高輝度で発光スペクトルの半値幅が狭い長寿命のＬＥＤパッケージを提供することを目的とする。
また、本発明は、上記のような特徴を有するＬＥＤパッケージを備えることにより、色再現範囲を大幅に向上させたバックライトユニット及び液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究した結果、樹脂又は有機溶媒中に分散された量子ドットを内包するガラスセルをＬＥＤの上部に配置することにより、量子ドットの劣化を効果的に抑制し得ることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、ＬＥＤが実装されたフレームと、前記ＬＥＤの上部に配置されたガラスセルであって、樹脂又は有機溶媒中に分散された量子ドットを内包するガラスセルとを有することを特徴とするＬＥＤパッケージである。

また、本発明は、前記ＬＥＤパッケージを有することを特徴とするバックライトユニットである。
さらに、本発明は、前記バックライトユニットを有することを特徴とする液晶表示装置である。

本発明によれば、量子ドットの劣化を抑制し、所望の発光色を有し、高輝度で発光スペクトルの半値幅が狭い長寿命のＬＥＤパッケージを提供することができる。
また、本発明によれば、上記のような特徴を有するＬＥＤパッケージを備えることにより、色再現範囲を大幅に向上させたバックライトユニット及び液晶表示装置を提供することができる。

本発明のＬＥＤパッケージを示す断面模式図である。 本発明のＬＥＤパッケージに用いられるガラスセルの断面模式図である。

以下、本発明のＬＥＤパッケージの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明のＬＥＤパッケージを示す断面模式図である。図１（ａ）及び（ｂ）において、本発明のＬＥＤパッケージ１は、フレーム２と、フレーム２に実装されたＬＥＤ３と、ＬＥＤ３の上部に配置されたガラスセル４とを有する。

フレーム２としては、ＬＥＤ３を実装することが可能なものであれば特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
フレーム２の材質としては、特に限定されないが、一般に、ポリカーボネート、ポリフタルアミド、ナイロン（登録商標）、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ＰＣ（ポリカーボネート）／ＡＢＳアロイなどの樹脂を用いることができる。
フレーム２の形状としては、特に限定されないが、パッケージ化及び発光効率の観点から、凹部を有することが好ましい。特に、上部直径が下部直径よりも大きく且つ側面が傾斜した凹部を形成することにより、発光効率を高めることができる。このような形状を有するフレーム２は、射出成形などの当該技術分野において公知の方法を用いて作製することができる。

また、フレーム２は、反射性のフレーム２であるか、又はＬＥＤ３が実装される側のフレーム２の表面に反射板が設けられていることが好ましい。このような構成とすることにより、ＬＥＤ３からの光をガラスセル４中に効率的に導入することができるため、発光効率を向上させることができる。反射性のフレーム２は、特に限定されないが、反射率の高い樹脂材料などを用いて形成することができる。また、フレーム２の表面に配置される反射板としては、特に限定されないが、反射率の高い金属板などを用いることができる。

フレーム２に実装されるＬＥＤ３としては、特に限定されず、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤなどの当該技術分野において公知のものを用いることができる。その中でも、ＬＥＤ３からの光と量子ドット６からの光との組み合わせによって白色光を実現する場合、ＬＥＤ３は青色ＬＥＤであることが好ましい。なお、図示していないが、ＬＥＤ３は、リード電極などに接続されており、リード電極からの電気的な信号の印加によって光を発生させることができる。

ＬＥＤ３の上部に配置されたガラスセル４は、樹脂又は有機溶媒５中に分散された量子ドット６を内包する。
ここで、本明細書において「ガラスセル４」とは、量子ドット６を分散した樹脂又は有機溶媒５を層状に充填することが可能な内部空間を有するガラス製の部材を意味する。具体的には、ガラスセル４は、少なくとも２つのガラス板を有し、２つのガラス板の間に層状の内部空間が形成された構造を有する。例えば、ガラスセル４は、図２に示すような、２つのガラス板１０がガラス壁１１を介して間隔をおいて対向した構造を有する。なお、ガラス板１０は、平面状に限定されず、曲面状であってもよい。
また、本明細書において「量子ドット６」とは、量子力学に従う独特の光学特性を有するナノスケールの材料であり、粒子径が一般に１ｎｍ〜１００ｎｍ、好ましくは１ｎｍ〜５０ｎｍ、より好ましくは１ｎｍ〜２０ｎｍの非常に小さな半導体粒子のことを意味する。量子ドット６は、バンドキャップ（価電子帯及び伝導帯のエネルギー差）よりも大きなエネルギーの光子を吸収し、その粒子径に応じた波長の光を放出する。したがって、量子ドット６は、一定以下の波長の光を吸収する性質を持ち、粒子径を制御することで様々な波長の光を発生させることができる。

量子ドット６は、１種以上の半導体材料を一般に含む。半導体材料としては、特に限定されないが、第ＩＶ族元素、第ＩＩ−ＶＩ族化合物、第ＩＩ−Ｖ族化合物、第ＩＩＩ−ＶＩ族化合物、第ＩＩＩ−Ｖ族化合物、第ＩＶ−ＶＩ族化合物、第Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物、第ＩＩ−ＩＶ−ＶＩ族化合物、第ＩＩ−ＩＶ−Ｖ族化合物などが挙げられる。具体的には、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＳｅ、ＧａＳｂ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、Ａ１Ｎ、Ａ１Ｐ、ＡｌＳｂ、ＴＩＮ、ＴＩＰ、ＴＩＡｓ、ＴＩＳｂ、ＰｂＯ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、Ｇｅ、Ｓｉなどを用いることができる。

また、量子ドット６は、１つ以上の半導体材料を含むコアと、１つ以上の半導体材料を含むシェルとからなるコアシェル型構造を有していてもよい。具体的には、コアとしてＣｄＳｅ、シェルとしてＣｄＺｎＳを有する量子ドット６（赤色発光）、コアとしてＣｄＺｎＳｅ、シェルとしてＣｄＺｎＳを有する量子ドット６（緑色発光）、コアとしてＣｄＳ、シェルとしてＣｄＺｎＳを有する量子ドット６（青色発光）などを用いることができる。

図１（ａ）及び（ｂ）では、球状の量子ドット６の例を示したが、量子ドット６の形状は、球状に限定されることはなく、棒状、板状などの様々な形状であってもよい。

上記のような特徴を有する量子ドット６は、当該技術分野において公知であり、公知の方法に準じて製造することができる。

量子ドット６の分散に用いられる樹脂としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。その中でも、量子ドット６の分散性及び水分や酸素を防止する効果などの特性に優れたエポキシ樹脂、ユリア樹脂及びシリコーン樹脂が好ましい。
量子ドット６の分散に用いられる有機溶媒としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。有機溶媒としては、量子ドット６の分散性が良い高沸点（沸点が好ましくは１００℃以上）の有機溶媒であることが好ましい。有機溶媒の例としては、トルエン、スチレン、キシレンなどが挙げられる。

樹脂又は有機溶媒５中に分散された量子ドット６を内包するガラスセル４の形状は、フレーム２の凹部の形状に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。具体的には、ガラスセル４は、フレーム２の凹部（開口部）の形状に対応する構造を有することが好ましい。

また、ガラスセル４は、ＬＥＤ３と直接接していないことが好ましい。ＬＥＤ３の表面温度がかなりの高温となるため、ガラスセル４をＬＥＤ３から離して配置することにより、ＬＥＤ３から生じる熱による量子ドット６の劣化に起因する蛍光効率の低下を抑制することができる。

ガラスセル４をＬＥＤ３から離して配置する場合、図１ａ）及びｂ）に示すように、ＬＥＤ３とガラスセル４との間にスペース７を設ければよい。
また、ガラスセル４は、図１ａ）に示すようにフレーム２の凹部の内部に配置されていても、図１ｂ）に示すようにフレーム２の凹部の上部に配置されていてもよい。

ガラスセル４では、ＬＥＤ３からの光を量子ドット６が吸収し、量子ドット６が励起される結果として、ＬＥＤ３からの光よりも長い波長の光を生じる。したがって、ＬＥＤ３の種類及び量子ドット６の種類及び数を制御することにより、所望の発光色を実現することができる。特に、白色光を実現する場合、ＬＥＤ３が青色ＬＥＤであり、且つ量子ドット６が、青色光によって励起されて（青色光を吸収して）５１０〜６１０ｎｍ、好ましくは５２０ｎｍ〜５８０ｎｍにピーク中心波長を有する第１の量子ドットと、青色光によって励起されて（青色光を吸収して）６００〜７００ｎｍ、好ましくは６１０ｎｍ〜６８０ｎｍにピーク中心波長を有する第２の量子ドットとを含むことが好ましい。このような構成とすることにより、青色ＬＥＤからの青色光と、第１の量子ドットからの緑色光と、第２の量子ドットからの赤色光との組み合わせで白色光を実現することができる。

ガラスセル４とＬＥＤ３との間に形成されるスペース７は、空気のままであっても構わないが、窒素などの不活性ガスや封止樹脂で充填してもよい。封止樹脂としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。また、封止樹脂として、量子ドット６の分散に用いられる樹脂と同じものを用いてもよい。
また、粒子を分散させた封止樹脂をスペース７に充填してもよい。微粒子を分散させた封止樹脂を用いることにより、ＬＥＤ３からの光を分散させることができるため、量子ドット６に均一に光が照射され、量子ドット６からの均一な発光を実現することができる。粒子としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。

必須ではないが、ガラスセル４上には偏光板を配置してもよい。偏光板を配置することにより、特定の振動方向の光のみを通過させることができる。そのため、特定の振動方向の光が必要となる用途（例えば、バックライトユニット）において用いることが可能となる。

また、反射性のフレーム２を用いるか又はＬＥＤ３が実装される側のフレーム２の表面に反射板を設けると共に、偏光板として反射性の偏光板を用いてもよい。このように構成することにより、反射性の偏光板で反射された光が、反射性のフレーム２又は反射板で反射して偏光状態が変化する。この反射を繰り返すことにより、１００％に近い効率で反射性の偏光板を通過させることが可能な光サイクル構造とすることができる。

上記のような構成を有する本発明のＬＥＤパッケージ１は、所望の発光色を有し、高輝度且つ長寿命であるため、バックライトユニット及び液晶表示装置に用いることができる。

以下、実施例及び比較例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
図１（ａ）の構造を有するＬＥＤパッケージを作製した。このＬＥＤパッケージでは、ＬＥＤとして青色ＬＥＤ、量子ドットとして青色光によって励起されて（青色光を吸収して）緑色光を発光する第１の量子ドット及び赤色光を発光する第２の量子ドットを混合したものを用いた。また、量子ドットを分散させる樹脂としてシリコーン樹脂を用いた。なお、第１の量子ドット及び第２の量子ドットは、青色ＬＥＤからの青色光と、第１の量子ドットからの緑色光と、第２の量子ドットからの赤色光との組み合わせで白色光が得られるような割合で混合されている。
次に、得られたＬＥＤパッケージについて信頼性試験を行った。信頼性試験は、温度６０℃、相対湿度９０％の条件に設定された恒温恒湿槽内に上記ＬＥＤパッケージを設置し、ＬＥＤに２０ｍＡの電流を流し、１０２６時間点灯させ、その際のＬＥＤの全光束及び色度の変化を測定することにより行った。その結果、初期値に対する１０２６時間後の全光束の変化は＋１％で、色度の変化はＣｘが−０．０１２、Ｃｙは−０．００１であった。

また、液晶表示装置の光源として、上記のＬＥＤパッケージ、及び蛍光体としてＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）を用いた比較用のＬＥＤパッケージを備えた液晶表示装置において色再現性の評価を行った。なお、２種類の液晶表示装置は、光源が異なることを除き、他の構成は全く同じである。測定の結果、光源としてＹＡＧ蛍光体を用いた比較用のＬＥＤパッケージを備えた液晶表示装置の色再現範囲がＮＴＳＣ比で約７２％であったのに対し、上記のＬＥＤパッケージを備えた液晶表示装置の色再現範囲はＮＴＳＣ比で約９６％であった。

（比較例１）
密閉容器１０の上部のガラス板を除いたものを用いたこと以外は実施例１と同様の構造を有するＬＥＤパッケージを作製した。
次に、得られたＬＥＤパッケージについて信頼性試験を行った。信頼性試験は、温度６０℃、相対湿度９０％の条件に設定された恒温恒湿槽内に上記ＬＥＤパッケージを設置し、ＬＥＤに２０ｍＡの電流を流し、１０１０時間点灯させ、実施例１と同様にその際のＬＥＤの全光束及び色度の変化を測定することにより行った。その結果、初期値に対する１０１０時間後の全光束の変化は−８％で、色度の変化はＣｘが−０．０７５、Ｃｙは−０．１１７であった。

（比較例２）
１０-２（ｇ／ｍ２・ｄａｙ）オーダーのバリア性能を有する２枚のバリアーフィルム間に樹脂に分散された量子ドットを包み込むことにより形成されたシートをエッジライト型バックライト上に配置し、信頼性試験を行った。信頼性試験は、温度６５℃、相対湿度７５％の条件に設定された恒温恒湿槽内に上記のシートを配置したバックライトを設置し、上記量子ドットが内包されたシートに青色光を１０１３時間照射することにより行った。なお、青色光の照射量は、１２，０００ｃｄ／ｍ２とした。信頼性試験の結果、初期値に対する１０１３時間経過後の輝度変化は−６８％、色度の変化はＣｘが−０．１１５、Ｃｙが−０．３５１であった。

実施例１の結果と比較例１及び２の結果とを対比すると、実施例１のＬＥＤパッケージは、比較例１及び２のＬＥＤパッケージに比べて、全光束（輝度）及び色度の変化が大きく低減されている。また、光源として実施例１のＬＥＤパッケージを用いた液晶表示装置の色再現範囲は、従来のＹＡＧ蛍光体を用いたＬＥＤパッケージを光源として使用した液晶表示装置に比べて大幅に拡大した。
以上の結果からわかるように、本発明によれば、樹脂又は有機溶媒中に分散された量子ドットを内包したガラスセルを用いることにより、量子ドットの劣化を抑制し、所望の発光色を有し、高輝度で発光スペクトルの半値幅が狭い長寿命のＬＥＤパッケージを提供することができる。また、上記ＬＥＤパッケージをバックライト光源として用いることで、従来の液晶表示装置に比べて色再現範囲を大幅に拡大することができる。

１ ＬＥＤパッケージ、２ フレーム、３ ＬＥＤ、４ ガラスセル、５ 樹脂又は有機溶媒、６ 量子ドット、７ スペース、１０ ガラス板、１１ ガラス壁。

Claims (9)

1. ＬＥＤが実装されたフレームと、
   前記ＬＥＤの上部に配置されたガラスセルであって、樹脂又は有機溶媒中に分散された量子ドットを内包するガラスセルとを有し、
   前記フレームと前記ガラスセルとによって形成されるスペースには不活性ガスが充填され、
   前記ガラスセルの全体は、前記ガラスセルの最上面が前記フレームの側壁の最上面と同一面となるように前記フレームの凹部内に配置され、
   前記有機溶媒はスチレンを含み、
   前記量子ドットが分散される前記樹脂が、ユリア樹脂を含み、
   前記ガラスセル上に反射性の偏光板が設けられ、
   前記フレームが反射性のフレームであり、又は前記ＬＥＤが実装される側の前記フレームの表面上に反射板が設けられていることを特徴とするＬＥＤパッケージ。
2. 前記ガラスセルは、前記ＬＥＤと直接接触していないことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
3. 前記凹部の底面に前記ＬＥＤが実装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤパッケージ。
4. 前記ガラスセルの下端は、前記ガラスセルの下端の全体が前記フレーム及び前記ガラスセルによって形成されたスペースに露出されるように、前記フレームの前記凹部の垂直部及び傾斜部の接続点に配置されている請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
5. 前記量子ドットは、発光波長が異なる２種以上の量子ドットであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のＬＥＤパッケージ。
6. 前記ＬＥＤは青色光を放出し、且つ前記量子ドットは、前記青色光によって励起されて５１０〜６１０ｎｍにピーク中心波長を有する第１の量子ドットと、前記青色光によって励起されて６００〜７００ｎｍにピーク中心波長を有する第２の量子ドットとを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のＬＥＤパッケージ。
7. 前記ガラスセルは、２つのガラス板がガラス壁を介し、間隔をおいて対向した構造を有し、
   前記ガラス板は曲面状であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のＬＥＤパッケージを有することを特徴とするバックライトユニット。
9. 請求項８に記載のバックライトユニットを有することを特徴とする液晶表示装置。

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