JP4107086B2

JP4107086B2 - 面状発光装置及びそれを用いたディスプレイ装置

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Publication number: JP4107086B2
Application number: JP2003000738A
Authority: JP
Inventors: 栄二中西; 彰土内
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2017-11-13
Also published as: JP2003249112A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光素子を利用した面発光スイッチ、各種バックライトや表示器などに用いられる面状発光装置などに係わり、特に均一且つ高輝度に発光可能であって、有効な発光面積を広くした面状発光装置などに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日、携帯電話、ノート型パソコンなど各種携帯電子機器が急速に発達してきている。これに伴って、電子機器の動作状態や画像情報等を表示出力する高輝度ディスプレイ装置に対する社会の要求がますます高まりを見せている。例えば、液晶を利用したディスプレイ装置は夜間や室内など外光の少ない環境下でも使用できるように液晶装置とそのバックライト用の光源により画像表示させてある。このようなディスプレイ装置に用いられる面状発光装置には、冷陰極管と称される小型の蛍光管が用いられることが多い。冷陰極管は導光板の端面に配され端面から導入される白色光を導光板の裏面に設けられた拡散部で面内に均一に拡散させる。これにより線光源を面光源に変換させて使用してある。導光板を用いた面状発光装置は線光源の冷陰極管を光源とするものが主流であった。
【０００３】
一方、新たな光源としてＲＧＢ（赤色系、緑色系、青色系）が高輝度に発光可能な半導体素子であるＬＥＤチップがそれぞれ開発された。このようなＬＥＤチップを用いた面状発光装置は、小型で効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、半導体素子であるため断線による不灯などの心配がない。駆動特性が優れ、振動やON／OFF点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。さらに、昇圧回路や安定化回路などを必要としない。そのため直流電流で駆動させることができ高長波成分が発生することがなくノイズの心配がない。上述の理由などから、冷陰極管を用いた面状発光装置に代わる面状発光装置として有望視されている。
【０００４】
半導体素子を用いて面状発光装置を白色発光させるためには、ＲＧＢやＢＹ（青色系、黄色系）などの各ＬＥＤチップから放出された光を混色させ導光板などにより面状発光させる。或いは、ＬＥＤチップから放出された光と、ＬＥＤチップからの光によって励起された蛍光物質が発光した光とを混色させ補色関係を利用することによって白色系光を導光板を用いて面状発光させることもできる。
【０００５】
このようなＬＥＤチップを用いた面状発光装置は、マクロ的には上述の冷陰極管の如き線光源とは異なり点光源として認識される。
【０００６】
したがって、高輝度ＬＥＤチップを利用し面状光源とさせるためには導光板の側端面などから光を導入させる。また、ＬＥＤチップの発光部からより遠方においても面状に均一光が発光可能とすべく導光板などに切り欠き部や所望の反射パターンを形成させるためにドットパターンを形成させる。或いはＬＥＤチップ上に拡散レンズを設ける。導光板上に拡散部材を配置させるなどを行うことで、より均一発光させることが考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、面状発光装置の発光面積をより大きくし、また、より高輝度に面発光させるためには、ＬＥＤチップからの発光輝度を更に向上させざるを得ない。ＬＥＤチップを利用したものはマクロ的に見て点状から面状に変換させる必要がある。そのためドットパターンなどによってある程度均一光とさせることができるもののパターンが複雑化する。特に発光強度が数千ｍｃｄまで向上した高輝度ＬＥＤチップをフルに発光させた場合、ＬＥＤチップ数を減少させ小型化できる。しかし、光源となる発光素子近傍の周辺では極めて強い発光の強度分布が生ずる。したがって、ドットパターンだけでは十分面状に均一化できない場合がある。
【０００８】
ドットパターンと同様、反射部材、切り欠き部や拡散レンズを設けることによって輝度むらをある程度解決することができる。しかし、いずれも非発光部の面積が大きくなり光源の輝度向上の利点を生かしきれないという問題を有する。本発明は上記課題を解決し高輝度に発光可能な面状発光装置において、発光面の有効面積を大きくし発光むらなどが極めて少ない面状発光装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は透光性を有する導光板と、導光板の端面に光学的に接続された少なくとも１つの発光素子とを有する面状発光装置に関する。特に、導光板は発光観測面側から見て略正方形であり、発光素子は、前記導光板の発光観測面側から見て導光板の主面を構成する隣接する辺である第２の辺と第３の辺とが交わる角を面取りした第１の辺を含む接続端面で光学的に接続され、前記第２の辺及び前記第３の辺の延長線が交わる角を通り、かつ前記接続端面と平行な中央線に沿って、前記発光素子の発光部の形状を実質的に対称に配置している面状発光装置である。
【００１０】
また面状発光装置は、透光性を有する導光板と導光板の端面に光学的に接続された少なくとも１つの発光素子とを有する面状発光装置に関する。特に、発光素子は少なくとも発光観測面側から見て発光素子から放出された光の指向角よりも狭い導光板の第２の辺及び第３の辺に挟まれる第１の辺に光学的に接続されている面状発光装置である。
【００１１】
さらに面状発光装置は、導光板に光学的に接続された発光素子の発光部が、発光観測面側から見て第２の辺及び第３の辺によって挟まれる角の中央線に沿って実質的に対称である。
【００１２】
さらにまた面状発光装置は、発光素子が絶縁性基板上に設けられた窒化ガリウム系化合物半導体を介して同一平面側に正極及び負極の両電極を有し、両電極間の配置方向と端面における導光板の厚み方向とが実質的に平行である。
【００１３】
さらにまた面状発光装置は、導光板と発光素子が蛍光物質を含有する色変換部を介して光学的に接続されている。
【００１４】
さらにまた面状発光装置は、導光板の主面上に蛍光物質を含有させた色変換部を有する。
【００１５】
さらにまた面状発光装置は、発光素子が異なる発光波長を発光する２種類以上である。
【００１６】
さらにまたディスプレイ装置は、各々がドット状に開閉する多数の光シヤッタを有する光学部材と、発光した光が前記光シヤッタを通過するように設けた面状発光装置とを有する。特に、面状発光装置は、透光性を有する導光板と、導光板の端面に光学的に接続され、発光観測面側から見て導光板の角に相当する隅部で光学的に接続されている発光素子である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明者は、種々の実験の結果、発光素子から放出された光の指向角を考慮し導光板の特定位置に発光素子を配することによって、有効な発光面積を増大させると共に均一且つ高輝度発光可能な面状発光装置とすることができることを見出し本発明を成すに至った。
【００１８】
本発明の構成することによって面状の均一性が向上する理由は、発光素子の指向角に対応して導光板の端面があるためと考えられる。
【００１９】
即ち、発光素子からの光は図５や図６の如く、ある一定の指向角を持った放射状に発光する指向特性を持つ。そのため発光観測面から見た導光板主面の１辺に配置させると、発光素子近傍での発光強度が強く発光素子から離れるに従って発光強度が弱い箇所が存在する。特に、最も発光が強い方向に対して、発光素子近傍の垂直方向は暗くなる傾向が強い。
【００２０】
本発明においては、発光素子の持つ指向角により発光強度が弱い側面方向に導光板の端面（第２及び第３の辺）が配置されるために指向特性の影響が少なく発光強度が均一に向上する。特に、導光板の側面を構成する第２及び第３の辺に反射板を構成すると反射光を利用することができる。また、発光強度の高い中心部を導光板の対角線上に配置することができるため、効率よく遠方まで光を放出させることもできる。発光素子と対極する位置が導光板の隅部に相当する場合は、反射光をも均一化させることができる。
【００２１】
また、半導体上に設けられた電極などが発光面の影になるなど発光素子の構造上、発光面から非均一に光が照射されるものは、指向特性がいびつになる場合がある。このような場合は、導光板の接続端面の角度を変える。或いは、長方形の導光板を利用する。さらには、ＬＥＤチップの配置角などを変化させることにより、より均一な発光を得ることができる。
【００２２】
本発明の具体的な一例として、面状発光装置の発光観測面側から見た図を図２に示す。発光観測面から見て４角形のアクリル樹脂を用いた透光性導光板の角に当たる隅部２箇所を面取りしてある。面取りした端部には、透光性弾性体であるアクリル樹脂を介して図３（Ａ）のチップタイプＬＥＤを配置させてある。チップタイプＬＥＤの発光面を導光板の端面と張り合わせた構造となっている。導光板の背面には発光をより均一化させる目的でチタン酸バリウム含有樹脂を直接印刷し硬化させてある。印刷されたものは、光源から近い位置では単位面積当たりの被覆率が小さく、次第に遠ざかるにつれて被覆率が高くなるパターンが選択されたグラディーションである。さらに、面取りした隅部及び主面以外は反射部材を形成させてある。
【００２３】
また、導光板の主面上には、白色発光を得るために色変換部材が配置されている。色変換部材には、ＬＥＤチップから放出された青色系光によって励起され黄色系発光色を発光するセリウム付活ＹＡＧ系蛍光物質（（Ｙ_0.2Ｇｄ_0.8）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ）を白色散乱材と共に樹脂中に含有させたものを用いた。色変換部材は、導光板の主面の大きさに合わせたシート状に成形させてある。
【００２４】
このような面状発光装置の発光素子に電力を供給させると発光素子からの光が透光性弾性体を介して導光板内に導入され導光板の主面形状に発光することとなる。導光板から放出された青色系光の少なくとも一部は、導光板上に設けられた色変換部材中の蛍光物質を励起及び発光させる。発光素子と、蛍光物質との混色光を利用することによって均一な白色系面状発光を得ることができる。以下、本発明の構成部材について詳述する。
【００２５】
（導光板１０１、２０１）
本発明に用いられる導光板１０１とは、発光素子１０２から放出された光を拡散させつつ効率よく面状発光させるものであり透過率、耐熱性に優れ均一に形成できることが求められる。また、導光板の形状は所望に応じて長方形、多角形など種々の形状とすることができる。導光板の具体的な構成材料としては、アクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、硝子等が挙げられる。導光板の厚みは、板厚が厚いほど光の利用効率が高くなるが発光素子の配置や種類等から１０ｍｍ以下が好ましい。
【００２６】
発光観測面側から見た導光板の矩形の角などに相当する隅部に発光素子を光学的に接続させるためには、導光板の角を切り取り面取りする。或いは、面取りしたものを一体成形させることによって形成させることができる。発光素子の数は、所望に応じて複数設けることができる。また、発光素子の配置も多角形の全ての隅部に配置させることもできるし、所望に応じて１箇所以上の隅部に配置させることができる。導光板が四角形であれば四方の隅部全てに発光素子を接続してもよいことはいうまでもなく、隅部におけるＬＥＤチップの個数も種々選択することができる。発光素子は樹脂やガラスでモールドされたＬＥＤチップを用いても良いし、直接導光板と接したＬＥＤチップを用いても良い。ＬＥＤチップがモールドされた発光素子を光学的に接続させたものは、歩留まりや信頼性が高い面状発光装置とすることができる。
【００２７】
一方、導光板に直接或いは電極を介して直接接続させたものは小型化可能であると共に発光強度を向上させることもできる。
【００２８】
さらに、導光板面に凹凸を形成（シボ加工）させることで発光素子からの光をより散乱させることができる。また、拡散膜と接する導光板面に凹凸を形成させることで拡散膜が導光板に張り付いてできる干渉縞を防ぐこともできる。
【００２９】
なお、本発明において、発光素子と導光板とが光学的に接続されているとは、発光素子が発光する光を直接又は間接的に導光板に導入することをいう。具体的には、発光素子を導光板に埋設することはもちろんのこと、発光素子を光透過性樹脂などにより接着したり、光ファイバー等を用いて導光板に発光素子の発光を導くことである。また、発光素子からの光を蛍光物質によって波長変換させた光を導光板に導くことをも含むものである。
【００３０】
本発明において導光板の角に当たる隅部とは、発光素子からの光が放射状に広がり発光素子近傍の暗くなる部位が少なくなるような発光観測面側から見た導光板の部位のことである。導光板の側壁に反射部材が設けられている場合は、反射部材により反射される光も利用することができる。そのため導光板端面（発光観測面側から見た第２及び第３の辺）によって挟まれる部位（第１の辺）よりも狭い指向角の発光素子を利用することもできる。なお、好ましい隅部としては面状発光装置の発光観測面側から見て発光素子からの光が放射状に広がる指向角よりも狭い角度で配置される導光板端面（発光観測面側から見た第２及び第３の辺）によって挟まれる部位（第１の辺）のことである。したがって、導光板の形状が多角形の場合、発光観測面側から見て実質的に導光板の頂点に相当する部位のことである。さらに、発光観測面側とは、発光素子の光が導光板を介して放出される主面側をいう。このような導光板は、射出成形により比較的簡単に形成させることができる。
【００３１】
なお、指向角とは、発光素子からの光が放射状に広がる光のうち発光素子の軸上光度の半分となる角をいう。したがって、半値角の２倍に相当するものである。
【００３２】
（発光素子１０２、２０２）
本発明に用いられる発光素子１０２とは、導光板と光学的に接続されて効率よく面状に発光可能なＬＥＤチップを利用したものであり、モールド部材になど被覆された砲弾型発光ダイオードや支持体にＬＥＤチップが配されたチップタイプＬＥＤなどの種々の発光ダイオードを利用することができる。同様に、ＬＥＤチップを導光板上に直接接着させて用いることもできる。砲弾型発光ダイオードやチップタイプＬＥＤにおいては、ＬＥＤチップが配置されるカップの形状やモールドの形状を種々変更することにより指向角を所望に設定することができる。
【００３３】
このような発光素子としては液相成長法やＭＯＣＶＤ法などにより基板上にＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰなどの半導体を発光層として形成されたものが好適に用いられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものなどが挙げられる。半導体の材料やその混晶度によって発光波長を紫外から赤外まで種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることでもできる。
【００３４】
発光素子は、２個以上用いることができるし２種類以上利用することもできる。２種類以上利用する場合、発光色の混色により種々の発光色を得ることができる。発光素子をＲＧＢ（赤、緑、青）或いは、ＢＹ（青、黄）とし全て発光させ混色することにより白色発光することができる。発光素子に供給する電力を種々調整する或いは、発光素子ごとに電力の供給を停止させることにより種々の発光色とすることができる。具体的には、ＲＧＢの発光素子からの光のうち、Ｂ（青）が発光可能な発光素子の電力の供給を停止することによりＲＧ（赤、緑）の混色光が観測される。ＢＧ（青、緑）が発光可能な発光素子の電力の供給を停止することによりＲ（赤）の発光色が観測される。これらの発光色を調節することにより発光色で種々の情報を表示することができる。具体的には、面状発光装置上に設けられた液晶装置により画像情報を表示すると共に面状発光装置や液晶装置を駆動させるバッテリーの残量などの情報を発光の切換などにより知らせることができる。バッテリー残量が少なくなるにつれ発光素子の発光を停止させることで、バッテリー寿命を延ばしつつ使用状況を知らせることができる。例えば、各発光素子は発光素子に接続されたトランジスターを駆動ドライバーとしトランジスターのベースに加えられる信号により、発光素子に供給される電力量や発光時間を変え発光量を調節することができる。即ち、トランジスターのベース信号により種々の情報を表示させることができる。
【００３５】
また、発光素子からの少なくとも一部の光を色変換させて白色系面状発光装置とさせることもできる。この場合、ＬＥＤチップには、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系やペリレン系誘導体などの蛍光物質を効率良く励起できる青色が発光可能な窒化物系化合物半導体（Ｉｎ_XＧａ_YＡｌ_1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）であることが望まれる。
【００３６】
本発明では一つの発光素子から出力される発光波長の発光出力は２００μＷ以上、更に好ましくは３００μＷ以上の出力が好ましい。発光素子の発光出力が２００μＷよりも少ないと、導光板に光学的に接続する発光素子の数を増やしたとしても、充分な明るさ且つ均一な面状発光が得られにくい傾向にある。
【００３７】
このような特性を満たす具体例としては、窒化物系化合物半導体を使用した発光素子などが挙げられる。窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の材料を用いることができる。より結晶性の良い窒化ガリウム系化合物半導体を形成させるためにはサファイヤ基板を用いることが好ましい。このサファイヤ基板上にＧａＮ、ＡｌＮ等のバッファー層を形成しその上にｐｎ接合などを有する窒化ガリウム系化合物半導体を形成させる。
【００３８】
窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態でｎ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のｎ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、ｐ型窒化ガリウム系半導体を形成させる場合は、ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化ガリウム系化合物半導体は、ｐ型ドーパントをドープしただけではｐ型化しにくい。そのためｐ型ドーパント導入後に、炉による加熱、低速電子線照射やプラズマ照射等によりｐ型化させることが好ましい。エッチングなどによりｐ型半導体及びｎ型半導体の露出面を形成させた後、半導体層上にスパッタリング法や真空蒸着法などを用いて所望の形状の各電極を形成させることができる。
【００３９】
次に、形成された半導体ウエハー等をダイヤモンド製の刃先を有するブレードが回転するダイシングソーにより直接フルカットするか、又は刃先幅よりも広い幅の溝を切り込んだ後（ハーフカット）、外力によって半導体ウエハーを割る。あるいは、先端のダイヤモンド針が往復直線運動するスクライバーにより半導体ウエハーに極めて細いスクライブライン（経線）を例えば碁盤目状に引いた後、外力によってウエハーを割り半導体ウエハーからチップ状にカットする。このようにして窒化ガリウム系化合物半導体であるＬＥＤチップを形成させることができる。
【００４０】
本発明において、電極の配置や形状などによる発光面を考慮した発光素子を利用することで、より均一な面発光をさせることができる。具体的な１例として図３、図４及び図５に示す。図３及び図４には、発光素子であるチップタイプＬＥＤの発光面が図示されている。チップタイプＬＥＤの支持体３０１としては、セラミック、金属基板やポリカーボネート、ポリエチレン、アクリル等の有機樹脂基板などが好適に挙げられる。支持体の凹部には、窒化物系化合物半導体のサファイア基板がエポキシ樹脂などを用いてダイボンディングされている。支持体に設けられた外部電極３０２と、ＬＥＤチップ３０４、３０５、３０６、３０７の電極とがそれぞれ金線３０３などにより電気的に接続されている。このような、ＬＥＤチップの発光面は等方的ではない。したがって、ＬＥＤチップの配置方向によっては指向特性が変わる。
【００４１】
図３（Ａ）の如き、発光素子を発光させると図５の破線の如き発光特性を持つ場合がある。導光板の形状が正方形などに近い場合、導光板に光学的に接続された発光素子の発光部を第１及び第２の辺によって形成される角の中央線に沿って実質的に対称な図３（Ｂ）及び図４（Ｃ）、図４（Ｄ）の如く配置することで、より主面上から均一に発光することができる。
【００４２】
本発明において単色性のＬＥＤチップを用いて白色系を発光させる場合は、蛍光物質との補色関係や樹脂劣化等を考慮して発光素子の発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましく、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。ＬＥＤチップと蛍光物質との効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００４３】
（拡散部）
拡散部とは、マクロ的には点光源として認識される発光素子からの光を、均一な面状に拡散させるために好適に用いられるものである。したがって、拡散部は、発光素子の指向角を考慮して光源から近い強発光される部位では単位面積当たりの被覆率が小さく、発光強度が弱くなるにつれて被覆率が高くなるパターンが選択される。このような、パターンは、ドット状、ストライプ状やグラディーション状など種々のものを施すことによって比較的に簡単により均一光を得ることができる。また、拡散部と反射部材とを兼用することもできる。
【００４４】
具体的な拡散部は、酸化チタン、チタン酸バリウムなどが含有された樹脂を導光板の背面に直接印刷する方法。白色物質が印刷されたシート状部材を導光板の背面に張り合わせる方法。或いは導光板背面にパターン化された微細な凹凸を施し、凹凸による光の散乱を利用する方法など種々のものが挙げられる。本発明においては、発光素子の指向角に合わせて導光板の側面が形成される。或いは、導光板の側面に合わせて発光素子の指向角が決定される。このため発光素子からの強発光パターンが、隅部を中心とした扇形状と見なすことができる。したがって、拡散部を形成するドットパターンなどを比較的簡単な配置とすることができ量産性及び信頼性も向上させることができる。
【００４５】
（反射部材１０３、２０３、２０４）
反射部材とは、導光板の背面側と側面等に配置し発光素子からの光を無駄なく主面方向に反射させるために好適に用いられるものである。従って、発光素子からの光を導光板内に効率よく反射させるものであればよく、形状や大きさは種々選択することができる。導光板を保持する凹部を持ったケース状部材であるパッケージと兼用することや導光板の面上に加工することもできる。このような反射部材の材料としては、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂等の樹脂中にチタン酸バリウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化珪素、燐酸カルシュウム等の散乱材や白色顔料及び／又は染料などを含有させて形成させたものが好適に挙げられる。
【００４６】
また、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ等の反射率の高い金属膜を導光板上にメッキさせたり、スパッタリング法や真空蒸着法などにより形成させても良い。また、反射部材の表面は更なる混色性向上のために凹凸を設けて発光素子からの発光をより散乱させる構成としても良い。さらに、反射性と散乱性向上のために多層構成とすることも可能である。散乱性向上のためのガラス不織布上に金属コートしたものなども挙げられる。これら反射部材はアクリル系接着剤、シリコン樹脂やエポキシ樹脂等によって導光板に装着させることができる。
【００４７】
（色変換部７０６）
本発明の面状発光装置は、発光素子から発光された光をそのまま面状に発光させるほかに、色変換部によって発光素子からの光を種々の色に変換させたものを面状に発光させても良い。このような波長変換に用いられる色変換部としては、半導体発光層から発光された光を他の色に変換する蛍光物質が含有されたものが好適に用いられる。色変換部中の蛍光物質は、等方的に発光するため発光素子からの光をより均一化する働きをもする。
【００４８】
したがって、色変換部材は種々の形態をとることができる。具体的には、色変換部材を、ＬＥＤチップが積置される発光素子の支持体凹状開口部内に形成させてもよい。また、蛍光物質を樹脂中に含有させ導光板上に配置できるようシート状に形成させてもよい。この場合、導光板の主面上に配置させることもできるし、導光板と発光素子との間に配置させることもできる。蛍光物質が含有された色変換部材は、蛍光物質と樹脂などとの比率や塗布、充填量を種々調整することによって、任意の色調とすることができる。また、発光素子の発光波長を選択することにより色温度の高い白色系を含め電球色など任意の色を提供させることもできる。
【００４９】
具体的な色変換部材としては、発光素子からの光に対して光透過率が７０％以上を有するシート状ベースフィルムに蛍光物質を含有させた樹脂をロールコーターなどで塗布することなどにより形成させることができる。このようなベースフィルムとしては、透光性、耐熱性が高いポリカーボネートフィルムやポリエステルフィルムが好適に挙げられる。ベースフィルムは、より発光均一性を向上させるため屈折性の微粒子樹脂ビーズや透光性無機微粒子をコーティングしたもの、さらには上記フィルムをエンボス加工したものなどが好適に用いられる。蛍光物質と共に白色顔料を含有させてより均一な白色表示を得ることもできる。
【００５０】
ベースフィルム上に比較的硬質な無機蛍光体を塗布する場合、塗布面を導光板と反対に配置することが好ましい。これにより、面状発光装置の形成時に導光板表面が傷つくことを防ぐことができる。
【００５１】
色変換部材に含有される具体的な蛍光物質としては、発光素子の発光波長を効率よく吸収し所望の発光波長を発光するものとして有機蛍光物質、無機蛍光物質など種々のものが挙げられる。窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子などからの高輝度青色系の発光波長を効率よく吸収し黄色系を発光する蛍光物質としては、ペリレン系誘導体やセリウム付活イットリウム・ガドリ・アルミニウムなどの（Ｒｅ_1-xＳｍ_X）₃（Ａｌ_1-yＧａ_y）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ蛍光物質（但し、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａからなる群より選択される少なくとも一種の元素）などが好適に用いられる。特に、セリウム付活ＹＡＧ系の蛍光物質は、ＬＥＤチップと近接して配置しても耐光性が強いためより好ましい。
（光学部材７００）
光学部材７００は面状発光装置７０５からの光を透過させるものであり、その透過を制御することにより種々の情報を表示させるものである。光学部材７００は、各々がドット状に開閉する多数の光シヤッタを有している。具体的には、面状発光装置７０５の発光面状に配置させることができる液晶装置が挙げられる。
【００５２】
液晶装置は、液晶７０１をドットマトリックス状に電力が供給できるように配向処理させたＳｎＯ₂などの透明電極７０３を有する珪酸ガラスなどの透光性支持体７０２に挟み込んで形成される。液晶７０１をドットマトリックス状に駆動できるようそれぞれにトランジスタが形成された液晶装置などが好適に用いられる。なお、液晶装置の一対のガラス表面上にはそれぞれ偏光板７０４が設けられている。
【００５３】
面状発光装置７０５からの光がＲＧＢ成分を持ち且つ、光学部材７００上にＲＧＢに対応したフィルターを配置させる。或いは、各画素のＲＧＢごとの液晶をスイッチングさせることによりフルカラー表示させることができる。また、面状発光装置の発光をＲＧＢごとに時分割で表示させつつ液晶装置を駆動させることによってもフルカラー表示させることができる。以下、本発明の具体的実施例について詳述するが本発明がこれのみに限定されるものでないことは言うまでもない。
【００５４】
【実施例】
（実施例１）
導光板として、アクリル板を３５×３０ｍｍの長方形に切断し、アクリル板の短辺の隅に当たる部位を１箇所切り欠き面取りした。隅部には、約４ｍｍの接続端面（第１の辺）を形成させてある。アクリル板の切断端面を全て研磨した後、アクリル板の底面に拡散部として凹凸を形成させた。次に反射部材として厚さ０．２ｍｍで酸化チタンを含有させたアクリル樹脂板を導光板の主面及び発光素子が光学的に接続される接続端面（第１の辺）を除いた側面（第２及び第３の辺を含む）にそれぞれアクリル系樹脂を用いて接着させた。
【００５５】
一方、発光素子として発光ピークが４６０ｎｍのＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ半導体を用いた。ＬＥＤチップは、洗浄させたサファイヤ基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジュウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化ガリウム系化合物半導体を成膜させることにより形成させた。ドーパントガスとしてＳｉＨ₄とＣｐ₂Ｍｇと、を切り替えることによって形成させてある。ｎ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるコンタクト層と、ｐ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるクラッド層との間にＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎの活性層を形成しｐｎ接合を形成させた。（なお、サファイヤ基板上には低温で窒化ガリウム半導体を形成させバッファ層とさせてある。また、活性層は、量子効果を持たせるため厚さ約３ｎｍとしてある。さらに、ｐ型半導体は、成膜後４００℃以上でアニールさせてある。）エッチングによりｐ型、ｎ型各半導体のコンタクト層表面を露出させた後、スパッタリングにより各電極をそれぞれ形成させた。こうして出来上がった半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、外力により分割させＬＥＤチップを形成させた。
【００５６】
また、外部電極を内部に有する支持体をポリカーボネート樹脂に酸化珪素を含有させた樹脂を用いて圧縮成形により形成させる。支持体の開口部中にＬＥＤチップをエポキシ樹脂でダイボンドさせる。ＬＥＤチップの各電極と、支持体の配線とを金線によってワイヤーボンディングし電気的導通をとった。その後、ＬＥＤチップを保護する目的で透光性エポキシ樹脂によって支持体の凹部内を被覆し図４（Ｃ）に記載のチップタイプＬＥＤを発光素子として構成させた。発光素子は、図５の実線の如き指向特性を示した。
【００５７】
チップタイプＬＥＤの発光面に透光性アクリル系樹脂から構成された粘着テープを用いて導光板の隅部と光学的に密着させ図１に記載の面状発光装置を形成させた。これにより発光素子に電力を供給することで青色系の発光色を均一に発光させることができる。
【００５８】
次に、色変換部材の材料として（Ｙ_0.5Ｇｄ_0.5）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ蛍光物質８０重量部、アクリル樹脂９０重量部をよく混合したスリラーを用いる。このスリラーをアクリルベースのフィルム上にロールコーターを用いて塗布硬化させ、ベースフィルム上に厚さ１２０μの色変換部材を形成させた。導光板の主面上に蛍光物質と導光板が直接接しないように色変換部材を配置させ白色系が発光可能な面状発光装置を形成させた。こうしてできた面状発光装置に電源を接続したところ主面側から均一な面状白色発光が得られた。
【００５９】
こうして得られた白色系が発光可能な面状発光装置の平均色度点、色温度、演色性指数をそれぞれ測定した。それぞれ、色度点（ｘ＝０．３０３、ｙ＝０．２９１、色温度８０８５Ｋ、Ｒａ（演色性指数）＝８７．３と三波長型蛍光灯に近い性能を示した。さらに、均一性を測定するため図１の円部１０５の如き９点における輝度をそれぞれ測定した。ＴＯＰＣＯＮ社製のＢＭ−７を用いて測定角２０で測定した。平均輝度は１３５ｃｄ／ｍ²であった。
【００６０】
（比較例１）
図６の如く導光板の短辺に発光素子であるチップタイプＬＥＤを接着させ、チップタイプＬＥＤが光学的に接続された部位及び主面以外を反射部で被覆した以外は実施例１と同様にして面状発光装置を形成させた。
【００６１】
こうしてできた面状発光装置に実施例１と同様に電源を接続しバックライト用光源としたところ、発光素子近傍において約１００°の指向性を持った放射状に明るい発光部が形成された。発光面状では、明るい部位と暗い部位とで色むらが形成されていた。実施例１と同様の各点における輝度を測定し、実施例１と共に
表１に示した。表の結果より、実施例１は、比較例１よりも平均輝度が高く各点における輝度むらも極めて少なくなった。なお、表に示された番号は、各測定点における番号を示す。
【００６２】
（実施例２）
導光板として、アクリル板を３５×３０ｍｍの長方形に切断し、アクリル板の短辺の隅に当たる部位を２箇所（第１の隅部、第２の隅部）切り欠き面取りした。隅部には、約３ｍｍの接続端面（それぞれ第１の辺に相当）を形成させてある。アクリル板の切断端面を全て研磨した後、アクリル板の底面に拡散部として凹凸を形成させた。次に反射部材として厚さ０．２ｍｍで酸化チタンを含有させたアクリル樹脂板を導光板の主面及び発光素子が光学的に接続される接続端面（第１の辺）を除いた側面（それぞれ第２及び第３の辺に相当を含む）にそれぞれアクリル系樹脂を用いて接着させた。
【００６３】
一方、第１の隅部には、青色が発光可能な発光素子を用いた。発光素子は、サファイヤ基板上に活性層としてＩｎＧａＮ半導体を形成させたＬＥＤチップである。第２の隅部には、黄色が発光可能な発光素子を用いた。発光素子は、ＧａＰ基板上に活性層としてＡｌＩｎＧａＰ半導体を形成させたＬＥＤチップである。
【００６４】
また、外部電極を内部に有する支持体をポリカーボネート樹脂に酸化珪素を含有させた樹脂を用いて圧縮成形により形成させる。支持体の開口部中にＬＥＤチップをそれぞれＡｇ含有のエポキシ樹脂でダイボンドさせる。ＬＥＤチップの各電極と、支持体の配線とを金線によってそれぞれワイヤーボンディングした。その後、ＬＥＤチップを保護する目的で透光性エポキシ樹脂によって支持体の凹部内を被覆しチップタイプＬＥＤを発光素子として構成させた。
【００６５】
青色が発光可能なチップタイプＬＥＤ及び黄色が発光可能なＬＥＤチップの発光面に透光性アクリル系樹脂から構成された粘着テープを用いて導光板の隅部と光学的に密着させ面状発光装置を形成させた。これにより青色が発光可能なＬＥＤチップに電力を供給することで青色系の発光色を比較的均一に面発光させることができる。また、黄色が発光可能なＬＥＤチップに電力を供給することにより黄色系の発光色を比較的均一に面発光させることができる。さらに、青色が発光可能なＬＥＤチップ及び黄色が発光可能なＬＥＤチップともに電力を供給することにより主面側から均一な面状白色発光が得られた。ＬＥＤチップに供給される電力を種々制御することにより面状発光装置から放出される発光色を種々変更させることができる。
【００６６】
（実施例３）
導光板として、アクリル板を３５×３０ｍｍの長方形に切断し、アクリル板の短辺の隅に当たる部位を１箇所切り欠き面取りした。隅部には、約５ｍｍの接続端面（第１の辺）を形成させてある。アクリル板の切断端面を全て研磨した後、アクリル板の底面に拡散部として凹凸を形成させた。次に反射部材として酸化チタンを含有させたアクリル樹脂をインサート成形させた。成形されたパッケージングには、導光板の主面及び発光素子が光学的に接続される接続端面（第１の辺）に開口部を持っている。アクリル板をパッケージ内にはめ込むことで接続端面からの光を面状にすることができる。
【００６７】
一方、第１の辺には、青色、赤色、緑色がそれぞれ発光可能な発光素子を用いた。青色及び緑色の発光素子は、サファイヤ基板上に活性層としてＩｎＧａＮ半導体を形成させたＬＥＤチップである。発光色により発光層に含有されるＩｎの組成を変えてある。赤色が発光可能な発光素子は、ＧａＰ基板上に活性層としてＡｌＩｎＧａＰ半導体を形成させたＬＥＤチップである。
【００６８】
マウント・リードの凹部内に各ＬＥＤチップを配置させた後、それぞれ金線やＡｇペーストを用いてインナー・リードやマウント・リードと電気的に接続させた。各ＬＥＤチップは、リードに供給する電力によりそれぞれが発光可能とさせた。ＬＥＤチップが配置されたマウント・リードやインナー・リードをエポキシ樹脂でモールドすることにより多色発光ダイオードを形成させた。
【００６９】
多色発光ダイオードを第１の隅部となるパッケージ内にはめ込んだ。はめ込まれた発光ダイオードは、導光板の第１の辺と光学的に接続され面状発光装置を形成させることができる。
【００７０】
面状発光装置の発光面上に光学部材として液晶装置を配置させた。液晶装置を全て透過可能な状態にさせつつ、面状発光装置の各ＬＥＤチップに電力を供給することで白色光を比較的均一に面発光させることができる。液晶装置を駆動させ所望のフルカラー表示とすることもできる。また、各ＬＥＤチップに供給される電力を種々制御することにより、液晶装置を駆動させ画像表示しつつ液晶装置から放出される発光色を種々変更させることができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、点光源である発光素子の指向角に合わせ発光強度の少ない部位を補償するように導光板の特定部位に発光素子を配置させてある。そのため局所的な発光強度が少ない部位が形成されず発光強度の均一性をより向上させると共に有効な発光面積を増大させることができる。また、高輝度で均一性及び混色性の優れた小型化可能な面状発光装置とすることができる。さらに、点光源である発光素子からの光が均一に形成され易いため、導光板などに切り欠き部（シボ加工）や所望の反射パターンを形成させるドットパターンである拡散部の配置設計を極めて容易にさせることができる。
【００７２】
本発明の他の構成とすることによって、より均一に面状に発光できる面状発光装置とすることができる。
【００７３】
本発明の他の構成とすることによって、より高輝度且つ均一に面状に発光することができる。
【００７４】
本発明の他の構成とすることによって、一種類の発光ダイオードを用いて白色系など種々の色を発光させることができる。
【００７５】
本発明の他の構成とすることにより、色変換部材による発光観測面側における着色がない面状発光装置とすることができる。特に、発光素子から指向特性自体をより均一なものとして面発光させることにより色変換部材を用いた場合における色むらなどをより少なくすることができる。
【００７６】
本発明の他の構成とすることにより、異なる発光色が可能な面状発光装置とすることができる。
【００７７】
本発明の他の構成とすることにより、より高輝度且つ均一な表示が可能なディスプレイ装置とすることができる。
【００７８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の面状発光装置を示す模式的正面図である。
【図２】本発明の別の面状発光装置を示す模式的正面図である。
【図３】図３は、本発明の面状発光装置に用いられるチップタイプＬＥＤの発光面を示し、図３（Ａ）は、ＬＥＤチップの端面を支持体の端面と平行にしたチップタイプＬＥＤであり、図３（Ｂ）は、ＬＥＤチップの対角線を支持体の端面と平行にしたチップタイプＬＥＤを示す。
【図４】本発明の面状発光装置に用いられる別のチップタイプＬＥＤの発光面を示し、図４（Ｃ）は、ＬＥＤチップの対角線を支持体の端面と垂直にしたチップタイプＬＥＤであり、図４（Ｄ）は、別のＬＥＤチップを用いたチップタイプＬＥＤを示す。
【図５】図３（Ａ）及び図４（Ｃ）の指向特性を示し、実線が図４（Ｃ）の指向特性であり、破線が図３（Ａ）の指向特性を示す。
【図６】本発明と比較のために示した面状発光装置の模式的正面図である。
【符号の説明】
１０１、２０１・・・導光板
１０２、２０２・・・導光板の第１の辺に光学的に接続された発光素子
１０３、２０３・・・導光板の側面に配置された反射部材
１０５・・・面状発光装置の輝度測定部
２０４・・・導光板の裏面に配置された反射部材
３０１・・・チップタイプＬＥＤの支持体
３０２・・・支持体内に配された外部電極
３０３・・・導電性ワイヤー
３０４・・・ＬＥＤチップの発光部
３０５・・・導光板の発光観測面と略平行に強発光するよう配置されたＬＥＤチップの発光部
３０６、３０７・・・導光板の発光観測面と略平行に均一に強発光するよう配置されたＬＥＤチップの発光部
６０１・・・導光板の第１の辺
６０２・・・導光板の第２の辺
６０３・・・導光板の第３の辺
６０４・・・発光素子からの輝度が一定な部位を導光板上に示した模式的ライン
７００・・・光学部材
７０１・・・液晶
７０２・・・ガラス
７０３・・・透明電極
７０４・・・偏光板
７０５・・・面状発光装置
７０６・・・色変換部材
８０１・・・導光板上に配置された色変換部材
８０２・・・導光板に光学的に接続されたチップタイプＬＥＤ
８０３・・・導光板の側面に配置された反射部材
８０５・・・面状発光装置の輝度測定部
【表１】

但し、単位は全てｃｄ／ｍ²である。

Claims

透光性を有する導光板と、該導光板の端面に光学的に接続された少なくとも１つの発光素子とを有する面状発光装置であって、
前記導光板は発光観測面側から見て略正方形であり、
前記発光素子は、前記導光板の発光観測面側から見て導光板の主面を構成する隣接する辺である第２の辺と第３の辺とが交わる角を面取りした第１の辺を含む接続端面で光学的に接続され、
前記第２の辺及び前記第３の辺の延長線が交わる角を通り、かつ前記接続端面と平行な中央線に沿って、前記発光素子の発光部の形状を実質的に対称に配置してなることを特徴とする面状発光装置。
前記発光素子は青色が発光可能な窒化物半導体からなるＬＥＤチップと、蛍光物質が含有された色変換部材とを有する請求項１に記載の面状発光装置。
請求項１または請求項２に記載の面状発光装置上に、各々がドット状に開閉する多数の光シャッタを有する光学部材を有することを特徴とするディスプレイ装置。