JP4453492B2 - 面状光源およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、チャネルレターやコンピュータ、ワードプロセッサ、テレビジョン等の画像表示に用いる液晶表示素子のバックライト光源などに利用される光拡散フィルムを有する面状光源に係り、特に高輝度化と均一発光及び高混色性を高度にバランスをとった面状光源に関する。

近年、バックライト光源を有する液晶表示装置が携帯電子機器や各種画像表示機器に利用され始めている。液晶表示装置は、偏光板と液晶セル及びバックライトから構成されている。現在主流であるＴＮモードＴＦＴ液晶表示装置においては、光学補償フィルムを偏光板と液晶セルの間に挿入し、背面からバックライトの光を照射して表示品位の高い液晶表示装置が実現されている。このような液晶表示装置を用いた表示機器は大型化の傾向が強まり低消費電力と長寿命を考慮して、高輝度化が急速に進んでいる発光ダイオードをバックライトの光源として利用され始めようとしている。

例えば、ＲＧＢ（赤色、緑色及び青色）が発光可能な発光ダイオードを面状に形成され内部が反射性を有する筐体にそれぞれ個々に配置させ、点光源である発光ダイオードからの光を液晶表示装置のバックライトとして利用させることができる。点光源である発光ダイオードを面状にさせるためには、筐体内に配置させた発光ダイオード上に拡散フィルムを配置させる。ＲＧＢの発光ダイオードは電流量等を多し、高輝度に発光させることで大型化の傾向にある表示機器に対応することができる。

しかし、高輝度化のために電流量等を増やすにつれ発光ダイオードから放出される熱を効率よく放出する必要がある。ＲＧＢの発光ダイオードは個別に配置すると放熱性を向上させることができるものの、発光ダイオード自身が点光源であるためバックライトして面状に均一発光させることが難しいだけではなく、輝点となる。ＬＥＤはこの輝点をなくし均一発光に近づけるためには、拡散剤が多量に入った厚膜の光拡散シートをバックライト全面に配置させるか、拡散剤含有の光拡散シートをバックライト光源から距離をおいて配置させる必要がある。他方、このような拡散剤を配置させるか距離を離間させると光の利用効率が極端に低下するとのトレードオフの関係にある。
例えば、発光ダイオードと拡散フィルムとの距離が４０ｃｍ以上の距離をとらざるを得ず薄型の面状光源とすることが難しい。したがって、更なる特性改善が求められる現在においては十分ではない。

このように本発明と比較のために示した面状光源では、輝度むらや色むらを低減させようとすると面状光源自身の厚みが大きくなるか発光ダイオードの輝度を十分に向上させることができない。本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、大型化可能且つ薄型で、輝度むら及び色むらを低減させた面状光源を提供するものである。

本発明は筐体内に、少なくとも第一の発光色を発光する第一の発光素子と、第一の発光色とは異なる第二の発光色を発光する第二の発光素子を有するバックライトと、該バックライト上に配してなる光拡散フィルムとを有する面状光源であって、光拡散フィルムはバックライトと対向する第一の面側にハーフミラーと、バックライトと反対側の第二の面側に光拡散層とを有する面状光源である。
この構成により、複数種の発光ダイオードが分離して配置されていても、発光ダイオードからの直接光の一部がハーフミラーで反射され、筐体で反射、混色された光としてを再び光拡散層側に提供することが可能になる。従って、各発光ダイオードの明るさを、維持したまま全体として色、明るさが均一に変化する面状光源を得ることができる。また、外光からの光を拡散層を介して反射吸収させることができるため、液晶表示装置の下に配置させた場合には視野角特性を向上させることができるという効果も奏する。なお、発光素子が少なくとも３種類であって補色によって白色が発光可能な発光ダイオードとすることでモノカラー、マルチカラー及びフルカラー表示可能とできることはいうまでもない。さらに、フィルムの物理強度が向上し浪打を低減させることができる。本発明の面状光源では、光拡散フィルムの表面に偏向フィルムを有する。接着剤を介して偏向フィルムを形成させることで液晶表示装置においては更に光利用率を向上させると共に薄型化に貢献させることができる。

本発明の面状光源では、光拡散フィルムの光拡散層は樹脂中に針状、フィラー状の拡散剤が含有されている面状光源である。これによって、光拡散フィルムに含有される透光性の樹脂内部の散乱効果により拡散されればされるほど、視野角特性は良くなる。特に、ハーフミラーを透過した光が層状に光が広がる傾向にあるため、点状光源である発光ダイオードの輝度ムラ色むらにおいて顕著な効果を奏する。さらに、本発明においては拡散層の裏面側にハーフミラーがあるため、後方散乱を抑制し、正面輝度の低下を抑制し、液晶表示装置を用いた場合には画像鮮明性の劣化（画像の呆け）を抑制することもできる。

本発明の面状光源は、光拡散フィルムのハーフミラーが部分的に開口部を有する穴あきミラーである。これによって、輝度ムラ及び色むらを抑制しつつ更に正面輝度を向上させることができる。

本発明の面状光源は、光拡散フィルムの光拡散層またはハーフミラー表面が凹凸を有する。これによって、光拡散層の拡散層側表面に適度な凹凸を設け、外光を表面散乱させる効果により外光の写り込みを抑えることができる。他方、ハーフミラー側に凹凸を設けることで色むら及び輝度ムラを更に低減させることができる。

以上説明したように本発明は、各発光ダイオードが発する光の一部を反射させるミラーを設け、発散した光を前面に放出することで、均一に混色した発光面を得ることができ、高輝度且つ均一な薄型可能な面状光源が得られるという優れた効果を有するものである。

以下、本発明の光拡散フィルム を用いた面状光源について詳細に説明する。 本発明の作用は詳細には定かではないが、発光ダイオードからの光をハーフミラーで一部反射させることによって再度筐体内に光を反射させることによって混色性を向上させると共に透過光をそのまま光拡散層によって拡散させることによって、輝度ムラ及び色むらを低減しつつ光の利用効率を向上させることができると考えられる。
（光拡散フィルムのハーフミラー）
本発明のハーフミラーは混色性を向上させるためには透過率５０％以上が好ましく、輝度の低下を抑制させつつ混色性を向上させるために、より好ましくは透過率が７０％以上であり、更に好ましくは透過率が９０％以上である。このようなハーフミラーは樹脂中に拡散剤が含有された拡散層上にＡｇ、Ａｌ、ＡｕやＲｈなどの金属をスパッタ法や蒸着法などによって形成させることができる。なお、穴あきミラーにする場合は、ハーフミラー形成後エッチングによって形成することができる。穴の開口部はＬＥＤの直下でなければハーフミラーといっても反射率をさらに上げて輝度ムラをさらに低減させることもできる。穴の形状や大きさも発光ダイオードの数や配置によって適宜調整することができる。
（光拡散フィルムの凹凸）
また視認性の観点から、光拡散層の拡散層側表面に適度な凹凸を設け、外光を表面散乱させる効果により外光の写り込みを抑えることができる。他方、ハーフミラー側に凹凸を設けることで色むら及び輝度ムラを更に低減させることができる。光拡散フィルム の表面凹凸を制御するには、透光性樹脂微粒子の塗布液溶剤による膨潤での体積増加率制御したり、拡散層自体の形成時に凹凸の形成された金型でプレスしたりして形成することができる。
（拡散層の拡散剤）
拡散層内に使用する拡散剤としては、アクリル−スチレン共重合体粒子、ポリスチレン粒子、アクリル樹脂粒子、ジビニルベンゼン粒子等の有機物や酸化チタン、酸化ケイ素、タルクなどの無機物を利用することができる。有機物の場合は、重合性モノマーおよび架橋剤の乳化重合、ソープフリー重合、懸濁重合、シード重合、二段階膨潤重合、分散重合法等で得られる重合体からなる架橋樹脂を好適に利用できる。
（拡散層の樹脂）
拡散層の樹脂は光拡散フィルムのベースともなり得るし、ベース樹脂上に形成させても良い。内部に拡散剤が含有されるものであり好適には約５０μｍから４００μｍ、量産性を考慮してより好ましくは約９０μｍ１５０μｍである。また、ベース樹脂材料としては、ポリエステルやポリカーボネート樹脂が好適に利用できる。ベース樹脂上に拡散層を形成させる場合は、ポリエステル（PET）樹脂上に拡散剤をスクリーン印刷（設備が比較的に簡単に作れ小型少量多品種に向いているスクリーン印刷法や。機材の厚みに関わらず拡散剤の膜厚を一定にすることができるリバースコーティング法、拡散シートの膜厚制御が簡単なトップコーティング法で形成させることができる。
（発光素子）
発光素子は、ＧＢ（緑色や青色）などが発光可能な発光ダイオードとして利用する場合は、窒化ガリウム系化合物半導体が好適に上げられる。窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子は、ＭＯＣＶＤ法等により基板上にＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体を発光層として形成することにより作製される。発光素子の構造としては、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ヘテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を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程度に薄く形成した単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。

窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の材料が用いることができるが、結晶性の良い窒化ガリウムを形成させるためにはＧａＮ基板を用いることが好ましいが、コスト及び量産性の点からは現在のところサファイヤ基板やシリコン基板を用いることが多い。このサファイヤ基坂上などにＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等のバッファー層を介してｐｎ接合を形成するように窒化ガリウム半導体層を形成する。窒化ガリウム系半導体は、不純物をドーブしない状態でｎ型導電性を示すが、発光効率を向上させるなど所望の特性（キャリヤ濃度等）のｎ型窒化ガリウム半導体を形成するためには、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜ドープすることが好ましい。一方、ｐ型窒化ガリウム半導体を形成する場合は、ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープする。尚、窒化ガリウム系化合物半導体は、ｐ型ドーパントをドーブしただけではｐ型化しにくいため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型及びＮ型の窒化ガリウム半導体の表面を露出させた後、各半導体層上にスバ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する。

次に、以上のようにして形成された半導体ウエハー等を、ダイシングソーにより直接フルカットする方法、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方法、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る方法等を用いて、半導体ウエハーを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からなる発光素子を形成することができる。
このような発光素子をリード電極が形成された樹脂パッケージ内にダイボンドしワイヤーボンディングによりリード電極とワイヤーとを電気的に接続させることによって発光素子としてＳＭＤ型の発光ダイオードを形成させることができる。なお、凹部を有するパッケージだけでなく、キャビティを持たない発光ダイオードとしても利用できる。光の拡散性、小型化及び実装製については、ＳＭＤ型発光ダイオードを好適に利用できるが、これのみに限られない。赤色のＬＥＤについては同様にＭＯＣＶＤ法やＭＯＶＥＰ法などを用いて、ＧａＰ、ＧａＡｌＰ、ＧａＡｌＩｎＰなどの材料で形成させることができる。
本発明において第一の発光素子を青色、第二の発光素子を緑色、第三の発光素子を赤色とすることでフルカラーの液晶表示装置を構成することができるがこれのみに限られない。
（筐体）
本発明の筐体はバックライトを構成する一部であり、内部に発光素子を配置させると共に電気的に接続させられればよい。本発明のハーフミラーの効果をより向上させるためには筐体はエポキシ樹脂中に拡散剤が混入されたパッケージなどが好適に利用することができる。本発明の光拡散フィルムを配置させる場合は、光拡散フィルムの支持体としてアクリル樹脂を筐体の上面に配置させてもよいし、アクリル樹脂を導光板として利用することも可能である。

以下、本発明の実施例を説明するが、これのみ限られないことは言うまでもない。図１は本発明の一実施例であるＲＧＢの各発光ダイオードを用いた面状光源の模式的断面図である。本発明実施例の面状光源は、ＲＧＢの発光ダイオードを各ワンセットとして、それぞれ表面実装型の発光ダイオードを直下型バックライトとしてチタン酸バリウムが含有された樹脂からなる筐体内に配置させると共に電気的に接続させてある。筐体の上部にはアクリル樹脂の支持体を配置させてその上に光拡散シートを配置させる。発光ダイオードからのアクリル板上面との距離は約２２ｃｍで形成させてある。光拡散シートは厚さ１００μｍのポリエステル樹脂上にリバースコーティングを用いて針状酸化ケイ素含有樹脂を拡散層として塗布硬化して形成させる。他方、このシートの拡散層が形成されていない面側にロールtoロールでＡｌ蒸着膜を形成させる。バックライトを構成する透光性アクリル板上に光拡散フィルムを配置させることによって本発明の面状光源を構成できる。

以上に述べたように 本発明は、チャネルレターやコンピュータ、ワードプロセッサ、テレビジョン等の画像表示に用いる液晶表示素子のバックライト光源などに利用される面状光源として利用できる。

本発明の一実施例である発光ダイオードを用いた面状光源の模式的断面図

符号の説明

１・・・ハーフミラー
２・・・拡散層を有する光拡散フィルム
３・・・光散乱フィルムを支持するアクリル板
４・・・赤色が発光可能な表面実装型発光ダイオード
５・・・緑色が発光可能な表面実装型発光ダイオード
６・・・青色が発光可能な表面実装型発光ダイオード
７・・・筐体

Claims (4)

1. 少なくとも第一の色を発光する第一の発光素子と、前記第一の色とは異なる第二の色を発光する第二の発光素子とが筐体内に配置されてなるバックライトと、そのバックライトの上に配置された光拡散フィルムと、を備えた面状光源であって、
   前記光拡散フィルムは、前記バックライトに向かい合う第一の面に、金属を材料とするハーフミラーと、前記バックライトの反対側の第二の面の側に、光拡散層とを有しており、
   前記ハーフミラーは、前記金属の一部が除去されてなる開口部を有し、その開口部の直下に前記第一の発光素子および前記第二の発光素子が配置されていないことを特徴とする面状光源。
2. 前記光拡散層は、針状またはフィラー状の拡散剤が含有された樹脂により構成されている請求項１に記載の面状光源。
3. 前記光拡散層または前記ハーフミラーの表面は、凹凸を有する請求項１または２に記載の面状光源。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の面状光源の製造方法であって、
   樹脂に拡散剤が含有されてなる拡散層の上に、Ａｇ、Ａｌ、ＡｕまたはＲｈから選択された少なくとも一種を含む金属をスパッタまたは蒸着することにより前記ハーフミラーを形成した後、
   前記ハーフミラーの一部をエッチングで除去することにより前記開口部を形成する工程を有することを特徴とする面状光源の製造方法。

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