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JP7764703B2 - マイクロled表示装置 - Google Patents
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JP7764703B2 - マイクロled表示装置 - Google Patents

マイクロled表示装置

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Description

本発明は、マイクロLED表示装置に関する。更に詳しくは、マイクロLED表示装置の隔壁構造に関する。
表示装置として、有機エレクトロルミネセンス表示装置(以下、有機EL)が知られているが、有機EL層の発光効率が低いこと、また、発光が経時的に変化すること、寿命が短いこと、電流量を大きくすると焼き付きが生じやすいこと等の問題がある。最近では、モバイル機器の薄型化に貢献する表示装置として、無機材料で構成されるLEDを用いた表示装置(LEDディスプレイ)が期待されている。LEDは、有機ELより発光効率が高く、また、発光輝度を電流量で調整しやすい(より明るい表示ができる)ため、その注目度が向上している。
近年、およそ5μmから200μmサイズのLEDチップをマトリクス状に複数並べた構成を有するミニLEDと呼称される直下型のバックライトを液晶表示装置に用いる技術が注目されている。ミニLEDでは、赤色発光、緑色発光、青色発光の3種類のLEDチップを用いてフルカラーとする方式や、RGB色の波長成分を含む白色光を発光するLEDチップを光源として、さらにカラーフィルタを用いて素子ごとにRGB色に色分解することでフルカラーとする方式がある。
近年、光源としてマイクロLEDチップを採用した表示装置は、複数のLEDチップの各々を個別駆動することによって表示を行うため、液晶シャッターを用いることなく表示を行うことができるため注目されている。
そして、マイクロLED表示装置においては、発光ダイオードを含む発光素子は点光源であるため、発光輝度の分布が広くなっている。このため、発光素子から放たれた光の一部が隣接画素に迷光として入り込むことがあり、これが混色となって色再現性を低下させる原因となっているため、隣接する素子側へ光が入らないように隣接する発光素子との間に隔壁を設けることが多い(特許文献1参照)。
しかし、従来提案されている隔壁は壁面が垂直面あるいは、一定の角度で傾いた斜面からなることが多く、隔壁で反射される光は、直線的に反射されるので、表示装置を観察する側からは、特定の角度の光が強調されるため、見る角度により明るさの違いとなって見えることがあった。
特許公開2015-216104号公報
上記の事情に鑑み、本発明は見る角度が変わっても均一な明るさの映像となるマイクロLED表示装置を提供する事を課題とする。
上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項1に記載の発明は、少なくとも、
基板上にグリッド状に配置された複数のLED素子と、前記複数のLED素子の個々を
仕切る隔壁とを有するマイクロLED表示装置であって、前記隔壁の側壁面が球面状となっていることを特徴とするマイクロLED表示装置である。
また、請求項2に記載の発明は、前記側壁面の表面に拡散反射層が形成されている事を特徴とする請求項1に記載のマイクロLED表示装置である。
また、請求項3に記載の発明は、前記隔壁と前記LED素子を有する基板の表面の前記隔壁と前記LED素子の間に拡散反射層が形成されている事を特徴とする請求項2に記載のマイクロLED表示装置である。
また、請求項4に記載の発明は、前記複数のLED素子が、赤色、緑色、青色のいずれかを発光することを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のマイクロLED表示装置である。
また、請求項5に記載の発明は、前記複数のLED素子が、白色光を発光するLED素子であって、前記側壁上にカラーフィルタ基板を備えることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のマイクロLED表示装置である。
また、請求項6に記載の発明は、前記遮光性材料層が黒色感光性樹脂層である事を特徴とする請求項1~5のいずれかに記載のマイクロLED表示装置である。
本発明のマイクロLED表示装置によれば、球面状の側壁により、LED素子から放射される光がキャビティ内で散乱された拡散光となって光が放射されるため、観察者の見る角度に依存せずに安定した表示画質が得られる。
本発明のマイクロLED表示装置の第一の実施形態における隔壁に(a)拡散反射層なし、(b)拡散反射層あり、の状態の断面構造を示した説明図。 本発明のマイクロLED表示装置の第二の実施形態における(a)拡散反射層なし、(b)拡散反射層あり、それぞれの断面構造を示した説明図。 本発明のマイクロLED表示装置の第一の実施形態の製造工程を示すフロー図。 本発明のマイクロLED表示装置の第二の実施形態の製造工程を示すフロー図。
<マイクロLED表示装置>
(第一の実施形態)
本発明のマイクロLED表示装置の隔壁の第一の実施形態について、図1(a)を用いて説明する。
本発明のマイクロLED表示装置の隔壁の第一の実施形態の10-1のは、複数のLEDチップがXYマトリクス状に実装された基板1上の各LEDチップ3を、LEDチップ3を含む基板1上に形成した遮光性材料層4に形成したキャビティ5の底面8に配置したマイクロLED表示装置10である。
LEDチップとして、それぞれ異なる発光色を備えたLEDチップ3-1、3-2、3-3を基板1上に実装した。
また、図示しないが、LEDチップ3-1、3-2、3-3を青色または紫外線域にピークを有する1種類のLED素子とし、さらにキャビティ5に赤または緑色に波長変換する材料や、青色カラーフィルタ材料を充填する構造により赤色光、緑色光、青色光を得る方
法を用いてもよい。
キャビティ5は、底面8と側壁面9からなる球面状の壁面を有する空間から成る。(空間とキャビティ5は同じである為、以後、空間5とも記載する。)底面8には、基板1が露出していても良いし、露出していなくても構わない。
空間5の底面8とは反対側には、LEDチップ3から発せられた光が空間5の外部に出射可能な開口部6が備えられている。
キャビティ5の平面視における中心を通る切断線(図示省略)による断面において、キャビティ5の側壁面9の表面が形成する曲線が、キャビティ5の外側に凸な曲線である事が特徴である。例えば、図1(a)に例示した様に、ほぼ球形をした空洞や、直方体の側壁面9が外側に膨らんだ様な空洞、が該当するが、空洞の側壁面が外側に膨らんだ形態であれば、そのほかのいかなる立体的な空洞であっても構わない。その様な立体的な空洞の側壁面の表面が、面視における中心を通る切断線による断面において、形成する曲線は、すべて外側に凸である曲線を形成する。
例えば、キャビティ5の側壁面9の断面が、逆テーパ状となった空間(開口部6の開口寸法が小さく、キャビティ5の底面8に向かって空洞の幅が広がっている空間)を形成している場合が該当する。LEDチップ3がその様な空間5の底部8に配置される事によって、LEDチップ3から出射される光のうち、基板1の表面に平行な方向の成分を効果的に遮光する事が可能となる。
また、キャビティ5の側壁面9の断面が、逆テーパ状ではなく、図1(a)に例示した様に、テーパ形状の上に逆テーパ形状を組み合わせた形状であっても良い。これは、断面において、基板1側と基板1側とは反対側(底面8側)において、隔壁2の幅が、開口部6においては広く、開口部6から底面8に近くなるにつれて狭くなる。開口部6と底面8の中間点で隔壁2の幅が最も狭くなり、中間点を過ぎると再び広くなる形状である。この様な形態においては、キャビティ5の側壁面9の表面が形成する曲線が、隔壁2側に凸な曲線となっていれば良い。例えば、円周の一部である円弧であっても良い(空洞が球である場合)し、非球面の断面が形成する曲線であっても良い。
以上の様に、隔壁2の断面形状が逆テーパ形状となっている為、LEDチップ3から様々な方向に向かって出射した光のうち、基板1の表面に平行な方向に近い角度に出射した光ほど、開口部6から外に出にくくなり、開口部6によって遮光される。例えば、開口部6側に向かう方向に出射した光は、一度は側壁面9で開口部6に向かう方向に反射しても、凹面鏡の様な構造によって、開口部6に向かって反射を続ける事ができない。反射を繰り返す事で光の強度は減衰する。側壁面9が黒色である場合は、反射せずに吸収される。その為、基板1の平面と平行な成分を少なくする事ができ、光の輝度ムラや色ムラの抑制する事ができる。一方、隔壁2の断面形状がテーパ形状である場合は、LEDチップ3から出射した光のうち、側壁面9で反射した光は、そのまま外部に向かって開口部6から出て行く。その為、基板1の平面と平行な成分を少なくする事ができない。隔壁2の断面形状が円筒状であっても同様である。
(第二の実施形態)
次に、本発明のマイクロLED表示装置の第二の実施形態について、図1(b)を用いて説明する。
本発明のマイクロLED表示装置10-2の第二の実施形態と、第一の実施形態におけるマイクロLED表示装置10-1と、の相違点は、第二の実施形態におけるキャビティ
5の側壁面9の表面に、拡散反射層7が形成されている点である。
拡散反射層7が形成されている事により、開口部6から出射される光の強度を高める事ができる。
拡散反射層7は、光散乱性の白色層からなり、入射した光を可視光線領域で80%以上の高い反射率で反射し、散乱させる事ができる表面を備えた層である事が好ましい。
拡散反射層7とする材料としては、各種の白色顔料を含有するものであることが望ましい。白色顔料としては、光散乱性のあるものであれば、特に限定されるものではないが、亜鉛華(酸化亜鉛)、硫酸バリウム、リトポン(硫酸バリウムBASO4と硫化亜鉛ZnSとの混合物)、チタンホワイト(酸化チタン(IV))などが好適に用いられる。そして、この白色顔料を、溶剤、バインダー、分散剤、平滑化剤等と混合し、白色顔料を均一に分散するように調製された白色塗料を用いてキャビティ5の内壁に光反射層7を形成する。
拡散反射層7を形成する方法としては、図1(a)および図2(a)に示した基板の隔壁の平坦な面とLED3-1からLED3-3の表面を薄膜の樹脂等でマスクしたうえで、上記した白色塗料をノズルから噴射して塗布するスプレーコート方式が好適である。
(第三の実施形態)
次に、本発明のマイクロLED表示装置の第三の実施形態について、図2(a)を用いて説明する。
本発明の第三の実施形態におけるマイクロLED表示装置10-3と、第一の実施形態におけるマイクロLED表示装置10-1と、の相違点は、第三の実施形態におけるマイクロLED表示装置10-3には、平坦化層11が備えられている点である。
具体的には、以下に説明する。
複数のLEDチップ3がXYマトリクス状に実装された基板1上の各LEDチップ3を、LEDチップ3を含む基板上1に形成した遮光性材料層4に形成したキャビティ5の底面8に配置したマイクロLED表示装置10-3である。
基板1上の各LEDチップ3からなる凸部は、その基板1上に形成された平坦化層11により平坦化されている。LEDチップ3の厚みは、150μm前後の厚さを有している場合がある。その為、基板1の表面から150μm前後の高さを持つ凸部または突起部となっている場合がある。
その様な高さの突起部を備えた基板1上に、そのまま遮光性材料層4を形成する事は困難である。即ち、例えば、厚さが200μm程度の遮光性材料層4を形成する事は不可能ではないが、例えば、黒色感光性樹脂を用いた場合は、厚さが厚過ぎる為、正常にパターニングする事は不可能である。その為、まず基板1上の各LEDチップ3からなる突起を平坦化樹脂11により平坦化する。平坦化樹脂11は、感光性または非感光性の透明な樹脂を用いる事ができる。非感光性透明樹脂を用いる場合は、各LEDチップ3が埋まるように平坦化樹脂11層を設けた後、平坦化を行えば良い。感光性透明樹脂を用いる場合は、塗布条件と露光条件と現像条件を調整する事により平坦化を達成する事ができる。また、露光条件によれば、各LEDチップ3の部分のみ平坦化樹脂11層を薄くすることができるので、より高さのある隔壁2とすることが可能である。
基板1上のLEDチップ3の上面と、平坦化樹脂11層の上面が面一となるように平坦
化した基板に対して、遮光性材料層4を形成する。これ以降は、第一の実施形態と同様である。
(第四の実施形態)
次に、本発明のマイクロLED表示装置の第四の実施形態について、図2(b)を用いて説明する。
本発明の第四の実施形態におけるマイクロLED表示装置10-4と、第三の実施形態におけるマイクロLED表示装置10-3と、の相違点は、第三の実施形態におけるキャビティ5の側壁面9の表面に、拡散反射層7が形成されている点である。
拡散反射層7が形成されている事により、開口部6から出射される光の強度を高める事ができる。
それ以外は、第三の実施形態と同様である。
<マイクロLED表示装置の製造方法>
次に、本発明のマイクロLED表示装置の製造方法について、図3と図4を用いて説明する。
図3は、LEDチップ3が実装された表面の平坦化処理を行わない製造方法、図4は、平坦化処理を行う製造方法、についての説明図である。
本発明のマイクロLED表示装置の製造方法は、少なくとも以下の工程から選択した幾つかの工程または全ての工程を備えている。
まず、基板1上に、XYマトリクス状にLEDチップ3(3-1、3-2、3-3)が実装された基板を用意する(図3(a)および図4(a))。その基板に対して、下記の処理工程の中から選択した工程を実施する。
(1)基板表面の平坦化工程(図4(b))
(2)遮光性材料層を形成する工程(図3(b)、図4(c))
(3)遮光性材料層にキャビティを形成する工程(図3(c)、(d)、図4(d)、(
e))
(4)キャビティの側壁面に散乱反射層を形成する工程(図3(e)、図4(f))
具体的には、下記の様な選択となる。
第一の実施形態のマイクロLED表示装置10-1の製造方法は、上記の工程のうち、少なくとも(2)と(3)を備えている。
第二の実施形態のマイクロLED表示装置10-2の製造方法は、上記の工程のうち、少なくとも(2)と(3)と(4)を備えている。
第三の実施形態のマイクロLED表示装置10-3の製造方法は、上記の工程のうち、少なくとも(1)と(2)と(3)を備えている。
第四の実施形態のマイクロLED表示装置10-4の製造方法は、上記の工程のうち、少なくとも(1)と(2)と(3)と(4)を備えている。
(1)基板表面の平坦化工程(図4(b)参照)
基板1上に実装されたLEDチップ3による突起を平坦化する必要がある場合、基板表面の平坦化処理を行う。例えば、遮光性材料層を形成する材料として液状の遮光性材料を使用する場合、LEDチップ3による突起が塗工の障害となる場合は、平坦化処理を行う。遮光性材料層を形成する材料として、LEDチップ3による突起と同等の厚さのドライフィルムをラミネートする場合や、LEDチップ3の厚さが十分薄い場合は、平坦化処理を行う必要は無い。
少なくとも、樹脂と溶剤を含有する塗工液を、基板1上に塗布し乾燥する事により、乾燥後の膜厚が、基板1上に形成されたLEDチップ3の高さと同等の厚さになる条件にて
平坦化層11を形成する。塗工液には、樹脂と溶剤の他に、平坦化を促進するレベリング剤を含有している事が望ましい。
塗工方法としては、LEDチップ3の高さと同等の厚さの塗工が可能な塗工方法を選択すれば良い。例えば、ナイフコーティングまたはバンクコーティングと呼ばれる塗工方法を挙げる事ができる。この塗工方法は、1000mPa・s(1Pa・s)以上の中粘度から高粘度の塗工液を用いて塗工する事により、50μm以上の厚さの塗工膜を得る事ができる。また、フォーワードロールコーティング、スロットダイコーティングなどの塗工方法を挙げる事ができる。これらの塗工方法を用いる事により、0.1Pa・s~10Pa・sの粘度の塗工液を用いて、厚さ200μm~300μm程度の塗工膜を形成する事ができる。
塗工液としては、非感光性の塗工液と感光性の塗工液を用いる事ができる。
非感光性の塗工液の場合は、透明であっても不透明であっても構わない。塗工液の組成や粘度と塗工方法および塗工条件を調整する事により、LEDチップ3による突起と同等の厚さの平坦化膜11を形成し、塗工膜の表面の平坦化を実施する事が可能である。
感光性の塗工液の場合は、透明な塗工液を使用する。不透明な塗工液では、露光光が、膜厚方向の深い部分まで到達する事ができなくなる為、露光不十分となり、下地との密着力不足による剥離が発生する。感光性の塗布膜のメリットは、塗工液の組成と塗工条件と露光条件と現像条件のそれぞれの調整により、平坦化を行う事ができる。デメリットは、材料が高価である事である。
また、基板の平坦化工程に使用する平坦化層11の材料として、ドライフィルム状の
平坦化フィルムを使用し、LEDチップが実装された基板上に熱ラミネートする事もできる。この場合も、塗工液を用いる場合と同様に、感光性および非感光性の材料を使用する事ができる。
(2)遮光性材料層を形成する工程(図3(b)、図4(c)参照)
基板1にLEDチップ3が搭載された基板(図3(b))、または基板1にLEDチップ3が搭載され、更にLEDチップ3が平坦化層11によって平坦化された基板(図4(c))に、遮光性材料層4を形成する。遮光性材料層4は、液状の感光性遮光性材料を塗布しても良いし、ドライフィルム状の感光性遮光性材料をラミネートしても良い。
図3(b)に示した様に、平坦化層11を形成する必要が無い程度にLEDチップ3の厚さが薄い場合においては、そのまま、遮光性材料層4を形成する事ができる。
平坦化層11を形成する必要がある場合においては、まず、図4(b)に示した様に、基板1にLEDチップ3が搭載された基板(図4(a))の表面を、平坦化層11を形成する事により平坦化した後、遮光性材料層4を形成する。
遮光性材料層4を形成する遮光性材料としては、LEDチップ3から出射された光を遮光可能な材料と、ネガ型の感光性樹脂と混合した感光性遮光性材料とする事ができるものであれば、特に限定する必要は無い。例えば、液晶表示装置用カラーフィルタのブラックマトリクスの形成に使用される液状またはドライフィルム状の黒色感光性樹脂を好適に使用する事ができる。
(3)遮光性材料層にキャビティを形成する工程(図3(c)、(d)および図4(d)、(e)参照)
遮光性材料層4を、所望のパターンを備えたフォトマスクを介して、露光する。次に、現像処理を行う(図3(c)および図4(d)参照)。現像処理が完了した段階では、形成されたキャビティ5となる穴の側壁面において、その穴の平面視における中心を通る切断線による断面において、その穴の側壁面の表面が形成する曲線は、その穴の外側に凸な曲線となっているが、無からずしも滑らかな曲線とはなっておらず、また、現像処理後の表面は必ずしも滑らかな表面ではない。
次に、遮光性材料層4を構成する遮光性材料の樹脂の軟化温度以上の加熱処理を行う。この処理によって図3(d)および図4(e)に示した様に、キャビティ5の平面視における中心を通る切断線による断面において、キャビティ5の側壁面9の表面が形成する曲線が、キャビティ5の外側に凸な曲線が滑らかな曲線となると同時に、側壁面の表面も滑らかな表面となる。
遮光性材料層4がネガ型の感光性樹脂層である場合、フォトマスクパターンは、隔壁2の部分が露光される様に形成されている。隔壁2の表面が最も強く露光され、表面から膜厚方向(基板1の表面に近づく方向)に深くなるにつれて、遮光性材料に対する露光量が減少する。露光量が不十分である場合、下地の基板1または平坦化層11と遮光性材料層4との密着性が弱くなり、下地から隔壁2が剥離する問題が生じる。現像後、隔壁2のパターンが剥離しない十分な露光量が必要となる。フォトマスクにより遮蔽され露光されていない部分は現像処理によって除去され、キャビティ5が形成される。
露光された遮光性材料層4は、表面から下地に近づくほど、露光量が少なくなっている為、現像処理によって溶解除去される量が多くなる。遮光性材料層4の溶解除去は、表面から等方的に進行する。その為、現像処理を行うと、遮光性材料層4の露光されていない部分から当方的に溶解除去が進行する事でキャビティ5が形成される。遮光性材料層4の露光されている部分は溶解除去されず残留するが、膜厚方向の深い方向に進むにつれて、露光量が減少する為、溶解除去が容易に進行する。その為、現像が進むにつれて逆テーパ形状が形成される。溶解除去が下地の基板1に到達した時点では、キャビティ5の平面視における中心を通る切断線による断面において、キャビティ5の側壁面9の表面が形成する曲線が、キャビティ5の外側に凸な曲線が形成される(図1(a)参照)。即ち、基板1側から開口部6に向かってテーパ状の形態が形成される。更に現像処理を行うと、下地に近い程、遮光性材料層4が除去され、隔壁2全体として逆テーパ形状(図示省略)となる。更に現状処理を進めると、隔壁2の下地が完全に除去され、隔壁2は剥離する。その為、現像処理は、隔壁2の断面形状が、上側(開口部6側)と下地側(基板1側)で広くなり、上側(開口部6側)と下側(基板1側)の中間部で最も狭くなる様に実施するか、隔壁2全体として逆テーパ形状となる様に実施するのが好ましい。
(4)キャビティの側壁面に散乱反射層を形成する工程(図3(e)および図4(f)参照)
図3(d)または、図4(e)に示す基板のキャビティ5の側壁面9に拡散反射層7を形成する手順について説明する。
図3(d)または、図4(e)の隔壁2の平坦な面およびLED3-1からLED3-3の表面に、図示しない適宜の樹脂マスクを形成する。
次に、白色顔料を、溶剤、バインダー、分散剤、平滑化剤等と混合し、白色顔料が均一に分散された白色塗料をスプレーコート装置を用いて、キャビティ5内に塗布する。そして塗布した白色塗料の溶剤を蒸発させ、さらに密着力を高めるためのベーク処理を行い、拡散反射層7が形成される。
1・・・基板
2・・・(遮光性材料からなる)隔壁
3、3-1、3-2、3-3・・・LEDチップ
4・・・遮光性材料層
5・・・キャビティ
6・・・開口部
7・・・拡散反射層
8・・・底面
9・・・側壁面
10、10-1、10-2、10-3、10-4・・・マイクロLED表示装置
11・・・平坦化層

Claims (6)

  1. 少なくとも、基板上にグリッド状に配置された複数のLED素子と、前記複数のLED素子の個々を仕切る隔壁とを有するマイクロLED表示装置であって、
    前記隔壁の側壁面が球面状となっており、
    前記隔壁の断面における幅が、前記基板と反対側から前記隔壁の中間点に近くなるにつれて狭くなり、当該中間点を過ぎて前記基板側に近くなるにつれて広くなる、ことを特徴とするマイクロLED表示装置。
  2. 前記側壁面の表面に拡散反射層が形成されている事を特徴とする請求項1に記載のマイクロLED表示装置。
  3. 前記隔壁と前記LED素子を有する基板の表面の前記隔壁と前記LED素子の間に拡散反射層が形成されている事を特徴とする請求項2に記載のマイクロLED表示装置。
  4. 前記複数のLED素子が、赤色、緑色、青色のいずれかを発光することを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のマイクロLED表示装置。
  5. 前記複数のLED素子が、白色光を発光するLED素子であって、前記隔壁上にカラーフィルタ基板を備えることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のマイクロLED表示装置。
  6. 前記隔壁が黒色感光性樹脂層である事を特徴とする請求項1~5のいずれかに記載のマイクロLED表示装置。
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