酸化物を積層してなる光学層が形成されているバックライトユニット
【課題】光学層を通じた光学的共振を利用してバックライトの光効率及び色純度を向上させることができるバックライトユニットを提供する。
【解決手段】本発明のバックライトユニット100は、液晶パネルを有するLCDで用いるバックライトユニットであって、基板30と、前記基板30上で互いから離隔して配列している複数の光源40と、前記光源40が放出した光を前記光源40の上側方向に反射する全反射層50と、前記光源40の上側に形成され、前記放出した光の一部を透過し、前記放出した光の他の一部を前記基板30の下側方向に反射するように酸化物層が積層されている光学層60とを含み、前記光源40が放出した光の光学的共振を誘起することを特徴とする。
【解決手段】本発明のバックライトユニット100は、液晶パネルを有するLCDで用いるバックライトユニットであって、基板30と、前記基板30上で互いから離隔して配列している複数の光源40と、前記光源40が放出した光を前記光源40の上側方向に反射する全反射層50と、前記光源40の上側に形成され、前記放出した光の一部を透過し、前記放出した光の他の一部を前記基板30の下側方向に反射するように酸化物層が積層されている光学層60とを含み、前記光源40が放出した光の光学的共振を誘起することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バックライトユニットに関し、更に詳しくは、光学層による光学的共振を利用して輝度を増加させ得るバックライトユニットに関する。
【背景技術】
【0002】
典型的な表示装置の1つであるCRT(Cathode Ray Tube)は、テレビジョン受像機やコンピュータのモニタなどで広く使われているが、本質的に重く嵩張るため、最近の電子機器の小型化及び軽量化の潮流に追従できなくなった。
【0003】
そのため、従来のCRTを置換すべく、様々な技術が開発されており、電界光学的な効果を利用した液晶表示装置(LCD、Liquid Cristal Display)、ガス放電を利用したプラズマ表示装置(PDP、plasma Display Panel)、及び電界発光効果を利用したEL表示素子(ELD、Electro Luminescence Display)などがその例である。
【0004】
それらのうち、LCDは、軽量、薄型、及び低消費電力駆動などの特徴を有しており、液晶材料の改良及び微細画素加工技術の開発により、その応用範囲が急速に拡大し、テレビジョン受像機、デスクトップコンピュータのモニタ、ノートブックコンピュータのモニタ、大型フラットパネルテレビジョン受像機などに広く用いられている。
【0005】
しかしながら、液晶表示装置の大部分は、外部から入ってくる光源の量を調節して画像を表示する消光性素子であって、別途のバックライトユニットを必要とする。
【0006】
図1に示すように、通常のLCDに用いられるLCDモジュール1は、液晶が注入された液晶表示パネル2と、液晶表示パネル2の上下面へと向けられた光を偏光させるための偏光板4a及び4bと、液晶表示パネル2に均一な光を供給するためのバックライトユニット6と、LCDモジュール1の外形を保持する主支持体8aと、トップケース8bとから構成されている。
【0007】
CRTやPDPとは異なり、液晶表示パネル2は、電源の印加により液晶の配向または配列のみを変化させるだけであって、液晶表示パネル2が自ら発光することはないので、情報表示面に光を均一に面照射するバックライトユニット6が液晶表示パネル2の後方に設置される。
【0008】
ここで、バックライトユニット6は、光源の位置によってエッジ型と直下型とに分けられる。
【0009】
エッジ型では、図2Aに示すように、光を面照射させるための導光板14のエッジに光源12が設置され、直下型には、図2Bに示すように複数の点光源16aが基板30に搭載された形態と、図2Cに示すように複数の線光源16bが基板30に搭載された形態とがあって、複数の光源は基板の全面にほぼ均一に分布している。
【0010】
光源としては、EL(Electro Luminescence)素子、CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp、冷陰極型蛍光ランプ)、またはHCFL(Hot Cathode Fluorescent Lamp、熱陰極蛍光ランプ)などが用いられているが、最近は、色再現領域が広く、環境にやさしい発光ダイオード(LED、Light Emitting Diodes)が広く用いられている。
【0011】
バックライトユニットで発光ダイオードを光源として用いる方法としては、第一に、青色発光ダイオードとYAG(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体とを利用した方法と、第二に、紫外線を発光する発光ダイオードを赤色、緑色、及び青色の蛍光体を組み合わせて使用する方法と、第三に、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードを用いてそれらが放出する光を混合する方法が研究されている。
【0012】
青色発光ダイオードとYAG蛍光体とを利用した方法は、赤色の表現能力が劣るほか、発光効率が低く、紫外線を放出する発光ダイオードを赤色、緑色、及び青色の蛍光体と組み合わせて用いる方法は、蛍光体の開発が難しいうえ、熱的特性が良くない。
【0013】
また、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードを用いる方法は、各発光ダイオードから放出される赤色光、緑色光、及び青色光の強度が高いので、色再現の範囲を広く設計することができるが、白色の面光源を構成するための発光ダイオードの組合せを構成することが難しいという問題点がある。
【0014】
更に、最近の大型高画質表示装置を求める潮流に伴う、バックライトへの高い光束出力要求に応えるために、各発光ダイオードから放出される光を集束するためのレンズ、半導体チップ、及びダイオード材料が開発されている。
【0015】
それらのうち、発光ダイオードは、電気エネルギーを光エネルギーに変換する固体素子の一種であり、一般にドーピング層と活性層を含み、2個の対向するドーピング層の両端にバイアスが印加されると、正孔と電子とが活性層に注入された後、再結合して光を生じる。活性領域で生じた光は、あらゆる方向に放出されて全ての露出された表面を通して半導体チップの外へと抜け出る。発光ダイオードを含んでいるバックライトユニットは、発光ダイオードから抜け出た光を所望の光出力方向に指向させる。
【0016】
しかしながら、これまで開発された発光ダイオードは、電流拡散層への透過程度による光損失と、光を放出する界面における全反射による光損失により、充分な発光効率を得られなかった。
【0017】
そのため、高い光束出力が要求されるバッククライトに発光ダイオードが用いられるためには、発光ダイオードに高い電流を印加するか、発光ダイオードの個数を増やす方法が利用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0018】
しかしながら、発光ダイオードに高い電流を印加する場合には、発光ダイオードで多くの熱が発生して発光効率が低下し、発光ダイオードが実装される基板に別途の放熱設計をしなければならないという問題点があり、発光ダイオードの個数を増やす場合には、バックライトユニットの設計が難しくなり、バックライトユニットの生産コストが上昇するという問題点がある。
【0019】
別途に発光ダイオードの発光効率を向上させるために、窒化物半導体系やInGaAlPを利用した発光ダイオードが開発されたが、CCFLに比べて光束が低いため、バックライトユニットに用いるには困難であるという問題点がある。
【0020】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光学層を通じた光学的共振を利用してバックライトの光効率及び色純度を向上させることができるバックライトユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0021】
上記の目的を達成するため、本発明のバックライトユニットは、基板と、前記基板上で互いから離隔して配列している複数の光源と、前記光源が放出した光を前記光源の上側方向に反射する全反射層と、前記光源の上側に形成され、前記放出した光の一部を透過し、前記放出した光の他の一部を前記基板の下側方向に反射するように酸化物層が積層されている光学層とを含み、前記光源が放出した光の光学的共振を誘起することを特徴とする。
【発明の効果】
【0022】
本発明による酸化物が積層された光学層が形成されているバックライトユニットは、酸化物が積層された光学層による光学的共振を誘起して輝度を増加させ、光混合がより効率よく行われるようにするバックライトユニットを提供できるという効果を奏する。
【0023】
これにより、高い輝度の白色光を必要とするバックライトユニットで消費される電力を減少させる効果が得られ、バックライトユニットの寿命も延びるほか、酸化物が積層された光学層による光学的共振が誘起されるので、発光スペクトル上で色毎のスペクトルヒストグラムの半値幅が減少して色純度が向上し、光学層及び全反射層の厚みを調節することによって所望のスペクトルピークを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
以下、添付の図面を参照しながら本発明による好適な実施形態について詳細に説明する。
【0025】
図3は、本発明によるバックライトユニットの一部の正面図、図4A及び図4Bは、図3に示した光学層の酸化物積層構造を示す正面図である。
【0026】
図3に示すように、本発明によるバックライトユニット100は、基板30と、基板30上で互いから離隔して配列している複数の発光ダイオード40と、発光ダイオード40が放出した光を発光ダイオード40の上側、すなわち液晶層の方向に反射する全反射層50と、発光ダイオード40の上側に形成され、放出光の一部を透過し、放出光の他の一部を基板30の下側方向に反射する光学層60とを含んでいる。
【0027】
回路パターンが形成されている基板30は、発光ダイオード40を支持するとともに発光ダイオード40で発生する熱を放出させる。
【0028】
基板30には、離隔した複数の発光ダイオード40が実装され、発光ダイオード40の発光部41の下側には全反射層50が形成されている。
【0029】
全反射層50は、発光ダイオード40が実装された基板30の上側に接合されていてもよく、このような全反射層50は、アルミニウムプレートに反射率の高い反射材フィルムが接合されて形成され、反射材フィルムは少なくとも80%以上となる高い反射率を有し、吸収率及び透過率の低いものを用いることが好ましい。
【0030】
発光ダイオード40及び全反射層50の上側には、所定の光学的距離(d)だけ離隔し、放出光の一部を透過するとともに、光の他の一部を反射する光学層60が形成され、全反射層50と光学層60とが離隔される距離(d)は、光学層60を通過した光が強めあう干渉を生じるように、以下のような数式によって決定される。
【数1】
【0031】
ここで、nは全反射層50または光学層60の屈折率、tは全反射層50または光学層60の幾何学的厚み、λは発光ダイオード40が放出する光のピーク波長、mは0以上の整数である。
【0032】
発光ダイオード40が放出する光が、赤色光、緑色光、または青色光である場合、赤色光、緑色光、または青色光が強めあう干渉を生じるには、各色光のピーク波長の半波長の整数倍が全反射層50及び光学層60のそれぞれの屈折率と幾何学的厚みとの積の合計と等しくする。この場合、光学層60を通過した光は、強めあう干渉を生じ、光学的共振を起こすことができる。
【0033】
光学的共振によってバックライトユニット100から放出される光の輝度が増加し、更に発光スペクトル上で色毎のスペクトルヒストグラムの半値幅が減少して、色純度が向上する。
【0034】
ここで、全反射層50または光学層60の厚みを調節して発光スペクトル上で所望のスペクトルピークが得られることはもちろんである。
【0035】
全反射層50及び光学層60の光学的距離(d)を調節して発生する共振効果による最大透過量(Tmax)は、以下のような数式によって確認される。
【数2】
【0036】
ここで、T1及びR1は光学層60の透過率及び反射率、T2及びR2は全反射層50の透過率及び反射率、kは消滅係数、tは幾何学的厚み、θは光学層60と全反射層50との間の内部から外部に進行する光の角度、λは発光ダイオード40から放出される光の波長である。
【0037】
このように最大透過量が計算されると、それに該当する反射率を得られる光学層を設計することができるようになる。
【0038】
基板30に実装された1つの発光ダイオード40が放出した光のうち、一部は光学層60を透過して光学層60の外側に放出され、残りは光学層60で反射されて再び全反射層50に進行し、この時、全反射層50に進行した光は全反射層50で反射されて再び光学層60に進行する。
【0039】
このような透過及び反射が繰り返され、光学層60を透過して光学層60の外側に放出された光が強めあう干渉を起こすことで、発光ダイオード40から放出された光は増幅されて光学層60の外側を照明する。
【0040】
更に、光の移動経路が長くなることで、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードを用い、各発光ダイオードから放出される光を混合して白色光を照射する場合に、より効率よく光混合が行われる。
【0041】
したがって、全反射層50は、全反射層50に進行された光についての反射率が高いほど、すなわち、透過率及び吸収率が低いほど良い。
【0042】
光学層60は、透過及び反射のいずれも行えるように酸化物または金属物質を積層して形成される。
【0043】
酸化物を積層する場合、図4Aに示すように、光屈折率が2.3未満の低屈折率の酸化物または中屈折率の酸化物と光屈折率が2.3以上の高屈折率の酸化物を少なくとも1層またはそれ以上に交互に積層するか、図4Bに示すように、光屈折率が1.5以上であり且つ2.3未満の中屈折率の酸化物、低屈折率の酸化物、そして高屈折率の酸化物を少なくとも1層またはそれ以上に交互に積層することが可能である。この場合、酸化物の積層厚みが厚くなり、積層する層の数が多くなるほど、吸収率が減少し、バックライトの輝度を向上させるのに有利になる。
【0044】
屈折率に差がある層を積層すると、各層間の屈折率の差によって反射特性が形成され、積層される層の数が多くなるほど、光吸収率は最小化し、反射特性は向上する。
【0045】
ここで、低屈折率酸化物としてはSiO2が主に用いられ、中屈折率酸化物としてはNb2O5が主に用いられ、高屈折率酸化物としてはTiO2、Ta2O3、またはY2O3が用いられるのが一般的であるが、これは屈折率を考慮し、他の酸化物が用いられる得ることはもちろんである。
【0046】
一方、金属物質を利用して光学層60を形成する場合には、金属物質が薄膜の形態に形成されるようにすることが好ましく、これに適した金属物質は銀(Ag)であり、厚みは約21nmであることが好ましい。
【0047】
図5を参照すると、本発明の一実施形態による側反射部が形成されているバックライトユニットの正面図である。図5に示す本発明のバックライトユニット100は、発光ダイオード40から放出される光が全反射層50と光学層60との間の側面に流出するのを防ぐために、バックライトユニット100の側面で全反射層50から光学層60まで延びた側反射部70を更に含んでいる。
【0048】
側反射部70は、全反射層50と同様に、反射率が高いほど、すなわち、透過率及び吸収率が低いほど好ましく、発光ダイオード40から放出されて側反射部70に照射される光を再びバックライトユニット100の内側に反射させて光学層60を通過して放出される光の量を増加させる。
【0049】
図6A及び図6Bは、本発明によるバックライトユニットに提供される側反射部の様々な形態を例示している。図6A及び図6Bに示すように、バックライトユニット100の側反射部70は、全反射層50から光学層60の方向に見た場合に、バックライトユニット100の外側へ向かうように形成されていることが好ましい。これは、光の放出は光学層60を通過して行われるので、側反射部70に照射される光は光学層60に向かう方向へ反射されることが好ましいからである。側反射部70は、図6Aに示すように、平板またはフィルム状にすることができるが、図6Bに示すように、弓状に形成されても良いことはいうまでもない。
【0050】
本発明によるバックライトユニット100の光学層60を形成するための具体的な実験例を説明すると、以下の通りである。
【0051】
図7は、本発明の一実験例による酸化物層の積層構造を示す正面図である。
【0052】
1W級の出力を有しており、駆動電流条件や熱特性による中心波長の変化が5%以内の、中心波長が627nmの赤色発光ダイオードと、中心波長が530nmの緑色発光ダイオードと、中心波長が455nmの青色発光ダイオードとを用い、駆動電流を200mAにする。
【0053】
発光ダイオードを基板に実装し、実装された発光ダイオードは5〜6cmの等間隔を維持するようにし、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードをそれぞれ1つずつ用いて1個の発光ダイオードセットとする。
【0054】
もちろん、発光ダイオードの組合せは、多様な変形が可能であり、発光ダイオードの個数によって発光ダイオード間の距離は任意に変更でき、2個の赤色発光ダイオード、2個の緑色発光ダイオード、及び1個の青色発光ダイオードを用いるか、1個の赤色発光ダイオード、2個の緑色発光ダイオード、及び1個の青色発光ダイオードを用いても構わない。
【0055】
図7に示すように、Essential Macleodプログラムを利用したシミュレーションを用いて、光学層60の光透過率がそれぞれ40%、50%、60%、70%、及び80%となるようにし、酸化物積層構造の界面特性及びコーティング条件に合せて酸化物の積層条件を導出して製作された光学層60が含まれているフィルムを5通りに製作した。
【0056】
図7Aは、光学層60の光透過率が40%の酸化物積層構造であり、図7Bは、光透過率が50%の酸化物積層構造であり、図7Cは、光透過率が60%の酸化物積層構造であり、図7Dは、光透過率が70%の酸化物積層構造であり、図7Eは、光透過率が80%の酸化物積層構造である。
【0057】
光反射率が高くなるためには、酸化物の積層構造において、層の数が多くなければならないので、光透過率が40%である場合には酸化物層を10回積層し、光透過率が50%、60%、及び70%である場合には酸化物層を8回積層し、光透過率が80%である場合には酸化物層を6回積層した。
【0058】
5通りのフィルムをそれぞれバックライトユニットに含めて組立て、その特性を測定し、光共振の効果を測定するために、光学層及び反射板のない構造で測定して、それぞれの場合において特性の差を分析した。
【0059】
酸化物のうち、低屈折率酸化物はSiO2を用い、高屈折率酸化物はTiO2を用いた。
【0060】
図8は、本発明によって酸化物が積層された光学層が形成されて光共振が誘起されるバックライトユニットと、一般のバックライトユニットにおいて反射度と輝度との関係を測定した結果を表すグラフである。ここで、「bare」は光共振のない一般のバックライトユニットにおいて、発光ダイオードが実装されたバックライトユニットの状態を表している。
【0061】
図8に示すように、光透過率80%(すなわち、反射率20%)となるように酸化物が積層された光学層が形成されているバックライトユニットの場合には、一般のバックライトユニットより約14%の輝度向上がなされ、光透過率が40%、50%、60%、及び70%(すなわち、反射率が60%、50%、40%及び30%)となるように酸化物が積層された光学層が形成されているバックライトユニットの場合にも一般のバックライトユニットより全般的に輝度の向上効果を得られることが分かる。
【0062】
以上の内容は、本発明の好適な実施形態を例示したものに過ぎないもので、本発明は、請求範囲に開示された本発明の範囲内で多様に変更及び修正可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】従来技術によるLCDモジュールの構成図である。
【図2A】一般のバックライトユニットの第1の形態を示す斜視図である。
【図2B】一般のバックライトユニットの第2の形態を示す斜視図である。
【図2C】一般のバックライトユニットの第3の形態を示す斜視図である。
【図3】本発明によるバックライトユニットの一部の正面図である。
【図4A】図3に示した光学層の酸化物積層構造を示す正面図である。
【図4B】図3に示した光学層の他の酸化物積層構造を示す正面図である。
【図5】本発明の一実施形態による側反射部が形成されているバックライトユニットを示す正面図である。
【図6A】本発明のバックライトユニットに提供される側反射部を示す正面図である。
【図6B】本発明のバックライトユニットに提供される他の側反射部を示す正面図である。
【図7A】本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。
【図7B】本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。
【図7C】本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。
【図7D】本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。
【図7E】本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。
【図8】本発明の一実験例による光反射率に対する輝度を表すグラフである。
【符号の説明】
【0064】
1…LCDモジュール、2…液晶表示パネル、4a…偏光板、4b…偏光板、6…バックライトユニット、8a…主支持体、8n…トップケース、12…光源、14…導光板、30…基板、40…発光ダイオード、50…全反射層、60…光学層、70側反射部、100…バックライトユニット。
【技術分野】
【0001】
本発明は、バックライトユニットに関し、更に詳しくは、光学層による光学的共振を利用して輝度を増加させ得るバックライトユニットに関する。
【背景技術】
【0002】
典型的な表示装置の1つであるCRT(Cathode Ray Tube)は、テレビジョン受像機やコンピュータのモニタなどで広く使われているが、本質的に重く嵩張るため、最近の電子機器の小型化及び軽量化の潮流に追従できなくなった。
【0003】
そのため、従来のCRTを置換すべく、様々な技術が開発されており、電界光学的な効果を利用した液晶表示装置(LCD、Liquid Cristal Display)、ガス放電を利用したプラズマ表示装置(PDP、plasma Display Panel)、及び電界発光効果を利用したEL表示素子(ELD、Electro Luminescence Display)などがその例である。
【0004】
それらのうち、LCDは、軽量、薄型、及び低消費電力駆動などの特徴を有しており、液晶材料の改良及び微細画素加工技術の開発により、その応用範囲が急速に拡大し、テレビジョン受像機、デスクトップコンピュータのモニタ、ノートブックコンピュータのモニタ、大型フラットパネルテレビジョン受像機などに広く用いられている。
【0005】
しかしながら、液晶表示装置の大部分は、外部から入ってくる光源の量を調節して画像を表示する消光性素子であって、別途のバックライトユニットを必要とする。
【0006】
図1に示すように、通常のLCDに用いられるLCDモジュール1は、液晶が注入された液晶表示パネル2と、液晶表示パネル2の上下面へと向けられた光を偏光させるための偏光板4a及び4bと、液晶表示パネル2に均一な光を供給するためのバックライトユニット6と、LCDモジュール1の外形を保持する主支持体8aと、トップケース8bとから構成されている。
【0007】
CRTやPDPとは異なり、液晶表示パネル2は、電源の印加により液晶の配向または配列のみを変化させるだけであって、液晶表示パネル2が自ら発光することはないので、情報表示面に光を均一に面照射するバックライトユニット6が液晶表示パネル2の後方に設置される。
【0008】
ここで、バックライトユニット6は、光源の位置によってエッジ型と直下型とに分けられる。
【0009】
エッジ型では、図2Aに示すように、光を面照射させるための導光板14のエッジに光源12が設置され、直下型には、図2Bに示すように複数の点光源16aが基板30に搭載された形態と、図2Cに示すように複数の線光源16bが基板30に搭載された形態とがあって、複数の光源は基板の全面にほぼ均一に分布している。
【0010】
光源としては、EL(Electro Luminescence)素子、CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp、冷陰極型蛍光ランプ)、またはHCFL(Hot Cathode Fluorescent Lamp、熱陰極蛍光ランプ)などが用いられているが、最近は、色再現領域が広く、環境にやさしい発光ダイオード(LED、Light Emitting Diodes)が広く用いられている。
【0011】
バックライトユニットで発光ダイオードを光源として用いる方法としては、第一に、青色発光ダイオードとYAG(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体とを利用した方法と、第二に、紫外線を発光する発光ダイオードを赤色、緑色、及び青色の蛍光体を組み合わせて使用する方法と、第三に、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードを用いてそれらが放出する光を混合する方法が研究されている。
【0012】
青色発光ダイオードとYAG蛍光体とを利用した方法は、赤色の表現能力が劣るほか、発光効率が低く、紫外線を放出する発光ダイオードを赤色、緑色、及び青色の蛍光体と組み合わせて用いる方法は、蛍光体の開発が難しいうえ、熱的特性が良くない。
【0013】
また、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードを用いる方法は、各発光ダイオードから放出される赤色光、緑色光、及び青色光の強度が高いので、色再現の範囲を広く設計することができるが、白色の面光源を構成するための発光ダイオードの組合せを構成することが難しいという問題点がある。
【0014】
更に、最近の大型高画質表示装置を求める潮流に伴う、バックライトへの高い光束出力要求に応えるために、各発光ダイオードから放出される光を集束するためのレンズ、半導体チップ、及びダイオード材料が開発されている。
【0015】
それらのうち、発光ダイオードは、電気エネルギーを光エネルギーに変換する固体素子の一種であり、一般にドーピング層と活性層を含み、2個の対向するドーピング層の両端にバイアスが印加されると、正孔と電子とが活性層に注入された後、再結合して光を生じる。活性領域で生じた光は、あらゆる方向に放出されて全ての露出された表面を通して半導体チップの外へと抜け出る。発光ダイオードを含んでいるバックライトユニットは、発光ダイオードから抜け出た光を所望の光出力方向に指向させる。
【0016】
しかしながら、これまで開発された発光ダイオードは、電流拡散層への透過程度による光損失と、光を放出する界面における全反射による光損失により、充分な発光効率を得られなかった。
【0017】
そのため、高い光束出力が要求されるバッククライトに発光ダイオードが用いられるためには、発光ダイオードに高い電流を印加するか、発光ダイオードの個数を増やす方法が利用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0018】
しかしながら、発光ダイオードに高い電流を印加する場合には、発光ダイオードで多くの熱が発生して発光効率が低下し、発光ダイオードが実装される基板に別途の放熱設計をしなければならないという問題点があり、発光ダイオードの個数を増やす場合には、バックライトユニットの設計が難しくなり、バックライトユニットの生産コストが上昇するという問題点がある。
【0019】
別途に発光ダイオードの発光効率を向上させるために、窒化物半導体系やInGaAlPを利用した発光ダイオードが開発されたが、CCFLに比べて光束が低いため、バックライトユニットに用いるには困難であるという問題点がある。
【0020】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光学層を通じた光学的共振を利用してバックライトの光効率及び色純度を向上させることができるバックライトユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0021】
上記の目的を達成するため、本発明のバックライトユニットは、基板と、前記基板上で互いから離隔して配列している複数の光源と、前記光源が放出した光を前記光源の上側方向に反射する全反射層と、前記光源の上側に形成され、前記放出した光の一部を透過し、前記放出した光の他の一部を前記基板の下側方向に反射するように酸化物層が積層されている光学層とを含み、前記光源が放出した光の光学的共振を誘起することを特徴とする。
【発明の効果】
【0022】
本発明による酸化物が積層された光学層が形成されているバックライトユニットは、酸化物が積層された光学層による光学的共振を誘起して輝度を増加させ、光混合がより効率よく行われるようにするバックライトユニットを提供できるという効果を奏する。
【0023】
これにより、高い輝度の白色光を必要とするバックライトユニットで消費される電力を減少させる効果が得られ、バックライトユニットの寿命も延びるほか、酸化物が積層された光学層による光学的共振が誘起されるので、発光スペクトル上で色毎のスペクトルヒストグラムの半値幅が減少して色純度が向上し、光学層及び全反射層の厚みを調節することによって所望のスペクトルピークを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
以下、添付の図面を参照しながら本発明による好適な実施形態について詳細に説明する。
【0025】
図3は、本発明によるバックライトユニットの一部の正面図、図4A及び図4Bは、図3に示した光学層の酸化物積層構造を示す正面図である。
【0026】
図3に示すように、本発明によるバックライトユニット100は、基板30と、基板30上で互いから離隔して配列している複数の発光ダイオード40と、発光ダイオード40が放出した光を発光ダイオード40の上側、すなわち液晶層の方向に反射する全反射層50と、発光ダイオード40の上側に形成され、放出光の一部を透過し、放出光の他の一部を基板30の下側方向に反射する光学層60とを含んでいる。
【0027】
回路パターンが形成されている基板30は、発光ダイオード40を支持するとともに発光ダイオード40で発生する熱を放出させる。
【0028】
基板30には、離隔した複数の発光ダイオード40が実装され、発光ダイオード40の発光部41の下側には全反射層50が形成されている。
【0029】
全反射層50は、発光ダイオード40が実装された基板30の上側に接合されていてもよく、このような全反射層50は、アルミニウムプレートに反射率の高い反射材フィルムが接合されて形成され、反射材フィルムは少なくとも80%以上となる高い反射率を有し、吸収率及び透過率の低いものを用いることが好ましい。
【0030】
発光ダイオード40及び全反射層50の上側には、所定の光学的距離(d)だけ離隔し、放出光の一部を透過するとともに、光の他の一部を反射する光学層60が形成され、全反射層50と光学層60とが離隔される距離(d)は、光学層60を通過した光が強めあう干渉を生じるように、以下のような数式によって決定される。
【数1】
【0031】
ここで、nは全反射層50または光学層60の屈折率、tは全反射層50または光学層60の幾何学的厚み、λは発光ダイオード40が放出する光のピーク波長、mは0以上の整数である。
【0032】
発光ダイオード40が放出する光が、赤色光、緑色光、または青色光である場合、赤色光、緑色光、または青色光が強めあう干渉を生じるには、各色光のピーク波長の半波長の整数倍が全反射層50及び光学層60のそれぞれの屈折率と幾何学的厚みとの積の合計と等しくする。この場合、光学層60を通過した光は、強めあう干渉を生じ、光学的共振を起こすことができる。
【0033】
光学的共振によってバックライトユニット100から放出される光の輝度が増加し、更に発光スペクトル上で色毎のスペクトルヒストグラムの半値幅が減少して、色純度が向上する。
【0034】
ここで、全反射層50または光学層60の厚みを調節して発光スペクトル上で所望のスペクトルピークが得られることはもちろんである。
【0035】
全反射層50及び光学層60の光学的距離(d)を調節して発生する共振効果による最大透過量(Tmax)は、以下のような数式によって確認される。
【数2】
【0036】
ここで、T1及びR1は光学層60の透過率及び反射率、T2及びR2は全反射層50の透過率及び反射率、kは消滅係数、tは幾何学的厚み、θは光学層60と全反射層50との間の内部から外部に進行する光の角度、λは発光ダイオード40から放出される光の波長である。
【0037】
このように最大透過量が計算されると、それに該当する反射率を得られる光学層を設計することができるようになる。
【0038】
基板30に実装された1つの発光ダイオード40が放出した光のうち、一部は光学層60を透過して光学層60の外側に放出され、残りは光学層60で反射されて再び全反射層50に進行し、この時、全反射層50に進行した光は全反射層50で反射されて再び光学層60に進行する。
【0039】
このような透過及び反射が繰り返され、光学層60を透過して光学層60の外側に放出された光が強めあう干渉を起こすことで、発光ダイオード40から放出された光は増幅されて光学層60の外側を照明する。
【0040】
更に、光の移動経路が長くなることで、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードを用い、各発光ダイオードから放出される光を混合して白色光を照射する場合に、より効率よく光混合が行われる。
【0041】
したがって、全反射層50は、全反射層50に進行された光についての反射率が高いほど、すなわち、透過率及び吸収率が低いほど良い。
【0042】
光学層60は、透過及び反射のいずれも行えるように酸化物または金属物質を積層して形成される。
【0043】
酸化物を積層する場合、図4Aに示すように、光屈折率が2.3未満の低屈折率の酸化物または中屈折率の酸化物と光屈折率が2.3以上の高屈折率の酸化物を少なくとも1層またはそれ以上に交互に積層するか、図4Bに示すように、光屈折率が1.5以上であり且つ2.3未満の中屈折率の酸化物、低屈折率の酸化物、そして高屈折率の酸化物を少なくとも1層またはそれ以上に交互に積層することが可能である。この場合、酸化物の積層厚みが厚くなり、積層する層の数が多くなるほど、吸収率が減少し、バックライトの輝度を向上させるのに有利になる。
【0044】
屈折率に差がある層を積層すると、各層間の屈折率の差によって反射特性が形成され、積層される層の数が多くなるほど、光吸収率は最小化し、反射特性は向上する。
【0045】
ここで、低屈折率酸化物としてはSiO2が主に用いられ、中屈折率酸化物としてはNb2O5が主に用いられ、高屈折率酸化物としてはTiO2、Ta2O3、またはY2O3が用いられるのが一般的であるが、これは屈折率を考慮し、他の酸化物が用いられる得ることはもちろんである。
【0046】
一方、金属物質を利用して光学層60を形成する場合には、金属物質が薄膜の形態に形成されるようにすることが好ましく、これに適した金属物質は銀(Ag)であり、厚みは約21nmであることが好ましい。
【0047】
図5を参照すると、本発明の一実施形態による側反射部が形成されているバックライトユニットの正面図である。図5に示す本発明のバックライトユニット100は、発光ダイオード40から放出される光が全反射層50と光学層60との間の側面に流出するのを防ぐために、バックライトユニット100の側面で全反射層50から光学層60まで延びた側反射部70を更に含んでいる。
【0048】
側反射部70は、全反射層50と同様に、反射率が高いほど、すなわち、透過率及び吸収率が低いほど好ましく、発光ダイオード40から放出されて側反射部70に照射される光を再びバックライトユニット100の内側に反射させて光学層60を通過して放出される光の量を増加させる。
【0049】
図6A及び図6Bは、本発明によるバックライトユニットに提供される側反射部の様々な形態を例示している。図6A及び図6Bに示すように、バックライトユニット100の側反射部70は、全反射層50から光学層60の方向に見た場合に、バックライトユニット100の外側へ向かうように形成されていることが好ましい。これは、光の放出は光学層60を通過して行われるので、側反射部70に照射される光は光学層60に向かう方向へ反射されることが好ましいからである。側反射部70は、図6Aに示すように、平板またはフィルム状にすることができるが、図6Bに示すように、弓状に形成されても良いことはいうまでもない。
【0050】
本発明によるバックライトユニット100の光学層60を形成するための具体的な実験例を説明すると、以下の通りである。
【0051】
図7は、本発明の一実験例による酸化物層の積層構造を示す正面図である。
【0052】
1W級の出力を有しており、駆動電流条件や熱特性による中心波長の変化が5%以内の、中心波長が627nmの赤色発光ダイオードと、中心波長が530nmの緑色発光ダイオードと、中心波長が455nmの青色発光ダイオードとを用い、駆動電流を200mAにする。
【0053】
発光ダイオードを基板に実装し、実装された発光ダイオードは5〜6cmの等間隔を維持するようにし、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードをそれぞれ1つずつ用いて1個の発光ダイオードセットとする。
【0054】
もちろん、発光ダイオードの組合せは、多様な変形が可能であり、発光ダイオードの個数によって発光ダイオード間の距離は任意に変更でき、2個の赤色発光ダイオード、2個の緑色発光ダイオード、及び1個の青色発光ダイオードを用いるか、1個の赤色発光ダイオード、2個の緑色発光ダイオード、及び1個の青色発光ダイオードを用いても構わない。
【0055】
図7に示すように、Essential Macleodプログラムを利用したシミュレーションを用いて、光学層60の光透過率がそれぞれ40%、50%、60%、70%、及び80%となるようにし、酸化物積層構造の界面特性及びコーティング条件に合せて酸化物の積層条件を導出して製作された光学層60が含まれているフィルムを5通りに製作した。
【0056】
図7Aは、光学層60の光透過率が40%の酸化物積層構造であり、図7Bは、光透過率が50%の酸化物積層構造であり、図7Cは、光透過率が60%の酸化物積層構造であり、図7Dは、光透過率が70%の酸化物積層構造であり、図7Eは、光透過率が80%の酸化物積層構造である。
【0057】
光反射率が高くなるためには、酸化物の積層構造において、層の数が多くなければならないので、光透過率が40%である場合には酸化物層を10回積層し、光透過率が50%、60%、及び70%である場合には酸化物層を8回積層し、光透過率が80%である場合には酸化物層を6回積層した。
【0058】
5通りのフィルムをそれぞれバックライトユニットに含めて組立て、その特性を測定し、光共振の効果を測定するために、光学層及び反射板のない構造で測定して、それぞれの場合において特性の差を分析した。
【0059】
酸化物のうち、低屈折率酸化物はSiO2を用い、高屈折率酸化物はTiO2を用いた。
【0060】
図8は、本発明によって酸化物が積層された光学層が形成されて光共振が誘起されるバックライトユニットと、一般のバックライトユニットにおいて反射度と輝度との関係を測定した結果を表すグラフである。ここで、「bare」は光共振のない一般のバックライトユニットにおいて、発光ダイオードが実装されたバックライトユニットの状態を表している。
【0061】
図8に示すように、光透過率80%(すなわち、反射率20%)となるように酸化物が積層された光学層が形成されているバックライトユニットの場合には、一般のバックライトユニットより約14%の輝度向上がなされ、光透過率が40%、50%、60%、及び70%(すなわち、反射率が60%、50%、40%及び30%)となるように酸化物が積層された光学層が形成されているバックライトユニットの場合にも一般のバックライトユニットより全般的に輝度の向上効果を得られることが分かる。
【0062】
以上の内容は、本発明の好適な実施形態を例示したものに過ぎないもので、本発明は、請求範囲に開示された本発明の範囲内で多様に変更及び修正可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】従来技術によるLCDモジュールの構成図である。
【図2A】一般のバックライトユニットの第1の形態を示す斜視図である。
【図2B】一般のバックライトユニットの第2の形態を示す斜視図である。
【図2C】一般のバックライトユニットの第3の形態を示す斜視図である。
【図3】本発明によるバックライトユニットの一部の正面図である。
【図4A】図3に示した光学層の酸化物積層構造を示す正面図である。
【図4B】図3に示した光学層の他の酸化物積層構造を示す正面図である。
【図5】本発明の一実施形態による側反射部が形成されているバックライトユニットを示す正面図である。
【図6A】本発明のバックライトユニットに提供される側反射部を示す正面図である。
【図6B】本発明のバックライトユニットに提供される他の側反射部を示す正面図である。
【図7A】本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。
【図7B】本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。
【図7C】本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。
【図7D】本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。
【図7E】本発明の一実験例による酸化物積層構造を示す正面図である。
【図8】本発明の一実験例による光反射率に対する輝度を表すグラフである。
【符号の説明】
【0064】
1…LCDモジュール、2…液晶表示パネル、4a…偏光板、4b…偏光板、6…バックライトユニット、8a…主支持体、8n…トップケース、12…光源、14…導光板、30…基板、40…発光ダイオード、50…全反射層、60…光学層、70側反射部、100…バックライトユニット。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
液晶パネルを有するLCDで用いるバックライトユニットであって、
基板と、
前記基板上で互いから離隔して配列している複数の光源と、
前記光源が放出した光を前記光源の上側方向に反射する全反射層と、
前記光源の上側に形成され、前記放出した光の一部を透過し、前記放出した光の他の一部を前記基板の下側方向に反射するように酸化物層が積層されている光学層とを含み、
前記光源が放出した光の光学的共振を誘起することを特徴とするバックライトユニット。
【請求項2】
前記光学層は、屈折率が互いに異なる酸化物層を交互に繰り返し積層してなることを特徴とする請求項1に記載のバックライトユニット。
【請求項3】
前記酸化物層は、屈折率が2.3以下の低屈折率酸化物または中屈折率酸化物層と、屈折率が2.3よりも大きな高屈折率酸化物層とを交互に繰り返し積層してなることを特徴とする請求項2に記載のバックライトユニット。
【請求項4】
前記酸化物層は、屈折率が1.5よりも大きく且つ2.3以下の中屈折率酸化物層と、屈折率が2.3よりも大きな高屈折率酸化物層と、屈折率が1.5以下の低屈折率酸化物層とを交互に繰り返し積層してなることを特徴とする請求項2に記載のバックライトユニット。
【請求項5】
前記光学層は、前記光学層に照射される光を透過及び反射可能な金属層を含んでいることを特徴とする請求項1に記載のバックライトユニット。
【請求項6】
前記全反射層及び前記光学層のそれぞれの屈折率と厚みとの積の合計が、前記光源から放出される光の波長の半分の整数倍であり、
前記光学層を透過して放出される光が強めあう干渉を起こすことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のバックライトユニット。
【請求項7】
前記光源が放出する光が、前記全反射層と前記光学層との間の側面からもれ出るのを防ぐために、前記バックライトユニットの側面で前記全反射層から前記光学層まで連結されている側反射部を更に含んだことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のバックライトユニット。
【請求項8】
前記側反射部は、前記全反射層から前記光学層の方向に見た時に、前記バックライトユニットの外側へ向かうように形成されていることを特徴とする請求項7に記載のバックライトユニット。
【請求項1】
液晶パネルを有するLCDで用いるバックライトユニットであって、
基板と、
前記基板上で互いから離隔して配列している複数の光源と、
前記光源が放出した光を前記光源の上側方向に反射する全反射層と、
前記光源の上側に形成され、前記放出した光の一部を透過し、前記放出した光の他の一部を前記基板の下側方向に反射するように酸化物層が積層されている光学層とを含み、
前記光源が放出した光の光学的共振を誘起することを特徴とするバックライトユニット。
【請求項2】
前記光学層は、屈折率が互いに異なる酸化物層を交互に繰り返し積層してなることを特徴とする請求項1に記載のバックライトユニット。
【請求項3】
前記酸化物層は、屈折率が2.3以下の低屈折率酸化物または中屈折率酸化物層と、屈折率が2.3よりも大きな高屈折率酸化物層とを交互に繰り返し積層してなることを特徴とする請求項2に記載のバックライトユニット。
【請求項4】
前記酸化物層は、屈折率が1.5よりも大きく且つ2.3以下の中屈折率酸化物層と、屈折率が2.3よりも大きな高屈折率酸化物層と、屈折率が1.5以下の低屈折率酸化物層とを交互に繰り返し積層してなることを特徴とする請求項2に記載のバックライトユニット。
【請求項5】
前記光学層は、前記光学層に照射される光を透過及び反射可能な金属層を含んでいることを特徴とする請求項1に記載のバックライトユニット。
【請求項6】
前記全反射層及び前記光学層のそれぞれの屈折率と厚みとの積の合計が、前記光源から放出される光の波長の半分の整数倍であり、
前記光学層を透過して放出される光が強めあう干渉を起こすことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のバックライトユニット。
【請求項7】
前記光源が放出する光が、前記全反射層と前記光学層との間の側面からもれ出るのを防ぐために、前記バックライトユニットの側面で前記全反射層から前記光学層まで連結されている側反射部を更に含んだことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のバックライトユニット。
【請求項8】
前記側反射部は、前記全反射層から前記光学層の方向に見た時に、前記バックライトユニットの外側へ向かうように形成されていることを特徴とする請求項7に記載のバックライトユニット。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図8】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図8】
【公開番号】特開2007−188035(P2007−188035A)
【公開日】平成19年7月26日(2007.7.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−142830(P2006−142830)
【出願日】平成18年5月23日(2006.5.23)
【出願人】(501379281)三星コーニング株式会社 (16)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年7月26日(2007.7.26)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年5月23日(2006.5.23)
【出願人】(501379281)三星コーニング株式会社 (16)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]