JP4750831B2 - 導光板及びバックライトモジュール - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイに用いられる導光板及びバックライトモジュールに関し、特に、側光式の導光板及びバックライトモジュールに関する。

導光板（Light Guide Plate, LGP）は、主に入射面、反射面、出射面及び複数の側面を含み、液晶ディスプレイのバックライトモジュールシステムにおける重要な構成部として、点光源（例えば、発光ダイオード）或は線光源（例えば、冷陰極管）からの光を引導・分散して所定の平面から出射させ、ＬＣＤパネルのグレーレベル及び輝度の均一度を高めるように利用される。一般に、導光板は合成樹脂材料から成り、基板の形状に伴って平板型と楔型の二種類がある。

入射光は全反射原理により導光板の中に伝播し、導光板の表面の微構成部（Pattern）に達すると、全反射条件が破られるので、該光は導光板の正面から出射される。従って、密度及び寸法が異なる微構成部により、導光板を均一に発光させることができる。導光板における微構成部についての製造方法は、印刷に類する方法及び印刷に類しない方法がある。印刷に類する方法とは、シルクスクリーン印刷法により、印刷インクを直接導光板に塗布して印刷して、微構成部の形状と分布を形成するものである。印刷に類しない方法とは、微構成部を有する金型を利用して、モールド射出成型法によって、前記導光板を形成する方法である。印刷に類しない方法は簡易な工程且つ高精度という優れた点があるので、現在、導光板の製造技術の主流となっている。また、印刷に類しない方法としては、化学エッチング、レーザー直接描画法、精密機械加工法などがある。

液晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display, LCD）は薄型・軽量化、低消費電力及び高密度の画素という優れた点があり、大型乃至多色のディスプレイの開発へ進んでいる。ＬＣＤは、初め、腕時計や携帯電話などの小型表示機器に利用され、ゲーム機やパソコン、テレビなどの中型表示機器に利用可能が実現された。近年、ＬＣＤは技術の飛躍に伴って、応用分野が広くなって、益々注目されている。従って、導光板を始めとしてより高度なバックライト技術に対して、例えば、高輝度、低コスト、低消費電力、薄型・軽量化、大寸法への対応などの特性が要求されることがある。

発光ダイオードを光源として利用するものは長寿命、低コストという優れた点があるので、一般に、小型化の表示装置、例えば、携帯電話、セルフォン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などに適用する。しかし、大型の透過型表示装置に対しては発光ダイオードの輝度が不足であるが、冷陰極管はその要求を満足できるので、光源として広く利用されている。

図１に示すように、従来、冷陰極管を光源とするバックライトモジュール１０は複数のランプが並列されるように構成され、導光板１３と、該導光板の下方に設置された複数の冷陰極管１１と、反射カバー１２と、該導光板１３の上方に設置された複数の拡散シート１４と、を含む。前記バックライトモジュール１０は大体積、高重量、高電気消費という欠点があり、且つ、ランプの影や熱の蓄積の対処に工夫する必要がある。例えば、ランプの影を除去するために、複数の拡散板と拡散シートを設置しなければならないので、バックライトモジュールの体積が大きくし、電気消費が増加する問題が起こる。

そこで、現在、バックライトモジュールとしては側光源である照明系が利用される。このようなバックライトモジュールによれば、導光板を介して光を導出させ、各種の光学薄膜も利用して射出光の輝度を高め、エネルギーを均一に分配し、ＬＣＤのバックライトモジュールの要求を満足するようになる。

図２に示すように、従来の側照明系のバックライトモジュール２０は側光源２１と、導光板２３と、反射シート２２と、拡散シート２４や光沢シート２５などの光学薄膜などを含む。該反射シート２２は分散されない光を再度導光板２３へ導入するものである。拡散シート２４は光を均一に拡散して、導光板の微構成部によるスポットを除去するためのものである。光沢シート２５は光を集中して、輝度を高めるためのものである。大寸法のバックライトモジュールの輝度を高めるために、光沢シートとしてプリズムを複数枚追加することができる。

しかし、上記導光板は光の射出角度の制御が考えられずに構成されるので、射出面からの光は射出面に垂直に出射せず、光源に離れて射出される。このような光は拡散シートと光沢シートなどの光学薄膜を介して、射出面に垂直に出射してＬＣＤへ射出されて、実用の要求を満足することができる。

１９９３年８月１７日に公開された特許文献１に、射出の角度を制御できるバックライトモジュールが記載されている。このバックライトモジュールは側光源と導光板を含み、該導光板の反射面に複数のＶ字形構成部を具備する。しかし、このようなＶ字形構成部は加工し難いし、コストが高いので、ＬＣＤに適用しない。

図３に示すように、１９９６年９月１０日に公開された特許文献２に、射出の角度を制御できるバックライトモジュール３０が記載されている。このバックライトモジュール３０は側光源３１と導光板３２を含み、該導光板の射出面に複数の超小型プリズム３３を具備する。この小型プリズム３３は、入射面３４と、射出面３５と、導光板と角度を成す、少なくとも一つの反射面３６と、を含む。しかし、このようなバックライトモジュールは、上記角度の加工が複雑という原因で、製造が困難であり、モードル射出成型方式で量産ができない。

図４に示すように、１９９８年７月１４日に公開された特許文献３に、複数のＶ字形の突起４２を有する導光板４０が記載されている。しかし、このＶ字形の突起４２は中心から両側まで次第に高さ（深さ）が増加して構成されるので、精密機械加工に不利であり、角度を制御できないので、光が垂直に射出されるように光学薄膜を付加する必要がある。

図５に示すように、１９９３年８月１７日に公開された特許文献４に、射出角を制御できるバックライトモジュールが記載されている。このバックライトモジュールは側光源５１と導光板５２を含む。この導光板５２の反射面に多層の構成部が形成され、最外の層はＶ字形の構成部５４を具備している。しかし、この多層の構成部を有する導光板は加工がし難いし、コストが高いという欠点があるので、ＬＣＤに適用しない。また、このバックライトモジュールは側光源を一つだけ有するので、高輝度が必要なＬＣＤに適用できない。
米国特許第５，２３７，６４１号明細書 米国特許第５，５５５，３２９号明細書 米国特許第５，７７９，３３７号明細書

本発明は、両側照明方式で射出角を制御できる、ＬＣＤに適用する導光板を提供することを第一目的とする。

本発明は、両側照明方式で射出角を制御できる、ＬＣＤに適用するバックライトモジュールを提供することを第二目的とする。

本発明は第一目的を解決するために、対向する両入射面と、最上方の表面であって、前記両入射面に隣接する射出面と、前記射出面に対向し、複数の微構成部を有する反射面と、を含む導光板を提供する。前記複数の微構成部は、導光板における両入射面から等距離にある中心を対称軸として、寸法及び配列の密度が前記中心から前記両入射面に向かって小さくなる。使用する場合、光源からの光の一部は両入射面から前記導光板へ入射され、前記反射面の微構成部で反射されて射出面に垂直な方向に射出される。

本発明は第二目的を解決するために、側面の線光源と導光板を含む。また、導光板は対向する両入射面と、最上方の表面であって、前記両入射面に隣接する射出面と、前記射出面に対向し、複数の微構成部を有する反射面と、を含む。ここで、前記両側面の線光源が前記両入射面に隣接し、前記射出面に複数の微構成部が形成される。前記複数の微構成部は、導光板における両入射面から等距離にある中心を対称軸として、寸法及び配列の密度が前記中心から前記両入射面に向かって小さくなる。使用する場合、少なくとも両方の線光源からの光の一部は入射面を透過して前記導光板に入って、前記反射面の微構成部によって反射されて射出面に垂直な方向に射出される。

従来の技術と比べて、本発明にかかる両側照明の微構成部によれば、導光板からの射出光を射出面に垂直するように制御して、光能を最大に利用することができる。このような導光板及びそれと単側又は両側の線光源とからなったバックライトモジュールによれば、輝度を高め、従来のバックライトモジュールの反射シートと拡散シートと光沢シートを省略し、システムを簡単にし、性能を高める効果がある。そして、本発明は微構成部の配置と密度の調整を利用して、射出光の輝度を均一に制御し、光源からの光の両伝送方向である垂直方向と平行方向での均一度が８５％以上になるようにする。前記両方向での光の射出角の半分は３０度以上であるので、大部分の光は導光板の射出面に垂直に射出されることができる。

以下、本発明にかかる導光板とバックライトモジュールを図面と実施例を参照してさらに詳しく説明する。

図６及び図７に示すように、本発明の実施例１に、両入射面６２及び６２’と、射出面６３と、該射出面６３に対向する反射面６４と、他の両側面（図示せず）と、を含む１４．１インチの平板型の導光板６０を例示する。ここで、両入射面６２及び６２’は導光板６０の冷陰極管６１及び６１’に隣接する側面に設置される。射出面６３は導光板６０の最上方に設置される。反射面６４は、導光板６０の底面に設置され、射出面６３から離れた方向に沿って導光板６０の外部に突出された複数のＶ字形微構成部６４０を有する。

前記Ｖ字形微構成部６４０は、頂角θ１が４０°〜９５°で、反射面６４と形成された第一底角θ２、第二底角θ３がそれぞれ７０°〜９０°、１５°〜５０°である。本実施例にかかる前記Ｖ字形微構成部６４０の頂角θ１が６２°で、第一底角θ２と第二底角θ３がそれぞれ８２°と３６°であることが好ましい。

導光板からの射出光の均一度を高めるために、前記導光板６０における前記両入射面６２及び６２’ から等距離にある中心を対称軸として、この中心の両側にある複数のＶ字形微構成部６４０が互いに対称になるように配列されている。また、Ｖ字形微構成部６４０は、寸法と配列の密度が両入射面６２及び６２’から始まって前記中心に近いほど大きくなる。

導光板６０の中心から入射面６２に近い側の構成を例として、本発明にかかるＶ字形微構成部６４０において、隣接の微構成部６４０毎に離れた距離Ｄ、即ち入射面におけるＶ字形微構成部６４０に近い第一底角と反射面６４の交点の距離が同一であるように構成されている。この距離Ｄは最大であるＶ字形微構成部６４０の幅と等しいので、入射面６２から離れるほど、Ｖ字形微構成部の配列の密度が高く、寸法が大きくなる。これに反して、入射面６２’に近いほど、Ｖ字形微構成部の配列の密度が低く、寸法が小さくなる。そして、図７に示すように導光板６０における両入射面から等距離にある中心を対称軸とすれば、この中心の両側にあるＶ字形微構成部６４０の第一底角θ２及びθ２’が対称になり、第二底角θ３及びθ３’が対称になるように設置しなければならない。

前記複数のＶ字形微構成部６４０の幅Ｙは１０〜３００μｍであるので、人間の目でＬＣＤを通じて導光板におけるＶ字形微構成部６４０を見えることはなく、そこで、従来のバックライトモジュールにおける大量の光エネルギーがかかる拡散シートを省略することができる。加工技術の発展に伴って、幅Ｙは１０μｍを下回る目的を実現することが理解できる。前記導光板６０の一部を透過する光の輝度が高すぎるという現象がある場合、Ｖ字形微構成部６４０の配列の密度及びその寸法を小さく設ける。これに反して、前記導光板６０の一部に透過した光の輝度が低すぎるという現象がある場合、Ｖ字形微構成部６４０の配列の密度及びその寸法を大きく設ける。

光エネルギーの利用率を高めるために、反射面６４に金属膜又は媒質膜、例えば、アルミニウム膜や銀膜などを反射促進の膜（図示せず）として配置する。反射面６４に形成された複数のＶ字形微構成部６４０は、めっき加工を介して反射率を高めることができる。なお、導光板６０において、反射面６４、射出面６３、入射面６２及び６２’以外の両面は反射促進の膜（図示せず）をめっき加工によって形成し、反射率を高める必要もある。

本発明の実施例にかかる導光板６０はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）からなったものである。

前記導光板６０は、冷陰極管６１及び６１’と、反射カバー６１１及び６１１’と併せてバックライトモジュールを構成することができる。前記冷陰極管６１及び６１’からの光は最大に入射面６２及び６２’に入射させるために、前記冷陰極管６１及び６１’は導光板８０の入射面６２及び６２’に近く、反射カバー６１１及び６１１’は冷陰極管６１及び６１’を囲むように設置される。前記構成によれば、従来のバックライトモジュールにおける反射シートと、拡散シートと、光沢シートを省略し、射出光が射出面に垂直になるように制御し、従来のバックライトモジュールの機能を図ることができる。

更に、導光板からの光の射出角を小さくして光を集中するために、本発明の実施例にかかる導光板の射出面に周期的に並列されたＶ字形微構成部が設置される。

図８に示すように、本発明の実施例２にかかる導光板８０は実施例１にかかる導光板をベースとして、射出面８３の表面に反射面のＶ字形微構成部８４の方向と直交して周期的に配列された第二Ｖ字形微構成部８５を有する。且つ、該第二Ｖ字形微構成部８５は前記反射面から離れた方向に沿って導光板８０の外部に突出する。前記第二Ｖ字形微構成部８５は形状が等しい二等辺三角形であり、その頂角の範囲が５０°〜１５０°で、高さの最大値は５００μｍである。本実施例にかかる射出面のＶ字形微構成部の頂角は９０°で、両底角は４５°であるが、各Ｖ字形ｎ間の距離は０.２μｍである。

広画角に適用する場合、導光板の射出面にいずれの構成も必要がない。ただし、光源の傍に現れた影を除去するために、光源に隣接する射出面において、縦方向での周期並列のＶ字形微構成部を設置すればよい。

図９に示すように、本発明の実施例３にかかる導光板９０は、実施例１にかかる導光板をベースとして、両入射面９２、９２’の表面に縦方向での周期配列の第三Ｖ字形微構成部９４、９４’を設ける。前記第三Ｖ字形微構成部９４、９４’は形状が等しい二等辺三角形であり、その高さの最大値は５００μｍである。

図１０に示すように、本発明において、入射面に設けられたＶ字形微構成部は、密接の周期配列のＶ字形微構成部１０１又は間断した周期配列のＶ字形微構成部１０３のように形成されることにより、光源に隣接する場所における不均一な光による影を除去する目的も図ることができる。なお、必要があれば、本発明にかかる導光板の入射面及び射出面には共に周期分布のＶ字形微構成部を設ける場合もある。

以下、本発明にかかる各実施例について試験データを参照して詳しく説明する。

図１１は実施例１として反射面だけ有するが、Ｖ字形微構成部を有しない両側照明導光板からの射出光のパターンを示す図である。ここで、大部分の光は中央の部分から射出されることが分かる。

図１２及び図１５は共にＶ字形微構成部を有する反射面及び射出面を含む、実施例２にかかる両側照明導光板を示す。図１２は導光板からの射出光のパターンを示す図である。ここで、大部分の光は中央の部分から射出されることが分かる。図１３は統括的に該導光板においてそれぞれ０°及び９０°である射出角φで射出された光の輝度が角度の変化に伴って変化する曲線、即ち、射出光の角度による分布状態を示す。図１３に示すように、両方向での角度の半分は３０°以内であるが、大部分の光は導光板に垂直して射出するので、本発明にかかる導光板は一枚のみ用いても、従来のバックライトモジュールに対する角度の要求を満足することができる。図１４及び図１５は導光板における反射面のＶ字形微構成部の配列の密度と寸法を制御して得られた光のパターンを示す。射出光はＸ軸方向（図１４に示すように）及びＹ軸方向（図１５に示すように）での均一度が８５％以上の良好な性能を持っていることが分かる。

試験データによって分析するように、本発明にかかる導光板における射出面のＶ字形微構成部は材料性能及び導光板の寸法に伴って異なるが、一般に非直線状に分布されている。前記Ｖ字形の寸法は図１６に示すように変化する。

本発明にかかる導光板は楔形に形成することが理解できる。また、本発明にかかるＶ字形微構成部は適切に変化されることができる。本発明にかかる導光板と両側の線光源とにより、高輝度乃至良好な均一度を持つバックライトモジュールを構成できる。なお、導光板の材料はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）に加えて、ポリカーボネート（ＰＣ）或いはアクリル（acrylic）材料など一般的な合成樹脂も利用できる。

本発明にかかる両側照明の導光板における反射面のＶ字形構成によれば、射出光を射出面に垂直するように制御し、光能を最大限に利用することができる。このような導光板及びそれと両側線光源からなるバックライトモジュールにおいて、輝度を高め、従来の導光板の反射シートや拡散シート、光沢シートなど光学素子を省略し、システムを簡単にし、性能を高める。同時に、本発明はＶ字形構成の分布及び密度を調整して、射出光の輝度の均一度を制御して、光源に垂直又は平行な伝送方向での光の何れも均一度が８５％以上、且つ射出角の半分が３０°以下になり、可視光の大部分は導光板に垂直にして射出するようになる。光源の状況を考えて、入射面にＶ字形微構成部を設置して光源による影を除去するある場合がある。

従来技術である複数のライトが並列して構成されたバックライトモジュールを示す図である。 従来の側面照明のバックライトモジュールの構成を示す図である。 従来技術のバックライトモジュールを示す図である。 従来技術の導光板を示す図である。 従来技術のバックライトモジュールを示す図である。 本発明の実施例１にかかる導光板を示す図である。 図６におけるＶＩＩで示す部分を拡大して示す図である。 本発明の実施例２にかかる導光板を示す図である。 本発明の実施例３にかかる導光板を示す図である。 本発明にかかる導光板の入射面のＶ字形微構成部を示す図である。 本発明の実施例１にかかる導光板への入射光の角を分配することを示す図である。 本発明の実施例２にかかる導光板への入射光の角を分配することを示す図である。 本発明の実施例２にかかる射出角・光強度の曲線図である。 本発明の実施例２にかかるＸ軸の方向への統括の光強度の曲線図である。 本発明の実施例２にかかるＹ軸の方向への統括の光強度の曲線図である。 本発明にかかる両側照明光源の導光板における反射面のＶ型微構成部がＹ軸の方向へ大小変化するものを示す図である。

符号の説明

６０、８０、１３０ 導光板
６２、６２’、９２、９２’ 入射面
６４ 反射面
６４０、８４、８５、９４、９４’、１０１，１０３ Ｖ字型微構成部
６３、８３ 出射面
６１，６１’ 冷陰極管
６１１、６１１’ 反射カバー

Claims (5)

1. 対向する両入射面と、
   最上方の表面であって、前記両入射面に隣接する射出面と、
   前記射出面に対向し、複数の微構成部を有する反射面と、
   を含む導光板において、
   前記複数の微構成部は、前記導光板における両入射面から等距離にある中心を対称軸として、寸法及び配列密度が前記中心から前記両入射面へ向かって小さくなり、
   前記微構成部は前記反射面と第一底角及び第二底角を形成し、
   前記複数の微構成部の各第一底角と前記反射面との各交点間の距離が、前記対称軸から前記両入射面にわたって同一であることを特徴とする導光板。
2. 前記射出面は、前記反射面に設けた微構成部の方向と直交して配列した第二Ｖ字形微構成部を有し、
   前記第二Ｖ字形微構成部は前記反射面から離れた導光板の外部に突出するように構成されることを特徴とする、請求項１記載の導光板。
3. 前記両入射面には縦方向に周期的に並列した第三Ｖ字形微構成部が形成されることを特徴とする、請求項１記載の導光板。
4. 前記第三Ｖ字形微構成部の構成は、密接の周期配列及び間断の周期配列の二種があることを特徴とする、請求項３記載の導光板。
5. 対向する両入射面と、最上方の表面であって、前記両入射面に隣接する射出面と、前記射出面に対向し、複数の微構成部を有する反射面と、を含む導光板と、
   前記両入射面に隣接する両線光源と、
   を含むバックライトモジュールにおいて、
   前記複数の微構成部は、前記導光板における両入射面から等距離にある中心を対称軸として、寸法及び配列密度が前記中心から前記両入射面へ向かって小さくなり、
   前記微構成部は前記反射面と第一底角及び第二底角を形成し、
   前記複数の微構成部の各第一底角と前記反射面との各交点間の距離が、前記対称軸から前記両入射面にわたって同一であることを特徴とするバックライトモジュール。