JP7029882B2 - 光源装置および表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置および表示装置に関する。

近年、色再現性の良い画像を表示することができる液晶表示装置を提供するため、液晶表示素子への入射光の色純度を高める技術の開発が求められている。一例として、量子ドットを用いた技術が開発されている。量子ドットは蛍光体であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源からの励起光が入射されると該励起光の波長よりも長い波長の光を生成する。量子ドットの種類や粒径を変えることによって、量子ドットが生成する光の波長を調整可能である。例えば、励起光としてＬＥＤからの青色光を用い、量子ドットは該青色光が入射された際に半値幅が狭い緑色光および赤色光を生成するように構成される。これにより、量子ドットを用いて、光の三原色に対応する狭い波長領域の光を生成可能な高効率の光源を実現することができる。

量子ドットは水、酸素や熱に曝されると劣化しやすい。特許文献１に記載の技術は、水および酸素に対してバリア性を有する容器内に、樹脂または有機溶媒中に分散された量子ドットを密閉する。このような構成により、量子ドットを含む光源装置の劣化を抑制して信頼性を向上させることができる。

特開２０１６－７６６３４号公報 特開２０１５－２３３０５７号公報

量子ドットを密閉する容器は、量子ドット自体の無放射失活等により発生した熱を蓄積しやすい。そのため、容器に蓄積された熱に起因する量子ドットの劣化が起こり得る。しかしながら、特許文献１に記載の技術は水および酸素による劣化を抑制することができるものの、熱による劣化について考慮していない。

本発明は、上述の問題に鑑みて行われたものであって、熱による量子ドットの劣化を抑制することができる光源装置および表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、光源装置であって、基板と、前記基板の上に支持された、光を発生させる光源部と、前記光源部の上に支持された、前記光によって励起される量子ドットを内包する容器と、前記容器と前記基板とを接続する熱伝導体と、を備える。

本発明によれば、量子ドットを含む容器と、該容器を支持する基板との間を熱伝導体によって接続する。このような構成により、量子ドットから発生した熱を容器から基板に伝達させ、効率的に放熱することができる。

第１の実施形態に係る表示装置の前面図である。 第１の実施形態に係る表示装置の断面図である。 第１の実施形態に係る量子ドット構造体の断面図である。 第２の実施形態に係る表示装置の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明するが、本発明は各実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る表示装置１０の前面図である。表示装置１０は、液晶パネル２０と、液晶パネルの背面に沿って設けられた光源装置１００と、液晶パネル２０および光源装置１００を支持する枠３０とを備える。図１において、視認性のために液晶パネル２０は背面側の光源装置１００を透過するように示されている。図１に示す表示装置１０に含まれる各部の数および大きさは実際の構成を反映しておらず、実際の実装方法に応じて任意に設計されてよい。

光源装置１００は直下型バックライトユニットであり、液晶パネル２０の背面側から液晶パネル２０に光を照射する。光源装置１００の詳細な構成については、図２および３を用いて後述する。液晶パネル２０は、液晶層、偏光板、カラーフィルタ、および薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の電気回路を含む周知の構成を有する。液晶パネル２０は、電気回路を通じて画素ごとに光源装置１００からの光の透過率を制御することによって、所望の画像を表示する。枠３０は樹脂、金属等を用いて構成されており、液晶パネル２０および光源装置１００を支持する。枠３０の内部には、液晶パネル２０および光源装置１００への電気配線が配設される。なお、本実施形態ではバックライトユニットの方式として直下型バックライトユニットを例示しているが、エッジライト方式であってもよい。

図２は、図１のＡ－Ａ線から見た本実施形態に係る表示装置１０の断面図である。光源装置１００は、所定の波長の光を生成する光源部１２０、および光源部１２０からの光の波長を変換する量子ドット構造体１１０を備える。

光源部１２０は、発光素子１２１、基板１２２、およびフレーム１２３を有する。発光素子１２１は、所定の波長の光を生成し、液晶パネル２０へ向けて照射する。発光素子１２１は不図示の電気配線に電気的に接続されており、該電気配線を通じて印加される電力を用いて光を生成する。発光素子１２１により生成される光の波長は、例えば青色光の波長領域（約３８０ｎｍ～５００ｎｍ）または紫外光の波長領域（約１０ｎｍ～３８０ｎｍ）である。発光素子１２１として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）等の任意の発光素子を用いてよい。発光素子１２１からの光が励起光として後述の量子ドット構造体１１０に入射することによって、光源装置１００は光の三原色に対応する狭い波長領域の光を生成することができる。

フレーム１２３は、凹状の形状を有しており、底壁１２３ａ、および底壁１２３ａの周囲を取り囲む側壁１２３ｂを備える。底壁１２３ａの上には発光素子１２１が支持され、側壁１２３ｂの上には量子ドット構造体１１０が支持される。量子ドット構造体１１０と発光素子１２１との間には、底壁１２３ａおよび側壁１２３ｂに取り囲まれている内側領域が形成され、発光素子１２１から量子ドット構造体１１０への光は該内側領域を通過する。放熱性を向上させるために、フレーム１２３の底壁１２３ａおよび側壁１２３ｂは、高熱伝導樹脂等の熱伝導体を用いて構成される。高熱伝導樹脂は、例えばポリカーボネート、ナイロン等の樹脂に、無機粒子等の熱伝導性フィラーを混合したものでよい。また、フレーム１２３を構成する熱伝導体として、金属、半導体等の熱伝導性が高いその他の材料を用いてもよい。

基板１２２は、液晶パネル２０の表面に対して平行に延在し、複数の発光素子１２１およびフレーム１２３を支持する。本実施形態では、所定の数の発光素子１２１およびフレーム１２３が基板１２２の上に格子状かつ等間隔に配置される。発光素子１２１およびフレーム１２３の数および配置は、表示装置１０の構成に応じて任意に設定されてよい。基板１２２は、樹脂、金属、半導体等の任意の材料を用いて構成されてよい。

量子ドット構造体１１０は液晶パネル２０の背面と光源部１２０との間に位置し、光源部１２０から液晶パネル２０の背面へ照射される光の光路に介在する。すなわち、光源部１２０からの光は、量子ドット構造体１１０を介して液晶パネル２０の背面に照射される。図３は、図１のＡ－Ａ線から見た量子ドット構造体１１０の詳細な断面図である。量子ドット構造体１１０は、密閉容器１１１、ならびに密閉容器１１１に内包された量子ドット１１２および分散媒１１３を含む。分散媒１１３は量子ドット１１２を均等に分散させる液状または固体状の媒体であり、少なくとも可視光の波長領域（約３８０ｎｍ～７８０ｎｍ）の光を透過する樹脂等の任意の材料を用いて構成される。

密閉容器１１１は、外部空間（すなわち大気）から隔離された内部領域を有する容器であり、少なくとも可視光の波長領域の光を透過するガラスや樹脂等の任意の材料を用いて構成される。水および酸素による量子ドット１１２の劣化を抑制するために、密閉容器１１１は水および酸素に対してバリア性を有する材料を用いて構成されることが望ましい。

本実施形態において、密閉容器１１１は水および酸素に対するバリア性が高いガラスを用いて形成されたガラスセルとして構成される。具体的には、密閉容器１１１は、互いに平行なガラス製の矩形板である底壁１１１ａおよび天井壁１１１ｂがガラス製の側壁１１１ｃを介して所定の間隔をおいて対向した四角柱状の構造を有する。光源部１２０からの光は、底壁１１１ａに対して垂直に入射する。密閉容器１１１の構造は、ここに示したものに限られず、公知のものを用いてよい（例えば、特許文献２参照）。密閉容器１１１の形状は、例えば円柱状等の任意の形状でよい。密閉容器１１１を構成する壁面の少なくとも一部は平面状でなく、曲面状でもよい。

量子ドット１１２（コロイド状量子ドットともいう）は、量子力学に従う光学特性を有するナノスケールの材料であり、粒子径が約１ｎｍ～１００ｎｍ、好ましくは１ｎｍ～５０ｎｍ、より好ましくは１ｎｍ～２０ｎｍの微小な半導体粒子である。量子ドット１１２は、バンドギャップ（価電子帯および伝導帯のエネルギー差）よりも大きなエネルギーを有する光子を吸収し、その粒子径に応じた波長の光を放出する。したがって、量子ドット１１２は、所定の波長以下の光を吸収する性質を持ち、粒子径を調整することによって所望の波長の光を発生させることができる。本実施形態において、量子ドット１１２は図３のように球状であるが、これに限られず任意の形状であってよい。

量子ドット１１２は、少なくとも１つの半導体材料を含む。量子ドット１１２の半導体材料として、第ＩＶ族元素、第ＩＩ－ＶＩ族化合物、第ＩＩ－Ｖ族化合物、第ＩＩＩ－ＶＩ族化合物、第ＩＩＩ－Ｖ族化合物、第ＩＶ－ＶＩ族化合物、第Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ族化合物、第ＩＩ－ＩＶ－ＶＩ族化合物、第ＩＩ－ＩＶ－Ｖ族化合物等を用いてよい。具体的には、量子ドット１１２の半導体材料として、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＳｅ、ＧａＳｂ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、Ａ１Ｎ、Ａ１Ｐ、ＡｌＳｂ、ＴｉＮ、ＴｉＰ、ＴｉＡｓ、ＴｉＩＳｂ、ＰｂＯ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、Ｇｅ、Ｓｉ等を用いることができる。量子ドット１１２の材料として、ここに示したものに限られず、量子ドットの機能を発揮できる限り任意の材料をもちいてよい。

光源部１２０が生成する光が青色光である場合には、緑色光の波長領域（約５１０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下、好ましくは５２０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下）に発光中心波長を有する第１の量子ドット１１２と、赤色光の波長領域（約６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下、好ましくは６１０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下）に発光中心波長を有する第２の量子ドット１１２とを組み合わせて用いることができる。すなわち、光源部１２０が生成する青色光は、量子ドット１１２に対する励起光として機能するとともに、光源装置１００が発する可視光として機能する。本実施形態においては、青色、緑色、及び赤色の３つの極大がある発光スペクトルを有する光源を示したが、量子ドットの発光中心波長及び量子ドットの組み合わせはこれに限られず任意の組み合わせを用いてよい。

光源部１２０が生成する光が紫外光である場合には、緑色光の波長領域に発光中心波長を有する第１の量子ドット１１２と、赤色光の波長領域に発光中心波長を有する第２の量子ドット１１２と、青色光の波長領域に発光中心波長を有する第３の量子ドット１１２とを組み合わせて用いる。すなわち、光源部１２０が生成する紫外光は、量子ドット１１２に対する励起光として機能する。

量子ドット１１２は、少なくとも１つの半導体材料を含むコアと、少なくとも１つの半導体材料を含むシェルとからなるコアシェル型構造を有していてもよい。具体的には、コアとしてＣｄＳｅ、シェルとしてＣｄＺｎＳを有する量子ドット１１２、コアとしてＣｄＺｎＳｅ、シェルとしてＣｄＺｎＳを有する量子ドット１１２、コアとしてＣｄＳ、シェルとしてＣｄＺｎＳを有する量子ドット１１２等を用いることができる。

図２に戻り、本実施形態に係る光源装置１００において効率的な放熱を実現する手段を説明する。光源装置１００は、量子ドット構造体１１０から放熱を行うために、量子ドット構造体１１０の側壁１１１ｃの周囲を覆う高熱伝導覆い材１３０、および光源部１２０のフレーム１２３の内側領域を充てんする高熱伝導充てん材１４０を備える。高熱伝導覆い材１３０および高熱伝導充てん材１４０は、それぞれ量子ドット構造体１１０と光源部１２０の基板１２２とを熱的に接続し、量子ドット構造体１１０からの熱を基板１２２に伝達する。

具体的には、高熱伝導覆い材１３０は、量子ドット構造体１１０の側壁１１１ｃと基板１２２の表面とを接続する。量子ドット構造体１１０から高熱伝導覆い材１３０への熱の移行を促進するために、また高熱伝導覆い材１３０は側壁１１１ｃの高さ方向の１／３以上、より好ましくは半分以上、さらに好ましくは全てに接触している。高熱伝導覆い材１３０は側壁１１１ｃの外周方向に沿った少なくとも一部に接触していればよいが、より好ましくは側壁１１１ｃの外周方向に沿った全てに接触している。高熱伝導覆い材１３０自体からの放熱量を増加させるために、高熱伝導覆い材１３０の表面に凹凸を設けて表面積を大きくすることが望ましい。

本実施形態において、高熱伝導覆い材１３０は、熱伝導体をペースト状にした高熱伝導ペーストを、量子ドット構造体１１０の側壁１１１ｃ、光源部１２０の側壁１２３ｂおよび基板１２２の表面に連続して接触するように塗布することによって形成される。高熱伝導覆い材１３０に用いられる熱伝導体として、金属、半導体、上述の高熱伝導樹脂等を用いてよい。このような構成により、量子ドット構造体１１０で発生した熱は、量子ドット構造体１１０の側壁１１１ｃから高熱伝導覆い材１３０を通って基板１２２に伝達し、基板１２２から放出される。

高熱伝導充てん材１４０は、量子ドット構造体１１０の底壁１１１ａと光源部１２０の底壁１２３ａとを接続する。発光素子１２１からの光の損失を抑制するために、高熱伝導充てん材１４０は、光源部１２０の底壁１２３ａおよび側壁１２３ｂに取り囲まれている内側領域を完全に満たしており、発光素子１２１から量子ドット構造体１１０への光路上に空間が存在しないことが望ましい。

本実施形態において、高熱伝導充てん材１４０は、光源部１２０の底壁１２３ａおよび側壁１２３ｂに取り囲まれている内側領域に熱伝導体を充てんすることによって形成される。高熱伝導充てん材１４０に用いられる熱伝導体として、少なくとも発光素子１２１からの光の波長領域を透過する無機物質や上述の高熱伝導樹脂等を用いてよい。通常、光源部１２０のフレーム１２３は大気より伝熱量が多いため、高熱伝導充てん材１４０からの熱は容易に基板１２２へ伝導する。このような構成により、量子ドット構造体１１０で発生した熱は、量子ドット構造体１１０の底壁１１１ａから高熱伝導充てん材１４０および光源部１２０のフレーム１２３を通って基板１２２に伝達し、基板１２２から放出される。

さらに光源部１２０の基板１２２には、基板１２２からの放熱部であるヒートシンク１５０が設けられている。ヒートシンク１５０は、表面上に多数の凹凸を有しており、放熱性を高めた部材である。ヒートシンク１５０の設置面積を大きくするため、ヒートシンク１５０は基板１２２の量子ドット構造体１１０とは反対側に設けられることが望ましい。量子ドット構造体１１０から高熱伝導覆い材１３０および高熱伝導充てん材１４０を介して基板１２２へ伝導した熱は、基板１２２のヒートシンク１５０からより効率的に放出される。基板１２２からの放熱部として、ヒートシンク１５０の他に、基板１２２の表面に塗布された放熱塗料等の任意の構造を用いてもよい。また、基板１２２の表面に凹凸を設けることによって、基板１２２自体を放熱部として機能させてもよい。

光源部１２０の基板１２２は面積が広いため、量子ドット構造体１１０の密閉容器１１１よりも放熱性が高い。また、ヒートシンク１５０によって基板１２２の放熱性がさらに高められている。そのため、本実施形態に係る光源装置１００によれば、量子ドット構造体１１０で発生した熱を、高熱伝導覆い材１３０および高熱伝導充てん材１４０を用いて基板１２２に逃がすことによって、量子ドット構造体１１０からの放熱量を増加させ、熱による量子ドット１１２の劣化を抑制することができる。

本実施形態では、高熱伝導覆い材１３０および高熱伝導充てん材１４０の両方によって量子ドット構造体１１０と基板１２２とを熱的に接続しているが、高熱伝導覆い材１３０および高熱伝導充てん材１４０の少なくとも一方を設ければ本実施形態の効果を得ることができる。

（実施例）
実施例として第１の実施形態に係る光源装置１００に対して加速試験を行った。また、光源装置１００から高熱伝導覆い材１３０およびヒートシンク１５０が省略された比較例１、ならびに光源装置１００から高熱伝導覆い材１３０が省略された比較例２に対して加速試験を行った。加速試験の条件としては、発光素子１２１として中心波長４５０ｎｍのＬＥＤを用いて光源装置１００を作製し、８５度の環境温度においてＬＥＤを点灯した。ＬＥＤ点灯前の状態および７０時間経過後の状態についてそれぞれ全光束を測定し、それらの状態の間の全光束維持率を算出した。光束維持率は、比較例１を１００％とした相対値として表されており、その値が高いほど量子ドットの劣化が抑制されているため良い。また、実施例、比較例１および比較例２についてそれぞれ外観検査を行った。外観検査は、量子ドット１１２および分散媒１１３の色が、劣化により黒くなる程度を評価したものである。測定結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例では、高熱伝導覆い材１３０およびヒートシンク１５０が設けられていない比較例１に比べて全光束維持率が大幅に向上した。また、実施例１では、基板１２２の裏にヒートシンク１５０が設けられているだけの比較例２に比べて全光束維持率が向上した。また、外観検査による量子ドットの劣化評価についても実施例は比較例１および比較例２よりも良い。そのため、量子ドット構造体１１０と基板１２２とを接続する高熱伝導覆い材１３０を設けることが、量子ドット構造体１１０の放熱性の向上および信頼性の向上に有効であることが確認できた。

（第２の実施形態）
図４は、図１のＡ－Ａ線から見た本実施形態に係る表示装置１０の断面図である。本実施形態においては、量子ドット構造体１１０の構成が第１の実施形態と異なる。量子ドット構造体１１０の構成以外は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態に係る表示装置１０では、高熱伝導覆い材１３０は省略され、代わりに量子ドット構造体１１０の側壁１１１ｃの表面上に量子ドット構造体１１０からの放熱部であるヒートシンク１６０が設けられている。ヒートシンク１６０は、表面上に多数の凹凸を有しており、放熱性を高めた部材である。また、量子ドット構造体１１０の側壁１１１ｃの表面に凹凸を設けることによって、側壁１１１ｃ自体を放熱部として機能させてもよい。量子ドット構造体１１０の側壁１１１ｃを放熱部として機能させる手段は、表面への凹凸の付与に限定されず、表面に塗布された放熱塗料等の任意の構造を用いてもよい。

量子ドット構造体１１０からの放熱部として、ヒートシンク１６０の代わりに、密閉容器１１１の底壁１１１ａ、天井壁１１１ｂまたは側壁１１１ｃの内部または表面に設けられた循環パイプの中を気体または液体を循環させることによって強制冷却を行う空冷装置または水冷装置を設けてもよい。

本実施形態に係る表示装置１０によれば、量子ドット構造体１１０で発生した熱を、高熱伝導充てん材１４０を用いて基板１２２に逃がすとともに、量子ドット構造体１１０に設けられたヒートシンク１６０から放出することによって、量子ドット構造体１１０からの放熱量を増加させ、熱による量子ドット１１２の劣化を抑制することができる。

第１および第２の実施形態を組み合わせ、量子ドット構造体１１０の側壁１１１ｃに高熱伝導覆い材１３０およびヒートシンク１６０の両方を設けてもよい。これにより、量子ドット構造体１１０からの放熱量をさらに増加させることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

１００ 光源装置
１１０ 量子ドット構造体
１１１ 密閉容器
１１２ 量子ドット
１２０ 光源部
１３０ 高熱伝導覆い材
１４０ 高熱伝導充てん材

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板の上に支持され、光を発生させる光源素子およびフレームを有する光源部と、
   前記光源部の上に支持された、前記光によって励起される量子ドットを内包する容器と、
   前記フレームと前記容器と前記基板とを接続する熱伝導覆い材と、
   樹脂および前記樹脂に混合された熱伝導性充てん材を有する熱伝導体と、
   を備え、
   前記容器は前記光が入射する底壁および前記底壁を取り囲む側壁を有し、
   前記熱伝導性充てん材が、前記容器および前記フレームにより取り囲まれた領域を充てんし、
   前記樹脂はポリカーボネートまたはナイロンであり、前記熱伝導性充てん材は無機粒子であり、
   前記熱伝導覆い材は、前記容器の前記側壁と前記基板とを接続し、前記容器の前記側壁、前記フレームの側壁、および前記基板の表面に連続して接触するように設けられ、前記容器の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する熱伝導金属を含み、
   前記熱伝導性充てん材が、前記容器の底壁から前記フレームを介して前記基板に熱を伝導することを特徴とする、光源装置。
2. 前記熱伝導体は、前記光を透過することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記基板の前記容器とは反対側の面に放熱部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の前記光源装置と、前記光源装置からの光が照射される位置に設けられた液晶パネルと、を備える表示装置。

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