DE19860697A1 - Verfahren zur Herstellung eines flachen Lichtleitermoduls - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur einfachen und kostengünstigen Herstellung eines Lichtquellenelements (10, 20) mit integriertem Reflektor (4, 24). Das Lichtquellenelement enthält im wesentlichen einen Lichtwellenleiter (1, 21), der nach einer ersten Ausführungsform in Spritzgußtechnik gefertigt wird. Dabei wird in die Form der Spritzgußapparatur, d. h. im wesentlichen auf die Bodenfläche und entlang mindestens einer Seitenfläche eine lichtreflektierende Folie (4, 24) eingelegt. Dann wird der Spritzguß ausgeführt, wobei nach dem Aushärten der Kunststoffmasse die Folie (4, 24) an der Oberfläche des Lichtwellenleiters haften bleibt. In einer zweiten Ausführungsform wird die Folie in einem Tiefziehverfahren hergestellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtquellenelements nach den Patentansprüchen 1 oder 3, und ein Lichtquellenelement gemäß Patentanspruch 7, insbe­ sondere für die Hinterleuchtung von Flüssigkristall-Displays.

Bei der Hinterleuchtung von Flüssigkristall-Displays besteht eine wichtige Aufgabe darin, die Flüssigkristall-Anzeigeflä­ che mit einer möglichst homogenen monochromen oder polychro­ men Lichtstrahlung ausreichend hoher Leuchtdichte auszuleuch­ ten. Dazu muß die aus einer oder mehreren Lichtquellen emit­ tierte Lichtstrahlung einerseits möglichst homogen auf die Anzeigefläche verteilt werden, wobei andererseits die Verlu­ ste möglichst minimiert werden sollten.

In der EP-0 500 960 ist ein flächiges Lichtquellenelement be­ schrieben, welches zur Hinterleuchtung bei einem Flüssigkri­ stall-Display eingesetzt werden soll. Bei diesem Lichtquel­ lenelement ist an einer Stirnseitenfläche als einer Lichtein­ fallsfläche eines transparenten Lichtwellenleiters eine Lichtquelle angeordnet. Eine zu der Lichteinfallsfläche senk­ rechte Oberfläche des Lichtwellenleiters dient als eine Lichtaustrittsfläche und auf der dieser Lichtaustrittsfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Lichtwellenleiters ist eine lichtreflektierende Schicht angeordnet. Ferner ist ein Streu­ glied derart angeordnet, daß das aus der Lichtaustrittsfläche austretende Licht diffus gestreut wird. Die Homogenisierung der Lichtstrahlung über die Fläche des Lichtquellenelements wird nun dadurch erreicht, daß eine oder beide Oberflächen des Lichtwellenleiters aufgerauhte Abschnitte und ebene Ab­ schnitte aufweisen und das Flächenverhältnis der aufgerauhten zu den ebenen Abschnitten entlang dem Wellenleiter kontinu­ ierlich verändert wird. Die ebenen Abschnitte haben die Ei­ genschaft, daß Lichtstrahlen von ihnen aufgrund von Totalre­ flexion in den Wellenleiter zurückreflektiert werden, während an den aufgerauhten Abschnitten die Lichtstrahlen gestreut werden. Da an der Lichteintrittsseite des Lichtwellenleiters die Leuchtdichte zunächst relativ hoch ist, wird dort ein re­ lativ hoher Anteil an ebenen Flächen eingestellt, so daß sich die Lichtwellen in diesem Bereich mit einer relativ hohen Wahrscheinlichkeit durch mehrfache Totalreflexion in dem Wel­ lenleiter fortbewegen werden. Dieser Flächenanteil an ebenen Abschnitten wird im Verlauf des Wellenleiters kontinuierlich zurückgeführt, so daß die Lichtstrahlung mehr und mehr an dem zunehmenden Anteil an aufgerauhten Flächen gestreut werden kann. Dadurch gelingt es, eine relativ gleichmäßige Ausgangs­ strahlung an der Lichtaustrittsfläche des Lichtquellenele­ ments zu erzeugen.

Bei der beschriebenen Anordnung wird als lichtreflektierede Schicht nach der Herstellung des Lichtwellenleiters eine Fo­ lie oder ein Film mit einer aufgedampften metallischen Schicht auf die der Lichtaustrittsfläche gegenüberliegende Oberfläche des Lichtwellenleiters aufgebracht. Diese Vorge­ hensweise der Aufbringung der Folie erweist sich jedoch als relativ umständlich, da die Folie in der Regel auf die Ober­ fläche des Lichtwellenleiters aufgeklebt werden muß. Zu die­ sem Zweck muß ein Kleber verwendet werden, der nach Möglich­ keit für einen weiten Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektralbereichs ausreichende Transparenz aufweisen sollte, da das Lichtquellenelement nicht nur für die Hinterleuchtung von Flüssigkristall-Displays mit Weißlichtquellen sondern auch zur monochromen Hinterleuchtung mit LEDs beliebiger Wel­ lenlänge verwendbar sein sollte.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Lichtquel­ lenelement, insbesondere zur Hinterleuchtung von Flüssigkri­ stall-Displays anzugeben, welches einerseits möglichst ko­ stengünstig ist und andererseits eine hohe Leuchtdichte des Lichtquellenelements ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich in einer ersten Ausführungsform dadurch aus, daß die Aufbringung der reflektierenden Folie praktisch mit der Herstellung des Lichtwellenleiters kombiniert wird. Der Lichtwellenleiter wird nämlich durch Spritzgußtechnik herge­ stellt, indem ein transparenter Kunststoff in eine Form oder einen Hohlraum einer Spritzgußapparatur eingespritzt wird. Diese Form wird vorher an der Bodenfläche und mindestens ei­ nem Teil der Seitenflächen mit der Folie ausgelegt. Beim Aus­ härten nach dem Spritzgießen des Kunststoffs haftet die Folie an dem Lichtwellenleiter an.

In einer zweiten Ausführungsform wird die Folie durch ein Tiefziehverfahren hergestellt und anschließend an dem Licht­ wellenleiter angebracht. Vorzugsweise wird dabei eine eine Bodenfläche und mindestens eine Seitenfläche aufweisende Fo­ lie in einstückiger Form hergestellt und der Lichtwellenlei­ ter anschließend darin eingesetzt. Die einstückige Folie kann beispielsweise in der Form eines wannenförmigen Kanals herge­ stellt werden, in den der Lichtwellenleiter eingeschoben wer­ den kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen in den Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeich­ nungen zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß herge­ stellten flächigen Lichtquellenelements;

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Lichtquellenelement der Fig. 1 entlang der Linie II-II.

Fig. 3 eine Teilansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäß hergestellten flächigen Lichtquellenelements;

In der Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäß hergestellten Licht­ quellenelements 10 dargestellt, wie es beispielsweise zur Hinterleuchtung eines Flüssigkristall-Displays verwendet wer­ den kann.

Das Kernstück des Lichtquellenelements 10 ist ein flächiger, quaderförmiger Lichtwellenleiter 1, der im Prinzip aus jedem transparenten Material, z. B. aus einem thermoplastischen Gießharz wie Acrylharz oder Polycarbonatharz geformt werden kann. Falls das Lichtquellenelement nach der ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung hergestellt werden soll, muß das Ma­ terial ein spritzgußfähiges Material sein.

Das in diesen Lichtwellenleiter 1 eingekoppelte Licht wird homogen über die rechteckige Fläche verteilt und einer (nicht dargestellten) Anzeigefläche eines Flüssigkristall-Displays zugeführt. An der der Lichtaustrittsfläche 1A gegenüberlie­ genden Oberfläche 1B sowie an den Seitenflächen 1C und 1D ist eine Folie 4 aufgebracht, durch die die auftreffende Licht­ strahlung in den Lichtwellenleiter 1 diffus zurückreflektiert wird. Die Lichteinkopplung erfolgt durch mindestens eine Lichtquelle 5, die vor mindestens einer der Stirnseitenflä­ chen 1E oder 1F des Lichtquellenelements 10 angeordnet sind. Die Lichtquelle 5 ist beispielsweise eine Halbleiter- Lichtemissionsdiode (LED) für eine monochrome Hinterleuchtung des Flüssigkristall-Display. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von miniaturisierten LEDs, die in SMT-Technik (surface mounted technique) montiert werden können und bei­ spielsweise unter den Marken SIDELED® und MiniSIDELED® be­ kannt geworden sind. Durch die Verwendung einer derartigen Lichtquelle mit einem sehr flachen Lichtwellenleiter kann ein sehr flaches Lichtquellenelement (Lichtleitermodul) herge­ stellt werden. Als Lichtquelle kann aber im Prinzip auch eine Weißlichtquelle wie eine Halogenleuchte oder dergleichen ver­ wendet werden.

In der ersten Ausführungsform wird der Lichtwellenleiter 1 im Spritzguß hergestellt, wobei die Anbringung der Folie 4 gleichzeitig erfolgt. Dazu wird eine Spritzgußapparatur ver­ wendet, welche eine Form enthält, die der gewünschten Form des Lichtwellenleiters 1 entspricht, also im Ausführungsbei­ spiel die Form eines flachen Quaders aufweist. Diese Form, also im wesentlichen die Bodenfläche und die Längsseitenflä­ chen wird vor dem Spritzguß mit der Folie 4 ausgelegt. Dabei kann die Folie beispielsweise als endloser Folienstreifen durch die Spritzgußapparatur gezogen und durch Unterdruck in die Form angesaugt werden. Beim Schließen der Apparatur wird die Folie abgetrennt. Dann wird der Spritzguß mit dem Kunst­ stoffmaterial durchgeführt. Nach dem Aushärten der Kunst­ stoffmasse in der Gußform haftet die Folie 4 an dem Lichtwel­ lenleiter 1 und dieser kann aus der Spritzgußapparatur ent­ nommen werden.

Gewünschtenfalls kann die Folie 4 an allen Seitenflächen der Gußform ausgelegt werden. In jedem Fall muß dafür gesorgt werden, daß an den Stellen, an denen Lichtquellen 5 angeord­ net werden sollen, entweder keine Folie vorgesehen ist oder in eine vorhandene Folie Öffnungen von ausreichender Größe in die Folie 4 geformt werden, durch die die Lichtstrahlung der Lichtquellen 5 in den Lichtwellenleiter 1 eintreten kann.

Gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Folie 4 in einem Tiefziehverfahren hergestellt. Vor­ zugsweise wird die Folie 4 mit der Bodenfläche und den Sei­ tenflächen einstückig hergestellt. Die Folie kann dann z. B. als ein wannenförmiger Kanal vorliegen, in den der Lichtwel­ lenleiter 1 eingeschoben werden kann.

Die Folie kann im wesentlichen aus einem Polycarbonat beste­ hen, welches mit weißer Farbe beschichtet oder bedruckt ist. Sie kann auch aus einem Mehrschichtenaufbau aus einer Poly­ carbonatschicht, einer Aluminiumschicht und der weißen Farbschicht bestehen.

Die Homogenisierung der Leuchtdichte wird im Prinzip ebenso wie bei der EP-A-0 500 960 mit einem veränderlichen Flächen­ verhältnis aus lichtstreuenden und ebenen Flächen herbeige­ führt, die auf der Lichtaustrittsfläche 1A und/oder der die­ ser gegenüberliegenden Oberfläche 1B des Lichtwellenleiters 1 oder auf beiden geformt sind. In der Fig. 2 sind lediglich beispielhaft in die Lichtaustrittsfläche 1A des Lichtwellen­ leiters 1 geformte lichtstreuende Flächen 6 und ebene Flächen 7 angedeutet. Das Flächenverhältnis der ebenen Flächen 7 zu den lichtstreuenden Flächen 6 hängt von der Leuchtdichte an dem jeweiligen Ort in dem Lichtwellenleiter 1 ab. In Gebieten relativ hoher Leuchtdichte im Lichtwellenleiter 1 wird ein relativ hohes Flächenverhältnis eingestellt, während dieser Anteil in Gebieten relativ niedriger Leuchtdichte niedrig eingestellt wird. Für die Form der lichtstreuenden Flächen 6 gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine besonders einfache Her­ stellungsweise ist das Erzeugen aufgerauter Bereiche durch Abschmirgeln der jeweiligen Oberfläche. An den Stellen, an denen eine geringe Leuchtdichte vorhanden ist, wird die Flä­ che vergleichsweise intensiv geschmirgelt, um das auftreffen­ de Licht zur Streuung zu bringen. Die lichtstreuenden Berei­ che 6 können aber auch z. B. kleine Erhebungen sein, die in gezielter Weise als Punktmatrix auf die Oberfläche aufge­ bracht werden. Die Dichteverteilung in der Punktmatrix kann beispielsweise durch ein Simulationsprogramm ermittelt wer­ den, in welches im wesentlichen die Dimensionen des Lichtwel­ lenleiters 1 und die Orte und Intensitäten der Lichteinkopp­ lung sowie die Reflexionsverhältnisse eingegeben werden.

Zur Herstellung eines Flüssigkristall-Displays wird ein Flüs­ sigkristallelement oberhalb der Lichtaustrittsfläche 1A mit­ tels Abstandshaltern an das Lichtquellenelement befestigt.

In der Fig. 3 ist eine Teilansicht eines zweiten Ausführungs­ beispiels eines erfindungsgemäßen Lichtquellenelements 20 perspektivisch dargestellt.

Dieses enthält einen Lichtwellenleiter 21, der an einem Ende einen über die Stirnseitenfläche vorkragenden, mit der Licht­ austrittsfläche 23 fluchtenden Vorsprung 21A aufweist. Unter­ halb des Vorsprungs 21A ist eine Lichtquelle 25 angeordnet, so daß durch den Vorsprung 21A der Raum oberhalb der Licht­ quelle 25 zusätzlich genutzt wird. Somit wird die Fläche des Lichtquellenelements 20 und somit die nutzbare Anzeigefläche des Flüssigkristall-Display vergrößert. Zusätzlich zu der Bo­ denfläche und den Seitenflächen wird die der Lichtquelle 25 zugewandte Fläche des Vorsprungs 21A ebenfalls mit der Folie 24 bedeckt. Dadurch können unerwünschte Lichterscheinungen wie z. B. sogenannte "hot spots", wie sie häufig in dem Be­ reich des Lichtwellenleiters unmittelbar oberhalb der Licht­ quelle auftreten, vermieden werden.

Zur Herstellung eines Lichtquellenelements 20 wie in Fig. 3 muß für die erste Ausführungsform die Gußform der Spritzguß­ apparatur eine entsprechende komplementäre Form aufweisen. Für die zweite Ausführungsform muß ein entsprechendes Tief­ ziehverfahren zur Herstellung der Folie 24 angewandt werden.

Bezugszeichenliste

1

Lichtwellenleiter

1

A Lichtaustrittsfläche

1

B Oberfläche

1

C Längsseitenfläche

1

D Längsseitenfläche

1

E Seitenfläche

1

F Seitenfläche

4

Folie

5

Lichtquelle

6

aufgerauhte Fläche

7

ebene Fläche

10

Lichtquellenelement

20

Lichtquellenelement

24

Folie

25

Lichtquelle

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Lichtquellenelements, mit den Verfahrensschritten

• - Herstellen eines Lichtwellenleiters im Spritzgußverfahren, wobei
• - eine dafür vorgesehene Form einer Spritzgußapparatur auf ihrer Bodenfläche und mindestens einem Teil der Seiten­ flächen mit einer Licht reflektierenden oder diffus rückstreuenden Folie ausgelegt wird,
• - ein transparenter Kunststoff in den Hohlraum einge­ spritzt wird, und
• - der Lichtwellenleiter nach dem Aushärten entnommen wird,
• - Anordnen mindestens einer Lichtquelle an mindestens einer Seitenfläche des Lichtwellenleiters.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Folie in der Form der Spritzgußapparatur an allen Sei­ tenflächen ausgelegt wird und
• - vor dem Anordnen der mindestens einen Lichtquelle entspre­ chende Öffnungen in die Folie für den Durchtritt der Lichtstrahlung geschaffen werden.

3. Verfahren zur Herstellung eines Lichtquellenelements, mit den Verfahrensschritten

• - Herstellen eines Lichtwellenleiters,
• - Herstellen einer Licht reflektierenden oder diffus rück­ streuenden Folie, die eine Bodenfläche und mindestens eine Seitenfläche umfaßt, durch ein Tiefziehverfahren,
• - Anbringen der Folie an dem Lichtwellenleiter,
• - Anordnen mindestens einer Lichtquelle an mindestens einer Seitenfläche des Lichtwellenleiters.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - vor dem Anordnen der mindestens einen Lichtquelle entspre­ chende Öffnungen in die Folie für den Durchtritt der Lichtstrahlung geschaffen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Folie mit weißer Farbe beschichtet oder bedruckt ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Folie Polycarbonat enthält.

7. Lichtquellenelement (10, 20), mit

• - einem Lichtwellenleiter (1, 21), der
• - eine Lichtaustrittsfläche (1A, 21A) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
• - auf der der Lichtaustrittsfläche (1A, 21A) gegenüberlie­ genden Oberfläche (1B) des Lichtwellenleiters (1, 21) und auf mindestens einem Teil der die Lichtaustrittsfläche (1A, 21A) und die gegenüberliegende Oberfläche verbinden­ den Seitenflächen (1C, 1D) des Lichtwellenleiters (1, 21) eine Licht reflektierende oder diffus rückstreuende Folie (4, 24) geformt ist,
• - an mindestens einer Seitenfläche (1E, 1F) mindestens eine Lichtquelle (5, 25) angeordnet ist.

8. Lichtquellenelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

• - gegebenenfalls eine oder mehrere Öffnungen in die Folie (4, 24) für den Durchtritt der Lichtstrahlung geformt sind.

9. Lichtquellenelement (20) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Lichtwellenleiter (21) einen über eine Seitenfläche vorkragenden, mit der Lichtaustrittsfläche (23) fluchten­ den Vorsprung (21A) aufweist,
• - unter welchem die mindestens eine Lichtquelle (25) ange­ ordnet ist.

10. Lichtquellenelement (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die der Lichtquelle (25) zugewandte Fläche des Vorsprungs (21A) ebenfalls mit der Folie (24) bedeckt ist.

11. Lichtquellenelement (10, 20) nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Folie mit weißer Farbe beschichtet oder bedruckt ist.

12. Lichtquellenelement (10, 20) nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Folie Polycarbonat enthält.