CN1881034A - 彩色显示单元 - Google Patents

Abstract

提供一种彩色显示单元，它具有宽范围的色彩再现和低的功耗，且具有简单的结构，且不导致元件恶化。该显示单元包括：布置在平坦表面上的产生蓝光的光源装置；色彩转换层，具有将光源装置产生的蓝光转换成红光的红色区域，将蓝光转换成绿光的绿色区域，以及透射蓝光的蓝色区域；以及像素开关结构，用于为响应图像信号的每个红色区域、绿色区域和蓝色区域调节蓝光的开或关。

Description

彩色显示单元

技术领域

本发明涉及用在诸如移动式电话或移动式电脑之类的移动式信息单元或诸如台式计算机或家用电视之类的大规模图像设备中的彩色图像显示单元。

背景技术

一般地，小而薄型低功耗彩色液晶显示单元通常用作诸如移动式电话或移动式电脑这样的移动式信息单元中的彩色图像显示单元。高亮度低功耗彩色液晶显示单元还在诸如台式计算机和家用电视这样的大规模图像显示设备领域中快速发展。和常规冷阴极管的情况相比，由于白光LED用作照射光源，这些液晶显示单元获得了更小和更薄的结构，功耗减少且寿命延长。另一方面，当在移动式电话中使用半透射液晶显示单元时，一个目标是进一步促进功耗的减少，且例如在公开的日本专利No.2004-287324(专利文献1)中公开了一种结构，其中分别产生红光、绿光和蓝光的红色荧光材料、绿色荧光材料和蓝色荧光材料被滤色镜内的紫外光混合。

然而，在滤色镜内混合荧光材料的常规结构中，激励光是紫外光，这意味着这样的事实：液晶元件内的紫外光吸收很大，导致不好的效率，紫外光影响液晶分子或液晶取向，并存在促进元件退化的危险。为防止这些问题，需要复杂的元件结构。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种彩色显示单元，具有大范围的色彩再现和低的功耗，具有简单的结构，且不导致元件退化。

解决上述问题的本发明的彩色显示单元包括在平坦表面上排列的产生蓝光的蓝光光源；色彩转换层，具有将蓝光光源产生的蓝光转换成红光的红色区域，将蓝光转换成绿光的绿色区域，以及透射蓝光的蓝色区域；以及像素开关结构，用于为响应图像信号的每个红色区域、绿色区域和蓝色区域的蓝光透射进行开/关(ON/OFF)控制。这种类型的结构中，使用转换的红光和绿光以及蓝光显示彩色图像，这意味着在较宽的色彩再现范围高效地显示图像。这里，因为具有红色区域是红色荧光材料层且绿色区域是绿色荧光材料层的结构，可以使用蓝光作为每个荧光材料层的荧光材料的激励光，且可能避免显示单元的退化。

而且，为红光区域和绿光区域相应的透射光提供传递红光的红色滤光镜和传递绿光的绿色滤光镜。使用这种类型的结构，可以改善用在彩色显示器中的红光和绿光的色彩纯度，可以显示具有较大色彩再现范围的彩色图像。而且，有可能提供蓝色滤光镜，用于选择性地透射蓝色波长范围，从而对应于蓝色区域。

可选地，提供滤光镜以吸收蓝光波长区域，从而对应于红色区域和绿色区域。这样，既便不使用滤色镜，仍可以以好的色彩纯度执行显示。

而且，在滤光镜层外提供用于在特定偏振方向透射光的偏振元件，从而透射的蓝色偏振光的偏置方向与红色区域和绿色区域相交。可选地，在滤光镜层之外提供圆偏振元件。

这里，可以使用液晶显示元件作为像素开关结构。可选地，除了蓝光光源和像素开关结构，可以使用发射蓝光的自发光显示元件，例如，EL显示元件或有机EL显示元件。

而且本发明中，用于发射蓝光的蓝光光源是蓝光LED。采用这些措施，可以高可靠度地实现高亮度彩色图像显示器。

附图说明

图1是用于描述本发明的概念的示意图；

图2的剖面图示意性地示出了本发明的彩色显示单元的结构；

图3的剖面图示意性地示出了本发明的彩色显示单元的结构；

图4的剖面图示意性地示出了本发明的彩色显示单元的结构；

图5的剖面图示意性地示出了本发明的彩色显示单元的结构；

图6的剖面图示意性地示出了本发明的彩色显示单元的结构；

图7的剖面图示意性地示出了本发明的彩色显示单元的结构；

图8的剖面图示意性地示出了本发明的彩色显示单元的结构。

具体实施方式

将使用附图描述本发明的彩色显示单元。图1的概念图示出了本发明的彩色显示单元的基本结构。如图1所示，紧邻发射蓝光的光源100上面提供开关结构110，用于为光透射执行透射/不透射(开/关)控制。紧邻开关结构110还提供色彩转换层120。

该开关结构110包括以矩阵排列的像素开关101、102和103。色彩转换层120包括以矩阵排列的将蓝光转换成红色波长区域的光的第一波长转换区域(红色区域)104，将蓝光转换成绿色波长区域的光的第二波长转换区域(绿色区域)105以及透射蓝光的蓝色区域106。每个像素开关和每个彩色区域彼此相互堆叠。图1中，在色彩转换层120和蓝光光源100之间提供像素开关。因此，像素开关101执行入射到红色区域104的蓝光的ON/OFF控制，像素开关102执行入射到绿色区域105的蓝光的ON/OFF控制，且像素开关103执行入射到蓝色区域106的蓝光的ON/OFF控制。

开关结构110根据驱动电路(未示出)的驱动功率来控制以矩阵排列的像素开关的ON/OFF状态，从而显示所需的图像。由这些像素开关ON/OFF控制的蓝光透过红色区域104、绿色区域105和蓝色区域106，由此可以切换以分别显示像素中的红色信息、绿色信息和蓝色信息，结果是可以显示彩色图像。

尽管在图1中没有示出，在对应于红色区域104和绿色区域105的区域提供吸收蓝光波长区域的吸收层。此时，色彩转换层120布置在吸收层和蓝光光源之间。使用这种类型的结构，在没有被红色区域104或绿色区域105波长转换的情况下所透射的蓝光被吸收，不能透过到达观察者。因此，改善了色彩纯度。

可以使用包含将蓝光波长转换成红光的红色荧光材料的红色荧光材料层作为红色区域104，使用包含将蓝光波长转换成绿光的绿色荧光材料的绿光荧光材料层作为绿色区域105。形成对蓝光具有最小吸收和反射的蓝色区域106，且蓝光被高效地透射。

而且，如果从观察者一端的光(外部光)进入红色荧光材料层或绿色荧光材料层，因为被所述外部光激励的光和在荧光层的表面反射的光，所以很难显示黑色。因此，在比色彩转换层更接近观察者一端布置圆偏振元件。使用这种类型的结构，外部光被圆偏振化并入射到色彩转换层，在色彩转换层的表面反射的光不可能透过圆偏振元件。(这是因为如果圆偏振光被反射，则它变成反向圆偏振光。)

而且，还在比上述吸收层更接近观察者一端提供用于透射特定偏振方向的光的偏振元件，所述偏振元件这样设置：该偏振元件的透射轴几乎正交于透过红色区域(或绿色区域)的蓝光的偏振方向。而且，还在对应于蓝色区域的区域提供漫射层，该漫射层布置在偏振元件和开关结构之间。使用这种类型的结构，因为防止了不能被吸收层吸收的蓝光通过偏振元件到达观察者，因此改善了色彩纯度。而且，由于漫射层，透过蓝色区域的蓝光没有被偏振化，所以在蓝色区域存在透过偏振元件的蓝光。

可选地，尽管在图1中没有示出，在对应于红色区域104的位置提供选择性地透射红色波长区域的红色滤色镜，在对应于绿色区域105的位置提供选择性地透射绿色波长区域的绿色滤色镜。分别将蓝光波长转换成红光和绿光的红色区域和绿色区域的效率不是100％，且经过波长转换的光具有局限性，但因为它覆盖很大的波长范围，因此对于红光和绿光来讲色彩纯度降低。因此，通过使经过波长转换的红光和绿光再次透过滤色镜(红色或绿色)，可以增加色彩纯度。尤其是，因为可以消除不能被色彩转换层波长转换的蓝光成分，因此可以改善红光和绿光的色彩纯度，结果是可以拓宽色彩再现范围。

可以使用已知的液晶元件、EC元件、机械开关阵列元件等作为开关结构110。优选地在均匀的平面中具有发射蓝光的表面光源作为蓝光光源100。

而且，能够单色蓝色显示的有机EL元件或EL元件用作光源10和开关结构110。

下面，将参考附图描述使用液晶元件作为开关结构的实施例。

[实施例1]

图2示意性地示出了本实施例的显示单元的剖面结构。如图2所示，液晶元件配置成具有包围在玻璃衬底1a和相对衬底1b之间的间隙中的液晶层4。在玻璃衬底1a上形成透明电极3aR、3aG、3aB和透明电极之上的取向薄膜2a。另一方面，在相对衬底上形成红色荧光材料层5R和绿色荧光材料层5G。在这些荧光材料层(除了蓝色区域)之间的间隙中形成黑色矩阵6。红色荧光材料层5R、绿色荧光材料层5G和黑色矩阵6的形成区域使用平坦层7被平坦化。在平坦层7上相对于透明电极3aR、3aG和3aB形成组成像素电极的透明电极3bR、3bG和3bB。在这些透明电极3bR、3bG和3bB上也形成取向薄膜2b。这种类型表面结构的玻璃衬底1a和相对衬底1b具有相互面对的薄膜形成表面，并通过垫片8以特定间隙相邻。尽管图中没有示出，但为了形成该间隙，一般在垫片8内和衬底之间分散具有特定颗粒直径的小球。液晶层4则被包围在衬底之间的间隙中。液晶层4的液晶元件的原始取向受取向薄膜2a和2b调节。

提供照明系统，用于照亮液晶元件。图2中，背光用作照明系统。本实施例中，蓝光LED 10用作背光的光源。蓝光LED发射的光的波长一般为450～475nm。从蓝光LED 10输出的蓝光传播到透明光导板11的内部部分，并均匀地从作为液晶侧面的发光表面照射到液晶元件一端。这里，在光导板的背面一侧提供用于改善光照射效率的反射板12。取决于光导板11表面上形成的棱镜的位置的形状，可以省略反射板。还在光导板和液晶元件之间提供光漫射薄层13。光漫射薄层13具有在其表面上形成的微观不规则形状，并被小球覆盖以提供漫射光的功能。还在光漫射薄层13和液晶元件之间提供用于调节光发射方向的棱镜薄层14。在棱镜薄层14的背面上以对准方式形成多个微观棱镜，且薄层14使用这些棱镜调节光发射方向。微观棱镜基本具有直角三角形的剖面形状，脊线(ridge line)平行于光导板11的光入射光平面。还可以使用微观棱镜的脊线相互正交的两个棱镜薄层作为棱镜薄层14。上述背光仅使用蓝光LED作为光源，这样组成了照射均匀蓝光到液晶元件的光源。

从这种结构的背光向液晶元件照射的蓝光仅具有在漫射板9a处透射的特定漫射部分。此时，在透明电极3aR、3aG和3aB与透明电极3bR、3bG和3bB之间没有施加驱动电压的状态中，布置漫射板使得透过像素的光透过漫射板9b的情况称为常白，布置漫射板使得透过像素的光不透过漫射板9b的情况称为常黑。在常白的情况下，当在透明电极3aR、3aG和3aB与透明电极3bR、3bG和3bB之间施加特定的驱动电压时，光停止透过漫射板9b，而在常黑的情况，漫射板9b透射光。尤其是，图2中示出的液晶元件以开关方式工作，用于通过调节驱动电压控制蓝光ON或OFF。下面将描述液晶元件形成常白的情况。

在图2中，当驱动电压施加到透明电极3aR和透明电极3bR上时，从背光发射的蓝光透过漫射板9a、玻璃衬底1a、透明电极和液晶层4，被红色荧光材料层5R波长转换变成红光，并且在透过玻璃衬底1b和漫射层9b之后观察到红光。即，此时像素区域中观察的颜色是红色。类似地，到达绿色荧光材料层5G的蓝光被波长转换并被觉察为绿光。而且，透过透明电极3aB和透明电极3bG的蓝光透过漫射板1b，觉察为蓝光。由红色荧光材料层5R形成的红色区域、由绿色荧光材料层5G形成的绿色区域以及透过蓝光的蓝色区域组合在一起组成一个像素，通过调节施加到对应于这些区域的液晶层4的电压而确定该像素显示的色度。此时，因为可以使用荧光材料的发光获得红光、绿光和蓝光，因此亮度高，且结果是可以获得较宽色彩表现。

红色荧光材料层5R和绿色荧光材料层5G包括衬底、活性体和溶剂。衬底选自于无机荧光材料例如镉、镁、硅的氧化物，或稀土元素例如钇、硫化物、硅化物或钒酸，或有机荧光材料，例如荧光树脂或各种油(矿物油)。活性体选自于银、铜、锰、铕、锌、铝、铅、磷、砷或金。溶剂选自于氯化钠、氯化钾、碳酸镁或氯化钡。例如，作为形成红色荧光材料层5R的材料，可以使用掺以稀土元素Eu的SrS、CaS或CaAlSiN₃，例如，作为绿色荧光材料层5G，可以使用掺以稀土元素Eu的SrGa₂S2₄或掺以Ce的Ca₃Sc₂Si₃O₁₂。顺便提及，如图2所示，黑色矩阵6在相应像素区域之间的间隙中形成，从而照射的光没有从间隙泄漏，不导致较低的色彩纯度。

[实施例2]

图3中示意性地示出了本实施例的显示单元的剖面结构。本实施例和实施例1的不同之处在于对应于红色区域形成红色滤色镜15R、对应于绿色区域形成绿色滤色镜15G，且对应于蓝色区域形成蓝色滤色镜15B。使用包含着色剂或色素的大分子基团材料形成对应于每个彩色区域的这些滤色镜以选择性地仅透过相应红色波长范围、绿色波长范围或蓝色波长范围。如附图所示，本实施例中滤色镜15R、15G和15B使用第二平坦层16被平坦化，在该平坦层上形成红色荧光材料层5R和绿色荧光材料层5G。还在每个滤色镜之间的间隙中形成黑色矩阵6。

分别将蓝光波长转换成红光和绿光的红色荧光材料层5R和绿色荧光材料层5G的效率不是100％，已经经过波长转换的光具有局限性，但是因为它具有宽的波长范围，因此对于红光和绿光来讲色彩纯度降低。因此，通过传递由这些荧光材料层5R和5G波长转换的光再次经过15R和15G，可能增加色彩纯度，因此，可能拓宽本发明的显示单元的色彩再现范围。顺便提及，因为蓝光LED发出的光的色彩纯度极高，因此可以省略蓝色滤色镜15B。

上述两个实施例中，每个荧光材料层直接排列在观察者一端透明电极3bR、3bG和3bB之上，虽然没有说明，但它们也可以布置在背面端透明电极3aR、3aG和3aB之下。示出了简单矩阵型液晶元件用作液晶元件的情况，虽然没有说明，但也可以使用其它液晶元件，例如TFT液晶元件。而且，尽管每个实施例中都没有示出，通过在蓝色区域上形成与红色荧光材料层5R和绿色荧光材料层5G几乎具有同样薄膜厚度的透明虚拟层，可以更好地使用调整层7使得荧光材料层平坦化。

[实施例3]

图4中示意性地示出了本实施例的显示单元的剖面结构。本实施例与实施例2的不同之处在于没有提供用于每种颜色的滤色镜，而是提供裁剪蓝色波长(450-480nm)的蓝色掩模6B。蓝色掩模6B仅在蓝色区域上开孔，存在于红色区域和绿色区域上。因此，包含在透过红色区域和绿色区域的光中的蓝色区域中的波长成分被该蓝色掩模6B裁剪。即，获得实施例2的红色滤色镜15R和绿色滤色镜15G的等效操作。根据这种类型的结构，可以取消滤色镜层，并且有可能简化制造工艺。

蓝色掩模6B具有450nm～480nm的峰值波长，具有称为蓝色可见光被裁剪的透光特性。例如，通过在透明树脂中扩散异吲哚啉酮系黄色材料和图形化形成该掩模。可以使用丝网印刷方法或光刻方法作为图形化方法。

[实施例4]

图5中示意性的示出了本实施例的显示单元的剖面结构。本实施例中，在液晶显示元件上布置具有荧光材料层18的透明衬底。如图所示，具有荧光材料层18的透明衬底具有选择性地覆盖在透明衬底17上的红色荧光材料层5R和绿色荧光材料层5G，并具有涂覆在相对一端表面上的蓝色掩模6B。透明衬底17优选地是诸如透明树脂(clearresin)或玻璃的透明板。而且，红色荧光材料层5R、绿色荧光材料层5G和蓝色掩模6B必须图形化成点状图形等，但可以使用丝网印刷方法或光刻方法。而且，只要红色荧光材料层5R和绿色荧光材料层5G的厚度使所有蓝光都被色彩转换，则蓝色掩模6B并不是严格必需的，因此可以省略。

图6示出了具有荧光材料层18的透明衬底上的蓝色掩模6B布置在与荧光材料层相同侧上的结构。尤其是，在透明衬底17上图形化蓝色掩模6B，在蓝色掩模6B上图形化红色荧光材料层5R和绿色荧光材料层5G，并且布置荧光材料层使其面对液晶显示单元。使用这种类型的结构，可以使用透明衬底17作为盖子，可以保护液晶显示单元免于外部损害等。而且，通过在荧光材料层和透明衬底17的相对表面上形成抗反射薄膜(例如AR)可以提供不被外部光影响的显示单元。

图7示出了在液晶显示元件和背光之间布置具有荧光层的透明衬底的结构。和其它可见光相比蓝光具有短的波长，所以衰减大。因此，荧光层离光源越近它们越有优势，该结构从光使用效率方面来讲是理想的。具有荧光层的透明衬底上的蓝色掩模6B的位置也可以是荧光层的相对表面或位于荧光层之下，或可以没有蓝色掩模6B。

[实施例5]

图8示意性地示出了本实施例的显示单元的剖面结构。如图所示，本实施例配置有布置在液晶显示元件单元上的具有荧光层18的透明衬底，布置在具有荧光层18的透明衬底上的偏振元件19，以及布置在蓝色透光区域上的用于蓝色的漫射层21。

蓝光LED 10发射的光穿过液晶显示元件，组成线性偏振部分的蓝光。例如，如果该蓝光入射到红色荧光材料层5R，部分光染色成红光，剩余的光以蓝色偏振光透过。透过的偏振的蓝光被蓝色掩模6B吸收，但不可能完全吸收，仍有少量透过。因此，存在降低红光色彩纯度的影响。

用于特定偏振方向的透射光的偏振元件布置在观察者一端，并且将其设置成该偏振元件19的透射轴和蓝光蓝色偏振光的偏振方向基本正交。这样，可以防止蓝色偏振光透过。红色荧光材料层5R发射的光是没有被偏振的光，所以既便偏振元件19存在仍然透过该红色荧光材料层5R发射的光。对于绿色荧光层5G发生相同的现象。而且，用于蓝色的漫射层21布置在蓝色透光区域上。透过蓝色漫射层的结果是蓝色偏振光不偏振，并且变成不偏振的光。因此，尽管偏振元件19存在，该光仍然透过。

而且，如果外部光进入红色荧光材料层5R和绿色荧光材料层5G，没有被蓝色掩模6B裁剪的光组成激励光并将产生光，因为荧光层表面的反射因此存在总是照明的状态，并且很难获得黑色。因此，通过在具有荧光层18的透明衬底外部布置圆偏振元件20，外部光被偏振成圆偏振光，荧光层的表面反射的光被圆偏振元件20裁剪。尤其是，在具有荧光层18的透明衬底外部，该结构具有外部光裁剪功能。因为外部光的输入被偏振元件19和圆偏振元件10减小一半，因此存在由于外部光而减小激励和发射光部分的效果。

如上所述，本发明的彩色显示单元使用荧光材料将蓝光转换成红光和绿光，使用转换的红光和绿光以及用作激励光的蓝光获得彩色图像，因此，存在这样的效果：可以以宽范围的色彩再现显示彩色图像。

而且，通过使用液晶元件作为用于开启或关闭蓝光的开关结构，可以获得低功耗彩色显示单元，具有与无源元件一样的亮度和维持与发射元件一样图像可见度的双重功能。

本发明的彩色显示单元可以显示彩色图像而不降低极易吸收的蓝光的强度，所以可以实现更亮的彩色图像。

Claims (14)

1.一种彩色显示单元，包括：

发射蓝光的蓝光光源；

色彩转换层，具有排列在平坦表面上的将蓝光转换成红色波长区域的光的第一波长转换区域、具有将蓝光转换成绿色波长区域的光的第二波长转换区域、以及发射蓝光的蓝色区域；以及

开关结构，分别对应于第一波长转换区域、第二波长转换区域和蓝色区域而形成，用于控制蓝光光源发出的光的透射与不透射。

2.根据权利要求1的彩色显示单元，其中在色彩转换层和蓝光光源之间提供开关结构。

3.根据权利要求1的彩色显示单元，还包括吸收蓝光波长区域的吸收层，其中在对应于第一波长转换区域和第二波长转换区域的位置提供吸收层，且在吸收层和蓝光光源之间提供色彩转换层。

4.根据权利要求3的彩色显示单元，其中在透明衬底上形成色彩转换层和吸收层。

5.根据权利要求3的彩色显示单元，还包括用于特定偏振方向透射光的偏振元件，该偏振元件在比吸收层更接近的观察者一端提供，设置该偏振元件的透射轴与透过第一波长转换区域或第二波长转换区域的偏振光的偏振方向正交。

6.根据权利要求5的彩色显示单元，还包括在对应于蓝色区域的位置提供的漫射层，其中漫射层布置在偏振元件和开关结构之间。

7.根据权利要求1的彩色显示单元，还包括比色彩转换层更接近观察者一端提供的圆偏振元件。

8.根据权利要求1的彩色显示单元，还包括在对应于第一波长转换区域位置提供的选择性地透射红色波长范围的红色滤色镜和在对应于第二波长转换区域位置提供的选择性地透射绿色波长范围的绿色滤色镜。

9.根据权利要求8的彩色显示单元，还包括对应于蓝色区域提供的用于选择性地透射蓝色范围的蓝色滤色镜。

10.根据权利要求8的彩色显示单元，还包括在红色滤色镜和绿色滤色镜之间的间隙中且不对应于蓝色区域位置提供的用于吸收光的蓝色掩模。

11.根据权利要求1的彩色显示单元，其中第一波长转换区域由一旦被蓝光激励就发射红光的红色荧光材料层形成，第二波长转换区域由一旦被蓝光激励就发射绿光的绿色荧光材料层形成。

12.根据权利要求1的彩色显示单元，还包括覆盖第一波长转换区域、第二波长转换区域和蓝色区域的平坦薄膜。

13.根据权利要求1的彩色显示单元，其中开关结构是液晶显示元件。

14.根据权利要求1的彩色显示单元，其中使用自发光型显示元件代替蓝光光源和开关结构。

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