JP2007065361A - カラー液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギー効率の高いカラー液晶表示装置を実用化する。
【解決手段】
各色の光を混合することにより白色になる混合比率に応じて、１画素に対応する各色の領域が面積配分されており、各色の光を混合することにより白色になる光の内の少なくとも２色の光に対応する色の領域が上記励起光により発光する蛍光体１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂで形成されたフォトルミネッセンス層１５からなる蛍光体スクリーンで、バックライトユニット２０から発生した励起光を液晶パネル１０で変調することにより形成された像を可視化して表示する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光源部から発生した紫外線等の励起光を液晶パネルで変調することにより形成された像を蛍光体スクリーンで可視化して表示するフォトルミネッセント液晶ディスプレイ（ＰＬ−ＬＣＤ:Photo-Luminescent LCD)を採用したカラー液晶表示装置に関する。

従来より、光源部から発生した紫外線等の励起光を液晶パネルで変調することにより形成された像を蛍光体スクリーンで可視化して表示するようにしたＰＬ−ＬＣＤが知られている（例えば、特許公報１参照）。

ＰＬ−ＬＣＤでは、蛍光の発光方向が当方的であるため原理的に広視野であり、陰極線管（ＣＲＴ：cathode-ray tube）と同様の蛍光像であるので、視野角依存性がない。また、カラー画像の場合も、ＣＲＴと同様に３色の蛍光体を塗り分ければ良いので、カラーフィルターが不要となり、効率的にも優れるものと期待されている。

ここで、ディスプレイの効率について簡単に説明する。

ここでは、理解し易いように次のような仮定をしている。

液晶ディスプレイ（ＬＣＤ: liquid crystal device)の光源として青色の発光ダイオード（ＬＥＤ:light-emitting diode）の１色を用い、擬似白色化のために黄色蛍光体を用いる場合で、この発光体の変換効率はブルーの光線の透過も含めた総合効率で６０％と仮定する。

白色のＲＧＢ構成比率は３：６：１と仮定する。

色フィルターの効率（透過したい色の透過率）はＲＧＢとも８０％と仮定する。

フォトルミネッセンス（励起光による蛍光発光）現象の効率は説明を簡略化するためＲＧＢ各色とも６０％と仮定する。

偏光フィルムの透過率は５０％と仮定する。

ＬＣＤ開口率は７０％と仮定する。

通常のＬＣＤでは、図６の模式図に示すように、ＬＥＤ（青色）の出力（１００％）は黄色蛍光体によって白色となるが光量は６０％となる。次に偏光フィルムによって５０％、ＬＣＤ開口率７０％となりＲＧＢの３色のフィルターの面積に到達する光は２１％となる。ここでそれぞれのカラーフィルターの面積は同じであるのでそれぞれのフィルターに入る光量は７％ずつになる。各フィルターからの出力は７％に白色におけるその色の配合割合（Ｒ：Ｇ：Ｂ＝３：６：１）とフィルター効率０．８を掛けたものになり、Ｒ＝１．７％、Ｇ＝３．４％、Ｂ＝０．６％となる。

フォトルミネッセントＬＣＤでは、図７の模式図に示すように、同様の計算をしてみるとＲ＝Ｇ＝Ｂ＝７％となる。

この部分がフォトルミネッセントＬＣＤとして効率が高いと言われる所で、通常のＬＣＤにおけるＧの３．４％がフォトルミネッセンスＬＣＤでは７％になることにより、７／３．４＝２．１倍の明るさになる。

ここで、フォトルミネッセンスＬＣＤは、蛍光体の発光が全方位であるので、発光面の片側には半分の光しか出ない。そこで、例えば紫外線を通し可視光線を反射する波長選択反射膜を励起バックライト部と蛍光体層との間に設けることにより、蛍光体層で発生する可視光線の損失を低減することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、フォトルミネッセントＬＣＤでは、液晶セルへの入射励起光がランダムな方向を向いていると画像のぼけとコントラストの低下を来たすことが知られている。これを改善するために、液晶層のセル内部に集光部材を設けた表示スクリーンの構造が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、フォトルミネッセントＬＣＤにおいて、光源から発せられた白色光をカラーフィルターに入射して赤緑青（ＲＧＢ）の３色に分光するかわりに、赤緑青の３色をそれぞれ発光する３種類の蛍光体としては、波長が３８０〜４２０ｎｍの範囲で主放射ピークを有するバックライトからの深い青色の励起光に晒されたときに良好な発光スペクトルを有するものが選ばれる（例えば、特許文献４参照）。

特開平１０−３３２３７８号公報 米国特許第４８２２１４４号公報 特表平９−５１１５８８号号公報 米国特許第５６０８５５４号公報

上述の如く、フォトルミネッセントＬＣＤと呼ばれる平面発光ディスプレイは提唱されて久しいがいまだに実用化されていない。原因は幾つか想定されるが、最大の原因は発光エネルギーの高効率使用が実現できていないことにあると考えられる。

本発明はこの効率を倍近くまで引き上げ実用化の壁を破ろうとするものである。
という問題があった。

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の問題点に鑑み、発光エネルギーの高効率使用を実現して、フォトルミネッセントＬＣＤの実用化を図ることにある
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明は、光源部から発生した励起光を液晶パネルで変調することにより形成された像を蛍光体スクリーンで可視化して表示するカラー液晶表示装置であって、蛍光体スクリーンは、各色の光を混合することにより白色になる混合比率に応じて、１画素に対応する各色の領域が面積配分されており、各色の光を混合することにより白色になる光の内の少なくとも２色の光に対応する色の領域が上記励起光により発光する蛍光体で形成されていることを特徴とする。

本発明では、光の利用効率が通常のＬＣＤに比べてかなり高いフォトルミネッセントＬＣＤを実現することができ、理論的には３.７５倍まで可能で、２倍程度は充分実用化可能であり、エネルギー効率の上昇の効果がある。また、面発光ディスプレイであるので視野角特性がまったく問題にならなくなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、例えば図１に示すような構成のカラー液晶表示装置１００に適用される。

このカラー液晶表示装置１００は、カラー液晶表示パネル１０と、上記カラー液晶表示パネル１０の背面側直下に光を導光する導光板２１を配し、導光板２１の側面部に光源２２を配置するようにしたエッジライト方式のバックライトユニット２０からなる。

上記バックライトユニット２０は、光源２２として例えば３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光を発光する発光ダイオードを備え、上記発光ダイオードにより発光された３原色光が導光板２１に入射され当該導光板２１を介して導光される間に混合されることにより得られる白色光により、上記カラー液晶表示パネル１０を背面側から照明する。上記導光板２１は、透明なアクリル樹脂等によって成形されており、その背面部分には反射シート２３が設けられている。この導光板２１に入射された３原色光は、当該導光板２１内で全反射を繰り返しながら拡散されて導光板３０内を導光されることにより混合されて白色光とされる。

上記カラー液晶表示パネル１０と、バックライトユニット２０との間には、拡散シート２４、輝度向上フィルム２５などが順に積層されてなる光学機能フィルム群が設けられている。なお、光学機能フィルム群の構成は、拡散フィルム２４、輝度向上フィルム２５に限定されるものではなく、バックライトユニット２０から面発光された光をカラー液晶表示パネル１０の照明に最適な光学特性を有する照明光に変換するものであれば、どのような光学機能フィルムを用いることができる。

ここで、光学機能フィルム群のうち、輝度向上フィルム２５は、バックライトユニット２０から出射された光を偏光分離すると共に、偏光分離されることで不要とされた偏光成分を反射再利用することで、カラー液晶表示装置１００の輝度を向上させることができる。

カラー液晶表示パネル１０は、ガラス等で構成された２枚の透明な基板（ＴＦＴ基板１１、対向電極基板１２）を互いに対向配列させ、その間隙に、例えば、ツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶を封入した液晶層１３を設け、さらに、ＴＦＴ基板１１、対向電極基板１２を、２枚の偏光板１４Ａ、１４Ｂによって挟むことで構成されている。

ＴＦＴ基板１１には、図示しないが、マトリックス状に配列された信号線と、走査線と、この信号線、走査線の交点に配列されたスイッチング素子としての薄膜トランジスタと、画素電極とが形成されている。薄膜トランジスタは、走査線により、順次選択されると共に、信号線から供給される映像信号を、対応する画素電極に書き込む。

また、対向電極基板１２の内表面には、対向電極が形成されている。

そして、このカラー液晶表示装置１００は、バックライトユニット２０すなわち光源部から発生した励起光を液晶パネルで変調することにより形成された像を蛍光体スクリーンで可視化して表示するカラー液晶表示装置であって、上記偏光板１４Ａの表面には、蛍光体スクリーンとして上記液晶層１３を介して照射される光を励起光として赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の蛍光を発する蛍光体１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂからなるフォトルミネッセンス層１５が設けられている。

ここで、上記蛍光体１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂとしては、基本的には、赤、緑、青を、おのおの適当な励起光により発光する蛍光体ならすべて適用可能だが、例としては、
赤：6MgO.As2O5:Mn 3.5MgO.0.5MgF2.GeO:Mn
緑：ZnS:Cu ZnS:Cu,Al ZnS:Cu,Au,Al BaZrO3:Eu
青：ZnS:Ag,Cl ZnS:Ag,Al ZnS:Ag ZnS:Ag,Ga
等が挙げられる。

このカラー液晶表示パネル１０における蛍光体スクリーンすなわちフォトルミネッセンス層１５の蛍光体１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂは、図２に示すように、発光した各色ＲＧＢの光を混合することにより白色になるＲＧＢ混合比率に応じて面積配分されている。

ここで、ＲＧＢ発光効率が同じて、白色になるＲＧＢ混合比率が３：６：１と仮定すると、ＲＧＢそれぞれの面積ＳＲ，ＳＧ，ＳＢが３：６：１になるように面積比率を変える。こうすることで３５％の光はＲに１１．５％、Ｇに２１％、Ｂに３．５％が配分される。この結果ＲＧＢ蛍光体の発光量はＲ＝６．３％，Ｇ＝１２．６％，Ｂ＝２．１％となり通常のＬＣＤの場合のＲ＝１．７％，Ｇ＝３．４％，Ｂ＝０．６％に対してすべての色が３.７５倍の発光量を確保できることになる。従来のフォトルミネッセンスＬＣＤに対しては １２．６／７．０＝１．８倍の発光量となる。

非観測面から入射する励起光エネルギーに対する蛍光体発光により観測面から放射される光エネルギー（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の効率をηＲＧＢとする。

すなわちηＲＧＢは、波長選択反射膜による観測面からの放射光増加や蛍光体膜厚など種々の影響すべてを含む広義の発光効率である。

創ろうとするＲＧＢそれぞれの発光スペクトルにおいて最適とする白色を得るＲＧＢそれぞれの存在比率を［ＲＲ、ＲＧ、ＲＢ］とする。すなわち、ＲＲ＋ＲＧ＋ＲＢ＝１である。

ＲＧＢそれぞれの蛍光体１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂの面積のイメージであるが、実際には各色に対応した液晶セルの開口面積を［ＳＲ、ＳＧ、ＳＢ］とする。

上記の記号を使うと下記の式でＲＧＢ面積比率が最適値である。

ＳＲ：ＳＧ：ＳＢ＝（ＲＲ／ηＲ）：（ＲＧ／ηＧ）：（ＲＢ／ηＢ）
上述の如き構成のカラー液晶表示装置１００は、例えば、図３に示すような駆動回路２００により駆動される。

駆動回路２００は、カラー液晶表示パネル１０やバックライト装置２０の駆動電源を供給する電源部２１０、カラー液晶表示パネル１０を駆動するＸドライバ回路２２０及びＹドライバ回路２３０、外部から供給される映像信号や、当該カラー液晶表示装置１００が備える図示しない受信部で受信され、映像信号処理部で処理された映像信号が、入力端子２４０を介して供給されるＲＧＢプロセス処理部２５０、このＲＧＢプロセス処理部２５０に接続された画像メモリ２６０及び制御部２７０、バックライト装置２０を駆動制御するバックライト駆動制御部２８０などからなる。

この駆動回路２００において、入力端子２４０を介して入力された映像信号は、ＲＧＢプロセス処理部２５０により、クロマ処理などの信号処理がなされ、さらに、コンポジット信号からカラー液晶表示パネル１０の駆動に適したＲＧＢセパレート信号に変換されて、制御部２７０に供給されるとともに、画像メモリ２６０を介してＸドライバ回路２２０に供給される。

また、制御部２７０は、上記ＲＧＢセパレート信号に応じた所定のタイミングで、Ｘドライバ回路２２０及びＹドライバ回路２３０を制御して、上記画像メモリ２６０を介してＸドライバ回路２２０に供給されるＲＧＢセパレート信号で、カラー液晶表示パネル１０を駆動することにより、上記ＲＧＢセパレート信号に応じた映像を表示する。

バックライト駆動制御部２８０は、電源部２１０から供給される電圧から、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成し、バックライト装置２０の光源２２である３原色の発光ダイオードを駆動する。一般に発光ダイオードの色温度は、動作電流に依存するという特性がある。したがって、所望の輝度を得ながら、忠実に色再現させるには、パルス幅変調信号を使って発光ダイオード２１を駆動し、色の変化を抑える必要がある。

ユーザインターフェース３００は、図示しない受信部で受信するチャンネルを選択したり、図示しない音声出力部で出力させる音声出力量を調整したり、カラー液晶表示パネル１０を照明するバックライト装置２０からの白色光の輝度調節、ホワイトバランス調節などを実行するためのインターフェースである。

例えば、ユーザインターフェース３００から、ユーザが輝度調節をした場合には、駆動回路２００の制御部２７０を介してバックライト駆動制御部１８０に輝度制御信号が伝わる。バックライト駆動制御部１８０は、この輝度制御信号に応じて、パルス幅変調信号のデューティ比を変えることにより３原色の発光ダイオードの輝度を制御することになる。

ここで、ある色に発光効率の良い蛍光体が見つからないような場合その色を励起光に使い他の２色を蛍光発光させ、ある色は蛍光体を使わず何らかの拡散剤層であたかも面発光させることができる。この場合はη＊（＊はＲＧＢ）の代わりに拡散剤層の透過率を用いることで上記の式を利用できる。

例えば、上記バックライト装置２０の光源として青色発光ダイオードのみを用い、図４に示すように、青色蛍光体に変えて青色の光を拡散透過させる拡散剤層１５Ｂ’を設けるようにすることができる。

さらに、このようにバックライト装置２０の光源として白色光源でなく例えば青色発光ダイオードのような青色光源を用いる場合、図５に示すように、青色光を透過し他の色の光を反射するダイクロイックミラー１６を偏光板１４Ａとフォトルミネッセンス層１５の間に設けることにより、赤色蛍光体１５Ｒ及び緑色蛍光体１５Ｇの非観測面側において蛍光発光した光を再度励起光エネルギーとして利用することができ、さらに発光効率を高めることができる。

以上のように、本発明では、光の利用効率が通常のＬＣＤに比べてかなり高いフォトルミネッセントＬＣＤを実現することができ、理論的には３.７５倍まで可能で、２倍程度は充分実用化可能である。特に近年は光源にＬＣＤを使う方向（蛍光灯の水銀問題とＬＥＤのパワー向上）になってきており、このエネルギー効率の上昇の効果は非常に大きい。

また、面発光ディスプレイであるので視野角特性がまったく問題にならなくなる。近年はＬＣＤも各種の技術で視野角特性を向上してきているが、コストや効率面での悪化も充分に考えられるため単純なしくみのＬＣＤをベースに作成できるフォトルミネッセントＬＣＤは大きな有用性を持っている。

なお、以上説明した実施の形態では、エッジライト方式のバックライトユニット２０を備えるカラー液晶表示装置に本発明を適用したが、直下型のバックライトユニット備えるカラー液晶表示装置に本発明を適用することもできる。

本発明を適用したカラー液晶表示装置の構成を示す縦断側面図である。 上記カラー液晶表示装置のカラー液晶表示パネルにおけるフォトルミネッセンス層の蛍光体の面積配分を示す模式図である。 上記カラー液晶表示装置の駆動回路の構成を示すブロック図である。 上記カラー液晶表示装置のカラー液晶表示パネルの他の構成例を示す要部断面図である。 上記カラー液晶表示装置のカラー液晶表示パネルのさらに他の構成例を示す要部断面図である。 従来のカラー液晶表示パネルの発光効率を説明するための模式図である。 従来のフォトルミネッセントＬＣＤパネルの発光効率を説明するための模式図である。

符号の説明

１０ カラー液晶表示パネル、１１ ＴＦＴ基板、１２ 対向電極基板、１３ 液晶層、１４Ａ，１４Ｂ 偏光板、１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂ 蛍光体、１５Ｂ’ 拡散剤層、１５ フォトルミネッセンス層、２０ バックライトユニット、２１ 導光板、２２ 光源、２３ 反射シート、２４ 拡散シート、２５ 輝度向上フィルム、１００ カラー液晶表示装置

Claims (5)

1. 光源部から発生した励起光を液晶パネルで変調することにより形成された像を蛍光体スクリーンで可視化して表示するカラー液晶表示装置であって、
   蛍光体スクリーンは、各色の光を混合することにより白色になる混合比率に応じて、１画素に対応する各色の領域が面積配分されており、各色の光を混合することにより白色になる光の内の少なくとも２色の光に対応する色の領域が上記励起光により発光する蛍光体で形成されていることを特徴とするカラー液晶表示装置。
2. 非観測面から入射する励起光エネルギーに対する蛍光体発光により観測面から放射される光エネルギー（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の効率をηＲＧＢとし、創ろうとするＲＧＢそれぞれの発光スペクトルにおいて最適とする白色を得るＲＧＢそれぞれの存在比率を［ＲＲ、ＲＧ、ＲＢ］とし、各色に対応した液晶セルの開口面積を［ＳＲ、ＳＧ、ＳＢ］とし、上記各色の領域の面積比率を
   ＳＲ：ＳＧ：ＳＢ＝（ＲＲ／ηＲ）：（ＲＧ／ηＧ）：（ＲＢ／ηＢ）
   としたことを特徴とする請求項１記載のカラー液晶表示装置。
3. 各色の領域が上記励起光により３原色の光を蛍光発光する蛍光体で形成されていることを特徴とする請求項２記載のカラー液晶表示装置。
4. 各色の領域は、３原色の光の内の２色の光に対応する色の領域が上記励起光により発光する蛍光体で形成され、他の１色の光に対応する色の領域は、その色の光を拡散透過させる拡散剤で形成されていることを特徴とすることを特徴とする請求項２記載のカラー液晶表示装置。
5. 上記光源部は３原色光の内の上記他の１色の光を励起光として発生し、
   上記光源部からの励起光を透過し、他の色の光を反射するダイクロイックミラーを蛍光体スクリーンの背面に備えることを特徴とする請求項４記載のカラー液晶表示装置。

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