JP2009016168A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷陰極蛍光管の光束量を効率的に増加させることにより、液晶表示パネルのバックライトとして輝度向上を図ることができる液晶表示装置を提供する。
【解決手段】液晶表示装置の冷陰極蛍光管ＣＣＦＬは、内部に希ガス及び水銀が封入された透光性のガラス管ＶＡＬと、このガラス管ＶＡＬの両端部に対向して封入配置された一対の冷陰極ＥＬＥと、この冷陰極ＥＬＥに一端が接続し他端がガラス管ＶＡＬ外に気密封止して当該ガラス管ＶＡＬ外に導出された電力導入線ＬＥと、ガラス管ＶＡＬの内周面に形成された紫外線反射膜ＵＲＬと、この紫外線反射膜ＵＲＬ上に形成された蛍光体膜ＦＬＵとを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光源として冷陰極蛍光管を用いた液晶表示装置に係わり、特に冷陰極蛍光管の内周面に形成される蛍光体膜の紫外線反射膜構造に関するものである。

非発光型である液晶表示パネルを用いた画像表示装置では、当該液晶表示パネルに形成された電子潜像を外部照明手段を設けることにより、可視化させている。外部照明手段には自然光を利用する構造を除いて液晶表示パネルの背面または前面に照明装置を設置している。特に高輝度を要する表示デバイスには、液晶表示パネルの背面に照明装置を設けた構造が主流となっている。これをバックライトと称している。

バックライトには、大別してサイドエッジ型と直下型とがある。サイドエッジ型は、透明板からなる導光板の側縁部に沿って冷陰極蛍光管に代表される線状光源を設置した構造であり、パソコン用等の薄型化が要求される表示デバイスに多く用いられている。一方、ディスプレーモニタまたはテレビ受像機に用いられる表示デバイス等の大型サイズの液晶表示装置では、直下型が多く用いられる。直下型バックライトは、液晶表示パネルの背面側の直下に照明装置を設置する構造である。

この種の照明装置に用いられる一般的な冷陰極蛍光管は、透光性のガラス管の両端部には一対の陰極が設置され、その内周面には蛍光体膜が被着形成され、そのガラス管内に水銀及び希ガスが封入されて構成されている。そして、このガラス管内で放電させることによって水銀の励起放射による約２５４ｎｍを主体とする紫外線を発生させ、その紫外線により蛍光体を励起して可視光を放射することによって発光光束を得ている。

この蛍光体膜は、発光光束が最も高くなるように粒子径及び膜厚等を制御して成膜しているが、紫外線を約１００％吸収しておらず、その約１０％〜１５％は蛍光体層を透過しガラス管外に放射されている。この利用されずにガラス管外に放射される紫外線をガラス管と蛍光体膜の間に形成した紫外線反射膜により蛍光体膜側に反射させ、再利用することによって光束量の向上を図ることができる。

実際には、ガラス管の内周面に金属酸化物からなる紫外線反射膜を形成し、ガラス管を透過する紫外線を再利用することは知られており、その対応する方法も各種提案されている。

この種の冷陰極蛍光管に関して、紫外線反射膜として、波長約２００ｎｍ以上の紫外線反射率が約８０％（ＭｇＯ拡散板の反射率を１００％としたとき）、平均粒径約０．０５μｍ〜２μｍのシリカ、アルミナ、硫酸バリウム、燐酸カルシウムの単体または混合体を用いた構造が下記特許文献１に開示されている。

また、紫外線反射膜として、粒径が約０．２μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＭｇＯの単体または混合体を用いた構造が下記特許文献２に開示されている。

また、紫外線反射膜として、平均粒径約４０ｎｍ〜７０ｎｍのＹ₂Ｏ₃と、最大粒径約１８０ｎｍ以下で平均粒径約１０ｎｍ〜２０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃とで形成し、膜厚約０．３μｍ〜３μｍとした構造が下記特許文献３に開示されている。

特開平２−２２３１４６号公報 特開平８−２０３４７２号公報 特開２００３−５１２８４号公報

上記特許文献１では、蛍光ランプの内周面に塗布された紫外線反射膜は、波長が約２００ｎｍ以上の紫外線の反射率がＭｇＯ拡散板の反射率を１００％としたとき、約８０％以上とするには、散乱性の大きい大粒子を厚く形成（例えば約１００ｎｍの粒子で約１μｍの厚さ）する必要があるため、可視光域（約３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）での反射も大きくなり、光束量が逆に低減するという課題があった。

また、上記特許文献２では、酸化チタン（ＴｉＯ₂）は、約３５５ｎｍ以下の波長の光を吸収するため、冷陰極蛍光管の主励起波長である約２５４ｎｍの光の反射が小さく、紫外線の再利用効率は極めて低いという課題があった。

また、上記特許文献３では、膜厚が大きいので、特許文献１と同等の懸念があり、また、膜厚が約３μｍともなると、膜強度の低下を引き起こし、膜剥離等の不具合を引き起こす可能性が高くなるなどの課題があった。

さらには、蛍光体層中の蛍光体粒子の分布を顕微鏡にて観察すると、比較的小さい粒子の蛍光体同志が集まった凝集体が観察され、間隙が多く存在するため、紫外線が発光に寄与せずに蛍光体層を通り抜け易いと考えられる。また、間隙が多いと、膜強度が低下し、蛍光体層に剥がれが生じ易くなるなどの課題があった。

したがって、本発明は、前述した従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷陰極蛍光管の光束量を効率的に増加させることにより、液晶表示パネルのバックライトとして輝度向上を図ることができる液晶表示装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明による液晶表示装置は、内面に画素形成用の電極を有する一対の透光性基板の間に液晶層を挟持して構成された液晶表示パネルと、この液晶表示パネルに照明光を照射する少なくとも１本の冷陰極蛍光管を有するバックライトと、液晶表示パネルと前記バックライトとの間に介挿された光学補償シート積層体と、液晶表示パネル及びバックライトを収容するフレームとを備え、冷陰極蛍光管は、内部に希ガス及び水銀が封入された透光性のガラス管と、このガラス管の両端部に対向して封入配置された一対の冷陰極と、この冷陰極に一端が接続し他端がガラス管外に気密封止して当該ガラス管外に導出された電力導入線と、ガラス管の内周面に形成された紫外線反射膜と、この紫外線反射膜上に形成された蛍光体膜とを備えたことを特徴としている。

本発明の要点は、効率良く紫外線、特に主励起波長である約２５４ｎｍ波長の光を効率良く反射させるために使用する材料の光学特性を規定し、可視領域の反射率増加を防止し、膜強度の確保を図る手段である。

紫外線反射膜として使用する材料は、バンドギャップが５ｅＶ（光吸収端波長が２５０ｎｍ以下）である物質とする。

光吸収性のある波長域では、その物質自体が光を吸収してしまうので、粒径や膜厚を変えても、高い反射率を得ることは困難である。光の吸収が始まる波長を一般的に吸収波長端（または単に吸収端）と称し、物質により決まっている。

また、紫外領域の光吸収は、上記物質のバンドギャップによるものである。物質にはバンドギャップという価電子帯−伝導帯間のエネルギー準位差があり、バンドギャップ幅以上の大きさのエネルギー（光や熱）を吸収する特性がある。ここで、約５ｅＶのバンドギャップを光波長に換算すると、約２５０ｎｍに相当する。

したがって、光吸収端波長が約２４５ｎｍ以上に光吸収を持たず、紫外線を反射することのできる物質は、バンドギャップが約５ｅＶ以上である必要がある。

バンドギャップが５．０ｅＶ以上である物質としては、例えばＳｉ₃Ｎ₄（約５．３ｅＶ）、ＺｒＳｉＯ₄（６ｅＶ）、Ｌａ₂Ｏ₃（６ｅＶ）等が挙げられる。また、これ以外に例えばＹ₂Ｏ₃（６ｅＶ）、ＭｇＯ（７．８ｅＶ）、Ａｌ₂Ｏ₃（７．４ｅＶ〜９ｅＶ）、ＺｒＯ₂（５．８ｅＶ）等を用いても良く、また、これらの材料の混合物を用いても良い。

また、可視光域の反射率増加を低減し、冷陰極蛍光管としての光束量を確保するために平均粒径が約１０ｎｍ〜５０ｎｍ、最大粒径が約１００ｎｍ以下である材料を使用する。

また、紫外域での反射を高く保ち、且つ可視領域では光の散乱による反射を抑える必要があるので、光散乱に波長依存性のある（波長の短い光を散乱し、波長の長い光を散乱しない）粒径とする必要がある。

さらに、上記バンドギャップには、粒子の状態により分布を持つために粒径の範囲が広い場合、吸収端におけるスペクトルの傾きが緩やかになるため、吸収端が約２５４ｎｍ波長に近い材料を使用した場合、スペクトルの傾き部分が約２５４ｎｍ波長に掛かるため、反射率の低下を引き起こす場合がある。したがって、粒径の範囲は可能な限り狭いほど良い。

この条件を満たす粒径は、少なくとも平均粒径が約１０ｎｍ〜５０ｎｍとし、最大粒径が約１００ｎｍ以下であることが望ましい。

また、膜厚は厚いほど散乱の効果による反射効率が高くなるが、実用的な膜強度（取り扱いや環境条件により剥離等が起こらない）を得る膜厚は約５００ｎｍ以下が望ましい。

さらに、膜厚が約５０ｎｍ以下になると、散乱による反射効果が小さくなってしまい、所望の光束量が得られないため、膜厚は約５０ｎｍ以上が望ましい。

本発明による液晶表示装置によれば、蛍光体膜を透過し、外部に放射してしまう紫外線を反射し、再度蛍光体膜に照射され、蛍光体膜の発光が大となり、且つ可視光域の反射を抑制することにより、冷陰極蛍光管の光束量を増加させることができるので、液晶表示パネルのバックライトとしての輝度の向上を図ることができるという極めて優れた効果が得られる。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、実施例の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明による液晶表示装置の一実施例の構成を説明するための模式断面図、図２は図１の模式的展開斜視図である。

図１及び図２において、液晶表示パネルＬＣＤは、画素形成用の電極（図示せず）を有する２枚の透光性ガラス基板の間に液晶層が封止されている。一方のガラス基板（通常、アクティブ・マトリクス基板とも称する）の二辺は他方の基板（通常、カラーフィルタ基板とも称する）より食み出た構成となっており、この食み出し部分に走査信号線駆動回路チップＧＣＨを搭載したフレキシブルプリント回路基板ＦＰＣ１と、データ信号線駆動回路チップＤＣＨを搭載したフレキシブルプリント回路基板ＦＰＣ２とが実装されている。

このような液晶表示装置は、下フレームＤＦＬの内側に反射シートＲＦＳを敷き、その上方には複数本の冷陰極蛍光管ＣＣＦＬが平行に設置されてバックライトＢＫＬが構成されている。このバックライトＢＫＬの冷陰極蛍光管ＣＣＦＬの構成については後述する。下フレームＤＦＬは、金属板の成形体により形成され、同じく金属板で形成した上フレームＵＦＬとの間に液晶表示パネルＬＣＤを光学補償シート積層体ＰＨＳと共に重ねて一体化する機能を有している。ここで、図２では上フレームＵＦＬは図示を省略してある。

液晶表示パネルＬＣＤは、そのサイズが大型化になるのに伴い、一般には冷陰極蛍光管ＣＣＦＬの管長方向の長さが大きくなる。冷陰極蛍光管ＣＣＦＬは直径の小さいガラス管で構成される蛍光灯であり、通常はゴムブッシュＧＢＳによる両端部支持により設置されている。

さらに、図示したように照明装置として直下型バックライトを用いた液晶表示装置においては、バックライトＢＫＬの上部（液晶表示パネルＬＣＤとの間）には複数種の光学補償シート積層体ＰＨＳが設置されている。この光学補償シート積層体ＰＨＳは、拡散板ＳＣＢと、第１拡散シートＳＣＳ１と、交差して配置された２枚のプリズムシートＰＲＺと、第２拡散シートＳＣＳ２とが重ねて構成されている。

前述した直下型バックライトＢＫＬは、有底で側縁を有する下フレームＤＦＬの側縁に設けたサイドモールドと称する樹脂製の側部保持枠ＳＭＬＤを有し、この側部保持枠ＳＭＬＤに光学補償シート積層体ＰＨＳの周端を橋絡させて保持される。

また、図示したように導光板ＧＬＢ及び光学補償シートＰＨＳを保持したバックライトＢＫＬは、モールドフレームＭＬＤで液晶表示パネルＬＣＤと組み合わされた後、上フレームＵＦＬを被せ、この上フレームＵＦＬと下フレームＤＦＬとを図示しない係止部材で結合し、一体化して液晶表示装置が構成される。ここで、液晶表示パネルＬＣＤが大型化される構成においては、光拡散板または光拡散シートを用いることも可能である。

図３は、上述した実施例１の本発明による液晶表示装置に実装された冷陰極蛍光管の構成例を示す要部拡大断面図である。図３において、冷陰極蛍光管ＣＣＦＬは、透光性ガラス管ＶＡＬの内周面に紫外線反射膜ＵＲＬが被着形成され、さらにこの紫外線反射膜ＵＲＬ上には希土類蛍光体からなる蛍光体膜ＦＬＵが被着形成されている。この紫外線反射膜ＵＲＬは、ガラス管ＶＡＬの内周面における管軸方向の塗布長が蛍光体膜ＦＬＵの塗布長よりも長くして被着形成されている。

また、透光性ガラス管ＶＡＬの内周面に形成された紫外線反射膜ＵＲＬは、その構成物質として、バンドキャップが約５ｅＶ以上（光吸収端波長が約２５０ｎｍ以下）である少なくとも一つの材料により構成されている。このバンドギャップが５ｅＶ以上である材料としては、例えばＳｉ₃Ｎ₄、ＺｒＳｉＯ₄、Ｌａ₂Ｏ₃等の少なくとも一つが挙げられるが、バンドギャップが５ｅＶ以上であれば、例えばＹ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂等の物質であっても良く、また、これらの中から選ばれる二種類以上の混合物であっても良い。

また、この透光性ガラス管ＶＡＬの両端側内部には、一対の冷陰極ＥＬＥが対向して配置され、さらにガラス管ＶＡＬの内部ＩＮＳには真空引きした後に不活性ガスとしてネオン−アルゴン（Ｎｅ−Ａｒ）ガス及び水銀が封入されて構成されている。

また、一対の冷電極ＥＬＥは、例えばニッケル材またはモリブデン材等を例えばプレス成形法によりカップ状に成形されたカップ体ＣＡＰがその開口端を主放電領域に向き、その後端底部にはガラス管ＶＡＬの熱膨張率に近似する例えばニッケル−コバルト−鉄合金からなる電力導入線ＬＥを突き合わせ、例えば抵抗溶接法またはレーザ溶接法により接合されて電気的に接続されて形成されている。この電力導入線ＬＥがガラス管ＶＡＬの両端部にガラスビーズＧＢＥに支持されて気密封着され、一対の冷電極ＥＬＥが主放電領域にその開口端を対向させてガラス管ＶＡＬの両端部に気密封止される。なお、このガラス管ＶＡＬは、その肉厚が約１．０ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の厚さで形成されている。

また、この冷陰極蛍光放電管ＣＣＦＬは、そのガラス管ＶＡＬ本体の肉厚が例えば数１００μｍ程度に対してガラス管ＶＡＬの両端部の肉厚が約２００μｍ〜３００μｍ程度で形成されている。また、ガラス管ＶＡＬの外径は、約１．０ｍｍ〜１０．０ｍｍ程度であり、その長さは表示パネルの大きさに対応して約５０ｍｍ〜８００ｍｍ程度の大きさで形成される。

このように構成された冷陰極蛍光管ＣＣＦＬは、一対の電力導入線ＬＥに図示しない電源回路（一般にインバータ点灯回路）に接続されて対向する一対の冷電極ＥＬＥ間に点灯電力が供給される。

図４は、紫外線反射膜ＵＲＬを構成する材料の平均粒径の範囲と最大粒径とに関して、例えばＳｉ₃Ｎ₄における平均粒径及び最大粒径の違いによる紫外線域の透過率特性を示し、図５は、この条件における反射率特性の関係を示したものである。

図４に示すように平均粒径が約４０ｎｍ、最大粒径が約７０ｎｍと粒径制御したものは、平均粒径が約８０ｎｍ、最大粒径が約２００ｎｍと粒径制御を行わなかったものと比べると、波長２２０ｎｍ付近からの透過率の落ち込みが急であり、これに伴って図５に示すように反射率の低下も急となっていることが分かる。

これにより、粒径を所望の範囲内に制御することによってバンドギャップ（吸収端）が蛍光体の励起波長である約２５４ｎｍに近い場合でも、紫外線の反射率が高い状態を確保することができる。

次に、上記内容を基に一般的な冷陰極蛍光管の作製方法を用い、本発明に係わる冷陰極蛍光管ＣＣＦＬを製作した。なお、通常ではガラス管ＶＡＬの内周面に蛍光体を分散させた分散液を塗布した後、約５００℃以上でベーキング処理を行うが、本発明に係わる冷陰極蛍光管ＣＣＦＬの場合、ガラス管ＶＡＬの内周面に紫外線反射膜の構成材料を２−プロパノールまたはｎ−酢酸ブチルに所望の膜厚になるように分散させた分散液を吸引塗布して紫外線反射膜ＵＲＬを形成し、さらにこの紫外線反射膜ＵＲＬ上に積層して粒径２μｍ〜５μｍの希土類蛍光体と酢酸ブチルとニトロセルロースとを混合して分散させた蛍光体懸濁液を吸引塗布した後、ベーキング処理を行って膜厚約１０μｍ〜１４μｍの蛍光体膜ＦＬＵを製作した。

複数種の紫外線反射膜の構成材料を用いた各実施例と、比較用として一般的な冷陰極蛍光管と、紫外線反射膜の代わりバンドギャップが３．５ｅＶであるＴｉＯ₂層を形成した冷陰極蛍光管とを製作し、光束量を比較した結果を下記表１に示す。

表１に示すように所望の粒径とした紫外線反射膜を有する各実施例は、紫外線反射膜のない比較例１（通常の冷陰極蛍光管）と比較して何れも高い光束量が得られていることが分かった。しかしながら、本発明に属さないバンドギャップが約３．５ｅＶであるＴｉＯ₂層を用いた比較例２は、紫外線の反射効果が小さく、一方で屈折率が高いため、可視光の反射が大となってしまい、光束量が比較例１よりも小さくなっていることが分かる。なお、表１における光束量は、比較例１を１００％としたときの相対値で示してある。

このような結果から、本発明に係わる冷陰極蛍光管ＣＣＦＬは、光束量の増加に極めて有効であることが明らかになった。また、本実施例の膜強度は、通常の取り扱いや使用環境による膜の剥離等の問題が全く生じなかったことは言うまでもない。

このような実施例１の構成によれば、蛍光体層ＦＬＵを透過し、ガラス管ＶＡＬの外部に放射してしまう紫外線が管内部ＩＮＳに反射して散乱し、再度蛍光体膜ＦＬＵに照射されるので、蛍光体膜ＦＬＵの発光が大きくなり、且つ可視光域の反射が抑制されるので、冷陰極蛍光管ＣＣＦＬの光束が増加されることになる。

発明者の複数個の試料による試験の結果、紫外線反射膜ＵＲＬがない構成に比べて光束量を約５％以上増加させることができることが明らかになった。

また、この紫外線反射膜ＵＲＬは、ガラス管ＶＡＬの内周面における管軸方向の塗布長が蛍光体膜ＦＬＵの塗布長よりも長くして被着形成されているので、これによってガラス管ＶＡＬの管内部ＩＮＳにおける紫外線の反射を効率良く散乱させ、さらに拡散させることができる。

なお、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく、種々の変更が可能である。

本発明による液晶表示装置の実施例１を説明するための模式断面図である。 図１の模式的展開斜視図である。 本発明による液晶表示装置の実施例１に実装された冷陰極蛍光管の構成例を示す模式断面図である。 紫外線反射膜の構成材料の粒径違いによる透過率特性を示す図である。 紫外線反射膜の構成材料の粒径違いによる反射率特性を示す図である。

符号の説明

ＬＣＤ・・・液晶表示パネル、ＳＣＢ・・・拡散板、ＳＣＳ・・・拡散シート、ＳＣＳ１・・・第１拡散シート、ＳＣＳ２・・・第２拡散シート、ＰＲＺ・・・プリズムシート、ＰＨＳ・・・光学補償シート積層体、ＧＬＢ・・・導光板、ＲＦＳ・・・反射シート、ＵＦＬ・・・上フレーム、ＤＦＬ・・・下フレーム、ＢＫＬ・・・バックライト、ＣＣＦＬ・・・冷陰極蛍光管、ＶＡＬ・・・ガラス管、ＩＮＳ・・・管内部、ＵＲＬ・・・紫外線反射膜、ＦＬＵ・・・蛍光体膜、ＥＬＥ・・・冷電極、ＬＥ・・・電力導入線、ＧＢＥ・・・ガラスビーズ、ＣＡ・・・カップ体。

Claims (6)

1. 内面に画素形成用の電極を有する一対の透光性基板の間に液晶層を挟持して構成された液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルに照明光を照射する少なくとも１本の冷陰極蛍光管を有するバックライトと、
   前記液晶表示パネルと前記バックライトとの間に介挿された光学補償シート積層体と、
   前記液晶表示パネル及び前記バックライトを収容するフレームと、
   を備えた液晶表示装置であって、
   前記冷陰極蛍光管は、内部に希ガス及び水銀が封入された透光性のガラス管と、
   前記ガラス管の両端部に対向して封入配置された一対の冷陰極と、
   前記冷陰極に一端が接続し他端が前記ガラス管外に気密封止して当該ガラス管外に導出された電力導入線と、
   前記ガラス管の内周面に形成された紫外線反射膜と、
   前記紫外線反射膜上に形成された蛍光体層と、
   を備えたことを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記紫外線反射膜の材料は、バンドキャップが５ｅＶ以上の物質であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記物質は、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＺｒＳｉＯ₄、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂の少なくとも一つであることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記紫外線反射膜の材料は、平均粒径が１０ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲であり、最大粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の液晶表示装置。
5. 前記紫外線反射膜の膜厚は、５０ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れかに記載の液晶表示装置。
6. 前記紫外線反射膜は、前記ガラス管内周面における管軸方向の塗布長が前記蛍光体膜の塗布長よりも長いことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の液晶表示装置。

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