JP2014106268A - 液晶表示装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化および軽量化を実現することができるとともに、フレキシブルな液晶表示装置およびその製造方法を得る
【解決手段】互いに対向する第１光透過板１１および第２光透過板１２と、第１光透過板１１と第２光透過板１２との間に液晶が封入されて形成された液晶層１３と、から構成され、ＲＧＢ３原色に対応する画素が設けられた液晶セル１０と、ＲＧＢ３原色の各色をそれぞれ伝播する光導波路２１と、光導波路２１に対してＲＧＢ３原色の光を発生する光源２２と、を備えた液晶表示装置１であって、光導波路２１は、第１光透過板１１の、第２光透過板１２とは反対側の面に、液晶セル１０のＲＧＢ各画素の行または列に対応するように、第１光透過板１１と一体となった構造で形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、液晶表示装置およびその製造方法に関する。

従来、バックライトユニットから発せられた白色光が液晶セルに入射し、カラーフィルタにより、ある波長域の光が吸収されて着色される液晶表示装置が知られている。以下、図６を参照しながら、この液晶表示装置について説明する。

図６は、従来の一般的な液晶表示装置１００を示す模式断面図である。図６において、液晶表示装置１００は、バックライトユニット１１０と液晶セル１２０とから構成されている。バックライトユニット１１０は、白色光を発生する光源１１１と、光源１１１からの白色光を導光し、表面から光を取り出す導光板１１２とから構成されている。

ここで、光源１１１としては、ＬＥＤ（発光ダイオード：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やＣＣＦＬ（冷陰極蛍光管：Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ）が用いられる。

液晶セル１２０は、バックライトユニット１１０側に配置された第１基板１２１と、第１基板１２１に対向して設けられた第２基板１２２と、第１基板１２１と第２基板１２２との間に液晶が例えば注入され、封止されて形成された液晶層１２３とから構成されている。第１基板１２１および第２基板１２２は、それぞれ例えばガラス製である。

第１基板１２１の裏面（バックライトユニット１１０側の面）には、所定の振動方向の光のみを通過させる第１偏光板１２４が設けられ、第１基板１２１の表面には、液晶セル１２０のＲＧＢ各画素のスイッチング素子として機能するＴＦＴ（薄膜トランジスタ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１２５が形成されている。

第２基板１２２の第１基板１２１側の面には、液晶層１２３を通過した光にＲＧＢ（赤、緑、青）の色を付加するカラーフィルタ１２６が設けられ、第２基板１２２の第１基板１２１側と反対側の面には、所定の振動方向の光のみを通過させる第２偏光板１２７が設けられている。

また、バックライトユニットとして、液晶セルのＲＧＢ各画素の行または列に対応するように光導波路を形成し、それぞれの光導波路毎にＲＧＢ３原色の光源を配置した液晶表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。以下、図７を参照しながら、この液晶表示装置について説明する。

図７は、特許文献１に記載された液晶表示装置２００を示す模式断面図である。図７において、液晶表示装置２００は、バックライトユニット２１０と液晶セル２２０とから構成されている。バックライトユニット２１０は、基板２１１と、基板２１１上に形成されたＬＥＤアレイ２１２と、ＬＥＤアレイ２１２を覆うレンチキュラーレンズ２１３とから構成されている。

液晶セル２２０は、図６に示した従来の一般的な液晶表示装置１００における液晶セル１２０から、カラーフィルタ１２６が除かれた構成を有している。その他の構成は、液晶セル１２０と同様なので、説明を省略する。

なお、液晶表示装置２００において、すべての光導波路（画素の行または列）に光源を配置するのではなく、１つの光源から複数の行または列に光を分波する方法も提案されている。さらに、液晶セル２２０のＲＧＢ各画素の行または列に対応するように蛍光材を塗布し、光源からの光により、所定の色を発色する方法も提案されている。

また、光源として半導体レーザを用い、かつ入射光の偏光状態が変化しないゼロ／ゼロ複屈折ポリマを導光板として用いることにより、上述した液晶セルの第１基板側の第１偏光板を不要とし、光の利用効率を高めるバックライトユニットが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開平９−２５８２２５号公報

Ｔａｋａｈｉｒｏ Ｋｕｒａｓｈｉｍａ，Ａｋｉｈｉｒｏ Ｔａｇａｙａ，Ｙａｓｕｈｉｒｏ Ｋｏｉｋｅ，"Ａ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｆｒｅｅ ｏｆ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ"，ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ Ｖｏｌｕｍｅ ４２，Ｉｓｓｕｅ １，ｐａｇｅｓ ８８２-８８５，Ｊｕｎｅ ２０１１

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来の一般的な液晶表示装置１００では、バックライトユニット１１０からの白色光のうち、約５０％が第１偏光板１２４で吸収され、さらに、第１偏光板１２４を透過した光のうち、約２／３がカラーフィルタ１２６で吸収されるので、光の利用効率が低いという問題がある。

なお、ＤＢＥＦ（反射型偏光性フィルム：ＤＵＡＬ ＢＲＩＧＨＴＮＥＳＳ ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ ＦＩＬＭ）等の光学フィルムを用いることで、光の利用効率を高める方法も提案されているが、Ｓ波からＰ波への変換効率が１００％ではなく、改善の余地がある。また、ＤＢＥＦは、多層膜で形成されているので、コストアップの要因になる。

また、液晶表示装置１００の厚みおよび重量を決定する最大の要因となるバックライトユニット１１０が、導光板１１２や反射板（図示せず）、各種光学フィルム等（図示せず）から構成されているので、液晶表示装置１００が厚くなるとともに、重くなるという問題もある。

さらに、従来の一般的な液晶表示装置１００では、バックライトユニット１１０と液晶セル１２０とが別々に製造された後、互いに組み合わされるので、バックライトユニット１１０と液晶セル１２０との間に数ｍｍ程度の隙間を生じ、液晶表示装置１００が厚くなるという問題もある。

また、特許文献１に記載された液晶表示装置２００において、液晶セル１２０のＲＧＢ各画素の行または列に対応するように蛍光材を塗布し、光源からの光により、所定の色を発色する場合には、蛍光材の波長変換効率が十分でなく、また、蛍光があらゆる方向に伝播するので、光の利用効率が低いという問題がある。

さらに、特許文献１に記載された液晶表示装置２００では、バックライトユニット２１０と液晶セル２２０とが別々に製造された後、互いに組み合わされるので、バックライトユニット２１０と液晶セル２２０との間に数ｍｍ程度の隙間を生じ、液晶表示装置２００が厚くなるという問題もある。

また、上述した非特許文献１に記載されたバックライトユニットでは、液晶セルの第１基板側の第１偏光板を不要とすることができるので、バックライトからの光を、ほぼ１００％液晶セルに入射させることができるものの、カラーフィルタを用いる必要があるので、光の利用効率の改善は不十分であり、光の利用効率が低いという問題がある。

さらに、非特許文献１に記載されたバックライトユニットでは、液晶表示装置の厚みおよび重量を決定する最大の要因となるところ、バックライトユニットが、導光板や反射板、各種光学フィルム等から構成されているので、液晶表示装置が厚くなるとともに、重くなるという問題もある。

さらに、上述した液晶表示装置またはバックライトユニットでは、導光板や光導波路が形成された基板を曲げることができず、フレキシブルな液晶表示装置を実現することができないという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、光の利用効率が高く、かつ薄型化および軽量化を実現することができるとともに、フレキシブルな液晶表示装置およびその製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る液晶表示装置は、互いに対向する第１光透過板および第２光透過板と、第１光透過板と第２光透過板との間に液晶が封入されて形成された液晶層と、から構成され、ＲＧＢ３原色に対応する画素が設けられた液晶セルと、ＲＧＢ３原色の各色をそれぞれ伝播する光導波路と、光導波路に対してＲＧＢ３原色の光を発生する光源と、を備えた液晶表示装置であって、光導波路は、第１光透過板の、第２光透過板とは反対側の面に、液晶セルのＲＧＢ各画素の行または列に対応するように、第１光透過板と一体となった構造で形成されているものである。

この発明に係る液晶表示装置の製造方法は、互いに対向する第１光透過板および第２光透過板と、第１光透過板と第２光透過板との間に液晶が封入されて形成された液晶層と、から構成され、ＲＧＢ３原色に対応する画素が設けられた液晶セルと、ＲＧＢ３原色の各色をそれぞれ伝播する光導波路と、光導波路に対してＲＧＢ３原色の光を発生する光源と、を備えた液晶表示装置の製造方法であって、第１光透過板の、第２光透過板とは反対側の面に、液晶セルのＲＧＢ各画素の行または列に対応するように、フォトリソグラフィまたはインクジェット法により、光導波路を形成するステップを有するものである。

この発明に係る液晶表示装置およびその製造方法によれば、ＲＧＢ３原色の各色をそれぞれ伝播する光導波路は、第１光透過板の、第２光透過板とは反対側の面に、液晶セルのＲＧＢ各画素の行または列に対応するように、第１光透過板と一体となった構造で形成されている。
そのため、光の利用効率が高く、かつ薄型化および軽量化を実現することができるとともに、フレキシブルな液晶表示装置およびその製造方法を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る液晶表示装置を示す模式断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、この発明の実施の形態１に係る液晶表示装置の光導波路を示す正面図および側断面図である。 この発明の実施の形態１に係る液晶表示装置を示す別の模式断面図である。 この発明の実施の形態２に係る液晶表示装置を示す模式断面図である。 この発明の実施の形態２に係る液晶表示装置を示す別の模式断面図である。 従来の一般的な液晶表示装置を示す模式断面図である。 特許文献１に記載された液晶表示装置を示す模式断面図である。

以下、この発明に係る液晶表示装置およびその製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る液晶表示装置１を示す模式断面図である。また、図２（ａ）、（ｂ）は、この発明の実施の形態１に係る液晶表示装置１の光導波路２１を示す正面図および側断面図である。

図１、２において、液晶表示装置１は、互いに対向する第１光透過板１１および第２光透過板１２と、第１光透過板１１と第２光透過板１２との間に液晶が封入されて形成された液晶層１３とから構成され、ＲＧＢ３原色に対応する画素が設けられた液晶セル１０と、ＲＧＢ３原色の各色をそれぞれ伝播する光導波路２１と、光導波路２１に対してＲＧＢ３原色の光を発生する光源２２とを備えている。

第１光透過板１１は、例えばガラス製の第１基板３１と、第１基板３１の、第２光透過板１２とは反対側の面に設けられた第１偏光板３２とから構成されている。第１光透過板１１の第２光透過板１２側には、液晶セル１０のＲＧＢ各画素のスイッチング素子として機能するＴＦＴ３３が形成されている。

第２光透過板１２は、例えばガラス製の第２基板３４と、第１基板３１の第１光透過板１１と反対側の面に設けられた第２偏光板３５とから構成されている。第２光透過板１２の第１光透過板１１側には、カラーフィルタ３６が設けられている。

光導波路２１は、第１偏光板３２の、第２光透過板１２とは反対側の面（第１偏光板３２の裏面）に、液晶セル１０のＲＧＢ各画素の行または列に対応するように、すなわち、液晶セル１０のＲＧＢ各画素と光導波路２１を伝播する色とが一致するように直接形成されている。また、光源２２としては、ＬＥＤやＣＣＦＬが用いられる。つまり、バックライトと液晶セル１０とが一体となった構成を有している。

ここで、光導波路２１は、第１偏光板３２の裏面に、フォトリソグラフィまたはインクジェット法等により形成される。具体的には、第１偏光板３２の裏面に、高屈折率の材料を用いて、光が通るパターンをフォトリソグラフィにより形成するか、光が通る部分をインクジェット法により形成し、その上に低屈折率の材料を全面に塗布して形成される。これにより、光導波路２１をフレキシブルに構成することができる。

また、１つの光源２２から、複数の光導波路２１に光が分割して伝播されている。また、光導波路２１は、液晶セル１０の表示エリア外で立体交差している。これにより、表示エリアに影響を与えることなく、液晶表示装置１を薄型化および軽量化することができる。

また、光導波路２１は、光源２２からの光を上方に出射させるための構造を有している（図２（ｂ）参照）。また、光導波路２１には、光源２２からの光を上方に出射させるために、光散乱物質が混合されていてもよい。これにより、光源２２からの光を、効率的に利用することができる。

なお、上述した特許文献１に記載された液晶表示装置２００では、カラーフィルタが設けられていない（図７参照）。ここで、液晶セル２２０と光導波路とが分離されているので、液晶セル２２０の画素の行または列と、光導波路との位置合わせは困難であり、位置ずれが生じた場合には、サブピクセル間の色が混色する。さらに、液晶セル２２０の画素の行または列と、光導波路との位置がぴったり合っていたとしても、光導波路から出た光が拡散するので、サブピクセル間の色が混色する。

これに対して、この実施の形態１に係る液晶表示装置１では、第２光透過板１２の第１光透過板１１側には、カラーフィルタ３６が設けられている。カラーフィルタ３６を設けることにより、散乱した光が遮断されるので、サブピクセル間の色の混色を防止することができる。なお、カラーフィルタ３６を設けた場合であっても、光導波路２１は、液晶セル１０のＲＧＢ各画素と対応したＲＧＢ３原色の各色をそれぞれ伝播するので、カラーフィルタ３６で光が吸収されることがなく、高い光の利用効率を維持することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、ＲＧＢ３原色の各色をそれぞれ伝播する光導波路は、第１光透過板の、第２光透過板とは反対側の面に、液晶セルのＲＧＢ各画素の行または列に対応するように形成されている。
そのため、光の利用効率が高く、かつ薄型化および軽量化を実現することができるとともに、フレキシブルな液晶表示装置およびその製造方法を得ることができる。

また、上記実施の形態１では、図１において、カラーフィルタ３６が設けられているが、導光板を図２（ｂ）のような構造とすることで、光をまっすぐ上方に取り出すことができるので、カラーフィルタを不要とすることができる。この場合には、液晶表示装置１のコストを低減することができる。

なお、上記実施の形態１では、第１偏光板３２の裏面に、液晶セル１０のＲＧＢ各画素の行または列に対応するように、光導波路２１を直接形成すると説明した。しかしながら、図３に示されるようなインセル型の液晶表示装置１Ａにおいては、光導波路２１は、第１基板３１の裏面に直接形成される。

図３において、第１光透過板１１Ａは、第１基板３１と、第１基板３１の第２光透過板１２側の面に設けられた第１偏光板３２とから構成されている。その他の構成は、液晶セル１２０と同様なので、説明を省略する。この場合であっても、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、光導波路は、フィルム基板上（図示せず）に形成され、このフィルム基板と偏光板（図示せず）とが一体となったものが、第１基板３１の、第２光透過板１２とは反対側の面に貼り付けられてもよい。このとき、偏光板に、液晶セル１０との位置合わせ用のマークを設けることにより、光導波路が液晶セル１０のＲＧＢ各画素の行または列に対応するように、フィルム基板を液晶セル１０に容易に貼り付けることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、高屈折率の材料および低屈折率の材料を用いて、第１偏光板３２の裏面に光導波路２１を形成する場合を例に挙げて説明した。この上記実施の形態２では、ゼロ／ゼロ複屈折ポリマを用いることにより、光の利用効率をさらに向上させることについて説明する。

図４は、この発明の実施の形態２に係る液晶表示装置１Ｂを示す模式断面図である。図４において、液晶表示装置１Ｂは、ＲＧＢ３原色に対応する画素が設けられた液晶セル１０Ｂと、ＲＧＢ３原色の各色をそれぞれ伝播する光導波路２１Ｂと、光導波路２１Ｂに対してＲＧＢ３原色の光を発生する光源（図示せず）とを備えている。

液晶セル１０Ｂは、図１に示した液晶表示装置１における液晶セル１０から、第１偏光板３２が除かれた構成を有している。液晶セル１０Ｂのその他の構成は、液晶セル１０と同様なので、説明を省略する。

光導波路２１Ｂは、第１基板３１の、第２光透過板１２とは反対側の面（第１基板３１の裏面）に、入射光の偏光状態が変化しないゼロ／ゼロ複屈折ポリマを用いて、液晶セル１０ＢのＲＧＢ各画素の行または列に対応するように直接形成されている。

また、光源としては、偏光光源である半導体レーザや、ＬＥＤまたはＣＣＦＬが用いられる。なお、光源としてＬＥＤやＣＣＦＬが用いられる場合には、光源と光導波路２１Ｂとの間に、偏光板が挿入される。

ゼロ／ゼロ複屈折ポリマは、インジェクションによっても、曲げ応力等によっても、位相差を生じない（詳細については、非特許文献１参照）。そのため、偏光光源である半導体レーザを用いた場合であっても、偏光状態を変化させることなく、光を取り出すことができる。したがって、図１に示した第１偏光板３２を不要にすることができるとともに、位相差フィルム等を不要にすることができる。

以上のように、実施の形態２によれば、ゼロ／ゼロ複屈折ポリマを用いて光導波路を構成し、光導波路から出射する偏光の振動方向と液晶セルの液晶の配向方向を適切に設計することにより、液晶セルの第１光透過板側の第１偏光板を不要とすることができるので、第１偏光板で光が吸収されることがなく、光の利用効率を向上させることができる。理想的には、液晶セルへの入射効率を１００％にすることができ、消費電力を低減することができるとともに、光源の数を減らすことができ、コストダウンにも繋げることができる。

さらに、偏光板を不要とすることにより、液晶表示装置をさらに薄型化および軽量化することができるとともに、コストダウンも同時に実現できる。

なお、上記実施の形態２では、第１基板３１の裏面に、液晶セル１０ＢのＲＧＢ各画素の行または列に対応するように、光導波路２１Ｂを直接形成すると説明した。しかしながら、これに限定されない。

光導波路は、フィルム基板上（図示せず）に形成され、このフィルム基板が、第１基板３１の、第２光透過板１２とは反対側の面に貼り付けられてもよい。このとき、偏光板に、液晶セル１０Ｂとの位置合わせ用のマークを設けることにより、光導波路が液晶セル１０ＢのＲＧＢ各画素の行または列に対応するように、フィルム基板を液晶セル１０Ｂに容易に貼り付けることができる。

また、上記実施の形態２では、図４において、カラーフィルタ３６が設けられているが、導光板を図２（ｂ）のような構造とすることで、光をまっすぐ上方に取り出すことができるので、図５に示されるように、カラーフィルタを不要とすることができる。この場合には、液晶表示装置１Ｃのコストをより低減することができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 液晶表示装置、１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 液晶セル、１１、１１Ａ、１１Ｂ 第１光透過板、１２、１２Ｃ 第２光透過板、１３ 液晶層、２１、２１Ｂ 光導波路、２２ 光源、３１ 第１基板、３２ 第１偏光板、３３ ＴＦＴ、３４ 第２基板、３５ 第２偏光板、３６ カラーフィルタ。

Claims (16)

1. 互いに対向する第１光透過板および第２光透過板と、前記第１光透過板と前記第２光透過板との間に液晶が封入されて形成された液晶層と、から構成され、ＲＧＢ３原色に対応する画素が設けられた液晶セルと、
   前記ＲＧＢ３原色の各色をそれぞれ伝播する光導波路と、
   前記光導波路に対して前記ＲＧＢ３原色の光を発生する光源と、
   を備えた液晶表示装置であって、
   前記光導波路は、前記第１光透過板の、前記第２光透過板とは反対側の面に、前記液晶セルのＲＧＢ各画素の行または列に対応するように、前記第１光透過板と一体となった構造で形成されている
   液晶表示装置。
2. 前記光導波路は、ゼロ／ゼロ複屈折ポリマで構成されている
   請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記光源は、半導体レーザである
   請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記光源は、ＬＥＤまたはＣＣＦＬであり、
   前記光源と前記光導波路との間に、偏光板が挿入されている
   請求項２に記載の液晶表示装置。
5. 前記第１光透過板は、基板と、前記基板の、前記第２光透過板とは反対側の面に設けられた偏光板とから構成され、
   前記光導波路は、前記偏光板の、前記第２光透過板とは反対側の面に形成されている
   請求項１に記載の液晶表示装置。
6. 前記光導波路は、フィルム基板上に形成され、
   前記フィルム基板が、偏光板と一体となっている
   請求項１に記載の液晶表示装置。
7. 前記偏光板には、前記液晶セルとの位置合わせ用のマークが設けられている
   請求項６に記載の液晶表示装置。
8. 前記第１光透過板は、基板であり、
   前記光導波路は、前記基板の、前記第２光透過板とは反対側の面に形成されている
   請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の液晶表示装置。
9. 前記光導波路は、フィルム基板上に形成されている
   請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の液晶表示装置。
10. 前記フィルム基板には、前記液晶セルとの位置合わせ用のマークが設けられている
    請求項９に記載の液晶表示装置。
11. １つの前記光源から、複数の前記光導波路に光が分割して伝播されている
    請求項１から請求項１０までの何れか１項に記載の液晶表示装置。
12. 前記光導波路は、前記光源からの光を上方に出射させるための構造を有している
    請求項１から請求項１１までの何れか１項に記載の液晶表示装置。
13. 前記光導波路には、前記光源からの光を上方に出射させるために、光散乱物質が混合されている
    請求項１から請求項１１までの何れか１項に記載の液晶表示装置。
14. 前記光導波路は、前記液晶セルの表示エリア外で交差している
    請求項１から請求項１３までの何れか１項に記載の液晶表示装置。
15. 前記第２光透過板と前記液晶層との間に、カラーフィルタが設けられている
    請求項１から請求項１４までの何れか１項に記載の液晶表示装置。
16. 互いに対向する第１光透過板および第２光透過板と、前記第１光透過板と前記第２光透過板との間に液晶が封入されて形成された液晶層と、から構成され、ＲＧＢ３原色に対応する画素が設けられた液晶セルと、
    前記ＲＧＢ３原色の各色をそれぞれ伝播する光導波路と、
    前記光導波路に対して前記ＲＧＢ３原色の光を発生する光源と、
    を備えた液晶表示装置の製造方法であって、
    前記第１光透過板の、前記第２光透過板とは反対側の面に、前記液晶セルのＲＧＢ各画素の行または列に対応するように、フォトリソグラフィまたはインクジェット法により、前記光導波路を形成するステップ
    を有する液晶表示装置の製造方法。

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