JP2023150137A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 カラーフィルタ側のフレーム領域での色分離光の遮蔽を抑制し、光の利用効率を向上させる。【解決手段】 実施形態の表示装置は、液晶表示基板と色分離素子基板とを接合層によって周縁部で所定の厚さで接合する。前記液晶表示基板は、表示領域に複数色のカラーフィルタが第１方向に色違いに配列され、前記第１方向に直交する第２方向に同一色が配列されるストライプ構造で、前記複数色のカラーフィルタがそれぞれフレームによって前記第１方向及び前記第２方向に区切られる。前記色分離素子基板は、前記液晶表示基板に対向配置され、光源からのバックライト光を入射し、表示領域に前記第１方向に形成される溝の凹凸パターンにより前記カラーフィルタの複数色の波長それぞれに合わせて分離し、分離された色ごとの波長光を対応する色のカラーフィルタに向けて出力する色分離溝が形成される。前記色分離素子基板には、前記液晶表示基板のフレームに対向するように、前記色分離溝の形成領域に前記第２方向に溝が形成される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、色分離素子技術を用いる表示装置に関する。

液晶表示モジュールに用いられるカラーフィルタ（ＣＦ：Color Filter）方式の表示装置は、画素単位でＲＧＢのＣＦを形成した液晶パネル（ＴＦＴ（thin-film-transistor：薄膜トランジスタ）基板にＣＦ基板を積層したパネル）に対して、光源からの白色のバックライト光を表示映像に合わせてＲＧＢ画素それぞれのフィルタに入射することで、ＣＦ色の波長光を透過させ、ＣＦ以外の波長光を吸収する。このため、光の利用効率が低い。そこで、光の利用効率を高める目的で、光分離素子技術が提案されている。

色分離素子技術は、ガラス基板の表面に所定のパターンの凹凸による色分離溝を形成した色分離素子により、白色のバックライトを入射してＲＧＢそれぞれの波長成分ごとに特定の方向に回折させ分離するものである。この技術によれば、ＣＦ方式の表示装置において、上記色分離素子を形成したガラス基板（以下、色分離素子基板）をバックライトの光源とＴＦＴ基板との間に対向配置させ、色分離素子によって、バックライトをＲＧＢのＣＦそれぞれに対応する波長に分離し、所定の方向に回折して、ＣＦに対応する波長の光のみを、ＴＦＴ基板を介してＲＧＢ画素それぞれのフィルタに入射させる。これによって、ＣＦに対応する波長以外の光の吸収を低減し、光（輝度）の利用効率の向上を図っている。

ただし、ＣＦのＲＧＢ配列は、画面上、一方向に所定の順序で配列し、他方向には同一色とするストライプ配列であり、これに合わせて色分離素子基板の色分離溝も、複数の凹凸パターンが一方向に配列し、他方向には同一パターンが連続するストライプ構造としている。

しかしながら、上記構成による表示装置では、ＲＧＢのＣＦがそれぞれフレームで区切られて配列されているのに対して、色分離素子基板の色分離溝は連続しており、ＣＦ側のフレーム領域で分離光が遮蔽されてしまう。ここで述べるフレームは、例えばＣＦ基板上に形成され、画素を区画する既知のブラックマトリクスに相当するものとしている。

特開２０１８－１４６７５０号公報

以上のように、従来のＣＦ方式の表示装置では、光分離素子技術の採用に際して、カラーフィルタがフレーム領域を配して配列されているのに対して、色分離素子基板の色分離溝は連続しており、カラーフィルタ側のフレーム領域で分離光が遮蔽され、ロスが生じてしまう問題が生じる。

そこで、本実施形態は、カラーフィルタ側のフレーム領域での色分離光の遮蔽を抑制し、光の利用効率を向上させることのできる表示装置を提供することを目的とする。

本実施形態に係る表示装置は、液晶表示基板と色分離素子基板とを接合層によって周縁部で所定の厚さで接合する。前記液晶表示基板は、表示領域に複数色のカラーフィルタが第１方向に色違いに配列され、前記第１方向に直交する第２方向に同一色が配列されるストライプ構造で、前記複数色のカラーフィルタがそれぞれフレームによって前記第１方向及び前記第２方向に区切られる。前記色分離素子基板は、前記液晶表示基板に対向配置され、光源からのバックライトを入射し、表示領域に前記第１の方向に形成される溝の凹凸パターンにより前記カラーフィルタの複数色の波長それぞれに合わせて分離し、分離された色ごとの波長光を対応する色のカラーフィルタに向けて出力する色分離溝が形成される。前記色分離素子基板には、前記液晶表示基板のフレームに対向するように、前記色分離溝の形成領域に前記第２方向に溝が形成される。

図１は、第１の実施形態に係る表示装置の基本的な構成を示す分解斜視図である。 図２は、第１の実施形態に係る表示装置の積層構成を示す断面図である。 図３は、第１の実施形態に係る表示装置の色分離素子基板の構造を従来構造と比較して示す正面図である。 図４は、第１の実施形態に係る表示装置の色分離素子基板の色分離光がＣＦに集光される様子を従来構造と比較して示す斜視図である。 図５は、第２の実施形態に係る表示装置の色分離素子基板の構造を示す斜視図、断面図、概念図である。 図６は、第３の実施形態に係る表示装置の色分離素子基板の構造を示す斜視図である。 図７は、本実施形態に適用される色分離素子の具体的な構造を示す断面図である。 図８は、図７に示す色分離素子の具体的な処理例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態と称する）について詳細に説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

まず、本実施形態に適用される色分離素子について、図７及び図８を参照して説明する。

図７は色分離素子の具体的な構造を示す断面図、図８は図７に示す色分離素子によるバックライト光の色分離例を示す断面図である。

すなわち、色分離素子は、図７に示すように、ガラス基板に最小構造幅１μｍ～３μｍ、最大深さ３μｍ～４μｍの溝をＲＧＢに対応する所定のパターンで形成したものである。以下、上記溝を色分離溝１１１と称する。また、色分離溝１１１を形成したガラス基板を色分離素子基板１１と称する。

光源から照射されるバックライト（白色光）をそのままカラーフィルタに入射すると、図８（ａ）に示すように、Ｒ、Ｇ、ＢのフィルタでそれぞれＲ、Ｇ、Ｂ以外の光が吸収されてしまう。これに対して、バックライト（白色光）を、色分離素子基板１１を介してカラーフィルタに入射すると、図８（ｂ）に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂの光がそれぞれ異なる方向に回折され、各色のフィルタに集光される。これにより、カラーフィルタでの光吸収が低減されるため、光（輝度）の利用効率を向上させることができる。

以下、上記色分離素子基板１１を用いた表示装置の実施形態を説明する。なお、以下の説明において、表示画面は横長とし、長方向を水平方向、短方向を垂直方向と称する。また、ＣＦのＲ領域、Ｇ領域、Ｂ領域は、それぞれ水平方向に繰り返し配置され、垂直方向に連続配置されているものとする。表示画面を縦長とし、長方向を垂直方向、短方向を水平方向とする場合も、実施形態の構成とその作用効果は同様である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る表示装置の基本的な構成を示す分解斜視図、図２は、図１に示す表示装置の積層構成をＡ－Ａ線に沿った断面で示す断面図、図３は、実施形態に係る表示装置の色分離素子基板の構造を従来構造と比較して示す正面図である。図１及び図２に示す表示装置は、色分離素子基板１１と液晶パネル２１とを両面テープまたはシール材による接合層３１を介して一定の厚さで接合した積層構造となっている。

まず、色分離素子基板１１には、周縁部に一定幅の接合領域が確保され、その内側上面の表示有効領域に色分離溝１１１が形成される。色分離溝１１１は、従来構造では、図３（ａ）に示すように、溝の深さを垂直方向に連続させたストライプ構造としていたが、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、垂直方向に加え、水平方向に画素領域を区切る溝（画素分割）を形成したマトリックス構造とする。

一方、液晶パネル２１は、光源４１から照射されるバックライトの入射側から順に、下偏光板２１１、ＴＦＴ基板２１２、液晶層２１３、ＣＦ層２１４、ＣＦガラス基板２１５、上偏光板２１６を積層した構造となっている。ＴＦＴ基板２１２には、バックライトの入射面側に、周縁から一定幅で接合領域が確保されている。その接合領域の内側の表示有効領域には、下偏光板２１１が装着される。

また、詳述しないが、ＴＦＴ基板２１２には、ガラス基板上に複数の画素毎に設けられる画素ＴＦＴが形成されている。ＣＦ層２１４を含むＣＦガラス基板２１５をＣＦ基板とする。ＴＦＴ基板２１２とＣＦ基板はシール材層によって接着されており、シール剤層により液晶層２１３がＴＦＴ基板２１２とＣＦ基板との間に封止されることになる。

なお、液晶パネル２１と色分離素子基板１１とを貼り合わせる上記接合層３１の一部には、空気穴３２となる切り欠き部が形成されている。空気穴３２は、表示装置の外部と色分離素子基板１１と下偏光板２１１との間の部分に温度差が生じて、内部が曇る（結露）するのを防ぐ、内部空間の結露防止策として機能する。

上記構成による表示装置において、図４を参照して、従来の場合と比較して、その作用効果について説明する。

図４は、実施形態に係る表示装置の色分離素子基板の色分離光がＣＦに集光される様子を示すもので、（ａ）従来の概略構造、（ｂ）は本実施形態の概略構造を示す斜視図である。

従来構造では、色分離溝１１１は垂直方向に連続するのみなので、ＣＦのＲＧＢ有効領域以外のフレーム領域の部分にもＲＧＢ有効領域に集光した光が当たり、その部分は輝度向上に寄与していない。そこで、輝度向上に寄与しない光をＲＧＢ有効領域に集光させることで、さらなる輝度向上を図る。

その手法として、本実施形態では、図３（ｂ）に示したように、溝の形成に際して、垂直方向に加え、水平方向にも画素領域を区切る溝を形成したマトリックス構造の色分離溝１１１としている。この結果、図４（ｂ）に示すように、ＣＦのフレーム領域に当たっていた光が水平方向に形成した溝によって屈折し、ＲＧＢ有効領域に集光されるようになり、色分離光の有効利用度が上がり、輝度向上に寄与されるようになる。

（第２の実施形態）
図５を参照して、第２の実施形態を説明する。図５は、第２の実施形態に係る表示装置の色分離素子基板の構造を示す斜視図、図６は、図５に示す色分離素子基板の集光例を示す概念図である。

第１の実施形態では、色分離素子基板１１において、垂直方向に加え、水平方向に画素領域を区切る、マトリックス状の色分離溝１１１を形成するようにしたが、第２の実施形態では、図５（ａ）に示すように、水平方向に画素領域を区切る溝に代わり、山型のテーパ１１２を形成するようにしている。このテーパ１１２は、図５（ｂ）に示すように、画素領域を区切るテーパ１１２の傾斜により、透過光をＣＦのＲＧＢ領域のそれぞれに寄せて出力するようになる。その結果、図５（ｃ）に示すように、ＣＦのフレーム領域に当たっていた光がＲＧＢ有効領域に集まるため、輝度が増加するようになる。

（第３の実施形態）
図６を参照して、第３の実施形態を説明する。図６は、第３の実施形態に係る表示装置の色分離素子基板１１の構造を示す斜視図である。

第１の実施形態では、色分離素子基板１１において、垂直方向に加え、水平方向に画素領域を区切る、マトリックス状の色分離溝１１１を形成し、第２の実施形態では、第１の実施形態の水平方向の溝に代わり、山型のテーパ１１２を形成するようにガラス基板を成形したが、第３の実施形態では、図６に示すように、第２の実施形態の水平方向に形成したテーパ１１２の表面にメタル膜を蒸着させたメタル膜テーパ１１３を形成するようにしている。

このメタル膜テーパ１１３は、図６に示すように、画素領域を区切るテーパ１１３の傾斜により、透過光の散乱光をＣＦのＲＧＢ領域のそれぞれに寄せて出力するようになる。その結果、図６に示すように、ＣＦのフレーム領域に当たっていた光がＲＧＢ有効領域に集まるため、輝度が増加するようになる。この構造では、テーパの表面にメタル膜で形成することで、液晶パネル２１と色分離素子基板１１の散乱光もＲＧＢの各画素に効率的に集光させることができる。

以上のように、本実施形態に係る表示装置によれば、ＣＦ側のフレーム領域で遮蔽されていた色分離光がＲＧＢ有効領域に集光されるようになり、光の利用効率を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、色分離素子基板、液晶ＴＦＴ基板を、いずれもガラス材の加工品としたが、樹脂等の透明素材を用いてもよい。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…色分離素子基板、１１１…色分離溝、１１２…テーパ、１１３…メタル膜テーパ、２１…液晶パネル、２１１…下偏光板、２１２…ＴＦＴ基板、２１３…液晶層、２１４…ＣＦ層、２１５…ＣＦガラス基板、２１６…上偏光板、３１…接合層、３２…空気穴、４１…光源。

Claims (6)

1. 表示領域に複数色のカラーフィルタが第１方向に色違いに配列され、前記第１方向に直交する第２方向に同一色が配列されるストライプ構造で、前記複数色のカラーフィルタがそれぞれフレームによって前記第１方向及び前記第２方向に区切られる液晶表示基板と、
   前記液晶表示基板に対向配置され、光源からのバックライトを入射し、表示領域に前記第１方向に形成される溝の凹凸パターンにより前記カラーフィルタの複数色の波長それぞれに合わせて分離し、分離された色ごとの波長光を対応する色のカラーフィルタに向けて出力する色分離溝が形成される色分離素子基板と、
   前記液晶表示基板と前記色分離素子基板とを周縁部で所定の厚さで接合する接合層と
   を具備し、
   前記色分離素子基板に、前記液晶表示基板のフレームに対向するように、前記色分離溝の形成領域に前記第２方向に溝を形成してなる表示装置。
2. 前記色分離素子基板に形成される前記第１方向に形成される前記溝及び前記第２方向に形成される前記溝は、前記液晶表示基板の画素領域を区切るマトリックス構造である、請求項１に記載の表示装置。
3. 表示領域に複数色のカラーフィルタが第１方向に色違いに配列され、前記第１方向に直交する第２方向に同一色が配列されるストライプ構造で、前記複数色のカラーフィルタがそれぞれフレームによって前記第１方向及び前記第２方向に区切られる液晶表示基板と、
   前記液晶表示基板に対向配置され、光源からのバックライトを入射し、表示領域に前記第１方向に形成される溝の凹凸パターンにより前記カラーフィルタの複数色の波長それぞれに合わせて分離し、分離された色ごとの波長光を対応する色のカラーフィルタに向けて出力する色分離溝が形成される色分離素子基板と、
   前記液晶表示基板と前記色分離素子基板とを周縁部で所定の厚さで接合する接合層と
   を具備し、
   前記色分離素子基板に、前記液晶表示基板のフレームに対向するように、前記色分離溝の形成領域に前記第２方向にテーパを形成してなる表示装置。
4. 前記色分離素子基板に形成される前記第１方向に形成される前記溝及び前記第２方向に形成される前記テーパは、前記液晶表示基板の画素領域を区切るマトリックス構造である、請求項３に記載の表示装置。
5. 表示領域に複数色のカラーフィルタが第１方向に色違いに配列され、前記第１方向に直交する第２方向に同一色が配列されるストライプ構造で、前記複数色のカラーフィルタがそれぞれフレームによって前記第１方向及び前記第２方向に区切られる液晶表示基板と、
   前記液晶表示基板に対向配置され、光源からのバックライトを入射し、表示領域に前記第１方向に形成される溝の凹凸パターンにより前記カラーフィルタの複数色の波長それぞれに合わせて分離し、分離された色ごとの波長光を対応する色のカラーフィルタに向けて出力する色分離溝が形成される色分離素子基板と、
   前記液晶表示基板と前記色分離素子基板とを周縁部で所定の厚さで接合する接合層と
   を具備し、
   前記色分離素子基板に、前記液晶表示基板のフレームに対向するように、前記色分離溝の形成領域に前記第２方向にメタル膜によるテーパを形成してなる表示装置。
6. 前記色分離素子基板に形成される前記第１方向に形成される前記溝及び前記第２方向に形成される前記テーパは、前記液晶表示基板の画素領域を区切るマトリックス構造である、請求項５に記載の表示装置。

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