JP3660414B2 - 表示装置及びその駆動方法 - Google Patents
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【産業上の利用分野】
本発明は、ディスプレイ等に用いられる固体発光素子を利用した表示装置に係わり,特に薄型化、高解像度及び高安定なフルカラー表示装置に係わる。
【0002】
【従来の技術】
今日、ノート型パソコン、携帯電話及び液晶モニター等が急速に普及している。これに伴って電子機器の動作状態や画像情報等を表示出力するカラー表示装置に対する社会の要求がますます高まりを見せている。例えば液晶を利用した表示装置は、夜間や室内など光の少ない環境下でも使用できるように液晶とそのバックライト用の光源により画像表示させてある。この様な表示装置としては、液晶装置の背面側にElectro Luminescence(以下、ELと呼ぶ。)や、直下式やサイドライト方式を利用した冷陰極管等のバックライトにより表示するものが挙げられる。
【0003】
しかし、表示装置のバックライトとしてELを使用した場合、それ自体が面状発光光源であり薄型化には向いているものの発光輝度が暗く、寿命が短いという問題点を有する。特に、カラー液晶等のバックライトとして使用する場合においては更なる高輝度化、均一性が求められる上に発光色の選択幅が広いことが要求されるため問題となる。また、サイドライト方式を利用した冷陰極管を使用した場合、拡散板と蛍光管を光源として液晶装置を用い表示させることができる。このバックライトである面状光源は、発光輝度自体ELに比べ明るくすることが可能であるが蛍光管の外形が小さいもので4〜8mmと大きく装置構造が大型化する。蛍光管の外形を小さくすると極端に発光輝度が低下する。また、寿命が短く、昇圧回路や安定化回路等を必要とし駆動回路が複雑化、大型化するという問題点を有する。
【0004】
一方、表示装置の光源として比較的寿命が長く、表示装置が小型化及び薄型化が可能な発光光源として固体発光素子である発光素子(以下、LEDと呼ぶ。)を利用したものが挙げられる。この様な発光素子を利用したフルカラー表示装置として、実開昭63−43177号等が挙げられる。このようなLEDを用いたカラー表示装置の一例を図5及び図6に示す。図5の様に青と緑と赤の波長を有するLED601をそれぞれ複数個平面上に配置し、出力光を反射材603出反射させると共に拡散膜604で拡散させ液晶装置の面発光体としている。LEDから出力された赤、青、緑の3波長を液晶装置を用いることにより選択してカラーフィルターを通すことによりフルカラー表示させることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、カラーフィルターを通してフルカラー表示させるためには少なくともRGBそれぞれの絵素を三つ利用し一画素として構成させなければならず高輝度化、高精細化にとって大きな問題点であった。また、カラーフィルターを構成するためにはフォトリソグラフィー技術を利用するため大画面化及び高精細化するにはコスト高になるという問題を有する。さらに、着色層を持つカラーフィルターを用いて表示させているためどうしてもカラーフィルター分の光透過ロスが生じ発光面が暗くなる。特に液晶装置自体も光をある程度遮光するため、場合によっては発光手段から出力される光の3〜5%程度しか利用されず輝度が大幅に低くなるという問題がある。カラーフィルター分の光透過ロスを発光素子の輝度上昇により補おうとすると発光手段から発生する発熱により遮光手段が所望どうり制御できない、消費電力が増大する等の問題が生じる。また、消費電力の増大に伴い発光素子の寿命低下や発光素子の波長ずれ等が生じるという問題を有するため実用化できていない。
【0006】
一方、RGBのそれぞれの絵素のカラーフィルターを用いて1画素を構成し表示させる 表示装置と異なり、RGBそれぞれの発光素子からの3原色を導光板を介して順次発光させるとともに1画素における各色の遮光率を画像信号に応じて変化させれば、1画素でカラー表示の1ドットを表示させることができる。しかし、RGBをそれぞれ発光する発光素子の構成材料が違う場合、その材料の違いにより発光素子間に寿命による輝度ずれ、発熱に伴う発光波長ずれ、消費電力などの違いによる発光素子間の加熱及び劣化率の違いに伴う色ずれ等の問題が生じる。本発明は上述の問題点を解決したフルカラー表示可能な表示装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、導光板の端面の少なくとも一箇所に光学的に接続された複数のLEDチップと、前記導光板の主面上において前記LEDチップからの発光を画素ごとに遮光制御する遮光手段と、前記LEDチップを発光波長ごとに順次点灯させる発光駆動手段と、前記発光波長ごとの点灯時に遮光手段の透過率を制御する遮光駆動手段とを有し、各画素における遮光手段の透過率を点灯したLEDチップの発光波長ごとに画像信号に応じて変化させ、1画素でカラー表示の1ドットを表示させた表示装置であって、
前記複数のLEDチップは、少なくとも430〜490nmの発光波長を有する第1のLEDチップと、495nm〜560nmの発光波長を有する第2のLEDチップ、及び600nm〜700nmの発光波長を有する第3のLEDチップとを含むと共に、少なくとも1つのLEDチップが他と異なる半導体材料から成り、
前記発光駆動手段及び遮光駆動手段と電気的に接続され、予め記憶された前記各LEDチップの劣化率の違いを示すデータに基づいて前記第1のLEDチップ、第2のLEDチップ及び第3のLEDチップの各出力値を時間と共にそれぞれ変化させる補正手段を有することを特徴とする。前記遮光手段が液晶装置であることが好ましく、前記LEDチップの少なくとも一部が窒化ガリウム半導体から実質的になることが好ましい。
【0008】
【効果】
本願発明により、薄型化、小型化した表示装置とし、また、カラーフィルター不要の高輝度、高精細化したフルカラー表示装置としながら、異なる半導体材料から成るLEDチップの劣化率の違いを補正し色ずれを防止することができる。
【0009】
また、前記複数のLEDチップは、少なくとも430〜490nmの発光波長を有する第1のLEDチップと、495nm〜560nmの発光波長を有する第2のLEDチップ、及び600nm〜700nmの発光波長を有する第3のLEDチップとを含むため、色度分布がNTSC方式より極めて広いフルカラー表示装置とすることができる。
【0010】
遮光手段が液晶装置であることにより、より薄型化が可能な表示装置とすることができる。
【0011】
また、LEDチップの少なくとも一部が窒化ガリウム半導体から実質的になることにより、高輝度、高解像度及び高速駆動が可能なカラー表示装置とすることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
RGB各色のLEDチップと遮光手段とをそれぞれ駆動させることによって高精細にフルカラー表示可能な表示装置とすることができる。即ち、RGBのそれぞれの絵素のカラーフィルターを用いて一画素を構成し表示させる表示装置と異なり、RGB各色のLEDチップからの3原色を導光板を介して順次発光させるとともに一画素における各色の遮光率を画像信号に応じて変化させ1画素でカラー表示の1ドットを表示させたフルカラー表示可能な表示装置とできる。これによって、LEDチップからの熱による遮光手段への影響を極めて小さくしつつ発光素子へのRGBに対応したカラーフィルターを省略することが可能となり表示装置全体として輝度を向上、高精細化を達成することができる。また、LEDを構成する半導体が発光波長ごとに異なる半導体材料を利用した場合において生じる特性の変化も遮光手段の遮光時間を調整することにより制御することもできる。すなわち、本件発明においては、発光駆動手段及び遮光駆動手段と電気的に接続され、予め記憶された各LEDチップの劣化率の違いを示すデータに基づいて第1のLEDチップ、第2のLEDチップ及び第3のLEDチップの各出力値を時間と共にそれぞれ変化させる補正手段を有するため、異なる半導体材料から成るLEDチップの劣化率の違いを補正し色ずれを防止することができる。
【0013】
特に、表示装置をより小型化薄型化させたパネルディスプレイとして形成させ発光手段と遮光手段とが密接して配置された場合においても発光手段から発生する熱により遮光手段が受ける影響等を低減した表示装置とすることができる。
【0014】
以下図面を用いて本願発明を詳述する。図1は本願発明の表示装置の一例を示す概略透過図であり、図2は、図1のa−a断面を示した本願発明の模式的断面図である。図1及び図2において反射機能を有する支持体上にRGBがそれぞれ発光可能な半導体発光素子が配置された多色発光手段103が導光板102と光学的に接続されている。導光板102の裏面には発光素子からの光を反射させる反射材201が配置され、導光板102の表面側には裏面から反射された光を均一にさせるための拡散膜205が設けられている。導光板102の上面には拡散膜を介して発光素子と同期して駆動する遮光手段101としての液晶装置を配置してある。遮光手段としての液晶装置101は、透明電極203が形成された透光性支持体202としてのガラス間に液晶204が注入され構成されたものに偏光板206が設けられている。
【0015】
(遮光手段101)
本願発明に用いられる遮光手段101とは、導光板102を介した多色発光手段103からの発光を多色発光手段103と同期した情報信号により遮光率を制御するものである。具体的には種種の液晶、誘電体ミラーなどを利用するによって形成することができる。本願発明では、遮光手段103の遮光率によって各画素の発光色及び輝度が決定される。この様な遮光手段としては、ネマチック液晶やスメチック液晶を用いて強誘電性を持たせた強誘電体液晶(Ferroelectric Liquid Crystal)204等を配向処理させたSiO2等の透明電極203を有するほう珪酸ガラス、アルミナ系などの透光性支持体202に挟み込んで形成させた液晶装置が好適に用いられる。駆動は、薄膜ダイオードやTFTを用いたアクティブ・マトリックスや単純マトリックスが挙げられる。
【0016】
本願発明で遮光手段101として液晶204を用いた場合は、多色発光手段103から照射される光のうち紫外光成分が含有されていれば高分子液晶の二重結合が切れる等により遮光手段101の特性が劣化する場合がある。ひどい場合には遮光手段101として機能しなくなるため遮光手段101と多色発光手段103との間に紫外線吸収層を設けることが好ましい。このような紫外線吸収層としては、紫外線吸収材が含有された樹脂フィルムやガラス等が挙げられる。あるいは導光板に紫外線吸収材を含有させて構成させても良い。紫外線吸収層としてガラスを用いた場合は液晶を挟持する透光性支持体と兼用して構成しても良い。
【0017】
(導光板102)
本願発明に用いられる導光板102としては、多色発光手段103からの光を効率よく導き面状にさせると共に多色発光手段からの発熱を直接遮光手段101に伝達することを防ぐものであり透過率、耐熱性に優れ均一に形成できることが求められる。また、導光板102の形状は所望に応じて長方形や多角形等種種の形状とすることができる。具体的な構成材料としては、アクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、硝子等が挙げられる。導光板102の厚みは、板厚が厚いほど光の利用効率が高くなるが多色発光手段を構成する発光素子の配置や種類等から1mm以上10mm以下が好ましい。導光板の端面に発光素子が埋設されることにより、導光板102と多色発光手段103とが光学的に接続されている。また、導光板が四角形であれば四方の端面全てに多色発光手段103を接続してもよいことはいうまでもなく、多色発光手段103を構成する発光素子であるLEDの個数も限定するものではない。
【0018】
また、導光板102の下側と側面等に導光板内部を反射しながら進んできた光を無駄なく発光面方向に反射させる反射材201を設けることが好ましい。反射材201は、多色発光手段103からの光を導光板内に散乱させるものであればよく形状や大きさは特定されず、導光板102を保持するケース状部材と兼用することや導光板の面上に加工することもできる。また、導光板を利用して均一に面状発光させるためには反射材201をストライプ状とし、表面輝度が一定となるように、多色発光手段に接近するにつれて、単位面積あたりの反射材201の面積を減じるようなパターンとすることができる。さらに、多色発光手段103を構成する発光素子の配置により、発光を面状均一とするように反射材201の形状を適宜変更することができる。さらに、反射材と接する導光板面に凹凸を形成させることで多色発光手段からの光をより散乱させ均一発光とすることができる。反射材201は、多色発光手段から放出される発光に対して95%以上の反射率を有するものが好ましく、より好ましくは98%以上のものである。また、導光板上に設けられることからその上に設けられる遮光手段101などとの配置を考慮して好ましくは3mm以下、より好ましくは1mm以下の膜厚が好ましい。上述の反射率を満たす反射材の材料としてはポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂等の樹脂中に反射材としてチタン酸バリウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化珪素、燐酸カルシウム等を含有させて形成させたフィルム状部材が挙げられる。また、Al、Ag、Cu等の金属膜を導光板102上にメッキ、スパッタリングにより形成させても良い。さらに、白色顔料が含有された発砲ポリエステル等をフィルム状に加工したものも挙げられる。これら反射材はシリコン樹脂やエポキシ樹脂等によって導光板102に装着することができる。
【0019】
さらに、導光板102の上面には、導光板102からの光を散乱させて輝度を均一化する働きをする拡散膜205を設けることが好ましい。このような拡散膜205としては光透過率が高く効率よく光を拡散させることが必要であり、50%以上の透過率を有することが好ましく、より好ましくは70%以上である。拡散膜205の材質として透明で耐熱性が高いポリカーボネートフィルムやポリエステルフィルムに屈折性微粒子樹脂ビーズや透光性無機微粒子をコーティングしたものさらにはエンボス加工したものが挙げられる。また、拡散膜205と接する導光板102面に凹凸を形成させることで拡散膜205が導光板102に張り付くためにできる干渉縞を防止することができる。なお、均一な輝度のために白色顔料を多色発光手段103からの距離に反比例させて含有させ濃淡をつけた拡散膜205とすることもできる。
【0020】
なお本発明において、多色発光手段103と導光板102の端面とが光学的に接続されているとは、導光板の端部から多色発光手段103が発光する光を導入することをいう。具体的には多色発光手段103を構成する発光素子を導光板に埋設することはもちろんのこと、発光素子を光透過性樹脂などにより接着したり、光ファイバー等を用いて導光板の端面に発光素子の発光を導くことである。
【0021】
(多色発光手段103)
本願発明に用いられる多色発光手段103としては発光波長の異なる半導体発光素子を反射機能を有する基板上等に配置したものがあげられる。多色発光手段103を構成する発光素子は、液相成長法やMOCVD法等により基板上にGaAlN、ZnS、ZnSe、SiC、GaP、GaAlAs、AlInGaP、InGaN、GaN、AlInGaN等の半導体を発光層として形成させた物が好適に用いられる。半導体の構造としては、MIS接合やPN接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を紫外光から赤外光まで種種選択することができる。発光素子は発光波長ごとに複数個用いても良いし、複数の発光波長を有する発光層を一つの基板上に形成させた発光素子としても良い。本発明では一つの発光波長を発光する発光素子の発光出力は200μW以上、更に好ましくは300μW以上の出力が好ましい。発光素子であるLEDの発光出力が200μWよりも少ないと、たとえ導光板102の端面に光学的に接続する多色発光手段103を構成するLEDの数を増やしても、充分な明るさの均一な面状発光の光源が得られにくい傾向にあるからである。
【0022】
また、本願発明の多色発光手段103は、遮光手段101と同期して高速に表示させ必要がある。このような具体的、半導体材料としては、緑色及び青色を発光する半導体は窒化ガリウム系化合物半導体を用いることが好ましく、また、赤色ではガリウム・アルミニウム・砒素系の半導体やアルミニウム・インジュウム・ガリウム・燐系の半導体を用いることが好ましい。また、波長の異なるLEDチップは、所望によって複数用いることができ、例えば青色を1個、緑色及び赤色をそれぞれ2個ずつとすることが出来る。フルカラー表示装置の多色発光手段としての発光素子は色範囲を広げるために赤色の発光波長が600nmから700nm、緑色が495nmから565nm、青色の発光波長が430nmから490nmであることが好ましい。
【0023】
多色発光手段103は、導光板102端面と隙間なく配すことができ発光素子の各LEDチップを嵌入しうる溝が形成される支持体に配されることが好ましい。具体的には加熱溶着で形成できる支持体の材料として、ポリカーボネート、ポリエチレン、アクリル、ウレタン、塩化ビニル、ナイロン、ポリエチレンテレフタレートが好ましい。さらに、支持体は導光板102の端面支持体に向かう光を効率よく反射して、導光板102に入射させるために白色に着色していることが好ましい。また、多色発光手段103を構成する発光素子からの発熱量が多くなる。そのため熱伝導部材を介して共通基板上に発光素子を配しても良い。熱伝導部材としては熱伝導度がよいことが求められる。具体的には、0.01cal/cm2/cm/℃以上が好ましくより好ましくは 0.5cal/cm2/cm/℃以上である。これらの条件を満たす材料としては、鉄、銅、アルミニウム、鉄入り銅、錫入り銅、メタライズパターン付きセラミック等が挙げられる。
【0024】
(駆動手段301、302)
本願発明に用いられる駆動手段とは、多色発光手段の発光波長ごとに順次発光させる発光駆動手段301と、多色発光手段103と同期させ遮光手段101を一画素における各色の遮光率を画像信号に応じて変化させ一画素で多色表現させるために用いられる遮光駆動手段302とが挙げられる。具体的には図4に記載の如く時分割したRGBの発光波長をさらに、遮光手段の遮光率によって、発光色の階調及び混色を表現させる。なお、多色発光素子はRGB時分割で表示するには連続的に発光させてもパルスで発光させてもよい。したがって、人間の目の残像現象により一画素のRGBのそれぞれの遮光率でその画素の色が決定されることとなる。この様な駆動手段としてはCPUを用いた同期回路により遮光手段101及び多色発光手段103をそれぞれ高速駆動させることによって構成することができる。
【0025】
(補正手段303)
本願発明に用いられる補正手段としては、多色発光手段の発光素子の半導体材料が異なることによって生じる劣化率の違いなどを予めROM等に記憶させておき時間と共に多色発光素子の発光出力が変化する分を補正するために用いられるものである。補正された値は発光駆動手段にフィード・バックされ劣化率の違いに伴う出力変動分を上乗せして多色発光手段を駆動させれば良い。なお、出力変動分は全ての発光素子に対して補正しても良いし、一番輝度の明るい発光素子の出力を基準として補正させても良い。多色発光素子の各波長の輝度を予め決められた補正値によって自動的に補正することができる。この様な補正手段は、各種演算回路を有するCPU等により種々構成することができる。
【0026】
【実施例】
(実施例1)
白色反射部材であるチタン酸バリウムをアクリル系バインダー中に分散したものを厚さ2mmのアクリル板の片面にスクリーン印刷し硬化させることによって裏面反射材を形成した。次に、裏面反射材が形成されたアクリル板を10×8cmの長方形に切断し、アクリル板の端面(切断面)を全て研磨した後、多色発光手段が光学的に接続される端面を除いて研磨面にAlの側面反射材を形成することにより、反射材が形成された導光板を得た。
【0027】
多色発光手段を構成する発光素子の各LEDチップは、緑色、青色及び赤色の発光層の半導体としてそれぞれInGaN(発光波長525nm)、InGaN(発光波長470nm)、GaAlAs(発光波長660nm)を使用して構成させた。具体的には、赤色を発光するLEDチップ用の半導体ウエハーは、温度差液晶成長法で連続的にP型ガリウム・砒素基板上にP型GaAlAsを成長し、その上にN型GaAlAsを成長し、発光領域であるP型GaAlAsを形成させる。青色及び緑色を発光する半導体ウエハーは、厚さ400μmのサファイヤ基板上にN型及びP型窒化ガリウム化合物半導体をMOCVD成長法でそれぞれ5μm、1μm堆積させヘテロ構造のPN接合を形成したものである。なお、P型窒化ガリウム半導体は、P型ドーパントであるMgをドープした後アニールして形成させInの含有量をかえることで発光波長を制御している。
【0028】
こうしてできたウエハーをそれぞれ350μ角にしRGBのLEDチップを発光素子として共通支持体上にAgペーストを用いて固定させた後、電気的接続を行った。多色発光手段を構成する共通の支持体はポリカーボネート樹脂10g中に酸化珪素6g含有させたものを熱硬化により一体形成した。一体形成された支持体には、導光板の端面の大きさに合わせて直方体に形成され発光素子がそれぞれ配置できるよう3箇所穴が設けられてある。導光板と多色発光手段とを透光性樹脂を用いて光学的に接続させた後、導光板の発光面上にはポリカーボネートのエンボスフィルムである白色拡散層を全面に渡って配置した。
【0029】
一方、遮光手段を形成するために透光性基板であるガラス基板上にスパッタリングによってSnO2の透明電極を、プラズマCVD法を用いてTFTをそれぞれ形成させた。次に、この透光性支持体間に強誘電体液晶が注入できるようよう端部をシール材で封止した後、透光性支持体間に強誘電体液晶を注入させた。こうしてできた液晶パネル上に偏光板を配置することによって遮光手段を形成させた。多色発光手段が光学的に接続された導光板上に配置させた遮光手段及び導光板に接続された多色発光手段をそれぞれワンチップマイコンを使用し駆動手段によって遮光手段と多色発光手段とをそれぞれ同期させて駆動させた。こうしてできた表示装置を電源を接続し白色を発光させたところケリーチャートの色度座標で(0.29、0.31)で78cd/m2であった。この表示装置をRBGのパルス信号をそれぞれ流すことによって時分割的に発光させる一方、遮光手段を画像信号に応じて各発光波長ごとに図4の如く遮光率を制御した。この表示装置により高精細に動画が表示できることが確認できた。
【0030】
(実施例2)
発光駆動手段に劣化率の補正値を予め記憶させた補正手段を電気的に接続させた以外は実施例1と同様に構成させた。実施例1及び実施例2をそれぞれ2000時間駆動させたところ1000時間まではいずれの実施例においても色バランス良く発光した。2000時間を越えるような長時間駆動の場合は、実施例1の多色発光手段に用いられているGaAlAs半導体から出力される赤色の光が30%低下し、一方、InGaN半導体から出力される緑色及び青色の光が10%低下した。多色発光させたときケリーチャートの色度座標が(0.27、0.29)となりホワイトバランスが崩れていた。実施例2の表示装置は、ケリーチャートの色度座標で(0.29、0.31)のままであった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本願発明の表示装置の模式的透視図である。
【図2】 図1に示した本願発明の表示装置のa-a模式的断面図である。
【図3】 本願発明の構成を示すブロック図である。
【図4】 本願発明の表示装置を利用した駆動方法である。
【図5】 本願発明と比較のために示した表示装置の模式的透視図である。
【図6】 図5に示した比較のための表示装置のb-b模式的断面図である。
【符号の説明】
101・・・・・遮光手段
102・・・・・導光板
103・・・・・多色発光手段
201・・・・・反射材
202・・・・・透光性支持体
203・・・・・透明電極
204・・・・・液晶
205・・・・・拡散膜
206・・・・・偏光板
301・・・・・発光駆動手段
302・・・・・遮光駆動手段
303・・・・・補正手段
601・・・・・LED
602・・・・・導光板
603・・・・・反射材
604・・・・・拡散膜
Claims (3)
- 導光板の端面の少なくとも一箇所に光学的に接続された複数のLEDチップと、前記導光板の主面上において前記LEDチップからの発光を画素ごとに遮光制御する遮光手段と、前記LEDチップを発光波長ごとに順次点灯させる発光駆動手段と、前記発光波長ごとの点灯時に遮光手段の透過率を制御する遮光駆動手段とを有し、各画素における遮光手段の透過率を点灯したLEDチップの発光波長ごとに画像信号に応じて変化させ、1画素でカラー表示の1ドットを表示させた表示装置であって、
前記複数のLEDチップは、少なくとも430〜490nmの発光波長を有する第1のLEDチップと、495nm〜560nmの発光波長を有する第2のLEDチップ、及び600nm〜700nmの発光波長を有する第3のLEDチップとを含むと共に、少なくとも1つのLEDチップが他と異なる半導体材料から成り、
前記発光駆動手段及び遮光駆動手段と電気的に接続され、予め記憶された前記各LEDチップの劣化率の違いを示すデータに基づいて前記第1のLEDチップ、第2のLEDチップ及び第3のLEDチップの各出力値を時間と共にそれぞれ変化させる補正手段を有することを特徴とする表示装置。 - 前記遮光手段が液晶装置である請求項1記載の表示装置。
- 前記LEDチップの少なくとも一部が窒化ガリウム半導体から実質的になる請求項2記載の表示装置。
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