JP4798633B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、透過型又は半透過型液晶ディスプレイに関し、特に、偏光板を使用することなく光利用率が改善された透過型又は半透過型液晶ディスプレイに関する。

液晶表示装置は、現在、ＣＲＴに匹敵する画像を提供するフラットパネルディスプレイとして、パソコン、テレビ、携帯電話の画面、各種ＯＡ機器などに使用されており、一層の市場の拡大が期待されている。

このような液晶表示装置としては、画像表示用の光の入射方法により大別して、反射型液晶表示装置、透過型液晶表示装置及び半透過型液晶表示装置とがある。反射型液晶表示装置においては、図示しないが一般的に、入射光が散乱するように加工された反射基板と透明基板とを対向させて組み合わせ、その間に表示材料である液晶を封入してできる反射型液晶セルの透明基板側に、吸収型偏光フィルムを貼り付けて構成されている。

一方、透過型液晶表示装置においては、図５に示すように、対向させて組み合わせた二枚の透明基板つまり上面透明基板１３と下面透明基板１４との間に液晶を封入してできる液晶セル１２の両面に、上面吸収型偏光フィルム１５および下面吸収型偏光フィルム１６を貼りつけた液晶表示素子と、その下面側に配置され面内均一な平面光が出るように加工されたバックライト１１を組み合わせ、液晶表示素子の上面側を画像を表示する表示面として構成されている。

また、反射基板の一部に開口部を形成し、バックライトを組み合わせ、反射型と透過型を使い分ける半透過型液晶表示装置も開発されている。半透過型液晶表示装置は、太陽光、蛍光灯などの外部照明によって反射型の装置として用いたり、あるいはバックライトを装着して透過型の装置として使用するが、双方の機能を持たせるために、反射基板の一部分にバックライトからの光が通るような開口部が設けられている。図６は、半透過型液晶表示装置の例を示す図であるが、バックライトからの透過光は偏光板２１を通過することにより直線偏光成分のみ透過し、λ／４板２２において左円偏光に変換される。

上記のような透過型又は半透過型液晶表示装置においては、バックライトからの光のうちＰ偏光成分（偏光板の偏光軸と平行な偏光波）は吸収型偏光フィルムを透過し、液晶層に入射されるが、Ｓ偏光成分（偏光板の偏光軸と垂直な偏光波）は下側偏光フィルムに吸収されてしまい液晶セルには入射されず、光利用率が低下する。また、偏光フィルムは青色吸収があるのでコントラストが低下するという問題があった。

そこで、光利用率の低下を防止して、ディスプレイ内の光を効率よく使用するための方法として、反射型偏光フィルム（ＤＢＥＦ）が開発されている（下記特許文献１参照）。図７に示されるように、ＤＢＥＦは、バックライトからの光のＰ偏光成分は透過させるが、Ｓ偏光成分を反射させることによって、バックライトに戻しバックライト表面または背面で反射させることによって再度ＤＢＥＦを通過させる。この際、Ｐ偏光成分は通過するが、Ｓ偏光成分は反射されることになり、これが繰り返されることにより光利用率が向上し、輝度を増加させることができる。

しかしながら、ＤＢＥＦを用いると液晶モジュールが厚くなるという問題があり、コスト高にもなる。また、ＤＢＥＦを偏光板に貼り付けるには、粘着剤などが使用され、これによって光吸収が生じ、やはり光利用率が低下するという問題があった。さらに、ＤＢＥＦと偏光フィルムを併用する場合や偏光フィルム単独で使用する場合には、前述したように青色光が偏光フィルムに吸収され、赤みがかるという問題も有する。
特表２００３−５１１８２６号公報

本発明は偏光フィルム及びＤＢＥＦの上記のような問題を解決するために、偏光フィルム及びＤＢＥＦを使用することなく、色づきのない鮮明な光を利用率を高めてディスプレイに適用することを目的とする。

本発明は、透過型又は半透過型液晶表示装置におけるセル内の透過部分の基板上に回折格子を配置し、前記回折格子の格子ピッチを液晶の屈折率との関係から求められる一定の幅以下にすることにより、偏光フィルム及びＤＢＥＦを使用することなく、かつ分光による色づきを防いで光利用率を高めるものである。

回折格子とは、光の回折現象を利用して特定の波長を得るための装置をいう。一般的に、回折格子は、鏡面加工した板（例えば、金属板）に１ｍｍに数千本の溝を平行に作り反射光が干渉しあうことを利用している。本発明で使用する回折格子は透明基板の上に光を透過しない金属膜などをピッチ幅１μｍ以下で縞状に加工して実現できる。また、回折格子を使用する場合、溝間のピッチが広いと回折した光が分光してしまい色付いてしまうため、分光しないようにピッチを狭くする必要がある。本発明においては、回折格子を用いて、光利用率を高める際に、分光しないためのピッチの適切な範囲を求める。すなわち、本発明は、カラーフィルターと対向する基板の透過部における液晶側内面に、液晶の屈折率との関係において格子のピッチ幅が限定された回折格子を配置したことを特徴とする透過型又は半透過型液晶ディスプレイを提供する。

図１は、本発明の液晶表示装置の光の進行が示されている。カラーフィルター３と対向するガラス基板１上の透過部における液晶セル側に回折格子４が配置されている。バックライト（図示しない）からの光線のうちＳ偏光成分は回折格子で反射され、バックライトで反射された後自然光として再度回折格子に入射する。ここで、もう一度回折格子４でＳ偏光成分のみ反射され、Ｐ偏光成分は通過する。このようにして光のリサイクリングが繰り返されることによって液晶表示パネル表面輝度を向上させることができる。

また、従来の半透過型液晶表示装置においては、反射モードの際には、透過部分は反射に寄与しなかったが、本発明においては、透過部分に回折格子が配置されているので、反射モードにおいて透過部分も反射させることができる。

本発明によれば、偏光フィルム及びＤＢＥＦを使用することがないため、薄くてコストが安く、かつ、鮮明な色合いで輝度の高いディスプレイを提供することができる。また、本発明を半透過型液晶ディスプレイに適用すれば、反射モードの際透過部分も反射に寄与することができ、反射モードの際に明るい半透過型液晶ディスプレイを提供することができる。

次に、回折格子を配置した際に、回折格子を通過した光が分光しないための条件を求める。

図２において、屈折率ｎ_１の物質から回折格子に波長λの平行光が入射角Θ_１で入射し、屈折率ｎ_２の物質において角度Θ_２方向にｍ次の透過光が回折するとすると、このとき回折条件は、次の式のようになる。
２π／λ・ｎ_１・ｓｉｎ（Θ_１）＝２π／λ・ｎ_２・ｓｉｎ（Θ_２）＋ｍ・Ｇ （Ｉ）
ここで、Ｇ＝２π／ｄとする。

このとき、格子ピッチｄが大きいと多次光（すなわち、ｍ≠０）は分光するため色づいて見えてしまうし、また、入射角を大きくしても多次光が出てしまう。そこで、どのような入射角でも多次光が出ないための格子ピッチの最大値を求めるために、Θ_１＝９０°、Θ_２＝−９０°、ｍ＝＋１を上記式（Ｉ）に代入すると、
ｄ_Ｔ１２＝λ／（ｎ_１＋ｎ_２） （ＩＩ）
が得られる。

次に、図２において、屈折率ｎ_１の物質から回折格子に波長λの平行光が入射角Θ_１で入射し、反射角Θ_３方向にｍ次の反射光が回折するとすると、次の関係が得られる。
２π／λ・ｎ_１・ｓｉｎ（Θ_１）＝２π／λ・ｎ_１・ｓｉｎ（Θ_３）＋ｍ・Ｇ （ＩＩＩ）
ここで、Ｇ＝２π／ｄとする。

透過回折光の場合と同様に、反射回折光も格子ピッチｄが大きいと多次光（すなわち、ｍ≠０）は分光するため色づいて見えてしまうし、また、入射角を大きくしても多次光が出てしまう。そこで、どのような入射角でも多次光が出ないための格子ピッチの最大値を求めるために、Θ_１＝＋９０°、Θ_３＝−９０°、ｍ＝＋１を上記式（ＩＩＩ）に代入すると、
ｄ_Ｒ１２＝λ／２ｎ_１ （ＩＶ）
が得られる。

次に、図３に示すように、波長λの光線が屈折率ｎ_２の物質から屈折率ｎ_１の物質に透過回折する場合を考えると、次の関係式が得られる。
２π／λ・ｎ_２・ｓｉｎ（Θ_２）＝２π／λ・ｎ_１・ｓｉｎ（Θ_１）＋ｍ・Ｇ （Ｖ）
ここで、Ｇ＝２π／ｄとする。

上記の場合と同様に、どのような入射角でも多次光が出ないための最大値を求めるために、Θ_１＝＋９０°、Θ_１＝−９０°、ｍ＝＋１を上記式（Ｖ）に代入すると
ｄ_Ｔ２１＝λ／（ｎ_１＋ｎ_２） （ＶＩ）
が得られる。

最後に、図３において、波長λの光線が屈折率ｎ_２の物質から反射回折する場合を考えると、次の関係式が得られる。
２π／λ・ｎ_２・ｓｉｎ（Θ_２）＝２π／λ・ｎ_２・ｓｉｎ（Θ_３）＋ｍ・Ｇ （ＶＩＩ）
ここで、Ｇ＝２π／ｄとする。

上記の場合と同様に、どのような入射角でも多次光がでないための最大値を求めるために、Θ_２＝＋９０°、Θ_３＝−９０°、ｍ＝＋１を上記式（Ｖ）に代入すると
ｄ_ＴＲ２１＝λ／２ｎ_２ （ＶＩＩＩ）
が得られる。
ここで、携帯電話や小型・中型あるいは大型液晶モジュールにおいては、バックライトの光源として擬似白色ＬＥＤを使用することが多いので、擬似白色ＬＥＤを光源として採用した場合について検討する。擬似白色ＬＥＤは、図４に示される発光スペクトルを有するので、λ＝０．４０μｍ、０．４６μｍ、０．４７μｍ、０．５０μｍのそれぞれの場合のｄ_Ｔ１２（ｄ_Ｔ２１）ｄ_Ｒ１２、ｄ_Ｒ２１を求めると、それぞれ、表１、表２、表３及び表４のような結果となる。ここで、ｎ_１はガラスの屈折率ｎ_１＝１．５９、ｎ_２は液晶の屈折率ｎ_２＝１．４５〜１．６５とする。

使用する光源の波長が大きいほどピッチ条件はゆるやかとなるが、擬似白色ＬＥＤバックライトの第二の光強度ピークがあるのは最大で０．５μｍ程度であると考えられるため、本発明では、考慮する最大波長として０．５μｍを使用した際の分光が生じない回折格子のピッチ幅を特定し、さらに、波長をそれぞれ、０．４７μｍ、０．４６μｍ、０．４０μｍとした場合にも分光しないための回折格子のピッチ幅を特定する。

以上から、本発明の第１の態様は、白色光源としてλ＝０．５０μｍの波長を用いた場合の表４の結果から、液晶の屈折率が１．６０未満のとき格子のピッチ幅を０．１５７２μｍ以下、液晶の屈折率が１．６０以上のとき格子のピッチ幅を０．１５１５μｍ以下とした回折格子を使用することを特徴とする。

次に、本発明の第２の態様は、白色光源としてλ＝０．４７μｍの波長を用いた場合の表３の結果から、液晶の屈折率が１．６０未満のとき格子のピッチ幅を０．１４７８μｍ以下、液晶の屈折率が１．６０以上のとき格子のピッチ幅を０．１４２４μｍ以下とした回折格子を使用することを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、白色光源としてλ＝０．４６μｍの波長を用いた場合の表２の結果から、液晶の屈折率が１．６０未満のとき格子のピッチ幅を０．１４４７μｍ以下、液晶の屈折率が１．６０以上のとき格子のピッチ幅を０．１３９４μｍ以下とした回折格子を使用することを特徴とする。

最後に、本発明の第４の態様は、白色光源としてλ＝０．４０μｍの波長を用いた場合の表１の結果から、液晶の屈折率が１．６０未満のとき格子のピッチ幅を０．１２５８μｍ以下、液晶の屈折率が１．６０以上のとき格子のピッチ幅を０．１２１２μｍ以下とした回折格子を使用することを特徴とする。

本発明においては、必要に応じて光の入射側に偏光板を併用することもできる。偏光板としては、ヨウ素系のもののほか通常使用されるものを使用することができる。

本発明の液晶表示装置における光の進行を示す。 屈折率ｎ_１の物質から透過回折又は反射回折するときの光の進行を示す。 屈折率ｎ_２の物質から透過回折又は反射回折するときの光の進行を示す。 擬似白色ＬＥＤの発光スペクトルを示す。 透過型液晶表示装置の構造を示す。 半透過型液晶表示装置の構造を示す。 反射型偏光フィルム（ＤＢＥＦ）の原理を示す。

符号の説明

ｄ 回折格子のピッチ幅
ｎ_１ 屈折率
ｎ_２ 屈折率
Θ１ ｎ_１の物質からの入射角又はｎ_１の物質への回折角
Θ２ ｎ_２の物質からの入射角又はｎ_２の物質への回折角
１ 透明ガラス基板
２ 透明ガラス基板
３ カラーフィルター
４ 回折格子
１１ バックライト
１２ 液晶セル
１３ 上面透明基板
１４ 下面透明基板
１５ 上面吸収型偏光フィルム
１６ 下面吸収型偏光フィルム
１７ 透過型液晶表示装置
２１ 偏光板
２２ λ／４複屈折膜
２３ ガラス基板
２４ 光反射膜
２５ 絶縁膜
３１ 導光板
３２ 下側偏光フィルム
３３ 上側偏光フィルム
３４ 液晶ディスプレイ
３５ 反射型偏光フィルム（ＤＢＥＦ）
３６ 反射フィルム

Claims (8)

1. カラーフィルターと、該カラーフィルターと対向する基板と、該基板の透過部外の領域に設けられた反射膜と、前記カラーフィルターと前記基板との間に位置する液晶層とを備え、前記透過部における液晶側内面に、液晶の屈折率との関係において格子のピッチ幅が限定された回折格子が配置されており、前記格子のピッチ幅は、入射光の波長を入射物質の屈折率と出射物質の屈折率との和で除して得られたものであることを特徴とする半透過型液晶ディスプレイ。
2. 前記回折格子は、液晶の屈折率が１．６０未満のとき格子のピッチ幅を０．１５７２μｍ以下、液晶の屈折率が１．６０以上のとき格子のピッチ幅を０．１５１５μｍ以下としたものであることを特徴とする請求項１に記載の半透過型液晶ディスプレイ。
3. 前記回折格子は、液晶の屈折率が１．６０未満のとき格子のピッチ幅を０．１４７８μｍ以下、液晶の屈折率が１．６０以上のとき格子のピッチ幅を０．１４２４μｍ以下としたものであることを特徴とする請求項１に記載の半透過型液晶ディスプレイ。
4. 前記回折格子は、液晶の屈折率が１．６０未満のとき格子のピッチ幅を０．１４４７μｍ以下、液晶の屈折率が１．６０以上のとき格子のピッチ幅を０．１３９４μｍ以下としたものであることを特徴とする請求項１に記載の半透過型液晶ディスプレイ。
5. 前記回折格子は、液晶の屈折率が１．６０未満のとき格子のピッチ幅を０．１２５８μｍ以下、液晶の屈折率が１．６０以上のとき格子のピッチ幅を０．１２１２μｍ以下としたものであることを特徴とする請求項１に記載の半透過型液晶ディスプレイ。
6. さらに、基板内の光の入射側に偏光板が配置される請求項１ないし５のいずれかに記載の半透過型液晶ディスプレイ。
7. バックライトの光源として擬似白色ＬＥＤを使用する請求項１ないし６のいずれかに記載の半透過型液晶ディスプレイ。
8. 請求項１ないし７に記載の半透過型液晶ディスプレイを含む電子装置であって、前記電子装置は、携帯電話、パーソナルコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ノートブックパーソナルコンピュータ、カーテレビ、デジタルスティルカメラ及び液晶表示装置からなる群より選ばれる電子装置。

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