JP6511528B2 - フォトルミネセンス・カラーディスプレイ - Google Patents

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Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：liquid crystal display）のような、電気信号をカラー画像に変換するカラーディスプレイに関するものである。特に、本発明は、透過型カラーディスプレイに関するものであり、透過型カラーディスプレイでは、フォトルミネセンス材料を用いて、バックライトからの励起放射に応答して色光を発生し、こうしたディスプレイは、フォトルミネセンス・カラーディスプレイまたはフォトルミネセント・カラーディスプレイと称される。
関連技術の説明
我々が見ることのできる光は太陽エネルギーに由来し、太陽光の電磁スペクトルの可視領域として知られている。この領域は、全スペクトルのうちの非常に狭い部分であり、可視領域は人間の目に見える部分である。可視領域は、極限の青色または近紫外の約４４０nmから赤色または近赤外の約６９０nmまでの波長範囲である。可視領域の中央は約５５５nmの緑色である。人間の視覚は、白色光として見えるものが、現実には、いわゆる黒体放射の重み付き量で構成されるようなものである。人間の観測者にとって「白色」に見える光を生成するためには、光が、約３０パーセントの赤色（Ｒ）、５９パーセントの緑色（Ｇ）、及び１１パーセントの青色（Ｂ）の重みの成分を有する必要がある。
光が白色である知覚は、ＲＧＢの色成分のうちの１つの量が変化しても、他の２つの量を調整して補償することができる限り、維持することができる。例えば、赤色光源がより長い波長へシフトした場合、他の二色が変化しないままであれば、白色光はよりシアン色に近く見える。しかし、緑色及び青色の重みを、それぞれ５９パーセント及び１１パーセントの元の値以外のレベルに変化させることによって、ホワイトバランスを回復することができる。人間の目は、近い間隔をおいた色どうしを、白色光の個別の原色成分である赤色、緑色、及び青色（ＲＧＢ）に分解する能力を持たない、というのは、人間の視覚系はこれら３つの成分を混合して中間色を形成するからである。人間の視覚は、三原色しか記録（及び／または検出）せず、他のすべての色はこれらの原色の組合せとして知覚することを、読者は想起されたい。
今日使用されているカラー液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、液晶（ＬＣ：liquid crystal）セルのマトリクス／アレイによって形成される画像素子または「画素（ピクセル）」に基づく。知られているように、ＬＣを通過する光の強度は、ＬＣに印加される電界、電圧に応答して偏光角を変化させることによって制御することができる。カラーＬＣＤについては、各画素が実際には３つの「サブピクセル（副画素）」：即ち１つの赤色（Ｒ）、１つの緑色（Ｇ）、及び１つの青色（Ｂ）で構成される。こうしたサブピクセルの三つ組がまとまって単一画素（画素単位）と称されるものを作り上げる。人間の目が単一の白色画素として知覚するものは、実際には、強度を重み付けしたＲＧＢサブピクセルの三つ組であり、このため、３つのサブピクセルの各々は同じ輝度を有するように見える。同様に、人間の目が白色の実線を見る際には、実際に表示されているものはＲＧＢの三つ組の連続または直線である。こうした複数サブピクセルの構成は、光源の光度出力を一組の所望色座標に調整することによって操作することができ、これにより、大きなカラーパレットのための優れた演色評価数（ＣＲＩ：color rendering index）及び動的な色選択を提供することができる。
現在の透過型ＬＣＤ技術では、こうした色調整はカラーフィルタの使用により実現される。従来の透過型カラーＬＣＤの動作原理は、液晶（ＬＣ）マトリクスの背後に配置された高輝度の白色バックライト照明光源、及び液晶マトリクスの反対側に配置されたカラーフィルタのパネルに基づく。液晶マトリクスはデジタル的にスイッチングされて、バックライト照明光源から各画素のカラーフィルタの各々に到達する白色光の強度を調整し、これにより、ＲＧＢサブピクセルが透過させる着色光の量を制御する。カラーフィルタを出る光がカラー画像を生成する。
代表的なＬＣＤ構造はサンドイッチ状であり、２枚のガラスパネル間に液晶が設けられ、一方のガラスパネルは、それぞれのサブピクセルに対応するＬＣの電極間に印加される電圧を制御するスイッチング素子を含み、他方のガラスパネルはカラーフィルタを含む。ＬＣマトリクスを制御するためのスイッチング素子は、構造の背面上に配置され、即ちバックライト光源に対面し、一般に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）のアレイを具え、このアレイ内では、それぞれのＴＦＴがサブピクセル毎に設けられている。カラーフィルタのガラスパネルは、まとめてグループ化された一組の原色（赤色、緑色、及び青色）カラーフィルタを有するガラスプレートである。カラーフィルタのガラスパネルを出る光が画像を形成する。
知られているように、ＬＣは、印加された電界、電圧の関数として偏光面を旋回させる性質を有する。偏光フィルタの使用により、そしてＬＣに印加される電圧の関数として偏光の旋光度を制御することによって、バックライト光源によってフィルタに供給される白色光の量が、赤色、緑色、及び青色のサブピクセル毎に制御される。フィルタを透過する光は、画像を生成するための色範囲を生成し、この色範囲を、視聴者がＴＶのスクリーンまたはコンピュータのモニタ上で視認する。
一般に、バックライト用に使用される白色光源は、水銀を充填した冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ：cold cathode fluorescent lamp）を具えている。ＣＣＦＬ管は一般にガラスであり、不活性ガスを充填されている。このガスは、管内に配置された電極間に電圧が印加されるとイオン化され、イオン化されたガスは紫外（ＵＶ：ultraviolet）光を生成する。そして、ＵＶ光は、ガラス管の内側にコーティングされた１つ以上の蛍光体を励起して可視光を発生させる。反射器が、この可視光をモニタへ方向転換させ、できる限り均一に拡散させて、薄型の平坦なＬＣＤをバックライト照明する。バックライト自体は、常に、利用可能な色温度及び色空間を規定しており、この色温度及び色空間は、一般に、ＮＴＳＣ（National Television Standards Committee：全米テレビジョン放送方式標準化委員会）の要求のおよそ７５パーセントを有していた。
既知のＬＣＤシステムでは、カラーフィルタはＬＣＤの色を鮮明にするための主要構成要素である。薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ（ＴＦＴ ＬＣＤ）のカラーフィルタは三原色で構成され、これらの三原色はカラーフィルタ・プレート上に含まれる。カラーフィルタ・プレートの構造は、ブラック（不透明）マトリクス及び樹脂フィルムを具え、樹脂フィルムは三原色の染料または色素を含有する。カラーフィルタの要素は、ＴＦＴアレイ化されたガラスプレート上の単位画素と１対１に対応して整列する。単位画素内のサブピクセルは独立して区別するには小さ過ぎるので、ＲＧＢ要素は人間の目には三色の混合として見える。その結果、これらの三原色を混合することによって、いくらかの制限を伴って任意の色を生成することができる。
近年にわたる高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）の開発は、色スペクトルを拡張したＬＥＤバックライト照明を可能にし、ディスプレイ用のより広範囲のスペクトルの色を提供するために使用されてきた。これに加えて、ＬＥＤバックライト照明は、フィードバック・センサと組み合わせると、白色点の調整を可能にして、ディスプレイが所定の性能に合わせて動作することを保証してきた。
これらのＬＥＤ系のバックライト照明システムでは、赤色、緑色、及び青色（ＲＧＢ）ＬＥＤからの光出力が均等な比率で混合されて白色光を生成する。この方法は、３つの異なるカラーＬＥＤの強度を適切に制御するための複雑な駆動回路を必要とすることが不都合である、というのは、各々のＬＥＤが異なる駆動条件を必要とするので、異なる回路が必要になるからである。
代案の方法は、白色発光ＬＥＤを使用することであり、白色発光ＬＥＤは、黄色の蛍光体をコーティングした単一の青色ＬＥＤを具え、この黄色の蛍光体は、青色ＬＥＤが放射する青色光の一定割合を吸収して、この青色光を（ダウンコンバージョン（低周波変換）として知られているプロセスで）黄色光として再放射する。黄色蛍光体が発生する黄色光を青色ＬＥＤからの青色光と組み合わせることによって、可視スペクトル全体にわたる白色光を生成することができる。その代わりに、紫外ＬＥＤを赤色−緑色−青色蛍光体でコーティングして白色光を生成することができ、この場合、紫外ＬＥＤからのエネルギーは実質的に不可視であり、結果的な白色光の成分に寄与することができないので、蛍光体用の励起光源として機能するに過ぎない。こうしたＬＥＤの白色光の生成物は現在のＬＣＤにおいて使用されるカラーフィルタと良好に整合せず、大量のバックライト強度が浪費されることが不都合である。
米国特許第４８３０４６９号（特許文献１）は、ＵＶ光を用いて赤色、緑色、及び青色の発光蛍光体のサブピクセルを励起し、これにより、ＲＧＢカラーフィルタの必要性をなくしたＬＣＤを提案している。こうしたＬＣＤをフォトルミネセンス・カラーＬＣＤと称する。波長３６０nm〜３７０nmのＵＶ光を発光する水銀ランプをバックライトとして使用し、赤色、緑色、及び青色の発光蛍光体を前面基板プレート上に設ける。ＵＶ光は、液晶マトリクスによって変調された後に前面プレート上の蛍光体サブピクセルに入射し、それに応答して、これらの蛍光体サブピクセルが赤色、緑色、及び青色光を発光する。
米国特許第６８４４９０３号（特許文献２）は、透過型カラーＬＣＤを教示し、この透過型カラーＬＣＤは、波長４６０nmの均一な青色光を液晶層の背面に供給する。この青色光は、液晶層によって変調された後に、液晶層の上方に配置された蛍光体材料の背面に入射する。第１蛍光体材料は、青色光で照射されると、ディスプレイの赤色画素領域用の赤色光を発生し、第２蛍光体材料は、青色光で照射されると、ディスプレイの緑色画素領域用の緑色光を発生する。青色光はバックライトから供給されるので、青色サブピクセル領域上には蛍光体材料を堆積させない。適切な拡散体（例えば散乱粉末）を青色サブピクセル領域に配置して、青色画素が赤色及び緑色画素の視角特性と一致するようにすることができる。
米国特許出願公開第２００６／０２３８１０３号（特許文献３）及び米国特許出願公開第２００６／０２４４３６７号（特許文献４）は、フォトルミネセンス・カラーＬＣＤを教示し、これらは、それぞれ、波長３６０nm〜４６０nmのＵＶ光及び波長３９０nm〜４１０nmの青色に近いＵＶ光を用いて、赤色、緑色、及び青色の発光蛍光体サブピクセルを励起している。青色に近いバックライト照明の使用は、ＵＶ光によって生じる液晶の劣化を低減する。
フォトルミネセンス・カラーＬＣＤの他の例は、特開２００４−０９４０３９号公報（特許文献５）に開示されている。
米国特許第８９４７６１９号（特許文献６）はフォトルミネセンス・カラーディスプレイを開示し、このフォトルミネセンス・カラーディスプレイは、ディルプレイの画素領域に対応する赤色、緑色または青色の量子ドットを有するフォトルミネセンス色要素プレート、及び配置されたこれらの色要素プレートと励起光源との間に配置された波長選択フィルタを具えている。波長選択フィルタは、画素領域内に発生する光が励起光源に戻ることを防止する。
米国特許第４８３０４６９号明細書 米国特許第６８４４９０３号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２３８１０３号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２４４３６７号明細書 特開２００４−０９４０３９号公報 米国特許第８９４７６１９号明細書
本発明はフォトルミネセンス・カラーディスプレイに関するものであり、このフォトルミネセンス・カラーディスプレイは、量子ドット、無機または有機蛍光体材料のようなフォトルミネセンス材料を利用して、サブピクセルの異なる色の光を発生する。現在技術において必要なものは、ＲＧＢフォトルミネセンス系の演色方式を用いて、画像の色を鮮明にし輝度を増強するカラーディスプレイである。
本発明の好適例は、演色を強化した、ＬＣＤのような低コストで高いエネルギー変換効率のカラーディスプレイに指向したものである。本発明の好適例によるカラーディスプレイは、高い輝度及び華やかで生き生きした色の範囲を有する画像を実現することを可能にする。このように強化したカラーディスプレイは種々の電子装置における用途を有し、これらの電子装置は、テレビジョン、モニタ及びコンピュータ・モニタ、衛星ナビゲーションシステムの表示スクリーン、及び携帯電話及び個人用ビデオ／音楽システムのようなハンドヘルド（手持ち型）装置を含むが、これらに限定されない。
フォトルミネセンス・カラーディスプレイが、赤色、緑色及び青色のサブピクセル領域を表示する表示パネル、ディスプレイを動作させるための励起放射を発生するように動作可能な励起光源、及び複合層を具えることができる。（ディスプレイの赤色、緑色、及び青色のサブピクセル領域に対応する光を発光するように動作可能な）複合層は、少なくとも１つのフォトルミネセンス材料とディスプレイの性能を強化するための特定の光学特性を有するカラーフィルタ色素との混合物を具えている。
本発明の一態様によれば、フォトルミネセンス・カラーディスプレイが提供され、このフォトルミネセンス・カラーディスプレイは：複数の赤色、緑色、及び青色のサブピクセル領域、及びディスプレイを動作させるための青色光を発生するように動作可能な励起光源を具え、赤色サブピクセル領域は、この青色励起光に応答して赤色光を発光するように動作可能な第１フォトルミネセンス材料と、緑色光の通過を実質的に防止しつつ青色光及び赤色光の通過を可能にする第１カラーフィルタ色素との混合物を具え、緑色サブピクセル領域は、上記励起放射に応答して緑色光を発光するように動作可能な第２フォトルミネセンス材料と、赤色光の通過を実質的に防止しつつ青色光及び緑色光の通過を可能にする第２カラーフィルタ色素との混合物を具え、青色サブピクセル領域は、赤色光及び緑色光の通過を実質的に防止しつつ青色光の通過を可能にする第３カラーフィルタ色素を具えている。
本発明により形成されるフォトルミネセンス・カラーディスプレイは、異なるサブピクセル間の「クロストーク」を低減及び／または解消し、ディスプレイの色を鮮明にするという課題に応える。本明細書の文脈では、クロストークとは、あるサブピクセルの色に対応しない色を有するサブピクセルからの発光を称する。クロストークは、例えば、緑色または青色サブピクセルからの赤色光の発光；赤色または青色サブピクセルからの緑色光の発光、及び赤色または緑色サブピクセルからの青色光の発光を含む。フォトルミネセンス・プロセスは等方性であるので、フォトルミネセンスが発生する光は、励起光源に向かって戻る方向を含む全方向に放射される。励起光源は全サブピクセルに共通するので、こうした光は異なる色のサブピクセルから放射され得るし、抑制しなければ、このことはディスプレイの性能を劣化させる。サブピクセルの色に対応しない光の放射を阻止するものは、特定の光学特性を有するカラーフィルタ色素をフォトルミネセンス材料と共に含めることである。
さらに、特定の特性を有するカラーフィルタ色素をフォトルミネセンス材料と共に含めることは、ディスプレイの色を鮮明にするための別個のカラーフィルタ・プレートの必要性を解消する。このことは、コストを低減して製造の効率を向上させる。カラーフィルタ・プレートを必要としないので、カラーフィルタ・プレートのサブピクセルが複合層の対応するサブピクセルに正確に重なるようにカラーフィルタ・プレートを複合層と正確に位置合わせする必要はなく、これにより製造の効率が向上する。例えば、１０８０ｐ（１９２０×１０８０画素）のディスプレイでは、このことは、２，０７３，６００個の赤色、緑色、及び青色サブピクセルを位置合わせすることを必要とし、製造の時間及びコストに重大な影響を与える。
第１カラーフィルタ色素はマゼンタ色とすることができる。マゼンタ色のフィルタ色素を赤色サブピクセルに含めることは、緑色光が赤色サブピクセルから発光されることを防止する。
第２カラーフィルタ色素はシアン色とすることができる。同様に、シアン色のフィルタ色素を緑色サブピクセルに含めることは、赤色光が緑色サブピクセルから発光されることを防止する。
第３カラーフィルタ色素は青色とすることができる。青色のフィルタ色素を青色サブピクセルに含めることは、赤色光及び緑色光が青色サブピクセルから発光されることを防止する。従って、フォトルミネセンス材料は、一般に、青色サブピクセル領域には必要ない。一部の好適例では、青色フォトルミネセンスを用いて、青色励起光の波長を必要な波長の青色光に変換することができる。
上記フォトルミネセンス材料は、無機または有機蛍光体材料、あるいは量子ドット材料を含むことができる。上記フォトルミネセンス材料は、カドミウムを含まない量子ドットを含むことができる。上記フォトルミネセンス材料は量子ドット材料を含むことができ、この量子ドット材料は：セレン化カドミウム（CdSe）；セレン化カドミウム亜鉛（CdxZn1-xSe）；硫化セレン化カドミウム亜鉛（CdZnSeS）；硫化セレン化カドミウム（CdSexS1-x）；テルル化カドミウム（CdTe）；硫化テルル化カドミウム（CdTexS1-x）；硫化カドミウム（CdS）；硫化カドミウム亜鉛（CdxZn1-xS）；リン化インジウム（InP）；リン化インジウムガリウム（InxGa1-xP）；ヒ化インジウム（InAs）；硫化銅インジウム（CuInS2）；セレン化銅インジウム（CuInSe2）；セレン化硫化銅インジウム（CuInSxSe2-x）；硫化銅インジウムガリウム（CuInxGa1-xS2）；セレン化銅インジウムガリウム（CuInxGa1-xSe2）；硫化銅ガリウム（CuGaS2）；セレン化銅インジウムアルミニウム（CuInxAl1-xSe2）；セレン化銅ガリウムアルミニウム（CuGaxAl1-xSe2）；硫化銅インジウム硫化亜鉛（CuInS2xZnS1-x）；及びセレン化銅インジウムセレン化亜鉛（CuInSe2xZnSe1-x）から成るグループから選択した材料を含む。上記量子ドット材料は、異なる材料をオニオン構造内に含むコア／シェル型ナノ結晶を含むことができる。上記量子ドット材料は、コンタクトプリント・プロセスのような堆積法を用いて、量子ドットの薄層として基板上に直接堆積させることができる。
上記フォトルミネセンス・カラーディスプレイは、表示パネルの前面プレートと背面プレートとの間に配置された液晶、及びディスプレイの赤色、緑色、及び青色のサブピクセル領域を規定し、サブピクセル領域を通る光の透過を制御するための電界をサブピクセル領域内の液晶に選択的に誘起するように動作可能な電極のマトリクスを、さらに具えることができる。
上記フォトルミネセンス材料は、背面プレートの面上に、例えば背面プレートの下面上または上面上のいずれかに配置することができる。その代わりに、上記フォトルミネセンス材料は、前面プレートの面上に、例えば前面プレートの下面上または上面上のいずれかに配置することができる。液晶によって誘発される光の偏光度は光の波長に依存することができるので、フォトルミネセンス材料を前面プレート上に配置することは、赤色、緑色、及び青色サブピクセルを動作させるに当たり有利であり得る。
上記青色励起光は、４００nm〜４８０nmの範囲内のピーク発光波長を有することができる。
上記赤色、緑色、及び青色のサブピクセル領域は、上記フォトルミネセンス材料とカラーフィルタ色素との複合層を具えることができる。上記フォトルミネセンス・カラーディスプレイは、偏光層をさらに具えることができ、上記複合層はこれらの偏光層の外側に配置することができる。上記カラーディスプレイは、第１偏光フィルタ層を上記前面プレート上に具え、第２偏光フィルタ層を上記背面プレート上に具えることができ、第１偏光フィルタ層の偏光方向は第２偏光フィルタ層の偏光方向と直交する。
本発明をより良く理解するために、以下、本発明の実施形態を、ほんの一例として、添付した図面を参照しながら説明する。
本発明の一実施形態により形成されるフォトルミネセンス・カラーＬＣＤの概略図である。 図１のＬＣＤの単位画素の概略図である。 図１のＬＣＤの複合層の側面図である。 本発明の他の実施形態により形成されるフォトルミネセンス・カラーＬＣＤの概略図である。 マゼンタ色、シアン色、及び青色フィルタ色素について吸収特性を示す図である。
本発明の詳細な説明
ここでは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のような電子ディスプレイの輝度及び鮮明さを向上させ強化するように設計された新規な演色方式を開示する。
本発明は、フォトルミネセンス・カラーディスプレイ内の異なる色のサブピクセル間のクロストークを低減及び／または解消する課題に応える。本発明の実施形態によれば、ディスプレイのサブピクセルが、フォトルミネセンス材料とカラーフィルタ色素との混合物を具えて、クロストークを少なくとも部分的に低減し、これによりディスプレイの色を鮮明にする。
本明細書全体を通して、同様な参照番号は同様な特徴を表すために用いる。
図１を参照すれば、本発明の一実施形態により形成されるフォトルミネセンス・カラーＬＣＤ１００の概略断面表現が示されている。ＬＣＤ１００は表示パネル１０２及びバックライト照明部１０４を具えている。
バックライト照明部１０４は平面導光板（導波板）１５４を具え、１つ以上の青色励起光源１０６が導光板１５４の１つ以上のエッジに沿って配置されている。各励起光源１０６は、青色発光ＬＥＤ（４００nm〜４８０nm）を具えることができる。動作中には、励起光が導光板１５４のエッジ内に結合されて、内部全反射によって導光板１５４の体積全体にわたって導光されて、表示パネル１０２の表面全体にわたって均一な照明を与える。図に示すように、そしてバックライト照明部１０４からの光の脱出を防止するために、導光板１５４の背面は光反射面１５６をさらに具えることができる。青色励起光源１０６は、赤色フォトルミネセンス・サブピクセル１３０及び緑色フォトルミネセンス・サブピクセル１３２を励起するように動作可能である。バックライト照明部１０４は、表示パネル１０２が励起放射によりその表面全体にわたってほぼ均等に照射されることを保証するための光拡散面１０８をさらに具えることができる。
表示パネル１０２は、透明な（光透過性の）前面（発光／画像発生）プレート１１０、透明な背面プレート１１２、及び前面プレートと背面プレートとの間を満たす液晶（ＬＣ）１１４を具えている。前面プレート１１０はガラスプレート１１６を具え、ガラスプレート１１６は、ＬＣ１１４に面する面である下面上に透明な共通電極面１２６（例えば透明な酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：indium tin oxide））を有する。前面プレート１１０の上面上は第１偏光フィルタ層１１８である。背面プレート１１２はガラスプレート１２２を具え、ガラスプレート１２２は、複合層１６０に面する面である上面上に第２偏光フィルタ層１２４を有する。ＬＣ１１４に面する面であるバックプレート１１２の上面上は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）層である。
複合層１６０は異なる色のサブピクセル１３０、１３２、１３４のアレイを具え、これらのサブピクセルは、それぞれ赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、及び青色（Ｂ）の光を発光する。ＴＦＴ層１２０はＴＦＴのアレイを具え、このアレイ内には、複合層１６０の各画素単位１４０の各個別のカラー・サブピクセル１３０、１３２、１３４に対応するトランジスタが存在する。一般に、２つの偏光フィルタ１１８、１２４の偏光方向は互いに直交するように整列する。
複合層１６０は、フォトルミネセンス材料と特定の特性を有するカラーフィルタ色素との混合物を具え、ガラス（またはプラスチック）基板１６８上にコーティングされている。複合層１６０を偏光層１１８及び１２４の外部に配置することによって、ＬＣＤモジュールの動作の妨げとなるフォトルミネセンス材料（例えば、量子ドット）のランダム分極を防止する。
図２は複合層１６０を例示する単位画素１４０の概略図であり、単位画素１４０は異なる色のサブピクセル１３０、１３２、１３４のアレイを具え、これらのサブピクセルは、それぞれ赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、及び青色（Ｂ）の光を発光する。サブピクセル１３０、１３２はフォトルミネセンス材料とカラーフィルタ色素との混合物を具え、動作中には、バックライト照明部１０４からの青色励起光に応答して、それぞれ赤色（Ｒ）及び緑色（Ｇ）を発光するのに対し、サブピクセル１３４はカラーフィルタ色素のみを具え、動作中には、バックライト照明部１０４からの青色光が通過することを可能にする。複合層１６０は、カラー・サブピクセルの光発生用及びクロストークを低減するためのカラーフィルタ処理用の両用に機能する。この方法の１つの主要な利点は、１つの画素構造層しか必要としないことにあり、この画素構造層は、フォトルミネセンス材料（例えば、蛍光体または量子ドット）とカラーフィルタ色素とを一緒に組み合わせて単一の複合層１６０を形成する。
図３は、図１のＬＣＤの結合層の側面図である。ＲＧＢサブピクセル１３０、１３２、１３４は基板１６８（例えばガラス基板）上にパッケージされ、基板１６８は、不透明なドライバ（駆動回路）／壁面を各サブピクセル１３０、１３２、１３４間に有し、各サブピクセル１３０、１３２、１３４は、フォトルミネセンス材料及びカラーフィルタ色素の両方を一緒に組み合わせた混合物を有する。サブピクセル１３０、１３２、１３４の各々は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、及び青色（Ｂ）の原色の発光及びフィルタ処理を行う。ドライバ１３８は、例えばクロムのような格子状の金属マスクとして形成することができ、サブピクセル１３０、１３２、１３４を規定し、不透明なギャップをサブピクセル１３０、１３２、１３４及び単位画素１４０の相互間に提供する。これに加えて、上記ブラック・マトリクスは、ＴＦＴを迷光から遮蔽し、隣接するサブピクセル／単位画素間のクロストークを防止する。ブラック・マトリクスからの反射を最小にするためには、ＣｒとＣｒＯｘとの二重層を用いることができるが、もちろん、これらの層はＣｒ及びＣｒＯｘ以外の材料を含むことができる。ブラック・マトリクス薄膜は、フォトルミネセンス材料の下層または上層にスパッタリングで堆積させることができ、フォトリソグラフィを含む方法を用いてパターン化することができる。
赤色、緑色、及び青色のフィルタ色素を用いる従来のＲＧＢカラーフィルタとは異なり、本発明の複合層１６０内に用いるフィルタ色素は、こうした標準的な赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタ色素の使用を含む必要がない。赤色色素を赤色サブピクセル内に用いるとすれば、このことは十分な青色光がこうしたサブピクセルに入って赤色フォトルミネセンス材料を励起することを抑制するからである。従って、他の色の光はフィルタ処理で除去しつつ、十分な青色光（及び赤色光）の通過を可能にするためには、このフィルタ色素を慎重に選択する必要がある。一部の実施形態では、赤色サブピクセル内で、赤色フォトルミネセンス材料がマゼンタ色フィルタ色素と混合されている。マゼンタ色フィルタ色素は赤色サブピクセル内の材料であり、カラーフィルタ処理を提供する、というのは、マゼンタ色フィルタ色素は、赤色及び青色の光は通過することを可能にしつつ緑色光は吸収するからである。このことは、バックライト照明モジュールからの青色光が赤色サブピクセル内に入って赤色フォトルミネセンス材料（例えば量子ドット）を励起して赤色光を発光することを可能にする。赤色フォトルミネセンス材料及びマゼンタ色フィルタ色素の濃度が十分に高いと、赤色光のみが赤色サブピクセルから発光される。一部の実施形態では、マゼンタ色素の例の吸収特性を図５に示す。
同様な方法で、標準的な緑色フィルタ色素を緑色サブピクセル用のフィルタ材料として用いない。その代わりに、緑色サブピクセルは緑色フォトルミネセンス材料及びシアン色フィルタ色素を含有し、シアン色フィルタ色素がフィルタ材料として機能する。シアン色フィルタ色素は、青色及び緑色光を通過させつつ赤色光を吸収するので、従って、緑色フォトルミネセンス材料は青色光によって励起されて緑色光を発光することができる。緑色フォトルミネセンス材料及びシアン色フィルタ色素の濃度が十分に高いと緑色光のみが緑色サブピクセルから発光される。一部の実施形態では、シアン色フィルタ色素の例の吸収特性を図５に示す。
青色サブピクセルについては、バックライトが青色ＬＥＤを具える際にフォトルミネセンス材料を必要としない。従って、青色サブピクセル用には青色フィルタ色素のみを用いる。青色光は青色サブピクセルを直接通過し、赤色／緑色光は阻止される。
本発明の実施形態によれば、ＬＣＤのサブピクセルが、フォトルミネセンス材料と特定の特性を有するカラーフィルタ色素との混合物を具えている。こうした構成は、サブピクセル間のクロストークの問題に応え、ディスプレイの色を鮮明にする。フォトルミネセンス・プロセスは等方性であるので、フォトルミネセンスが発生する光は、バックライト照明部１０４に向かう後方を含む全方向に放射される。バックライト照明部１０４はＬＣＤ１００の全サブピクセル１３０、１３２、１３４に共通であるので、一旦、こうした光がバックライト照明部１０４に入ると、この光は異なる色のサブピクセルから放射されることがある。例えば、緑色サブピクセル１３２が発生してバックライト照明部１０４に入る緑色光は、次に赤色または青色サブピクセル１３０、１３４から放射されることがあり、こうした放射は、抑制しなければＬＣＤ１００の性能を劣化させる。同様に、赤色サブピクセル１３０が発生してバックライト照明部１０４に入る光は、次に緑色または青色サブピクセル１３２、１３４から放射されることがあり、こうした放射は、抑制しなければＬＣＤ１００の性能を劣化させる。サブピクセルの色に対応しない光の放射を阻止するものは、特定の光学特性を有するカラーフィルタ色素をフォトルミネセンス材料と共に含むことである。例えば、シアン色のフィルタ色素を緑色サブピクセル１３２に含めることは、赤色光が緑色サブピクセル１３２から放射されることを防止する。同様に、マゼンタ色のフィルタ色素を赤色サブピクセル１３０に含めることは、緑色光が赤色サブピクセルから放射されることを防止する。
さらに、特定の特性を有するカラーフィルタ色素をフォトルミネセンス材料と共に含むことは、別個のカラーフィルタプレートの必要性をさらに解消する。このことはコストを低減し製造の効率を向上させる。
量子ドット、無機及び有機蛍光体材料のような異なる種類のフォトルミネセンス材料を、ディスプレイのフォトルミネセンス・サブピクセル用に用いることができる。
量子ドットは、異なる材料、例えばセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）を含むことができる。量子ドットが発生する色は、量子ドットのナノ結晶構造に関連する量子閉じ込め効果によって可能になる。ＲＧＢ量子ドットは、他のフォトルミネセンス材料に比べて、純粋（狭い帯域幅）かつ高彩度な発光色を発生する。各量子ドットのエネルギーレベルは、量子ドットのサイズに直接関係する。例えば、赤色量子ドットのようなより大きい量子ドットは、相対的により低いエネルギー（即ち、相対的により長い波長）を有する光子を吸収して放射することができる。一方、緑色及び青色の量子ドットは、サイズがより小さく、相対的により高いエネルギー（より短い波長）の光子を吸収して放射することができる。従って、ＲＧＢ量子ドットから放射される光の波長は、量子ドットのサイズの慎重な選択によって設定することができる。これに加えて、フォトルミネセンス・カラーディスプレイは、量子ドット中のカドミウムの毒性を回避するために、カドミウムを含まない量子ドット、及び希土類（ＲＥ：rare earth）でドープした酸化物のコロイド状蛍光体ナノ粒子の使用を想定されている。量子ドット材料をフォトルミネセンス・カラーディスプレイのサブピクセルとして使用することは、その権利において進歩性があるものと確信する。
複合層１６０の赤色（Ｒ）及び緑色（Ｇ）の量子ドット用に利用可能な種々の組成が存在する。適切な量子ドット組成の例を表１に挙げる：
上記量子ドット材料は、オニオン状構造中に異なる材料を含有するコア／シェル型ナノ結晶を含むことができる。例えば、表１中の例示的な材料は、コア／シェル型ナノ結晶用のコア材料として用いることができる。
１つの材料中のコア・ナノ結晶の光学特性は、他の材料のエピタキシャル型シェルを成長させることによって変化させることができる。要求に応じて、コア／シェル型ナノ結晶は単一のシェルまたは複数のシェルを有することができる。シェル材料は、バンドギャップ技術に基づいて選定することができる。例えば、シェル材料はコア材料よりも大きなバンドギャップを有することができ、これにより、ナノ結晶のシェルは、光学活性なコアの表面を、包囲する媒質から分離することができる。
カドミウム系量子ドット、例えばＣｄＳｅ量子ドットの場合、コア／シェル型量子ドットは、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＳｅ／ＣｄＳ、ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ／ＣｄＳ／ＺｎＳ、またはＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ／ＺｎＳの化学式を用いて合成することができる。同様に、ＣｕＩｎＳ2量子ドットについては、コア／シェル型ナノ結晶は、ＣｕＩｎＳ2／ＺｎＳ、ＣｕＩｎＳ2／ＣｄＳ、ＣｕＩｎＳ2／ＣｕＧａＳ2、ＣｕＩｎＳ2／ＣｕＧａＳ2／ＺｎＳ等の化学式を用いて合成することができる。
量子ドットと同様に、複合層１６０の赤色及び緑色サブピクセル用のフォトルミネセンス材料は、有機及び無機蛍光体材料を含む他の種々のフォトルミネセンス材料を含むことができる。有機蛍光体の例は、赤色発光色素及び緑色発光色素のような有機色素を含む。適切な赤色発光色素の例は、ADS（登録商標）100RE（American Dye Source社、カナダ国）である。適切な緑色発光色素の例は、ADS（登録商標）085GE（American Dye Source社、カナダ国）である。
これに加えて、有機色素は、青色光で適切に励起することができる調整可能な色素レーザー用に用いることができる色素から選定することができる。有用な発光色素の例は、Lumogen（登録商標）F RED 300（赤色発光体）、Lumogen（登録商標）Red 300 Nanocolorant（赤色発光体）、及びADS（登録商標）100RE（赤色発光体）（American Dye Source社、カナダ国）を含むことができるが、これらに限定されない。有用な緑色発光色素の例は、ADS（登録商標）085GE（American Dye Source社、カナダ国）を含むことができるが、これに限定されない。
また、複合層１６０の赤色及び緑色無機蛍光体用に利用可能な種々の組成が存在する。ホスト材料は一般に酸化物であり、アルミン酸塩、ケイ酸塩、またはホウ酸塩を含むことができるが、ホスト材料はこれらの化合物の部類に限定されない。赤色及び緑色蛍光体は、例えば、活性化因子と称される希土類元素でドープしたアルミン酸塩、ケイ酸塩、硫酸塩、酸化物、塩化物、フッ化物、及び／または窒化物を含むことができる。活性化因子は、二価のユウロピウムまたはセリウムを含むことができるが、活性化因子はこれらの元素に限定されない。ハロゲンのようなドーパントは、置換するか格子間に入れて結晶格子内に含むことができ、例えばホスト材料の酸素格子サイト及び／またはホスト材料内の格子間に存在することができる。適切な蛍光体組成の例を、これらの蛍光体組成を励起することができる波長範囲と共に表２に挙げる。
ＲＧＢフォトルミネセンス材料を複合層１６０内／複合層１６０上に含めることができる種々の方法が存在する。
例えば、赤色及び緑色の量子ドットは、印刷（プリンティング）プロセスを用いて基板１６８上に直接堆積させることができる。印刷プロセスは、溶剤を用いることなしに量子ドットの薄層を形成することができる。従って、印刷プロセスは単純かつ効率的にすることができ、高い処理能力（スループット）を伴う。
大部分の無機蛍光体材料は固い物質であり、その個別の粒子は種々の不規則な形状を有する。これらの粒子をプラスチック樹脂内に直接包含させることは困難であり得るが、蛍光体は、アクリル樹脂、ポリエステル、エポキシ、ポリプロピレン及び高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ：high density polyethylene）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ：low density polyethylene）のようなポリマーとの相性が良いことが知られている。材料は、鋳造、浸漬、コーティング（塗布）、押し出し、または成型することができる。一部の実施形態では、蛍光体含有材料を透明プラスチック内に包含させるためにマスターバッチを用いることが好ましいことがあり、次にこの透明プラスチックを複合層１６０のガラス基板１６８上にコーティングすることができる。現実には、ＬＣＤのフィルタプレートを製造するために用いられる方法のいずれも、現在の複合層１６０を製造するために用いることもでき、こうした方法はスクリーン印刷、フォトリソグラフィー、及びインク印刷技術である。
図４は、本発明の他の実施形態により形成されるフォトルミネセンス・カラーＬＣＤ２００の概略図である。図４中の参照番号は、図１の参照番号と同じ特徴を表す。従って、同様な参照番号は同様な特徴を表す。この実施形態では、フォトルミネセンス材料とカラー色素との複合層２６０が、偏光層２１８に面する前面プレート２１０の上面上（即ち、表示パネル２０２の画面側）に配置されている。前の実施形態と同様に、複合層２６０を偏光層２１８及び２２４の外側に設けることは、フォトルミネセンスが発生する光（例えば、量子ドット放射）がＬＣＤモジュールのメカニズムと干渉しないことを保証する。
図４の構成も、サブピクセル間のクロストークの問題に応え、そしてディスプレイの色を鮮明にする。例えば、緑色サブピクセル２３２が発生する緑色光は、液晶２１４を通過してバックライト照明部２０４に入り、赤色または青色サブピクセル２３０、２３４から無用に放射されてしまうことがある。こうした放射は、抑制しなければＬＣＤ２００の性能を劣化させる。同様に、赤色サブピクセル２３０が発生する緑色光は、液晶２１４を通過してバックライト照明部２０４に入り、緑色または青色サブピクセル２３２、２３４から無用に放射されてしまうことがある。こうした放射は、抑制しなければＬＣＤ２００の性能を劣化させる。サブピクセルの色に対応しない光の放射を阻止するものは、特定の光学特性を有するカラーフィルタ色素をフォトルミネセンス材料と共に含めることである。例えば、シアン色フィルタ色素を緑色サブピクセル２３２内に含めることは、赤色光が緑色サブピクセル２３２から放射されることを防止する。同様に、マゼンタ色フィルタ色素を赤色サブピクセル２３０に含めることは、緑色光が赤色サブピクセル２３０から放射されることを防止する。
さらに、特定の特性を有するカラーフィルタ色素をフォトルミネセンス材料と共に含めることは、別個のカラーフィルタ・プレートの必要性を解消する。このことは、コストを低減して製造の効率を向上させる。
本発明は説明した特定実施形態に限定されず、本発明の範囲内である変形を加えることができることは明らかである。例えば、一部の実施形態では、複合層１６０を、別個の基板１６８上とは対照的に、前面プレート１１０または背面プレート１１２上に直接製造することができる。複合層１６０を背面プレート１１２上に製造する際には、製造を容易にするために、複合層１６０を背面プレート１１２の下側に製造することができる。他の構成では、複合層を背面プレート１１２の上面上に設け、第２偏光層１２４を複合層１６０上に設けることができる。

Claims (15)

  1. フォトルミネセンス・カラーディスプレイであって、
    複数の赤色、緑色、及び青色サブピクセル領域を具えた表示パネルと、
    青色励起光を発生するように動作可能な励起光源とを具え、
    前記赤色サブピクセル領域は、前記青色励起光に応答して赤色光を発生するように動作可能な第１フォトルミネセンス材料と、前記青色励起光による前記第１フォトルミネセンス材料への通過を可能にし、赤色光の発光を可能にし、かつ前記赤色サブピクセル領域からの緑色光の発光を実質的に防止する光学特性を有する第１カラーフィルタ色素との混合物を具え、前記緑色サブピクセル領域は、前記青色励起光に応答して緑色光を発生するように動作可能な第２フォトルミネセンス材料と、前記青色励起光による前記第２フォトルミネセンス材料への通過を可能にし、緑色光の発光を可能にし、かつ前記緑色サブピクセル領域からの赤色光の発光を実質的に防止する光学特性を有する第２カラーフィルタ色素との混合物を具え、前記青色サブピクセル領域は、前記青色励起光の発光を可能にし、かつ前記青色サブピクセル領域からの赤色光及び緑色光の発光を実質的に防止する光学特性を有する第３カラーフィルタ色素を具えている、フォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  2. 前記第１フォトルミネセンス材料の濃度が、前記赤色サブピクセル領域から赤色光のみが発光されるのに十分な程度に高い、請求項１に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  3. 前記第２フォトルミネセンス材料の濃度が、前記緑色サブピクセル領域から緑色光のみが発光されるのに十分な程度に高い、請求項１または２に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  4. 前記第１カラーフィルタ色素がマゼンタ色である、請求項１または２に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  5. 前記第２カラーフィルタ色素がシアン色である、請求項１または３に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  6. 前記第３カラーフィルタ色素が青色である、請求項１に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  7. 前記第１フォトルミネセンス材料及び前記第２フォトルミネセンス材料の少なくとも一方が無機蛍光体材料を含む、請求項１に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  8. 前記第１フォトルミネセンス材料及び前記第２フォトルミネセンス材料の少なくとも一方が有機蛍光体材料を含む、請求項１に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  9. 前記第１フォトルミネセンス材料及び前記第２フォトルミネセンス材料の少なくとも一方が量子ドット材料を含む、請求項１に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  10. 前記第１フォトルミネセンス材料及び前記第２フォトルミネセンス材料の少なくとも一方が、カドミウムを含まない量子ドットを含む、請求項９に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  11. 前記フォトルミネセンス材料が量子ドット材料を含み、該量子ドット材料は、セレン化カドミウム（CdSe）；セレン化カドミウム亜鉛（Cd x Zn 1-x Se）；硫化セレン化カドミウム亜鉛（CdZnSeS）；硫化セレン化カドミウム（CdSe x S 1-x ）；テルル化カドミウム（CdTe）；硫化テルル化カドミウム（CdTe x S 1-x ）；硫化カドミウム（CdS）；硫化カドミウム亜鉛（Cd x Zn 1-x S）；リン化インジウム（InP）；リン化インジウムガリウム（In x Ga 1-x P）；ヒ化インジウム（InAs）；硫化銅インジウム（CuInS 2 ）；セレン化銅インジウム（CuInSe 2 ）；セレン化硫化銅インジウム（CuInS x Se 2-x ）；硫化銅インジウムガリウム（CuIn x Ga 1-x S 2 ）；セレン化銅インジウムガリウム（CuIn x Ga 1-x Se 2 ）；硫化銅ガリウム（CuGaS 2 ）；セレン化銅インジウムアルミニウム（CuIn x Al 1-x Se 2 ）；セレン化銅ガリウムアルミニウム（CuGa x Al 1-x Se 2 ）；硫化銅インジウム硫化亜鉛（CuInS 2x ZnS 1-x ）；及びセレン化銅インジウムセレン化亜鉛（CuInSe 2x ZnSe 1-x ）から成るグループから選択した材料を含む、請求項９に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  12. 前記表示パネルの前面プレートと背面プレートとの間に配置された液晶と、
    前記ディスプレイの前記赤色、緑色、及び青色サブピクセル領域を規定し、前記サブピクセル領域を通る光の透過を制御するための電界を前記サブピクセル領域に選択的に誘起するように動作可能な電極のマトリクスと
    をさらに具えている、請求項１に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  13. 前記フォトルミネセンス材料が、前記背面プレートの面上または前記前面プレートの面上に配置されている、請求項１２に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  14. 前記赤色サブピクセル領域及び／または前記緑色サブピクセル領域が、前記フォトルミネセンス材料と前記カラーフィルタ色素との複合層を具えている、請求項１に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
  15. 複数の偏光層をさらに具え、前記複合層が前記複数の偏光層の外側に配置されている、請求項１４に記載のフォトルミネセンス・カラーディスプレイ。
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