JPH07117660B2 - カラー液晶表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電界効果型液晶を応用した光シヤツター、可視
光波長域の波長選択透過性を有するカラーフイルタおよ
びバツクライトから成るカラー液晶デイスプレイに関す
る。

〔発明の背景〕

従来のカラー液晶表示装置は、特開昭59−210481号、特
開昭59−208577号公報等に記載のように、光源として三
波長発光型の蛍光灯を用いたことと、カラーフイルタの
各色要素と光源の分光分布のピーク特性を合わせ、かつ
カラーフイルタの各色要素の半値幅より光源の半値幅を
小さくするとなつていた。しかし、バツクライトの最適
な分光分布、偏光板を含めた液晶素子の分光透過率、カ
ラーフイルタの分光透過率の組み合わせについて配慮さ
れていない。従来の装置は、上記２件に記載されている
三波長型光源をバツクライトとして使用することやカラ
ーフイルタと三波長型光源を組み合わせたものである
が、カラー液晶デイスプレイの色再現性はカラーフイル
タ、バツクライト以外に偏光板の分光透過率と液晶に大
きく依存する。

ここで、色再現性に影響を及ぼす液晶とは、液晶分子の
長軸方向の屈折率の短軸方向の屈折率の差、すなわち、
液晶の屈折率異方性と液晶層の厚さの関係である。

カラー液晶デイスプレイにおいて、表色範囲が広く、か
つ明るいデイスプレイを達成するためには、カラーフイ
ルタ、バツクライトに加えて、偏光板を含めた液晶素子
の最適化が重要な課題である。

また、カラーフイルタとバツクライトの組み合わせにお
いても、上記２件の従来装置では単にバツクライトの半
値幅がカラーフイルタの各色要素の半値幅より小さい分
光特性を有するバツクライトの組み合わせだけでは、明
るいカラーフイルタを用いた場合には、カラーフイルタ
の半値幅より小さな半値幅の分光分布を有するバツクラ
イトを用いても、カラーフイルタの分光透過率特性がシ
ヤープの特性でないため、混色が発生し易くなり、色再
現性が低下する。

カラー液晶デイスプレイでは、低消費電力のバツクライ
トでも表色範囲が広く、かつ明るいことが望まれる。

〔発明の目的〕

本発明の目的はカラーフイルタ、偏光板、バツクライ
ト、液晶素子の組み合わせにおいて、表色範囲が広く、
かつ明るいカラー液晶デイスプレイを提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明はカラーフイルタ、偏光板、バツクライト、液晶
素子で構成されるカラー液晶デイスプレイにおいて、各
構成要素と色再現性、特に表色範囲、刺激純度および明
るさの関係を実験により明らかにし、カラーフイルタ、
偏光板、バツクライト、液晶素子の最適な組み合わせを
見出すことにより、表色範囲が広く、かつ明るいカラー
液晶デイスプレイを提供するものである。

フルカラーを表示できるカラー液晶表示装置は第１図に
示すように、カラーフイルタ１の偏光板２を設けた光シ
ヤツタとなる液晶表示素子３とバツクライト４から構成
される。

同図（ａ）には、光シヤツターとなる液晶表示素子３を
TN（ツイステツド，ネマチツク）タイプとした場合で、
カラーフイルタ１と液晶表示素子３を２枚の偏光板２で
挟み込む構成が多いが、カラーフイルタ１は偏光板２の
外側に設けることは勿論可能である。また、光源４の拡
散板上にカラーフイルタ１を設けるような構成も可能で
ある。

同図（ａ）に示した液晶表示素子３をTNタイプとした場
合には、見る方向により明るさ及び色相がかわるという
欠点がある。

同図（ｂ）には、光シヤツタとなる。液晶表示素子３を
Ｇ−Ｈ（ゲスト，ホスト）タイプとした場合で、カラー
フイルタ1,1枚の偏光板2,液晶表示素子３とバツクライ
ト４で構成するものが一般的である。

このＧ−Ｈタイプの液晶表示素子を用いた場合には、見
る方向により明るさ及び色相がかわるという視角に対す
る依存性は少ないが、暗いという欠点がある。

したがつて、用途により液晶表示素子３をTNタイプとす
るかＧ−Ｈタイプとするか決定すべきであるが、一般に
は階調表示をしないものにはTNタイプ、階調表示をする
ものにはＧ−Ｎタイプの液晶表示素子３を用いている例
が多い。

同図には、光源４を光シヤツターとなる液晶表示素子３
の背面側に置く透過タイプの構成だけを示したが、光源
４を光シヤツタとなる液晶表示素子３の手前に置く反射
タイプも勿論可能である。

しかし、実際には反射タイプの場合には、暗く刺激純度
も低下するため、一般には透過タイプが多い。

カラーフイルタ１と光シヤツターとなる液晶表示素子３
は、第２図に示すように加法混色の場合、カラーフイル
タは赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）を平面内に分散する
ように配置している。

同図には、加法混色の場合についてのみ示したが、減法
混色も勿論可能である。その場合には、シアン、イエロ
ー、マゼンタを重ねて配置する構成となる。

加法混色、減法混色いずれの場合でも、各色要素に対応
する波長に発光ピークを持つ、バツクライトと、カラー
フイルタを組み合わせることにより、明るさ及び刺激純
度の高い、色再現性に優れたカラー液晶デイスプレイの
実現を目指している。

このように、各色要素に対応する波長に発光ピークを持
つバツクライトを用いることは、表示できる色の範囲が
カラーフイルタの性能に大きく左右されないという利点
があり、発光ピークのシヤープな特性をもつ三波長蛍光
管の開発が各方向で進められている。

第３図は、カラーフイルタの赤（Ｒ），緑（Ｇ）青
（Ｂ）各色要素に対応する波長に発光ピークを有するバ
ツクライトと組み合わせた系による表色範囲をCIE色度
図上に示している。

同図において、カラー液晶デイスプレイの表色範囲を実
線で示し、CRTの表色範囲を破線で示した。いずれも完
全な色再現を持つていない。特に、カラー液晶表示装置
では、色素の吸収を用いているため刺激純度の高い色の
再現は不可能であり、表色範囲も狭い。

本発明は、このような欠点に鑑みてなされたものであ
り、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）に対応する波長に発
光ピークを持つ。バツクライトとカラーフイルタを組み
合わせることは勿論、TNタイプ液晶表示素子の複屈折に
よる干渉色と偏光板の色目とを組み合わせて最適化し、
明るく刺激純度の高い、色再現性に優れたカラー液晶デ
イスプレイを提供するものである。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。ま
ず、本発明を見出すための実験に用いたカラーフイルタ
を第４図に示す。同図に示すように120μｍ角の各色要
素を125μｍピツチでドツト状に配置したものを用い
た。

また、カラーフイルタは表色範囲と明るさに及ぼす影響
を明らかにするため、刺激純度重視型、刺激純度、明る
さバランス型および明るさ重視型の３種類を使用した。

そのカラーフイルタの分光透過率を第５図に示す。同図
（ａ）は刺激純度を重視したカラーフイルタの分光透過
率、（ｂ）は刺激純度と明るさがバランスしたカラーフ
イルタの分光透過率、（ｃ）は明るさを重視したカラー
フイルタの分光透過率である。

同図に示すように、刺激純度を重視したカラーフイルタ
の分光特性は明るさを重視したカラーフイルタの分光特
性に比較し、各色要素とも透過率は低いが、遮光すべき
部分の透過率も低い。一方、明るさを重視したカラーフ
イルタは、各色要素とも透過率は高い。しかし、遮光す
べき部分の透過率も高くなつていることが解る。

偏光板はその分光透過率と表色範囲および明るさの関係
を明らかにするため、市販されているニユートラル系，
ブルー系のものについて実験したが代表的な偏光板の分
光透率を第６図に示す。同図に示す偏光板は、比較的波
長依存性の小さい分光透過率を有するものである。ま
た、同図において１は偏光板単体の特性、２は偏光板２
枚で透過軸を一致させた、いわゆるオープン状態の特
性、３は偏光板２枚で透過軸を直交させた、いわゆるク
ローズ状態の特性である。1,2,3いずれの場合も長波長
領域で透過率が高くなつている。

次に、実験に用いたバツクライトの分光分布を第７図に
示す。同図（ａ）は比較的波長依存性の小さな分光分布
を有する写真用光源、（ｂ）はカラーフイルタの各色要
素の波長領域に発光ピークをもつ三波長型平面光源であ
る。

なお、液晶素子はTN液晶を用いた。その液晶素子を含め
た、カラー液晶デアスプレイの実験に用いた構成を第８
図に示す。

同図に示すように、カラーフイルタ1,偏光板2,液晶素子
3,バツクライト４から構成した。

さらに、表色範囲および明るさを測定した光学系を第９
図に示す。同図に示すように、光学測定系はカラーフイ
ルタ1,偏光板2,液晶素子3,バツクライト4,分光放射測定
装置５から構成した。

まず、カラーフイルタとバツクライトの組み合わせにお
ける各カラーフイルタの表色範囲を第10図に示す。同図
（ａ）は写真用光源とカラーフイルタの組み合わせで、
刺激純度を重視したカラーフイルタ1,刺激純度と明るさ
がバランスしたカラーフイルタ2,明るさを重視したカラ
ーフイルタ３であり、（ｂ）は三波長型平面光源とカラ
ーフイルタの組み合わせである。

同図から、カラーフイルタと写真用源、三波長型平面光
源、どちらの組み合わせにおいても表色範囲は大差な
い。しかし、各カラーフイルタ間の色相の変化は、写真
用光源との組み合わせに比較し、三波長型平面光源との
組合せの方が小さい。

このカラーフイルタとバツクライトの組み合わせにおけ
る、刺激純度と透過率の関係を第11図に示す。同図
（ａ）は写真用光源との組み合わせ、（ｂ）は三波長型
平面光源との組み合わせである。

同図において、１は刺激純度を重視したカラーフイル
タ,2は刺激純度と明るさがバランスしたカラーフイル
タ,3は明るさを重視したカラーフイルタの特性である。

同図から解るように、写真用光源と組み合わせた場合に
比較し、三波長型平面光源と組合せた場合は刺激純度、
透過率ともに優れており、明るさを重視したカラーフイ
ルタに顕著に現われている。

次に、偏光板とバツクライトの組み合わせにおける色温
度の変化を第12図に示す。同図において、写真用光源1,
三波長型平面光源２で、偏光板１枚、偏光板２枚で透過
軸を一致させたオープン状態、偏光板２板で透過軸を直
交させたクローズ状態への色温度の低下は大きくなる。

また、同図から解るように、写真用光源と偏光板を組み
合わせた場合に比較して、三波長平面光源と組み合わせ
た場合の方が色温度の低下は小さい。

次に、カラーフイルタ、偏光板，バツクライトの組み合
わせにおける、刺激純度と透過率の関係を第13図に示
す。同図（ａ）はバツクライトに写真用光源を用いた場
合、（ｂ）はバツクライトに三波長型平面光源を用いた
場合である。

同図から解るように、バツクライトに写真用光源を用い
た場合に比較して、三波長型平面光源を用いた場合に比
較して、三波長型平面光源を用いた場合の方が刺激純
度、透過率ともに高いことが解る。

以上の検討結果から、カラー液晶デイスプレイのバツク
ライトとしては、波長依存性の小さな分光分布を有する
光源に較べ、カラーフイルタの各色要素の波長領域に発
光ピークを有する分光分布の三波長型光源が色再現性に
優れていることが確認できた。

次に、バツクライトは三波長型平面光源が色再現性に優
れていることが確認できたので、偏光板による色再現性
に及ぼす影響を検討した。まず、市販されているニユー
トラル系偏光板とブルー系偏光板における、刺激純度と
透過率の関係を第14図に示す。

同図（ａ）はブルー系偏光板、（ｂ）はニユートラル系
偏光板である。同図から解るように、ブルー系偏光板に
比較して、ニユートラル系偏光板の方が刺激純度が高
い。

この検討結果から、偏光板の分光透過率は波長依存性の
小さい分光特性が色再現性に優れていることが明らかに
なつた。

そこで、市販されている偏光板に較べ、一段と波長依存
性の小さな分光透過率をもつ偏光板により、刺激純度と
透過率の関係を検討した。

この実験に用いた偏光板の分光透過率を第15図に示す。
同図に示すように、波長依存性の小さな分光透過率を有
している。

この偏光板を用いた刺激純度と透過率の関係を第16図に
示す。同図に示すようにカラーフイルタと三波長型平面
光源と組み合わせた場合の刺激純度に比較し、波長依存
性の小さな分光透過率を有する偏光板を組合せても刺激
純度を低下させないことが明らかになつた。

また、三波長型光源のバツクライトとこの波長依存性の
小さな分光透過率をもつ偏光板を組合せた場合の色温度
変化を第17図に示す。同図に示すように、偏光板１枚、
偏光板２枚で透過軸を一致させたオープン状態、偏光板
２枚透過軸を直交させたクローズ状態と偏光板を組み合
わせても、色温度はほとんど低下しない。

このように、カラーフイルタ、バツクライトだけでは、
色再現性に優れたカラー液晶デイスプレイは達成でき
ず、偏光板は色再現性を左右する大きな因子である。

次に、TN液晶素子を含めた、カラーフイルタ、偏光板、
液晶素子、バツクライトの組み合わせにおける、色温度
と透過率の関係を第18図に示す。本実験に用いたカラー
フイルタは刺激純度を重視したもの、偏光板はニユート
ラル系の市販品、液晶は長軸方向と短軸方向の屈折率の
差Δｎ＝0.123、液晶層の厚さを６μm,7μm,8μm,10μ
ｍとした。

同図に示すように、１はカラーフイルタ、偏光板、バツ
クライトの組み合わせ、２〜５はカラーフイルタ、偏光
板、液晶素子、バツクライトの組み合わせ、２は液晶層
の厚さｄ＝６μm,3はｄ＝７μm,4はｄ＝８μm,5はｄ＝1
0μｍの特性である。

同図から解るように、液晶層の厚さにより色温度が大き
く変化する。したがつて、カラーフイルタ、偏光板、液
晶素子、バツクライト、この４つの構成要素を最適化し
なければ、色再現性に優れたカラー液晶デイスプレイは
達成できない。

このことから、液晶素子は液晶の屈折率異方性Δｎと液
晶層の厚さｄを最適化しなければならない。液晶素子の
透過率Ｔと液晶の屈折率異方性Δｎ、液晶層の厚さｄの
関係は次式で表わせる。

透過率ＴとΔｎの関係の一例を第19図に示す同図はｄ＝
10μm,λ＝550nmとしたときの例である。同図におい
て、初めの透過率Ｔが最小になるΔｎとｄの組み合わせ
が視角依存性が広く、コントラストも高い。

また、液晶素子の分光の透過率が、刺激純度に影響を及
ぼすので、できるだえ波長依存性の小さな分光透過率と
なるようなΔｎとｄの組み合わせにしなければならな
い。

液晶素子の波長と透過率の関係の一例を第20図に示す。
同図には、屈折率異方性Δｎ＝0.062で、液晶層の厚さ
ｄ＝６μm,7μm,8μm,9μm,10μｍの分光透過率を示し
た。同図から解るように、Δｎとｄの関係により分光透
過率は大幅に変化する。

この実験には、前述した波長依存性の小さい偏光板を使
用したが、市販されている偏光板を使用すると、さらに
大きな変化となる。

したがつて、偏光板と液晶素子を組み合わせて、波長依
存性の小さな分光透過率にしなければならない。このこ
とから、液晶素子の屈折率異方性Δｎ、液晶層の厚さｄ
と刺激純度の関係を検討した。

液晶素子の屈折率異方性Δｎと液晶層の厚さｄの積Δｎ
・ｄと刺激純度の関係を第21図に示す。同図から解るよ
うに、Δｎ・ｄ＝0.45〜0.70の間が着色がほとんどない
範囲である。

したがつて、液晶素子は、液晶の屈折率異方性Δｎと液
晶層の厚さｄの積Δｎ・ｄを0.45〜0.70とすることによ
り、カラー液晶デイスプレイに適したものとなる。

以上、カラーフイルタ、偏光板、液晶素子、バツクライ
トの組み合わせにおいて、バツクライトに三波長型光源
を用い、カラーフイルタの各色要素の分光透過率特性外
に分光分布がないようにし、一対の偏光板として、これ
らの透過軸を直交させた状態の450〜650nmの波長領域に
おける分光透過率がほぼゼロであり、及び、これらの透
過軸を一致させた状態の450〜650nmの波長領域における
分光透過率の変化が一定であるもの、液晶素子は液晶分
子の長軸方向の屈折率と短軸方向の屈折率の差Δｎと液
晶層の厚さｄの積Δｎ・ｄが0.45〜0.70の範囲になるよ
うな構成要素の組み合わせにすることにより、表色範囲
が広く、かつ明るいカラー液晶デイスプレイが達成でき
る。

〔発明の構成〕

本発明によれば、表色範囲が広く、かつ明るいカラー液
晶デイスプレイが達成できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するためのカラー液晶デイスプレ
イの構成要素を示す説明図、第２図はカラーフイルタの
一般例を示す斜視図、第３図はCRTとカラーLCDの表色範
囲を示す説明図、第４図は本発明を見出すのに用いたカ
ラーフイルタの構成図、第５図はそのカラーフイルタの
分光透過率を示す説明図、第６図は本発明を見出すのに
用いた偏光板の分光透過率を示す線図、第７図は本発明
を見出すのに用いたバツクライトの分光分布図、第８図
は本発明を見出すのに用いた構成要素の構成図、第９図
は光学測定系を示す説明図、第10図はカラーフイルタと
バツクライトの組み合わせにおける表色範囲を示す説明
図、第11図はカラーフイルタとバツクライトの組み合わ
せにおける刺激純度と透過率の関係図、第12図は偏光板
とバツクライトの組み合わせにおける色温度変化を示す
説明図、第13図はカラーフイルタ、偏光板、バツクライ
トの組合せにおける刺激純度と透過率の関係図、第14図
はブルー系偏光板とニユートラル偏光板の刺激純度と透
過率の関係図、第15図は本発明の偏光板の分光透過率を
示す線図、第16図はこの偏光板を用いたときの刺激純度
と透過率の関係図、、第17図はこの偏光板を用いたとき
の色温度変化を示す説明図、第18図は液晶素子のΔｎ・
ｄの違いによる色温度変化を示す説明図、第19図はTN液
晶素子のΔｎと透過率の関係図、第20図は液晶素子のΔ
ｎ・ｄと分光透過率を示す説明図、第21図は本発明のポ
イントとなる液晶素子のΔｎ・ｄ積と刺激純度の関係図
である。 １……カラーフイルタ、２……偏光板、３……液晶素
子、４……バツクライト、５……分光放射測定装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高坂 雅博 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−210481（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−208577（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−14118（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−180524（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−17529（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の間隔を持って配置され、それぞれの
   対向面に電極を設けた一対の基板と、前記一対の基板に
   挟持された所定の厚さの液晶層からなり、液晶分子の長
   軸方向の屈折率と短軸方向の屈折率の差Δｎと液晶層の
   厚さｄの積Δｎ・ｄが0.45〜0.70である液晶素子と、 前記一対の基板のうちの一方の基板に設けられ、色要素
   が互いに異なる３種類のカラーフィルタと、 前記一対の基板のそれぞれの前記液晶層の反対側に設け
   られた一対の偏光板と、 前記３種類のカラーフィルタの各色要素に対応する波長
   領域に発光ピークを有する分光分布の三波長型光源とを
   有し、 前記一対の偏光板は、これらの透過軸を直交させた状態
   の450〜650nmの波長領域における分光透過率がほぼゼロ
   であり、及び、これらの透過軸を一致させた状態の450
   〜650nmの波長領域における分光透過率の変化がほぼ一
   定であることを特徴とするカラー液晶表示装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記液晶
   はツイステッド・ネマチック液晶であることを特徴とす
   るカラー液晶表示装置。