JPS6250730A - カラ−液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ィルタおよ
びバックライトから成るカラー液晶ディスプレイに関す
る。

〔発明の背景〕

従来のカラー液晶表示装置は、特開昭５９−２１０４８
１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
ーフィ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、かつカラーフィ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っていた。しかし、バック
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、カラーフィ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ックライトとして使用す
ることやカラーフィルタと三波長型光源を組み合わせた
ものであるが、カラー液晶ディスプレイの色再現性はカ
ラーフィルタ、バッ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、色再現性に影響を反ぼす液晶とは、液晶分子の
長軸方向の屈折率と短軸方向の屈折率の差、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。

カラー液晶ディスプレイにおいて、表色範囲が広く、か
つ明るいディスプレイを達成するためには、ガラ−フィ
ルタ、バックライトに加えて、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、カラーフィルタとバッ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ックライトの半
値幅がカラーフィルタの各色要素の半値幅より小さい分
光特性を有するバックライトの組み合わせだけでは、明
るいカラーフィルタを用いた場合には、カラーフィルタ
の半値幅より小さな半値幅の分光分布を有するバックラ
イトを用いても、カラーフィルタの分光透過率特性がシ
ャープな特性でないため、混色が発生し易くなり、色再
現性が低下する。

カラー液晶ディスプレイでは、低消費電力のバックライ
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ィルタ、偏光板、バックライト
、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ィスプレイを提供することにある
。

〔発明の概要〕

本発明はカラーフィルタ、偏光板、バックライト、液晶
素子で構成されるカラー液晶ディスプレイにおいて、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、カラーフィルタ、
偏光板、バックライト、液晶素子の最適な組み合わせを
見出すことにより１表色範囲が広く、かつ明るいカラー
液晶ディ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、カラーフィルタ１と偏光板２を設けた光シ
ャッタとなる液晶表示素子３とバックライト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（ツィステッド、ネマチック）タイプとした場合で
、カラーフィルタ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、カラーフィルタ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ィルタ１を設けるような構成も可能
である。

同図（ａ）に示した液晶表示索子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、光シャッタとなる。液晶表示素子３を
Ｇ−Ｉ−Ｉ（ゲスト、ホスト）タイプとした場合で、カ
ラーフィルタ１，１枚の偏光板２．液晶表示素子３とバ
ックライト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。

したがって、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−Ｈ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を光シャッ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。

カラーフィルタ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。

カラーフィルタは赤（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、バックライトと、カラー
フィ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１色再現性に優れたカラー液晶ディスプレイの
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
つバックライトを用いることは、表示できる色の範囲が
カラーフィルタの性能に大きく左右されないという利点
があり、発光ピークのシャ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、カラーフィルタの赤（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ック
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、カラー液晶ディ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
完全な色再現を持っていない。特に、カラー液晶表示装
置では１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。バックライトとカラーフィルタを組み合
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１色再現性に優れたカラー液晶デ
ィ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の詳細な説明する。ま
ず、本発明を見出すための実験に用いたカラーフィルタ
を第４図に示す。同図に示すように１２０μｍ角の各色
要素を１２５μｍピッチでドツト状に配置したものを用
いた。

また、カラーフィ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。

そのカラーフィルタの分光透過率を第５図に示す、同図
（、）は刺激純度を重視したカラーフィルタの分光透過
率、（ｂ）は刺激純度と明るさがバランスしたカラーフ
ィルタの分光透過率、（Ｃ）は明るさを重視したカラー
フィ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ィルタ
の分光特性は明るさを重視したカラーフィルタの分光特
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
ィルタは、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っていることが解る。

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、市販されているニュートラル系、
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っている６次に、実験に用いた
バッ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）はカラーフィ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、カラー液晶ディ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、カラーフィルタ１．偏光板２、液晶
素子３．バックライト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ィ
ルタ１．偏光板２．液晶素子３゜バックライト４１分光
放射測定装置５から構成した。

まず、カラーフィルタとバックライトの組み合わせにお
ける各カラーフィ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ィルタの組み合わせで
、刺激純度を重視したカラーフィルタ１．刺激純度と明
るさがバランスしたカラーフィルタ２．明るさを重視し
たカラーフィルタ３であり、（ｂ）は三波長型平面光源
とカラーフィルタの組み合わせである。

同図から、カラーフィルタと写真用源、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、各カラーフィ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。

このカラーフィルタとバッ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ィルタ
、２は刺激純度と明るさがバランスしたカラーフィルタ
、３は明るさを重視したカラーフィルタの特性である。

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ィ
ルタに顕著に現われている。

次に、偏光板とバッ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と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、三波長型光源と社み合わせた
場合の方が色温度の低下は小さい。

次に、カラーフィルタ、偏光板、゛バックライトの組み
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）はバックライトに写真用光源を用いた
場合、（ｂ）はバッ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、バッ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、カラー液晶ディスプレイのバック
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、カラーフィ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、バッ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、市販されているニュー
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）はニュートラル系
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、ニュ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
なった。

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ィルタと三波長型平
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った。

また、三波長型光源のバッ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、カラーフィルタ、バックライトだけでは１
色再現性に優れたカラー液晶ディ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、カラーフィルタ、偏光板
、液晶素子、バッ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
用いたカラーフィルタは刺激純度を重視したもの、偏光
板はニュ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６
μｍ、７μｍ、８μｍ。

１０μｍとした。

同図に示すように、１はカラーフィルタ、偏光板、バッ
クライトの組み合わせ、２〜５はカラーフィルタ、偏光
板、液晶素子、バッ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＝１０μｍ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。したがって、カラーフィルタ、偏光板、液
晶素子、バックライト、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ィスプレイは
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。

（１＋ｕ”） λ 透過率ＴとΔｎの関係の一例を第１９図に示す同図はｄ
＝１０７ｚｍ、λ＝　５５０　ｎ　ｍ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、できるだけ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＝６ｐｍ、７ｐｍ、８　μｍ。

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。

したがって、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。

したがって、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ニア０とする
ことにより、カラー液晶ディスプレイに適したものとな
る。

以上、カラーフィルタ、偏光板、液晶素子、バックライ
トの組み合わせにおいて、バックライトに三波長型光源
を用い、カラーフィ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、偏光板には４００〜６５０
ｎｍの領域内の分光透過率の変化が１５％以内にあるも
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
ラー液晶ディスプレイが達成できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、表色範囲が広く、かつ明るいカラー液
晶ディ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ィスプレ
イの構成要素を示す説明図、第２図はカラーフィルタの
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
いたカラーフィルタの構成図、第５図はそのカラー・フ
ィ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ッ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
フィルタとバッ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図はカラーフィルタとバックライ
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図は偏光板とバッ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図はカラーフィルタ、偏
光板、バッ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ュートラル偏
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Δｎ
−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・・・カラーフィルタ、２・・・偏光板、３・・・液
晶素子、４・・・バックライト、５・・・分光放射測定
装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、所定の間隔をもって配置される一対の基板と両基板
   の対向面にそれぞれ多数個並設される電極と、そのどち
   らか一方に電極に対応してカラーフィルタを設けられ、
   両電極間に封入される液晶層と、該液晶層と接触する少
   なくとも電極部に付与した液晶分子を配向させる手段と
   、光を偏光させる偏光板、液晶素子を照明する光源とを
   具備するものにおいて、カラーフィルタの各色要素の半
   値幅より小さな分光特性を有する光源と、波長域４００
   ｎｍ〜６５０ｎｍにおいて透過率の変化が１５％以内の
   分光透過率をもつ偏光板、液晶素子の液晶分子の長軸方
   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
   にした液晶素子を組み合わせたことを特徴とするカラー
   液晶表示装置。