JPWO2014132726A1 - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

微小粒子径の量子ドットからなる蛍光体とＬＥＤ発光素子を使って白色光源を構成し、前記光源を液晶表示装置の背面に設置したバックライトの１側面から入射することにより量子ドット蛍光体の使用量を減らすと共に、液晶表示装置全体の厚さを薄くした高効率かつ高精細の液晶表示装置を提供する。蛍光体層（３１１、３１２）には、粒子径５０ｎｍ以下の量子ドットからなる蛍光体が封止されている。ＬＥＤ光源（３２０）が照射した光は、蛍光体層（３１１、３１２）に入射する。このとき、入射した光のスペクトルは、蛍光体により変換される。スペクトルが変換された光は、バックライト導光板（３１４）に入射され、バックライト導光板（３１４）内部で散乱されて液晶パネル（２１０）を照射する。その結果、液晶表示パネル（２００）には高精細のカラー映像が表示される。

Description

本発明は、量子ドットからなる蛍光体とＬＥＤ発光素子を利用してバックライトを構築した、高効率、高精細かつ安価な構造の液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、液晶組成物を使用した表示装置である。液晶表示装置は、多様な機器における表示装置、特に情報表示装置及び画像表示装置として広く利用されている。液晶表示装置は、電圧の印加に基づき、領域ごとに光を透過・遮断することにより映像を表示する。従って、液晶表示装置に映像が表示されるためには、外部の光が必要となる。そのための光源として、液晶表示装置の背面に設けられたバックライトが利用される。バックライトは液晶表示装置全体に白色光を照射するために用いるが、バックライト光源には従来から冷陰極管が使用されている。最近では長寿命、発色の良さ等の理由から、冷陰極管に代って、ＬＥＤ（発光ダイオード）が使用されることもある。

ところで、近年、国外のベンチャー企業を中心として、量子ドットを用いたナノサイズの蛍光体が製品化されている。量子ドットとは、電子を微小な空間に閉じ込めるために形成された、数十ｎｍ以下の導電性結晶である。量子ドットに閉じ込められることにより、電子は離散的な波長の定在波としてしか存在できない。そのため、電子が取り得るエネルギーは離散的となる。量子ドットが光子を放出・吸収することにより、電子のエネルギー準位は変化する。また、量子ドットの結晶の大きさにより、量子ドットが放出・吸収する光子のエネルギーは変化する（量子サイズ効果）。従って、多様な蛍光色の量子ドットが製造されうる。量子ドットからなる蛍光体は、例えば、バイオテクノロジーにおける蛍光マーカーとして利用されている。

このような、量子ドットの合成方法として、例えば、加熱帯域に配置されたリアクター内部で粒子形成用前駆体含有溶液を連続的に供給しながら、反応開始温度まで急熱し、反応を行わせた後、急冷する方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

ところで、バックライト用のものをはじめとして、照明用ＬＥＤの殆どは青色ＬＥＤに蛍光体を被せて蛍光発光させ、その発光を利用して所望の発光色を得ている。蛍光体としては、従来、酸化物を主成分とした数μｍ〜数１０μｍのドープ型発光粒子が利用されている。この蛍光体の粒子径は可視光（約３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ）の波長の１０倍以上と、ずっと大きく、そのため、蛍光体の粒子表面での光の散乱が起こりやすくエネルギーの損失が発生するという問題がある。また、光の波長変換に寄与する部分が蛍光体の表面のみであり、蛍光体粒子の体積に対して光変換が非効率であるという問題もある。

また、ドープ型発光粒子はドーパント（発光イオン、原子）の種類によって、発光波長、発光強度、及び温度依存性がほぼ固定されてしまうという問題がある。さらには、実用的な発光強度を得られる材料が限定されるという問題がある。また、励起波長と蛍光波長とは１対１で対応しているため、１励起波長において使用可能な蛍光体が限定され、色調の自由度が低いという問題がある。

このように、従来の蛍光体は光学材料として多くの問題がある。その結果、従来の蛍光体を用いることが、液晶表示装置にとって次のような問題を引き起こす原因となっている。

まず、蛍光体における励起光との変換効率、及び、蛍光体の取り出しの効率が悪いため、エネルギーの損失が大きくなる。また、液晶表示装置のカラーフィルタの分光特性と、蛍光の波長とが一致せず、更なるエネルギーの損失が発生する。従って、液晶表示装置の消費電力が必要以上に大きくなっている。

一方、量子ドットを蛍光体層として用いた液晶表示装置も提案されている。例えば、特許文献４では、蛍光体層として量子ドットを用いた、光損失の少ない液晶表示装置を提案している。特許文献４に記載された液晶表示装置では、発光ダイオードからの光がバックライト（導光板）に入射され、そこで散乱した光は、量子ドット蛍光体を含む層に入射され、量子ドットの光波長変換特性を利用して白色光に変換される。そして、得られた白色光を液晶パネルに照射することにより、カラー映像情報を得るという仕組みである。

この方式は、従来の粒子が大きいドープ型発光粒子を蛍光体として用いた液晶表示装置に比べてエネルギー損失が少なく、また、色再現性の良い液晶表示装置が製作可能である。しかしながら、この方式では従来のバックライトと同様に広い面積の蛍光体層を形成しなければならず、そのために量子ドット蛍光体を多く使用する必要があること、広い面積に均一な濃度で蛍光体を塗布する必要があること、液晶表示装置の物理的厚さを薄くするのが難しいこと、などの問題が依然として存在する。

バックライトの厚さを薄くする手段としてバックライトの端面から光を入射することにより厚さを低減する方法も提案されている。特許文献５では異なる発光色の複数の光源を使用し、これら光源をバックライトの広い面ではなく端面の狭い領域（短辺）に配置することにより装置の厚さを薄くしている。

しかしながら、特許文献５の方式では、小さく効率の高い光源を使えず、冷陰極管が使用されている。また、複数の色の発光ダイオード光源を使うことも記載されているが、その具体的な構造は述べられていない。特許文献５では、バックライトの３箇所の短辺に各々の色の光源を別々に配置する方法が記載されているが、この方法ではバックライトの３辺が光源に使われること、３種の光源が必要なことから、液晶表示装置の平面方向の辺縁を狭くすることができす、バックライトが高価になる。

また、従来のドープ型蛍光体粒子を使った方法による蛍光体層では、蛍光体粒子のサイズが可視光の波長（約３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ）に比べて１０倍以上と大きく、このため蛍光体粒子による光の散乱と反射が大きいため、蛍光体層での光損失が大きかった。このため、蛍光体層による光損失を補うための強い光を出さなければならず、発光ダイオードの発熱が大きくなることによる寿命低下、蛍光体が強いＬＥＤ光に晒されることによる蛍光体層の短寿命化などの欠点があり、ＬＥＤに近接する狭い面積の領域に蛍光体層を設置することが出来なかった。ドープ型発光素子は、ドーパントの種類によって発光波長等が固定されてしまうので、励起波長と発光波長を整合させることができず、結果として、発光効率が低かった。この課題は、特に赤色光近辺において顕著であった。

特開２００３−２２５９００号公報 再表２００５−０２３７０４号公報 特開平８−７６１４号公報 特開２０１２−２２０２８号公報 特開２００１−１７４８１６号公報

本発明は、前記課題を解決するための手段を提供するものであり、その目的は、可視光の波長よりも短い直径５０ｎｍ以下の微小粒子径の量子ドットからなる蛍光体を利用することで、蛍光体層での光損失を大幅に減らし、結果として、ＬＥＤ発光素子の出力を低下させた、長寿命の液晶表示装置を提供することである。また、本発明の目的は、そのことにより、蛍光体層をＬＥＤ発光素子と導光板の間に設置可能とし、量子ドット蛍光体の使用量を減らすことが出来る液晶表示装置を提供することである。更に、蛍光体層をＬＥＤ光源の直後に設置することができ、蛍光体層の面積を低減することが可能で高効率かつ装置の物理的厚さが薄く、安価な液晶表示装置を提供することである。

前記課題は、粒子径が光波長より小さく、波長光に対して低損失の量子ドット蛍光体層を使い、従来の液晶表示装置におけるバックライトと蛍光体層とＬＥＤ発光素子の位置を入れ替えることにより解決することが出来る。ここで使用する蛍光体層は粒子径５０ｎｍ以下の量子ドットを蛍光体とする薄膜である。

すなわち、本発明は、液晶パネルと、光源と、液晶パネルの裏面に設置され前記液晶パネルに光源由来の光を照射する導光板と、前記導光板と前記光源との間に、直径５０ｎｍ以下の量子ドット蛍光体を内部に含んだ蛍光体層とを備える液晶表示装置に関する。より具体的には、カラーフィルタを備えた液晶パネルと、ＬＥＤを光源とし、液晶パネルの裏面から導光板を介して液晶パネルに光を照射するバックライトと、導光板と光源との間に、直径５０ｎｍ以下の量子ドット蛍光体を内部に含んだ蛍光体層を備えることが好ましい。

本発明の液晶表示装置は、ＬＥＤ（たとえば青）からの光が、まず、量子ドットを含む蛍光体層に入射し、光波長変換が行われ、そして、波長変換された光が入射光と混合されて白色光をつくり、バックライト面に入射される、という構成である。蛍光体層は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）それぞれを発光する蛍光体層を重ねてもよいし、１つの層の中に複数色の発色が可能な量子ドットを混ぜて膜を構成してもよい。これらから発生した光を合成した光は白色光となる。

バックライトの短辺から光を入射し、狭い面積の蛍光膜を使って波長変換を行うためには、ＬＥＤからの光を出来るだけ有効に利用して熱損失を減らすことが必要であり、波長変換に係わる蛍光体粒子の粒子径が光波長よりも十分に小さい蛍光体層を構成することにより達成可能である。なお、必要に応じて、バックライトの複数の辺から光を入射する構成にしてもよく、この場合は、より面方向に均一な光度のバックライトを構成することができる。

前記構成とすることで、蛍光体層の面積が小さくなり光損失も少なく出来るとともに、均一に塗布する面積が小さくて済み、面積が小さいために均一な蛍光体層を構成することが容易であり、低価格で品質の良いバックライトを得ることができる。蛍光体層の膜厚は数μｍであるが、実装に応じて色々な膜厚が選定できる。

更に、蛍光体層での光損失が少ないため、複数の蛍光体層を同一の位置又は近接する位置に配置することができ、ＲＧＢ３原色だけではなく更に多くの４、５色などのスペクトルに分解するとともに液晶パネルのカラーフィルタもより多色化を図ることができる。これにより高い色再現性を持つ３原色を超える多原色カラー液晶表示装置が構成できる。

本発明の液晶表示装置では、前記蛍光体層により波長変換された前記光源からの光を、前記導光板の少なくとも一の側面から入射し、該導光板内部で散乱させて前記液晶パネルに照射することが好ましい。

前記蛍光体層は、波長変換されて得られる光の波長が相互に異なる複数の蛍光体層部材からなることが好ましい。

前記光源はＬＥＤからなり、該光源と前記蛍光体層との間に、該光源から発せられる光の方向を変化させるレンズを設けることが好ましい。液晶パネルと、ＬＥＤ光源と、液晶パネルの裏面に設置され前記液晶パネルに光を照射する導光板と、前記導光板と前記光源との間に設置された、該光源から発せられる光の方向を変化させるレンズを備え、該レンズの内部には直径５０ｎｍ以下の量子ドット蛍光体が含まれていることが好ましい。粒子径が直径５０ｎｍを超えると、可視光の波長に粒子径が近づくため、蛍光体粒子による光の散乱／反射が顕著になり、損失が多くなる傾向にある。

蛍光体層は、ＬＥＤ光源から入射した光を拡散させるためにＬＥＤ光源の前面に光透過物体を配置し、光透過物体の内部に直径５０ｎｍ以下の量子ドットを拡散させ、入射した光を波長変換する蛍光体層として動作させたものであることが好ましい。

蛍光体層は、３波長以上の異なる波長に変換するための複数の蛍光体層を備えることが好ましい。

前記ＬＥＤは、青色ＬＥＤ、紫色ＬＥＤ、又は、青色ＬＥＤ及び紫色ＬＥＤよりも照射する光の波長が短いＬＥＤであることが好ましい。

本願発明は、液晶パネルと、光源と、液晶パネルの裏面に設置され前記液晶パネルに光源由来の光を照射する導光板と、前記導光板と前記光源との間に設置される蛍光体層を備える液晶表示装置に適用される蛍光体層であって、該蛍光体層は、直径５０ｎｍ以下の量子ドット蛍光体を内部に含むことを特徴とする、蛍光体層に関する。

以上のような構成とすることにより、量子ドット蛍光体の使用量が少なく、高効率かつ高精細で非常に薄い構造の液晶表示装置が実現できる。このような液晶表示装置は、一色のＬＥＤのみを光源とすることが出来るため、構造の自由度が高く、かつ薄く作ることができる。また、蛍光体の選択に応じて色調が自由に調整できる。

従来の液晶表示装置の構成の概要を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる液晶表示装置の構成の概要を示す図である。 従来の液晶表示装置の具体的構造の一例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる液晶表示装置の具体的構造の一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる液晶表示装置の具体的構造の一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる液晶表示装置をバックライト導光板面側から見た場合の配置図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる液晶表示装置における、ＬＥＤ光源と蛍光体層とバックライト導光体部分の具体的実装方法を示す図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる液晶表示装置における、ＬＥＤ光源と蛍光体層とバックライト導光体部分の具体的実装方法を示す図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる液晶表示装置における、ＬＥＤ光源と蛍光体層とバックライト導光体部分の具体的実装方法を示す図である。 本発明で用いられる量子ドットによる発光素子と、従来から用いられているＹＡＧ素子を紫外光で励起させた場合における可視光領域での光の出力強度を示す図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を説明する。なお、以下に説明する形態は、本発明の一例に過ぎず、本発明の要旨を変更しない範囲で、本発明の実施の形態が適宜変更できることはいうまでもない。

本発明に係る液晶表示装置は、カラーフィルタを備えた液晶パネルと、バックライトの短辺に設置したＬＥＤ発光素子を光源とし、液晶パネルの裏面側から液晶パネルに光を照射する導光板と、前記ＬＥＤ光源が照射する光の進路上に設けられ、可視光波長よりも短い粒子径５０ｎｍ以下の量子ドットからなる蛍光体を内部に含んだ蛍光体層と、を備えるものである。

ここで、本発明にかかる液晶表示装置には、映像信号を入力する端子を備えた独立した表示装置の他、電子機器などに組み込まれて当該電子機器の表示画面として機能するものが含まれる。

また、本発明における量子ドットからなる蛍光体とは、可視光波長よりも短く、粒子径が５０ｎｍ以下の微粒子であり、特定の波長の光子を吸収して、異なる波長の光子を放出するものである。

また、本発明における蛍光体層とは、前記蛍光体が光の少なくとも一部を透過する封止剤により封止された層である。前記蛍光体層の膜厚は、約１０μｍ以下であるが、これに限定するものではない。

ＬＥＤ光源から照射された光は、蛍光体層に入射する。蛍光体層に入射した光は、蛍光体内部の電子を励起させる。電子が基底状態に戻る際に、蛍光体はその蛍光体特有の波長の光を放出する。この現象は蛍光と呼ばれる。従って、蛍光体層を通過することで光の波長は変更される。蛍光体層を透過した光のうち、前記バックライトを透過した光の一部は、液晶表示装置の表面から放射される。それにより、液晶表示装置には映像が表示される。

図１は、一般的に用いられている、ＬＥＤ光源（３２０）とバックライト導光板（３１４）と、粒子径の大きな蛍光体を用いた蛍光体層（粒子径が数μｍ〜数１０μｍの粒子を含む蛍光体層）（３００）を使ってバックライトを構築した液晶表示装置の構造を示す図である。バックライト導光板（３１４）、蛍光体層（３００）、液晶表示パネル（２００）の順で、ＬＥＤ光源（３２０）から照射された光が透過する。この液晶表示装置ではＬＥＤ光源（３２０）（例えば青色）からの光（ＬＥＤ発光素子からの光（例えば青色波長））（１０５）を、まずバックライト導光板（３１４）に入射し、バックライト導光板（３１４）の中で散乱させる。そして散乱された光（１０５）はバックライト導光板（３１４）の片面（広い面の片側）から出力され、前記片面に積層した単層又は複層の蛍光体層（３００）を通ることにより白色光（１１０）に変換される。蛍光体層（３００）の蛍光体粒子が数μｍ〜数十μｍと大きく、光の散乱による光損失が起き、強いＬＥＤ光源を使えないため、光を拡散させて光の強度を低下させた面に蛍光体層（３００）を設置するためである。損失量は入射光の７０％程度となり、これは熱となって失われる。蛍光体層（３００）で波長変換されて通過した３０％のみが液晶パネルを照射するための白色光（１１０）として利用されている。

液晶表示パネル（２００）に、外部の制御回路から液晶制御信号（１０）や映像信号が入力されることで、液晶表示パネル（２００）の画面に各種情報を表示できる。以下、図２〜５及び７〜９についても、同様とする。

図２は、本発明の実施の形態にかかる液晶表示装置の基本的な概念を表す図であり、量子ドットを使った蛍光体層（粒子径５０ｎｍ以下の量子ドットを含む蛍光体層）（３１０）を用いて構築した液晶表示装置の構造を示す。本発明の液晶表示装置は、粒子径５０ｎｍ以下の微細な量子ドットを蛍光体として用いており、ＬＥＤ光源（３２０）、蛍光体層（３１０）、バックライト導光板（３１４）、液晶表示パネル（２００）の順序で配置される。バックライトは、ＬＥＤ光源（３２０）と蛍光体層（３１０）、バックライト導光板により構成される。本発明では、ＬＥＤ光源（３２０）から出た光（１０５）は量子ドットを含む蛍光体層（３１０）で白色光（１１０）に波長変換されてバックライト導光板（３１４）に入射する。そして、バックライト導光板（３１４）で散乱させて液晶パネルの裏面から照射される。そして、カラー映像情報を観察者に表示する。

本発明において使用する量子ドットは、その直径は数ｎｍ〜数１０ｎｍであり、最大でも５０ｎｍであり、粒子表面での光の散乱による光損失は非常に少ない。このため、ＬＥＤ光源（３２０）から射出される光（１０５）の強度を従来のバックライト装置のＬＥＤ発光素子より弱くすることが出来る。このとき、蛍光体層（３１０）をバックライト導光板（３１４）の前、具体的にはバックライト導光板（３１４）の広い面ではなく短辺に設置すると、量子ドットを使う蛍光体層（３１０）の面積を小さくして量子ドットの使用量を減らすことができる。更にこのように配置することにより、従来、蛍光体層の配置に用いられているバックライト導光板（３１４）の広い面には蛍光体層を配置する必要が無くなるため、量子ドットの使用量を低減することができ、さらに全体として液晶表示装置の厚さを薄くすることが出来る。数ｎｍから数１０ｎｍの量子ドットの粒子径は透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｏｒｓｃｏｐｅ）により計測することが可能であり、前記透過型電子顕微鏡では分解能０．２ｎｍまで可能な装置が一般的に入手可能である。

図３は、本発明の液晶表示装置との違いを説明するために、図１の従来の液晶表示装置の具体的構造の一例を示す図である。図３で、右側にあるＬＥＤ光源（３２０）から射出された光（１０５）はバックライト導光板（３１４）に入射され、バックライト導光板（３１４）の中で光を散乱させる。バックライト導光板（３１４）に入射される光（１０５）はＬＥＤ発光素子（３２０）から出た光（１０５）であり、波長は変わっていない。

図３では、液晶表示装置全体の垂直断面構造を示しているので、バックライト導光板（３１４）は四角い広い板状であり、ＬＥＤ光源（３２０）は導光板の一辺に沿って多数配列設置する。バックライト導光板（３１４）の内部で散乱する光（１０５）を出来るだけ利用するために、バックライト導光板（３１４）の底部及び側面には光反射板（３１６）を設置している。

一方、バックライト導光板（３１４）の底部とは反対側の面には粒子径の大きな従来の蛍光体を含む蛍光体層（粒子径が数μｍ〜数１０μｍの粒子を含む蛍光体層（赤））（３０１）、粒子径の大きな従来の蛍光体を含む蛍光体層（粒子径が数μｍ〜数１０μｍの粒子を含む蛍光体層（緑））（３０２）を設置している。この蛍光体層（３０１、３０２）は１枚あるいは蛍光色の異なる複数枚の層で構成される。バックライト導光板（３１４）からの光（１０５）はこれら蛍光体層（３０１、３０２）を通過し、通過した散乱光は蛍光体層（３０１、３０２）で光波長変換されて全体として白色光（１１０）となって液晶パネル（２１０）の裏面に照射される。そして、液晶表示パネルに、外部の制御回路からの液晶制御信号（１０）や映像信号が入力されることで、液晶表示パネルの画面に映像情報が表示され、観察者（１２）は映像情報を見る事ができる。

図４は、本発明に基づく液晶表示装置の詳細を記述した構成例である。本発明では、蛍光体として粒子径の非常に小さな量子ドット、具体的には粒子径５０ｎｍ以下の量子ドットを使用するため、蛍光体層（粒子径５０ｎｍ以下の量子ドットを含む蛍光体層（赤））（３１１）、蛍光体層（粒子径５０ｎｍ以下の量子ドットを含む蛍光体層（緑））（３１２）での光損失が少なく出来るという特徴がある。このため、熱損失も少なく出来る。光損失が少ないため、ＬＥＤ光源（３２０）の光出力（１０５）を従来の半分以下に抑えることができ、結果として図４に示すように蛍光体層（３１１、３１２）をＬＥＤ光源（３２０）の直後に設置できる。本発明の方式では、ＬＥＤ光源（３２０）から出た光（１０５）は、薄い透明な樹脂で出来た光拡散板（３４０）を通して直ぐに量子ドットにより構成される蛍光体層（３１１、３１２）に入射される。光拡散板（３４０）は蛍光体層（３１１、３１２）とＬＥＤ光源（３２０）とを光結合し、両者を保持するためのものであり、板の厚さは数ｍｍ程度でよい。

蛍光体層に入射された光（１０５）は、単体あるいは複数枚の蛍光体層（３１１、３１２）により光波長変換されて混合され、白色光（１１０）となる。次に、前記白色光（１１０）は、バックライト導光板（３１４）に入射され、その内部で散乱されて広がり、片方の面から白色光（１１０）として液晶パネル（２１０）の裏面に照射される。そして、図３同様に、液晶表示パネルに、外部の制御回路からの液晶制御信号（１０）や映像信号が入力されることで、液晶表示パネルの画面に映像情報が表示され、観察者（１２）は映像情報を見る事ができる。

バックライト導光板（３１４）で液晶パネルと向かい合う面の反対側の広い面やＬＥＤと対向する短面は光反射板（３１６）を設置して、散乱光が無駄にならずに、出来るだけ液晶パネル（２１０）面へ向かうように構築する。

このような構成とすることにより、蛍光体層（３１１、３１２）の面積を非常に小さくすることが出来る。このことにより、大画面の液晶表示装置において、使用する量子ドット蛍光体の量を大幅に減らすことが可能となる。更に面積が小さいことから、均一な厚さの量子ドット蛍光体層を作成することも容易になる。又、蛍光体層（３１１、３１２）とＬＥＤ光源部分を交換することも簡単であり、液晶表示装置のメンテナンスが楽である。

図５は、本発明の第２の実施の形態を説明する図である。量子ドット蛍光体層（３１１、３１２）とＬＥＤ光源（３２０）を結合し、ＬＥＤ光源（３２０）からの光（１０５）を出来るだけ損失を少なくして有効に利用するため、ＬＥＤ光源（３２０）の出力面に簡単な凸レンズ柱（６００）を構築し、ＬＥＤ光源（３２０）から射出される光を少し広げて平行光線に似せている。そして前記凸レンズ柱（６００）の前面に量子ドット蛍光体層（３１１、３１２）を構築してＬＥＤ光源の光を白色光（１１０）に変換している。又、液晶パネル（２１０）面と向かい合うバックライト導光板（３１４）の裏面及び３方の短辺は光反射板（３１６）を設置する。

図５では凸レンズ柱（６００）と記載しているが、液晶表示装置をバックライト導光板（３１４）面側から見た図５（ａ）からわかるように、実際には奥行き方向はＬＥＤ光源（３２０）を多数並べるため、シリンドリカルレンズのような細長い棒状の凸レンズ柱（６００）とする。

図６は、図５のバックライト導光板（３１４）と蛍光体層（３１１、３１２）とＬＥＤ光源（３２０）の配列を液晶表示装置の面から見た配置図である。ＬＥＤ光源（３２０）は凸レンズ柱（６００）に直接多数配列し、その出力光を蛍光体層（３１１、３１２）で白色光（１１０）に変換して一様な白色光（１１０）を形成し、バックライト導光板（３１４）に入射する構造を示す。又、図５同様に、バックライト導光板（３１４）の裏面及び３方の短辺は光反射板（３１６）を設置する。

図７は、図５の本発明の第２の実施の形態にかかる液晶表示装置の光源配置を詳細に示す。ＬＥＤ光源（３２０）から出た光（１０５）は凸レンズ柱（６００）を通り、その前面にある量子ドットを含む蛍光体層（３１１、３１２）に入射する。蛍光体層（３１１、３１２）では、入射された光について蛍光体の発光による波長変換が行われ、入射光と蛍光体層（３１１、３１２）で変換された光とが合成されて白色光（１１０）となる。合成された白色光（１１０）は、バックライト導光板（３１４）に入る。白色光（１１０）はバックライト導光板（３１４）の中で散乱して導光板の全体に拡散し、バックライト導光板（３１４）から白色光（１１０）として外部に出て行き、液晶パネル（２１０）を裏面から照射する。そして、図３同様に、液晶表示パネルに、外部の制御回路からの液晶制御信号（１０）や映像信号が入力されることで、液晶表示パネルの画面に映像情報が表示され、観察者（１２）は映像情報を見る事ができる。

この構成では、レンズの前面に量子ドットを含む層を貼り付けた構成例である。図７では蛍光体膜（３１１、３１２）の層数は２層（Ｒ：赤、Ｇ：緑）としているが、光源の波長を変えて別の蛍光体色層を構成してもよいし、従来の装置よりも更に広い色域を表現するために３色ではなく５、６色の多波長カラー液晶表示装置を構成することも可能である。そのような応用例では、蛍光体層数を５層や６層とする必要がある。

前記白色光（１１０）はバックライト導光板（３１４）に入射して導光板内で拡散されて液晶面がある方向に出力される。バックライト導光板（３１４）の反対側に光反射板（３１６）を設けて、出力方向とは逆方向への光の損失を抑えることは前述した。又、凸レンズ柱（６００）の外側はバックライト導光板（３１４）に接する面以外は光反射材でカバーすることにより効率を高める事ができる。このような構成とするにより、蛍光体層（３１１、３１２）は凸レンズ柱（６００）と一体化して構成できるため、故障時の交換が容易になるほか、薄型化・小型化が図れ、非常に薄い液晶表示装置を製作することが出来る。

図８は、本発明の第３の実施の形態を説明する図である。図８に示すように、液晶表示装置には、蛍光体層として、透明材の中に５０ｎｍ以下の細かい量子ドット蛍光体粒子を拡散させ、蛍光体による波長変換機能をもたせた凸レンズ柱（６００）が設けられている。青色ＬＥＤを使う場合には赤Ｒと緑Ｇの２種類の波長変換が必要であるため、２種類の量子ドット蛍光体（粒子径５０ｎｍ以下の量子ドット（蛍光体粒子）（赤））（８００）、量子ドット蛍光体（粒子径５０ｎｍ以下の量子ドット（蛍光体粒子）（緑））（８０１）が凸レンズ柱（６００）内に含まれる。

この構成では、凸レンズ柱（６００）の中に量子ドット蛍光体粒子を拡散させて凸レンズ柱（６００）を成形し、ＬＥＤ光源（３２０）から入射された光（１０５）は凸レンズ柱（６００）の中で波長変換されて白色光（１１０）になる。前記白色光（１１０）はバックライト導光板（３１４）に入射され、導光板内で拡散されて液晶面がある方向に射出され、図３同様に、液晶表示パネルに、外部の制御回路からの液晶制御信号（１０）や映像信号が入力されることで、液晶表示パネルの画面に映像情報が表示され、観察者（１２）は映像情報を見る事ができる。又、バックライト導光板（３１４）の液晶パネル（２１０）とは反対側の裏面と、ＬＥＤ素子からの光が入射される短辺を除いた３つの短辺には、光反射板（３１６）を設けて光の漏れによる損失を抑える。

このような構成とすることにより、量子ドット蛍光体粒子（８００、８０１）は凸レンズ柱（６００）に含まれるため、故障時の光源部分の交換が容易になるほか、薄型化・小型化が図れ、非常に薄い液晶表示装置を製作することが出来る。

図９は、本発明の第４の実施の形態を説明する図であり、ＬＥＤ光源（３２０）と蛍光体層（３１１、３１２）とバックライト導光板（３１４）の結合部分が異なり、凸レンズ柱ではなく簡単な構造の三角柱（６１０）の構造をしている。ＬＥＤ光源（３２０）から三角柱（６１０）に入射した光（１０５）は広がり、三角柱の前面に構成された量子ドットを含む蛍光体層（３１１、３１２）に入射する。そして白色光（１１０）に変換されてバックライト導光板（３１４）に入射され、図３同様に、バックライト導光板内で拡散されて液晶面がある方向に射出され、液晶パネル（２１０）を裏面から照射する。そして、液晶表示パネルに、外部の制御回路からの液晶制御信号（１０）や映像信号が入力されることで、液晶表示パネルの画面に映像情報が表示され、観察者（１２）は映像情報を見る事ができる。又、図７同様に、バックライト導光板（３１４）の反対側には、光反射板（３１６）が設置されている。

図１０は、本発明で用いられる量子ドットによる発光素子と、従来から用いられているＹＡＧ素子を紫外光で励起させた場合における可視光領域での光の出力強度を示す図である。図中の５４０ｎｍＱＤは、本願発明で用いられる量子ドットによる緑色発光の発光素子を励起させた場合、６３５ｎｍＱＤは、本願発明で用いられる量子ドットによる赤色発光の発光素子を励起させた場合における光の出力強度である。また、Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ＹＡＧは、ＹＡＧ（イットリウム・アルミ・ガーネット）素子を励起させた場合における光の出力強度である。図１０のように、従来型のドープ型発光素子では、ドーパントの種類によって発光波長の分布等が固定されてしまう。他方、本発明によれば、量子ドットが本来的に有する性質によって、必要な波長に合わせて波長変換することが可能であり、結果として、大幅な発光効率の向上が達成できる。特に、赤色領域においては、従来型のドープ発光素子では、発光効率が悪かったが、これを大幅に改善することができる。

１０ 液晶パネル制御信号
１２ 液晶パネル情報の観察者
１０５ ＬＥＤ発光素子からの光（例えば青色波長）
１１０ 白色光
２００ 液晶表示パネル（カラーフィルタを含む）
２１０ 液晶パネル
３００ 粒子径が数μｍ〜数１０μｍの粒子を含む蛍光体層
３０１ 粒子径が数μｍ〜数１０μｍの粒子を含む蛍光体層（赤）
３０２ 粒子径が数μｍ〜数１０μｍの粒子を含む蛍光体層（緑）
３１０ 粒子径５０ｎｍ以下の量子ドットを含む蛍光体層
３１１ 粒子径５０ｎｍ以下の量子ドットを含む蛍光体層（赤）
３１２ 粒子径５０ｎｍ以下の量子ドットを含む蛍光体層（緑）
３１４ バックライト導光板
３１６ 光反射板
３２０ ＬＥＤ光源（ＬＥＤ、青色ＬＥＤ）
３４０ 光拡散板
６００ 凸レンズ柱（プラスチック、ガラスなど）
６１０ 三角柱（プラスチック、ガラスなど）
８００ 粒子径５０ｎｍ以下の量子ドット（蛍光体粒子）（赤）
８０１ 粒子径５０ｎｍ以下の量子ドット（蛍光体粒子）（緑）

Claims (6)

1. 液晶パネルと、
   光源と、
   液晶パネルの裏面に設置され前記液晶パネルに光源由来の光を照射する導光板と、
   前記導光板と前記光源との間に、直径５０ｎｍ以下の量子ドット蛍光体を内部に含んだ蛍光体層と
   を備える液晶表示装置。
2. 前記蛍光体層により波長変換された前記光源からの光を、前記導光板の少なくとも一の側面から入射し、該導光板内部で散乱させて前記液晶パネルに照射することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記蛍光体層が、波長変換されて得られる光の波長が相互に異なる複数の蛍光体層部材からなる、請求項１又は２のいずれかに記載の液晶表示装置。
4. 前記光源がＬＥＤからなり、該光源と前記蛍光体層との間に、該光源から発せられる光の方向を変化させるレンズを設けた、請求項１〜３のいずれかに記載の液晶表示装置。
5. 液晶パネルと、
   光源と、
   液晶パネルの裏面に設置され前記液晶パネルに光源由来の光を照射する導光板と、
   前記導光板と前記光源との間に設置された、該光源から発せられる光の方向を変化させるレンズを備え、
   該レンズの内部には直径５０ｎｍ以下の量子ドット蛍光体が含まれていることを特徴とする液晶表示装置。
6. 液晶パネルと、光源と、液晶パネルの裏面に設置され前記液晶パネルに光源由来の光を照射する導光板と、前記導光板と前記光源との間に設置される蛍光体層を備える液晶表示装置に適用される蛍光体層であって、
   該蛍光体層は、直径５０ｎｍ以下の量子ドット蛍光体を内部に含むことを特徴とする、蛍光体層。

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