JP2011158563A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶表示装置において、ホワイトバランスを維持しつつ、バックライトの赤色化による消費電力の低減を図る。
【解決手段】液晶パネルの各画素における緑サブ画素の開口率ａ_Ｇを所望値に固定した状態で、白輝度効率を、バックライトの色温度の低下に応じて増加する発光効率と、青サブ画素の開口率の増加に応じて減少する画素の透過率との釣り合いから定まる極大値にするように、赤サブ画素及び青サブ画素それぞれの開口率ａ_Ｒ，ａ_Ｂを設定する。
【選択図】図６

Description

本発明は液晶表示装置に関し、特に、液晶パネル及びバックライトを含む液晶モジュールに関する。

近年、環境問題への関心の高まりから、低消費電力の電化製品が求められており、液晶テレビにおいても例外ではない。液晶テレビ等の液晶表示装置の表示部を構成する液晶モジュールにおいて電力の大半はバックライトで消費され、その低減を図る上で、バックライト自体の発光効率の向上と、液晶パネルの透過率の向上が有効である。

この点に関し、下記特許文献１には、バックライトの発光効率はその色温度を下げることで向上することが示されている。また、液晶パネルの各画素を構成する赤、緑及び青のサブ画素のうち青サブ画素の開口率を他のサブ画素に比べて大きくした場合に、バックライトの色温度を低下させて、ホワイトバランスを実現できることも示されている。なお、下記特許文献１には、液晶パネルの透過率は青色光で低下することも示されている。

特開２０００−１８７２３１号公報 特開２００１−１０９３９９号公報 特開２００２−３５０８３０号公報 特開２００３−５０３８８号公報

色温度低下によりバックライトの消費電力の低減を図る際に、ホワイトバランス実現のため、青サブ画素の開口率を増加させると、液晶パネルの透過率は全体として低下する。そのため、所望の白輝度を得ようとした場合、バックライトの発光効率の向上と液晶パネルの透過率の低下とのトレードオフにより、必ずしも好適な消費電力の低減や好適な白表示が実現されるとは限らないという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、消費電力を好適に低減し、かつ好適な表示が可能な液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る液晶表示装置は、照射光を発生する光源と、一対の基板間に挟持された液晶層、及び各画素に設けられる赤、緑及び青のサブ画素に対応したカラーフィルタ基板を含み、前記照射光の透過を制御する液晶パネルと、を有し、前記液晶パネルの前記各画素における赤サブ画素及び青サブ画素それぞれの開口率が、緑サブ画素の開口率を所望値に固定した状態で、白輝度効率を、前記光源の色温度の低下に応じて増加する発光効率と、前記青サブ画素の開口率の増加に応じて減少する前記画素の透過率との釣り合いから定まる極大値にするように定められている。

他の本発明に係る液晶表示装置は、赤、緑及び青の蛍光体にそれぞれＹ_２Ｏ_３：Ｅｕ^３＋、ＬａＰＯ_４：Ｔｂ^３＋、及び（Ｓｒ，Ｃａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ^２＋を使用する冷陰極蛍光ランプからなり、照射光を発生する光源と、一対の基板間に挟持された液晶層、及び各画素に設けられる赤、緑及び青のサブ画素に対応したカラーフィルタ基板を含み、前記照射光の透過を制御する液晶パネルと、を有し、前記液晶パネルの前記各画素における赤サブ画素、緑サブ画素及び青サブ画素の開口率が、相互の比が０．６：１．１：１．３となるように設定され、前記光源の色温度が、前記画素が白で表示されるように設定されている。

さらに他の本発明に係る液晶表示装置は、前記各サブ画素に、走査線からゲートに印加される制御電圧に応じて当該サブ画素に配置された個別電極を信号線に接続する薄膜トランジスタを備えたアクティブマトリクス駆動方式を採用した上記本発明に係る液晶表示装置であって、ゲート幅Ｗとゲート長Ｌとの比Ｗ／Ｌで定義する前記薄膜トランジスタのサイズが、前記赤サブ画素、前記緑サブ画素及び前記青サブ画素間での当該サイズの比が前記開口率の比に応じた値となるように設定されたものである。

本発明によれば液晶表示装置において、消費電力が好適に低減され、かつ好適なホワイトバランスや画素の駆動が実現される。

本発明の実施形態に係る液晶表示装置の模式的な断面図である。 本発明の実施形態の液晶表示装置における画素の構造を説明する模式的な平面図である。 液晶表示装置の液晶パネル及びその駆動回路の模式的な回路図である。 バックライトの色度変化とバックライトの規格化輝度との関係を示すグラフである。 青サブ画素の開口率比とパネル透過率との関係を示すグラフである。 青サブ画素の開口率比と液晶表示部の白輝度効率との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る液晶表示装置２の模式的な断面図である。液晶表示装置２は、ＩＰＳ（Ｉｎ Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式、かつアクティブマトリクス駆動方式の液晶表示装置であり、カラーフィルタ基板４とＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）基板６との間に液晶８が充填される。カラーフィルタ基板４及びＴＦＴ基板６を構成するガラス基板１０，１２の外側面にはそれぞれ偏光フィルム１４，１６が貼られ、偏光フィルム１６の外側にはバックライト１８が配置される。なお、図１は画像の水平方向（行方向）に沿った断面図である。

各画素は、赤、緑及び青のサブ画素２０ｒ，２０ｇ，２０ｂのセットからなり、カラーフィルタ基板４には、各色のサブ画素に対応して赤色膜２２ｒ、緑色膜２２ｇ及び青色膜２２ｂが形成される。なお、異なる色のサブ画素間にはブラックマトリクス領域２４が設けられ、当該領域には例えば、黒色膜等の遮光膜２６が形成される。

また、ＴＦＴ基板６は、ガラス基板１２上に共通電極３０及びサブ画素毎の個別電極である画素電極３２やこれらへの配線、ＴＦＴ（図示せず）などが形成されている。各画素領域に対応して透明電極材からなる共通電極３０が配置され、共通電極３０は共通電極配線を介して所定のコモン電位（基準電位）を印加される。また、画素電極３２はＴＦＴを介して信号線に接続されて画像信号を印加される。共通電極３０と画素電極３２とはそれらの間の電位差で液晶８内に横方向の成分を有した電界を発生させ、液晶８の配向方向を変化させて液晶８を駆動することができる。共通電極３０と画素電極３２とは絶縁層３４，３６により互いに絶縁される。

なお、ここでは図示しないが、液晶表示装置２には配向膜やフォトスペーサーが形成されているほか、必要に応じてオーバーコート層や各種光学フィルムを設けることができる。

図２は、本実施形態の液晶表示装置２における画素の構造を説明する模式的な平面図である。図２はＴＦＴ基板６に関するものであり、共通電極３０、画素電極３２、ＴＦＴ２８の他、行方向に配線された走査線５０、列方向に配線された信号線５１及び共通電極配線５２が表されている。

図２は、３つのサブ画素２０ｒ，２０ｇ，２０ｂのうち青サブ画素２０ｂが最も大きな開口率を有し、次に緑サブ画素２０ｇが大きく、赤サブ画素２０ｒの開口率は最も小さいことを表している。この点については後述する。

ＴＦＴ２８は、そのソース電極に画素電極３２を接続され、ドレイン電極に信号線５１を接続され、ゲート電極に走査線５０を接続され、ソース電極とドレイン電極との間のチャネルとしてアモルファスシリコン膜５４が形成される。ゲート幅Ｗとゲート長Ｌとの比Ｗ／Ｌで表されるＴＦＴ２８のサイズは、青サブ画素２０ｂに設けられるものが最も大きく、次に緑サブ画素２０ｇのＴＦＴ２８が大きく、赤サブ画素２０ｒのＴＦＴ２８は最も小さい。この点についても後述する。

共通電極３０は画素の開口部に応じた形状を有し、当該開口部のほぼ全体に配置される。画素電極３２は複数のストライプ部分（くし歯部分）を有する形状であり、共通電極３０より液晶８側に配置される。画素電極３２のストライプ部分は画面の水平方向及び垂直方向に対して傾斜して延在する。傾斜方向は画素の上半分の領域と下半分の領域とで変えられ、例えば、画面の水平方向に対して上下領域の傾斜方向は対称に設定される。画素内の各ストライプ部分はそれらの端部にて互いに接続され、一体の画素電極３２を構成する。画素電極３２と共通電極３０とはＴＦＴ２８のソース電極に容量６０を付加する。容量６０は、信号線５１に印加される画像信号電圧に応じて充電され、共通電極３０に対する画素電極３２の電位を画像信号電圧に応じた値に保つ。

図３は、液晶表示装置２の液晶パネル及びその駆動回路の模式的な回路図である。アクティブマトリクス型の液晶表示部６２には、行方向に複数本の走査線５０及び共通電極配線５２が配線され、列方向に複数本の信号線５１が配線される。、各サブ画素のＴＦＴ２８は上述のように走査線５０と信号線５１に接続される。液晶表示部６２には駆動ＬＳＩが接続され、その電極群を付設したＴＦＴ基板６上に垂直走査回路６４、画像信号回路６６、共通電極駆動回路６８が接続される。そして、電源回路（図示省略）及びコントローラ７０から走査信号電圧、画像信号電圧、タイミング信号が供給され、アクティブマトリクス駆動による表示動作が行われる。

上述のように、液晶表示装置２は、青サブ画素２０ｂの面積を他のサブ画素より広くしている。これは以下に述べる理由による。

液晶に横方向の電界を印加して配向を制御する横電界方式である液晶表示装置２における有効な表示モードは複屈折モードであるため、透過率Ｔは一般に、次式で表せる。
Ｔ＝Ｔ_０・sin^２２θ・sin^２〔(π・deff・Δｎ)／λ〕 ・・・（１）

ここで、Ｔ_０は主として液晶表示素子に使用される偏光板の透過率で決まる値を有する係数、θは液晶層の実効的な光軸と偏光透過軸との成す角度、deffは液晶層の実効的な厚さ、Δｎは液晶の屈折率異方性、λは光の波長を表す。

液晶層の実効的な厚さdeffと液晶の屈折率異方性Δｎとの積、すなわち、deff・Δｎをリタデーションという。上記（１）式から明らかなように、液晶表示部６２の透過率は、或る特定の波長（ピーク波長）において最大値をとり、このピーク波長はリタデーション、すなわち、液晶層の厚みdeffと液晶の屈折率異方性Δｎの値に依存する。従って、赤、緑及び青の各サブ画素の開口率を均等として白色光を液晶表示部に照射すると、ピーク波長近傍を主波長とする色を帯びた表示となる。

この特性に対する一つの好適な設定は、ピーク波長を視感度最大波長である５５５ｎｍとすることである。すなわち、(π・deff・Δｎ／５５５)＝π／２となる条件を満たすように液晶層の厚さを設定することが好適である。

ここで、透過率Ｔはピーク波長（５５５ｎｍ）より短波長側では急激に減少し、長波長側では緩やかに減少する。すなわち、青サブ画素における透過率Ｔが他のサブ画素に比べ低くなる。

一方、バックライト１８に用いる冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）は、それが通常使用される色温度範囲にて、色温度の低下に伴って輝度を増す傾向を有し、暖色系の蛍光管は寒色系の蛍光管に比べ、同じ輝度を得るのに低消費電力でよい。一般に、色温度６０００Ｋの蛍光管の消費電力を１００とすると、同じ輝度を得るために必要な消費電力は、８０００Ｋでは１０５％、１００００Ｋでは１１０％、４０００Ｋでは９５％となる。

つまり、青サブ画素の透過率Ｔが他のサブ画素より相対的に低いことに対して、バックライト１８の青成分を相対的に増す青色化（寒色化）によって補償するよりも、青サブ画素の開口率を赤サブ画素の開口率よりも大きくすることによって補償する方が消費電力が少なくて済む。液晶表示装置２が青サブ画素の開口率を他のサブ画素より大きくしている理由はこの点にある。

なお、バックライト１８の赤、緑及び青の各成分の強弱は、蛍光体の種類や混合比を変えることで調整できる。狭帯域発光体型蛍光管の場合、青成分は４３０〜４７０ｎｍに発光ピークを有する蛍光体、緑成分は５４０〜５５０ｎｍに発光ピークを有する蛍光体、赤成分は６１０ｎｍ付近に発光ピークを有する蛍光体の量に応じた強度を有し、これらの混合比を変えることで、各発光領域における発光ピークの相対強度を制御し、種々の色温度を有する蛍光管が実現可能である。

さて、青サブ画素の開口率を増すことでホワイトバランスを維持しつつ、バックライト１８をさらに赤色化（暖色化）を進めた場合に、所定の白輝度を得る消費電力は単調に減少するようにも思えるが、実は、青サブ画素の開口率増加とバックライトの赤色化による消費電力の変化には極小点が存在する。すなわち白輝度効率を極大にする条件が存在する。この点について以下、説明する。

図４は、バックライトの色度変化とバックライトの規格化輝度との関係を示すグラフである。図４の横軸は、ｘｙ色度図における色温度のｙ座標の変化量Δｙであり、所定の色温度を基準とし、当該基準色温度のｙ座標からの変化量を表している。また、縦軸は電力一定という条件下でのバックライトの輝度を上記基準色温度での輝度で規格化した値で表している。このグラフは、蛍光体の混合比が異なる複数のバックライトについて輝度及び色度を測定し、得られた測定点を回帰分析して求めたものである。当該グラフは、Δｙが増加しバックライトの発光が赤色化するにつれて、電力が一定であっても輝度が増加することを示している。

図５は青サブ画素２０ｂの開口率比と液晶表示部６２の透過率（パネル透過率）との関係を示すグラフである。図５の横軸は、緑サブ画素２０ｇの開口率ａ_Ｇを１．１とした場合の青サブ画素２０ｂの開口率ａ_Ｂを示している。赤のサブ画素の開口率ａ_Ｒは、ａ_Ｒ＝３−ａ_Ｇ−ａ_Ｂに設定される。図５の縦軸は、赤サブ画素２０ｒ、緑サブ画素２０ｇ及び青サブ画素２０ｂからなるパネルの透過率を所定の開口率ａ_Ｂでの透過率を基準とした相対値で表している。当該パネル透過率は白輝度透過率であり、パネル面にてホワイトバランスが実現されるようにバックライトの赤、緑及び青の各成分を調節した状態での、バックライト輝度に対するパネル輝度の比である。上述したように、青サブ画素２０ｂにおける透過率Ｔが他のサブ画素に比べ低いことから、青サブ画素２０ｂの面積を大きくして、その分、赤サブ画素２０ｒの面積を縮小すると、パネル透過率は低下し、またその低下の傾きはａ_Ｂの増加と共に大きくなる。

図６は、図４、図５に示した関係から得られる、青サブ画素２０ｂの開口率比と液晶表示部６２の白輝度効率との関係を示すグラフである。図６の縦軸に表す白輝度効率は、３つのサブ画素の開口率の比が１：１：１の状態での白輝度を基準とした相対値である。図６は、緑サブ画素２０ｇの開口率ａ_Ｇを１．１に固定した状態で青サブ画素２０ｂの開口率ａ_Ｂを変化させた場合に、白輝度効率が極大となる点が存在することを示している。この極大点を与える青サブ画素の開口率ａ_Ｂは、バックライト１８の色温度の低下に応じて増加する発光効率（図４）と、青サブ画素の開口率ａ_Ｂの増加に応じて減少する画素の透過率（図５）との釣り合いから定まる。

本実施形態では、バックライト１８は赤、緑及び青の蛍光体にそれぞれＹＯＸ、ＬＡＰ及びＳＣＡを使用するＣＣＦＬである。ここでＹＯＸは、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ^３＋、ＬＡＰはＬａＰＯ_４：Ｔｂ^３＋、ＳＣＡは（Ｓｒ，Ｃａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ^２＋である。図６では、画素が白（色温度１００００Ｋ）で表示されるようにバックライト１８の上記蛍光体の混合比を調整している。このバックライト１８に対し、青サブ画素２０ｂの開口率ａ_Ｂが１．３のときに白輝度効率が極大となる。

そこで、本実施形態の液晶表示装置２は、赤サブ画素２０ｒ、緑サブ画素２０ｇ及び青サブ画素２０ｂの開口率の比ａ_Ｒ：ａ_Ｇ：ａ_Ｂを、０．６：１．１：１．３に設定し、当該開口率比による寒色化を相殺するようにバックライトを暖色化して、所定の消費電力での白輝度効率が極大となるように構成している。この構成によれば、３つのサブ画素の開口率の比が１：１：１の構成より白輝度効率の７％向上を図れる。

なお、本実施形態のバックライト１８のＣＣＦＬで用いた上記蛍光体は一例であり、他の蛍光体を用いた蛍光管に対しても本発明を適用することができ、３つのサブ画素の開口率の比を調節して白輝度効率を極大とすることが可能である。

画素を構成するサブ画素相互間での開口率の相違に応じて、当該サブ画素に配置される画素電極３２の面積も相違する。そのため、開口率が大きくなるにつれ、画素電極３２と共通電極３０との間の容量６０も大きくなる。これに対応して、本実施形態の液晶表示装置２では、上述したように画素電極３２の面積が大きいサブ画素ほど、ＴＦＴ２８のゲート幅Ｗとゲート長Ｌとの比Ｗ／Ｌが大きく設定されている。すなわち、当該比Ｗ／Ｌで定義されるＴＦＴ２８のサイズは、赤サブ画素２０ｒ、緑サブ画素２０ｇ及び青サブ画素２０ｂ間での当該サイズの比が開口率の比ａ_Ｒ：ａ_Ｇ：ａ_Ｂに応じた値となるように設定されている。これにより、開口率が大きいサブ画素ほど、ＴＦＴ２８が大きな電流を容量６０に供給できる。

液晶表示部６２には行方向に色の異なるサブ画素が配列され、それらが共通の走査線５０によって同時に選択され、それらに設けられる互いに異なる大きさの容量６０が充電される。その際、ＴＦＴ２８のサイズが上述のように相違していることで、共通の充電時間で、各画素電極３２の電位が信号線５１に印加される画像信号に精度良く設定される。例えば、充電時間を短くしても、青サブ画素２０ｂの大きな容量６０が画像信号に応じた電圧に速やかに充電される。これにより、例えば、白表示において、各サブ画素２０ｒ，２０ｇ，２０ｂに書き込まれる電圧の精度が向上し、好適なホワイトバランスでの表示が可能となる。

本発明に係る液晶表示装置は、例えば、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイに用いることができ、また、テレビ、カーナビゲーションシステム、ＰＣモニタ、ノートＰＣ、携帯電話、ＤＳＣ、ＰＤＡ等に利用することができる。

２ 液晶表示装置、４ カラーフィルタ基板、６ ＴＦＴ基板、８ 液晶、１０，１２ ガラス基板、１４，１６ 偏光フィルム、１８ バックライト、２０ｒ 赤サブ画素、２０ｇ 緑サブ画素、２０ｂ 青サブ画素、２２ｒ 赤色膜、２２ｇ 緑色膜、２２ｂ 青色膜、２４ ブラックマトリクス領域、２６ 遮光膜、２８ ＴＦＴ、３０ 共通電極、３２ 画素電極、３４，３６ 絶縁層、５０ 走査線、５１ 信号線、５２ 共通電極配線、５４ アモルファスシリコン膜、５６ 絶縁膜、５８ 配向膜、６０ 容量、６２ 液晶表示部、６４ 垂直走査回路、６６ 画像信号回路、６８ 共通電極駆動回路。

Claims (3)

1. 照射光を発生する光源と、
   一対の基板間に挟持された液晶層、及び各画素に設けられる赤、緑及び青のサブ画素に対応したカラーフィルタ基板を含み、前記照射光の透過を制御する液晶パネルと、
   を有し、
   前記液晶パネルの前記各画素における赤サブ画素及び青サブ画素それぞれの開口率は、緑サブ画素の開口率を所望値に固定した状態で、白輝度効率を、前記光源の色温度の低下に応じて増加する発光効率と、前記青サブ画素の開口率の増加に応じて減少する前記画素の透過率との釣り合いから定まる極大値にするように定められていること、
   を特徴とする液晶表示装置。
2. 赤、緑及び青の蛍光体にそれぞれＹ_２Ｏ_３：Ｅｕ^３＋、ＬａＰＯ_４：Ｔｂ^３＋、及び（Ｓｒ，Ｃａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ^２＋を使用する冷陰極蛍光ランプからなり、照射光を発生する光源と、
   一対の基板間に挟持された液晶層、及び各画素に設けられる赤、緑及び青のサブ画素に対応したカラーフィルタ基板を含み、前記照射光の透過を制御する液晶パネルと、
   を有し、
   前記液晶パネルの前記各画素における赤サブ画素、緑サブ画素及び青サブ画素の開口率は、相互の比が０．６：１．１：１．３となるように設定され、
   前記光源の色温度は、前記画素が白で表示されるように設定されていること、
   を特徴とする液晶表示装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の液晶表示装置において、
   当該液晶表示装置は、前記各サブ画素に、走査線からゲートに印加される制御電圧に応じて当該サブ画素に配置された個別電極を信号線に接続する薄膜トランジスタを備えたアクティブマトリクス駆動方式であり、
   ゲート幅Ｗとゲート長Ｌとの比Ｗ／Ｌで定義する前記薄膜トランジスタのサイズは、前記赤サブ画素、前記緑サブ画素及び前記青サブ画素間での当該サイズの比が前記開口率の比に応じた値となるように設定されること、
   を特徴とする液晶表示装置。

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