JPH09311331A - カラー液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】表色範囲が広く、かつ明るいカラー液晶表示装
置を提供する。 【解決手段】刺激純度を重視した、又は、刺激純度と明
るさがバランスするカラーフィルタと、複数の三波長型
の光源と、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０.４
５〜０.７０である液晶素子を用いたカラー液晶表示装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は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、及びバックライト
とを有するカラー液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】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。

【０００４】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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】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、カラーフィルタ，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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】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、
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。

【００１０】液晶素子としては、液晶の屈折率異方性Δ
ｎと液晶の厚さｄの積Δｎ・ｄが０.４５〜０.７０であ
るものを用いる。

【００１１】カラーフィルタとしては刺激純度を重視し
たもの、又は、刺激純度と明るさがバランスしたものを
用いる。

【００１２】また、光源としては、三波長型のライトを
複数用いる。

【００１３】フルカラーを表示できるカラー液晶表示装
置は図１に示すように、カラーフィルタ１の偏光板２を
設けた光シャッタとなる液晶素子３とバックライト４か
ら構成される。

【００１４】同図（ａ）には、光シャッタとなる液晶素
子３をＴＮ（ツイステッド，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。

【００１５】同図（ａ）に示した液晶素子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。

【００１６】同図（ｂ）には、光シャッタとなる。液晶
素子３をＧ−Ｈ（ゲスト，ホスト）タイプとした場合
で、カラーフィルタ１，１枚の偏光板２，液晶素子３と
バックライト４で構成するものが一般的である。

【００１７】このＧ−Ｈタイプの液晶素子を用いた場合
には、見る方向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。

【００１８】したがって、用途により液晶素子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タイプの液晶素子３を用い
ている例が多い。

【００１９】同図には、光源４を光シャッタとなる液晶
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素子３の手前に置く
反射タイプも勿論可能である。

【００２０】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。

【００２１】カラーフィルタ１と光シャッタとなる液晶
素子３は、図２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。

【００２２】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。

【００２３】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、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。

【００２４】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持
つ三波長蛍光管の開発が各方向で進められている。

【００２５】図３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。

【００２６】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、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。

【００２７】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
ー液晶ディスプレイを提供するものである。

【００２８】

【発明の実施の形態】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
用いたカラーフィルタを図４に示す。同図に示すように
１２０μｍ角の各色要素を１２５μｍピッチでドット状
に配置したものを用いた。

【００２９】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図５に
示す。同図（ａ）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。

【００３０】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。

【００３１】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
な偏光板の分光透過率を図６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。

【００３２】次に、実験に用いたバックライトの分光分
布を図７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持つ三波長型平
面光源である。

【００３３】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
いた構成を図８に示す。

【００３４】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。

【００３５】さらに、表色範囲および明るさを測定した
光学系を図９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４，分光放射測定装置５から構成した。

【００３６】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図１０
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。

【００３７】同図から、カラーフィルタと写真用源，三
波長型平面光源、どぢ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
面光源との組み合わせの方が小さい。

【００３８】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図１１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。

【００３９】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。

【００４０】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み合わせた
場合は刺激純度度，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。

【００４１】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図１２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
枚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。

【００４２】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
図１３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。

【００４３】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
いた場合の方が刺激純度，透過率ともに高いことが解
る。

【００４４】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。

【００４５】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図１４に示す。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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い分光透過率を持つ偏光板によ
り、刺激純度と透過率の関係を検討した。

【００４９】この実験に用いた偏光板の分光透過率を図
１５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。

【００５０】この偏光板を用いた刺激純度と透過率の関
係を図１６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を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
組み合わせても刺激純度を低下させないことが明らかに
なった。

【００５１】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持つ偏光板を組み合わ
せた場合の色温度変化を図１７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枚で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。

【００５２】このように、カラーフィルタ，バックライ
トだけでは、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。

【００５３】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、色温度と透過率の温度を図１８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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】

【数１】

【００５７】透過率ＴとΔｎの関係の一例を図１９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Δ
ｎ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。

【００５８】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。

【００５９】液晶素子の波長と透過率の関係の一例を図
２０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，９μ
ｍ，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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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図２１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。

【００６３】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.
７０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。

【００６４】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
に三波長型光源を複数用い、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する。カラ
ーフィルタとしては刺激純度を重視したもの、又は、刺
激純度と明るさがバランスしたものを用いる。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
の範囲になるようにする。これらの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。

【００６５】

【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】

【図１】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。

【図２】カラーフィルタの一般例を示す斜視図。

【図３】ＣＲＴとカラーＬＣＤの表色範囲を示す説明
図。

【図４】本発明を見出すのに用いたカラーフィルタの構
成図。

【図５】そのカラーフィルタの分光透過率を示す説明
図。

【図６】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。

【図７】本発明を見出すのに用いたバックライトの分光
分布図。

【図８】本発明を見出すのに用いた構成要素の構成図。

【図９】光学測定系を示す説明図。

【図１０】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。

【図１１】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。

【図１２】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。

【図１３】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図。

【図１４】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。

【図１５】本発明の偏光板の分光透過率を示す線図。

【図１６】この偏光板を用いたときの刺激純度と透過率
の関係図。

【図１７】この偏光板を用いたときの色温度変化を示す
説明図。

【図１８】液晶素子のΔｎ・ｄの違いによる色温度変化
を示す説明図。

【図１９】ＴＮ液晶素子のΔｎと透過率の関係図。

【図２０】液晶素子のΔｎ・ｄと分光透過率を示す説明
図。

【図２１】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。

【符号の説明】

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 (4)

【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、 前記カラーフィルタは刺激純度を重視したもの、又は刺
   激純度と明るさがバランスしたものを用い、 前記三波長型光源は、前記一対の偏光板の一方の偏光板
   の前記液晶層の反対側に配置された複数の三波長型のラ
   イトを用いることを特徴とするカラー液晶表示装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記カラーフィルタ
   は、緑，青，赤の各色要素の４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの
   波長領域における透過率のピーク値が緑，青，赤の順で
   大きいことを特徴とするカラー液晶表示装置。
3. 【請求項３】請求項２において、前記カラーフィルタの
   各色要素の遮光波長領域における透過率がほぼ５％以下
   であることを特徴とするカラー液晶表示装置。
4. 【請求項４】請求項１，２、又は３において、前記液晶
   層を構成する液晶は、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。