(57)【要約】【課題】  光の利用効率を向上させることが可能な液晶表示装置を提供する。【解決手段】  液晶表示装置１０は、青色光を発光する光源部１２と、光源部１２に対向配置された第１基板３１と、第１基板３１に対向配置された第２基板３２と、第１及び第２基板３１、３２間に挟まれた液晶層３３と、第２基板３２に設けられ、液晶層３３を透過した青色光の波長を制御し、量子ドットを備える波長変換部４０とを含む。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
青色光を発光する光源部と、
前記光源部に対向配置された第１基板と、
前記第１基板に対向配置された第２基板と、
前記第１及び第２基板間に挟まれた液晶層と、
前記第２基板に設けられ、前記液晶層を透過した青色光の波長を制御し、量子ドットを備える波長変換部と、
を具備することを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記波長変換部は、それぞれが画素に対応して設けられた第１層、第２層、及び第３層を備え、
前記第１層は、量子ドットを含まず、青色光を透過し、
前記第２層は、量子ドットを含み、青色光を緑色光に変換し、
前記第３層は、量子ドットを含み、青色光を赤色光に変換することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記第２層の光出射側の主面に設けられ、青色光を減衰させる第１フィルターと、
前記第３層の光出射側の主面に設けられ、青色光を減衰させる第２フィルターとをさらに具備することを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記第１及び第２フィルターの各々は、黄色の顔料を含むことを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
【請求項５】
前記第２層の量子ドットの直径は、前記第３層の量子ドットの直径より小さいことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の液晶表示装置。
【請求項６】
前記第２層の量子ドットの濃度と、前記第３層の量子ドットの濃度とは、前記第１乃至第３層から出射される光を混ぜた場合に白色光になるように設定されることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記第１及び第２基板を挟むように設けられた第１及び第２偏光板をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置は、テレビ、パーソナルコンピュータ、携帯電話、スマートフォン、及びタブレット端末など様々な電子機器の表示装置として、広く用いられている。
【０００３】
液晶表示装置は、液晶層を透過した光をカラーフィルターに通すことで、カラー表示を行う。しかしながら、液晶層からの光がカラーフィルターを透過する際、透過光の光強度が低下してしまう。よって、光の損失が発生してしまう。
【０００４】
また、液晶表示装置は、２枚の偏光板で入射光と出射光の偏光を制御している。この２枚の偏光板を光が透過する際にも、透過光の光強度が低下してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−２３５８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、光の利用効率を向上させることが可能な液晶表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る液晶表示装置は、青色光を発光する光源部と、前記光源部に対向配置された第１基板と、前記第１基板に対向配置された第２基板と、前記第１及び第２基板間に挟まれた液晶層と、前記第２基板に設けられ、前記液晶層を透過した青色光の波長を制御し、量子ドットを備える波長変換部とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光の利用効率を向上させることが可能な液晶表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】量子ドットの原理を説明する模式図。
【図２】本実施形態に係る波動関数φ（ｘ）のグラフ。
【図３】量子ドットの直径に応じて入射光の波長が変換される様子を説明する図。
【図４】量子ドットの直径と光の波長λとの関係を示すグラフ。
【図５】量子ドットの直径と光の波長λとの関係を示すグラフ。
【図６】第１実施形態に係る液晶表示装置の断面図。
【図７】第１実施形態に係る液晶表示装置の動作を説明する図。
【図８】第２実施形態に係る液晶表示装置の断面図。
【図９】第２実施形態に係る液晶表示装置の動作を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１１】
［第１実施形態］
［１］量子ドットの原理
本実施形態は、量子ドットを利用して液晶表示装置を構成する。まず、量子ドットの原理について説明する。
【００１２】
量子ドットとは、量子閉じ込め効果（quantum confinement effect）を有する所定のサイズの半導体粒子をいう。すなわち、半導体材料内の微細な領域にキャリア（電子や正孔）を閉じ込めたものが量子ドットである。
【００１３】
図１は、量子ドットの原理を説明する模式図である。以下の式（１）で表されるポテンシャルＶ（ｘ）で運動する粒子を考える。
Ｖ（ｘ）＝０（０≦ｘ≦ｄ）、かつＶ（ｘ）＝∞（ｘ＜０、ｘ＞ｄ）    ・・・（１）
式（１）において、０≦ｘ≦ｄでは自由粒子であり、“ｘ＜０、ｘ＞ｄ”には粒子は存在しない。式（１）は、図１（ａ）の井戸型ポテンシャルで表される。０≦ｘ≦ｄの距離の中に電子が閉じ込められており、図１（ｂ）に示すように、直径ｄを有する量子ドットが簡略化して規定される。
【００１４】
式（１）を用いてシュレディンガー方程式を解くと、波動関数φ（ｘ）、及びエネルギーＥはそれぞれ、以下の式（２）、（３）で表される。
φ（ｘ）＝（２／ｄ）１／２ｓｉｎ（πｘ／ｄ）    ・・・（２）
Ｅ＝ｈ２／８ｍｄ２    ・・・（３）
ｍ：粒子の質量
ｈ：プランク定数
図２は、式（２）で表された波動関数φ（ｘ）のグラフである。
【００１５】
光のエネルギーＥは、波長λを用いて以下の式（４）で表される。
Ｅ＝ｈｃ／λ    ・・・（４）
ｃ：光速
式（４）を式（３）に代入すると、波長λは、以下の式（５）で表される。
λ＝８ｍｃｄ２／ｈ    ・・・（５）
式（５）から、光の波長λは、粒子（量子ドット）の直径ｄの二乗に比例することが分かる。
【００１６】
次に、量子ドットを用いた光の波長変換について説明する。図３は、量子ドットの直径ｄに応じて入射光の波長が変換される様子を説明する図である。図４は、量子ドットの直径ｄと光の波長λとの関係を示すグラフである。
【００１７】
波長λが４５５ｎｍ近辺の青色光を量子ドットに入射させるものとする。青色光は、ＬＥＤ（light-emitting diode）、又はレーザーを用いて発光できる。
【００１８】
量子ドットの直径ｄに応じて、λ≒５５０ｎｍ（ｄ＝０.４１ｎｍ）や、λ≒６７０ｎｍ（ｄ＝０.４５ｎｍ）の波長を有する光に変換できる。なお、図４は、ｍを電子の質量（有効質量）とした場合のグラフである。例えば、ｍを電子の質量より小さく（ｍ→０.００２６ｍ）した場合、量子ドットの直径ｄと光の波長λとの関係は、図５のグラフのようになる。
【００１９】
［２］液晶表示装置の構成
次に、第１実施形態に係る液晶表示装置の構成について説明する。図６は、第１実施形態に係る液晶表示装置１０の断面図である。液晶表示装置１０は、表示パネル１１、及び光源部（バックライト）１２を備える。
【００２０】
バックライト１２は、例えば、サイドライト型（エッジライト型）の照明装置から構成される。バックライト１２は、順に積層された反射シート２１、導光板２２、及び拡散シート２３を備える。また、バックライト１２は、導光板２２の側面に配置された発光素子２０を備える。拡散シート２３は、プリズムシートを備えていても良い。
【００２１】
発光素子２０は、青色光を発光する素子から構成される。例えば、発光素子２０は、１個又は複数の青色ＬＥＤ（発光ダイオード）から構成される。発光素子２０からの照明光は、導光板２２の側面から入射すると共に、反射シート２１で反射する。反射シート２１で反射された照明光は、導光板２２、及び拡散シート２３を透過し、表示パネル１１に向けて面光源として出射される。
【００２２】
表示パネル１１は、対向配置された第１及び第２基板３１、３２と、第１及び第２基板３１、３２間に挟持された液晶層３３とを備える。第１及び第２基板３１、３２の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板）から構成される。第１基板３１は、光源部１２側に配置され、光源部１２からの照明光は、第１基板３１側から液晶層３３に入射する。表示パネル１１の２つの主面のうち光源部１２と反対側の主面が、表示パネル１１の表示面である。
【００２３】
液晶層３３は、第１基板３１及び第２基板３２間を貼り合わせるシール材３４によって封入された液晶材料により構成される。シール材３４によって囲まれた領域が、表示パネル１１の表示領域である。液晶材料は、第１基板３１及び第２基板３２間に印加された電界に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。液晶モードとしては、ＶＡ（Vertical Alignment）モード、ＴＮ（Twisted Nematic）モード、及びホモジニアスモードなど種々の液晶モードを用いることができる。シール材３４は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、又は紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいて第１基板３１又は第２基板３２に塗布された後、紫外線照射、又は加熱等により硬化させられる。
【００２４】
表示パネル１１は、複数の画素を備える。図６には、簡略化して３個の画素を抽出して示しているが、実際には、複数の画素がマトリクス状に配置される。第１基板３１の液晶層３３側には、各画素に対応してスイッチング素子３５が設けられる。スイッチング素子３５としては、例えばＴＦＴ（Thin Film Transistor）が用いられ、またｎチャネルＴＦＴが用いられる。ＴＦＴは、ゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた半導体層（例えばアモルファスシリコン層）と、半導体層上に設けられたソース電極及びドレイン電極とを備える。ＴＦＴの詳細な図示は省略する。
【００２５】
スイッチング素子３５上には、絶縁層３６が設けられる。絶縁層３６上には、各画素に対応して画素電極３８が設けられる。画素電極３８は、画素領域の概略全面に設けられる。画素電極３８は、コンタクト３７を介してスイッチング素子３５の電流経路に一端（ドレイン電極）に電気的に接続される。スイッチング素子３５の電流経路の他端（ソース電極）は、画素電圧（駆動電圧）を供給するための信号線に電気的に接続される。スイッチング素子３５のゲート電極は、走査線に電気的に接続される。
【００２６】
画素電極３８及び絶縁層３６上には、液晶層３３の配向を制御する配向膜（図示せず）が設けられる。
【００２７】
第２基板３２の液晶層３３側には、波長変換部４０が設けられる。波長変換部４０は、液晶層３３を透過した光（青色光）の波長を変換すると共に、青色光、緑色光、及び赤色光を出射する。なお、青色光、緑色光、及び赤色光の各々は、所定の波長帯域を有する単色光である。青色光の波長帯域は、４２０ｎｍ〜４９５ｎｍ程度である。緑色光の波長帯域は、４９５ｎｍ〜５７０ｎｍ程度である。赤色光の波長帯域は、６００ｎｍ〜７００ｎｍ程度である。なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
【００２８】
画素は、光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）で構成される。隣接したＲ、Ｇ、Ｂの三色のセットが表示の単位（画素）となっており、１つの画素中のＲ、Ｇ、Ｂのいずれか単色の部分はサブピクセル（サブ画素）と呼ばれる最小駆動単位である。スイッチング素子３５及び画素電極３８は、サブピクセルごとに設けられる。以下の説明では、画素とサブ画素との区別が特に必要な場合を除き、サブ画素を画素と呼ぶものとする。
【００２９】
波長変換部４０は、複数の画素に対応して設けられた複数の部材を備える。具体的には、波長変換部４０は、青色光を出射する透過層４０Ａと、緑色光を出射する波長変換層４０Ｂと、赤色光を出射する波長変換層４０Ｃとを備える。
【００３０】
透過層４０Ａは、量子ドットを含まない透明な部材である。透過層４０Ａは、バックライト１２からの青色光を、波長変換せずにそのまま透過する。透過層４０Ａは、例えばアクリル樹脂から構成される。
【００３１】
波長変換層４０Ｂは、複数の量子ドットを含む。例えば、波長変換層４０Ｂは、基材としてのアクリル樹脂に量子ドットが混ぜられて形成される。波長変換層４０Ｂは、バックライト１２からの青色光の波長を、緑色光の波長に変換する。すなわち、波長変換層４０Ｂの量子ドットは、青色光の波長を緑色光の波長に変換可能な直径ｄを有する。
【００３２】
波長変換層４０Ｃは、複数の量子ドットを含む。波長変換層４０Ｃは、バックライト１２からの青色光の波長を、赤色光の波長に変換する。すなわち、波長変換層４０Ｃの量子ドットは、バックライト１２からの青色光の波長を、赤色光の波長に変換可能な直径ｄを有する。
【００３３】
第２基板３２上かつ、隣接する画素の境界部分には、遮光用のブラックマスク（遮光膜）４１が設けられる。ブラックマスク４１は、網目状に形成され、画素領域以外を概略覆うように形成される。ブラックマスク４１は、色の異なる隣接画素間の不要な光を遮蔽し、コントラストを向上させる機能を有する。
【００３４】
波長変換部４０及びブラックマスク４１上には、共通電極４２が設けられる。共通電極４２は、表示領域全体に平面状に形成される。
【００３５】
共通電極４２上には、液晶層３３の配向を制御する配向膜（図示せず）が設けられる。
【００３６】
表示パネル１１は、位相差板４３、４４、及び偏光板４５、４６を備える。位相差板４３、４４は、第１及び第２基板３１、３２を挟むように設けられる。偏光板４５、４６は、位相差板４３、４４を挟むように設けられる。
【００３７】
偏光板４５、４６は、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する透過軸及び吸収軸を有する。偏光板４５、４６は、ランダムな方向の振動面を有する光のうち、透過軸に平行な振動面を有する直線偏光（直線偏光した光成分）を透過し、吸収軸に平行な振動面を有する直線偏光（直線偏光した光成分）を吸収する。偏光板４５、４６は、互いの透過軸が直交するように、すなわち直交ニコル状態で配置される。
【００３８】
位相差板４３、４４は、屈折率異方性を有しており、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する遅相軸及び進相軸を有する。位相差板４３、４４は、遅相軸と進相軸とをそれぞれ透過する所定波長の光の間に所定のリタデーション（λを透過する光の波長としたとき、λ／４の位相差）を与える機能を有する。すなわち、位相差板４３、４４は、λ／４板から構成される。位相差板４３、４４は、直線偏光を円偏光に、また円偏光を直線偏光に変換する機能を有する。
【００３９】
位相差板４３、４４は、互いの遅相軸が直交するように配置される。位相差板４３の遅相軸は、偏光板４５の吸収軸に対して概略４５°の角度をなすように設定される。位相差板４４の遅相軸は、偏光板４６の吸収軸に対して概略４５°の角度をなすように設定される。なお、前述した偏光板及び位相差板を規定する角度は、所望の動作を実現可能な誤差、及び製造工程に起因する誤差を含むものとする。例えば、前述した概略４５°は、４５°±５°の範囲を含むものとする。また、前述した直交は、９０°±５°の範囲を含むものとする。
【００４０】
画素電極３８、コンタクト３７、及び共通電極４２は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。絶縁層３６としては、透明な絶縁材料が用いられ、例えば、シリコン窒化物（ＳｉＮ）が用いられる。ブラックマスク４１としては、酸化クロム、及びクロム（Ｃｒ）が順に積層された積層膜、又は黒色樹脂などが用いられる。
【００４１】
［３］動作
次に、上記のように構成された液晶表示装置１０の動作について説明する。図７は、第１実施形態に係る液晶表示装置１０の動作を説明する図である。
【００４２】
バックライト１２は、照明光として青色光（λ≒４５５ｎｍ）を発光する。バックライト１２からの青色光は、偏光板４５及び位相差板４３で円偏光になり、液晶層３３に入射する。液晶層３３は、表示画像に応じて画素ごとに位相差が制御される。液晶層３３を透過した青色光は、波長変換部４０に入射する。波長変換部４０は、透過層４０Ａ、波長変換層４０Ｂ、及び波長変換層４０Ｃを備える。
【００４３】
透過層４０Ａは、量子ドットを含んでおらず、青色光の波長を変換せずにそのまま出射する。
【００４４】
波長変換層４０Ｂは、青色光の波長を緑色光の波長に変換する複数の量子ドットを含んでいる。よって、波長変換層４０Ｂは、青色光の波長を緑色光の波長に変換し、緑色光を出射する。具体的には、波長変換層４０Ｂの量子ドットに入射した青色光は、緑色光に変換される。
【００４５】
波長変換層４０Ｃは、青色光の波長を赤色光の波長に変換する複数の量子ドットを含んでいる。よって、波長変換層４０Ｃは、青色光の波長を赤色光の波長に変換し、赤色光を出射する。具体的には、波長変換層４０Ｃの量子ドットに入射した青色光は、赤色光に変換される。
【００４６】
続いて、波長変換部４０を透過した表示光（青色光、緑色光、及び赤色光を含む）は、位相差板４４及び偏光板４６で直線偏光になり、観察者に視認される。このようにして、液晶表示装置１０は、バックライト１２からの青色光を用いてカラー表示を行うことができる。
【００４７】
なお、液晶表示装置１０は、透過層４０Ａからの青色光と、波長変換層４０Ｂからの緑色光と、波長変換層４０Ｃからの赤色光とを混ぜて白色光を生成することが可能である。この白色光の色純度は、波長変換層４０Ｂに含まれる量子ドットの濃度と、波長変換層４０Ｃに含まれる量子ドットの濃度とによって決定され、より色純度が高いように量子ドットの濃度を制御することが望ましい。
【００４８】
［４］効果
以上詳述したように第１実施形態では、液晶表示装置１０は、青色光を発光する光源部１２と、光源部１２からの青色光を受ける表示パネル１１とを備える。表示パネル１１は、光源部１２に対向配置された第１基板３１と、第１基板３１に対向配置された第２基板３２と、第１及び第２基板３１、３２間に挟まれた液晶層３３と、第２基板３２に設けられ、液晶層３３を透過した青色光の波長を制御し、量子ドットを備える波長変換部４０とを備える。波長変換部４０は、透過層４０Ａ、波長変換層４０Ｂ、及び波長変換層４０Ｃを備える。透過層４０Ａは、量子ドットを含まず、青色光を透過する。波長変換層４０Ｂは、量子ドットを含み、青色光を緑色光に変換する。波長変換層４０Ｃは、量子ドットを含み、青色光を赤色光に変換する。
【００４９】
従って第１実施形態によれば、波長が短い（エネルギーが高い）青色光を利用して、青色光より波長が長い緑色光及び赤色光を生成できる。これにより、カラーフィルターを用いずに、カラー表示を実現できる。また、光源部１２からの照明光を効率よく利用可能な液晶表示装置１０を実現できる。
【００５０】
また、カラーフィルターを使用しないため、光の損失を低減できる。これにより、消費電力を低減でき、また、より明るい表示が可能となる。
【００５１】
また、液晶表示装置１０から出射される青色光、緑色光、及び赤色光がカラーフィルターに依存しないため、各単色光の色純度を向上させることができる。これにより、液晶表示装置１０の色再現性を向上できる。
【００５２】
［第２実施形態］
第２実施形態は、波長変換部４０から出射される緑色光及び赤色光の色純度をより向上させるための実施例である。
【００５３】
図８は、第２実施形態に係る液晶表示装置１０の断面図である。波長変換部４０は、波長変換層４０Ｂ、４０Ｃの各々に対応して設けられたフィルター層４７をさらに備える。波長変換層４０Ｂの光出射面（表示面側の主面）には、フィルター層４７が設けられる。同様に、波長変換層４０Ｃの光出射面（表示面側の主面）には、フィルター層４７が設けられる。
【００５４】
フィルター層４７は、青色光を減衰（又は吸収）する機能を有する。フィルター層４７としては、例えば、色材として黄色の顔料を透明樹脂に混ぜ合わせて形成された黄色フィルターが用いられる。その他の構成は、第１実施形態と同じである。
【００５５】
図９は、第２実施形態に係る液晶表示装置１０の動作を説明する図である。波長変換層４０Ｂに入射した青色光は緑色光に変換され、また、緑色光に変換されない青色光の成分は、フィルター層４７によって減衰される。同様に、波長変換層４０Ｃに入射した青色光は赤色光に変換され、また、赤色光に変換されない青色光の成分は、フィルター層４７によって減衰される。
【００５６】
従って第２実施形態によれば、液晶表示装置１０から出射される緑色光及び赤色光の色純度を高くすることができる。これにより、液晶表示装置１０の色再現性が向上できると共に、画質を向上できる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。
【００５７】
本明細書において、板やフィルムは、その部材を例示した表現であり、その構成に限定されるものではない。例えば、位相差板は、板状の部材に限定されるものではなく、明細書で記載した機能を有するフィルムやその他の部材であっても良い。偏光板は、板状の部材に限定されるものではなく、明細書で記載した機能を有するフィルムやその他の部材であっても良い。
【００５８】
上記各実施形態の液晶表示装置は、画像表示機能を有する様々な電子機器に適用することが可能である。例えば、モバイル機器（携帯電話、携帯情報端末、スマートフォン、及びタブレット端末など）、ゲーム機器、ノートＰＣ（パーソナルコンピュータ）、テレビ、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、及びスキャナなどに適用できる。
【００５９】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。
【符号の説明】
【００６０】
１０…液晶表示装置、１１…表示パネル、１２…光源部、２０…発光素子、２１…反射シート、２２…導光板、２３…拡散シート、３１，３２…基板、３３…液晶層、３４…シール材、３５…スイッチング素子、３６…絶縁層、３７…コンタクト、３８…画素電極、４０…波長変換部、４１…ブラックマスク、４２…共通電極、４３，４４…位相差板、４５，４６…偏光板、４７…フィルター層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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