(57)【要約】【課題】光の利用効率を高め、低消費電力の液晶表示装置を提供する。【解決手段】ＴＦＴ基板１２の基板と対向基板３０の間に光を偏光する偏光素子を有する偏光板２６を備え、偏光板２６は二色性染料を用いた染料系偏光素子を備え、偏光板２６に対して液晶層２０からみて外側に光を波長変換する波長変換層２８を備える構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の基板の間に液晶層が挟まれてなる液晶表示装置であって、
前記２枚の基板の間に光を偏光する偏光素子を有し、
前記偏光素子は二色性染料を用いた染料系偏光素子であり、
前記偏光素子に対して液晶層からみて外側に光を波長変換する波長変換層を備えることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液晶表示装置であって、
前記偏光素子と前記波長変換層との距離は１００μｍ以下であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の液晶表示装置であって、
前記波長変換層は、蛍光体を含むことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の液晶表示装置であって、
前記波長変換層は、量子ドットを含むことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示装置であって、
前記波長変換層は、光を赤、緑、青の波長領域に変換することを特徴とする液晶表示装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の液晶表示装置であって、
前記波長変換層は、光出力部と前記偏光素子との間に設けられていることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の液晶表示装置であって、
前記偏光素子は、光出力部と前記波長変換層との間に設けられていることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の液晶表示装置であって、
前記波長変換層は、３８０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の波長領域の光を変換することを特徴とする液晶表示装置。
【請求項９】
請求項６又は７に記載の液晶表示装置であって、
前記波長変換層は、３８０ｎｍ以下の波長領域の光を変換することを特徴とする液晶表示装置。
【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】
一般的な液晶表示装置は、非発光型表示装置であって、白色ＬＥＤ等を光源とするバックライトからの光を液晶層にて画素ごとに光変調し、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各カラーフィルター層を透過させてカラー表示を行う。白色ＬＥＤは、発光効率がよく、寿命が長い等の特長がある。一方、白色ＬＥＤは、発熱による蛍光体の発光効率の低下（いわゆる温度消光）による光損失が大きい。また、カラーフィルター層によって白色ＬＥＤからの光を赤、緑及び青に分離する構造のため、バックライトの１／３程度の光しか実際には使用されず、液晶表示装置全体での光利用効率が低い。
【０００３】
また、バックライトとして紫外光源を用い、この紫外光源を励起光として赤、緑及び青の各色の蛍光体層を発光させる形式の液晶表示装置が開示されている（特許文献１）。また、バックライトとして青色ＬＥＤを用い、青色ＬＥＤから出力される青色光を利用して赤色及び緑色の蛍光体層を発光させて赤色及び緑色の光を得ると共に、青色ＬＥＤからの青色光をそのまま透過させて青色の光を表示させる形式の液晶表示装置が開示されている（特許文献２）。
【０００４】
また、液晶層が挟持された一対の基板と、一対の基板の一方側の背面に配置されたピーク波長３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの範囲の光を発する発光ダイオードと、一対の基板の他方側に形成された偏光板とを備え、一対の基板の他方側に形成された偏光板の液晶層と反対側には、単位ピクセル毎に、ピーク波長が３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの範囲の光を吸収して所定の色の光を発する蛍光体層を備えるサブピクセルを備え、蛍光体層の液晶層とは反対側の面には波長４２０ｎｍ以下の波長の光を反射又は吸収するフィルタ層が形成された液晶表示装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−０３６１５８号公報
【特許文献２】特開２００３−００５１８２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２５０２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、蛍光体層のように入射光の波長を変換して別の波長の出力光を出す波長変換層を設けることによって、バックライトからの光の利用効率を高めることができるが、波長変換層と表示電極との間隔が広いと画素間の混色を避けるために画素間の距離も広くする必要がある。したがって、高解像度の表示装置を提供することが難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様は、２枚の基板の間に液晶層が挟まれてなる液晶表示装置であって、前記２枚の基板の間に光を偏光する偏光素子を有し、前記偏光素子は二色性染料を用いた染料系偏光素子であり、前記偏光素子に対して液晶層からみて外側に光を波長変換する波長変換層を備えることを特徴とする液晶表示装置である。
【０００８】
ここで、前記偏光素子と前記波長変換層との距離は１００μｍ以下であることが好適である。
【０００９】
また、前記波長変換層は、蛍光体を含むことが好適である。また、前記波長変換層は、量子ドットを含むことも好適である。
【００１０】
また、前記波長変換層は、光を赤、緑、青の波長領域に変換することが好適である。
【００１１】
また、前記波長変換層は、光出力部と前記偏光素子との間に設けられていることが好適である。また、前記偏光素子は、光出力部と前記波長変換層との間に設けられていることが好適である。
【００１２】
このとき、前記波長変換層は、３８０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の波長領域の光を変換することが好適である。また、前記波長変換層は、３８０ｎｍ以下の波長領域の光を変換することが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によって、液晶表示装置の光利用効率を向上させることができると共に、波長変換層と偏光素子との間隔を狭めて高い解像度を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態における液晶表示装置の構成を示す断面模式図である。
【図２】第２の実施の形態における液晶表示装置の構成を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態における液晶表示装置１００は、図１の断面模式図に示すように、偏光層１０、ＴＦＴ基板１２、層間絶縁膜１４、表示電極１６、配向膜１８、液晶層２０、配向膜２２、対向電極２４、偏光板（偏光層）２６、波長変換層２８、対向基板３０及びバックライト３２を含んで構成される。液晶表示装置１００は、矢印で示すように、バックライト３２から光を受けて、波長変換層２８で波長変換された光を偏光層１０側から出力して画像を表示する装置として機能する。なお、図１は模式図であり、各構成要素の大きさ及び厚さは実際の値を反映していない。
【００１６】
本実施の形態では、液晶表示装置１００としてアクティブマトリックス型液晶表示装置を例として説明するが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、単純マトリックス型等の他の態様の液晶表示装置にも適用可能である。
【００１７】
ＴＦＴ基板１２は、基板上にＴＦＴを画素毎に配置して構成される。基板は、ガラス等の透明な基板である。基板は、液晶表示装置１００を機械的に支持すると共に、光を透過して画像を表示するために用いられる。基板は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の樹脂からなるフレキシブル基板としてもよい。
【００１８】
図１では、ＴＦＴが２つ表されている。ＴＦＴのほぼ真ん中の下部（基板上）には、ゲートラインに接続されるゲート電極１２ａが配置される。ゲート電極１２ａを覆ってゲート絶縁膜１２ｂが形成され、このゲート絶縁膜１２ｂを覆って半導体層１２ｃが形成される。ゲート絶縁膜１２ｂは、例えばＳｉＯ2などの絶縁体で形成される。また、半導体層１２ｃは、アモルファスシリコンや、ポリシリコンで形成され、ゲート電極１２ａの直上部分が不純物のほとんどないチャネル領域とされ、両側が不純物ドープによって導電性が付与されたソース領域およびドレイン領域とされる。ＴＦＴのドレイン領域の上にはコンタクトホールが形成され、そこに金属（例えば、アルミニウム）のドレイン電極が配置（電気的に接続）され、ソース領域の上にはコンタクトホールが形成され、そこに金属（例えば、アルミニウム）のソース電極が配置（電気的に接続）される。ドレイン電極はデータ電圧が供給されるデータラインに接続される。
【００１９】
ＴＦＴ基板１２のＴＦＴが形成されていない側の表面には、偏光層１０が形成される。ＴＦＴ基板１２の基板の表面を覆うように偏光層１０が形成される。偏光層１０は、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）系樹脂にヨウ素系材料又は二色性染料によって染色がなされた染色系の偏光素子を含むものとすることが好適である。偏光層１０は、配向膜１８を形成した後に形成してもよい。
【００２０】
ＴＦＴ基板１２のＴＦＴが形成された側の面には、層間絶縁膜１４を介して表示電極１６が設けられる。この表示電極１６は画素毎に分離された個別電極であり、例えばＩＴＯ（インジウム・チン・オキサイド）などによる透明電極である。表示電極１６は、ＴＦＴ基板１２に形成されたソース電極に接続される。
【００２１】
表示電極１６を覆って、配向膜１８が形成される。配向膜１８は、ポリイミド等の樹脂材料によって構成される。配向膜１８は、例えば、ポリイミド樹脂となるＮ−メチル−２−ピロリジノンの５ｗｔ％溶液を表示電極１６上に印刷し、１８０℃から２８０℃程度の加熱により硬化させた後、ラビング布によってラビングを行うことにより配向処理して形成することができる。
【００２２】
次に、対向基板３０側の構成及び製造方法について説明する。対向基板３０は、ガラス等の透明な基板である。対向基板３０は、液晶表示装置１００を機械的に支持すると共に、バックライト３２からの光を透過して波長変換層２８等に入射させるために用いられる。対向基板３０は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の樹脂からなるフレキシブル基板としてもよい。
【００２３】
対向基板３０上には、波長変換層２８が形成される。波長変換層２８は、画素毎に対向基板３０の面内方向にマトリクス状に配置される。波長変換層２８として、後述するバックライト３２からの光を受けて特定の波長領域の光を放出する蛍光体を適用することができる。蛍光体は、画素毎に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれか一つの光を発する材料とすることが好適である。赤色蛍光体にはＥｕ付活硫化物系赤色蛍光体、緑色蛍光体にはＥｕ付活硫化物系緑色蛍光体、青色蛍光体にはＥｕ付活リン酸塩系青色蛍光体を使用することができる。波長変換層２８は、表示させたい色に応じて単一又は複数の蛍光体を含んでいるものとすることができる。
【００２４】
例えば、３８０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の範囲のバックライト３２からの光を吸収して、青色光及び黄色光を発する２種の蛍光体を含んでいる場合には、擬似的に白色光を得ることができる。また、赤色光、緑色光及び青色光の発する３種の蛍光体を含んでいる場合にも同様に白色光を得ることができる。また、ピーク波長が３８０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の範囲のバックライト３２からの光を吸収して任意の色の光を発する単一又は複数の蛍光体を適宜選択して用いることにより、任意の色の光を発することができる液晶表示装置が得られる。
【００２５】
また、例えば、３８０ｎｍ以下の紫外光の波長範囲のバックライト３２からの光を吸収して、所望の波長領域の光を発する青色光及び黄色光を発する２種の蛍光体を含んでいる場合には、擬似的に白色光を得ることができる。また、赤色光、緑色光及び青色光の発する３種の蛍光体を含んでいる場合にも同様に白色光を得ることができる。また、ピーク波長が３８０ｎｍ以下の範囲のバックライト３２からの光を吸収して任意の色の光を発する単一又は複数の蛍光体を適宜選択して用いることにより、任意の色の光を発することができる液晶表示装置が得られる。
【００２６】
また、波長変換層２８は、複数の異なる特性を有する半導体材料を周期的に配置した量子ドット構造によっても実現することができる。量子ドットは、異なるバッドギャップを有する半導体材料をｎｍオーダーの周期で繰り返し配置することによって、所望のバンドギャップを有する材料として機能させるものであり、バックライト３２からの光を受けてバンドギャップに応じた波長領域の光を発する波長変換層２８として利用することができる。具体的には、バックライト３２の出力光の波長領域の光を吸収して、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれか一つの光を発する特性を有する量子ドット構造を形成する。
【００２７】
波長変換層２８上には、偏光板２６が形成される。偏光板２６は、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）系樹脂に二色性染料によって染色がなされた染色系の偏光素子を含むものとすることが好適である。ここで、染料系材料は、アゾ化合物及び／又はその塩を含有することが好適である。
【００２８】
すなわち、以下の化学式を満たす染料系材料を用いることが好適である。
【化１】
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（１）式中Ｒ１、Ｒ２は各々独立に水素原子、低級アルキル基、低級アルコキシル基を示し、ｎは１又は２で示されるアゾ化合物及びその塩。
（２）Ｒ１、Ｒ２が各々独立に水素原子、メチル基、メトキシ基のいずれかである（１）記載のアゾ化合物及びその塩。
（３）Ｒ１、Ｒ２が水素原子である（１）記載のアゾ化合物及びその塩。
【００２９】
例えば、以下に示す工程で得られる材料を用いることが好適である。４−アミノ安息香酸１３．７部を水５００部に加え、水酸化ナトリウムで溶解する。得られた物質を冷却して１０℃以下で３５％塩酸３２部を加え、次に亜硝酸ナトリウム６．９部を加え、５〜１０℃で１時間攪拌する。そこへアニリン−ω−メタンスルホン酸ソーダ２０．９部を加え、２０〜３０℃で攪拌しながら、炭酸ナトリウムを加えてｐＨ３．５とする。さらに、攪拌してカップリング反応を完結させ、濾過して、モノアゾ化合物を得る。得られたモノアゾ化合物を水酸化ナトリウム存在下、９０℃で攪拌し、化学式（２）のモノアゾ化合物１７部を得る。
【化２】
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【００３０】
化学式（２）のモノアゾ化合物１２部、４，４'−ジニトロスチルベン−２，２'−スルホン酸２１部を水３００部に溶解させた後、水酸化ナトリウム１２部を加え、９０℃で縮合反応させる。続いて、グルコース９部で還元し、塩化ナトリウムで塩析した後、濾過して化学式（３）で示されるアゾ化合物１６部を得る。
【化３】
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【００３１】
さらに、化合物（３）の染料を０．０１％、シー・アイ・ダイレクト・レッド８１を０．０１％、特許２６２２７４８号公報の実施例１において示されている下記構造式（４）で示される染料を０．０３％、特開昭６０−１５６７５９号公報の実施例２３において公開されている下記構造式（５）で示される染料０．０３％及び芒硝０．１％の濃度とした４５℃の水溶液に基板として厚さ７５μｍのポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を４分間浸漬する。このフィルムを３％ホウ酸水溶液中で５０℃で５倍に延伸し、緊張状態を保ったまま水洗、乾燥する。これによって、中性色（平行位ではグレーで、直交位では黒色）となる染料系材料を得ることができる。
【化４】
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【化５】
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通常の偏光素子は、樹脂にヨウ素およびヨウ素化合物によって染色した材料で形成されたヨウ素系の偏光素子である。しかしながら、ヨウ素およびヨウ素化合物は熱に弱く、１００℃程度の加熱によって変質してしまう。一方、染料（二色性染料）を用いる偏光素子は、比較的熱に強く、１３０℃程度の加熱であれば変質を防げる。そこで、後述する配向膜２２や対向電極２４の形成時の成膜温度の影響を受けることなく、対向基板３０と配向膜２２との間に偏光板２６を形成することが可能になる。
【００３２】
偏光板２６上には、対向電極２４が形成される。対向電極２４は、例えばＩＴＯ（インジウム・チン・オキサイド）などによる透明電極である。
【００３３】
対向電極２４上には、配向膜２２が形成される。配向膜２２は、ポリイミド等の樹脂材料によって構成される。配向膜２２は、例えば、ポリイミド樹脂となるＮ−メチル−２−ピロリジノンの５ｗｔ％溶液を対向電極２４上に印刷し、１１０℃から２８０℃程度の加熱により硬化させた後、ラビング布によってラビングを行うことにより配向処理して形成することができる。配向膜２２の配向方向は、配向膜１８の配向方向と直交する方向とする。
【００３４】
このとき光配向膜を用いることも可能で、光配向膜を用いれば１３０℃以下の低温プロセスが容易になる。特にＩＰＳ方式を用いる場合は、プレチルトを低くすることが可能であるので好都合である。
【００３５】
さらに、配向膜１８と配向膜２２とを向かい合わせるようにして、配向膜１８と配向膜２２との間に液晶層２０が封止される。配向膜１８と配向膜２２との間にスペーサ（図示しない）を挿入し、配向膜１８と配向膜２２との間に液晶を注入して周囲を封止材（図示しない）によって封止することにより液晶層２０が形成される。
【００３６】
液晶層２０は、配向膜１８と配向膜２２とによって配向が制御され、液晶層２０の液晶の初期（電界非印加時）の配向状態は配向膜１８と配向膜２２とによって決定される。そして、表示電極１６と対向電極２４との間に電圧を印加することによって、表示電極１６と対向電極２４との間に電界が生じて液晶層２０の配向が制御されて光の透過／不透過が制御される。
【００３７】
バックライト３２は、光を出力する光源を含んで構成される。光源は、例えば、ＬＥＤとすることが好適である。バックライト３２から出力される光の波長は、波長変換層２８において波長変換に有効に利用され得る波長領域の光とすることが好適である。例えば、バックライト３２は、ピーク波長が３８０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の波長領域の光を出力する光源又は３８０ｎｍ以下の波長領域の光を出力する光源とすることが好適である。
【００３８】
液晶表示装置１００によれば、バックライト３２からの光を波長変換層２８にて波長変換して利用することによって、光の利用効率を高めることができる。これに伴って、液晶表示装置１００におけるエネルギー効率を向上させることができ、低消費電力の液晶表示装置１００を実現することができる。なお、波長変換層２８として、量子ドット構造の半導体層を適用することにより、蛍光体を利用する場合に比べてさらに低消費電力とすることができる。
【００３９】
また、対向基板３０と液晶層２０との間に偏光板２６を形成したインセル型の構造とすることによって、波長変換層２８も対向基板３０と液晶層２０との間に設けることが可能となり、発光体と表示電極１６及びＴＦＴ基板１２との距離を従来より近づけることができる。例えば、対向基板３０は５００μｍ程度の厚みがあり、対向基板３０とバックライト３２との間に偏光板２６を形成した場合に比べて、対向基板３０の厚みだけ波長変換層２８を表示電極１６及びＴＦＴ基板１２に近づけることができる。これによって、画素間の混色を避けるための画素間の距離の余裕を小さくすることができる。したがって、高解像度の液晶表示装置１００を提供することができる。
【００４０】
また、偏光層１０として、３８０ｎｍ以下の波長領域の光を透過する材料とすることによって、屋外での視認性を向上させることができる。
【００４１】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態における液晶表示装置２００は、図２の断面模式図に示すように、バックライト３２を対向基板３０側に設けて、対向基板３０を出力側とした構造とする。すなわち、液晶表示装置２００は、矢印で示すように、バックライト３２から光を受けて、液晶層２０等で透過／不透過の制御を受けた後、波長変換層２８で波長変換された光を偏光層１０側から出力して画像を表示する装置として機能する。なお、図２は模式図であり、各構成要素の大きさ及び厚さは実際の値を反映していない。
【００４２】
液晶表示装置２００では、偏光層１０から対向基板３０までの構成は上記第１の実施の形態と同様に形成することができるので説明を省略する。
【００４３】
液晶表示装置２００では、対向基板３０の外側表面にカットフィルタ３４を設けることが好適である。カットフィルタ３４は、波長変換層２８で波長変換の影響を受ける波長領域の光を遮断するフィルタとする。具体的には、カットフィルタ３４は、４２０ｎｍ以下の波長領域の光を遮断するフィルタとすることが好適である。
【００４４】
液晶表示装置２００によれば、バックライト３２からの光を波長変換層２８にて波長変換して利用することによって、光の利用効率を高めることができる。これに伴って、液晶表示装置２００におけるエネルギー効率を向上させることができ、低消費電力の液晶表示装置２００を実現することができる。なお、波長変換層２８として、量子ドット構造の半導体層を適用することにより、蛍光体を利用する場合に比べてさらに低消費電力とすることができる。また、液晶表示装置２００では、発光型ディスプレイに近い表示特性を得ることができる。また、液晶表示装置２００では、視野角依存性を小さくすることができる。
【００４５】
また、対向基板３０と液晶層２０との間に偏光板２６を形成したインセル型の構造とすることによって、波長変換層２８も対向基板３０と液晶層２０との間に設けることが可能となり、発光体と表示電極１６及びＴＦＴ基板１２との距離を従来より近づけることができる。これによって、画素間の混色を避けるための画素間の距離の余裕を小さくすることができる。したがって、高解像度の液晶表示装置２００を提供することができる。
【００４６】
また、カットフィルタ３４を設けることによって、屋外での視認性を向上させることができる。
【００４７】
また、実施例２の偏光板２６は、使用する光源の発光スペクトルに合わせ、短波長の光を偏光にすることが可能な二色性色素、例えばオレンジ系の色素Ｏ−２ＧＬ単一からなる染料系偏光層を使用すれば、混合系の染料系偏光層に比較し、高い偏光特性を実現することができ、コントラストの高い表示が実現可能となる。偏光層１０についても同様のことがいえる。
【符号の説明】
【００４８】
１０  偏光層、１２  ＴＦＴ基板、１２ａ  ゲート電極、１２ｂ  ゲート絶縁膜、１２ｃ  半導体層、１４  層間絶縁膜、１６  表示電極、１８  配向膜、２０  液晶層、２２  配向膜、２４  対向電極、２６  偏光板、２８  波長変換層、３０  対向基板、３２  バックライト、３４  カットフィルタ、１００，２００  液晶表示装置。
【図１】
2017097251.tif 000008
【図２】
2017097251.tif 000009