JP2006323305A

JP2006323305A - 表示装置

Info

Publication number: JP2006323305A
Application number: JP2005148545A
Authority: JP
Inventors: Tokuo Koma; 徳夫小間
Original assignee: Sanyo Epson Imaging Devices Corp
Current assignee: Epson Imaging Devices Corp
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】フロントライトとして照明部を備えた、液晶表示装置（ＬＣＤ）において、高コントラスト化を図る。
【解決手段】照明部２００は、透明基板１０と透明基板２０の間の有機ＥＬ層１５が挟まれて形成されている。有機ＥＬ素子層１５の陰極層１２を覆って遮光層１６が形成されている。照明部２００は反射型ＬＣＤ３００の上方に配置される。反射型ＬＣＤ３００は、偏光板３７、光散乱層３６、対向基板３４、共通電極３５、液晶層４０、ＴＦＴ基板３０を備えている。ここで、陽極層１１、透明基板１０、樹脂層４５、偏光板３７、光散乱層３６、対向基板３４、共通電極３５の７つの層の屈折率をそれぞれ、ｎ（１），ｎ（２），ｎ（３），ｎ（４），ｎ（５），ｎ（６），ｎ（７）とすると、１．３３＞ｎ（ｋ）／ｎ（ｋ＋１）＞０．７５（ｋ＝１〜６）という関係に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明部を備えた表示装置に関する。

液晶表示装置（以下ＬＣＤという）は、薄型で低消費電力であるという特徴を備え、現在コンピュータのモニターや、携帯電話等の携帯情報機器のモニターとして広く用いられている。ＬＣＤには、透過型ＬＣＤ、反射型ＬＣＤ、半透過型ＬＣＤがある。
透過型ＬＣＤは、液晶に電圧を印加するための画素電極として透明電極を用い、ＬＣＤの後方にバックライトを配置し、このバックライトの透過光量を制御することで周囲が暗くても明るい表示ができる。しかし、昼間の屋外のように外光が強い環境では、十分なコントラストが確保できない特性がある。

反射型ＬＣＤは、太陽光や室内灯などの外光を光源として用い、ＬＣＤに入射するこれらの外光を、観察面側の基板に形成した反射層から成る反射画素電極によって反射する。そして、液晶に入射し、反射画素電極で反射された光のＬＣＤパネルからの射出光量を画素毎に制御することで表示を行う。この反射ＬＣＤは、光源として外光を用いるため、外光がない環境では表示を行えないという問題がある。

半透過型ＬＣＤは、透過機能と反射機能の両方を併せ持ち、周囲が明るい環境にも暗い環境にも対応することができる。しかしながら、この半透過型ＬＣＤでは、１つの画素内に、透過領域と反射領域を有するため、１画素当たりの表示効率が悪いという問題があった。

そこで、反射型ＬＣＤにフロントライトを設けることで暗い環境下でも表示を可能とすることが考えられた。図８はフロントライトが設けられた反射型ＬＣＤを示す図である。反射型ＬＣＤ１００の表示面に対向して透明アクリル板１１０が配置されている。この透明アクリル板１１０の反射型ＬＣＤと対向する面と反対側の面には複数の逆三角形状の溝１１１が形成されている。また、透明アクリル板１１０の側面には光源１１２が配置されている。光源１１２から透明アクリル板１１０に導入された光は、溝１１１の傾斜面で反射型ＬＣＤ１００の方向に屈折され、反射型ＬＣＤ１００の表示面に入射される。
特開平５−３２５５８６号公報特開２００３−２５５３７５号公報

しかしながら、光源１１２から透明アクリル板１１０の中に導入された光は、透明アクリル板１１０に設けられた溝１１１の傾斜面で反射型ＬＣＤ１００の方向に屈折されるとともに、それとは逆方向である観察者１１３がいる方向にも多少は反射されるため、その光が透明アクリル１１０から漏れ出て観察者の目に入り、ＬＣＤのコントラストを低下させるという問題があった。

本発明の表示装置は、液晶表示部上に配置された照明部を備え、前記照明部は、第１の基板上に形成された発光薄体を備え、前記液晶表示部は、複数の画素を有し、前記発光薄体から放射された光を受ける反射画素電極が各画素の中に形成された第２の基板と、前記第２の基板上に対向して配置され、その表面に共通電極が形成された第３の基板と、前記第２の基板と前記第３の基板との間に封入された液晶層と、を備え、前記発光薄体と前記液晶層との間に挿入され、互いに隣接した２つの層の屈折率をそれぞれｎ１，ｎ２とすると、１．３３＞ｎ１／ｎ２＞０．７５という関係が成り立つことを特徴とするものである。

本発明の表示装置によれば、明るい環境下、暗い環境下の両方においてコントラストの高いＬＣＤ表示を実現することができる。

次に本発明の第１の実施形態に係る表示装置について、図面を参照しながら説明する。図２は照明部２００が設けられた反射型ＬＣＤ３００を照明部２００側から見た平面図であり、図１は図２のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図１に示すように、この実施形態では、反射型ＬＣＤ３００の表示面に対向して、その上方に照明部２００が配置されている。

まず、照明部２００の構造について説明する。ガラス基板等からなる透明基板１０と透明基板２０の間に、有機エレクトロルミネッセンス素子層１５（以下、「有機ＥＬ素子層１５」と称する）が挟まれて形成されている。有機ＥＬ素子層１５は、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）やＩＺＯ（ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）等の透明導電材料からなり、透明基板１０上の実質的に全面に形成された陽極層１１と、この陽極層１１上に形成された有機層１３、有機層１３上に形成され、一定のピッチを有する格子の形状にパターニングされた陰極層１２とから成る。

有機層１３は、電子輸送層、発光層、正孔輸送層からなる。また、陰極層１２は例えば、アルミニウム層（Ａｌ層）、又はマグネシウム層（Ｍｇ層）と銀層（Ａｇ層）からなる積層体、又はカルシウム層（Ｃａ層）からなる。ここで、陽極層１１の厚さは１００ｎｍ、陰極層１２の厚さは、５００ｎｍ、有機層１３の厚さは１００ｎｍであることが好ましい。なお、有機ＥＬ素子層１５の代わりに無機ＥＬ素子層を用いることもできる。

有機ＥＬ素子層１５において、陽極層１１と陰極層１２で上下に挟まれた有機層１３の部分が発光領域１３ａとなる。即ち、陰極層１２の直下にある有機層１３が発光領域１３ａであり、この発光領域１３ａも平面的に見ると陰極層１２と同じ格子の形状を有している。発光領域１３ａは陽極層１１に正の電位、陰極層１２に負の電位を印加することで発光する。

それ以外の領域の有機層１３は発光せず、非発光領域となる。また、格子の形状にパターニングされた陰極層１２の上面を覆って遮光層１６が形成されている。遮光層１６も陰極層１２と同じ格子の形状にパターニングされている。遮光層１６は、発光領域１３ａから上方に放射される光を遮るためのものなので、そのためには光を反射する光反射層か、若しくは光を吸収する光吸収層であればよい。遮光層１６の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。

光反射層は、例えばクロム（Ｃｒ）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等で形成することができる。光吸収層は、ホトレジスト材料に黒色顔料を含有させた黒色顔料層、ホトレジスト材料に黒色染料を含有させた黒色染料層もしくは酸化クロム層等で形成することができる。

前記発光領域１３ａから下方へ向かう光は、透明な陽極層１１及び透明基板１０を通して反射型ＬＣＤ３００へ照射される。また発光領域１３ａから上方へ向かう光は陰極層１２と遮光層１６によって、下方へ反射されるか、吸収されるため、照明部２００の上方にいて下方を見ている観察者１１３の目に発光領域１３ａからの光が直接入ることが極力防止される。

上記構成では、陰極層１２が一定のピッチを有する格子の形状にパターニングされ、陽極層１１はパターニングされていないが、陰極層１２と陽極層１１とを入れ替えても良い。即ち、図１において、陽極層１１を陰極層１２の位置に配置し、陰極層１２を陽極層１１の位置に配置してもよい。陽極層１１がパターニングされ、陰極層１２はパターニングされないことになる。

また、陽極層１１及び陰極層１２については全くパターニングしないで全面に形成し、その代わりに、有機層１３を構成している電子輸送層、発光層、正孔輸送層の３層のうち、少なくとも１層がパターニングされていてもよい。即ち、これらの３層がいずれも形成されている領域が発光領域となり、３層のうちいずれかの層が欠けている領域が非発光領域となる。

また、遮光層１６の幅は、パターニングされた陰極層１２（又は陽極層）の幅よりも大きいことが、遮光効果を高める上で好ましい。図３に示すように、パターニングされた陰極層１２（又は陽極層）のエッジと遮光層１６のエッジとの間の距離Ｌ１は、有機層１３の発光領域１３ａの厚さとパターニングされた陰極層１２（又は陽極層）の厚さの合計Ｌ２と等しいかそれよりも大きいことが遮光効果をさらに高める上で好ましい。

また、パターニングされた陰極層１２（又は陽極層）の格子のピッチ（図２において、Ｐ１、Ｐ２の寸法）は、１ｍｍ以下であることが、観察者１１３の目に違和感を与えないようにする上で好ましい。

次に、上述の照明部２００によって照明される反射型ＬＣＤ３００の構造及び照明部２００との結合関係について説明する。ガラス基板からなるＴＦＴ基板３０上の画素毎にスイッチング用の薄膜トランジスタ３１（以下、ＴＦＴと称する）が形成されている。ＴＦＴ３１は層間絶縁膜３２によって被覆されており、層間絶縁膜３２上には各ＴＦＴ３１に対応してアルミニウム（Ａｌ）のような反射材料からなる画素電極３３が形成されている。画素電極３３は対応するＴＦＴ３１のドレイン又はソースに、層間絶縁膜３２に形成されたコンタクトホールＣＨを通して接続されている。

画素電極３３が形成されたＴＦＴ基板３０と対向して、ガラス基板からなる対向基板３４が配置されている。対向基板３４の表面にはＩＴＯからなる共通電極３５が形成されている。対向基板３４の裏面には、拡散粘着層からなる光散乱層３６、偏光板３７がこの順番で積層されている。光散乱層３６は照明部２００からの光を散乱して、画素電極３３に均一に照射されるようにするためのものである。この対向基板３４とＴＦＴ基板３０の間に液晶層４０が封入されている。

上述の構成によれば、照明部２００から放射される光は、偏光板３７によって所定の方向に偏光を受け、さらに光散乱層３６、対向基板３４、共通電極３５を通過して液晶層４０に導入され、画素電極３３によって反射される。画素電極３３によって反射された光は、同じ経路を逆戻りして、格子の形状にパターニングされた遮光層１６の隙間を通して観察者１１３に視認される。このとき、画素電極３３と共通電極３５の間に印加される電界によって、光の透過率が画素毎に変化する。これにより、画素電極３３によって反射される光の強度が画素毎に変化することでＬＣＤ表示を実現することができる。前述したように、照明部２００には遮光層１６が設けられているため、発光領域１３ａからの光の漏れが極力防止されているため、ＬＣＤ表示のコントラストを高くすることができる。

照明部２００は反射型ＬＣＤ３００の上方に近接して配置されることが好ましい。しかしながら、照射装置２００と反射型ＬＣＤ３００の間に空気層が存在すると、照明部２００の透明基板１０から放射された光が空気層に入るときに透明基板１０と空気層との界面で反射して光が観測者側に戻り、ＬＣＤ表示のコントラストを低下させるおそれがある。そこで、透明基板１０と同じ屈折率を有した樹脂層４５（例えばＵＶキュアラブル樹脂層又は可視光キュアラブル樹脂層）を介して照射装置２００と反射ＬＣＤ３００とを接合することで、光の屈折を防止することが好ましい。

次に、照明部２００から放射される光や、透明基板２０を通して入射される外光の反射を防止してＬＣＤ表示のコントラストをさらに高めるための構成について説明する。前述したように、照明部２００から透明基板１０を通して放射される光、あるいは外光は、陽極層１１、樹脂層４５、偏光板３７、光散乱層３６、対向基板３４、共通電極３５を通過して液晶層４０に導入される。このとき、図４に示すように、照明部２００から透明基板１０を通して放射される光、あるいは外光は、互いに隣接した２つの層の界面（例えば、陽極層１１と透明基板１０の界面、透明基板１０と樹脂層４５の界面など）で反射を受ける。

一般に、２つの層の屈折率の差が大きいほど、その２つの層の界面での光の反射率は大きくなる。２つの層の屈折率をそれぞれｎ１，ｎ２とする。図５に示すように、屈折率ｎ１の層から屈折率ｎ２の層に光が入射して、それらの層の界面で光が反射される場合について説明する。

この場合、２つの層の界面での反射率は次の数式１、数式２で表される。

ここで、Ｒ_Ｐは、入射面内で振動する偏光成分（Ｐ波）の反射率、Ｒ_Ｓは入射面に対して垂直に振動する偏光成分（Ｓ波）の反射率である。θは入射光の入射角、θ’はその屈折角である。正面からの入射光、すなわち２つの層の界面に対する垂直方向からの入射光については、θ＝θ’＝０°であるので、Ｒ_Ｐ＝Ｒ_Ｓ＝Ｒが成り立つ。数式１をＲについて解くと、次の式３が導かれる。

この数式３を変形すると、ｎ１，ｎ２は、数式４または数式５で表される関係となる。

２つの層の界面での光の反射が大きいとその反射光が観察者によって視認されるのでＬＣＤ表示のコントラストが低下する。そこで、本発明の表示装置においては、互いに隣接する２つの層の界面での反射率は、コントラストの低下を考慮すると、正面からの入射光の反射率Ｒを２％以下に抑えることが必要である。この条件を満たす屈折率は数式４、数式５から以下の数式６のように導き出すことができる。

すなわち、ＬＣＤ表示のコントラストの低下を抑止するために、隣接した２つの層の屈折率の関係を数式６のように設定することが必要である。また、ＬＣＤ表示のコントラストの低下を更に抑止するために、正面からの入射光の反射率Ｒを１％以下に設定することが更に好ましい。

本実施形態において、陽極層１１、透明基板１０、樹脂層４５、偏光板３７、光散乱層３６、対向基板３４、共通電極３５の７つの層の屈折率をそれぞれ、ｎ（１），ｎ（２），ｎ（３），ｎ（４），ｎ（５），ｎ（６），ｎ（７）とすると、それぞれの層の界面での反射率を２％以下に抑えるためには、次の式８の関係が成り立つこと必要である。また、それぞれの層の界面での反射率を１％以下に抑えるためには、次の数式９の関係が成り立つこと必要である。数式８，数式９において、ｋ＝１〜６である。

これらの７つの層の中、削除される層がある場合には、残りの層について上記の関係が満たされればよい。例えば、透明基板１０、樹脂層４５、光散乱層３６が削除された場合には、残りの４つの層、陽極層１１、偏光板３７、対向基板３４、共通電極３５の間で、上記の数式８あるいは数式９の関係が成り立っていればよい。

次に、照明部２００と反射型ＬＣＤ３００の画素との配置関係について説明する。反射型ＬＣＤ３００は行方向及び列方向に、同じ寸法を有する複数の画素が同じピッチで配列されている。図１では、画素の行方向のピッチＰ３（画素電極３３のピッチ）が示されている。

また、各画素は、１つのＴＦＴ３１、１つの画素電極３３を有する。照明部２００の陰極層１２及び遮光層１６の格子のピッチは画素のピッチと同じである。即ち、格子の行方向のピッチＰ２は画素の行方向のピッチＰ３と同じであり、かつ格子の列方向のピッチＰ１は画素の列方向のピッチと同じである。この場合、照明部２００の陰極層１２及び遮光層１６は、ＬＣＤ表示に寄与しない画素電極３３の離間領域ＳＲの真上に配置することが好ましい。これにより、画素電極３３で反射された光の大部分が遮光層１６で遮られることなく格子の隙間を通って観察者１１３に視認されるようになる利点がある。

また、照明部２００の陰極層１２及び遮光層１６の格子のピッチ（行方向及び列方向のピッチ）は、画素のピッチ（行方向及び列方向のピッチ）よりも小さく、かつ画素のピッチに対する格子のピッチの比（格子のピッチ／画素のピッチ）を１／自然数としてもよい。格子のピッチと画素のピッチが同じであると、ＬＣＤ表示において干渉縞やモアレ縞（ｍｏｉｒｅ）が生じるが、このように設定することでそのような現象を防止することができる。

また、逆に、照明部２００の陰極層１２及び遮光層１６の格子のピッチ（行方向及び列方向のピッチ）は、画素のピッチ（行方向及び列方向のピッチ）よりも大きく、かつ画素のピッチに対する格子のピッチの比（格子のピッチ／画素のピッチ）を自然数としてもよい。このように設定することによっても干渉縞やモアレ縞（ｍｏｉｒｅ）を防止することができる。

次に本発明の第２の実施形態に係る表示装置について、図面を参照しながら説明する。図６はこの照明部２１０が設けられた反射型ＬＣＤ３００を照明部２１０側から見た平面図であり、図７は図６のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。図７に示すように、この実施形態では、反射型ＬＣＤ３００の表示面に対向して、その上方に照明部２１０が配置されている。被照明物である反射型ＬＣＤ３００については、第１の実施形態のものと同様であるため説明を省略する。

この照明部２１０は、第１の実施形態と異なり、発光薄体として有機ＥＬ素子１５の代わりに、ガラス基板等の透明基板５０上に形成され、格子の形状を有した導光薄板５１と、この導光薄板５１に光を供給する光源５２を用いたものである。他の構成については、第１の実施形態と同様である。

導光薄板５１は、１μｍの厚さを有する透明樹脂からなる格子である。格子の行方向及び列方向のエッジには光源５２が配置され、それらのエッジから光源５２からの光が導光薄板５１の中に供給され、導光薄板５１の外部へ放射される。したがって、導光薄板５１は格子形状の光源となる。導光薄板５１の観察者１１３側の面には遮光層５３が接着されている。遮光板５３が接着された導光薄板５１は、もう１枚の透明基板５５によって覆われていてもよい。

前記導光薄板５１から下方へ向かう光は、透明基板５０を通して反射型ＬＣＤ３００へ照射される。また導光薄板５１から上方へ向かう光は遮光層５３によって、下方へ反射されるか、吸収されるため、照明部２００の上方にいて下方を見ている観察者１１３の目に導光薄板５１からの光が直接入ることが極力防止される。

また、第１の実施形態と同様に、ＬＣＤ表示のコントラストの低下を抑えるために、隣接した２つの層の界面での入射光の反射率を２％以下に、更に好ましくは１％以下に設定する。

すなわち、透明基板５０、樹脂層４５、偏光板３７、光散乱層３６、対向基板３４、共通電極３５の６つの層の屈折率をそれぞれ、ｎ（１），ｎ（２），ｎ（３），ｎ（４），ｎ（５），ｎ（６）とすると、上記の数式８、さらに好ましくは数式９の関係が成り立つことである。この場合、数式８，数式９において、ｋ＝１〜５である。

これらの６つの層の中、削除される層がある場合には、残りの層について上記の数式８あるいは数式９の関係が満たされればよい。例えば、透明基板５０、樹脂層４５、光散乱層３６が削除された場合には、残りの３つの層、偏光板３７、対向基板３４、共通電極３５の間で、数式８あるいは数式９の関係が成り立っていればよい。

なお、上記実施形態において、画素電極３３はアルミニウム（Ａｌ）のような反射材料からなるとしたが、これに限定されず、例えばＩＴＯからなる透明電極と反射膜の積層体であってもよい。また、実施形態の照明部２００には陰極層１２を覆う遮光層１６が形成されたが、遮光層１６の形成は省略されてもよい。この場合、発光領域１３ａから光が僅かに観察者１１３側に漏れるものの、陰極層１２が遮光層として兼用される。

本発明の第１の実施形態に係る表示装置の断面図である。本発明の第１の実施形態に係る表示装置が設けられた反射型ＬＣＤを照明部側から見た平面図である。本発明の第１の実施形態に係る表示装置照明部の拡大部分断面図である。本発明の第１の実施形態に係る表示装置の断面図である。隣接する２つの層の界面での反射を説明する断面図である。本発明の第２の実施形態に係る表示装置を照明部側から見た平面図である。本発明の第２の実施形態に係る表示装置の断面図である。従来例に係る照明部が設けられた反射型ＬＣＤの断面図である。

符号の説明

１０透明基板１１陽極層１２陰極層
１３有機層１３ａ発光領域１５有機ＥＬ素子層
１６遮光層２０透明基板３０ＴＦＴ基板
３１薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）３２層間絶縁膜
３３画素電極３４対向基板３５共通電極
３６光散乱層３７偏光板４０液晶層
４５樹脂層５０透明基板５１導光薄板
５２光源５３遮光板５５透明基板
１００反射型ＬＣＤ１１０透明アクリル板１１１逆三角形状の溝
１１２光源１１３観察者

Claims

液晶表示部上に配置された照明部を備え、
前記照明部は、第１の基板上に形成された発光薄体とを備え、
前記液晶表示部は、複数の画素を有し、前記発光薄体から放射された光を受ける反射画素電極が各画素の中に形成された第２の基板と、前記第２の基板上に対向して配置され、その表面に共通電極が形成された第３の基板と、前記第２の基板と前記第３の基板との間に封入された液晶層と、を備え、
前記発光薄体と前記液晶層との間に挿入され、互いに隣接した２つの層の屈折率をそれぞれｎ１，ｎ２とすると、１．３３＞ｎ１／ｎ２＞０．７５という関係が成り立つことを特徴とする表示装置。
前記第１の基板と前記第３の基板の間に、光散乱層、偏光板及び樹脂層が挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記発光薄体は、エレクトロルミネッセンス素子から成ることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記発光薄体の上面を覆って配置された遮光層を備えることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。