JPH04362919A - カラー液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カラーフィルタと液晶
、特にツイステッド・ネマティック液晶とを組み合せて
構成されるカラー液晶表示装置の改善に係り、コントラ
スト，色再現性に優れたカラー液晶表示装置を提供する
ものである。

【０００２】本発明は、テレビやビデオモニター等のカ
ラー映像表示装置あるいはコンピュータ端末等に用いら
れる。

【０００３】

【従来の技術】液晶表示装置は、薄型で低電圧駆動でき
消費電力が小さいという特徴をもつことから、平面型表
示素子として最近急速に市場のニーズが高まってきてい
る。従来モノカラーのものが主流であったが、カラーフ
ィルタを用いたカラー液晶表示装置も商品化されようと
している。

【０００４】この様なカラー液晶表示装置に使われる液
晶のモードとしては、動的散乱（以後ＤＳＭと略記），
ツイステッド・ネマティック（同ＴＮ），ゲスト・ホス
ト（同ＧＨ）などが考えられるが、ここではＴＮ液晶と
赤（以後Ｒと略記），緑（同Ｇ），青（同Ｂ）のカラー
フィルタを組み合せて構成されるカラー液晶表示装置を
従来例として説明する。

【０００５】従来例の構成を述べる前に、本発明の基本
概念となるＴＮ液晶の光学的性質について簡単に述べる
。

【０００６】図１は透過型のＴＮ液晶表示素子の表示原
理を示す。液晶１，透明基板２ａ，２ｂが液晶セルを構
成し、偏光板３ａ，３ｂは各々の偏光軸が平行になる様
に配置されている。図中の矢印は入射光の進行方向なら
びに偏波面を表わす。

【０００７】この時、電圧無印加では液晶セルは光を遮
断し図１（ａ）、あるしきい値（以下Ｖｔｈと略記）以
上の電圧を印加すると図１（ｂ）、電界方向に浴うよう
に液晶は再配列し（液晶の誘電率異方性は正とする）、
入射した光はそのまま液晶セルを通過する。これにより
明暗のコントラストを形成出来る。上に述べたような電
圧無印加時に暗状態となるのを、ノーマリーブラックと
定義する。

【０００８】図１に示すような光学系、即ちノーマリー
ブラックで電圧無印加時の透過率Ｔは、理想的には零と
なると考えられるのであるが、実際にはＴＮ液晶の旋光
分散により、セルに入射した直線偏光が楕円偏光となり
一部セルを通過する。この通過する光の透過率ＴはＣ．
Ｈ．ＧｏｏｃｈとＨ．Ａ．Ｔａｒｒｙにより次式（Ｊ．
Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８，１５７５（１
９７５））で表わされている。

【０００９】 　　　　Ｔ＝（１＋ｕ２　）−１ｓｉｎ２　〔θ（１＋
ｕ２　）１／２　〕………………（１）ただし 　　　　ｕ＝πｄΔｎ／０λ　　　　　　　　　　……
……………………………………（２）ここでｄは液晶層
の厚み、Δｎは液晶の複屈折θはＴＮ液晶のツイスト角
、λは入射光の波長をそれぞれ表わす。

【００１０】一般に液晶のΔｎには波長依存性がある。 図２に液晶として（株）チッソ社製ＬＩＸＯＮ９１５０
を例にとり、（以下この液晶をモデルに話を進める）そ
のΔｎの波長依存性を示す。このΔｎの波長依存のデー
タに基づき、ツイスト角θが９０°のセルの分光透過特
性をＧｏｏｃｈ−Ｔａｒｒｙの式（１）よりｄが５μｍ
と８μｍの場合について、プロットしたものが図３であ
る。

【００１１】図３からもわかるように可視領域（４００
〜７００ｎｍ）でピークでは１０％程度の透過率を示し
、電圧無印加時でも完全には光を遮断しない。さらに同
図の様な分光透過特性を示すため、ｄが５μｍのセルで
は赤紫に、８μｍでは黄色に着色して見える。ただ５μ
ｍでは波長５７０ｎｍ近辺、８μｍでは４４０ｎｍ近辺
の光は遮断する。

【００１２】従ってＴＮモードの液晶を用いれば、電圧
無印加時の暗状態での光の漏れならびに着色という問題
が存在する。モノカラーの表示を行なう場合には、これ
はそれほど大きな問題とならないが、カラー表示を行な
う場合には大きな障害となる。これらをもとに従来のカ
ラーフィルタと組み合せたカラー液晶表示装置について
説明する。

【００１３】図４に従来のカラー液晶表示装置のセル断
面図を示す。図４において４は例えば図５に示すような
マトリクス状に配置されたＲ．Ｇ，Ｂのカラーフィルタ
、６ａ，６ｂは電圧無印加時の液晶１の初期配向を制御
するための配向膜で、透明電導膜５ａ，５ｂ間に電圧を
印加すれば、液晶１の分子配列を変化させ、液晶セルを
通過する光を変調する。

【００１４】この時、Ｒ，Ｇ，Ｂの各カラーフィルタに
対応する液晶をＶｔｈ以上の適当な電圧巾で駆動すれば
、Ｒ，Ｇ，Ｂの加法混色によりフルカラー表示すること
が出来る訳である。なおＲ，Ｇ，Ｂの各カラーフィルタ
の分光特性の一例を図６に示す。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】そこで問題となってく
るのが、先述した電圧無印加時の光の漏れと着色である
。

【００１６】コントラスト比は、（明状態の光透過率）
／（暗状態の光透過率）で定義されるが、従来の構成で
は電圧無印加時即ち暗状態での光の漏れが、コントラス
ト比を下げるという問題があった。

【００１７】また従来の構成では液晶層の厚みｄがＲ，
Ｇ，Ｂどのカラーフィルタ部でも均一であるため、例え
ばｄ＝５μｍの場合には、図３，図６からもわかる様に
、電圧無印加時、Ｇ，Ｒのカラーフィルタ部では光を遮
断するが、Ｂのフィルタ部では光を遮断せず、電圧無印
加時に、全体としてすでに青もしくは紫色に着色すると
いう問題があった。これはフルカラー表示する上で非常
に大きな妨げとなるものである。

【００１８】しかるにＧｏｏｃｈ−Ｔａｒｒｙの式（１
）からもわかる通り、液晶層の厚みが大きくなると（約
１０μｍ以上）電圧無印加時の透過率が小さくなり、そ
れに伴い着色も比較的小さくなり、上記２つの問題は緩
和される。しかし、ｄが大きくなると、電圧ＯＮ−ＯＦ
Ｆに対する液晶の応答時間が遅くなり、液晶パネルの視
野角もせまくなり、視差による色ずれも起こる。 したがってカラー液晶表示装置の性能としては全く劣悪
なものとなる。

【００１９】ＴＮモードの液晶を使うカラー液晶表示に
おいて、上記応答時間、視野角、色ずれの問題にも鑑み
、比較的小さな液晶層の厚み（４〜６μｍ）で、電圧無
印加時の光の漏れ、着色という２つの問題を解決するこ
とは、図４に示すようなＲ，Ｇ，Ｂ部で液晶層の厚みが
均一である従来の構成をとる限り不可能である。

【００２０】本発明は上述した従来例の欠点に鑑みなさ
れたもので、電圧無印加時の液晶セルの光の漏れと着色
を最小限におさえ、コントラストが高く色再現性に優れ
たカラー液晶表示装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＴＮモードの
液晶を用い、Ｒ，Ｇ，Ｂ等の各カラーフィルタに対応す
る液晶層の厚みをそれぞれ光学的に最適化し、赤，緑，
青の各波長に対して線スペクトルに近い分充放射特性を
もつ白色光源と前記カラーフィルタとを組合せて用いる
ことを特徴とするものであることにより、優れた性能の
カラー液晶表示装置を提供するものである。

【００２２】

【作用】本発明は上記した構成により鮮明な優れた色表
示が可能となる。

【００２３】

【実施例】ここではＴＮモードの液晶を用いた透過型の
カラー液晶表示装置を実施例として詳細に述べる。

【００２４】さて、図６で示すような分光特性をもつＲ
，Ｇ，Ｂの各カラーフィルタに合わせて、図７に示すよ
うな分光強度をもつ白色光源〔（株）松下電子工業製パ
ルック螢光燈〕を選択する。そしてＲ，Ｇ，Ｂを６１０
ｎｍ，５４５ｎｍ，４５０ｎｍの各波長で代表させるこ
とにする。

【００２５】光源は図７の分光透過特性を見ればわかる
ように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長に対し線スペクトルに近い
特性をもつ白色光源であり、このことが本発明の実施例
に対し非常に有効で、例えば白熱電灯のような連続スペ
クトルをもつもの、あるいはＥＬ等の単色光源ではその
有効性は減じる。

【００２６】そこで先述した図１に示すようなΔｎの波
長分散をもつＬＩＸＯＮ９１５０を液晶材料として用い
るとする。（１）式に基づくと、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長の
光は、液晶層の厚みｄに応じてノーマリーブラックで電
圧無印加時には図８に示すような透過特性を示す。図８
でグラフの左端は省略されてあるがＲ，Ｇ，Ｂの各曲線
はｄが０に近づくにつれ単調に増加し、ｄ＝０μｍです
べて１になる。

【００２７】このグラフからもわかる通り、Ｒ，Ｇ，Ｂ
の各波長の光に対し、液晶層の厚みが小さい方からみて
いくと、それぞれ５．４μｍ，４．８μｍ，３．７μｍ
の時にＴ＝０となり液晶層で完全に光は遮断される。即
ちＲ，Ｇ，Ｂの各カラーフィルタに対応する液晶層の厚
みをそれぞれｄＲ，ｄＧ，ｄＢとしたときｄＲ＝５．４
μｍ，ｄＧ＝４．８μｍ，ｄＢ＝３．７μｍにすれば、
電圧無印加時、各フィルタ部で光を完全遮断し、液晶パ
ネル全面にわたって光は遮断され、上述した着色の問題
も起こり得ない。

【００２８】次に実際の構成ならびに製法を図９を用い
て説明する。まず透明基板２ｂの上にＲ，Ｇ，Ｂの厚み
を変えてカラーフィルタ層４を形成する。先に述べたよ
うに、ｄＲ，ｄＧ，ｄＢをそれぞれ５．４μｍ，４．８
μｍ，３．７μｍとするために、例えばフィルタＲ部の
厚さを１μｍとして、同Ｇが１．６μｍ，同Ｂが２．７
μｍとなるようにする。

【００２９】カラーフィルタ４の形成の方法としては、
ゼラチン等を主成分とする有機物質の塗布，選択除去，
染色を３回繰り返すことによりなされるが、他にスクリ
ーン印刷、色素の蒸着、電着塗装等の方法によっても可
能である。

【００３０】このようにして形成されたカラーフィルタ
４の上部に、Ｉｎ２Ｏ３　，ＳｎＯ２　などの透明電導
膜５ｂを形成し、その上に配向膜６ｂを形成する。配向
膜としては通常ポリイミド，ポリビニルアルコールなど
の有機材料をスピンナ，印刷などにより塗布し、表面を
ラビング処理して用いるが、ＳｉＯを一定角度で塗め蒸
着しても同様に配向膜としての機能を果たす。

【００３１】もう一方の透明基板２ａにも先述したのと
同じ方法で透明電導膜５ａ，配向膜６ａを形成し、ｄＢ
が３．７μｍとなるように、両透明基板２ａ，２ｂを対
向させ（このことによりｄＧ，ｄＲは各々４．８μｍ，
５．４μｍとなっている。）、この対向空間内に液晶１
を封入する。

【００３２】偏光板３ａ，３ｂは各々の偏光軸が平行に
なるように、配向膜のラビング方向に平行もしくは垂直
に設置される。

【００３３】以上の説明では（１）式に於てＴ＝Ｏを与
える最小の

【００３４】

【数１】

【００３５】の近傍、即ち図８でｄが５μｍの近傍に於
て光学的経路差（ｄ・Δｎ／λ）を補正する場合の実施
例を述べた。

【００３６】一方図８ではｄＧ＝１０．７μｍ，ｄＲ＝
１２μｍ，ｄＢ＝１２．７μｍに於ても各色の透過光は
零となり、かつこれらの液晶膜厚差は小さい。本発明は
この様なｕの大きい領域

【００３７】

【数２】

【００３８】に対しても適用できる。そして上記の組合
せで補正する場合には、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色フィルタに対応
する液晶層の厚さの大小関係は、前記実施例とは異なっ
て来る。

【００３９】本発明の実施例では、カラーフィルタとし
てＲ，Ｇ，Ｂの３種に限って説明したが、他の色が混じ
って４種以上の場合にも、同様に本発明が適用可能であ
る。又、カラーフィルタは一方の基板側にだけ形成され
る必然性は無く、上下両方の基板に形成されてもよいし
、一部の色は一方の基板に、他の色は他方の基板にとい
うふうに形成されても構わない。何れの場合でもｄＲ，
ｄＧ，ｄＢが光学的に最適化された値になっていれば問
題ない。

【００４０】本発明の思想は、ＴＮ液晶を用いたカラー
液晶表示装置全搬にわたって適用されうるもので、単純
なマトリックス駆動のものだけでなく、一方の基板に、
ＭＯＳＦＥＴ，ＴＦＴ，ＭＩＭなどの非線形素子が組み
こまれている場合、又、透過型の場合だけでなく反射型
の場合でも何ら差し支えない。

【００４１】さらに本発明の説明ではノーマリーブラッ
クの場合に限ったが、電圧無印加時に明状態となるノー
マリーホワイトの場合にもそのまま活用出来る。

【００４２】一方他の観点から見ると、本発明の構成を
とることにより、液晶セル組立時の液晶層の厚みの誤差
による色調の変化・ホワイトバランスのずれが極めて小
さくなる。このことを図１０に示す。図１０は本発明に
より、各フィルタに対応する液晶層の厚みを各フィルタ
ごとに適正化した後、組立て誤差により液晶層の厚みが
設計値より変化した場合の各色の透過率を緑色フィルタ
上の液晶層の厚みとの関係で示す。図１０から明らかな
ように設計中心値ｄ＝４．８μｍでは各色光とも透過は
零となる。一方ｄがこの値より変化した場合、Ｒ，Ｇ，
Ｂ各色光とも透過率はほぼ均等に増加する。この為液晶
セルのホワイトバランスは保たれ、表示色調の変化も小
さい。他方従来のセル構成をとれば、セル厚の変化によ
り、色調等が大巾に変化することは図８より自明である
。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたきた構成にすることにより、
電圧無印加時の光の漏れならびに着色をなくし、コント
ラスト，色再現性に優れたカラー液晶表示装置を提供出
来る。これは液晶材料を適当に選択することにより、比
較的小さな液晶層の厚みで実現出来るので、液晶の応答
時間も速く、視野角も広く、さらに視野による色ずれも
なく、表示素子としての性能は極めて良好である。

【００４４】又、別の観点からみると、たとえ液晶セル
組み立て時に液晶層の厚みが僅かにずれたとしても、Ｒ
，Ｇ，Ｂの各カラーフィルタ部の液晶層の厚みの最適設
計値からの僅かのずれとなるだけで、このことにより、
急激に電圧無印加時の光の漏れが大きくなったり、所謂
ホワイト・バランスが狂って液晶セルが着色したりする
といったことは起こらない。

【００４５】本発明はＴＮ液晶を用いたカラー液晶表示
装置の基本設計に関わる非常に重要なもので、その応用
分野は極めて広い。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＴＮ液晶表示素子の表示原理を示した図

【図２
】液晶のΔｎの波長依存性を示した図

【図３】液晶セル
の分光透過特性の一例を示した図

【図４】従来のカラー
液晶表示装置のセル断面図

【図５】Ｒ，Ｇ，Ｂカラーフ
ィルタの配置の一列を示した図

【図６】Ｒ，Ｇ，Ｂカラーフィルタの分光透過特性を示
した図

【図７】高原の分光強度を示した図

【図８】Ｒ，Ｇ，Ｂ各波長の分光透過特性の液晶相の厚
みに対する依存を示した図

【図９】本発明の一実施例のカラー液晶表示装置のセル
断面図

【図１０】本発明の装置の緑色フィルタ部の液晶層の厚
さと各色光の透過率の関係を示す図

【符号の説明】

１　　液晶 ２ａ，２ｂ　　透明基板 ３ａ，３ｂ　　偏光板 ４　　カラーフィルタ ５ａ，５ｂ　　透明電導膜 ６ａ，６ｂ　　配向膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対向する第１の基板と第２の基板間に液晶
   層を挾持し、前記基板の少くとも一方に分光透過特性の
   異なる複数種のカラーフィルタを多数配置し、前記液晶
   層に電圧を印加し光変調せしめる手段を有するとともに
   、前記カラーフィルタの分光透過特性に応じて各カラー
   フィルタに対応する液晶層の厚みを変化させ、赤，緑，
   青の各波長に対して線スペクトルに近い分充放射特性を
   もつ白色光源と前記カラーフィルタとを組合せて用いた
   事を特徴とするカラー液晶表示装置。