シャープ技報第74号・１９９9年8月 20 型液晶ディスプレイテレビ LC-20V1 TFT-LCD TV LC-20V1 柴田健 *1 Takeshi Shibata 井上裕 *1 Yutaka Inoue 田村一郎 *1 Ichiro Tamura 要旨西山重則 *2 Shigenori Nishiyama 神志那典彦 *2 Norihiko Kohjina 49.5mm を実現した。液晶ディスプレイテレビ「ウィンドウ」は，1995 年に 10.4 型，8.4 型の１号機を開発して以来，新しい液晶テレビ市場を創造しつつあるが，今回，業界最大の 20 型（ブラウン管 21 型相当）液晶テレビを開発した。本機は，高効率バックライトの開発，広色再現LCDモジュールの開発，高音質薄型スピーカの開発により，高画質化，高音質化，薄型化，及び低消費電力化を実現した。 Since the development of its first 10.4" and 8.4" “Window”model TFT-LCD televisions in 1995, Sharp has continued to create LCD TVs which have expanded this new electronics market. Sharp is now proud to announce the development of a 20" LCD TV (equivalent to a 21" CRT TV), the world's largest. With sophisticated advances such as a more efficient backlighting system, an LCD module with wide color reproduction, and thin, high quality speakers, this LCD TV offers high quality pictures and sound, a sleek, thin design, and low power consumption. １ . 高画質化１・１３次元YC分離回路 NTSC信号において，フレーム間でクロマ信号の位相が反転していることを利用し，隣り合うフレーム間の演算により，輝度（Ｙ）信号とクロマ（Ｃ）信号を分離する。静止画においては，フレーム間の画素の相関の精度が非常に高いため，フレーム間演算を行うことで，非常に精度の高いＹ／Ｃ分離を行うことができる。また，フレーム間で相関のないノイズ成分に関しては，巡回することにより，ノイズを低減することができる。１・２階調補正回路液晶モジュールを駆動する場合，液晶パネルの電圧 −透過率特性により，階調補正を行う必要がある。図１は 20 型液晶パネルの透過率特性である。階調補正の方法としては，アナログ方式，ディジタル方式，及まえがき液晶テレビの大型化が進むにつれ，市場での薄型テレビに対する要求は高まってきた。 30型以下のテレビでは，薄型，低消費電力，明るさ，コストにおいて，液晶モジュールを表示デバイスにした液晶テレビは，最もすぐれている。今回開発した 20 型液晶テレビは，新開発バックライトシステム，高色純度カラーフィルタ採用19.7型液晶モジュール，新開発小型スピーカ，３次元 YC 分離回路を採用することにより，高輝度，高画質，広色再現，高音質，低消費電力化を達成しつつ，セット厚さ *1 AV システム事業本部液晶システム事業部第２技術部 *2 AV システム事業本部液晶システム事業部第３技術部図１液晶パネル透過率特性 Fig. 1 ― 46 ― Liquid crystal panel transmissivity characteristics. 20 型液晶ディスプレイテレビ LC-20V1 び，階調電圧補正方式がある。アナログ方式は優れた特性が得られるが，アナログだけで補正を行うと，回路が非常に複雑になる。ディジタル方式は bit 数が少ないと量子化ノイズが目立ち，bit 数を多くすると演算回路が複雑になってしまう。階調電圧補正方式は，階調を決めるリファレンス電圧を細かく設定し，リファレンス電圧に特性を持たせることにより，補正を行うものであるが，量子化ノイズが目立ちやすくなるため，補正カーブを自由に設定することはできない。本機では，回路コスト，特性を考慮し，アナログ補正と階調電圧補正を組み合わせ，低コストで優れた階調再現特性を実現している。１・３広色再現本機では色再現範囲を広げ，より鮮やかな映像を実現するため，液晶パネルのカラーフィルタの色純度を改善し，また，後述するバックライトの色温度を変更している。図２に 20 型の色再現範囲を示す。２・１薄型低音域用スピーカの開発製品の厚さ 4.95cm を実現する為には，薄型の低音域用スピーカの開発が不可欠である。性能，信頼性を満足しつつ，出来る限り薄くする必要があった。手法として，第一に液晶は CRT と違い磁気の影響をあまり受けない事で，キャンセルマグネットを廃止した。第二に，振動板エッジ部分が振動時に矢紙前面へ飛出すのを回避する為に，ダウンロールエッジを採用した（最大振幅時の飛出し０ mm）。以上により８ cm 低音域用ユニットでありながら薄さ 24mm を達成した。２・２音響的構造設計画面下部に配置した中高音域用スピーカは，音質をクリアに保つ為，左右のスピーカをそれぞれ約 140cc の密閉ボックス構造とした。低音域用スピーカは，内部全容積の問題と放熱性の問題から，容積を確保した専用ボックスとする事が出来ない。そこで，内部に独立した専用ボックスを持たずに，内部全体をスピーカボックスに見立てて容積を確保，放熱孔の工夫で極力内部の密閉度を高める事で音漏れを防ぎ音の干渉を減らした。図２色再現範囲 Fig. 2 にスピーカユニットを置き，ユニット背面の容積を確保して低音域までの再生を得る事は，ユニットが大きくなる事と，それに伴いユニット背面の容積が確保出来なくなる事につながり，このスペースだけでは難しいと判断した。そこで，画面下部スペースには中高音域用スピーカ（3 ｘ 4cm 楕円），背面後ろ向きに低音域用スピーカ（８ cm 丸型）を置き帯域分割して再生する事を考えた。低音域用として，左右チャンネルを独立させる事がスペース的に無理である事から，左右信号を合成させて低音域用ユニットは１つとする 3D スピーカシステム（2WAY3スピーカ）を採用した。さらにそれぞれのスピーカをそれぞれの帯域専用のアンプでドライブするマルチアンプ方式（３アンプ）を採用した。ここまでを設計基本として以下に課題解決を記す。 Color reproduction range. ２ . 高音質化 20 型液晶テレビ LC-20V1 は製品の厚さが 4.95cm と薄い事が特徴の一つである。内部は液晶パネル，バックライトや回路シャーシで空間が埋められており，この狭空間でいかにしてスピーカシステムを構成して， "音"を作るかが高音質化における最大の課題である。液晶テレビの音質として聴きやすい，聴き疲れしない，を主として考えるならば，ある程度の再生帯域幅の確保が望まれる。そこで問題となるのが低音域側の再生能力である。スピーカスペースとして与えられるのは画面下部の高さ 3∼ 4cm 程度の部分である。ここ２・３電気的帯域設計 3D システムは本来左右の分離度を上げる為，左右合成した低音域用スピーカからは低音域以上の高い周波数を再生する事は出来ない。しかしながら今回のシステムにおいて，低音域で完全に電気的帯域分割してしまうと音響的に不都合な帯域が発生してしまう。そこで画面下部のスピーカは帯域制限をせずに全帯域用として使い，低音域の不足部分を背面に取り付けたスピーカで補う手法をとった。出来る限り左右の分離度 ― 47 ― シャープ技報第74号・１９９9年8月を落とさないような形で電気的に低音域側の帯域が決定されている。液晶テレビの特徴である｢薄型｣を達成する為の高音質化設計として以上のような課題解決を行った。その結果，中高音域のクリアを保ちつつ，低音域の量感を確保でき，聴きやすい，聴き疲れがしない音質が達成されたと考える。３ . バックライトに関して液晶テレビにおいては，画質の向上が，例えば液晶パネルの透過率の低下など，画面輝度の低下につながることが多い。今回の 20 型では，今までの液晶テレビにない高画質を求められたため，バックライトとしては，従来の約 1.5 倍の輝度が必要となった。通常大画面で高輝度を得るためには，直下式のバックライトを採用し，ランプの本数を増やすという手法が用いられる。しかしセット全体の厚さを抑える必要があったため，新しいランプレイアウトの導光板方式バックライトを開発した。また，その他，バックライト用光学シートの構成，取り付け構造などを工夫することにより，画面上輝度400cd/m2を達成することができた。ランプ寿命も，外部水銀導入方式ランプを用いることなどにより，前機種(15 型）の 28,000 時間を大幅に越える，40,000 時間を達成することができた。３・１バックライト設計時の課題従来の液晶テレビでは，白の色温度を，太陽の発光色に近い 7000K 付近で設計してきた。しかし，20 型液晶テレビでは，より鮮やかな白を表現するため，ランプの蛍光体の青を増やし，赤，緑を減らして，9000K 付近の白を表現できるよう，設計を開始した。輝度への寄与率が高い緑の蛍光体を減らしたこと，人間の目の特性は青の感度が低いことから，色温度を 7000Kから9000Kに上げることにより，バックライトの効率は 10％程度低下した。更に，色の再現範囲を広げるため，液晶パネルのカラーフィルタも，色純度の高い，従来より約15％透過率の低いものを採用した。また，液晶パネルのバックライトには，正面方向の輝度を高めるため，プリズムシートと呼ばれる集光シートを用いることが多い。しかし，集光シートを用いた場合，正面での輝度は，1.2 倍∼ 1.6 倍に上がるものの，上下(又は上下左右）方向の輝度は低くなる。大型液晶テレビでは PC 用モニターとは異なり，ユーザがさまざまな方向から画面を見ることが予想されたため，広い視点で良好な視認性が得られるよう集光シートは使用しないこととした。この色温度，色再現範囲，視野角 - 輝度特性の，３つの画質向上のためバックライトとしては，従来の液晶テレビの設計より，約1.5倍の輝度が必要となった。３・２輝度アップのための手法３・２・１バックライトの方式液晶パネル用のバックライトは，パネルの下にランプを配置する直下式と画面のエッジ部にランプを配置し，透明なアクリル板で光を画面の下に導く導光板式とがある。直下式では，ランプの本数を増やすことにより，必要な輝度を得ることが可能であるが，画面で，ランプが下にある部分とない部分とで輝度の差ができる。この輝度ムラをやわらげるため，パネルとランプとの距離がある程度必要となり，バックライトの厚みは 30mm近くなる。今回は20型液晶テレビの目標である「セット厚50mm以下」を考え，直下式のバックライトの採用は諦めざるを得なかった。ノートPCなどに一般的に用いられている導光板式バックライトは，長辺に１灯，または上下長辺に各１灯の２灯式が多い。高輝度が求められる PC モニターでは，上下に各２灯，計４灯の例もある。この 20 型では更に高輝度が必要であったため，上下に各３灯，計６灯の蛍光管構成の導光板式バックライトとした。図３，図４に 20 型のバックライト方式及びランプレイアウトを示す。導光板式バックライトにおいては，ランプの光をいかに効率よく導光板に入れるかが最も重要なポイントである。通常，効率の良い方法として，ランプを導光板に平行して並べる方法が取られる。ランプを３本用いた場合，通常の横に並べたランプレイアウトでは導光板の厚みは 10 ∼ 12mm となってしまう。そこで，図３バックライト方式 Fig. 3 ― 48 ― Backlight system. 20 型液晶ディスプレイテレビ LC-20V1 図４ランプレイアウト Fig. 4 Lamp layouts. 薄型，軽量化を図りつつ，導光板への入光効率を上げるため，ランプを導光板に対して逆三角形なるよう配置した。これにより，８ mm 厚の導光板で 10mm 厚以上の導光板と同等の入光効率を達成することができた。３・２・２反射偏光板取り付け構造液晶パネルの偏光板は，偏光軸以外の光を吸収するため，原理的にも，約 50％の光をロスすることになる。この光のロスを低減するため，反射型の偏光板をバックライト側に入れている。反射型の偏光板は，偏光度が充分でないため，液晶パネルの偏光板を廃止することはできないが，パネル偏光板で吸収させていた光をバックライトに戻して再利用することにより，30 ％程度輝度が向上する。しかし，反射型偏光板は，光の反射軸と透過軸とで，熱膨張率が５倍以上異なるため，周囲温度の上昇によりシートにシワが発生する。従来のバックライトでは，反射型偏光板の上（パネル側）に，複屈折性の無い (偏光しない)ポリカーボネートの弱拡散シートを配置し，シワの発生を抑えていた。ポリカーボネートの弱拡散シートは，通常の PETの拡散シートに比べ高価な上，画面輝度が10％程度低下する。そこで，この 20 型では，設計当初から反射偏光板の保持構造について検討を繰り返し，量産が容易で弱拡散シートを使用しなくともシワのでない安定したシート保持構造を開発することに成功した。３・２・３その他導光板の裏面に配置する反射シートに関しても構造，構成を最適化することにより従来の７％アップのバックライト効率を得ることができた。また，光学シートの枚数も，前機種（15 型）の５枚から，３枚に減らし，かつ，組み立て易い構造にすることにより生産性が向上させることができた。図５ランプ構造 Fig. 5 The lamp structure. ３・３ランプ寿命バックライトの特性で，輝度と並んで重要な要素として，ランプ(蛍光管)寿命が上げられる。ランプの構造を図５に示す。蛍光管の寿命は，内部に封入された水銀の量に大きく左右されるが，従来の蛍光管では，電極が水銀のディスペンサーを兼ねていたため，電極のサイズより封入水銀の量が制限されていた。今回採用したランプでは，製造工程が若干複雑になるものの，水銀の量を自由に設定できる外部水銀封入方式を用いた。これにより，20 型の蛍光管は，従来機種（15 型）の２万８千時間を大きく上回る，４万時間の寿命を達成することができた。むすび今回開発した 20 型液晶テレビは，性能面で CRT テレビの置き換え可能なレベルとなった。その上で低消費電力化を図り，壁掛け等，様々な設置方法が可能，また，ちらつきが少なく目にやさしいなどの特長を備えたテレビである。今後さらに，液晶テレビを家庭のメインテレビとして普及させていくためには，さらなる大型化，コントラストの向上，応答速度の改善，低価格化なども CRT に迫るよう，開発を進めなければならない。謝辞本機の開発にあたり，ご尽力頂きましたTFT液晶事業本部並びに電子部品事業本部の関係各位に深く感謝致します。（１９９９年６月１５日受理） ― 49 ―