JP2002533749A5 - - Google Patents

Description

【書類名】 明細書
【発明の名称】 暗い縁部を有する反射型ＬＣＤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】 第１の基板と第２の基板との間に液晶材料層を有し、前記第２の基板には液晶材料層を通過した光を反射する手段が設けられている表示装置において、
前記液晶材料の一部が、実質的に透明な非複屈折性材料のダムにより置き換えられ、前記ダムが、表示装置のアクティブ領域と隣接した縁構造体であって、表示装置の第１の基板の領域を入射光からシールドすると共にこれらシールドされた領域が非駆動状態で暗状態に見えるようにする当該縁構造体を形成していることを特徴とする表示装置。
【請求項２】 請求項１に記載の表示装置において、当該表示装置が画素の光学的な状態を規定する画素電極を具え、前記ダムが画素電極を包囲するほぼ連続する縁を形成し、画素電極間の領域と、表示装置の画像表示区域のエッジに沿って組み込まれた電子回路を含む非スイッチィング領域とが入射光からシールドされるようになっている表示装置。
【請求項３】 請求項１又は２に記載の表示装置において、前記液晶材料の分子が捩れ角を有する表示装置。
【請求項４】 請求項１、２又は３に記載の表示装置において、前記アクティブ領域を、前記基板の画素アレイアクティブ領域とした表示装置。
【請求項５】 請求項４に記載の表示装置において、前記ダムはＳｉＮ_X を有する表示装置。
【請求項６】 請求項４又は５に記載の表示装置において、前記縁部を、画素アレイアクティブ領域をほぼ包囲するほぼ連続する縁部とした表示装置。
【請求項７】 請求項１から６までのいずれか１項に記載の表示装置において、当該表示装置に、リターデーション膜が設けられている表示装置。
【請求項８】 請求項１から７までのいずれか１項に記載の表示装置において、前記縁部と第１の基板との間に第２の液晶材料層が存在する表示装置。
【請求項９】 請求項１から８までのいずれか１項に記載の表示装置において、前記縁部が、アクティブプレート上にスペーサとして存在する光学的に規定可能なスペーサ材料のダムを有する表示装置。
【請求項１０】 請求項９に記載の表示装置において、前記アクティブプレート上に存在する光学的に規定可能なスペーサ材料がＳｉＮであり、これを画素間にスペーサ材料としても存在させた表示装置。
【請求項１１】 請求項１から１０までのいずれか１項に記載の表示装置において、前記基板は接着剤を用いて互いにシールされ、前記縁構造体が接着性シール部材と前記アクティブ領域との間の領域をシールドする表示装置。
【請求項１２】 請求項１１に記載の表示装置において、前記縁構造体が下側の領域を入射光からシールドする手段を有し、この手段が、前記接着性シール部材の外側エッジを越える位置からダムの内側エッジを越える位置まで延在するミラー金属光シールド領域と、前記ダムと隣接し、前記ダムの両側に位置する液晶材料の一方の部分から他方の部分まで延在する通路金属シールド領域とを有し、前記ダムが画素金属のエッジでオーバラップして表示装置の第１の基板の領域を入射光からシールドするのに有効なステップを形成している表示装置。
【請求項１３】 請求項１２に記載の表示装置において、前記ミラー金属光シールドの厚さをほぼ１００ｎｍ〜１５０ｎｍとした表示装置。
【請求項１４】 請求項１から１３までのいずれか１項に記載の表示装置において、前記ダムの上側に液晶材料の薄い層が存在する表示装置。
【請求項１５】 請求項１から１４までのいずれか１項に記載の表示装置を具える投影表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の前半部において規定された表示装置に関するものである。
さらに、本発明は、このような表示装置を具える投影表示装置に関するものである。
【０００２】
シリコンを主成分とする反射型ＬＣＤは、業務用及び民生用の市場において高性能の高解像度ディジタル投影を行うために潜在的に最も経済的に有効な方策である。この経済的な有効性を維持するためには、単一パネルを用いるアプローチが望ましい。このアプローチに対しては反射型とすることが有益である。この理由は、ＬＣＤを一層薄く且つ一層高速にすることができ、単一パネルのアプローチにより高性能の市場において望まれる輝度及びカラー品質が得られるからである。この単一パネルの動作においては、できる限り早く暗状態に切り換えうるＬＣ効果が望ましい。この理由は、ＬＣ効果は、走査カラー間の暗領域（ガード帯域）の最小の使用で走査中の不所望な色を最も効果的に阻止しうるからである。この結果、透過型ＬＣＤのような低応答性デバイスと比較して、高い色純粋性及び一層高い輝度が得られる。液晶の物理的な特性は、この要件を満たす為に、電界の印加による遷移により暗状態にすべきことを示唆する。従って、最適な場合、無電界時に「ノーマリホワイト」すなわち完全に透過性となる必要がある。これは、電極に最も高い電圧を印加した場合、これらの領域／画素から見る者に光が向かわず、従ってこれらの画素が暗く見えることを意味する。
【０００３】
ノーマリホワイトＬＣ効果は２つの異なるカテゴリに分類することができ、外側膜による補償を必要とするもの及び外側膜の補償を必要としないものに分類することができる。しかし、これら双方のカテゴリには、表示装置の縁のアクティブではない領域（電圧が印加されない受動領域）が明るく見えてしまうという欠点がある。
【０００４】
さらに、アクティブ領域の直ぐ外側のシリコンに駆動電子回路を組み込むのが望ましいことがある。これらの領域は、適切に機能させるために光をシールドする必要がある。これらの回路の上側に簡単なアルミニウム層を設けるのが光から回路をシールドするのに最も有効な場合があるが、このアルミニウム層は多くの入射光を「ノーマリホワイト」のＬＣ効果と共に見る者に直接反射するミラーとして作用するおそれがある。予防措置として、例えばアルミニウムを黒のクロム層で置き換えることによりこれらの領域を見る者に対して暗状態にすることが提案されている。この方策は表示装置のコストを高価にする特別なマスキング工程を必要とすると共に、２個の基板を結合する工程に対して困難性が生じてしまう。さらに、クロムはシリコンのプロセスにおいて一般的に用いられていない材料であり、汚染により回路を不作動にする危険性がある。
【０００５】
このような光吸収性マスクは受動プレート上で用いることができるが、シリコンチィップのアクティブ領域に対して厳格に整列させる必要がある。さらに、十分に吸収させるためには、材料の最小厚さが必要であり、このような厚さは薄いセルのギャップを均一に維持するために補償する必要がある。さらに、吸収された光エネルギーは、いかなる投影装置においても想定される強度の相当量の熱に変換されることになる。
【０００６】
本発明の目的は、ノーマリホワイトＬＣ効果の不具合の無い或いは上述した欠点が解消されたノーマリホワイトＬＣ効果を利用する必要装置を提供することにある。
【０００７】
この目的は、請求項１に規定さた本発明による表示装置により達成される。
【０００８】
有益な実施例は従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明の別の目的は、駆動電子回路をアクティブ領域のすぐ外側のシリコンに一体化した領域が、暗状態に見えるようにすると共に下側の回路に対して有効な光シールド作用が得られるようにするようにある。
【００１０】
本発明の別の目的は、反射型として用いられ、アクティブ表示領域の周囲に縁構造体が設けられ、この縁構造体が表示装置のアクティブ領域をシールドすると共にこのシールドされた領域が非駆動状態において暗状態として見えるようにするのに有効な表示装置を提供することにある。
【００１１】
本発明のこれらの及び他の目的は、第１の基板と第２の基板との間に液晶材料層を具え、これら基板には、随意的にではあるが、配向手段及び好ましくは捩れ角ｆを有する液晶材料の分子が設けられているのが好ましく、さらに光源からの光を第１の基板まで案内する手段も具え、第２の基板には液晶材料層好ましくは基板の画素アレイアクティブ領域を通過した光を反射する手段が設けられ、さらに当該投影装置は光源と第１の電極との間の光路中に偏光手段を具えており、随意的にではあるが、反射した後の液晶表示装置と表示面との間の光路中に検光手段を具えるのが好ましく、
液晶材料の一部が、ＳｉＮ_X のような透明で非複屈折性の材料を有するダムで置換されており、このダムが縁を、好ましくは表示装置の画素アレイアクティブ領域をほぼ包囲するほぼ連続する縁を形成し、より好ましくは液晶表示装置にはリターデーション膜又は他の補償装置が設けられており、この表示装置の全ての領域が入射光のエネルギーを殆ど吸収することなく非駆動状態において暗状態になる本発明の一観点による投影表示装置により達成される。
【００１２】
本明細書で用いられているように、用語「非駆動状態」は、セルギャップを跨いで印加される液晶材料を再配向させる閾値以下の電圧を意味する。
【００１３】
本発明の別の実施例として、上述した表示装置に入射する光を発生する少なくとも１個の光源を具え、この光は非複屈折性材料のダムを有するほぼ連続する縁により包囲される画素電極により規定される画素の光学的状態に応じて反射され、このように変調された光は投影手段により結像されるようになっており、電極間に位置する領域と、他の非スイッチィング領域、例えば表示装置の画像表示区域の縁に沿って電子部品が組み込まれた領域とは、入射光から事実上シールドされており、非駆動状態においてほぼ暗状態に見えるようになっている投影表示装置を提供する。
【００１４】
本発明はＬＣ表示装置のアクティブマトリックスの周囲のアクティブプレート上に非複屈折性材料を用いることにより縁を暗状態にする考え方及びこのような縁を有するＬＣＤを利用する考え方を含むものである。この縁は、任意の非複屈折性材料、好ましくはアクティブプレート上にパターン化された又は形成された光学的に規定可能なスペーサ材料のダムにより形成することができる。好ましくは、ダムの厚さはダムの上側に液晶材料の薄い層が形成される厚さとし、より好ましくは縁構造体が接着性シール部材とアクティブ領域との間の下側回路の領域をシールドするようにする。
【００１５】
設計により、この縁は膜補償された場合及び膜補償されない場合の両方について有効である。
【００１６】
前述したように、本発明は、非駆動状態において画素電極だけでなく画素電極間及びその周囲に位置する構造体及び光シールド材料も光を反射し、この介在材料を見えないようにするために特別な工程を必要とする「ノーマリホワイトＬＣモード」を利用する装置に特に好適である。このノーマリホワイトＬＣモードは２個の異なるカテゴリー、外部膜補償を必要とするものと、外部膜補償を必要としないものに通常分類することができる。以下の表は、これら表示装置の幾つかを列挙する。
【００１７】
【表１】

【００１８】
本発明の検討及び図示するため、本発明はノーマリホワイト装置４５−ＴＮ０について説明するが、本発明は上述した全ての装置に用いることができる。
【００１９】
例えば、このような効果及び装置は、１９９６年２月に発行されたＶａｎ Ｓｐｒａｎｇの米国特許第５４９０００３号に記載されているように利用することができる。このＶａｎ Ｓｐｒａｎｇの特許によれば、ＬＣ配列層（配向手段）の配向方向を、偏光手段の偏光方向（偏光方向はＬＣ配向方向間の二等分線の方向とする）に対して制御することにより暗状態において実質的な消光が得られる。５０°〜６８°の捩れ角と、０．５８λ₀ 〜０．６８λ₀ （ここで、λ₀ は中心波長）の範囲の液晶材料の複屈折Δｎに液晶材料層の厚さｄを乗じた積（ｄ・Δｎ）とを用いて良好なコントラストを得ることができる。さらに、２つの限界透過状態において、反射後の常光線と異常光線との間の光路長差は約０．５λ₀ であり、反射型液晶表示装置は電気的に制御可能なλ／４板として機能する。
【００２０】
１９９８年１２月に公開された欧州特許出願第９７２０１７９５．８号明細書に記載されている別の装置は本発明において特に有用であることが判明している。この欧州特許出願第９７２０１７９５．８号明細書によれば、反射型表示装置は、３０°〜５５°の捩れ角とリターデーション膜とを用いることにより、高いコントラストを維持しながらも駆動電圧を低くすることができる。完全に駆動した表示素子の「残留透過」はリターデーション膜のリターデーション値により補償されるため、厚さｄを一層薄くすることができ、それにより装置の切り替えを一層高速に行いうるようになる。
【００２１】
偏光手段の側の液晶分子の配向方向を入射光の偏光方向とほぼ平行になるように選択することにより、或いはこの配向方向を偏光方向と直交するように選択することにより、反射手段側の再配向不能な液晶表面層に起因する複屈折を補償すればよくなる。また、リターデーション膜の光学軸と第１の基板の領域の配向手段の配向方向との間の角度γは、例えば８０±φ／２°〜１００±φ°の間で変化させることができる。
【００２２】
米国特許第５４９０００３号及び欧州特許出願第９７２０１９５．８号明細書の開示内容は参考として本明細書に記載する。
【００２３】
上述したように、ノーマリホワイトのＬＣＤを暗状態にしたとき、表示装置の縁の領域に白色のままの（「不作動電圧が印加されない」）アクティブでない領域が存在してしまう。本発明の好適実施例は、ＬＣＤアクティブ表示領域の周囲にダムを有する縁構造体を設け縁領域のアクティブでない領域を常時暗状態にする。好ましくは、このダムは接着性シール部材とアクティブ領域との間に配置し、ダムの厚さはダムの上側に液晶材料の薄い層が形成されるようなものとする。この場合、この縁構造体は、組立中にシール部材が押しつぶされて接着剤がアクティブ領域にしみ出るのを防止するためにも有効である。複屈折性の大きな液晶材料及び外部補償膜を用いることで、縁全体にわたって高い消光性が達成される。また、アクティブプレートに縁を形成することは、受動プレートの厳格な整列が不要になることを意味する。
【００２４】
従って、本発明は、ノーマリホワイト液晶効果の非駆動領域を暗にする、ノーマリホワイト液晶効果を利用する表示装置及び方法を提供するものであり、以下の作用効果により特徴付けられる。
１．高レベルの消光
２．光の吸収が低いかほとんど生じない
３．受動プレートの厳格なアラインメントが不要になる
４．暗の縁を形成するため付加的なセルの処理工程が不要である
５．ＬＣＤのアクティブ領域及びエッジシール領域間に効果的なイオン汚染バリアが形成される
６．上記領域の液晶は、通常印加される電界により、縁の消光を減少させるおそれのある再配向を生じ得ない
【００２５】
後述する実施例に基づき、本発明のこれらの及び他の概念を明確に説明する。
【００２６】
図１を参照するに、投影装置は、ランプ１と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２と、反射型液晶セル（ＬＣＤ）１０と、表示スクリーン５とを具える。ランプ１から放出された光は、ＰＢＳ２により、水平方向に偏光した光のビーム３と垂直方向に偏光した光のビーム３’とに分離される。ビーム３は反射型ＬＣＤ１０に入射し、そこで反射する。ＬＣＤ１０の個別の画素の状態に応じて、反射したビーム４は楕円偏光した光となる。ＰＢＳ２はビーム４を水平方向に偏光した成分と垂直方向に偏光した成分とに分離する。垂直方向に偏光した成分である光ビーム４’は表示スクリーン５に入射される。図面を明瞭にするため、別の光学素子及び駆動ユニットは省略した。図１は、電極１５，１６が設けられている２個の基板１３，１４間に存在する捩れネマティク液晶材料１２を有する液晶セル１０の一部の断面を線図的に示す。この装置は、基板の内側壁上の液晶材料をセルが捩れ角Φを有するように配向させる配向層１７，１８も具える。この場合、液晶材料は正の光学的異方性及び正の誘電異方性を有する。電極１５，１６が（駆動）電圧により付勢されると、分子の長軸（分子ディレクタ）は電界の方向に配向する。第１の基板１３は光透過性とし（ガラス又は石英）、例えばインジウム錫酸化物の光透過性駆動電極１５を設けられる。第２の基板１４はシリコン基板で構成されており、半導体技術により駆動電子回路を形成することで個別の画素１６を駆動しうるようにする。（ミラーリング）画素電極１６は、少なくとも画素を規定する部分において半導体本体のほぼ全体を覆う。
【００２７】
所望であれば又は必要に応じて、暗状態の残留複屈折性を補償するため、表示セル１０にリターデーション膜１９も設ける。
【００２８】
特に図２及び図３に示すように、本発明の反射型ＬＣＤは、シリコン基板１４上にパターン形成された反射性画素アレイアクティブ領域１６が設けられており、例えばアルミニウムから構成され各画素１６’に対して光反射膜として用いられる電極が形成された構造を有する。ＳｉＮ_x 又は他の好適なスペーサ材料のスペーサ２０を既知の技術により画素１６’間に形成する。画素アレイアクティブ領域１６''を包囲する部材は、好ましくは画素間に形成したスペーサ材料と同一の材料のスペーサ材料のダムを有する縁部２１とする。さらに、基板をポリイミドの配向層１８で覆う。ガラス基板１３のような対向する基板を、インジウム錫酸化物のようなパターン形成された透明導体で被覆してカウンタ電極１５を形成し、これを別のポリイミドの配向層１７で覆う。２個の基板は、セルの内側のポリイミド層と共に接着シールを用いて密封する。好ましくはＵＶ硬化性接着剤を用いるが、熱硬化性エポキシのような当該技術分野において既知の他の接着剤を用いることができる。基板間のギャップはスペーサにより望まれるように維持される。本例において、組み立てる前に、ＬＣ材料の捩れ角が４５°となるように配向層をラビング処理した。試験セルを減圧して例えばＴＬ−２１０のような液晶材料で充填した。このセルに、適当な向きの単軸リターデーション膜を形成した。
【００２９】
さらに、第２の基板１４は、駆動電極３１と、これら駆動電極３１を投影装置の制御ユニットに接続するために用いることができる結合パッド３０とを具える。
【００３０】
本発明においては、縁領域は、光ビームスプリッタの利点を利用して、適切な偏光状態の光を反射させて縁領域からの光が視覚スクリーンに向かわないようにすることで暗状態とする。スクリーンにおいて不所望となるこの反射光は、最適には、消光状態がＬＣＤアクティブ領域の暗状態と同程度か又はそれより良好になるように適切な偏光状態に十分に変換されるようにする必要がある。図３に図示する実施例に示すように形成する場合、アクティブ領域を包囲する広いダムはこれらの機能を達成できることが判明している。
【００３１】
この縁部において、（ＳｉＮ_x ），（ＳｉＯ_x ），ＴＥＯＳ，ｐ−ＴＥＯＳ等のような非複屈折性のスペーサ材料により液晶材料の一部を置換する。このダム領域の材料は透明であり、光はこのダム領域を通過して、下側に存在する駆動回路を入射光から保護する下部のＡｌの光シールドで反射する。この構成はｆ２．５光学系の図３に表わされている。この光学系において、本例の対向電極１５又は受動プレートは７００μｍの厚さである（標準コーニング．０２８”ガラス）。アクティブ領域の末端の画素に入射する光を遮光しないようにするため、外側マスク２５をこの画素１６’から水平方向に１５０μｍの最小距離で配置する。３００μｍのダム２１は、厳格なアラインメントを行うことなく、この要件を容易に満たす。
【００３２】
図３は、外側補償膜１９を必要とする液晶セル１０と共に広いダム２１を有効に用いることも示す。下側駆動回路の光シールドは、２個の金属層、即ちミラー金属（２４）及び通路金属（２３）により行う。画素を駆動する信号線はこの領域の下側の別の金属（図示せず）に形成する。この形態は、設計によりダムと対向電極１５との間のダム２１の上側に液晶材料の薄い層１２’が存在するので、補償効果が極めて有効になる。ダム２１を超えるガスケット領域のスペーサ２０は、ダム２１が存在しない光シールド２４の上側においてパターン化されている。この結果として、この領域にミラー金属光シールド２４の厚さ（通常、約１０００Åと１５００Åとの間の厚さ）に等しい一層大きな間隔が得られる。対向電極のガラス１３はその幅にわたってダム２１と接触するように湾曲しないので、ダムの上側に薄い液晶層１２’が形成される。いかなる捩れた状態においても、この薄い層１２’により形成される光学的な位相シフトは、アクティブ領域の電界印加時の暗状態の残留複屈折にほぼ等しい。これは、アクティブに駆動された液晶を消光状態に補償するために用いられる同一の補償膜がこの縁領域を暗状態にすることを意味する。
【００３３】
図４Ａは４５°捩れたＬＴＮの典型的な液晶材料の１５００Å層の反射した偏光状態を示し、図４Ｂはほぼ６Ｖの駆動電界のもとでの１μｍのセルギャップ中の同一材料からの反射した偏光状態を示す。両方の偏光状態は同一の向き（回転方向）にあり、本例では左回りの偏光とする。これらの双方とも０．１１°の有効楕円率が計算された。これら２個の偏光した光は、偏光により生ずる回転角においてだけ互いに相違する。６Ｖ駆動の１μｍギャップではほとんど回転しないのに対して図４Ａの場合において１５００Åで４５°捩れたＬＴＮでは０．６６°の有効回転が得られる。単一の膜がこれらの双方を直線偏光した光に十分に補償するので、偏光ビームスプリッタにおいてほぼ完全な消光が達成される。
【００３４】
これらの計算は、駆動される暗状態の残留複屈折は小さいので（１０〜５０ナノメータ）、ダム領域２１の上側の実際上任意の捩れ角の薄い液晶層は種々の捩れ角及び暗状態駆動電圧に対してほぼ等しい複屈折に設計することができることを示している。同様に、本例の膜１９のような残留複屈折を補償する外部光学膜を有しないノーマリホワイト自己補償効果は、ダムの上側にいかなる液晶材料も残さないようにすることで縁部暗構成を有するようにしうる。この場合、ダムはミラー金属光シールドの上側でステップ状にされない、すなわちこの場合ダムはミラー金属光シールドの上側で延在していない。表Ｉに列挙した全ての液晶効果は、このようにして設計した極めて大きな消光比を有する暗の縁部を有することができる。
【００３５】
図５は本発明によるダムを用いて構成される試験セルを示す。本例において、０．５ｍｍ幅の連続する（ＳｉＮ_X ）の縁を用いてセルを適切に満たすことができるか否か決定した。写真から決定されるように、良好な均一な充填が達成された。この試験セルにおいて、（ＳｉＮ_X）ダムを画素金属のエッジ上にオーバラップさせることにより１０００Åのステップを得た。このステップにより決定される透過率の差は顕微鏡により観察できた。輝度状態について測定したコントラストは、ダムの周囲の種々の点においては３００〜６００：１であった。コーナ部においては低く測定された。この理由は、２個の基板の組立歪みに起因してダムの上側では液晶層がより薄くなったためである。
【００３６】
連続するダムを用いることは、縁部シール材料により汚染された液晶が表示装置のアクティブ領域に拡散するのを制限するように作用することになる。この（ＳｉＮ_X）ダムの上側の薄い液晶層の光学性能は通常の表示動作条件のもとで乱されないことも重要である。このダムの直列容量は、その上側の薄い液晶層の容量のほぼ１／１０である。従って、ノーマリホワイトの液晶を再配向させるための２Ｖの閾値を達成するためには、ギャップ間に２０Ｖ以上の電圧を印加する必要がある。この形式の表示装置の典型的な再配向電圧は通常１０Ｖ以下である。
【００３７】
本発明の精神及び範囲から逸脱しない範囲において、本発明は別の形態として構成することもでき、開示した例は本発明の好適実施例に過ぎないものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例による投影表示装置の一部を示す線図的断面図である。
【図２】 本発明の実施例による反射型表示装置の一部を拡大して示す上面図である。
【図３】 図２の３−３線に沿うアクティブ領域の縁部における図２の表示装置の一部の線図的断面図である。
【図４】 ４５°捩れＬＴＮの液晶材料の１５００Ａ層の反射した偏光楕円のグラフ、及び約６Ｖで駆動される１μｍで４５°のＬＴＮの反射した偏光楕円のグラフである。
【図５】 本発明による幅の広いダム構造体により構成される試験セルの写真である。