JP2005055863A - 湾曲電界反射式及び透過反射式液晶ディスプレイの画素 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ナノレベルのでこぼこ面を有し、コストを削減できる湾曲電界反射式及び透過反射式液晶ディスプレイの画素を提供する。
【解決手段】 微散乱層は、基底１０４の上に形成され、材料そのものの特性によりナノレベルのでこぼこ面を有する。金属層１１０は、微散乱層の上に形成され、微散乱層のでこぼこ面とともに一体となることで、でこぼこ面を有する。反射層は、金属層１１０の上方に形成され、でこぼこ面とともに一体となることで、でこぼこ面を有する。光学積層１１６を備える。水平配列液晶層１１８は、反射層と光学積層１１６との間に形成される。反射層の表面がナノレベルのでこぼこ面となるものであるため、製造過程では、光マスクを余分に増加することを必要とせず、反射層は散乱効果を有し、コストを削減できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、湾曲電界方式液晶ディスプレイに関し、特に、ナノレベルのでこぼこ面の反射板を有し、かつ余分に光マスクを加える必要がない湾曲電界方式液晶ディスプレイの画素に関するものである。
周知の湾曲電界方式（fringe Field Switching、ＦＦＳ）液晶ディスプレイ（liquid crystal display、ＬＣＤ）では、電極はＩＴＯで、かつ透過式の設計であり、一般の反射式ＲＴＮ（Reflective twisted nematic）ＴＦＴ−ＬＣＤの反射層は金属から構成されるため、反射面が平滑であり、また、光が反射面に照射する時に鏡面反射が発生するため、視野角が制限される。また、散乱効果を高めるには、余分に有機材料膜、例えば、樹脂膜を反射層の下に加え、反射面をでこぼこ面にする必要がある。しかし、有機材料膜を増やすには光マスクの数を増やす必要があり、一般では、光マスクが８つから１０つ必要であるため、コストがかなりかかる。また、有機材料の耐熱度は約２５０度で、耐熱性がよくない。かつ形成されたでこぼこ面の高低落差は０．５μｍから１．５μｍの間で大きすぎるため、光学距離差は大きすぎ、反射光効率は理想の１００％から６０％〜８５％まで低下する。
したがって、ナノレベルのでこぼこ面を有し、光マスクを余分に増加する必要がない湾曲電界方式液晶ディスプレイが期待される。
本発明の主な目的は、ナノレベルのでこぼこ面を有する湾曲電界方式液晶ディスプレイの画素を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、光マスクの数を減少させる湾曲電界方式液晶ディスプレイの画素を提供することにある。
上述の目的を達成するために、本発明による湾曲電界方式液晶ディスプレイの画素は、結晶及び材料そのものの特性により基底の上にナノレベルのでこぼこ面の微散乱層を形成し、そして、微散乱層の上方にでこぼこ面とともに一体となる反射層を形成することで、反射層の表面がナノレベルのでこぼこ面となるものであるため、製造過程では、光マスクを余分に増加することを必要とせず、反射層に散乱効果を有し、コストを削減できる。また、でこぼこ面はナノレベルであるため、光学距離差の変化が比較的少なく、反射光効率を高める。かつ散乱効果の面では、比較的大きな散乱角度と安定化の効果がある。つまり、反射率は視野角にともない激しく変化することがなく、惑光防止という効果に優れるものである。
図１に示すのは、反射式液晶ディスプレイの画素１００の断面図であり、薄膜トランジスター１０２は基底１０４上に形成される。微散乱層は透明導電層１０６と絶縁層１０６から構成され、そのうちの透明導電層１０６が基底１０４上に形成され、ＩＴＯ層またはＩＺＯ層のいずれでもよく、絶縁層１０８が透明導電層１０６上に形成される。金属層１１０は絶縁層１０８上に形成され、金属層１００と薄膜トランジスター１０２のエミッタ／コレクターが同じ一枚の高反射率金属である。保護層１１２は薄膜トランジスター１０２及び金属層１１０を被覆する。反射層は保護層１１２上に形成され、かつ複数の高反射率の細長い金属１１４から構成され、そのうちの細長い金属１１４は湾曲状でもいい。水平配列液晶層１１８は、反射層と光学積層１１６との間に形成される。光学積層１１６は、少なくとも一つのカラーレンズ１２０とカラーレンズ１２０上に形成される偏光膜１２４とを有し、そのうちのカラーレンズ１２０の前端に黒色樹脂から構成される黒色マトリックス１２６を有し、かつカラーレンズ１２０はＩＴＯによるものではない。また、絶縁層１０８は、材質が窒化シリコーン、酸化シリコーン及び窒素酸化シリコーンなどのいずれか一つである。
図１における絶縁層１０８は、物理化学の気相沈積法などの製造過程により形成される。絶縁層１０８を透明導電層１０６上に形成する場合、材料そのものの特性の関係により絶縁層１０８が形成されると同時に、ナノレベルのでこぼこ面が形成される。そして、絶縁層１０８上に形成される金属層１１０とそのでこぼこ面を一体にすることで、金属層にナノレベルのでこぼこ面が形成される。保護層１１２と金属層１１０のでこぼこ面を一体にすることで、細長い金属１１４は光マスクを増加することを必要とせず、ナノレベルのでこぼこ面が形成され、散乱効果が高まるため、コストを大幅に削減できる。
本実施例による湾曲電界方式液晶ディスプレイのナノレベルのでこぼこ面は、その高低の差が１ｎｍから５００ｎｍの間であり、その高低の間隔距離が１０ｎｍから１５００ｎｍの間（従来のものは５μｍから２０μｍの間）であるため、散乱角度を更に広く平均にすることができ、かつ光学距離差△ｎｄの変化が０．１μｍから０．５μｍの間であるため、反射光効率が高まる。また、微散乱層は種晶層と絶縁層１０８を組み合わせ、長結晶の製造過程により形成することが可能である。
図１に示すように、近隣する細長い金属１１４の間には隙間Ｌがあり、すべての金属１１４は幅Ｗ及び厚さＨを有し、その隙間Ｌと幅Ｗの範囲が０．３μｍから１５μｍの間であり、厚さＨの範囲が０．０１μｍから２μｍの間である。ｄ１及びｄ２はそれぞれ光学積層１１６から反射層１１４及び保護層１１２までの平均セルの隙間（cell gap）であって、そのうちのｄ２の範囲は３μｍから４．８μｍの間であり、ｄ１とｄ２の比較値の範囲は０．４５から１の間である。また、保護層１１２は、その厚さが０．１５μｍから３μｍの間であって、窒化シリコーン、酸化シリコーンまたは窒素酸化シリコーンから構成されるものである。そして、金属層１１０は、銀、アルミニウムまたはその合金などの高反射率金属である。また、金属層１１０は、半透過式金属でもいい。細長い金属１１４と金属層１１０との間には保護層１１２が挟まるため、電気蓄積という効果を有することで、コンデンサーを設置する必要がなく、画素の開口率が犠牲にならない。
図１に示すように、画素１００に電圧が作用する際に、金属層１１０と細長い金属１１４との間には湾曲電界１３０が発生し、液晶層１１８中の液晶分子１２８にねじれが発生する。図２に示すのは図１の正面図であり、そのうちの細長い金属層１１４の配列方向１３２と液晶分子の指向（rubbing）方向１３４との間は角度ψを有し、注入する液晶が負型液晶となる場合、角度ψの範囲は３度から３０度の間であり、注入する液晶が正型液晶となる場合、角度ψの範囲は６０度から８５度の間である。また、細長い金属１１４は湾曲状にすることが可能であり、図３に示すように、細長い金属１１４は３度から３０度の間の偏屈折角度θを有する。
本実施例による画素１００には、注入する液晶層は負型液晶のほうが好ましく、負型液晶は、その係数△Ｅが−２．５から−７の間であり、その双屈折率△ｎが０．０２７から０．１１の間である。
図４に示すように、本発明の第一実施例による透過反射式液晶ディスプレイの画素２００は、図１による画素１００に類似する。両者とも薄膜トランジスター１０２と、基底１０４と、透明導電層１０６と、絶縁層１０８と、保護層１１２と、細長い金属１１４から構成される部分反射層と、水平配列液晶層１１８と、カラーレンズ１２０と、偏光膜１２４とを備えるが、違うところは、画素２００では、図１の画素１００の金属層１１０のかわりに透明導電層２０２が使用されることにある。前述の通り、絶縁層１０８を透明電極層１０６上に形成する時に、材料そのものの特性の関係によりナノレベルのでこぼこ面が形成され、透明導電層２０２がそのでこぼこ面とともに一体となり、また、保護層１１２が透明導電層２０２とともに一体となることで、保護層とともに一体となる細長い金属１１４は光マスクを増加することを必要とせず、ナノレベルのでこぼこ面が形成され、散乱効果が高まる。
上述のように、でこぼこ面は、高低の差が１ｎｍから５００μｍの間であり、高低の間隔距離が１０ｎｍから１５００ｎｍの間であり、光学距離差△ｎｄの変化が０．１から０．５μｍの間である。それに近隣する細長い金属１１４の間は、隙間Ｌと幅Ｗの範囲が０．３μｍから１５μｍの間であり、厚さＨの範囲が０．０１μｍから２μｍの間である。保護層１１２は厚さが０．１５μｍから３μｍの間であり、また、平均セルの隙間ｄ２の範囲は３μｍから４．８μｍの間であり、セルの隙間ｄ１とｄ２の比較値の範囲は０．４５から１の間である。図４に示すように、画素２００に電圧が作用する際に、透明導電層２０２と細長い金属１１４との間には湾曲電界１３０が発生し、液晶層１１８中の液晶分子１２８にねじれが発生する。その中に注入される液晶は、正型または負型液晶のいずれでもよいが、負型液晶のほうが好ましい。
上述のように、細長い金属１１４と透明導電層２０２との間には保護層１１２が挟まるため、電気蓄積の効果を有することで、コンデンサーを設置する必要がなく、画素２００の開口率が犠牲にならない。
図５に示すのは、本発明の第二実施例による透過反射式液晶ディスプレイの画素である。画素２１０は、薄膜トランジスター１０２と、基底１０４と、透明導電層１０６及び絶縁層１０８から構成される微散乱層と、保護層１１２と、細長い金属１１４から構成される反射層と、水平配列液晶層１１８と、カラーレンズ１２０と、偏光膜１２４と、黒色マトリックス１２６とを備える。そのうちの薄膜トランジスター１０２と微散乱層が基底１０４の上に形成され、反射層１１４が微散乱層上に形成され、薄膜トランジスター１０２のエミッタ／コレクターと同じ一枚の金属であり、保護層１１２が薄膜トランジスター１０２を被覆し、液晶層１１８が反射層１１４とカラーレンズ１２０との間に挟まり、偏光膜１２４がカラーレンズ１２０の上に形成され、黒色マトリックス１２６がカラーレンズ１２０の前端に形成され、薄膜トランジスター１０２を遮断するものである。前述の通り、材料そのものの特性の関係により透明導電層１０６上に沈積される絶縁層１０８はナノレベルのでこぼこ面が形成され、細長い金属１１４は保護層１１２とともに一体となるため、細長い金属１１４は光マスクを増加することを必要とせず、ナノレベルのでこぼこ面が形成され、散乱効果が高まる。
図６に示すのは、本発明の第三実施例による透過反射式液晶ディスプレイの画素である。画素３００では、薄膜トランジスター３０２は、基底３０４上に形成される。絶縁層３０６は、基底３０４の上に形成される。微散乱層は透明導電層３０８と絶縁層３１０とから構成され、そのうちの透明導電層３０８は絶縁層３０６と絶縁層３１０との間に挟まり、薄膜トランジスター３０２のコネクター３０２２と同じ一枚の金属である。反射層３１２は絶縁層３１０上に形成され、複数の高反射率の細長い金属から構成される。水平配列液晶層３１６は光学積層３１４と反射層３１２との間に挟まる。光学積層３１４は少なくとも一つのカラーレンズ３１８とカラーレンズ３１８上に形成される偏光膜３２２とを有し、かつカラーレンズ３１８の前端に黒色マトリックス３２４を有する。また、絶縁層３１０は、材質が窒化シリコーンまたは酸化シリコーンである。
上述の通り、絶縁層３１０は物理化学の気相沈積法などの製造過程により形成される。絶縁層３１０を透明導電層３０８上に形成する場合、材料そのものの特性の関係によりナノレベルのでこぼこ面が形成され、細長い金属３１２と絶縁層３１０のでこぼこ面が一体となるため、細長い金属３１２は光マスクを余分に増加することを必要とせず、でこぼこ面を有する。
上述の実施例により使用される薄膜トランジスターは、ＣＭＯＳトランジスターにすることが可能である。図７に示すように、本実施例では、低温多結晶質シリコーン（Low Temperature Poly-Si、ＬＴＰＳ）による画素４００は、基底４０４上に形成されるＣＭＯＳ薄膜トランジスター４０２と、基底４０４上に形成される絶縁層４０６と、保護層４１０と保護層４１２との間に透明導電層４０８が挟まるＩＴＯ層と保護層４１２とから構成される微散乱層と、保護層４１２上に形成されて複数の高反射率の細長い金属４１４から構成される反射層と、光学積層４１６と、光学積層４１６と反射層４１４との間に挟まる水平配列液晶層４１８とを備え、そのうちの光学積層４１６がカラーレンズ４２０、黒色マトリックス４２６及び偏光膜４２４を有する。
本発明による反射式液晶ディスプレイ及び透過反射式液晶ディスプレイの画素は、薄膜トランジスター（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）、低温多結晶質シリコーン、薄膜ダイオード（Thin Film Diode、ＴＥＤ）及びケイ素液晶ディスプレイ(Liquid Crystal On Silicon、ＬＣＯＳ）などの液晶ディスプレイに適用することが可能である。
上述は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の実施範囲を制限することがない。本発明の請求範囲により均等な変化と修飾をするのは、本発明の範囲に属するべきである。
本発明の一実施例による湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素の断面図である。 本発明の一実施例による湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素の正面図である。 本発明の一実施例による湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素の正面図である。 本発明の第一実施例による湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素の断面図である。 本発明の第二実施例による湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素の断面図である。 本発明の第三実施例による湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素の断面図である。 ＣＭＯＳによる薄膜トランジスターの画素の断面図である。
符号の説明
１００ 画素、１０２ 薄膜トランジスター、１０４ 基底、１０６ 透明導電層、１０８ 絶縁層、１１０ 金属層、１１２ 保護層、１１４ 細長い金属、１１６ 光学積層、１１８ 水平配列液晶層、１２０ カラーレンズ、１２４ 偏光膜、１２６ 黒色マトリックス、１２８ 液晶分子、１３０ 電界、１３２ 細長い金属の配列方向、１３４ 液晶分子１２８の指向方向、２００ 画素、２０２ 透明導電層、２１０ 画素、３００ 画素、３０２ 薄膜トランジスター構造、３０４ 基底、３０６ 絶縁層、３０８ 透明導電層、３１０ 絶縁層、３１２ 細長い金属、３１４ 光学積層、３１６ 水平配列液晶層、３１８ カラーレンズ、３２２ 偏光膜、３２４ 黒色マトリックス、４００ 画素、４０２ ＣＭＯＳ薄膜トランジスター、４０４ 基底、４０６ 絶縁層、４０８ 透明導電層、４１０ 保護層、４１２ 保護層、４１４ 細長い金属、４１６ 光学積層、４１８ 水平配列液晶層、４２０ カラーレンズ、４２４ 偏光膜、４２６ 黒色マトリックス、３０２２ 薄膜トランジスター３０２のコレクター

Claims (39)

  1. 基底の上に形成され、材料そのものの特性によりナノレベルのでこぼこ面を有する微散乱層と、
    微散乱層の上に形成され、微散乱層のでこぼこ面とともに一体となることで、でこぼこ面を有する金属層と、
    金属層の上方に形成され、でこぼこ面とともに一体となることで、でこぼこ面を有する反射層と、
    光学積層と、
    反射層と光学積層との間に形成される水平配列液晶層と、
    を備えることを特徴とする湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  2. 光学積層は、カラーレンズと、カラーレンズの上に形成される偏光膜とを有することを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  3. ナノレベルのでこぼこ面は、高低の差と間隔距離とを有し、そのでこぼこ面の高低の差は１ｎｍから５００μｍの間であることを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  4. 微散乱層は、基底の上に形成される透明導電層と、透明導電層の上に形成され、かつナノレベルのでこぼこ面を有する絶縁層とを有することを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  5. 絶縁層は、窒化シリコーン、酸化シリコーンまたは窒素酸化シリコーンから構成されることを特徴とする請求項４に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  6. 透明導電層は、ＩＴＯまたはＩＺＯであることを特徴とする請求項４に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  7. 微散乱層は、少なくとも一つのナノレベルのでこぼこ面の絶縁層を少なくとも一つ有することを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  8. 微散乱層は、少なくとも一つの種晶層と、ナノレベルのでこぼこ面の絶縁層とを有することを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  9. 反射層は、複数の細長い金属から構成されることを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  10. すべての細長い金属は、幅が０．３μｍから１５μｍの間であることを特徴とする請求項９に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  11. 近隣する金属の間は、幅が０．３μｍから１５μｍの間であることを特徴とする請求項９に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  12. 近隣する細長い金属は、湾曲状であり、かつすべての湾曲した細長い金属は３度から３０度の間の偏屈折角度を有することを特徴とする請求項９に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  13. 液晶層は、光学距離差が０．１μｍから０．５μｍの間であることを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  14. 液晶層は、負型液晶であることを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  15. 液晶層の液晶分子は、指向方向が３度から３０度の間であることを特徴とする請求項１４に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  16. 液晶層は、正型液晶であることを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  17. 液晶層の液晶分子は、指向方向が６０度から８５度の間であることを特徴とする請求項１６に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  18. 基底の上に形成され、そのエミッタ／コネクターが金属層と同じ一枚の金属である薄膜トランジスターを有することを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  19. 液晶層は、双屈折率が０．０２７から０．１１の間であることを特徴とする請求項１４に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  20. カラーレンズの前端に形成され、黒色樹脂から構成される黒色マトリックスを有することを特徴とする請求項２に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  21. 反射層と金属層との間に挟まる保護層を有し、かつ光学積層と反射層との間に第一セルの隙間を有し、光学積層と保護層との間に第二セルの隙間を有することを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  22. 第一セルの隙間と第二セルの隙間の比較値は、０．４５から１の間であることを特徴とする請求項２１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  23. 反射層と金属層との間に挟まる保護層を有し、かつ反射層、保護層及び金属層によりコンデンサーが形成されることを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
  24. 基底の上に形成され、材料そのものの特性によりナノレベルのでこぼこ面を有する微散乱層と、
    微散乱層の上に形成され、でこぼこ面とともに一体となることで、でこぼこ面を有する部分反射層と、
    光学積層と、
    部分反射層と光学積層との間に形成される水平配列液晶層と、
    を備えることを特徴とする湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  25. 微散乱層と部分反射層との間に形成され、微散乱層のでこぼこ面とともに一体となることで、でこぼこ面を有する透明導電層を有することを特徴とする請求項２４に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  26. 基底の上に形成され、そのエミッタ／コネクターが透明導電層と同じ一枚の金属である薄膜トランジスターを有することを特徴とする請求項２４に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  27. 基底の上に形成され、そのエミッタ／コネクターが部分反射層と同じ一枚の金属である薄膜トランジスターを有することを特徴とする請求項２４に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  28. 微散乱層は、基底の上に形成される透明導電層と、透明導電層の上に形成され、かつナノレベルのでこぼこ面を有する絶縁層とを有することを特徴とする請求項２４に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  29. 微散乱層は、少なくとも一つのナノレベルのでこぼこ面の絶縁層を有することを特徴とする請求項２４に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  30. 液晶層は、光学距離差が０．１μｍから０．５μｍの間であることを特徴とする請求項２４に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  31. 液晶層は、負型液晶であることを特徴とする請求項２４に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  32. 液晶層の液晶分子は、指向方向が３度から３０度の間であることを特徴とする請求項３１に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  33. 液晶層は、正型液晶であることを特徴とする請求項２４に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  34. 液晶層の液晶分子は、指向方向が６０度から８５度の間であることを特徴とする請求項３３に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  35. 部分反射層は、光学積層との間に第一セルの間隔距離を有する反射区と、光学積層との間に第二セルの間隔距離を有する透光区とを有することを特徴とする請求項２４に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  36. 第一セルの間隔距離と第二セルの間隔距離の比較値の範囲は、０．４５から１の間であることを特徴とする請求項３１に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  37. 液晶層は、双屈折率が０．０２７から０．１１の間であることを特徴とする請求項３１に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  38. 光学積層は、少なくともカラーレンズと、カラーレンズの前端に形成されて黒色樹脂から構成される黒色マトリックスと、カラーレンズの上に形成される偏光膜とを有することを特徴とする請求項２４に記載の湾曲電界透過反射式液晶ディスプレイの画素。
  39. 反射層と金属層との間に挟まる保護層を有し、かつ反射層、保護層及び金属層によりコンデンサーが形成されることを特徴とする請求項１に記載の湾曲電界反射式液晶ディスプレイの画素。
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