JP2005292709A - 液晶表示素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】複雑な構造を必要とせず様々な照明環境で十分な画像の明るさおよびコントラストを得る。
【解決手段】液晶表示素子はTFT基板2および対向基板1と、TFT基板2および対向基板1間に挟持され液晶組成物を含む液晶層5とを備える。TFT基板2は対向基板1側から液晶層5を介して入射する光を反射する少なくとも一対の第1および第2反射電極7,8aを有し、対向基板1は少なくとも第1反射電極7に対向して液晶層5に縦方向電界を印加する透明電極8bを有し、第2反射電極8aはTFT基板2側から液晶層5に入射する光を透過させると共に液晶層5に横方向電界を印加するように第1反射電極7から離される。
【選択図】図1

Description

本発明は液晶層が一対の基板間に挟持される液晶表示素子に関し、特に透過光および反射光が画像を表示するために併用される液晶表示素子に関する。
近年、液晶表示素子はノートパソコン、モニタ、カーナビゲーション、関数電卓、中小型TVなど様々な分野に応用されている。例えば反射型液晶表示素子は外光を反射することにより画像表示を行うことから、屋外で利用する機会が多いモバイルPC、携帯電話、カーナビゲーション等のポータブル機器用ディスプレイとして適している。しかし、表示画面の明るさが周囲の照明環境に依存し、画像が暗闇で全く見えなくなってしまう。このため、反射型液晶表示素子は補助光源として表示画面の前方に配置されるフロントライトからの光を反射することにより暗所でも画像を見えるようにしている。
一般に反射型表示素子はフロントライト光を各種導光部材を介して表示画面に導くように構成されている。このため、これら導光部材の界面において生じる反射(フレネル反射)の直接的な影響によって良好なコントラスト特性を得ることが難しい。こうした問題は、補助光源として表示画面の後方に配置されるバックライトを備えた半透過型液晶表示素子において生じない。この半透過型液晶表示素子では、画像表示が外光を反射しバックライト光を透過することにより行われる(例えば特許文献1を参照)。半透過型液晶表示素子のコントラスト特性は暗所において反射型液晶表示素子のコントラスト特性よりも優れているため、現在では、半透過型液晶表示素子がポータブル機器用ディスプレイの主流になっている。
ここで、従来の半透過型液晶表示素子の構造および動作原理について図5〜図12を参照して説明する。
例えば図5〜図8に示す従来の半透過型液晶表示素子は対向基板1およびTFT基板2間に液晶層5を挟持しこの液晶層5の厚さを略一様にした構造を有する。画素の平面構造は図5および図6において断面構造の範囲Aに対応して示される。この液晶表示素子では、複数の画素電極がTFT基板2側に配置され、共通電極がこれら画素電極に対向して対向基板1側に配置される。画素電極は透明電極7aおよび反射電極7bからなり、共通電極は透明電極8からなる。透明電極7aおよび反射電極7bはいずれも信号線等の配線4を覆う絶縁層3上に形成される。液晶層5は誘電率異方性が正のネマティック液晶を含む。画素電極および共通電極間に電圧が印加されない電圧無印加時、液晶分子6は図5に示すように4分の1の位相差を得るよう振れ配向またはホモジニアス配向される。画素電極および対向電極間に電圧が印加される電圧印加時、液晶分子6はこれら電極間で液晶層5の法線方向に印加される電界により図6に示すように垂直に配列する。このとき、液晶層5の位相差がほぼゼロとなる。また、偏光板10a,10bの吸収軸15,14および1/4波長板11a,11bの遅相軸16,19が互いに直交し円偏光板として機能するようにそれぞれ対向基板1の外面およびTFT基板2外面に配置される。これにより、図7に示す電圧無印加時には、4分の1の位相差が液晶層5に生じるため、反射電極7bに対応した反射領域および透過電極7aに対応した透過領域の両方が明表示状態となる。また、図8に示す電圧印加時には、液晶層5に位相差が生じないため、反射領域および透過領域の両方が暗表示状態となる。
しかしながら、上述の半透過型液晶表示素子では、反射領域の表示を成立させるためには液晶層5の位相差を4分の1とする必要があるため、透過領域の位相差も必然的に4分の1となる。図7および図8に示すように、外光は反射領域おいて液晶層5を2回通過するので全体で2分の1の位相差を得るが、バックライト光は透過領域において液晶層5を1回しか通過しないので4分の1の位相差しか得られない。電界は液晶層5の法線方向に印加されるため、電圧印加時の液晶層5の位相差はゼロ以上となる。これにより、液晶層5の位相差の制御範囲は4分の1以下となる。従って、半透過型液晶表示素子が図8に示す電圧印加時に暗表示状態を得るように構成される場合、電圧無印加時に得られる明表示状態で、図7に示すように液晶層5からの出射光は直線偏光となり、出射光が偏光板10aによって略50%吸収される。従って、透過領域の表示が暗くなるという問題が生じる。
こうした問題は、例えば図9〜図12に示す従来の半透過型液晶表示素子により解決できる。この半透過型液晶表示素子は対向基板1およびTFT基板2間に液晶層5を挟持しこの液晶層5の厚さを各画素の反射領域および透過領域において異ならせた構造を有する。画素の平面構造は図9および図10において断面構造の範囲Aに対応して示される。この半透過型液晶表示素子では、絶縁層3が反射電極7bだけの下地として形成され、透明電極7aおよび反射電極7bの高低差が絶縁層3の厚さに等しい。この高低差は、液晶層5の厚さを透過領域において反射領域に対して略2倍にするように設定されており、これにより電圧無印加時の液晶層5の位相差を略2分の1としている。従って、反射領域では、液晶層5の位相差が4分の1となる。この場合、液晶層5の位相差は液晶印加電圧によって略ゼロから4分の1の間で制御され、表示の明暗を設定する。これに対して透過領域では、液晶層5の位相差は液晶印加電圧によって略ゼロから2分の1の間で制御され、表示の明暗を設定する。従って、透過領域および反射領域のいずれでもトータルの位相差量はゼロから2分の1の制御となるため、図11に示すように、明表示状態で対向基板1側の1/4波長板11aに入射する光は円偏光であり、対向基板1側の偏光板10aをほぼ透過させることができる。
特開平11−242226号公報
しかしながら、図9から図12に示す半透過型液晶表示素子の製造プロセスでは、各画素について2種類の異なる液晶層5の厚さを得るために反射領域に対する液晶層5の厚さと絶縁層3の厚さとの両方を制御する必要がある。このため、プロセスマージンが狭いという問題が生じている。また、図5〜図8に示す半透過型液晶表示素子および図9〜図12に示す半透過型液晶表示素子では、透明電極7aおよび反射電極7bに対応する2つの電極パタンがTFT基板2側に形成される必要がある。このため、一般的な透過型あるいは反射型液晶表示素子よりもプロセス数が増加してしまう。さらに、図5〜図8に示す半透過型液晶表示素子および図9〜図12に示す半透過型液晶表示素子では、2つの1/4波長板11a,11bが対向基板1側およびTFT基板2側にそれぞれ配置される必要があるため、部材コストが高くつく。
本発明の目的は、複雑な構造を必要とせず様々な照明環境で十分な画像の明るさおよびコントラストを得ることができる半透過型液晶表示素子を提供することにある。
本発明によれば、第1および第2基板と、第1および第2基板間に挟持され液晶組成物を含む液晶層とを備え、第1基板は第2基板側から液晶層を介して入射する光を反射する少なくとも一対の第1および第2反射電極を有し、第2基板は少なくとも第1反射電極に対向して液晶層に縦方向電界を印加する透明電極を有し、第2反射電極は第1基板側から液晶層に入射する光を透過させると共に液晶層に横方向電界を印加するように第1反射電極から離される液晶表示素子が提供される。
この液晶表示素子では、第2反射電極が第1基板側から液晶層に入射する光を透過させると共に液晶層に横方向電界を印加するように第1反射電極から離される。ここでは、液晶分子の配列が反射電極に対応した反射領域で縦方向電界により制御され、反射電極の周囲に対応した透過領域で横方向電界により制御される。この場合、十分な明るさおよびコントラストを得るために第1および第2基板のいずれかに反射電極および透明電極の両方を形成したり、複数種の厚さを液晶層に設けたりする必要がない。従って、透過光および反射光のいずれか一方を表示に用いる液晶表示素子と同等のプロセスで製造できる。さらに、上述の構造であれば、第1基板側に設けられるような1/4波長板についても不要にできる。
以下、本発明の一実施形態に係る半透過型液晶表示素子について添付図面を参照して説明する。
図1はこの半透過型液晶表示素子に設けられる画素の断面構造および平面構造を電圧無印加時の液晶分子配列と共に示し、図2はこの画素の断面構造および平面構造において得られる電圧印加時の液晶分子配列を示し、図3は電圧無印加時の液晶分子配列にある画素に入射する入射光の透過、吸収および偏光作用を概念的に示し、図4は電圧印加時の液晶分子配列にある画素に入射する入射光の透過、吸収および偏光作用を概念的に示す。ここで、画素の平面構造は図1および図2において断面構造の範囲Aに対応して示される。また、図1〜図4では、同様または類似する構成要素を同一参照符号で表し、重複する説明を省略する。
この半透過型液晶表示素子は図1〜図4に示すように対向基板1およびTFT基板2間に液晶層5を挟持しこの液晶層5の厚さを略一様にした構造を有する。TFT基板2は対向基板1側から液晶層5を介して入射する光を反射し略マトリクス状に配置される複数対の第1および第2反射電極7,8a、複数対の第1および第2反射電極7,8aに隣接して配置される複数の薄膜トランジスタW、およびこれら第1および第2反射電極7,8aおよび複数の薄膜トランジスタWを支持するガラス等の透明絶縁基板SAを有する。対向基板1は第1反射電極7に対向して液晶層5に縦方向電界(液晶層5の法線方向の電界)を印加する透明電極8b、カラーフィルタ層9、およびこれら透明電極8bおよびカラーフィルタ層9を支持するガラス等の透明絶縁基板SBを有する。
第2反射電極8aはTFT基板2側から液晶層5に入射する光を透過させると共に液晶層5に横方向電界(液晶層5の法線方向に直交するTFT基板2の基板平面方向の電界)を印加するように第1反射電極7から離される。ここで、第1反射電極7は画素電極であり、第2反射電極8aは画素電極(第1反射電極7)と協力して横方向電界を印加する共通電極である。また、透明電極8bは画素電極(第1反射電極7)と協力して縦方向電界を印加する共通電極であり、TFT基板2側の共通電極(第2反射電極8a)に電気的に接続される。信号線等の配線4および薄膜トランジスタWは透明絶縁基板SAの上方において絶縁層3により覆われる。反射電極7および反射電極8aは絶縁層3の表面である同一平面上に配置される。ここでは、絶縁層3が透明レジストおよび透明な無機膜を用いて形成され、反射電極7および反射電極8aが絶縁層3を覆って形成される金属層をパターニングすることにより離間して形成されている。この金属層の材料としては、反射電極7,8aに高い反射率を得ることができるアルミニウム(Al)等が適している。反射電極7は絶縁層3に形成されるコンタクトホールを介して薄膜トランジスタWに接続されたドレイン電極を構成し、配線4の信号線は薄膜トランジスタWに接続されるソース電極を構成する。また、配線4および薄膜トランジスタWは透過領域の周囲に配置される。具体的には、配線4が遮光膜として画素間に配置され、薄膜トランジスタWが画素スイッチング素子として配線4および反射電極7に重なるように配置されている。
カラーフィルタ層9は透明絶縁基板SB上においてストライプ状に並べられた赤R、緑G、および青Bの着色層からなり、透明電極8bはこのカラーフィルタ層9上に形成される例えばITO(Indium Tin Oxide)膜からなる。RGBの着色層はTFT基板2において略マトリクス状に配置された複数対の反射電極7,8aの列にそれぞれ対向する。これにより、RGBの着色層に対向して行方向に並ぶ3対の反射電極7,8aが1個のカラー画素を構成する3個のサブピクセル(副画素)をそれぞれ規定する。
各画素(カラー画素に対するサブピクセル)では、縦方向電界による制御が反射電極7に対応した反射領域で行われ、横方向電界による制御が反射電極7の周囲、具体的には反射電極7および反射電極8aの間隙および反射電極8aに対応した透過領域で行われる。この場合、反射領域で液晶層5の位相差を4分の1とする必要があるが、透過領域で液晶層5の位相差を4分の1としても十分な光利用効率が得られる。このため、液晶層5の厚さは透過領域および反射領域において等しい。画像表示はそれぞれの画素の反射領域で得られる反射光と、透過領域で得られる透過光とを併用して行われる。
液晶層5は誘電率異方性が正のネマティック液晶を液晶組成物として含む。このネマティック液晶としては、例えば(株)メルク製のZLI−4792が用いられる。画素電極および共通電極間に電圧が印加されない電圧無印加時、液晶分子6は4分の1の位相差を得るようホモジニアス配向される。
透過領域で液晶層5の遅相軸を略90°変化させるには、電圧無印加時にホモジニアス配向する液晶層5の液晶分子配列方向を横方向電界の方向とほぼ直交させる必要がある。このため、水平配向膜(図示せず)が液晶層5に隣接してTFT基板2側の反射電極7,8aおよび対向基板1側の透明電極8bを覆って形成されている。この水平配向膜は、例えば(株)日産化学製のSE7492の配向膜材料を塗布し、対向基板1側の配向膜およびTFT基板2側の配向膜をそれぞれ図1および図2に示す方向12,13にラビング処理することにより得られる。図1および図2に示すような液晶分子配列を実現させるため、実際のラビング方向は液晶分子方位が横方向電界により一様な方向に変化するようTFT基板2上の共通電極(反射電極8a)の長手方向に対して1°程度ずれた方向に設定される。
また、偏光板10aおよび1/4波長板11が対向基板1の外面に配置され、偏光板10bがTFT基板2の外面に配置される。偏光板10bの吸収軸14は電圧無印加時の液晶分子配列方向と45°の角度となる方位に設定される。偏光板10bを透過した直線偏光は液晶層5によって右円偏光および左円偏光に変換される。偏光板10aの吸収軸15は図1および図2に示す方位15に設定され、1/4波長板11の遅相軸16は図1および図2に示す方位に設定される。1/4波長板11および偏光板10aは円偏光板として機能する。1/4波長板11としては、ポリカーボネイトやアートン樹脂を一軸延伸したもの、テイジン製の逆波長分散樹脂を一軸延伸したもの、あるいはこれらを2軸化して偏光板10a,10bの視角特性を補償する機能を加えたものを用いることができる。また、位相差の波長分散特性を解消するように1/2波長板と1/4波長板を組み合わせたものを用いてもよい。この場合には、全体として得られる遅相軸が前述の方向に設定されれば良い。
透過領域では、液晶分子配列の方位が横方向電界により制御され、液晶層5の位相差を維持したまま、その位相差の遅相方向を変えることができる。つまり、透過領域における液晶分子は従来から透過型に用いられているインプレーンスイッチングモード(IPSモード)で機能する。ここで、液晶層5の位相差は可視光波長のうち視感度の高い550nmの波長にて4分の1となるように設定される。液晶層5内の液晶組成物の屈折率異方性Δnと液晶層5の厚さdとを乗じた値Δndを132nmとして、TFT基板2側から液晶層5に入射する光がバックライトBLから出射し偏光板10bを透過した光のような直線偏光であるとすれば、液晶層5を透過した光の偏光状態を図3および図4に示すように右円偏光〜左円偏光の間で制御できる。(図3および図4において、17は透過領域に関して光の進行方向、透過光量、および偏光状態を概念的に表し、18aは反射領域に関して反射電極7に入射する光の進行方向、透過光量、および偏光状態を概念的に表し、18bは反射領域に関して反射電極7で反射した光の進行方向、透過光量、および偏光状態を概念的に表す。これらは、従来図においても同様の参照符号で表されている)
液晶層5を透過した光は1/4波長板11により図3および図4に示すように電圧印加時と電圧無印加時とで直交する直線偏光に変換され、偏光板10aをほぼ100%透過する状態とほぼ100%吸収する状態と間の状態に制御できる。これに対して、反射領域では、液晶分子が反射電極7および透明電極8b間の縦方向電界によって図5に示す従来の半透過型液晶表示素子の反射領域と同様に機能する。
図3に示す電圧無印加時には、液晶層5が4分の1の位相差を発揮するため、反射領域、透過領域の両方が明表示状態となる。また、図4に示す電圧印加時には、位相差が液晶層5で生じないため、反射領域および透過領域の両方が暗表示状態となる。
本実施形態の半透過型液晶表示素子では、第2反射電極8aがTFT基板2側から液晶層5に入射する光を透過させると共に液晶層5に横方向電界を印加するように第1反射電極7から離される。ここでは、反射領域の液晶分子6aの配列が縦方向電界により制御され、透過領域の液晶分子6bの配列が横方向電界により制御される。この場合、十分な明るさおよびコントラストを得るために対向基板1およびTFT基板2のいずれかに反射電極および透明電極の両方を形成したり、複数種の厚さを液晶層5に設けたりする必要がない。従って、透過光および反射光のいずれか一方を表示に用いる液晶表示素子と同等のプロセスで製造できる。さらに、上述のように1/4波長板11を対向基板1側に設ければ、これ以外の1/4波長板をTFT基板2側に設ける必要がない。
尚、対向基板1側の共通電極(透明電極8b)は透過領域に対して設けられていないが、反射領域および透過領域に対して設けられた場合でも、十分な横方向電界を確保できるので上述の制御を行うことができる。この場合、透明電極8bの材料であるITOの透過率分、透過領域の輝度が若干下がるものの、対向基板1側で共通電極(透明電極8b)を得るために行われるITO層のパターニングを不要にすることができる。
尚、光は反射領域でカラーフィルタ層9を2回通過する必要があるため、カラーフィルタ層9の色の濃さが一様である場合に反射領域の透過光量が透過領域の透過光量よりも少なくなる。このため、反射領域におけるカラーフィルタ層9の色の濃さを透過領域におけるカラーフィルタ層9の色の濃さより薄く設定すれば、透過領域での色の濃さおよび色再現範囲を十分高くしたまま反射領域の輝度を確保することができる。この他に、カラーフィルタ層9の厚さを反射領域において透過領域よりも薄くしたり、反射領域のカラーフィルタ層の一部に穴を設けたり、カラーフィルタ層9の顔料濃度または染料濃度を反射領域において透過領域よりも薄くしたりして、反射領域の色再現範囲を透過領域の色再現範囲とほぼ同等にすることもできる。ちなみに、モノクロ表示だけを行う場合には、カラーフィルタ層9は省略可能であり、前述したサブピクセルの各々がモノクロ用画素となる。
(製造例1)
図1および図2に示す半透過型液晶表示素子を作製した。この半透過型液晶表示素子の画素電極および共通電極間に薄膜トランジスタWを介して4Vの駆動電圧を選択的に供給することによりコントラスト特性を測定した。コントラストはバックライトBLを点灯させた状態の照度=0ルクスで500:1、照度=10万ルクスでも30:1という高い値が得られた。また、電圧無印加時の積分反射率を測定したところ、積分球反射率は5%と高い値であった。さらに、電圧無印加時の透過率を測定したところ、透過率は10%という高い値であった。
(比較例1)
図5および図6示す半透過型液晶表示素子を作製した。ここでは、画素の開口率やカラーフィルタの透過率、透過領域と反射領域の面積比は製造例1と同様としてある。比較例1の半透過型液晶表示素子について、製造例1と同様にコントラスト特性を測定したところ、コントラストはバックライトを点灯させた状態の照度=0ルクスで500:1、照度=10万ルクスでも30:1という高い値が得られた。また、電圧無印加時の積分球反射率を測定したところ、積分球反射率は5%という高い値であった。しかしながら、電圧無印加時の透過率を測定したところ、透過率は5%と製造例1の半分の値しかなかった。
(比較例2)
図9および図10示す半透過型液晶表示素子を作製した。ここでは、画素の開口率やカラーフィルタの透過率、透過領域と反射領域の面積比は製造例1と同様としてある。比較例2の半透過型液晶表示素子について、製造例1と同様にコントラスト特性を測定したところ、コントラストはバックライトを点灯させた状態の照度=0ルクスで500:1、照度=10万ルクスでも30:1という高い値が得られた。また、電圧無印加時の積分球反射率を測定したところ、積分球反射率は5%という高い値であった。さらに、電圧無印加時の透過率を測定したところ、透過率は10%という高い値であった。しかしながら、液晶層の厚さを透過領域および反射領域について異ならせる制御を適切に行うことが難しい。具体的には、反射電極と透過電極との高低差を決定する絶縁膜の厚さが均一でないために、表示ムラが発生していた。
本発明の一実施形態に係る半透過型液晶表示素子に設けられる画素の断面構造および平面構造を電圧無印加時の液晶分子配列と共に示す図である。 図1に示す画素の断面構造および平面構造において得られる電圧印加時の液晶分子配列を示す図である。 図1に示す電圧無印加時の液晶分子配列にある画素に入射する入射光の透過、吸収および偏光作用について説明するための断面図である。 図2に示す電圧印加時の液晶分子配列にある画素に入射する入射光の透過、吸収および偏光作用について説明するための断面図である。 従来から知られる半透過型液晶表示素子に設けられる画素の断面構造および平面構造を電圧無印加時の液晶分子配列と共に示す図である。 図5に示す画素の断面構造および平面構造において得られる電圧印加時の液晶分子配列を示す図である。 図5に示す電圧無印加時の液晶分子配列にある画素に入射する入射光の透過、吸収および偏光作用について説明するための断面図である。 図6に示す電圧印加時の液晶分子配列にある画素に入射する入射光の透過、吸収および偏光作用について説明するための断面図である。 従来から知られる他の半透過型液晶表示素子に設けられる画素の断面構造および平面構造を電圧無印加時の液晶分子配列と共に示す図である。 図9に示す断面構造および平面構造において得られる電圧印加時の液晶分子配列を示す図である。 図9に示す電圧無印加時の液晶分子配列にある画素に入射する入射光の透過、吸収および偏光作用について説明するための断面図である。 図10に示す電圧印加時の液晶分子配列にある画素に入射する入射光の透過、吸収および偏光作用について説明するための断面図である。
符号の説明
1…対向基板、2…TFT基板、3…絶縁層、4…信号線、5…液晶層、6…液晶分子、7…第1反射電極(画素電極)、8a…第2反射電極(共通電極)、8b…透明電極(共通電極)、9…カラーフィルタ層、10a…偏光板、10b…偏光板、11…1/4波長板、12,13…ラビング方向、14,15…偏光板の吸収軸、16…1/4波長板の遅相軸。

Claims (6)

  1. 第1および第2基板と、前記第1および第2基板間に挟持され液晶組成物を含む液晶層とを備え、前記第1基板は前記第2基板側から前記液晶層を介して入射する光を反射する少なくとも一対の第1および第2反射電極を有し、前記第2基板は少なくとも前記第1反射電極に対向して前記前記液晶層に縦方向電界を印加する透明電極を有し、前記第2反射電極は前記第1基板側から前記液晶層に入射する光を透過させると共に前記液晶層に横方向電界を印加するように前記第1反射電極から離されることを特徴とする液晶表示素子。
  2. 前記第1基板は前記第1および第2反射電極よりも下側で前記第1および第2反射電極間で横方向電界が印加される透過領域の周囲に配線およびスイッチング素子を有することを特徴とする請求項1に記載の液晶表示素子。
  3. 前記第1基板の外面に配置される偏光板と、前記第2基板の外面に配置される一対の1/4波長板および偏光板をさらに備え、前記液晶層が波長λ=550nmである入射光に対して略4分の1の位相差を持つように設定されることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示素子。
  4. 前記液晶層は液晶分子が電圧無印加時に前記横方向電界の方向と略直交する方位に配列したホモジニアス配向することを特徴とする請求項1に記載の液晶表示素子。
  5. 前記第2基板は透明電極の下地としてカラーフィルタ層を有することを特徴とする請求項1に記載の液晶表示素子。
  6. 前記カラーフィルタ層は前記第1反射電極に対応する反射領域において前記透過領域よりも大きい透過率を有することを特徴とする請求項5の液晶表示素子。
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