JP2007093692A

JP2007093692A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JP2007093692A
Application number: JP2005279484A
Authority: JP
Inventors: Hideo Oura; 秀男大浦
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】画像むらが改善され、生産性が良好であり、省資源化やコスト低減が図れる液晶表示素子を提供する。
【解決手段】ガラス基板１０の液晶２０側の面Ａに、第１の屈折率を有する第１の透明膜１１と、この第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の透明膜１２と、この第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有する導電性の透明電極１３とが順次積層されてなる透明多層膜１５ａを形成し、透明電極１３の厚さを１０〜２５ｎｍの範囲内とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示素子に関する。

近年、液晶表示素子は、プロジェクタやプロジェクションテレビなどの大画面ディスプレイ装置に用いられている。また、大画面ディスプレイ装置は、さらなる大画面化が進み、この大画面化に伴って画像を表示するための光源の高輝度化が望まれている。
そこで、この光源として、従来から用いられていたメタルハライドランプに加えて、このメタルハライドランプよりも低消費電力で高輝度が得られる超高圧水銀（ＵＨＰ：Ultra High Performance）ランプが多く用いられるようになった。
この超高圧水銀ランプは、周知のように、可視光域において特定波長の輝線を有している。そして、この輝線により干渉が発生し、干渉縞（フリンジともいう）や輝度むらなどの表示不良が発生する場合がある。特定波長とは、一般的に、約４４０ｎｍ、約５４０ｎｍ、及び約５８０ｎｍである。

この表示不良は、液晶表示素子の液晶層の厚さが１０ミクロン以下と薄いため、透明基板と液晶層との界面で反射が起こると、液晶層のわずかな厚みむらによって位相ずれが生じ、この位相ずれにより発生するものと考えられる。特に反射型液晶表示素子では、液晶層を入射光及び反射光が通過するため、投射型液晶表示素子に比べ干渉縞が目立ちやすくなる。
この解決手段として光源の輝線を除去する方法が考えられるが、光量が減少するといった不具合が生じる。また、他の解決手段として液晶層の厚みむらをなくすことが考えられるが、透明基板の表面の平坦性を向上させるための工数等が増えるため、生産性が著しく低下するといった不具合が生じる。

そこで、上述した干渉縞を低減する他の手段の一つが特許文献１に記載されている。
この特許文献１の記載によれば、透明基板の一面側に、膜厚λ／４の第１のＡｌ_２Ｏ_３膜、膜厚λ／２のＩＴＯ(Indium Tin Oxide)膜、及び膜厚λ／４の第２のＡｌ_２Ｏ_３膜が順次積層されてなる３層構造の透明電極層を形成することにより、干渉縞の発生を抑えられるとするものである。なお、λは入射光及び反射光の中心波長である。
特開２００２−１４３２７号公報

ところで、ＩＴＯ膜は、一般的に、蒸着やスパッタなどの真空成膜法をよって形成される。常温で成膜されたＩＴＯ膜は、アモルファス(非晶質ともいう)状態の膜であるため電気抵抗の大きい膜となってしまう。そこで、ＩＴＯ膜の結晶化温度（約１５０℃）以上の温度でＩＴＯ膜を成膜することが一般的に行われている。このようにして成膜されたＩＴＯ膜は多結晶状態の膜なので、アモルファス(非晶質ともいう)状態のＩＴＯ膜よりも電気抵抗の小さい膜となる。

また、一般的に、光学膜の物理膜厚Ｄを、Ｄ＝(λ／４)×（ＮＤ／ｎ）と表すことができる。ＮＤは光学膜厚であり、ｎは屈折率である。
この式を適用すると、特許文献１に記載のＩＴＯ膜の物理膜厚Ｄ_ＩＴＯは、Ｄ_ＩＴＯ＝(λ／４)×（ＮＤ／ｎ）＝(λ／４)×（２／ｎ）となる。ここで、ＩＴＯ膜の屈折率ｎを１．９４とし、可視光領域における中心波長λを５００ｎｍとすると、このＩＴＯ膜の物理膜厚Ｄ_ＩＴＯは約１３０ｎｍとなる。

しかしながら、物理膜厚が約１３０ｎｍの多結晶状態のＩＴＯ膜を有する液晶表示素子を用いると、画像むらが発生する場合がある。
これは、ＩＴＯ膜が厚くなるに従って膜中の結晶粒の大きさのばらつきが大きくなり、液晶表示素子の液晶層に電圧を印加した際、このばらつきによりＩＴＯ膜内に電気抵抗の小さい領域と大きい領域とが発生するので、液晶の配向ばらつきが生じるためと考えられる。

また、特許文献１に記載の透明電極層において、外部からＩＴＯ膜に電源を供給するためには、ＩＴＯ膜の表面上に形成されている第２のＡｌ_２Ｏ_３膜に開口部を設けなければならず、工程が複雑になるため生産性が悪いという問題がある。

また、ＩＴＯ膜には、希少資源でありコストの高いＩｎ（インジウム）が含まれており、省資源化、コスト低減の観点から、ＩＴＯ膜の薄膜化が望まれている。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を鑑みてなされたものであり、画像むらが低減され、生産性が良好であり、省資源化やコスト低減が図れる液晶表示素子を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本願発明は次の手段を有する。
１）半導体基板（１）と、この半導体基板（１）の一面と所定の間隙（ｄ１）を有して対向する面（Ａ）を有する透明基板（１０）と、前記所定の間隙（ｄ１）部に充填された液晶（２０）と、を有する液晶表示素子において、前記透明基板（１０）の前記面（Ａ）上に形成され、第１の屈折率を有する第１の透明膜（１１）と、この第１の透明膜（１１）上に形成され、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の透明膜（１２）と、この第２の透明膜（１２）上に形成され、前記第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有する導電性の透明電極（１３）と、を有し、前記透明電極（１３）の厚さを１０〜２５ｎｍの範囲内とすることを特徴とする液晶表示素子（５０）である。
２）前記透明電極（１３）はＩＴＯ(Indium Tin Oxide)からなることを特徴とする１）記載の液晶表示素子（５０）である。

本発明によれば、光透過性を有する透明基板であるガラス基板の液晶側の面に、第１の屈折率を有する第１の透明膜と、この第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の透明膜と、この第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有する導電性の透明電極とが順次積層されてなる透明多層膜を形成したので、画像むらが改善され、生産性が良好であり、省資源化やコスト低減が図れるという効果を奏する。

本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１を用いて説明する。
図１は、本発明の液晶表示素子の第１乃至第３実施例を説明するための模式的断面図である。また、第１乃至第３実施例における実施の形態がほぼ同じであるので、図１を兼用して、説明する。

＜第１実施例＞［図１参照］
第１実施例の液晶表示素子５０は、半導体基板と光透過性を有する透明基板とが互いに対向する構成を有している。以下に、第１実施例の液晶表示素子５０について詳述する。

半導体基板であるシリコン基板１の表面には、後述する読み出し光（入射光という場合がある）Ｌ１を反射する画素電極２がマトリクス状に複数形成されている。第１実施例では、この画素電極２の材料として、Ａｌ（アルミニウム）を用いた。
また、このシリコン基板１の表面には、画素電極２への電源供給を制御するスイッチング素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）３が、各画素電極２に対応して形成されている。
そして、このシリコン基板１の表面には、画素電極２及び薄膜トランジスタ３を覆って、第１の配向膜４が形成されている。第１実施例では、この第１の配向膜４の材料として、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）を用いた。

光透過性を有する透明基板であるガラス基板１０の一方の面Ａには、第１の屈折率ｎ１を有する第１の透明膜１１と、第１の屈折率ｎ１よりも小さい第２の屈折率ｎ２（ｎ１＞ｎ２）を有する第２の透明膜１２と、第２の屈折率ｎ２よりも大きい第３の屈折率ｎ３（ｎ２＜ｎ３）を有する導電性の透明電極１３とが順次積層されてなる透明多層膜１５ａが形成されている。

第１実施例では、第１の透明膜１１の材料としてＡｌ_２Ｏ_３を、第２の透明膜１２の材料としてＳｉＯ_２（酸化シリコン）を、透明電極１３の材料としてＩＴＯ(Indium Tin Oxide)を用いた。Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＩＴＯの屈折率は、それぞれ１．６８、１．４６、及び１．９４である。
従って、第１実施例における、第１の透明膜１１、第２の透明膜１２、透明電極１３の屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３は、それぞれｎ１＝１．６８、ｎ２＝１．４６、ｎ３＝１．９４となる。また、第１実施例におけるｎ１，ｎ２，及びｎ３の関係を、ｎ２＜ｎ１＜ｎ３と表すことができる。
また、第１実施例では、第１の透明膜１１の光学膜厚ＮＤ１を０．５１とし、第２の透明膜１２の光学膜厚ＮＤ２を０．５０とし、透明電極１３の光学膜厚ＮＤ３を０．２２とした。
第１の透明膜１１、第２の透明膜１２、及び透明電極１３は、蒸着やスパッタ等の真空成膜法により成膜されるが、第１実施例では、スパッタによりこれらの膜１１，１２，１３を成膜した。また、成膜時の加熱温度を、ＩＴＯ膜の結晶化温度（約１５０℃）以上の温度である２２０℃とした。

透明多層膜１５の表面には、第２の配向膜１６が形成されている。第１実施例では、この第２の配向膜１６の材料として、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）を用いた。
また、ガラス基板１０の他方の面Ｂには、ＡＲ（Anti Reflection）膜（反射防止膜ともいう）１７が形成されている。

上述したシリコン基板１及びガラス基板１０は、シリコン基板１の第１の配向膜４とガラス基板１０の第２の配向膜１６とが互いに向き合うように、所定の間隙ｄ１を有して配置されている。この間隙ｄ１部は、負の誘電異方性を有するネマティック液晶２０で充填されている。

そして、この液晶表示素子５０は、薄膜トランジスタ３により各画素電極２への電源供給を制御して、所定の画素電極２に対応した範囲における液晶２０を動作させ、外部からＡＲ膜１７を透過して入射した読み出し光Ｌ１を、この所定の画素電極２で反射させて表示光Ｌ２とし、所定の画像を得るものである。

＜第２実施例＞［図１参照］
第２実施例の液晶表示素子５５は、第１実施例の液晶表示素子５０に対して、透明多層膜の構成材料及び膜厚において相違し、それ以外については第１実施例の液晶表示素子５０と同じである。
第２実施例の透明多層膜１５ｂにおいて、第１の透明膜１１の材料としてＴａ_２Ｏ_５（五酸化タンタル）を、第２の透明膜１２の材料としてＳｉＯ_２（酸化シリコン）を、透明電極１３の材料としてＩＴＯ(Indium Tin Oxide)を用いている。
Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２、及びＩＴＯの屈折率は、それぞれ２．２０、１．４６、及び１．９４である。
従って、第２実施例における、第１の透明膜１１、第２の透明膜１２、透明電極１３の屈折率ｎ１１，ｎ１２，ｎ１３は、それぞれｎ１１＝２．２０、ｎ１２＝１．４６、ｎ１３＝１．９４となる。また、第２実施例におけるｎ１１，ｎ１２，及びｎ１３の関係を、ｎ１２＜ｎ１３＜ｎ１１と表すことができる。
また、第２実施例では、第１の透明膜１１の光学膜厚ＮＤ１１を０．１４とし、第２の透明膜１２の光学膜厚ＮＤ１２を０．６４とし、透明電極１３の光学膜厚ＮＤ１３を０．２２とした。

＜第３実施例＞［図１参照］
第３実施例の液晶表示素子６０は、第１実施例の液晶表示素子５０に対して、透明多層膜の構成材料及び膜厚において相違し、それ以外については第１実施例の液晶表示素子５０と同じである。
第３実施例の透明多層膜１５ｃにおいて、第１の透明膜１１の材料としてＩＴＯ(Indium Tin Oxide)を、第２の透明膜１２の材料としてＳｉＯ_２（酸化シリコン）を、透明電極１３の材料としてＩＴＯを用いた。ＳｉＯ_２及びＩＴＯの屈折率は、１．４６及び１．９４である。
従って、第３実施例における、第１の透明膜１１、第２の透明膜１２、透明電極１３の屈折率ｎ２１，ｎ２２，ｎ２３は、それぞれｎ２１＝１．９４、ｎ２２＝１．４６、ｎ２３＝１．９４となる。また、第２実施例におけるｎ２１，ｎ２
２，及びｎ２３の関係を、ｎ２２＜ｎ２１＝ｎ２３と表すことができる。
また、第３実施例では、第１の透明膜１１の光学膜厚ＮＤ２１を０．２６とし、第２の透明膜１２の光学膜厚ＮＤ２２を０．５６とし、透明電極１３の光学膜厚ＮＤ１３を０．２６とした。

＜比較例＞［図１参照］
第１乃至第３実施例に対する比較例の液晶表示素子１００について説明する。
比較例の液晶表示素子１００は、第１乃至第３実施例の液晶表示素子５０，５５，６０と形態がほぼ同じであるので、図１を兼用して、説明する。
比較例の液晶表示素子１００は、第１乃至第３実施例の液晶表示素子５０，５５，６０に対して、透明多層膜の構成において相違し、透明多層膜以外の構成において同じである。
比較例の透明多層膜１１５は、ガラス基板１０の一方の面Ａに、第１の屈折率ｎ１１１を有する第１の透明膜１１１と、第１の屈折率ｎ１１１よりも大きい第２の屈折率ｎ１１２（ｎ１１１＜ｎ１１２）を有する導電性の透明電極１１２と、第２の屈折率ｎ１１２よりも小さい第３の屈折率ｎ１１３（ｎ１１２＞ｎ１１３）を有する第２の透明膜１１３とが順次積層されてなるものである。

この比較例の透明多層膜１１５において、第１の透明膜１１１の材料としてＡｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）を、透明電極１１２の材料としてＩＴＯ(Indium Tin Oxide)を、第２の透明膜１１３の材料としてＡｌ_２Ｏ_３を用いた。ＩＴＯ及びＡｌ_２Ｏ_３の屈折率は、１．９４及び１．６８である。
従って、比較例では、ｎ１１１＝１．６８、ｎ１１２＝１．９４、及びｎ１１３＝１．６８となる。また、比較例におけるｎ１１１，ｎ１１２，及びｎ１１３の関係を、ｎ１１２＝ｎ１１３＜ｎ１１２と表すことができる。
また、比較例では、第１の透明膜１１１の光学膜厚ＮＤ１１１を１とし、透明電極１１２の光学膜厚ＮＤ１１２を２とし、第２の透明膜１１３の光学膜厚ＮＤ１１３を１とした。
この透明多層膜１１５の構成は、一般的に用いられている構成である。

上述した第１乃至第３実施例、及び比較例の液晶表示素子５０，５５，６０，１００それぞれを、可視光領域における反射率Ｒ、干渉縞（フリンジ）、及び画像むらについて調べ、その結果を表１に示す。なお、この可視光波長領域を４４０〜６６０ｎｍの範囲とし、その中心波長を５００ｎｍとした。

表１から、比較例の液晶表示素子１００では画像むらが発生しているのに対し、第１乃至第３実施例の液晶表示素子５０，５５，６０では画像むらが発生していないことを確認した。

この画像むらが発生しなかった理由について説明する。
表１から、第１乃至第３実施例の透明電極１３はいずれもＩＴＯ膜であり、その各光学膜厚ＮＤ３，ＮＤ１３，ＮＤ２３は、それぞれ、ＮＤ３＝０．２２、ＮＤ１３＝０．２２、ＮＤ２３＝０．２６である。
一方、比較例の透明電極１１３もＩＴＯ膜であり、その光学膜厚ＮＤ１１３は、ＮＤ１１３＝１である。
これらの光学膜厚を、上述した式Ｄ＝(λ／４)×（ＮＤ／ｎ）に代入しλを可視光領域における中心波長である５００ｎｍとすると、第１乃至第３実施例、及び比較例の透明電極１３，１１３の物理膜厚Ｄ３，Ｄ１３，Ｄ２３，及びＤ１１３は、それぞれ、Ｄ３＝１４ｎｍ、Ｄ１３＝１７ｎｍ、Ｄ２３＝１４ｎｍ、及びＤ１１３＝１３０ｎｍとなる。
即ち、第１乃至第３実施例の透明電極１３の各物理膜厚Ｄ３，Ｄ１３，Ｄ２３は、比較例の透明電極１１３の物理膜厚Ｄ１１３の約１１〜１３％の厚さである。
このように、第１乃至第３実施例では、比較例よりも透明電極１３であるＩＴＯ膜の物理膜厚を大幅に薄くできるので、このような膜厚の薄いＩＴＯ膜は、膜中の結晶粒の大きさのばらつきが小さく、液晶表示素子の液晶層に電圧を印加した際にＩＴＯ膜内の電気抵抗のばらつきが小さいため、液晶の配向が安定し、画像むらが発生しなかったものと考えられる。

従って、上述した第１乃至第３実施例のように、第２の基板であるガラス基板の一面に形成される透明多層膜１５ａ，１５ｂ，１５ｃを、第１の屈折率ｎ１，ｎ１１，ｎ２１を有する第１の透明膜と、第１の屈折率ｎ１，ｎ１１，ｎ２１よりも小さい第２の屈折率ｎ２，ｎ１２，ｎ２２（ｎ１＞ｎ２，ｎ１１＞ｎ１２，ｎ２１＞ｎ２２）を有する第２の透明膜と、第２の屈折率ｎ２，ｎ１２，ｎ２２よりも大きい第３の屈折率ｎ３，ｎ１３，ｎ２３（ｎ２＜ｎ３，ｎ１２＜ｎ１３，ｎ２２＜ｎ２３）を有する導電性の透明電極とが順次積層されてなる構成にしたため、透明電極であるＩＴＯ膜の物理膜厚を薄くすることができるので、画像むらを改善することができる。

次に、発明者は、ＩＴＯ膜の物理膜厚と画像むらとの関係について調べ、結果を表２にまとめた。

表２から、ＩＴＯ膜の物理膜厚を２５ｎｍ以下にすることによって、画像むらが発生しないことを確認した。
ところで、ＩＴＯ膜の物理膜厚が薄くなるほどＩＴＯ膜の電気抵抗値は大きくなる。そして、ＩＴＯ膜の物理膜厚が１０ｎｍ未満になると、この電気抵抗値の増加によって、液晶の配向むらが発生する場合がある。
従って、透明電極であるＩＴＯ膜の物理膜厚を、１０〜２５ｎｍの範囲内とすることが望ましい。

また、表１から、第１乃至第３実施例、及び比較例の透明多層膜１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，及び１１５の物理膜厚は、それぞれ、９５ｎｍ，７７ｎｍ，８２ｎｍ，及び２７７ｎｍである。一般的に、成膜時間は物理膜厚に比例するため、物理膜厚が薄いと、生産性に有利である。

また、透明電極の材料であるＩＴＯは、希少資源でありコストの高いＩｎ（インジウム）が含まれている。本発明の液晶表示素子によれば、透明電極であるＩＴＯ膜の膜厚を薄くできるので、省資源化やコスト低減を図れる。

よって、本発明の液晶表示素子は、ガラス基板の液晶側の面に、第１の屈折率を有する第１の透明膜と、この第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の透明膜と、この第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有する導電性の透明電極とが順次積層されてなる透明多層膜を形成した構成を有するようにしたので、画像むらが改善され、生産性が良好であり、省資源化やコスト低減が図れる。

また、本発明の液晶表示素子は、透明多層膜の最外層として導電性の透明電極が形成されているため、外部からこの透明電極に電源を直接供給できるので、上述したような開口部を設ける工程がなくなるので、工程が簡略化されるため良好な生産性が得られる。

本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。

例えば、透明多層膜において、第１の透明膜の屈折率ｎａと、第２の透明膜の屈折率ｎｂと、透明電極の屈折率ｎｃとは、ｎａ＞ｎｂ、及び、ｎｂ＜ｎｃの関係を満たしていればよく、ｎａとｎｃとは、ｎａ＜ｎｃ、ｎａ＞ｎｃ、ｎａ＝ｎｃいずれの場合でも構わない。
即ち、ｎａ＜ｎｃの場合は第１実施例、ｎａ＞ｎｃの場合は第２実施例、ｎａ＝ｎｃの場合は第３実施例により説明される。

また、発明者は、鋭意実験した結果、可視光領域における反射率Ｒが０．７％以下（Ｒ≦０．７）のとき、干渉縞（フリンジ）が発生しないことを確認している。第１乃至第３実施例の液晶表示素子５０，５５，６０の可視光領域における反射率Ｒはいずれも０．５％以下であり、干渉縞（フリンジ）は発生していない。

本発明の液晶表示素子の第１乃至第３実施例、及び比較例を説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１シリコン基板、２画素電極、３薄膜トランジスタ、４第１の配向膜、１０ガラス基板、１１，１１１第１の透明膜、１２，１１３第２の透明膜、１３，１１２透明電極、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１１５透明多層膜、１６第２の配向膜、１７ＡＲ膜、２０液晶、５０，５５，６０，１００液晶表示素子、Ａ，Ｂ面、ｄ１間隙、Ｌ１読み出し光、Ｌ２表示光

Claims

半導体基板と、この半導体基板の一面と所定の間隙を有して対向する面を有する透明基板と、前記所定の間隙に充填された液晶と、を有する液晶表示素子において、
前記透明基板の前記面上に形成され、第１の屈折率を有する第１の透明膜と、
この第１の透明膜上に形成され、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の透明膜と、
この第２の透明膜上に形成され、前記第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有する導電性の透明電極と、
を有し、
前記透明電極の厚さを１０〜２５ｎｍの範囲内とすることを特徴とする液晶表示素子。
前記透明電極はＩＴＯ(Indium Tin Oxide)からなることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。