JP2013190652A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率をさらに向上させた液晶表示装置を提供する。
【解決手段】液晶表示装置は、干渉フィルタ２と、対向基板２１と、薄膜トランジスタ１８と、液晶層２２と、を有している。干渉フィルタ２は、第１の波長帯の光を透過し第１の波長帯以外の光を反射する第１の領域と、白色の光を透過する第２の領域と、を有する。薄膜トランジスタ１８は、第１の領域及び第２の領域それぞれに重ねて設けられている。対向基板２１は、干渉フィルタ２と対向するように配置されている。液晶層２２は、干渉フィルタ２と対向基板２１との間に設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、干渉フィルタを備えた液晶表示装置に関する。

液晶ディスプレイを始めとする表示装置は、地上デジタル放送やインターネット、携帯電話機の普及によりますます需要が高まっている。これらのディスプレイは、モバイル機器用途の小型のものや大画面テレビ用途の大型なもの等の種々のサイズの需要が伸びている。

液晶ディスプレイの場合、バックライトから射出された白色光を、カラーフィルタを通して射出することでカラー表示を行っている。従来のカラーフィルタとしては、顔料や染料を用いた吸収フィルタが用いられている。この様な吸収フィルタにおいては、白色光が入射した際、そのフィルタの透過波長域以外の成分の光が吸収される。例えば白色光が青色の吸収フィルタを通過する場合には、緑色及び赤色の成分の光が吸収される。同様に、白色光が緑色の吸収フィルタを通過する場合には、赤色及び青色の成分の光が吸収され、白色光が赤色の吸収フィルタを通過する場合には、緑色及び青色の成分の光が吸収される。結果として、吸収フィルタを利用した液晶表示装置は、光の利用効率が３分の１になる。

光の利用効率を向上するための提案として、赤、青、緑のサブ画素に加えて、白のサブ画素を設ける方式が提案されている。白のサブ画素とは、例えば吸収フィルタを設けないサブ画素である。したがって、白のサブ画素からは無損失で光を取り出すことができる。

特開２０１１−１８６１９１号公報

白のサブ画素を設けることにより、光の利用効率を向上させることが可能である。ただし、赤、青、緑のサブ画素を通過する光については１/３に減光されてしまう。このため、光の利用効率をさらに向上させた液晶表示装置が望まれている。

実施形態の解決しようとする課題は、光の利用効率をさらに向上させた液晶表示装置を提供することである。

実施形態の液晶表示装置は、液晶表示装置は、干渉フィルタと、基板と、トランジスタと、液晶層と、を有している。干渉フィルタは、第１の波長帯の光を透過し第１の波長帯以外の光を反射する第１の領域と、白色の光を透過する第２の領域と、を有する。トランジスタは、第１の領域及び第２の領域それぞれに重ねて設けられている。基板は、干渉フィルタと対向するように配置されている。液晶層は、干渉フィルタと基板との間に設けられている。

第１の実施形態の液晶表示装置におけるカラーフィルタ構成を説明した図。 干渉フィルタの透過・反射特性の一例を示した図。 吸収フィルタの透過特性の一例を示した図。 第１の実施形態に係わる液晶表示装置の構造を示す断面図。 一例の干渉フィルタのシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の特性を説明するための図。 第１のカラーフィルタの作製工程の説明図。 白画素を加えたことによる光利用効率改善の効果についての説明図。 一例の吸収フィルタの透過特性を示した図。 第２の実施形態の液晶表示装置におけるカラーフィルタ構成を説明した図。 第２の実施形態の第１の変形例のカラーフィルタ構成を説明した図。 第２の実施形態のその他の変形例のカラーフィルタ構成を説明した図。 第３の実施形態の液晶表示装置におけるカラーフィルタ構成を説明した図。 第４の実施形態の液晶表示装置におけるカラーフィルタ構成を説明した図。

以下、図面を参照して実施形態に係る液晶表示装置を説明する。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態の液晶表示装置におけるカラーフィルタの基本構成を説明するための図である。ここで、図１（ａ）は、カラーフィルタを液晶表示装置の表示面から見た平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の１−１線断面図である。

図１（ａ）で示す様に、実施形態における液晶表示装置は、赤（Ｒ）画素１１０、緑（Ｇ）画素１１１、青（Ｂ）画素１１２、白（Ｗ）画素１１３の４つのサブ画素を１画素とする様にカラーフィルタが配置される。

液晶表示装置は、概略的には、アレイ基板１０２と対向基板１０６との間に液晶層１０３が介在されて構成されている。本実施形態においては、アレイ基板１０２と対向基板１０６とのそれぞれにカラーフィルタが作製されており、アレイ基板１０２に設けられたカラーフィルタと対向基板１０６に設けられたカラーフィルタとの間に液晶層１０３が設けられている。ここで、それぞれのカラーフィルタと液晶層１０３との間に他の構成を含むことを許容する。

図１（ｂ）に示す様に、アレイ基板１０２のベースの基板となる透明なガラス基板１００には、互いに異なる色の光を透過するサブ画素（図１（ａ）の例では、赤、緑、青）と、輝度向上のための白のサブ画素と、を有する第１のカラーフィルタ（干渉フィルタ）１０１が作製されている。より詳しくは、赤画素１１０に対応する位置には、赤干渉フィルタ１２０が作製され、緑画素１１１に対応する位置には、緑干渉フィルタ１２１が作製され、青画素１１２に対応する位置には、青干渉フィルタ１２２が作製されている。一方、第１の実施形態においては、白画素１１３に対応する位置は、干渉フィルタが作製されない透明画素とする。すなわち、第１のカラーフィルタは、赤干渉フィルタ１２０である第１の領域と、透明画素となる第２の領域と、を有する。さらに、第１のカラーフィルタは、緑干渉フィルタ１２１である第３の領域と、青干渉フィルタ１２２である第４の領域とを有する。

また、対向基板１０６のベースの基板となる透明なガラス基板１０４には、第１のサブ画素と対応する様に互いに異なる色の光を透過するサブ画素（図１（ａ）の例では、赤、緑、青）と、輝度向上のための白のサブ画素と、を有する第２のカラーフィルタ１０５が作製されている。より詳しくは、赤画素１１０に対応する位置には、赤吸収フィルタ１３０が作製され、緑画素１１１に対応する位置には、緑吸収フィルタ１３１が作製され、青画素１１２に対応する位置には、青吸収フィルタ１３２が作製されている。一方、白画素１１３に対応する位置は、吸収フィルタが作製されない透明画素とする。

また、図１の（ｂ）で示す様に、断面で見ると、赤干渉フィルタ１２０と赤吸収フィルタ１３０が上下に重なっており、緑干渉フィルタ１２１と緑吸収フィルタ１３１が上下に重なっており、青干渉フィルタ１２２と青吸収フィルタ１３２が上下に重なっている。

干渉フィルタ１０１と吸収フィルタ１０５の特性の一例を図２、図３に示す。図２（ａ）は、波長（横軸）に対する干渉フィルタ１０１の透過特性（縦軸）の例であり、図２（ｂ）は、波長（横軸）に対する反射特性（縦軸）の例である。図３は、吸収フィルタ１０５の透過特性の例である。

干渉フィルタは、特定の波長帯の光を透過させ、特定の波長帯以外の光を反射させる特性を有している。図２（ａ）及び（ｂ）に示す様に、例えば赤のサブ画素に対応する赤干渉フィルタ１２０は、赤の波長帯の光を透過させ、その他の色の波長帯の光を反射する特性（Ｒ）を有している。同様に、緑のサブ画素に対応する緑干渉フィルタ１２１は、緑の波長帯の光を透過させ、その他の色の波長帯の光を反射する特性（Ｇ）を有している。さらに同様に、青のサブ画素に対応する青干渉フィルタ１２２は、青の波長帯の光を透過させ、その他の色の波長帯の光を反射する特性（Ｂ）を有している。

これに対し、吸収フィルタは、特定の波長帯の光を透過させ、特定の波長帯以外の波長帯の光を吸収する特性を有している。図３は、吸収フィルタの波長（横軸）に対する透過率（縦軸）の例である。図３に示す様に、例えば赤吸収フィルタ１３０は、赤の波長帯の光を透過させ、その他の色の波長帯の光を吸収する特性（Ｒ）を有している。同様に、緑吸収フィルタ１３１は、緑の波長帯の光を透過させ、その他の色の波長帯の光を吸収する特性（Ｇ）を有している。さらに同様に、青吸収フィルタ１３２は、青の波長帯の光を透過させ、その他の色の波長帯の光を吸収する特性（Ｂ）を有している。

図４は、第１の実施形態に係る液晶表示装置の構造を示す断面図である。前述した様に、液晶表示装置は、概略的にはアレイ基板２０と、対向基板２１とが設けられている。アレイ基板２０と対向基板２１とは、スペーサ等により適当な距離を離されて固定されている。そして、アレイ基板２０と対向基板２１の間には液晶層２２が保持されている。

アレイ基板２０のベースとなる透明なガラス基板１上における対向基板２１との対向面側の、赤画素に対応した部分と、緑画素に対応した部分と、青画素に対応した部分とには、第１のカラーフィルタの、赤干渉フィルタ６と、緑干渉フィルタ７と、青干渉フィルタ８と、がそれぞれ形成されている。図４では、赤干渉フィルタ６と、緑干渉フィルタ７と、青干渉フィルタ８とをまとめて干渉フィルタ２としている。

図４の例の干渉フィルタ２は、ファブリペロー型干渉フィルタであって、第１の反射層３と、スペーサ層５と、第２の反射層４と、を有している。第１の反射層３は、屈折率の異なる誘電体膜、例えばシリコン窒化膜とシリコン酸化膜を交互に積層して形成され、可視光を半透過、反射させる層である。スペーサ層５は、第１の反射層３と第２の反射層４との間に、干渉フィルタ２が対応している色毎に層厚が異なる様に複数の誘電体、例えばシリコン窒化膜を積層して形成されている。言い換えれば、スペーサ層５は、赤干渉フィルタ６の部分の層厚と、緑干渉フィルタ７の部分の層厚と、青干渉フィルタ８の部分の層厚と、が互いに異なる様に形成されている。第２の反射層４は、屈折率の異なる誘電体膜、例えばシリコン窒化膜とシリコン酸化膜を交互に積層して形成され、可視光を半透過、反射させる層である。

通常の液晶表示装置の場合には、ガラス基板１にシリコン酸化膜等が一層だけ、アンダーコート層として形成されている。このアンダーコート層は、ガラス基板１からの不純物の拡散又はガラス基板１の平坦性を改善することを目的として形成される。本実施形態では、アンダーコート層の代わりに干渉フィルタ２を作製する。

図５（ａ）は、干渉フィルタ２の構成の一例を示す図である。一例としての干渉フィルタ２は、第１の反射層３と第２の反射層４を形成しているシリコン酸化膜の膜厚が９２ｎｍ程度、第１の反射層３と第２の反射層４を形成しているシリコン窒化膜の膜厚が５８ｎｍ程度である。

また、図５（ｂ）は、一例の干渉フィルタ２の光学定数である屈折率ｎ（縦軸）の波長（横軸）依存性を示している図である。図５（ｃ）は、一例の干渉フィルタ２の光学定数である消滅係数ｋの波長依存性を示している図である。一例の干渉フィルタ２のシリコン窒化膜は、波長５５０ｎｍ付近の屈折率が２.３になる様に調整したシリコン窒化膜である。この場合、赤、緑、青のカラーフィルタを構成するためのスペーサ層５の層厚は、例えば赤干渉フィルタ６の部分は３０ｎｍ程度の膜厚、緑干渉フィルタ７の部分は１１５ｎｍ程度の膜厚、青干渉フィルタ８の部分は７８ｎｍ程度の膜厚とすればよい。

干渉フィルタ２の上には、図４に示す様に、ゲート線１５、ゲート絶縁膜１６、透明導電膜による画素電極１７、薄膜トランジスタ（トランジスタ）１８、信号線１９を有する配線部が形成されている。配線部は、スペーサ層５の赤干渉フィルタ６に対応した部分と、緑干渉フィルタ７に対応した部分と、青干渉フィルタ８に対応した部分との上にそれぞれ配置される。すなわち、複数の薄膜トランジスタ１８は、赤画素１１０、緑画素１１１、青画素１１２、及び白画素１１３それぞれと重なる。

ガラス基板１における対向基板２１との対向面側の、白画素９に対応した部分には、干渉フィルタ２ではなく、ゲート線１５、ゲート絶縁膜１６、透明導電膜による画素電極１７、薄膜トランジスタ１８、信号線１９をそれぞれ有する配線部が形成されている。

また、対向基板２１のベースとなる透明なガラス基板２５上におけるアレイ基板２０との対向面側の、赤画素に対応した部分と、緑画素に対応した部分と、青画素に対応した部分とには、第２のカラーフィルタの、赤吸収フィルタ２６と、緑吸収フィルタ２７と、青吸収フィルタ２８と、がそれぞれ形成されている。また、ガラス基板２５におけるアレイ基板２０との対向面側の、白画素２９の位置は、吸収フィルタが形成されない部分となっている。また、第２のカラーフィルタにおける配線部と対向する位置にはブラックマトリクスＢＭが形成されている。赤吸収フィルタ２６は赤干渉フィルタ６と対向し、赤干渉フィルタ６を通過した光の少なくとも一部を透過する。緑吸収フィルタ２７は緑干渉フィルタ７と対向し、緑干渉フィルタ７を通過した光の少なくとも一部を透過する。青吸収フィルタ２８は青干渉フィルタ８と対向し、青干渉フィルタ８を通過した光の少なくとも一部を透過する。第２のカラーフィルタの白画素の部分は、第１のカラーフィルタの干渉フィルタが形成されない部分と対向し、第１の干渉フィルタのこの部分を通過した光の少なくとも一部を透過する。

赤吸収フィルタ２６と、緑吸収フィルタ２７と、青吸収フィルタ２８と、白画素２９の部分とのアレイ基板２０との対向側の面には、透明電極による共通電極３０が形成されている。

さらに、アレイ基板２０における対向基板２１との非対向面側には第１の偏光板３１が設けられ、対向基板２１におけるアレイ基板２０との非対向面側には第２の偏光板３２が設けられている。

また、アレイ基板２０における対向基板２１との非対向面側には、第１の偏光板３１を挟んでバックライト４０が設けられている。図４に示すバックライト４０は、導光板４１と、反射板４２と、光源４３と、を有している。導光板４１の下面には、溝４４が形成されている。また、光源４３は、例えば白色光を発光できる各種の光源を用いることができる。例えば、光源４３としては、白色発光ダイオードを用いることが可能である。

次に、図４で示した液晶表示装置の動作について説明する。バックライト４０の光源４３から射出された光は、導光板４１の内部を全反射しながら進行する。そして、この光が溝４４に当たると全反射条件が崩れ、光がアレイ基板２０の側に射出される。この光は、第１の偏光板３１を介してガラス基板１に到達し、ガラス基板１を透過して第１のカラーフィルタに入射する。

ここで、例えば光源４３から射出された光のうちの赤の光Ｒが、第１のカラーフィルタを形成する赤干渉フィルタ６に到達した場合、その赤の光Ｒは赤干渉フィルタ６を透過する。一方、赤の光Ｒが他の色の干渉フィルタに到達した場合、その赤の光Ｒは、バックライト４０側に反射される。この光Ｒは、反射板４２によって再反射される。このようにして赤の光Ｒは、赤干渉フィルタ６を透過するまで導光板４１内を多重反射しながら進行する。

同様に、例えば光源４３から射出された光のうちの緑の光Ｇが、第１のカラーフィルタを形成する緑干渉フィルタ７に到達した場合、その緑の光Ｇは、緑干渉フィルタ７を透過する。一方、緑の光Ｇが他の色の干渉フィルタに到達した場合、その緑の光Ｇは、バックライト４０側に反射される。この光Ｇは、反射板４２によって再反射される。このようにして緑の光Ｇは、緑干渉フィルタ７を透過するまで導光板４１内を多重反射しながら進行する。図４では省略しているが、青の光も同様である。すなわち、光源４３から射出された光のうちの青の光Ｂが、第１のカラーフィルタを形成する青干渉フィルタ８に到達した場合、その青の光Ｂは、青干渉フィルタ８を透過する。一方、青の光Ｂが他の色の干渉フィルタに到達した場合、その青の光Ｂは、バックライト４０側に反射される。この光Ｂは、反射板４２によって再反射される。このようにして青の光Ｂは、青干渉フィルタ８を透過するまで導光板４１内を多重反射しながら進行する。

また、光源４３から射出された光が、白画素９の部分に到達した場合、その光は、そのまま射出される。

干渉フィルタ２を透過した光は、画素電極１７を透過して液晶層２２に到達する。液晶層２２は、画素電極１７と共通電極３０との間に発生する電界によってその配向を変化させるように構成されている。ゲート線１５にゲート信号を供給することで薄膜トランジスタ１８がオン状態となる。このオン状態となった薄膜トランジスタ１８に信号線１９を介して所望の階調に対応した信号を供給すると、画素電極１７と共通電極３０との間の電界の大きさが変化する。これによって、液晶層２２を透過する光の透過量が変化する。そして、液晶層２２から射出された光は、第２のカラーフィルタに入射する。

ここで、液晶層２２から射出された光のうちの赤の光Ｒが、第２のカラーフィルタを形成する赤吸収フィルタ２６に到達した場合、その赤の光Ｒのうちの図３で示した特定の波長帯の光が赤吸収フィルタ２６を透過し、それ以外の波長帯の光は赤吸収フィルタ２６で吸収される。

同様に、液晶層２２から射出された光のうちの緑の光Ｇが、第２のカラーフィルタを形成する緑吸収フィルタ２７に到達した場合、その緑の光Ｇのうちの図３で示した特定の波長帯の光が緑吸収フィルタ２７を透過し、それ以外の波長帯の光は緑吸収フィルタ２７で吸収される。また、同様に、液晶層２２から射出された光のうちの青の光Ｂが、第２のカラーフィルタを形成する青吸収フィルタ２８に到達した場合、その青の光Ｂのうちの図３で示した特定の波長帯の光が青吸収フィルタ２８を透過し、それ以外の波長帯の光は青吸収フィルタ２８で吸収される。

また、光源４３から射出された光が、白画素２９の部分に到達した場合、その光は、そのまま射出される。

第２のカラーフィルタから射出された光は、ガラス基板２５を透過し、第２の偏光板３２を介して液晶表示装置の外部に射出される。

図６は、実施形態に係る第１のカラーフィルタの作製方法について説明するための図である。まず、図６（ａ）に示した様に、第１の反射層３を形成するために、ガラス基板１上に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜を連続形成し、４層の第１の反射層３を全面形成する。第１の反射層３を形成する誘電体膜は、ガス圧等を制御することにより、ＣＶＤ（化学気相成長）により連続形成することができる。

続いて、第１の反射層３の上に、ＣＶＤにより、３７ｎｍ程度の膜厚のシリコン窒化膜１０を全面形成する。シリコン窒化膜１０を全面形成した後、図６（ｂ）に示す様に、シリコン窒化膜１０に、フォトリソグラフィによりレジスト１１をパターニングする。そして、図６（ｃ）に示す様に、ケミカルドライエッチングによりスペーサ層をパターニングし、その後、レジスト１１を除去する。ドライエッチングされずに残った部分が緑干渉フィルタ７となる部分である。ここで、ケミカルドライエッチングの際、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の選択比が十分高い、すなわちシリコン酸化膜のエッチング速度がシリコン窒化膜に比較して十分に遅ければ、シリコン窒化膜のみを選択的にエッチングし、下地であるシリコン酸化膜のエッチングダメージを抑えることが可能である。実際には、両者のエッチング選択比は５〜１０程度であり、シリコン酸化膜のエッチングダメージを無視できない。したがって、シリコン酸化膜上のシリコン窒化膜をドライエッチングで完全に取り除くためには、エッチング時間をやや長めにし、オーバーエッチング気味にしてシリコン窒化膜を完全に除去することが望ましい。

３７ｎｍのシリコン窒化膜のドライエッチング後、図６（ｄ）に示した様に、４８ｎｍ程度の膜厚のシリコン窒化膜１２を全面形成する。シリコン窒化膜１２を全面形成した後、図６（ｅ）に示す様に、シリコン窒化膜１２に、フォトリソグラフィによりレジスト１３をパターニングする。そして、図６（ｆ）に示す様に、ケミカルドライエッチングによりスペーサ層をパターニングし、その後、レジスト１３を除去する。図６（ｆ）に示すシリコン窒化膜が２層重なった部分が緑干渉フィルタ７となる部分であり、１層の部分が青干渉フィルタ８となる部分であり、シリコン窒化膜が積層されていない部分が赤干渉フィルタ６となる部分である。図６（ｆ）に示すように、本実施形態では、赤干渉フィルタ６となる部分の面積を、緑干渉フィルタ７となる部分の面積及び青干渉フィルタ８となる部分の面積よりも広くしておく。これは、後工程において白画素の部分を形成するためである。

次に、図６（ｇ）に示す様に、赤干渉フィルタ６の層厚である３０ｎｍ程度のシリコン窒化膜を全面形成し、更に連続的にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜からなる第２の反射層４を形成することで、ファブリペロー型の干渉フィルタ２が作製される。緑干渉フィルタ７の部分のスペーサ層５の層厚は３７＋４８＋３０＝１１５ｎｍとなり、青干渉フィルタ８の部分のスペーサ層５の層厚は４８＋３０＝７８ｎｍとなり、赤干渉フィルタ６の部分のスペーサ層５の層厚は３０ｎｍとなる。このようにして、図５（ａ）で示した通りのスペーサ層５の層厚を有する干渉フィルタ２が得られる。

続いて、白画素の部分を形成する。このために、図６（ｈ）に示す様に、第２の反射層４の干渉フィルタ６、７、８に対応した部分に、フォトリソグラフィにより、レジスト１４をパターニングする。その後、図６（ｉ）に示すようにして、エッチングによって白画素９の部分のシリコン窒化膜とシリコン酸化膜とを全て除去することにより、図４で示した第１のカラーフィルタが作製される。

ここで、図６の例では、白画素９となる部分の作製に際し、白画素９となる部分に赤干渉フィルタ６と同じ構造を作成しておいて、最終工程において白画素９となる部分の干渉フィルタを、全てエッチングで取り除いている。これに対し、最初から白画素９となる部分を金属などでマスクしておき、このマスクした以外の部分に干渉フィルタ２を形成してからマスク用の金属をエッチング等で取り除く様にしても白画素９の部分を作成できる。

図７は、白画素を加えることによる光利用効率の改善効果を説明するための図である。図７（ａ）は、赤緑青のサブ画素のみで１つの画素を構成する場合のフィルタの配列を示した図である。図７（ｂ）は、赤緑青白のサブ画素で１つの画素を構成する場合のフィルタの配列を示した図である。

まず、比較として吸収フィルタのみの効率を考える。ここでは、吸収フィルタの透過率を図７（ｃ）に示す様な理想状態とする。理想状態の吸収フィルタは、透過域の光を１００％透過させ、吸収域の光を吸収するものである。図７（ｃ）で示す理想の吸収フィルタを図７（ａ）で示したフィルタ配列としたときに白表示を行うと、入射光の１/３が液晶表示装置から射出される。一方、図７（ｃ）で示す理想の吸収フィルタを図７（ｂ）で示したフィルタ配列としたときに白表示を行うと、赤画素、緑画素、青画素のそれぞれでは入射光の１/３が液晶表示装置から射出されるのに対し、白画素ではロス無く光が射出される。ここで、図７（ａ）と図７（ｂ）とで１画素のサイズが等しいとすると、図７（ｂ）の各サブ画素の面積は、図７（ｂ）の各サブ画素の面積の３/４となる。したがって、図７（ｂ）の場合、吸収フィルタを通る光の効率は、１/４＋（３/４）×(１/３)＝１/２の光となる。つまり、図７（ｂ）の場合において白表示をするときには、図７（ａ）の場合の１.５倍の明るさとなる。逆に、同じ明るさで表示をするときには、消費電力を２/３にすることができる。

これに対し、干渉フィルタの効率を考える。ここで、干渉フィルタの透過反射特性を理想状態とする。このとき、全ての光が取り出せることになる。つまり、理想的な干渉フィルタを使用して図７（ｂ）に示す様な１画素を構成した場合には、赤緑青の吸収フィルタのみを使用した場合に比べて３倍の効率を、また赤緑青の吸収フィルタと白画素とを使用した場合の２倍の効率を実現できる。

実際のカラーフィルタの効率を比較として示す。例えば、図８に示した特性の吸収フィルタを図７（ａ）に示す様に配置して使用したとする。この場合、入射光の約２７%の光がフィルタを透過する。このような効率を求めるに当たり、偏光板でのロスは考慮せず、さらに開口率は１００％と仮定している。３色のカラーフィルタを形成した場合の透過スペクトルを、入射光が１/３ずつ各色の吸収フィルタを透過するとして計算し、この透過スペクトルを輝度に変換することにより前述の効率を求めることができる。ここで、図８の吸収フィルタを使用した場合には、色域を示すＮＴＳＣ比が６０％となる。以後の効率の比較はＮＴＳＣ比６０％で行うこととする。色域が狭くなるほど効率が増加することになるので、効率を正当に評価するためには同じ色域にする必要がある。

図８に示した特性の吸収フィルタを図７（ｂ）に示す様に配置して使用した場合の効率を求める。この場合も、図７（ａ）の場合と同様に、つまり入射光が１/４ずつ各色の吸収フィルタと白画素の部分とを透過するとして透過スペクトルを計算して効率を求める。このようにして効率を求めた場合、効率は約４６％となる。これは、白画素を設けない場合に比べて１.７倍に効率が改善されることを意味している。

次に、干渉フィルタを使用した場合の効率を計算する。色域をＮＴＳＣ比６０％とするための例として、干渉フィルタとして図２に示した特性のものを使用し、吸収フィルタとしては図３に示した特性のものを使用する。干渉フィルタを使用する場合、干渉フィルタで反射された光の再利用の工程を加味する必要があり、単純な計算では効率を求めることができない。したがって、数値計算により効率を求める。結果として得られた効率は６４％であった。つまり、３色の吸収カラーフィルタのみでサブ画素を構成する場合の２.４倍、また３色の吸収カラーフィルタと白画素を設けた場合と比較しても１.４倍の効率化を実現できる。

なお第１の実施形態では、図１又は図４に示した様に、白画素の部分は干渉フィルタも吸収フィルタも形成しない例を示した。白画素は輝度を高めるために挿入した画素であるので、最も人間の目で輝度感度の高い緑を吸収フィルタとして使用しても、同等の効率改善を得ることが可能である。図４の２９は吸収フィルタが形成されていないが、緑の吸収フィルタを形成しても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、干渉フィルタにより光を再利用しつつ、さらに白画素を形成することにより、光の利用効率を向上させて大きな省電力効果を得ることができる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、白画素の部分を干渉フィルタ及び吸収フィルタを形成しない透明画素としている。これに対し、第２の実施形態における第１のカラーフィルタは、図９に示す様に白画素の部分を、赤緑青の３色の干渉フィルタを形成することによって構成する。すなわち、白画素の部分は赤干渉フィルタと緑干渉フィルタと青干渉フィルタとを有し、これらの干渉フィルタを通過する光は、足しあわされて白色となる。図９（ａ）は第２の実施形態における干渉フィルタ１０１の平面図を表し、図９（ｂ）はその９−９線断面図を表す。第２の実施形態における配線部の構造は、図４で示したものと同様である。すなわち、白画素の部分に形成された複数のサブ画素が、独立して駆動される訳ではない。なお、第２のカラーフィルタの構成は第１の実施形態と同様である。

この様にして白画素の部分を赤緑青の干渉フィルタから構成することにより、図６（ｈ）及び図６（ｉ）の工程が不要である。つまり、図６（ａ）〜図６（ｇ）で示した工程と同一の工程を白画素の部分に対しても適用することで最後のエッチングが不要となる。

第２の実施形態においては、白画素の部分に赤緑青の干渉フィルタが略等しい面積で配置されていれば、必ずしも図９で示した構成とする必要はない。例えば、赤緑青のサブ画素と白のサブ画素とで色の配置を変えるようにしてもよい。図１０（ａ）、（ｂ）は、白のサブ画素におけるブラックマトリクスＢＭの周辺に配置する干渉フィルタの色を同一（図では緑）になる様にした例である。この様な構成にする理由は、ブラックマトリクスＢＭに対応した位置の干渉フィルタ２上に配線部が形成されるためである。図４で示したように、干渉フィルタ２は、色に応じて膜厚が異なるように作成される。このため、ブラックマトリクスＢＭに対応した部分及びその周辺の干渉フィルタの色を異ならせてしまうと、高さ方向で見た配線部の形成位置が画素によって異なってしまう。この場合、配線部が段差上に形成され、配線が切断され易くなる。そこで、ブラックマトリクスＢＭに対応した部分及びその周辺の干渉フィルタの色は、同一の色にすることが望ましい。図１０の例は、ブラックマトリクスＢＭの周辺の干渉フィルタの色を、最も層厚が厚い緑干渉フィルタとした例を示している。なお、図１０（ｂ）は、フィルタの縦方向だけでなく、ブラックマトリクスＢＭの周辺の部分の干渉フィルタの色を全て緑色とした例である。この場合、赤干渉フィルタの面積と、緑干渉フィルタの面積と、青干渉フィルタの面積と、を等しくすることが望ましい。

また、図９及び図１０は、白画素の部分に相当する部分に縦ストライプ状に赤緑青干渉フィルタを形成する例である。これに対し、図１１（ａ）に示す様に、白画素の部分に横ストライプ状に赤緑青の干渉フィルタを形成するようにしても良い。また、図１１（ｂ）に示すように、白画素の部分に斜めストライプ状に赤緑青の干渉フィルタを形成するようにしても良い。そして、本実施形態の干渉フィルタの配置は、図９〜図１１で示した以外であっても適用できる。すなわち、白画素の部分を複数の色の干渉フィルタから構成している場合（必ずしも赤青緑の３色の干渉フィルタで構成される必要もない）には、全て実施形態に含まれるものである。

この他、図９〜図１１で示した例は、１つの白画素の部分に赤青緑の干渉フィルタを１つずつ形成する例を示したているが、１つの白画素の部分に複数組の赤青緑の干渉フィルタを形成してもよい。

図９〜図１１で示した様な、白画素の部分を複数色の干渉フィルタから構成する場合の効率は、赤青緑の干渉フィルタの面積が同じであるとした場合に４５％程度である。なお、この効率計算においては、干渉フィルタの特性は図２の特性を、吸収フィルタの特性は図３の特性を使用している。この結果は、３色の吸収フィルタを用いてかつ白画素の部分を透明画素とした場合と比較すると、ほぼ同じ効率であり、３色の吸収フィルタを用いて白画素を設けない場合と比較して１.６倍程度の効率となる。理想状態に近い特性の干渉フィルタを使用すればより大きな効率を得ることが可能である。

特に、白画素の隣に配置されるサブ画素と、白画素を構成する干渉フィルタのうちこのサブ画素に接するものを同じ色とする場合には、白画素と隣のサブ画素との境界に段差がなくなる。このため、２つのサブ画素の境界上に薄膜トランジスタ１８を設ける場合には、平坦な面の上に薄膜トランジスタ１８を形成することが出来るので、薄膜トランジスタの信頼性が損なわれない。

以上説明したように、本実施形態では、干渉フィルタにより光を再利用しつつ、さらに白画素を形成することにより、光の利用効率を向上させて大きな省電力効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、白画素の部分を透明画素とせずに、複数色の干渉フィルタによって構成することにより、透明画素を形成するためのエッチング工程が不要である。

なお第２の実施形態では、図９、図１０又は図１１に示した様に、白画素の部分の干渉フィルタは三色で形成し、吸収フィルタは形成しない例を示した。白画素は輝度を高めるために挿入した画素であるので、最も人間の目で輝度感度の高い緑を吸収フィルタとして使用しても、同等の効率改善を得ることが可能である。白画素では吸収フィルタが図９（ｂ）では形成されていないが、緑の吸収フィルタを形成しても良い。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。図１２は、第３の実施形態における干渉フィルタの配列について示す図である。図１２に示すように、第３の実施形態においては、白画素の部分の面積を他色のサブ画素の部分の面積よりも小さくしている。ここで、図１２に示した白画素の構成は、第１の実施形態で説明した様な透明画素としてもよいし、第２の実施形態で説明した様な複数色の干渉フィルタで構成してもよい。

第１の実施形態及び第２の実施形態のように、白画素の面積と他色のサブ画素の部分の面積とを同じにした場合、白表示の場合の効率が増加するが、色を表示する場合に効率が低下する。特に赤、緑、青の単色表示を行う場合に効率が低下する。赤、緑、青、白の４色のサブ画素で１つの画素を構成しつつ、赤、緑、青、白のサブ画素の面積を同じにすると、赤、緑、青の３色のサブの画素で１つの画素を構成する場合に比べて、各サブ画素の面積が３/４となる。したがって、例えば赤一色の表示を考えると、同じ明るさで表示を行うためには、赤、緑、青、白の４色のサブ画素を使用する場合の方が、４/３（約１．３）倍ほどの消費電力となる。つまり、３色の吸収フィルタと白画素を入れた場合と比較すると、白表示に関しては白画素を入れた方が１.７倍の効率が得られるのに対し、色表示では１/１.３に効率が落ちてしまう場合がある。つまり、白画素を他の色のサブ画素と同じ面積にした場合、トータルの効率は１．３倍程度になってしまう。このトータルの効率をある程度の値に収めるためには、白画素の面積をある程度制限すればよい。例えば、トータルの効率を１.５倍程度にするためには、白画素とその他の色のサブ画素との面積比を、２：８程度とすればよい。

干渉フィルタを使用した場合、白画素からは、本来の面積率である１／４の光のほかに、他の干渉フィルタで反射されてリサイクルされる光の一部も出力されてくる。つまり、３色の吸収フィルタに白画素を加えた場合と比較しても、より多くの光が白画素から出力される。このため、干渉フィルタを使用する場合には、白画素の面積を小さくした場合の効率の低下は抑制される。

以上説明したように、本実施形態では、干渉フィルタにより光を再利用しつつ、さらに白画素を形成することにより、光の利用効率を向上させて大きな省電力効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、白画素の面積を他の色のサブ画素の面積よりも小さくすることで、色表示の際の効率を向上させることが可能である。

なお第３の実施形態では、白画素の部分の吸収フィルタを形成しない例を示した。白画素は輝度を高めるために挿入した画素であるので、最も人間の目で輝度感度の高い緑を吸収フィルタとして使用しても、同等の効率改善を得ることが可能である。白画素では緑の吸収フィルタを形成しても良い。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態について説明する。図１３は、第４の実施形態における干渉フィルタの配列について示す図である。第２の実施形態では、白画素の部分に複数色の干渉フィルタを形成した例を示している。これに対し、第４の実施形態は、白画素の部分に１色の干渉フィルタを形成し、隣接する複数の画素によって白画素を形成する例である。

図１３は、４画素で１つの白画素を形成する例である。図１３の左上の画素は、白画素の部分を赤のサブ画素とし、この部分に赤干渉フィルタを形成している。また、図１３の右上の画素は、白画素の部分を緑のサブ画素とし、この部分に緑干渉フィルタを形成している。また、図１３の左下の画素は、白画素の部分を青のサブ画素とし、この部分に青干渉フィルタを形成している。さらに、図１３の右下の画素は、白画素の部分を白のサブ画素（透明画素によって又は複数色の干渉フィルタを配置することによって形成されている）としている。

白表示の際には、図１３の左上の白画素で赤表示を、図１３の右上の白画素で緑表示を、図１３の左下の白画素で青表示を、図１３の右下の白画素で白表示をそれぞれ行う。この場合、４つの白画素では平均的には白表示が行われているとみなすことができる。

なお第４の実施形態では、図１３の右下の白画素の部分の吸収フィルタを形成しない例で説明している。もちろん図１３の左上の白画素で赤表示を、図１３の右上の白画素で緑表示を、図１３の左下の白画素で青表示をする場合には、それぞれの色の吸収フィルタを使用するのは当然である。白画素は輝度を高めるために挿入した画素であるので、最も人間の目で輝度感度の高い緑を吸収フィルタとして使用しても、同等の効率改善を得ることが可能である。図１３の右下の白画素では緑の吸収フィルタを形成しても良い。

以上説明したように、本実施形態では、干渉フィルタにより光を再利用しつつ、さらに白画素を形成することにより、光の利用効率を向上させて大きな省電力効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、複数のサブ画素を用いて白画素とすることにより、１つの白画素の面積を小さくしても効率の低下を抑制することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ガラス基板、２…干渉フィルタ、３…第１の反射層、４…第２の反射層、５…スペーサ層、６…赤干渉フィルタ、７…緑干渉フィルタ、８…青干渉フィルタ、９…白画素（アレイ基板側）、１０…シリコン窒化膜(一層目)、１１，１３…レジスト、１２…シリコン窒化膜(二層目)、１５…ゲート線、１６…ゲート絶縁膜、１７…画素電極、１８…薄膜トランジスタ、１９…信号線、２０…アレイ基板、２１…対向基板、２５…ガラス基板、２６…赤吸収フィルタ、２７…緑吸収フィルタ、２８…青吸収フィルタ、２９…白画素（対向基板側）、３０…対向電極、３１…第１の偏光板、３２…第２の偏光板、４０…バックライト、４１…導光板、４２…反射板、４３…光源、１１０…赤画素、１１１…緑画素、１１２…青画素、１１３…白画素、１２０…赤干渉フィルタ、１２１…緑干渉フィルタ、１２２…青干渉フィルタ、１３０…赤吸収フィルタ、１３１…緑吸収フィルタ、１３２…青吸収フィルタ、ＢＭ…ブラックマトリクス。

Claims (8)

1. 第１の波長帯の光を透過し第１の波長帯以外の光を反射する第１の領域と、白色の光を透過する第２の領域と、を有する干渉フィルタと、
   前記第１の領域及び前記第２の領域それぞれと重ねて設けられたトランジスタと、
   前記干渉フィルタと対向する基板と、
   前記干渉フィルタと前記基板との間に設けられた液晶層と
   を有する液晶表示装置。
2. 前記干渉フィルタは、さらに第２の波長帯の光を透過し第２の波長帯以外の光を反射する第３の領域と、第３の波長帯の光を透過し第３の波長帯以外の光を反射する第４の領域と、を有し、前記第３の領域及び前記第４の領域それぞれと重ねて設けられたトランジスタをさらに有する請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記第２の領域は、第１の波長帯の光を透過し第１の波長帯以外の光を反射する第１の部分と、第２の波長帯の光を透過し第２の波長帯以外の光を反射する第２の部分と、第３の波長帯の光を透過し第３の波長帯以外の光を反射する第３の部分と、
   を有する請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記第１の部分は、前記第１の領域の隣に設けられ、
   前記第１の領域と重ねて設けられたトランジスタまたは前記第２の領域と重ねて設けられたトランジスタの少なくともいずれか一方は、前記第２の領域と前記第１の領域の境界に重なるように形成された請求項３に記載の液晶表示装置。
5. 前記第２の領域の面積は、前記第１の領域の面積よりも小さい請求項１乃至４の何れか１項に記載の液晶表示装置。
6. 前記基板の前記干渉カラーフィルタと液晶層を挟んで対向する位置に吸収フィルタをさらに具備し、
   前記吸収フィルタは、前記第１の領域と対向し前記第１の領域を透過した光のうちの少なくとも一部を透過する第５の領域と、前記第２の領域と対向し前記第２の領域を透過した光の少なくとも一部を透過する第６の領域とを有する請求項１乃至５の何れか１項に記載の液晶表示装置。
7. 前記吸収フィルタは、さらに、前記第３の領域と対向し前記第３の領域を透過した光のうちの少なくとも一部を透過する第７の領域と、前記第４の領域と対向し前記第４の領域を透過した光のうちの少なくとも一部を透過する第８の領域と、を有する請求項６に記載の液晶表示装置。
8. 前記第６の領域は、緑色の光を透過する請求項６に記載の液晶表示装置。

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