JP2014056019A - 反射型カラー液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶セルにおける反射率特性の改善と共に写り込みを防止することができ、表示品位の向上と共に低コスト化をはかる。
【解決手段】反射型カラー液晶表示装置であって、走査線と信号線との交差部に配置された複数のスイッチング素子１２、及び該スイッチング素子１２にそれぞれ接続された反射型の画素電極１４を備えたアレイ基板１０と、画素電極１４に対応して設けられた光拡散効果を有するカラーフィルタ層２１を有し、アレイ基板１０に対向配置された対向基板２０と、アレイ基板１０と対向基板２０との間に充填された液晶層３０と、画素電極１４に離間して設けられ、該画素電極１４よる電界を液晶層３０に印加するための共通電極２２と、を具備した。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、反射型カラー液晶表示装置に関する。

近年、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などの携帯情報端末機器においては、透過型に比べて消費電力が小さく、軽薄で携帯性に優れた反射型カラー液晶表示装置の要求が高まっている。反射型カラー液晶表示装置では、液晶セルの背面に反射板を配置しており、その表面はランダムな凹凸形状に加工されている。これは、入射光源の方向は一義的には決めることができないため、入射光の方向に拠らず良好な表示が得られるように反射光を散乱させる必要があるからである。一方で、反射板を凹凸加工していることから、反射光の光量（反射率）は、拡散或いは屈折により広がるため低下してしまう。

反射率低減を改善する方法として、反射面を鏡面にする構成が提案されている。この構成では、拡散により損失する反射光は大幅に減少し、入射光の大半が反射されて出射光となるため、高い反射率を得ることができる。但し、鏡面反射板を用いた場合には、外光の写り込みを防止することができず、視認性が著しく低下する。

写り込み防止対策としては、液晶セルの前面に拡散フィルムを配置する構成が有効である。しかし、上記の構成を従来の拡散反射板構成と比較すると、新規な拡散フィルム部材を必要とする分、コストアップが不可避である。さらに、拡散フィルムの分だけ厚みや重さも当然増加する。また、表示品位の面では画像のボケという問題もある。この画像ボケは、拡散フィルムの液晶層からの距離に大きく依存しているために、液晶セル表面に拡散フィルムを貼るという構成上、ガラス基板の厚みの影響を受けることは避けられない。

特開２００４−２１０９７号公報

発明が解決しようとする課題は、液晶セルにおける反射率特性の改善と共に写り込みを防止することができ、良好な表示品位を有する低コストの反射型カラー液晶表示装置を提供することである。

実施形態の反射型カラー液晶表示装置は、走査線と信号線との交差部に配置された複数のスイッチング素子、及び該スイッチング素子にそれぞれ接続された反射型の画素電極を備えたアレイ基板と、前記画素電極に対応して設けられた光拡散効果を有するカラーフィルタ層を有し、前記アレイ基板に対向配置された対向基板と、前記アレイ基板と前記対向基板との間に充填された液晶層と、前記画素電極に離間して設けられ、該画素電極よる電界を前記液晶層に印加するための共通電極と、を具備している。

第１の実施形態に係わる反射型カラー液晶表示装置の概略構成を示す断面図。 図１の液晶表示装置に用いたアレイ基板の構成を概略的に示す斜視図。 図１の液晶表示装置のアレイ基板側構成及び対向基板側構成を示す断面図。 第２の実施形態に係わる反射型カラー液晶表示装置の概略構成を示す断面図。 第３の実施形態に係わる反射型カラー液晶表示装置の概略構成を示す断面図。 第１及び第２の比較例の概略構成を示す断面図。

以下、実施形態の反射型カラー液晶表示装置を、図面を参照して説明する。

なお、これらの実施形態は発明の理解を容易にする目的で掲載しており、本発明の効果が大きい表示モードの液晶パネルを用いて行っているが、これは本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係わる反射型カラー液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の液晶表示装置に用いたアレイ基板の構成を概略的に示す斜視図である。

図１に示すように、ガラス基板等の絶縁基板１１上に、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）等のスイッチング素子１２、絶縁層１３、及び反射型画素電極１４等が形成されたアレイ基板１０上に、カラーフィルタ層２１及び共通電極２２等が形成された対向基板２０が一定距離離間して配置されている。そして、これらの基板１０，２０間に液晶層３０が充填されている。

図２に示すように、スイッチング素子１２は走査線回路４１により駆動される走査線４２と信号線回路４３に接続された信号線４４との交差部に設けられており、走査線４２の選択により信号線４４の電位を液晶層３０に印加するものとなっている。

なお、画素電極１４はＡｌ等からなり、対向基板２０側からの光を十分に反射するように鏡面となっている。共通電極２２はＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等からなるもので、アレイ基板１０側からの光を十分に透過させるように透明となっている。カラーフィルタ層２１は、画素電極１４のＲＧＢに対応して設けられた着色層２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂを有している。また、図１中の１５はアレイ基板１０側の配向膜、２５は対向基板２０側の配向膜、２６はブラックマトリクス、３５は周辺シール材、３６はスペーサを示している。

本実施形態の反射型カラー液晶表示装置を製造するには、図３（ａ）に示すように、一般的なアクティブマトリクス素子を形成するプロセスと同様に、成膜とパターニングを繰り返して、絶縁基板１１上にスイッチング素子１２及び絶縁層１３を形成する。その後、Ａｌの成膜及びパターニングにより、絶縁層１３上に反射型画素電極１４をマトリクス状に配置形成する。ここで、スイッチング素子１２としてのＴＦＴのソースは信号線に接続され、ドレインは画素電極１４に接続され、ゲートは走査線に接続されるものとなっている。

なお、絶縁基板１１は必ずしもガラス基板に限るものではなく、樹脂基板であっても良い。さらに、スイッチング素子はＴＦＴに限るものではなく、ＭＩＭ（Metal Insulator Metal）素子であっても良い。

一方、対向基板２０上には、図３（ｂ）に示すように、アレイ基板１０上の画素電極１４に合わせてカラーフィルタ層２１を形成する。通常、液晶パネル用カラーフィルタには粒子サイズを約１０ｎｍ〜１００ｎｍに微細化した顔料が使用されている。これは、一般的な透過型の液晶パネルにおいては、固体微粒子である顔料により光の散乱（ヘイズ）が発生し、色純度の低下を招くためである。しかし、本実施形態はカラーフィルタ層に拡散層としての機能を持たせるものであり、本実施形態では粒径が約１５０ｎｍと従来の顔料よりも大きい赤色顔料を高密度で分散し、ヘイズ値を大きくした紫外線硬化型アクリル樹脂レジストをスピンナーにて対向基板２０上に全面塗布した。続いて、一般的な露光、現像プロセスを施すことにより、赤の着色層２１Ｒを形成した。ここで、カラーフィルタ層を通過した光の散乱係数ｋｓと顔料粒径の関係を式（１）に示す。式（１）は、レイリー散乱式と呼ばれるもので、固体粒径が可視光波長よりも十分小さい場合に適用されるものである。

この式で示されるように、散乱の程度は粒径の６乗に比例して大きくなるため、本実施形態においては、着色層２１Ｒを通過する光は強く散乱することになる。なお、カラーフィルタ層の最適ヘイズ値は液晶パネルの用途や全体設計により異なるため、本実施形態で用いた顔料粒径はその効果を確認するための一例である。

その後、同様のプロセスで対向基板２０上に、緑の着色層２１Ｇ及び青の着色層２１Ｂを形成した。このとき、着色層２１Ｇの緑色顔料及び着色層２１Ｂの青色顔料の粒径は、それぞれ１３０ｎｍ，１００ｎｍと何れも従来の顔料よりも大きいものとした。これにより、着色層２１Ｇ，２１Ｂを通過する光は散乱することになる。即ち、カラーフィルタ層２１は光拡散効果を有することになる。

また、着色層２１Ｇの緑色顔料及び着色層２１Ｂの青色顔料の粒径は、何れも従来の顔料よりも大きいことに加え、
青色顔料＜緑色顔料＜赤色顔料
と短波長側でより粒径が小さくなるように調整した。これは、式（１）に示されるようにレイリー散乱の領域では散乱の程度が波長の４乗に反比例するため、短波長側でより散乱の程度が大きくなることを補正したためである。その後、一般的なプロセスでカラーフィルタ層２１上に、ＩＴＯからなる共通電極２２を形成した。

次いで、アレイ基板１０上及び対向基板２０上に垂直配向膜１５，２５を塗布し、画素電極１４と共通電極２２とが対向するように、従来プロセスで用いられている電気的な信頼性を有するシール材３５を用いて一定の間隔を保持して貼り合せを行う。その後、アレイ基板１０と対向基板２０との間に液晶層３０を充填することにより、前記図１に示す構成の反射型カラー液晶表示装置を作製した。

なお、本実施形態では、ＧＨ液晶モードを用いることとし、黒色色素３１とカイラル剤３２を混合した誘電率異方性が負の液晶材料を注入し、注入口を紫外線硬化樹脂で封止して液晶セルを作製した。

また、本実施形態は、反射型の液晶表示装置であれば表示モードを問わず適用可能であるが、特に散乱光による偏光解消の影響を受けにくい表示モードに適用することで、最も大きな効果が期待できる。そのため、本実施形態ではツイストモードのＧＨ液晶表示方式を一例として選定した。

このようにして作製した液晶セルは、後述する比較例１に比べて薄型であり、得られた表示品位も後述する比較例１に比べて画像ボケの少ない良好なものであった。これは、カラーフィルタ層２１に積極的に光拡散効果を付与し、カラーフィルタとしての機能と拡散層としての機能を兼用させているためである。

通常、液晶表示素子のカラーフィルタは顔料色素を分散した感光性樹脂層で構成されており、光拡散性、即ちヘイズ値は小さい方が良いとされている。その理由の一つには、最も一般的な偏光板方式の透過型液晶表示素子においては、光の拡散は偏光軸の変化を伴い、コントラスト低下を引き起こすということがある。

しかし、反射型で、尚且つ、非偏光板モードを用いた液晶表示素子においては、上記のような問題は発生しない。そのため、コントラスト特性を下げることなく、従来の拡散フィルムを液晶セル表面に貼り付ける方式の反射型液晶表示素子に比べ、より薄型化、軽量化でき、また部材削減によるコストダウン効果も得られる。さらに、光拡散層と液晶層との距離が近づいた結果として、画像ボケも大幅に改善される。

また、他にもカラーフィルタを拡散層として用いる大きな利点として、波長毎に拡散の程度を変えることが容易である点が上げられる。

液晶表示素子を構成する複数の部材の中には、ヘイズ値が波長分散特性を持っているものも少なくない。例えば、近年、薄型表示パネルの支持基板としてエンジニアリングプラスチック材料の開発が盛んに行われている。中でも、ガラスクロスとエポキシ樹脂を複合化した透明無機有機複合パネルは、一般的なプラスティックフィルムに比較して耐熱性が高く、温湿度に対する基板の伸び縮みも少ないため、有望な材料と目されている。しかし、このような複合材料の場合、それぞれが異なる屈折率の波長分散特性を有しているため、全可視光の領域で屈折率を近づけることは非常に難しい。そのため、屈折率差が大きくなる波長付近では光の散乱が生じ、ヘイズ値が大きくなる。

他にも、レアメタルの供給逼迫を受けてＩＴＯの代替となる酸化物透明導電性膜の開発が色々行われている。しかし、これらの酸化物透明導電性膜においては、結晶粒径の制御によりヘイズ値が規定され、一般に短波長側でヘイズ値が大きくなるという波長分散特性を有している。

これに対し本実施形態では、カラーフィルタ層２１に拡散層としての機能を付与しており、構成する色毎に顔料の粒径や密度を変えることでヘイズ値の波長分散特性を比較的容易に設計することができる。即ち、カラーフィルタ層２１の光拡散効果を、該カラーフィルタ層２１を構成する複数色のサブピクセル毎に異ならせている。そのため、上述したような液晶表示素子を構成する複数の部材に起因するヘイズ値の波長分散に対し、逆波長分散特性を付与することが可能であり、液晶表示素子全体として色付きのない良好な表示を実現することができる。

なお、本実施形態では、カラーフィルタ層２１を形成するための顔料ＲＧＢの粒径を、青色顔料＜緑色顔料＜赤色顔料としているので、ＲＧＢの各色に対するヘイズは、
ヘイズ（Ｒ）＞ヘイズ（Ｇ）＞ヘイズ（Ｂ）>>０
となる。但し、波長による散乱の差があまり問題とならない場合は、
ヘイズ（Ｒ）≒ヘイズ（Ｇ）≒ヘイズ（Ｂ）>>０
としても良い。

このように本実施形態によれば、反射型の画素電極１４を用いると共に、カラーフィルタ層２１に光拡散効果を持たせることにより、高い反射率と画像ボケの少ない良好な表示を有し、且つ軽薄で携帯性に優れた反射型液晶表示素子を低コストで実現することが可能である。さらに、画素電極１４に反射層の機能を持たせることにより、アレイ基板１０の裏面に反射層を設ける必要がなくなり、構成の簡略化をはかり得る利点もある。さらに、カラーフィルタ層２１は、着色層上に光拡散層を積層したものではなく、着色層の粒径を大きくして着色層自体に光拡散効果を持たせているため、カラーフィルタ層２１の構成が簡略化される利点もある。

また、反射型の液晶表示装置であれば表示モードを問わず適用可能であるが、特に偏光板を必要とせず、拡散反射による偏光解消の影響が少ない表示モードに適用することで、最も大きな効果が期待できる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係わる反射型カラー液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、カラーフィルタ層をアレイ基板１０側に配置したことである。この点を除いては、第１の実施形態と同じ構成、材料から構成されている。

即ち、スイッチング素子１２を有する絶縁基板１１上にカラーフィルタ層５１（着色層５１Ｒ，５１Ｇ，５２Ｂ）が形成され、その上に画素電極５４が形成されている。また、画素電極５４とは別に、スイッチング素子１２としてのＴＦＴのドレインにつながる配線を絶縁基板１１上に延長し、これを反射層６４としている。画素電極５４は対向基板２０側からの光が透過するように透明であるのが望ましい。反射層６４は対向基板２０側からの光を十分に反射するように鏡面であるのが望ましい。

また、本実施形態では、カラーフィルタ層５１をアレイ基板１０側に設けたことから、ブラックマトリクス５６もアレイ基板１０側に設けた。対向基板２０側には、カラーフィルタ層を設けることなく、透明の共通電極２２が直接設けられている。

本実施形態の液晶セルを評価したところ、第１の実施形態に比べて画素ボケは低減し、更にコントラスト特性も向上した。また、色再現範囲も拡大し、鮮やかな色の表示を得ることができた。これは、カラーフィルタ層５１を液晶層３０の下に配置することにより、カラーフィルタ層５１の後方散乱の影響が小さくなった効果、及び反射層６４との距離が短くなったことで反射光の混色が減った効果によるものである。

このように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、光拡散効果を有するカラーフィルタ層５１をアレイ基板１０側に設けることにより、画像ボケの低減及びコントラスト特性の向上と共に、色再現性の向上をはかることができる。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係わる反射型カラー液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。なお、図１及び図２と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

本実施形態が先に説明した第２の実施形態と異なる点は、対向基板７０としてガラスクロスとエポキシ樹脂を複合した透明基板を用いたことである。また、カラーフィルタ層５１に分散した顔料色素の粒径を、
青色顔料<<緑色顔料＜赤色顔料
とした。これらの点を除いては、第２の実施形態と同じ構成、材料から構成されている。

本実施形態の液晶セルを評価したところ、後述する比較例２に比べて画像ボケが少ないだけでなく、更に色付きの無い良好な表示が得られた。これは、対向基板７０としての透明基板自体が短波長側でヘイズ値が大きくなるという波長分散特性を有しており、黄色く色付いたところを、カラーフィルタ層６１のヘイズ値を青色層でより小さく設計することで補正し、可視光領域全体でのヘイズ値のバランスを揃えた効果によるものである。

なお、本実施形態では、カラーフィルタ層２１を形成するための顔料ＲＧＢの粒径を、青色顔料<<緑色顔料＜赤色顔料としているので、ＲＧＢの各色に対するヘイズは、
ヘイズ（Ｒ）＞ヘイズ（Ｇ）>>ヘイズ（Ｂ）>>０
となる。但し、波長による散乱の差があまり問題とならない場合は、
ヘイズ（Ｒ）≒ヘイズ（Ｇ）＞ヘイズ（Ｂ）>>０
としても良い。

このように本実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、ガラスクロスとエポキシ樹脂を複合した透明基板を対向基板７０に用い、カラーフィルタ層５１に分散した顔料色素の粒径を、青色顔料<<緑色顔料＜赤色顔料に設定することにより、更なるコントラスト特性の向上をはかることができる。

（比較例１）
第１の実施形態に対する比較例（比較例１）として、通常のカラーフィルタ層１２１を用いた例を図６（ａ）に示す。対向基板２０上に、ヘイズが殆ど無い着色レジスト材料から成るカラーフィルタ層１２１（着色層１２１Ｒ，１２１Ｇ，１２１Ｂ）が設けられている。そして、写り込みを防止するために、対向基板２０の表面に拡散フィルム１３１が貼り付けられている。この点を除いては、第１の実施形態と全く同じ構成、材料から構成されている。

比較例１の液晶セルを評価したところ、第１の実施形態に比べてぼやけた画像表示を呈していた。また、拡散フィルム１３１の分だけ、製造コスト及びパネルの厚みが増加した。このことから、第１の実施形態のように、光拡散効果を有するカラーフィルタ層２１を用いることにより、高い反射率を得ながら画像ぼけを抑制できるのが分かる。

（比較例２）
第３の実施形態に対する比較例（比較例２）として、対向基板７０にガラスクロスとエポキシ樹脂を複合した透明基板を用いた例を図６（ｂ）に示す。この点を除いては、第２の実施形態と全く同じ構成、材料から構成されている。

比較例２の液晶セルを評価したところ、比較例１に比べて画素ボケは低減し、更に第１の実施形態よりも高いコントラストが得られた。しかし、第２の実施形態に比べ全体に黄色く色付いた表示となった。このことから、第３の実施形態のように、カラーフィルタ層５１に分散した顔料色素の粒径を、
青色顔料<<緑色顔料＜赤色顔料
とすることにより、色付きの無い良好な表示が得られるのが分かる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。

カラーフィルタ層を構成する顔料粒子のサイズは、反射光が拡散する大きさであればよく、可視光の波長と同等以下で、且つレイリー散乱の領域に設定すればよい。さらに、ＲＧＢの各色の顔料粒子のサイズは、短波長側でより粒径が小さくなるように調整すれば良く、仕様に応じて適宜変更可能である。但し、各色間のヘイズが問題とならない場合は、同じ粒径としても良い。

また、実施形態ではカラーの種類としてＲＧＢを用いたが、これに限らず、他の色を用いても良い。さらに、実施形態では、対向基板側に共通電極を形成したが、ＩＰＳ方式のようにアレイ基板側に共通電極を形成したものに適用することも可能である。

本発明の幾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同様に、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ものである。

１０…アレイ基板
１１…絶縁基板
１２…スイッチング素子
１３…絶縁層
１４…反射型画素電極
１５…アレイ基板側配向膜
２０，７０…対向基板
２１，５１，６１…カラーフィルタ層
２１Ｒ，５１Ｒ，６１Ｒ…赤の着色層
２１Ｇ，５１Ｇ，６１Ｇ…緑の着色層
２１Ｂ，５１Ｂ，６１Ｂ…青の着色層
２２…共通電極
２５…対向基板側配向膜
２６…ブラックマトリクス
３０…液晶層
３５…周辺シール材
３６…スペーサ
４１…走査線回路
４２…走査線
４３…信号線回路
４４…信号線
５４…画素電極
６４…反射層

Claims (7)

1. 走査線と信号線との交差部に配置された複数のスイッチング素子、及び該スイッチング素子にそれぞれ接続された反射型の画素電極を備えたアレイ基板と、
   前記画素電極に対応して設けられた光拡散効果を有するカラーフィルタ層を有し、前記アレイ基板に対向配置された対向基板と、
   前記アレイ基板と前記対向基板との間に充填された液晶層と、
   前記画素電極に離間して設けられ、該画素電極よる電界を前記液晶層に印加するための共通電極と、
   を具備したことを特徴とする反射型カラー液晶表示装置。
2. 走査線と信号線との交差部に配置された複数のスイッチング素子、該スイッチング素子にそれぞれ接続された画素電極、及び前記画素電極側に光を反射するための反射層と、を備えたアレイ基板と、
   前記アレイ基板に対向配置された対向基板と、
   前記アレイ基板と前記対向基板との間に充填された液晶層と、
   前記画素電極に離間して設けられ、該画素電極による電界を前記液晶層に印加するための共通電極と、
   前記画素電極に対応して前記反射層からの反射光の光路にそれぞれ設けられた、光拡散効果を有するカラーフィルタ層と、
   を具備したことを特徴とする反射型カラー液晶表示装置。
3. 前記カラーフィルタ層は、前記アレイ基板側で前記画素電極と前記反射層との間に設けられていることを特徴とする請求項２記載の反射型カラー液晶表示装置。
4. 前記カラーフィルタ層を構成する顔料粒子のサイズは、可視光の波長と同等以下で、且つレイリー散乱の領域にあることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の反射型カラー液晶表示装置。
5. 前記カラーフィルタ層の光拡散効果が、該カラーフィルタ層を構成する複数色のサブピクセル毎に異なっていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の反射型カラー液晶表示装置。
6. 前記カラーフィルタ層の光拡散効果が、該カラーフィルタ層を構成する複数色のサブピクセルにおいて、短波長光＜長波長光であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の反射型カラー液晶表示装置。
7. 前記共通電極は、前記対向基板側に設けられていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の反射型カラー液晶表示装置。

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