JP2016057557A - 反射型液晶表示装置およびプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】多層反射膜を設けた場合に、平坦化などの工程を必要とせず、さらに高反射率となる反射型液晶表示素子の構造を提供する。
【解決手段】複数のスイッチ素子と、前記スイッチ素子の上方に配置された複数の画素電極とを有するアクティブマトリクス基板と、透明電極を含んだ対向基板との間に液晶が挟持された反射型液晶表示装置において、前記画素電極の反射側表面に、複数の誘電体からなる多層膜が設置されており、前記多層膜は低屈折率誘電体と高屈折率誘電体を積層したものであり、画素電極間溝部中にある多層膜上面と画素電極上の多層膜上面の段差による光路長差が、入射波長λに対して０．８λ〜１．２λの範囲内である。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射型液晶表示装置を構成する反射型液晶表示素子に関し、特に、多層反射膜を用いた反射型液晶表示素子の素子構造に関する。

液晶は、電界の印加により配向が変化する特徴を持つため、表示装置として使われてきた。近年では、液晶表示装置技術の進歩によって、高解像度化、大型化が進み、テレビモニタやパーソナルコンピュータ、また携帯電話などにも使用されている。

液晶表示装置は、光の供給方法により、透過型と反射型液晶表示装置に分類される。透過型液晶表示装置は、裏面もしくは側面に設置されたバックライトの光を透過させて表示を行う仕組みになっており、駆動回路などにより光を遮られるために開口率が小さくなるという問題がある。

対して、反射型液晶表示装置は、表示方向より光を入射させ、反射板である画素電極により光を反射させて表示を行う。光入射方向に対して画素電極の裏側に駆動回路が設置され、光が駆動回路に遮られることがないため、透過型液晶表示装置よりも開口率を大きく取ることが可能となり、画素周りに線のない、いわゆるシームレスな表示ができる利点がある。そのため、反射型液晶表示素子は、高輝度で高画質な映像を必要とする投射プロジェクタなどに利用されている。

図６には、一般的な反射型液晶表示素子を用いたプロジェクタの構成を示した。矢印は、赤・緑・青光のそれぞれの光路を示している。光源６０１から発光し、ダイクロイックミラー６０２ａにより、赤光と、緑・青光に、ダイクロイックミラー６０２ｂにより緑光と青光が分けられる。青・緑・青光に分離した後に、各色の偏光ビームスプリッタ（６０３ｒ、６０３ｇ、６０３ｂ）によりＳ偏光のみが反射され、各色の反射型液晶表示素子（６０４ｒ、６０４ｇ、６０４ｂ）に入射する。反射型液晶表示素子からＰ偏光で反射された光は、ダイクロイックプリズム６０５により合成され、投射レンズ系６０６を通して投影される。

ここで、図５に従来の反射型液晶表示素子の構造のうち、光透過性電極から画素電極部付近の断面図を示す。一般的に反射型液晶表示素子は、全ての画素に共通な光透過性の領域５Ａと、電気回路を含む領域５Ｂを持ち、それぞれの領域が対向する位置に配向膜５０１、５０８を設けてあり、その間に液晶層５０９が挟まれている構造をしている。電気回路を含む領域５Ｂはアクティブマトリクスであり、画素ごとに駆動できる構造になっている。光透過性電極を含む領域５Ａ側から入射した光を、領域５Ｂ内の画素電極５０３で反射するとともに、回路素子へと信号を供給する。

図５に示されるような反射型液晶表示素子は、画素電極５０３で反射する入射光が駆動回路に遮られないため、高い開口率を維持できる。しかしながら、反射型液晶表示素子では、画素電極が金属であるため、隣り合う画素電極を絶縁するために画素電極間溝部５０６が必要となり、開口率が１００％にはならない。また、画素電極間に進入した光は、画素電極下部にある回路に乱反射を起こし、回折光として投射される。ここで発生する回折光は、表示性能が低下する原因となる。

反射型液晶表示素子に画素電極間があるため、反射率の低下、コントラストの低下などの問題が起こる。これらを解決するため、これまでに様々な技術が提案されている。反射率・コントラストを向上させるのに最も効果的な方法は、画素電極間溝幅を狭くすることである。しかしながら、従来の反射型液晶表示素子の製造方法では、３５０ｎｍ程度の画素電極間溝幅を作成するのが限界とされている。画素電極間溝幅をより細くするためには、最先端の微細加工技術が必要となり、反射型液晶表示素子を製造するうえで、大きなコストアップになってしまう。

他に考えられる対策としては、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とした画素電極をさらに高反射率にする手法である。その手法としては、Ａｌの代わりに高反射率材料で画素電極を作成する案と、低屈折率材料と高屈折率材料が積層された多層反射膜を画素電極上に設ける案などが提案されている。例えば、特許文献１においては、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）とチタン酸化物（ＴｉＯ２）を積層させて、その全体の厚さを５０００Å以下となるような反射型液晶表示素子を提案している。画素電極上と溝部の多層膜段差によっては、反射率が低下することが指摘されており、そのために、画素溝間に絶縁膜を充填する方法を採用している。

画素電極上と溝部の多層膜段差に着目した先行例が、特許文献２である。特許文献２では、画素溝部に絶縁膜を設け、絶縁膜と画素電極との高さの差が、入射波長λに対して０．２λ以内であることを規定している。しかし、この反射型液晶表示装置を作成するのには、多くの工程が必要であり、また、０．２λの段差でも、例えば青光では約７％、緑光では約８％の反射率が低下することが、我々の検討において判明した。

特許第３２２４０１２号公報 特開２００７−２９３２４３号公報

このように、反射型液晶表示素子に多層反射膜を設けた場合、画素電極上の多層膜と画素溝上の多層膜の段差が、反射率に大きく影響する。これは、段差により画素電極上の多層膜における反射光と、画素溝部における反射光に位相差がつくために、回折現象を起こしているのが原因と考えられる。画素電極上と画素溝部の多層膜を平坦に作成できれば回折は起こらないが、作成工程が増加するために、大幅なコストアップにつながる。

本発明では、多層反射膜を設けた場合に、平坦化などの工程を必要とせず、さらに高反射率となる反射型液晶表示素子の構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る反射型液晶表示装置は、複数のスイッチ素子と、前記スイッチ素子の上方に配置された複数の画素電極とを有するアクティブマトリクス基板と、透明電極を含んだ対向基板との間に液晶が挟持された反射型液晶表示装置において、前記画素電極の反射側表面に、複数の誘電体からなる多層膜が設置されており、前記多層膜は低屈折率誘電体と高屈折率誘電体を積層したものであり、画素電極間溝部中にある多層膜上面と画素電極上の多層膜上面の段差による光路長差が、入射波長λに対して０．８λ〜１．２λの範囲内であることを特徴とする。

本発明による素子構造を用いると、画素溝間の絶縁体を設ける工程や、平坦化などの工程を必要とせずに高反射率な反射型液晶表示素子を提供することが可能となる。

本発明における反射型液晶表示素子の画素電極部分の断面図 本発明の反射型液晶表示素子の製造方法説明図 多層膜段差に対する反射率の変化 本発明と先行例、従来例の反射率比較 一般的な反射型液晶表示素子の断面図 反射型液晶表示素子を使用した一般的なプロジェクタの概略図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本発明の実施形態における反射型液晶表示素子の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態を示す概略図であり、画素電極付近の断面図を拡大したものである。この反射型液晶表示素子は、周知のプロジェクタ（画像投射装置）に用いられる。
図１に示すように、本実施形態の反射型液晶表示素子では、画素電極１０３上に、保護膜の代わりに高屈折率誘電体１０２ａと低屈折率誘電体１０２ｂが積層されている。画素間に溝があるために、画素電極１０３上と溝部の多層膜１０２ａ、１０２ｂの高さが異なり、画素電極分の段差１０６を持つ。

さらに、画素電極１０３の下に遮光膜または反射膜１０５が設けられ、その間にある層間絶縁膜１０４によって構成される。従来の反射型液晶表示素子と大きく異なるのは、溝部における多層膜１０２と配向膜１０１が基板側に位置しているような、段差構造となっているところである。

高反射率な反射型表示素子を提供するために、画素電極上の多層膜による反射光と、溝部内の多層膜による反射光の位相が揃うことが重要であり、本実施形態の構成では、溝部多層膜から画素電極上の多層膜までの高さ１０６を適切に設定した。反射光の位相を揃えるためには、入射波長λ、液晶の屈折率ｎとすると、λ／（２＊ｎ）の整数倍で表される多層膜段差１０６とした時が最も効果的である。

図２は、本実施形態の反射型液晶表示素子の製造方法を示したものである。図２（ａ）〜（ｄ）は、各製造工程における反射型液晶表示素子の断面図を示している。図２（ａ）では、駆動基板から画素電極１０３までを製造した図である。この時、入射波長λ、液晶の屈折率ｎとした場合に、画素電極の厚さをλ／（２＊ｎ）の整数倍となるように作成する。

また、画素電極を平坦に作成し、前記の厚みになるように溝部を削る工程を設けても良い。また、画素電極１０３の基板側に遮光材料などの膜がある場合、画素電極材料と遮光材料を合わせた膜厚を多層膜段差に相当する高さとすることで、次の工程で積層する多層膜の段差を制御する。

図２（ｂ）は、図２（ａ）で作られた構造の上に、低屈折率誘電体１０２ｂを設置した図である。画素電極上と、画素間溝部における低屈折率誘電体１０２ｂの段差も、予め作成された画素電極の厚みによるものである。図２（ｃ）では、低屈折率誘電体１０２ａの上に、さらに高屈折率誘電体１０２ａを積層した図である。図２（ｄ）に示される通り、さらに斜方蒸着膜を蒸着することで、本実施形態の反射型液晶表示素子が製造できる。

反射型液晶表示素子の製造工程において多層膜を設けた場合に、画素電極上と画素間溝部に段差ができやすい。このような段差によって、反射率にどの程度影響があるかを時間領域差分法により計算した結果を、図３に示す。尚、反射率は入射光強度に対する０次光の強度として定義した。図３には、多層膜が平坦なモデルから、溝部多層膜が２００ｎｍ低いモデルまで段差を変化させた場合に、ＲＧＢ反射率がどう変化するかをプロットしたものである。

多層膜は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を低屈折率材料とし、二酸化チタン（ＴｉＯ２）を高屈折率材料とし、膜厚保はそれぞれ６０ｎｍと３０ｎｍとした。赤光反射率はＲｅｄ、緑光反射率はＧｒｅｅｎ、青光反射率はＢｌｕｅで示されている。

先行技術によると、入射波長λとした時に、段差による位相差が０．２＊λ以内であれば良いとしている。実際に、０．２λの位相差を与える段差を考えると、青光で約３０ｎｍ、緑光で約３８ｎｍ、赤光で約４４ｎｍとなる。この程度の段差がある場合に、段差のない平坦な場合の反射率からの変化を図３より読み取ると、青光約６．８％、緑光約５．１％、赤光も約４．９％となる。つまり、３０〜４５ｎｍほどの低い段差であっても、４．９〜６．８％の反射率変化が起ることが予想される。以上の結果から、多層膜間の段差を制御することで、反射率が改善される効果が大きいといえる。

次に、本実施形態における条件の１つとして、多層膜の構成について考察した。特開平１１−３４４７２６号公報にも示されている通り、多層膜に反射膜の効果を期待する場合には、入射波長λ、膜の屈折率ｎとするとλ／（４＊ｎ）で表される膜厚程度にすると良い。入射光を緑光とすると、λ／（４＊ｎ）に対応するＳｉＯ２の膜厚は約９４ｎｍであり、ＴｉＯ２の膜厚は４７ｎｍである。転送行列法（ＴＭＭ）を用いて、反射率が高くなるようにＴｉＯ２とＳｉＯ２の膜厚の最適化を行ったところ、緑光入射時に最も高い反射率を示す膜厚の構成は、ＳｉＯ２が９０ｎｍ、ＴｉＯ２が３０ｎｍであった。

ＴＭＭを用いて、赤光、青光入射時のＴｉＯ２とＳｉＯ２の膜厚の最適化を行った。その結果は、表１の通りとなった。シミュレーション結果から、予測値よりもＴｉＯ２膜厚が薄い場合に反射率が高いという結果になっている。これは、配向膜が光吸収膜であるために、光強度分布が異なり、最適値がシフトしたと考えられる。

次に、本実施形態で規定する段差の有効範囲について、検討を行った。画素溝と画素電極上の多層膜間の段差は、段差による光路長が入射光の波長の整数倍となっているのが理想的である。しかし、精密加工を用いた場合を除いて、膜厚３０ｎｍほどのパネル製造の誤差がある。この誤差を考慮し、段差による光路長を０．８＊λ〜１．２＊λの範囲と規定した。このように規定した場合の入射波長に対する段差の範囲と反射率の変化をまとめたものが表２である。

表２より、ＲＧＢ入射光に対する多層膜段差に６０〜１００ｎｍの範囲あったとしても、反射率の低下が３．６〜４．９％に抑えられる。先行技術では、４．９〜６．８％の反射率低下が見込まれたため、少なくとも本実施形態の方が良い反射率を得られる傾向にあると言える。また、段差を制御することによって、例えば段差１７０ｎｍ程度とすれば、青光と緑光の反射率を同程度とすることも可能である。そのため、ＲＧＢ全ての反射型液晶表示素子の構造について、表２の範囲を満足する必要はなく、いずれか１つの素子構造が多層膜段差の規定を満足していれば良い。

実際に、本実施形態の反射型液晶表示素子の反射率について、シミュレーションを用いて、その優位性を図４に示した。図４では、表２のようにＲＧＢについての反射型液晶表示素子ごとに最適な多層膜段差を設定した場合（図４中の「ＲＧＢ個別パネル」に示す）と、共通な段差を設定した場合（図４中の「段差共通パネル」に示す）を示している。共通の段差としては、表２の段差範囲をもとに、全ての波長において範囲内に入っている段差１８０ｎｍを用いた。本発明の表示素子との比較としては、特許文献１に示される先行例（図４中の「先行例」に示す）と、多層膜を用いない従来の反射型液晶表示素子（図４中の「従来例」に示す）との比較を行った。

図４より、多層膜を用いない従来の反射型液晶表示素子のでは、反射率が７０〜７５％と低いことがわかる。一方、各波長に対して最適な多層膜段差を設定したＲＧＢ個別パネルでは、赤光８６．６％、緑光８８．０％、青光８７．５％の反射率を達成できる予測となった。

この手法では、各入射光に対して最適な段差を用いているため、効果は高いが製造コストも高くなる。そのため、ＲＧＢ入射光に対して共通の段差１８０ｎｍを設けた段差共通パネルについても、検討を行った。段差が個別に設定されているＲＧＢ個別パネルと比較すると、反射率は低くなるが、従来例よりも格段に反射率が高く、また、先行例と比較すると反射率は同程度、またはそれ以上の結果が得られる。

本発明のような素子構造を用いると、画素溝間の絶縁体を設ける工程や、平坦化などの工程を必要とせずに、少なくとも先行例と同程度、またはより高反射率な反射型液晶表示素子を提供することが可能となる。

１０１，２０１，５０１ 配向膜、１０２ａ，２０２ａ 高屈折率膜、
１０２ｂ，２０２ｂ 低屈折率膜、１０３，２０３，５０３ 画素電極、
１０４，２０４，５０４ 層間絶縁膜、１０５，２０５，５０５ 遮光層、
１０６ 溝部多層膜上面から画素電極上多層膜上面までの高さ、５０２ 保護膜、
５０６ 画素電極間溝部、５０７ 光透過性電極、５０８ 配向膜、５０９ 液晶、
５Ａ 光透過性基板、５Ｂ 回路基板、６０１ 光源、
６０２ａ，６０２ｂ，６０２ｃ ダイクロイックミラー、
６０３ｒ，６０３ｇ，６０３ｂ 赤・青・緑偏光ビームスプリッタ、
６０４ｒ，６０４ｇ，６０４ｂ 赤・青・緑反射型液晶表示素子、
６０５ クロスプリズム、６０６ 投射レンズ系

Claims (3)

1. 複数のスイッチ素子と、前記スイッチ素子の上方に配置された複数の画素電極とを有するアクティブマトリクス基板と、透明電極を含んだ対向基板との間に液晶が挟持された反射型液晶表示装置において、
   前記画素電極の反射側表面に、複数の誘電体からなる多層膜が設置されており、
   前記多層膜は低屈折率誘電体と高屈折率誘電体を積層したものであり、画素電極間溝部中にある多層膜上面と画素電極上の多層膜上面の段差による光路長差が、入射波長λに対して０．８λ〜１．２λの範囲内であることを特徴とする反射型液晶表示装置。
2. 入射光のうち、少なくとも１つの入射波長λに対して、画素電極間溝部中にある多層膜上面と画素電極上の多層膜上面の段差による光路長差が、０．８λ〜１．２λの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の反射型液晶表示装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の反射型液晶表示装置を有することを特徴とするプロジェクタ。