JP3648942B2 - 液晶表示素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、カラーフィルタを備えた液晶表示素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子には、バックライトからの光を利用して表示する透過型のものと、自然光や室内照明光等の外光を利用して表示する反射型のものとがあり、反射型の液晶表示素子では、その後面側に、前面から入射した外光を反射して前面に出射させるための反射部材を備えている。
【０００３】
このような液晶表示素子は、前記液晶層の液晶分子を両基板間において所定のツイスト角でツイスト配向させたＴＮ（ツイステッド・ネマティック）型のものが利用されており、このＴＮ型の液晶表示素子では、前記一方の基板の外面と他方の基板の外面とにそれぞれ偏光板を、その透過軸を所定の方向に向けた状態で配置している。
【０００４】
また、液晶表示素子には、アクティブマトリックス方式や単純マトリックス方式など種々の方式のものがあり、例えば、アクティブマトリックス方式の液晶表示素子は、液晶層をはさんで対向する一対の基板のうちの一方の基板の内面に、マトリックス状に配列する複数の画素電極とこれらの画素電極にそれぞれ接続された複数の能動素子とを設け、他方の基板の内面に、前記複数の画素電極と対向する部分により画素領域を形成する対向電極を設けた構成となっている。
【０００５】
さらに、液晶表示素子には、白黒画像を表示するものと、カラー画像を表示するものとがあり、カラー画像を表示する液晶表示素子は、一対の基板のうちのいずれかの基板の内面に、各画素領域にそれぞれ対応させて複数の色のカラーフィルタを設けている。
【０００６】
すなわち、フルカラー画像等のカラー画像を表示する液晶表示素子の場合は、そのいずれかの基板の内面に、複数の色のカラーフィルタ、例えば赤、緑、青の３色のカラーフィルタがそれぞれ異なる画素領域に対応させて交互に並べて設けられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のカラーフィルタを備えた液晶表示素子は、その画素領域に入射した光のうち、前記カラーフィルタにより可視光波長帯域の特定波長帯域以外の光が吸収され、前記特定波長帯域の光だけがこのカラーフィルタを透過してその色に着色した光が前記画素領域を透過するため、入射光の強度に対して出射する着色光の強度が極めて弱く、明るい画面が得られないという問題をもっている。
【０００８】
この問題は、透過型の表示素子の場合はバックライトの輝度を高くすることによってある程度改善することができるが、消費電力が大きいと云う欠点がある。特に、外光を利用して表示する反射型の表示素子の場合は、前面から入射した光が、後面側の反射部材で反射されて前面に出射するまでの間にカラーフィルタを二度通るため、光の減衰が大きく、画面がかなり暗くなってしまい、画面の明るさを改善することが困難であった。
【０００９】
この発明は、、画面の明るさが充分で、しかも色バランスの良いカラー画像を表示することができる、カラーフィルタを備えたカラー液晶表示素子を提供することを目的としたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の液晶表示素子は、液晶層をはさんで対向する前後一対の基板の互いに対向する内面の一方に設けられた複数の第１の電極と、他方の内面に設けられ、前記複数の第１の電極と対向する領域が複数の画素領域を形成する少なくとも１つの第２の電極と、いずれかの基板の内面に前記各画素領域にそれぞれ対応させて設けられ、前記画素領域の面積よりも小さい面積に形成された複数色のカラーフィルタとを備え、
前記液晶層は、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応する有フィルタ領域における液晶層の層厚ｄ１と液晶の屈折率異方性Δｎの積Δｎｄ１の値と、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応しない前記有フィルタ領域以外の無フィルタ領域における液晶の層厚ｄ２と屈折率異方性Δｎの積Δｎｄ２の値とが、前記Δｎｄ１の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布と、前記Δｎｄ２の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布とを合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定されていることを特徴とするものである。
【００１１】
この発明の液晶表示素子によれば、カラーフィルタの面積を画素領域の面積より小さくしているため、画素領域を透過する光のうちの前記カラーフィルタに対応する有フィルタ領域を透過する光だけがカラーフィルタによりその吸収波長帯域の光を吸収されて着色し、前記カラーフィルタに対応しない無フィルタ領域を透過する光はカラーフィルタによる吸収を受けずに透過して、前記有フィルタ領域からの出射光である着色光と、前記無フィルタ領域からの出射光である高輝度の非着色光とにより高輝度のカラー画素が表示される。
【００１２】
しかも、この液晶表示素子では、前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値とを、前記Δｎｄ２の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布と、前記Δｎｄ２の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布とを合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定しているため、前記有フィルタ領域と無フィルタ領域とから出射する光とがそれぞれの領域のΔｎｄ相違により着色されていても、互いに補償して一つの画素領域としては、着色のない表示が得られる。
したがって、この発明の液晶表示素子によれば、画面の明るさが充分で、しかも色バランスの良いカラー画像を表示することができる。
【００１３】
また、前記液晶層は、前記有フィルタ領域の液晶層の屈折率異方性Δｎと層厚ｄ１の積Δｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域の液晶層の屈折率異方性Δｎと層厚ｄ２の積Δｎｄ２の値とが、前記有フィルタ領域の前記カラーフィルタを無色フィルタとしたときの分光透過率分布と前記無フィルタ領域の分光透過率分布との両方を合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定される。
【００１４】
さらに、前記液晶層の前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値は、液晶層のΔｎｄ値の変化に対して透過率が極大値を示すΔｎｄ値をΔｎｄ０としたとき、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係を満たすように設定される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の液晶表示素子は、上記のように、各色のカラーフィルタをそれぞれ前記画素領域の面積よりも小さい面積に形成して、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応する領域を有フィルタ領域、前記カラーフィルタが対応しない領域を無フィルタ領域とし、一対の基板間に挟まれる液晶層を、前記Δｎｄ１の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布と、前記Δｎｄ２の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布とを合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるようにになるよ設定することにより、一つの画素領域内で異なるΔｎｄ有することによる前記有フィルタ領域と無フィルタ領域とにおける透過光の分光透過率分布の相違を相互に補償し、画面の明るさが充分で、しかも色バランスの良いカラー画像を表示するようにしたものである。
【００１６】
すなわち、前記液晶層は、有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、無フィルタ領域のΔｎｄ２の値とが、一対の偏光板に挟まれた均一な層厚を有する液晶層からなる液晶素子にΔｎｄ１の値を有する液晶層とΔｎｄ２の値を有する液晶層とをそれぞれ用いたとき、それぞれの液晶素子を透過する光の分光透過率分布を合成した分光透過率分布が、可視光波長帯域の光について実質的に平坦な特性を有するように設定され、これらのΔｎｄ１とΔｎｄ２の値を得るために、前記液晶層の屈折率異方性Δｎ，有フィルタ領域の液晶層厚ｄ１，及び無フィルタ領域の液晶層厚ｄ２の値がそれぞれ選定されている。
【００１７】
この発明の液晶表示素子において、前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値は、前記有フィルタ領域の前記カラーフィルタを無色フィルタとしたときの分光透過率分布と前記無フィルタ領域の分光透過率分布との両方を合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定すれば良く。例えば、液晶のΔｎｄ値の変化に対して透過率が極大値を示すΔｎｄ値をΔｎｄ０としたとき、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係を満たすように設定すればよい。
【００１８】
このようにΔｎｄ１，Δｎｄ２の値を選べば、前記有フィルタ領域と、前記無フィルタ領域とを透過する光に対して、液晶層のΔｎｄが異なることにより生じる光学的作用の違いを互い補償させることができ、前記有フィルタ領域と無フィルタ領域の液晶層のみによるそれぞれの分光透過率分布を合成したとき、可視光波長帯域において、実質的に平坦になる。
【００１９】
この発明の液晶表示素子においては、隣り合う画素領域の間の領域（常に無電界状態である領域）を、常に光が出射する明表示領域とするのが望ましく、このようにすれば、各画素領域の間の部分を明るくし、画面をさらに明るくすることができる。
【００２０】
また、この発明は、バックライトからの光を利用して表示する透過型の液晶表示素子にも、後面側に反射部材を備え自然光や室内照明光等の外光を利用して表示する反射型の液晶表示素子にも適用できるものであり、反射型の液晶表示素子であっても、その画面を充分に明るくすることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。図１は液晶表示素子の一部分の正面図、図２は図１のII−II線に沿う断面図である。
この実施例の液晶表示素子は、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を能動素子とするアクティブマトリックス方式のものであり、液晶層１８をはさんで対向する前後一対の基板（ガラス等からなる透明基板）１，２のうち、後側の基板２の内面には、複数の透明な画素電極３がマトリックス状に配列して設けられるとともに、これらの画素電極３にそれぞれ対応する能動素子（以下、ＴＦＴという）４が設置されている。
【００２２】
図１において、（Ｒ）の電極は赤色画素を表示するための画素電極、（Ｇ）の電極は緑色画素を表示するための画素電極、（Ｂ）の電極は青色画素を表示するための画素電極であり、これらの画素電極３は、行方向（画面の左右方向）には交互に並べて直線状に配列され、列方向（画面の上下方向）には同色の画素を表示するための画素電極３同士を約１．５ピッチずつ行方向に交互にずらしてジグザグに配列されている。
【００２３】
上記ＴＦＴ４は、後側基板２上に形成されたゲート電極５と、このゲート電極５を覆うゲート絶縁膜６と、このゲート絶縁膜６の上に前記ゲート電極５と対向させて形成されたｉ型半導体膜７と、このｉ型半導体膜７の両側部の上にｎ型半導体膜（図示せず）を介して形成されたソース電極８およびドレイン電極９とからなっている。
【００２４】
また、この後側基板２の上には、各画素電極行の一側にそれぞれ沿わせて、各行のＴＦＴ４にゲート信号を供給するゲートライン１０が配線されており、各行のＴＦＴ４のゲート電極５はそれぞれ、その行に対応するゲートライン１０に一体に形成されている。
【００２５】
なお、上記ＴＦＴ４のゲート絶縁膜（透明膜）６は、基板２のほぼ全面にわたって形成されており、前記ゲートライン１０は、その端子部を除いてゲート絶縁膜６で覆われている。
【００２６】
また、上記ゲート絶縁膜６の上には、各画素電極列の一側にそれぞれ沿わせて、各列の各ＴＦＴ４にデータ信号を供給するデータライン１１が配線されており、各列のＴＦＴ４のドレイン電極９はそれぞれ、その列に対応するデータライン１１につながっている。
【００２７】
前記データライン１１は、同色の画素を表示するための各画素電極列（ジグザグの画素電極列）にそれぞれ沿わせて蛇行配線されており、各行の画素電極３の側縁に沿う縦配線部をつなぐ横配線部は、隣り合う画素電極行の間に、上記ゲートライン１０と平行に配線されている。
【００２８】
なお、この実施例ではデータライン１１をゲート絶縁膜６の上に配線し、各列のＴＦＴ４のドレイン電極９をそれぞれ、その列に対応するデータライン１１に一体に形成しているが、前記データライン１１は、ＴＦＴ４を絶縁膜で覆ってその上に配線し、前記絶縁膜に設けたコンタクト孔において前記ＴＦＴ４のドレイン電極９と接続してもよい。
【００２９】
また、上記画素電極３は前記ゲート絶縁膜６の上に形成されており、この画素電極３は、その一側縁の端部において対応するＴＦＴ４のソース電極９に接続されている。
【００３０】
さらに、前記後側基板２上には、各画素電極行にそれぞれ対応させて、その行の各画素電極３と前記ゲート絶縁膜６をはさんで対向する補償容量形成電極（以下、容量形成電極という）１２が設けられており、この容量形成電極１２と画素電極３とその間のゲート絶縁膜６とによって、非選択期間の画素電極３の電位の変動を補償するための補償容量（ストレージキャパシタ）が形成されている。なお、前記容量形成電極１２は、画素電極３のＴＦＴ接続側とは反対側の端縁から若干画素電極内側に片寄った部分に対向させて、上記ゲートライン１０と平行に形成されている。
【００３１】
前記ゲートライン１０と容量形成電極１２は、低抵抗でかつ光の反射率が高い金属膜（例えばアルミニウム系合金）で形成されており、上記データライン１１も低抵抗で高反射率の金属膜で形成されている。なお、前記ゲートライン１０と容量形成電極１２は、ゲート絶縁膜６の上に形成する画素電極３やデータライン１１との間の絶縁耐圧を高くするため、その表面を陽極酸化処理されている。
【００３２】
そして、後側基板２の内面、つまり前記画素電極３およびＴＦＴ４やデータライン１１等の形成面上には、画素電極配列領域全体にわたって配向膜１３が設けられている。
【００３３】
一方、前側の基板１の内面には、赤、緑、青の３色のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが、前記画素電極３の配列と同様に、行方向および列方向に交互に並べて設けられており、これらのカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを覆って形成した透明な保護膜（絶縁膜）１５の上に、前記画素電極３の全てに対向し、これらの画素電極３と対向する領域でそれぞれ画素領域Ｓを形成する一枚膜状の透明な対向電極１６が設けられ、その上に配向膜１７が形成されている。なお、前記保護膜（絶縁膜）１５はカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの材質を適正に選択することにより省くことかできる。この場合は、カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの上に直接対向電極１６が形成される。
【００３４】
そして、上記前側基板１と後側基板２は、その周縁部において図示しない枠状シール材を介して接合されており、これら両基板１，２間の前記シール材で囲まれた領域に液晶層１８が設けられている。
【００３５】
また、上記一対の基板１，２の内面に設けられた配向膜１３，１７はそれぞれ、その膜面を所定方向にラビングすることによって配向処理されており、両基板１，２間の液晶層１８の液晶分子は、後側基板２の配向膜１３と前側基板１の配向膜１７とによりそれぞれの基板１，２の近傍における配向方向を規制され、両基板１，２間において所定のツイスト角（例えばほぼ９０°）でツイスト配向している。
【００３６】
また、上記一対の基板１，２の外面にはそれぞれ、偏光板２１，２２が配置されており、これらの偏光板２１，２２は、それぞれの透過軸を所定の方向に向けた状態で設けられている。
【００３７】
この実施例の液晶表示素子は、液晶層１８に電界が印加されていない状態（液晶分子が基板１，２面に対して最も倒伏した初期のツイスト配向状態に配向している状態）での表示が明表示であり、液晶層１８への電界の印加により液晶分子が基板１，２面に対して立上がり配向するのにともなって光の透過率が低くなって表示が暗くなる、いわゆるノーマリーホワイトモードの表示を行なうＴＮ型液晶表示素子であり、例えば液晶分子のツイスト角がほぼ９０°である場合、前記偏光板２１，２２は、それそれの透過軸を互いにほぼ直交させて設けられる。
【００３８】
さらに、後面側の偏光板２２の背後には、液晶表示素子にその前面側から入射して液晶層１８を透過した光を反射するための反射部材として、散乱反射板２３が配置されている。
【００３９】
この液晶表示素子の前側基板１の内面に設けられた前記赤、緑、青のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂについてさらに説明すると、これらのカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂのうち、赤色フィルタ１４Ｒは、赤色画素を表示するための（Ｒ）の画素電極３と対向電極１６とが対向する画素領域Ｓに設けられ、緑色フィルタ１４Ｇは緑色画素を表示するための（Ｇ）の画素電極３と対向電極１６とが対向する画素領域Ｓに設けられ、青色フィルタ１４Ｂは青色画素を表示するための（Ｂ）の画素電極３と対向電極１６とが対向する画素領域Ｓに設けられている。
【００４０】
これらのカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂはそれぞれ、前記画素領域Ｓの面積（画素電極３の面積）よりも小さい面積に形成されており、したがって、各画素領域Ｓ内のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂに対応する領域である有フィルタ領域Ｓ１だけが着色光の出射領域であり、カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂに対応しない領域、つまり前記有フィルタ領域Ｓ１以外の無フィルタ領域Ｓ２は、液晶表示素子にその前面から入射し後面側の反射板２３で反射されて液晶表示素子の前面に出射する光を着色することなく透過させる非着色光の出射領域となっている。
【００４１】
この実施例では、各色のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂをそれぞれ画素領域Ｓの約７０％の面積に形成するとともに、これらのカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂをそれぞれ、各画素領域Ｓの周縁部を除く内側の領域であって上述した補償容量部よりもＴＦＴ接続側の領域に対向させて設けており、したがって、各画素領域Ｓの周縁部がその全周にわたって無フィルタ領域Ｓ２となっている。
【００４２】
なお、液晶表示素子の前面から各画素領域Ｓに入射した光のうち、上記補償容量部に入射した光は容量形成電極１２で遮られて反射板２３に入射しないが、前記容量形成電極１２は高反射率の金属膜で形成されているため、補償容量部に入射した光は容量形成電極１２で反射される。
【００４３】
さらに、隣り合う画素領域Ｓの間の領域、つまり常に無電界状態である領域（液晶分子が常に初期のツイスト配向状態に配向している領域）は、常に入射光が前記散乱反射板２３、ゲートライン１０、データライン１１または容量形成電極１２で反射されて前面に出射する明表示領域Ｗとなっている。
【００４４】
すなわち、上記後側基板２の内面に設けられたゲートライン１０およびデータライン１１は前記明表示領域Ｗ内を通っており、また容量形成電極１２も前記明表示領域Ｗを横切っているため、液晶表示素子の前面から明表示領域Ｗに入射した光のうち、ゲートライン１０およびデータライン１１と容量形成電極１２が通っている部分に入射した光は反射板２３に入射しないが、前記ゲートライン１０およびデータライン１１と容量形成電極１２は高反射率の金属膜で形成されているため、これらの部分に入射した光も反射される。
【００４５】
この液晶表示素子では、各色のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂをそれぞれ画素領域Ｓの面積よりも小さい面積に形成しているため、各画素領域Ｓ内の液晶層１８の層厚が、カラーフィルタに対応する有フィルタ領域Ｓ１と、カラーフィルタに対応しない無フィルタ領域Ｓ２とで、前記カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの膜厚分だけ異なっている。
【００４６】
この液晶層１８は、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応する有フィルタ領域の液晶層の層厚ｄ１と屈折率異方性Δｎとの積Δｎｄ１の値と、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応しない前記有フィルタ領域以外の無フィルタ領域の液晶層の層厚ｄ２と屈折率異方性Δｎとの積Δｎｄ２の値とが、前記Δｎｄ１の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布と、前記Δｎｄ２の値を有する液晶を備えた液晶素子の分光透過率分布とを合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定されている。
【００４７】
そのため、これらの各画素領域Ｓ内の有フィルタ領域Ｓ１の液晶層厚ｄ１と、無フィルタ領域Ｓ２の液晶層厚ｄ２、及び液晶の屈折率異方性Δｎは、ノーマリーホワイト型のＴＮ液晶表示素子が可視光波長帯域の特定の波長光に対して、透過率（入射光強度に対する出射光強度の比）が極大値を示すΔｎｄ０値に比べて、有フィルタ領域Ｓ１の液晶層の屈折率異方性Δｎと層厚ｄ１の積Δｎｄ１の値が小さく、且つ前記無フィルタ領域Ｓ２の液晶層の屈折率異方性Δｎと層厚ｄ２の積Δｎｄ２の値が大きくなるように、それぞれ設定されている。
【００４８】
すなわち、この実施例では、液晶層のΔｎｄ値の変化に対して透過率（入射光に対する出射光の強度比）が極大値を示すΔｎｄ値をΔｎｄ０としたとき、前記有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ２の値とを、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係になるように設定し、前記有フィルタ領域Ｓ１のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを無色フィルタとしたときの透過率の分光分布と、前記無フィルタ領域Ｓ２の透過率の分光分布との両方を合成した合成分光透過率分布が可視光波長帯域で実質的に平坦になるように設定している。
【００４９】
なお、液晶層のΔｎｄ値が大きく変わると透過率が著しく低下し、また分光透過率特性が大きく変化するので、前記有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値と前記無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ２の値は、前記Δｎｄ０の値を中心にして、Δｎｄ０の値の１／２の範囲にあるのが望ましい。
【００５０】
この液晶表示素子は、外光を利用して反射型表示を行なうものであり、その前面から入射した光は、前側偏光板２１によりその吸収軸に沿った偏光成分の光を吸収されて透過軸に沿った偏光成分の直線偏光光となって液晶層１８に入射し、この液晶層１８を透過する過程でその複屈折性により旋光される。
【００５１】
そして、前記液晶層１８を透過した光は、後側偏光板２２に入射し、その光のうち、前記後側偏光板２２の透過軸に沿った偏光成分の光がこの偏光板２２を透過して画像光となり、その画像光が、散乱反射板２３により反射されて前記後側偏光板２２と液晶層１８と前側偏光板２１とを順次透過して前面に出射する。
【００５２】
このとき、前面から各画素領域Ｓに入射した光のうち、画素領域Ｓの有フィルタ領域Ｓ１を透過する光は、カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂによりその吸収波長帯域の光を吸収されてそのカラーフィルタの色に着色し、その着色光が反射されて素子前面に出射する。この着色された出射光の強度は、電極３，１７間に印加される電界に応じた液晶分子の立上がり配向状態に応じて変化する。
【００５３】
また、前記各画素領域Ｓに入射した光のうち、画素領域Ｓの周縁部の無フィルタ領域Ｓ２に入射した光は、カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを通らずに非着色光のまま反射され、素子前面に出射する。この非着色の出射光の強度も、電極３，１７間に印加される電界に応じた液晶分子の立上がり配向状態に応じて変化する。
【００５４】
さらに、隣り合う画素領域Ｓの間の明表示領域Ｗに入射した光は、ゲートライン１０，データライン１１，或は容量形成電極１２により反射され、非着色光のまま反射されて素子前面に出射する。この明表示領域Ｗを出射する非着色光は、前記明表示領域Ｗが常に無電界状態であって、液晶分子が常に初期のツイスト配向状態に配向しており、しかも前記後側偏光板２２に達する前にゲートライン１０，データライン１１，或は容量形成電極１２により反射されるため、常に高強度の光である。
【００５５】
すなわち、この液晶表示素子によれば、各色のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの面積を画素領域Ｓの面積より小さくしているため、全ての画素領域Ｓにおいて、液晶表示素子の前面から入射し後面側の散乱反射板２３で反射されて前面に出射する光のうち、前記有フィルタ領域Ｓ１を透過する光だけがカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの色に着色し、前記無フィルタ領域Ｓ２を透過する光は、カラーフィルタによる吸収を受けずに透過する。
【００５６】
そのため、前記有フィルタ領域Ｓ１からの出射光である着色光と、前記無フィルタ領域Ｓ２からの出射光である高輝度の非着色光とにより高輝度のカラー画素が表示される。
【００５７】
図３は上記液晶表示素子の画素配列を示す図であり、各画素Ｓ′は、前記有フィルタ領域Ｓ１からの出射光である赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂのいずれかの着色光（図３においてハッチングを施した領域から出射する光）と、前記無フィルタ領域Ｓ２からの出射光である非着色光（図３においてハッチングを施した領域の外側から出射する光）とで表示されるが、人間の目には、画素Ｓ′全体が前記着色光の色に着色しているように見え、これらの赤、緑、青の画素Ｓ′の加法混色によりフルカラー画像が表示される。なお、前記画素Ｓ′は、前記着色光の色が僅かに薄くなった高輝度の画素であり、その色の濃さと明るさは、前記着色光と非着色光との光強度の比に対応する。
【００５８】
また、図３に示されるように、各画素は有フィルタ領域Ｓ１の周囲を無フィルタ領域Ｓ２が取り囲むように形成されているので、反射型の液晶表示素子として用いる場合には、隣接する画素領域の有フィルタ領域Ｓ１を透過した着色光が、隣接する画素領域の異なる色の有フィルタ領域Ｓ１に入射して吸収される確率が少なくなるので、液晶表示素子に入射した光が反射されて出射する量が多くなり、明るい表示が得られる。
【００５９】
したがって、上記液晶表示素子は、外光を利用して表示する反射型のものであるが、各画素領域Ｓにより高輝度のカラー画素を表示し、画面の明るさが充分なフルカラー画像を表示することができる。
【００６０】
しかも、この実施例では、隣り合う画素領域Ｓの間の領域を、液晶表示素子の前面から入射した光が反射板２３で反射されて素子前面に出射する明表示領域Ｗとしているため、各画素領域Ｓの間の部分を明るくし、画面をさらに明るくすることができる。
【００６１】
また、上記液晶表示素子では、各画素領域Ｓの有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値と、無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ２の値とを、液晶層のΔｎｄ値の変化に対して透過率が極大値を示すΔｎｄ値をΔｎｄ０としたとき、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係になるように設定し、一対の偏光板に挟まれた均一な層厚を有する液晶層からなる液晶素子にΔｎｄ１の値を有する液晶とΔｎｄ２の値を有する液晶とをそれぞれ用いたとき、それぞれの液晶素子を透過する光の分光透過率分布を合成した分光透過率分布が、可視光波長帯域の光について実質的に平坦な特性を有するように設定されている。
【００６２】
この液晶表示素子によれば、前記有フィルタ領域Ｓ１のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを無色フィルタに置き替えたときの前記有フィルタ領域Ｓ１の分光透過率分布と、前記無フィルタ領域Ｓ２の分光透過率分布との両方を合成した分光透過率分布が可視光波長帯域で実質的に平坦になるようにしているため、有フィルタ領域Ｓ１から出射する着色光と無フィルタ領域Ｓ２から出射する非着色光とで表示されるカラー画像は、色バランスの良いフルカラー画像を表示することができる。
【００６３】
すなわち、ＴＮ型の液晶表示素子では、光の入射側偏光板を透過して液晶層に入射した直線偏光は、この液晶層の複屈折性に波長依存性があるため、旋光分散により各波長光ごとに異なる旋光作用を受けるため、前記液晶層を透過した光は、可視光波長帯域の各波長光毎に振動面が僅かにずれ、出射側偏光板を透過する光の分光強度分布が平坦でなく、僅かながら着色して出射する。この出射光の着色の度合いは、液晶層のΔｎｄ値に依存している。
【００６４】
そして、上記液晶表示素子では、各色のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの面積を画素領域Ｓの面積より小さくしているため、画素領域Ｓのうちのカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが対応する有フィルタ領域Ｓ１には前記カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが存在し、無フィルタ領域Ｓ２には前記カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが存在しないため、前記有フィルタ領域Ｓ１の液晶層厚は、無フィルタ領域Ｓ２の液晶層厚に比べてぜカラーフィルターの厚さ分だけ薄い。従って、有フィルタ領域Ｓ１の液晶層のΔｎｄ１と、無フィルタ領域Ｓ２の液晶層のΔｎｄ２の値が異なっており、そのために、有フィルタ領域Ｓ１を透過する光と、無フィルタ領域Ｓ２を透過する光とが異なる分光透過率分布を持ち、それぞれの領域から異なる色に着色した光が出射する。
【００６５】
図４は、一対の偏光板に挟まれた均一な層厚を有する液晶層を備え、カラーフィルタを備えていないノーマリーホワイトモードのＴＮ型液晶表示素子における無電界状態でのΔｎｄの値を変化させたときの透過率の変化（Δｎｄ−透過率特性）を示し、図５は、図４に示したΔｎｄ−透過率特性の最初に現れるピーク付近を拡大して示している。なお、図４及び図５において、縦軸にとった透過率の値は、入射光に対する出射光の強度比である。
【００６６】
これらの図４及び図５に示すように、液晶表示素子の透過率は、Δｎｄの値の変化に応じて複数の極大値を持つように変化し、液晶層が透過率の極大値を示すΔｎｄ値を持つときにコントラストも高くなる。
【００６７】
本実施例の液晶表示素子では、図５に示すようにコントラストが極大値を示すΔｎｄ値をΔｎｄとし、前記有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ２の値とを、それらの値のほぼ中間の値が前記最適Δｎｄ０の値になるように設定されている。例えば、最適Δｎｄ０が５２７〜５２８ｎｍである場合、有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値は約４３２ｎｍ、前記無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ２の値は約５５８ｎｍである。
【００６８】
このように、有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ１，Δｎｄ２を、前記最適Δｎｄ０の値に対して、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係になるように設定することにより、Δｎｄ０の値から小さい値の方にずれたΔｎｄ１の値を有する前記有フィルタ領域Ｓ１の分光透過率分布におけるピークが現れる波長帯域と、Δｎｄ０の値から大きい値の方にずれたΔｎｄ１の値を有する無フィルタ領域Ｓ２の分光透過率分布におけるピークが現れ波長帯域とがずれる。
【００６９】
そして、一画素ではこれらの両方の分光透過率分布が合成されて観察されるので、２つの分光透過率分布が互いに補償しあって、可視光波長帯域における分光透過率分布が平坦化になり、液晶層による透過光の着色がなくなって、色純度の高い表示素子が得られる。
【００７０】
また、液晶表示素子の無電界状態での透過率は、Δｎｄの値に応じて図４のように変化し、光の透過率が極大となるΔｎｄの値は複数存在するが、前記Δｎｄ０の値としては、コントラスト及び応答特性を考慮すると、Δｎｄを大きくして行ったときに最初に現れる透過率のピークか、その次に現れるピークに対応するΔｎｄの値を選ぶのが好ましい。
【００７１】
図６は、本実施例の液晶表示素子において、カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂによる影響を取り除いて、液晶層のみによる分光透過率分布を示している。すなわち、本実施例の液晶表示素子に用いられているカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを無色フィルタに置き替え、Δｎｄ１，Δｎｄ２の値をΔｎｄ０（５２７〜５２８ｎｍ）に対してΔｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係に設定したときの、有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２の分光透過率分布を示している。
【００７２】
前記Δｎｄ１とΔｎｄ２の値は、それぞれΔｎｄ１＝４３２ｎｍ，Δｎｄ２＝５５８ｎｍであり、有フィルタ領域Ｓ１の液晶層厚ｄ１と無フィルタ領域Ｓ２の液晶層厚ｄ２及び液晶の屈折率異方性Δｎは、それぞれｄ１＝４．８μｍ、ｄ２＝６．２μｍ，、Δｎ＝０．０９に設定され、また、有フィルタ領域Ｓ１の面積を、画素領域Ｓの面積の７０％に設定している。
【００７３】
図６の分光透過率分布に示されているように、有フィルタ領域Ｓ１の分光分布曲線は可視光波長帯域の短波長帯域にピークが有り、長波長帯域で透過率が低下している。一方無フィルタ領域Ｓ２の分光分布曲線は可視光波長帯域の長波長帯域にピークが有り、短波長帯域で透過率が低下している。従って、これらの２つの分光分布曲線を合成することにより、分光透過率分布が平坦な特性が得られる。
【００７４】
図７は、上記液晶表示素子の有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２の両方の分光透過率分布を合成した合成分光透過率分布を実線で示しており、同図には比較例１及び２も合わせて示してある。
【００７５】
比較例１は前記Δｎｄ１とΔｎｄ２のうちのΔｎｄ１の値をΔｎｄ０と同じ（Δｎｄ１＝ｎｄ０）にした場合、比較例２は前記Δｎｄ１とΔｎｄ２のうちのΔｎｄ２の値をΔｎｄ０と同じ（Δｎｄ２＝ｎｄ０）にした場合の特性を示している。
【００７６】
比較例１のΔｎｄ１とΔｎｄ２の値は、それぞれΔｎｄ１＝５２８ｎｍ，Δｎｄ２＝６８２ｎｍ、液晶のΔｎの値はΔｎ＝０．１１である。比較例２のΔｎｄ１とΔｎｄ２の値は、Δｎｄ２＝５２７ｎｍ，Δｎｄ１＝４０８ｎｍ、液晶のΔｎの値はΔｎ＝０．０８５である。これらの比較例１，２において、液晶層厚ｄ１，ｄ２、及び有フィルタ領域Ｓ１の画素領域に対する割合は、それぞれｄ１＝４．８μｍ、ｄ２＝６．２μｍ、７０％に設定されている。
【００７７】
また、これらの比較例１，２において、図６と同様にカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂによる影響を取り除いて、液晶層のみによる有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２それぞれの分光透過率分布を図９（ａ），（ｂ）にそれぞれ示した。
【００７８】
図７に示されているように、本実施例の液晶表示素子の合成分光透過率分布特性は実線で示すように、可視光波長帯域の全域にわたってほぼ平坦になっており、透過光の帯色はほとんどない。これに対して、比較例１の合成分光透過率分布特性は、同図に鎖線で示したように、約５００〜６００ｎｍの波長帯域の光の透過率が高く、それよりも短波長側および長波長側の透過率が低い、そのため、透過光が緑の色味を帯びた帯色光になる。
【００７９】
また、比較例２の合成分光透過率分布特性は、同図に破線で示したように、短波長側の透過率が低く、長波長側の透過率が高い、そのため、透過光が黄色味を帯びた帯色光になる。
【００８０】
したがって、本例の液晶表示素子のように赤、緑、青のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを設け、これらのカラーフィルターの光学的作用を考慮しても、各画素領域Ｓの前記有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２との２つの領域の液晶層を透過する光の合成が白色になっているので、、１つの画素領域Ｓ毎にぞれぞれの色のカラーフィルターによる着色光に液晶層の影響による着色が混ざることがないので、各画素の色純度が高くなり、鮮やかな色の表示素子が得られる。
【００８１】
図８は、各色のカラーフィルターを備えた本実施例と、前記比較例１との、白画面表示状態（赤、緑、青の全ての画素を表示させた状態）での出射光の分光分布を示している。
【００８２】
この図８のように、画素領域Ｓの有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ１，Δｎｄ２の値を最適Δｎｄ０に対してΔｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係になるように設定した本実施例の液晶表示素子は、有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値をΔｎｄ０と同じにした比較例１の液晶表示素子に比べて、赤、緑、青のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを備えたの出射光の分光分布が、赤、緑、青の各波長帯域の光の透過率の差が小さい分布であり、したがって、色バランスの良いフルカラー画像を表示することができる。
【００８３】
なお、上記実施例の液晶表示素子は、赤、緑、青の画素を表示するための画素電極３を、行方向には交互に並べて直線状に配列し、列方向には同色の画素を表示するための画素電極３同士を約１．５ピッチずつ行方向に交互にずらしてジグザグに配列した、いわゆるモザイク配列型のものであるが、この発明は、赤、緑、青の画素を表示するための画素電極３を、行方向にも列方向にも直線状に並べて配列した、いわゆる格子状配列型の液晶表示素子にも適用することができる。
【００８４】
また、上記実施例の液晶表示素子は、赤、緑、，青のカラーフィルタを備えたものであるが、この発明は、マゼンタ、イエロー、シアンの３色のカラーフィルタを備えて減法混色によりカラー画像を表示する液晶表示素子にも適用することができる。
【００８５】
さらに、この発明は、アクティブマトリックス型に限らず、一方の基板の内面に一方の方向に沿う走査電極を複数本互いに平行に設け、他方の基板の内面に前記走査電極と交差する方向に沿う信号電極を複数本互いに平行に設けた単純マトリックス型の液晶表示素子等にも適用することができる。
【００８６】
また、上記実施例の液晶表示素子は、その前後面に偏光板２１，２２を配置し、裏側偏光板２２の背後に反射板２３を配置したものであるが、それに代えて、例えば裏側基板２の内面に設ける電極（上記実施例では画素電極３）を金属膜で形成し、この電極で反射部材を兼用してもよく、その場合は、偏光板は表側偏光板２１だけでよい。
【００８７】
さらにまた、上記実施例のように前側偏光板２１と後側偏光板２２とを備える場合は、前記裏側偏光板２２の背後に配置する反射板２３を半透過反射板とし、その背後にバックライトを配置してもよく、このようにすれば、外光を利用する反射型表示と、バックライトからの光を利用する透過型表示との両方を行なうことができる。また、この発明は、バックライトからの光を利用する表示だけを行なう透過型の液晶表示素子にも適用することができる。
【００８８】
【発明の効果】
この発明の液晶表示素子は、各色のカラーフィルタをそれぞれ画素領域の面積よりも小さい面積に形成し、前記画素領域内のカラーフィルタに対応する領域を有フィルタ領域、カラーフィルタに対応しない領域を無フィルタ領域とするとともに、前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値とを、一対の偏光板に挟まれた均一な層厚を有する液晶層からなる液晶素子にΔｎｄ１の値とΔｎｄ２の値とを有する液晶層を用いたときの２つの分光透過率分光分布特性を合成した分光透過率分布が可視光波長帯域でほぼ平坦になるように設定したものであるから、画面の明るさが充分で、しかも色バランスの良いカラー画像を表示することができる。
【００８９】
また、この発明の液晶表示素子は、前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値を、前記有フィルタ領域の前記カラーフィルタを無色フィルタとしたときの分光透過率分布と前記無フィルタ領域の分光透過率分布との両方を合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定したので、各画素領域を透過する可視光波長帯域の光の分光透過率分布をほぼ平坦にすることができる。
【００９０】
さらに、この発明の液晶表示素子は、前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値を、液晶層のΔｎｄ値の変化に対して光の透過率が極大となる最適Δｎｄ０の値に対して、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係になるように設定したので、前記有フィルタ領域の液晶層のみにより生じる分光透過率分布特性のうねりと、前記無フィルタ領域の分光透過率分布特性のうねりとが、互いに相殺され、両方を合成した分光透過率分布を可視光波長帯域でほぼ平坦にすることができる。 またさらに、この発明の液晶表示素子において、隣り合う画素領域の間の領域（常に無電界状態である領域）を、常に光が出射する明表示領域とすれば、各画素領域の間の部分を明るくし、画面をさらに明るくすることができる。
【００９１】
さらに、この発明は、バックライトからの光を利用して表示する透過型の液晶表示素子にも、後面側に反射部材を備え自然光や室内照明光等の外光を利用して表示する反射型の液晶表示素子にも適用できるものであり、反射型の液晶表示素子であっても、その画面を充分に明るくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す液晶表示素子の一部分の正面図。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図。
【図３】前記液晶表示素子の画素配列を示す図。
【図４】カラーフィルタを備えていないノーマリーホワイトモードのＴＮ型液晶表示素子における無電界状態でのΔｎｄ−透過率特性図。
【図５】有フィルタ領域と無フィルタ領域のΔｎｄ１，Δｎｄ２の設定例を示す図。
【図６】本発明の実施例による液晶表示素子において、液晶層のみにより生じる有フィルタ領域Ｓ１を透過する光の分光透過率分布特性と、無フィルタ領域Ｓ２の分光透過率分布特性を示す図。。
【図７】図６に示した本実施例における２つの分光透過率分布特性を合成した合成分光透過率分布特性及、び２つの比較例の合成分光透過率分布特性を示す図。
【図８】本発明の実施例の液晶表示素子における白画面表示状態での分光透過率分布特性、及び比較例における白画面表示状態での分光透過率分布特性を示す図。
【図９】Δｎｄ１，Δｎｄ２の値をΔｎｄ０に対してΔｎｄ１＝Δｎｄ０に設定した比較例１と、Δｎｄ２＝Δｎｄ０に設定した比較例２について、液晶層のみにより生じる有フィルタ領域Ｓ１を透過する光の分光透過率分布特性と、前記無フィルタ領域の分光透過率分布特性を示す図。
【符号の説明】
１，２…基板
３…画素電極
４…ＴＦＴ（能動素子）
１０…ゲートライン
１１…データライン
１２…補償容量形成電極
１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂ…カラーフィルタ
１７…対向電極
２１，２２…偏光板
２３…反射板
Ｓ…画素領域
Ｓ１…有フィルタ領域
Ｓ２…無フィルタ領域
Ｗ…明表示領域
【発明の属する技術分野】
この発明は、カラーフィルタを備えた液晶表示素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子には、バックライトからの光を利用して表示する透過型のものと、自然光や室内照明光等の外光を利用して表示する反射型のものとがあり、反射型の液晶表示素子では、その後面側に、前面から入射した外光を反射して前面に出射させるための反射部材を備えている。
【０００３】
このような液晶表示素子は、前記液晶層の液晶分子を両基板間において所定のツイスト角でツイスト配向させたＴＮ（ツイステッド・ネマティック）型のものが利用されており、このＴＮ型の液晶表示素子では、前記一方の基板の外面と他方の基板の外面とにそれぞれ偏光板を、その透過軸を所定の方向に向けた状態で配置している。
【０００４】
また、液晶表示素子には、アクティブマトリックス方式や単純マトリックス方式など種々の方式のものがあり、例えば、アクティブマトリックス方式の液晶表示素子は、液晶層をはさんで対向する一対の基板のうちの一方の基板の内面に、マトリックス状に配列する複数の画素電極とこれらの画素電極にそれぞれ接続された複数の能動素子とを設け、他方の基板の内面に、前記複数の画素電極と対向する部分により画素領域を形成する対向電極を設けた構成となっている。
【０００５】
さらに、液晶表示素子には、白黒画像を表示するものと、カラー画像を表示するものとがあり、カラー画像を表示する液晶表示素子は、一対の基板のうちのいずれかの基板の内面に、各画素領域にそれぞれ対応させて複数の色のカラーフィルタを設けている。
【０００６】
すなわち、フルカラー画像等のカラー画像を表示する液晶表示素子の場合は、そのいずれかの基板の内面に、複数の色のカラーフィルタ、例えば赤、緑、青の３色のカラーフィルタがそれぞれ異なる画素領域に対応させて交互に並べて設けられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のカラーフィルタを備えた液晶表示素子は、その画素領域に入射した光のうち、前記カラーフィルタにより可視光波長帯域の特定波長帯域以外の光が吸収され、前記特定波長帯域の光だけがこのカラーフィルタを透過してその色に着色した光が前記画素領域を透過するため、入射光の強度に対して出射する着色光の強度が極めて弱く、明るい画面が得られないという問題をもっている。
【０００８】
この問題は、透過型の表示素子の場合はバックライトの輝度を高くすることによってある程度改善することができるが、消費電力が大きいと云う欠点がある。特に、外光を利用して表示する反射型の表示素子の場合は、前面から入射した光が、後面側の反射部材で反射されて前面に出射するまでの間にカラーフィルタを二度通るため、光の減衰が大きく、画面がかなり暗くなってしまい、画面の明るさを改善することが困難であった。
【０００９】
この発明は、、画面の明るさが充分で、しかも色バランスの良いカラー画像を表示することができる、カラーフィルタを備えたカラー液晶表示素子を提供することを目的としたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の液晶表示素子は、液晶層をはさんで対向する前後一対の基板の互いに対向する内面の一方に設けられた複数の第１の電極と、他方の内面に設けられ、前記複数の第１の電極と対向する領域が複数の画素領域を形成する少なくとも１つの第２の電極と、いずれかの基板の内面に前記各画素領域にそれぞれ対応させて設けられ、前記画素領域の面積よりも小さい面積に形成された複数色のカラーフィルタとを備え、
前記液晶層は、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応する有フィルタ領域における液晶層の層厚ｄ１と液晶の屈折率異方性Δｎの積Δｎｄ１の値と、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応しない前記有フィルタ領域以外の無フィルタ領域における液晶の層厚ｄ２と屈折率異方性Δｎの積Δｎｄ２の値とが、前記Δｎｄ１の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布と、前記Δｎｄ２の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布とを合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定されていることを特徴とするものである。
【００１１】
この発明の液晶表示素子によれば、カラーフィルタの面積を画素領域の面積より小さくしているため、画素領域を透過する光のうちの前記カラーフィルタに対応する有フィルタ領域を透過する光だけがカラーフィルタによりその吸収波長帯域の光を吸収されて着色し、前記カラーフィルタに対応しない無フィルタ領域を透過する光はカラーフィルタによる吸収を受けずに透過して、前記有フィルタ領域からの出射光である着色光と、前記無フィルタ領域からの出射光である高輝度の非着色光とにより高輝度のカラー画素が表示される。
【００１２】
しかも、この液晶表示素子では、前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値とを、前記Δｎｄ２の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布と、前記Δｎｄ２の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布とを合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定しているため、前記有フィルタ領域と無フィルタ領域とから出射する光とがそれぞれの領域のΔｎｄ相違により着色されていても、互いに補償して一つの画素領域としては、着色のない表示が得られる。
したがって、この発明の液晶表示素子によれば、画面の明るさが充分で、しかも色バランスの良いカラー画像を表示することができる。
【００１３】
また、前記液晶層は、前記有フィルタ領域の液晶層の屈折率異方性Δｎと層厚ｄ１の積Δｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域の液晶層の屈折率異方性Δｎと層厚ｄ２の積Δｎｄ２の値とが、前記有フィルタ領域の前記カラーフィルタを無色フィルタとしたときの分光透過率分布と前記無フィルタ領域の分光透過率分布との両方を合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定される。
【００１４】
さらに、前記液晶層の前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値は、液晶層のΔｎｄ値の変化に対して透過率が極大値を示すΔｎｄ値をΔｎｄ０としたとき、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係を満たすように設定される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の液晶表示素子は、上記のように、各色のカラーフィルタをそれぞれ前記画素領域の面積よりも小さい面積に形成して、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応する領域を有フィルタ領域、前記カラーフィルタが対応しない領域を無フィルタ領域とし、一対の基板間に挟まれる液晶層を、前記Δｎｄ１の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布と、前記Δｎｄ２の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布とを合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるようにになるよ設定することにより、一つの画素領域内で異なるΔｎｄ有することによる前記有フィルタ領域と無フィルタ領域とにおける透過光の分光透過率分布の相違を相互に補償し、画面の明るさが充分で、しかも色バランスの良いカラー画像を表示するようにしたものである。
【００１６】
すなわち、前記液晶層は、有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、無フィルタ領域のΔｎｄ２の値とが、一対の偏光板に挟まれた均一な層厚を有する液晶層からなる液晶素子にΔｎｄ１の値を有する液晶層とΔｎｄ２の値を有する液晶層とをそれぞれ用いたとき、それぞれの液晶素子を透過する光の分光透過率分布を合成した分光透過率分布が、可視光波長帯域の光について実質的に平坦な特性を有するように設定され、これらのΔｎｄ１とΔｎｄ２の値を得るために、前記液晶層の屈折率異方性Δｎ，有フィルタ領域の液晶層厚ｄ１，及び無フィルタ領域の液晶層厚ｄ２の値がそれぞれ選定されている。
【００１７】
この発明の液晶表示素子において、前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値は、前記有フィルタ領域の前記カラーフィルタを無色フィルタとしたときの分光透過率分布と前記無フィルタ領域の分光透過率分布との両方を合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定すれば良く。例えば、液晶のΔｎｄ値の変化に対して透過率が極大値を示すΔｎｄ値をΔｎｄ０としたとき、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係を満たすように設定すればよい。
【００１８】
このようにΔｎｄ１，Δｎｄ２の値を選べば、前記有フィルタ領域と、前記無フィルタ領域とを透過する光に対して、液晶層のΔｎｄが異なることにより生じる光学的作用の違いを互い補償させることができ、前記有フィルタ領域と無フィルタ領域の液晶層のみによるそれぞれの分光透過率分布を合成したとき、可視光波長帯域において、実質的に平坦になる。
【００１９】
この発明の液晶表示素子においては、隣り合う画素領域の間の領域（常に無電界状態である領域）を、常に光が出射する明表示領域とするのが望ましく、このようにすれば、各画素領域の間の部分を明るくし、画面をさらに明るくすることができる。
【００２０】
また、この発明は、バックライトからの光を利用して表示する透過型の液晶表示素子にも、後面側に反射部材を備え自然光や室内照明光等の外光を利用して表示する反射型の液晶表示素子にも適用できるものであり、反射型の液晶表示素子であっても、その画面を充分に明るくすることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。図１は液晶表示素子の一部分の正面図、図２は図１のII−II線に沿う断面図である。
この実施例の液晶表示素子は、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を能動素子とするアクティブマトリックス方式のものであり、液晶層１８をはさんで対向する前後一対の基板（ガラス等からなる透明基板）１，２のうち、後側の基板２の内面には、複数の透明な画素電極３がマトリックス状に配列して設けられるとともに、これらの画素電極３にそれぞれ対応する能動素子（以下、ＴＦＴという）４が設置されている。
【００２２】
図１において、（Ｒ）の電極は赤色画素を表示するための画素電極、（Ｇ）の電極は緑色画素を表示するための画素電極、（Ｂ）の電極は青色画素を表示するための画素電極であり、これらの画素電極３は、行方向（画面の左右方向）には交互に並べて直線状に配列され、列方向（画面の上下方向）には同色の画素を表示するための画素電極３同士を約１．５ピッチずつ行方向に交互にずらしてジグザグに配列されている。
【００２３】
上記ＴＦＴ４は、後側基板２上に形成されたゲート電極５と、このゲート電極５を覆うゲート絶縁膜６と、このゲート絶縁膜６の上に前記ゲート電極５と対向させて形成されたｉ型半導体膜７と、このｉ型半導体膜７の両側部の上にｎ型半導体膜（図示せず）を介して形成されたソース電極８およびドレイン電極９とからなっている。
【００２４】
また、この後側基板２の上には、各画素電極行の一側にそれぞれ沿わせて、各行のＴＦＴ４にゲート信号を供給するゲートライン１０が配線されており、各行のＴＦＴ４のゲート電極５はそれぞれ、その行に対応するゲートライン１０に一体に形成されている。
【００２５】
なお、上記ＴＦＴ４のゲート絶縁膜（透明膜）６は、基板２のほぼ全面にわたって形成されており、前記ゲートライン１０は、その端子部を除いてゲート絶縁膜６で覆われている。
【００２６】
また、上記ゲート絶縁膜６の上には、各画素電極列の一側にそれぞれ沿わせて、各列の各ＴＦＴ４にデータ信号を供給するデータライン１１が配線されており、各列のＴＦＴ４のドレイン電極９はそれぞれ、その列に対応するデータライン１１につながっている。
【００２７】
前記データライン１１は、同色の画素を表示するための各画素電極列（ジグザグの画素電極列）にそれぞれ沿わせて蛇行配線されており、各行の画素電極３の側縁に沿う縦配線部をつなぐ横配線部は、隣り合う画素電極行の間に、上記ゲートライン１０と平行に配線されている。
【００２８】
なお、この実施例ではデータライン１１をゲート絶縁膜６の上に配線し、各列のＴＦＴ４のドレイン電極９をそれぞれ、その列に対応するデータライン１１に一体に形成しているが、前記データライン１１は、ＴＦＴ４を絶縁膜で覆ってその上に配線し、前記絶縁膜に設けたコンタクト孔において前記ＴＦＴ４のドレイン電極９と接続してもよい。
【００２９】
また、上記画素電極３は前記ゲート絶縁膜６の上に形成されており、この画素電極３は、その一側縁の端部において対応するＴＦＴ４のソース電極９に接続されている。
【００３０】
さらに、前記後側基板２上には、各画素電極行にそれぞれ対応させて、その行の各画素電極３と前記ゲート絶縁膜６をはさんで対向する補償容量形成電極（以下、容量形成電極という）１２が設けられており、この容量形成電極１２と画素電極３とその間のゲート絶縁膜６とによって、非選択期間の画素電極３の電位の変動を補償するための補償容量（ストレージキャパシタ）が形成されている。なお、前記容量形成電極１２は、画素電極３のＴＦＴ接続側とは反対側の端縁から若干画素電極内側に片寄った部分に対向させて、上記ゲートライン１０と平行に形成されている。
【００３１】
前記ゲートライン１０と容量形成電極１２は、低抵抗でかつ光の反射率が高い金属膜（例えばアルミニウム系合金）で形成されており、上記データライン１１も低抵抗で高反射率の金属膜で形成されている。なお、前記ゲートライン１０と容量形成電極１２は、ゲート絶縁膜６の上に形成する画素電極３やデータライン１１との間の絶縁耐圧を高くするため、その表面を陽極酸化処理されている。
【００３２】
そして、後側基板２の内面、つまり前記画素電極３およびＴＦＴ４やデータライン１１等の形成面上には、画素電極配列領域全体にわたって配向膜１３が設けられている。
【００３３】
一方、前側の基板１の内面には、赤、緑、青の３色のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが、前記画素電極３の配列と同様に、行方向および列方向に交互に並べて設けられており、これらのカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを覆って形成した透明な保護膜（絶縁膜）１５の上に、前記画素電極３の全てに対向し、これらの画素電極３と対向する領域でそれぞれ画素領域Ｓを形成する一枚膜状の透明な対向電極１６が設けられ、その上に配向膜１７が形成されている。なお、前記保護膜（絶縁膜）１５はカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの材質を適正に選択することにより省くことかできる。この場合は、カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの上に直接対向電極１６が形成される。
【００３４】
そして、上記前側基板１と後側基板２は、その周縁部において図示しない枠状シール材を介して接合されており、これら両基板１，２間の前記シール材で囲まれた領域に液晶層１８が設けられている。
【００３５】
また、上記一対の基板１，２の内面に設けられた配向膜１３，１７はそれぞれ、その膜面を所定方向にラビングすることによって配向処理されており、両基板１，２間の液晶層１８の液晶分子は、後側基板２の配向膜１３と前側基板１の配向膜１７とによりそれぞれの基板１，２の近傍における配向方向を規制され、両基板１，２間において所定のツイスト角（例えばほぼ９０°）でツイスト配向している。
【００３６】
また、上記一対の基板１，２の外面にはそれぞれ、偏光板２１，２２が配置されており、これらの偏光板２１，２２は、それぞれの透過軸を所定の方向に向けた状態で設けられている。
【００３７】
この実施例の液晶表示素子は、液晶層１８に電界が印加されていない状態（液晶分子が基板１，２面に対して最も倒伏した初期のツイスト配向状態に配向している状態）での表示が明表示であり、液晶層１８への電界の印加により液晶分子が基板１，２面に対して立上がり配向するのにともなって光の透過率が低くなって表示が暗くなる、いわゆるノーマリーホワイトモードの表示を行なうＴＮ型液晶表示素子であり、例えば液晶分子のツイスト角がほぼ９０°である場合、前記偏光板２１，２２は、それそれの透過軸を互いにほぼ直交させて設けられる。
【００３８】
さらに、後面側の偏光板２２の背後には、液晶表示素子にその前面側から入射して液晶層１８を透過した光を反射するための反射部材として、散乱反射板２３が配置されている。
【００３９】
この液晶表示素子の前側基板１の内面に設けられた前記赤、緑、青のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂについてさらに説明すると、これらのカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂのうち、赤色フィルタ１４Ｒは、赤色画素を表示するための（Ｒ）の画素電極３と対向電極１６とが対向する画素領域Ｓに設けられ、緑色フィルタ１４Ｇは緑色画素を表示するための（Ｇ）の画素電極３と対向電極１６とが対向する画素領域Ｓに設けられ、青色フィルタ１４Ｂは青色画素を表示するための（Ｂ）の画素電極３と対向電極１６とが対向する画素領域Ｓに設けられている。
【００４０】
これらのカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂはそれぞれ、前記画素領域Ｓの面積（画素電極３の面積）よりも小さい面積に形成されており、したがって、各画素領域Ｓ内のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂに対応する領域である有フィルタ領域Ｓ１だけが着色光の出射領域であり、カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂに対応しない領域、つまり前記有フィルタ領域Ｓ１以外の無フィルタ領域Ｓ２は、液晶表示素子にその前面から入射し後面側の反射板２３で反射されて液晶表示素子の前面に出射する光を着色することなく透過させる非着色光の出射領域となっている。
【００４１】
この実施例では、各色のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂをそれぞれ画素領域Ｓの約７０％の面積に形成するとともに、これらのカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂをそれぞれ、各画素領域Ｓの周縁部を除く内側の領域であって上述した補償容量部よりもＴＦＴ接続側の領域に対向させて設けており、したがって、各画素領域Ｓの周縁部がその全周にわたって無フィルタ領域Ｓ２となっている。
【００４２】
なお、液晶表示素子の前面から各画素領域Ｓに入射した光のうち、上記補償容量部に入射した光は容量形成電極１２で遮られて反射板２３に入射しないが、前記容量形成電極１２は高反射率の金属膜で形成されているため、補償容量部に入射した光は容量形成電極１２で反射される。
【００４３】
さらに、隣り合う画素領域Ｓの間の領域、つまり常に無電界状態である領域（液晶分子が常に初期のツイスト配向状態に配向している領域）は、常に入射光が前記散乱反射板２３、ゲートライン１０、データライン１１または容量形成電極１２で反射されて前面に出射する明表示領域Ｗとなっている。
【００４４】
すなわち、上記後側基板２の内面に設けられたゲートライン１０およびデータライン１１は前記明表示領域Ｗ内を通っており、また容量形成電極１２も前記明表示領域Ｗを横切っているため、液晶表示素子の前面から明表示領域Ｗに入射した光のうち、ゲートライン１０およびデータライン１１と容量形成電極１２が通っている部分に入射した光は反射板２３に入射しないが、前記ゲートライン１０およびデータライン１１と容量形成電極１２は高反射率の金属膜で形成されているため、これらの部分に入射した光も反射される。
【００４５】
この液晶表示素子では、各色のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂをそれぞれ画素領域Ｓの面積よりも小さい面積に形成しているため、各画素領域Ｓ内の液晶層１８の層厚が、カラーフィルタに対応する有フィルタ領域Ｓ１と、カラーフィルタに対応しない無フィルタ領域Ｓ２とで、前記カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの膜厚分だけ異なっている。
【００４６】
この液晶層１８は、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応する有フィルタ領域の液晶層の層厚ｄ１と屈折率異方性Δｎとの積Δｎｄ１の値と、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応しない前記有フィルタ領域以外の無フィルタ領域の液晶層の層厚ｄ２と屈折率異方性Δｎとの積Δｎｄ２の値とが、前記Δｎｄ１の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布と、前記Δｎｄ２の値を有する液晶を備えた液晶素子の分光透過率分布とを合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定されている。
【００４７】
そのため、これらの各画素領域Ｓ内の有フィルタ領域Ｓ１の液晶層厚ｄ１と、無フィルタ領域Ｓ２の液晶層厚ｄ２、及び液晶の屈折率異方性Δｎは、ノーマリーホワイト型のＴＮ液晶表示素子が可視光波長帯域の特定の波長光に対して、透過率（入射光強度に対する出射光強度の比）が極大値を示すΔｎｄ０値に比べて、有フィルタ領域Ｓ１の液晶層の屈折率異方性Δｎと層厚ｄ１の積Δｎｄ１の値が小さく、且つ前記無フィルタ領域Ｓ２の液晶層の屈折率異方性Δｎと層厚ｄ２の積Δｎｄ２の値が大きくなるように、それぞれ設定されている。
【００４８】
すなわち、この実施例では、液晶層のΔｎｄ値の変化に対して透過率（入射光に対する出射光の強度比）が極大値を示すΔｎｄ値をΔｎｄ０としたとき、前記有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ２の値とを、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係になるように設定し、前記有フィルタ領域Ｓ１のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを無色フィルタとしたときの透過率の分光分布と、前記無フィルタ領域Ｓ２の透過率の分光分布との両方を合成した合成分光透過率分布が可視光波長帯域で実質的に平坦になるように設定している。
【００４９】
なお、液晶層のΔｎｄ値が大きく変わると透過率が著しく低下し、また分光透過率特性が大きく変化するので、前記有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値と前記無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ２の値は、前記Δｎｄ０の値を中心にして、Δｎｄ０の値の１／２の範囲にあるのが望ましい。
【００５０】
この液晶表示素子は、外光を利用して反射型表示を行なうものであり、その前面から入射した光は、前側偏光板２１によりその吸収軸に沿った偏光成分の光を吸収されて透過軸に沿った偏光成分の直線偏光光となって液晶層１８に入射し、この液晶層１８を透過する過程でその複屈折性により旋光される。
【００５１】
そして、前記液晶層１８を透過した光は、後側偏光板２２に入射し、その光のうち、前記後側偏光板２２の透過軸に沿った偏光成分の光がこの偏光板２２を透過して画像光となり、その画像光が、散乱反射板２３により反射されて前記後側偏光板２２と液晶層１８と前側偏光板２１とを順次透過して前面に出射する。
【００５２】
このとき、前面から各画素領域Ｓに入射した光のうち、画素領域Ｓの有フィルタ領域Ｓ１を透過する光は、カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂによりその吸収波長帯域の光を吸収されてそのカラーフィルタの色に着色し、その着色光が反射されて素子前面に出射する。この着色された出射光の強度は、電極３，１７間に印加される電界に応じた液晶分子の立上がり配向状態に応じて変化する。
【００５３】
また、前記各画素領域Ｓに入射した光のうち、画素領域Ｓの周縁部の無フィルタ領域Ｓ２に入射した光は、カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを通らずに非着色光のまま反射され、素子前面に出射する。この非着色の出射光の強度も、電極３，１７間に印加される電界に応じた液晶分子の立上がり配向状態に応じて変化する。
【００５４】
さらに、隣り合う画素領域Ｓの間の明表示領域Ｗに入射した光は、ゲートライン１０，データライン１１，或は容量形成電極１２により反射され、非着色光のまま反射されて素子前面に出射する。この明表示領域Ｗを出射する非着色光は、前記明表示領域Ｗが常に無電界状態であって、液晶分子が常に初期のツイスト配向状態に配向しており、しかも前記後側偏光板２２に達する前にゲートライン１０，データライン１１，或は容量形成電極１２により反射されるため、常に高強度の光である。
【００５５】
すなわち、この液晶表示素子によれば、各色のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの面積を画素領域Ｓの面積より小さくしているため、全ての画素領域Ｓにおいて、液晶表示素子の前面から入射し後面側の散乱反射板２３で反射されて前面に出射する光のうち、前記有フィルタ領域Ｓ１を透過する光だけがカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの色に着色し、前記無フィルタ領域Ｓ２を透過する光は、カラーフィルタによる吸収を受けずに透過する。
【００５６】
そのため、前記有フィルタ領域Ｓ１からの出射光である着色光と、前記無フィルタ領域Ｓ２からの出射光である高輝度の非着色光とにより高輝度のカラー画素が表示される。
【００５７】
図３は上記液晶表示素子の画素配列を示す図であり、各画素Ｓ′は、前記有フィルタ領域Ｓ１からの出射光である赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂのいずれかの着色光（図３においてハッチングを施した領域から出射する光）と、前記無フィルタ領域Ｓ２からの出射光である非着色光（図３においてハッチングを施した領域の外側から出射する光）とで表示されるが、人間の目には、画素Ｓ′全体が前記着色光の色に着色しているように見え、これらの赤、緑、青の画素Ｓ′の加法混色によりフルカラー画像が表示される。なお、前記画素Ｓ′は、前記着色光の色が僅かに薄くなった高輝度の画素であり、その色の濃さと明るさは、前記着色光と非着色光との光強度の比に対応する。
【００５８】
また、図３に示されるように、各画素は有フィルタ領域Ｓ１の周囲を無フィルタ領域Ｓ２が取り囲むように形成されているので、反射型の液晶表示素子として用いる場合には、隣接する画素領域の有フィルタ領域Ｓ１を透過した着色光が、隣接する画素領域の異なる色の有フィルタ領域Ｓ１に入射して吸収される確率が少なくなるので、液晶表示素子に入射した光が反射されて出射する量が多くなり、明るい表示が得られる。
【００５９】
したがって、上記液晶表示素子は、外光を利用して表示する反射型のものであるが、各画素領域Ｓにより高輝度のカラー画素を表示し、画面の明るさが充分なフルカラー画像を表示することができる。
【００６０】
しかも、この実施例では、隣り合う画素領域Ｓの間の領域を、液晶表示素子の前面から入射した光が反射板２３で反射されて素子前面に出射する明表示領域Ｗとしているため、各画素領域Ｓの間の部分を明るくし、画面をさらに明るくすることができる。
【００６１】
また、上記液晶表示素子では、各画素領域Ｓの有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値と、無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ２の値とを、液晶層のΔｎｄ値の変化に対して透過率が極大値を示すΔｎｄ値をΔｎｄ０としたとき、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係になるように設定し、一対の偏光板に挟まれた均一な層厚を有する液晶層からなる液晶素子にΔｎｄ１の値を有する液晶とΔｎｄ２の値を有する液晶とをそれぞれ用いたとき、それぞれの液晶素子を透過する光の分光透過率分布を合成した分光透過率分布が、可視光波長帯域の光について実質的に平坦な特性を有するように設定されている。
【００６２】
この液晶表示素子によれば、前記有フィルタ領域Ｓ１のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを無色フィルタに置き替えたときの前記有フィルタ領域Ｓ１の分光透過率分布と、前記無フィルタ領域Ｓ２の分光透過率分布との両方を合成した分光透過率分布が可視光波長帯域で実質的に平坦になるようにしているため、有フィルタ領域Ｓ１から出射する着色光と無フィルタ領域Ｓ２から出射する非着色光とで表示されるカラー画像は、色バランスの良いフルカラー画像を表示することができる。
【００６３】
すなわち、ＴＮ型の液晶表示素子では、光の入射側偏光板を透過して液晶層に入射した直線偏光は、この液晶層の複屈折性に波長依存性があるため、旋光分散により各波長光ごとに異なる旋光作用を受けるため、前記液晶層を透過した光は、可視光波長帯域の各波長光毎に振動面が僅かにずれ、出射側偏光板を透過する光の分光強度分布が平坦でなく、僅かながら着色して出射する。この出射光の着色の度合いは、液晶層のΔｎｄ値に依存している。
【００６４】
そして、上記液晶表示素子では、各色のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの面積を画素領域Ｓの面積より小さくしているため、画素領域Ｓのうちのカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが対応する有フィルタ領域Ｓ１には前記カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが存在し、無フィルタ領域Ｓ２には前記カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが存在しないため、前記有フィルタ領域Ｓ１の液晶層厚は、無フィルタ領域Ｓ２の液晶層厚に比べてぜカラーフィルターの厚さ分だけ薄い。従って、有フィルタ領域Ｓ１の液晶層のΔｎｄ１と、無フィルタ領域Ｓ２の液晶層のΔｎｄ２の値が異なっており、そのために、有フィルタ領域Ｓ１を透過する光と、無フィルタ領域Ｓ２を透過する光とが異なる分光透過率分布を持ち、それぞれの領域から異なる色に着色した光が出射する。
【００６５】
図４は、一対の偏光板に挟まれた均一な層厚を有する液晶層を備え、カラーフィルタを備えていないノーマリーホワイトモードのＴＮ型液晶表示素子における無電界状態でのΔｎｄの値を変化させたときの透過率の変化（Δｎｄ−透過率特性）を示し、図５は、図４に示したΔｎｄ−透過率特性の最初に現れるピーク付近を拡大して示している。なお、図４及び図５において、縦軸にとった透過率の値は、入射光に対する出射光の強度比である。
【００６６】
これらの図４及び図５に示すように、液晶表示素子の透過率は、Δｎｄの値の変化に応じて複数の極大値を持つように変化し、液晶層が透過率の極大値を示すΔｎｄ値を持つときにコントラストも高くなる。
【００６７】
本実施例の液晶表示素子では、図５に示すようにコントラストが極大値を示すΔｎｄ値をΔｎｄとし、前記有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ２の値とを、それらの値のほぼ中間の値が前記最適Δｎｄ０の値になるように設定されている。例えば、最適Δｎｄ０が５２７〜５２８ｎｍである場合、有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値は約４３２ｎｍ、前記無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ２の値は約５５８ｎｍである。
【００６８】
このように、有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ１，Δｎｄ２を、前記最適Δｎｄ０の値に対して、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係になるように設定することにより、Δｎｄ０の値から小さい値の方にずれたΔｎｄ１の値を有する前記有フィルタ領域Ｓ１の分光透過率分布におけるピークが現れる波長帯域と、Δｎｄ０の値から大きい値の方にずれたΔｎｄ１の値を有する無フィルタ領域Ｓ２の分光透過率分布におけるピークが現れ波長帯域とがずれる。
【００６９】
そして、一画素ではこれらの両方の分光透過率分布が合成されて観察されるので、２つの分光透過率分布が互いに補償しあって、可視光波長帯域における分光透過率分布が平坦化になり、液晶層による透過光の着色がなくなって、色純度の高い表示素子が得られる。
【００７０】
また、液晶表示素子の無電界状態での透過率は、Δｎｄの値に応じて図４のように変化し、光の透過率が極大となるΔｎｄの値は複数存在するが、前記Δｎｄ０の値としては、コントラスト及び応答特性を考慮すると、Δｎｄを大きくして行ったときに最初に現れる透過率のピークか、その次に現れるピークに対応するΔｎｄの値を選ぶのが好ましい。
【００７１】
図６は、本実施例の液晶表示素子において、カラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂによる影響を取り除いて、液晶層のみによる分光透過率分布を示している。すなわち、本実施例の液晶表示素子に用いられているカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを無色フィルタに置き替え、Δｎｄ１，Δｎｄ２の値をΔｎｄ０（５２７〜５２８ｎｍ）に対してΔｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係に設定したときの、有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２の分光透過率分布を示している。
【００７２】
前記Δｎｄ１とΔｎｄ２の値は、それぞれΔｎｄ１＝４３２ｎｍ，Δｎｄ２＝５５８ｎｍであり、有フィルタ領域Ｓ１の液晶層厚ｄ１と無フィルタ領域Ｓ２の液晶層厚ｄ２及び液晶の屈折率異方性Δｎは、それぞれｄ１＝４．８μｍ、ｄ２＝６．２μｍ，、Δｎ＝０．０９に設定され、また、有フィルタ領域Ｓ１の面積を、画素領域Ｓの面積の７０％に設定している。
【００７３】
図６の分光透過率分布に示されているように、有フィルタ領域Ｓ１の分光分布曲線は可視光波長帯域の短波長帯域にピークが有り、長波長帯域で透過率が低下している。一方無フィルタ領域Ｓ２の分光分布曲線は可視光波長帯域の長波長帯域にピークが有り、短波長帯域で透過率が低下している。従って、これらの２つの分光分布曲線を合成することにより、分光透過率分布が平坦な特性が得られる。
【００７４】
図７は、上記液晶表示素子の有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２の両方の分光透過率分布を合成した合成分光透過率分布を実線で示しており、同図には比較例１及び２も合わせて示してある。
【００７５】
比較例１は前記Δｎｄ１とΔｎｄ２のうちのΔｎｄ１の値をΔｎｄ０と同じ（Δｎｄ１＝ｎｄ０）にした場合、比較例２は前記Δｎｄ１とΔｎｄ２のうちのΔｎｄ２の値をΔｎｄ０と同じ（Δｎｄ２＝ｎｄ０）にした場合の特性を示している。
【００７６】
比較例１のΔｎｄ１とΔｎｄ２の値は、それぞれΔｎｄ１＝５２８ｎｍ，Δｎｄ２＝６８２ｎｍ、液晶のΔｎの値はΔｎ＝０．１１である。比較例２のΔｎｄ１とΔｎｄ２の値は、Δｎｄ２＝５２７ｎｍ，Δｎｄ１＝４０８ｎｍ、液晶のΔｎの値はΔｎ＝０．０８５である。これらの比較例１，２において、液晶層厚ｄ１，ｄ２、及び有フィルタ領域Ｓ１の画素領域に対する割合は、それぞれｄ１＝４．８μｍ、ｄ２＝６．２μｍ、７０％に設定されている。
【００７７】
また、これらの比較例１，２において、図６と同様にカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂによる影響を取り除いて、液晶層のみによる有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２それぞれの分光透過率分布を図９（ａ），（ｂ）にそれぞれ示した。
【００７８】
図７に示されているように、本実施例の液晶表示素子の合成分光透過率分布特性は実線で示すように、可視光波長帯域の全域にわたってほぼ平坦になっており、透過光の帯色はほとんどない。これに対して、比較例１の合成分光透過率分布特性は、同図に鎖線で示したように、約５００〜６００ｎｍの波長帯域の光の透過率が高く、それよりも短波長側および長波長側の透過率が低い、そのため、透過光が緑の色味を帯びた帯色光になる。
【００７９】
また、比較例２の合成分光透過率分布特性は、同図に破線で示したように、短波長側の透過率が低く、長波長側の透過率が高い、そのため、透過光が黄色味を帯びた帯色光になる。
【００８０】
したがって、本例の液晶表示素子のように赤、緑、青のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを設け、これらのカラーフィルターの光学的作用を考慮しても、各画素領域Ｓの前記有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２との２つの領域の液晶層を透過する光の合成が白色になっているので、、１つの画素領域Ｓ毎にぞれぞれの色のカラーフィルターによる着色光に液晶層の影響による着色が混ざることがないので、各画素の色純度が高くなり、鮮やかな色の表示素子が得られる。
【００８１】
図８は、各色のカラーフィルターを備えた本実施例と、前記比較例１との、白画面表示状態（赤、緑、青の全ての画素を表示させた状態）での出射光の分光分布を示している。
【００８２】
この図８のように、画素領域Ｓの有フィルタ領域Ｓ１と無フィルタ領域Ｓ２のΔｎｄ１，Δｎｄ２の値を最適Δｎｄ０に対してΔｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係になるように設定した本実施例の液晶表示素子は、有フィルタ領域Ｓ１のΔｎｄ１の値をΔｎｄ０と同じにした比較例１の液晶表示素子に比べて、赤、緑、青のカラーフィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを備えたの出射光の分光分布が、赤、緑、青の各波長帯域の光の透過率の差が小さい分布であり、したがって、色バランスの良いフルカラー画像を表示することができる。
【００８３】
なお、上記実施例の液晶表示素子は、赤、緑、青の画素を表示するための画素電極３を、行方向には交互に並べて直線状に配列し、列方向には同色の画素を表示するための画素電極３同士を約１．５ピッチずつ行方向に交互にずらしてジグザグに配列した、いわゆるモザイク配列型のものであるが、この発明は、赤、緑、青の画素を表示するための画素電極３を、行方向にも列方向にも直線状に並べて配列した、いわゆる格子状配列型の液晶表示素子にも適用することができる。
【００８４】
また、上記実施例の液晶表示素子は、赤、緑、，青のカラーフィルタを備えたものであるが、この発明は、マゼンタ、イエロー、シアンの３色のカラーフィルタを備えて減法混色によりカラー画像を表示する液晶表示素子にも適用することができる。
【００８５】
さらに、この発明は、アクティブマトリックス型に限らず、一方の基板の内面に一方の方向に沿う走査電極を複数本互いに平行に設け、他方の基板の内面に前記走査電極と交差する方向に沿う信号電極を複数本互いに平行に設けた単純マトリックス型の液晶表示素子等にも適用することができる。
【００８６】
また、上記実施例の液晶表示素子は、その前後面に偏光板２１，２２を配置し、裏側偏光板２２の背後に反射板２３を配置したものであるが、それに代えて、例えば裏側基板２の内面に設ける電極（上記実施例では画素電極３）を金属膜で形成し、この電極で反射部材を兼用してもよく、その場合は、偏光板は表側偏光板２１だけでよい。
【００８７】
さらにまた、上記実施例のように前側偏光板２１と後側偏光板２２とを備える場合は、前記裏側偏光板２２の背後に配置する反射板２３を半透過反射板とし、その背後にバックライトを配置してもよく、このようにすれば、外光を利用する反射型表示と、バックライトからの光を利用する透過型表示との両方を行なうことができる。また、この発明は、バックライトからの光を利用する表示だけを行なう透過型の液晶表示素子にも適用することができる。
【００８８】
【発明の効果】
この発明の液晶表示素子は、各色のカラーフィルタをそれぞれ画素領域の面積よりも小さい面積に形成し、前記画素領域内のカラーフィルタに対応する領域を有フィルタ領域、カラーフィルタに対応しない領域を無フィルタ領域とするとともに、前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値とを、一対の偏光板に挟まれた均一な層厚を有する液晶層からなる液晶素子にΔｎｄ１の値とΔｎｄ２の値とを有する液晶層を用いたときの２つの分光透過率分光分布特性を合成した分光透過率分布が可視光波長帯域でほぼ平坦になるように設定したものであるから、画面の明るさが充分で、しかも色バランスの良いカラー画像を表示することができる。
【００８９】
また、この発明の液晶表示素子は、前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値を、前記有フィルタ領域の前記カラーフィルタを無色フィルタとしたときの分光透過率分布と前記無フィルタ領域の分光透過率分布との両方を合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定したので、各画素領域を透過する可視光波長帯域の光の分光透過率分布をほぼ平坦にすることができる。
【００９０】
さらに、この発明の液晶表示素子は、前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値を、液晶層のΔｎｄ値の変化に対して光の透過率が極大となる最適Δｎｄ０の値に対して、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係になるように設定したので、前記有フィルタ領域の液晶層のみにより生じる分光透過率分布特性のうねりと、前記無フィルタ領域の分光透過率分布特性のうねりとが、互いに相殺され、両方を合成した分光透過率分布を可視光波長帯域でほぼ平坦にすることができる。 またさらに、この発明の液晶表示素子において、隣り合う画素領域の間の領域（常に無電界状態である領域）を、常に光が出射する明表示領域とすれば、各画素領域の間の部分を明るくし、画面をさらに明るくすることができる。
【００９１】
さらに、この発明は、バックライトからの光を利用して表示する透過型の液晶表示素子にも、後面側に反射部材を備え自然光や室内照明光等の外光を利用して表示する反射型の液晶表示素子にも適用できるものであり、反射型の液晶表示素子であっても、その画面を充分に明るくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す液晶表示素子の一部分の正面図。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図。
【図３】前記液晶表示素子の画素配列を示す図。
【図４】カラーフィルタを備えていないノーマリーホワイトモードのＴＮ型液晶表示素子における無電界状態でのΔｎｄ−透過率特性図。
【図５】有フィルタ領域と無フィルタ領域のΔｎｄ１，Δｎｄ２の設定例を示す図。
【図６】本発明の実施例による液晶表示素子において、液晶層のみにより生じる有フィルタ領域Ｓ１を透過する光の分光透過率分布特性と、無フィルタ領域Ｓ２の分光透過率分布特性を示す図。。
【図７】図６に示した本実施例における２つの分光透過率分布特性を合成した合成分光透過率分布特性及、び２つの比較例の合成分光透過率分布特性を示す図。
【図８】本発明の実施例の液晶表示素子における白画面表示状態での分光透過率分布特性、及び比較例における白画面表示状態での分光透過率分布特性を示す図。
【図９】Δｎｄ１，Δｎｄ２の値をΔｎｄ０に対してΔｎｄ１＝Δｎｄ０に設定した比較例１と、Δｎｄ２＝Δｎｄ０に設定した比較例２について、液晶層のみにより生じる有フィルタ領域Ｓ１を透過する光の分光透過率分布特性と、前記無フィルタ領域の分光透過率分布特性を示す図。
【符号の説明】
１，２…基板
３…画素電極
４…ＴＦＴ（能動素子）
１０…ゲートライン
１１…データライン
１２…補償容量形成電極
１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂ…カラーフィルタ
１７…対向電極
２１，２２…偏光板
２３…反射板
Ｓ…画素領域
Ｓ１…有フィルタ領域
Ｓ２…無フィルタ領域
Ｗ…明表示領域
Claims (5)
- 液晶層をはさんで対向する前後一対の基板の互いに対向する内面の一方に設けられた複数の第１の電極と、他方の内面に設けられ、前記複数の第１の電極と対向する領域が複数の画素領域を形成する少なくとも１つの第２の電極と、いずれかの基板の内面に前記各画素領域にそれぞれ対応させて設けられ、前記画素領域の面積よりも小さい面積に形成された複数色のカラーフィルタとを備え、
前記液晶層は、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応する有フィルタ領域における液晶層の層厚ｄ１と液晶の屈折率異方性Δｎの積Δｎｄ１の値と、前記画素領域内の前記カラーフィルタが対応しない前記有フィルタ領域以外の無フィルタ領域における液晶の層厚ｄ２と屈折率異方性Δｎの積Δｎｄ２の値とが、前記Δｎｄ１の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布と、前記Δｎｄ２の値を有する液晶層を備えた液晶素子の分光透過率分布とを合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定されていることを特徴とする液晶表示素子。 - 前記有フィルタ領域の液晶層の屈折率異方性Δｎと層厚ｄ１との積Δｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域の液晶層の屈折率異方性Δｎと層厚ｄ２の積Δｎｄ２の値とが、前記有フィルタ領域の前記カラーフィルタを無色フィルタとしたときの分光透過率分布と前記無フィルタ領域の分光透過率分布との両方を合成した可視光波長帯域における分光透過率分布が実質的に平坦になるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
- 前記有フィルタ領域のΔｎｄ１の値と、前記無フィルタ領域のΔｎｄ２の値は、液晶層のΔｎｄ値の変化に対して透過率が極大値を示すΔｎｄ値をΔｎｄ０としたとき、Δｎｄ１＜Δｎｄ０＜Δｎｄ２の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
- 隣り合う画素領域の間の領域が、常に光が出射する明表示領域となっていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
- 後面側に反射部材を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の液晶表示素子。
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