JP3648942B2 - 液晶表示素子 - Google Patents
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Description
【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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