JP4076013B2

JP4076013B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP4076013B2
Application number: JP2002192706A
Authority: JP
Inventors: 克浩菊池
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2022-07-01
Also published as: JP2004037679A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話、ＰＤＡ、車載分野、アミューズメント分野等に応用が期待されている反射型および半透過型の液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パネルに入射された外光を反射させることによって表示を行う反射型の液晶表示装置、および周囲が暗いときにはバックライト、フロントライト、サイドライト等の光源からの光をパネルに照射して光を透過させることによって表示を行い、周囲が明るいときにはパネルに入射された外光を反射させることによって表示を行う半透過型の液晶表示装置は、低消費電力化、薄型化等が可能であるという特色から、携帯電話、ＰＤＡ、車載用液晶テレビジョンなどに広く用いられており、今後のＩＴ技術におけるキーデバイスの一つとして期待されている。
【０００３】
反射型液晶表示装置および半透過型の液晶表示装置においては、一般に、液晶層を挟んで対向配置される一対の基板のうちの一方の基板に光を反射させるための反射板が設けられており、他方の基板は透光性基板となっている。この反射板の材料としては、例えばＡｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）などのような反射率が高い金属材料が用いられており、その表面には、入射光を散乱させるための凹凸が、表示エリア内の全画素において同一形状で設けられている。
【０００４】
例えば、アクティブマトリクス型の液晶表示装置において、一方の基板上には液晶層に電圧を印加するための複数の画素電極がマトリクス状に設けられており、他方の基板上に設けられた対向電極と画素電極との対向部にマトリクス状の画素が構成されている。この画素電極は、反射板としても用いられるため、反射率が高い金属材料によって構成されている。また、この一方の基板上には、各画素電極を選択駆動するためのスイッチング素子として薄膜トランジスタなどからなる複数の能動素子が各画素電極に接続されて設けられており、各薄膜トランジスタは、表示用データ信号が供給される信号配線および薄膜トランジスタを選択的に導通状態とするための走査信号が供給される走査配線と接続されている。
【０００５】
さらに、カラー表示が行われる液晶表示装置では、他方の基板上に、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）などのカラーフィルタが各画素毎に設けられている。
【０００６】
図３は、従来の反射型液晶表示装置におけるＲＧＢ３画素分の構成を示す断面図である。
【０００７】
この反射型液晶表示装置は、液晶層３を挟んで一対の基板２０および３０が対向配置されている。一方の基板３０は、ベースとなるガラス基板４の液晶層３側表面に、画素電極１１Ｒ、１１Ｇおよび１１Ｂが設けられており、その上に配向膜５が設けられている。画素電極１１Ｒ、１１Ｇおよび１１Ｂは、入射光を反射させる反射板（反射電極）としても機能し、可視光の広い領域において高い反射率を示す材料、例えばＡｌ等によって構成されている。画素電極１１Ｒ、１１Ｇおよび１１Ｂの表面には、入射光を散乱させるための凹凸が、同一形状で設けられている。
【０００８】
他方の基板２０は、透光性を有しており、ベースとなるガラス基板６の液晶層３側表面に赤、青、緑の各カラーフィルタ７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂが設けられ、その表面にＩＴＯからなる透明電極２が設けられ、さらにその上に配向膜８が設けられている。このカラーフィルタ７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂは、それぞれ、対向する画素電極１１Ｒ、１１Ｇおよび１１Ｂと一対となっており、各画素に対応して設けられている。さらに、ガラス基板６の液晶層３と反対側の表面には、偏光制御素子９が配置されている。
【０００９】
このように構成された液晶表示装置において、反射板（または反射電極）の凹凸形状は、液晶表示装置の表示品位に大きく影響を与えるものであり、凹凸形状の最適化を行うことは不可欠である。例えば、凹凸形状の深さが殆ど無い、鏡面に近い反射板では、入射光に対する正反射方向において非常に明るい表示を得ることが可能であるが、それ以外の方向においては反射光が著しく減少するため、表示を認識することができなくなる。一方、反射板を紙のような完全散乱体に近づけることによって、反射光の角度依存性を少なくすることができるため、全方位から表示を認識することが可能になる。しかしながら、この場合には、全方向に均一に光が散乱されるため、全体的に反射率が低下する。
【００１０】
ところで、反射型液晶表示装置および半透過型の液晶表示装置においては、液晶の複屈折性と偏光板、位相板とを組み合わせて表示を行う、ＥＣＢモードが広く知られている。
【００１１】
このＥＣＢモードは、液晶層に電圧を印加したときと電圧を印加していないときとで、液晶内を進行する光の偏光状態が異なることを利用して表示を行うものであり、液晶層に入射された光の偏光状態を変化させて、光を偏光板を透過させ、または透過させないようにすることによって、表示として認識されるようになっている。このＥＣＢモードでは、液晶材料の有する複屈折Δｎと液晶層内の光路長ｄとが重要なパラメータになり、液晶層に入射して出射されるまでのリタデーション（以降、ｄΔｎと称する）を制御することが必要不可欠になる。
【００１２】
一般に、液晶材料の有する屈折率は波長分散を有し、波長毎に異なるため、ＥＣＢモードにおけるｄΔｎについても、所定の波長を設定して最適化した設計が行われる。従って、波長毎に光の利用効率が異なるため、白色表示時にも特有の着色が生じ、色味をナチュラルにするために、カラーフィルタ材料（ＲＧＢ各色）の調整が行われると共に、ｄΔｎを調整するために液晶材料の変更、セルギャップの調整、偏光板の軸設定等といった調整が行われる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、液晶表示装置では色味を調整するためにカラーフィルタ材料の調整、液晶材料の変更、液晶セルのセルギャップの調整、偏光板の軸設定などといった調整が行われるが、これらの調整方法では、いずれも構成材料を変更することが必要となる。
【００１４】
例えば、カラーフィルタ材料による色味の調整では、ＲＧＢで構成されるカラーフィルタに対して、各色の設計・材料開発が求められる。また、液晶セルのセルギャップを調整するためには、一般的に、セル内に配置されるスペーサ材料を変更することが求められる。これらのことは、液晶表示装置の開発遅延を招くことになる。また、液晶表示装置が用いられる用途に応じて要求される色が異なる場合には、構成材料が異なることになるため、液晶表示装置のコストアップにつながり、また、材料の在庫管理が頻雑になるという問題が生じる。
【００１５】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、液晶表示装置の構成材料を変更することなく、色味を調整することができる液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶表示装置は、液晶層を挟んで対向配置される一対の基板のうちの一方の基板に反射板または反射電極が設けられ、他方の基板に複数色のカラーフィルタが設けられた液晶表示装置において、前記反射板または前記反射電極には、前記液晶層側表面に凹凸が設けられており、該凹凸のピッチに対する高さの比率が、対向する前記カラーフィルタの色毎に異なっており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１７】
前記反射板または前記反射電極内に設けられた前記凹凸の高さが、０．１μｍ以上１μｍ以下の範囲内になっていてもよい。
【００１８】
前記反射板または前記反射電極内に設けられた前記凹凸のピッチが、２μｍ以上２０μｍ以下になっていてもよい。
【００１９】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００２０】
一般に、反射板または反射電極の表面に設けられている凹凸形状は、表示エリア内の全画素で同一パターンになっているため、反射板または反射電極による反射光の強度は、全画素において全方向に対して等しいものとなっている。従って、色味を調整するためには、カラーフィルタの色設計・材料開発、スペーサ材料の変更、液晶材料の変更、偏光板の軸設定等が必要である。
【００２１】
これに対して、本発明にあっては、反射板または反射電極の表面に設けられている凹凸形状を、対向するカラーフィルタの色毎に調整することによって、各色毎に反射光強度を変えることができる。反射型および半透過型の液晶表示装置において、白の色味はＲＧＢ各色からの光強度で算出されるため、ＲＧＢ各色の反射光強度を変えることによって、構成材料が同一であっても、白の色味を調整することが可能になる。このことにより、開発遅延を招くことなく、また、構成材料を変更することなく、白の色味を任意に調整することが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態である反射型液晶表示装置におけるＲＧＢ３画素分の構成を示す断面図である。なお、この図において、従来の液晶表示装置と同様の機能を有する部分については、同じ番号を付している。
【００２４】
この反射型液晶表示装置は、液晶層３を挟んで一対の基板１０および２０が対向配置されている。一方の基板１０は、ベースとなるガラス基板４の液晶層３側表面に、画素電極１Ｒ、１Ｇおよび１Ｂが設けられており、その上に配向膜５が設けられている。画素電極１Ｒ、１Ｇおよび１Ｂは、入射光を反射させる反射板（反射電極）としても機能し、可視光の広い領域において高い反射率を示す材料、例えばＡｌ等によって構成されている。
【００２５】
他方の基板２０は、透光性を有しており、ベースとなるガラス基板６の液晶層３側表面に赤、青、緑の各カラーフィルタ７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂが設けられ、その表面にＩＴＯからなる透明電極２が設けられ、さらにその上に配向膜８が設けられている。このカラーフィルタ７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂは、それぞれ、対向する画素電極１Ｒ、１Ｇおよび１Ｂと一対となっており、各画素に対応して設けられている。さらに、ガラス基板６の液晶層３と反対側の表面には、偏光制御素子９が配置されている。
【００２６】
上記画素電極（反射電極）１Ｒ、１Ｇおよび１Ｂの表面には、入射光を散乱させるための凹凸が、対向するカラーフィルタ７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂの色毎に、それぞれ異なる形状で設けられている。
【００２７】
以下に、このように構成された本実施形態の反射型液晶表示装置における反射電極１Ｒ〜１Ｂ表面の凹凸形状について、さらに詳細に説明する。
【００２８】
反射型液晶表示装置においては、外部からの入射光が反射電極（画素電極）１Ｒ、１Ｇおよび１Ｂによって反射される。これらの反射電極１Ｒ〜１Ｂの表面には、光をあらゆる方向に反射させるために、凹凸が設けられており、これらの凹凸パターンの形状によって反射光の角度特性が決定づけられる。従って、反射電極１Ｒ〜１Ｂ表面の凹凸パターンが表示上の視認性に与える影響は大きい。
【００２９】
例えば、各画素内にランダムに配された凹凸の大きさおよび凹凸の間隔が光の波長に対して十分に大きい場合、反射光の角度特性は、凹凸の高さおよび凹凸のピッチとによって決定される。この場合、表面に凹凸が設けられた反射電極１Ｒ〜１Ｂは、光の波長オーダー程度の微小エリアの集まりと考えることができ、各微小エリアからの正反射光の集まりによって、反射光の角度特性が決定される。
【００３０】
例えば、凹凸ピッチに対して高さが低く、滑らかな凹凸が表面に設けられた反射電極に対して、ある方向から光が入射されると、大部分の光は入射光の角度に対応した正反射方向に反射される。これは、凹凸を構成する微小エリアの傾斜が、ガラス基板表面に対して平行もしくはそれに近い角度になっているものが多く、鏡面に近い表面形状になっているからである。従って、この正反射方向においては、極めて明るい表示が得られるが、その正反射方向以外には光が反射されないため、観察エリアが限られる。
【００３１】
一方、反射電極表面の凹凸の高さが高くなると、反射電極に入射された光は、あらゆる角度に反射される。これは、凹凸を構成する微小エリアそれぞれのガラス基板表面に対する傾斜角度が多岐にわたっているからである。このような凹凸形状においては、観察エリアは広くなるが、入射光に対する正反射方向の角度においては、上記凹凸の高さが低い場合に比べて、光の強度が低くなる。
【００３２】
以上のように、反射電極（反射板）表面の凹凸形状を制御することによって、反射光を制御することが可能となる。従って、図１に示すように、カラーフィルタ７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂの各色に対応する画素電極（反射電極）１Ｒ、１Ｇおよび１Ｂ表面の凹凸形状をそれぞれ調整することによって、各色の反射光強度を制御することができる。
【００３３】
例えば、白の色味を青くするためには、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、カラーフィルタ各色に対応する反射電極表面の凹凸パターンを設定することができる。図２（ａ）はカラーフィルタ７Ｂに対向する反射電極１Ｂ表面の凹凸形状を示す断面図であり、図２（ｂ）はカラーフィルタ７Ｒに対向する反射電極１Ｒ表面の凹凸形状を示す断面図であり、図２（ｃ）はカラーフィルタ７Ｇに対向する反射電極１Ｇ表面の凹凸形状を示す断面図である。
【００３４】
この例では、反射電極１Ｒ〜１Ｂ表面の凹凸ピッチは全画素で６μmに統一して、高さをそれぞれ異ならせている。カラーフィルタ７Ｒに対向する反射電極１Ｒの高さをｈＲ（０．６μm）として、カラーフィルタ７Ｇに対向する反射電極１Ｇの高さｈＧはｈＲに比べて高く（０．８μm）、カラーフィルタ７Ｂに対向する反射電極１Ｂの高さｈＢはｈＲに比べて低く（０．４μm）している。
【００３５】
この場合、反射電極１Ｒ〜１Ｂそれぞれの凹凸の高さｈＲ、ｈＧおよびｈＢは、ｈＧ＞ｈＲ＞ｈＢという関係になっており、上述したように入射光に対して正反射方向における光強度は１Ｂ＞１Ｒ＞１Ｇという関係になる。従って、各カラーフィルタ７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂを通る光の強度も７Ｂ＞７Ｒ＞７Ｇという関係になる。
ところで、この凹凸のピッチは２μｍ以上２０μm以下の範囲にあることが望ましい。これは、凹凸のピッチが２μｍ未満になると、凹凸の形成工程のフォトリソでの加工が困難になるからである。逆に、そのピッチが２０μmを超えると、上記微小エリアの有する傾斜角を制御するために高さの変化量を大きくすることが要求され、結果として、凹凸の高さが液晶層のセル厚に与える影響が大きくなり、その制御が困難になるからである。また、同様の理由から、凹凸の高さは０．１μｍ以上１μm以下の範囲にあることが望ましい。
【００３６】
ここで、反射電極１Ｒ〜１Ｂ表面の凹凸形状を図２に示すように設定した本実施形態の液晶表示装置と比較するために、カラーフィルタ、偏光制御素子、液晶材料等は本実施形態と同じ材料を用いて、図３に示す液晶表示装置を作製した。この比較例の液晶表示装置では、全ての画素において、反射電極１１Ｒ、１１Ｇおよび１１Ｂの表面に図２（ａ）に示す反射電極１Ｒと同じ高さおよびピッチの凹凸形状を設けた。この場合、各カラーフィルタ７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂを通る光の強度は７Ｂ＝７Ｒ＝７Ｇという関係になる。
【００３７】
本実施形態の液晶表示装置は、カラーフィルタの各色毎に反射電極表面の凹凸の高さを異ならせているため、比較例の液晶表示装置と比べて、白色表示時の色味が目視においても異なっていた。本実施形態の液晶表示装置では比較例の液晶表示装置と比べて青味がかっているように感じられた。また、各色表示時の色味は、本実施形態の液晶表示装置と比較例の液晶表示装置とで有意差はなく、明るさに違いがあった。例えば、青色表示時には、本実施形態の液晶表示装置の表示は比較例の液晶表示装置の表示よりも明るく感じられ、逆に、緑色表示時には、本実施形態の液晶表示装置の表示は比較例の液晶表示装置の表示よりも暗く感じられた。
【００３８】
次に、本実施形態の液晶表示装置および上記比較例の液晶表示装置において、白、赤、青、緑色表示時の画面法線方向における反射率スペクトル（標準白色板からの反射光を１００％とした相対値）を測定し、Ｄ６５光源を用いて色度計算した結果を下記表１に示す。
【００３９】
【表１】

【００４０】
上記表１に示すように、各波長エリアにおける反射光強度を示すＸ、ＹおよびＺは、全ての色表示時において、本実施形態の液晶表示装置と比較例の液晶表示装置とで違いが見られる。これは、本実施形態の液晶表示装置と比較例の液晶表示装置とで反射板（反射電極）における反射光角度特性が異なるためである。
【００４１】
しかしながら、色度の計算値において色味の度合いを示すｘおよびｙの値について注目すると、本実施形態の液晶表示装置と比較例の液晶表示装置とは、白色表示時を除く全色で一致している。このことは、反射電極の反射特性を調整しても、可視光領域においては、全波長において同じ割合で光の強度が変わり、反射光の波長特性が変化しないことを示している。これは、白色表示時を除く各色表示時のｘおよびｙの値は、カラーフィルタの色味と、偏光制御素子に代表される反射型液晶表示装置を構成する部材の吸収スペクトルとによって決定されるため、それらが同じ材料で構成されている本実施形態の液晶表示装置と比較例の液晶表示装置とでは同じ値になるからである。
【００４２】
一方、白色表示時の色味は、本実施形態の液晶表示装置では比較例の液晶表示装置と比べて、ｘおよびｙ共に小さくなって青味がかっていることを示しており、目視の結果と一致している。これは、白色表示時の色味は各色の足し合わせによって決定されるため、各色からの反射光強度が大きく影響するからである。通常の全画素同じ凹凸パターンが設けられている反射型液晶表示装置および半透過型液晶表示装置における白の色味は、上述したように、それらを構成する部材の特性によって決定されるが、各色毎の反射特性が異なる本実施形態の液晶表示装置では、白の色味が異なったものとなる。実際に、本実施形態の液晶表示装置では、比較例の液晶表示装置に比べて、青色が明るく感じられたことから、比較例の液晶表示装置よりも青色の反射光強度が強くなり、白色が青くなっていることが分かる。
【００４３】
なお、上記説明では、白の色味を青くするために、カラーフィルタ７Ｂに対向する反射電極（反射板）１Ｂからの光強度が強くなるように図２に示すような凹凸形状を用いたが、目的とする白の色味によって、凹凸の高さが上記とは異なることもある。例えば、カラーフィルタ７Ｂに対向する反射電極１Ｂ表面の凹凸高さを他の色に比べて高くすることによって、上述したように、最適な角度（入射光に対する正反射方向）においてカラーフィルタ７Ｂを透過する光強度が低くなることから、白の色味を黄色くすることができる。その他にも、反射電極表面の凹凸の高さをカラーフィルタの色毎に任意に調整することによって、白の色をあらゆる色味に制御することができる。
【００４４】
また、反射電極表面に設けられる凹凸の高さを一定にして、凹凸のピッチを変化させることによっても、同様の効果が得られる（例えば、ピッチを広くすることによって入射光に対する正反射方向において光強度が強くなる）。これは、凹凸を構成する微小エリアそれぞれの傾斜角度が一つの凹凸内に占める占有率は、凹凸の高さとピッチとによって決定されるからである。さらに、反射電極表面に設けられる凹凸の高さおよびピッチのそれぞれを、対向するカラーフィルタの色毎に最適化しても、同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００４５】
上記説明では、画素電極を反射板としても用いるアクティブマトリクス型液晶表示装置について説明したが、液晶層を挟んで対向配置される一対の基板のうちの一方の基板側に、電極とは別に反射板を設けた構成であってもよい。さらに、上記説明では、反射型液晶表示装置について説明したが、周囲が明るいときにはパネルに入射された外光を反射させて表示を行い、周囲が暗いときには光源からパネルに照射された光を透過させて表示を行う半透過型液晶表示装置についても本発明は適用可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、カラーフィルタ、偏光制御素子、液晶材料等のような構成材料を変更することなく、白色表示時の色味を微調整することが可能になる。また、構成材料を変更して白の色味調整を行う従来技術では避けることができなかった、各色表示時の色味の変化も避けることが可能になる。
【００４７】
本発明によれば、新機種・新用途の液晶表示装置を開発する際に、既存材料を用いて色味を調整することが可能となるため、開発期間の短縮化および低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である反射型液晶表示装置におけるＲＧＢ３画素分の構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）は青色のカラーフィルタに対向する反射電極表面の凹凸形状を示す断面図であり、（ｂ）は赤色のカラーフィルタに対向する反射電極表面の凹凸形状を示す断面図であり、（ｃ）は緑色のカラーフィルタに対向する反射電極表面の凹凸形状を示す断面図である。
【図３】従来の反射型液晶表示装置におけるＲＧＢ３画素分の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１Ｒ、１１Ｒ赤色カラーフィルタに対向する反射電極（画素電極）
１Ｇ、１１Ｇ緑色カラーフィルタに対向する反射電極（画素電極）
１Ｂ、１１Ｂ青色カラーフィルタに対向する反射電極（画素電極）
２透明電極
３液晶層
４ガラス基板
５、８配向膜
６ガラス基板（透光性基板）
７Ｒ赤色カラーフィルタ
７Ｇ緑色カラーフィルタ
７Ｂ青色カラーフィルタ
９偏光制御素子
１０、２０、３０基板

Claims

液晶層を挟んで対向配置される一対の基板のうちの一方の基板に反射板または反射電極が設けられ、他方の基板に複数色のカラーフィルタが設けられた液晶表示装置において、
前記反射板または前記反射電極には、前記液晶層側表面に凹凸が設けられており、該凹凸のピッチに対する高さの比率が、対向する前記カラーフィルタの色毎に異なっている液晶表示装置。
前記反射板または前記反射電極内に設けられた前記凹凸の高さが、０．１μｍ以上１μｍ以下の範囲内になっている、請求項１に記載の液晶表示装置。
前記反射板または前記反射電極内に設けられた前記凹凸のピッチが、２μｍ以上２０μｍ以下になっている、請求項１に記載の液晶表示素子。