JP4432056B2 - 液晶表示素子及びこの液晶表示素子を用いた液晶表示装置 - Google Patents
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Description
このような投射型の液晶表示装置は、表示した画像の明るさが表示性能の重要な要素となっている。
明るい画像を得る手段として、この投射型の液晶表示装置に用いられる液晶表示素子の開口率を高くしたり、画素電極の反射率を高くすることが考えられる。
特許文献1の記載によれば、アルミニウムを含む層上に銀を含む層が積層された積層構造を有する画素電極とすることにより、画素電極の反射率を高くすることができるとしている。
特許文献2の記載によれば、画素電極上に、アクリル,ポリイミド,フッ化マグネシウム,二酸化シリコン等からなる低屈折率膜と、二酸化チタン,ジルコニア,ITO(酸化インジウムスズ),窒化シリコン,二酸化セリウム等からなる高屈折率膜とが順次積層された積層構造とすることにより、画素電極の反射率を高くすることができるとしている。
また、銀はエッチング等の加工が難しい材料であり、その改善が望まれる。
また、発明者らが鋭意実験した結果、高屈折率膜の材質によっては、例えば高屈折率膜の材質に窒化シリコン(SiN)を用いた場合には、特に青色帯域(例えば波長430nm〜460nmの範囲)において高い反射率を得ることが困難になったり、さらには、長時間に及ぶ光の照射、特に青色帯域における高エネルギーの光の照射によってオフセット電圧が変動する場合がある。
オフセット電圧の変動は、液晶表示素子の焼きつき不良の原因となる。
1)光反射性を有する画素電極がマトリクス状に設けられた第1の基板と、前記第1の基板と所定の間隙を有して対向配置されて前記画素電極と互いに向き合う共通電極を有する第2の基板と、前記所定の間隙に充填された液晶と、を備え、前記第1の基板は、前記画素電極上に、第1の屈折率を有する第1の光学膜と、前記第1の屈折率よりも大きい第2の屈折率を有する第2の光学膜と、比抵抗が1E9Ωcm〜8E12Ωcmの範囲内である第3の光学膜とが順次積層された光学多層膜である増反射膜と、前記増反射膜上に形成された配向膜と、を備えていることを特徴とする液晶表示素子。
2)前記第3の光学膜は、酸化ニオブまたは酸化ニオブと酸化タンタルとの混合物を含んでいることを特徴とする1)記載の液晶表示素子。
3)前記増反射膜は、前記第3の光学膜上に積層された、酸化シリコンを含む第4の光学膜をさらに備えていることを特徴とする1)または2)記載の液晶表示素子。
4)光反射性を有する画素電極がマトリクス状に設けられた第1の基板と、前記第1の基板と所定の間隙を有して対向配置されて前記画素電極と互いに向き合う共通電極を有する第2の基板と、前記所定の間隙に充填された液晶と、を備え、前記第1の基板は、前記画素電極上に、第1の屈折率を有する第1の光学膜と、前記第1の屈折率よりも大きい第2の屈折率を有する第2の光学膜と、前記第2の屈折率よりも小さい第3の屈折率を有する第3の光学膜と、前記第3の屈折率よりも大きい第4の屈折率を有する第4の光学膜と、比抵抗が1E9Ωcm〜8E12Ωcmの範囲内である第5の光学膜とが順次積層された光学多層膜である増反射膜と、前記増反射膜上に形成された配向膜と、を備えていることを特徴とする液晶表示素子。
5)前記第5の光学膜は、酸化ニオブまたは酸化ニオブと酸化タンタルとの混合物を含んでいることを特徴とする4)記載の液晶表示素子。
6)前記増反射膜は、前記第5の光学膜上に積層された、酸化シリコンを含む第6の光学膜をさらに備えていることを特徴とする4)または5)記載の液晶表示素子。
7)光源と、前記光源から照射された光を変調する1)〜6)のいずれかに記載の液晶表示素子と、を備えていることを特徴とする液晶表示装置。
以下に、まず、本発明の液晶表示素子の実施例を第1実施例〜第4実施例として図1〜図6を用いて説明し、次に、本発明の液晶表示装置の実施例を第5実施例及び第6実施例として図7及び図8を用いて説明する。
第1実施例の液晶表示素子50について、図1を用いて説明する。
図1は、第1実施例の液晶表示素子、及び後述する第2実施例〜第4実施例の各液晶表示素子をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
第1の基板1は、第2の基板30と対向する表面1aに、ソースS、ドレインD、及びコンデンサ下部電極Caが形成されており、第1の基板1の表面1a上には絶縁層2が形成されている。
絶縁層2中には、ゲートG、コンデンサ上部電極Cb、遮光層3、複数の配線層4a,4b,4c、及び複数のビア5a,5b,5c,5d,5eが形成されており、絶縁層2上には光反射性を有する画素電極6が所定の間隙D6を有してマトリクス状に複数形成されている。
画素電極6の材料として、アルミニウム(Al)やアルミニウム合金等を用いることができる。
光学多層膜100についての詳細な説明は後述することとする。
なお、図1には、マトリクス状に複数形成された画素電極6のうちの1つを示している。
ドレインDは配線層4bにビア5bを介して電気的に接続されており、配線層4bは配線層4cにビア5cを介して電気的に接続されており、配線層4cは画素電極6にビア5dを介して電気的に接続されている。
ゲートGは後述する図2中のゲート線61に電気的に接続されている。
そして、上述のソースS,ドレインD,及びゲートGにより、液晶40を駆動するスイッチングトランジスタTrが形成される。
そして、上述のコンデンサ上部電極Cbと、コンデンサ下部電極Caと、コンデンサ上部電極Cbとコンデンサ下部電極Caとの間に介在する絶縁層2とにより保持容量Cが形成される。
そこで、間隙D6を通過した読み出し光Lを遮光してスイッチングトランジスタTrに照射しないように遮光層3を設けている。
第2の基板30は、例えばガラス基板からなる光透過性を有する基板35の液晶駆動基板20と対向する対向面35a側の画素電極6が形成されている範囲と対応する範囲に、導電性及び光透過性を有する共通電極31と、光透過性を有する第2の配向膜32とが順次積層(図1における積層方向は図面下方向である)形成されており、また、対向面35aとは反対側の面である入射面35b側には反射防止膜33が形成されている。
そして、1画素電極6当たりの上記構成が1画素51となり、画素電極6がマトリクス状に複数形成された範囲が画像を表示するための画像表示領域となる。
図2は、第1実施例の液晶表示素子、及び後述する第2実施例〜第4実施例の各液晶表示素子の1画素当たりの等価回路をそれぞれ説明するための図である。
なお、図2に示す符号は、図1に示した符号にそれぞれ対応している。
また、保持容量Cのコンデンサ下部電極CaはアースGNDに接地されており、共通電極31は電源Vに接続されている。
そして、信号線62によって画像信号を伝送し、ゲート線61によりゲートGをオン状態にして各画素51を周期的に選択することにより、画像信号は電荷として保持容量Cに蓄積され、ゲートGをオフ状態にしても一定の時間はこの保持容量Cに蓄積された電荷が画素電極6に供給されるので、画素電極6が形成された範囲における液晶40を駆動させることができる。
図3は、第1実施例の液晶表示素子における光学多層膜を説明するための模式的断面図であり、図1中の光学多層膜及びその近傍部を拡大した拡大図である。
また、光学多層膜100上には、上述したように、第1の配向膜7が形成されている。
高屈折率膜103の材料として、屈折率が約2.05と低い窒化シリコン(SiN)を除く、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化チタン(TiO2)、及び酸化ジルコン(ZrO2)等を用いることができる。
誘電体膜104の材料として、酸化ニオブ(Nb2O5)、または、酸化ニオブと酸化タンタル(Ta2O5)との混合物等を用いることができる。
低屈折率膜102、高屈折率膜103、及び誘電体膜104は、公知の成膜方法、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法やスパッタ法を用いて形成することができる。
好適な増反射効果を得るためには、読み出し光Lの中心波長λ0に対して、低屈折率膜102の光学膜厚ND102を1/4(4分の1)λ0とし、高屈折率膜103と誘電体膜104との合計の光学膜厚ND105を1/4λ0とすることが望ましい。
発明者らは、光学多層膜100の最外層である誘電体膜104、特に誘電体膜104の比抵抗に着目した。
そこで、発明者らは、成膜された誘電体膜104が所定の比抵抗を有するよう、誘電体膜104の成膜方法について鋭意実験を行った。
その実験結果を図4及び図5に示す。
図4及び図5は、第1実施例及び後述する第2実施例〜第4実施例の各液晶表示素子における誘電体膜の成膜実験結果を示す図であり、詳しくは、図4は成膜ガス成分比と誘電体膜の比抵抗との関係を示した図であり、図5は誘電体膜の構成成分とその比抵抗との関係を示した図である。
その結果、図4に示すように、上記混合ガスにおける酸素ガスの分圧比を増加させることによって成膜された誘電体膜104の比抵抗を大きくすることができ、逆に、上記混合ガスにおける酸素ガスの分圧比を減少させることによって成膜された誘電体膜104の比抵抗を小さくすることができることを確認した。
その結果、図5に示すように、上記混合物における酸化タンタルのmol比率を増加させることによって成膜された誘電体膜104の比抵抗を大きくすることができ、逆に、上記混合物における酸化タンタルのmol比率を減少させることによって成膜された誘電体膜104の比抵抗を小さくすることができることを確認した。
表1において、オフセット電圧の変動,焼きつき,及び画像のにじみのなかったものをそれぞれ“○”とし、オフセット電圧の変動,焼きつき,及び画像のにじみのあったものをそれぞれ“×”とした。
また、上記反射率が90%以上のものを“○”、90%未満のものを“×”とした。
また、誘電体膜104の比抵抗が1E9Ωcmよりも小さい場合には画像のにじみが生じるが、これは、誘電体膜104の比抵抗が小さすぎるとこの誘電体膜104の表面に蓄積された電荷がこの表面から外部に漏洩しやすくなるため、その画素電極に本来必要な電圧が印加されず、その液晶のチルト角の制御が困難になるためと推察される。
また、誘電体膜104の比抵抗が8E12Ωcmよりも大きい場合にはオフセット電圧の変動や焼きつきが生じるが、これは、誘電体膜104の比抵抗が大きすぎるとこの誘電体膜104の表面に電荷が蓄積されすぎてチャージアップするためと推察される。
第2実施例の液晶表示素子70、特に液晶表示素子70の光学多層膜120について、図6を用いて説明する。
図6は、第2実施例の液晶表示素子における光学多層膜を説明するための模式的断面図であり、図1中の光学多層膜及びその近傍部を拡大した拡大図である。
また、光学多層膜120上には、第1の配向膜7が形成されている。
第1の高屈折率膜123及び第2の高屈折率膜125の材料として、屈折率が約2.05nmと低い窒化シリコン(SiN)を除く、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化チタン(TiO2)、及び酸化ジルコン(ZrO2)等を用いることができる。
誘電体膜126の材料として、上述した第1実施例の誘電体膜104と同様に、酸化ニオブ(Nb2O5)、または、酸化ニオブと酸化タンタル(Ta2O5)との混合物等を用いることができる。
第1の低屈折率膜122、第1の高屈折率膜123、第2の低屈折率膜124、第2の高屈折率膜125、及び誘電体膜126は、公知の成膜方法、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法やスパッタ法を用いて形成することができる。
好適な増反射効果を得るためには、読み出し光Lの中心波長λ0に対して、第1の低屈折率膜122,第1の高屈折率膜123,及び第2の低屈折率膜124の光学膜厚ND122,ND123,及びND124をそれぞれ1/4(4分の1)λ0とし、第2の高屈折率膜125と誘電体膜126との合計の光学膜厚ND125を1/4λ0とすることが望ましい。
また、光学多層膜120を上述した構成、即ち光学多層膜120に窒化シリコンを含まない構成としたので、青色帯域(波長430nm〜460nmの範囲)においても90%以上の高い反射率が得られることを確認した。
第3実施例の液晶表示素子80、特に液晶表示素子80の光学多層膜140について、図7を用いて説明する。
図7は、第3実施例の液晶表示素子における光学多層膜を説明するための模式的断面図であり、図1中の光学多層膜及びその近傍部を拡大した拡大図である。
また、光学多層膜140上には、第1の配向膜7が形成されている。
第3実施例では、誘電体膜141を酸化シリコンからなる単一材料膜とし、その物理膜厚を20nmとした。
第4実施例の液晶表示素子90、特に液晶表示素子90の光学多層膜160について、図8を用いて説明する。
図8は、第4実施例の液晶表示素子における光学多層膜を説明するための模式的断面図であり、図1中の光学多層膜及びその近傍部を拡大した拡大図である。
また、光学多層膜160上には、第1の配向膜7が形成されている。
第4実施例では、誘電体膜161を酸化シリコンからなる単一材料膜とし、その物理膜厚を20nmとした。
電気特性として、オフセット電圧における基準値に対する実測値のずれ量(δVos)、青色帯域(波長430nm〜460nmの範囲)の光を照射したときのオフセット電圧の変動の有無、及び素子間におけるδVosのばらつき量を評価した。
青色帯域の光を照射したときにオフセット電圧の変動がなかったものを“○”、あったものを“×”とした。
また、液晶表示素子の焼きつきを防止するためには、素子間におけるδVosのばらつき量が、平均値に対して±(プラスマイナス)10%〜±30%の範囲内であることが好ましく、より好ましくは±10%未満である。
そこで、各素子のサンプル数を20個として、素子間におけるδVosのばらつき量が平均値に対して±(プラスマイナス)10%未満であった場合を“◎”、±10%〜±30%の範囲内であった場合を“○”、±30%の範囲を超えた場合を“×”として評価した。
また、各液晶表示素子50,70,80,90の誘電体膜100,120,140,160の比抵抗がそれぞれ1E9Ωcm,1E11Ω,及び8E12Ωとなるように成膜条件を設定して各液晶表示素子50,70,80,90を作製した。
上述の各液晶表示素子の電気特性の評価結果を表2にまとめた。
また、第3実施例及び第4実施例の各液晶表示素子80,90は、第1実施例及び第2実施例の各液晶表示素子50,70よりも、さらに、素子間におけるδVosのばらつき量が低減されていることを確認した。
図9及び図10は、本発明の液晶表示装置の第5実施例及び第6実施例をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
図9に示すように、液晶表示装置200は、主として、読み出し光Lを出射する光源201と、この光源201から出射された読み出し光Lを反射して偏光すると共に後述の表示光Lxを透過する偏光ビームスプリッタ202と、この偏光ビームスプリッタ202で偏光された読み出し光Lを表示光Lxとして偏光ビームスプリッタ202に向けて反射する上述の各液晶表示素子50,70,80,90のいずれかと、この液晶表示素子50,70,80,90で反射して偏光ビームスプリッタ202を透過した表示光Lxを拡大する投射レンズ203とにより構成されている。
また、投射レンズ203で拡大された表示光Lxは、外部のスクリーン210に画像として投射される。
偏光ビームスプリッタ202は、上述したように、光源201から出射された読み出し光Lを反射して偏光し、液晶表示素子50,70,80,90で反射された表示光Lxを透過する光学部品である。
また、光源201を、赤色成分,緑色成分,及び青色成分を含む光を出射する光源とした場合には、液晶表示素子50,70,80,90の各画素51に対応させて色フィルタをそれぞれ設けることによって、スクリーン210にフルカラーの画像を表示することができる。
まず、第6実施例の液晶表示装置300について説明する。
図10に示すように、液晶表示装置300は、主として、赤色(例えば波長610nm〜700nmの範囲)成分Lr,緑色(例えば波長500nm〜570nmの範囲)成分Lg,及び青色(例えば波長430nm〜460nmの範囲)成分Lbを含む読み出し光Lを出射する光源301と、この光源301から出射された読み出し光Lを色分解して後述する第1〜第3の液晶表示素子302,303,304で変調された各表示光Lxr,Lxg,Lxbを合成する光学ユニット310と、この光学ユニット310で色分解された各色成分のうちの赤色成分Lrを赤色の表示光Lxrに変調する第1の液晶表示素子302と、緑色成分Lgを緑色の表示光Lxgに変調する第2の液晶表示素子303と、青色成分Lbを青色の表示光Lxbに変調する第3の液晶表示素子304とを有する。
また、光源301として、例えば超高圧水銀ランプを用いることができる。
まず、光源301から読み出し光Lを第1の偏光板311に向かって出射する。
読み出し光LのS波の赤色成分Lrは、第1の偏光板311を透過し、第1の偏光ビームスプリッタ321で反射され、第2の偏光板312でその偏向面を90°回転されてP波に変換され、第2の偏光ビームスプリッタ322を透過し、第1の液晶表示素子302でS波の赤色の表示光Lxrに変調される。
また、読み出し光LのS波の緑色成分Lgは、第1の偏光板311でその偏向面を90°回転されてP波に変換され、第1の偏光ビームスプリッタ321及び第3の偏光ビームスプリッタ323を順次透過し、第2の液晶表示素子303でS波の緑色の表示光Lxgに変調される。
また、読み出し光LのS波の青色成分Lbは、第1の偏光板311を透過し、第1の偏光ビームスプリッタ321で反射され、第2の偏光板312を透過し、第2の偏光ビームスプリッタ322で反射され、第3の液晶表示素子304でP波の青色の表示光Lxbに変調される。
また、第2の液晶表示素子303で変調されたS波の緑色の表示光Lxrは、第3の偏光ビームスプリッタ323で反射され、第4の偏光ビームスプリッタ324でさらに反射され、第4の偏光板314でその偏向面を90°回転されてP波に変換される。
また、第3の液晶表示素子304で変調されたp波の青色の表示光Lxrは、第2の偏光ビームスプリッタ322,第3の偏光板313,第4の偏光ビームスプリッタ324,及び第4の偏光板314を順次透過する。
上述した液晶表示装置300には第1実施例〜第4実施例の液晶表示素子50,70,80,90を用いているので、各色成分においてそれぞれ高い反射率を有するため、スクリーンに明るい画像を表示させることができる。
また、液晶40を効率良く駆動させるためには、この誘電体膜141及び誘電体膜161の各物理膜厚は薄い方が好ましいので、上記範囲内で適宜設定すればよい。
Claims (7)
- 光反射性を有する画素電極がマトリクス状に設けられた第1の基板と、
前記第1の基板と所定の間隙を有して対向配置されて前記画素電極と互いに向き合う共通電極を有する第2の基板と、
前記所定の間隙に充填された液晶と、
を備え、
前記第1の基板は、
前記画素電極上に、第1の屈折率を有する第1の光学膜と、前記第1の屈折率よりも大きい第2の屈折率を有する第2の光学膜と、比抵抗が1E9Ωcm〜8E12Ωcmの範囲内である第3の光学膜とが順次積層された光学多層膜である増反射膜と、
前記増反射膜上に形成された配向膜と、
を備えていることを特徴とする液晶表示素子。 - 前記第3の光学膜は、酸化ニオブまたは酸化ニオブと酸化タンタルとの混合物を含んでいることを特徴とする請求項1記載の液晶表示素子。
- 前記増反射膜は、前記第3の光学膜上に積層された、酸化シリコンを含む第4の光学膜をさらに備えていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の液晶表示素子。
- 光反射性を有する画素電極がマトリクス状に設けられた第1の基板と、
前記第1の基板と所定の間隙を有して対向配置されて前記画素電極と互いに向き合う共通電極を有する第2の基板と、
前記所定の間隙に充填された液晶と、
を備え、
前記第1の基板は、
前記画素電極上に、第1の屈折率を有する第1の光学膜と、前記第1の屈折率よりも大きい第2の屈折率を有する第2の光学膜と、前記第2の屈折率よりも小さい第3の屈折率を有する第3の光学膜と、前記第3の屈折率よりも大きい第4の屈折率を有する第4の光学膜と、比抵抗が1E9Ωcm〜8E12Ωcmの範囲内である第5の光学膜とが順次積層された光学多層膜である増反射膜と、
前記増反射膜上に形成された配向膜と、
を備えていることを特徴とする液晶表示素子。 - 前記第5の光学膜は、酸化ニオブまたは酸化ニオブと酸化タンタルとの混合物を含んでいることを特徴とする請求項4記載の液晶表示素子。
- 前記増反射膜は、前記第5の光学膜上に積層された、酸化シリコンを含む第6の光学膜をさらに備えていることを特徴とする請求項4または請求項5記載の液晶表示素子。
- 光源と、
前記光源から照射された光を変調する請求項1〜6のいずれか1項に記載の液晶表示素子と、
を備えていることを特徴とする液晶表示装置。
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