JP4548848B2 - 半透過半反射ｔｎ型の液晶ディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイに関し、特に、半透過半反射型の液晶ディスプレイに関するものである。

液晶ディスプレイ（以下、ＬＣＤと略す）は薄型で低消費電力であることから、例えば、携帯型パソコン、デジタルカメラ、投影機などの電子製品で広く用いられている。一般的にＬＣＤは、透過型、反射型、半透過型に分けられる。透過型ＬＣＤは、バックライトモジュールを光源として用いており、反射型ＬＣＤパネルは、環境光を光源として用いている。半透過型ＬＣＤパネルは、バックライトモジュール及び環境光の両方を光源として用いている。

従来技術では、図１に示すように、カラーＬＣＤパネル１は、二次元アレイの画素１０を有する。各画素１０は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三原色からなる複数のサブピクセルをそれぞれ含み、それぞれのカラーフィルターを用いることで、３原色を形成する。

図２は、従来の半透過型ＬＣＤパネルの画素構造の平面図を表しており、画素１０の画素域は、赤色のサブピクセル１００Ｒ、緑色のサブピクセル1００Ｇと、青色のサブピクセル１００Ｂの３つの領域に分けられることができる。それらの各サブピクセルは、更に透過域（ＴＡ）と反射域（ＲＡ）とに分けられる。（特許文献１参照）

図３は、従来の典型的なサブピクセル１００を表しており、上層構造、下層構造と、その上層構造と下層構造との間に配置された液晶層１９０を含んでいる。上層構造は、偏光板１２０、１／２波長板１３０、１／４波長板１４０、カラーフィルター（未表示）と、上電極１５０を含む。上電極１５０は、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）などの実質的に透明な材料より構成される。下層構造は、透過型電極１７０と反射型電極１６０とを有する電極層を含む。透過型電極１７０は、ＩＴＯなどの透明材料より構成される。反射型電極１６０はまた、反射鏡として用いられ、１つ、または１つ以上の反射金属、例えば、アルミニウム、銀、クロム、モリブデン、チタンと、ＡｌＮｄ（アルミニウムネオジム）などの金属より構成される。下層構造は、保護層１８０、素子層２００、１／４波長板１４２、１／２波長板１３２及び偏光板１２２を含む。また、透過型電極１７０は、コネクタ１８４によって素子層２００に電気的に接続され、反射型電極１６０は、コネクタ１８２によって素子層２００に電気的に接続される。

図３に示す透過域では、バックライトモジュールからの光が下層構造を通過して画素域へ進み、続いて液晶層と上層構造とを通過する。また、反射域では、光が反射電極１６０で反射される前に、まず上層構造と液晶層とを通過する。

図３に示すサブピクセル構造は、シングルギャップ（ｓｉｎｇｌｅ−ｇａｐ）構造からなる。シングルギャップの半透過型ＬＣＤの主な問題点は、同じ電圧範囲内において、透過電極の透過率（Ｖ-Ｔ曲線；Ｖは電圧、Ｔは透過率）と反射電極の反射率（Ｖ-Ｒ曲線；Ｖは電圧、Ｒは反射率）との最大値が同時に達成できないことである。よって、透過率がより大きな値に達した時、反射率は、反転を生じる。

この反転問題を解決するために、デュアルギャップ（ｄｕａｌ−ｇａｐ）の構造が半透過型ＬＣＤに用いられている。図４に示すように、従来のデュアルギャップの半透過型ＬＣＤでは、反射域のギャップＧ_Ｒは、透過域のギャップＧ_Ｔの半分である。従って、反射域の液晶層１９０の厚さは、透過域の液晶層１９０の厚さの２分の１である。よって、ＬＣＤの透過率と反射率は一致（ｍａｔｃｈ）する。（特許文献２参照）

図５Ａと図５Ｂは、ノーマリホワイト・モジュレイテッド・ツイスト・ネマチック（以下、ＮＷ−ＭＴＮと略す）ＬＣＤを表している。図５Ａに示すように、液晶層１９０を通過した駆動電圧が低い時、その液晶層１９０の液晶分子は、上電極１５０の表面に沿って配列されることで、液晶層１９０は、透過域と反射域の両方で１／２波長板として機能することができる。液晶層１９０を通過した駆動電圧が高い時、液晶層は、１／２波長板として機能しなくなる。図５Ｂに示すように、液晶層１９０は、液晶層を通過する光線の偏光状態を変えない。

デュアルギャップの半透過型ＬＣＤの光学特性が、シングルギャップの半透過型ＬＣＤよりも優れているとはいえ、デュアルギャップの半透過型ＬＣＤの反射域と透過域の間隔（ｇａｐ）の製造プロセスは、非常に複雑である。また、デュアルギャップの半透過型ＬＣＤの生産収率もしくは歩留は、シングルギャップの半透過型ＬＣＤの場合よりも低い。
特開２００４−１５７５０９号明細書 特開２００４−１９９０３０号明細書

本発明は、シングルギャップとデュアルギャップとの半透過半反射型の長所を兼ね備えた半透過半反射型ＬＣＤを提供する。

本発明の半透過半反射型ＬＣＤは、主にシングルギャップの構造に基づいて製造プロセスを簡素化している。本発明のＬＣＤはまた、透過域の透過率と反射域の反射率とを明暗の２つの状態で一致させることが好ましい。また、透過域と反射域で異なる駆動電圧を用いることによって、透過域と反射域とにおける液晶層の光学特性に異なる変化を生じさせることが好ましい。特に、明るい状態では、透過域と反射域の液晶層は、１／２波長板として用いられ、通過する光の直線偏光軸を変えることが好ましい。暗い状態では、透過域の液晶層は、偏光軸に影響しないが反射域の液晶層は、１／４波長板として用いられる。よって、本発明は、追加の１／２波長板と１／４波長板を必要としない。

明るい状態と暗い状態の変換の間、透過域の液晶層に供給された電圧の変化量は、反射域の液晶層に供給された電圧の変化量の二倍が好ましい。このような電圧の変化量を達成するために、透過域と反射域の電極に異なる電圧を供給することが好ましく、反射域に誘電体層を配置し、反射域の液晶層を通過する電圧を下げることが好ましい。

本発明の半透過半反射型のＬＣＤによれば、シングルギャップとデュアルギャップの半透過半反射型の長所を兼ね備えたＬＣＤを提供することができる。

本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。

従来技術と異なり、本発明は、追加の１／２波長板と１／４波長板を用いて光線の偏光状態を変えていない。よって、本発明は、シングルギャップの構造を用いて、透過域の透過率と反射域の反射率を互いに一致させるものである。図６Ａと図６Ｂは、本発明によるＬＣＤ１００のシングルギャップの二種類の異なる状態を表している。図６Ａに示すように、半透過型ＬＣＤ１００が明るい状態の時、液晶層１９０の液晶分子の配向は、上電極１５０、反射型電極１６０及び透過型電極１７０にほぼ平行となる。このような状態の時、液晶層は、１／２波長板として用いられるため、直線偏光の光線の偏光軸は９０度、またはその他の角度に変えられることもできる。

尚、図６Ａ及び図６Ｂは、いずれも、上側に配置される基板を第１基板（不図示）とし、下側に配置される基板を第２基板（不図示）ということもできる。（以下、図８Ａないし図１０のいずれについても同様である。）このため、第１基板に配置された偏向板を第１偏光板、第２基板に配置された偏向版を第２偏光板ということもできる。そして、第１偏光板は第１偏光軸を、第２偏光板は第２偏光軸を、それぞれ有している。

一方、暗い状態では、透過域の液晶層に供給された電圧により、液晶分子は上電極１５０（もしくは第１電極）と透過型電極１７０とにほぼ垂直に配向される。従って、透過域の液晶層１９０は、直線偏光の光線の偏光軸を変えない。尚、透過域の液晶層に供給される電圧を、以下、第１電圧ということもできる。しかしながら、反射域の液晶層に供給された電圧は、透過域の液晶層に供給された電圧（もしくは第１電極）の約半分であるため、反射域の液晶分子は傾斜され、反射域の液晶層は１／４波長板のように機能され、入射光線が液晶層を通過した後、直線偏光の光線から円偏光の光線に変換される。よって、図６Ｂに示すように、反射光線の偏光軸は、入射光線の偏光軸と９０度異なる。

尚、反射域の液晶層に供給された電圧を、以下、第２電圧ということもできる。また、透過域の液晶層に第１電圧が供給される操作状態を第１操作状態といい、反射域の液晶層に第２電圧が供給される操作状態を第２操作状態ということもできる。そして、第１操作状態、第２操作状態を実行することにより、本発明の半透過半反射型ＬＣＤを作動させることができる。また、本発明は第１電圧と第２電圧とを操作しうる構造を有しているので、電圧を共用する構造ということもできる（図８Ａないし図１０のいずれについても同様である）。そして、透過域における液晶層の厚さを第１厚さ、反射域における液晶層の厚さを第２厚さということもできる（図８Ａないし図１０のいずれについても同様である）。

本発明の半透過型ＬＣＤ１００が明暗状態の変換の間、透過域の液晶層の偏光特性での変化は、１／２波長板の効果と同じである。しかし、反射域の液晶層の偏光特性での変化は、１／４波長板の効果と同じである。光学効果で言えば、本発明のシングルギャップの半透過型ＬＣＤは、従来技術のデュアルギャップの半透過型ＬＣＤと同じである。

図７Ａと図７Ｂは、従来技術のデュアルギャップの半透過型ＬＣＤであり、透過域の透過率と反射域の反射率が電圧に基づいて変化した時の不一致（ｍｉｓｍａｔｃｈ）を表している。すなわち、図７Ａより、供給された電圧が約０．８Ｖないし０．９Ｖまでは、透過域の透過率は約０．３３で一定であるが、電圧が約０．８Ｖ以上になると、しだいに減少し、約３．５Ｖで透過率は０に至る。また、図７Ｂより、供給された電圧が５．０Ｖ以下の範囲内において、反射域の反射率は電圧が約１．９Ｖで極大値約０．３４を有している。

しかしながら、図７Ｃに示すように、本発明のシングルギャップにおけるＬＣＤの電圧対反射率の曲線と図７Ａに示す電圧対透過率の曲線は、非常に一致し、反射率は、供給された電圧の関数である。すなわち、図７Ｃより、本発明の供給された電圧が０．８Ｖないし１．０Ｖまでは、反射率が０．３４ないし０．３３程度に減少し、電圧が１．０Ｖないし２．０Ｖの範囲では急に減少している。

図６Ａと図６Ｂとを比べると明らかなように、光線が半透過型ＬＣＤ１００の透過域の液晶層を通過した時、明るい状態と暗い状態の光線の偏光軸の方位の違いは９０度であるが、光線が反射域にある時、２倍の距離で進まなければ、前記偏光軸の方位の違いを達成することができない。

また、図７Ａと図７Ｂとに示すように、従来技術のＮＷ−ＭＴＮのＬＣＤでは、光線が液晶層１９０に入射後、円偏光になるが、本発明のＮＷ−ＭＴＮのＬＣＤでは、光線が液晶層１９０に入射後、直線偏光になる。図３と図５Ｂとに示すように、従来技術のモジュレイテッド・ツイスト・ネマチック（以下、ＭＴＮと略す）のＬＣＤでは、２つの１／２波長板と２つの１／４波長板を使用しなければならないが、本発明のＭＴＮのＬＣＤでは、１／２波長板と１／４波長板が不要である。

透過域と反射域で異なる偏光の変化量を得るために、反射域の液晶層１９０に供給される電圧は、透過域の液晶層１９０に供給される電圧より小さくなければならない。反射域の液晶層１９０の電圧は、透過域の液晶層１９０に供給される電圧の１／２が好ましい。本発明は各種の方法を用いて異なる電圧を供給することができる。例えば、反射型電極１６０の上部にほぼ透明の誘電体層２２０を配置し、反射域の液晶層に供給された電圧を大幅に低下させることができる。図８Ａに示すように、一部の保護層１８０は、反射型電極１６０’を覆うため、仮に反射型電極１６０と透過型電極１７０とに同じ電圧を供給する時、透過域と反射域の液晶分子の配向も異なることになる。

もう一つの実施例としては、一部の上電極１５０がほぼ透明の誘電体層２２０によって覆われることで反射域の液晶層の電圧を低下することができる。図８Ｂに示すように、基板２１０の上電極領域１５２は、誘電体層２２０が覆い、上電極領域１５４は、液晶層１９０に露出される。この実施例では、反射型電極１６０は、誘電体層２２０を覆う必要がない。図８Ａ及び図８Ｂの場合、反射型電極と透過型電極は、同じ電圧源（Ｖ）に接続される。すなわち、図８Ａ及び図８Ｂの場合、透過型電極は第１電圧源に電気的に接続され、反射型電極は第２電圧源に電気的に接続されるが、この両者の場合、第１電圧源と第２電圧源とは、更に、電気的に接続されている。

図８Ｃに示すように、本発明の異なる更にもう一つの実施例では、反射型電極と透過型電極とに異なる電圧を供給することができる。すなわち、図８Ｃの場合は、透過型電極は第１電圧源に、反射型電極は第２電圧源に、それぞれ電気的に接続されるが、第１電圧源と第２電圧源とは、互いに非接触で独立にされている。また、第１電圧源の第１電圧は第２電圧源の第２電圧の２倍の電圧が供給される。そして、図８Ａないし図８Ｃのいずれに関しても、上電極（もしくは第１電極）は、共通電極（Ｖｃｏｍ）とすることができ、共通電圧源（Ｖｃｏｍ）に電気的に接続されている。

図６Ａと図６Ｂとに示す実施例は、より改善されてその画質を向上することができる。例えば、図９Ａと図９Ｂに示すように、上側の偏光板１２０と上電極１５０との間に１／２波長板１３０を配置することで反射カラーの品質を改善することができる。尚、図９Ａは、ＬＣＤが「明るい」状態で操作されている場合の本発明の異なる実施例の概略図であり、図９Ｂは「暗い」状態で操作されている場合の本発明の異なる実施例の概略図である。

また、図１０にもう一つの実施例を示すように、例えば、単軸方向薄膜（ｕｎｉａｘｉａｌ ｆｉｌｍ）と双軸方向薄膜（ｂｉａｘｉａｌ ｆｉｌｍ）、もしくは液晶薄膜などの調節板２３０を下側の偏光板１２２と透過型電極１７０との間に配置して透過域のコントラストを改善することができる。

以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することは可能である。従って、本発明が保護を請求する範囲は、特許請求の範囲を基準とする。

従来のカラーＬＣＤパネルの概略図である。 従来のカラーＬＣＤパネルの画素の概略の平面図である。 従来のシングルギャップのＬＣＤにおけるサブピクセルの断面図である。 従来のデュアルギャップのＬＣＤにおけるサブピクセルの断面図である。 ＬＣＤが「明るい」状態で操作されている時の従来のＮＷ−ＭＴＮのデュアルギャップのＬＣＤにおける光束の偏光状態を表す概略図である。 「暗い」状態で操作されている時の図５Ａの従来のＬＣＤにおける光束の偏光状態を表す概略図である。 ＬＣＤが「明るい」状態で操作されている時の本発明のＮＷ−ＭＴＮのシングルギャップのＬＣＤにおける光束の偏光状態を表す概略図である。 「暗い」状態で操作されている時の本発明のＮＷ−ＭＴＮのシングルギャップのＬＣＤにおける光束の偏光状態を表す概略図である。 従来のシングルギャップのＬＣＤにおける透過率対電圧の関係図である。 従来のシングルギャップのＬＣＤにおける反射率対電圧の関係図である。 本発明のシングルギャップのＬＣＤにおける反射率対電圧をシミュレートした関係図である。 透過域と反射域で異なる電圧を達成する本発明の実施例の概略図である。 透過域と反射域で異なる電圧を達成する本発明のもう一つの実施例の概略図である。 透過域と反射域で異なる電圧を加えた本発明のもう一つの実施例の概略図である。 ＬＣＤが「明るい」状態で操作されている時の本発明の異なる実施例の概略図である。 「暗い」状態で操作されている時の本発明の異なる実施例の概略図である。 本発明のもう一つの実施例である。

符号の説明

１００ サブピクセル
１２０、１２２ 偏光板
１３０、１３２ １／２波長板
１４０、１４２ １／４波長板
１５０ 上電極
１５２、１５４ 上電極領域
１６０、１６０’ 反射型電極
１７０ 透過型電極
１８０ 保護層
１８２、１８４ コネクタ
１９０ 液晶層
２００ 素子層
２１０ 基板
２２０ 誘電体層

Claims (7)

1. 明るい状態と暗い状態とで作動できるシングルギャップの半透過半反射ＴＮ型液晶ディスプレイであって、
   第１基板、
   前記第１基板に対向して配置された第２基板、
   前記第１基板に配置された上側の偏光板、
   前記第１基板の前記第２基板に対向する面に配置された透明な上電極、
   前記第１基板と前記第２基板との間に配置され、複数の画素を有し、前記各画素は透過域と反射域とを有し、前記透過域では、前記第２基板から入射した光線は前記第１基板より離れ、前記反射域では、前記第１基板から入射した光線は反射され、前記第１基板より離れる液晶層、
   前記第２基板の前記第１基板に対向する面に配置された、前記透過域の前記液晶層に第１電圧が供給される透過型電極、
   前記第２基板の前記第１基板に対向する面に配置された、前記反射域の前記液晶層に前記第１電圧より小さい第２電圧が供給される反射型電極、および
   前記反射域での前記上電極を覆い、前記透過域での前記上電極を覆わない誘電体層を含み、
   前記反射型電極と前記透過型電極とは同じ電圧源に接続され、
   前記明るい状態で作動されている時、前記液晶層の液晶分子の配向は前記上電極、前記反射型電極および前記透過型電極に平行になり、
   前記暗い状態で作動されている時、前記透過域の液晶層の液晶分子は前記第１電圧により前記上電極と前記透過型電極に垂直に配向され、前記反射域の液晶層の液晶分子は、前記誘電体層によって前記第１電圧より小さい第２電圧により傾斜されるシングルギャップの半透過半反射ＴＮ型液晶ディスプレイ。
2. 前記第２基板の上に配置された下側の偏光板を更に含む請求項１に記載のシングルギャップの半透過半反射ＴＮ型液晶ディスプレイ。
3. 前記上側の偏光板と前記上電極との間に配置される１／２波長板を更に含む請求項１に記載のシングルギャップの半透過半反射ＴＮ型液晶ディスプレイ。
4. 前記第２基板の上に配置された下側の偏光板を更に含む請求項３に記載のシングルギャップの半透過半反射ＴＮ型液晶ディスプレイ。
5. 前記下側の偏光板と前記透過型電極との間に配置される調節板を更に含む請求項２に記載のシングルギャップの半透過半反射ＴＮ型液晶ディスプレイ。
6. 前記調節板は単軸方向薄膜、双軸方向薄膜、若しくは液晶薄膜である請求項５に記載のシングルギャップの半透過半反射ＴＮ型液晶ディスプレイ。
7. 前記第１電圧は、前記第２電圧の約２倍であることにより、前記反射域の前記液晶層は、前記暗い状態で作動されているときに１／４波長板の効果と同じである、請求項１に記載のシングルギャップの半透過半反射ＴＮ型液晶ディスプレイ。

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