JP4701678B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明はアクティブマトリクス型の液晶表示装置に関する。より詳しくは、液晶パネルに形成された金属配線の不要反射を抑制する技術に関する。

アクティブマトリクス型の液晶表示装置は、基本的にフラットなパネルで構成されている。このパネルは、表側に位置する基板と、裏側に位置する基板と、両基板の間に保持された液晶とで構成されている。アクティブマトリクス型のパネルにはマトリクス状の画素が集積形成されている。各画素は開口部とその周辺の反射部とに別れている。開口部は、裏側から入射した光を変調して表側に出射し、所望の表示を行う。反射部は金属配線などを含んでおり、表側から入射した外光を不要に反射する恐れがある。かかる構成を有する液晶表示装置は、例えば以下の特許文献に記載されている。
特開平０９−０９６８３７号公報 特開２００３−１８６４１３公報 特開２００４−０７００９４公報 特開２００３−２８０５５５公報 特開２００１−１１７０８５公報

現在、アクティブマトリクス型の液晶表示装置は非常に高精細になってきており、画素の微細化が進んでいる。このため、画素に占める開口部の割合（開口率）が低下している。これと反比例して、開口部を囲む信号配線や保持容量配線などの金属配線を含む反射部の占める割合が相対的に増加している。アルミニウムなどからなる金属配線は外光を反射するため、表示コントラストの低下を招き、画面の視認性を悪化するという問題がある。なお、開口部以外を全てブラックマトリクスで遮光すれば、不要反射の問題は軽減するが、パネル全体の透過率が低下し、画面が暗くなってしまう。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明はブラックマトリクスを用いることなく、金属配線の不要反射を抑制可能な液晶表示装置を提供することを目的とする。かかる目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明にかかる液晶表示装置は、表側に位置する基板と、裏側に位置する基板と、両基板の間に保持された液晶とからなるパネルを備え、前記パネルは、裏側から入射した照明光を変調して表側に出射する開口部と、表側から入射した外光を不要に反射する金属配線を含む反射部とを有し、前記反射部のリタデーションが外光の波長の１／４に近づく様調整されており、以って該反射部による外光の不要反射を抑制することを特徴とする。

具体的には、該パネルの表側に位相差板が配されており、該位相差板と該反射部に位置する液晶とを合わせて該リタデーションを外光の波長の１／４に近づく様に調整する。好ましくは、該パネルの裏側にも位相差板が配されており、表裏一対の位相差板と両者の間に位置する液晶とを合わせた該開口部のリタデーションが照明光の波長の１／２に近づく様に調整されている。この場合、前記一対の位相差版はその遅相軸が互いに直交する様に配されているとともに、前記液晶の配向方向が片方の位相差板の遅相軸と一致している。又前記一対の位相差板の少なくとも一方は該液晶の厚み方向であるＺ軸にも位相差を有する。例えば前記位相差板は液晶材料をハイブリッド配向してＺ軸にも位相差をもたせたものである。又前記液晶はその配向方向が該パネルの主視角方向からずれている。又該パネルの表側に偏光板が配されており、外光を直線偏光にして該反射部に入射し、且つ該反射部のリタデーションによって９０度回転して戻ってきた直線偏光を吸収し、以って外光の不要反射を抑制する。

本発明によれば、液晶パネルの反射部のリタデーションが外光の波長の１／４に近づく様に調整されている。以下本明細書では、リタデーションが入射光波長λの１／４にほぼ等しくなる状態を、「λ／４条件を満たす」と表現する場合がある。λ／４条件を満たした反射部に偏光板を組み合わせる事で容易に不要反射を防ぐ事ができる。一方、画素開口部のリタデーションは照明光の波長の１／２に近づく様に調整されている。以下本明細書では、リタデーションが入射光波長λの１／２にほぼ等しい状態を「λ／２条件を満たす」と表現する場合がある。開口部はλ／２条件を満たす事で、表示に必要な透過率を維持改善する事ができる。かかる領域分割的なλ／４条件及びλ／２条件の設定は、パネルの表裏に適切な位相差を有する位相差板を取り付けることで実現される。これにより、液晶パネルの透過率を変化させることなく、信号配線や補助配線上の反射部のリタデーションをλ／４条件とする事で、界面反射を低減している。ブラックマトリクスを使用しなくとも信号配線や保持容量配線などアルミニウム金属配線表面の不要反射を低減する事ができ、自然光や室内照明光など外光下での画面の視認性を改善する事ができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明にかかる液晶表示装置の全体構成を示す模式的な断面図である。図示するように、本液晶表示装置はパネル１を基本構成とし、その表側に偏光板６と裏側に偏光板７が配されている。表裏一対の偏光板６，７は例えばクロスニコルにセットされている。パネル１は、表側に位置する基板２と、裏側に位置する基板３と、両基板２，３の間に保持された液晶４とで構成されている。液晶４は例えばホモジニアス配向されている。なお本発明はこれに限られるものではなく、例えばツイスト配向された液晶４を用いることもできる。

図１は液晶表示装置のほぼ１画素分に相当する断面図である。パネル１の１画素分は図示する様に開口部と反射部とに分かれている。開口部は、裏側から入射した照明光を変調して表側に出射し、所望の表示を行う。なお図示を省略しているが、開口部では液晶４を上下から挟むように透明電極が基板２，３の内表面に配されている。一対の透明電極に電圧を印加することで、開口部の透過率を変化させる。一方、パネル１の反射部には、表側から入射した外光を不用に反射する恐れのある金属配線５が形成されている。この金属配線５は、例えばアルミニウム信号配線や保持容量配線などである。

本発明の特徴事項として、反射部のリタデーションＲ２が、外光の波長の１／４に近づく様調整されており、以って反射部による外光の不要反射を抑制する。具体的には、パネル１の表側に位相差板Ａが配されており、この位相差板Ａと反射部に位置する液晶４とを合わせたリタデーションＲ２が外光の波長の１／４に近づく様に調整されている。例えば、液晶４のリタデーションＲ１は３００ｎｍ程度である。これに対し、位相差板Ａのリタデーションは−１５０ｎｍに設定されている。したがって、液晶４と位相差板Ａを合わせた反射部のリタデーションＲ２は３００ｎｍ−１５０ｎｍ＝１５０ｎｍとなる。これは、白色外光の中央波長（５５０ｎｍ）のほぼ１／４である。即ち、反射部のリタデーションＲ２がλ／４条件を満たすように調整されている。

本実施形態では、パネル１の裏側にも別の位相差板Ｂが配されている。表裏一対の位相差板Ａ，Ｂと両者の間に位置する液晶４とを合わせた開口部のリタデーションＲ３が、照明光の波長の１／２に近づくように調整されている。例えば、位相差板Ｂのリタデーションが９０ｎｍに設定されている。この場合、開口部のリタデーションＲ３は、反射部のリタデーションＲ２＝１５０ｎｍに、位相差板Ｂのリタデーション９０ｎｍを足したものとなり、Ｒ３＝２４０ｎｍである。この値は白色照明光の中央波長λ（５５０ｎｍ）のほぼ半分であり、λ／２条件を満たす様になっている。

リタデーションは、異方性結晶中を通る光線のうち、偏光方向を異にする２つの光線の間の位相差であり、Ｒ＝ｄΔｎで表される。ここでｄは異方性結晶の厚み、Δｎは屈折率異方性である。液晶の場合、厚みｄは一定であるが、屈折率異方性は印加電圧により変化するのでリタデーションＲ１も変化する。上記に例示した液晶４のリタデーションＲ１＝３００ｎｍは、例えば電圧無印加状態での値である。位相差板Ａ，Ｂも結晶性二軸延伸フィルムで構成されており、所定のリタデーション（位相差）を有する。ちなみに、λ／４条件を満たす位相差板をλ／４波長板という。またλ／２条件を満たす位相差板をλ／２波長板と称する。周知のように、λ／４波長板は平面偏光（直線偏光）を円偏光に変換する光学素子である。また、λ／２波長板は直線偏光をこれと直交する直線偏光に変換する光学素子である。

反射部のリタデーションＲ２がλ／４条件を満たすため、光学的にはλ／４波長板と等価である。偏光板６を通過した外光はλ／４波長板を往復で２回通過した後、偏光板６から出射しようとする。これはλ／２波長板を通過した場合と等価であるので、偏光板６から入射した直線偏光はこれと直交した直線偏光となって反射する。しかしながら、この反射直線偏光は偏光板６の透過軸と直交するので、全て偏光板６により吸収される。したがって、反射光はほとんど出射されない事になる。

一方、開口部のリタデーションＲ３はλ／２条件を満たすため、λ／２波長板と等価である。偏光板７を通過した照明光は直線偏光となる。さらにλ／２波長板を通過して偏光方向が９０°回転する。表側の偏光板６は裏側の偏光板７と偏光軸が直交するように配されているので、９０°回転した直線偏光はそのまま偏光板６を通過する。したがっ、電圧無印加の状態で開口部の透過率は非常に高いレベルを維持している。開口部の液晶４に電圧を印加する事で液晶４のリタデーションＲ１が変化し、透過率が変わる。

図２は、図１に示した液晶表示装置を構成する各部品の光学的な配置関係を示す模式的な平面図である。上述したように、表偏光板の透過軸と裏偏光板の透過軸は直交しており、いわゆるクロスニコル配置となっている。一方、一対の位相差板Ａ，Ｂは、その遅相軸が互いに直交する様に配されていると共に、液晶の配向方向（液晶部遅相軸）が片方の位相差板Ｂの遅相軸と一致している。この結果、位相差板Ａの遅相軸は液晶部遅相軸と直交する事になる。前述したように、反射部においては液晶４のリタデーションＲ１に対して位相差板Ａのリタデーションが打ち消すように作用させるので、位相差板Ａの遅相軸と液晶部の遅相軸とが互いに直交している。これに対し開口部では液晶部のリタデーションに対し位相差板Ｂのリタデーションを足し合わせる方向で作用させるので、液晶部遅相軸と位相差板Ｂの遅相軸とが一致している。さらに、表偏光板の透過軸に対し、液晶部の遅相軸が４５°の角度をなすように配されている。これにより、反射部において入射直線偏光を９０°回転して反射直線偏光に変換する事ができる。９０°回転した反射直線偏光は偏光板６の透過軸と直交するので、これにより吸収され不要反射がなくなる。

この様に位相補償モードの液晶表示装置は、一般的に液晶分子の長軸方向（配向方向）の視野角が狭いことが知られている。これをよくする為、位相差板の厚み方向（Ｚ軸方向）にリタデーションをもつ位相差板が好ましい。例えば、Ｚ軸方向に所定のリタデーションをもつ位相差フィルムが、ＮＲＺフィルムとして日東電工から販売されている。この位相差フィルムを位相差板ＡまたはＢの少なくとも一方に用いる事が好ましい。さらには、液晶材料をハイブリッド配向してＺ軸にも位相差をもたせたフィルムがあり、これを用いれば効果が高い。この様に液晶材料をハイブリッド配向した位相差フィルムは、例えばＮＲフィルムやＷＶフィルムとして市販されている。Ｚ軸に位相差を有するフィルムを用いても視野角の改善が不十分な場合、液晶の配向方向（液晶部遅相軸）をパネルの主視角方向からずらす事が効果的である。液晶パネルを主として見る方向（主視角方向）に対して液晶の配向方向を約３０°程度ずらす事で、視野角の悪い部分を目立たなくする手法も効果が高い。また、白表示の色や黒表示時のコントラストに大きな影響があるため、用いる位相差板の波長による位相差の特性の波長分散特性は、液晶相や上下のフィルムで最適化することが好ましい。たとえば、液晶相の波長分散特性が大きい場合、これと位相軸の関係が９０°になるものは波長分散が大きい位相差板を使用し、平行の関係にあるものは小さい波長分散特性とすることが好ましい。

ここで、実際に液晶表示装置を作成して画面のコントラスト並びに視野角を評価してみた。まず、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や透明画素電極を集積形成した基板３と、カラーフィルタや透明対向電極を備えた基板２を用意した。これらの基板３，２の表面に配向膜を形成し、所定の方向にラビング処理した。片方の基板の外周にシール材を塗布した後、両基板３，２を重ね合わせてセルを構成した。なお、ラビング方向（配向方向）は主視角方向から３０°ずらした方向にした。このセルに液晶を真空注入してパネル１を得た。液晶材料の屈折率異方性Δｎ＝０．１００、誘電異方性Δε＝１０、転移温度ＮＩ＝９０℃である。このパネル１に対して図１に示すように位相差板Ａ，Ｂ及び偏光板６，７を取り付けた。表側の位相差板Ａには、位相差が１４５ｎｍのポリカーボネートフィルムを用い、裏側の位相差板Ｂには位相差が９０ｎｍの日石化学製ハイブリッド液晶型位相差フィルムを用いた。外光下で本発明品と従来品とを比較したところ、見栄えに大きな差が見られた。本発明品は外光の不要反射を抑制することで、コントラストに各段の改善が認められた。また、視野角についてもコントラスト５以上が得られる範囲が上下左右とも６０°以上であり、非常に広い視野角範囲が得られた。なお、ホモジニアス配向のサンプルに加え、ツイストネマチック配向のサンプルを作成したが、同様に高コントラストで広視野角の表示デバイスが得られた。

以上説明したように、本発明によれば、信号配線や保持容量配線などを形成するアルミニウム金属配線からの不要反射を低減し、外光下での視認性を改善するため、位相差板を利用している。外光下で問題となる反射部において、位相差板と液晶層とを含めたトータルのリタデーション値をλ／４（λは外光の中心波長で５５０ｎｍ付近）とし、反射光を偏光板で吸収可能とするものである。基本的な構造は図１及び図２に示したとおりである。以下本発明の理解を深めるため、図３ないし図６を参照して、原理的な面を説明する。液晶部はツイスト配向あるいはホモジニアス配向いずれでも可能であるが、ホモジニアス配向のほうが簡単に理解できるので、これに基づいて説明を進める。

ホモジニアス配向した液晶部の印加電圧に対するリタデーション値の変化を図３のグラフに示す。偏光板をクロスニコルにした場合のホモジニアス配向液晶のダイナミックなリタデーション値は、駆動電圧を０Ｖから最大４Ｖまで可変させた場合、２７５ｎｍ〜６０ｎｍとなる。ノーマリーホワイトモードの場合、電圧無印加で透過状態になる。図示のように、０Ｖでリタデーション値を２７５ｎｍにすると、最大透過率（最大輝度）が得られるため好ましい。場合によっては斜め方向から観察した場合の色付きを改善するため、電圧無印加状態での液晶リタデーション値を２２０ｎｍ程度に設計する事もある。なお、ここでは信号配線上の液晶分子が横方向電界でも動かない場合を仮定している。通常フィールド反転駆動では画素間の電位差が大きくないので、信号配線上の液晶分子に横方向電界が加わる事はない。また、画素間隔が比較的広い場合も、横方向電界を考慮する必要はない。

金属配線上のトータルのリタデーション値を５５０ｎｍの１／４＝１３５ｎｍ付近に設計するため、液晶層と９０°方向に遅相軸を持つ位相差板Ａを設け、そのリタデーション値を液晶部のリタデーション値から差し引くことで、トータルのリタデーション値を１３５ｎｍ付近となる様に配置する。例えば、液晶のリタデーション値が２８０ｎｍの場合、１４５ｎｍ程度のリタデーション値を有する位相差板Ａをパネルの表側に配置する。これを配置した場合のリタデーションカーブを図４のグラフに示す。

図示するように、電圧無印加状態で液晶と位相差板Ａとを合わせた反射部のリタデーション値は目標の１３５ｎｍになる。このリタデーション値は印加電圧が高くなるに従い、一度ゼロになり、再びリタデーションが発生するような構成になる。これでは、印加電圧に応じた白黒の表示ができないので、液晶層の遅相軸と平行に位相差板Ｂを配置する。この位相差板Ｂはゼロになってから発生する分の位相差を有し、液晶層の遅相軸と平行でパネルの裏側に配置する。この様な構成をとった場合の開口部におけるリタデーションを図５のグラフに示す。印加電圧０Ｖで開口部のリタデーション値は２２０ｎｍで白表示が得られる。一方４Ｖの印加電圧で開口部のリタデーションが消滅し、黒表示が得られる。

これを透過率曲線に直すと図６のグラフの様になり、金属配線からの不要反射を抑制しつつ、表示画素部の透過率が高く、コントラストの非常に良好な表示デバイスが得られる。

次に、画素間に作用する横方向電界によって液晶分子が動く場合について説明する。図７に示すように、互いに隣り合う画素開口の境に信号配線５が形成されている。液晶４は信号配線５と平行に配向している。位相差板Ａの遅相軸はこの液晶４の配向方向と直交するように設定されている。表側偏光板の透過軸は前述したように位相差板Ａの遅相軸と４５°の角度をなして配されている。図示するように、隣り合う画素間で生じる横方向電界によって、信号配線５上の液晶分子は配向方向がずれてしまう。この様な横方向電界は例えばドット反転駆動などで生じる。横方向電界の作用によって、液晶４は透過率が小さくなる方向にずれ、且つ信号配線上のリタデーションも小さい方向に動く。したがって、横方向電界の影響を受ける信号配線上の液晶は透過率が低くなり、不要反射を抑制するように作用する。したがって、仮に横方向電界が作用しても不要反射を抑制する方向に働くので、本発明の構成は有効である。

アクティブマトリクス型の液晶表示装置では、不要反射の原因となる部分として、信号配線の他に保持容量部の配線が考えられる。図８は、画素開口に設けた保持容量を模式的に示す平面図である。隣り合う信号配線５で囲まれた画素開口には、一般に保持容量（ＣＳ部）が形成されている。この保持容量の電極には、透明画素電極とほぼ同じ電位がかかる。この電圧がかかった状態では残留リタデーションが発生するため、λ／４条件から若干ずれてしまう。

図９は、その対策を示すパネル１の模式的な断面図である。一対の基板２，３の間に液晶４が保持されている。ここでは、ＣＳ部に段差を設けることで、他の部分と液晶４の厚みが異なる様にしている。ＣＳ部の上に位置する液晶４の厚みを適切に設定して、この部分のリタデーション値をλ／４条件にするとよい。これにより、ＣＳ部における不要反射を抑制する事ができる。場合によっては、表側に配された位相差板Ａのリタデーション値を信号配線上と保持容量配線上との中間的なレベルに設定する事も可能である。

最後に図１０は、保持容量ＣＳや薄膜トランジスタＴＦＴを集積形成したアクティブマトリクス型液晶表示装置の一例を示しておく。図示するように、表示装置は、マトリクス状の画素を形成するための基板３と、各画素を駆動するために基板３に形成された薄膜トランジスタＴＦＴとからなる。各画素は透明画素電極ＰＥにより形成されるものであって、入射した光を薄膜トランジスタＴＦＴによる駆動に応じて変調し且つ変調した光を出射する開口を有する。画素電極ＰＥはＩＴＯなどの透明導電膜からなり、ほぼ全域が開口を形成している。薄膜トランジスタＴＦＴは、ポリシリコンなどの半導体薄膜ＳＬからなる活性層と、活性層に上下から重なる多層の絶縁膜１１ないし１５とを有する。

基板３は石英もしくはガラスなどの透明板材料からなり、その表面は二層の層間絶縁膜１１，１２で覆われている。層間絶縁膜１１，１２はＳｉＯ_２からなり、バッファ層として機能する。層間絶縁膜１１，１２の間にＷＳｉなどからなる遮光層１７が形成されている。層間絶縁膜１２の上にはポリシリコンからなる半導体薄膜ＳＬが形成されている。その上にはゲート絶縁膜１９を介してゲート電極２０が形成されており、いわゆるＴＦＴを構成している。ゲート絶縁膜１９は例えば熱酸化膜からなり、ゲート電極２０は例えばポリシリコンにリンをドープして低抵抗化した電極材料である。基板３にはＴＦＴに加え保持容量ＣＳも形成されている。保持容量ＣＳは半導体薄膜ＳＬを一方の電極とし、熱酸化膜１９ａを介してその上に重ねられたリンドープポリシリコン２０ａを他方の電極とする。ＴＦＴ及びＣＳは層間絶縁膜１３により被覆されている。その上にソース電極５及びドレイン電極２２が金属アルミニウムなどで形成されている。このソース電極５は信号配線の一部を構成している。ソース電極５及びドレイン電極２２は層間絶縁膜１４により被覆されており、その上に金属チタン膜２３が形成されている。金属チタン膜２３は層間絶縁膜１５により被覆されており、その上に前述した透明画素電極ＰＥが形成されている。画素電極ＰＥは金属チタン膜２３を介してドレイン電極２２に電気接続している。層間絶縁膜１３，１４，１５はＳｉＯ_２などの透明酸化膜で形成されている。最上層の層間絶縁膜１５は平坦化層として機能し、ＴＦＴやＣＳの凹凸を埋め平坦化された表面に画素電極ＰＥが形成される。

本発明にかかる液晶表示装置の実施形態を示す模式的な断面図である。 同じく本発明にかかる液晶表示装置の工学的な構成を示す模式的な平面図である。 本発明にかかる液晶表示装置の動作説明に供するグラフである。 同じく動作説明に供するグラフである。 同じく動作説明に供するグラフである。 同じく動作説明に供するグラフである。 同じく動作説明に供する模式図である。 同じく動作説明に供する平面図である。 同じく動作説明に供する断面図である。 本発明にかかる液晶表示装置の具体例を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１・・・パネル、２・・・基板、３・・・基板、４・・・液晶、５・・・配線、６・・・偏光板、７・・・偏光板、Ａ・・・位相差板、Ｂ・・・位相差板

Claims (6)

1. 表側に位置する基板と、裏側に位置する基板と、両基板の間に保持された液晶とから成るパネルを備え、
   該パネルは、裏側から入射した照明光を変調して表側に出射する開口部と、表側から入射した外光を不要に反射する金属配線を含む反射部とを有し、
   該パネルの表側に位相差板が配されており、該位相差板と該反射部に位置する液晶とを合わせてリタデーションが外光の波長の１／４に近づく様に調整されており、且つ、該パネルの表側に偏光板が配されており、外光を直線偏光にして該反射部に入射させ、リタデーションによって９０度回転して戻ってきた直線偏光を吸収し、以て、該反射部による外光の不要反射を抑制することを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記パネルの裏側にも位相差板が配されており、表裏一対の位相差板と両者の間に位置する液晶とを合わせた前記開口部のリタデーションが照明光の波長の１／２に近づく様に調整されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記一対の位相差板はその遅相軸が互いに直交する様に配されているとともに、前記液晶の配向方向が片方の位相差板の遅相軸と一致していることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記一対の位相差板の少なくとも一方は前記液晶の厚み方向であるＺ軸にも位相差を有することを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
5. 前記位相差板は液晶材料をハイブリッド配向してＺ軸にも位相差をもたせたものであることを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置。
6. 前記液晶はその配向方向が前記パネルの主視角方向からずれていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。

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