JP5103705B2

JP5103705B2 - 液晶表示素子および投射型表示装置

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Publication number: JP5103705B2
Application number: JP2004131862A
Authority: JP
Inventors: 環原野; 孝平川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2024-04-27
Also published as: JP2005316001A

Description

本発明は、液晶表示素子および投射型表示装置に関し、特に透過型の液晶表示素子とそれを用いて構成された投射型表示装置に関するものである。

液晶表示素子（以下ＬＣＤという）は、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）よりも、薄型、軽量、低消費電力といった利点を有しており、パーソナルコンピュータ、携帯電話、デジタルカメラなど、様々な電子機器の表示装置に使用されている。

さらには、液晶プロジェクタなどの投射型表示装置におけるライトバルブとしても使用されている。
液晶プロジェクタでは、例えば、光源から出射される光を赤、緑、青に分離し、各色光をＬＣＤにより構成されている３つのライトバルブにより変調し、変調された後の色光束を再び合成して、投射面に拡大投射している。

ＣＲＴに匹敵するような大容量の表示に適した上記の液晶表示素子の駆動方式として、薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴという）駆動によるアクティブマトリクス駆動方式が広く用いられている。
アクティブマトリクス駆動方式のＬＣＤのほとんどは、ネマティック液晶が用いられており、主な表示方式としては、旋光モードのＬＣＤがある。旋光モードのＬＣＤでは、９０度捩れた分子配列を持つツイステッドネマティック（ＴＮ型）液晶であり、原理的に白黒表示で、高いコントラスト比と良好な階調表示性を示す。

図５は上記のようなＬＣＤの構成を示す概略断面図である。
ＴＦＴアレイ基板１として、第１基板１０の一方の面上に、複数のマトリクス状に配置された画素毎にスイッチング用のＴＦＴなどが形成され、これに接続してＩＴＯ膜などからなる画素電極１１が構成されている。
また、対向基板２として、第２基板２０の一方の面上に必要に応じて不図示のカラーフィルタが形成され、それらを被覆して全面に対向電極２１が形成されている。
また、ＴＦＴアレイ基板１と対向基板２の必要な箇所に不図示の位相差板や偏光板などが形成されている。
上記のＴＦＴアレイ基板１と対向基板２がシール材で貼り合わされ、その間隙に液晶層３が封入および挟持されている。

上記のようなＬＣＤにおいては、画素電極１１と対向電極２１間に印加する電圧により液晶の傾きを変え、透過率を制御し階調のある画像を形成する。
液晶は直流的な電圧を印加し続けると表示が劣化するため、画像信号としては、例えば１Ｈ（Ｈは水平走査期間）反転駆動方式などにより交流駆動される。この交流駆動では、駆動電圧の高さ（振幅の大きさ）により液晶の色レベル（階調）が変化し、例えばノーマリーホワイト方式の液晶においては、液晶の配向が最大となる電圧Ｖ_L（例えば４．５〜５Ｖ）を与えることにより黒レベルを得、電圧をＶ_S（例えば１Ｖ）以下の最小電圧にすることにより液晶の配向が最小となって白レベルを得、その中間の電圧Ｖ_M（例えば２〜３Ｖ）により、グレーレベルを得る。

ところで、上記の液晶プロジェクタ用などのＬＣＤにおいて、ストライプドメインと呼ばれる現象が発生することがある。
ストライプドメインとは、例えば画像信号を黒レベルからグレーレベルへと印加電圧を小さくしても、特定の場所においては液晶のヒステリシス特性によって配向状態が追随せず、小さくした電圧に従った偏向に戻らずに黒いラインとして残ってしまうという、液晶の異常配向がストライプ状に発生する現象である。
このような異常配向は一度発生するとなかなか解消せず、例えば画像信号の振幅を小さくして白表示状態にした段階でやっとストライプドメイン状態から開放される。

図６は液晶表示画面全体におけるストライプドメインの画像を示す正面図である。
例えば、ノーマリーホワイト方式では、表示面ＤＰ全面にグレーを表示した状態の中で、ストライプドメインＳＤは黒いラインとして現れる。ノーマリーブラック方式のＬＣＤでは逆の現象となり、表示面ＤＰ全面にグレーを表示した状態の中で、ストライプドメインＳＤは白いラインとして現れる。

ストライプドメインの原因の一つとして、１Ｈ反転時に、隣り合う画素電極間で電位が異なることにより、これらの画素電極間に電界が発生することが考えられている。
図７は上記のストライプドメインについて説明する模式図である。
１Ｈ反転駆動により、ＴＦＴアレイ基板に形成された隣り合う画素電極（１１ａ，１１ｂ）が互いに異なる電位となる状態が発生する。通常は、液晶分子３ａは画素電極（１１ａ，１１ｂ）と対向電極２１の間に発生する電界に沿って配向するが、上記のように画素電極（１１ａ，１１ｂ）間に大きな電界が生じたときには、この電界に沿って配向してしまうものであり、図に示すように、例えば画素電極１１ａの領域では垂直に配向し、画素電極１１ｂの領域では斜めに配向した状態としているときに、画素電極１１ａとの間に発生した電界により、画素電極１１ｂの領域においても画素電極１１ａ側のエッジの部分で液晶分子３ａが垂直に配向してしまう。

上記のストライプドメインに関して、従来はＬＣＤパネルの基板間ギャップを狭くしたり、透明電極４，５を形成するＴＦＴのパターンを工夫したりして、ストライプドメインが出にくい設計やプロセスにして対応していた。

また、ストライプドメインのその他の原因として、電源立ち上げ時に大きな電圧が印加されてしまうことが考えられる。
上記の考えに着目して、特許文献１には、画素電極と対向電極に電圧を印加するタイミングをずらすことでストライプドメインの発生を抑制する技術が開示されている。

しかし、近年では、高コントラスト化を達成するために画像信号の高振幅化に対する要求が強まってきており、上記の１Ｈ反転時に発生するストライプドメインがますます発生しやすくなってきている。このようなストライプドメインは、上記の方法や特許文献１に記載の方法で対応することは困難である。
また、液晶表示素子の高画素化と小型化を実現するため、画素電極間の間隔が狭くなってきていることからも、ストライプドメインへのマージンがさらに減ってきている状況となっている。
特開２００３−２８０６１２号公報

解決しようとする問題点は、液晶表示素子およびそれを用いた投射型表示装置において、コントラストを高めるために駆動電圧を高くするとストライプドメインが発生しやすくなるという点である。

本発明の液晶表示素子は、複数の画素が集積されてなる液晶表示素子であって、第１基板と、前記第１基板に前記画素毎に形成された複数の画素電極と、複数の前記画素電極の間の領域の少なくとも一部において前記第１基板に形成された誘電膜と、第２基板と、前記第２基板に形成された対向電極と、前記誘電膜と前記対向電極とが対向するように前記第１基板と前記第２基板が貼り合わされてなる前記誘電膜と前記対向電極間の空隙に封入された液晶層とを有する。

上記の本発明の液晶表示素子は、画素毎に複数の画素電極が形成され、この複数の画素電極の間の領域の少なくとも一部において誘電膜が形成された第１基板と、対向電極が形成された第２基板とが、誘電膜と対向電極とが対向するように貼り合わされており、両基板が貼り合わされてなる誘電膜と対向電極間の空隙に液晶層が封入されてなる。

また、本発明の投射型表示装置は、光源と、前記光源から出射された光を液晶表示素子に導く集光光学系と、前記液晶表示素子で光変調した光を拡大して投射する投射光学系とを有し、前記液晶表示素子は、複数の画素が集積されてなる液晶表示素子であって、第１基板と、前記第１基板に前記画素毎に形成された複数の画素電極と、複数の前記画素電極の間の領域の少なくとも一部において前記第１基板に形成された誘電膜と、第２基板と、前記第２基板に形成された対向電極と、前記誘電膜と前記対向電極とが対向するように前記第１基板と前記第２基板が貼り合わされてなる前記誘電膜と前記対向電極間の空隙に封入された液晶層とを有する。

上記の本発明の投射型表示装置は、光源と、光源から出射された光を液晶表示素子に導く集光光学系と、液晶表示素子で光変調した光を拡大して投射する投射光学系とを有する。
ここで、上記の液晶表示素子は、画素毎に複数の画素電極が形成され、この複数の画素電極の間の領域の少なくとも一部において誘電膜が形成された第１基板と、対向電極が形成された第２基板とが、誘電膜と対向電極とが対向するように貼り合わされており、両基板が貼り合わされてなる誘電膜と対向電極間の空隙に液晶層が封入されてなる。

本発明の液晶表示素子は、複数の画素電極の間の領域の少なくとも一部に誘電膜が形成されていることから、ストライプドメインの発生が抑制されており、これによって駆動電圧を高くしてコントラストを高めることができる。

本発明の投射型表示装置は、組み込んでいる液晶表示素子において、複数の画素電極の間の領域の少なくとも一部に誘電膜が形成されていることから、ストライプドメインの発生が抑制されており、これによって駆動電圧を高くしてコントラストを高めることができる。

以下に、本発明の透過型の液晶表示素子およびこれを用いた投射型表示装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態
図１は本実施形態に係る液晶表示素子（ＬＣＤ）の構成を示す概略断面図である。
本実施形態に係るＬＣＤは、例えば投射型表示装置（液晶プロジェクタ）のライトバルブなどに好適な透過型のＬＣＤである。
アレイ基板１として、第１基板１０の一方の面上に、複数のマトリクス状に配置された画素毎にスイッチング用のＴＦＴあるいはその他の画素選択用の回路などが形成され、これに接続してＩＴＯ膜などからなる画素電極１１が構成されている。
また、対向基板２として、第２基板２０の一方の面上に必要に応じて不図示のカラーフィルタが形成され、それらを被覆して全面に対向電極２１が形成されている。
また、ＴＦＴアレイ基板１と対向基板２の必要な箇所に不図示の位相差板や偏光板などが形成されている。
上記のＴＦＴアレイ基板１と対向基板２がシール材で貼り合わされ、その間隙に不図示の配向膜を介して、液晶層３が封入および挟持されている。

ここで、ＴＦＴアレイ基板１において、複数の画素電極１１の間の領域の少なくとも一部において、例えば、図１に示すように画素電極１１の間の領域および画素電極１１を被覆して全面に、第１基板１０に誘電膜１２が形成されている。
上記の誘電膜１２に用いる誘電体材料としては、液晶よりも誘電率の高い材料が好ましい。液晶はｏｎ状態とｏｆｆ状態で誘電率が異なるが、例えば３〜４程度とすると、例えば、ＴａＯ_X、ＴｉＯ₂、ＨｆＯ₂などを好ましく用いることができる。また、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）などの強誘電体も好ましく用いることができる。

上記の本実施形態に係るＬＣＤにおいては、画素電極１１と対向電極２１間に印加する電圧により液晶の傾きを変え、透過率を制御し階調のある画像を形成する。
画像信号としては、駆動方式は例えば１Ｈ（Ｈは水平走査期間）反転駆動方式あるいは１Ｆ（Ｆはフィールド）反転駆動方式などを採用でき、これらの交流駆動では駆動電圧の高さ（振幅の大きさ）により液晶の色レベル（階調）を変化させることができる。
特に、このときの駆動電圧を高めることで、表示される画像のコントラストをさらに高めることが可能である。

上記の本実施形態に係るＬＣＤは、複数の画素電極１１の間の領域の少なくとも一部において、例えば、画素電極１１の間の領域および画素電極１１を被覆して全面に、第１基板１０にＴａＯ_Xなどの液晶層３より誘電率の高い誘電体材料により誘電膜１２が形成されている。
このことから、上記の１Ｈ反転駆動などにおいて隣接する画素電極１１間に大きな電界が生じたとしても、画素電極１１間に発生する電界が液晶部分に入り込むことを防止できる。これは、誘電膜１２がなければ液晶にかかるはずだった電界を誘電膜１２により吸収するためである。このとき、完全に吸収してしまう必要はなく、液晶に十分に電位がかけられるような程度に吸収できればよい。
誘電膜１２により、液晶自体に電界がかからず、この電界に沿って液晶が配向して本来の配向が乱れてしまうことによるストライプドメインの発生を抑制することができ、これにより、駆動電圧を高くしてコントラストを高めることができる。

第２実施形態
図２は本実施形態に係るＬＣＤの構成を示す断面図である。
第１実施形態におけるＬＣＤを、特にアクティブマトリクス駆動方式のＬＣＤに適用した形態である。
上記のＬＣＤは、ＴＦＴアレイ基板１と、これに対向する対向基板２を備えている。
ＴＦＴアレイ基板１としては、例えば石英基板からなる第１基板１０上に、例えば高温ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成されたポリシリコン層（１３ａ，１３ｂ）がパターン形成されており、これらの上層に酸化シリコンのゲート絶縁膜１４が形成さている。
ポリシリコン層１３ａ上には、ゲート絶縁膜１４を介してゲート電極となる走査線１５ａがパターン形成されており、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が構成されている。
また、ポリシリコン層１３ｂ上には、ゲート絶縁膜１４と同一の層の容量絶縁膜を介してＣｓ線１５ｂがパターン形成されており、保持容量素子Ｃｓが構成されている。

これらのＴＦＴやＣｓを被覆して、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜１６が形成されており、ＴＦＴのソースおよびドレインに達するコンタクトホールが開口され、それぞれに接続するソース電極１７ａおよびドレイン電極１７ｂが形成されている。
ソース電極１７ａは、そのまま信号線としてパターン形成されており、一方、ドレイン電極１７ｂは、ソース電極１７ａおよびドレイン電極１７ｂを被覆して形成された保護層１８に開口された開口部を介して、例えばＩＴＯ膜（酸化インジウム・スズ膜）などの透明導電性薄膜からなる画素電極１１に接続されている。

さらに、本実施形態においては、第１実施形態と同様に、画素電極１１の間の領域および画素電極１１を被覆して全面に、第１基板１０に誘電膜１２が形成されている。
さらにその上層に配向膜１９が形成されている。
以上で、ＴＦＴアレイ基板１が構成されている。

一方、対向基板２は、例えば石英基板からなる第２基板２０上に、全面に例えばＩＴＯ膜からなる対向電極２１が形成されており、さらにその上層に配向膜２２が形成されている。
上記の配向膜（１９，２２）が対向するように配置された状態で、柱状スペーサ、グラスファイバあるいはガラスビーズなどのスペーサで配向膜（１９，２２）の間隔を所定値に確保した状態でシール材で貼り合わされ、両配向膜（１９，２２）間の空隙に、液晶層３として、例えば１種類または数種類のネマティック液晶を混合した液晶などの液晶が封入および挟持されている。また、必要に応じて、例えば対向電極２１上に赤、緑あるいは青のカラーフィルタを画素毎に有する構成としてカラー画像を表示するＬＣＤとすることもできる。

上記の本実施形態に係るＬＣＤは、画素電極１１の間の領域および画素電極１１を被覆して全面に、第１基板１０にＴａＯ_Xなどの液晶層３より誘電率の高い誘電体材料により誘電膜１２が形成されており、画素電極１１間に発生する電界が液晶部分に入り込むことを防止でき、これによりストライプドメインの発生を抑制することができ、駆動電圧を高くしてコントラストを高めることができる。

第３実施形態
図３は本実施形態に係る液晶表示素子（ＬＣＤ）の構成を示す概略断面図である。
実質的に第１実施形態と同様であるが、誘電膜１２が画素電極１１の間の領域および画素電極１１を被覆して全面に形成されているのではなく、画素電極１１領域を除き、画素電極１１の間の領域を被覆して形成されていることが異なる。

上記の本実施形態に係るＬＣＤは、画素電極１１の間の領域を被覆して、第１基板１０にＴａＯ_Xなどの液晶層３より誘電率の高い誘電体材料により誘電膜１２が形成されており、画素電極１１間に発生する電界が液晶部分に入り込むことを防止でき、これによりストライプドメインの発生を抑制することができ、駆動電圧を高くしてコントラストを高めることができる。

第４実施形態
図４は本実施形態に係る上述の液晶表示素子を用いた投射型表示装置の構成を示す概略図である。
図４に示すように、投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）３００は、光軸Ｃにそって光源３０１と透過型の液晶表示素子３０２と投射光学系３０３とが順に配設されて構成されている。
光源３０１を構成するランプ３０４から投射された光はリフレクタ３０５によって後方に放射される成分が前方に集光され、コンデンサレンズ３０６に入射される。コンデンサレンズ３０６は、光をさらに集光して、入射側偏光板３０７を介し液晶表示素子３０２へ導く。
導かれた光は、シャッタもしくはライトバルブに機能を有する液晶表示素子３０２および射出側偏光板３０８により画像に変換される。表示された画像は、投射光学系３０３を介してスクリーン３１０上に拡大投影される。
なお、光源３０１とコンデンサレンズ３０６との間にはフィルタ３１４が挿入されており、光源３０１に含まれる不要な波長の光、例えば赤外光および紫外光を除去する。

上記の液晶表示素子３０２は、第１〜第３実施形態に記載の液晶表示素子が採用されている。
即ち、複数の画素電極の間の領域の少なくとも一部において、例えば、画素電極の間の領域および画素電極を被覆して全面に、第１基板にＴａＯ_Xなどの液晶層より誘電率の高い誘電体材料により誘電膜が形成されている構成であり、画素電極間に発生する電界が液晶部分に入り込むことを防止でき、これによりストライプドメインの発生を抑制することができ、駆動電圧を高くしてコントラストを高めることができる。

本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、本発明は、透過型、反射型あるいは半透過型などのいずれの液晶表示素子にも適用できる。また、ノーマリーホワイト方式とノーマリーブラック方式のいずれでも適用可能である。
また、上記の実施形態においては、アクティブマトリクス方式の液晶表示素子について説明をしたが、これに限らない。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明の液晶表示素子は、パーソナルコンピュータ、携帯電話、デジタルカメラなど、様々な電子機器の液晶表示装置に、さらには、液晶プロジェクタなどの投射型表示装置におけるライトバルブに適用できる。
本発明の投射型表示装置は液晶プロジェクタなどとして適用できる。

図１は本発明の第１実施形態に係る液晶表示素子の構成を示す概略断面図である。図２は本発明の第２実施形態に係る液晶表示素子の構成を示す断面図である。図３は本発明の第３実施形態に係る液晶表示素子の構成を示す概略断面図である。図４は本発明の第４実施形態に係る投射型表示装置の構成を示す概略図である。図５は従来例に係る液晶表示素子の構成を示す概略断面図である。図６は液晶表示画面全体におけるストライプドメインの画像を示す正面図である。図７はストライプドメインについて説明する模式図である。

符号の説明

１…（ＴＦＴ）アレイ基板、２…対向基板、３…液晶層、１０…第１基板、１１…画素電極、１２…誘電膜、１３ａ，１３ｂ…ポリシリコン層、１４…ゲート絶縁膜（容量絶縁膜）、１５ａ…走査線、１５ｂ…Ｃｓ線、１６…層間絶縁膜、１７ａ…ドレイン電極、１７ｂ…ソース電極、１８…保護膜、１９，２２…配向膜、２０…第２基板、２１…対向電極、３００…投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）、３０１…光源、３０２…液晶表示素子、３０３…投射光学系、３０４…ランプ、３０５…リフレクタ、３０６…コンデンサレンズ、３０７…入射側偏光板、３０８…出射側偏光板、３１０…スクリーン、３１４…フィルタ、ＤＰ…画像表示面、ＳＤ…ストライプドメイン

Claims

複数の画素が集積されてなり、
第１基板と、
前記第１基板に前記画素毎に形成された複数の画素電極と、
複数の前記画素電極の間の領域および前記画素電極を被覆して全面に前記第１基板に形成された誘電膜と、
前記誘電膜上に形成された第１配向膜と、
第２基板と、
前記第２基板に形成された対向電極と、
前記対向電極上に形成された第２配向膜と、
前記誘電膜と前記対向電極とが対向するように前記第１基板と前記第２基板が貼り合わされてなる前記第１配向膜と前記第２配向膜間の空隙に封入された液晶層と
を有し、
前記誘電膜の誘電率は前記液晶層の誘電率よりも高く、
各画素毎にスイッチング用の薄膜トランジスタが前記第１基板に形成されている
液晶表示素子。
光源と、
前記光源から出射された光を液晶表示素子に導く集光光学系と、
前記液晶表示素子で光変調した光を拡大して投射する投射光学系とを有し、
前記液晶表示素子は、
複数の画素が集積されてなり、
第１基板と、
前記第１基板に前記画素毎に形成された複数の画素電極と、
複数の前記画素電極の間の領域および前記画素電極を被覆して全面に前記第１基板に形成された誘電膜と、
前記誘電膜上に形成された第１配向膜と、
第２基板と、
前記第２基板に形成された対向電極と、
前記対向電極上に形成された第２配向膜と、
前記誘電膜と前記対向電極とが対向するように前記第１基板と前記第２基板が貼り合わされてなる前記第１配向膜と前記第２配向膜間の空隙に封入された液晶層と
を有し、
前記誘電膜の誘電率は前記液晶層の誘電率よりも高く、
各画素毎にスイッチング用の薄膜トランジスタが前記第１基板に形成されている
投射型表示装置。