JP5737854B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置及び投射型表示装置に関する。

従来から、プロジェクタの光変調手段として液晶表示装置が用いられている。この液晶表示装置には、バックライトからの光を変調して透過光として出射させる透過型と、入射した光を変調して反射光として出射させる反射型と、がある。反射型の液晶表示装置は、液晶層を挟持する一対の基板を備えており、一方の基板には、射した光を反射させる反射電極が形成されている。

このような構成の反射型の液晶表示装置において、一方の基板における入射光の反射効果を増大させるため、電極上に低屈折率層と高屈折率層とを積層した増反射層を設けることによって反射光の光量を増大させることが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。ここで、低屈折率層としては、例えば酸化珪素が用いられており、高屈折率層としては、例えば窒化珪素が用いられている。

特開２００５−１５６７１７号公報 特開２００６−１３３３３１号公報 特開２００７−２９３２４３号公報

しかしながら、上記従来の液晶表示装置においても、以下の課題が残されている。すなわち、低屈折率層として使用可能な材料に制限があるため、低屈折率層の屈折率を変更できないという問題がある。特に、低屈折率層の屈折率を酸化珪素の屈折率である１．４よりも小さい値とすることが困難であるという問題がある。

したがって、本発明は、低屈折率層の屈折率の選択幅を拡げることができる液晶表示装置及び投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明にかかる液晶表示装置は、液晶層を挟持する第１及び第２基板を備える液晶表示装置であって、前記第１基板が、反射層と、前記反射層上に斜方蒸着によって形成された低屈折率層と、前記低屈折率層上に形成されて前記低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層と、を有することを特徴とする。

この発明では、低屈折率層を斜方蒸着で形成して低屈折率層の密度を適宜変更することにより、低屈折率層の屈折率の選択幅を拡げることができる。すなわち、斜方蒸着によって低屈折率層を構成する材料のカラムを反射層上に形成すると、例えばＣＶＤ法などによって形成する場合と比較して、低屈折率層の密度が低くなる。これにより、低屈折率層の屈折率を小さくすることが可能となる。そして、カラムの密度を適宜変更することによっても低屈折率層の屈折率を調整できる。したがって、低屈折率層の屈折率の選択幅が広がり、より大きな反射効果を得ることが可能となる。さらに、低屈折率層の層厚だけではなく屈折率にも選択幅が広がるため、反射効果を最適化するための設計自由度が向上する。

また、本発明における液晶表示装置は、前記高屈折率層が、斜方蒸着によって形成されていることが好ましい。
この発明では、高屈折率層も斜方蒸着によって形成することで、高屈折率層の屈折率の選択幅が広がり、反射効果を最適化するための設計自由度がさらに向上する。

また、本発明における液晶表示装置は、前記液晶層が、負の誘電率異方性を呈する液晶分子によって構成されていることが好ましい。
この発明では、斜方蒸着によって形成される低屈折率層が基板面の法線方向に対して傾斜した二軸性の光学異方性を有する位相差補償層として機能するため、ＶＡ(Vertical Alignment)モードで駆動する液晶表示装置のコントラストを向上させることができる。

また、本発明における液晶表示装置は、前記反射層が、前記液晶層を構成する液晶分子を駆動する反射電極であることが好ましい。
また、本発明における液晶表示装置は、アルミニウムまたは銀あるいはこれらを含む金属で形成されていることとしてもよい。
この発明では、反射機能を有する材料を用いて電極を形成することにより、反射層を別途形成する必要がなくなる。

また、本発明における液晶表示装置は、前記低屈折率層が、酸化珪素によって形成されていることとしてもよい。
また、本発明における液晶表示装置は、前記高屈折率層が、窒化珪素によって形成されていることとしてもよい。
この発明では、低屈折率層を屈折率の低い酸化珪素で形成し、高屈折率層を酸化珪素よりも屈折率が高い窒化珪素で形成する。

また、本発明における液晶表示装置は、前記高屈折率層上に保護層が形成されていることが好ましい。
この発明では、保護層を形成することによって表面を平坦化できる。

また、参考発明における投射型表示装置は、上記記載の液晶表示装置を備えることを特徴とする。
この発明では、上述のように、低屈折率層の屈折率の選択幅が広がり、より大きな反射効果を得ることが可能となり、さらに反射効果を最適化するための設計自由度が向上する。

本発明の第１の実施形態における液晶表示装置を示す概略平面図である。 図１の等価回路図である。 画素領域を示す断面図である。 低屈折率層の屈折率と反射効果との関係を示すグラフである。 図１の液晶表示装置を備える投射型表示装置を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施形態における液晶表示装置を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態における液晶表示装置を示す断面図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明における液晶表示装置の第１の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

〔液晶表示装置〕
本実施形態における液晶表示装置１は、例えば後述するプロジェクタ（投射型表示装置）１００において光変調手段として用いられる液晶表示装置であって、図１に示すように、素子基板（第１基板）１１及び対向基板（第２基板）１２と、素子基板１１及び対向基板１２の間に挟持された液晶層１３と、を備えている。また、液晶表示装置１は、素子基板１１及び対向基板１２が対向する対向領域の外周部に設けられた枠状のシール材１４によって素子基板１１と対向基板１２とを貼り合わせている。そして、液晶表示装置１におけるシール材の内側に、画像表示領域が形成されている。

液晶表示装置１の画像表示領域には、図２に示すように、複数の画素領域がマトリクス状に配置されている。この画素領域それぞれには、画素電極（反射層，反射電極）２１及び後述する共通電極４３と、画素電極２１をスイッチング制御するためのＴＦＴ素子２２と、が形成されている。また、画像表示領域には、複数のデータ線２３及び走査線２４が格子状に配置されている。

ＴＦＴ素子２２は、ソースがデータ線２３に接続され、ゲートが走査線２４に接続されると共に、ドレインが画素電極２１に接続されている。
データ線２３は、図示しないデータ線駆動回路から画像信号Ｓ１〜Ｓｎが画素領域それぞれに供給される構成となっている。また、走査線２４は、図示しない走査線駆動回路から走査信号Ｇ１〜Ｇｍがサブ画素領域それぞれに供給される構成となっている。なお、画素電極２１に書き込まれた画像信号Ｓ１〜Ｓｎのリークを防止するため、画素電極２１と並列に保持容量２５が設けられている。また、液晶表示装置１には、データ線駆動回路及び走査線駆動回路と液晶表示装置１の外部とを接続するための端子（図示略）が形成されている。

次に、液晶表示装置１の詳細な構成について説明する。
素子基板１１は、図３に示すように、基板本体３１と、基板本体３１の内側（液晶層１３側）の表面に形成された素子形成層３２と、素子形成層３２上に形成された画素電極２１と、画素電極２１上に形成された増反射層３３と、増反射層３３の液晶層１３側に形成された配向膜３４と、を備えている。
素子形成層３２は、絶縁膜や半導体膜、導体膜を適宜積層した構成となっており、データ線２３及び走査線２４やＴＦＴ素子２２を構成し、複数の画素領域それぞれに形成された画素電極２１を個別に駆動可能となっている。
画素電極２１は、例えばＡｌまたは銀あるいはこれらのいずれかを含む合金など、反射膜としても機能する導電材料で形成されている。

増反射層３３は、画素電極２１上に形成された低屈折率層３５と、低屈折率層３５よりも屈折率の高い高屈折率層３６と、を有している。
低屈折率層３５は、例えば酸化珪素（ＳｉＯ_ｘ）で形成されており、斜方蒸着によって画素電極２１を覆うように形成されている。また、低屈折率層３５を構成する酸化珪素のカラムは、素子基板１１の基板面の法線方向に対して例えば４５度傾けられている。低屈折率層３５の屈折率は、酸化珪素のカラム間に空気が入り込んで密度が低くなることにより、例えばプラズマＣＶＤ法によって低屈折率層３５を密に形成する場合と比較して低くなる。なお、カラムの傾斜角度は、４５度に限られない。そして、低屈折率層３５の屈折率の調整は、カラムの傾斜角度や低屈折率層３５の蒸着速度、蒸着圧力などによって行われる。一般的に、傾斜角度を大きくすること、蒸着速度を遅くすること、及び蒸着圧力を高くすること、によって低屈折率層３５の密度を低くすることができる。

また、低屈折率層３５は、素子基板１１の基板面の法線方向に対して傾斜した二軸性光学異方性を有する。なお、低屈折率層３５の遅相軸は、所定の膜厚で形成するカラムの傾斜方向や密度に応じて、カラムの傾斜方向に対して直交する方向またはカラムの傾斜方向と平行な方向となる。例えば、低屈折率層３５の面内において、カラムの傾斜方向と略直交する方向のカラム間に入り込む空気よりも、カラムの傾斜方向のカラム間に多くの空気が入り込むとカラムの傾斜方向と略直交した方向の屈折率が大きくなり、カラムの傾斜方向と略直交した方向が遅相軸となる。つまり、低屈折率層３５が面内において略直交する２方向で膜密度が異なることから屈折率の分布（異方性）が生じ、膜密度の高い方向で屈折率が高くなり遅相軸を発現させている。

ここで、低屈折率層３５は、屈折率が例えば１．２から１．５であり、膜厚が例えば３０ｎｍから１００ｎｍである。また、低屈折率層３５の複屈折と低屈折率層３５の層厚との積であるリタデーション量Δｎｄは、例えば０．０１ｎｍから３ｎｍとなっている。
高屈折率層３６は、例えば窒化珪素（ＳｉＮ_ｘ）で形成されており、例えばプラズマＣＶＤ法によって低屈折率層３５上に形成されている。ここで、高屈折率層３６は、斜方蒸着によって形成された低屈折率層３５のカラムの隙間に入り込んで形成されており、屈折率が例えば１．９８であり、膜厚が例えば３０ｎｍから１００ｎｍである。また、高屈折率層３６が低屈折率層３５の表面を覆って形成されることによって、低屈折率層３５の斜方蒸着膜への水分の吸着が抑えられる。
配向膜３４は、例えばＳｉＯ_２で形成されており、斜方蒸着によって高屈折率層３６上に形成されている。

一方、対向基板１２は、例えばガラスや石英などの透光性材料からなる基板本体（基体）４１と、基板本体４１の内側の表面に形成された遮光膜４２と、遮光膜４２上に形成された共通電極４３と、共通電極４３上に形成された第２誘電体層４４と、第２誘電体層４４の液晶層１３側に形成された配向膜４５と、を備えている。
遮光膜４２は、例えば黒色樹脂で構成され、基板本体４１の表面において平面視で画素領域の縁部と重なる領域に形成されており、画素領域を縁取っている。

共通電極４３は、例えばＩＴＯやＩＺＯなど透光性の導電材料で形成されている。この共通電極４３は、複数の画素領域全体にわたって共通する電極となっている。
誘電体層４４は、例えば酸化珪素や窒化珪素で形成されており、共通電極４３及び遮光膜４２を覆っている。
配向膜４５は、配向膜３４と同様に、例えばＳｉＯ_２で形成されており、斜方蒸着によって共通電極４３上に形成されている。

液晶層１３は、屈折率異方性Δｎが例えば０．１である負の誘電率異方性を有する液晶によって形成されている。この液晶分子は、電圧を印加していない初期配向状態において素子基板１１及び対向基板１２の液晶層１３に隣接する界面に対して概ね垂直に配向している。ここで、初期配向状態における液晶分子は、素子基板１１及び対向基板１２の基板面内の所定の方位角方向に向けて概ね一様に基板の法線方向から傾斜しておりプレチルトを有している。

図４には、高屈折率層３６の屈折率を１．９８とし、低屈折率層３５の屈折率を変更させたときの反射強度が示されている。図４では、増反射層３３を設けない場合の反射強度を１００としている。
図４からも分かるように、低屈折率層３５の屈折率を小さくするにしたがって、赤、緑及び青それぞれの波長における反射強度が増大する。

また、低屈折率層３５の屈折率を一定とし、高屈折率層３６を設けない場合において、低屈折率層３５の層厚を変化させたときのコントラストの変化を、以下の表１に示す。

表１からも分かるように、低屈折率層３５が位相差補償層として機能することにより、コントラストが向上する。

〔投射型表示装置〕
そして、上述した液晶表示装置１は、例えば図５に示すようなプロジェクタ１００の光変調手段として用いられる。このプロジェクタ１００は、図５に示すように、光源１０１と、ダイクロイックミラー１０２、１０３と、本発明の液晶表示装置１からなる赤色光用光変調手段１０４、緑色光用光変調手段１０５及び青色光用光変調手段１０６と、導光手段１０７と、反射ミラー１１０〜１１２と、クロスダイクロイックプリズム１１３と、投射レンズ１１４とを備えている。そして、プロジェクタ１００から出射したカラー画像光は、スクリーン１１５上に投影される。

光源１０１は、メタルハライドなどのランプ１０１ａと、ランプ１０１ａの光を反射するリフレクタ１０１ｂとを備えている。
ダイクロイックミラー１０２は、光源１０１からの白色光に含まれる赤色光を透過させると共に、緑色光と青色光とを反射する構成となっている。また、ダイクロイックミラー１０３は、ダイクロイックミラー１０２で反射された緑色光及び青色光のうち青色光を透過させると共に緑色光を反射する構成となっている。

赤色光用光変調手段１０４は、ダイクロイックミラー１０２を透過した赤色光が入射され、入射した赤色光を所定の画像信号に基づいて変調する構成となっている。また、緑色光用光変調手段１０５は、ダイクロイックミラー１０３で反射された緑色光が入射され、入射した緑色光を所定の画像信号に基づいて変調する構成となっている。そして、青色光用光変調手段１０６は、ダイクロイックミラー１０３を透過した青色光が入射され、入射した青色光を所定の画像信号に基づいて変調する構成となっている。

導光手段１０７は、入射レンズ１０７ａとリレーレンズ１０７ｂと出射レンズ１０７ｃとによって構成されており、青色光の光路が長いことによる光損失を防止するために設けられている。
反射ミラー１１０は、ダイクロイックミラー１０２を透過した赤色光を赤色光用光変調手段１０４に向けて反射する構成となっている。また、反射ミラー１１１は、ダイクロイックミラー１０３及び入射レンズ１０７ａを透過した青色光をリレーレンズ１０７ｂに向けて反射する構成となっている。また、反射ミラー１１２は、リレーレンズ１０７ｂを出射した青色光を出射レンズ１０７ｃに向けて反射する構成となっている。

クロスダイクロイックプリズム１１３は、４つの直角プリズムを貼り合わせることによって構成されており、その界面には赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とがＸ字状に形成されている。これら誘電体多層膜により３つの色の光が合成されて、カラー画像を表す光が形成される。
投射レンズ１１４は、クロスダイクロイックプリズム１１３によって合成されたカラー画像を拡大してスクリーン１１５上に投影する構成となっている。

以上のような構成の液晶表示装置１及びプロジェクタ１００によれば、低屈折率層３５を斜方蒸着で形成して低屈折率層３５の密度を調整することにより、低屈折率層３５の屈折率の選択幅が広がり、より大きな反射効果を得ることが可能となる。さらに、低屈折率層３５の層厚だけではなく屈折率にも選択幅が広がるため、増反射層３３による反射効果を最適化するための設計自由度が向上する。
また、液晶層１３がＶＡモードで駆動する液晶分子によって構成され、低屈折率層３５が傾斜した二軸性光学異方性を有する位相差補償層として機能しており、低屈折率層３５が液晶層１３による位相差を補償するため、液晶表示装置１のコントラストを向上させることができる。

［第２の実施形態］
以下、本発明における液晶表示装置の第２の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態と素子基板の構成が異なるため、この点を中心に説明すると共に、上記実施形態で説明した構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態における液晶表示装置２００の素子基板２０１では、図６に示すように、増反射層２０２を構成する高屈折率層２０３が斜方蒸着によって形成されている。
高屈折率層２０３を構成する窒化珪素のカラムは、素子基板２０１の基板面の法線方向に対して例えば４５度傾けられている。そのため、高屈折率層２０３の屈折率は、第１の実施形態における高屈折率層３６のように例えばプラズマＣＶＤ法によって形成する場合と比較して低くなる。また、高屈折率層２０３は、素子基板２０１の基板面の法線方向に対して傾斜した二軸性光学異方性を有する。なお、面内において、高屈折率層２０３の光学軸（遅相軸）と低屈折率層３５の光学軸（遅相軸）とは、同方向であってもよく、面内で直交する方向であってもよい。また、低屈折率層３５及び高屈折率層２０３のそれぞれに遅相軸を有する場合は、液晶層１３における液晶分子の位相差（プレチルトに起因した位相差）を少なからず補償することができように、それぞれの遅相軸が配置設定されている。
ここで、高屈折率層２０３は、屈折率が例えば１．６から２．１であり、膜厚が例えば３０ｎｍから１００ｎｍである。また、高屈折率層２０３の複屈折と高屈折率層２０３の層厚との積であるリタデーション量Δｎｄは、例えば０．０１ｎｍから８ｎｍとなっている。

以上のような構成の液晶表示装置２００においても、上述と同様の作用、効果を奏するが、高屈折率層２０３も斜方蒸着によって形成することで、高屈折率層２０３の屈折率の選択幅が広がり、反射効果を最適化するための設計自由度がさらに向上する。
また、高屈折率層２０３も位相差補償層として機能しており、増反射層２０２全体として液晶層１３による位相差を補償するため、液晶表示装置１のコントラストをさらに向上させることができる。

［第３の実施形態］
以下、本発明における液晶表示装置の第３の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、本実施形態では、第２の実施形態と素子基板の構成が異なるため、この点を中心に説明すると共に、上記実施形態で説明した構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態における液晶表示装置２５０の素子基板２５１では、図７に示すように、増反射層２０２上に保護層２５２が形成されている。
保護層２５２は、例えば酸化珪素や窒化珪素で形成されており、増反射層２０２を覆っている。
以上のような構成の液晶表示装置２５０においても、上述と同様の作用、効果を奏するが、斜方蒸着によって形成された高屈折率層２０３上に保護層２５２を形成することで、表面を平坦化することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、低屈折率層は、酸化珪素以外の他の材料で形成されてもよい。同様に、高屈折率層は、窒化珪素以外の他の材料で形成されてもよい。
増反射層は、所望の反射効果に応じて、２層以上積層してもよい。
液晶層は、ＶＡ方式で駆動する液晶分子によって構成されているが、例えばＮＴ(Twisted Nematic)方式で駆動する液晶分子など、他の方式で駆動する液晶分子によって構成されてもよい。
液晶表示装置は、反射型の液晶表示装置に限らず、半透過反射型の液晶表示装置であってもよい。
画素電極は、例えば反射機能を有する導電材料で形成されていれば、アルミニウムまたは銀あるいはこれらを含む金属以外の他の材料で形成されてもよく、反射層を別途設けておけば、透光性を有する導電材料などで形成されてもよい。

液晶表示装置は、プロジェクタのような投射型の表示装置に限らず、例えば携帯電話機など直視型の表示装置に用いられてもよい。したがって、液晶表示装置を備える電子機器としては、プロジェクタなどの投射型表示装置に限らず、携帯電話機やＰＤＡ（携帯情報端末機）、ハンディターミナル、電子ブック、ノート型パーソナルコンピュータ、パーソナルコンピュータ、デジタルスチルカメラ、液晶テレビ、ビューファインダ型あるいはモニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末など、種々の電子機器であってもよい。

１，２００，２５０ 液晶表示装置、１１，２０１，２５１ 素子基板（第１基板）、１２ 対向基板（第２基板）、１３ 液晶層、２１ 画素電極（反射電極，反射層）、３４ 配向膜、３５ 低屈折率層、３６，２０３ 高屈折率層、１００ プロジェクタ（投射型表示装置）、１０４ 赤色光用光変調手段（液晶表示装置）、１０５ 緑色光用光変調手段（液晶表示装置）、１０６ 青色光用光変調手段（液晶表示装置）、２５２ 保護層

Claims (6)

1. 第１基板と、
   第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた液晶層と、
   前記第１基板と前記液晶層との間に設けられた反射層と、
   前記反射層と前記液晶層との間に設けられ、前記基板の一方の面に対して傾斜した複数のカラムから成ることで遅相軸を備えた酸化珪素からなる低屈折率層と、
   前記低屈折率層と前記液晶層との間に設けられ、前記低屈折率層よりも高い屈折率を有する窒化珪素からなる高屈折率層と、
   前記高屈折率層と前記液晶層との間に設けられた第１配向膜と、
   前記第２基板と前記液晶層との間に設けられた透光性の電極と、
   前記透光性の電極と前記液晶層との間に設けられた誘電体層と、
   前記誘電体層と前記液晶層との間に設けられた第２配向膜と、を有し、
   前記低屈折率層の屈折率は、１．２から１．４であり、
   前記反射層は、前記液晶層を構成する液晶分子を駆動する反射電極であることを特徴とする液晶表示装置。
2. 請求項１に記載の液晶表示装置において、
   前記高屈折率層は、複数のカラムから成ることで遅相軸を備えることを特徴とする液晶表示装置。
3. 請求項１または２に記載の液晶表示装置において、
   前記液晶層は、負の誘電率異方性を呈する液晶分子によって構成されていることを特徴とする液晶表示装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の液晶表示装置において、
   前記反射層は、アルミニウムまたは銀あるいはこれらを含む金属で形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の液晶表示装置において、
   前記高屈折率層と前記液晶層との間に保護層が形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の液晶表示装置において、
   前記誘電体層は、酸化珪素または窒化珪素を含むことを特徴とする液晶表示装置。

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