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Description
本実施形態では、本発明の実施形態の一つに係る表示装置100の構造を記述する。
表示装置100の全体構成を図1と図2を用いて説明する。図1は表示装置100の模式的上面図であり、図1の鎖線A-A´に沿った断面の模式図を図2に示す。図1、図2に示すように、表示装置100は表示モジュール300を有する。表示装置100はさらに、表示モジュール300の下にバックライトユニット200や光電変換素子400を有することができる。図2では、二つの光電変換素子400が設けられた例が示されている。
図2に示すように、表示モジュール300はシール材306によって互いに固定される一対の基板302、304、および一対の基板302、304とシール材306によって封止される液晶層308を備える。以下、基板302と304をそれぞれアレイ基板302、対向基板304と記す。シール材306はアレイ基板302と対向基板304に挟まれ、図1に示すように、アレイ基板302上で単一の閉じた形状を形成する。この閉じた形状の内部に液晶層308が充填される。したがって、アレイ基板302、対向基板304、およびシール材306によって形成される閉じた空間の一つに単一の液晶層308が構成される。この単一の液晶層308、アレイ基板302、対向基板304、およびシール材306によって構成されるユニットが一つの液晶セルである。一つの表示装置100は単一の液晶セルを有する。
図2に示すように、バックライトユニット200はアレイ基板302の下に設けられ、基本的な構成として反射板202、反射板202上の導光板204、導光板204の側面に設けられる光源214、および導光板204上に形成される種々の光学フィルムを有する。光学フィルムの構成は任意であり、図2では一例として、プリズムシート206と光拡散フィルム208が組み合わされた光学フィルムが図示されている。バックライトユニット200は接着層212によって表示モジュール300に固定される。
光電変換素子400は貫通孔216と重なるように設けられる。図2では二つの光電変換素子400がそれぞれ貫通孔216と重なる状態が示されている。光電変換素子400の機能や構造は任意であり、例えばCCD(Charge-Coupled Device)イメージセンサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどの撮像素子、フォトセンサなどが挙げられる。
以下、表示モジュール300の構造を詳細に説明する。
アレイ基板302にはパターニングされた種々の半導体膜、絶縁膜、導電膜が積層され、これらによって複数の画素322や調光素子324、これらの素子を駆動するための回路(走査線駆動回路326、信号線駆動回路328)、端子330などが構成される(図1)。図1には二つの調光素子324が設けられる例が示されているが、調光素子324の数に制約はなく、一つでもよく、三つ以上の調光素子324が含まれてもよい。後述するように、画素322と調光素子324には、動作モードが異なる液晶素子が配置される。
図4に画素322のレイアウトの一例を、図4の鎖線B-B´に沿った断面の模式図を図5に示す。これらの図に示されるように、画素322の画素回路は、画素電極350、共通電極348、画素電極350と電気的に接続されるトランジスタ346、画素電極350と共通電極348の上に設けられる液晶層308、液晶層を挟む配向膜(第1の配向膜370-1、第2の配向膜370-2)などを含む。画素322は、走査線駆動回路326から延伸するゲート線340、信号線駆動回路328から延伸する映像信号線342、および電源線344と電気的に接続される。これらの図に示した画素回路はあくまで一例であり、画素回路は保持容量や他のトランジスタなどの素子を含んでもよい。
図6に調光素子324の上面図を、図6の鎖線C-C´に沿った断面の模式図を図7に示す。これらの図に示すように、調光素子324の画素回路は、下部電極349、下部電極349と重なる上部電極351、下部電極349と上部電極351の間に配置される液晶層308を含む。調光素子324は、信号線駆動回路328から延伸する調光制御線358と電気的に接続される。調光制御線358には信号線駆動回路328から調光制御信号が供給され、この信号の電位が調光制御線358を介して下部電極349に与えられる。下部電極349は、図6に示すように貫通孔216の全てを覆うように設けることができる。あるいは、図示しないが、下部電極349は光電変換素子400の受光面の全てを覆うよう設けることができる。
調光素子324の動作を図8(A)、図8(B)を用いて、画素322の動作を図9(A)、図9(B)を用いて説明する。見やすさを考慮し、これらの図では、調光素子324においては上部電極351と下部電極349は図示されていない。また、直線偏光板310とλ/4板312は分離して示されているが、これはあくまで説明上の都合であり、これらは互いに接してもよい。直線偏光板310やλ/4板312上に示される点線矢印は、それぞれの透過軸と遅相軸の方向を表し、実線の矢印は光の偏向を表す。
(1)初期状態
初期状態、すなわち、オフ状態における調光素子324の模式的斜視図を図8(A)に示す。この状態では、楕円で示された液晶分子の配向は第1の配向膜370-1と第2の配向膜370-2の配向制御方向によって決定される。第1の配向膜370-1と第2の配向膜370-2の配向処理方向は互いに同一であるため、電場の非存在下では、液晶分子はほぼ配向処理方向に沿って配向する。
下部電極349と上部電極351の間に電位差を与える場合、すなわちオン状態における調光素子324の模式的斜視図を図8(B)に示す。この電位差が閾値電圧を超えると、液晶分子はアレイ基板302の表面に対して徐々に立ち上がり始め、電位差を大きくするにつれてその立ち上がり角は大きくなる。すると、液晶分子に入射する光に対して複屈折率が小さくなる。複屈折率が0の場合、第1のλ/4板312-1を透過して生成する円偏光(b)の偏光特性が維持され、第2の直線偏光板310-2へ入射する。この円偏光(c)は第2の直線偏光板310-2によって直線偏光(d)へ変換されるが、この時の偏光軸は第1の直線偏光板310-1によって形成される直線偏光(a)の偏光軸と同じであり、かつ、第2の直線偏光板310-2の透過軸と直交する。したがって、第1の直線偏光板310-1に入射された光は調光素子324を透過することができない。第2の直線偏光板310-2に入射された光の挙動も同様であり、第1の直線偏光板310-1を透過することができない。
(1)初期状態
オフ状態における画素322の模式的斜視図を図9(A)に示す。調光素子324と同様、この状態では液晶分子の配向は第1の配向膜370-1と第2の配向膜370-2の配向特性によって決定される。第1の配向膜370-1と第2の配向膜370-2の配向処理方向は互いに同一であるため、電場の非存在下では、液晶分子はほぼ配向処理方向に沿って配向する。
画素電極350と共通電極348の間に電位差を与える場合、すなわちオン状態における画素322の模式的斜視図を図9(B)に示す。この電位差によってアレイ基板302の表面にほぼ平行な電場が発生し、液晶分子の誘電率異方性に起因して液晶分子はアレイ基板302の表面に平行な面内で回転する。このため、液晶層308に入射される直線偏光(a)の偏光軸と液晶分子の配向方向がずれ、液晶層308に入射される光に遅相が生じる。ここで表示装置100では、遅相が概ねπとなるよう、液晶分子の長軸方向と短軸方向の屈折率に応じて液晶層308の厚さが制御される。このため、液晶層308を通過した光は、直線偏光(a)から偏光軸が回転して得られる直線偏光(b)となる。液晶分子の配向が90°回転した場合、この直線偏光(b)の偏光軸は直線偏光(a)の偏光軸と直交する。また、第1の直線偏光板310-1と第2の直線偏光板310-2はクロスニコルの関係である。したがって、液晶層308から出射される直線偏光は第2の直線偏光板310-2を透過することができる。
表示装置100は、一対のλ/4板312の替わりに、一対の1/2波長板(以下、λ/2板と記す)314を備えてもよい。この場合の構造と動作を図10(A)、図10(B)を用いて説明する。図10(A)、図10(B)はそれぞれ、初期状態と駆動時における表示装置100の模式的斜視図であり、それぞれ図8(A)、図8(B)に相当する。
一対のλ/4板312を用いた時と同様(図8(A))、オフ状態では液晶分子はほぼ配向処理方向に沿って配向する(図10(A))。第1の直線偏光板310-1側から進入する光は、第1の直線偏光板310-1を透過すると、透過軸に平行な直線偏光(a)となる。この直線偏光(a)が次に第1のλ/2板314-1に入射されると位相がπずれるが、第1のλ/2板314-1の遅相軸は第1の直線偏光板310-1の透過軸と25.5°の角度でずれているため、第1のλ/2板314-1を通過した直線偏光(a)の偏光軸は、第1の直線偏光板310-1の透過軸からπ/2の位相差、すなわち45°ずれた直線偏光(b)となる。この直線偏光(b)が液晶層308を通過するとさらに遅相が生じる。ここで、表示装置100では遅相が概ねπとなるよう、液晶分子の長軸方向と端軸方向の屈折率に応じて液晶層308の厚さが制御される。このため、直線偏光(b)は液晶層308を通過すると偏光軸がさらに90°ずれ、直線偏光(c)となる。この直線偏光(c)がさらに第2のλ/2板314-2に入射されると位相差πが生じるが、第2のλ/2板314-2の遅相層は第2の直線偏光板310-2の透過軸と25.5°の角度でずれているためπ/2の位相差を与える。その結果、偏光軸が45°ずれ、第1の直線偏光板310-1の透過軸に対して直交する偏光軸を有する直線偏光(d)となる。この偏光軸は第2の直線偏光板310-2の透過軸に直交するため、光は第2の直線偏光板310-2を透過することはできない。したがって、オフ状態では調光素子324は所謂ノーマリーブラックとなる。
下部電極349と上部電極351の間に与えられる電位差が閾値電圧を超えると、液晶分子はアレイ基板302の表面に対して徐々に立ち上がり始め、電位差を大きくするにつれてその立ち上がり角は大きくなる。すると、液晶分子に入射する光に対して複屈折率が小さくなる。複屈折率が0の場合、第1のλ/2板314-1を透過して生成する直線偏光(b)の偏光特性が維持され、第2のλ/2板314-2へ直線偏光(c)が入射する。この直線偏光(c)は第2のλ/4板314-2によって直線偏光(d)へ変換されるが、第2のλ/2板314-2の遅相軸は第2の直線偏光板310-2から22.5°ずれているため、偏光軸は第2の直線偏光板310-2のそれと同じである。このため、この直線偏光(d)は第2の直線偏光板310-2を透過することができる。第2の直線偏光板310-2から入射された光の挙動も同様に、第1の直線偏光板310-1を透過することができる。
本実施例では、第1実施形態で示された調光素子324の変形例を示す。第1実施形態で述べた構造と同一、あるいは類似する構造については説明を割愛することがある。
本実施例では、第1、第2実施形態で示された調光素子324の変形例を示す。第1、第2実施形態で述べた構造と同一、あるいは類似する構造については説明を割愛することがある。
図18(A)はオフ状態における調光素子324の模式的斜視図である。この状態では、液晶分子の配向は第1の配向膜370-1と第2の配向膜370-2の配向特性によって決定される。第1の配向膜370-1と第2の配向膜370-2の配向処理方向は互いに同一であるため、電場の非存在下では、液晶分子はほぼ配向処理方向に沿って配向する。
図18(B)は下部電極349と上部電極351の間に電位差を与えてオン状態にした場合の模式的斜視図である。この電位差によってアレイ基板302の表面にほぼ平行な電場が発生し、液晶分子の誘電率異方性に起因して液晶分子はアレイ基板302の表面に平行な面内で回転する。このため、液晶層308に入射される直線偏光(a)の偏光軸と液晶分子の配向方向がずれ、液晶層308に入射される光に位相遅れが生じる。表示装置100では、遅相がπとなるよう、液晶分子の長軸方向と短軸方向の屈折率に応じて液晶層308の厚さが制御されることが望ましく、この場合、液晶層308を通過した光は、液晶層308に入射される直前の直線偏光から偏光軸が回転して得られる直線偏光(b)となる。液晶分子の配向が90°回転した場合、この直線偏光(b)の偏光軸は直線偏光(a)の偏光軸と直交する。第3の直線偏光板310-3と第2の直線偏光板310-2はパラレルニコルの関係であるため、直線偏光(b)は第2の直線偏光板310-2を透過することができない。
本実施形態では、第1実施形態で述べた構造を有する表示装置100の製造方法の一例を説明する。第1から第3実施形態で述べた構造と同一、あるいは類似する構造については説明を割愛することがある。
図19(A)は、アレイ基板302上に層間絶縁膜364までが形成された模式図である。この構造は公知の方法や材料を用いて形成することができるため、説明は省略する。
対向基板304上には、カラーフィルタ374やブラックマトリクス376が形成される(図21(A))。画素322では、ブラックマトリクス376はトランジスタ346や映像信号線342、ゲート線340などを覆うように設けられ、調光素子324では調光制御線358を覆うように設けられる。カラーフィルタ374は調光素子324には透明のものを設けても、設けなくてもよい。オーバーコート372を形成する場合には、カラーフィルタ374やブラックマトリクス376を覆うように設けられる(図21(B))。これらのカラーフィルタ374やブラックマトリクス376、オーバーコート372は、公知の方法や材料を用いて形成すればよく、よって詳細な説明は割愛する。
その後、液晶層308を形成する。具体的には、アレイ基板302と対向基板304の一方の上にシール材306を塗布し、シール材306で形成される領域に液晶層308を滴下する。その後、画素電極350や共通電極348、下部電極349、上部電極351がアレイ基板302と対向基板304に挟まれるよう、アレイ基板302と対向基板304の他方を液晶層308とシール材306の上に配置し、シール材306を硬化する。この時、画素電極350と共通電極348は上部電極351と重ならず、上部電極351から露出される。これによってアレイ基板302と対向基板304が貼り合わされ、固定される。あるいは、あらかじめシール材306を用いてアレイ基板302と対向基板304を貼り合わせる。この場合、シール材306は閉じた形状とせず、二つに分離するように形成する。シール材306を硬化した後、分離した二つのシール材306の間から液晶層308を注入し、その後シール材306の間にさらにシール材306を塗布し、硬化する。これにより、シール材306は単一の閉じた形状を与える。なお、スペーサ378を形成しない場合、粒状のスペーサを液晶層308に混合してもよい。
Claims (16)
- アレイ基板、
前記アレイ基板上に位置し、第1の電極、第2の電極、および前記第1の電極と前記第2の電極上の液晶層を有する画素、
前記アレイ基板上に位置し、第3の電極、前記第3の電極上の前記液晶層、および前記液晶層上の第4の電極を有する調光素子、
前記第4の電極上の対向基板、
前記アレイ基板と前記対向基板を挟む一対の波長板、および
前記一対の波長板を挟む一対の直線偏光板を備え、
前記調光素子は前記一対の波長板に挟まれ、
前記画素は前記一対の波長板から露出され、
前記一対の波長板は一対のλ/4波長板であり、
前記一対の直線偏光板の透過軸は互いに直交し、
前記一対のλ/4波長板の遅相軸は互いに直交する表示装置。 - 前記第2の電極は、前記第1の電極の上に位置する、請求項1に記載の表示装置。
- 前記第2の電極は、前記第3の電極と同一の層に存在する、請求項1に記載の表示装置。
- 前記第1の電極、前記第2の電極、および前記第3の電極上に位置し、前記液晶層の下に位置する配向膜をさらに備え、
前記配向膜の配向処理方向は、前記画素と前記調光素子において同一である、請求項1に記載の表示装置。 - 前記第3の電極と前記第4の電極の各々は、ストライプ状に配置される複数のスリットを有する、請求項1に記載の表示装置。
- 前記第4の電極の前記複数のスリットの少なくとも一つは、前記第3の電極の隣接するスリットの間の領域と重なる、請求項5に記載の表示装置。
- 前記第3の電極と前記第4の電極の前記複数のスリットのピッチは互いに同一である、請求項5に記載の表示装置。
- 前記第3の電極は、前記第4の電極と重なり、互いに電気的に独立する第1の領域から第nの領域を有し、
nは1よりも大きい自然数である、請求項1に記載の表示装置。 - 前記第1の領域から第nの領域より選択される第kの領域は、前記第1の領域から第nの領域より選択される第k+1の部分に囲まれ、
kは1以上nよりも小さい自然数である、請求項8に記載の表示装置。 - 前記アレイ基板と前記対向基板を互いに固定するシール材をさらに備え、
前記シール材は前記アレイ基板上で単一の閉じた形状を形成し、
前記画素と前記調光素子は前記閉じた形状内に位置する、請求項1に記載の表示装置。 - 前記アレイ基板の下に位置し、前記調光素子と重なる貫通孔を有する導光板、および
前記導光板に対して光を照射する光源をさらに有する、請求項1に記載の表示装置。 - アレイ基板、
前記アレイ基板上に位置し、第1の電極、第2の電極、および前記第1の電極と前記第2の電極上の液晶層を有する画素、
前記アレイ基板上に位置し、第3の電極、前記第3の電極上の前記液晶層、および前記液晶層上の第4の電極を有する調光素子、
前記第4の電極上の対向基板、
前記アレイ基板と前記対向基板を挟む一対の波長板、および
前記一対の波長板を挟む一対の直線偏光板を備え、
前記調光素子は前記一対の波長板に挟まれ、
前記画素は前記一対の波長板から露出され、
前記一対の波長板は一対のλ/2波長板であり、
前記一対の直線偏光板の透過軸は互いに直交し、
前記一対のλ/2波長板の遅相軸は互いに直交する表示装置。 - アレイ基板、
前記アレイ基板上に位置し、第1の電極、第2の電極、および前記第1の電極と前記第2の電極上の液晶層を有する画素、
前記アレイ基板上に位置し、第3の電極、第4の電極、および前記第3の電極と前記第4の電極上の前記液晶層を有する調光素子、
前記液晶層上に位置するブラックマトリクス、
前記ブラックマトリクス上の対向基板、
前記アレイ基板の下に位置し、前記画素と重なる第1の直線偏光板、
前記対向基板上に位置し、前記画素と前記調光素子と重なる第2の直線偏光板、ならびに
前記アレイ基板の下に位置し、前記調光素子と重なる第3の直線偏光板を備え、
前記ブラックマトリクスは、前記第1の直線偏光板と前記第3の直線偏光板と重なり、
前記第1の直線偏光板の透過軸は、前記第2の直線偏光板の透過軸と前記第3の直線偏光板の透過軸と直交する表示装置。 - 前記第2の電極と前記第4の電極は、それぞれ前記第1の電極と前記第3の電極の上に位置する、請求項13に記載の表示装置。
- 前記第1の電極は、前記第3の電極と同一の層に存在する、請求項13に記載の表示装置。
- 前記アレイ基板と前記対向基板を互いに固定するシール材をさらに備え、
前記シール材は、前記アレイ基板上で単一の閉じた形状を形成し、
前記画素と前記調光素子は前記閉じた形状内に位置する、請求項13に記載の表示装置。
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