JP7345336B2 - 表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、表示装置に関し、特に、電極に電圧を印加することで、光の出射方向を制御できる液晶層を備えた回折格子機能を有する液晶表示装置に関する。
特許文献1(特開2016-48276号公報)や特許文献2(特開2014-232136号公報)には、横電界モードで駆動される液晶表示装置において、電界を形成する電極の一方が櫛歯状に形成された構造を有することが記載されている。
特許文献3(特表2013-515277号公報)や特許文献4(特開2007-94035号公報)には、三次元画像を表示させる表示装置が記載されている。特許文献3および4では、第1の光および第2の光を交互に射出させることにより、右目用の画像と左目用の画像とを表示させる駆動方法が記載されている。
特開2016-48276号公報 特開2014-232136号公報 特表2013-515277号公報 特開2007-94035号公報
液晶層を備えた表示パネルを有する表示装置の場合、液晶層に電界を印加して液晶分子の配向を制御する。横電界モードと呼ばれる駆動方式において、電界を印加する画素電極および共通電極のうち、液晶層に近い方に位置する電極を櫛歯状の電極構造にすることで、液晶分子の回転方向を制御する応答速度を向上させることができる。しかし、上記構造の表示装置の場合、表示画像のコントラストの点で改善の余地があることが判った。
その他の課題および新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになる。
一実施の形態である表示装置は、表示パネルと、前記表示パネルと対向し、かつ、前記表示パネルに可視光を照射する光供給部と、を有する。前記表示パネルは、前記光供給部の前記表示パネルとの対向面側に順に積層された、第1偏光板、第1基板、液晶層、第2基板、および第2偏光板を有する。前記第1基板は、第1電極、および前記第1電極とは異なる層に形成された第2電極を有する。前記第2電極は、平面視において、第1方向に延在し、且つ、前記第1方向と直交する第2方向に配列された複数の枝電極を備える。前記第1偏光板の透過軸および前記第2偏光板の透過軸は互いに直交し、且つ、前記第1偏光板の透過軸および前記第2偏光板の透過軸のいずれか一方は、前記第2電極に電圧が印加されない時の前記液晶分子の配向の方向と平行である。前記第2電極の形成面を基準面として、前記基準面の法線方向を0度とした時、前記光供給部から供給される光は、可視光域において、0度以外の角度に光の強度のピークを持つ。
実施の形態の表示装置の一例を示す表示面側の平面図である。 図1のA-A線に沿った断面図である。 図1に示す表示装置が備える画素周辺の回路構成例を示す回路図である。 図2に示す表示領域における詳細な断面構造の一例を示す拡大断面図である。 図4に示す画素電極の平面視における構造例を示す平面図である。 電圧印加の前後における液晶分子の動作方向を模式的に示す平面図である。 図2に示す表示装置のバックライトユニットの光特性を示す説明図である。 図7に対する変形例であるバックライトの光特性を示す説明図である。 図2に示すバックライトユニットの構成例を示す断面図である。 図6に対する変形例において、ポジ液晶である液晶分子の初期配向の状態を示す拡大平面図である。
以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さまたは形状等について模式的に表される場合があるが、図面は、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書および各図面において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一または関連する符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
なお、本願において説明されるX方向およびY方向は互いに直交し、X方向およびY方向からなる面(X-Y平面)は水平面となる。また、Z方向は、X方向およびY方向に直交し、上記水平面に垂直な鉛直方向である。本願では、Z方向をある構造体の厚さ方向として説明する場合もある。
また、実施の形態で用いられる図面では、図面を見易くするために、断面図であってもハッチングが省略されている場合もあり、平面図であってもハッチングが付されている場合もある。
<表示装置>
まず、表示装置の構成例について説明する。図1は、本実施の形態の表示装置の一例を示す表示面側の平面図である。図1では、表示領域DAと周辺領域PFAの境界を二点鎖線で示している。また、図1では、シール材SLMが配置される領域をドットパターンで示している。図2は、図1のA-A線に沿った断面図である。後述する図4に示すように、基板10と基板20との間には、液晶層LQの他、複数の導電層や絶縁層があるが、図2では図示を省略している。図3は、図1に示す表示装置が備える画素周辺の回路構成例を示す回路図である。図4は、図2に示す表示領域における詳細な断面構造の一例を示す拡大断面図である。
図1に示すように、本実施の形態の表示装置DSP1は、表示領域DAを有する。表示領域DAには、外部から供給される入力信号に応じて画像が形成される。表示領域DAは、表示面を視た平面視において、表示装置DSP1が画像を表示する有効領域である。また、表示装置DSP1は、平面視において、表示領域DAの周囲にある周辺領域(非表示領域)PFAを有する。なお、表示装置DSP1は、表示領域DAの周囲に周辺領域PFAを備えているが、変形例として、周縁部まで表示領域DAになっている表示装置もある。以下で説明する技術は、表示領域DAが、表示装置の周縁部まで広がっているタイプの表示装置にも適用できる。また、図1に示す表示装置DSP1の表示領域DAは四角形であるが、表示領域が多角形や円形など、四角形以外の形状であってもよい。
図2に示すように、表示装置DSP1は、表示パネルDP1と、表示パネルDP1と対向し、かつ、表示パネルDP1に可視光を照射する光供給部としてのバックライトユニット40と、を有する。表示パネルDP1は、バックライトユニット40の表示パネルDP1との対向面である前面40f側に順に積層された、偏光板PL1、基板10、液晶層LQ、基板20、および偏光板PL2を有する。
詳しくは、表示装置DSP1の表示パネルDP1は、液晶層LQを介して互いに対向するように貼り合せられた基板10および基板20を有している。基板10および20は、表示装置DSP1の厚さ方向(Z方向)において互いに対向する。基板10は、液晶層LQ(および基板20)と対向する前面(主面、面)10f、および前面10fの反対側に位置する背面(主面、面)10bを有する。また基板20は、基板10の前面10f(および液晶層LQ)と対向する背面(主面、面)20bを有する。基板10は、スイッチング素子(能動素子)としての複数のトランジスタ(トランジスタ素子)Tr1(図3参照)がアレイ状に配置されたアレイ基板である。また、基板20は、表示面側に設けられた基板である。基板20は、アレイ基板に対向配置された基板という意味で、対向基板と言い換えることができる。
液晶層LQは、基板10の前面10fと、基板20の背面20bと、の間にある。液晶層LQは、可視光の透過状態を制御する電気光学層である。スイッチング素子(図3に示すトランジスタTr1)を介して液晶層LQの周辺に形成される電界の状態を制御することにより、そこを通過する光を変調する機能を備えている。基板10および基板20にある表示領域DAは、図2に示すように液晶層LQと重畳する。
基板10および基板20は、シール材(接着材)SLMを介して接着される。図1に示すように、シール材SLMは、表示領域DAの周囲を囲むように、周辺領域PFAに配置される。図2に示すように、シール材SLMの内側には、液晶層LQが配置される。シール材SLMは、基板10および基板20の間に液晶を封入するシールとしての役割を果たす。また、シール材SLMは、基板10および基板20を接着する、接着材としての役割を果たす。
表示パネルDP1は、偏光板PL1および偏光板PL2と、を有する。偏光板PL1は、基板10とバックライトユニット40との間に配置される。偏光板PL2は、基板20の表示面側、すなわち基板20を挟んで基板10の反対側に配置される。偏光板PL1の透過軸および偏光板PL2の透過軸は互いに直交する。バックライトユニット40は、基板10の背面10bと対向する前面40f、および前面40fの反対側に位置する背面40bを有する。
また、表示装置DSP1は、基板20の表示面側を覆う、カバー部材CVM(図2参照)を備えている。カバー部材CVMは、基板20の背面20bの反対側の前面10fに対向する。言い換えれば、カバー部材CVMは、基板20の背面20bの反対側の前面20fに対向する。基板20は、Z方向において、カバー部材CVMと基板10の間にある。カバー部材CVMは、基板10、20や偏光板PL2を保護する保護部材であって、表示装置DSP1の表示面側に配置されている。ただし、本実施の形態に対する変形例としては、カバー部材CVMが無い場合もある。
基板10および基板20のそれぞれは、可視光透過性(可視光が透過する特性)を備える透明な板材である。透明な板材である基板として、ガラス基板を例示することができる。また、基板10や基板20の構成材料として、ポリイミドやポリアミド、ポリカルボナート、あるいは、ポリエステルなどのポリマーを含む樹脂材料(可視光透過性の樹脂材料)を用いることもできる。
本実施の形態の場合、基板10の周辺領域PFAには、フレキシブル配線板50が接続される。基板10の前面10f上には端子TM1が形成される。端子TM1は、周辺領域PFAに形成される。フレキシブル配線板50は、端子TM1に接続される配線51と、配線51を覆い、かつ、曲げ変形自在に形成された絶縁膜52と、を備える。
フレキシブル配線板50は、一方の端部が基板10の前面10f上に接続され、他方の端部は、バックライトユニット40の背面40b側に配置される。フレキシブル配線板50は、基板10の側面およびバックライトユニット40の側面を覆うように曲げられている。
バックライトユニット40から供給された光は、偏光板を含む偏光板PL1、基板10、液晶層LQ、基板20、および偏光板PL2を介してカバー部材CVM側に到達する。基板20と液晶層LQとの間には、光学フィルタ層が配置される。光学フィルタ層は、図4に示すように、可視光を遮光する遮光膜BM、および複数種類のカラーフィルタ膜CFを含む。
図3に示すように、表示領域DAには、複数の画素(ピクセル)PXが配置される。図3に示す例では、複数の画素PXのそれぞれは、複数の副画素(サブピクセル)PXsを有する。複数の副画素PXsには、例えば、赤色用、青色用、および緑色用の副画素PXsが含まれ、複数の副画素PXsの色調を制御することにより、カラー画像を表示することができる。一つの画素PXを構成する副画素PXsの種類の数は、図3に例示する3種類の他、種々の変形例が適用できる。
複数の副画素PXsのそれぞれは、液晶層LQに印加する電界のオン-オフを制御するスイッチング素子であるトランジスタTr1を備える。トランジスタTr1は、副画素PXsの動作を制御する。トランジスタTr1は、基板10上に形成された薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:TFT)である。
図3に示すように、表示装置DSP1は、表示領域DAにおいて、X方向に延びる複数の走査信号線GLと、表示領域DAにおいて、X方向に交差する(図3では直交する)Y方向に延びる複数の映像信号線SLと、を有する。走査信号線GLは、トランジスタTr1のゲートに接続される、ゲート線である。また、映像信号線SLは、トランジスタTr1のソースに接続される、ソース線である。複数の走査信号線GLのそれぞれは、X方向に延び、かつ、Y方向において、例えば等間隔で配列されている。複数の映像信号線SLのそれぞれは、Y方向に延び、かつ、X方向において、例えば等間隔で配列されている。
複数の走査信号線GLのそれぞれは、走査駆動回路(ゲート駆動回路)GDに接続される。走査駆動回路GDから出力された走査信号Gsiは、走査信号線GLを介してトランジスタTr1のゲートに入力される。また、複数の映像信号線SLのそれぞれは、映像信号駆動回路SDに接続される。映像信号駆動回路SDから出力された映像信号Spicは、映像信号線SLを介してトランジスタTr1のソースに入力される。
複数の映像信号線SLのそれぞれは、トランジスタTr1を介して画素電極PEに接続される。詳しくは、映像信号線SLは、トランジスタTr1のソースに接続され、画素電極PEは、トランジスタTr1のドレインに接続される。トランジスタTr1がオンになっている時、画素電極PEには、映像信号線SLから映像信号Spicが供給される。また、画素電極PEは、誘電層(図3に示す容量素子CS)を介して共通電極CEに接続されている。共通電極CEには、共通電位供給回路CDから固定電位が供給される。共通電極CEに供給される固定電位は、複数の副画素PXsに対して共通の電位である。表示期間において、共通電極CEに供給される電位と、画素電極PEに供給される電位との電位差に応じて各副画素PXsには電界が形成され、この電界により、液晶層LQに含まれる液晶分子が駆動される。
図3に示す走査駆動回路GD、映像信号駆動回路SD、および共通電位供給回路CDのそれぞれは、例えば、図2に示す基板10の周辺領域PFAに接続されるフレキシブル配線板50に形成される。また、変形例として、フレキシブル配線板50に図3に示す走査駆動回路GD、映像信号駆動回路SD、および共通電位供給回路CDの一部または全部が形成された半導体チップが搭載される場合がある。また、別の変形例として、図3に示す走査駆動回路GD、映像信号駆動回路SD、および共通電位供給回路CDの一部または全部が形成された半導体チップが図2に示す基板10の周辺領域PFAに直接、搭載される場合がある。
また、図4に示すように、基板10と液晶層LQとの間には、複数の導電層CL1~CL5、複数の絶縁膜11~16、および配向膜AL1がある。複数の導電層CL1~CL5、複数の絶縁膜11~16、および配向膜AL1は基板10の前面10f上に形成される。また、基板20と液晶層LQとの間には、遮光膜BMと、カラーフィルタ膜CFと、絶縁膜OC1と、配向膜AL2と、がある。遮光膜BM、カラーフィルタ膜、CF絶縁膜OC1、および配向膜AL2は、基板20の背面20b上に形成される。図4に示すように、基板10および基板10の前面10fと液晶層LQとの間に積層される各構造物(絶縁膜11~配向膜AL1まで)のそれぞれを含む構造体を、基板SUB1と定義することができる。また、基板20および基板20の背面20bと液晶層LQとの間に積層される各構造物(カラーフィルタ膜CF~配向膜AL2まで)のそれぞれを含む構造体を、基板SUB2と定義することができる。
図4に示す導電層CL1、CL2およびCL3のそれぞれには、遮光性の金属の導体パターン(金属配線)が形成される。導電層CL1および導電層CL3は、例えばモリブデン(Mo)やタングステン(W)等の金属またはそれらの合金から成る金属膜を含む。導電層CL2の導体パターンは、例えばアルミニウム(Al)膜がチタン(Ti)膜や窒化チタン(TiN)膜などに挟まれた積層膜など、多層構造の金属膜を含む。また、導電層CL4および導電層CL5は、主に、ITO(Indium tin oxide)またはIZO(Indium Zinc Oxide)などの導電性の酸化物材料(透明導電材料)を含む。
導電層CL1~CL5の間には、絶縁膜が介在する。導電層CL1と基板10との間には、絶縁膜11、および絶縁膜12が介在する。導電層CL1と導電層CL2との間には、絶縁膜13が介在する。導電層CL3と導電層CL4との間には、絶縁膜14が介在する。導電層CL4と導電層CL5との間には、絶縁膜15が介在する。導電層CL5と液晶層LQとの間には、配向膜AL1が介在する。絶縁膜11、12、13、および16のそれぞれは、無機絶縁膜である。無機絶縁膜としては、例えば窒化珪素(SiN)膜、酸化珪素(SiO)膜、酸化アルミニウム(AlOx)膜あるいはこれらの積層膜を例示できる。また、絶縁膜14および絶縁膜15は、例えば、アクリル系の感光性樹脂などの有機絶縁膜である。
複数の走査信号線GLのそれぞれは、基板10上の導電層CL1に形成される。基板10上には絶縁膜11および絶縁膜12が積層され、走査信号線GLは絶縁膜12上に形成される。複数の映像信号線SLのそれぞれは、基板10上の導電層CL2に形成される。基板10上には絶縁膜11、12および13が積層され、映像信号線SLは絶縁膜13上に形成される。
絶縁膜11と絶縁膜12との間には、図3に示すトランジスタ(トランジスタ素子)Tr1の半導体層が形成される。半導体層は、図4とは異なる断面にあるため、図4には半導体層を示していない。半導体層のソース領域は、導電層CL2に形成される映像信号線SLと電気的に接続される。半導体層のドレイン領域は、導電層CL5の画素電極PEと電気的に接続される。平面視において、走査信号線GLは、半導体層のソース領域とドレイン領域との間に延びる。また、走査信号線GLは、半導体層のチャネル領域と重なり、トランジスタTr1のゲート電極として機能する。チャネル領域と走査信号線GLとの間に介在する絶縁膜12は、ゲート絶縁膜として機能する。上記した例のように、トランジスタTr1のチャネル領域の上側にゲート電極が配置される構造のTFTは、トップゲート方式と呼ばれる。ただし、TFTの方式には種々の変形例があり、例えば、チャネル領域の下側にゲート電極が配置されるボトムゲート方式を用いてもよい。あるいは、チャネル領域の上側および下側の両方にゲート電極が配置される方式もある。
導電層CL3には、配線MW3が配置される。配線MW3は、走査信号線GLや映像信号線SLと同様に金属から成る金属配線である。配線MW3は、厚さ方向(Z方向)において映像信号線SLと重なる位置に配置されている。配線MW3は、導電層CL4に形成される共通電極CEと電気的に接続される。この場合、配線MW3は、共通電極CEに電位を供給する配線として利用することができる。あるいは、配線MW3は、表示装置DSP1がタッチパネル機能を備えている場合に、タッチ位置の検出に利用される駆動信号や検出信号を伝送する信号伝送経路として利用される。
また、後述するように、本実施の形態の場合、額縁領域FRAにおいて、複数の映像信号線SLの一部が互いに交差する。導電層CL3は、映像信号線SLを交差させるための配線層として利用される。言い換えれば、互いに交差する映像信号線SLのうち、一方の映像信号線SLの迂回配線部が導電層CL3に形成される。
導電層CL4には、共通電極CEが形成される。共通電極CEは、平坦化膜である絶縁膜15上に形成される。図4では、一つの共通電極CEを示しているが、図1に示す表示領域DAにおいて、複数の共通電極CEが互いに離間して配置されていてもよい。また、上記したように、共通電極CEには、複数の副画素PXsに対して共通する電位が供給される。このため、図4に示すように共通電極CEは、複数の副画素PXsに亘って配置されていてもよい。複数の副画素PXsのそれぞれに形成される画素電極PEは、共通電極CEと対向し、平面視において共通電極CEと重なっている。
導電層CL5には、複数の画素電極PEが形成される。画素電極PEが形成される導電層CL5と共通電極CEが形成される導電層CL4との間には、無機絶縁膜である絶縁膜16が介在する。この絶縁膜16が誘電層として機能して、図3に示す容量素子CSが形成される。
複数の画素電極PEは、配向膜AL1に覆われる。配向膜AL1は液晶層LQに含まれる液晶分子の初期配向を揃える機能を備える有機絶縁膜であって、例えばポリイミド樹脂から成る。また、配向膜AL1は、液晶層LQに接する。
カラーフィルタ膜CFは、基板10と対向する背面20b側に形成される。図3に示す例では、赤(R)、緑(G)、青(B)の3色のカラーフィルタ膜CFが周期的に配列される。カラー表示装置では、例えばこの赤(R)、緑(G)、青(B)の3色の画素を1組として、カラー画像を表示する。基板20の複数のカラーフィルタ膜CFは、基板10に形成される画素電極PEを有するそれぞれの画素PX(図1参照)と、互いに対向する位置に配置される。なお、カラーフィルタの種類は、赤(R)、緑(G)、青(B)の3色に限定されるものではない。
また、各色のカラーフィルタ膜CFのそれぞれの境界には、遮光膜BMが配置される。遮光膜BMはブラックマトリクスと呼ばれ、例えば黒色の樹脂や、低反射性の金属から成る。遮光膜BMは、平面視において、例えば格子状に形成される。言い換えれば、遮光膜BMは、X方向およびY方向に延在している。詳しくは、遮光膜BMは、Y方向に延びる複数の部分と、Y方向に交差するX方向に延びる複数の部分を有している。各画素PXをブラックマトリクスで区画することにより、光漏れや混色を抑制することができる。
遮光膜BMは、表示領域DAにおいて、金属配線である走査信号線GL、映像信号線SL、および配線MW3と重畳する。遮光性を有する金属配線が遮光膜BMと重なる位置に配置されていることにより、表示画面において、金属配線が視認され難くなる。一方、共通電極CEおよび画素電極PEの少なくとも一部分は、遮光膜BMと重ならない位置に配置されている。共通電極CEおよび画素電極PEは、可視光透過性の導電性材料により形成されている。このため、共通電極CEおよび画素電極PEは遮光膜BMと重ならない位置に配置されているが、各副画素PXsにおいて、可視光は、共通電極CEや画素電極PEにより遮光されない。
また、遮光膜BMは、基板20の周辺領域PFA(図1参照)にも形成される。周辺領域PFAは、遮光膜BMと重畳する。表示領域DAは、周辺領域PFAよりも内側の領域として規定される。また、周辺領域PFAは、図2に示すバックライトユニット(光源)40から照射された光を遮光する遮光膜BMと重畳する領域である。遮光膜BMは表示領域DA内にも形成されるが、表示領域DAには、遮光膜BMに複数の開口部が形成される。一般的に、遮光膜BMに形成され、カラーフィルタが露出する開口部のうち、最も周縁部側に形成された開口部の端部が、表示領域DAと周辺領域PFAの境界として規定される。
絶縁膜OC1は、カラーフィルタ膜CFおよび遮光膜BMを覆っている。絶縁膜OC1は、カラーフィルタから液晶層に対して不純物が拡散するのを防止する保護膜として機能する。絶縁膜OC1は、例えばアクリル系の感光性樹脂等から成る、有機絶縁膜である。
絶縁膜OC1は、配向膜AL2に覆われる。配向膜AL2は液晶層LQに含まれる液晶分子の初期配向を揃える機能を備える有機絶縁膜であって、例えばポリイミド樹脂から成る。また、配向膜AL2は、液晶層LQに接する。
<液晶分子の回転動作の詳細>
次に、図4に示す画素電極の構造例および液晶分子の回転動作の例について説明する。図5は、図4に示す画素電極の平面視における構造例を示す平面図である。図4に示す導電層CL5には、図5に例示される形状の画素電極PEが、副画素PXsのそれぞれに設けられている。
図5に示されるように、画素電極PEには複数の枝電極PE1、PE2が含まれ、平面視において、複数の枝電極PE1、PE2が、それぞれX方向に延在し、それぞれY方向において互いに隣接している。複数の枝電極PE1は、Y方向に延在する連結部PEaによって互いに接続され、複数の枝電極PE2も連結部PEaによって互いに接続されている。複数の枝電極PE1および複数の枝電極PE2は、連結部PEaを介してX方向において互いに反対側に配置されている。また、複数の枝電極PE1から成る枝電極群、および複数の枝電極PE2から成る枝電極群は、Y方向において半ピッチずれるように配列される。このような配列を、千鳥配列と呼ぶ。
なお、複数の枝電極PE1、複数の枝電極PE2および連結部PEaは、同じ層に形成された導電性膜であるが、以降では、主に、複数の枝電極PE1を用いて説明を行う。また、図示はしていないが、共通電極CEは、基板SUB1の上面全体に渡って面状に形成され、複数の枝電極PE1、複数の枝電極PE2および連結部PEaは、共通電極CEと対向し、平面視において共通電極CEと重なっている。
図5に示す例では、複数の枝電極PE1および複数の枝電極PE2のそれぞれのY方向におけるピッチP1、P2は等しい。ここで言うピッチP1は、Y方向における1つの枝電極PE1の幅W1と、Y方向において互いに隣り合う2つの枝電極PE1の間の距離D1との和で定義される。同様に、ピッチP2は、Y方向における1つの枝電極PE2の幅W2と、Y方向において互いに隣り合う2つの枝電極PE2の間の距離D2との和で定義される。1つの枝電極PE1の幅W1および枝電極PE2の幅W2は、例えばそれぞれ3μmである。また、Y方向において隣り合う枝電極PE1の距離(離間距離)D1およびは、Y方向において隣り合う枝電極PE2の距離(離間距離)D2は、例えばそれぞれ2μmである。
複数の枝電極PE1、複数の枝電極PE2および連結部PEaは、同じ層(図4に示す導電層CL5)に形成された導電性膜である。以降の説明では、複数の枝電極PE1の周辺における液晶分子の挙動を取り上げて説明を行う。図4に示す液晶層LQに配置される液晶分子は、画素電極PEと共通電極CEとの間に電圧を印加することにより形成される電界の影響を受けて動作する。液晶分子の動作に関する以下の説明において、「電圧を印加する」あるいは「電圧をオンにする」などの表現は、「画素電極PEと共通電極CEとの間に電圧を印加する」ことを意味する。
実施の形態における表示装置DSP1(図2参照)では、図4に示すように、画素電極PEと共通電極CEとが異なる層に形成されている。また、共通電極CEおよび画素電極PEのうち、相対的に液晶層LQに近い導電層CL5に形成されている画素電極PEは、図5に示すように、櫛歯状に形成された複数の枝電極PE1を有している。共通電極CEと画素電極PEとの間に電圧を印加すると、液晶層LQの液晶分子は、基板SUB1または基板SUB2の上面と平行な方向、すなわち図5に示すX方向とY方向とで構成される水平面と平行な方向に回転する。
図6は、電圧印加の前後における液晶分子の動作方向を模式的に示す平面図である。図6では、上段に、電圧印加前の液晶分子の初期配向状態が示され、下段には電圧印加後における液晶分子の状態が示されている。なお、図4に示す液晶層LQには、ネガ液晶またはポジ液晶を用いることができるが、実施の形態では、液晶層LQは、ネガ液晶である場合を例示している。この場合、図6に模式的に示すように、液晶分子LQMの初期配向の方向は、枝電極PE1が延在する方向(X方向)と直交する方向(Y方向)である。
図6に示されるように、Y方向において、一方(Y1側)の枝電極PE1の中央から他方(Y2側)の枝電極PE1の中央までの間に、液晶分子LQMの配向方向(配向角度)が連続的に変化している。すなわち、電圧印加後には、Y方向において、液晶分子LQMの配向方向が連続的に変化している。
一方(Y1側)の枝電極PE1の端部付近では、液晶分子LQMが時計回り(右回り)方向Rに回転し、他方(Y2側)の枝電極PE1の端部付近では、液晶分子LQMが反時計回り(左回り)方向Lに回転する。液晶分子LQMの配向方向が最も変化するのは、枝電極PE1の端部付近であるが、一方(Y1側)の枝電極PE1の端部と、他方(Y2側)の枝電極PE1の端部とでは、液晶分子LQMの回転方向が逆になる。
上記の通り、複数の枝電極PE1を備える画素電極PE(図5参照)を用いて液晶分子LQMを駆動する(回転させる)場合、枝電極PE1と液晶分子LQMとの平面的な位置関係に応じて、液晶分子LQMの回転方向、および回転の程度が変化する。このような駆動方式の場合、単純な棒状、あるいは島状にパターニングされた画素電極(図示は省略)を用いて液晶分子(図示は省略)を駆動する方法と比較して、液晶分子LQMの応答速度を増加させることができる。
また、枝電極PE1を備える画素電極PE(図5参照)を用いて液晶分子LQMを駆動する(回転させる)場合、図2に示すバックライトユニット40から照射された光(可視光)は、液晶層LQを透過する際に回折する。図4に示す画素電極PEの形成面(図4に示す例では、絶縁膜15の前面)を基準面BLとして、基準面BLの法線方向(厳密には、基準面BLから図2に示すバックライトユニット40に向かう法線方向)を0度とする。この時、バックライトユニット40(図2参照)から照射される光のうち、基準面BLから視て0度の方向から照射される光は、電圧が印加されていない初期配向状態(図6の上段に示す状態)の時には、実質的に回折しないと見做すことができる。したがって、0度の方向から照射された光の殆どは、回折せずに液晶層LQを透過し、基準面BLから視て180度の方向に出射される。一方、電圧が印加された状態(図6の下段に示す状態)の時には、基準面BLから視て0度の方向から照射される光は、その一部が液晶層LQにおいて回折し、基準面BLから視て180度以外の方向に出射される。基準面BLから視て180度の方向に出射される光の強度は、液晶分子LQM(図6参照)の配向が初期配向状態の時の光の強度と比較すると小さくなる。
図2に示す表示装置DSP1は、偏光板PL1の透過軸および偏光板PL2の透過軸は互いに直交する。また、偏光板PL1の透過軸および偏光板PL2の透過軸のいずれか一方は、図6に示す画素電極PEに電圧が印加されない時の液晶分子LQMの配向の方向と平行である。言い換えれば、表示装置DSP1の表示パネルDP1は、図4に示す画素電極PEと共通電極CEとの間に電圧が印加されたに状態において、黒表示になる、ノーマリーブラックの状態で構成されている。このため、表示装置DSP1の場合、白輝度(背面側からカラーフィルタ膜CFに照射される白色光の輝度)は、0度以外の方向から照射される光の強度(光の量)により決定される。言い換えれば、白輝度は、基準面BLからバックライトユニット40(図2参照)に向かう法線方向に対して傾斜した方向から照射される光の強度により決定される。一方、黒輝度は、0度の方向から照射される光の強度(光の量)により決定される。言い換えれば、黒輝度は、基準面BLからバックライトユニット40(図2参照)に向かう法線方向から照射される光の強度により決定される。なお、本願において、「0度以外」とは、「0度とは異なる」という意味で用いられ、0度は「0度以外」には含まれない。
実施の形態の表示装置DSP1(図2参照)は、画素電極PEの構造に起因して生じる可視光の回折特性を利用して、画面の明るさ、あるいは表示画像のコントラストを改善する。図7は、図2に示す表示装置のバックライトユニットの光特性を示す説明図である。図8は、図7に対する変形例であるバックライトの光特性を示す説明図である。図7において、横軸は上記した基準面に対する法線方向を0度とした時の可視光の照射角度を示し、縦軸は、光の強度をピーク値に対する比率として示している。また、図7では、図2に示すバックライトユニットから照射される光の特性を実線で示し、検討例のバックライトユニットから照射される光の特性を点線で示している。
一般的なバックライトユニットの場合、図7に示すバックライトユニット40Hの特性曲線のように、照射角が0度の時にピークになる。一方、バックライトユニット40の場合、光供給部であるバックライトユニット40から供給される光は、可視光域において、0度以外の角度に光の強度のピークを持つ。図7に示す例では、バックライトユニット40は、8度および-8度にピークを持つ。
図7に示す特性を備えるバックライトユニット40を、図5に示すように複数の枝電極PE1を備える画素電極PEと組み合わせて使用する場合、以下の理由によりコントラストが向上する。すなわち、表示装置DSP1の場合、白輝度は、0度以外の方向から照射される光の強度により決定される。バックライトユニット40は、0度以外の照射角度にピークを持つので、図7に示すバックライトユニット40Hを用いた場合を比較して白輝度を大きくすることができる。一方、黒輝度は、0度の方向から照射される光の強度により決定される。バックライトユニット40の場合、照射角度が0度の時の光の強度は、照射角度が8度、あるいは-8度の時の光の強度より低い。したがって、図7に示すバックライトユニット40Hを用いた場合を比較して黒輝度を小さくすることができる。言い換えれば、黒色を表示する際の光の漏れを低減することができる。このように、バックライトユニット40を有する表示装置DSP1の場合、図7に示すバックライトユニット40Hを用いる表示装置(図示は省略)と比較して、白輝度は相対的に大きく、黒輝度は相対的に小さくなる。この結果、表示画像のコントラストを大きくすることができる。
上記したように、図7に示す例では、バックライトユニット40は、8度および-8度にピークを持つ。0度の時の光の強度が、0度以外の照射角度での光の強度よりも低くなっていれば、黒輝度を小さくすることができる。例えば、図8に示す変形例のバックライトユニット40Aの場合、-8度にピークを持つ。8度の時の光の強度は0度の時の光の強度よりも低い。したがって、バックライトユニット40Aの特性曲線のように、0度以外の照射角度に、光の強度が最大となる照射角度が少なくとも一つあれば、コントラストを向上させることができる。ただし、白輝度を向上させる観点からは、0度以外の照射角度において、複数の角度でピークを持つことが好ましい。
また、光強度の特性曲線において、0度を跨いだ複数の角度でピークを持つことが好ましい。また、0度を跨いだ複数の角度は、絶対値が同じであることが特に好ましい。この場合、白輝度を向上させることができるので、一つのピークを持つ場合よりもコントラストをさらに向上させることができる。
図5に示す幅W1、W2、距離D1、D2、およびピッチP1、P2には種々の変形例がある。ただし、好ましい範囲はある。例えば、図5に示す画素電極PEのように、櫛歯状の画素電極を用いた駆動方式の場合、液晶分子LQM(図6参照)の応答速度を早くすることができる。この応答速度を早くする効果を得るためには、図5に示すピッチP1およびP2の値は、9μm以下が特に好ましい。
また、図7に示す例では光の強度のピークを持つ照射角度(以下、ピーク角度と記載する)の絶対値が8度になっている例を示している。ただし、本願発明者の検討によれば、ピーク角度は、図5に示すピッチP1との関係において、一定の範囲内であることが特に好ましいことが判った。すなわち、複数の枝電極PE1のそれぞれの幅W1と、複数の枝電極PE1のうち、互いに隣り合う枝電極PE1の離間距離(距離D1)と、の和で規定されるピッチP1をpとする。バックライトユニット40(図2参照)から供給される光の強度がピークになる時の照射角度(ピーク角度)をθとする。また、可視光域の波長をλとする。この場合、ピーク角度は、p×sinθ=λの式が成り立つ範囲にあることが好ましい。
例えば、図5に示すピッチP1が5μmの時、ピーク角度θは、5.164<|θ|<7.470の範囲内であることが好ましい。また、ピッチP1が9μmの時、ピーク角度θは、2.866<|θ|<4.142の範囲内であることが好ましい。また、ピッチP1が2μmの時、ピーク角度θは、13.00<|θ|<18.97の範囲内であることが好ましい。なお、上記の例の場合、可視光域は、450nm以上、650nm以下として算出している。ピーク角度θが上記のような範囲内の値である場合、光の回折現象とピーク角度θとの関係により、図4に示す基準面BLの法線方向であって、かつ、基板20に向かう方向における白輝度を大きくすることができる。ただし、ピーク角度θが上記した範囲内にない場合でも、0度以外の角度にピークを持つ特性を有していれば、コントラストを大きくすることはできる。
<バックライトユニットの構成例>
次に、ピーク角度を0度以外にすることができるバックライトユニット40の構成例について説明する。なお、ピーク角度を0度以外にすることを実現するバックライトユニット40の構成については、種々の構成がある。以下では、バックライトユニット40の一つの構成例を取り上げて説明する。図9は、図2に示すバックライトユニットの構成例を示す断面図である。図9は断面図であるが、光源43、44から出射される光の経路を模式的に示すため、ハッチングは省略している。
図9に示すバックライトユニット40は、出射面41fおよび出射面41fの反対面の内側に位置する反射面41rを備える導光板41、および導光板41の出射面41f側に配置されるレンズシート42を備える。また、バックライトユニット40は、導光板41の側面41s1と対向する位置に配置される光源43および側面41s1の反対側に位置する側面41s2と対向する位置に配置される光源44を備える。光源43および44のそれぞれは、例えばLED(Light Emitting Diode)などの発光素子を含む。なお、図9に示す例では、バックライトユニット40の構造例を単純化して説明している。図9に示す構成に加え、例えば、偏光素子、拡散板位相差素子などの光学素子を含んでいる場合もある。
バックライトユニット40は、導光板41の出射面41fの法線方向と、図4に示す基準面BLの法線方向とが一致し、かつ、レンズシート42が表示パネルDP1と対向するように配置される。導光板41の反射面41rの外側には、例えば、複数の溝45が形成されている。複数の溝45は、光源43および44から出射された光が、導光板41の反射面41rで反射して、出射面41fの法線方向に出射するように形成されている。導光板41上に形成されるレンズシート42は、複数のレンズを備える。レンズシート42から出射する時に屈折し、導光板41の出射面41fの法線方向に対して傾斜した角度で、表示パネルDP1に照射される。
バックライトユニット40は、レンズシート42に照射された光の屈折角度を調整することにより、上記したピーク角度を制御することが可能である。バックライトユニット40のように、出射される光のピーク角度を制御する方法は、例えば、上記した特許文献3(特表2013-515277号公報)や特許文献4(特開2007-94035号公報)のように、裸眼で立体視画像を表示する表示装置に用いられるバックライトユニットを応用して適用することができる。裸眼で立体視画像を表示する表示装置の場合、例えば図9に示す光源43および44のオン-オフ動作を交互に繰り返すことにより、左目用の画像と右目用の画像とを表示する。バックライトユニット40の場合、光源43および44を、同時にオンさせることにより、例えば図7に例示するような光強度のピーク特性が得られる。また、光源43および44のいずれか一方をオンにして他方をオフにした場合、図8に示すように、0度と異なる角度に一つのピークを持つ特性曲線が得られる。
光の強度が最大になる照射角度が0度以外の角度になるように制御する光供給部としてのバックライトユニット40の一例について図9を用いて説明した。しかし、ピーク角度が0度以外の所定の角度になるように制御可能であれば、バックライトユニット40の構造は、図9に示す構造には限定されず、種々の変形例が適用可能である。
<変形例>
上記したように、図4に示す液晶層LQは、ポジ液晶または、ネガ液晶を用いることができる。図6では、ネガ液晶を用いた場合の初期配向の例を示した。図10は、図6に対する変形例において、ポジ液晶である液晶分子の初期配向の状態を示す拡大平面図である。図10に示すように、液晶層LQ(図4参照)がポジ液晶である場合、液晶分子LQMの初期配向の方向は、枝電極PE1が延在する方向(X方向)となる。また、ポジ液晶の液晶分子LQMの回転方向は、ネガ液晶と同様である。このため、液晶層LQがポジ液晶である場合、電圧印加後には、X方向において、液晶分子LQMの配向方向が連続的に変化する。
また、図4では、画素電極PEが共通電極CEよりも液晶層LQに近い位置に配置される構造を取り上げて説明した。ただし、変形例として、共通電極CEが画素電極PEよりも液晶層LQの近くに配置される場合がある。この場合、共通電極CEの形状が、図5に示す例のように、複数の枝電極PE1を備えた櫛歯形状になる。一方、画素電極PEは、副画素のそれぞれに島状にパターニングされた単純な構造でよい。
本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば、上述の各実施の形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、または、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
本発明は、光学素子、および、光学素子を備える液晶表示装置に利用可能である。
10,20 基板
10b,20b 背面(主面、面)
10f,20f 前面(主面、面)
11,12,13,14,15,16 絶縁膜
40,40A,40H バックライトユニット(光供給部)
40b 背面
40f 前面
41 導光板
41f 出射面
41r 反射面
41s1,41s2 側面
42 レンズシート
43,44 光源
45 溝
50 フレキシブル配線板
51 配線
52 絶縁膜
AL1,AL2 配向膜
BL 基準面
BM 遮光膜
CD 共通電位供給回路
CE 共通電極
CF カラーフィルタ膜
CL1,CL2,CL3,CL4,CL5 導電層
CS 容量素子
CVM カバー部材
D1,D2 D2 距離(離間距離)
DA 表示領域
DP1 表示パネル
DSP1 表示装置
FRA 額縁領域
GD 走査駆動回路(ゲート駆動回路)
GL 走査信号線
Gsi 走査信号
LQ 液晶層
LQM 液晶分子
MW3 配線
OC1 絶縁膜
P1,P2 ピッチ
PE 画素電極
PE1,PE2 枝電極
PEa 連結部
PFA 周辺領域(非表示領域)
PL1,PL2 偏光板
PX 画素(ピクセル)
PXs 副画素(サブピクセル)
SD 映像信号駆動回路
SL 映像信号線
SLM シール材(接着材)
Spic 映像信号
SUB1,SUB2 基板
TM1 端子
Tr1 トランジスタ(トランジスタ素子)
W1,W2 幅

Claims (7)

  1. 表示パネルと、
    前記表示パネルと対向し、かつ、前記表示パネルに可視光を照射する光供給部と、
    を有し、
    前記表示パネルは、前記光供給部の前記表示パネルとの対向面側に順に積層された、第1偏光板、第1基板、液晶層、第2基板、および第2偏光板を有し、
    前記第1基板は、第1電極、および前記第1電極とは異なる層に形成された第2電極を有し、
    前記第2電極は、平面視において、第1方向に延在し、且つ、前記第1方向と直交する第2方向に配列された複数の枝電極を備え、
    前記第1偏光板の透過軸および前記第2偏光板の透過軸は互いに直交し、且つ、前記第1偏光板の透過軸および前記第2偏光板の透過軸のいずれか一方は、前記第2電極に電圧が印加されない時の液晶分子の配向の方向と平行であり、
    前記第2電極の形成面を基準面として、前記基準面の法線方向を0度とした時、前記光供給部から供給される光は、可視光域において、0度とは異なる角度に光の強度のピークを持ち、
    前記第2電極の前記複数の枝電極は、前記第2方向に等間隔で配置され、
    前記複数の枝電極のそれぞれの幅と、前記複数の枝電極のうち、互いに隣り合う枝電極の離間距離と、の和で規定されるピッチをpとし、
    記光供給部から供給される光の強度がピークになる時の照射角度をθとし、
    可視光域の波長をλとすると、
    前記照射角度は、
    p×sinθ=λ
    の式が成り立つ範囲にある、表示装置。
  2. 請求項1に記載の表示装置において、
    前記光供給部から供給される光は、可視光域において、0度以外の複数の角度に光の強度のピークを持つ、表示装置。
  3. 請求項1または2に記載の表示装置において、
    前記第2電極の前記複数の枝電極は、前記第2方向に等間隔で配置され、
    記複数の枝電極のそれぞれの幅と、前記複数の枝電極のうち、互いに隣り合う枝電極の離間距離と、の和で規定されるピッチは、9μm以下である、表示装置。
  4. 請求項1~の何れか1項に記載の表示装置において、
    前記液晶層は、ネガ液晶であり、前記液晶層の液晶分子の初期配向の方向は、前記第2方向である、表示装置。
  5. 請求項1~の何れか1項に記載の表示装置において、
    前記液晶層は、ポジ液晶であり、前記液晶層の液晶分子の初期配向の方向は、前記第1方向である、表示装置。
  6. 請求項1~の何れか1項に記載の表示装置において、
    前記光供給部は、第1光源、第2光源、導光板、および複数のレンズを有し、
    前記導光板は、
    光を出射し、かつ前記複数のレンズを介して前記表示パネルと対向する出射面と、
    前記出射面の反対面の内側に位置し、前記第1光源および前記第2光源から出射された光を反射する反射面と、
    前記第1光源と対向する第1側面と、
    前記第2光源と対向する第2側面と、
    を有する、表示装置。
  7. 請求項に記載の表示装置において、
    前記光供給部は、前記第1光源および前記第2光源の両方をオンにした状態で光を供給する、表示装置。
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