JPH08201793A

JPH08201793A - 液晶画像表示装置

Info

Publication number: JPH08201793A
Application number: JP7010226A
Authority: JP
Inventors: Shinjiro Umeya; 慎次郎梅屋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-01-25
Filing date: 1995-01-25
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【構成】液晶パネル１上に、画素に対応して複数のマ
イクロレンズ２ａが設けられてなる液晶画像表示装置に
おいて、上記マイクロレンズ２ａを有色材料によって構
成する。【効果】マイクロレンズがカラーフィルタとしての機
能も兼ねるようになり、液晶パネル内にカラーフィルタ
を設ける必要がなくなる、したがって、カラーフィルタ
を設ける工程分だけ製造工程が簡略化され、材料費も削
減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集光型マイクロレンズ
アレイを用いる液晶画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、電気化学材料として液晶を用い
た画像表示装置（液晶ディスプレイ）は、陰極線管を用
いた画像表示装置と比較して薄型の構成で入力映像信号
を画面表示できることが知られている。この液晶ディス
プレイは、腕時計や電卓の表示装置として既に広く使用
され、また最近では、薄膜ダイオード（ＴＦＤ）や薄膜
トランジスタ（ＴＦＴ）等の能動素子やカラーフィルタ
ーと組み合わせた形でカラーテレビの動画表示装置とし
ても使用されるようになっている。

【０００３】ここで、ＴＦＴ等を能動素子として用いる
液晶ディスプレイでは、これら能動素子が液晶パネル上
に多数形成されることから、この能動素子や電極が影に
なり、光度が損失する問題がある。このため、例えば、
バックライトと液晶パネルの間にマイクロレンズアレイ
を設け、光の利用効率を上げることが提案されている。

【０００４】このマイクロレンズを適用したＴＦＴ型液
晶ディスプレイの一構成例を図４に示す。

【０００５】このＴＦＴ型液晶ディスプレイは、液晶層
が封入されてなる液晶パネル３１と、画素に対応して設
けられたマイクロレンズアレイ３２と、液晶パネル３１
とマイクロレンズ３２を両側から挟み込む一対の偏光板
３３，３４及び、これらを所要の光度にて照射するバッ
クライト（図示せず）から構成されている。

【０００６】上記液晶パネル３１は、スペーサ４５を介
して対向配置された一対のセル３６，３７の間に液晶層
３８が封入されてなっている。

【０００７】この液晶層３８を挟む一方のセル（以下、
前面側セルと称する）３６には、液晶層３８が封入され
ている側の面に、ＴＦＴ駆動用電極に接続されたＴＦＴ
３９及び表示用透明電極４０が形成されている。上記Ｔ
ＦＴ駆動用電極は、セル上にマトリックス状に形成され
ている。ＴＦＴ３９は、このＴＦＴ駆動用電極の各交点
近傍に各画素毎に形成され、ＴＦＴのゲート、ドレイン
がＴＦＴ駆動用電極のＸ電極、Ｙ電極にそれぞれ接続さ
れている。また、表示用透明電極４０は、ＴＦＴを通じ
て供給された電圧を液晶に印加するためのものであり、
少なくとも画素に対応する領域全面に、各画素毎に独立
して形成され、それぞれＴＦＴ３９のソースと接続され
ている。

【０００８】液晶を挟む他の一方のセル（以下、後面側
セルと称する）３７には、液晶層３８が封入されている
側の面にカラーフィルター４１が形成され、このカラー
フィルター４１上に上記表示用透明電極４０ととともに
液晶に電圧を印加する対向透明電極と配向膜が全面に積
層されている。

【０００９】カラーフィルター４１は、赤（Ｒ）、緑
（Ｇ）、青（Ｂ）の有色層４１ａ，４１ｂ，４１ｃが画
素に対応してモザイク状あるいはストライプ状に配列さ
れ、さらにこれら各有色層４１ａ，４１ｂ，４１ｃが、
ＴＦＴ３９に重なるような幅となされたブラックマトリ
ックス４１ｄによって仕切られてなっている。このブラ
ックマトリックス４１ｄは、ＴＦＴ３９の遮光と画素間
の洩れ光によるコントラストおよび色純度の低下を防止
するものである。このディスプレイでは、このブラック
マトリックス４１ｄで仕切られた各領域が各画素４３に
対応する。

【００１０】上記マイクロレンズアレイ３２は、上記液
晶パネル３１のカラーフィルター４２が形成されている
後面側セル３７上に接着層４４を介して積層されてい
る。このマイクロレンズアレイ３２は、入射光Ｌを画素
４３に集光し、光の利用効率を上げる目的で設けられる
もので、半球状の複数のマイクロレンズ３２ａが画素４
３に対応してマトリックス状に配列されてなっている。

【００１１】このような液晶パネル３１とこれに積層さ
れたマイクロレンズアレイ３２とは、上記一対の偏光板
３３，３４によって両側から挟持されている。また、マ
イクロレンズアレイ３２側に配された偏光板３４のさら
に後方側に上記バックライトが設けられ、液晶パネル３
１の背後から光が照射されるようになっている。

【００１２】このような液晶ディスプレイを駆動するに
は、ＴＦＴ駆動用電極のＸ電極から走査パルス電圧を印
加してＴＦＴ３９を一斉にＯＮ状態にし、それと同時に
Ｙ電極から信号電圧を印加する。各画素４３では、この
信号電圧に対応して、静電容量が蓄積されて表示用透明
電極４０と対向透明電極の間に電圧がかかり、液晶の配
向状態が変化する。

【００１３】一方、バックライトから出射した光Ｌは、
偏光板３４、マイクロレンズアレイ３２、後面側セル３
７、カラーフィルター４１を通過することで、所定の偏
光成分のみの色光となり、液晶層３８に入射する。そし
て、この色光は、液晶層３８でその配向状態の効果を受
けた後、前面側セル３６、偏光板３３を通過する。この
偏光板３３を通過する色光は、液晶層３８の配向状態を
反映する。例えば、電圧によって配向状態が変化した液
晶層３８を通過した色光のみがこの偏光板３３を通過
し、画像を表示することになる。

【００１４】ここで、マイクロレンズアレイ３２を有し
ていない液晶ディスプレイでは、電極や各画素に設けた
ＴＦＴ３９の部分が影になり入射光を損失することが問
題になる。これに対して、このマイクロレンズアレイ３
２を設けた液晶ディスプレイでは、入射光がＴＦＴ３９
に照射されないように集光されるので、光が高効率で利
用され、明度の高い画像が得られる。また、マイクロレ
ンズアレイを最適設計することによって、隣接画素間の
繋ぎ目ぼかし効果が得られ、表示される画像の視認性を
改善することもできる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、液晶パネル
にカラーフィルターを形成する方法としては、フォトリ
ソ法、印刷法、電着法、転写法等、いくつかの方法が挙
げられるが、カラー動画画像を表示するための液晶ディ
スプレイではカラーフィルターに高い加工精度が要求さ
れることからフォトリソ法が採用されている。このた
め、製造工程が非常に複雑になっているのが実情であ
る。

【００１６】すなわち、フォトリソ法によるカラーフィ
ルターの形成はを図５（ａ）〜図４（ｆ）に示す工程で
行われる。

【００１７】カラーフィルターを形成するには、まず、
図５（ａ）に示すように、液晶パネルのセルとなるガラ
ス基板４６上にブラックマトリックス４７を所定のマト
リックスパターンで形成しておく。そして、このブラッ
クマトリックス４７が形成された上から、図５（ｂ）に
示すように、感光性の樹脂に赤色、緑色、青色のいずれ
かの顔料粒子が分散された有色レジストを塗布し、有色
レジスト層４８を形成する。なお、このカラーフィルタ
ーに用いるレジストは、パネルの特性を決定する大きな
要因となり、透明性、耐熱性、密着性に優れるとともに
屈折率がガラスや液晶と略同等、すなわち屈折率が１．
３〜１．５近辺であることが必要である。例えばアクリ
ル系樹脂、ポリイミド系樹脂が用いられる。

【００１８】次に、この有色レジスト層４８上に、図５
（ｃ）に示すように、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）
等を塗布することで酸素遮断膜４９を形成する。そし
て、この酸素遮断膜４９上に、図５（ｄ）に示すよう
に、有色レジスト層４８の形成パターンに対応した開口
部を有するフォトマスク５０を被せ露光する。その結
果、不要な部分を除いて有色レジスト層４８が硬化す
る。そして、図５（ｅ）に示すように、上記酸素遮断膜
４９を除去し、現像を行うことで所定のパターンの有色
レジスト層４８がガラス基板４６上に形成される。

【００１９】そして、さらに他の色の有色レジストにつ
いても同様にこれら工程をそれぞれ行うことで、図５
（ｆ）に示すようなＲ、Ｇ、Ｂ３色の有色レジスト層４
８を有するカラーフィルター５１が形成されることにな
る。

【００２０】以上に説明したように、フォトリソ法で
Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の有色層を形成するには、非常に多く
の工程を経なければならない。この他、有色レジストを
直接露光せず、有色レジスト層上にフォトリソ法によっ
てレジストマスクを形成しエッチング法によってパター
ニングを行う方法や、レジストとしてゼラチンやカゼイ
ンを用い、これをパターニングしたのちに染料で着色を
施すといった有色方法も行われているが、いずれの場合
でも工程の複雑さはさほど変わらない。

【００２１】そこで、本発明はこのような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、製造工程が簡易化でき、
生産性に優れた画像表示装置を提供することを目的とす
る。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の画像表示装置は、一対のセルがスペーサ
を介して対向配置され、この一対のセルの間に液晶が封
入されてなる液晶パネルと、前記液晶パネル上に、画素
に対応して設けられた複数のマイクロレンズとを有し、
上記マイクロレンズが有色材料よりなることを特徴とす
るものである。

【００２３】上記マイクロレンズを構成する有色材料
は、例えば高分子材料と有機顔料を混合してなるもので
ある。

【００２４】ここで、高分子材料としては、屈折率を
１．５〜２．０に調整した光重合性多官能アクリル酸エ
ステル等の重合体が用いられる。

【００２５】

【作用】液晶パネルと、前記液晶パネル上に、画素に対
応して設けられた複数のマイクロレンズとを有する液晶
画像表示装置において、上記複数のマイクロレンズを有
色材料により構成すると、このマイクロレンズがカラー
フィルタとしての機能も兼ねるようになる。

【００２６】したがって、液晶パネル内にカラーフィル
タを設ける必要がなくなり、その分、製造工程が簡易化
され、材料費も削減される。また、カラーフィルタを液
晶パネル内に設ける場合、液晶層の厚みを一定にする都
合上、各色素層を高度な平坦化技術を駆使して形成する
必要があるが、このカラーフィルタが不要になれば、そ
のような高度な技術に依らなくとも特性の良好な液晶層
が得られるようになる

【００２７】

【実施例】本発明の好適な実施例について図面を参照し
ながら説明する。

【００２８】本実施例はＴＦＴを能動素子として用いる
ＴＦＴ型液晶ディスプレイに本発明を適用した例であ
る。

【００２９】このＴＦＴ型液晶ディスプレイは、図１に
示すように、液晶層７が封入されてなる液晶パネル１
と、画素に対応して設けられたマイクロレンズアレイ２
と、液晶パネル１とマイクロレンズアレイ２を挟み込む
一対の偏光板３，４及び、これらを所要の光度にて照射
するバックライト（図示せず）から構成されている。

【００３０】液晶パネル１は、スペーサ２５を介して対
向配置された一対の十分透明なセル５，６の間に液晶層
７が封入されてなっている。

【００３１】上記液晶層７は、周囲をシール材によって
支持されて封入されている。この液晶層７を構成する電
気化学材料である液晶材料としては、ネマティック液晶
等が用いられる。このとき、液晶層７の寿命を長くする
ために、あるいは特性のばらつきを抑えるために、精製
を繰り返して得られた高純度な液晶を用いるのが好まし
い。

【００３２】この液晶層７を挟む一方のセル（以下、前
面側セルと称する）５には、図２に示すように、液晶層
７を駆動するためのＴＦＴ８及び蓄積容量９が形成さ
れ、この上に第１のＰＳＧ（ＰｈｏｓｐｈａｔｅＳｉ
ｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）絶縁層１０を介してＴＦＴ
駆動用電極１１が、さらにこの上に第２のＰＳＧ絶縁層
１２、Ｐ−ＳｉＮ被覆層１３及び平坦膜１４を介して表
示用透明電極１５が形成されることでＴＦＴ基板２４が
構成されている。

【００３３】上記ＴＦＴ駆動用電極１１は、セル上にマ
トリックス状に形成されている。ＴＦＴ８は、このＴＦ
Ｔ駆動用電極１１の各交点近傍に各画素毎に形成され、
上記蓄積容量９はこの各ＴＦＴ８近傍にそれぞれ形成さ
れている。このＴＦＴ８、ＴＦＴ駆動用電極１１及び蓄
積容量９とは、ＴＦＴ８のゲート、ドレインがＴＦＴ駆
動用電極１１のＸ電極、Ｙ電極にそれぞれ接続され、Ｔ
ＦＴ８のソースがＴＦＴ８に対応して設けられた上記蓄
積容量９に接続されている。

【００３４】一方、上記表示用透明電極１５は、上記Ｔ
ＦＴ８を通じて供給された電圧を液晶層７に印加するた
めのものであり、少なくとも画素領域全面に各画素毎に
独立して形成され、それぞれ上記蓄積容量９と接続され
ている。この表示用透明電極１５には、透明な導電性材
料、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−ＴｉｎＯｘｉｄ
ｅ）等が用いられる。

【００３５】液晶層７を挟む他の一方のセル（以下、後
面側セルと称する）６には、液晶層７が封入されている
側の面にブラックマトリックス１６が形成され、この上
に、対向透明電極１７と、配向膜１８とが全面形成され
ている。

【００３６】上記ブラックマトリックス１６は、ＴＦＴ
８及び蓄積容量９に重なるような幅で各画素を仕切るよ
うなマトリックスパターンで形成されている。このブラ
ックマトリックス１６は、ＴＦＴ８の遮光と画素間の洩
れ光によるコントラストおよび色純度の低下を防止す
る。また、この液晶ディスプレイではこのブラックマト
リックス１６で仕切られた各領域が各画素１９に対応す
る。なお、このブラックマトリックス１６は、セル６上
にＣｒ膜を成膜し所定のマトリックス形状にパターンエ
ッチングする、あるいは黒色塗料を含有する光硬化樹脂
を塗布し、所定のマトリックス形状のみが硬化するよう
に露光することで形成されるものである。

【００３７】上記対向透明電極１７は、上記前面側セル
に形成された表示用透明電極１５とともに液晶に電圧を
印加するためのものであり、表示用透明電極１５と同
様、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−ＴｉｎＯｘｉｄｅ）等の
透明な導電性材料によりなっている。

【００３８】上記配向膜１８は、液晶層の配向方向を整
えるために設けられ、ポリイミド膜が一般的に用いられ
る。

【００３９】上記マイクロレンズアレイ２は、上記液晶
パネル１のブラックストライプ１６が形成されている後
面側セル６上に接着層２０を介して積層されている。こ
のマイクロレンズアレイ２は、入射光Ｌを画素１９に集
光し、光の利用効率を上げる目的で設けられるもので、
半球状の複数のマイクロレンズ２ａが画素１９に対応し
てマトリックス状に配列されてなっている。

【００４０】本実施例の液晶ディスプレイでは、特にこ
のマイクロレンズ２ａが赤（Ｒ）、青（Ｂ）あるいは緑
（Ｇ）の有色材料により構成され、これによりマイクロ
レンズとしての機能とともにカラーフィルタの機能をも
兼ねるようになっている。

【００４１】したがって、この液晶ディスプレイでは、
従来の液晶ディスプレイで後面側セルに設けられていた
カラーフィルタが不要である。このため、カラーフィル
タを設ける工程分だけ製造工程が簡略化され、材料費も
削減される。また、カラーフィルタを後面側セルの液晶
側に設ける場合、液晶層の厚みを一定にする都合上、各
色素層を高度な平坦化技術を駆使して形成する必要があ
るが、このカラーフィルタが不要になれば、そのような
高度な技術に依らなくとも特性の良好な液晶層が得られ
るようになる。

【００４２】なお、このように各マイクロレンズ２ａが
有色材料よりなるマイクロレンズアレイ２は、レンズ材
料として有色材料を用いること以外は、通常のマイクロ
レンズアレイ２を作製する工程と同工程で作製される。
このマイクロレンズアレイ２の作製工程を図３（ａ）〜
図３（ｃ）に沿って説明する。

【００４３】マイクロレンズアレイを作製するには、図
３（ａ）に示すように、ガラス基板２１を用意し、この
上にフォトレジストを塗布、露光して、画素に対応する
ピッチで円形状開口部を複数有するレジストマスク２２
を形成する、次いで、図３（ｂ）に示すように、このレ
ジストマスク２２の上からガラスエッチングを行い、マ
イクロレンズに対応した形状の凹部２１ａを形成する。

【００４４】そして、図３（ｃ）に示すように、この凹
部２１ａ内に、有色高分子樹脂２３を充填し、１００〜
４００℃の温度で熱処理を施し、強度を向上させること
でマイクロレンズアレイは完成する。なお、有色高分子
樹脂を充填する代わりに、有色感光性樹脂をスピンナー
等で凹部内に塗布、紫外線照射することで、マイクロレ
ンズを形成するようにしても良い。

【００４５】有色高分子樹脂、有色感光性樹脂として
は、アクリル系、ポリイミド系、エポキシ系、ポリビニ
ルアルコール系等、比較的耐熱性の高い系統の高分子樹
脂あるいはこれらのオリゴマーに感光特性を持たせた感
光性樹脂に、顔料を分散させたものが用いられる。

【００４６】但し、レンズ効果を得るには、マイクロレ
ンズアレイを形成するガラス基板よりも屈折率が高い樹
脂、すなわち屈折率が１．５〜２．０程度の樹脂が充填
される必要があり、樹脂の重合度等を制御することで屈
折率をこの範囲に調整する。

【００４７】顔料としては、有機顔料、無機顔料のいず
れでも良い。有機顔料としては、カラーフィルタで通常
用いられているものが使用可能であり、例えば、赤色顔
料としてジアンスラキノン、緑色顔料としてハロゲン化
銅フタロシアニン、青色顔料として銅フタロシアニン等
が用いられる。

【００４８】以上のようなマイクロレンズアレイ２と液
晶パネル１とは、上記一対の偏光板３，４によって両側
から挟持されている。また、マイクロレンズアレイ２側
に配された偏光板４のさらに後方側には上記バックライ
トが設けられ、液晶パネルの背後から光が照射されるよ
うになっている。

【００４９】このような液晶ディスプレイを駆動するに
は、ＴＦＴ駆動用電極のＸ電極から走査パルス電圧を印
加してＴＦＴを一斉にＯＮ状態にし、それと同時にＹ電
極から信号電圧を印加する。各画素では、この信号電圧
に対応して、静電容量が蓄積されて表示用透明電極１５
と対向透明電極１７の間に電圧がかかり、液晶の配向状
態が変化する。例えば、ネマティック液晶では、一方の
電極から他方の電極に向かって連続的に分子長軸が９０
度°ねじれた配列状態になる。

【００５０】一方、バックライトから出射した光Ｌは、
偏光板４を通過することで所定の偏光成分のみとなり、
さらに有色材料よりなるマイクロレンズ２ａを通過する
ことで色光となって集光される。そして、この所定の偏
光成分のみとなった色光は、後面側セル６を通過して液
晶層７に入射し、その配向状態の効果を受けた後、前面
側セル５、偏光板３を通過する。このとき、偏光板３を
通過する色光は、液晶層７の配向状態を反映する。例え
ば、電圧によって配向状態が変化した液晶層７を通過し
た色光のみがこの偏光板３を通過し、画像を表示するこ
とになる。

【００５１】なお、以上に説明した液晶ディスプレイで
は、マイクロレンズアレイ２が液晶パネル１上に積層さ
れているが、このマイクロレンズアレイは従来の液晶デ
ィスプレイでカラーフィルタが設けられる位置、すなわ
ち後面側セルの液晶層が封入されている側の面に設ける
ようにしても良い。マイクロレンズアレイを、この位置
に設けた場合でも、バックライトからの光Ｌは液晶層に
入射される前に、このマイクロレンズアレイによって集
光されるとともに色光となり、同様に液晶層、前面側セ
ルを通過し、偏光板で選別されてカラー画像を表示す
る。なお、この場合、ブラックマトリックスは、後面側
セル上にマイクロレンズアレイを形成する工程に組み込
んで形成するようにしても良いが、前面側セルのＴＦＴ
基板２４上にセルフアライン方式によって形成しても良
い。後者の方法の方が、マイクロレンズアレイ形成工程
が複雑化せず、製造工程が簡易化される。

【００５２】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の液晶画像表示装置では、液晶パネル上に、有色材料
よりなるマイクロレンズが画素に対応して複数設けら
れ、このマイクロレンズがカラーフィルタとしての機能
も兼ねるので、液晶パネル内にカラーフィルタを設ける
必要がない。したがって、カラーフィルタを設ける工程
分だけ製造工程が簡略化され、材料費も削減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した液晶画像表示装置の一構成例
を示す模式図である。

【図２】上記液晶画像表示装置を一部拡大して示す要部
概略断面図である。

【図３】マイクロレンズアレイの作製工程を示すもので
あり、（ａ）はレジストマスク形成工程を示す断面図、
（ｂ）は凹部形成工程を示す断面図、（ｃ）は有色樹脂
充填工程を示す断面図である。

【図４】従来の液晶画像表示装置を示す模式図である。

【図５】カラーフィルタの作製工程を示すものであり、
（ａ）はブラックマトリックス形成工程を示す断面図、
（ｂ）は有色レジスト層形成工程を示す断面図、（ｃ）
は酸素遮断膜形成工程を示す断面図、（ｄ）は露光工程
を示す断面図、（ｅ）は現像工程を示す断面図、（ｆ）
は完成したカラーフィルタを示す断面図である。

【符号の説明】

１液晶パネル２マイクロレンズアレイ５，６セル７液晶層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スペーサを介して対向配置された一対の
セルの間に液晶が封入されてなる液晶パネルと、前記液
晶パネル上に、画素に対応して設けられた複数のマイク
ロレンズとを有し、上記マイクロレンズが有色材料よりなることを特徴とす
る液晶画像表示装置。
【請求項２】マイクロレンズを構成する有色材料は、
高分子材料と、有機顔料あるいは無機顔料よりなること
を特徴とする請求項１記載の液晶画像表示装置。
【請求項３】高分子材料の屈折率が、１．５〜２．０
であることを特徴とする請求項２記載の液晶画像表示装
置。
【請求項４】高分子材料が、光重合性多官能アクリル
酸エステルの重合体であることを特徴とする請求項３記
載の液晶画像表示装置。