JPH09113894A

JPH09113894A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH09113894A
Application number: JP7269698A
Authority: JP
Inventors: Osamu Ito; 理伊東; Katsumi Kondo; 克己近藤; Junichi Hirakata; 純一平方; Ikuo Hiyama; 郁夫檜山; Tatsuhisa Fujii; 達久藤井; Naoki Kikuchi; 直樹菊地
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-10-18
Filing date: 1995-10-18
Publication date: 1997-05-02

Abstract

(57)【要約】【課題】マルチカラー表示が可能でかつ消費電力が少な
い液晶表示装置を提供する。【解決手段】アクティブ素子を備えてかつ１画素に電界
を印加する電極の機能を兼ねる鏡面反射板を液晶セルの
内側に内蔵し、上側透明基板の上側に置かれた偏光板は
その透過軸が液晶層の近接する配向方向と０°または９
０°をなさない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は低消費電力でかつカ
ラー表示が可能な液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年ポケットベル，携帯電話，電子手
帳，サブノートパソコン等の持ち運び可能な情報機器が
急速に普及しつつあるが、これらの情報機器はより高機
能化，多機能化しながら発展し、社会の情報化が高度に
進展すると各人が一台所有するまでに普及すると予測さ
れている。高度情報化社会における情報機器の仕様は必
ずしも明確ではないが、少なくとも今日のパソコン以上
の情報処理機能と、マルチメディア対応のホストコンピ
ュータとの交信機能と、電池による長時間駆動を兼ね備
えると思われる。従って、これに搭載する表示装置には
大容量カラー表示と動画対応が可能でかつ薄型軽量，低
消費電力であることが要求される。反射型液晶表示装置
は薄型軽量でかつ大容量表示が可能である。消費電力も
長時間の電池駆動が可能な程、携帯型情報機器用の表示
装置に最も近い性能を有する。現在そのカラー化の研究
が進められている。

【０００３】例えば、日経マイクロデバイス１９９４年
１月号９９頁〜１０３頁に、カラー表示に複屈折干渉色
を利用した方式が記載されている。液晶層にはスーパー
ツイステッドネマチック液晶を、駆動には単純マトリク
ス駆動方式を用い、１画素で赤，青，緑，白の４色を表
示する。低コストで反射カラー表示ができるという長所
を有するが、単純マトリクス駆動方式は駆動電圧の設定
が制約されるため十分な色純度のカラー表示が得られな
い。また、同様の理由から黒表示ができず、表示内容は
限定される。複屈折干渉色とスーパーツイステッドネマ
チック液晶を組み合わせたため充分な視角依存性が得ら
れず、表示ムラも発生しやすい。

【０００４】また、日経マイクロデバイス１９９４年６
月号４８頁〜５０頁に、カラー表示に補色カラーフィル
タを利用した方式が記載されている。液晶層には２色性
色素を含んだコレステリック−ネマチック相転移型液晶
を、駆動にはＴＦＴによるアクティブマトリクス駆動方
式を用い、２画素の組み合わせで緑，マゼンタ，黒，白
の４色を表示する。視角特性が良好でかつムラの少ない
表示が得られるが、ゲスト−ホスト方式のため低コント
ラストであり、コレステリック−ネマチック相転移型液
晶を用いているため駆動電圧が高い。

【０００５】以上の様に、従来の反射型液晶表示装置で
はカラー表示は得られるものの表示色の数に制限があ
り、８色表示のマルチカラーも実現できていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の様な
従来の反射型液晶表示装置の有する表示色数の制限，低
表示品質の課題を解決し、少なくとも白黒表示を含む８
色以上のマルチカラー表示が可能な反射型液晶表示装置
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では従来の反射型
液晶表示装置の課題を解決するため以下の様な手段を用
いる。

【０００８】金属からなり、かつアクティブ駆動素子を
備えた電極を１画素に対応する様に下側基板上に形成す
る。偏光板の透過軸が上側基板近傍における液晶配向方
向と平行にならず、また直交しない様に設定する。更に
好ましくは、偏光板の透過軸が上側基板近傍における液
晶配向方向と４５°をなす様に設定する。更に液晶層を
ホモジニアス配向とし、上側基板と該偏光板の間に位相
板を備える。また、複屈折波長分散が位相板のそれより
も急峻な液晶を液晶層に用い、かつ液晶層の波長５５０
ｎｍにおける複屈折と厚さの積を位相板のそれよりも小
さく設定する。上側基板からの距離と下側基板からの距
離が等しくなる液晶層内の面内における液晶分子配向方
向に着目する。電圧印加時に液晶分子配向方向は基板平
面に対して傾き、かつその傾き方向は基板に固定して定
義された方位角で表すと２００°以上，３４０°以下の
範囲になる様に上下基板の配向処理方向を設定する。更
に、液晶層厚と液晶層の複屈折の積を０.６５μｍ以上
とする。

【０００９】アクティブ駆動素子のチャネル部の上面に
は電極を形成しない。アクティブ駆動素子の上面には電
極を形成しない。液晶層厚を１０μｍ以上とする。

【００１０】液晶層厚と液晶層の複屈折の積を０.８５
μｍ以上でかつ該位相板のリタデーションとの差を０.
２０μｍ以上とし、位相板に近接する液晶層の配向方
向が位相板の遅相軸となす角を７０°以上，１１０°以
下とする。

【００１１】液晶層厚と液晶層の複屈折の積を０.８５
μｍ以上とし、該上側基板と該偏光板の間に位相板を
備え、印加電圧が１０Ｖ以下において該液晶層と該位相
板のリタデーションの和が０μｍとする。

【００１２】これまで検討されてきたカラー液晶表示装
置の発色の原理を分類すると、以下の(ｉ)〜(iii）の様
になる。

【００１３】(ｉ) カラーフィルタによる光吸収。

【００１４】(ii) コレステリック液晶相の特性反射。

【００１５】(iii) 複屈折干渉色。

【００１６】上記(ｉ)は光吸収による明るさの低下を招
く。反射型の場合には表示の明るさが重要であるため、
カラーフィルタと偏光板の併用はできない。ゲスト−ホ
スト方式とカラーフィルタとの併用は可能であり表示の
明るさは確保されるが、２色性色素の混入は液晶層の特
性を劣化させる。単純マトリクス駆動の場合にはしきい
値特性の急峻性が、アクティブマトリクス駆動の場合に
は保持特性が悪化する。また、ゲスト−ホスト方式は２
色比が不十分であるためコントラスト比が３程度と低く
階調は表示できない。また、この場合透過型液晶表示装
置で用いられている高色純度のＲ，Ｇ，Ｂ３原色のカラ
ーフィルタは表示の明るさが低下するため適用できな
い。従来の技術でも述べた様にＲ，Ｇ，Ｂの内のいずれ
かとその補色を組み合わせた２色のカラーフィルタは適
用可能であるが、その場合の表示色は白と黒を含めた４
色にしかならない。また、シアン，イエロー，マゼンタ
３色のカラーフィルタは適用可能であるが、その場合の
表示色は色純度が低い。

【００１７】次に上記(ii)については、具体的な実施方
法として例えばＲ，Ｇ，Ｂ３原色の反射色を示す高分子
コレステリック液晶（環状ポリシロキサン系高分子等）
をカラーフィルタと同様に画素に対応する様に（ストラ
イプ状等）基板上に配置することが考えられる。色純度
の高い反射色を均一に出すためにはコレステリック液晶
相を均一に配向制御しなければならないが、画素に対応
する様に微細に配置したコレステリック液晶相を均一に
配向制御することは困難である。また、コレステリック
液晶相に電界を印加して駆動し、特性反射の波長域を変
えて色表示を行う方法も考えられるが、可視波長域に特
性反射を示すコレステリック液晶はいずれも駆動電圧が
高く、かつ高粘度であるため応答速度も遅い。以上より
上記(ｉ)，(ii)は反射型液晶表示装置のカラー化には適
しないと結論される。

【００１８】次に上記(iii）について改めて説明する
と、２枚の偏光板で挟まれた光学異方性媒体を透過する
光の透過率は光の波長λと波長λにおける位相差δによ
って決定される。透過率は波長依存性を示すため、入射
光が白色光の場合透過光は着色する。２枚の偏光板が完
全偏光板でかつ直交ニコルに配置されており、光学異方
性媒体が複屈折性である場合の透過率Ｔ(λ)は次式
（１）で表される。

【００１９】

【数１】Ｔ(λ)＝０.５sin²(２θ)sin²(πΔｎｄ／λ) …（１）ここで、θは偏光板の透過軸と複屈折性媒体の遅相軸の
なす角、Δｎは複屈折、ｄは光路長である。δは光学異
方性媒体を液晶層とし、電界を印加してその配向を変
え、液晶層のδを制御することにより１画素で多数の色
を表示することが可能であり、表示も明るいという特徴
を有する。しかし、従来の技術でも述べた様に複屈折干
渉色を利用したカラー表示には以下の様な欠点がある。

【００２０】(Ｉ) 駆動電圧域が広い。

【００２１】(II) 色純度が低い。

【００２２】(III) 視角特性が悪い。

【００２３】(IV) 白表示が無彩色にならない。

【００２４】本発明の液晶表示装置では液晶層の上側に
偏光板を設置し、その透過軸を上側基板近傍の液晶配向
方向と平行にならず、また直交しない角度に設定するこ
とにより、複屈折干渉色を表示に利用する。上記(Ｉ)に
関してはアクティブ素子を用いて駆動し、駆動装置の駆
動電圧域を広げることにより解決できる。ＴＦＴを用い
た本発明の液晶表示装置の下側基板の構成の一例を図１
に示す。図１は本発明の液晶表示素子のＴＦＴを含む部
分における断面図である。電極が反射板を兼用し、液晶
層に反射板が接している。反射面の光散乱性を低くした
ため、反射面での光反射の後にも反射光の偏光度は充分
に保持される。この場合、光路長ｄは液晶層厚ｌの２倍
になり、液晶層のリタデーションは２・Δｎ・ｌにな
る。この様な構成の液晶表示装置の透過率Ｔ(λ)は、反
射板の反射率を１００％と仮定すれば次式(２)で表され
る。

【００２５】

【数２】Ｔ(λ)＝０.５｛１−sin²(２θ)sin²(πΔｎｄ／λ)｝ …（２） (２)式より明らかな様に、液晶層のリタデーションが０
ｎｍの時には透過率Ｔ(λ)＝０.５となる。この時Ｔ
(λ)は波長に依存せず全波長において透過率は最大にな
り、明るくかつ完全に無彩色な白表示が得られ、上記(I
V)の欠点が解決する。また、アクティブ素子の使用によ
り駆動電圧域が広がり各表示色の色純度が最大になる電
圧で表示できるため上記(II)の欠点が改善される。以上
の様に、完全に無彩色な白表示を背景として色表示がで
きるため、視認性に優れたカラー表示が実現できる。

【００２６】本発明の液晶表示装置では液晶層のリタデ
ーションが０ｎｍでない場合に透過率Ｔ(λ)は波長依存
性を有し、着色した表示が得られる。(２)式より明らか
な様に、θを４５°とすることによりＴ(λ)＝０.５cos
²(πΔｎｄ／λ）となり、Ｔ(λ)が波長に依存する項の
みになる。即ちこの場合にカラー表示の色純度は最大に
なり、最も色鮮やかなカラー表示が実現できる。液晶層
は例えばホモジニアス配向のネマチック液晶であっても
良い。この場合液晶層のリタデーションは印加電圧の増
大に伴い減少し、表示色が変化する。例えば、液晶層の
リタデーションが６４０ｎｍの時には赤、５３０ｎｍの
時には緑、４７０ｎｍの時にはシアン、４２０ｎｍの時
にはマゼンタ、３２０ｎｍの時には黄、２００ｎｍの時
には青、１３０ｎｍの時には黒、０ｎｍの時には白が表
示される。ホモジニアス配向のネマチック液晶層に電圧
を印加すると液晶層のリタデーションは印加電圧値の増
大と共に減少するが、この時印加電圧値の増大と共に
赤，緑，シアン，マゼンタ，黄，青，黒，白の各色が順
次表示される。例えばOPTRONICS 誌１９９１年８号５７
頁から６０頁に記載されている様に、複屈折性媒体のリ
タデーションには加成性がある。複屈折性媒体Ａ，Ｂの
波長λにおけるリタデーションをそれぞれΔｎｄ
_A(λ)，Δｎｄ_B(λ)とすると、複屈折性媒体Ａ，位相板
Ｂを遅相軸が平行になる様に積層した場合のリタデーシ
ョンの合成値はΔｎｄ_A(λ)＋Δｎｄ_B(λ)になる。ま
た、遅相軸が直交する様に積層した場合のリタデーショ
ンの合成値はΔｎｄ_A(λ)−Δｎｄ_B(λ)になる(Δｎｄ_A
(λ)＞Δｎｄ_B(λ))。液晶層も位相板も複屈折性媒体の
一種である。従って、例えば上側基板と該偏光板の間に
位相板を備えて、その遅相軸が近接する液晶層の遅相軸
（配向処理方向）と直交させることにより、液晶層のリ
タデーションを見かけ上シフトすることができる。これ
を利用すれば、以下に示す様に駆動電圧を低くすること
が可能になる。

【００２７】配向膜近傍の液晶層では界面アンカリング
が液晶配向に対して支配的であるため、印加電場による
配向変化が生じにくい。そのため、図５に示した様に、
充分に無彩色な白表示が得られる程度に液晶層のリタデ
ーションを減少する（０ｎｍに近付ける）ためには１０
Ｖ以上の印加電圧が必要になる。前記の様な条件で位相
板を用いれば、図５に示した様に各印加電圧における液
晶層と位相板のリタデーションの和が減少する。そのた
め１０Ｖ以上の高電圧を印加しなくても液晶層と位相板
のリタデーションの和が０ｎｍになり、コスト的に有利
な低耐圧の駆動回路を用いて色純度の高い白表示が可能
になる。

【００２８】更に、図６に示した様に印加電圧が０Ｖの
時の液晶層のリタデーションを赤表示に必要な値（６５
０ｎｍ）よりも大きくし、かつ位相板を用いてリタデー
ションを減少すれば、図６に示した様に赤表示（リタデ
ーション６５０ｎｍ）から白表示（リタデーション０ｎ
ｍ）までの各色表示に対応するリタデーション値が狭い
印加電圧域において得られる。この様な液晶層と位相板
の組み合わせにコモン電極交流駆動を併用すれば、駆動
電圧を更に低減することができる。

【００２９】液晶層をホモジニアス配向のネマチック液
晶とし、複屈折干渉色を利用して色表示を行った場合、
赤の色純度が低下する。これは、以下に説明する様に液
晶層の複屈折が短波長から長波長にかけて単調減少する
正の波長分散を示すことに起因している。色純度は透過
スペクトルのピーク形状が急峻なほど向上し、緩やかな
ほど低下する。また、透過スペクトルのピーク形状は複
屈折が大きい波長域ほど急峻になる。従って、複屈折が
正の波長分散を示す場合には短波長域での透過スペクト
ルのピーク形状は急峻になり、青，シアン等の色純度は
高くなる。その反面長波長域での透過スペクトルのピー
ク形状は緩やかになり、赤の色純度は低下して褐色に近
い色になる。液晶層のリタデーションを変えて長波長域
での透過スペクトルのピーク形状を急峻にすると、短波
長側に別のピークが表れ、やはり赤の色純度は低下して
マゼンタに近い色になる。赤の色純度を高めるためには
液晶層の複屈折波長分散を見かけ上負の波長分散（短波
長から長波長にかけて単調増加）にすれば良い。可視波
長にて透明な位相板や液晶層の複屈折波長分散はいずれ
も正であるが、例えばOPTRONICS 誌１９９１年８号５７
頁から６０頁に記載されている様に、従来より複屈折波
長分散が正の位相板２枚を用いた複屈折波長分散の制御
方法が知られている。位相板Ａ，位相板Ｂの波長λにお
けるリタデーションをそれぞれΔｎｄ_A(λ)，Δｎｄ
_B(λ)とすると、位相板Ａ，位相板Ｂを遅相軸が直交す
る様に積層した場合のリタデーションの合成値はΔｎｄ
_A(λ）−Δｎｄ_B(λ)になる(Δｎｄ_A(λ)＞Δｎｄ
_B(λ)）。この関係が各波長で成り立つため、位相板
Ａ，位相板Ｂをお互いに異なる複屈折波長分散とし、位
相板Ｂの複屈折波長分散を位相板Ａよりも急峻にすれば
合成された２枚の位相板の複屈折波長分散を負にするこ
とができる。液晶層がホモジニアス配向である場合、そ
の光学特性は位相板と等しい。通常液晶層の複屈折波長
分散は位相板のそれよりも急峻であるため、液晶層より
もリタデーションの大きい位相板を遅相軸が液晶層の配
向方向と直交する様に配置することにより液晶層の複屈
折波長分散を見かけ上負にすることができる。

【００３０】視角に依らず表示色が変化しなければ理想
的であるが、実際の液晶表示素子では視角変化に伴い表
示色が変化する。視角変化に伴う表示色の変化は、液晶
層のリタデーションの視角依存性に起因する。リタデー
ションの視角依存性が急峻なほど視角変化に伴う表示色
の変化が激しくなり、視角特性が悪化する。図１１に示
した様に、液晶表示素子の方位角を水平方向を０°とし
て反時計回りに定義し、仰角を基板平面方線方向を０°
として定義する。仰角を変えて観察した場合の表示色の
変化は、方位角によって異なる。表示色の変化が急峻な
方位角が使用時に下方を向く様にすれば、その方向は使
用者によって観測されず、視角特性が改善される。そこ
で、ホモジニアス配向液晶層の視角特性について考察す
る。液晶層中央部（上下基板からの距離が等しい）の液
晶分子は電界により最も大きく配向変化するので、この
部分の光学特性に着目する。電圧印加時には、液晶層中
央部の液晶分子平均配向方向は基板平面に対して傾いて
いる。従って、その屈折率楕円体も図７に示した様に長
軸が基板平面に対して傾いている。ある視角方向のリタ
デーションは、図７に示した屈折率楕円体に対して次の
様な幾何学的操作を加えることにより求められる。屈折
率楕円体を視角方向に対して垂直に切断すると、その断
面（楕円）の短軸と長軸の差がその視角方向の複屈折に
なる。これに光路長を掛けるとその視角方向のリタデー
ションになるが、簡単のため光路長の方位角依存性は無
視し、複屈折の方位角依存性に着目する。屈折率楕円体
の長軸を含む方位角において仰角を変え、屈折率楕円体
の断面形状の変化に着目する。図８に示した様に仰角０
°において断面は楕円であるが、仰角の増大と共に円に
近づき、視角方向が長軸と一致すると断面は円になる。
この様に屈折率楕円体の長軸を含む方位角では屈折率楕
円体の断面形状は仰角の増大と共に急激に変化し、リタ
デーションの視角依存性も急峻であることが予想され
る。それに対して、図９に示した様に屈折率楕円体の短
軸を含む方位角では屈折率楕円体の断面形状の変化は少
なく、リタデーションの視角依存性は緩やかであること
が予想される。以上より、屈折率楕円体の長軸を含む方
位角方向が使用時に下方になる様に、液晶層の配向方向
を設定すれば視角特性を改善できる。液晶表示装置使用
時の水平方向を０°として反時計回りに方位角を定義す
ると、具体的には液晶配向方向の方位角を９０°(３０
０°)とし、かつプレチルト角の立上り方向を３００°
とすれば良い。

【００３１】液晶層をホモジニアス配向のネマチック液
晶とした場合、液晶層のリタデーションを０.６５μｍ
以上とすることにより１画素で白，黒，赤，緑，青，
黄，マゼンタ，シアンの８色を表示できる。

【００３２】アクティブ駆動素子、中でもＴＦＴはチャ
ネル部が外部電場の影響で電位が変化するとＴＦＴの特
性（例えば、ゲート電圧−ソース電流特性等）が変化
し、表示の不均一化等の障害が生じる。図１に示した本
発明の液晶表示素子の場合、チャネル部に影響を及ぼす
外部電場源は電極である。従って、例えば図３に示した
様に少なくともチャネル部の上面には電極を形成せず、
チャネル部と電極の距離を増大することにより外部電場
の影響を低減し、表示を画面全体にわたって均一にでき
る。

【００３３】図１に示した本発明の液晶表示素子の場合
チャネル部の上部に反射面があり、チャネル部に外光が
到達しない。ところがチャネル部上部の反射面を除くと
チャネル部は外光にさらされることになる。チャネル部
に外光が入射すると光電流が生じてＴＦＴの特性が変化
し、表示に障害が生じる。従って、例えば図３に示した
様にチャネル部の上部にブラックマトリクスを形成して
チャネル部への外光入射を遮断すれば光電流による表示
の劣化も防ぐことができる。

【００３４】液晶セルの内部に凹凸があれば液晶層のリ
タデーションが変化し、凹凸の分布に応じて表示色が変
化する。特に、アクティブ駆動素子部は多数の層が積層
されているため凸となっており、この部位での液晶層の
リタデーションは他の電極部よりも小さくなっている。
従って、アクティブ駆動素子の上面には電極を形成せ
ず、凹凸の少ない部位でのみ表示を行う。１画素内での
表示の不均一化による表示色の色純度低下が低減し、色
純度の高い表示色が得られる。

【００３５】液晶セル内部の凹凸が表示の均一性に及ぼ
す影響は、液晶層の厚さが増大するほど軽減される。凹
凸により液晶層厚が変動するが、液晶層厚の絶対値が大
きいほどその変動の割合が減少するからである。例え
ば、液晶層のリタデーションが１画素で８色を表示する
のに必要な０.６５μｍであり、液晶セル内部の凹凸が
現状のＴＦＴを備えた液晶セルと同程度の０.５μｍで
あるとする。液晶層の厚さ（最も厚い部分)が６μｍの
場合、凹凸によるリタデーションの変動は０.０５μｍ
になる。しかし、液晶層の厚さが１０μｍの場合には、
同じ凹凸によるリタデーションの変動は０.０３μｍに
なる。リタデーションの変動が０.０３μｍであれば、
最も印加電圧の変化に伴う色変化が急峻な場合でも表示
面の均一性が保たれる。

【００３６】駆動電圧範囲を低くするためには位相板を
用いて液晶層の見かけのリタデーションが０ｎｍになる
印加電圧値を低くすれば良い。具体的には、液晶層の層
厚と複屈折の積を０.８５μｍ以上でかつ位相板のリタ
デーションの差を２００ｎｍ以上とすればよい。

【００３７】駆動電圧範囲を低くするためには位相板を
用いて液晶層の見かけのリタデーションが０ｎｍになる
印加電圧値を低くすれば良い。また、液晶層の見かけの
リタデーションが０ｎｍになる印加電圧値が１０Ｖ以下
であれば、コモン交流等の技術を組み合わせることによ
りコスト的に有利な低耐圧の駆動回路を用いることがで
きる。

【００３８】以上の様に、本発明の液晶表示装置は１画
素で赤，緑，青，黄，マゼンタ，シアンの色表示の他に
白表示と黒表示もできる。このことを利用して以下に示
す様な階調表示が可能になる。従来の透過型カラー液晶
表示装置では赤，緑，青の３画素を一組にして表示を行
っている。同様にして本発明の液晶表示装置において３
画素を一組にして表示を行う場合、１つの色表示と白表
示または黒表示との組み合わせで７階調を表示できる。
赤表示と白表示，黒表示との組み合わせの例を図１０に
示す。同様にして４画素を一組にして表示を行う場合に
は１つの色表示につき９階調を表示できる。あるいはま
た、ディサ法，濃度パターン法を用いても階調を表示で
きる。

【００３９】

【発明の実施の形態】本発明の内容と効果を具体例を用
いて以下に説明する。

【００４０】（実施例１）図２は本発明の液晶表示装置
の１画素とその周辺を示す平面図であり、図１は図２の
１−１切断線における断面図である。

【００４１】図２に示す様に、アクティブ素子には薄膜
トランジスタＴＦＴが使われており、各ＴＦＴは隣接す
る２本の走査信号線（ゲート信号線または水平信号線）
ＧＬと、隣接する２本の映像信号線（ドレイン信号線ま
たは垂直信号線）ＤＬとの交差領域内に存在する。各画
素は薄膜トランジスタＴＦＴとスルーホールを通じて連
結されており、この他に保持容量素子Ｃaddも含む。

【００４２】図１に示す様に、液晶層ＬＣを基準にして
下部透明ガラス基板ＳＵＢ１側には薄膜トランジスタＴ
ＦＴおよび画素電極ＥＲが形成されている。透明ガラス
基板ＳＵＢ１，ＳＵＢ２の両面にはディップ処理等によ
って形成された酸化シリコン膜ＳＩＯが設けられてい
る。上部透明ガラス基板ＳＵＢ２の液晶ＬＣ側の表面に
は共通透明画素電極ＩＴＯ，上部配向膜ＯＲＩ２が順次
積層して形成されている。

【００４３】薄膜トランジスタＴＦＴは、ゲート電極Ｇ
Ｔに正のバイアスを印加すると、ソース−ドレイン間の
チャネル抵抗が小さくなり、バイアスをゼロにするとチ
ャネル抵抗が大きくなる様に動作する。薄膜トランジス
タＴＦＴはゲート電極ＧＴ，ゲート絶縁膜ＧＩ，ｉ型
（真性，intrinsic ，導電型決定不純物がドープされて
いない）非晶質シリコン（Ｓｉ）からなるｉ型半導体層
ＡＳ，一対のソース電極ＳＤ１，ドレイン電極ＳＤ２を
有する。これらの薄膜トランジスタＴＦＴを構成する各
層及び各電極について、その材質，構成並びに機能を説
明する。

【００４４】ゲート電極ＧＴは走査信号線ＧＬから垂直
方向に突出し、かつ薄膜トランジスタＴＦＴの能動領域
を超える様に形成されている。本例では、ゲート電極Ｇ
Ｔは単層の第二導電膜ｇ２で形成されている。第二導電
膜ｇ２としては例えばスパッタで形成されたアルミニウ
ム（Ａｌ）膜が用いられ、その上にはＡｌの陽極酸化膜
ＡＯＦが形成されている。走査信号線ＧＬは第二導電膜
ｇ２で形成されており、その上にはＡｌの陽極酸化膜Ａ
ＯＦが形成されている。

【００４５】ゲート絶縁膜ＧＩは、薄膜トランジスタＴ
ＦＴにおいてゲート電極ＧＴと共に半導体層ＡＳに電界
を与えるために使用され、ゲート電極ＧＴと走査信号線
ＧＬの上層に形成されている。絶縁膜ＧＩとしては例え
ばプラズマＣＶＤで形成された窒化シリコン膜が用いら
れ、１２００から２７００Åの厚さに（本実施例では２
０００Å）形成される。ゲート絶縁膜ＧＩは液晶表示装
置の表示部全体を囲み、かつ周辺部において外部接続端
子を露出する様に形成される。また、ゲート絶縁膜は走
査信号線ＧＬと映像信号線ＤＬの電気的絶縁にも寄与し
ている。

【００４６】ｉ型半導体層ＡＳは非晶質シリコンであ
り、２００から２２００Åの厚さに（本実施例では２０
００Å）形成される。層ｄ０はオーミックコンタクト用
のリンをドープしたＮ（＋）型非晶質シリコン半導体層
であり、下側にｉ型半導体層ＡＳが存在し、上側に導電
層ｄ２（ｄ３）が存在するところのみに残されている。
これに加えてｉ型半導体層ＡＳは走査信号線ＧＬと映像
信号線ＤＬの交差部において両者の間に設けられ、両者
の短絡を低減する。

【００４７】ソース電極ＳＤ１，ドレイン電極ＳＤ２の
それぞれは、Ｎ(＋)型非晶質シリコン半導体層ｄ０に接
触する第二導電膜ｄ２とその上に形成された第三導電膜
ｄ３とから構成されている。第二導電膜ｄ２はスパッタ
で形成したクロム（Ｃｒ）膜を用い、５００から１００
０Åの厚さに（本実施例では６００Å）形成される。こ
の他に、高融点金属（Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ）膜，高融
点金属シリサイド（ＭｏＳｉ₂，ＴｉＳｉ₂，ＴａＳ
ｉ₂，ＷＳｉ₂）膜を用いても良い。

【００４８】また、ソース電極ＳＤ１，ドレイン電極Ｓ
Ｄ２及び映像信号線ＤＬを構成する第３導電膜ｄ３はＡ
ｌのスパッタリングで３０００から５０００Åの厚さに
（本実施例では４０００Å）形成され、これら各電極の
抵抗を低減する作用がある。第二導電膜ｄ２，第３導電
膜ｄ３を同じマスクパターンでパターンニングした後、
同じマスクを用いて、あるいは第二導電膜ｄ２，第３導
電膜ｄ３をマスクとしてＮ(＋)型非晶質シリコン半導体
層ｄ０が除去される。映像信号線ＤＬはソース電極ＳＤ
１，ドレイン電極ＳＤ２と同層の第二導電膜ｄ２，第３
導電膜ｄ３で構成されている。

【００４９】次に、薄膜トランジスタＴＦＴ以外の各層
について説明する。薄膜トランジスタＴＦＴ上には保護
膜ＰＳＶ１が形成されており、薄膜トランジスタＴＦＴ
を湿気等から保護する。例えばプラズマＣＶＤ装置で形
成した酸化シリコン膜や窒化シリコン膜で形成されてお
り、膜厚は１μｍ程度である。保護膜ＰＳＶ１の上には
画素電極ＥＲがあり、スパッタリングで形成されたＡｌ
からなり、膜厚は200から５００Å（本実施例では３０
０Å）である。ソース電極ＳＤ１と重なり合う保護膜Ｐ
ＳＶ１にはスルーホールＴＨが形成されており、材質は
画素電極ＥＲと同じＡｌである。スルーホールはソース
電極ＳＤ１と画素電極ＥＲとを結び、画素電極ＥＲに電
位を供給する。上部透明ガラス基板ＳＵＢ２上の共通透
明画素電極ＩＴＯはスパッタリングで形成されたIndium
-Tin-Oxide（ＩＴＯ）膜からなり、膜厚は１０００から
２０００Å（本実施例では１４００Å）である。上側有
機配向膜層ＯＲＩ２と下側有機配向膜層ＯＲＩ１は日産
化学製のポリイミド系有機高分子（ＲＮ７１８）であ
る。上側有機配向膜層ＯＲＩ２と下側有機配向膜層ＯＲ
Ｉ１の配向処理方向は互いに反平行であり、プレチルト
角は５°である。液晶層ＬＣにはカイラル剤を含まない
ネマチック液晶を用い、電圧無印加時における液晶層Ｌ
Ｃのリタデーションは０.８６μｍ、画素電極ＥＲにお
ける液晶層ＬＣの厚さの最大値は６.２μｍとした。上
側有機配向膜層ＯＲＩ２と下側有機配向膜層ＯＲＩ１の
配向処理方向の方位角は９０°とし、液晶分子の立上り
方向の方位角が９０°となる様にした。配向処理方向と
位相板ＰＯＬの透過軸のなす角度を３５°とした。

【００５０】以上の様な構成の表示パネルに駆動装置を
組み合わせて各表示色を表示し、その色度を測定した。
色度の測定にはオリンパス光学製顕微測光システムＡＨ
２−ＳＲＫ／ＳＴＫを用い、複数画素を含む範囲で測定
した。得られた反射スペクトルは照射光のスペクトルで
割算して照射光の着色による影響を補正した。更に、各
表示色の色純度をＵＣＳ（Ｕnifom Ｃhromaticity Ｓys
tem）表色系の色度座標（ｕ，ｖ）におけるＣ光源から
の距離Ｗを用いて次式の様に定量化した。

【００５１】

【数３】

【００５２】赤，緑，シアン，マゼンタ，黄，青等の色
表示の場合には、Ｗの値が大きければ表示色は鮮やかで
あり、より好ましい。これとは逆に黒表示と白表示の場
合にはＷの値が小さければ表示色はより無彩色であり好
ましい。

【００５３】各表示色を与える映像信号線ＤＬの印加電
圧と、各表示色の色純度を表１にまとめて示した。３.
０Ｖから１０.５Ｖまでの各印加電圧において、赤，
緑，シアン，マゼンタ，黄，青，黒，白の８色を識別す
ることができた。

【００５４】

【表１】

【００５５】

【表２】

【００５６】（実施例２）実施例１の液晶表示装置にお
いて、上下側有機配向膜層ＯＲＩ２，ＯＲＩ１の配向処
理方向と位相板ＰＯＬの透過軸のなす角度を４５°に変
えた。

【００５７】表１に示した様に、実施例１に比べて各色
表示のＷ値が増大した。配向処理方向と偏光板ＰＯＬの
透過軸のなす角度を最適値である４５°とすることによ
り、より鮮やかな色表示を得ることができた。

【００５８】尚、本実施例の液晶表示素子の各表示色を
基板平面法線方向から観測した。各表示色の色相をＣＩ
Ｅ表色系の（Ｘ，Ｙ）色度座標系上にプロットすると、
図１２の中の白丸の様になった。また、視角特性を評価
するため方位角０°，仰角３０°の方向，方位角９０
°，仰角３０°の方向から観測した場合の各表示色の色
相を測定したところ、それぞれ図１３，図１４の中の黒
丸の様になった。後者は前者に比べて色相の変化が激し
く、方位角９０°で視角特性が悪化することがわかっ
た。

【００５９】（実施例３）実施例２の液晶表示装置にお
いて、上側有機配向膜層ＯＲＩ２と下側有機配向膜層Ｏ
ＲＩ１の配向処理方向の方位角を２７０°に変え、液晶
分子の立上り方向の方位角が２７０°となる様にした。

【００６０】本実施例の液晶表示素子の各表示色を基板
平面法線方向から観測したところ、各表示色の色相は実
施例２とほぼ同様であった。方位角０°，仰角３０°の
方向から観測した各表示色の色相もまた実施例２とほぼ
同様であった。方位角９０°，仰角３０°の方向から観
測した場合の各表示色の色相の変化は図１５中の黒丸の
様になり、実施例２に比べて色相の変化が穏やかになっ
た。

【００６１】以上の様に、液晶分子の立上り方向の方位
角が２７０°となる様に上側有機配向膜層ＯＲＩ２と下
側有機配向膜層ＯＲＩ１の配向処理方向の方位角を設定
することにより、方位角９０°における視角特性を向上
することができた。

【００６２】（実施例４）実施例３の液晶表示装置にお
いて、偏光板ＰＯＬと上側透明ガラス基板SUB2の間に位
相板を新たに加えた。位相板はポリカーボネート製であ
り、平面方線方向の透過光に対する波長５５０ｎｍにお
けるリタデーションは２００ｎｍである。位相板の遅相
軸の方位角は０°とし、液晶層の配向処理方向と直交す
る様にした。

【００６３】表１に示した様に各表示色のＷ値は実施例
２および３とほとんど変わらないが、各表示色を与える
印加電圧の値が大幅に低下した。特に白表示は実施例２
および３の１０.５Ｖから６.０Ｖとなった。位相板を加
えて液晶層の見かけのリタデーション値を低減すること
により、駆動電圧範囲を低電圧化できた。

【００６４】（実施例５）実施例３の液晶表示装置にお
いて、画素電極ＥＲ内の液晶層厚の分布を測定した。薄
膜トランジスタＴＦＴと重なっていない部分では液晶層
厚は６.２μｍであるのに対し、薄膜トランジスタＴＦ
Ｔと重なっている部分では５.７μｍであった。画素電
極ＥＲ内には０.５μｍの液晶層厚の変動があり、これ
は電圧無印加時のリタデーションに換算すると７０ｎｍ
に相当する。画素電極ＥＲ内で表示色のムラが生じ、表
示色の色純度低下の一因になっていることが明らかにな
った。そこで、実施例３の液晶表示装置の画素電極ＥＲ
をＴＦＴ部の上部に分布しないような形状に変えた。更
に、上側透明ガラス基板ＳＵＢ２上の上側有機配向膜層
ＯＲＩ２と共通透明画素電極ＩＴＯの間にブラックマト
リクスＢＭを追加しブラックマトリクスＢＭがＴＦＴ部
の上部にのみ分布するようにした。

【００６５】表１に示した様に赤，緑，シアン，マゼン
タ，黄，青の色表示では実施例３に比べてＷ値が増大
し、黒表示と白表示ではＷ値が減少した。画素電極ＥＲ
の形状を最適化して液晶層厚の均一な部分でのみ選択的
に表示を行うことにより、より鮮明な色表示とより無彩
色な白黒表示を得ることができた。

【００６６】（実施例６）実施例３の液晶表示装置にお
いて、スペーサビーズの直径を１２μｍに変えた。ま
た、液晶材料も実施例３で用いた液晶材料に比べて複屈
折値が約半分のものに変え、電圧無印加時における液晶
層のリタデーションは実施例３とほぼ等しくした。実施
例５で述べた様に画素電極ＥＲ内には０.５μｍの液晶
層厚の変動があるが、これによる電圧無印加時のリタデ
ーションの変動は３５ｎｍと半分に減少する。

【００６７】表１に示した様に赤，緑，シアン，マゼン
タ，黄，青の色表示では実施例３に比べてＷ値が増大
し、黒表示と白表示ではＷ値が減少した。各表示色を与
える印加電圧も若干増大したが、これは液晶材料と液晶
層厚の変化による。液晶層厚を増大して画素電極ＥＲ内
の凹凸が液晶層のリタデーションに与える変動幅を減少
することにより、液晶表示装置の構成を変更せずにより
鮮明な色表示とより無彩色な白黒表示を得ることができ
た。

【００６８】（実施例７）実施例４の液晶表示装置にお
いて、液晶材料を変えて電圧無印加時の液晶層のリタデ
ーションを０.９６μｍに増大した。更に、波長５５０
ｎｍにおける位相板のリタデーションも増大して３００
ｎｍとした。

【００６９】表１に示した様に各表示色のＷ値は実施例
４とほぼ同じであるが、駆動電圧範囲が狭くなった。実
施例４では駆動電圧範囲は１.２Ｖ(赤)から６.０Ｖ(白)
までの約４.８Ｖであったが、本実施例では３.４Ｖ
(赤)から７.０Ｖ(白)までの約３.６Ｖとなった。

【００７０】液晶層と位相板のリタデーションを最適化
して駆動電圧範囲を狭め、更にコスト的に有利な低耐圧
の駆動回路を用いてマルチカラー表示が可能になった。

【００７１】（実施例８）実施例４の液晶表示装置にお
いて位相板をポリビニルアルコール製に変え、かつその
波長５５０ｎｍにおけるリタデーションを電圧無印加時
の液晶層と同じ８６０ｎｍにした。ポリビニルアルコー
ル製位相板は液晶層に比べて複屈折波長分散が小さく、
実施例４で用いたポリカーボネート製位相板に比べても
なお小さい。電圧印加時には液晶層のリタデーションは
位相板よりも小さくなるため、上述の条件を満足し、位
相板と液晶層の合成された複屈折は逆分散になる。

【００７２】これまでの実施例では各表示色のうち赤の
印加電圧値が最低であり、白が最高であった。これに対
して本実施例では位相板のリタデーションを電圧無印加
時の液晶層と同じにしたため、白の印加電圧値が最低で
赤が最高になり、印加電圧値の増大に伴う表示色の出現
の順序が逆になった。また、実施例４に比べて赤のＷ値
が僅かではあるが増大した。位相板と液晶層のリタデー
ションと複屈折波長分散の組み合わせを最適化すること
により赤の色純度を向上することができた。

【００７３】（比較例１）実施例１の液晶表示装置にお
いて、上下側有機配向膜層ＯＲＩ２，ＯＲＩ１の配向処
理方向と位相板ＰＯＬの透過軸のなす角度を０°に変え
た。印加電圧を変えても表示は白表示のまま変わらず、
表示色の変化は識別できなかった。実施例１の液晶表示
装置において各表示色が得られた電圧値を印加して表示
色の測定を行ったが、表１に示した様にいずれもほぼ無
彩色であった。

【００７４】以上の様に、上下側有機配向膜層ＯＲＩ
２，ＯＲＩ１の配向処理方向と位相板ＰＯＬの透過軸の
なす角度を最適化しなければ表示色の変化が全く見えな
いまでに表示特性が悪化する。

【００７５】（比較例２）実施例１の液晶表示装置にお
いて、上下側有機配向膜層ＯＲＩ２，ＯＲＩ１の配向処
理方向と位相板ＰＯＬの透過軸のなす角度を９０°に変
えた。比較例１と同様、表示色の変化は識別できなかっ
た。

【００７６】（比較例３）実施例１の液晶表示装置にお
いて、保護膜ＰＳＶ１の表面にフォトリソグラフにより
微小な凹凸を多数形成した。その上にスパッタリングに
よりＡｌを１００Åの膜厚で形成し、画素電極ＥＲとし
た。画素電極ＥＲは光散乱性になり、光反射後に反射光
は偏光解消する様になった。これを組立て液晶表示装置
とした。印加電圧を様々に変えたが、表示は白表示のま
まで表示色の変化は識別できなかった。実施例１の液晶
表示装置において各表示色が得られた電圧値を印加して
表示色の測定を行ったが、表１に示した様にいずれもほ
ぼ無彩色であった。

【００７７】光反射時に反射光の偏光状態が保持される
様に反射面の反射特性を最適化しなければ、表示色の変
化が全く見えないまでに表示特性が悪化する。

【００７８】

【発明の効果】本発明により１画素でマルチカラー表示
が可能で、かつバックライトを用いないため消費電力が
極めて低く、携帯型の情報機器にも搭載可能な表示装置
が得られる。

【００７９】尚、本発明の液晶表示装置の上側基板を透
明樹脂とすると、更に薄型軽量な液晶表示素子が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示装置の構成の一例を示す断面
図である。

【図２】本発明の液晶表示装置の構成の一例を示す透視
図である。

【図３】本発明の液晶表示装置のブラックマトリクスを
用いた構成の一例を示す断面図である。

【図４】本発明の液晶表示装置のブラックマトリクスを
用いた構成の一例を示す透視図である。

【図５】ホモジニアス配向の液晶層のリタデーションと
印加電圧の関係と、これに位相板をその遅相軸が液晶層
の配向と直交する様に配置した場合の前記関係の変化の
一例を示す図である。

【図６】ホモジニアス配向の液晶層のリタデーションと
印加電圧の関係と、これに位相板をその遅相軸が液晶層
の配向と直交する様に配置した場合の前記関係の変化の
一例を示す図である。

【図７】ホモジニアス配向の液晶層の視角依存性を示す
図の１つであり、ホモジニアス配向の液晶層に電圧を印
加した場合の、液晶層中央部分の屈折率楕円体の形状を
示す図である。

【図８】ホモジニアス配向の液晶層の視角依存性を示す
図の１つであり、長軸を含む方位角方向で視角を変えた
場合の屈折率楕円体断面形状の変化を示す図である。

【図９】ホモジニアス配向の液晶層の視角依存性を示す
図の１つであり、短軸を含む方位角方向で視角を変えた
場合の屈折率楕円体断面形状の変化を示す図である。

【図１０】３つの画素の表示色の１連の組み合わせを示
す図であり、本発明の液晶表示装置における階調表示方
法の一例を示す。

【図１１】本発明における方位角と仰角の定義を示す図
である。

【図１２】実施例２の液晶表示装置を基板平面法線方向
から観測した場合の、各表示色の色度を示す図である。

【図１３】実施例２の液晶表示装置を方位角０°，仰角
３０°の方向から観測した場合の、各表示色の色度を示
す図である。

【図１４】実施例２の液晶表示装置を方位角９０°，仰
角３０°の方向から観測した場合の、各表示色の色度を
示す図である。

【図１５】実施例３の液晶表示装置を方位角９０°，仰
角３０°の方向から観測した場合の、各表示色の色度を
示す図である。

【符号の説明】

１…上側有機配向膜層ＯＲＩ２、２…下側有機配向膜層
ＯＲＩ１、３…位相板ＰＯＬ、４…保護膜ＰＳＶ１、５
…薄膜トランジスタＴＦＴ、６…画素電極ＥＲ、７…走
査信号線ＧＬ、８…映像信号線ＤＬ、９…保持容量素子
Ｃadd 、１０…液晶層ＬＣ、１１…下側透明ガラス基板
ＳＵＢ１、１２…上側透明ガラス基板ＳＵＢ２、１３…
酸化シリコン膜ＳＩＯ、１４…ゲート絶縁膜ＧＩ、１５
…ｉ型半導体層ＡＳ、１６…ソース電極ＳＤ１、１７…
ドレイン電極ＳＤ２、１８…陽極酸化膜ＡＯＦ、１９…
スルーホールＴＨ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０９Ｆ 9/35 ３２１Ｇ０９Ｆ 9/35 ３２１ (72)発明者檜山郁夫茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者藤井達久千葉県茂原市早野3300番地株式会社日立製作所電子デバイス事業部内 (72)発明者菊地直樹千葉県茂原市早野3300番地株式会社日立製作所電子デバイス事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上側基板と、下側基板と、液晶層と、駆動
装置と、１枚の偏光板から構成され、該基板は該液晶層
を挾持しながら対向して配置され、該偏光板は上側基板
の上方に配置され、該基板は液晶層に面する側に電極と
配向膜を備えている液晶表示装置であって、下側基板上の電極は１画素に対応し、金属からなり、か
つアクティブ駆動素子を備え、偏光板の透過軸は上側基
板近傍における液晶配向方向と平行ではなく、また直交
しないことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】請求項１の液晶表示装置において、偏光板
の透過軸は上側基板近傍における液晶配向方向と４５°
をなすことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項３】請求項１及び２の液晶表示装置において、
液晶層がホモジニアス配向であることを特徴とする液晶
表示装置。
【請求項４】請求項１及び２の液晶表示装置において、
該上側基板と該偏光板の間に位相板を備えていることを
特徴とする液晶表示装置。
【請求項５】請求項４の液晶表示装置において、該液晶
層の複屈折波長分散は該位相板のそれよりも急峻であ
り、かつ該液晶層の波長５５０ｎｍにおけるリタデーシ
ョンは該位相板のそれよりも小さいことを特徴とする液
晶表示装置。
【請求項６】請求項１及び２の液晶表示装置において、
上側基板からの距離と下側基板からの距離が等しくなる
液晶層内の面内における液晶分子配向方向に着目する
と、電圧印加時に液晶分子配向方向は基板平面に対して
傾いており、その傾き方向を基板に固定して定義された
方位角で表すと２００°以上，３４０°以下の範囲にあ
ることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項７】請求項１及び２の液晶表示装置において、
液晶層厚と液晶層の複屈折の積が０.６５μｍ以上であ
ることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項８】請求項１及び２の液晶表示装置において、
アクティブ駆動素子のチャネル部の上面に電極が存在し
ないことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項９】請求項１及び２の液晶表示装置において、
アクティブ駆動素子の上面に電極が存在しないことを特
徴とする液晶表示装置。
【請求項１０】請求項１及び２の液晶表示装置におい
て、液晶層厚が１０μｍ以上であることを特徴とする液
晶表示装置。
【請求項１１】請求項１及び２の液晶表示装置におい
て、液晶層厚と液晶層の複屈折の積が０.８５μｍ以上
でかつ該位相板のリタデーションとの差を０.２０μｍ
以上であり、位相板に近接する液晶層の配向方向が位相
板の遅相軸となす角が７０°以上，１１０°以下である
ことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項１２】請求項１の液晶表示装置において、液晶
層厚と液晶層の複屈折の積が０.８５μｍ以上であり、
該上側基板と該偏光板の間に位相板を備え、印加電圧が
１０Ｖ以下において該液晶層と該位相板のリタデーショ
ンの和が０μｍになることを特徴とする液晶表示装置。