JP2005055645A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 光漏れを低減すると同時に、開口率をできる限り大きくする。
【解決手段】 背面に配置された光源から入射した光の一部を透過して表示を行う透過開口部Ｂと、外光を反射して表示を行う反射開口部Ａを画素内に有する半透過型の液晶表示素子である。透過開口部Ｂに対応する液層層の厚さと反射開口部Ａに対応する液晶層の厚さが異なる。透過開口部Ｂと反射開口部Ａの画素内の配置が隣接する画素間で異なるような画素配列を含み、さらに、画素に電気信号を供給するための信号線Ｓ、若しくは各画素に配置されたスイッチング素子を駆動するためのゲート線Ｇの少なくとも一部に重なるように反射開口部が形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、透過開口部と反射開口部を備えたいわゆる半透過型の液晶表示素子に関するものであり、光漏れによるコントラスト低下を抑制するための技術に関する。

近年、液晶表示素子は、ノートパソコン、モニター、カーナビゲーション、関数電卓、中小型ＴＶ等、様々な分野に応用されている。なかでも反射型液晶表示素子は、バックライトが不要であることから、低消費電力、且つ薄型軽量といった利点を活かすべく、モバイルＰＣ等の携帯機器用ディスプレイへの応用が検討されている。

ところで、従来の反射型液晶表示素子は、基本的には紙と同様、外光を利用して表示するものであるため、使用環境自体が暗いと表示画面も暗くなり、表示を視認することが難しくなる。特に、暗闇では表示が全く見えなくなり、表示装置として利用することができない。

そこで、周囲が暗い場合には内蔵した光源を発光して表示を行う方式の液晶表示素子が脚光を浴びている。このような液晶表示素子としては、光源を液晶表示素子の背後に配置したバックライト方式の半透過型のものや、光源を液晶表示素子の前に配置したフロントライト方式の反射型のもの等が提案されている。

特に、半透過型液晶表示素子は、従来から利用されている透過型液晶表示素子とほとんど同じ材料で製造できることから、設備の共有化や部材コストの抑制、開発費の削減等のメリットが多く、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等の表示素子として既に実用化されている。

ただし、一般に半透過型液晶表示素子では、透過表示特性と反射表示特性の両方について十分な光利用効率を実現することは難しい。そこで、このような問題を解決する手段として、様々な液晶表示モードが提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。
特開平１１−２４２２２６号公報

光利用効率の高い半透過型液晶表示素子を考えた場合、例えば画素を透過開口部と反射開口部に分割し、それぞれの領域での液晶層厚を異なるようにしたホモジニアスモードを利用するのが有利である。ホモジニアスモードでは、液晶分子が同一方向に配列しているため構造が単純で、位相差板等を用いた光学的な補償が容易であるため視角が広い表示を実現することができる。

しかしながら、半透過型液晶表示素子では、特に透過開口部と反射開口部の境界部において、液晶層の厚さが透過表示に最適な厚さと反射表示に最適な厚さの中間的な厚さになる領域が存在する。このような領域では、透過表示としても反射表示としても十分な表示を行うことができず、また、特に黒表示を行った時に光漏れが起こり、表示全体のコントラストを低下させてしまう要因となる。例えば、各画素において、従来の半透過型液晶表示素子で広く採用されているように、反射開口部の中央部に透過開口部を形成した場合、透過開口部の４辺が全て中間的な厚さの領域になり、コントラストの低下も顕著なものとなる。

このような不都合を解消する一つの方法として、画素を２分割して一方を反射開口部、他方を透過開口部とすることも考えられる。この場合には、例えば水平画素ラインにおいては透過開口部同士が隣接することになるので、この部分には中間的な厚さの領域が存在しなくなり、コントラストの低下が抑えられる。しかしながら、このような配置を採用した場合、隣接する透過開口部間に形成される信号線が光透過の妨げになり、信号線上の領域が表示に利用できなくなって、結果的に開口率の損失に繋がる。また、反射開口部同士が隣接することになるので、反射開口部を例えば信号線上にまで拡大してできるだけ開口率を上げようとすると、反射電極間の短絡等が起こり易くなる。

本発明は、これらの不都合を解消することを目的に提案されたものである。すなわち、本発明は、透過開口部と反射開口部とで液晶層の厚さが異なる構造の液晶表示素子において、光漏れを低減して十分なコントラストでの表示が可能であり、しかも開口率をできる限り大きくすることが可能な液晶表示素子を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の液晶表示素子は、次のような構成を有する。先ず、本発明の液晶表示素子は、背面に配置された光源から入射した光の一部を透過して表示を行う透過開口部と、外光を反射して表示を行う反射開口部を画素内に有し、前記透過開口部に対応する液層層の厚さと前記反射開口部に対応する液晶層の厚さが異なる液晶表示素子である。このような液晶表示素子において、前記透過開口部と反射開口部の画素内の配置が隣接する画素間で異なるような画素配列を含むことを特徴とする。さらに、画素に電気信号を供給するための信号線、若しくは各画素に配置されたスイッチング素子を駆動するためのゲート線の少なくとも一部に重なるように前記反射開口部が形成されていることを特徴とする。

以上の構成を有する本発明の液晶表示素子では、透過開口部と反射開口部の画素内の配置が隣接する画素間で異なるような画素配列を含むことから、隣接する画素において透過開口部と反射開口部とが互いに近接して配置される。したがって、透過開口部と反射開口部の境界の傾斜部（液晶層の厚さが透過表示に最適な厚さと反射表示に最適な厚さの中間的な厚さになる領域）は、画素の境界、すなわち信号線あるいはゲート線と重なり、この領域での光漏れが信号線やゲート線によって遮られ、コントラストの低下が抑制される。また、本発明の液晶表示素子では、画素に電気信号を供給するための信号線、若しくは各画素の配置されたスイッチング素子を駆動するためのゲート線の少なくとも一部に重なるように前記反射開口部（例えば反射電極）が拡大して形成されているので、信号線やゲート線による開口率の損失が補填され、光利用効率が確保される。

本発明によれば、透過開口部と反射開口部とで液晶層の厚さが異なる構造の液晶表示素子において、光漏れを低減して十分なコントラストでの表示を実現することが可能である。また、同時に、信号線やゲート線による開口率の損失を補填することが可能であるので、光利用効率が高く、コントラストが良好な表示を実現することが可能である。

以下、本発明を適用した半透過型の液晶表示素子について、図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、本実施形態の半透過型液晶表示素子の断面構造を図１に示す。半透過型液晶表示素子１も、基本的には通常の液晶表示素子と同様の構成を有し、一対のガラス基板で液晶セルを構成し、その間隙に液晶材料を封入して液晶層が形成されている。本実施形態の半透過型液晶表示素子１も例外ではなく、上側ガラス基板２と下側ガラス基板３の間に液晶層４が封入されている。

上側ガラス基板２は、対向基板に相当するものであり、液晶層４側の面には、各画素に対応してカラーフィルタ層５が形成されるとともに、その表面を覆ってＩＴＯ等の透明導電材料からなる透明電極６が全面に形成されている。カラーフィルタ層５は、顔料や染料によって各色に着色された樹脂層であり、例えばＲ，Ｇ，Ｂの各色のフィルタ層が組み合わされて構成されている。また、各カラーフィルタ層５の境界部分には、コントラスト向上等を目的として、いわゆるブラックマトリクス層７が形成されている。

下側ガラス基板３は、いわゆるアレイ基板に相当するもので、各画素に対応して画素電極及びスイッチング素子である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）がマトリクス状に形成されるとともに、画素電極に電気信号を送るための信号線と、スイッチング素子である薄膜トランジスタに信号を供給するためのゲート線とが、互いに直交して配線されている。

本実施形態の半透過型液晶表示素子では、各画素電極として反射電極８が形成された反射開口部Ａと、透明電極９が形成された透過開口部Ｂとに面積的に分割されている。このような半透過型液晶表示素子では、反射開口部Ａにおいては外光を利用し、透過開口部Ｂにおいては背面側に配されたバックライト１０を光源として画像表示が行われる。

以下、アレイ基板である下側ガラス基板３について詳述すると、下側ガラス基板３の上側ガラス基板２との対向面側のうち、反射開口部に対応する領域においては、表面に微細凹凸が形成された絶縁層１１が形成され、その上に例えばアルミニウム等の光反射効率の高い金属材料等からなる反射電極８が形成されるとともに、この反射電極８に隠れる位置に液晶駆動用スイッチング素子としてのＴＦＴ１２が形成されている。微細凹凸が形成される絶縁層１１上に反射電極８を形成することで、反射電極８にも微細凹凸が反映され、外光を反射する際に散乱により反射光が均一化される。また、絶縁層１１は、反射開口部における液晶層４の厚み（セルギャップ）を調整する役割も果たす。スイッチング素子であるＴＦＴ１２は、反射電極８の背面側に位置しているので、画像表示の際に妨げとなることはない。

一方、透過開口部においては、上記絶縁層１１は形成されておらず、ＩＴＯ等の透明導電材料からなる透明電極９のみが形成されている。したがって、この透過開口部においては、バックライト１０からの光が下側ガラス基板３及び透明電極９を透過して液晶層４へと入射され、画像表示光として上側ガラス基板２側から観察される。

本実施形態の半透過型液晶表示素子は、透過開口部のセルギャップが反射開口部のセルギャップより厚くされた、いわゆるマルチギャップ方式の半透過型液晶表示素子である。したがって、下側ガラス基板３において、セルギャップの薄い領域（反射開口部）とセルギャップの厚い領域（透過開口部）との境界で、絶縁層１１の厚さ分に相当する段差を有することになるが、この部分では、絶縁層１１の厚みに勾配を設け、傾斜部１１ａとすることで急峻な段差を解消している。

なお、上側ガラス基板２及び下側ガラス基板３の液晶層４と接する面には、液晶層４を構成する液晶分子を所定の方向に配向させる配向膜が形成されるが、配向膜としては、この種の液晶表示素子に用いられる通常の配向膜を用いることができ、ここではその説明は省略する。

また、上側ガラス基板２の液晶層４と接する面とは反対側の面には、それぞれ第１の偏光板１３、第１のλ／２板１４、及び第１の位相差板１５が配置されている。同様に、下側ガラス基板３の液晶層４と接する面とは反対側の面には、第２の偏光板１６、第２のλ／２板１７、及び第２の位相差板１８が配置されている。なお、λ／２板１４、１７は、位相差値が２７０ｎｍ程度の位相差板であるが、位相差板１５、１８と区別するためにλ／２板と表記したものであり、位相差値を限定するものではない。また、本願発明の液晶表示素子を説明する上で必要でない保護絶縁層や容量電極等については、簡略化のため図示や説明は省略した。

液晶層４には、通常の液晶表示素子に用いられる液晶材料がいずれも使用可能である。また、液晶層４の厚みは、反射開口部Ａと透過開口部Ｂとで異なっているが、液晶層４の厚みは使用する液晶材料の種類等によって適宜設定すればよい。本実施形態では、例えば液晶材料として屈折率異方性Δｎ＝０．０６のネマティック液晶を用い、透過開口部Ｂの液晶層４の厚さｄ１＝５．０μｍ、反射開口部Ａの液晶層４の厚さｄ２＝３．０μｍとした。

図２に、本実施形態の液晶表示素子における画素の平面配置を示す。本実施形態の液晶表示素子では、信号線Ｓ及びゲート線Ｇで区画される矩形状（長方形状）の画素が長手方向において２分割され、一方が反射開口部Ａ、他方が透過開口部Ｂとされている。なお、図２においては、反射開口部Ａの形状として反射電極８の形状を表示し、透過開口部Ｂの形状として透明電極９の形状を表示している。

本実施形態の液晶表示素子では、透過開口部Ｂと反射開口部Ａの画素内での配置が隣接する画素間で異なるような画素配列を含むことが大きな特徴である。具体的には、水平画素ラインにおいては、透過開口部Ｂと反射開口部Ａの配置が上下異なる画素が交互に配置されており、図２（ａ）に示すように、隣接する画素間では透過開口部Ｂと反射開口部Ａの配置が上下逆になっている。垂直画素ラインにおいては、透過開口部Ｂと反射開口部Ａの配置が同じ画素が上下に並ぶように配列されている。

上述のような配列を採用することにより、ある画素の透過開口部Ｂは、同じ画素の反射開口部Ａと１辺が接するとともに、残りの３辺は隣接する３つの画素の反射開口部Ａと接することになり、したがって、各透過開口部Ｂは反射開口部Ａに４方を囲まれるように配置されることになる。同様に、ある画素の反射開口部Ａは、同じ画素の透過開口部Ｂ、及び隣接する３つの画素の透過開口部Ｂによって4方を囲まれるように配置されている。

また、それぞれ隣接する透過開口部Ｂと反射開口部Ａの境界は、断面が基板に対して傾斜している（図１の絶縁層１１の傾斜部１１ａを参照）が、この傾斜部１１ａのうち隣接する画素間に対応する部分は、信号線Ｓあるいはゲート線Ｇと一部が重なるように配置されている。したがって、透過開口部Ｂの４辺のうちの３辺は、傾斜部１１ａにおける光漏れが信号線Ｓあるいはゲート線Ｇによって遮られることになる。

さらに、図２（ｂ）に示すように、反射開口部Ａの反射電極８は、上記傾斜部１１ａの一部を覆うように形成されており、信号線Ｓまたはゲート線Ｇと絶縁層１１を介して重なり合う構造になっている。透過開口部Ｂの透明電極９は、隣接する画素の反射開口部Ａとの境界において、傾斜部１１ａに一部重なるか、若しくは重ならないぎりぎりの位置まで形成されている。このような構造を採用することにより、信号線Ｓあるいはゲート線Ｇ上の領域が反射開口部Ａとして有効利用され、これら信号線Ｓあるいはゲート線Ｇによる開口率の損失が最小限に抑えられる。

本実施形態では、ある画素の反射開口部Ａは、同じ画素の透過開口部Ｂ、及び隣接する３つの画素の透過開口部Ｂによって4方を囲まれるように配置されており、隣接する画素の反射開口部は、互いに角部のみが近接するように配置されている。すなわち、隣接する反射開口部Ａの反射電極８は、互いに角部のみが近接する。したがって、上記のように反射電極８を例えば信号線Ｓ上にまで拡大した場合にも、隣接する画素の反射電極８間での短絡は起こり難くい。

なお、本実施形態では、液晶層４は、電圧を印加していない状態で液晶分子がほぼ同一方向に並んで配列するホモジニアス配向とされ、ホモジニアスモードで表示が行われる。このため、ここでは透明電極６及び反射電極８，透明電極９上に形成された図示しない配向膜を、液晶表示素子を作製した時に反平行となる向き（互いに平行となる方向で逆の向き）になるようにラビングして配向処理を施した。

次に、本実施形態の液晶表示素子において良好な表示特性が得られる理由について、従来構造の液晶表示素子と比較して説明する。
図３は、従来の半透過型液晶表示素子の画素構造の一例を示すものである。図３に示す半透過型液晶表示素子では、先の実施形態の液晶表示素子と同様、矩形状（長方形状）の画素が長手方向において２分割され、一方が反射開口部Ａ、他方が透過開口部Ｂとされているが、各画素の平面配置が同一であり、ある画素の透過開口部Ｂは左右の境界において隣接する画素の透過開口部Ｂと近接している。この画素配置では、信号線上の領域Ｃが表示に利用できないため、結果的に開口率の損失となってしまう。

また、図４に従来の半透過型液晶表示素子の画素構造の他の例を示す。図４に示す半透過型液晶表示素子では、図３に示す半透過型液晶表示素子における上記欠点を補うため、各画素の外周に反射電極（反射開口部Ａ）を設け、反射電極の中に透過開口部Ｂを配置したものである。これにより、信号線Ｓ及びゲート線Ｇ上の一部を反射電極で覆うことができ、開口率が向上して光利用効率が高くなる。

しかしながら，図4の構成の半透過型液晶表示素子では、表示領域内における透過開口部Ｂと反射開口部Ａの境界の長さが増加する。すなわち、透過開口部Ｂの周囲４辺の全てが反射開口部Ａとの境界線となり、その結果、画素内において、境界線に沿って存在する傾斜部１１ａが占める面積の割合が大きくなる。しかも、この境界線は、信号線Ｓやゲート線Ｇと重ねることはできない。この傾斜部１１ａでは、透過表示に最適な液晶層厚と反射表示に最適な液晶層厚との中間の液晶層厚となるため、いずれにしても表示特性に悪影響を与える。すなわち、上記傾斜部１１ａを透明電極９で覆って透過開口部Ｂとした場合には、特に透過表示時のコントラストが低下する。逆に上記傾斜部１１ａを完全に反射電極８で覆って反射開口部Ａとした場合には、特に反射表示時のコントラストが低下する。

一方、本実施形態の半透過型液晶表示素子においては、前記従来構造の半透過型液晶表示素子とは異なり、一つの画素の透過開口部Ｂは、３辺が隣接する画素の反射開口部Ａと近接している。上記３辺においては、透過開口部Ｂと反射開口部Ａの境界線、すなわち傾斜部１１ａが信号線Ｓあるいはゲート線Ｇと重なっており、前述のようなコントラスト低下が抑制される。さらに、反射電極８を信号線Ｓ及びゲート線Ｇ上まで延ばすことにより、前述のような開口率の損失を補填することができる。これによって、光利用効率が高く、コントラストが良好な表示を実現することができる。

以上、本発明を適用した液晶表示素子の実施形態について説明したが、本発明がこの実施形態に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、本実施形態ではホモジニアスモードを採用したが、表示モードはこれに限定されず、べンド配向や垂直配向を用いた液晶モードを採用することもできるし、あるいはネマティック液晶をねじれ配向させたツイストモードとしてもよい。

さらに、光学フィルムの構成は、採用するモードに合わせて最適化するのが望ましい。例えば、λ／２板は省略することも可能であり、よりＣＲを向上させるために新たな位相差板を追加してもよい。具体的には、液晶表示素子の用途によって広い視角が必要となる場合には、新たに視角補償フィルムを複数枚挿入することもできる。

また、画素の形状や透過開口部、反射開口部の形状、比率等は、自由に選択することができる。この場合、それぞれの場合に応じて隣接する画素同士が電気的に導通しない範囲で可能な限り開口率が高くなるように画素構造を設計するのが望ましい。さらに、本実施形態では、スイッチング素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）により液晶層を駆動する構成としたが、ＴＦＤ（Thin Film Diode）による駆動としてもよいし、単純マトリクス方式の駆動とすることもできる。この場合には、製造歩留まりが向上するとともに、低開口率で明るさが向上し、消費電力も低下する。

半透過型液晶表示素子の構造の一例を示す断面図である。 実施形態の半透過型液晶表示素子の構成を模式的に示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ線における断面図である。 従来構造の半透過型液晶素子の構成例を模式的に示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｙ−ｙ線における断面図である。 従来構造の半透過型液晶素子の他の構成例を模式的に示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｚ−ｚ線における断面図である。

符号の説明

１ 半透過型液晶表示素子
２ 上側ガラス基板
３ 下側ガラス基板
４ 液晶層
５ カラーフィルタ層
６ 透明電極
８ 反射電極
９ 透明電極
１０ バックライト
１１ 絶縁層
１１ａ 傾斜部
１２ ＴＦＴ（スイッチング素子）
Ａ 反射開口部
Ｂ 透過開口部
Ｓ 信号線
Ｇ ゲート線

Claims (5)

1. 背面に配置された光源から入射した光の一部を透過して表示を行う透過開口部と、外光を反射して表示を行う反射開口部を画素内に有し、前記透過開口部に対応する液層層の厚さと前記反射開口部に対応する液晶層の厚さが異なる液晶表示素子において、
   前記透過開口部と反射開口部の画素内の配置が隣接する画素間で異なるような画素配列を含み、
   画素に電気信号を供給するための信号線、若しくは各画素に配置されたスイッチング素子を駆動するためのゲート線の少なくとも一部に重なるように前記反射開口部が形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
2. 矩形の画素が長手方向において２分割され、一方が透過開口部、他方が反射開口部とされるとともに、
   前記透過開口部の４辺のうち、画素内の反射開口部と接する辺を除く３辺は、隣接する画素の反射開口部と近接するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
3. 隣接する画素の反射開口部は、互いに角部のみが近接するように配置されていることを特徴とする請求項２記載の液晶表示素子。
4. 水平画素ラインにおいて、透過開口部と反射開口部の配置が異なる画素が交互に配置され、
   垂直画素ラインにおいて、透過開口部と反射開口部の配置が同じ画素が配列されていることを特徴とする請求項３記載の液晶表示素子。
5. 液晶層は、ホモジニアス配向、または垂直配向とされていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。

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