JP2012128000A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示品位が良好であり、薄型化及び低コスト化が可能な反射型の液晶表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続された画素電極と、を備えたアレイ基板と、光拡散効果を有するプラスチック基板と、前記プラスチック基板の前記アレイ基板と対向する側に形成された対向電極と、を備えた対向基板と、前記アレイ基板と前記対向基板との間に保持され、二色性色素及び液晶分子を含む液晶層と、前記対向基板の前方から入射し前記液晶層を通過した光を再び前記対向基板に向けて反射する鏡面反射板と、を備えたことを特徴とする液晶表示装置。
【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、液晶表示装置に関する。

液晶表示装置に代表される平面表示装置は、軽量、薄型、低消費電力などの特徴を生かして、パーソナルコンピュータなどのＯＡ機器、情報端末、時計、テレビなどの表示装置として各種分野で利用されている。中でも薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いた液晶表示装置は、その応答性の高さから携帯端末やコンピュータなど多くの情報を表示するモニタとして多用されている。

このような液晶表示装置は、利用する光源により、透過型と反射型とに分類される。透過型とは、バックライトと呼ばれる照明装置を液晶表示パネルの背面に備えた構成である。反射型とは、液晶層の背面に反射層を設けて外部から入射した外光の反射光を光源とする構成である。

近年、携帯電話やＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの携帯情報端末機器への関心が高まり、透過型に比べて消費電力が小さく、軽薄で携帯性に勝った反射型の液晶表示装置の要求が高まっている。

特開平０９−２９７３０４号公報 特開２０００−２１４４４６号公報

本実施形態の目的は、表示品位が良好であり、薄型化及び低コスト化が可能な反射型の液晶表示装置を提供することにある。

本実施形態によれば、
絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続された画素電極と、を備えたアレイ基板と、光拡散効果を有するプラスチック基板と、前記プラスチック基板の前記アレイ基板と対向する側に形成された対向電極と、を備えた対向基板と、前記アレイ基板と前記対向基板との間に保持され、二色性色素及び液晶分子を含む液晶層と、前記対向基板の前方から入射し前記液晶層を通過した光を再び前記対向基板に向けて反射する鏡面反射板と、を備えたことを特徴とする液晶表示装置が提供される。

本実施形態によれば、
絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続された鏡面反射電極と、を備えたアレイ基板と、光拡散効果を有するプラスチック基板と、前記プラスチック基板の前記アレイ基板と対向する側に形成された対向電極と、を備えた対向基板と、前記アレイ基板と前記対向基板との間に保持され、二色性色素及び液晶分子を含む液晶層と、を備えたことを特徴とする液晶表示装置が提供される。

図１は、本実施形態における液晶表示装置の構成を概略的に示す平面図である。 図２は、図１に示した液晶表示装置の構造の一例を概略的に示す断面図である。 図３は、図１に示した液晶表示装置の他の構造例を概略的に示す断面図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態における液晶表示装置１の構成を概略的に示す平面図である。

すなわち、液晶表示装置１は、アクティブマトリクスタイプの液晶表示パネルＬＰＮ、液晶表示パネルＬＰＮに接続された駆動ＩＣチップ２及びフレキシブル配線基板３などを備えている。

液晶表示パネルＬＰＮは、画像を表示する表示エリア（アクティブエリアと称される場合もある）ＡＣＴを備えている。この表示エリアＡＣＴは、例えば、略矩形状に形成され、ｍ×ｎ個のマトリクス状に配置された複数の画素ＰＸによって構成されている（但し、ｍ及びｎは正の整数である）。

このような液晶表示パネルＬＰＮは、アレイ基板ＡＲと、アレイ基板ＡＲに対向して配置された対向基板ＣＴと、これらのアレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとの間に保持された液晶層ＬＱと、を備えて構成されている。

アレイ基板ＡＲは、第１方向Ｘに沿って延在したゲート線ＧＬや第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに沿って延在したソース線ＳＬなどを備えている。また、このアレイ基板ＡＲは、ゲート線ＧＬ及びソース線ＳＬに接続され各画素ＰＸに対応して配置されたスイッチング素子ＳＷ、スイッチング素子ＳＷに接続され各画素ＰＸに対応して配置された画素電極ＰＥなどを備えている。対向基板ＣＴは、液晶層ＬＱを介して画素電極ＰＥの各々と対向する対向電極ＣＥを備えられている。

シール材ＳＥは、表示エリアＡＣＴの外側に配置され、アレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとを貼り合わせている。図示した例では、シール材ＳＥは、略矩形枠状に形成され、液晶材料を注入するための注入口を有していない閉ループ状に形成されているが、この例に限らず、シール材ＳＥによって注入口が形成されていても良い。注入口が形成されている場合、液晶材料が注入口から注入された後に、注入口は、紫外線硬化型樹脂などの封止材により封止される。

図２は、図１に示した液晶表示装置１の構造の一例を概略的に示す断面図である。

アレイ基板ＡＲは、例えば、ガラス基板やプラスチック基板などの光透過性を有する絶縁基板ＳＵＢ１を用いて形成されている。このアレイ基板ＡＲは、絶縁基板ＳＵＢ１の対向基板ＣＴに対向する側に、スイッチング素子ＳＷ、画素電極ＰＥ、第１垂直配向膜ＡＬ１などを備えている。なお、絶縁基板ＳＵＢ１は、１５０μｍ以下の厚さの薄型基板を適用することが望ましい。

スイッチング素子ＳＷは、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などによって構成されている。このスイッチング素子ＳＷは、トップゲート型であっても良いし、ボトムゲート型であっても良く、詳述しないが、ポリシリコンやアモルファスシリコンなどによって形成された半導体層を備えている。図示した例では、スイッチング素子ＳＷは、絶縁層ＩＳによって覆われている。

画素電極ＰＥは、スイッチング素子ＳＷに電気的に接続されている。この画素電極ＰＥは、例えば、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）やインジウム・ジンク・オキサイド（ＩＺＯ）などの光透過性を有する導電材料によって形成されている。図示した例では、画素電極ＰＥは、絶縁層ＩＳの上に形成されており、絶縁層ＩＳに形成されたコンタクトホールを介してスイッチング素子ＳＷに接続されている。

第１垂直配向膜ＡＬ１は、アレイ基板ＡＲの対向基板ＣＴと対向する面に配置され、表示エリアＡＣＴの略全体に亘って延在している。図示した例では、この第１垂直配向膜ＡＬ１は、画素電極ＰＥの表面に配置されている。

一方、対向基板ＣＴは、光拡散効果を有するプラスチック基板ＳＵＢ２を用いて形成されている。この対向基板ＣＴは、プラスチック基板ＳＵＢ２のアレイ基板ＡＲに対向する側に、対向電極ＣＥ、第２垂直配向膜ＡＬ２などを備えている。なお、この対向基板ＣＴには、図示は省略するが、各画素ＰＸを区画するブラックマトリクスや各画素ＰＸに対応して配置されたカラーフィルタ層、カラーフィルタ層の表面の凹凸の影響を緩和するオーバーコート層などが配置されても良い。

プラスチック基板ＳＵＢ２としては、薄型表示パネル用に開発されたポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリイミド（ＰＩ）などのエンジニアリングプラスチック材料の中から光拡散効果が大きい材料を選んで基板として適用され、支持基材としての機能と拡散フィルムとしての機能とを兼ね備えている。

なお、光拡散効果が大きいエンジニアリングプラスチック材料の選択にあたっては、材料のヘーズ値特性による判別が有効である。ヘーズ値の定義を以下に示す。
（定義１）「ＪＩＳ Ｋ ７１０５ プラスチックの光学的特性試験方法」
Ｈ＝Ｔｄ／Ｔｔ×１００
Ｈ：ヘーズ値 Ｔｔ：全光線透過率 Ｔｄ：拡散光透過率
（定義２）「ＪＩＳ Ｋ ７１３６ プラスチック−透明材料のヘーズの求め方」
「試験片を通過する透過光のうち、前方散乱によって、入射光から０．０４４ｒａｄ（２．５°）以上それた透過光の百分率」
対向電極ＣＥは、画素電極ＰＥの各々に対向している。この対向電極ＣＥは、表示エリアＡＣＴの略全体に亘って延在している。このような対向電極ＣＥは、例えば、ＩＴＯやＩＺＯなどの光透過性を有する導電材料によって形成されている。

第２垂直配向膜ＡＬ２は、対向基板ＣＴのアレイ基板ＡＲと対向する面に配置され、表示エリアＡＣＴの略全体に亘って延在している。図示した例では、この第２垂直配向膜ＡＬ２は、対向電極ＣＥの表面に配置されている。

第１垂直配向膜ＡＬ１及び第２垂直配向膜ＡＬ２は、ラビング処理に代表される配向処理工程を必要とせず、画素電極ＰＥと対向電極ＣＥとの間に電位差が形成されていない状態、つまり、画素電極ＰＥと対向電極ＣＥとの間に電界が形成されていない無電界時には、それぞれ液晶層ＬＱの液晶分子ＬＭを絶縁基板ＳＵＢ１（あるいは、アレイ基板ＡＲ）の主面及びプラスチック基板ＳＵＢ２（あるいは、対向基板ＣＴ）の主面に対して略垂直に配向する特性を有している。

上述したようなアレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとは、それぞれの第１垂直配向膜ＡＬ１及び第２垂直配向膜ＡＬ２が対向するように配置されている。このとき、アレイ基板ＡＲの第１垂直配向膜ＡＬ１と対向基板ＣＴの第２垂直配向膜ＡＬ２との間には、図示しないスペーサ（例えば、樹脂材料によって一方の基板と一体的に形成された柱状スペーサ）により、所定のセルギャップが形成されている。

シール材ＳＥは、表示エリアＡＣＴの外側に配置されている。このシール材ＳＥは、第１垂直配向膜ＡＬ１と第２垂直配向膜ＡＬ２とが対向した状態で、アレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとを貼り合わせている。このようなシール材ＳＥは、例えば、紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂などによって形成されている。

液晶層ＬＱは、シール材ＳＥによって囲まれた内側のアレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとの間に形成されたセルギャップに保持され、第１垂直配向膜ＡＬ１及び第２垂直配向膜ＡＬ２に接している。この液晶層ＬＱは、二色性色素（ゲスト色素）ＤＣを含有するとともに、誘電率異方性が負の液晶分子（ホスト液晶）ＬＭを含んでいる。二色性色素ＤＣは、例えば、黒色色素である。

液晶表示パネルＬＰＮの背面側には、対向基板ＣＴの前方から入射し液晶層ＬＱを通過した光を再び対向基板ＣＴに向けて反射する鏡面反射板ＭＲが配置されている。図示した例では、鏡面反射板ＭＲは、絶縁基板ＳＵＢ１の背面側（つまり、スイッチング素子ＳＷなどが形成された面とは反対側）に配置されている。

特に、偏光板を必要としない表示モードを適用する場合には、さらに、液晶層ＬＱと鏡面反射板ＭＲとの間にλ／４板ＰＰが配置されている。図示した例では、λ／４板ＰＰは、絶縁基板ＳＵＢ１と鏡面反射板ＭＲとの間に配置されている。なお、λ／４板ＰＰを省略する代わりに液晶表示パネルＬＰＮの前面に偏光板を配置してもよい。

このような構成の反射型の液晶表示装置１によれば、画素電極ＰＥと対向電極ＣＥとの間に電界が形成されていない状態では、図示したように、液晶層ＬＱの液晶分子ＬＭ及び二色性色素ＤＣの双方が基板に対して略垂直に配向しており、対向基板ＣＴの前方から入射した光は、液晶層ＬＱを通過する際に位相変換されず、λ／４板ＰＰを通過した後に、鏡面反射板ＭＲにおいて反射され、再び、λ／４板ＰＰ及び液晶層ＬＱを通過して対向基板ＣＴの前方に出射される。このため、液晶表示装置１としては明表示（白表示）状態となる。

一方、画素電極ＰＥと対向電極ＣＥとの間に電界が形成された状態では、液晶層ＬＱの液晶分子ＬＭ及び二色性色素ＤＣの双方が基板に対して略水平に配向しており、対向基板ＣＴの前方から入射した光は、液晶層ＬＱを通過する際に位相変換され、さらに、λ／４板ＰＰを通過した後に、鏡面反射板ＭＲにおいて反射され、再び、λ／４板ＰＰを通過した後に、液晶層ＬＱにおいて吸収される。このため、液晶表示装置１としては暗表示（黒表示）状態となる。これにより、ノーマリーホワイトモードが実現される。

本実施形態によれば、鏡面反射板ＭＲを適用したことにより、拡散により損失する反射光が大幅に減少し、入射光の大半が反射され出射光となるため、高い反射率を得ることが可能となる。また、光拡散効果を有するプラスチック基板ＳＵＢ２を液晶層ＬＱの入光側に設けたことにより、鏡面反射板ＭＲを適用した構成でありながら、外光の写り込みを抑制することが可能となる。このため、良好な表示品位を得ることが可能となる。

鏡面反射板を用いた場合に外光の写り込みを防止する対策としては、液晶表示パネルＬＰＮの前面に拡散フィルム（散乱フィルム）を配置する構成が知られている。拡散フィルムとしては、高分子フィルムの表面に凹凸を形成した拡散フィルム、屈折率の異なる球状の微粒子を充填したハードコート層を高分子フィルムの表面に形成した拡散フィルム、高分子フィルムの中に屈折率の異なる球状の微粒子を充填した拡散フィルムなどがある。

しかしながら、このような構成の場合、新規な拡散フィルムを必要とする分、コストアップが不可避である。更に、拡散フィルムを配置する分だけ液晶表示装置全体の厚みや重さも当然増加する。また、表示品位の面では画像のボケという問題があり、これを改善するには光散乱層の拡散粒子の構造、濃度、粒子径などの最適化といった複雑な作業が必要となる。画像ボケは、光散乱層の液晶層からの距離に大きく依存しているために、光散乱層の最適化を行ったとしても、液晶表示パネルＬＰＮの表面に拡散フィルムを貼るという構成上ガラス基板の厚みの影響を受け、特性の大きな改善は望めない。

これに対して、本実施形態においては、液晶層ＬＱの入光側に設けたプラスチック基板ＳＵＢ２は支持基材としての機能と拡散フィルムとしての機能とを兼ね備えているため、光拡散層と液晶層との距離が近づき、その結果、画像ボケも大幅に改善することが可能となる。

また、拡散フィルムを液晶表示パネルＬＰＮの表面に貼り付ける方式に比べて、拡散フィルムの貼付が不要となる分、より薄型化及びより軽量化が可能となり、また、部材削減による低コスト化が可能となる。つまり、軽薄で携帯性に優れた反射型の液晶表示装置を低コストで実現することが可能である。

図３は、図１に示した液晶表示装置１の他の構造例を概略的に示す断面図である。

ここに示した例は、図２に示した例と比較して、鏡面反射板ＭＲの代わりにアレイ基板ＡＲが鏡面反射電極ＲＰＥを備え、λ／４板ＰＰの代わりにアレイ基板ＡＲがλ／４層ＰＬを備えている点で相違している。なお、他の構成については、図２に示した例と同一であり、同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。

鏡面反射電極ＲＰＥは、各画素に対応して配置された画素電極に相当し、スイッチング素子ＳＷに接続されている。このような鏡面反射電極ＲＰＥは、アルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）などの光透過性を有する導電材料によって形成されている。図示した例では、鏡面反射電極ＲＰＥは、絶縁層ＩＳの上に形成されて、絶縁層ＩＳに形成されたコンタクトホールを介してスイッチング素子ＳＷに接続されている。

また、図示した例は、偏光板を必要としない表示モードを適用する場合に相当し、液晶層ＬＱと鏡面反射電極ＲＰＥとの間にλ／４層ＰＬが配置されている。図示した例では、λ／４層ＰＬは、鏡面反射電極ＲＰＥと第１垂直配向膜ＡＬ１との間に配置されている。なお、λ／４層ＰＬを省略する代わりに液晶表示パネルＬＰＮの前面に偏光板を配置してもよい。

このような構成においても、図２に示した例と同様の効果が得られるのに加えて、さらに、鏡面反射板の代わりの鏡面反射電極ＲＰＥ及びλ／４板の代わりのλ／４層ＰＬがそれぞれ液晶表示パネルＬＰＮの内部に形成されているため（インセル化）、より薄型化及びより軽量化が可能であり、さらに、低コスト化も可能となる。

なお、本実施形態は、反射型の液晶表示装置であれば表示モードを問わず適用可能であるが、特に偏光板を必要としない表示モードに適用することで、最も大きな軽薄化効果が期待できる。ＧＨ（ゲストホスト）液晶層とλ／４板あるいはλ／４層とを組み合わせたモードでは表示に偏光板を必要としないため、本実施形態では一例として本モードを選定した。

（実施例）
この実施例では、図２に示した例の液晶表示装置１を製造する場合について説明する。まず、絶縁基板ＳＵＢ１となるガラス基板上に、絶縁材料や導電材料の成膜とパターニングを繰り返してスイッチング素子ＳＷ、絶縁層ＩＳ、画素電極ＰＥを形成する。その後、化学的または機械的な研磨処理によって絶縁基板ＳＵＢ１を１５０μｍ以下の厚さにした上で、背面にλ/４板ＰＰ及び鏡面反射板ＭＲを配置する。このように絶縁基板ＳＵＢ１を薄型化するのは、基板厚みによる視差の影響を低減するためであるが、図３に示した例のように、λ/４層ＰＬ及び鏡面反射電極ＲＰＥを液晶表示パネルＬＰＮの内部に形成する場合には絶縁基板ＳＵＢ１を薄型化するための工程は省略しても良い。

他方、対向基板ＣＴを形成するためのプラスチック基板ＳＵＢ２には、高いヘーズ値を示すエンジニアリングプラスチック材料を選び、その一方の面に対向電極ＣＥを形成する。その後、画素電極ＰＥの上及び対向電極ＣＥの上にそれぞれ垂直配向膜を塗布し、電気的な信頼性を有するシール材ＳＥを用いて一定のセルギャップを形成した状態で両基板の貼り合せを行い、液晶材料を充填する。本実施例では、ＧＨ（ゲストホスト）液晶モードを用いることとし、二色性色素ＤＣとして黒色色素を混合した誘電率異方性が負の液晶分子ＬＭを含む液晶材料を注入し、注入口を紫外線硬化樹脂で封止して液晶表示装置１を作製した。

このようにして作成した反射型の液晶表示装置１によれば、高い反射率が得られ、外光の写り込みも抑制され、且つ、画像ボケの少ない良好な表示品位が得られた。

（比較例１）
比較例１の反射型の液晶表示装置は、プラスチック基板ＳＵＢ２の代わりに通常の透明なガラス基板を用い、その表面に拡散フィルムを貼り付けたものである。この点を除いては、実施例と全く同じ構成であり、材料も同一のものを適用した。

このような比較例１の反射型の液晶表示装置によれば、比較的高い反射率が得られたものの、実施例と比較して画像のボケが顕著であった。これは、液晶層から拡散フィルムまでの距離がガラス基板の厚さ分だけ拡大したことに起因しているものと考えられる。

（比較例２）
比較例２の反射型の液晶表示装置は、プラスチック基板ＳＵＢ２の代わりに通常の透明なガラス基板を用い、鏡面反射板ＭＲの代わりに液晶表示パネルの背面に、ランダムな凹凸形状に加工された表面を有する拡散反射板を配置し、拡散フィルムは省略した。この点を除いては、実施例と全く同じ構成であり、材料も同一のものを適用した。

このような比較例２の反射型の液晶表示装置によれば、反射率が低く、暗い表示となった。これは、拡散フィルムによって散乱された反射光がさらに拡散あるいは屈折より広がるためであると考えられる。

以上説明したように、本実施形態によれば、表示品位が良好であり、薄型化及び低コスト化が可能な反射型の液晶表示装置を提供することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…液晶表示装置
ＬＰＮ…液晶表示パネル
ＡＲ…アレイ基板 ＳＵＢ１…絶縁基板
ＳＷ…スイッチング素子 ＰＥ…画素電極 ＡＬ１…垂直配向膜
ＣＴ…対向基板 ＳＵＢ２…プラスチック基板
ＣＥ…対向電極 ＡＬ２…垂直配向膜
ＬＱ…液晶層 ＬＭ…液晶分子 ＤＣ…二色性色素
ＭＲ…鏡面反射板 ＰＰ…λ／４板
ＲＰＥ…鏡面反射電極 ＰＬ…λ／４層

Claims (7)

1. 絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続された画素電極と、を備えたアレイ基板と、
   光拡散効果を有するプラスチック基板と、前記プラスチック基板の前記アレイ基板と対向する側に形成された対向電極と、を備えた対向基板と、
   前記アレイ基板と前記対向基板との間に保持され、二色性色素及び液晶分子を含む液晶層と、
   前記対向基板の前方から入射し前記液晶層を通過した光を再び前記対向基板に向けて反射する鏡面反射板と、
   を備えたことを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記鏡面反射板は、前記絶縁基板の背面側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. さらに、前記液晶層と前記鏡面反射板との間に配置されたλ／４板を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続された鏡面反射電極と、を備えたアレイ基板と、
   光拡散効果を有するプラスチック基板と、前記プラスチック基板の前記アレイ基板と対向する側に形成された対向電極と、を備えた対向基板と、
   前記アレイ基板と前記対向基板との間に保持され、二色性色素及び液晶分子を含む液晶層と、
   を備えたことを特徴とする液晶表示装置。
5. さらに、前記アレイ基板は、前記液晶層と前記鏡面反射電極との間に配置されたλ／４層を備えたことを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置。
6. 前記液晶分子の誘電率異方性が負であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
7. 前記アレイ基板は前記液晶層に接する第１垂直配向膜を備え、前記対向基板は前記液晶層に接する第２垂直配向膜を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液晶表示装置。

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