JP2002229032A - 反射型フリンジフィールド駆動モード液晶表示装置 - Google Patents
反射型フリンジフィールド駆動モード液晶表示装置Info
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Abstract
CDを提供する。 【解決手段】 所定の距離をおいて配置され、単位画素
が限定された上下部基板と、上下部基板の間に介在され
る多数個の液晶分子を含む液晶層40と、下部基板の単
位画素に各々形成されるカウンタ電極32と、カウンタ
電極と共にフリンジフィールドを発生させて、単位画素
内の大部分の液晶分子を動作させる画素電極36と、下
部基板と液晶層の間に介在し、所定のラビング軸を有す
る水平配向膜38と、上部基板と液晶層の間に介在する
垂直配向膜52と、上部基板の外側面に配置され、所定
の偏光軸を有する偏光子55と、下部基板に配置され、
上部基板の上方から入射される光を反射させる反射手段
とを含む。
Description
置に係り、より詳細には、コントラスト比を改善できる
反射型フリンジフィールド駆動モード液晶表示装置(r
eflective type fringe fie
ld switching mode LCD:以下、
反射型FFS−LCD)に関する。
陽であるネマチック液晶組成物をツイスト配向させたT
N(Twisted Nematic)LCDが用いら
れる。この反射型TN−LCDは、低消費電力という特
徴を有し、電子式卓上時計、デジタル時計等の比較的小
型LCDに用いられる。しかしながら、反射型TN−L
CDは、視野角特性が非常に悪くて、コントラスト比が
低いという問題点を有する。
高い反射率及び開口率を確保するために、反射型フリン
ジフィールド駆動液晶表示装置が研究、開発されてい
る。このような従来の反射型フリンジフィールド駆動液
晶表示装置は、その概略的な構成が図1及び図2に示さ
れている。
と上部基板12は、所定の距離をおいて対向する。多数
個の液晶分子15aを有する液晶層15は、下部基板1
1と上部基板12の間に介在する。液晶分子15aを動
作させるためのフリンジフィールドを形成するカウンタ
電極14及び画素電極13は、下部基板11の内側面に
配置される。
12の内側面に配置される。第1の水平配向膜20は、
カウンタ電極14及び画素電極13が形成された下部基
板11と液晶層15との間に介在し、第2の水平配向膜
19は、カラーフィルターが形成された上部基板12と
液晶層15との間に介在する。この際、第1及び第2の
水平配向膜20、19は、それぞれラビング軸を有し、
第1の水平配向膜20のラビング軸と第2の水平配向膜
19のラビング軸は、お互いに180゜の角度をなす
(anti−parallel)。さらに、第1の水平
配向膜20のラビング軸は、カウンタ電極14と画素電
極13の間に形成されるフリンジフィールドを、基板面
に投影させた線と所定の角度をなす。上部基板12の外
側面には、偏光子18が取り付けられ、偏光子18は、
その偏光軸が第1の水平配向膜20のラビング軸と一致
するように取り付けられる。また、下部基板11の外側
面には、入射または反射される光をλ/4だけ偏光させ
る4分1波長板17が配置され、λ/4板17(すなわ
ち4分1波長板)の外側には、4分1波長板17を通過
した光を反射させる反射板16が配置される。この際、
4分1波長板17の遅延軸は、第1の水平配向膜20の
ラビング軸と45゜をなす。
は、次のように動作する。まず、図1を参照すると、カ
ウンタ電極14と画素電極13の間に電圧差が発生しな
いと、液晶分子15aは、その長軸が水平配向膜20、
19のラビング軸と平行に配列される。これにより、自
然光は、偏光子18を通過しながら、偏光軸と一致する
方向に進行する入射光になる。その後、入射光は、液晶
分子15aの長軸が水平配向膜20、19のラビング軸
と並んで配列されている液晶層15を通過するので、進
行方向が変わらない。液晶層15を通過した入射光は、
4分1波長板17の遅延軸と45゜をなすので、4分1
波長板17を通過しながら右側円偏光になる。右側円偏
光は、反射板16により反射され、右側円偏光された反
射光になる。
延軸を有する4分1波長板17を通過しながら、偏光軸
と直交する方向に進行する反射光になる。4分1波長板
17を通過した反射光の進行方向は、液晶分子15aの
長軸と直交するので、進行方向が変化せず液晶層15を
通過する。液晶層15を通過した反射光は、偏光軸と直
交するので、偏光子18を通過しない。したがって、画
面は、ダーク(dark)となる。
画素電極13の間にフリンジフィールドFが形成される
と、液晶分子15aは、フリンジフィールドEの形態で
ツイストされる。これにより、液晶分子15aの光軸
は、偏光軸と所定の角度をなすことになる。自然光は、
偏光子18を通過することによって、偏光軸と一致する
方向に進行する入射光になる。その後、入射光は、フリ
ンジフィールドEの形態で配列された液晶分子15aの
長軸と45゜をなす。したがって、液晶層15を通過し
た入射光は、偏光軸と45゜をなす入射光になる。ここ
で、液晶層15を通過した入射光は、4分1波長板17
の遅延軸と一致するから、入射光は、4分1波長板17
を通過しながら、その進行方向が変わらない。4分1波
長板17を通過した入射光は、反射板16により反射さ
れて反射光となる。
7の遅延軸と一致するから、進行方向が変化することな
く、4分1波長板17を通過する。4分1波長板17を
通過した反射光の進行方向は、液晶層15の液晶分子1
5aの長軸と45゜をなすので、液晶層15を通過した
反射光の進行方向は、偏光軸と一致することになる。し
たがって、画面は、ホワイト状態となる。
Dは、次のような問題点を有する。従来の反射型液晶表
示装置は、バックライトを光源として使用することな
く、コントラストを改善するために、基板の外側に4分
1波長板のような光学成分が付加される。しかし、4分
1波長板のような光学成分が付加されることによって、
製造費用が上昇するという問題点がある。さらに、4分
1波長板が入射または反射される光を一部吸収するの
で、LCDの透過率、すなわち反射率を低下させる。
の他の方法として、4分1波長板が除去される代わり
に、液晶層の位相遅延(dΔn)がλ(2n+1)/4
になるようにして、液晶層が4分1波長板の役目をする
ようにする技術が本出願人により出願されたことがあ
る。
る技術は、次のような問題点がある。すなわち、液晶層
自体が4分1波長板の役目をすることができるように、
液晶層の位相遅延を(2n+1)λ/4に調節したとし
ても、この位相遅延は、光波長λの関数で、特定の光波
長のみでダークを実現でき、他の波長帯域では、完璧な
ダークを実現出来ない。これにより、すべての光波長帯
域で完璧なコントラストを示すことができない。
の初期配列方向を指定するために、上下基板の配向膜が
所定のラビング軸を有するようにラビングする工程を必
要とする。この際、ラビング工程は、よく知らされてい
るように、不良が発生する確率が高くて、配向膜の表面
に損傷を与えやすい。このような配向不良により、ダー
ク状態時、すなわちカウンタ電極と画素電極の間に電圧
差が発生する前、液晶分子が誤整列され、光漏洩が発生
する。これにより、FFS−LCDの画質特性が劣化す
る。
トラストを改善できる反射型FFS−LCDを提供する
ことである。
に、本発明の反射型FFS−LCDは、所定の距離をお
いて配置され、単位画素が限定された上下部基板と、上
下部基板の間に介在する多数個の液晶分子を含む液晶層
と、下部基板の単位画素に各々形成されるカウンタ電極
と、カウンタ電極と共にフリンジフィールドを発生させ
て、単位画素内の大部分の液晶分子を動作させる画素電
極と、下部基板と液晶層の間に介在し、所定のラビング
軸を有する水平配向膜と、上部基板と液晶層の間に介在
する垂直配向膜と、上部基板の外側面に配置され、所定
の偏光軸を有する偏光子と、下部基板に配置され、上部
基板の上方から入射される光を反射させる反射手段とを
含むことを特徴とする。
ラビング軸と一致するか、45゜の角度をなす。偏光軸
がラビング軸と一致する時、ラビング軸は、液晶分子の
誘電率異方性が陽である場合、フリンジフィールドの基
板投影面と45ないし90゜の角度をなし、液晶分子の
誘電率異方性が陰である場合、フリンジフィールドの基
板投影面と0ないし45゜の角度をなす。また、フリン
ジフィールド印加時、液晶層の有効位相遅延(dΔn、
d:上下基板の距離、Δn:液晶分子の屈折率異方性)
は、λ(2n+1)/4(ここで、nは整数)であるこ
とが好ましい。
゜の角度をなす時、ラビング軸は、液晶分子の誘電率異
方性が陽である場合、フリンジフィールドの基板投影面
と45ないし90゜の角度をなし、液晶分子の誘電率異
方性が陰である場合、フリンジフィールドの基板投影面
と0ないし45゜の角度をなす。また、フリンジフィー
ルド印加前、液晶層の有効位相遅延(dΔn、d:上下
基板の距離、Δn:液晶分子の屈折率異方性)は、λ
(2n+1)/4(ここで、nは整数)であることが好
ましい。
は、約0.04ないし0.2程度の範囲であり、上下部
基板間の距離は、2ないし10μmであることが好まし
い。また、液晶層は、フィールド印加時、液晶分子が容
易にツイストされるようにドーパントを含むことが好ま
しい。
は、同一であることが好ましく、カウンタ電極は、アル
ミニウム、金、銀から選ばれる一種の物質で形成される
ことができる。
明の好ましい実施例を詳細に説明する。図3及び図4
は、本発明の実施例1に係るFFS−LCDの斜視図で
あり、図5及び図6は、本発明の実施例2に係るFFS
−LCDの斜視図である。特に、図3及び図5は、電圧
を印加する前の作動状態を、図4及び図6は、電圧を印
加した後の作動状態を各々示す。
(hybrid alignmentnematic)
FFS−LCD:図3及び図4を参照すると、下部基
板30と上部基板50は、所定の距離をおいて対向す
る。多数個の液晶分子40aを有する液晶層40は、下
部基板30と上部基板50の間に介在する。ここで、液
晶分子40aは、誘電率異方性が陰または陽であり、電
圧印加時、容易にツイストされるようにドーパントが添
加され、好ましくはd/p(d:上下基板の距離、p:
ピッチ)が0.5以下に添加される。
32がプレート形態または櫛歯形態で配置されることが
でき、本実施例では、プレート形態で形成される。ま
た、カウンタ電極32は、反射型液晶表示装置の反射板
の役目をすることができるように、反射効率に優れるア
ルミニウム(Al)、金(Au)または(Ag)のよう
な物質で形成される。このようなカウンタ電極32の表
面には、ゲート絶縁膜34が形成され、ゲート絶縁膜3
4の上部には、カウンタ電極32とフリンジフィールド
を形成できるように、櫛歯形態で画素電極36が形成さ
れる。画素電極36は、カウンタ電極32と同じ物質で
形成されるか、又は透明導電体で形成されることができ
る。この際、フリンジフィールドは、画素電極36の櫛
歯部分と、櫛歯部分により露出したカウンタ電極32の
間に形成される。
には、水平配向膜38が形成される。水平配向膜38
は、ラビング処理により、所定方向へのラビング軸を有
する。ここで、ラビング軸は、液晶分子40aの誘電率
異方性によって、その方向が決定される。すなわち、最
大の透過率を満足できるように、液晶分子40aの誘電
率異方性が陰である場合、ラビング軸は、フリンジフィ
ールドの基板投影面と約0ないし45゜をなすように
し、誘電率異方性が陽である場合、ラビング軸は、フリ
ンジフィールドの基板投影面と約45ないし90゜をな
すようにする。
配向膜52が配置され、この垂直配向膜52は、公知の
ように別のラビング処理をしない。ここで、上下部基板
のいずれか一方には、垂直配向膜が配置され、他方には
水平配向膜が配置される構成をHAN(Hybrid−
Aligned Nematic)モードという。
Pを有する偏光子55が配置される。この際、偏光軸P
の方向によって、反射型液晶表示装置の駆動モードが決
定される。本実施例で、偏光軸Pは、ラビング軸と一致
するように配置される。また、本実施例では、ノーマル
ホワイトモードで電圧印加時、液晶層40の有効位相遅
延(dΔn、d:上下基板の距離、Δn:液晶分子の屈
折率異方性)がλ(2n+1)/4(ここで、nは整
数)になるように調節して、液晶層40が4分1波長板
の役目をする。ここで、一般に反射型モードは、液晶分
子40aの円滑な動作のために、透過型より小さな位相
遅延が要求される。しかしながら、FFS−LCDのセ
ルギャップまたは屈折率異方性を減らすことは、フィー
ルド形成及び透過率に影響を及ぼすから、このようなセ
ルギャップと屈折率異方性を任意に調節することは困難
である。
の側に垂直配向膜52が形成されることによって、上部
基板50側の液晶分子40aは、基板と長軸とが垂直な
形態で配列され、相対的に有効位相遅延が減少すること
になる。したがって、別の調節をしなくても、反射型で
動作できる程度に有効位相遅延が減少する。好ましく
は、液晶分子40aの屈折率異方性Δnは、約0.04
ないし0.2程度の範囲に設定され、上下基板30、5
0間の距離は、2ないし10μmの範囲内に設定され
る。
は、次のように動作する。まず、図3を参照すると、カ
ウンタ電極32と画素電極36の間に電圧差が発生しな
いと、液晶分子40aは、下部基板30側では、長軸が
基板表面と平行に配列されるが、上部基板50側へ行く
ほど長軸が基板表面と垂直をなすようなハイブリッド形
態で配列される。この際、下部基板30側の液晶分子4
0aの長軸は、偏光軸Pと一致するラビング軸と平行に
配列される。これにより、自然光100は、偏光子55
を通過しながら、偏光軸Pと一致する方向に進行する入
射光100aになる。その後、入射光100aは、液晶
分子40aがハイブリッド形態で配列された液晶層40
を通過しながら、その進行方向が変わらない。液晶層4
0を通過した入射光100bは、カウンタ電極32によ
り反射光100cになる。
過しながら下部基板30側の液晶分子40aの長軸と直
交するから、進行方向が変化することなく、液晶層40
を通過する。液晶層40を通過した反射光100dは、
偏光軸Pと一致するから、偏光子55を通過する。した
がって、画面はホワイトとなる。
2と画素電極36の間にフリンジフィールドEが形成さ
れると、液晶分子40aは、フリンジフィールドE形態
でツイストされる。この際、フリンジフィールドEの下
部基板30の投影線は、偏光軸Pと所定角度をなす。こ
れにより、液晶分子40aは、フリンジフィールドと長
軸または光軸とが平行するように配列され、液晶層40
は、(2n+1)λ/4(ここで、nは整数)だけ位相
遅延が発生する。
とによって、偏光軸Pと一致する入射光200aにな
る。偏光子55を通過した入射光200aは、(2n+
1)λ/4(ここで、nは整数)の位相遅延を有する液
晶層40を通過しながら、その進行方向が変わって、右
側円偏光された入射光200bになる。右側円偏光され
た入射光200bは、カウンタ電極32によって反射さ
れ、右側円偏光された反射光200cになる。
相遅延によって偏光軸Pと直交する反射光200dにな
る。これにより、液晶層40を通過した反射光200d
の進行方向は、偏光軸Pと直交するから、偏光子55を
通過しなく、画面は、ダークとなる。したがって、4分
1波長板を具備しなくても、ノーマルホワイト方式でデ
ィスプレイを実現できる。この際、単位画素内の大部分
の液晶分子40aは、全部ツイストされ、高透過率及び
高開口率を実現できる。
は、既に垂直配向されているので、より一層速い応答時
間で液晶分子40aが駆動される。また、上部基板50
側の垂直配向膜52は、別のラビング工程を必要としな
いので、上部基板50側の配向不良が除去される。ま
た、下部基板30の結果物は、従来のFFS−LCDの
構造と同一なので、別の変更なしに、従来のFFS−L
CDで処理された下部基板をそのまま使用することがで
きる。
FFS−LCD:図5及び図6は、本発明の実施例2に
係る反射型HAN FFS−LCDの断面図である。本
実施例では、下部基板30の構造物及び上部基板50構
造物の構成は、上述した実施例1と同様で、液晶層40
及び偏光子55の配置だけが異なる。本実施例の反射型
HAN FFS−LCDは、図5に示すように、ノーマ
ルブラック方式で動作するように、偏光子55の偏光軸
Pがラビング軸Rと所定角度、好ましくは45゜をな
す。さらに、液晶層40の電圧印加前の有効位相遅延
(dΔn、d:上下基板の距離、Δn:液晶分子の屈折
率異方性)がλ(2n+1)/4(ここで、nは整数)
になるように調節して、液晶層40が4分1波長板の役
目をするようにする。
FFS−LCDの動作を説明する。まず、フリンジフィ
ールドが形成される前、液晶分子40aは、長軸がラビ
ング軸と一致し、かつ基板にほぼ平行に配列される。こ
のため、自然光300は、図5に示したように、偏光子
55によって偏光軸Pと一致する方向に進行する入射光
300aになる。入射光300aは、液晶層40を通過
しながらλ(2n+1)/4だけ位相遅延が発生し、右
側円偏光された入射光300bになる。液晶層40を通
過した入射光300bは、カウンタ電極32によって反
射されて反射光300cになる。
0aの長軸と45゜をなすので、液晶層40を通過しな
がら、反射光は、偏光軸Pと垂直をなす反射光300d
になる。液晶層40を通過した反射光300cは、その
進行方向が偏光軸Pと垂直であるから偏光軸Pを通過で
きない。したがって、画面は、ダークとなる。
と、液晶分子40aは、フリンジフィールドEと長軸ま
たは短縮が平行するように配列される。自然光400
は、図6に示したように、偏光子55を通過しながら偏
光軸Pと一致する入射光400aになる。偏光子55を
通過した入射光400aは、液晶分子40aが位相遅延
無しに45゜ツイストされるので、液晶層40を通過し
ながら偏光軸Pと直交する方向に進行する入射光400
bになる。液晶層40を通過した入射光400bは、カ
ウンタ電極32によって反射されて反射光400cにな
る。
形態で配列された液晶層40を通過しながら、さらに偏
光軸と一致する反射光400dになる。液晶層40を通
過した反射光400dの進行方向は、偏光軸Pと一致す
るので、偏光子55を通過する。したがって、画面は、
ホワイトとなる。すなわち、4分1波長板を具備しなく
ても、ノーマルブラック方式でディスプレイを実現でき
る。
されるものではない。例えば、本発明では、カウンタ電
極が反射板に利用されたが、カウンタ電極及び画素電極
は、透明導電体で形成され、反射板が取り付けられて
も、本実施例と同様な動作をする。
ると、反射型FFS−LCDにおいて、下部基板側に水
平配向膜が配置され、上部基板側に垂直配向膜が配置さ
れる。
がハイブリッド形態で配列されることによって、液晶分
子の配列自体で液晶分子の屈折率異方性が自然に補償さ
れるので、多様な光波長帯域でも完璧なダークを実現で
きる。
を調節しなくても、反射型で動作できる程度に有効位相
遅延を減少させることができる。
い垂直配向膜を配置することによって、配向不良が減少
する。したがって、ダーク時、液晶分子の誤整列を防止
でき、画質欠陥が改善される。したがって、コントラス
ト比が大きく改善される。
配向膜により垂直配向されているので、応答時間が一層
減少する。
ることができる程度の位相遅延を有するので、4分1波
長板のような別の光学的手段を備える必要がなく、反射
率が大きく改善される。
内でいろいろと変更して実施することができる。
加前の状態を示す断面図である。
加後の状態を示す断面図である。
印加前後の状態を各々示す斜視図である。
印加前後の状態を各々示す斜視図である。
印加前後の状態を各々示す斜視図である。
印加前後の状態を各々示す斜視図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 所定の距離をおいて配置され、単位画素
が限定された上下部基板と、 前記上下部基板の間に介在する多数個の液晶分子を含む
液晶層と、 前記下部基板の前記単位画素に各々形成されるカウンタ
電極と、 前記カウンタ電極と共にフリンジフィールドを発生させ
て、前記単位画素内の大部分の前記液晶分子を動作させ
る画素電極と、 前記下部基板と前記液晶層の間に介在し、所定のラビン
グ軸を有する水平配向膜と、 前記上部基板と前記液晶層の間に介在する垂直配向膜
と、 前記上部基板の外側面に配置され、所定の偏光軸を有す
る偏光子と、 前記下部基板に配置され、前記上部基板の上方から入射
される光を反射させる反射手段とを含むことを特徴とす
る反射型フリンジフィールド駆動モード液晶表示装置。 - 【請求項2】 前記偏光子の偏光軸は、前記水平配向膜
のラビング軸と一致することを特徴とする請求項1に記
載の反射型フリンジフィールド駆動モード液晶表示装
置。 - 【請求項3】 前記ラビング軸は、前記液晶分子の誘電
率異方性が陽である場合、前記フリンジフィールドの基
板投影面と45ないし90゜の角度をなし、前記液晶分
子の誘電率異方性が陰である場合、前記フリンジフィー
ルドの基板投影面と0ないし45゜の角度をなすことを
特徴とする請求項2に記載の反射型フリンジフィールド
駆動モード液晶表示装置。 - 【請求項4】 前記フリンジフィールド印加時、前記液
晶層の有効位相遅延(dΔn、d:上下基板の距離、Δ
n:液晶分子の屈折率異方性)は、λ(2n+1)/4
(ここで、nは整数)であることを特徴とする請求項3
に記載の反射型フリンジフィールド駆動モード液晶表示
装置。 - 【請求項5】 前記偏光子の偏光軸は、前記水平配向膜
のラビング軸と45゜の角度をなすことを特徴とする請
求項1に記載の反射型フリンジフィールド駆動モード液
晶表示装置。 - 【請求項6】 前記ラビング軸は、前記液晶分子の誘電
率異方性が陽である場合、前記フリンジフィールドの基
板投影面と45ないし90゜の角度をなし、前記液晶分
子の誘電率異方性が陰である場合、前記フリンジフィー
ルドの基板投影面と0ないし45゜の角度をなすことを
特徴とする請求項5に記載の反射型フリンジフィールド
駆動モード液晶表示装置。 - 【請求項7】 前記フリンジフィールド印加前、前記液
晶層の有効位相遅延(dΔn、d:上下基板の距離、Δ
n:液晶分子の屈折率異方性)は、λ(2n+1)/4
(ここで、nは整数)であることを特徴とする請求項6
に記載の反射型フリンジフィールド駆動モード液晶表示
装置。 - 【請求項8】 前記液晶分子の屈折率異方性(Δn)
は、約0.04ないし0.2程度の範囲であることを特
徴とする請求項1、2、5のいずれかに記載の反射型フ
リンジフィールド駆動モード液晶表示装置。 - 【請求項9】 前記上下部基板間の距離は、2ないし1
0μmであることを特徴とする請求項8に記載の反射型
フリンジフィールド駆動モード液晶表示装置。 - 【請求項10】 前記液晶層は、フィールド印加時、液
晶分子が容易にツイストされるようにドーパントを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の反射型フリンジフィ
ールド駆動モード液晶表示装置。 - 【請求項11】 前記反射手段と前記カウンタ電極は、
同一であることを特徴とする請求項1に記載の反射型フ
リンジフィールド駆動モード液晶表示装置。 - 【請求項12】 前記カウンタ電極は、アルミニウム、
金、銀から選ばれる一種の物質で形成されることを特徴
とする請求項1に記載の反射型フリンジフィールド駆動
モード液晶表示装置。
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