JP2009294564A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、明るい反射表示が可能な液晶表示素子を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明による液晶表示素子は、ガラス基板１３とガラス基板１との間に液晶層２を挟持するように配置された、少なくとも反射表示部を有する液晶表示素子であって、反射表示部は、ガラス基板１３の液晶層２側の主面上に形成された対向電極７と、対向電極７を覆うようにガラス基板１３の主面上に形成された絶縁膜５と、絶縁膜５上に離散状に形成された画素電極３とを備え、画素電極３は、一部または全部が金属膜からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は液晶表示素子に関し、特に、半透過型液晶表示素子に関する。

近年、液晶表示素子は幅広い技術分野に適用されており、特に、携帯電話等の携帯機器への適用については目覚しいものがある。

携帯電話等の携帯機器は、屋外等の非常に明るい環境下で用いる機会が多い。従来の携帯機器に用いられていた液晶表示素子では、液晶パネルの背面に設置されたバックライトからの出射光を透過または遮断することによって表示を行っていたため、非常に明るい環境下ではバックライトからの出射光が相対的に弱くなって視認することができなくなるという問題が生じていた。

上記の問題の対策として、半透過型液晶表示素子の使用が提案されている。半透過型液晶表示素子は、室内等の通常の明るさの環境下ではバックライトからの出射光を利用した透過表示によって表示を認識し、屋外等の非常に明るい環境下では外光を利用した反射表示によって表示を認識することが可能であるため、屋内外で使用する携帯機器用の表示素子として有効である。

従来の携帯電話等の携帯機器の透過表示は、テレビやコンピュータ等のモニタほどの非常に高い表示品位が求められることはなく、コントラストが低くて視野角特性が狭い場合であっても大きな問題となることはなかった。しかし、近年のワンセグ放送等の携帯機器への普及に伴って、通常のテレビ等と同様の高コントラスト、広視野角特性が求められるようになってきている。一方、反射表示に対しては、少ない外光であっても良好な視認が可能となるように高い反射率を得ることが求められている。

このような要求に対して、液晶分子を水平方向に回転させて光の透過量を制御して広視野角、高コントラストの液晶表示が可能なＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードの半透過型液晶表示素子がある（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特開２００６−１３９２７６号公報 Ｈｉｒｏｔａｋａ Ｉｍａｙａｍａ、外５名、「Ｎｏｖｅｌ Ｐｉｘｅｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ Ｔｒａｎｓｆｌｅｃｔｉｖｅ ＩＰＳ−ＬＣＤ ｗｉｔｈ ａｎ Ｉｎ−Ｃｅｌｌ Ｒｅｔａｒｄｅｒ」、ＳＩＤ ０７ ＤＩＧＥＳＴ、２００７、ｐ．１６５１−１６５４

従来のＦＦＳモードの液晶表示素子での透過表示は、非常に優れた視野角特性、高コントラスト等を有しており、高い表示品位を得ることができる。一方、反射表示は、表示面内にくし型電極を有する構造であるため、反射表示部分の開口率が低くなって反射率の高い表示を得ることができないという問題があった。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、明るい反射表示が可能な液晶表示素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明による液晶表示素子は、第１の基板と第２の基板との間に液晶材料を挟持するように配置された、少なくとも反射表示部を有する液晶表示素子であって、反射表示部は、第１の基板の液晶材料側の主面上に形成された対向電極と、対向電極を覆うように第１の基板の主面上に形成された絶縁膜と、絶縁膜上に離散状に形成された画素電極とを備え、画素電極は、一部または全部が金属膜からなることを特徴とする。

本発明によると、第１の基板と第２の基板との間に液晶材料を挟持するように配置された、少なくとも反射表示部を有する液晶表示素子であって、反射表示部は、第１の基板の液晶材料側の主面上に形成された対向電極と、対向電極を覆うように第１の基板の主面上に形成された絶縁膜と、絶縁膜上に離散状に形成された画素電極とを備え、画素電極は、一部または全部が金属膜からなるため、明るい反射表示が可能となる。

本発明の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。

まず初めに、本発明の前提となる技術について説明する。

図２は、従来による半透過型液晶表示素子の断面構造図である。図２に示す半透過型液晶表示素子は、左半分を透過表示部分、右半分を反射表示部分としたＦＦＳモードの半透過型液晶表示素子である。図２に示すように、対向基板１４は、ガラス基板１とガラス基板１の反射表部分側に形成されたリタデーションフィルム９とからなり、電極基板１５は、ガラス基板１３の液晶層２側の主面上に形成された対向電極７および対向電極８と、対向電極７および対向電極８を覆うようにガラス基板１３の主面上に形成された絶縁膜１１と、絶縁膜１１上に離散状に形成された画素電極１０とからなり、対向基板１４と電極基板１５との間には液晶層２が挟持されるように形成されている。透過表示部分の構造は従来の透過型のＦＦＳモード液晶表示素子と同じであり、絶縁膜１１を介して画素電極１０と対向電極８が設けられている。ガラス基板１およびガラス基板１３の液晶層２とは反対側に、各々の透過軸が直交するように上偏光板と下偏光板とを貼付した場合において、電圧が無印加の時は黒表示となり、画素電極１０と対向電極８との間に電圧を印加すると、液晶層２の液晶分子の配向方向が変化して光の透過が可能となるため白表示となる。

一方、反射表示部分の構造は、ガラス基板１の液晶層２側に形成されたリタデーションフィルム９が形成されており、リタデーションフィルム９と液晶層２の複屈折とを合わせて、例えば３／４λとなるようにする。ここでは、リタデーションフィルム９を１／２λ、液晶層２を１／４λとなるようにする。このような構造において、電圧が無印加の時は、入射した光が対向電極７で反射すると往復で３／２λとなり、上偏光板を透過した直線偏光の入射光は、９０°回転した直線偏光となって上偏光板に戻ってくるため、光は上偏光板を透過することができず黒表示となる。また、電圧を印加して液晶層２のリタデーションを略０とすることによって、上偏光板から入射した光は反射して往復するとλとなり、入射した直線偏光はそのままの状態で上偏光板に戻ってくるため上偏光板を透過して白表示となる。

上記のことから、一般的なＦＦＳモードの半透過型液晶表示素子は、電圧が無印加の時は黒表示となり、電圧が印加されると透過率および反射率が高くなって白表示となる。このような半透過型液晶表示素子を携帯電話等の携帯機器に適用するためには、室内等の通常の環境下では高い透過率によって明るい表示を得ることが求められ、昼間の屋外等の非常に明るい環境下では十分な反射率を得ることが求められる。透過表示によって明るい表示を得るためには、透過表示部分の開口率を高くするか、光源であるバックライトの輝度を高くすることが有効である。一方、反射表示によって明るい表示を得るためには、外光を反射させる面積を広くすればよいが、その分だけ透過表示部分の面積が狭くなってしまうので、透過表示と反射表示の視認性を両立することが困難となる。

ＦＦＳモードを用いた半透過型液晶表示素子における画素電極１０の直上は、液晶分子がほとんど動作しないため透過表示部分および反射表示部分のいずれも常に黒表示となり、表示を明るくすることに寄与しない。従って、広視野角特性、高コントラストの透過表示特性を得ることができるが、特に反射表示での表示が暗くなってしまい、良好な表示を得ることができないという問題がある。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態による半透過型液晶表示素子の断面構造図である。図１に示すように、本実施形態による半透過型液晶表示素子は、ガラス基板１３（第１の基板）とガラス基板１（第２の基板）との間に液晶層２（液晶材料）を挟持するように配置された、少なくとも反射表示部分を有する液晶表示素子であって、反射表示部分は、ガラス基板１３の液晶層２側の主面上に形成された対向電極７と、対向電極７を覆うようにガラス基板１３の主面上に形成された絶縁膜５と、絶縁膜５上に離散状に形成された画素電極３とを備え、画素電極３は、一部または全部が金属膜からなることを特徴としており、絶縁膜５は、光学的異方性を有することを特徴としている。

また、透過表示部分は図２に示すような従来の半透過型液晶表示素子の透過部分と同様の構造である。すなわち、ガラス基板１３の液晶層２側の主面上に形成された対向電極８と、対向電極８を覆うようにガラス基板１３の主面上に形成された絶縁膜６と、絶縁膜６上に形成された画素電極６とを備えている。従って、透過表示部分については、従来の半透過型液晶表示素子の透過部分と同様に、広視野角、高コントラストの表示特性を得ることができる。このように、本実施形態による半透過型液晶表示素子は、反射表示部分と透過表示部分とから構成される。

〈実施形態〉
次に、本実施形態による半透過型液晶表示素子の作製について説明する。

まず、ガラス基板１３上に対向電極７および対向電極８をそれぞれ形成する。対向電極７は金属膜からなる反射膜であり、本実施形態ではアルミニウム膜を用いている。また、対向電極８は透明電極からなり、本実施形態ではＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）電極を用いている。

対向電極７および対向電極８の形成後、各電極上にポリイミド膜を薄く成膜してラビング処理を行なう。その後、高分子液晶膜としてメルク社製の紫外線硬化型高分子液晶ＲＭＳ０３を所定の膜厚にて形成し、対向電極７上にのみ紫外線を照射して高分子液晶膜を硬化させることによって絶縁膜５を形成する。また、対向電極８上に形成した高分子液晶膜は、洗浄により除去する。高分子液晶膜を除去した対向電極８上には、アクリル材料からなる有機膜を形成して紫外線を照射することによって絶縁膜６を形成し、形成した絶縁膜６は隣接する絶縁膜５に対して段差が生じないようにする。

なお、絶縁膜５は、屈折率異方性が０．１５であり、厚みを約１μｍとすることによって約１５０ｎｍの複屈折を有する複屈折層とした。また、絶縁膜５は、透明で所定の複屈折性を有していればよく、例えばメルク社製のＲＭＳ０３等の液晶類似構造を分子骨格中に有する紫外硬化性樹脂等を用いることが可能である。また、複屈折値は、液晶層２の複屈折値との関係で可視光に対して約１／４λまたは約３／４λ程度としたときの良好な特性を得ることができるが、特にこの範囲に限定するものではなく、液晶層２の複屈折値との関係で様々な複屈折値とすることが可能である。

絶縁膜５および絶縁膜６の形成後、各絶縁膜上に離散状に画素電極３および画素電極４を形成する。本実施形態による画素電極３は、一部または全部が金属膜からなるため入射した外光を反射することができるため、画素電極３の直上は常に白表示となる。また、画素電極３を透明電極とし、対向電極７を金属膜等で形成した場合は、絶縁膜５の複屈折値を１／２λ（往復でλ）としても、画素電極３の直上を常に白表示とすることができる。ここで、本実施形態による画素電極３および画素電極４の幅は５μｍ、配置間隔は８μｍとする。

なお、画素電極３および画素電極４の幅および配置間隔は特に限定されるものではなく、印加電圧や液晶層２の誘電率異方性等に応じて変更することができる。一般的な電極幅は３〜１０μｍ程度が適当であるが、この範囲以外の電極幅であっても本実施形態に影響を与えるものではない。また、一般的な電極の配置間隔は５〜１５μｍが適当であるが、この範囲以外の配置間隔であっても駆動電圧等に影響はあるものの同様の作用効果を得ることができる。

上記の工程を経て作製された電極基板１２とガラス基板１とを用いて、公知の方法によって液晶パネルを作製する。まず、電極基板１２およびガラス基板１の各基板面に対して、配向膜となるポリイミド膜を形成した後に、表面をラビング処理する。ラビング方向は、画素電極３および画素電極４の長手方向から１０°ずらした方向となるようにし、画素電極３および画素電極４と対向電極７および対向電極８との間に電圧を印加したときに、電界方向に液晶分子が応答しやすいようにした。次に、電極基板１２またはガラス基板１のどちらか一方の基板上に２．７μｍ径のビーズ状のスペーサを散布した後に、電極基板１２とガラス基板１とをエポキシ系の接着剤によって貼り合わせ、誘電率異方性が約７で屈折率異方性が約０．１の液晶材料を注入して液晶層２を形成することで液晶パネルが得られる。そして、ガラス基板１および電極基板１２の液晶層２とは反対側にそれぞれ上偏光板と下偏光板を貼付する。本実施形態では、上偏光板の透過軸方向は液晶配向方向とし、下偏光板の透過軸方向は上偏光板の透過軸方向と直交する方向とする。

なお、液晶層２の特性は特に限定するものではなく、誘電率異方性が正または負のいずれの場合でも用いることができる。また、液晶層２の複屈折性に影響する液晶層２の厚みは液晶層２の屈折率異方性との関係で求められることができるが、良好な透過表示を得るためには可視光に対して約１／２λの複屈折値となるようにするが、電圧の印加によって透過表示に必要な複屈折変化を容易に得るために１／２λよりもやや大きくする方が好ましい。

作製した半透過型液晶表示素子について、透過率および反射率の電圧依存性を調べた。図３は、本発明の実施形態による透過率の電圧依存性を示すグラフである。また、図４は、本発明の実施形態による反射率の電圧依存性を示すグラフである。

図３に示すように、本実施形態によるＦＦＳモードを用いた半透過型液晶表示素子において、透過表示部分の透過表示は、通常のテレビ等に用いられているＦＦＳモードの透過型液晶表示素子と同等の非常に広い視野角特性等を示し、良好な表示品位を得ることができた。一方、反射表示部分の反射表示は、透過表示と反射表示の一画素内での分割割合を均等とした場合に、反射表示部分の反射率が４％と高く、明るい屋外等にて反射表示を中心に視認する環境下で良好な表示品位を得ることができた。

以上のことから、本実施形態によるＦＦＳモードの半透過型液晶表示素子において、反射表示部分ではその直上の液晶がほとんど動作しない画素電極３の一部または全部を金属膜により形成したため、画素電極３での反射によって画素電極３の直上を常に白表示にすることができ、反射表示を明るくして視認性の高いものとすることが可能となる。また、反射表示部分の明るさを従来の明るさと同程度にするとした場合には、透過表示部分の面積を大きくすることができるため、明るい透過表示となって優れた表示品位の半透過型液晶表示素子を得ることが可能となる。

また、画素電極３と対向電極７との間に形成された絶縁膜５を複屈折性（光学的異方性）を有する層としたため、図２に示すような従来の反射表示部分の構造と比較して、製造工程を簡略化することができて製造コストの削減が可能となる。さらに、絶縁膜５は液晶性高分子からなっており、液晶性を有しないアクリル樹脂の誘電率が４程度であるのに対して、本実施形態にて用いた液晶性高分子の誘電率は５以上である。従って、画素電極３と対向電極７との間にて印加された電圧による電界が効率よく液晶層２の液晶分子に加えられるため駆動電圧を下げることが可能となる。

〈実施例〉
従来によるＦＦＳモードの半透過型液晶表示素子と、本実施形態によるＦＦＳモードの半透過型液晶表示素子との比較例について説明する。

従来によるＦＦＳモードの半透過型液晶表示素子として、図２に示すような構造を用いた。画素電極１０、対向電極７および対向電極８の構成や、透過表示部分と反射表示部分との面積の比率は本実施形態による半透過型液晶表示素子と同様である。また、絶縁膜１１は、複屈折性を有しない紫外線硬化性のアクリル樹脂によって形成している。

反射表示部分におけるガラス基板１の液晶層２側の主面上には、本実施形態１にて用いた絶縁膜５を形成する光硬化性の液晶高分子と同一の複屈折層からなるリタデーションフィルム９が形成されている。リタデーションフィルム９は、厚みが約１．８μｍであり、約２７０ｎｍの複屈折性を示している。

上記のような構成の電極基板１５と対向基板１４とを１．５μｍのスペーサを散布した後に貼り合わせ、その間に本実施形態と同様の液晶材料を注入して液晶層２を形成して液晶パネルを得る。また、電極基板１５および対向基板１４の液晶層２側とは反対側に、透過軸方向が直交するように各々偏光板を貼付することによって液晶表示素子が得られる。ここで、透過表示部分のパネルギャップは約３μｍであって約３００ｎｍの複屈折性を示し、反射表示部分のパネルギャップは約１．５μｍであって約１５０ｎｍの複屈折性を示す。

図５は、従来による透過率の電圧依存性を示すグラフであり、図６は、従来による反射率の電圧依存性を示すグラフである。図５に示す従来による透過率特性と、図３に示す本実施形態による透過率特性とを比較すると、略同じ透過率特性であり、非常に良好な表示特性であることが分かる。図６に示す従来による反射率特性と、図４に示す本実施形態による反射率特性とを比較すると、本実施形態による反射率特性の方が良いことが分かる。

以上のことから、本実施形態によるＦＦＳモードの半透過型液晶表示素子と従来によるＦＦＳモードの半透過型液晶表示素子とを比較すると、透過表示部分での表示の明るさは略同じであるが、反射表示部分での表示の明るさは本実施形態による半透過型液晶表示素子の方が明るくなることが分かった。

また、従来による半透過型液晶表示素子は、絶縁膜１１とは別に複屈折性を有するリタデーションフィルム９をガラス基板１に設ける必要があるため、作製工程が複雑となってコストが高くなるという問題があった。しかし、本実施形態による半透過型液晶表示素子は、絶縁膜５を複屈折率を有する膜としているため、従来のリタデーションフィルム９のようなものを設ける必要がなく、作製工程が簡略化されてコストの削減が図れるという利点がある。

さらに、従来による半透過型液晶表示素子の反射表示部分では、液晶層２中で位相が変化するため、液晶層２の厚みが設定値からずれると黒表示時の光漏れや白表示時の着色等が生じていた。一方、本実施形態による半透過型液晶表示素子の反射表示部分では、入射光は直線偏光として液晶配向方向に入射されるため、液晶層２の厚みに影響されることはない。従って、従来とは違って着色等が生じない表示が可能となる。

本発明の実施形態による半透過型液晶表示素子の断面構造図である。 従来による半透過型液晶表示素子の断面構造図である。 本発明の実施形態による透過率の電圧依存性を示すグラフである。 本発明の実施形態による反射率の電圧依存性を示すグラフである。 従来による透過率の電圧依存性を示すグラフである。 従来による反射率の電圧依存性を示すグラフである。

符号の説明

１ ガラス基板、２ 液晶層、３ 画素電極、４ 画素電極、５ 絶縁膜、６ 絶縁膜、７ 対向電極、８ 対向電極、９ リタデーションフィルム、１０ 画素電極、１１ 絶縁膜、１２ 電極基板、１３ ガラス基板、１４ 対向基板、１５ 電極基板。

Claims (5)

1. 第１の基板と第２の基板との間に液晶材料を挟持するように配置された、少なくとも反射表示部を有する液晶表示素子であって、
   前記反射表示部は、
   前記第１の基板の前記液晶材料側の主面上に形成された対向電極と、
   前記対向電極を覆うように前記第１の基板の前記主面上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜上に離散状に形成された画素電極と、
   を備え、
   前記画素電極は、一部または全部が金属膜からなることを特徴とする、液晶表示素子。
2. 第１の基板と第２の基板との間に液晶材料を挟持するように配置された、少なくとも反射表示部を有する液晶表示素子であって、
   前記反射表示部は、
   前記第１の基板の前記液晶材料側の主面上に形成された対向電極と、
   前記対向電極を覆うように前記第１の基板の前記主面上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜上に離散状に形成された画素電極と、
   を備え、
   前記絶縁膜は、光学的異方性を有することを特徴とする、液晶表示素子。
3. 前記絶縁膜は、液晶性高分子からなることを特徴とする、請求項２に記載の液晶表示素子。
4. 前記画素電極は、一部または全部が金属膜からなることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の液晶表示素子。
5. 前記液晶表示素子は、反射表示部と透過表示部とからなることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の液晶表示素子。

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