JP4331304B2

JP4331304B2 - 透過型液晶表示装置

Info

Publication number: JP4331304B2
Application number: JP06001299A
Authority: JP
Inventors: 洋之神谷; 之人齊藤
Original assignee: AU Optronics Corp
Current assignee: AUO Corp
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2019-03-08
Also published as: US6292240B1; JP2000258763A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は透過型液晶表示装置に関し、さらに詳しくは、ワードプロセッサやパーソナルコンピュータなどの情報処理端末機器用ディスプレイ、又はカラーテレビ用ディスプレイとして好適に使用することのできる透過型液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の省スペース化並びに個人ユースの増大から、ラップトップコンピュータやノートタイプパソコン、あるいは小型のカラーテレビの需要が急速に高まっている。これらに使用されるディスプレイには、薄型、軽量、及び低電圧駆動などの特性が要求される。したがって、現在では液晶ディスプレイ（以下、略してＬＣＤという場合がある）が最も広く用いられている。
ＬＣＤは従来ＳＴＮによる駆動方式が採用されてきたが、現在では、高画質、高密度、並びに大容量のＬＣＤが得られるという理由からＴＦＴ素子などを用いたアクティブマトリックス方式が採用されている。ＴＦＴ素子を用いたＬＣＤとしては、ＴＮやＩＰＳなどの偏光板を用いて表示するモードが主流である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの偏光板を使用するモードでは、一般に高コントラストを容易に実現できる一方、偏光板を用いているために透過率が低くなるという問題がある。
かかる問題を解決する手段として、液晶中に色素を入れるゲストホスト（ＧＨ）やＰＤＬＣなどの吸収モードを用いて偏光板を省略し、透過率を向上させることが考えられる。しかしながら、吸収モードに使用する色素の二色比などが低いために、今度は逆に、コントラストの高いＬＣＤを得ることができなくなってしまう。
【０００４】
また、透過率は、バックライトからの光が通過する画素の面積、いわゆる開口率の制約を受け、これにほぼ比例して決定されてしまう。したがって、ＴＦＴ素子を大きくしたり、ゲート及びシグナル配線などを幅広に設計したりすると、前記開口率が減少するために透過率が減少するという問題もあった。
【０００５】
本発明は、高いコントラストを有するとともに、開口率に依存しない透過率を有する新たな透過型液晶表示装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶表示装置は、少なくとも互いに対をなす第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板及び前記第２の基板との間に挟持された液晶層とを具えていることが必要である。また、前記第１の基板には複数の第１の光透過部が形成され、前記第２の基板には複数の第２の光透過部が形成されている。そして、さらに、前記第１の基板及び前記第２の基板の互いに対抗する側の主面のそれぞれに第１の反射部材及び第２の反射部材を設け、前記複数の第１の光透過部から前記透過型液晶表示装置内に入射した前記外部光を、前記第１の反射部材と前記第２の反射部材との間で反射させて前記液晶層中を複数回通過させた後、前記第２の光透過部から透過させるようにしている。
【０００７】
図１は、本発明の透過型液晶表示装置の一例を示す概略図である。図１は、液晶層中に二色性色素を添加した、いわゆるＧＨモードの吸収モード液晶ディスプレイについて示している。また、図１においては、本発明を簡易に説明すべく、その詳細については省略して記載している。
【０００８】
図１に示す透過型液晶表示装置２０は、第１の基板１と第２の基板２とを具えている。そして、第１の基板１と第２の基板２との間に液晶層３が挟持されている。液晶層３中には二色性色素３Ａが添加されている。また、第１の基板１には複数の第１の光透過部４が形成され、第２の基板２には複数の第２の光透過部５が形成されている。さらに、第１の基板１の、第２の基板２と対抗する主面１Ａ上にはＴＦＴ素子９が形成され、液晶層３を駆動できるようになっている。
同じく、第１の基板１の主面１Ａ上にはアルミニウムなどからなる第１の反射部材６が形成されている。一方、第２の基板２の、第１の基板１と対抗する主面１Ｂ上にはアルミニウムなどからなる第２の反射部材７が形成されている。さらに、第１の基板１の後方には、透過型液晶表示装置２０に対する外部光としてバックライト１０が設けられている。第１の基板１及び第２の基板２の主面上には、液晶層３と接するとともに第１の反射部材６及び第２の反射部材７を覆うようにして、液晶層３に電場を印加するための透明導電膜８が形成されている。
【０００９】
第２の反射部材７は第１の光透過部４と対抗して位置しており、第１の反射部材６は第２の光透過部５と対抗して位置している。なお、図には示していないが、第１の反射部材６及び第２の反射部材７は、これらに入射した光をそれぞれ第２の光透過部５及び第１の反射部材６に向けて反射させるために、第１の基板１及び第２の基板２に対して傾斜している。さらに、図中における矢印は、光の進行方向を示している。
図１に示す透過型液晶表示装置２０は、ＴＦＴ素子９がオンの状態になっており、透明導電膜８によって液晶層３中に電場が印加された状態になっている。これによって、液晶層３中の二色性色素３Ａは第１の基板１及び第２の基板２と垂直な方向に配向し、外部光を透過できるようになっている。
【００１０】
次に、本発明の透過型液晶表示装置の表示原理について説明する。
バックライト１０から発射された光は、外部光として第１の光透過部３から透過型液晶表示装置２０内に入射する。入射した外部光は第２の反射部材７に至り、そこで反射されることによって第１の反射部材６に至る。そして、ゲート電極６において前記外部光は第２の光透過部５に向けて再度反射され、透過型液晶表示装置２０の外部へ取り出される。すなわち、図１に示す透過型液晶表示装置２０では、装置内に取り入れられた外部光が液晶層３内を３回通過した後に外部に取り出される。
【００１１】
本発明の透過型液晶表示装置によれば、従来の吸収モードの透過型液晶表示装置に比べ高いコントラストを得ることができる。これは、装置内に入射した外部光を液晶層中において１回のみしか通過させない従来の透過型液晶表示装置に対して、本発明の透過型液晶表示装置は液晶層中を複数回通過させているので、実質的な光学長が増大したことに起因するものである。
同様の効果は、液晶層を厚く形成することによって得ることができるが、この場合においては、応答速度が減少しまう。したがって、本発明の透過型液晶表示装置は、応答速度を維持した状態において高コントラストを得ることができるところにその特徴が存在するものである。
【００１２】
また、本発明の透過型液晶表示装置は、反射部材を用いて装置内に入射した外部光を光透過部に向けて積極的に反射するようにしている。したがって、開口率が低い場合においても、この開口率に依存しない高い透過率を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１に示す透過型液晶表示装置では、非線形能動素子であるＴＦＴ素子９を用い、アクティブマトリックス方式で液晶層３を駆動させている。しかしながら、本発明の透過型液晶表示装置における液晶の駆動方法は特に限定されるものではない。ＳＴＮモードを用いた方式や、直接駆動方式、ビームアドレス方式などの以下なる方式をも採用することができる。但し、アクティブマトリックス方式によれば、高画質、高密度、大容量のＬＣＤを得ることができる。
さらに、非線形能動素子としてＴＦＴ素子を用いることにより、表示信号の入力端子とアドレス信号との入力端子を分離できるため、さらに高画質のＬＣＤを得ることができる。
【００１４】
第１の反射部材及び第２の反射部材についても、透過型液晶表示装置内に入射した外部光を複数回反射させて、液晶層中を複数回通過するようなものであれば特に限定されるものではない。しかしながら、アルミニウム、銀、及び誘電多層膜などの、反射率が高く液晶材料及び色素などに対して耐食性の高い材料から前記第１の反射部材などを構成することが好ましい。
また、ＴＦＴ素子９を構成するゲート電極と同じ材料、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、タングステン、モリブデン、及び多結晶シリコンから構成することにより、これらの反射部材をゲート電極と同時に作製することができ、透過型液晶表示装置の製造工程を簡易にすることができる。
【００１５】
図１に示す第１の反射部材６及び第２の反射部材７は、第１の基板１及び第２の基板２の主面１Ａ及び２Ａに対して傾斜している。そして、それぞれ第２の光透過部５及び第１の光透過部４に対して対抗する位置に形成されている。しかしながら、第２の基板に対する傾斜度合いを変化させることにより、第１の光透過部から入射した外部光を反射させて第１の反射部材に入射させることができれば、第２の反射部材の位置については特に限定されない。同じく、第１の反射部材についても、第１の基板１に対する傾斜度合いを変化させて、第２の反射部材からの反射光を再度反射させ、第２の光透過部から外部へ取り出すことができれば特に限定されない。
【００１６】
但し、第１の反射部材及び第２の反射部材を、それぞれ第２の光透過部及び第１の光透過部に対抗する位置に形成することにより、外部光を透過型液晶表示装置内で複数回反射させた後においても有効に外部に取り出すことができ、透過率の減少を防止することができる。さらには、前記反射部材の傾斜度合いを簡易に設定することができるため、装置設計を容易に行えることができ、さらには装置設計の自由度が高くなる。
具体的には以下のような構成によって第１の反射部材及び第２の反射部材を構成することが好ましい。
【００１７】
図２は、本発明の透過型液晶表示装置における反射部材構成の好ましい態様を示す斜視図である。また、図３は、図２に示す反射部材構成の断面図である。
図２及び３に示す反射部材構成においては、ガラスなどの透明な材料からなる第１の基板２１及び第２の基板２２のそれぞれに、円形状の第１の光透過部２４及びドーナツ形状の第２の光透過部２５が形成されている。そして、第１の基板２１の、第２の基板２２と対抗している側の主面２１Ａ上に、第１の光透過部２４の周囲を取り囲むようにして第１の反射部材２６が形成されている。さらに、第２の基板２２の、第１の基板２１と対抗している側の主面２２Ａ上には第２の反射部材２７が形成され、その周囲を第２の光透過部２５が取り囲んでいる。
第１の反射部材２６は、第１の光透過部２４を中心として外側から内側に傾斜して凹状に形成されている。第２の反射部材２７は、円錐状に形成されている。
なお、図には示していないが、第１の基板２１及び第２の基板２２の互いに対抗する主面上の全体に亘って、液晶層に対するＩＴＯ透明導電膜が形成されている。また、図中における矢印は光の進行方向を表している。
【００１８】
外部光は第１の光透過部２４から装置内に入射し、円錐状の第２の反射部材２７に至る。すると、前記外部光は第２の反射部材の側面２７Ａで反射されて第１の反射部材２６に至る。その後、前記外部光は凹状の第１の反射部材２６の上面２６Ａにおいて、第２の光透過部２５に向けて再度反射されて外部に取り出される。
なお、入射した外部光の損失を防止すべく、第２の反射部材２７の底面の直径２Ｒは、第１の光透過部２４の直径２ｒと等しく又は大きく形成する。そして、第１の光透過部２４の全体を第２の反射部材２７の全体で覆うように形成する。
【００１９】
また、第２の反射部材２７の側面２７Ａと第２の基板２２とのなす角γが、上記傾斜角度αと等しいことが好ましい。すなわち、第１の反射部材２７の側面２７Ａと第１の反射部材２６の上面２６Ａとが互いに平行になるようにする。これによって、第１の光透過部２４から垂直に入射してきた外部光を第２の光透過部２５より垂直に取り出すことができるようになる。
【００２０】
図２及び３に示すような反射部材構成を採用することによって、外部から入射した光を極めて効率よく反射させることができるとともに、反射した光を光透過部から極めて効率よく取り出すことができる。したがって、コントラスト及び透過率の極めて高い透過型液晶表示装置を得ることができる。
【００２１】
次に、図２及び３に示す反射部材を用いた場合のシュミレーション結果を示す。
第２の反射部材２７の側面２７Ａと第２の基板２２とのなす角をγとし、第２の反射部材２７の高さをｈとし、第１の基板２１と第２の基板２２との距離をＨとすると、第１の光透過部２４から入射した外部光が第２の反射部材２７で反射されて、第１の反射部材２６に入射する際の第１の基板２１に沿った横方向の移動距離Ｘは、
Ｘ＝（Ｈ−ｈ）ｔａｎ（２γ）（１）
で表される。
【００２２】
表１は、図２及び３に示すような第１の反射部材２６及び第２の反射部材２７を用いた場合の外部光の反射状態を、（１）式に基づいてシュミレートし、移動距離Ｘを計算してその結果を示したものである。
なお、表１は第１の基板２１と第２の基板２２との距離Ｈを５μｍに固定して計算し、第１の光透過部２４の中心から第１の反射部材２６の端部までの距離ｒは第２の反射部材２７の底面の半径Ｒと等しいものとして計算した。
表１の横軸は前記距離ｒ、すなわち前記半径Ｒを示し、縦軸は第２の反射部材２７の高さｈを示している。この半径Ｒと高さｈとは、
ｔａｎγ＝ｈ／Ｒ（＝ｒ）（２）
の関係がある。したがって、表１の横軸は、実質上第２の反射部材２７の側面２７Ａと第２の基板２２とのなす角γを取ったものである。
【００２３】
【表１】

【００２４】
第２の反射部材２７で反射された外部光が第１の反射部材２６に入射し、第１の反射部材２６によって再度反射されて第２の光透過部２５より外部へ出射されるためには、前記移動距離Ｘと第１の光透過部２４の中心から第１の反射部材２６の端部までの距離ｒ、すなわち第２の反射部材の底面の半径Ｒとが
Ｘ＞Ｒ（＝ｒ）（３）
の関係を満たす必要がある。したがって、表１においては、（３）式の関係を満たす（＊）の部分のみが実際に使用することのできる有効な範囲となる。
【００２５】
（＊）が付加された部分はＲ（＝ｒ）が５μｍ以上のところには存在していない。本シュミレーションでは、上述したように第１の基板２１と第２の基板２２との距離Ｈを５μｍにして計算している。したがって、表１に示す結果は、第１の光透過部２４の中心から第１の反射部材２６の端部までの距離ｒ、すなわち第２の反射部材の底面の半径Ｒが前記距離Ｈよりも小さくなければならないことを示している。
【００２６】
さらに、液晶の配向特性などを考慮した場合、上述したように第１の光透過部２４から入射した外部光を第２の光透過部２５から外部へ出射させるためには、第２の反射部材２７の高さｈが第１の基板２１と第２の基板２２との距離Ｈの４０％以下であることが好ましい。したがって、表１においては網掛部分が最も好ましい範囲となる。
【００２７】
なお、図２及び３では、第１の反射部材を凹状に形成し、第２の反射部材を円錐状に形成しているが、第１の反射部材を円錐状に、第２の反射部材を凹状に形成することもできる。この場合においても、円錐状の頂角の好ましい範囲及び基板の主面とのなす角の好ましい範囲は、上記同様である。
【００２８】
また、図１〜３において、第１の基板１などの裏面１Ｂが外部光の少なくとも一部を反射させる鏡面効果を有することが好ましい。これによって、バックライト１０と第１の基板１との間において外部光を多重反射させることができる。したがって、第１の光透過部４の第１の基板１に占める開口率が小さい場合においても、外部光の利用効率を高めることができる。
具体的には、ガラスなどの透明基板を光学研磨したり、前記第１の反射部材などと同じ材料を第１の基板の裏面に設けることにより、第１の基板の裏面に鏡面効果を付与することができる。
【００２９】
図１に示す透過型液晶表示装置では、液晶層中に二色性色素を添加したいわゆるＧＨモードの吸収モードを示している。しかしながら、本発明の透過型液晶表示装置は、このような吸収モードに限定されるものではない。液晶層中に二色性色素を入れる代わりに、第１の基板１の主面１Ａ、裏面１Ｂ、又は第２の基板の主面２Ａ、裏面２Ｂ上などにカラーフィルタを設けることも可能である。このような場合においても本発明の目的を十分に達成することができる。
また、本発明の透過型液晶表示装置は、偏光板を使用しないために透過率をさら向上させることができる。
【００３０】
さらに、図１に示す透過型液晶表示装置、並びに図２及び３に示す反射部材構成では、結果的に装置内の液晶層を３回通過させている。しかしながら、液晶中を通過する回数が複数であれば、その回数については限定されるものではない。
【００３１】
また、発明の透過型液晶表示装置の構成は、反射型の液晶表示装置に対しても使用することが可能である。しかしながら、反射型液晶表示装置においては、自然光しか使用することができない。したがって、透過する光の絶対量が不足し、本発明の効果を十分に得ることができない。
透過型の液晶表示装置の場合は、前記したように第１の基板の裏面を外部光に対して反射性とする、あるいはバックライト自身の強度を高くすることによって透過する光の絶対量を調整することができる。したがって、本発明の構成は、透過型液晶表示装置において好適に使用することができる。
【００３２】
以上、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記の内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変形や変更が可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、応答速度を減少させることなく高いコントラストの透過型液晶表示装置を得ることができる。また、反射部材を用いて外部光を積極的に反射させ、光透過部から外部へ取り出すようにしているので、開口率が低い場合においても透過率を減少させることがない。したがって、ＴＦＴを大きくしたり、ゲート及びシグナル配線などを幅広に設計したりなど、設計の自由度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の透過型液晶表示装置を示す概略図である。
【図２】本発明の透過型液晶表示装置における反射部材構成の好ましい態様を示す斜視図である。
【図３】図２に示す反射部材構成の断面図である。
【符号の説明】
１，２１第１の基板、２，２２第２の基板、３液晶層、３Ａ二色性色素、４，２４第１の光透過部、５，２５第２の光透過部、６第１の反射部材、７，２７第２の反射部材、８透明導電膜、９ＴＦＴ素子、１０バックライト、２０透過型液晶表示装置、２６第１の反射部材

Claims

少なくとも互いに対をなす第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板及び前記第２の基板との間に挟持された液晶層とを具え、前記第１の基板には複数の第１の光透過部が形成され、前記第２の基板には複数の第２の光透過部が形成され、前記複数の第１の光透過部から入射した外部光を前記液晶層中を通過させた後、前記複数の第２の光透過部から透過させるようにした透過型液晶表示装置であって、
前記第１の基板及び前記第２の基板の互いに対抗する側の主面のそれぞれに第１の反射部材及び第２の反射部材を設け、前記複数の第１の光透過部から前記透過型液晶表示装置内に入射した前記外部光を、前記第１の反射部材と前記第２の反射部材との間で反射させて前記液晶層中を複数回通過させた後、前記第２の光透過部から透過させるようにしたことを特徴とする、透過型液晶表示装置。
前記第１の基板の、前記第２の基板と対抗する側の主面と反対側の主面は、前記外部光の少なくとも一部を反射させるための鏡面効果を有することを特徴とする、請求項１に記載の透過型液晶表示装置。
前記第１の基板の、前記第２の基板と対抗する側の主面に非線形能動素子を配置し、この非線形能動素子によって前記液晶層を駆動するようにしたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の透過型液晶表示装置。
前記非線形能動素子はＴＦＴ素子であることを特徴とする、請求項３に記載の透過型液晶表示装置。
前記第１の反射部材及び前記第２の反射部材の少なくとも一方は、前記ＴＦＴ素子を構成するゲート電極と同じ材料から構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の透過型液晶表示装置。
前記第２の反射部材は前記第２の基板の主面に対して傾斜するとともに、前記第１の光透過部と対抗する位置にそれぞれ設けられ、前記第１の光透過部から前記透過型液晶表示装置内に入射した前記外部光を反射して、前記第１の反射部材に入射させるようにしたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の透過型液晶表示装置。
前記第１の反射部材は前記第１の基板に対して傾斜するとともに、前記第２の光透過部と対抗する位置にそれぞれ設けられ、前記第２の反射部材で反射した前記外部光を再度反射させて、前記第２の光透過部から透過させるようにしたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の透過型液晶表示装置。
前記第２の反射部材は円錐状であることを特徴とする、請求項６又は７に記載の透過型液晶表示装置。
前記第２の光透過部は、前記円錐状の第２の反射部材の周囲を取り囲むようにして設けられていることを特徴とする、請求項８に記載の透過型液晶表示装置。
前記第１の反射部材は、前記第１の透過部の周囲を取り囲むようにして配置されるとともに、外側から内側に向かって凹状となるように傾斜していることを特徴とする、請求項８又は９に記載の透過型液晶表示装置。
前記円錐状の第２の反射部材の側面と前記凹状の第１の反射部材の上面とが互いに平行であることを特徴とする、請求項１０に記載の透過型液晶表示装置。
前記円錐状の第２の反射部材の高さが、前記第１の基板と前記第２の基板との距離よりも小さいことを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に記載の透過型液晶表示装置。
前記第１の反射部材は円錐状であることを特徴とする、請求項６又は７に記載の透過型液晶表示装置。
前記第１の光透過部は、前記円錐状の第１の反射部材の周囲を取り囲むようにして設けられていることを特徴とする、請求項１３に記載の透過型液晶表示装置。
前記第２の反射部材は、前記第２の透過部の周囲を取り囲むようにして配置されるとともに、外側から内側に向かって凹状となるように傾斜していることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の透過型液晶表示装置。
前記円錐状の第１の反射部材の側面と前記凹状の第２の反射部材の上面とが互いに平行であることを特徴とする、請求項１５に記載の透過型液晶表示装置。
前記円錐状の第１の反射部材の高さが、前記第１の基板と前記第２の基板との距離よりも小さいことを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか一に記載の透過型液晶表示装置。
前記液晶層に二色性色素を添加しことを特徴とする、請求項２〜１７のいずれか一に記載の透過型液晶表示装置。
前記第１の基板及び前記第２の基板の少なくとも一方の側に、カラーフィルタを設けたことを特徴とする、請求項２〜１８のいずれか一に記載の透過型液晶表示装置。