(57)【要約】【課題】  透過表示においても反射表示においても全方位に亘って表示特性が良好な液晶表示素子を提供する。【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を画素内に有し、液晶層が垂直配向されている液晶表示素子である。各画素の形状は、略々正方形とされている。また、透過開口部Ｂは、画素の中心点に対して略点対称な形状、例えば正方形、多角形、円形等とされている。さらに、各画素の中心点には、液晶分子の倒れる方向を規制する凸部または凹部が形成される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項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、液晶層が垂直配向されている液晶表示素子において、
各画素の形状が略々正方形とされるとともに、
前記透過開口部は、画素の中心点に対して略点対称な形状とされていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
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ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項３】
各画素の中心点に、液晶分子の倒れる方向を規制する凸部または凹部が形成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。
【請求項４】
画素電極及びスイッチング素子が形成されるアレイ基板と、当該アレイ基板と液晶層を挟んで対向配置される対向基板とを備え、
前記凸部または凹部は、前記対向基板に形成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。
【請求項５】
前記透過開口部は、略正方形であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項６】
前記透過開口部は、略多角形であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項７】
前記透過開口部は、略六角形、または略八角形であることを特徴とする請求項６記載の液晶表示素子。
【請求項８】
前記透過開口部は、略円形であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項９】
各画素は、マトリクス状に配列され、４辺に隣接する全ての画素と表示色が異なることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項１０】
各画素は、Δ配列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。
【請求項１１】
前記透過開口部に対応するカラーフィルタ層の色濃度と前記反射開口部に対応するカラーフィルター層の色濃度が異なることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、視角特性の偏りを解消するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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）。
【０００６】
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。
【０００７】
しかしながら、上記ホモジニアスモードにおいては、通常の液晶表示における印加電圧（４Ｖ程度）では液晶層と基板の界面付近の液晶分子が十分に動作せず、十分な黒表示ができないことが知られている。これを解決するためには、１０Ｖ以上の印加電圧が必要になるが、駆動回路に負荷がかかるとともに、消費電力が増えてしまうという不都合が生ずる。
【０００８】
これを避けるためには、ホモジニアスモードの代わりに垂直配向モードを用いることが有効であり、このような垂直配向モードを利用した半透過型液晶表示素子も開発されている（例えば、特許文献２や特許文献３等を参照）。垂直配向モードでは、電圧を印加していない状態で黒表示する（いわゆるノーマリブラック）ため、印加電圧によらず十分な黒表示を実現することができ、コントラストも高い。また、電圧印加時の液晶分子が倒れる方向を画素内で複数方向に規定すること（いわゆるＭＶＡ：Multi Domain Vertical Alignment Mode）により、広い視角特性を実現することができる。
【特許文献１】特開平１１−２４２２２６号公報
【特許文献２】特開２００２−３５０８５３号公報
【特許文献３】特開２００２−２８７１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載されるような垂直配向モードを利用した半透過型液晶表示素子の場合、透過開口部においては、突起が形成されているため電圧印加により液晶分子が多軸配向し、視角が広くなるが、反射開口部では電圧印加時に液晶分子の配向方向の安定が悪く、同時に方位角により著しく偏りのある配向となるため、視角特性に偏りが生じてしまうという問題がある。
【００１０】
上記の問題を解消するには、例えば特許文献３に記載されるように、各画素において、透過開口部と反射開口部の双方に電極のない部分や突起状の構造物を設けることも考えられるが、微細な画素内に複数の突起等を形成するのは難しく、また、１つの画素内にも関わらず透過開口部と反射開口部で独立に液晶の分割が行われることから、やはり視角特性に偏りが生ずる虞れがある。
【００１１】
また、特許文献２や特許文献３に記載されるように、通常の長方形の画素形状で垂直配向モードを用いた場合、透過開口部の面積が制限され、明るい透過表示ができないという不都合もある。全方位に渡って良好な透過視角特性を得るためには、透過開口形状に対称性が要求され、対称形状の透過開口部を長方形の画素内に配置しようとすると、透過開口部の面積は限られたものとなる。
【００１２】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものである。すなわち、本発明は、垂直配向モードを用いた半透過型の液晶表示素子において、透過表示においても反射表示においても全方位に亘って表示特性が良好な液晶表示素子を提供することを目的とする。また、本発明は、透過開口部の面積を自由に設定することができ、透過／反射比を使用目的等に合わせて最適に設定して表示することができる液晶表示素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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する液晶表示素子である。また、液晶層が垂直配向されてい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、各画素の形状が略々正方形とされるとともに、前記透過開口部は、画素の中心点に対して略点対称な形状とされていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の液晶表示素子では、液晶層が垂直配向されており、いわゆるＭＶＡ等により電圧印加時の液晶分子が倒れる方向が規定され、広い視角特性を実現される。このとき、画素の形状が略正方形とされるとともに、透過開口部が画素の中心点に対して略点対称な形状とされているので、透過開口部における多軸配向の中心と、画素（したがって反射開口部）における多軸配向の中心とが一致し、透過開口部と反射開口部とで同等の視角特性が実現される。
【００１５】
また、画素形状が点対称な形状である正方形とされるとともに、透過開口部が画素の中心点に対して略点対称な形状とされているので、透過開口部の大きさは、画素形状を長方形とした場合のように画素形状によって制約されることがなくなる。したがって、透過開口部の大きさは、画素内において任意の大きさに自由に設定すればよく、透過／反射比が使用目的等に合わせて最適に設定される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、液晶層が垂直配向された半透過型の液晶表示素子において、画素の形状を略正方形とするとともに、透過開口部を画素の中心点に対して略点対称な形状としているので、透過表示においても反射表示においても全方位に亘って表示特性を良好なものとすることができる。また、本発明の液晶表示素子においては、透過開口部の面積を自由に設定することができ、透過／反射比を使用目的等に合わせて最適に設定することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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λ／４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λ／４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り、λ／４板１５、１８は位相差値が１４０ｎｍ前後の位相差板を示すが、位相差値を限定するものではない。また、フィルムの構成もこれに限定されず、例えばλ／２板１４、１７のいずれか一方、あるいは両方を除くこともでき、そうすることにより製造コストを低減することができる。さらに、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。
【００２７】
本実施形態の液晶表示素子は、透明電極９に入射するバックライト１０からの光及び反射電極８に入射する外光を垂直配向した液晶層４への電圧印加により位相変調を与えて表示を行う、いわゆる垂直配向モードの半透過型の液晶表示素子である。
【００２８】
ここで、図１に示すように、各画素電極は透過開口部Ｂと反射開口部Ａに面積的に分割されており、透明電極９が透過開口部、反射電極８が反射開口部に対応している。透過開口部Ｂと反射開口部Ａにおいては、絶縁層１１によって液晶層４の厚みが異なっているが、各部における液晶層４の厚みは、使用する液晶の種類によって適当な値に設定することができる。例えば、本実施形態では、屈折率異方性Δｎ＝０．０９のｎ型ネマティック液晶を用い、透過開口部Ｂの液晶層厚ｄ１＝４．０μｍ、反射開口部Ａの液晶層厚ｄ２＝２．０μｍとした。
【００２９】
また、透過開口部Ｂの中心位置に対応して、上側ガラス基板２の液晶層４と接する面には、樹脂突起１９が設けられている。この樹脂突起１９は、液晶層４の液晶分子の配向を制御するために設けられるものであり、いわゆるＭＶＡによって電圧印加時の液晶分子が倒れる方向を規定する役割を果たす。
【００３０】
なお、液晶分子の倒れる方向を規定する構造としては、前記樹脂突起１９に限らず、例えば柱状スペーサや、透明電極６に形成された凹部（孔やスリット等）であってもよい。また、本実施形態では、樹脂突起１９の底部形状を円形としたが、これに限定されるものではなく、適当な多角形等であっても構わない。
【００３１】
画素内の樹脂突起１９及び透過開口部Ｂの位置関係は、本実施形態のように、画素の中心に樹脂突起１９及び透過開口部Ｂの中心が一致するように配置するのが望ましく、この場合に、より視角特性は均一になる。しかしながら、これらの位置関係は必ずしも上記に限定されるものではなく、ＴＦＴ等の駆動素子や画素容量電極等の位置関係、あるいは画素の形状や透過開口部Ｂの形状等によっては、適宜上記位置関係をずらすことも可能である。
【００３２】
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の模式図を示す。図２に示すように、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によって区画され反射電極８や透明電極９が形成される１つの画素は、正方形に近い形状をしている。ここで、各画素の形状は、正確に正方形（長辺と短辺の比が１）であることが理想的であるが、これに限らず、ほぼ正方形であればよい。例えば、各画素において、長辺と短辺の比は、１〜１．５の間で自由に設定することができる。特に、略正方形画素の長辺と短辺の比を１．５とした場合には、従来の半透過型液晶表示素子と同じサイズのものを同じ画素数で構成することができる。
【００３３】
図３及び図４は、各画素を拡大して示すものである。各画素の形状は、ほぼ正方形であり、また、透明電極９が臨む透過開口部Ｂもほぼ正方形となっている。そして、透過開口部Ｂの中心点は画素の中心点とほぼ一致するように配置されている。したがって、反射電極８に対応する反射開口部Ａは、図３中斜線領域として示されるように、透過開口部Ｂの周囲に正方形の枠状の領域として配置されることになる。
【００３４】
なお、透過開口部Ｂの形状は、６角形や８角形等の多角形、あるいは略円形としてもよく、透過開口部Ｂの中心点に対して略点対称となる形状であればよい。図５は、透過開口部Ｂの形状を８角形とした例を、また図６は、透過開口部Ｂを円形とした例を示す。透過開口部Ｂの形状を略点対称となる形状とすれば、透過開口部Ｂ、反射開口部Ａのいずれにおいても点対称な液晶配列となるため、本発明の効果が得られる。この場合、透過開口部Ｂの形状が円に近い形状となるほど、電圧印加時の液晶分子の配列が安定し、全方位で同じ視角特性に近付いていく。透過開口部Ｂの形状を円形とすれば、ほぼ完全に全方位で同じ視角特性となる。
【００３５】
図７及び図８は、各画素に対応する表示色を説明する図である。図７に示す例では、各画素がマトリクス状に配列されるとともに、各画素に対応してカラーフィルタがパターニング配置されており、図中線Ｐで囲まれたＲ，Ｇ，Ｂの３画素をまとめて１つの色情報を表示する。
【００３６】
また、図７に示す例では、上述したように各画素をマトリクス状に配列しているが、画素配列及び色の配置はこれに限定されるものではなく、例えば図８に示すように、画素配列を、いわゆるΔ配列としてもよい。この場合、同一の画素数でより高精細な表示が可能になる。
【００３７】
また、本実施形態では、カラーフィルタ層５を液晶表示素子の全面に亘って均一に形成しているが、必要に応じて異なるカラーフィルタ構成とすることもできる。例えば、透過開口部Ｂに対応するカラーフィルタ層５よりも反射開口部Ａに対応するカラーフィルタ層５の色濃度を薄くすることにより、透過／反射両モードを合わせた表示を見る場合に自然な表示を行うことができる。これは、表示に利用される光が、透過開口部Ｂではカラーフィルタ層５を１回だけ通過し、反射開口部Ａでは２回通過するからである。
【００３８】
透過開口部Ｂに対応するカラーフィルタ層５よりも反射開口部Ａに対応するカラーフィルタ層５の色濃度を薄くするには、例えば、１）反射開口部Ａに対応するカラーフィルタ層５の一部に穴を開ける、２）透過開口部Ｂに対応するカラーフィルタ層５の厚みを反射開口部Ａに対応するカラーフィルタ層５より厚くする、３）透過開口部Ｂに対応するカラーフィルタ層５の色素濃度を反射開口部Ａに対応するカラーフィルタ層５より濃くする等の方法がある。
【００３９】
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原理について説明する。
【００４０】
図９に、従来の半透過型液晶表示素子の画素構造の一例を示す。図９に示す液晶表示素子では、１つの画素は縦長の長方形であり、透過開口部Ｂは８角形である。透過開口部Ｂの中心位置に突起１９が形成されていることは、実施形態の液晶表示素子と同様である。したがって、突起１９に対して透過開口部Ｂの形状は点対称の形状となっているため、電圧を印加した場合の液晶分子の倒れる方向は、透過開口部Ｂに関しては突起１９に対して放射状であり、良好な視角特性を示す。
【００４１】
しかしながら、反射開口部Ａに関しては、強い配向規制力がないために配向が安定せず、応答速度が遅くなり表示が尾を引いたようになってしまう。また、十分時間をかけて定位置に落ち着いた時には、多くの液晶分子が図９における左右方向に倒れるため、液晶表示素子の上下方向と左右方向で異なる視角特性を示してしまう。さらに、透過開口部Ｂの視角特性を方位角によらず一定にするためには、透過開口部Ｂの上下左右の形状を一定にする必要があるが、図９に示す画素形状では、透過開口部Ｂの面積はある値以上大きくすることができない。したがって、半透過型液晶表示素子の透過率をある一定値より大きくとることができず、設計の自由度が少ない。
【００４２】
一方、本実施形態の液晶表示素子では、画素形状が略正方形で、かつ透過開口部Ｂも略正方形であるため、画素内の液晶分子は電圧印加時に突起１９を中心に上下左右均等に配列する。このため、透過表示部、反射表示部ともに全方位に亘ってほぼ表示特性が同等となり、良好な視角特性を有する。さらに、画素と透過開口部Ｂの形状がほぼ同じであるため、透過開口部Ｂの面積を画素全体の面積に近づけることにより、大面積とすることもできる。したがって、透過率・反射率の比率の設定における自由度が高く、応用範囲の広い半透過型液晶表示素子の設計が可能である。
【００４３】
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、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。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】半透過型の液晶表示素子の構造の一例を示す断面図である。
【図２】画素の平面配置の模式図である。
【図３】１画素についての平面図である。
【図４】図３のｘ−ｘ線における断面図である。
【図５】透過開口部の他の例を示す平面図である。
【図６】透過開口部のさらに他の例を示す平面図である。
【図７】マトリクス状の画素配列を示す平面図である。
【図８】Δ配列とされた画素配列を示す平面図である。
【図９】従来の半透過型液晶表示素子の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４５】
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
１２  ＴＦＴ（スイッチング素子）
１９  樹脂突起
Ａ  反射開口部
Ｂ  透過開口部
Ｓ  信号線
Ｇ  ゲート線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005062387.tif 000008
【図７】
2005062387.tif 000009
【図８】
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【図９】
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