フラットパネルディスプレイ概論（２）液晶ディスプレイ : LCD
Introduction to Flat Panel Display (FPD)(2) Liquid Crystal Display : LCD
Ukai Display Device Institute

代表

工学博士

鵜飼 育弘

YASUHIRO UKAI Ph.D.
Ukai Display Device Institute1．はじめに1．はじめに

図2に示す棒状液晶3PBC 3,4 F 2 は44.2℃で固体となり118℃で液体となる。なお、この液晶分子の長軸は〜

FPDの中で揺るぎない地位を占めている液晶ディスプ20Å、短軸は5Åである。各タイプの液晶はそれぞれ特有

レイ（LCD）について、構成部材としての液晶、偏光板につな規則的分子配列を形成し、分子長軸が互いに平行にいて説明する。次に液晶配列と表示モードについて述べ配列している点が共通している。

LCDの理解を深める。LCDの中でも一番多く用いられている薄膜トランジスタ（TFT）駆動のTFT-LCDの構造と動作原理を概説し、最後に応用分野についても触れる。
2．液晶とは通常の固体は、昇温により融点で液体に変化する。しかし、特殊な分子構造を有する物質は、図１に示すよう

図2 液晶分子と特性に、固体から液体に直接には転移しない。液晶（liquidcrystal）と呼ばれる中間状態を経てから、通常の液体にこのような特徴的な分子配列のため、液晶が持つ屈折変化する。このような、ある温度範囲で液体と結晶の双率、誘電率、磁化率、電導度、粘性率など物性値（図３）方の性質を示す物質を総称して液晶と呼ぶ。

は、分子長軸に平行な方向と直角な方向（短軸）では相違し、異方性を有す。このような異方性の特徴に加えて、液晶の分子配列は電場、磁場、応力などの外部場の作用で容易に変化するという特徴がある。これは、液晶の弾性率が非常に弱いことに基づいている。誘電率異方性と屈折率異方性を組み合わせた電気光学効果や磁化異方性と屈折率異方性を組み合わせた磁気光学効

図1 物質の状態

果などは工学的応用に役立っている。
ネマティック液晶に電界を印加すると、液晶分子配列2液 晶 に は ネマ ティック（nematic）、スメクティックの遷移とそれに伴う光学的性質の変化が生じる。これ（smectic）、コレステリック（cholesteric）等が知られている。

は、液晶分子軸方向の誘電率ε//とこれに直行方向の誘ディスプレイには主にネマティック液晶が用いられている。

（＝ε//
電率ε⊥が異なるからである。この誘電率異方性⊿ε

いずれも棒状分子か板状分子の集団からなる。例えば－ε⊥）は、液晶の持つ各種の電気光学効果ならびに液THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

フラットパネルディスプレイ概論（2）

市販されているフィルム状の偏光板は、図6に示したよによ
うに偏光子と呼ばれるポリビニールアルコール（PVA）う素（I）を染色し延伸した膜を保護層としてのトリアセチル
セルロース（TAC）でサンドイッチしたものである。なお、一般に片側支持フィルムの外側に粘着剤が塗布されたセパレーターフィルムが添付されている。液晶セルにはセパレーターを剥がして直接貼り付けができる。

図3 液晶分子の各種異方性晶素子への多様な応用にとって重要な役割を担っている。図4に示すように、誘電率異方性が正の液晶（⊿ε＞0）をNp液晶と呼び、負（⊿ε＜0）の液晶をNn液晶と呼ぶ。

図6 偏光板の構造

図4 液晶分子の誘電率異方性

4．分子配列と表示モード
3．偏光と偏光板
4.1 分子配列
光は振動ベクトルが異なるいくつかの成分を含んでい均一で安定な液晶の分子配列はLCDに必須である。

る。偏光（polarization）とは電場および磁場が特定の方というのは、いずれのタイプのLCDデバイスを取って見て向にのみ振動している光のことである。振動方向が規則も、液晶の特定な初期分子配列を電場の作用で別の分的な光波の状態を偏光という。偏光板は図5に示すよう子配列状態に変化させ、この分子配列変化に伴う液晶に、光の進行方向に垂直で、特定の方向に強く振動すセルの光学特性の変化を視覚的に変換することにそのる光だけを透過し、他の成分は吸収（遮断）する機能を基礎をおいている。

持っている。

液晶分子配列の種類は多様であるが、図7に現在実用化されているLCDに用いられている代表的なものを紹介する。
①ホモジニアス配向：全ての液晶分子が両方の基板面に対して平行に、かつ同一方向に配列している。Np
液晶を用いた場合、両側の基板間に電圧を印加することで、液晶分子は電界方向に平行に再配列する。
②ホメオトロピック配向：すべての液晶分子が液晶セルの両方の基板面に対して垂直に配列している。Nn液晶を用いた場合、両側の基板間に電圧を印加するこ

図5 偏光板の機能：光のシャッターとで、液晶分子は電界方向に垂直に再配列する。

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視差（parallax）による2重像が生じない。従って高精細化が可能となる。反射型は周囲光を変調することで表示を行う。したがって、周囲光が暗くなるとおのずと輝度は低くなり視認性が悪くなる。これをカバーするのがフロント・ライト・ユニット（FLU）である。光源として白色LEDが用いられている。
最近のモバイル機器用ディスプレイには、いつでも、どこでも綺麗な表示品位が要求され全環境型のディスプレイの実現が高まっている。この要求を実現するための表示モードが半透過型である。セル構造を同図に示した
図7 誘電率異方性と液晶分子の再配列が、1画素は2分割された透過部と反射部から構成されている。透過部と反射部のセル厚が異なるマルチギャップ

4.2 表示モード構造を採用し、各部に対応するカラーフィルタは顔料およLCDの表示モードを大別すると、図8に示すように透過び膜厚の最適化を図り、透過光および反射光で広色再型（Transmissive Mode）、反射型（Reflective Mode）、半現性を実現し、高品位の表示が得られる構造のものも市透過型（Transflective Mode）がある。透過型はノートPC販されている。

や液晶TV用として広く採用されているモードである。このモードは、背面もしくはサイドからの面状もしくは線状のバ

5．TFT-LCD の構造と動作原理

ックライト光をLCDパネルで時間的空間的に変調し情報を 表 示 するものである。光 源には冷 陰 極 蛍 光ランプ

FPDの駆動方式については前回（1）で触れたので、こ（Cold Cathode Fluorescent Lamp: CCFL）や白色LEDがこでは広く実用化されている薄膜トランジスタ（TFT）駆動用いられている。透過型は後述の反射型に比べ、コントのTFT-LCDについて述べる。

ラスト比や輝度、色再現範囲などの表示性能が優れてい

5.1 TFT-LCDる。これらは、LCDの光透過率の低さと目障りな表面反TFT-LCDは、図９に示すようにスキャンラインとデータライ射を透過型では強力なバックライト・ユニット（BLU）で凌ンのマトリックス交差部の画素ごとにスイッチングデバイスをいでおり、暗所および室内での表示の視認性は良好で組み込んだ構造（アクティブマトリックス）で駆動する方式ある。ただし、LCD本来の低消費電力の特徴はBLUのであり、必要に応じてキャパシタを付加している。この方使用で半減される。

式を用いることにより、単純マトリクス方式に比べ、コントラストや応答時間などの表示特性が大幅に向上している。

図8 LCDの表示モード
図9 TFT-LCDの基本構成

反射型のセル構造を同図に示すが、反射電極としての4拡散反射板を液晶層のすぐ背面に配置した構造（In-

この方式は、用いるスイッチングデバイスにより薄膜トラ

Cell構造）で、反射電極と画素電極が一体構造のため、ンジスタTFT（Thin Film Transistor）などを用いる3端子デTHE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

フラットパネルディスプレイ概論（2）バイス型とMIM(Metal Insulator Metal)などの2端子デバ
イス型に大別される。なお、現在商品化されているものは3端子デバイス型のみである。
5.2 デバイス構造と駆動方法
図10（a）にTFT-LCDのデバイス構造を示す。TFTアレ
イが形成された基板と、対向電極として透明電極が形成された基板の間に液晶が注入されている。図には表示していないが、カラーLCDの場合は、対向基板上に赤、緑、青のカラーフィルタが画素電極に対応して設けられて図11 TFT-LCDの駆動波形いる。なお、画素の等価回路を図10（b）に示す。
各ゲートラインは表示のスキャンに対応し、まずG１に接続されたTFT列をオンさせる。このとき表示のレベルに対応した電圧がデータラインD１からDｎに送られ、オンしているG１列のTFTを介し各画素の液晶に一斉に伝えられる。
このように、G2 列、G3 列と順次書き込まれ、１フィールド時間内にすべての画素に表示信号が書き込まれる。TFTを介して画素に書き込まれた信号は、基本的にはTFTのオフ時には電流が流れないため、次に書き込まれるときまで、画素に電荷の形で保持される。これにより、各画素には
図10（c）に示すように１フレームで２回、プラスとマイナスの信図10 TFT-LCDの構成と駆動方式号が書き込まれることになる。
画素電極波形は、（a）書き込み特性、（b）フィールドス
ルー特性、（c）保持特性に依存して変化する（図10（c）参5.3 TFTによるアクティブマトリックス駆動照）。書き込み特性は、TFTのオン電流、画素容量、書きTFT-LCDでは図９に示したように、m本のスキャンライン込み時間、信号電圧に依存する。tw 時間後にゲートがオ（ゲート線あるいはYラインともいう）とn（G1,G2,G3・・・,Gm）

フした瞬間、画素電極電位Vp はフィールドスルー電圧⊿

本のデータライン（D1,D2,D3・・・Dn）（ソース線あるいはXV（突き抜け電圧ともいう）分だけ低くなる。その後の保pラインともいう）からなるm×nマトリックス配線の交点に、ス

持特性は、TFTのオフ電流、画素容量、保持時間、液晶イッチング素子であるTFTが設けられる。TFTのゲート電極抵抗を通してのリーク電流などに依存する。

はスキャンラインに、ソース電極はデータラインに接続され、フィールドスルー現象は、TFTのゲート・ソース間の寄生ドレイン電極は画素の透明電極に接続される。スキャン容量Cgs が原因であり、ゲートパルスがオンの時に液晶容ライン群は外部でＸドライバICに、データライン群はＹドラ

量CLC、蓄積容量CS、Cgs に充電された電荷が、ゲートパイバICに接続される。

ルスがオフになった瞬間に各々の容量に再分配されるこ

液晶を直流駆動すると液晶内部のわずかな不純物が電荷となり一方に偏って蓄積し、液晶が劣化し、正常な表示ができなくなる。これを防ぐために常に極性を反転させとに起因する。このフィールドスルー電圧⊿Vp は、
⊿Vp ＝

VgCgs
Cgs＋CLC＋Cs

る交流駆動を行なわねばならない。このため、１フレームで表される。寄生容量Cgs はTFTの構造に依存するパラで１画面を構成し、１フレームは正フィールドと負フィールドメータであり、容易に変えることはできない。したがって、で構成される。すなわち、データラインには常に図11のよ

設計的には、蓄積容量であるCSを大きくすることで⊿Vp

うに正および負フィールドにおいて対称なプラスとマイナスの低減をはかることになる。TFTのデバイス構造面からのの信号を加え交流信号が印加される。

Cgs 低減策としては、ゲートとソース電極パターンを自己整合

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させることによりマスクアライメントに起因するパターン精度

5.5 TFT-LCDの種類と応用分野の低下を防ぐか、短チャネル化を図ってTFT自体を小さく（1）a-Si TFT-LCDすることなどが行われている。
5.4

Si 系トランジスタの特徴比較

1986年に3型LCD-TVが商品化されたのが最初である。その後ノートブックPC、デスクトップモニター用、大型現在実用化されているアクティブマトリクス駆動用のSiLCD-TVと応用分野が広がるとともに表示品位も向上し、（a-Si ）、低温ポ系トランジスタには、アモルファス・シリコン今やCRTの地位を奪う状態まで市場が成長した。応用

リシリコン（Low Temperature poly-Si : LTPS）、高温ポリシ分野も民生用に留まらず、航空機のコックピットやナビゲーリコン(High Temperature poly-Si : HTPS）、単結晶シリコションなどの車載用にも広く採用されている。

ン（Single crystal-Si : c-Si）が用いられている。各種基板（2）LTPS TFT-LCD

上に形成されたトランジスタの特徴を表1に示す。ディスプ

LTPS TFT-LCDはa-Si TFT-LCDと比較して、微細なレイ用として比較するために、移動度、デバイス構造（n-CMOS回路を大型基板上に形成できる。したがって、応ch、p-ch、CMOS）、基板の種類と透明性、基板サイズ、用分野はこの特長を活かした中小型の携帯機器用ディプロセス温度、マスク枚数を挙げた。移動度についてみスプレイが主である。ビデオカムコーダ（VCR）、デジタルス

ると、a-Si TFTが１cm2/Vs以下であるのに対してLTPS-TFT

チルカメラ（DSC）、ミュージックプレーヤー（MP）、携帯電およびHTPS-TFTは1桁から2桁以上の移動度を有し、開話、ノートPCなどである。

発レベルではc-SiTFT並みの移動度を有するLTPS-TFT（3）HTPS TFT-LCDも報告されている。作製に必要な基板温度は、a-Siが一a-Si TFT-LCDおよびLTPS TFT-LCDが、ディスプレイを番低く、表の右側になるほど高温プロセスを必要とする。

直接目で見る（直視型ディスプレイ）のに対し、HTPS TFT-無アルカリガラス基板が使えるプロセス温度（600℃）
を境

LCDはパネルと光学系の組み合わせで、パネル上の画にして、低温プロセスによる多結晶Si TFTをLTPS-TFT、像を投影して見る投影型（プロジェクションタイプ）のディス

高温プロセスによるものをHTPS-TFTと呼んでいる。基板

プレイである。応用分野としては、データプロジェクタおよ

サイズは、HTPSおよびc-Si用の直径300mmの基板からびプロジェクションTVがある。

a-Si用の第10世代無アルカリガラス（〜3m角）の超大型基（4）LCOS（Liquid Crystal on Silicon）板が用いられる。Siウエハは不透明のため、LCDへの応LCOSとは、Siウエハと対向する透明基板の間に液晶用を考えると反射型による表示しか実現できないが、ガラを挟みこむ構造である。Siウエハ側には液晶駆動回路

ス基板および石英基板は透明なので透過型も実現できと画素電極を設け、透明基板と液晶層を通過した光は、る。プロセスに必要なマスク枚数は、a-Si TFTの3－5枚か画素電極において反射される。透過型液晶デバイスでらc-Siの30－40枚と表の右側になるほど多くのマスクをは、画素電極の周囲に信号線等の回路が作られている必要とする。プロセスコストは、基板の種類、マスク枚数ため開口率が低下するが、反射型液晶デバイスでは、画に左右されるため、表で右側の方が高くなる。

素電極下に回路が作られているため高い開口率を実現

表1 Si系デバイスの比較できる。 例えば、HD対応のデバイスでは、画素ピッチ７μm、画素間スペース0.35μm、開口率90％以上のものが実用化されている。
6．おわりにLCDとしての基礎的なことについて述べたが、現在実用化されている広視野角技術や広色再現技術などに関しては紙面の都合で触れられなかった。これらの技術に関しては、第6回および第7回の部品・材料技術の中で取り上げる予定である。

6THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）