液晶ディスプレイ
安価なモノクロの電卓用液晶ディスプレイなどを除けば、多数の画素を駆動するための縦横合わせて数百から数千もの配線を液晶パネルの外部に引き回すことは避けて、パネルの端部にTAB (Tape Automated Bonding)、又はCOG (Chip On Glass) という2種類の実装方法によって、TABモジュール、又はCOGモジュールという駆動回路が接続されている。TABモジュールは、TABやTCP (Tape Carrier Package) と呼ばれる実装方法が用いられた液晶駆動用半導体のパッケージであり、必要なだけ複数個のTABモジュールがACF(Anisotropic Conductive Film、異方性導電膜)によって液晶パネルの端部に接続される。TABモジュールと液晶パネルとの接続端子 (OLB, Outer lead bonding) の間隔は高精細度のパネルでは額縁寸法を決定するため、スリムなものが使用される傾向がある。例えばVGA表示では640×480画素で90μmだったものが、QQXGAの4,096×3,072画素では20μmになっている。
COGモジュールでは、名前の通り、半導体のベアーチップを液晶パネルのアレイガラス基板上に直接実装する。ベアーチップとパネル電極との接続方法には、次の4方式がある。いずれの方式でもベアーチップを保護するために電極の接続後は保護樹脂でコートされる。 金バンプ直接接続方式 ワイヤーボンディング接続方式 銀ペースト接続方式 ACF接続方式
設計工程
マザーガラス製造工程
マスク製作工程
アレイ基板製造工程
カラーフィルタ基板製造工程
偏光フィルム製造工程
液晶パネル(セル)製造工程
駆動制御用IC製造工程
バックライト製造工程
モジュール製造工程
周辺回路、部品、筐体製造工程
液晶ディスプレイ組み立て工程
各工程の最後や出荷前にそれぞれ検査が行われる。
直下型と呼ばれる液晶パネルの背面にバックライトを備える形式では、光源となる蛍光管を2本から4本程度の直管を並べるよりもU字やS字、W字の形状に曲げたものが使用されることもある。また直下型とは別にサイドライト型やエッジライト型と呼ばれる光源ランプを導光板の横に配置することでディスプレイの厚みを抑える工夫も採られているが、導光板を持たずに拡散板やライティング・カーテンと呼ばれる部分的に透過率を下げたものを使用するなどして均一な光を当るように工夫したものがある。薄型化が求められなければ、液晶パネルと距離をあけることで均一に照らす形式もある。これらの構造や部品の他にも、拡散シートやプリズム・シート、反射シートなどを使って光を出来るだけ逃さずに均一に液晶パネルの背面を照らすように工夫される。導光板にはポリメチルメタクリレートのようなアクリル樹脂が使用される。バックライトの発光スペクトル(分光特性)と液晶パネルのカラーフィルタの波長に対する光透過度(分光特性)が一致すると光の効率が上がるため鮮やかな色再現ができる。バックライトに蛍光管を使用すると、この光源が液晶ディスプレイ全体の寿命を決定することが多く、比較的長寿命のCCFLが使用されることが多いがLEDの採用が増えている。
電源・映像回路部はプリント基板とも呼ばれ、外部からの映像信号と電源を受け取り、映像信号をデータドライバとタイミング・コントローラに渡すと共にデータドライバ、アドレスドライバ、タイミング・コントローラへの駆動電力を供給する。タイミング・コントローラが一体となっているものもある。
液晶パネル自身は直流の印加で動作できるが、電極側に正負電荷の偏りが生じて寿命が短くなってしまう。これを避けるために正と負の電圧を交互に掛ける交流を印加している。
こうして光学的なシャッターを実現し、このような微細なシャッター1つを1つのサブ画素とする多数のサブ画素によって望む画像を表示する。このシャッターは光の透過と遮断だけを行うので多様な色は、概ね3原色を備えた色フィルタで実現される。
行ライン反転駆動方式、又はHライン反転駆動方式は、フレームごとに行方向のサブ画素を互い違いに正極と負極を反転させる方式である。
ブラウン管などの他のディスプレイと比較して液晶パネルは視野角が狭い。液晶配向の向きと観察者の位置関係が透過率や反射率に影響するためである。このため、液晶ディスプレイでは視野角特性が表示性能の1つとなっている。特にリビングに置くような大画面テレビ用途の液晶パネルでは、視野角特性を改善して、斜め向から見た場合でも正面方向と変わらない表示品質に近づけることが技術的な課題となってきた。
視野角特性の改善は、IPS方式や、VA方式で利用されるマルチドメイン方式によって図られている。マルチドメイン方式は、表示に用いる液晶配向の向きが、明表示の場合と暗表示の場合で同じになるドメイン(領域)を画素内にいくつか設けて、複数のドメインの明度や色調をいくつか平均化したものが画素の透過率や反射率となるように構成する手法である。こうすることで、液晶パネルの観察方向を傾斜させたときの透過率が上下左右あるいは斜めの観察方向に依存しにくくなる。 + : 視野角特性を良好にするため、IPS方式や、VA方式をマルチドメイン方式によって駆動することが行われている。マルチドメイン方式は、液晶配向の向きが揃っている単位領域(ドメインという)を各画素に複数(通常、2種又は4種)設けることにより、複数のドメインの明度や色調の平均化したものが画素単位での透過率や反射率となるように構成する手法である。こうすることで、液晶パネルの観察方向を傾斜させたときの透過率が上下左右あるいは斜めの観察方向に依存しにくくなる。
ただし、IPS方式とVA方式では、ひとつ1つのドメインの視野角特性は異なっており、IPS方式の方が優れている。
ポリマーネットワーク型液晶 (PNLC, polymer network liquid crystal) は散乱液晶の一種であり、電圧が無印加の状態では液晶層内部の網目状の高分子繊維に沿って液晶分子が不規則に並び、表示が不透明となるが、電圧が印加された状態では液晶分子が表示面に対して垂直に整列するので、表示が透明になる。偏光を利用しないので偏光フィルタが不要である。他の一般的な反射型液晶パネルが11%程度の反射率なのに対して50%と高く、これは実用化されている電気泳動式の電子ペーパーの40%よりも高い。窓ガラスに張り合わせた調光シャッターやプロジェクター投影用スクリーンとして採用されている。
単純マトリクス (Simple Matrix) 駆動方式はパッシブ・マトリクス (Passive Matrix) 駆動方式(PM型)とも呼ばれ、X電極線とY電極線の交点の画素、またはサブ画素に電圧を印加し液晶を駆動する。単純マトリクス駆動方式では、液晶材料に270度まで旋回させる分子が選ばれたSTN (Super twisted nematic) がほとんど用いられる。XとYが非選択状態となると基本的には印加電圧は失われるため、画素が多数になるとその分だけ1つの画素に印加される時間は短くなるのであまり多数の画素は扱えない。1枚の画面、つまりフレームを表示する間の1つの画素、サブ画素に電圧を加える時間の比率をデューティ比と呼ぶ。XとYが同時に選択されていなくてもXとYのいずれかが選択されれば周辺の画素に無用の回路が出来て1/3程度の電圧が印加され、これはクロストークと呼ばれ、画面の滲みとなり、XとYにノイズが加わっても同様に無用な線が生じる。
液晶パネルに使用されている液晶は、ほとんどがネマティック液晶である。ネマティック液晶は配向方向、つまり分子1つ1つの向きは秩序だった動きをするが、各々の位置は無秩序になっている。一般に長軸方向と誘電的性質および光学的性質とが密接に関連している。液晶パネルにおいては、誘電的性質が配向方向と電圧との組み合わせから決まる駆動動作に積極的に利用され、光学的性質が配向方向と偏光フィルムとの組み合わせから決まる表示動作に利用される。
上述の誘電的性質に関連して、通常液晶パネルに用いられる棒状分子からなるネマティック液晶を誘電率によって分類すれば、長軸方向に大きく長軸に垂直な方向に小さい場合のポジ型液晶と、長軸方向に小さく、長軸に垂直な方向に大きい場合のネガ型液晶がある。ポジ型液晶は、TN型やIPS型に用いられ、ネガ型液晶はVA型に用いられる。光学的性質については、ポジ型およびネガ型のいずれにおいても、屈折率が長軸方向の光電場に対して大きく、長軸に垂直な方向の光電場に対しては小さい複屈折性を有している。
このような誘電的性質と光学的性質とを組み合わせて適切な表示を実現するために、液晶パネルでは、ガラス等の基板に適当な電極を設け、液晶材料の配向方向をその電極間に与えた電圧によって制御し、各電圧での配向方向と屈折率の関係から所望の表示を得る。
光源となるバックライトからは360度多様な方向に振幅成分を有する光が放たれる。裏面の偏光フィルタ(偏光板)は、この光の内の特定の方向の振幅成分を持つ光(偏光)だけを通過させ、残りはヨウ素分子のような偏光素子に吸収される。最初の偏光フィルタを通過した光は、直線偏光となって液晶層に入射される。直線偏光の入射光は、液晶層を厚み方向に伝播しながら、液晶のもつ屈折率異方性(複屈折)に応じて偏光状態を変化させて行く。液晶層を通過した出射光の内の、表側の偏光フィルタが制限する特定方向の偏光成分の光だけが表示光として出射される。表示を変化させるためには、電圧を変化させて液晶配向を変化させる。液晶配向の変化に合わせて、液晶層をはさんでいる偏光フィルタ2枚を含めた全体の透過率が変化し、表示される明るさが変化する。偏光板が不要な液晶表示パネルも存在する
タイミング・コントローラICはT-CON (Timing Controller) やタイミングLSI (Timing LSI) とも呼ばれ、液晶モジュールに供給される映像データを平面上の画素に配分するためのクロック信号などを生成し、データドライバとアドレスドライバ(ゲートドライバ)に供給する半導体素子である。