JP2012173308A - 半透過型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セルの構造を単純化し，且つ，外光とバックライト光源からの光とで液晶層中の光路差を実質的になくした半透過型液晶ディスプレイの提供。
【解決手段】半透過型液晶表示装置であって，各セルにおいて，バックライト光源側の第１の基板と正面側に位置する第２の基板との間のスぺーサーとして，透明のポールスペーサーが，該第１の基板から第１の反射層のピンホールを貫通して設けられ，第２の基板の内面には，ポールスペーサーの先端に面する位置に，ポールスペーサー先端から出る光の第１の反射層に向けて反射させる第２の反射層が設けられていることを特徴とする，装置。
【選択図】図２

Description

本発明は，半透過型液晶表示装置の改良に関し，より詳しくは，作製工程を単純化でき且つ光路差の発生を実質的になくすことのできる，半透過型液晶表示装置に関する。

近年，半透過型液晶表示装置（ＴＲ−ＬＣＤ）は，携帯電話，ポータブルゲーム機器等，小型，中型の形態電気デバイスとして重要性が増している。半透過型液晶表示装置は，反射型及び透過型双方の液晶表示装置の機能を備えており，明るい場所では周囲の光を利用し，暗い場所ではバックライト方式で，表示がなされる。このため，明るい場所と暗い場所とを問わず表示可能という利点を有する。

しかしながら，液晶表示装置では，バックライト光源からの光は液晶層中を前方に１回だけ通過して表示装置から出るのに対し，表示装置の前面から入った外光が液晶層に入射し内部で反射して再度装置前面から出るには，液晶層を往復する必要があるため，液晶中での光路長は，通過した部分の液晶層厚の２倍となる。液晶による光の吸収量が透過光と反射光とで同等となるようにする必要があることから，半透過型液晶表示装置では，各セル内を透過部と反射部とに２分し，反射部には段差を設けて液晶層厚を減らした，いわゆるマルチセルギャップ型の一般構造（図１）とすることにより，この問題の回避を図っている。

例えば，特許文献１には，マルチギャップ型の半透過型液晶表示装置が記載されており，これには，各セルにおいて，バックライト光源側透明基板上の厚みのある段差（有機絶縁層）に設けられたスルーホールの表面に透過画素電極を設けて光源からの光の通路として，これを通して液晶層の前幅にわたって後方から前方へと光を通過させるようにする一方，スルーホールの周囲の有機絶縁層の表面には，反射画素電極層を設けて前方からの光を反射させるようにし，上記基板とこれに対向する基板との間を柱状のスペーサで支持し，両基板間に液晶層を充填した形の液晶表示装置の基本構造が開示されている。また，特許文献２には，セルの半分をなす反射部において基板上に厚いギャップ調整層を設け，その表面を反射電極で覆い，セル残りの半分をなす透過部には画素電極が基板上の平坦化膜上に形成されて，反射部側においてギャップ調整層によって覆われた形でその下部に設けられたコンタクトホールにまで延びてこれに接続され，この画素電極に反射電極の一端が接続している。

しかしながら，もともとセルギャップが極めて小さいことから，このようなマルチセルギャップ型の従来の半透過型液晶表示装置において，セルギャップの異なる領域を正確に作製して透過光と反射光との光路差を実質的になくすのは，技術的に困難であり，またセルの構造が複雑であるためその作製工程が極めて複雑となって製造コストを高めるという欠点を有する。

特許第４５２８５３１号公報 特許第４５１３０２７号公報

本発明は，半透過型液晶ディスプレイにおいて，セルの構造を単純化して作製工程の複雑さを改善すると共に，外光とバックライト光源からの光とで液晶層中の光路差を実質的になくした半透過型液晶ディスプレイを提供することを目的とする。

本発明者は，各セル内に透明の柱状スペーサー（ポールスペーサー）を配置し，これに光導波路の機能を付与して，バックライト光源からの光を外光と同じ側から液晶層に導入することにより，シングルセルギャップ構造の光路差を解消し高性能化を達成する半透過型液晶ディスプレイを提供できることを見出した。しかも，電圧オフ時の液晶を垂直配向としておくことで，配向分割によるマルチドメイン垂直配向（Ｍ．Ｖ．Ａ。各画素中で複数の領域で液晶の配向方向を異ならせたもの）を簡単に実現できることも判明した。すなわち，本発明は，以下を提供するものである。
（１）半透過型液晶表示装置であって，各セルにおいて，バックライト光源側の第１の基板と該装置の正面側に位置する第２の基板との間のスぺーサーとして，第１の基板に対し垂直方向に延びる透明のポールスペーサーが，該第１の基板から，該第１の基板上に形成された第１の反射層に開けられたピンホールを貫通して設けられており，該ポールスペーサーがその先端で，該第２の基板を，該第２の基板の内側に形成された透明層に当接して支持しており，第２の基板の内面には，各ポールスペーサーの先端に面する位置に，バックライト光源から該ポールスペーサーを通り該先端から出て該透明層中に入射する光の少なくとも一部を該ポールスペーサーの周囲の第１の反射層に向けて反射させる第２の反射層が設けられており，該第１及び第２の基板の間の間隙に液晶層が充填されていることを特徴とする，装置。
（２）該ポールスペーサの屈折率が，液晶層の屈折率より大である，上記１の装置。
（３）該ポールスペーサーが各セルの中央に設けられているものである，上記１又は２の装置。
（４）該第２の反射層の各々が，対向する各ポールスペーサーの先端に向けた弯曲面を有するものである，上記１ないし３の何れかの装置。
（５）該第２の反射層の各々が，光を散乱させる表面を有するものである，上記１ないし４の何れかの装置。
（６）該第１の反射層が反射電極である，上記１ないし５の何れかの装置
（７）該液晶の分子に，電圧オフ時に垂直方向の配向をとらせているものである，上記１ないし６の何れかの装置。
（８）該第２の反射層が，該第２の基板の内面に形成された透過電極上に形成されているものである，上記１ないし７の何れかの装置。
（９）該透明層が垂直配向膜である，上記１ないし８の何れかの装置。
（１０）該第１の反射層及び該第１の基板が，垂直配向膜である透明層により覆われているものである，上記９の装置。

本発明の半透過型液晶表示装置は，従来のようなマルチセルギャップ構造でなく，シングルセルギャップ構造で，バックライト光源からの光と外部から反射光とが液晶層で同じ経路を通るため，両者間で液晶層中の光路差に実質的な差が生じないという利点がある。また，マルチセルギャップ構造のようにセル内を透過部と反射部とに区分する必要がなく，何れの光も共通の液晶層を通ることから，セルの面積が有効利用でき，表示装置としての性能が高まる。更には，マルチセルギャップ構造のセルに比して，セル構造が単純であるため，製造が容易でありコスト競争力の面でも有利である。尚も更には，電圧ＯＦＦ時の液晶分子を垂直配向モード（ＶＡモード）とした場合，電圧ＯＮ時にポールスペーサーにより液晶配向を制御でき，ポールスペーサーを中心として対称的に放射方向のチルト角を生じさせることができる。すなわち，ポールスペーサーにより液晶の配向分割が行え，異なる配向の領域を備えた（マルチドメイン）セル構造が簡単に実現できる。このため，表示装置の視野角依存性という問題が，容易に且つ大きく改善できる。

図１は，従来のマルチセルギャップ型のセルの一般構造を示す模式図である。 図２は，本発明の半透過型液晶表示装置のセル構造と機能を示す側方からの概要図である。 図３は，本発明の半透過型液晶表示装置のセル構造の概要を示す斜視図である。 図４は，第１の反射層と透過電極との位置関係を示す平面図である。 図５は，本発明の装置における，電圧ＯＮ時の液晶の配向状態と，画素の配向分割の形態を示す概要図である。 図６は，電圧ＯＮ時における反射モードで配向分割の状態を示す図面代用写真及び概要図。 図７は，電圧ＯＦＦ時とＯＮ時におけるセルによる反射光の遮断の有無を比較した図面代用写真。 図８は，第２の反射層の例として，凹面を有する多数の反射層の形成工程を示す模式図である。 図９は，第２の反射層の例として，光を散乱させる表面を有する反射層の例及びその効果を示す概要図である。

本発明において，バックライト光源側の基板（第１の基板）は，適宜の透明な材料であってよく，例えば，ガラス基板である。また，第１の基板の前面には，構成しようとする各画素列に一致して配列された，帯状の反射層（第１の反射層）が，各画素の中心に相当する部位を除き，設けられる。この帯状の反射層は，反射電極（例えば，Ａｌ等の金属の蒸着層）であるのが好ましい。広い反射面積を得る上で，第１の反射層相互の間隙は，電極相互の絶縁を維持できる限り，狭いことが好ましい（例えば，３０μｍ）。こうして，反射電極において，画素の中心を繋ぐ直線上に並んだ一連のピンホールは，バックライト光源からの光を前方へ通すための窓として働く。第１の基板には，第１の反射層相互の間隙から光が液晶内に漏れ出るのを防止するため適宜の遮蔽層を設けることができる。その部分には，バックライト光源からの光が第１の基板に入射する方向によっては，光導波路としての機能を持たせてもよい。それには，例えば，ガラス基板の表面に，これより低屈折率の適宜の透明樹脂薄膜を積層すればよい。

本発明において，装置の両基板の間隙を保持するポールスペーサーは，透明であり，上記各ピンホールの位置において第１の基板面上に形成され，バックライト光源からの光を液晶層を介さずに前方の基板上の反射層へと伝達する。このときポールスペーサーの側面から液晶層中に光が漏れ出ないことが好ましく，そのためには，ポールスペーサーを形成する素材（樹脂）として，表示に用いる光の波長における液晶層の屈折率より大きい屈折率を有するものを用いればよい。それにより，ポールスペーサーは，光導波路として機能し，ポールスペーサーから液晶層へ光が漏れるのを防止できる。ポールスペーサーの形成は適宜の方法で行うことができるが，セルフアライン技術を用いれば容易に作製可能である。すなわち，例えば，第１の基板の，上記ピンホールを形成した反射電極を備えた側に，ＵＶ硬化すると液晶層より高い屈折率の樹脂となる適宜のネガ型レジストを塗布し，基板の反対から平行なＵＶ光を照射することで，照射を受けるピンホールの直上のレジストのみを柱の形に硬化させ，その後に未硬化のレジストを溶解除去することで作製できる。

第１の基板に対向する第２の基板（例えば，ガラス基板）の内面に設けられる反射層（第２の反射層）は反射性の材料を適宜選択して形成でき，例えば，Ａｌ等の金属の蒸着層とすればよい。これは例えば，第２の基板の内面に，透過電極とするために予め設けられたＩＴＯ層の表面の，各ポールスペーサーの先端に面することになる位置に限局して設ければよい。ポールスペーサーを通過して先端から出た光が第２の反射層の表面で反射し液晶層を通って第１の反射層へと向かうようにするには，反射層の表面は，平滑な平面であるよりも，弯曲面（例えば凹面）や，光を散乱させる表面（例えば，微細な凹凸を備えた粗い反射面）とするのが好ましく，これら両者の特徴を合わせたものとしてもよい。

第２の基板は，その内面側に形成された透明層を介してポールスペーサーの先端と直接に当接させる。この透明層は，垂直配向膜とすることが好ましい。加えて，第１の基板の内面にも，第１の反射層を覆う形で透明層である垂直配向膜を設けておくのが好ましい。

本発明の半透過型液晶表示装置において，偏光フィルターや位相差板等は，適宜選択し，作製しようとするセルの設計の具体的詳細を勘案して，目的に適う適宜の位置に配置すればよい。その他各種の素材，例えば，基板，レジスト及び樹脂，電極材料，液晶，配向膜等は，当業者が，装置の具体的な構造設計や目指す性能に合わせ，適宜容易に選択できる。また，それらの素材を用いて本発明のセル構造と特徴を有する半透過型液晶表示装置を作製するに際して行う，レジスト塗布，パターニング露光，現像，金属蒸着，その他個々の加工プロセスの基本は，何れも当業者に周知のものであり，適宜組み合わせて容易に行うことができる。

以下，実施例を参照して本発明を更に具体的に説明するが，本発明が当該実施例に限定されることは意図しない。

図２は，本発明の半透過型液晶表示装置の隣接するセル構造の２つとその機能を示す，側方からの概要図である。図において，１１はバックライト光源側ガラス基板（第１のガラス基板）であり，１２は正面側ガラス基板（第２のガラス基板）である。第１のガラス基板１１の内側表面には，図の奥方向へと延びた平行な帯状の反射層１３（第１の反射層）が形成されており，この層はＡｌ蒸着層で，反射電極として機能する。第１の反射層１３は，第１のガラス基板上に，リフトオフ法によりＡｌを，縦ライン（図面奥方向。幅２５０μｍ，ピッチ２５μｍ）状に，且つ，そのライン幅の中心線上にピンホール（口径４０μｍ，ピッチ２５０μｍ）を持つように，パターニングして作製したものである。それらのピンホールと同寸の透明樹脂よりなるポールスペーサー１５が，第１のガラス基板１１の表面から垂直方向に，同じ長さだけ延びている。これらのポールスペーサー１５は，第１の反射層１３を備えた基板上に，ＵＶ硬化性のレジスト（後述のＰＲ−２００：大阪有機化学工業株式会社）を塗布し，基板の裏側から平行なＵＶ光を照射してピンホールの直上部分のみレジストを露光させて円柱状に硬化させることで作製（セルフ・アライン法）したものである。

装置の正面側に位置する第２のガラス基板１２には，内面に透過電極１９としてＩＴＯ層が帯状に（図において左右方向に）形成されており，その表面には，反射層２１（第２の反射層）としてドット状のＡｌ蒸着層（口径６０μｍ，ピッチ２５０μｍ）が，リフトオフ法で形成されている。第２の反射層２１の形成位置は，ポールスペーサー１５の先端に面することになる位置である。

透過電極１９の帯状構造は，第２のガラス基板１２上のＩＴＯ層を，エッチング法により横ライン（幅２５０μｍ，ピッチ２５μｍ）でパターニングすることで作製したものである。第２の基板１２及び第２の反射層２１とポールスペーサー１５の先端との間には，透明層２３が形成されており，これは垂直配向膜（ＪＡＬＳ−２０４，ＪＳＲ（株））を塗布・硬化させたものである。第１の基板及び第１の反射層の上にも同じ材料よりなる透明層（垂直配向膜）２４が形成されている。両基板に挟まれた間隙には，液晶層（ＭＬＣ−２０３７，メルク社）２６が充填されている。

図３は，本発明の半透過型液晶表示装置のセル構造の概要を示す斜視図であり，図４は，第１の反射層１３（反射電極）と透過電極１９との，平面図上での交差の位置関係を示す概要図である。図３及び図４に見られるように，各帯状に並べられた，共に２５０μｍ幅の第１の反射層１３（反射電極）と透過電極１９とは，平面図で上で直交する関係にあり，それらが交差する領域の中央に各ポールスペーサー１５（直径４０μｍ）が位置している。

図５は，本願発明の半透過型液晶表示装置のセル内での，電圧ＯＮ時の液晶の配向状態と，画素の配向分割の形態を示す概要図であり，(a)は，画素３２を正面から見たときの液晶の配向状態を，(b)は画素３２の配向分割の形態を，そして(c)は画素３２を側方から見たときの液晶の配向状態を示す，それぞれ概要図である。図に見られるように，電圧ＯＮ時に，液晶分子３０は，ポールスペーサー１５を中心軸としその周りに放射状にチルト角を生じるように配向する。このため，表示の視野角依存性が大きく改善される。

図６は，実施例の液晶表示装置について，電圧ＯＮ時における反射モードでの配向分割の状態を示しており，(a)は表示装置の正面から見た画素の図面代用写真，(b)は液晶分子３０の配向状態（上段），及び，外光の反射光がセルで遮断されるか（黒）又はセルから戻ってくるか（白）につき，各液晶分子が及ぼす作用を模式的に示す（下段）。(a)の画素の明暗模様から，電圧ＯＮ時の液晶配向が画素の中心に対し同心円状にティルトしていることが分かる。

図７は，実施例の液晶表示装置と同様の構造で，但し，偏光フィルターを前後に設けその内側に円偏光板（λ／４フィルム）をそれぞれ配して作製したセルについて，反射モードでの，電圧ＯＦＦ時とＯＮ時におけるセルによる反射光の遮断の有無を比較した図面代用写真である。電圧ＯＦＦ時には外光からの反射光がセルで遮断され，電圧ＯＮ時には反射光がセルから戻ってくることが確認できる。

図８は，ポールスペーサー１５の先端に対向して設けられる第２の反射層の一例として，凹面を有する多数の反射層を基板表面に形成する工程を模式的に示す。図において，第２の基板１２の表面の透過電極（ＩＴＯ）は省略されている。本工程によれば，第２の基板１２上の透過電極上にレジスト３８を塗布し，第２の反射層の位置に対応したパターニング露光の後，現像し焼成して，反射層の基部を形成し，これに次のレジスト４０を塗布し露光して，基部より厚い樹脂層を基部と基部の間隙に形成し，全体にＡｌを蒸着させた後，後から形成した樹脂層とその上の余分なＡｌ層を除去することにより，作製される。本工程に従って整列した第２の反射層を作製し，中央が窪んだ概略凹形の表面を有する反射層２１が形成さていることを段差計により確認した。

図９は，第２の反射層として，光を散乱させる表面を有する反射層とする場合の例及びその効果を示す，セルの側方から見た模式図である。第２の反射層２１の表面には微細な凹凸が形成されている。図において，バックライト光源からの光は，ポールスペーサー１５を通過した後，第２の反射層２１に当たり，その表面で散乱されて第１の反射層１３の方向へと効率よく導かれる。

なお，上記において使用したＵＶ硬化性レジスト（ＰＲ−２００）は次の方法により調製したものである。
（１）樹脂の合成
内容量が２リットルの５つ口反応容器内に，プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート６８６ｇ，メタクリル酸１３０ｇ，フェニルマレイミド１８２ｇ，アゾビスイソブチロニトリル６．６ｇを加え窒素を吹き込みながら８０℃で６時間加熱し，ポリマー溶液を得た。次に，得られたポリマー溶液に，グリシジルメタクリレート１０７ｇ，メトキノン０．０５ｇ，トリフェニルフォスフィン０．５ｇを加え，空気を吹き込みながら１００℃で２４時間加熱し，ポリマーのＧＭＡ付加物溶液を得た。その重量平均分子量は２１０００であり，その樹脂固形分酸価は１０８であった。
（２）レジストの調製
以下の各成分を混合し，ＵＶ硬化性レジスト（ＰＲ−２００）を得た。
上記樹脂溶液： ２００重量部
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート： １００重量部
イルガキュアー９０７： １５重量部
ＰＧＭＥＡ： ４００重量部

本発明の半透過型液晶表示装置は，バックライト光源からの光と外光の反射光とで液晶層中の光路差に実質的な差が生じず，シングルギャップ構造であるためセルの面積が有効に利用でき，性能の改善された表示装置として有用である。更に，セル構造が単純であるため製造が容易でコスト競争力に優れる。また垂直配向モードでは配向分割が簡単に実現でき，視野角依存性の問題を大きく改善した半透過型液晶表示装置を提供する上でも有用である。

１＝セル
２＝透過部
３＝反射部
４＝偏光フィルター
５＝透明基板
６＝ギャップ調整層
７＝反射層
８＝液晶層
９＝透明基板
１０＝偏光フィルター
１１＝第１のガラス基板
１２＝第２のガラス基板
１３＝第１の反射層
１５＝ポールスペーサー
１９＝透過電極
２１＝第２の反射層
２３＝垂直配向膜
２４＝垂直配向膜，
２６＝液晶層
３０＝液晶分子
３２＝画素
３５＝デッドスペース
３８＝レジスト
４０＝レジスト

Claims (10)

1. 半透過型液晶表示装置であって，各セルにおいて，バックライト光源側の第１の基板と該装置の正面側に位置する第２の基板との間のスぺーサーとして，第１の基板に対し垂直方向に延びる透明のポールスペーサーが，該第１の基板から，該第１の基板上に形成された第１の反射層に開けられたピンホールを貫通して設けられており，該ポールスペーサーがその先端で，該第２の基板を，該第２の基板の内側に形成された透明層に当接して支持しており，第２の基板の内面には，各ポールスペーサーの先端に面する位置に，バックライト光源から該ポールスペーサーを通り該先端から出て該透明層中に入射する光の少なくとも一部を該ポールスペーサーの周囲の第１の反射層に向けて反射させる第２の反射層が設けられており，該第１及び第２の基板の間の間隙に液晶層が充填されていることを特徴とする，装置。
2. 該ポールスペーサの屈折率が，液晶層の屈折率より大である，請求項１の装置。
3. 該ポールスペーサーが各セルの中央に設けられているものである，請求項１又は２の装置。
4. 該第２の反射層の各々が，対向する各ポールスペーサーの先端に向けた弯曲面を有するものである，請求項１ないし３の何れかの装置。
5. 該第２の反射層の各々が，光を散乱させる表面を有するものである，請求項１ないし４の何れかの装置。
6. 該第１の反射層が反射電極である，請求項１ないし５の何れかの装置
7. 該液晶の分子に，電圧オフ時に垂直方向の配向をとらせているものである，請求項１ないし６の何れかの装置。
8. 該第２の反射層が，該第２の基板の内面に形成された透過電極上に形成されているものである，請求項１ないし７の何れかの装置。
9. 該透明層が垂直配向膜である，請求項１ないし８の何れかの装置。
10. 該第１の反射層及び該第１の基板が，垂直配向膜である透明層により覆われているものである，請求項９の装置。