JP2010008770A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
光センサを内蔵したＩＰＳ方式液晶表示装置における不要反射の防止を行うことのできる液晶表示装置を提供すること。
【解決手段】
第一の基板ＳＵ１と、第二の基板ＳＵ２と、第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２間に挟持された液晶層ＬＣＬからなる液晶パネルを有し、液晶パネルの上下に第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２を有し、液晶パネルは独立制御可能な複数の画素を有し、各画素はその中央の主要部に表示部を有し、第一の基板ＳＵ１もしくは第二の基板ＳＵ２間の液晶層ＬＣＬに近接する面上の表示部に一対の画素電極ＰＥと共通電極ＣＥを有し、液晶パネルに光センサＴＦＴ１を内蔵した液晶表示装置において，光センサＴＦＴ１上に液晶層ＬＣＬが存在せず、かつ光センサＴＦＴ１上に位相差層ＲＥを配置し、光センサＴＦＴ１上の位相差層ＲＥと第一の偏光板ＰＬ１が円偏光板として機能する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶表示装置に関するものである。

携帯型情報機器の通信速度が高速化する傾向は、続き、携帯型情報機器に画像情報等を記録するためのメモリを搭載する場合もある。このような変化に伴い、より大容量の画像情報や、よりコマ数の多い動画が携帯型情報機器においても取り扱われるようになる。
そして、インターフェイスである表示装置においても、今まで以上の高画質化と大画面化、更には多機能化が要求される。その一方で、携帯型情報機器が成熟する中でデザインも見直されている。特に、近年、薄型のスマートなデザインが好まれる傾向にあり、これに伴い、表示装置にも薄型化が要求されている。

ＩＰＳ(In-Plane Switching)方式液晶表示装置は、同一基板上に形成した共通電極と画素電極の間に横電界を形成し、これにより液晶層を駆動する。このＩＰＳ方式液晶表示装置においては、電界印加に伴う液晶層の配向変化は液晶層内におけるダイレクタの回転が主になる。
一方、ＶＡ(Vertically Aligned)方式やＥＣＢ(Electrically Controlled Birefringence)方式やＯＣＢ (Optically Compensated Birefringence)方式などにおいては、チルト角の変化が主であるが、ＩＰＳ方式液晶表示装置ではチルト角の変化が少ない。このことにより、ＩＰＳ方式液晶表示装置では電圧印加に伴うリタデーションの実効値の変化が少なく、広い視角範囲において階調再現性に優れた表示が得られるので、高画質化の要求をより満足できる（例えば、特許文献１）。

また、中小型の液晶表示方式に用いられるＶＡ方式ではマルチドメイン化のために平面形状が円の凸構造を用いるが、この時に透過率を向上するため液晶パネルと上下の偏光板との間に四分の一波長板を積層する必要がある。しかし、透過型のＩＰＳ方式液晶表示装置では四分の一波長板を必要としないことから、薄型化の要求をより満足することができる。
特開２００６−３２３１９９号公報

限られた大きさの携帯型情報機器において、表示装置を大画面化すると、その分、操作部の面積が減少する。この表示装置の大画面化と、操作性の低下を招くことなく操作性を維持するという２つの点の両立を図るためには、タッチパネル等の入力装置を表示装置に組み込む必要がある。あるいは、また、近年の多機能化に伴い、スキャナ機能や認証機能を付加機能として、表示装置に組み込むことが要求されている。

これらの機能のうち、表示装置に組み込むタッチパネルの入力装置には、容量結合方式や抵抗検出方式が挙げられる。しかし、この何れも液晶パネルとは別にタッチパネルのための透明基板対を用いることになる。このため厚さの増大を招いてしまうという問題がある。また、これらの透明基板対は、液晶パネルの表示面上に積層する構成のため、屈折率差による不要反射が発生して表示特性が損なわれるという問題がある。

高画質と多機能化、更には薄型化を両立する手段として、表示装置への光センサの内蔵が挙げられる。液晶駆動に用いる薄膜トランジスタのチャネル部に用いられているアモルファスシリコンや多結晶シリコンは、光導電性有するため、これを光センサに利用することができる。
すなわち、薄膜トランジスタを形成する工程で、これと同一面内に光センサを同時に形成する。これにより、透明基板対を追加することなく光センサを組み込むことができる。

携帯型情報機器は、可搬な構成となっているため屋外でも使用する。ところが、屋外では太陽光が液晶パネルに入射する。この液晶パネルに入射する太陽光が不要反射になればコントラスト比等が低下し、表示特性を著しく損なうことになる。
この不要反射の発生を防止するため、従来の液晶表示装置にあっては、高反射率の各種配線やアモルファスシリコン、多結晶シリコンをブラックマスク等の光吸収性の層で被覆していた。
ところが、アモルファスシリコンや多結晶シリコンを光センサに用いる場合には、これらを遮光すれば光が到達しなくなり光センサの機能が失われてしまう。 このようなことから、従来のＩＰＳ方式液晶表示装置にあっては、薄型軽量、屋外視認性と光センサ機能を同時に実現することができなかった。

本発明は、光センサを内蔵したＩＰＳ方式液晶表示装置における不要反射の防止を行うことのできる液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る液晶表示装置は、第一の基板と、第二の基板と、前記第一の基板と第二の基板間に挟持された液晶層からなる液晶パネルを有し、前記液晶パネルの上下に第一の偏光板と第二の偏光板を有し、前記液晶パネルは独立制御可能な複数の画素を有し、前記各画素はその中央の主要部に表示部を有し、前記第一の基板もしくは前記第二の基板間の液晶層に近接する面上の前記表示部に一対の画素電極と共通電極を有し、前記液晶パネルに光センサを内蔵した液晶表示装置において，前記光センサ上に前記液晶層を配置せずに光学等方性の柱状構造を配置して、かつ前記光センサ上に位相差層を配置し、前記光センサ上の位相差層と前記第一の偏光板が円偏光板として機能するようにしたものである。

本発明によれば、光センサを内蔵したＩＰＳ方式液晶表示装置において光センサの機能を保持しながら不要反射を防止することができる。更には、ＩＰＳ方式液晶表示装置に特有の高画質表示と薄型軽量、付加機能による多機能性を両立さらることができる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

本発明に係る液晶表示装置の第１実施例について図１〜図６を用いて説明する。図１には、実施例１の液晶表示装置の画素と光センサを含む断面図が、図２には、実施例１の液晶表示装置の画素における各種電極、配線の分布を示す平面図が、図３には、実施例１の液晶表示装置の画素における各種電極、配線の分布を示す平面図が、図４には、実施例１の液晶表示装置の画素と光センサ、カラーフィルタ、ポストスペーサと位相差層の分布を示す平面図が、図５には、実施例１の液晶表示装置の画素と光センサ、カラーフィルタ、ポストスペーサと位相差層の分布を示す平面図が、図６には位相差層の形成過程を示す図がそれぞれ示されている。

図１には、本発明に係る液晶表示装置の画素と光センサをそれぞれ１つ含む断面が模式的に示されている。
図１に図示の切断面Ｓ１，Ｓ２は、平面図である図２に示されている。本発明に係る液晶表示装置は、主に第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２と液晶層ＬＣＬからなり、第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２は液晶層ＬＣＬを狭持する。
第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２は、液晶層ＬＣＬに近接する面上に液晶層ＬＣＬの配向状態を安定化するための配向膜を備えている。また、第二の基板ＳＵ２の液晶層ＬＣＬに近接する面上には、液晶層ＬＣＬに電圧を印加するための手段と光センサを備えている。

図４は、画素と光センサＴＦＴの平面分布の一例を示す平面図である。光センサＴＦＴＴＦＴ２は赤色、緑色、青色の各表示色に対応した画素がつくる列の間に、３つの画素に対して１つの割合で分布している。
図２は、図４中に示した各色のカラーフィルタＣＦに対応する３つの画素（赤表示画素ＲＰ，緑表示画素ＧＰ，青表示画素ＢＰ）と１つの光センサＴＦＴＴＦＴ２を含む部分を拡大して示してある。

第一の基板ＳＵ１は厚さ約０．４ｍｍのホウケイサンガラス製であり、画素に対応する部分に着目すると、液晶層ＬＣＬに近接する側より第一の配向膜ＡＬ１、保護膜ＰＬ、内蔵位相差層配向膜、平坦化膜ＬＬ、カラーフィルタＣＦ、ブラックマトリクスＢＭが順次積層されている。
第一の配向膜ＡＬ１と内蔵位相差層配向膜は、ポリイミド系の有機高分子膜であり、ラビング法で配向処理されており、近接する液晶層ＬＣＬに約１．５度のプレチルト角を付与する水平配向膜である。平坦化膜ＬＬと保護膜ＰＬはアクリル系樹脂であり、透明性に優れ、下地の凹凸を平坦化すると共に溶液の浸透を防止する機能を有する。カラーフィルタＣＦは赤色、緑色、青色を呈する顔料を含むレジストからなる。

図１中では、光電荷蓄積容量ＰＣＰ、光センサＴＦＴＴＦＴ２(Thin Film Transistor)、光センサ読出しＴＦＴＴＦＴ３が光センサの構成要素に相当する。このうち光センサＴＦＴＴＦＴ２は外光を受光して電荷に変換する機能を有するため、少なくとも光センサＴＦＴＴＦＴ２の上部は光透過性でなければならず、ブラックマトリクスＢＭが存在してはならない。また、光センサＴＦＴＴＦＴ２の感度を向上するため光センサＴＦＴＴＦＴ２の上部はより高透過率でなければならず、カラーフィルタＣＦは除去している。

第一の基板ＳＵ１の光センサＴＦＴＴＦＴ２に対応する部分に着目すると、液晶層ＬＣＬに近接する側より第一の配向膜ＡＬ１、保護膜ＰＬ、位相差層ＲＥ、位相差層配向膜ＡＬＲ、平坦化膜ＬＬが順次積層されている。このうち位相差層ＲＥは、後述するようにジアクリル系液晶混合物を光重合して形成される。

その他、第一の基板ＳＵ１の画素境界部に対応する部分に着目すると、第一の基板ＳＵ１に最も近接する側にブラックマトリクスＢＭを有する。ブラックマトリクスＢＭは黒色顔料を含むレジストからなる。図４にも示したように、位相差層ＲＥは光センサを中心に分布し、画素には分布しない。
一方、カラーフィルタＣＦはこれとは逆で、画素を中心に分布し、光センサには分布しない。

図６には、位相差層ＲＥの形成プロセスを示す模式図が示されており、図６においては、簡単のため第一の基板ＳＵ１上の平坦化層ＬＬは省略してある。
図６（ａ）は、位相差層配向膜ＡＬＲをラビング法（図中、ＲＵＬは、ラビングロールを示している）により配向処理している状態である。位相差層ＲＥのもとになる材料はジアクリル系液晶混合物であり、これを光反応開始剤とともに有機溶媒に溶かして、スピンコート若しくは印刷等の手段で位相差層配向膜ＡＬＲ上に塗布する。
塗布直後は、溶液状態であるが、溶媒蒸発後には図６（ｂ）に示したようにジアクリル系液晶混合物がホモジニアス配向状態となり、その配向方向は位相差層配向膜ＡＬＲの配向処理方向になる。図６（ｂ）中、ＲＥ’は、完成前の位相差層を示している。

次に、図６（ｃ）に示すようにフォトマスクを用いて選択部分上にマスク露光部を重畳して、その他の部分にマスク非露光部を重畳して、選択部分上にのみ紫外光を照射する。
紫外光を照射した部分では、ジアクリル系液晶分子末端のアクリル基同士が重合反応して高分子化し、有機溶媒に対する溶解性が低下する。図６（ｃ）中、ＬＥＰは、マスク露光部を、ＮＥＰは、マスク非露光部をそれぞれ示している。
図６（ｄ）は、これを有機溶媒により現像した状態であり、光照射部にのみ位相差層ＲＥが残留する。
このようにして、光センサＴＦＴＴＦＴ２が存在する部分にのみ選択的に位相差層ＲＥを形成する。

位相差層ＲＥのリタデーションは視感度が最大となる波長５５０ｎｍにおいて１３７ｎｍであり、位相差層ＲＥの遅相軸は、後述する液晶層ＬＣＬの配向方向に対して４５度とした。
位相差層ＲＥの遅相軸はこの場合ジアクリル系液晶混合物の配向方向になり、位相差層配向膜ＡＬＲのラビング方向で定められる。液晶層ＬＣＬの配向方向は、上側偏光板の吸収軸に平行であるため、位相差層ＲＥの遅相軸は、上側偏光板の吸収軸と４５度をなし、上側偏光板と位相差層ＲＥの組合せは円偏光板として作用する。

第二の基板ＳＵ２は、第一の基板ＳＵ１と同様にホウケイサンガラス製であり、液晶層ＬＣＬに近接する側より順に、主に第二の配向膜ＡＬ２、画素電極ＰＥ、層間絶縁膜ＰＣＩＬ、共通電極ＣＥ、画素書込みＴＦＴＴＦＴ１、走査配線、信号配線を備えている。
第二の配向膜ＡＬ２は、第一の配向膜ＡＬ１と同様の水平配向膜である。画素電極ＰＥと共通電極ＣＥはいずれも透明性と導電性に優れたＩＴＯ(Indium Tin Oxide)であり、層厚は８０ｎｍである。両者は窒化珪素（ＳｉＮ）製の層間絶縁膜ＰＣＩＬによって隔たれており、層間絶縁膜ＰＣＩＬの層厚は３００ｎｍである。画素電極ＰＥの平面形状は、画素端部において結合された櫛歯状であるのに対し、共通電極ＣＥは、画素の透明部分においてベタ平面状である。

このように画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとを層間絶縁膜ＰＣＩＬで隔て、かつ層間絶縁膜ＰＣＩＬの膜厚を十分に薄くすることにより、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥの間にアーチ状の電気力線が形成される。
この時、電気力線は、層間絶縁膜ＰＣＩＬを貫いて主に液晶層ＬＣＬ中に分布し、なおかつ基板平面に対して平行な成分を有する横電界を形成する。これにより、電圧印加時において液晶配向方向が主に層平面内で回転するように変化する、ＩＰＳ方式に特有の配向変化を与える。

また、図１に示したように、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥが重畳する部分が多数存在するが、この部分は、液晶層ＬＣＬに対して並列に結合しているため、保持期間中に液晶層ＬＣＬに印加される電圧値を一定に保つ透明保持容量として機能する。保持容量が透明でかつ保持容量上の液晶層ＬＣＬも駆動できることから、高開口率と保持特性が同時に得られる。

なお、図２において、スリット構造の方向は、画素内において一様であり、走査配線方向を０度とし、方位角を反時計回りに定義すると、各ストライプ構造の方向は−７．５度であり、液晶配向方向は０度である。
図５は、これとは異なるスリット構造の例を２つ示しており、スリット構造の方向の角度が７．５度である領域と、−７．５度である領域が画素内にほぼ一対一の面積比で存在する。
２領域では電圧印加時における液晶配向方向の回転方向が互いに異なり、すなわち一方において時計回りであれば、他方において反時計回りである。各領域は、明表示が黄色い着色を示す視角方向と、水色の着色を示す視角方向とをそれぞれ有するが、両者が同時に観察されて相殺される効果が得られる。その結果、視角方向においてより無着色の表示が得られる。

図２に示したように信号配線と走査配線は、互いに交差しており、交差部の近傍には、それぞれ画素書込みＴＦＴＴＦＴ１を有し、画素電極ＰＥと１対１に対応している。画素電極ＰＥには、画素書込みＴＦＴＴＦＴ１とコンタクトホールＣＨを介して信号配線より画像信号に対応した電位が付与される。
また、画素書込みＴＦＴＴＦＴ１の動作は走査配線の走査信号により制御される。画素書込みＴＦＴＴＦＴ１のチャネル部は、アモルファスシリコン層からなる。あるいはまた、より移動度の高いポリシリコン層で形成しても良い。
チャネル部は、チャネル部無機絶縁膜ＣＩＬ１で被覆することにより動作を安定化し、かつチャネル部有機絶縁膜ＣＩＬ２により凹凸を平坦化し、かつ寄生容量を低減する。各画素電極ＰＥは、長方形状で互いに独立に制御され、かつ第二の基板ＳＵ２上に格子状に配置されている。画素電極ＰＥは、スルーホール部において画素書込みＴＦＴＴＦＴ１に接続している。

液晶層ＬＣＬには、室温を含む広い温度範囲でネマチック相を示し、誘電率異方性が正で高抵抗の液晶材料を用いる。画素書込みＴＦＴＴＦＴ１がオフとなる保持期間中における電圧低下が十分に少なく、フリッカの発生を防ぐことができる。

第一の配向膜ＡＬ１と第二の配向膜ＡＬ２にラビング法で配向処理を施した後、第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２を組み立てる。第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２の間のギャップは、第一の基板ＳＵ１側に配置したポストスペーサＰＳによって均一に維持される。
図４に示すようにポストスペーサＰＳは、概略円柱状であり、画素間に分布しており、特に光センサＴＦＴＴＦＴ２に対応する部分には、必ず分布している。第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２の間のギャップに液晶材料を真空封入して、前述の液晶層ＬＣＬとする。液晶層ＬＣＬはホモジニアス配向で、その配向方向は走査配線に対して７．５度をなす。電圧印加時の電界方向と配向方向のなす角度が８２．５度と大きいため、電圧印加時において充分に大きな液晶層ＬＣＬの配向変化が得られる。

第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２の外側には第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２を配置しており、第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２はヨウ素系色素を含み、その２色性により自然光を高偏光度の直線偏光に変換する。第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２の吸収軸はその平面法線方向から観察して互いに直交しており、かつ第一の偏光板ＰＬ１の吸収軸は液晶配向方向に平行である。

光センサについては、Willen den Boerらの非特許文献であるＳＩＤ ０３ ＤＩＧＥＳＴ 1494〜1497頁に記載されている方式を用いた。すなわち、光センサを主に光センサバイアス配線ＰＢＬ、光電荷読み出し配線、光センサＴＦＴＴＦＴ２、光電荷蓄積容量ＰＣＰ、光センサ読み出しＴＦＴＴＦＴ３で構成する。
このうちの光センサＴＦＴＴＦＴ２のソース線とゲート線を光センサバイアス配線ＰＢＬに接続し、そのチャネル部のアモルファスシリコン層に電圧を印加する。光センサＴＦＴＴＦＴ２のアモルファスシリコン層に照射された光の一部は、電荷に変換され、照射光量に応じた電荷が生じる。これを光センサＴＦＴＴＦＴ２のドレイン線側に接続した光電荷蓄積容量ＰＣＰに蓄積する。
光電荷蓄積容量ＰＣＰには光センサ読み出しＴＦＴＴＦＴ３が接続されており、これを走査することにより蓄積された電荷を光電荷読み出し配線より一定周期で読み出して、液晶パネル上に照射される光量分布を計測する。これより使用者の指や入力ペンの位置とその変化を検出して、入力信号に変換する。

光センサを応用した追加機能としては、タッチパネルの他にもスキャナや指紋認証装置が考えられる。図４に示したように光センサと画素は液晶パネル上の面積を分け合うため、用途に応じて必要充分な密度で光センサを配置すれば付加機能と透過率を両立できる。
例えば、指紋認証装置の場合には図４に示したように全ての画素列に隣り合うように配置すれば、画素と同等の精細度が得られる。タッチパネル用途であれば光センサの配置は画素よりもかなり疎であってもよく、図５に示したように画素列に対して二列おきに配置しても良い。この場合、光センサのない部分にも図４と同じようにポストスペーサＰＳを配置すれば、ポストスペーサＰＳの分布が疎にならず、液晶層厚が均一に保持される。

光検出用ＴＦＴでは、チャネル部のアモルファスシリコン層とこれに接続されたソース配線とドレイン配線がブラックマトリクスＢＭで被覆されずに露出している。光検出用ＴＦＴと上側偏光板の間には位相差層ＲＥがあり、前述のようにその遅相軸は上側偏光板の吸収軸に対して４５度をなし、かつそのΔｎｄは約１３７ｎｍである。

そのため、位相差層ＲＥを通過した時点で透過光は、円偏光に変換される。また、光検出用ＴＦＴと位相差層ＲＥの間には、光学等方性のポストスペーサＰＳがあり、液晶層ＬＣＬが存在しないため、位相差層ＲＥで作られた円偏光はそのままの偏光状態を保って光検出用ＴＦＴのアモルファスシリコン層に入射する。そのうちの一部は、アモルファスシリコン層に吸収されて前述のように電荷に変換されるが、大部分は反射されて逆回転の円偏光になり再び位相差層ＲＥと上側偏光板に向かう。

また、アモルファスシリコン層に接続されたソース線、ドレイン線においても同様にして反射が生じる。位相差層ＲＥを通過した時点において、透過光の偏光状態は直線偏光に変換される。かつその振動方向は上側偏光板の吸収軸に平行であるため、上側偏光板によりほぼ完全に吸収されて使用者側には到達しない。このようにして、光センサの機能を保ちながら不要反射を低減することができる。

以上により、ＩＰＳ方式特有の広い視角範囲において高コントラストで階調再現性に優れた高画質の透過表示を示し、光センサによる入力機能を備え、かつ屋外での視認性に優れた薄型の液晶表示装置が得られた。

本実施例の液晶表示装置の画素と光センサをそれぞれ１つ含む断面が図７に模式的に示されている。図１に示した実施例１の断面図に比較して、光センサＴＦＴＴＦＴ２上のポストスペーサＰＳを除き、光センサＴＦＴＴＦＴ２上にも液晶層ＬＣＬを配置した構成とした。また、本実施例では、位相差層ＲＥと液晶層ＬＣＬを合わせて１／４波長板として機能するようにした。具体的には、第一の基板ＳＵ１側に段差形成層ＳＴＬを配置し、これにより光センサＴＦＴＴＦＴ２上の液晶層厚を調節してそのΔｎｄを約１３７ｎｍに設定した。また、位相差層ＲＥのΔｎｄが約２７５ｎｍに設定した。

すなわち、液晶層ＬＣＬと位相差層ＲＥの組合せが広帯域の１／４波長板として作用するように両者のΔｎｄと遅相軸方位角を設定する。この場合には、液晶層ＬＣＬと位相差層ＲＥの有するΔｎｄの波長依存性が補償されて、より広い波長域で１／４波長板として作用するので、少なくとも基板法線方向での反射率がより低減する効果が得られる。

液晶層ＬＣＬと位相差層ＲＥを広帯域１／４波長板として用いることによりΔｎｄの総和が増大し、反射特性の視角依存性が増大する。すなわち、基板法線方向に対して傾いた方向での反射率が増大する。
しかし、光センサＴＦＴＴＦＴ２のアモルファスシリコン層は反射表示に用いる拡散反射板と異なり光拡散性を有しない。この場合、基板法線方向における反射低減が重要になるため、反射特性の視角依存性増大による悪影響はほとんどない。

画素電極ＰＥ上と光センサＴＦＴＴＦＴ２上において液晶層ＬＣＬの配向方向を同一にした方が配向プロセスを簡略化できるのでより好ましい。この場合には、液晶層ＬＣＬの方位角が定まるので、位相差層ＲＥの方位角も定まる。具体的には、液晶層ＬＣＬの配向方向を方位角０度とすると、位相差層ＲＥの遅相軸方位角は、±６２．５度にすれば液晶層ＬＣＬと位相差層ＲＥの組合せが広帯域の１／４波長板として機能する。

本実施例における画素と光センサ、ポストスペーサＰＳと位相差層ＲＥ、段差形成層ＳＴＬの平面分布が図８に示されている。
位相差層ＲＥと段差形成層ＳＴＬは、画素列の間に帯状に分布し、位相差層ＲＥと段差形成層ＳＴＬの分布は重なり合っている。位相差層ＲＥの分布は、光センサを含み、かつ画素にははみ出ない。これにより、光センサにおける不要反射を防止しながら、かつ暗室など外光が存在しない環境下での表示画質の低下は生じない。
ポストスペーサＰＳは、光センサの間に配置したことにより、光センサ上に液晶層ＬＣＬを分布させ、前記のような広帯域１／４波長板の構成要素として活用している。

以上により、不要反射をより低減して実施例１よりも更に屋外視認性を向上できる。

本実施例の液晶表示装置の画素と光センサをそれぞれ１つ含む断面が図９に模式的に示されている。本実施例では、実施例１の液晶表示装置から光センサＴＦＴＴＦＴ２上のポストスペーサＰＳと位相差層ＲＥを除き、光センサＴＦＴＴＦＴ２上にも液晶層ＬＣＬを配置した。位相差層ＲＥを除いたことに伴い、位相差層配向膜ＡＬＲと保護膜ＰＬも除いた。本実施例では位相差層ＲＥの代わりに液晶層ＬＣＬにこれと同等の機能を付与した。

具体的には、第一の基板ＳＵ１側に段差形成層ＳＴＬを配置し、これにより光センサＴＦＴＴＦＴ２上の液晶層厚を調節してそのΔｎｄが約１３７ｎｍになるようにした。また、光センサＴＦＴＴＦＴ２上は配向方向変更部に含まれるようにした。すなわち、液晶層ＬＣＬの配向状態は、画素電極ＰＥ上と同様にホモジニアス配向としたが、その配向方向を画素電極ＰＥ上とは異なる方向にし、上側偏光板の吸収軸に対して４５度をなすようにした。具体的には、光センサＴＦＴＴＦＴ２上の第一の配向膜ＡＬ１を第一の配向膜配向方向変更部ＡＬＣ１とし、光センサＴＦＴＴＦＴ２上の第二の配向膜ＡＬ２を第二の配向膜配向方向変更部ＡＬＣ２とする。

第一の配向膜配向方向変更部ＡＬＣ１および第二の配向膜配向方向変更部ＡＬＣ２を形成するためには、マスクラビングを用いても良い。すなわち、水平配向性のポリイミド配向膜を塗布焼成した後、画素電極ＰＥ上を開口部とし光センサＴＦＴＴＦＴ２上を被覆するマスクを積層して一回目の配向処理を行った。

その後、これとは逆に光センサＴＦＴＴＦＴ２上を開口部とし画素電極ＰＥ上を被覆するマスクを積層して二回目の配向処理を行った。一回目の配向処理では配向方向が上側偏光板の吸収軸に対して平行になるようにラビング処理を行い、二回目の配向処理では上側偏光板の吸収軸に対して４５度をなすようにラビング処理を行った。

あるいはまた、配向膜に光配向膜を用いても良い。光配向膜とは、偏光照射で配向処理する配向膜であり、偏光方向の平行方向、若しくは垂直方向に液晶層ＬＣＬを配向させる機能を有する。上記のマスクラビングと同様にマスクを積層しながら配向処理するが、この場合にマスクの開口部は照射光の波長において透明であればよい。一回目の配向処理では上側偏光板の吸収軸に対して振動方向が平行な偏光を照射し、二回目の配向処理では上側偏光板の吸収軸に対して振動方向が４５度をなす偏光を照射した。

光センサ上とその近傍には、液晶層ＬＣＬに電界を印加するための手段を配置しない。また、光センサのアモルファスシリコンに生じる電荷は、充分に弱く、その影響は絶縁膜により遮蔽される。そのため、画像表示時と光センサ動作時のいずれにおいても液晶層ＬＣＬの配向が変化せず、１／４波長板としての機能が常に保持される。

本実施例における画素と光センサ、ポストスペーサＰＳと位相差層ＲＥ、段差形成層ＳＴＬの平面分布が図１０に示されている。配向方向偏光部と段差形成層ＳＴＬは、画素列の間に帯状に分布し、配向方向偏光部と段差形成層ＳＴＬの分布は重なり合っている。配向方向偏光部の分布は光センサを含み、かつ画素にははみ出ない。

これにより、光センサにおける不要反射を防止しながら、かつ暗室など外光が存在しない環境下での表示画質の低下は生じない。ポストスペーサＰＳは光センサの間に配置したことにより、光センサ上に液晶層ＬＣＬを分布させ、前記のような広帯域１／４波長板の構成要素として活用している。
この場合にも、高画質の透過表示と光センサによる入力機能を備えた、屋外視認性に優れた薄型の液晶表示装置が得られる。

本実施例の液晶表示装置の画素と光センサをそれぞれ１つ含む断面が図１１に模式的に示されている。図１１の切断面Ｓ１，Ｓ２は、平面図である図１２に記載してある。本実施例では、液晶層ＬＣＬの配向状態を垂直配向に、液晶材料を誘電率異方性が負のネマチック液晶にし、第一の基板ＳＵ１側に共通電極ＣＥ、第二の基板ＳＵ２側に画素電極ＰＥを配置して、基板法線方向に電圧を印加する縦電界で液晶層ＬＣＬを駆動した。

これに伴い、第一の配向膜ＡＬ１と第二の配向膜ＡＬ２を垂直配向膜に変更し、配向処理工程を省略した。また、実施例１の液晶表示装置では光センサＴＦＴＴＦＴ２の分布に対応するようにして液晶層ＬＣＬの内側に位相差層ＲＥを形成したが、本実施例では、これを除いた。位相差層ＲＥを除いたことに伴い、位相差層配向膜ＡＬＲと保護膜ＰＬも除いた。第一の基板ＳＵ１と第一の偏光板ＰＬ１の間に第一の外側位相差層ＲＥ１を積層し、第二の基板ＳＵ２と第二の偏光板ＰＬ２の間に第二の外側位相差層ＲＥ２を積層した。

第一の外側位相差層ＲＥ１と第二の外側位相差層ＲＥ２はいずれもΔｎｄが１３７ｎｍであり、かつシクロオレフィン系高分子膜からなる。シクロオレフィン系高分子膜は、複屈折の波長分散が小さく反射暗表示の着色が比較的少ない、光弾性が小さいため複屈折値が面内で均一になりやすいなどの特徴を有する。第一の外側位相差層ＲＥ１と第二の外側位相差層ＲＥ２の遅相軸は互いに直交し、かつ第一の外側位相差層ＲＥ１の遅相軸は第一の偏光板ＰＬ１の吸収軸に対し４５度をなし、第二の外側位相差層ＲＥ２の遅相軸は第二の偏光板ＰＬ２の吸収軸に対し４５度をなす。

さらに、本実施例では、一画素を反射表示部と透過表示部に面積分割し、反射表示部の画素電極ＰＥはアルミニウム製で高反射率の反射画素電極ＲＰＥＬとし、透過表示部の画素電極ＰＥは、ＩＴＯ製で光透過性の透過画素電極ＴＰＥＬとした。透過画素電極ＴＰＥＬは、反射表示部にも分布して、反射画素電極ＲＰＥＬは、透過画素電極ＴＰＥＬに重畳しており、両者はオーミック接合されて同電位になっている。

反射画素電極ＲＰＥＬは、透過画素電極ＴＰＥＬを介してチャネル部有機絶縁膜ＣＩＬ２に近接しているが、反射表示部に位置するチャネル部有機絶縁膜ＣＩＬ２の表面には、コンタクトホールＣＨ形成時に凹凸を同時に形成しており、これにより反射画素電極ＲＰＥＬ表面に滑らかな凹凸を付与している。

凹凸の内の凸形状ＰＴは概略円形で、その直径は約５μｍ、高さは約０．５μｍであり、外部からの光を拡散反射して光源との位置関係が変化しても輝度変化の比較的少ない高品位の反射表示が得られる。反射表示部には段差形成層ＳＴＬを配置して、反射表示部における液晶層ＬＣＬの厚さを透過表示部の約半分にした。

透過表示部と反射表示部の境界には、共通配線ＣＬを配置し、共通配線ＣＬは、走査配線と同層に形成した。共通配線ＣＬと反射画素電極ＲＰＥＬの間に保持容量を形成し、電圧保持期間における液晶印加電圧の降下を低減した。透過表示部の中央には、第一の基板ＳＵ１側に配向制御突起ＡＬＣを配置した。

配向制御突起ＡＬＣは、有機絶縁膜を溶融固化して形成しており、溶融時の表面張力により断面形状が二次曲面状である。配向制御突起ＡＬＣは、近接する液晶層ＬＣＬを垂直配向から僅かに傾斜させ、この時の傾斜方向は、図１２に示した配向制御突起ＡＬＣの平面形状の法線方向になる。垂直配向の液晶層ＬＣＬに縦電界を印加すると液晶層ＬＣＬのチルト角が減少するが、この時の方位角は配向制御突起ＡＬＣにより定められた傾斜方向に定まる。

透過表示部の中央に平面形状が楕円状の配向制御突起ＡＬＣを配置したことにより、上下左右方向に概略均等に液晶層ＬＣＬの傾斜が生じる。これにより上方向に傾斜した液晶層ＬＣＬと下方向に傾斜した液晶層ＬＣＬの視角特性が相殺され、右方向と左方向、その他の斜め方向でも同様にして液晶層ＬＣＬの視角特性が相殺されることにより、視角特性が向上する。

電圧無印加時に液晶層ＬＣＬは、垂直配向であるため、少なくとも基板法線方向では、光学等方性であり、第一の外側位相差層ＲＥ１と第二の外側位相差層ＲＥ２のΔｎｄは、互いに等しく、かつ遅相軸は直交しているので両者の光学異方性は相殺する。
そのため、電圧無印加時に透過率は、極小になり、電圧印加して液晶層ＬＣＬが傾斜すると透過率が増大する。以上により、実施例１から実施例３までのＩＰＳ方式液晶表示装置と同様に、電圧無印加時に暗表示、電圧印加時に明表示を行うノーマリークローズ型の印加電圧―透過率特性が得られる。

また、反射表示部においても電圧無印加時に液晶層ＬＣＬは光学等方性であり、第一の外側位相差層ＲＥ１のΔｎｄが１３７ｎｍであり、その遅相軸は第一の偏光板ＰＬ１の吸収軸に対して４５度をなす。これは実施例１における光センサＴＦＴＴＦＴ２上の構成と同様であり、すなわち、本実施例の液晶層ＬＣＬが実施例１のポストスペーサＰＳに、本実施例の第一の外側位相差層ＲＥ１が実施例１の位相差層ＲＥにそれぞれ相当する。実施例１と同様にして電圧無印加時の反射率が極小になり、電圧印加して液晶層ＬＣＬが傾斜すると反射率が増大する。以上により、反射表示部においても透過表示部と同様にノーマリークローズ型の印加電圧―透過率特性が得られる。

本実施例の光センサは、反射表示部に近接するため、反射表示部上に形成した段差形成層ＳＴＬを光センサＴＦＴＴＦＴ２上にまで延長しており、かつその上にポストスペーサＰＳを配置している。本実施例の光センサＴＦＴＴＦＴ２上においても第一の外側位相差層ＲＥ１が実施例１の位相差層ＲＥと同じ機能を示し、光センサＴＦＴＴＦＴ２による外光反射を防止する。

ポストスペーサＰＳは、液晶層ＬＣＬの厚さを表示面の全域で均一にするために必須である。ポストスペーサＰＳは、第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２のそれぞれの最上層に接するように分布するため、ポストスペーサＰＳがある部分では、液晶層ＬＣＬが排除されて表示ができない。そのため、ポストスペーサＰＳは開口率を低下させる。同じく光センサも表示には寄与しないため開口率を低下させるので、光センサを画素間に配置する場合には、本実施例のようにポストスペーサＰＳを光センサ上に配置すれば開口率の低下を最小限に抑えることができる。

特に図４に示したように光センサが画素間に密に存在する場合には、ポストスペーサＰＳを光センサ上に配置するだけで表示部の液晶層厚を均一化できる。さらには、本実施例のように液晶層ＬＣＬが垂直配向であれば、少なくとも基板法線方向においてポストスペーサＰＳ、段差形成層ＳＴＬと同様に光学等方性であるため、第一の外側位相板により光センサにおける外光反射を低減できる。

本発明の表示装置を携帯電話等のモバイル機器のインターフェイスに用いれば、厚さを増大することなくタッチパネルやスキャナや指紋認証装置などの機能を付加でき、これと同時に不要反射がなく屋外視認性に優れた高画質の表示が得られる。

実施例１の液晶表示装置の画素と光センサを含む断面図である。 実施例１の液晶表示装置の画素における各種電極、配線の分布を示す平面図である。 実施例１の液晶表示装置の画素における各種電極、配線の分布を示す平面図である。 実施例１の液晶表示装置の画素と光センサ、カラーフィルタ、ポストスペーサと位相差層の分布を示す平面図である。 実施例１の液晶表示装置の画素と光センサ、カラーフィルタ、ポストスペーサと位相差層の分布を示す平面図である。 位相差層の形成過程を示す図である。 実施例２の液晶表示装置の画素と光センサを含む断面図である。 実施例２の液晶表示装置の画素と光センサ、カラーフィルタ、ポストスペーサと位相差層の分布を示す平面図である。 実施例３の液晶表示装置の画素と光センサを含む断面図である。 実施例３の液晶表示装置の画素と光センサ、カラーフィルタ、ポストスペーサと位相差層の分布を示す平面図である。 実施例４の液晶表示装置の画素と光センサを含む断面図である。 実施例４の液晶表示装置の画素における各種電極、配線の分布を示す平面図である。

符号の説明

ＰＬ１：第一の偏光板、 ＰＬ２：第二の偏光板、ＳＵ１：第一の基板、ＳＵ２：第二の基板、ＬＬ：平坦化層、ＡＬ１：第一の配向膜、ＡＬ２：第二の配向膜、ＡＬＲ：位相差層配向膜、ＬＣＬ：液晶層、ＲＥ：位相差層、ＰＳ：ポストスペーサ、ＧＬ：画素走査配線、ＰＢＬ：光センサバイアス配線、ＲＬ：光センサ読出し配線、ＣＥ：共通電極、ＰＥ：画素電極、ＣＦ：カラーフィルタ、ＢＭ：ブラックマトリクスＢＭ、ＬＬ：平坦化膜、ＰＬ：保護膜、ＰＣＩＬ：層間絶縁膜、ＣＩＬ１：チャネル部無機絶縁膜、ＣＩＬ２：チャネル部有機絶縁膜、ＧＩＬ：走査配線絶縁膜、ＰＣＰ：光電荷蓄積容量、ＴＦＴ１：画素書込みＴＦＴ、ＴＦＴ２：光センサＴＦＴ、ＴＦＴ３：光センサ読出しＴＦＴ、ＣＨ：コンタクトホール、ＲＰ：赤表示画素、ＧＰ：緑表示画素、ＢＰ：青表示画素、ＲＵＬ：ラビングロール、ＲＥ′：完成前の位相差層、ＬＥＰ：マスク露光部、ＮＥＥＰ：マスク非露光部、ＳＴＬ：段差形成層、ＡＬＣ１：第一の配向膜配向方向変更部、ＡＬＣ２：第二の配向膜配向方向変更部、ＲＥ１：第一の外側位相差層、 ＲＥ２：第二の外側位相差層、ＡＬＣ：配向制御突起、ＲＰＥＬ：反射画素電極、ＴＰＥＬ：透過画素電極、ＣＬ：共通配線、ＰＴ：凸形状

Claims (13)

1. 第一の基板と、第二の基板と、前記第一の基板と第二の基板間に挟持された液晶層からなる液晶パネルを有し、前記液晶パネルの上下に第一の偏光板と第二の偏光板を有し、前記液晶パネルは独立制御可能な複数の画素を有し、前記各画素はその中央の主要部に表示部を有し、前記第一の基板もしくは前記第二の基板間の液晶層に近接する面上の前記表示部に一対の画素電極と共通電極を有し、前記液晶パネルに光センサを内蔵した液晶表示装置において，
   前記光センサ上に前記液晶層が存在せず、かつ前記光センサ上に位相差層を配置し、前記光センサ上の位相差層と前記第一の偏光板が円偏光板として機能する
   ことを特徴とする液晶表示装置。
2. 第一の基板と、第二の基板と、前記第一の基板と第二の基板間に挟持された液晶層からなる液晶パネルを有し、前記液晶パネルの上下に第一の偏光板と第二の偏光板を有し、前記液晶パネルは独立制御可能な複数の画素を有し、前記各画素はその中央の主要部に表示部を有し、前記第一の基板もしくは前記第二の基板間の液晶層に近接する面上の前記表示部に一対の画素電極と共通電極を有し、前記液晶パネルに光センサを内蔵した液晶表示装置において，
   前記光センサ上の前記液晶層と前記第一の偏光板が円偏光板として機能する
   ことを特徴とする液晶表示装置。
3. 第一の基板と、第二の基板と、前記第一の基板と第二の基板間に挟持された液晶層からなる液晶パネルを有し、前記液晶パネルの上下に第一の偏光板と第二の偏光板を有し、前記液晶パネルは独立制御可能な複数の画素を有し、前記各画素はその中央の主要部に表示部を有し、前記第一の基板もしくは前記第二の基板間の液晶層に近接する面上の前記表示部に一対の画素電極と共通電極を有し、前記液晶パネルに光センサを内蔵した液晶表示装置において，
   前記光センサ上に位相差層を配置し、前記光センサ上の液晶層と前記位相差層と前記第一の偏光板が広帯域円偏光板として機能する
   ことを特徴とする液晶表示装置。
4. 第一の基板と、第二の基板と、前記第一の基板と第二の基板間に挟持された液晶層からなる液晶パネルを有し、前記液晶パネルの上下に第一の偏光板と第二の偏光板を有し、前記液晶パネルは独立制御可能な複数の画素を有し、前記各画素はその中央の主要部に表示部を有し、前記第一の基板もしくは前記第二の基板間の液晶層に近接する面上の前記表示部に一対の画素電極と共通電極を有し、前記液晶パネルに光センサを内蔵した液晶表示装置において，
   前記光センサ上に液晶層の厚さを一定に保持するための構造を配置した
   ことを特徴とする液晶表示装置。
5. 前記第二の基板の液晶層に近接する面上の表示部に一対の画素電極と共通電極を有し、前記画素電極と共通電極は基板平面に対して平行な成分を含む電界を液晶層に印加し、前記表示部における電圧無印加時の液晶層の配向状態はホモジニアス配向である請求項１，２又は３に記載の液晶表示装置。
6. 前記光センサ上に液晶層の厚さを一定に保持するための構造を配置したことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
7. 前記光センサ上に光学等方性の柱状構造を配置したことを特徴とする請求項１又は４に記載の液晶表示装置。
8. 前記位相差層の配向方向は，
   前記第一の基板上の偏光板の吸収軸方向と４５度をなすものである請求項１の液晶表示装置。
9. 前記光センサ上の液晶層の配向方向は，
   前記第一の基板上の偏光板の吸収軸方向と４５度をなすものである請求項２の液晶表示装置。
10. 前記位相差層の配向方向は，
    前記第一の基板上の偏光板の吸収軸方向と６２．５度をなすものである請求項３の液晶表示装置。
11. 前記位相差層のΔｎｄは，
    四分の一波長である請求項１の液晶表示装置。
12. 前記光センサ上の液晶層のΔｎｄは，
    四分の一波長である請求項２の液晶表示装置。
13. 前記光センサ上の液晶層のΔｎｄは，
    四分の一波長であり、
    前記位相差層のΔｎｄは，
    二分の一波長である請求項３の液晶表示装置。

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