JP2010175865A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】透過率の低下および厚みの増加を防止しつつ効果的な視野角制御が可能な液晶パネルを提供する。
【解決手段】白色を構成する原色のいずれかにより着色した表示用副画素21r，21g，21bに対応して、表示用副画素21r，21g，21bと別個に、表示用副画素21r，21g，21bに対してそれぞれ補色で着色した妨害用副画素22c，22m，22yを設ける。妨害用副画素22c，22m，22yにて、正面方向を除く方向に光を透過可能とする。正面方向以外の方向に対して、表示用副画素21r，21g，21bに表示した画像と妨害用副画素22c，22m，22yに表示した画像とを混色させてコントラストを低下させつつ画像を無彩色に近づけることができ、透過率の低下および厚みの増加を防止しつつ視野角を効果的に制御できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、視野角を制御する液晶表示素子に関する。

従来、液晶ディスプレイなどの電子表示装置は、ＰＣ、ワープロ、コピー機、ファクシミリなどのＯＡ機器の分野に限らず、キャッシュディスペンサ、ＡＴＭ、ゲーム機、テレビジョン受像機、時計、携帯電話、工場内の制御装置などの広い分野で使用されており、特にキャッシュディスペンサやＡＴＭ、ノート型ＰＣや携帯電話では、プライバシー保護のため隣からの覗き見を防止するための視界制御機能が要求される。

このような視界制御機能を付与するため、上記の表示装置における表示画面の前面にマイクロルーバを内蔵する可視角度調整フィルムと呼ばれる一種の光学フィルタを取り付け、表示画面の画像が正面からは明るく見えるが、側方からは暗くて見えないようにしたものがある。しかしながら、このマイクロルーバを用いた光学フィルタは、カーボンブラックを含むルーバ構造のフィルムの表裏両面にポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ)製などの透明フィルムを積層して作られているため、光量の透過損失が多くなり、かつ製造コストが高額になるという問題がある。

一方、液晶表示素子である液晶パネルの背面側に光源(バックライト)を設置した液晶ディスプレイにおいて、液晶パネルの表面輝度を増大させるため、上記液晶パネルとバックライトとの間にレンズ機能を備えた高分子材料製のフィルムあるいはシート、すなわちいわゆるレンズフィルム(レンズシート、プリズムシート、調光シートなどと呼ばれることもある)を介在させることにより、レンズフィルムの集光、散乱、拡大、屈折、反射などを利用して正面の輝度を向上したり、上下の特定視野に対する光の分布や均一性の改善、または左右もしくは上下に対する光の分散などを行って表示画面の輝度を向上させたりすることがある。

しかしながら、このような構成では、レンズフィルムが必要になるだけでなく、このレンズフィルムの厚み分、液晶パネルの厚みが増加するという問題がある。

そこで、各画素を構成する赤(Ｒ)、緑(Ｇ)および青(Ｂ)の表示用副画素のそれぞれに対して、白(Ｗ)の着色を施した妨害用副画素を形成し、表示用副画素ではアレイ基板および対向基板のそれぞれの偏光板の偏光方向に対して傾斜した方向に液晶分子を配置し、妨害用副画素では偏光板の偏光方向に沿って液晶分子を配置して、表示用副画素および妨害用副画素をそれぞれＶＡ(Vertical Align)モードで駆動することで、妨害用副画素を介して覗き込みに対して黒輝度を増加させて覗き込み角のコントラスト低下を狙い、視認性を低下させることにより、視野角を制御する構成が知られている(例えば、非特許文献１参照。)。

ＳＩＤ(Society for Information Display) ０７ ＤＩＧＥＳＴ(ｐ．７５６−７５９)

しかしながら、上述の液晶表示素子では、正面方向を除く方向からの覗き込みに対してコントラストを低下させ、覗き込み方向から視認される画像を、全体に白みがかった状態とすることが可能であるものの、画像の配色そのものはある程度残ってしまうので、覗き込みに対する視認性の低下が充分とはいえないという問題点を有している。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、透過率の低下および厚みの増加を防止しつつ効果的な視野角制御が可能な液晶表示素子を提供することを目的とする。

本発明は、対をなす基板と、これら基板間に介在された液晶層とを具備し、複数の画素がマトリクス状に形成された液晶表示素子であって、前記各画素は、白色を構成する原色のいずれかにより着色され少なくとも正面方向に光を透過可能な表示用副画素と、この表示用副画素に対応してこの表示用副画素と別個に設けられ、この表示用副画素に対して補色で着色され、正面方向を除く方向に光を透過可能な妨害用副画素とを備えているものである。

そして、白色を構成する原色のいずれかにより着色した表示用副画素に対応して、この表示用副画素と別個に、この表示用副画素に対して補色で着色した妨害用副画素を設け、この妨害用副画素にて、正面方向を除く方向に光を透過可能とする。

本発明によれば、正面方向以外の方向に対して、表示用副画素に表示した画像と妨害用副画素に表示した画像とを混色させてコントラストを低下させつつ画像を無彩色に近づけることができ、透過率の低下および厚みの増加を防止しつつ視野角を効果的に制御できる。

本発明の一実施の形態の液晶表示素子を示す平面図である。 同上液晶表示素子の各画素を示す平面図である。 同上液晶表示素子の表示用副画素を示す断面図である。 同上液晶表示素子の妨害用副画素を示す断面図である。 同上液晶表示素子の等価回路図である。 同上液晶表示素子の液晶分子の動作を示す説明図であり、(a1)は同上表示用副画素でのオフ状態を示し、(a2)は同上表示用副画素でのオン状態を示し、(b1)は同上妨害用副画素でのオフ状態を示し、(b2)は同上表示用副画素でのオン状態を示す。 同上液晶表示素子の各表示モードでの視野角特性(コントラスト)を示すグラフである。 同上液晶表示素子を示す側面図である。 (a)はオリジナルの画像(コントラスト２：１)、(b)は(a)の画像を同上液晶表示素子の狭視野角表示モードで表示した画像を極角３０°方向から見た画像、(c)は(a)の画像を従来例の液晶表示素子の狭視野角表示モードで表示した画像を極角３０°方向から見た画像である。

以下、本発明の一実施の形態の構成を図１ないし図９を参照して説明する。

図８において、11は液晶表示装置としての液晶ディスプレイを示し、この液晶ディスプレイ11は、液晶表示素子としての透過型の液晶パネル12と、この液晶パネル12の背面側に配置される面状光源装置であるバックライト13とを備えたカラーディスプレイである。

液晶パネル12は、図３ないし図５に示すように、基板としてのアレイ基板15と、このアレイ基板15と対をなす基板としての対向基板16とが対向配置されて図示しないスペーサを介して所定の間隙を保持した状態で接着部SE（図８）により互いに接着固定され、これら基板15，16間に液晶分子LCにより構成される液晶層17が挟持され、かつ、各基板15，16にそれぞれ偏光板18，19が貼着されて構成されている。さらに、この液晶パネル12は、複数の画素20が水平(Ｈ)方向および垂直(Ｖ)方向に沿って所定の表示領域内にマトリクス状に配置されており、各画素20は、図１に示すように、白色を構成する原色、例えば赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)のそれぞれに対応する表示用副画素21r，21g，21b(以下、これら表示用副画素21r，21g，21bの少なくともいずれか、あるいは全体を単に表示用副画素21ということがある)と、これら表示用副画素21r，21g，21bと対をなしこれら表示用副画素21r，21g，21bに対して補色、すなわちシアン(Ｃ)、マゼンタ(Ｍ)、イエロー(Ｙ)に対応する妨害用副画素22c，22m，22y(以下、これら妨害用副画素22c，22m，22yの少なくともいずれか、あるいは全体を単に妨害用副画素22ということがある)とで構成されている。

そして、この液晶パネル12は、図１ないし図４に示すように、表示用副画素21が横電界駆動モード、例えばＩＰＳ(In Plain Switching)モードにより駆動され、妨害用副画素22が縦電界駆動モード、例えばホモジニアス配向モードにより駆動され、表示用副画素21のみを用いる広視野角表示モードと、表示用副画素21と妨害用副画素22とを用いて表示用副画素21で表示する画像を妨害用副画素22によって正面方向を除く方向に対して妨害することで視野角を狭くする狭視野角表示モードとを切り換え可能となっている。なお、本実施の形態において、表示用副画素21と妨害用副画素22とは、略等しい大きさ(面積比１：１)に形成されているが、妨害用副画素22が表示用副画素21に対して大きすぎると透過率が低下し、妨害用副画素22が表示用副画素21に対して小さすぎると狭視野角表示モードでの視野角制御効果が低下するため、表示用副画素21と妨害用副画素22との面積比は、液晶パネル12に求められる特性に応じて、１：１ないし３：１程度とすることが好ましい。

図３ないし図５に示すように、アレイ基板15は、絶縁性および透光性を有する透明基板24と、この透明基板24上に格子状に形成される複数の走査線25および複数の信号線26と、走査線25に平行に形成される複数の共通配線27と、走査線25と信号線26との交差位置にそれぞれ接続されるスイッチング素子としての薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)28と、この薄膜トランジスタ28などを覆って透明基板24上に形成されたシリコン酸化膜、あるいはシリコン窒化膜などの絶縁膜29と、この絶縁膜29上に形成され各薄膜トランジスタ28によりそれぞれ駆動される画素電極30（図２）と、絶縁膜29上に形成され共通配線27に接続される共通電極31と、これら電極30，31などを覆って絶縁膜29上に形成された配向膜32とを有している。

透明基板24は、例えば平面視で四角形状に形成されたガラス基板などである。

走査線25、信号線26および共通配線27は、例えばアルミニウムあるいは銅などの導電性を有する部材により略直線状に形成されており、走査線25および共通配線27は水平(Ｈ)方向、信号線26は垂直(Ｖ)方向に沿っている。また、走査線25は、ゲート駆動回路すなわちゲートドライバ34に電気的に接続され、信号線26は、ソース駆動回路すなわちソースドライバ35に電気的に接続され、共通配線27は、この共通配線27の電位を設定する図示しない共通配線電源部に電気的に接続されている。さらに、共通配線27は、表示用副画素21に対応する走査線25に対応してそれぞれ形成されている。換言すれば、共通配線27は、垂直(Ｖ)方向に対して走査線25１つ置きに配置されている。すなわち、共通配線27は、走査線25の半分の個数形成されている。

ゲートドライバ34、ソースドライバ35および共通配線電源部は、それぞれ制御手段としてのコントローラ38に接続されている。また、ゲートドライバ34は、複数の薄膜トランジスタ28を行単位に導通させるように複数の走査線25を順次駆動するものであり、ソースドライバ35は、各行の薄膜トランジスタ28が対応する走査線25の駆動によって導通する期間において信号電位を複数の信号線26にそれぞれ出力するものである。

コントローラ38は、外部から入力される映像信号Ｓに対して各ドライバ34，35の動作タイミングなどを制御するものであり、複数の走査線25を順次駆動するための制御信号、映像信号から１行分の画素20単位に得られる画素データ、出力極性を指定してこれら画素データを複数の信号線26にそれぞれ割り当てるための制御信号、画像データを信号電位に変換するために用いられる所定数の階調基準電圧などを発生する。

薄膜トランジスタ28は、制御端子であるゲート電極が走査線25と一体に形成されており、ソース電極が信号線26と一体に形成され、かつ、ドレイン電極が各画素電極30と電気的に接続されている。そして、これら薄膜トランジスタ28は、ゲートドライバ34からの信号が走査線25を介してゲート電極に印加されることでスイッチング制御され、ソースドライバ35から信号線26を介して入力された信号に対応して各画素電極30を独立して駆動可能となっている。

図２に示すように、画素電極30および共通電極31は、透明で、かつ、導電性を有する例えばＩＴＯなどの材料により、例えばスパッタリングなどの一般的な成膜工程と例えばエッチングなどの一般的なパターニング工程とを繰り返すことによってそれぞれ薄膜状に形成されている。

画素電極30は、表示用副画素21に対応する画素電極30aと、妨害用副画素22に対応する画素電極30bとを備えている。そして、この画素電極30(画素電極30a，30b)は、絶縁膜29（図３）に設けられたコンタクトホールを介して薄膜トランジスタ28のドレイン電極と電気的に接続されている。

ここで、画素電極30a（図３）は、垂直(Ｖ)方向に沿って長手状の櫛歯状に形成されており、共通電極31との間に横電界を生じるように構成されている。

また、画素電極30bは、隣接する走査線25，25間および信号線26，26間に亘って略四角形状に形成されている。

なお、画素電極30a(表示用副画素21)と画素電極30b(妨害用副画素22)とは、本実施の形態において、垂直(Ｖ)方向に交互に隣接させて形成しているが、水平(Ｈ)方向に隣接させて形成してもよい。

また、共通電極31は、櫛歯状の画素電極30a間に挿入される櫛歯状に形成されており、絶縁膜29に設けられたコンタクトホールを介して共通配線27と電気的に接続されている。

一方、図３および図４に示すように、対向基板16は、絶縁性および透光性を有する透明基板41と、この透明基板41上に形成されたカラーフィルタ層42と、このカラーフィルタ層42上に形成された対向電極43と、この対向電極43上に形成された配向膜44とを有している。

透明基板41は、透明基板24と同様に、例えば平面視で四角形状に形成されたガラス基板などである。

カラーフィルタ層42は、例えば合成樹脂などにより形成され表示用副画素21r，21g，21b（図１）のそれぞれの色、すなわち赤(Ｒ)、緑(Ｇ)および青(Ｂ)に対応する着色部42r，42g，42bと、妨害用副画素22c，22m，22y（図１）のそれぞれの色、すなわちシアン(Ｃ)、マゼンタ(Ｍ)およびイエロー(Ｙ)に対応する着色部42c，42m，42yとを備え、これら着色部42r，42g，42b，42c，42m，42yが各副画素21r，21g，21b，22c，22m，22y（図１）の表示側を覆って垂直(Ｖ)方向に沿って長手状に形成され、水平(Ｈ)方向に順次配置されている。

対向電極43は、透明で、かつ、導電性を有する例えばＩＴＯなどの材料により、妨害用副画素22c，22m，22y（図１）に対向する位置にのみ薄膜状に形成されており、これら妨害用副画素22c，22m，22yに対応した共通電極となっている。したがって、これら対向電極43は、水平(Ｈ)方向に沿って帯状に形成され、垂直(Ｖ)方向に沿って互いに離間されている。

液晶層17は、誘電率異方性が正の液晶材料により構成されており、配向膜32，44のラビング方向により、液晶分子LCのプレチルト角がほぼ０°でその長軸方向が一方向に揃っている、ホモジニアス配向状態となっている。

偏光板18，19は、図６に示すように、吸収軸18a，19aが液晶パネル12（図３）の正面視での対角線方向に沿いかつ互いに交差した、いわゆるクロスニコル配置となっており、液晶分子LCの長手方向(ダイレクタ)が偏光板19の吸収軸19aに沿っている。したがって、図３および図４に示すように、電極30a，31間、および、電極30b，43間にそれぞれ電圧が印加されない状態では、入射した光は液晶層17を通過しても偏光は変化せず、図６（a1）および図６(b1)に示すように、出射側の偏光板19によって吸収され、表示用副画素21および妨害用副画素22のそれぞれが黒表示となる。また、表示用副画素21において、図３に示す電極30a，31間に電圧が印加されて横電界が生じた状態では、図６(a2)に示すように液晶分子LCが面内で旋回され、長手方向が吸収軸19aからずれることにより透過率が増加して白表示となる。さらに、妨害用副画素22において、図４に示す電極30b，43間に電圧が印加されて縦電界が生じた状態では、図６(b2)に示すように液晶分子LCが立ち上がり、正面方向(極角が０°の方向)に対しては黒表示であるものの、正面方向を除く左右方向(極角が０°以外の方向)に対しては白表示となる。この結果、液晶パネル12は、図７に示すような視野角特性(コントラスト)を有している。

そして、バックライト13は、冷陰極管、あるいはＬＥＤなどの光源からの白色光を面状の白色光に変換する導光板(図示せず)を有し、液晶パネル12のアレイ基板15側に対向配置されている。

次に、上記一実施の形態の動作を説明する。

(広視野角表示モード)
ゲートドライバ34は、コントローラ38からの制御信号により１垂直走査期間において表示用副画素21に対応する走査線25を順次選択し、換言すれば走査線25を１つ置きに順次選択し、各行の薄膜トランジスタ28を１水平走査期間だけ導通させるように、選択された走査線25の走査線電位を設定する。

また、ソースドライバ35は、１水平走査期間毎に１行分の画素20に対して供給される画素データを、所定数の階調基準電圧を参照してそれぞれ信号電位に変換し、複数の信号線26に並列的に出力する。

したがって、ゲートドライバ34により導通された各行の薄膜トランジスタ28を介して、ソースドライバ35から供給される信号電位が各表示用副画素21の画素電極30aに印加され、各表示用副画素21に対応する液晶層17の液晶分子LCが信号電位に対応する角度旋回されて長手方向が吸収軸19aからずれ（図６(a2)）、このずれ角に対応して透過率が増加する。

この結果、表示用副画素21により広視野角で画像を表示する。

(狭視野角表示モード)
ゲートドライバ34は、コントローラ38からの制御信号により１垂直走査期間において走査線25を順次選択し、各行の薄膜トランジスタ28を１水平走査期間だけ導通させるように、選択された走査線25の走査線電位を設定する。

また、ソースドライバ35は、１水平走査期間毎に１行分の画素20に対して供給される画素データを、所定数の階調基準電圧を参照してそれぞれ信号電位に変換し、複数の信号線26に並列的に出力する。

したがって、ゲートドライバ34により導通された各行の薄膜トランジスタ28を介して、ソースドライバ35から供給される信号電位が各表示用副画素21の画素電極30aおよび各妨害用副画素22の画素電極30bにそれぞれ印加され、図６(a2)に示すように、各表示用副画素21に対応する液晶層17（図３）の液晶分子LCが信号電位に対応する角度旋回されて長手方向が吸収軸19aからずれ、このずれ角に対応して透過率が増加するとともに、図６(b2)に示すように、この表示用副画素21と対をなす妨害用副画素21に対応する液晶層17（図４）の液晶分子LCが信号電位に対応する角度立ち上がって、この立ち上がり角に対応して透過率が増加する。

この結果、正面方向に対しては、表示用副画素21により画像を表示し、正面方向を除く方向に対しては、表示用副画素21により画像を表示するとともに、表示用副画素21と同一の画像データで、かつ、補色により着色された画像を、妨害用副画素22により表示することにより、表示用副画素21で表示する画像と妨害用副画素22により表示する画像とが混色され、表示する画像のコントラストが低下するとともにこの画像がほぼ無彩色、すなわちほぼ白画像となる。すなわち、正面方向を除く方向からの覗き込みに対して画像を視認しにくくし、実質的に液晶パネル12の視野角を狭視野角に制御する。

このように、上記一実施の形態では、白色を構成する原色(赤、緑、青)により着色した表示用副画素21r，21g，21bに対応して、これら表示用副画素21r，21g，21bと別個に、これら表示用副画素21r，21g，21bに対して補色(シアン、マゼンタ、イエロー)で着色した妨害用副画素22c，22m，22yを設け、これら妨害用副画素22c，22m，22yにて、正面方向を除く方向に光を透過可能とした。

このため、狭視野角表示モードでは、正面方向以外の方向に対して、表示用副画素21r，21g，21bに表示した画像と妨害用副画素22c，22m，22yに表示した画像とを混色させて、コントラストを低下させつつ画像を無彩色(ほぼ白表示)に近づけることができる。具体的に、図７に示すように、狭視野角表示モードでは、極角３０°におけるコントラストが２：１まで低減され、充分に視認できない状態となっている一方で、正面方向、すなわち極角０°におけるコントラストは高く維持され、正面方向からの視認性は確保されている。

したがって、観測者が視野角を振った場合、あるいは第三者が覗き込みをしようとした場合などに、正面方向から視認できる表示が視認しにくくなる。

そして、このように液晶分子LCの配向制御のみで視野角を制御するので、外付け式のルーバ構造の光学フィルタ、あるいは指向性のバックライトなどを用いる場合のような透過率の低下および厚みの増加を防止しつつ、視野角を効果的に制御でき、第三者からの覗き込みを効果的に防止できる。

例えば、妨害用副画素を白(Ｗ)で着色する従来の場合では、狭視野角表示モードにおいて、観測者が視野角を振った場合、あるいは第三者が覗き込みをしようとした場合などに視認される表示は、正面方向に表示する画像に対して、全体に白みがかった画像となるものの、正面方向に表示する画像の配色がある程度残った画像となり、充分に視認できない状態であるとはいえないのに対して、本実施の形態では、正面方向を除く方向から視認される表示が無彩色に近づき、より視認しにくくなる。

具体的に、例えば図９に示すように、(a)に示す所定のオリジナル画像の色味がかった部分Ｐが、本実施の形態の液晶ディスプレイ11の狭視野角表示モードで表示した画像を極角３０°方向から見た画像(図９(b))では、色味が失われた部分P1となっており、全体にほぼ白画像となって視認性が充分に低下しているのに対して、従来例の液晶ディスプレイの狭視野角表示モードで表示した画像を極角３０°方向から見た画像(図９(c))では、色味が残った部分P2となっており、視認性の低下が充分ではない。

また、液晶層17を吸収軸19aに長手方向を沿わせたホモジニアス配向とし、表示用副画素21をＩＰＳモードなどの横電界駆動モードで駆動させ、かつ、妨害用副画素22をホモジニアス配向モードなどの縦電界駆動モードで駆動させることにより、表示用副画素21と妨害用副画素22とで液晶層17の液晶分子LCの配向方向を異ならせる必要がないので、配向膜32，44のラビングが容易となるなど、製造性を向上できるとともに、表示用副画素21では、広視野角で画像を表示することが可能になる。

さらに、広視野角表示モードと狭視野角表示モードとをコントローラ38により切り換え可能とすることにより、狭視野角表示モードが必要ない場合には、ＩＰＳモードなどの横電界駆動モードで駆動された表示用副画素21により、通常の広い視野角で画像を表示できるので、この液晶ディスプレイ11を様々な機器に適用できる。

そして、対をなす表示用副画素21と妨害用副画素22とを垂直(Ｖ)方向に隣接させることにより、これら副画素21，22の幅寸法を比較的大きく取ることができるので、副画素21，22を構成する画素電極30a，30bが必要以上に小さくならず、製造性が低下しにくい。

なお、上記一実施の形態において、表示用副画素21を駆動させる横電界駆動モードとしては、例えばＦＦＳモードなどでもよい。

また、液晶分子LCの長手方向(ダイレクタ)を偏光板19の吸収軸19aに沿わせたが、偏光板19の透過軸に沿わせても同様に制御できる。

さらに、各副画素21，22は、いずれもＶＡモードにより駆動してもよい。この場合には、液晶分子LCの配向方向を表示用副画素21と妨害用副画素22とで適宜異ならせることにより、上記一実施の形態と同様に配光制御することが可能となる。

そして、対をなす副画素21，22は、垂直(Ｖ)方向の配置を入れ替えてもよいし、水平(Ｈ)方向に隣接させて配置してもよい。

また、広視野角表示モードと狭視野角表示モードとをコントローラ38により切り換えず、狭視野角表示モードのみの液晶パネル12としてもよい。

12 液晶表示素子としての液晶パネル
15 基板としてのアレイ基板
16 基板としての対向基板
17 液晶層
20 画素
21b，21g，21r 表示用副画素
22c，22m，22y 妨害用副画素
38 制御手段としてのコントローラ

Claims (3)

1. 対をなす基板と、これら基板間に介在された液晶層とを具備し、複数の画素がマトリクス状に形成された液晶表示素子であって、
   前記各画素は、
   白色を構成する原色のいずれかにより着色され少なくとも正面方向に光を透過可能な表示用副画素と、
   この表示用副画素に対応してこの表示用副画素と別個に設けられ、この表示用副画素に対して補色で着色され、正面方向を除く方向に光を透過可能な妨害用副画素とを備えている
   ことを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記液晶層は、ホモジニアス配向され、
   前記表示用副画素は、横電界駆動モードで駆動され、
   前記妨害用副画素は、縦電界駆動モードで駆動される
   ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
3. 前記妨害用副画素の駆動と非駆動とを切り換える制御手段を具備した
   ことを特徴とする請求項１または２記載の液晶表示素子。