JP3191085B2 - 反射型液晶表示素子および液晶表示装置 - Google Patents
反射型液晶表示素子および液晶表示装置Info
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Description
子およびこの素子を用いる液晶表示装置に係り、特に、
アクティブマトリクス方式の反射型液晶表示素子におい
て、反射画素電極の反射率を維持しながら、この反射画
素電極の劣化を防止する手段に関する。
型液晶表示装置は、例えば、特開平4−178625号公報に
記載されている。
の一例を示す断面図である。従来の反射型液晶表示素子
においては、アクティブマトリクス素子18からの電圧
は、画素電極32に印加される。画素電極32と液晶層
9とを分離するとともに、アクティブマトリクス素子1
8の表面を平坦にするために、画素電極32と液晶層9
との間に、誘電体層33と誘電体ミラー34とが設けら
れている。誘電体ミラー34は、誘電体多層膜からな
る。このように画素電極32と液晶層9とを分離する
と、画素電極32に使用できる材料への制限が緩和され
る。
金属を用いて反射面とした場合は、液晶と直接に接する
界面で金属面が腐食し、画素電極の反射率が低下すると
いう問題があった。また、この腐食につれて、液晶が劣
化し、面内輝度むらや色むらを生じるという問題もあっ
た。
りに、上記従来例のように誘電体ミラー34を反射面と
して使い、画素電極32と液晶層9を空間的に分離する
と、これらの問題が、一応解決される。
を備えた従来の反射型液晶表示装置には、依然として、
以下のような問題があった。
化シリコンのように屈折率の異なる物質の薄膜を交互に
重ね合わせた多層膜として形成される。この多層膜の層
数を増加させるほど、誘電体ミラー34による反射率は
増加するが、多層膜の層数の増加は、電気的容量の低下
を伴う。
た光は、誘電体ミラー34と画素電極32との間に形成
され平坦にされた可視光吸収率の高い誘電体層33に吸
収される構造になっている。
極32上に形成された誘電体層33と液晶9との間に、
誘電体ミラー34を配置しており、液晶層9を介して画
素電極32とこれに対向する透明電極10との間に印加
した電圧が、誘電体ミラー34にも分担して印加される
ために、液晶9への実効印加電圧が低下し、液晶素子の
駆動が困難になる。
が、アクティブマトリクス素子18などの回路部に侵入
すると、保持容量から電荷が流出して、いわゆる光リー
クが生ずる。この光リークを防止する誘電体ミラー34
の反射の効果と、液晶9への実効印加電圧の低下の弊害
とは、いわゆるトレードオフの関係にある。
オフの関係が、考慮されていなかった。また、誘電体多
層膜を形成する工程は複雑であり、反射型液晶表示素子
のコストアップの原因になる。反射画素電極と液晶層と
を空間的に分離するための保護膜は必須であるが、この
保護膜による反射画素電極の反射率の低下は避けなけれ
ばならない。
の低下を防ぐとともに画素電極の腐食による反射率の低
下を防止する手段を備えた反射型液晶表示素子を提供す
ることである。
容量の低下を防ぐとともに画素電極の腐食による反射率
の低下を防止した反射型液晶表示素子を用いる液晶表示
装置を提供することである。
いに分離された複数の反射画素電極と、前記複数の反射
画素電極を介して前記液晶層に駆動電圧を印加するアク
ティブマトリクス素子と、前記反射画素電極に対向する
透明電極を形成された対向透明基板とを含む反射型液晶
表示素子において、前記反射画素電極と前記液晶層との
間に単層の透明誘電体膜を設け、前記透明誘電体膜の膜
厚が、液晶層および誘電体膜を積層した反射画素電極の
反射スペクトルと比視感度曲線との両者の波長毎の積を
求め、反射型液晶表示素子への入射光の波長領域全域に
亘り積分して白色光の反射率を求め、誘電体膜の膜厚を
変化させて白色光の反射率の誘電体膜厚依存性を求め、
白色光の反射率を極大にする膜厚である反射型液晶表示
素子を提案する。
させたときの白色光の反射率の第一極大に相当する膜厚
とすることが、望ましい。
に、白色光を発生する光源と、白色光を赤,緑,青の三
原色に分離する色分離素子と、白色光の反射率を極大に
する膜厚の単層の誘電体膜を反射画素電極と液晶層との
間に備え分離された各原色光をそれぞれ光変調して画像
情報を与える複数の反射型液晶表示素子と、変調された
光をスクリーンに投射する投射レンズ系とからなる液晶
表示装置を提案する。
ために、白色光を発生する光源と、白色光を赤,緑,青
の三原色に分離する色分離素子と、各原色光の反射率を
極大にする膜厚の単層の誘電体膜を反射画素電極と液晶
層との間に備え分離された各原色光をそれぞれ光変調し
て画像情報を与える複数の反射型液晶表示素子と、変調
された光をスクリーンに投射する投射レンズ系とからな
る液晶表示装置を提案する。
射画素電極7と液晶9とを単層の誘電体膜8により空間
的に分離するので、反射画素電極7と液晶9とが接する
場合に生じていた反射画素電極7の腐食による反射率の
低下や液晶9の特性の劣化が発生せず、反射型液晶表示
素子の信頼性が高まる。
用いる場合、可視光領域において良好な反射特性を有す
ることが望ましい。そこで、本発明では、入射光強度の
波長分散と各波長毎の反射率と人間の比視感度曲線との
組合せから求められる白色光の反射率が最も高くなる膜
厚に誘電体膜8の膜厚dを設定した。
る過程を説明する。液晶の屈折率をn1,誘電体膜8の
屈折率をn2,反射画素電極7の複素屈折率を屈折率を
n3,消衰係数をk3としてn′3=n3+ik3とおく
と、反射画素電極7に垂直に入射する照射光に対する反
射型液晶表示素子の反射率Rは、波長をλとして、次の
ように表される。ただし、個々のパラメータは、数式2
〜数式5に示す通りである。数式1から数式5により、
反射型液晶表示素子の反射率の波長依存性が得られる。
よび入射光強度の波長分布I (λ)を用いて、数式6に
より、反射型液晶表示素子の白色光の反射率における誘
電体膜8の膜厚依存性Ra(d)を求める。ただし、G
は、反射型液晶表示素子の入射光の波長領域全域に亘り
積分することを意味する。
電体膜8および液晶9の界面での反射光と誘電体膜8お
よび画素電極7の界面での反射光との干渉効果により、
得られた白色光の反射率Ra(d)は、低下するが、さら
に膜厚dを増加させると、やがて上昇し、極大となる。
さらに膜厚dを増加させると、再び白色光の反射率Ra
(d)は減少するが、また膜厚dを増加させると、反射率
Ra(d)は再び上昇する。このように誘電体膜8の膜厚
dの増加に伴い、白色光の反射率Ra(d)は、増減を繰
り返す。
おけるcosineの項であり、具体的には数式5に示すβで
ある。可視光の波長λの領域は、380nmから700
nm程度すなわち380nm<λ<700nmである。
また誘電体膜8の屈折率n2は、1.5から2.0程度で
ある。
域でのβの変動幅Δβは、2π以下であり、図3の左に
示すように、反射率R(λ)が増減する波長間隔は、可視
光領域の波長幅と同程度となる。反射率R(λ)の極大波
長と比視感度曲線の極大波長とを一致させると、白色光
の反射率Ra(d)を高めることが可能になる。
り、数式1のcosineの項が波長の僅かな変化により大き
く変化し、したがって、反射率R(λ)が増減する波長間
隔が狭くなり、図3の右に示すように、可視光領域内
で、反射率R(λ)は、増減を多数回繰り返すこととな
る。
よび比視感度曲線(図2)の波長毎の積をとり、反射型液
晶表示素子への入射光の全波長領域に亘り積分して求め
られる白色光の反射率Ra(d)は、その振幅の中心値に
平均化され、誘電体膜8の膜厚が入射光の波長に比べて
十分厚い場合の反射率に漸近する。すなわち白色光の反
射率Ra(d)の増減の幅は、誘電体膜8の膜厚dを増加
させると小さくなる。
数10nm以上であるが、この領域において、白色光の
反射率Ra(d)が、誘電体膜8の膜厚dが入射光の波長
に比べて十分厚い場合の反射率よりも高いのは、白色光
の反射率Ra(d)が極大になるときの膜厚領域である。
初の極大値(第1極大値)は、干渉効果により、誘電体膜
8を塗布しない場合の白色光の反射率と同等の値を示す
ために、第1極大値に対応した膜厚dが、誘電体膜8の
膜厚として最も好適である。
であり、反射型液晶表示素子を容易かつ安価に製造でき
る。また、誘電体膜8の膜厚は、投射光の波長程度であ
るため、液晶9に比べ十分薄く、誘電体膜8への容量分
担による液晶駆動電圧の低下が少ない。
発明による反射型液晶表示素子および液晶表示装置の実
施例を説明する。
の一実施例の構造を示す断面図である。本実施例の反射
型液晶表示素子は、アクティブマトリクス素子18を形
成したモノリシック集積回路基板を反射基板として用
い、この反射基板と透明電極10を有するガラス基板1
1との間に、高分子分散型液晶9を挟持した構成となっ
ている。高分子分散型液晶9は、電圧を印加しないとき
は散乱状態にあり、印加電圧の増加に従い散乱性が減少
し、透過状態に変化する特性を持つ。高分子分散型液晶
9は、偏光膜および配向膜が不要であり、光利用効率の
良い液晶である。
用のアクティブ素子として、MOS(Metal Oxide Semic
onductor)トランジスタを形成してある。すなわち、シ
リコン基板1のp型ウエル2の上に,ソース拡散層12
と、ソース電極3と、ドレイン拡散層14と、ドレイン
電極15と、ポリシリコンゲート13などからMOSト
ランジスタが形成されている。また、層間絶縁のため
に,第1スピンオングラス絶縁層16を設けてある。さ
らに、MOSトランジスタ層への光の侵入を防止するた
め、第2スピンオングラス絶縁層4を介して、遮光配線
層5を設けてある。遮光配線層5を設ける構造の例は、
例えば特開平6−194690号公報に既に記載されており、
光リークへの対策には、これで十分である。
域での反射率が良好な金属が好ましく、アルミニウムや
銀が、候補として挙げられる。ここでは、反射画素電極
7の材料として、アルミニウムを用いた例について説明
する。
ほうが、安定な膜を形成でき、しかも良好な反射特性が
得られる。そこで、反射画素電極7の下地として設ける
酸化シリコン層6は、表面研磨により、平坦にしておく
ことが望ましい。
は、スルーホールコンタクト17を経て、反射画素電極
7に与えられ、対向する透明電極10との間の高分子分
散型液晶9に駆動電圧を印加する。
間に保護膜として設けられる誘電体膜8に求められる特
性は、良好な絶縁性を有すること、可視光領域で良好な
透過特性を示すこと、誘電率が大きいこと、形成が容易
であることなどである。
窒化シリコンが挙げられる。窒化シリコンは、可視光領
域において吸収がなく、非常に良好な透過特性を示し、
層間絶縁膜として半導体プロセス上よく用いられる材料
である。また、窒化シリコンの誘電率は、約9と高く、
高分子分散型液晶9の誘電率と同等である。さらに、窒
化シリコン膜の透水性は、酸化シリコン膜などに比べ小
さく、金属画素電極7の保護膜としては、好適な材料で
ある。
ラズマ−化学気相堆積(プラズマ−CVD)法、電子サイ
クロトロン共鳴−化学的気相堆積(ECR−CVD)法、
スパッタ法などが挙げられる。
く使用されるプラズマ−CVD法を用いているが、他の
2方法でも、同等の特性を示す窒化シリコン膜8を成膜
できる。
コンを用い、比視感度を考慮した本実施例の反射型液晶
表示素子における白色光反射率の窒化シリコン膜厚依存
性の計算値である。ここでは、反射画素電極7の材料と
してアルミニウムを用い、液晶の屈折率を1.5と仮定
した。
反射率の増減がみられる。反射率のピーク値をとる膜厚
は、mを自然数,nを窒化シリコンの屈折率,dを窒化
シリコン膜の膜厚,λを入射光の波長として、nd=m
λ/2によりおおまかに説明できる。課題を解決する手
段において既に説明したように、反射型液晶表示素子の
反射率は、比視感度を考慮して最適化される必要があ
る。また、アルミニウムの複素屈折率に波長依存性があ
ると、反射率のピーク値をとる膜厚は、nd=mλ/2
で求められる膜厚とは異なる。
が増加するにつれて減少し、やがては一定値,約85%
になる。
一定値85%に比べて反射率が大きい膜厚の範囲、すな
わち反射率が極大となる膜厚dの範囲を求めると、膜厚
dの薄い方から順に、第1極大としては80nmから1
70nm、第2極大としては230nmから300nm
のように求められる。
が一定値85%より大きいが、均一に成膜することが困
難な膜厚であり、誘電体膜8が保護膜として機能し得る
範囲外であるので、ここでは除外した。
につれて、反射率のピーク値が減少していくこと、およ
び、容量分担による液晶への印加電圧が減少することを
考慮に入れ、成膜条件により窒化シリコン膜の屈折率が
変動することを考えると、望ましい膜厚dの範囲は、8
0nmから170nmとなる。中でも、白色光の反射率
の極大値に対応する膜厚である125nmが最適な膜厚
である。
印加電圧への影響について考えてみる。先にも述べたよ
うに、窒化シリコンの誘電率は、約9であり、液晶9の
誘電率もこれと同等の値である。典型的な液晶9の膜厚
は、約10μmである。したがって、窒化シリコンの容
量分担による液晶の印加電圧の低下は、たかだか1%で
あり、液晶表示素子の表示特性への影響は、極く小さ
い。
ている画素電極の電圧の中心電圧との間に電位差が生じ
た場合、液晶に直流電圧が印加され、フレーム毎の輝度
に明暗の差いわゆるフリッカーが生じる。
晶9に比べて100倍程度の大きさの容量であるため、
液晶9への直流電圧印加を防止するための直流成分遮断
容量としての機能も果たす。したがって、誘電体膜8
は、フレーム周波数の1/2周波数に同期した明滅であ
るフリッカーの発生を防ぐ効果がある。
いた投射型液晶表示装置の一実施例の構成を示すブロッ
ク図である。この液晶表示装置では、光源19からの出
射光を放物面鏡20により平行光線とした後、コンデン
サレンズ21,鏡22,第1絞り23,レンズ24を経
て、ダイクロイックプリズム25に入射させる。ダイク
ロイックプリズム25は、入射光を赤,青,緑の三原色
に色分離し、出射させる。ダイクロイックプリズム25
の3つの側面には、出射光に応じて赤色用反射型液晶表
示素子26,緑色用反射型液晶表示素子27,青色用反
射型液晶表示素子28を配置し、各色の光を画像信号に
より変調する。変調された各色の反射光は、再びダイク
ロイックプリズム25で合成され、レンズ24,第2絞
り29,投射レンズ30を経て、スクリーン31に投射
される。
6,27,28は、各画素毎に画像信号に応じて、散
乱,反射の状態をとる。このうち、正反射された光は、
レンズ24で第2絞り29の位置に集光され、第2絞り
29を通過し、投射レンズ30を経て、スクリーン31
に至る。一方、散乱された光の大部分は、第2絞り29
の位置で集光されずに、ほとんど遮断され、スクリーン
31には至らない。
6,27,28の散乱,反射の状態に応じて、スクリー
ン31上に、各色毎に明暗の状態を作り出し、カラー画
像を投射できる。
示素子への入射光の波長領域および比視感度に対応し
て、赤色用反射型液晶表示素子26,緑色用反射型液晶
表示素子27,青色用反射型液晶表示素子28における
誘電体膜の膜厚を最適化すると、各反射型液晶表示素子
の反射率がさらに高くなり、投射型液晶表示装置の明る
さが、より向上する。
材料としてアルミニウムを用いて、誘電体膜8の材料と
して窒化シリコンを用いた反射型液晶表示素子について
説明する。赤色用反射型液晶表示素子26への入射光の
波長領域を580nm以上とし、緑色用反射型液晶表示
素子27への入射光の波長領域を490nmから580
nmとし、青色用反射型液晶表示素子28への入射光の
波長領域を490nm以下とする。
を求めた結果を示す特性図である。図4に示した反射型
液晶表示素子の反射率における窒化シリコン膜の膜厚が
可視光領域における最適な窒化シリコン膜の膜厚125
nmであるときの反射率と、各々の反射率の極大値とを
比べた場合、赤色用反射型液晶表示素子26の窒化シリ
コン膜厚を137nmにすると、0.3%だけ反射率が
増加し、緑色用反射型液晶表示素子27の窒化シリコン
膜厚を120nmにすると、0.1%だけ反射率が増加
し、青色用反射型液晶表示素子28の窒化シリコン膜厚
を102nmにすると、1.9%だけ反射率が増加し、
投射型液晶表示装置を明るくできる。
との間に、単層の誘電体膜を形成し、この単層の誘電体
膜の膜厚を反射画素電極の材料の光学定数と単層の誘電
体膜の光学定数と比視感度とに応じて決定してあるの
で、画素電極の反射率を損なうことなく、画素電極の腐
食などの劣化を防止できる。
べ十分薄く、誘電体の容量分担による液晶駆動電圧の低
下が少ない。
が単純であり、反射型液晶表示素子を容易かつ安価に製
造できる。
構造を示す断面図である。
変えたときの反射率R(λ)の波長依存性を示す特性図で
ある。
体膜として窒化シリコンを使用した場合の反射型液晶表
示素子の反射率の誘電体膜に対する膜厚依存性を示す特
性図である。
表示装置の一実施例の構成を示す図である。
体膜として窒化シリコンを使用し、入射光の波長領域5
80nm以上を赤色とし、波長領域490nmから58
0nmを緑色とし、波長領域490nm以下を青色とし
た場合の反射型液晶表示素子の反射率の誘電体膜に対す
る膜厚依存性を示す特性図である。
断面図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 液晶層と、互いに分離された複数の反射
画素電極と、前記複数の反射画素電極を介して前記液晶
層に駆動電圧を印加するアクティブマトリクス素子と、
前記反射画素電極に対向する透明電極を形成された対向
透明基板とを含む反射型液晶表示素子において、 前記反射画素電極と前記液晶層との間に単層の透明誘電
体膜を設け、 前記液晶層および前記透明誘電体膜を積層した反射画素
電極の反射スペクトルと比視感度曲線との両者の波長毎
の積を求め、前記反射型液晶表示素子への入射光の波長
領域全域に亘り積分して白色光の反射率を求め、前記誘
電体膜の膜厚を変化させて前記白色光の反射率の誘電体
膜厚依存性を求め、前記誘電体膜の膜厚を、前記白色光
の反射率を極大にする膜厚としたことを特徴とする反射
型液晶表示素子。 - 【請求項2】 請求項1に記載の反射型液晶表示装置に
おいて、 前記誘電体膜の膜厚が、膜厚を0から増大させたときの
前記白色光の反射率の第一極大に相当する膜厚であるこ
とを特徴とする反射型液晶表示素子。 - 【請求項3】 白色光を発生する光源と、 前記白色光を赤,緑,青の三原色に分離する色分離素子
と、 前記白色光の反射率を極大にする膜厚の単層の誘電体膜
を反射画素電極と液晶層との間に備え分離された各原色
光をそれぞれ光変調して画像情報を与える複数の反射型
液晶表示素子と、 変調された光をスクリーンに投射する投射レンズ系とか
らなる液晶表示装置。 - 【請求項4】 白色光を発生する光源と、 前記白色光を赤,緑,青の三原色に分離する色分離素子
と、 各原色光の反射率を極大にする膜厚の単層の誘電体膜を
反射画素電極と液晶層との間に備え分離された各原色光
をそれぞれ光変調して画像情報を与える複数の反射型液
晶表示素子と、 変調された光をスクリーンに投射する投射レンズ系とか
らなる液晶表示装置。
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