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液晶ディスプレイは,CRTに比べ薄く消費電力が小さいためテレビ市場に進出し始めた。それに伴い,メーカーはかつてから指摘されてきた「動画性能」や「視野角」の改善で他社製品と競っている。一方,PDAや携帯電話向けでは,高精細化や明るさ向上という流れに加え,より薄く軽くするためにシステム上に周辺回路を取り込む動きが加速している。割れない=フレキシブルなパネルの研究も進んでおり,薄いガラス基板やプラスチック基板を使った液晶パネルや有機ELが開発中だ。

 CRTに比べ格段に薄い液晶ディスプレイ。構造を見ると多くの層で構成されているのが分かる(図1[拡大表示])。液晶は自分では発光しないので光源を用いて光を当てる必要があり,その光を通すか否かで白と黒を表現する。例えて言うならば,シャッターや窓のブラインドのようなイメージだ。カラー液晶では,カラーフィルタで赤(R),緑(G),青(B)の3色を各画素に重ねている。

 光を通す仕組みを一般的なTN(Twisted Nematic)型液晶を例に見てみよう(図2[拡大表示])。パネルの両面には偏光板が配置してある。これらは光の振動方向が90度に直交するように配置しているため,下の偏光板を通過した光はそのままでは上の偏光板を通過できないようになっている。光が通過できるようにするためには,光を90度ねじらなければならない。

図1●液晶ディスプレイの構造
液晶ディスプレイは多くの層から成る。ガラス基板の間に液晶が注入されている。横は液晶が外に流れ出ないよう封止剤で止めている。背面のバックライトの光はこれらの層を通過することで減衰し,ユーザーの目に届くのはわずか7~8%ほどになる。
 
図2●電圧をオン/オフにした時の液晶の動き
TN型の液晶の仕組みを表した。電圧オフ時には液晶が基板と水平に寝ている状態で光を通す。電圧オンになると垂直に立ち光は直進するので光が通らず黒の表示になる。液晶のねじれ度を90度から180~270度に変えたものをSTN(Super TN)型と呼ぶ。

 光の振動方向を変えるには,液晶分子の向きを調節する。液晶分子は,(1)配向膜という溝がついた膜の上では溝の方向に沿って並ぶ,(2)電圧をかけると向きが変わる,という性質を持つ。そのため,配向膜を上下で90度に直交するように置けば液晶は90度ねじれた状態になり,光も液晶の配向にしたがって90度ねじれる。その結果,光が通過できるので白の表示になる。液晶に電圧をかけると液晶分子は垂直に立ち,光は直進する。この場合,光が通過できなくなるので黒の表示になる。

高速なスイッチングができるTFT

図3●駆動方式の違い
現在はアクティブ方式のTFTが主流。TFTの薄膜半導体を形成するときに,アモルファスシリコン(非結晶シリコン)を使うものが多いが,小型では低温ポリシリコンが使われ始めている。

 液晶ディスプレイの駆動方法にはパッシブ・マトリックス型とアクティブ・マトリックス型の2種類がある(図3[拡大表示])。それぞれの駆動方法において,液晶の並び方がいくつかある。

 パッシブ型は,電極が90度交差するように並んでおり,交点に電圧がかかる仕組みだ。交点が1画素になる。このタイプに使われる液晶には,(1)液晶分子が90度ねじれているTN型,(2)ねじれる角度を180~270度にしてコントラストを高めたSTN型,(3)画面を二分割して上下の画面を同時に走査することでコントラストの低下を抑えたDSTN(Dual scan STN),(4)高分子フィルムを貼り高コントラストを実現したFSTN(Film-compensated STN)――などがある。以前のノートパソコンでは低価格の機種でDSTNが多く使われていた。FSTNは携帯電話などに使われている。

 アクティブ型は,画素一つひとつにスイッチング素子が付いている。画素の個々に電圧をかけることができ,電圧のオン・オフに対する応答速度を高められるので現在の液晶ディスプレイの主流だ。スイッチング素子にはトランジスタやダイオードを使う。薄膜トランジスタを使ったものがTFT(Thin Film Transistor)液晶だ。ダイオードを使うものはTFD(Thin Film Diode)という。

 TFT液晶は画素間の干渉がなく高解像度にしやすい。また,TFTの部分を小さくすれば,画素のうちで光が透過する面積が増えるので画面が明るいディスプレイを作れる。パッシブ型に比べ構造が複雑でコストが高くなるが,画質,明るさともにアクティブ型の方が優れている。

 ダイオードを使うTFDはTFTに比べて,消費電力を大幅に低く抑えられるというメリットがある。だが,画質はTFTには劣る。

液晶を改良して広視野角に

 アクティブ型のTFT液晶ディスプレイでは,主にTN型の液晶が使われている。TN型はパッシブ型でも使われるが,アクティブ型の駆動にすることで応答速度が上がり表示性能が向上する。とはいえ,液晶はCRTに比べて,(1)場所によって見え方が変わる(視野角が狭い),(2)白と黒の差であるコントラストが低い,(3)動画を表示すると残像が残る,など欠点も指摘されてきた。

 これらの点はテレビなどの大型モニタでは致命的である。そこで,各メーカーは液晶素材を改良し改善を図っている。現在,製品に採用しているのはVA(Vertical Alignment,垂直配向)型とIPS(In-Plane Switching,横電界駆動)型だ。TN型に代わって用いられている。

 VA型は電圧をかけていない状態で液晶分子が垂直に立っている(図4[拡大表示])。電圧をかけると液晶分子が傾く。いくつかの方向に傾くようにすることで視野角を広げたものを特にMVA(Multi-Domain Vertical Alignment)と呼ぶ。MVA型は黒の表示がより黒くなるため,コントラストを高くでき,低電圧で駆動できるという特徴がある。

 IPS型は液晶分子が水平な平面上で回転するようにして向きを変える(図5[拡大表示])。今まで上下の電極間で電圧をオン/オフしていたのに対し,片面だけに電極を置いて電圧をかける。IPSは斜めからみても色の変化がなく光の透過性がよいため,広視野角で明るいディスプレイにできるという。

図4●VA(垂直配向)の仕組み
TN型と異なり,電圧オフ時は垂直に立っているので表示は黒。したがって,コントラストが高くなる。動画性能がよいという特徴もある。
 
図5●IPS(横電界方式)の仕組み
電源のオン/オフによって液晶分子が基板に水平な状態で回転する。どの場所からでも同じように画像が見えるのが特徴で,視野角は170度と広い。

 量産はされていないが,動画表示に適する液晶としてOCB型がある。動画表示では応答速度が重要な指標になる。従来の製品では最高16ミリ秒ほどだが,「OCB液晶の応答速度は4~5ミリ秒と速く,中間調の切り替えにも優れている。間もなく量産できる見込み」(東芝松下ディスプレイテクノロジー開発センターの茨木伸樹センター長)という。

(堀内 かほり)