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液晶ディスプレイ(えきしょうディスプレイ、Liquid Crystal Display、LCD)は液晶の素子を組み込んだコンピュータ・ディスプレイなどの画像表示装置である。

単に「LCD」と呼ぶ場合は、液晶ディスプレイ装置ではなく部品としての「液晶パネル」を指す場合があり、ディスプレイを省いて単に「液晶」と呼ぶこともある。

テレビ、携帯電話、デジタルカメラ、PC用表示装置として広く用いられている。本項目では、液晶プロジェクタは扱わない。

◆ 液晶パネルの原理

単体装置としての液晶ディスプレイは、駆動回路や電源回路、接続コネクタ、ケース等を除けば主要部分が液晶パネルと呼ばれる薄い板状部品で構成されている。

液晶パネルは、外光や、フロントライト、バックライト等の光源により発せられた光を部分的に遮ったり透過させたりすることによって表示を行なう。半ば液体状の液晶に電圧を加えると液晶分子液晶分子は直径が0.4nm、長さが2nm程度の細長い有機分子である。同士が互いに整列して向き、つまり「配向」が電圧の方向にそろう。この時の配向によって液晶中を通過する光の偏向が変化する。液晶を挟む表裏に特定の偏光方向の光のみを透過させる偏光フィルタ板を置くことで、偏向した光を選択的に通過、又は遮断できるようになる。こうして光学的なシャッターを実現し、このような微細なシャッター1つを1画素とする無数の画素によって望む画像を表示する。このシャッターは光の透過と遮断だけを行なうので多様な色は、概ね3原色を備えた色フィルターで実現される。

液晶テレビにおいて、液晶パネルは製造原価の6割から7割を占める重要な部分である。

電卓や時計の液晶は、あらかじめ「絵」の形に電極を配置して液晶に電圧を加える。さまざまな画像や映像を表示するものでは、格子状に配列した画素(ドットまたはピクセル)を用いる。

◆ 液晶パネルの構造

液晶パネルは、大きくは表裏2枚の基板とその間の液晶材料から構成されるこの節では構造の説明のために製造工程で使用される用語を使い、「液晶パネル」は、駆動用回路等が実装されて「液晶モジュール」となる前のものとする。。

・ 液晶パネル

  ・ 基板(アレイ基板とカラーフィルタ基板)

  ・ 液晶材料

  ・ スペーサー

  ・ カラーフィルタ(カラーフィルタ基板上に作りこまれる)

  ・ 配向膜

  ・ 偏光フィルタ

  ・ 封止剤

液晶パネルは、油状の透明な液晶組成物(液晶材料)が2枚の透明な基板の間にサンドイッチされ、周囲が封止剤によってシ-ルされていて、液晶材料が漏れ出すことなくまた液晶材料が清浄に保たれるようになっている。基板同士の間隔(セルギャップという)を一定に保つためのスペーサーとして、粒の大きさが揃ったプラスチック球プラスチック球はアレイ基板の完成後にガスでスプレイされてランダムに撒かれる。画素の上にその球が乗れば暗表示(黒表示)の光漏れの原因となってコントラスト比を悪化させる。特に大画面液晶パネルでは、わずかな振動でプラスチック球が移動して配向膜を傷付ける事がある。そこで、最近では、スペーサーとしてパネルの製造工程において事前にフォトスペーサと呼ばれる樹脂製の柱を作成しておくことも行なわれるようになっている。アレイ基板の作成時に表示のための光が透過しないブラックマトリックス部分にフォトスペーサによって柱を形成して、コントラストの低下や配向膜への傷を避ける。も少しだけ散布されているなお、多くの場合、基板が互いに接着されているのは基板周囲のシール部分のみである。画面の中央部は、液晶材料の圧力およびスペーサの弾性的な支持力(単位面積当たり)とが、基板外部からの大気圧とバランスしてセルギャップが維持される。。

アレイ基板とカラーフィルタ基板それぞれには、TFTなどのアクティブ素子を画素のアレイ(配列)にしたものと、カラーフィルタを配列したものとが作られるが、その基板としては、光を通過させる性質が必要であり、ガラス基板が用いられることが多い実際のTFT液晶パネルでは、高い平面性、液晶材料等の汚染を防ぐ低イオン汚染性等の厳しい基準に適合する必要があるため、液晶パネル用途に特別に作られた無アルカリガラス(ホウケイ酸ガラス)が用いられる。STN液晶パネルでは、二酸化珪素をコーティングしたソーダガラスも利用される。。耐衝撃性、フレキシブル性などの点からプラスチック基板を用いることもある。各基板の内面(液晶材料側の面)には、光を通すことができ液晶に電圧を印加できる透明電極が、各画素に配置されている画素を用いず、透明電極が表示すべき模様に応じたパターンに形成されるものもある。。透明電極の材料としては、電気抵抗が低くパターン加工の容易なインジウムとスズの酸化物であるITO(Indium-tin-oxide)が広く用いられている。また、透明電極に印加される電圧は、アレイ基板ではTFTなどのアクティブ素子を通じて外部から印加されるが、外部から画素までの配線として金属配線もアレイ基板の内面に配置されているこの金属配線としては、種々の金属配線が用いられるが、通常はアルミニウム系の材料が用いられる。大画面高精細化つまり表示面積を大きくして表示容量を増大させるには、信号線の抵抗と浮遊容量による信号波形のナマリが問題となる。例えば、4096×2048画素級の液晶パネルでは従来以上に抵抗の低い金属配線が必要となるため、アルミニウム系の金属配線に代わって例えば銅系などの低抵抗の材料によって金属配線を実現する開発が行なわれている。(日経エレクトロニクス 2009年2月9日号 P.53)。アレイ基板の端部には、配線電極の接続部が露出しており、ここに駆動回路が接続されて電気的に実装される。表裏2面の透明電極のそれぞれの内側には、ポリイミド材料の配向膜が配置されて、液晶材料を所望の配向状態になるようにしている。

液晶パネルでは、液晶を封入した表裏の透明基板のさらに外側に、1組の偏光フィルタ(偏光板)を設ける形式が主流である。透過型の液晶パネルでは、裏側の光源(バックライトシステム)から出た光は、光源⇒偏光フィルタ⇒ガラス基板⇒透明電極⇒配向膜⇒液晶⇒配向膜⇒透明電極⇒ガラス基板⇒偏光フィルタ、という順に各要素を通過して観察者の目に届く。ごく安価な表示用途で使われる簡易な反射型の液晶パネルでは、散乱性の反射板を液晶パネルの背面(裏面)に配置してそれ自体には光源を設けず、周囲の光(外光)によって表示するこの場合には、表面から入射する外光が反射板によって反射するまで、および、反射板によって反射したあと表面からから出射すまでの合計2回、液晶パネルを通過する。簡易な反射型の液晶パネルでは、この2回の通過の際に液晶パネルが光を通過させるか通過させないかによって表示を行う。この2回の通過の際に、液晶層と反射層との間に厚みが大きいガラス基板や偏光フィルムが配置されるため、表示が2重に見える問題もあり、精細な画素による表示には向かない。。

実際の製品ではこういった基本構造の他にも、視野角特性を改良するための光学フィルム(視野角補償フィルム)などが偏光フィルタとガラス基板との間に追加して挿入される場合がある。また、バックライトシステムの一部にも、視野角や輝度を向上させるための光学フィルム(輝度上昇フィルム)を用いる場合もある。

◆ 液晶モジュールの構造

液晶モジュールは大まかに云って液晶パネルに駆動回路と駆動用プリント基板、必要ならばバックライトを取りつけたものである。

・ 液晶モジュール

  ・ 液晶パネル

  ・ TABモジュール、又はCOGモジュール

  ・ 駆動用プリント基板

  ・ バックライト

;TABモジュール・COGモジュール

:安価なモノクロの電卓用液晶ディスプレイなどを除けば、多数の画素を駆動するための縦横合わせて数百から数千もの配線を液晶パネルの外部に引き回すことは避けて、パネルの端部にTAB(Tape Automated Bonding)、又はCOG(Chip On Glass)という2種類の実装方法によって、TABモジュール、又はCOGモジュールという駆動回路が接続されている。TABモジュールは、TABやTCP(Tape Carrier Package)と呼ばれる実装方法が用いられた液晶駆動用半導体のパッケージであり、必要なだけ複数個のTABモジュールがACF(Anisotropic Conductive Film、異方性導電膜)によって液晶パネルの端部に接続される。ACF(Anisotropic Conductive Film)は熱硬化型の樹脂フィルムであり、エポキシやアクリルの基材に熱硬化反応材が混ぜられ、内部にはニッケルや金をメッキした直径3-5μm程の樹脂ボールが無数に分散されている。TABモジュールは液晶パネルの接続部との間にACFが挟まれ精確な位置合わせの後に、加圧・加熱される事で樹脂ボールの金属によって導通が得られた状態で樹脂の硬化が進み、そのまま液晶パネルの端部にTABモジュールが固定される。COGモジュールでは、名前の通り、半導体のベアーチップを液晶パネルのアレイガラス基板上に直接実装する。ベアーチップとパネル電極との接続方法には、次の4方式がある。いずれの方式でもベアーチップを保護するために電極の接続後は保護樹脂でコートされる。

・ 金バンプ直接接続方式

・ ワイヤーボンディング接続方式

・ 銀ペースト接続方式

・ ACF接続方式

;駆動用プリント基板

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