液晶ディスプレイ技術（パート1）

液晶ディスプレイ（LCD）技術は、デバイス製造における要件が比較的低く、コスト効率が高いことから、ディスプレイパネル販売の主流市場を依然として支配しています。LCDはパッシブ型ディスプレイであり、デバイスは液晶パネルとバックライトモジュールという2つの主要モジュールで構成されています。バックライトモジュールは白色光源を発し、液晶パネルによって各ピクセルの色と明るさが変調され、最終的に動くカラー画像が表示されます。

バックライトモジュールは、LEDビーズと光学フィルムで構成されています。LEDからの点光源は光学フィルムによって拡散・均一化され、均一な面光源を形成して液晶パネルを照らします。白色光源は、赤、緑、青の三原色を混合したものです。液晶パネルを通過した後、各サブピクセルセルに対応する液晶スイッチの複合的な作用により、特定の色と明るさが形成されます。約2,488万個のサブピクセルセルで構成される4Kパネル全体が1フレームを構成します。

液晶パネルの構造は下図の通りです。各種機能フィルムが形成されたガラス基板に加え、下から順に、下部偏光板、薄膜トランジスタ（TFT）駆動回路、液晶層、カラーフィルター（CF）、上部偏光板が積層されています。

液晶はその名の通り、液体のような性質を持つ結晶物質であり、液体の流動特性と結晶のベクトル特性の両方を備えており、独特の機械的、光学的、電気的特性を有しています。下の写真に示すように、液晶パネルは、液晶と上下の偏光板の協調により、バックライトからの入射光をスイッチングおよび調光し、異なる輝度レベル（グレースケール）を作り出します。カラーフィルターの機能と組み合わせることで、異なる色と輝度レベルが形成されます。

では、液晶パネルにバックライトが入るとどのような変化が起こるのでしょうか？

まず、液晶パネルの上下層には、互いに直交する偏光板が配置されます。次に、領域は画素解像度に応じて無数のセルに分割されます。各画素は、赤、緑、青のサブピクセルセルに分割されます。各セルには、下から上に向かって、独立した電極、液晶層、カラーフィルター層が配置されています。上下の偏光板は液晶とともに「ゲート」を形成し、そのセルの光透過のオン/オフ状態と透過光の強度を制御します。3つのサブピクセルセルを通過した異なる強度の光は、赤、緑、青のカラーフィルターを通過した後、さまざまな割合で混合され、画素の表示色と明るさを形成します。

では、この複合ゲートはどのように機能するのでしょうか?

バックライトは自然光と同様に横波であり、粒子の振動方向は波の伝播方向と垂直であるため、光の振動方向は常にxy平面内にあり、伝播方向（z軸）と垂直です。バックライト光線が液晶パネルの下部偏光板に当たると、偏光板の格子方向（y軸方向）と同じ方向に振動する光だけが通過し、特定の振動方向で伝播する直線偏光になります。図3に示すように、TFT基板上の画素電極に通電されていない場合、偏光は振動方向を変えずに液晶層とCF層を通過し、上部偏光板に到達します。しかし、上部偏光板の格子方向はy軸（x軸方向）と垂直です。そのため、y軸方向に振動する偏光は上部偏光板を通過できず、画面正面から見ると暗い状態になります。

TFT回路電極に通電すると、液晶分子が回転します。下部偏光板から出射された偏光は、液晶分子の誘導により偏光方向がねじれます。液晶の厚さと回転角度を適切に設定することで、偏光の振動方向を正確に90°ねじることができます。このとき、偏光の振動方向はx軸と平行になり、上部偏光板の格子方向と一致して透過します。振動方向が格子方向と角度を成す場合、光波のエネルギーの格子方向に沿った成分が偏光板を透過し、本来の光強度が減衰します。TFT電極電圧を変化させることで、液晶の回転角度を調整し、上部偏光板を透過する光の強度を制御することができます。

液晶の電気光学特性

なぜ電場によって液晶が回転するのでしょうか？そして、なぜ液晶の回転によって偏光の振動方向が変化するのでしょうか？

下図に示すように、液晶分子は棒状の構造を持ち、結晶の異方性を有しています。長軸と短軸に沿って、電気光学効果、誘電率、屈折率が異なります。これらの特性を利用して、各画素セルへの入射光の強度を変化させ、色や階調を表現することができます。

液晶の誘電異方性

--- 液晶分子の誘電率（ε）は、長軸と短軸で異なります。長軸に平行な誘電率が長軸に垂直な誘電率よりも大きい場合（ε// > ε⊥）、正の誘電異方性を持つポジ型液晶と呼ばれ、平行配向に適しています。ε// < ε⊥の場合、負の誘電異方性を持つネガ型液晶と呼ばれ、垂直配向でのみ所望の電気光学効果を達成できます。外部電場が印加されると、液晶分子の回転方向（電場に平行か垂直か）は、誘電異方性の正負によって決まり、光の透過の有無が決まります。現在、TFT-LCDで一般的に使用されているVA型液晶は、ほとんどが負の誘電異方性型に属します。通電されると、液晶分子は外部電場によって分極され、長軸が電場に垂直な方向に傾きます。 IPS では一般的にポジ型液晶が使用されますが、一部の ADS Pro パネルではネガ型液晶が使用されます。

液晶の複屈折

--- 液晶分子は複屈折性と旋光性を有し、屈折率（n）は長軸と短軸で異なります。長軸の屈折率はnO、短軸の屈折率はnEです。

屈折率が異なるため、光の速度も異なります。液晶が回転すると、長軸と短軸に沿った光速度が異なり、入射状態と比較して出射する常光線（O）と異常光線（E）の間に位相差が生じ、位相遅延現象が発生します。光線が液晶から出射すると、OとEの光ベクトルが再結合し、回転する新しい振動方向が生成されます。光路長と回転角を特別に設計することで、出射するO光線とE光線の位相差を1/2波長に設定できます。これにより、出射光の位相が入射光に対して90°回転し、上部の偏光板を通過できるようになります。液晶の回転角度が異なると、O光線とE光線の位相差が異なり、透過光の強度が制御されます。

液晶パネルの種類

液晶の回転モードに基づいて、TN（Twisted Nematic）、IPS（In-Plane Switching）、VA（Vertical Alignment）の3種類に分類されます。これらのうち、TN型LCDパネルは最も早く普及し、最も低コストでした。しかし、ネイティブ6ビットカラー（色域が狭い）と非常に狭い視野角のため、TN型は事実上、主流のLCDディスプレイパネル市場から姿を消しました。現在、主流のLCDディスプレイは主にIPSパネルとVAパネルを使用しています。

図に示すように、IPSディスプレイパネルは液晶分子が水平に配列されています。正と負のピクセル電極はTFT基板上の同一水平面上にあります。通電されていない場合、下部偏光板を通過した偏光は、偏光方向を変えずに液晶を通過します。このとき、偏光の振動方向は上部偏光板の格子方向と垂直であるため、光は透過できません。通電すると、電界の存在により液晶分子が水平面内で回転します（インプレーンスイッチング）。複屈折により、偏光は速度の異なる2つの光線に分解されます。液晶を出ると、これらの2つの偏光は位相差を持ち、新しいタイプの偏光に再結合します。この偏光はカラーフィルタを通過し、各サブピクセルセルからの光は赤、緑、青の色を表示します。カラーフィルタを透過した偏光は上部偏光板に到達します。液晶によって新たな角度に曲げられた各サブピクセルからの光は、それぞれ異なる回転角度を持ちます。上部偏光板の格子に対して異なる角度を持つ偏光成分が透過するため、各サブピクセルセルから異なる強度の赤、緑、青の3色が得られます。これらの強度の異なる3色が混ざり合って、目的のカラーピクセルが形成されます。24,883,200個のサブピクセルセル（3840 * 2160 * 3）の色は、8,294,400個のピクセル（3840 * 2160）の色と組み合わされ、4K解像度の映像の1フレームを作成します。特定の周波数の電界に応じて変化する液晶は、偏光の振動角度を連続的に変化させ、フレームごとに映像を表示することで、最終的に映像表示を実現します。

VAディスプレイの動作原理はIPSパネルと同じです。図6に示すように、液晶分子の配列はIPSパネルとは異なります。VAディスプレイでは、液晶分子が垂直に配向し、正負の画素電極が上下の平面に分散配置され、垂直方向に電界を形成します。

電極に電圧が印加されていないとき、液晶分子は上下の基板に対して垂直に配向しています。下側の偏光板を通過する直線偏光は液晶分子の長軸に平行に進むため、偏光状態は変化せず、上側の偏光板を通過できません。人間の目で観察されるパネルは暗状態です。電圧が印加されていない、または低い電圧が印加されているとき、偏光は液晶分子の長軸に沿って進みます。液晶の複屈折性により、長軸に沿った偏光は基本的に偏向せず、上側の偏光板を通過できません。その結果、非常に黒い暗状態、高いコントラスト比、優れた画像鮮明度が得られます。電極に電圧が印加されると、液晶分子は垂直電界の作用を受けて回転し、長軸は電界に垂直な方向に傾斜します。液晶に入射する直線偏光の成分は、液晶層内で位相遅延を受けます。液晶層を通過した後、偏光成分は再結合し、光の偏光状態が変化します。各サブピクセルセルからの偏光の振動方向は、最終的に設定電圧に応じて異なる角度に偏向します。カラーフィルターと上部偏光板を通過すると、異なる強度のサブピクセルカラーが得られます。異なる強度比を持つ赤、緑、青のサブピクセルカラーが混ざり合って設定されたピクセルカラーを形成し、最終的に表示のための完全なフレームが形成されます。