液晶ディスプレイ

デジタルカメラのディスプレイ

自動車用
（中央の表示部のみ）

山手線運行情報画面

液晶ディスプレイ（えきしょうディスプレイ、Liquid Crystal Display、略語LCD）は液晶の素子を組み込んだ画像表示装置（コンピュータディスプレイなど）である。単にLCDと呼ぶときは液晶ディスプレイではなく、その部品の一つである液晶パネル（LCDパネルとも）を指すこともある。

液晶ディスプレイなど液晶を使用した表示装置のことを指して、単に「液晶」と呼ぶこともある。

液晶テレビ、携帯電話、デジタルカメラ、パーソナルコンピュータ等の画像表示装置として、広く用いられている。

液晶パネルの原理

1.偏光フィルタ（垂直）
2.ガラス板
3.透明電極に挟まれた液晶
4.ガラス板
5.偏光フィルタ（水平）
6.光源

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さえぎったり透過させたりすることによって表示をする。液晶に電圧を加えると液晶分子の向き（配向）が変化する。この配向変化を利用して光のシャッターを実現して表示する。ただし、液晶だけでは光をさえぎることができないため、液晶の前後に特定の偏光方向の光のみを透過させる偏光フィルタを配置する。

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。

以下、その動作原理について記載する。

液晶パネルの構造

液晶パネルは、油状の透明な液晶組成物（液晶材料）が2枚の透明な基板にサンドイッチされ、周りがシールされた構造を有している。透明な基板としては主にガラスが用いられることが多いがプラスチックを用いることもある｡

透明基板の内面には、液晶に電圧を印加する電極（透明電極）が設けられている。透明電極の材料としては、抵抗値が低く形状を作製するのが容易なインジウムスズ酸化物 (ITO:Indium-tin-oxide) が広く用いられている。

LCDでは､液晶を封入した透明基板の表裏に､一組の偏光フィルタ（偏光板）を設けるものが主流である。従って､光源から出た光が目に達する経路を示すと、光源⇒偏光フィルタ⇒ガラス板⇒透明電極⇒液晶⇒透明電極⇒ガラス板⇒偏光フィルタ⇒目という順になる^[1]。

液晶パネルの表示

表示原理

セグメント表示の例

現在一般的な透過型液晶パネルを例として光学面から表示原理を説明する。表示光のもととなるバックライト（光源）は、まず、様々な方向に振幅成分を有する光を発する。この光源からの光のうち、特定の方向の振幅成分を持つ光（偏光）のみが裏面の偏光フィルタを通過することができる。この光は通常は直線偏光となっており、液晶層に入射される。直線偏光の入射光は、液晶層を厚み方向に伝播しながら、液晶のもつ屈折率異方性（複屈折）に応じて偏光状態を変化させて行く。液晶を出射した光は偏光^[2]のうち、表面の偏光フィルタが透過させる偏光だけが表示光として出射される。この表面の偏光フィルタが透過させる特定方向の振幅成分が多い場合には表示は明るく、少ない場合には表示は暗くなる。表示を変化させる（書き換える）ためには、液晶配向を電圧で変化させて液晶配向を変化させる。すると、液晶配向の変化に合わせて、液晶層を伝播する光の光電場の各振動方向における屈折率が変化し、液晶を出射する時点での偏光状態が変化し、明るさ、すなわち、液晶層をはさんでいる偏光フィルタ２枚を含めた全体の透過率が変化する。

このように、偏光フィルターと組み合わされた液晶は、単なる光シャッターとして動作している。つまり、光を遮ったり、透過させたり、それらの中間調となるように一部透過させたり、というアナログ的な光の透過率制御を電圧値により行うように動作する。なお、液晶自体は、偏光を変化させるが、エネルギー的に発光はせず、吸収は実質的にない^[3]。また、偏光フィルタを通過した光の表示が目に到達し、液晶ディスプレイから人間の目に届く光は直線偏光している^[4]。

以下、もっとも代表的な表示方式であるTN型を例に、表示動作についてさらに説明する。

TN型とは、Twisted Nematicの略称であり、ネマティック液晶と呼ばれる液晶組成物の配向をねじるものである。具体的には、電圧が印加されない状態での液晶配向が、一方の基板からもう一方の基板に追跡すると、各部分において基板に平行な面内を向きながら上下基板間で90度ねじれた（ツイストした）状態となる。こういう液晶配向が実現するように、液晶が接する基板の内面（両面）に配向処理が施されて製造される。液晶配向は電圧が加わらない状態では一様にねじれているため、そのねじれに応じて伝播する偏光方向がほぼ90度回転する^[5]。また、電圧を（十分に）加えると、液晶配向は基板に対し垂直^[6]になり、伝播する光の偏光状態が殆ど変わらなくなる。つまり、入射側の偏光フィルムを透過した光（偏光）が出射側の偏光フィルムにそのまま入射する。

ここで、表示の明暗は、偏光フィルムの設定方向に応じて、液晶パネルの表示に二つのタイプ^[7]が選べることとなる。つまり、電圧を印加していない（通常の、normally）状態に明表示（白表示）となるノーマリーホワイト（NW)モードと、暗表示（黒表示）となるノーマリーブラック（NB)モードである。具体的には、偏光フィルムの設定方向は、NWモードでは入射側と射出側の偏光板の透過軸方向同士が互いに直交するように設定され^[8]、NBモードでは互いに平行になるように設定される。NWモードによって表示の変化を説明すれば、入射側の偏光フィルムを透過した直線偏光は、電圧を印加しないときには偏光状態を90度向きを変えて液晶を出射するため、出射側の偏光フィルムの透過軸の偏光成分が多くなり、明るい表示となる。これに対して、電圧を印加したときには、入射側偏光フィルムを透過した光が殆どそのまま出射側偏光フィルムに伝播されてそこで殆どが吸収されるため、暗い表示となる。NBモードの表示の変化はそれぞれ逆の動作によって説明される。

TN型においては、大抵（TFT方式などでは、ほぼ全数）NWモードが用いられる。これは、セルギャップ（液晶層の厚み）に対する製造マージンが広く安定した品質の生産が可能であること、クロスニコルの偏光フィルム配置を用いるため特殊な構造を採用しなくても黒表示に着色が生じないこと、などによる。TN型のNBモードは、NWモードに比べた場合の視野角の広さからTFT方式への応用が検討された時期もあるが、上述のNWモードの利点の裏返しの欠点があり一般化するにいたっていない^[9]。

なお、TN型とは異なり、IPS型（インプレインスイッチング型）、VA型（垂直配向型）では、上述のTN型のNWモードの場合の偏光フィルムのクロスニコル配置がNBモードに用いられており、TN型のNWモードの利点がIPS型、VA型ではNBモードの利点にほぼ対応する。このため、IPS型、VA型ではNBモードが用いられる。NW,NBという名称が電圧と表示との関係のみを表す名称であるため、注意が必要である。

表示内容の制御動作

電圧による表示内容の制御動作を説明するために、最も身近な例を出せば、電卓に多用されている８の字によって数字を表示する、7セグメントディスプレイが挙げられる。このように電圧を印加する単位（セグメント）を小さい領域に分割し、その領域毎に外部から所望の電圧を印加するものを、セグメント表示と呼んでいる。どのセグメントに電圧をかけるかを適宜制御すれば、数字の0～9を表示し分けることができる。また、通常のセグメント表示では、明表示と暗表示の二つの表示状態によって表示が実現されているが、電池が消耗した電卓などでしばしば観察されるように、電圧が不十分な場合には、薄くなった表示、すなわち、中間調の表示が実現する。液晶ディスプレイで中間調を実現する場合は、表示データに応じて液晶層に印加する電圧を調整している。

液晶パネルの駆動

上記セグメント表示では、固定した表示パターンしか行えないが、変化に富んだ画像表示を行うために、各画素を格子状に均等配列したドットマトリクスタイプの液晶パネルを使うことが一般的となっている。ドットマトリクス表示の多数の画素にそれぞれ電極の配線をしようとしても、基板周縁部にすべての端子が取り出せなくなることから、TFT（薄膜トランジスタ）などのアクティブ素子を各画素に配置して駆動を行うか（アクティブマトリクス駆動）、直交させたストライプ電極を両方の基板に設けて、その交点の液晶を駆動する（単純マトリクス駆動）ことが行われる。

TFT等のアクティブ素子を用いる液晶パネルは、1990年代末頃から生産技術の発展とともに低価格化し、2000年代に入ると高品質の表示が必要なテレビ受像機やコンピュータモニタ、携帯電話の表示部として広く普及している。

なお、TFTとして現在最も多く普及しているのは、アモルファスシリコンを用いたTFTである。大型のガラス基板に対して容易に成膜ができることから、高い生産性を誇っている。また、アモルファスシリコン膜を結晶化させたポリシリコン（正しくはpoly-crystalline Si）TFTも用いられている。このポリシリコンTFTにはさらに製造温度プロセスによって高温ポリシリコンと東芝が開発した低温ポリシリコンがある。高温ポリシリコンは、溶融石英基板に成膜したアモルファスシリコンを熱アニールして結晶化するものであり、プロジェクター等の液晶ライトバルブに用いられている。低温ポリシリコンは、ガラス基板に成膜したアモルファスシリコンをレーザーアニール等して多結晶化するものである。ポリシリコンはアモルファスシリコンとは異なり高い移動度を有するので、ガラス基板上に液晶を駆動するためのドライバー回路を作りこめる利点がある。 プロジェクターでは、駆動素子として透明基板上のTFTではなく（透明なので透過型）、通常のICと同じSiウェハ（当然不透明）のトランジスタを使用した反射型表示デバイスも存在する（日本ビクターのD-ILA、SONYのSXRD等）。

液晶パネルの種類

駆動方式、液晶の配列方式によって分類できる。

単純マトリクス駆動

TN型

Twisted Nematicの略称でもっとも一般的に用いられている液晶の表示方式である。早くから実用化され、液晶といえばTN型が用いられているという時代が長く続いた。現在でもセグメント表示などの簡易な液晶表示部は、TN型が主流である。特徴として、構造が簡易で表示品位も比較的高いことが上げられる。また、良好な電圧に対する透過率変化が緩やかであり、表示ドット数の大きいドットマトリクス表示を行うためには、TFT素子などを用いたアクティブマトリクス駆動を行う必要がある。なお、単純マトリクス駆動（デューティー駆動）でもデューティー比が少ない場合には利用されることもある。

STN型

Super Twisted Nematic。液晶分子のねじれを180～270度程度まで深めたもので、TN型では難しいハイデューティ駆動を可能にし、TFT等のアクティブ素子を用いないでドット数の多い表示が可能となる。

TN型と同様NBとNWがあり、NBは黒と黄色、NWは白と青の表示になる。

DSTN型

Dual scan STN。

FSTN型

Film-compensated STN。位相差（液晶の屈折率の波長分散）を補償する高分子フィルムを貼ることで画面の色づきを減らしたもの。

STN型が開発された背景として、1990年代初頭までは、TN型液晶でアクティブマトリクス駆動をおこなってドット数を増やすために必要なアクティブ素子（TFT素子）の量産性が低く、産業としての成立性が危ぶまれていたことが挙げられる。一方、各種機器のポータブル化などにより、TN型のアクティブマトリクス駆動に代わる量産性の高い低コストの駆動方式（表示方式）に対するニーズも高まっていた。そういった中で、STN型が開発され、ハイデューティ駆動が可能であり、アクティブ素子が不要なことから一時期広く利用された。特に、市場でアクティブマトリクス駆動のTN型ディスプレイが高価な時期には、FSTN型とカラーフィルターを組み合わせてカラー表示に利用された。このように、アクティブ素子のない廉価さが最大の利点であったが、TFT液晶の低価格化、視野角特性や応答特性がTN型に比べて劣るなどの理由により、最近は徐々に利用されなくなってきている。また、TN方式と比較して、液晶層の厚みの均一化など、製造技術の点からは異なる難しさもある。

アクティブマトリクス駆動

TN型

単純マトリクス駆動と同様に、アクティブマトリクス駆動と組み合わせても、もっとも多く利用されている^[10]。生産技術が確立されており比較的安価である。また、特別な工夫をしなくても高い開口率^[11]が得られるため、明るい表示が容易に得られるあるいは、同じ表示輝度であればバックライトの消費電力を削減できる）。また、応答速度が比較的早いという特徴もある。その反面、視野角が狭く、色度変位が大きい。主に表示品位より消費電力を優先する用途（ノート型パーソナルコンピュータなどの小型の機器）に用いられる。

IPS型

In-Plane Switchingの略称である。液晶配向は基板に平行な面に含まれる向きで動作し、電圧を印加しない場合の一様な平行配向から、電圧を印加することによって基板に平行な面内で回転するようにしたものである。この回転は、電極構造を工夫して実現されるため、半導体技術を用いるアクティブマトリクス駆動でのみ用いられる。液晶配向が基板に対して垂直方向に立ち上がることがないため、視野角が広い^[12]。このように、視野角特性が良好なIPSは、液晶ディスプレイの一般的な視野角特性に対する懸念を大きくる払拭できることから、特にテレビジョン用途に多く用いられている。その反面、開口率を上げにくく表示が暗くなり易い、正面表示でのコントラストを高めにくいといった課題もある。

VA型

Vertical Alignmentの略称である。これは、TN型とは異なり、電圧を印加しないときの液晶配向を基板に垂直になるように配置し、電圧印加時に液晶が基板法線方向に対して傾くようにするものである。高速で高いコントラストを実現できる。電圧は両側の基板それぞれに設けられた一対の電極によって印加するため、配向方向が電界に対して傾くような誘電的性質を有する液晶（ネガ型の液晶）が必要となる。配向分割法と組み合わせれば比較的広い視野角が得られる。このため、特にテレビジョン用途に多く用いられている。

液晶パネルに用いられる液晶材料

液晶パネルに実用される液晶は、ほとんどがネマティック液晶である。この液晶は、一般に、ダイレクター (director) と呼ばれる分子の統計平均的な配向方向と誘電的性質および光学的性質とが密接に関連している。液晶パネルにおいては、誘電的性質が配向方向と電圧との組み合わせから決まる駆動動作に積極的に利用され、光学的性質が配向方向と偏光フィルムとの組み合わせから決まる表示動作に利用される。

上述の誘電的性質に関連して、通常液晶パネルに用いられるネマティック液晶を誘電率によって分類すれば、ダイレクター方向に大きくダイレクターに垂直な方向に小さい場合（ポジ型液晶）と、ダイレクター方向に小さく、ダイレクターに垂直な方向に大きい場合（ネガ型液晶）がある。ポジ型液晶は、TN型やIPS型に用いられ、ネガ型液晶はVA型に用いられる。光学的性質については、ポジ型およびネガ型のいずれにおいても、屈折率がダイレクター方向の光電場に対して大きく、ダイレクターに垂直な方向の光電場に対しては小さい複屈折性を有している。

このような誘電的性質と光学的性質とを組み合わせて適切な表示を実現するために、液晶パネルでは、ガラス等の基板に適当な電極を設け、基板近傍に配置された液晶材料の配向方向を、その電極間に与えた電圧によって制御し、各電圧でのその配向方向と屈折率の関係から所望の表示を得る。

表示素子としての特徴

LCDモニターの一部を拡大した画像

液晶パネルには、形状的な特徴、電気的な特徴、並びに、光学的な特徴および構成部品数などの面で他の表示装置とは異なる特徴がある。

形状的な特徴

液晶パネルの形状的な最大の特徴は、薄型である点である。ガラス2枚と偏光フィルター2枚、必要に応じてバックライトによって表示が行えるため、非常に広汎な製品に応用されている。

電気的な特徴

また、液晶パネルの電気的な面での最大の特徴は、液晶パネルそれ自体の電力消費が非常に小さいことである。数ボルト程度の電圧によって表示が書き換わり、電流はほとんど流れないためである。このため、ロジック系ICによって容易に駆動が可能であるなどの特徴から、用途の制限が少ない。ただし、液晶パネルの液晶部分は通常は交流駆動する必要があり、表示内容を書き換えなくても極性反転のために充放電電流が消費される。また、液晶パネルは自発光しないため、照明を設ける場合には、照明のために消費電力が大きくなるという課題がある。

光学的な特徴、構成部品数

さらに、液晶パネルのディスプレイとしての光学面での最大の特徴は、液晶それ自体が発光しないことである。そのため、表示のためには、バックライト、フロントライト、あるいは周囲光などの何らかの光源が必要となる。また、それ自体が発光しないため、カラー表示も主に液晶の表示メカニズムと直接関係のない工夫によって行われる。例えば、直視型の液晶ディスプレイにおいては、白色光のバックライトにカラーフィルタを用いた液晶パネルを組み合わせるカラー表示が主流である。また、投射表示を行うプロジェクターでは、光源の光を色ごとに分けて別々の液晶パネルを通過させ、再び合成する光学系（色分解光学系および合成光学系）が用いられることが多い。このような光学的な特徴は、一方では構成部品数の多さにもなって液晶パネルの多様性の一因となっている。

カラーフィルタは、画素に対応させて、赤色 (R)・緑色 (G)・青色(B) の光を透過させる着色層を配置したフィルターである。この着色層は、液晶をはさむ二つのガラス基板のうちの一方の液晶層側に配置されており、吸収を利用している。このため、各画素の通過光をR、G、Bに着色することができ、カラー表示が実現する。各画素の電圧を制御することで、表示画素の領域上の任意の一点で任意の発色が可能になる（非発色＝黒も可能）。これがカラー液晶パネルの仕組みである。

最近、カラーフィルタを用いずにカラー表示を行う方式として、直視型の液晶ディスプレイにおいて、R、G、Bの光を順次発光させるように構成したLEDバックライトに、高速で書き換え可能な液晶パネルを組み合わせてカラー表示を行うフィールドシーケンシャルカラー表示方式のものも試作されている。これは、カラーフィルタを用いないため、必要な画素数が１／３となり開口率が上がるために光の利用効率がよくなる利点がある。一方で、必要な応答速度が単純計算でも3倍になるために、一般に応答速度で劣る液晶表示素子では実現に難しさがある。また、色を順次表示するために色割れが起きる問題もある。

液晶パネルの多様性の一例を挙げるなら、液晶パネルでは、外光を利用することにより照明を設けずに低消費電力の表示を行うことも可能であるし、必要に応じて照明を設けて、自発光型の表示装置と類似の用途に用いることもできる点が好例である。

液晶パネルに照明を設けない場合には、外光を反射板で反射させて往復で表示を行うことが多い（反射型液晶パネル）。反射型液晶パネルでは、多くの場合に裏側の偏光版の背面に適当な凹凸をもった金属などの反射板を配置する方式（セル外反射板方式）が主流で、主に安価な液晶表示部で背景が薄緑、表示が変化する部分がこの背景色と黒色との間で変化するものはこの方式である。一部には、裏面側には偏光板を設けず、液晶層の裏側の基板の液晶層側反射板を配置して、液晶層と反射板を近接させ手配置する方式（セル内反射板方式）も実用化されている。この場合、一枚の表側の偏光板で、液晶層を往復する光の偏光を制御するが、その際には、フィルム位相差板が併用されることが多い。

また、液晶パネルに照明を設ける場合には、EL（エレクトロ・ルミネッセンス）、冷陰極管、発光ダイオードなどの照明光源によって背面から照明するバックライトによる透過光を観察するもの（透過型液晶パネル）や、表示面側からフロントライトと呼ばれる照明装置により照明して反射光を観察するものもある（フロントライト付き反射型液晶パネル）。

照明を設けるのは、多くの場合、カラー表示を行うカラーフィルタの吸収によって表示が暗くなる場合である。

そして、照明を設ける液晶パネルには、照明を用いない液晶パネルの特徴と組み合わせるようなもの、つまり、透過型と反射型を組み合わせることにより、外光を反射しつつ、バックライトの照明も利用するものもある。これにより、夜間の周囲が暗いときから日中の直射日光下まで表示内容が確認できるパネルが開発できるため、家庭用ビデオカメラ、ディジタルスチルカメラなどに利用されている。これは、半透過型液晶パネルもしくは半（微）反射型液晶パネルと呼ばれる。このように、発光ディスプレイに近い照明を用いた表示と外光を利用した反射ディスプレイとしての表示を一つの表示パネルで両立するものは液晶以外の表示方式では知られておらず、液晶パネルに用いることができる技術の多様性を示す好例といえる。

構成部品の多さは、例えば、画面の表面をマット（つや消し、あるいは、ノングレア）処理したものと光沢画面（グレア処理）したものを偏光フィルムの表面処理によって作り分けることが可能、といった製品バリエーションの多さにもつながっている。このため、映り込みが気になるテレビ用途や事務処理用のコンピュータ画面にはマット処理したものが用いられ^[13]、動画再生時などにおける色純度やコントラストの感覚的な品位を高めたい場合には光沢画面とするといった用途別のつくりわけが容易に行える^[14]。

一方で、構成部品の多さは、例えば、液晶透過型液晶ディスプレイにおいて、液晶パネルの液晶部分は全く変更がなくても、バックライトが改良されれば、例えば色再現範囲（色域、color gamut）が大幅に改善されたり、消費電力が低下するといった全体の性能の改良が実現すること、つまり、液晶そのものの改良ではなく、周辺技術である光源技術の進化によって表示特性が改良されることにもつながっている。

以上のように、液晶パネルは、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、プロジェクター、フィールドシーケンシャルカラー表示、半透過型液晶ディスプレイといったさまざまな表示方式が実用化または創出されており、それ自体が発光しないという特性とあわせて、非常に柔軟な光学的構成で用いられ、構成部品の改良が技術的進化に大きく寄与している。

液晶パネル、液晶ディスプレイの技術課題

液晶ディスプレイを下からのぞき込むと、上方が暗く見える。

液晶パネル（ディスプレイ）は、様々な利点を有する一方、表示原理に起因する技術課題（欠点）もある。

応答速度と残像感

液晶パネルの応答時間は、ブラウン管 (CRT) やプラズマ･ディスプレイ・パネル (PDP) に比べて長くなる。この事実は、動画表示を主体とするテレビとして液晶パネルを利用することによって特にはっきり指摘されるようになった。この理由は主に、液晶の粘度および層の厚みのために液晶の配向変化が印加波形から遅れるためである。バックライトも含めた表示装置としてみた場合には、表示フレーム内でバックライトが常時点灯していて画像が表示され続ける点（ホールド駆動）も大きな要因である。これらに対して、液晶材料の低粘度化、液晶層厚の低減、表示駆動波形をオーバーシュートさせる（オーバードライブ）工夫、表示駆動波形による表示フレーム間への黒表示の挿入、バックライトの明滅、駆動周波数の増大（倍速駆動）などの対策が採られている。

なお、測定規格および計測技術上の問題点として、カタログ等に表記される応答速度の数値が参考にならない場合が多いという問題点も指摘されている。

視野角

他のディスプレイ（例えばCRT）と比較して液晶パネルは視野角が狭い。これは、液晶パネルが液晶配向を表示に用いているために、液晶配向の向きと観察方向との関係が透過率や反射率に影響するためである。液晶表示の電卓やデジタル時計を、様々な角度か眺めてみるとモノクロ表示の場合は、単にコントラストの問題だが、カラー表示の場合は3色のコントラストの組み合わせによりカラーを表示しているので、見やすい角度と見えにくい角度が色毎に異なる（屈折率の波長依存性）。このことから、視野角特性という問題が発生する。特にテレビ用途などでの液晶ディスプレイの開発においては、視野角特性を改善して、いろいろな方向から観察しても明度や色調をできるだけ正面に近づけることが大きな技術課題となっている。

現在は、マルチドメイン方式（主にIPS方式や、VA方式で利用される）によって視野角を拡大する対策が採られている（VAの例としては、ASV液晶）。マルチドメイン方式は、表示に用いる液晶配向の向き（明表示の場合、暗表示の場合）が同じになるドメイン（領域）を画素内にいくつか設けて、複数のドメインの明度や色調をいくつか平均化したものが画素の透過率や反射率となるように構成する手法である。こうすることで、液晶パネルの観察方向を傾斜させたときの透過率が上下左右あるいは斜めの観察方向に依存しにくくなる。

ただし、IPS方式とVA方式では、ひとつ一つのドメインの視野角特性は異なっており、IPS方式の方が優れている。IPS方式におけるマルチドメインでの特性の平均化は、個々のドメインのわずかな色調の平均化が主眼であるのに対し、VA方式の特性では明度の平均化が主眼である。VA方式ではIPS方式に比べて不利な視野角特性を改善するため、一つの画素を複数の電圧で駆動するサブピクセルの組合せとすることも行われている。この手法により、基板に対する液晶の傾きが、中間調において一定の傾きではなく、強く傾いたサブピクセルと傾きの少ないサブピクセルの組み合わせとなり、上下左右斜めの観察方向に対する明度依存性が強い、中間的な液晶の傾きを表示に用いずに実質的に同様の明度が得られるため、視野各特性が改善される。また、このような中間的な液晶の傾きを避ける駆動方法は、応答にも良い影響を与える。また、前述程の効果は得られないが、液晶性分子を用いた位相差フィルムを、偏光フィルターと液晶層との間に配置して視野角を拡大する工夫もなされている（主にTN方式やOCB方式で利用）。

なお、上記の応答と同様に、測定規格および計測技術上の問題点として、カタログ等に表記される視野角の数値が参考にならない場合が多いという問題点も指摘されている。例えば、多くの場合にはコントラスト比が10程度の表示が実現する最大の視野角（正面からの傾斜角、またはそれを両側で表記した2倍の数）によって表示される。その結果、例えば176度の視野角などという観察方向として意味の無い範囲の数字の大きさばかりが強調されているのが実情である。注意深く観察するユーザーにとっては、観察方向による色調の変化やコントラストの変化がいまだ認識できる程度に残存しており、液晶ディスプレイの方式やメーカーによってそれが異なることも事実であるが、このような意味のある特性がユーザーに比較可能な状態で示されることは殆どない。

コントラスト

明表示の輝度を暗表示の輝度で割った値をコントラスト（あるいは、「コントラスト比」ともいう。通常は暗室で測定されるため、「暗所コントラスト」ともいう）といい、表示品位の一つの指標として用いられる。コントラストが低い表示装置は、白黒の表示が不明瞭になるだけではなく、カラー表示の色純度が低下するため非常に重要な指標である。このコントラストに関しては、液晶パネルは、完全な黒を表示することが難しく限界がある。これは、バックライトの光を液晶パネルが遮蔽しきれないためである。より詳細な原因は、偏光フィルターの偏光度が完全に100%ではないこと、液晶層やカラーフィルター等により偏光が若干解消されるため、視野角によっては表示光が漏れてきてそれが見えるため等である。このため、液晶パネル（ディスプレイ）で映画などの暗い画面を映すと、「漆黒の闇」の表現が難しくなり、テレビなどの映像用途に液晶パネルを用いる場合の技術課題となっている。

なお、日中の屋外や、非常に明るい照明が点灯した室内におけるコントラスト（明所コントラスト）は、液晶パネル（透過型液晶パネル）はPDPなどに比べてむしろ高い。明所コントラストは、観察者が見る光と同様に、表示による輝度に加えて周囲の照明が表示面で反射された光も同時に測定するためである。液晶パネルの表示面の反射率は、PDPのものより低く、明所コントラストの低下が少ない。これは、液晶は光を吸収するカラーフィルター、偏光フィルムが表示面にあるのに対し、PDPは蛍光体それ自体が白く反射率が高いためである。実際、現在の液晶パネルの（暗所）コントラスト（500～1000程度）では、液晶パネルのコントラストが問題になるのは通常以下の明るさの室内で観察する場合に限られ、非常に明るい部屋で使用する用途では液晶パネルのコントラストは問題にならないことが多い。日本の販売店など、家庭の数倍～10数倍明るい展示状態において、プラズマディスプレイが液晶ディスプレイに比べて見劣りするのは、プラズマディスプレイの明所コントラストの低下が、液晶ディスプレイの低下を大幅に上回るためである。

コントラストは、同一画面表示上の明（白）表示部と暗（黒）表示部との比ではなく、その製品における明表示部と暗（通常全画面黒）表示部との比である。一部の液晶テレビ、液晶プロジェクタにおいては、コントラストの数値を稼ぐ目的ではなく、暗い画面での階調表現能力を向上させるために、液晶パネルに入る光の量を制御（減ら）すものがある。その結果、意図的ではないがコントラストの数値を上げることとなっている。なお、最近では、画像エンジンとバックライトが協同することにより、黒表示の多い画面では、バックライトの輝度を落とす技術が確立されはじめており、コントラスト向上と消費電力低減の両者に役立っている。

消費電力

液晶パネルは、消費電力の低さを技術的優位性の一つとして電卓に使用されはじめたことや、CRT（ブラウン管）ディスプレイに比べて同一の表示サイズで比較すると消費電力が低いことなどから、一般には、低消費電力の表示装置であると考えられている。その一方で、消費電力を一層削減する必要性も指摘され続けている。消費電力の問題が指摘されるのは、携帯機器において電池駆動を行う機器に用いる場合、映像用途では比較的大きい表示サイズのものが選ばれる場合などである。携帯機器に用いる場合には、表示を用いる電子機器を利用する場面が多様化して電源の確保が難しい場面に使用したいというニーズの増大が背景にある。また、映像用途では、ブラウン管ディスプレイからの買い替えの際に同一の表示サイズではなくより大型の表示サイズの液晶パネルを用いたものが選ばれることや、液晶パネルとプラズマディスプレイが対比されている中で、プラズマディスプレイを用いたプラズマテレビが液晶テレビの消費電力を下回る例も報告されているということといった背景がある。

液晶パネルの消費電力には、液晶を駆動するための電力のほかに、バックライトが必要な場合には、バックライトを点灯させる電力も考慮する必要がある。特にバックライトが必要な場合には消費電力が大きくなる。これは、液晶パネルの透過率が低くバックライトを高輝度で発光させる必要があること、そして、そのバックライトが表示内容に関係なくいたるところ常に一定輝度で点灯していることにある。実際、最も一般的な透過型カラー液晶パネルでは、バックライトの光の大半が、偏光フィルター、カラーフィルタによる吸収や、液晶を駆動するための金属配線による遮蔽などによって失われているのが現実である（カラーフィルタを用いる液晶パネル自体の透過率は約5～10%に過ぎず、全面白の場合であってもバックライトからの光の90～95%は吸収によって失っており、全面黒の場合にはバックライトからの光のほとんどすべてが吸収されている）。なお、携帯機器には、使用時に正面のみに良好な表示を提供すればよいものが多く、正面のみに高い輝度で発光しそれ以外は輝度が低下するようなバックライトが用いられて消費電力の低減が図られている。これに対し、映像用途に用いられる液晶パネルにおいては、バックライトがあらゆる方向に高い輝度で光を放射しないと視聴に適する視野方向が制限されるためこの手段は通常は採用されない。

この課題に対して、発光効率のよいバックライトを選択するなどの工夫により、徐々に年間消費電力量を削減している。最近では、周囲の明るさにあわせてバックライトの輝度を調整したり、表示画像データにあわせてバックライトを場所的および時間的に制御してダイナミックに明るさを変更することにより、消費電力を低減させつつ実効的なコントラストや動画追従性を向上させる工夫も試みられている（ローカルディミングと呼ばれる）。

また、バックライトを用いない液晶パネル（反射型液晶パネル）であっても、主に電池により駆動される機器に用いられる液晶パネルにおいては消費電力が問題になる。このときの消費電力は、液晶を駆動する電力が主なものであるが、液晶は交流駆動しなければならず、たとえ表示内容が書き換わらない場合（静止画）であっても充放電のための電力が必要となるため完全にゼロとはならない。この課題に対して、液晶配向に双安定性を持たせて電圧を印加しなくても液晶の表示を固定することができるメモリー性表示が開発されている。この場合、表示内容の書き換えの際以外には電力を消費しないため、電子書籍端末などの表示装置として用いられている。なお、液晶とまったく異なる他の表示方式である電気泳動ディスプレイや粉体を利用したディスプレイ等も開発されてきている。

ドット落ち

液晶パネルの構造は極めて繊細である。現在主流の薄膜トランジスタを利用するTFT液晶パネルでは、膨大な数のトランジスタがガラス基板上に形成されている。トランジスタは異物混入に極めて弱く、数オングストローム程度の塵であっても動作不良を起こす。(1オングストローム=0.1ナノメートル)このため、ドット（画素子）を構成するトランジスタや関連回路に異常があると、一般に言う所のドット落ちが発生する。現状ではパネル1枚辺り2～3個程度のドット落ちを容認しないとパネル単価は10倍にも上昇するといわれており、メーカーは技術上の限界として顧客対応に苦慮している。その為、液晶パネルを使用した製品にはその旨の注意書きが書かれている。（→ドット落ち・不良品）

耐衝撃性

液晶パネルは薄いガラスでできているため、CRTと比べて非常に割れやすい。このためノートパソコンなどでの破損例が多く、衝撃を与えないように注意して扱わなければならない。一般家庭に液晶テレビが浸透するに伴い、頑丈さが求められるようになっている。なおデスクトップ用のタッチパネル付き製品の場合は、前面にタッチパネル用ガラスが装着されているために衝撃に強い。またコレガは2007年に衝撃に強い光沢硬化ガラス保護フィルター付き液晶モニターを発売した。

液晶ディスプレイ（装置）の構造

装置としての液晶ディスプレイには、大きく分けて直視型とプロジェクタ型の2種類がある。

直視型

直視型とは、プロジェクション（投射）によって光学系を通して拡大表示したり、ビューファインダーとして光学系を通した像を観察する、といった光学系を用いて観察するものに対立する概念であり、液晶素子を光学系を用いずに直接視認するものをいう。

数量では殆どがモノクロの反射もしくは半透過型である（電卓、時計、家電製品等）。

TVやモニター等の高性能が求められるデバイスではカラー表示の透過型が使用される。 また、携帯デバイスなど低消費電力が求められる用途で外光も利用する半透過型もしくは反射型のカラー表示が使用される。

プロジェクタ型

液晶パネルに限らず、一般に投射光を用いるプロジェクタでは、フロントプロジェクションタイプとリアプロジェクションタイプの2つのタイプがある。画像または映像が投射されるスクリーンの面を含む平面を考え、その平面により仕切られる二つの半空間を考えると、リアプロジェクションタイプでは、観察する人のいる半空間とは別の半空間の側（スクリーンの背面側）がからスクリーンに光が投射され、スクリーンを透過した光が観察される。これに対し、フロントプロジェクションタイプでは、観察する人のいる半空間の側がからスクリーンに光が投射され、スクリーンで反射した光が観察される。 液晶パネルを用い投射光を生成する機構（プロジェクションエンジン）に用いられる技術には以下のようなものがある。

透過型液晶プロジェクタ

液晶パネルの後部からハロゲンランプなどで照射し、光学系を通して、スクリーンに描画するプロジェクタ。液晶パネルの画像表示エリア内に液晶を駆動するための配線を配置する必要があり、液晶パネルの画素の周囲に光が遮光される領域が生じる。このため、液晶パネルを透過する光の量が減る欠点がある（専門的には、画素の開口率が低い、という）。

反射型液晶プロジェクタ

駆動回路を作製したシリコン基板の上に液晶を配置することにより、画素の間に配線を配置する必要をなくして開口率を高めたLCOSと呼ばれる方法が注目を集めている。

これらの液晶パネルの技術は、いずれもプロジェクションエンジン内部での投射光の生成機構であり、フロントプロジェクションタイプとリアプロジェクションタイプに共通して用いられる。

現状

液晶プロジェクタに適した液晶パネルの要件は、表示容量（ドット数）が多く、パネルサイズが小さいことである。このため、大型基板によって生産するための高額な設備投資を必要とせず、半導体工程との工程上の親和性も高いことから、大型パネルの実現が難しい時期やコストが高い時期には大画面化のための有望であると考えられていた。しかし、技術的には、特にフロントプロジェクションタイプにおいて、高い表示コントラストを得るためには視環境の照明を調節又は消灯する必要があること、リアプロジェクションタイプでも、表示コントラストを得るためには視環境の照明のｌ調節が必要であること、良好な表示が得られる視野角が狭いこと、セットの奥行きが直視型よりも厚くなることなどによって、直視型の液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどのフラットパネルディスプレイの一般化に伴いその用途が限定されてきている。現状では、リアプロジェクションタイプは特に直視型ディスプレイと競合しており一時参入した企業が撤退している。フロントプロジェクションタイプの用途は、オフィスにおけるプレゼンテーション用途、家庭でのホームシアター用途、直視型では実現できない超大型映像用途などが主なものである。

脚注欄

関連項目

ウィキメディア・コモンズには、液晶ディスプレイ に関連するマルチメディアがあります。

• 薄型テレビ
• VESA
• 映像機器
• HDTV
• High-Definition Multimedia Interface
• ASV液晶
• The Society for Information Display(SID:世界最大のディスプレイ学会)

外部リンク

• 液晶って何？ シャープ公式サイト内