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液晶ディスプレイのしくみ

      2016/12/15

ディスプレイの中でも、もっとも普及している液晶ディスプレイについて、

そのしくみを見ていきましょう。

 

液晶ディスプレイのしくみ

 

「ディスプレイ」のおさらい

ディスプレイは、極小の画素を縦横に数百~数千個並べて、映像をつくります。

近づいて見たディスプレイとその画素

↓次へ進む

縦横に数百~数千画素を並べたディスプレイ(合計すると数百万画素!)

 

赤・緑・青の3原色の光の量を調整することでさまざまなカラー画素がつくれます

3原色を調整してつくられるカラー画素

 

では、液晶ディスプレイの場合、どのように光の量を調整しているのでしょう?

∗ ここまでの説明がよくわからない場合は、以下の説明をまずご覧ください。

ディスプレイのしくみ

 

 

液晶ディスプレイの原理

液晶ディスプレイの原理は、「影絵」と同じです。

液晶ディスプレイの原理は影絵と同じ

 

液晶ディスプレイは、極小カラーフィルターを通る光量を調整し、カラー画素にしています。

液晶ディスプレイは、カラーフィルターに当てているバックライトからの光を、間に挟む「半透明の物」で調整している

具体的には、バックライトとカラーフィルターの間に「半透明の物」をはさみ、

その「半透明の物」の透明度を変えて光量を調整します。

 

そして、その透明度を変えられる「半透明の物」こそが、液晶素子なのです。

 

液晶素子

液晶素子は、電気により透明度を調整できる電子機器です。

電気を流していないときの透明な液晶素子

電気を少しだけ流したときの半透明な液晶素子

電気を流したときの不透明な液晶素子

 

液晶素子はバックライトとカラーフィルターの間で光量調整に使われます。

 

それでは、液晶素子を通る光の量が変わるしくみを見ていきましょう。

 

偏光(へんこう)とは

光は電磁波の一種です。

光には波としての振れがあります。

電磁波の一種である光には、波としての振れがある

 

振れと同じ方向の隙間なら、光が通れます。

隙間を通り抜ける光

 

振れと直交する隙間だと、光は通れません。

隙間を通り抜けられない光

 

斜めだと… ちょっとだけ通れます。

隙間を少しだけ通り抜ける光

 

この隙間が並んだ板を偏光(へんこう)フィルターと言います。

 

偏光とは、振れが一方向だけに偏った、変な光のことです。

通常の光は、様々な振れ方向の波が、何重にも重なってできていますが、

この隙間を通した後の光は、隙間と同じ方向にそろった偏光になります。

 

液晶素子は、このしくみを利用して、光の通る量を調整します。

 

ただし、液晶素子では偏光フィルターは回しません。

液晶の特性を利用して、光の振れの方を回転させるのです。

 

液晶の特性

液晶は細長い分子の集まりです。

分子と同じ方向に光を振れさせることができます。

光が進む途中で液晶分子の方向を変えれば、光の振れもねじれます。

 

液晶分子と同じ方向に振れる光

 

液晶分子の方向は、配向膜(はいこうまく)という特殊な薄膜によって変えられます。

配向膜によって方向性が与えられる液晶分子

 

これにより、光の振れもねじれます

配向膜によって液晶分子が方向転換し、液晶分子の方向に合わせて光の振れもねじれる

 

ところが、電気を通すと、液晶は同じ方向に整列します。

電気を通す前は、液晶分子が配向膜の方向に従って整列している

↓次へ進む

電気を通すと、配向膜の方向よりも電気の流れる方向に従うようになる

 

光もねじれずに直進します。

液晶分子が同じ方向にそろうと、光の振れもねじれずに同じ方向になる

 

この原理を利用して液晶の透明度を調整します。

 

1.配向膜と同方向の偏光フィルターを配置します。

「偏光フィルター」「配向膜」「液晶分子」「配向膜(90°回転)」「偏光フィルタ(90°回転)」の順に重ねる

 

2.光が通るよう配向膜を透明にします。

「配向膜」と「配向膜(90°回転)」を透明にする

 

3.すると、ねじれたが2つの偏光フィルターをすり抜けられるようになります。

「配向膜」と「配向膜(90°回転)」の間で液晶分子が90°回転するため「偏光フィルター」と「偏光フィルター(90°回転)」の間で光の振れも90°回転し、光が偏光フィルターを通り抜ける

 

4.電気を通すと液晶分子の向きが変わります。
電気を通すと、光の振れのねじれがゆるみ、偏光フィルターを通り抜ける光が減少する

偏光フィルターを通り抜けられる光の量減少します。

 

5.さらに電気を通すと、まったく光が通りぬけられなくなります。

さらに電気を通すと、光の振れのねじれが無くなり、偏光フィルターを通り抜ける光が無くなる

 

この構造をコンパクトにしたのが液晶素子です。

「偏光フィルター」「配向膜」「液晶分子」「配向膜(90°回転)」「偏光フィルタ(90°回転)」のサンドイッチを薄べったくつぶす

1枚の液晶素子

1枚の液晶素子(正面)

 

液晶素子を画素サイズまで小さくし、並べます。

画素サイズまで小さくし、縦横に並べた液晶素子

 

原色フィルターを重ね、カラー画素を作ります。

液晶素子に3原色のカラーフィルターを重ねる

 

さらにこれを数百万個並べます。1枚のディスプレイパネルになるように、液晶素子とカラーフィルターで作った画素を縦横に数百~数千個並べる

 

このパネルにバックライトをつけて、制御器をつければ液晶ディスプレイの完成です。

液晶パネルにバックライトを重ねる

 

その他の制御部品を付けて、1枚の液晶ディスプレイが完成

 

 

ただし、実際の液晶ディスプレイでは、

画素サイズの液晶素子をたくさん作って並べているのではありません。

 

ディスプレイサイズの液晶パネルを画素サイズまで細かく区分けして、

1つ1つの区分けが、極小の液晶素子と同じになるように作られています。

1枚の液晶パネルを画素レベルに区分け

 

また、カラーフィルターは、1画素を横に3等分して3色を配置した並びになっています。

1画素を横に3等分して3色を配置した並びになっているカラー画素

 

まとめると…

1枚の液晶ディスプレイには、極小な画素が数百万個も入っています。

 

画素そのものは発光せず、バックライトからの光を調整する機能だけをもっています。

 

画素を通過する光の量は、電気により液晶分子の方向を変化させて調整します。

 

画素1つ1つで光の量を調整するために、画素1つ1つに、このような液晶素子が付いています。

 

だから…

液晶ディスプレイは極小液晶素子を持つ画素を数百万個も並べた超精密機器であると言えます。

 

よって、製造時点から、数個の画素に不具合(ドット抜け)が出てしまうのは避けられません。

 

有効画素数が多いほど、液晶ディスプレイはよりきめ細かな映像を再現できると言えます。

 

暗い映像でも、バックライトは常に点灯しているため、バックライトの電力消費量が重要です。

 

電気によって液晶分子の方向を変えるときの反応速度が悪いと、残像感が目立ちます。

 

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