品質トラブルはどうして起こる？LCDの構造/原理を解説!

液晶分子は電圧を加えることで並び方が変わる性質を持ちます。
電圧を加えることで配向膜の溝に沿って並んでいた液晶分子が垂直に立ち上がり同じ方向に揃います。
ガラスにはX方向/Y方向の透明電極が直交するように配置されており、交点にスイッチとなるTFTが配置されています。
このTFTのON/OFFを切り替えることで液晶分子への電圧印可を行っています。

LCDを構成する上で欠かせない部品の１つとして偏光板があります。
偏光板とは一定方向の光のみを通過させるシャッターのような役割を持った部品です。偏光板には細かいスリットが並んでおり、一定方向の光のみがスリットを通過することができ、それ以外の方向の光は偏光板を通過できません。

図4. 偏光板の原理

ここまで説明した原理を応用することでLCDは点灯・消灯を切り替えています。
まず、1枚目の偏光板を通った光は一定方向の光のみが液晶層に到達します。光は液晶分子の隙間を通過するため、TFT OFFの場合は液晶分子に沿って光も90度ひねられて通過し、人間の目にも光が届きます。一方で、TFT ONの場合は液晶分子が垂直に立ち上がり一定方向を向いているため、偏光板を通過してきた光は向きを変えずにそのまま液晶層を通過して2枚目の偏光板に到達します。この光は偏光板の吸収軸と同じ方向の光のため、偏光板を通過できず人間の目には光が届きません。

図5. LCDの動作原理

前項で説明した通り、LCDは液晶分子に電圧を加えて向きを変えることで光の透過/遮断を制御しています。
しかし、同じ映像を長時間表示し続けると液晶層の中で寄生容量の増加を引き起こし、帯電した直流電圧は液晶分子の向きを制御する際の妨げとなります。これにより液晶分子が本来あるべき角度に調整できず、表示がOFFにできなくなることで焼き付きが発生します。軽度の焼き付きであればしばらく電源をOFFにすることで解消することもありますが、重度の場合は電源をOFFしても解消しないケースもあります。

そのため、アプリケーションの設計段階から焼き付きの防止策をメーカー様で検討頂くことも重要となります。ユーザー側に連続使用時は一定時間電源をOFFにして貰ったり、LCDを使用しない時は動画を流すといった方法が典型的な対策になります。身近な例では、パソコンのアニメーション付きスクリーンセーバーが焼き付きを防ぐ役割も担っています。

製造工程における異物やゴミを完全に無くすことは不可能なため、輝点/滅点も完全に無くすことは困難です。
そのためLCDメーカー各社は検査基準を設けており、「輝点/滅点が〇個以下なら良品判定とする」といった方針を取ることが多いです。また、輝点/滅点と言っても大きさがさまざまなため、大きさについても基準を設けており非常に小さいものは数にカウントしないといった定義にしているメーカーもあります。

輝点/滅点は使用されるアプリケーションによっても目立ちやすさが変わってきます。
医療ドラマなどで黒い画面に映った心電図を見たことがあると思いますが、表示するUIが全体的に黒い画面のアプリケーションだと輝点も目立ちやすくなります。そのため、黒画面を表示することが多いアプリケーションにおいては極力輝点の少ないLCDをご要求頂くといったこともあります。

ただし、前述した通り輝点/滅点を無くすことはできないため、LCDメーカーが発行する検査基準書をよく確認して、輝点/滅点の定義がどうなっているかユーザー側で確認頂くことも大切です。

縦線(ソース線)/横線(ゲート線)を駆動しているのはそれぞれソースドライバーIC/ゲートドライバーICとなります。
そのため、仮に横線が発生した場合はゲートドライバーICの端子やそこに繋がる配線箇所などに何らかの異常が発生している可能性が高いです。一方で縦線が発生した場合は、ソースドライバーICやそこに繋がる配線箇所から疑うことが多いです。

図14. ソースドライバーIC/ゲートドライバーIC

ただし、冒頭に述べた通り、同じ横線でも1本線のケースと帯のように太い線が出ているケースでは状態が異なります。太い帯のような線が見えている場合、複数のゲート線にまたがる形で異常が発生していることになるため、製造時のゲートIC圧着が不十分だったり汚れなどが複数端子に跨って付着していたりする可能性があります。

逆に横線が１本だけ見えている場合、特定の端子部分のみに汚れなどがピンポイントで付着するケースはドライバーICの端子ピッチなどを考慮すると考えにくいです。そのため、LCD製造時に配線を断線してしまっていたりといったケースなどがあり得ます。