JP2000010105A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の液晶表示素子のＴＮモードは、見る角度
により光り特性が異なり、視野角の依存性が発生してい
た。またｌＰＳモードは優れた視野特性が得られるが応
答速度が遅いという欠点がある。 【解決手段】本発明は、基板に平行な横電界で駆動する
液晶表示素子であって、２枚の基板１２と基板１３との
間に、横電界の方向と略同じ方向で５°以上のプルチル
ト角の誘電率異方性が負の液晶分子を配列して電圧無印
可時に明状態、電圧印可時に液晶分子が立ち上がること
により暗状態をとる液晶１５が注入され、立ち上がった
液晶分子の光学異方性を補償する一軸性の負の特性を有
する光学補償板１４と、前記基板１２，１３の基板の外
側面に、前記液晶分子の配列方向に対して、共に逆方向
の略４５度の角度をなして直交配置された偏光板１０，
１１とを備え、応答速度が速い液晶表示素子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液晶表示素子に関
し、特に横電界を用いるアクティブマトリクス型液晶表
示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な液晶表示素子の表示モードとし
て、ＴＮ（Twisted Nematic ）モードが知られている。
このＴＮモードは、２枚のガラス基板間にネマティック
液晶を９０°捻って配列させた液晶セルであり、偏光板
を用い、電界の印加による液晶の施光性を用いて光変調
するモードである。

【０００３】このＴＮモードの特徴として、他のものに
比べて駆動電圧が低く、極めて高い抵抗であるため消費
電力が少ない。また、コントラスト比が１００以上と高
く、高画質化が可能であるため、アクティブマトリック
スに用いられている。しかし、透過率の低い偏光板を用
いており、特に、ガラス基板に対して垂直方向の縦電界
で液晶分子を動かしているため、液晶分子が斜めに立ち
上がった状態では、見る角度により光り特性が異なり、
視野角の依存性が発生していた。

【０００４】これらの問題を解決する１つの手法とし
て、横電界を液晶分子にかけて、液晶分子を横方向に回
転させて、優れた視野特性が得られるＩＰＳ（In-Plane
Switing）モードが着目されている。このｌＰＳモード
は、従来のＴＮモードに比べてＰＥＰ数減、対抗基板側
のＩＴＯ電極不要なことからコスト的に有利である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ｌＰＳモード
には、大きな問題点として、応答速度が遅いという欠点
を有している。この応答速度は、通常、液晶分子の動作
速度に規定されており、電界を発生させるための電圧を
印加してから液晶分子が動作し、光の透過量が変化する
までの「立ち上がり時間」と、電圧の印加を停止してか
ら元の状態に戻るまでの「立ち下がり時間」とで表され
る。理想的には、１フィールド期間内（３０ms）で応答
すればよい。

【０００６】しかし、応答速度が遅くなると、動画の表
示画面のような速い動きには追従できない。そこで本発
明は、ＩＰＳモードと同等のコストで、ＴＮモード並の
応答速度を得る液晶表示素子を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、電圧印加により発生させた横電界で駆動す
る液晶表示素子において、２枚の基板が液晶を挟み構成
される液晶セルと、記液晶セルを挟み、液晶分子配列に
対して前記基板面内方向で略４５度の角度をなすそれぞ
れの偏光軸が直交するように配置される２枚の偏光板と
を備えて、前記液晶が負の誘電異方性を有し、液晶分子
が電圧無印加時には液晶分子の長軸が前記透明基板と略
平行し、液晶分子が電圧印加時には液晶分子の長軸が液
晶セルの厚さ方向とほぼ平行に立ち上がる液晶表示素子
を提供する。

【０００８】以上のような構成の液晶表示素子は、配向
規制力に対して垂直な面の方向に液晶分子が立ち上がる
ため、配向規制力の影響の受け方が弱く、従来のＩＰＳ
モードよりも応答速度が速くなる。前記液晶分子は、Ｉ
ＰＳモードのように基板と平行する様な回転が生じない
ように、比較的高いプレチルト角を与える必要があり、
その角度は、５°以上で、好ましくは１０°以上に設定
され、一軸性の負の特性を有する光学補償板により視野
角が広角化される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について詳細に説明する。まず、図１を参照し
て、本発明に係る横電界を用いるアクティブマトリック
ス型液晶表示素子の概念について説明する。

【００１０】図１（ａ）及び（ｂ）は、液晶セルの断面
構成を示す。この液晶セルは、２つのガラス基板１，２
間に誘電率異方性が負の液晶３が注入され、一方の基板
１には、横電界を発生させるための金属電極４が形成さ
れている。そして図１（ａ）は、電界を発生させるため
の電圧の無印加時の液晶分子５の状態を示している。こ
の時、液晶分子５は、配向膜面を水平面（θ＝０°）と
して、ポリイミド系樹脂等の有機高分子膜からなる配向
膜と、例えば１０°のプレチルト角で一端が持ち上がっ
て縦方向に一列に積層して配列し、光を透過する明状態
である。

【００１１】そして、図１（ｂ）に示すように金属電極
４に電圧を印加して、横電界６を発生させると、液晶分
子５は立ち上がり、縦方向に並び配列して光を遮光する
暗状態となる。

【００１２】また、図１（ｃ）及び（ｄ）は、液晶セル
を縦方向から（上から）見た概略図を示している。図１
（ｃ）は、同図（ａ）の上方向から見た状態を示してお
り、横電界が加わらないときには、液晶分子５の長軸方
向は、金属電極４間に向かうように配列している。図１
（ｄ）は、同図（ｂ）の上方向から見た状態を示してお
り、横電界が加わったときには、液晶分子５は、立ち上
がる。

【００１３】次に図２には、本発明による第１の実施形
態に係る液晶表示素子の概略的な構成例を示し説明す
る。図２（ａ）は、液晶表示素子を上から見た平面図、
同図（ｂ）は、概略的な断面構造を示す断面図である。

【００１４】この液晶表示装素子は、対向して配置され
るガラス等からなるアレイ基板１２と対向基板１３との
間に液晶層１５が保持されて形成される液晶セル１６
と、この液晶セル１６を駆動するための駆動回路部１７
とで構成される。前記アレイ基板１２と対向基板１３の
外側面には、偏光板１０，１１がそれぞれ配置されてい
る。対向電極１３と偏光板１１との間には、光学補償板
１４が配置されている。

【００１５】この液晶表示装素子は、カラー表示が可能
な対角１５インチサイズの有効表示領域１８を備えてお
り、例えば、（１０２４×３）×７８６の表示画素がマ
トリクス状に配列される。

【００１６】次に図３を参照して、液晶表示素子の構造
について詳細に説明する。図３（ａ）は、液晶表示素子
を上から見た平面図、同図（ｂ）は、断面構造を示す断
面図である。

【００１７】前記アレイ基板１２は、表面が研磨された
厚さ０．７mm程度の透明なガラス基板１９上に（１０２
４×３）本のモリブデン／アルミニウム／モリブデンが
積層された信号線２０と、７８６本のモリブデン−タン
グステン合金（ＭｏＷ合金）からなる走査線２１とが、
互いに直交して配置され、各交差部近傍には、薄膜トラ
ンジスタ（ＴＦＴ）２２が配置される。

【００１８】更に詳しくは、ＴＦＴ２２は、走査線２１
自体をゲート電極とし、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）か
らなるゲート絶縁膜２３を介して水素化非晶質シリコン
半導体層（ａ−Ｓｉ：Ｈ）２４が形成される。

【００１９】この上層に、シリコン窒化膜からなるチャ
ネル保護膜２５が形成され、リソドープされた低抵抗水
素化非晶質シリコン半導体層（ｎ＋ａ−Ｓｉ：Ｈ）２
６，２７を介して、ａ−Ｓｉ：Ｈ２４と電気的に接続さ
れるソース２８及びドレイン電極２９が配置されてい
る。

【００２０】ドレイン電極２９は、信号線２０と一体的
に構成され、ソース電極２８は、信号線２０と同様にモ
リブデン／アルミニウム／モリブデンの積層構造からな
り、画素電極３０を構成するようにストライプ状に信号
線２０に沿って延在している。

【００２１】その画素電極３０の端部は、補助容量Ｃｓ
を構成するための第１補助容量電極部３１を形成してい
る。そして走査線２１と同様にＭｏＷ合金により形成さ
れ、走査線２１と略平行した対向電極３２が配置され
る。

【００２２】この対向電極３２は、画素電極３０と略平
行に配線される第１及び第２電極部３３，３４と、第１
補助容量電極部３１とゲート絶縁膜２３を介して重複す
る第２補助容量電極部３５とを含む。

【００２３】このようにアレイ基板１２は、画素電極３
０と第１電極部３３との間に発生させた横電界と、画素
電極３０と第２電極部３４との間に発生させた横電界と
に応じて、それぞれ液晶分子が制御される。更に上層に
は、配向膜３６が形成される。

【００２４】一方、前記対向基板１３は、表面が研磨さ
れた厚さ０．７mm程度の透明なガラス基板３７上に、ア
レイ基板１２の信号線２０と対向電極３２との間、走査
線２１と対向電極３２との間からの漏れ光、ＴＦＴ２２
上に照射される不所望な光を遮るために、樹脂製の遮光
膜３８がマトリクス状に配置されている。

【００２５】そして、この遮光膜３８間には、カラー表
示を実現するために、赤（Ｒ），青（Ｂ），緑（Ｇ）の
カラーフィルタ３９がそれぞれ配置される。更に、この
上層に透明樹脂から成る表面平滑層４０を介して配向膜
４１が配置されている。

【００２６】さらに、アレイ基板１２と対向基板１３と
の間で、図示しないが微少ポリマが分散され、その基板
間隙が３．５μm に維持される。この基板間隙には、図
１に示したプルチルト角１０°で、誘電率異方性が負の
液晶層１５が注入される。

【００２７】電界方向とラビング方向とがなすラビング
角度は０°で、図４に示すように、電界方向となる液晶
分子配列の方向に対して、ほぼ４５°の角度をなす偏光
板１０，１１が直交配置される。これらの偏光板１０，
１１としては、例えばＧ１２２０ＤＵ（日東電工社製）
を用いる。そして、対向基板１３と偏光板１１との間に
電圧印加時の液晶層の厚さ方向の液晶分子の光学異方性
を補償するための一軸性の負の光学補償板１４を設け
る。

【００２８】本実施形態の液晶表示素子は、横電界を加
えない時（無電圧印加時）は、液晶分子は動かず、光を
透過する明状態となり、横電界を加えた時（電圧印加
時）には、液晶分子が立ち上がり、光を遮断する暗状態
となる。

【００２９】本実施形態と比較をするために前述したと
同等の画素構造で、同一の誘電率異方性が負の液晶を用
いて、プレチルト角を１°、ラビング角度を２０°とし
て、従来のＩＰＳモードで形成した液晶表示素子と比較
した場合に、本実施形態の液晶表示素子の応答速度とし
て、５０msが得られ、従来のＩＰＳモードの液晶表示素
子は、８０msが得られている。但し、コントラストは、
本実施形態では「１００」、従来のＩＰＳモードでは
「２００」の値が得られており、従来のＩＰＳモードの
方が高いコントラスト値が得られる。

【００３０】このように本実施形態の液晶表示素子は、
従来のＩＰＳモードよりも応答速度が改善される。この
応答速度の違いは、ＩＰＳモードでは横電界により液晶
分子を液晶配列面内で回転（基板に平行に回転）させる
ことから配向規制力の影響を強く受けるのに対して、本
実施形態の液晶表示素子では、配向規制力に対して垂直
な面の方向に液晶分子が立ち上がるため、その影響の受
け方が弱いためと考えられる。

【００３１】本実施形態の液晶分子は、ＩＰＳモードの
ように基板と平行する様な回転が生じないように、比較
的高いプレチルト角を与える必要があり、その角度は、
５°以上であって、好ましくは１０°以上がよい。

【００３２】また、本実施形態の液晶表示素子に設けた
光学補償板は、ＩＰＳモードに比べて視野角が狭くなる
ため用いており、垂直配向型ＬＣＤに用いられるような
一軸性の負のものを適用する。

【００３３】次に、図５には第２の実施形態に係る液晶
表示素子の構成例を示し説明する。本実施形態で第１の
実施形態と同等の部位には、同じ参照符号を付してその
説明を省略する。

【００３４】前述した第１の実施形態の液晶層におい
て、界面近傍の液晶分子は、配向規制力により立ち上が
りきらないため、液晶分子配列方向にリタデーションが
残存し、コントラストの低下を引き起こす可能性があ
る。そこで第２の実施形態では、これを改善するために
例えば、１５０nm以下の位相差板を液晶分子配列方向と
直交する方向に挿入する。

【００３５】図５に示すように、アレイ基板１２と対向
基板１３のそれぞれの外表面に、例えば、リタデーショ
ン値が２５nmのトリアセチルセルロース製の光学位相差
板４２，４３を配置する。

【００３６】この光学位相差板４２，４３を配置したこ
とにより、第１の実施形態では「１００」であったコン
トラストが「１８０」まで向上させることができる。
尚、この光学位相差板４２，４３は、第１の実施形態に
追加するだけではなく、光学補償板１４に換わって、設
けてもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、Ｉ
ＰＳモードと同等のコストで、ＴＮモード並の応答速度
を得る液晶表示素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る横電界を用いるアクティブマトリ
ックス型液晶表示素子の概念を示す図である。

【図２】第１の実施形態に係る液晶表示素子の概略的な
構成例を示す図である。

【図３】第１の実施形態に係る液晶表示素子の断面構造
を詳細に示す図である。

【図４】第１の実施形態における電界方向（液晶分子配
列の方向）と偏光板に偏向について説明するための図で
ある。

【図５】は第２の実施形態に係る液晶表示素子の断面構
造を詳細に示す図である。

【符号の説明】

１，２…ガラス基板 ３…液晶 ４…金属電極 ５…液晶分子 ６…横電界 １０，１１…偏光板 １２…アレイ基板 １３…対向基板 １４…光学補償板 １５…液晶層 １６…液晶セル

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電圧印加により発生させた横電界で駆動
   する液晶表示素子において、 ２枚の基板が液晶を挟み構成される液晶セルと、前記液
   晶セルを挟み、液晶分子配列に対して、前記基板面内方
   向で略４５度の角度をなすそれぞれの偏光軸が直交する
   ように配置される２枚の偏光板と、を具備し、 前記液晶が負の誘電異方性を有し、液晶分子が電圧無印
   加時には液晶分子の長軸が前記透明基板と略平行し、液
   晶分子が電圧印加時には液晶分子の長軸が液晶セルの厚
   さ方向とほぼ平行に立ち上がることを特徴とする液晶表
   示素子。
2. 【請求項２】 前記液晶表示素子において、 電圧印加時の液晶セルの厚さ方向の液晶分子の光学異方
   性を補償する一軸性の負の光学補償板を前記透明基板と
   前記液晶との間に配置することを特徴とする請求項１に
   記載の液晶表示素子。
3. 【請求項３】 前記液晶表示素子において、 電圧印加時の基板の界面近傍の液晶分子の位相差を補償
   する位相差板を前記偏光板と前記液晶セル間に配置する
   ことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の液
   晶表示素子。
4. 【請求項４】 前記位相差板の位相差が１５０nm以下で
   あることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示素子。
5. 【請求項５】 前記液晶表示素子において、 前記液晶分子の電圧無印加時のプレチルト角が５度以上
   であることを請求項１に記載の液晶表示素子。
6. 【請求項６】 横電界を用いる液晶表示素子において、 透明基板からなり、薄膜トランジスタを含む駆動回路が
   形成された第１の基板と、 透明基板からなり前記第１の基板と対向して配置され、
   カラーフィルタが形成された第２の基板と、 前記駆動回路により発生する横電界の方向と略同じ方位
   でプルチルト角１０°の誘電率異方性が負の液晶分子を
   配列し、電圧無印可時に明状態、電圧印可時に液晶分子
   が立ち上がることにより暗状態をとる液晶層と、 前記液晶層と前記第２の基板との間に挟まれ設けられ、
   電圧印加時に立ち上がった液晶分子の光学異方性を補償
   する一軸性の負の特性を有する光学補償板と、 前記第１の基板及び前記第２の基板の外側面に、前記液
   晶分子の配列方向に対して、共に逆方向の略４５度の角
   度をなして直交配置された偏光板と、を具備することを
   特徴とする液晶表示素子。