JP2007199577A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広視野角化を実現でき、しかも製造コストを抑えることができ、モバイル用途に好適な高速応答にも優れた液晶表示装置を提供すること。
【解決手段】基板１ａに共通電極１１が形成されており、基板１ｂに表示電極１２が形成されている。基板１ａ側の共通電極１１には、スリット１４が形成されている。このスリット１４は、そのスリットの中心Ｂが対向する基板１ｂ上の表示電極の中心Ａとずれて形成されている。すなわち、スリット１４は、表示電極１２に対して、平面視において非対称になっている。また、スリット１４の幅は、セルギャップ以上に設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、広視野角化及び高速応答性を可能とする液晶表示装置に関する。

近年、パーソナルコンピュータや、カーナビケーション、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話、液晶テレビ、携帯情報端末などの表示部には、液晶表示装置（ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)）が広く利用されている。しかしながら、ＬＣＤは、従来のＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）に比べて視野が狭く、視野角特性の改善が求められている。

視野角を広げる方式としては、例えば、ＴＮ型液晶表示装置の一対の対向電極間における表示域に開口パターン（スリット）を形成することが開示されている（特許文献１）。このスリットは、長手方向が初期（電圧無印加時）に液晶分子の配向方向と直交する方向になるように形成される。

ＶＡ（Vertical Aligned）モードにおいて、対向する一対の電極基板間で、一方の電極（例えば、共通電極）を他方の電極に対して平面視的に広く設けるとともに、表示域内の電極に開口パターン又はスリットを形成して斜め電界を発生させて視野角を拡大する方法（ＭＶＡ(Multi Domain Vertical Aligned)（特許文献２）も知られている。
特許第３１０８７６８号公報 特許第２５６５６３９号公報

しかしながら、上記改善されたＴＮモードでは、視野角特性を若干改善できるものの、まだ十分な視野角を得るには至っていない。また、液晶分子ダイレクタの電場応答において、背面流（back flow）の影響が大きいため、高速応答が不可能であり、また、正面での明るさが犠牲になるという問題もある。

一方、ＭＶＡモードでは、基板表面に突起状の構造体を設けるために製造プロセスが複雑になり、コストアップの要因になる。さらに、階調反転をなくすために白表示の透過率を落とす必要があるため、高輝度を実現しようとすると、消費電力が高くなる。また、ＴＮ方式と同様に背面流（back flow）の影響が大きいことにより高速応答にやはり限界がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、広視野角化を実現でき、しかも製造コストを抑えることができ、モバイル用途に好適な高速応答にも優れた液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、互いに対向して配置され、その対向面にそれぞれ電極が形成された一対の基板と、前記一対の基板間に正の誘電異方性を持つネマティック液晶層とを有する液晶表示装置であって、少なくとも一方の基板上の電極にスリットが形成され、前記スリットは、そのスリット中心が対向する基板上の電極の中心とずれて形成されており、前記スリットの幅がセルギャップ以上であることを特徴とする。

この構成によれば、プレティルトによる表示への影響を補償することができ、広視野角化及び高速応答性を実現できる。また、垂直配向方式と異なり、簡単な構成であるので、製造コストを抑えることができる。

本発明の液晶表示装置においては、前記スリットの幅Ｄは、セルギャップをｄとすると、ｄ≦Ｄ≦２．５ｄであることが好ましい。

本発明の液晶表示装置においては、前記スリットは、その長手方向が、電圧無印加時の平均的な液晶分子の配向方向に対して略直交した方向に形成されていることが好ましい。

本発明の液晶表示装置においては、前記スリットは、セルギャップをｄとすると、約１０ｄ当たり少なくとも１個存在することが好ましい。

本発明の液晶表示装置においては、前記ネマティック液晶の液晶分子は、電圧無印加時に前記基板表面に対して水平配向されていることが好ましい。この場合において、前記水平配向は、前記基板表面に対して前記液晶分子が所定のプレティルト角を持つようにラビング処理されることにより得られることが好ましい。この場合において、前記プレティルト角が約５°未満であることが好ましく、前記プレティルト角が約１°〜約４°であることがさらに好ましい。

本発明の液晶表示装置においては、セルギャップをｄとすると、前記プレティルト角が４°未満の場合に、前記スリット中心が前記対向する基板上の電極の中心と約ｄ／４〜２ｄだけずれることが好ましい。

本発明の液晶表示装置においては、表示画素に能動素子を有することが好ましい。また、本発明の液晶表示装置においては、透過型液晶表示装置又は半透過型液晶表示装置であることが好ましい。

本発明によれば、互いに対向して配置され、その対向面にそれぞれ電極が形成された一対の基板と、前記一対の基板間に正の誘電異方性を持つネマティック液晶層とを有する液晶表示装置であって、少なくとも一方の基板上の電極にスリットが形成され、前記スリットは、そのスリット中心が対向する基板上の電極の中心とずれて形成されており、前記スリットの幅がセルギャップ以上であるので、広視野角化を実現でき、しかも製造コストを抑えることができ、モバイル用途に好適な高速応答にも優れた液晶表示装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、バックライトなどの照明装置を用いて透過光で表示を行う透過型液晶表示装置又は透過領域及び反射領域を有し、バックライトなどの照明装置を用いて透過光で表示を行うと共に外光の反射光で表示を行う半透過型液晶表示装置に適用することができる。本実施の形態においては、本発明の液晶表示装置が透過型液晶表示装置である場合について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す図である。図１に示す液晶表示装置は、互いに対向する一対の基板１ａ，１ｂ及び、一対の基板１ａ，１ｂに挟持された液晶層２で構成された液晶パネルと、一対の基板１ａ，１ｂの外側の表面上にそれぞれ配置された偏光板３ａ，３ｂと、液晶パネルの外側（図１においては、偏光板３ｂの下方）に配置された照明装置であるバックライト４と、から主に構成されている。

基板（透明基板）１ａは、一方の主面（液晶層２と対向する主面）上に透明電極（共通電極）が形成されており、この透明電極上に配向膜が形成されている。基板１ｂ（アクティブマトリクス基板）は、一方の主面（液晶層２と対向する主面）上に各表示画素に対応した複数のスイッチング素子（能動素子）及び画素電極が形成されており、このスイッチング素子及び画素電極上に配向膜が形成されている。これらの基板１ａ，１ｂは、透明基板１ａとアクティブマトリクス基板１ｂとの間は、スペーサ（図示せず）によって互いの対向間隔（セルギャップ）が保持されると共に、互いの周辺部がシール材（図示せず）によって封止されている。なお、この液晶パネルは、画素単位で赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ（図示せず）を設けてカラー表示を行うことができる。ここでは、基板１ａ，１ｂにはガラス基板が用いられ、画素電極には透明電極（ＩＴＯ）が用いられる。

液晶層２に含まれる液晶材料は、透明基板１ａ側の配向膜（図示せず）とアクティブマトリックス基板１ｂ側の配向膜（図示せず）との間に封入された正の誘電異方性を有するネマティック液晶である。このネマティック液晶は、これらの配向膜により所定の方向にプレティルトを持ってツイスト角がほぼ０゜となるように水平配向（ホモジニアス）する。このプレティルトを与える方向、すなわち液晶分子の配向方向は、偏光板３ａ，３ｂなどの組み合わせにより駆動電圧の印加時に透過率が最大となるよう設定される。

偏光板３ａ，３ｂは、駆動電圧がオフ状態となるときに黒レベルを与えるように互いの偏光方向が設定されている。図１においては、光学素子として偏光板のみを記載しているが、光学素子として、必要に応じて、１／４波長板などの光学補償板が配置される。

バックライト４は、平板状の透明なアクリル樹脂などで構成された導光板と、陰極管（Cathode Fluorescent Tube）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの光源とから構成され、この光源が発する光を導光板で面発光させて液晶パネルに照射する。

図２（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置の原理を説明するための図である。図２（ａ）は電圧無印加状態を示す図であり、図２（ｂ）電圧印加状態を示す図である。図２に示す液晶表示装置においては、基板１ａに共通電極１１が形成されており、基板１ｂに表示電極１２が形成されている。それぞれの基板１ａ，１ｂには、電極を被覆するように配向膜が形成されているが、図示していない。基板１ａ，１ｂ間には、液晶層が挟持されており、液晶層内には、液晶分子１３が含まれている。図２（ａ）においては、基板１ａの配向膜に対して紙面向って左方向にラビング処理され、基板１ｂの配向膜に対して紙面向って右方向にラビング処理されているので、液晶分子１３は、紙面向って右側が立ち上がってプレティルトを有するように配向している。すなわち、液晶分子１３は、電圧無印加時に基板１ａ，１ｂの表面に対して水平配向されている。なお、プレティルト角θは、水平配向性を考慮すると、約５°未満、好ましくは約１°〜約４°であることが好ましい。

基板１ａ側の共通電極１１には、スリット１４が形成されている。このスリット１４は、そのスリットの中心Ｂが対向する基板１ｂ上の表示電極の中心Ａとずれて形成されている。すなわち、スリット１４は、表示電極１２に対して、平面視において非対称になっている。スリット１４は、その長手方向が、電圧無印加時（図２（ａ））の平均的な液晶分子１３の配向方向（紙面内における横方向）に対して略直交した方向（紙面に対して法線方向）に延在するように形成されている。スリット１４の幅は、視野角特性を改善し得る斜め成分を持つフリンジ電界を発生できること、スリット中央部の電界不感応液晶分子による影響を小さくすること、あるいは顕著な開口率の低下を起こさないこと、などを考慮すると、例えば、セルギャップ４μｍに設定した場合、約４μｍ〜約１０μｍでセルギャップ以上である。特に、スリット１４の幅Ｄは、セルギャップをｄとすると、ｄ≦Ｄ≦２．５ｄであることが好ましい。また、スリット１４の中心Ｂと表示電極１２の中心Ａとの間のずれ幅については後述する。なお、本明細書における図面では、スリットの繰り返しパターンを表すために、スリットをセルギャップよりも狭くしている。

共通電極１１及び表示電極１２に電圧を印加すると、図２（ｂ）に示すように、基板１ａ，１ｂ間の液晶分子１３がフリンジ電界１５に沿って立ち上がる。このとき、図示した２つのドメイン領域１６において、液晶分子１３の立ち上がり状態がほぼ対称的な状態となる。このため、観察者が観察方向を変えても同じように表示を視認することができる。したがって、本実施の形態に係る液晶表示装置は、広い視野角を有することになる。

水平配向の場合においては、垂直配向の場合と異なり、液晶分子１３の立ち上がりを安定させるためにプレティルトを付ける。このプレティルトがあるために、単にスリットを設けるだけでは、図２（ｂ）に示す２つのドメイン領域１６における液晶分子１３の立ち上がり状態がほぼ対称的にならない。そこで、本発明のように、スリット１４の中心Ｂが表示電極の中心Ａとずらすことにより、プレティルトによる液晶分子１３の立ち上がりの偏りを補償することができる。これにより、液晶分子１３の立ち上がり状態を２つのドメイン領域１６でほぼ対称的な状態にすることができる。なお、スリット１４の中心Ｂを表示電極の中心Ａに対してずらす方向は、液晶分子１３の立ち上がり方向とすることが望ましい。例えば、図２（ａ）に示す液晶表示装置においては、図示するようなラビング方向でラビング処理を施しているので、表示電極１２を有する基板１ｂにおいて、液晶分子１３が紙面向って右側に向って立ち上がるようなプレティルトを有する。この場合において、スリット１４は、表示電極１２の中心Ａに対して右側にずらして形成する。

図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係る液晶表示装置における一対の基板上の電極に設けるスリットパターンの態様を示す図である。通常、基板１ｂについては、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、画素毎にスイッチング素子として能動素子が設けられているので、これらの非表示領域などを考慮してスリットパターンが形成される。図３（ａ）〜（ｃ）に示す構造においては、基板１ｂ上には、ゲート２１が形成され、ゲート２１を覆うようにして絶縁層２２が形成されている。絶縁層２２上には、半導体層２３、ソース２４及びドレイン２５が形成されており、ＴＦＴが構成されている。さらにＴＦＴを覆うように絶縁層２６が形成されている。なお、基板１ａ，１ｂの液晶層２側には、配向膜（図示せず）が形成されており、図示された方向にラビング処理が施されている。

図３（ａ）に示す態様においては、複数画素について、１画素当たり１個のスリットを共通電極１１に設ける。この場合においては、図２で説明したように、スリット１４の中心Ｂが基板１ｂ上の表示電極１２の中心Ａに対して右側にずらして形成されている。

図３（ｂ）に示す態様においては、複数画素について、１画素当たり１個のスリットを表示電極１２に設ける。この場合においては、スリット１７の中心Ｂが基板１ａ上の共通電極１１（この場合、表示領域の１画素分の領域）の中心Ｃに対して右側にずらして形成されている。図３（ｂ）においては、共通電極１１を有する基板１ａから見ると、液晶分子１３が右側（紙面向って左側）に向って立ち上がるようなプレティルトを有する。したがって、図３（ｂ）においては、スリット１７の中心Ｂが基板１ａ上の共通電極１１の中心Ｃに対して右側（紙面向って左側）にずらして形成される。すなわち、スリット１７をずらす方向が液晶分子１３の立ち上がり方向となっている。

図３（ｃ）に示す態様においては、複数画素について、１画素当たり２個のスリットを交互に設ける。すなわち、１画素当たり、共通電極１１に対してスリット１４を形成し、表示電極１２にスリット１７を形成する。この場合においては、スリット１４の中心Ｂ１が基板１ｂ上の表示電極１２の中心Ａに対して右側にずらして形成されていると共に、スリット１７の中心Ｂ２が基板１ａ上の共通電極１１（この場合、表示領域の１画素分の領域）の中心Ｃ（この場合、１単位画素領域の中心）に対して右側にずらして形成されている。図３（ｃ）においても、共通電極１１を有する基板１ａから見ると、液晶分子１３が右側（紙面向って左側）に向って立ち上がるようなプレティルトを有する。したがって、図３（ｃ）においても、スリット１７の中心Ｂ２が基板１ａ上の共通電極１１の中心Ｃに対して右側（紙面向って左側）にずらして形成される。すなわち、スリット１７をずらす方向が液晶分子１３の立ち上がり方向となっている。

本実施の形態に係る液晶表示装置において、スリット１４及び／又はスリット１７は、セルギャップをｄとすると、視野角の改善に寄与し得ることなどを考慮して、約１０ｄ当たり少なくとも１個存在することが好ましい。また、スリット１４，１７の幅Ｄは、上述したように、セルギャップをｄとすると、視野角特性を改善し得る斜め成分を持つフリンジ電界を発生できること、スリット中央部の電界不感応液晶分子による影響を小さくすること、あるいは顕著な開口率の低下を起こさないこと、などを考慮して、ｄ≦Ｄ≦２．５ｄであることが好ましい。なお、ここでも、図面では、スリットの繰り返しパターンを表すために、スリットをセルギャップよりも狭くしている。

また、電極の中心Ａ，Ｃからスリットの中心Ｂ，Ｂ１，Ｂ２までのずれ量は、プレティルト角に関して正逆両方向の、（フリンジ電界効果も含め）液晶分子の電場配向による基板表面からの立ち上がり分布によって決まる光透過率分布が、電極表示面に関してできる限り対称になることなどを考慮すると、１μｍ〜１５μｍ、好ましくは２μｍ〜１０μｍであることが好ましい。また、セルギャップをｄとすると、プレティルト角が４°未満の場合には、約ｄ／４〜２ｄであることが好ましい。なお、プレティルト角が４°を超える場合には、ずれ量が大きな値になる傾向があり、最適化を図る必要がある。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
一方の基板上にスリット１４を有する共通電極１１を形成し、その上に配向膜を形成し、この配向膜に対して紙面向って右方向にラビング処理を施した。他方の基板の全面に表示電極１２を形成し、その上に配向膜を形成し、この配向膜に対して紙面向って左方向にラビング処理を施した。そして、このようにして得られた一対の基板を配向膜同士が対面するようにして所定の間隔をおいて配置し、一対の基板間に正の誘電異方性を有するネマティック液晶を注入して封止した。このようにしてスリット幅を変えた４つの液晶表示パネルを作製した。これらの液晶表示パネルには、カラー表示ができるようにカラーフィルタを設けた。このとき、セルギャップは４．２μｍとし、プレティルト角は１°とし、スリット中心と対向する電極の中心との間のずれ量は液晶分子の立ち上がり方向に２．５μｍとした。また、図示していないが、液晶分子は、紙面右側に向って立ち上がるように配向している。

これらの液晶表示パネルについてＬＣＤシミュレータ（シンテック社製）を用いて観察角度と透過率との関係を調べた。それらの結果を図４（ａ）〜（ｄ）に示す。また、参考のために、共通電極にスリットを設けていない液晶表示パネルを作製して、この液晶表示パネルについても同様に観察角度と透過率との関係を調べた。その結果を図５に示す。なお、図４（ａ）に示す液晶表示パネルは、スリット幅が３μｍであり、図４（ｂ）に示す液晶表示パネルは、スリット幅が５μｍであり、図４（ｃ）に示す液晶表示パネルは、スリット幅が８μｍであり、図４（ｄ）に示す液晶表示パネルは、スリット幅が１５μｍである。また、図面中の数値は単位μｍである。これらの数値は一例であり、これに限定されることはない。

図５から分かるように、スリットを設けない液晶表示パネルについては、観察角度−８０°〜−４０°にかけて階調反転（白表示（Ｖ＝４．００）よりもグレー表示（Ｖ＝２．４１，２．００，１．７２）の方が明るくなる現象）の領域Ｘが現れた。これに対して、図４（ａ）〜（ｄ）に示す液晶表示パネルは、階調反転領域がスリットなしの構成に比べていずれも小さく、広い視野角にわたって良好な表示が得られていた。また、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すような本発明に係る構成、すなわちスリットの中心が対向する電極の中心からずれており、スリット幅がセルギャップよりも大きい構成を有する液晶表示パネルは、各色における観察角度の対称性が良好であり、同じ観察角度であれば、いずれの方向から見ても明るさがほぼ等しいことが分かる。

また、図４（ｂ）に示す構成を有する液晶表示パネルと、垂直配向させた液晶層を有する液晶表示パネルについて、ＮＴＳＣ比６０％を用い透過開口率を５０％と仮定したときの透過率を比較したところ、図４（ｂ）に示す構成を有する液晶表示パネルにおいては、表示面積比率が８６％であり、透過率が４．５であったのに対して、垂直配向させた液晶層を有する液晶表示パネルにおいては、表示面積比率が６２％であり、透過率が３．６であった。このように本発明に係る液晶表示装置は、垂直配向させた液晶層を有する液晶表示装置よりも明るい表示が得られることが分った。

本実施の形態に係る液晶表示装置によれば、少なくとも一方の基板上の電極にスリットが形成され、スリットは、そのスリット中心が対向する基板上の電極の中心とずれて形成され、スリット幅がセルギャップよりも大きいので、広視野角化及び高速応答性を実現できる。また、垂直配向方式と異なり、簡単な構成であるので、製造コストを抑えることができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態においては、液晶表示装置がアクティブマトリクス型液晶表示装置について説明しているが、本発明はパッシブマトリクス型液晶表示装置に適用することもできる。上記実施の形態で説明した数値や材質、液晶表示装置の構成などについては特に制限はない。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明の実施の形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置の原理を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係る液晶表示装置における一対の基板上の電極に設けるスリットパターンの態様を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、液晶表示パネルについての観察角度と透過率との関係を示す図である。 液晶表示パネルについての観察角度と透過率との関係を示す図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ 基板
２ 液晶層
３ａ，３ｂ 偏光板
４ バックライト
１１ 共通電極
１２ 表示電極
１３ 液晶分子
１４，１７ スリット
１５ フリンジ電界
１６ ドメイン領域
２１ ゲート
２２，２６ 絶縁層
２３ 半導体層
２４ ソース
２５ ドレイン

Claims (11)

1. 互いに対向して配置され、その対向面にそれぞれ電極が形成された一対の基板と、前記一対の基板間に正の誘電異方性を持つネマティック液晶層とを有する液晶表示装置であって、少なくとも一方の基板上の電極にスリットが形成され、前記スリットは、そのスリット中心が対向する基板上の電極の中心とずれて形成されており、前記スリットの幅がセルギャップ以上であることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記スリットの幅Ｄは、セルギャップをｄとすると、ｄ≦Ｄ≦２．５ｄであることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
3. 前記スリットは、その長手方向が、電圧無印加時の平均的な液晶分子の配向方向に対して略直交した方向に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液晶表示装置。
4. 前記スリットは、セルギャップをｄとすると、約１０ｄ当たり少なくとも１個存在することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の液晶表示装置。
5. 前記ネマティック液晶の液晶分子は、電圧無印加時に前記基板表面に対して水平配向されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の液晶表示装置。
6. 前記水平配向は、前記基板表面に対して前記液晶分子が所定のプレティルト角を持つようにラビング処理されることにより得られることを特徴とする請求項５記載の液晶表示装置。
7. 前記プレティルト角が約５°未満であることを特徴とする請求項６記載の液晶表示装置。
8. 前記プレティルト角が約１°〜約４°であることを特徴とする請求項７記載の液晶表示装置。
9. セルギャップをｄとすると、前記プレティルト角が４°未満の場合に、前記スリット中心が前記対向する基板上の電極の中心と約ｄ／４〜２ｄだけずれることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかに記載の液晶表示装置。
10. 前記液晶表示装置は、表示画素に能動素子を有することを特徴とする請求項１から請求項９に記載の液晶表示装置。
11. 前記液晶表示装置は、透過型液晶表示装置又は半透過型液晶表示装置であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の液晶表示装置。

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