JP2009229599A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対向基板の帯電による影響を抑制しつつ、表示品位の良好な画像を表示可能な液晶表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】アレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとの間に液晶層ＬＱを保持した構成の液晶表示装置であって、アレイ基板ＡＲは、画像を表示する表示領域ＤＳＰの各画素ＰＸに配置された画素電極ＥＰと、画素電極ＥＰと間隔をおいて対向する対向電極ＥＴと、を備え、対向基板ＣＴは、絶縁基板３０と、表示領域ＤＳＰ全体において、液晶層ＬＱと絶縁基板３０との間に配置されたシールド電極ＥＳと、を備え、液晶層ＬＱは、負の誘電率異方性を有する液晶材料によって形成されたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、液晶表示装置に係り、特に、液晶表示パネルを構成する一方の基板に画素電極及び対向電極を備えた構造の液晶表示装置に関する。

近年、ＣＲＴディスプレイに代わる平面表示装置が盛んに開発されており、中でも液晶表示装置は、軽量、薄型、低消費電力等の利点から特に注目を集めている。特に、各画素にスイッチング素子を組み込んだアクティブマトリクス型液晶表示装置においては、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードやＦＦＳ（ｆｒｉｎｇｅ ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードなどの横電界（フリンジ電界も含む）を利用した構造が注目されている。

このＩＰＳモードやＦＦＳモードなどの横電界モードの液晶表示装置は、アレイ基板上に形成された画素電極と対向電極とを備え、これらの間に形成されるアレイ基板の主面に対してほぼ平行な横電界で液晶分子をスイッチングする。また、アレイ基板及び対向基板のそれぞれの外面には、互いに偏向軸が直交するように配置された偏光板が配置されている。このような偏光板の配置により、例えば電圧無印加時に黒色画面を表示し、映像信号に対応した電圧を画素電極に印加することにより透過率（変調率）が変化する。

このような液晶表示装置において、外部からの静電気などによって対向基板が帯電してしまうと、アレイ基板と対向基板との間に不所望な縦電界が形成されてしまう。このように縦電界が形成されると、液晶分子の配向不良が生じ、透過率の低下などの表示品位の劣化を招いてしまう。

対向基板の帯電による影響を抑制するために、対向基板の画像表示面側の表面に透光性導電膜を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−７７５９０号公報

近年、液晶表示パネルの薄型化が要求されており、基板の表面を研磨するケースが増えている。しかしながら、対向基板の画像表示面側にシールド電極を配置すると、基板の表面の研磨が困難となるといった問題がある。

また、対向基板にシールド電極を配置することにより、シールド電極と画素電極とが液晶層を介して対向する。このため、シールド電極と画素電極との間に電位差が生じた場合には、両者の間に形成された縦電界によって液晶分子の配向不良が生じ、表示品位の劣化を招くおそれがある。

この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、対向基板の帯電による影響を抑制しつつ、表示品位の良好な画像を表示可能な液晶表示装置を提供することにある。

この発明の態様による液晶表示装置は、
第１基板と第２基板との間に液晶層を保持した構成の液晶表示装置であって、
前記第１基板は、
画像を表示する表示領域の各画素に配置された画素電極と、
前記画素電極と間隔をおいて対向する対向電極と、を備え、
前記第２基板は、
絶縁基板と、
前記表示領域全体において、前記液晶層と前記絶縁基板との間に配置されたシールド電極と、を備え、
前記液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶材料によって形成されたことを特徴とする。

この発明によれば、対向基板の帯電による影響を抑制しつつ、表示品位の良好な画像を表示可能な液晶表示装置を提供することができる。

以下、この発明の一実施の形態に係る液晶表示装置について図面を参照して説明する。

ここでは、一方の基板に画素電極及び対向電極を備え、これらの間に形成される横電界（基板の主面にほぼ平行な電界）を主に利用して液晶分子をスイッチングする液晶モードとして、ＦＦＳモードの液晶表示装置を例に説明する。

図１乃至図３に示すように、液晶表示装置は、アクティブマトリクスタイプの液晶表示装置であって、液晶表示パネルＬＰＮを備えている。この液晶表示パネルＬＰＮは、アレイ基板（第１基板）ＡＲと、アレイ基板ＡＲと互いに対向して配置された対向基板（第２基板）ＣＴと、これらのアレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとの間に保持された液晶層ＬＱと、を備えて構成されている。このような液晶表示装置は、画像を表示する表示領域ＤＳＰを備えている。この表示領域ＤＳＰは、ｍ×ｎ個のマトリクス状に配置された複数の画素ＰＸによって構成されている。

アレイ基板ＡＲは、ガラス板や石英板などの光透過性を有する絶縁基板２０を用いて形成されている。すなわち、このアレイ基板ＡＲは、表示領域ＤＳＰにおいて、画素ＰＸ毎に配置されたｍ×ｎ個の画素電極ＥＰ、各画素ＰＸの行方向Ｈにそれぞれ延在したｎ本の走査線Ｙ（Ｙ１〜Ｙｎ）、各画素ＰＸの列方向Ｖにそれぞれ延在したｍ本の信号線Ｘ（Ｘ１〜Ｘｍ）、各画素ＰＸにおいて走査線Ｙと信号線Ｘとの交差部を含む領域に配置されたｍ×ｎ個のスイッチング素子Ｗ、画素電極ＥＰと間隔をおいて絶縁膜ＩＬを介して対向配置された対向電極ＥＴなどを備えている。

アレイ基板ＡＲは、さらに、表示領域ＤＳＰの周辺の駆動回路領域ＤＣＴにおいて、ｎ本の走査線Ｙに接続された走査線ドライバＹＤを構成する少なくとも一部や、ｍ本の信号線Ｘに接続された信号線ドライバＸＤを構成する少なくとも一部などを備えている。走査線ドライバＹＤは、コントローラＣＮＴによる制御に基づいてｎ本の走査線Ｙに順次走査信号（駆動信号）を供給する。また、信号線ドライバＸＤは、コントローラＣＮＴによる制御に基づいて各行のスイッチング素子Ｗが走査信号によってオンするタイミングでｍ本の信号線Ｘに映像信号（駆動信号）を供給する。これにより、各行の画素電極ＥＰは、対応するスイッチング素子Ｗを介して供給される映像信号に応じた画素電位にそれぞれ設定される。

各スイッチング素子Ｗは、例えば、薄膜トランジスタによって構成されている。スイッチング素子Ｗの半導体層は、例えば、ポリシリコンやアモルファスシリコンなどによって形成可能である。スイッチング素子Ｗのゲート電極ＷＧは、走査線Ｙに接続されている（あるいは走査線Ｙと一体的に形成されている）。スイッチング素子Ｗのソース電極ＷＳは、信号線Ｘに接続される（あるいは信号線Ｘと一体に形成される）とともに、半導体層のソース領域にコンタクトしている。スイッチング素子Ｗのドレイン電極ＷＤは、画素電極ＥＰに接続される（あるいは画素電極ＥＰと一体に形成される）とともに、半導体層のドレイン領域にコンタクトしている。

対向電極ＥＴは、例えば各画素ＰＸにおいて島状に配置され、コモン電位が供給されるコモン配線ＣＯＭに電気的に接続されている。対向電極ＥＴは、例えば、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）やインジウム・ジンク・オキサイド（ＩＺＯ）などの光透過性を有する導電材料によって形成されている。この対向電極ＥＴは、絶縁膜ＩＬによって覆われている。

画素電極ＥＰは、対向電極ＥＴに対向するように絶縁膜ＩＬの上に配置されている。この画素電極ＥＰには、対向電極ＥＴと対向する複数のスリットＳＬが設けられている。図３に示した例では、スリットＳＬは、長方形状に形成されている。このスリットＳＬは、その長軸Ｌが列方向Ｖと平行となるように形成されている。複数のスリットＳＬは、行方向Ｈに並んでいる。画素電極ＥＰは、例えばＩＴＯやＩＺＯなどの光透過性を有する導電材料によって形成されている。

アレイ基板ＡＲの液晶層ＬＱに接する面は、配向膜３６ａによって覆われている。

一方、対向基板ＣＴは、ガラス板や石英板などの光透過性を有する絶縁基板３０を用いて形成されている。特に、カラー表示タイプの液晶表示装置においては、図２に示したように、対向基板ＣＴは、絶縁基板３０の内面（すなわち液晶層ＬＱに対向する面）に、各画素ＰＸを区画するブラックマトリクス３２、ブラックマトリクス３２によって囲まれた各画素に配置されたカラーフィルタ層３４などを備えている。また、対向基板ＣＴは、さらに、カラーフィルタ層３４の表面の凹凸を平坦化するように比較的厚い膜厚で配置されたオーバーコート層などを備えて構成してもよい。

ブラックマトリクス３２は、絶縁基板３０上において、アレイ基板ＡＲに設けられた走査線Ｙや信号線Ｘ、さらにはスイッチング素子Ｗなどの配線部に対向するように配置されている。カラーフィルタ層３４は、絶縁基板３０上に配置され、互いに異なる複数の色、例えば赤色、青色、緑色といった３原色にそれぞれ着色された着色樹脂によって形成されている。赤色着色樹脂、青色着色樹脂、及び緑色着色樹脂は、それぞれ赤色画素、青色画素、及び緑色画素に対応して配置されている。

対向基板ＣＴの液晶層ＬＱに接する面は、配向膜３６ｂによって覆われている。配向膜３６ａ及び配向膜３６ｂは、液晶層ＬＱに含まれる液晶分子ＬＭの配向を規制するようにラビング処理されている。

このような対向基板ＣＴと上述したようなアレイ基板ＡＲとをそれぞれの配向膜３６ａ及び配向膜３６ｂが対向するように配置したとき、両者の間に配置された図示しないスペーサにより、所定のギャップが形成される。液晶層ＬＱは、これらのアレイ基板ＡＲの配向膜３６ａと対向基板ＣＴの配向膜３６ｂとの間に形成されたギャップに封入された液晶分子を含む液晶材料で構成されている。

液晶層ＬＱに含まれる液晶分子ＬＭは、配向膜３６ａ及び配向膜３６ｂによる規制力によってホモジニアス配向されている。図３に示すように、配向膜３６ａ及び配向膜３６ｂのラビング方向Ｓは、スリットＳＬに対して斜め方向である。ここでは、ラビング方向Ｓは、スリットＳＬの長軸Ｌに直交する行方向Ｈに対して４５°以下の角度をなす方向である。

このような液晶表示装置は、画素電極ＥＰの電位と対向電極ＥＴとの電位との間に電位差が形成されていない（つまり、画素電極ＥＰと対向電極ＥＴとの間に電界が形成されていない）無電界時には、液晶分子ＬＭは、その長軸方向Ｄ１がラビング方向Ｓと平行な方位に配向されている。

また、この液晶表示装置は、液晶表示パネルＬＰＮの一方の外面（すなわちアレイ基板ＡＲの液晶層ＬＱと接する面とは反対の面）に設けられた光学素子ＯＤ１を備え、また、液晶表示パネルＬＰＮの他方の外面（すなわち対向基板ＣＴの液晶層ＬＱと接する面とは反対の面）に設けられた光学素子ＯＤ２を備えている。これらの光学素子ＯＤ１及びＯＤ２は、それぞれ偏光板を含み、例えば無電界時において、液晶表示パネルＬＰＮの透過率が最低となる（つまり、黒色画面を表示する）ノーマリーブラックモードを実現している。

さらに、液晶表示装置は、液晶表示パネルＬＰＮに対してアレイ基板ＡＲ側に配置されたバックライトユニットＢＬを有している。

このような液晶表示装置において、画素電極ＥＰの電位と対向電極ＥＴの電位との間に電位差が形成された場合（つまり、画素電極ＥＰに対向電極ＥＴとは異なる電位の電圧が印加された電圧印加時）には、画素電極ＥＰと対向電極ＥＴとの間に横電界（フリンジ電界）Ｅ１が形成される。

横電界Ｅ１は、スリットＳＬを介して、その長軸Ｌに対して直交する方位に形成される。このとき、液晶分子ＬＭは、その長軸方向Ｄ１がラビング方向Ｓから変化する。このように、液晶分子ＬＭの長軸方向Ｄ１の方位がラビング方向Ｓから変化すると、液晶層ＬＱを透過する光に対する変調率が変化する。このため、バックライトユニットＢＬから液晶表示パネルＬＰＮを透過したバックライト光の一部は、第２光学素子ＯＤ２を透過し、白色画面を表示する。このようにして選択的にバックライト光を液晶表示パネルＬＰＮで選択的に透過し、画像を表示する。

ところで、本実施の形態において、対向基板ＣＴは、表示領域ＤＳＰ全体において、絶縁基板３０の内面、つまり、絶縁基板３０と液晶層ＬＱとの間に配置されたシールド電極ＥＳを備えている。シールド電極ＥＳは、配向膜３６ｂと絶縁基板３０との間に配置されていればどこに配置しても良く、図２に示した例では、シールド電極ＥＳは、絶縁基板３０上に配置され、カラーフィルタ層３４によって覆われている。

また、図１に示した例では、シールド電極ＥＳは、略四角形状の表示領域ＤＳＰに対応した略四角形状に形成され、表示領域ＤＳＰと同等以上のサイズに形成されている。このようなシールド電極ＥＳは、例えば、ＩＴＯやＩＺＯなどの光透過性を有する導電材料によって形成されている。

このように、シールド電極ＥＳは、外部環境からの静電気などの液晶分子ＬＭを駆動するのに不要な電気的要素をシールドする。このため、たとえ対向基板ＣＴが帯電したとしても、シールド電極ＥＳにより、対向基板ＣＴに帯電した電荷によって生じうる電界を遮断し、不所望な電界の液晶層ＬＱへの進入を抑制することが可能である。つまり、シールド電極ＥＳにより、対向基板ＣＴの帯電による液晶分子ＬＭの駆動への悪影響を抑制することが可能となる。

また、近年、液晶表示パネルの薄型化が要求されており、基板の表面を研磨するケースが増えている。対向基板ＣＴにおいて、絶縁基板３０の液晶層ＬＱに対向する内面にシールド電極ＥＳを配置する構成を採用したことにより、絶縁基板３０の外面の研磨が可能となり、薄型化の要求に対応することが可能となる。

上述したＦＦＳモードにおいて、液晶層ＬＱが、正の誘電率異方性を有する液晶材料によって構成されている場合には、液晶材料に含まれる液晶分子ＬＭは、その長軸方向Ｄ１がラビング方向Ｓから電界Ｅと平行な方位に配向するように駆動される。

図４に示すように、画素電極ＥＰと対向電極ＥＴとの間に横電界Ｅ１が形成された場合、液晶分子ＬＭは、図５に示すように、その長軸方向Ｄ１がラビング方向Ｓから横電界Ｅ１と平行な方位を向くように配向する。すなわち、液晶分子ＬＭは、アレイ基板ＡＲの主面に対してほぼ平行に駆動され、画像を表示するための透過率の変調に寄与している。なお、図４では、主要部のみを図示している。

一方で、画素電極ＥＰとシールド電極ＥＳとの間に電位差が形成された場合には、図４に示すように、縦電界Ｅ２が形成される。このとき、液晶分子ＬＭは、図６に示すように、その長軸方向Ｄ１がラビング方向Ｓから縦電界Ｅ２と平行な方位を向くように配向する。すなわち、液晶分子ＬＭは、アレイ基板ＡＲの主面に立ち上がるように駆動される。主に横電界Ｅ１を利用して液晶分子ＬＭをアレイ基板ＡＲの主面とほぼ平行な面内で駆動することにより変調率を制御するモードにおいては、面内から立ち上がった液晶分子ＬＭは、画像を表示するための透過率の変調に寄与しなくなる。このため、透過率の低下を招く。

そこで、本実施の形態において、液晶層ＬＱは、負の誘電率異方性（Δε＜０）を有する液晶材料によって構成されている。このような液晶材料に含まれる液晶分子ＬＭは、その長軸方向Ｄ１がラビング方向Ｓから電界Ｅと直交する方位に配向するように駆動される。

図４に示すように、画像表示時において、画素電極ＥＰと対向電極ＥＴとの間に横電界Ｅ１が形成された場合には、液晶分子ＬＭは、図７に示すように、アレイ基板ＡＲの主面と略平行な面内において、その長軸方向Ｄ１がラビング方向Ｓから横電界Ｅ１と直交する方位（紙面の法線方向）を向くように配向する。すなわち、液晶分子ＬＭは、アレイ基板ＡＲの主面に対してほぼ平行に駆動され、画像を表示するための透過率の変調に寄与している。

また、画素電極ＥＰとシールド電極ＥＳとの間の電位差により縦電界Ｅ２が形成された場合には、その縦電界Ｅ２の影響を受ける液晶分子ＬＭは、図８に示すように、その長軸方向Ｄ１がラビング方向Ｓから縦電界Ｅ２と直交する方位を向くように配向する。この縦電界Ｅ２と直交する方位は、アレイ基板ＡＲの主面に対してほぼ平行な面内の方位である。すなわち、液晶分子ＬＭは、アレイ基板ＡＲの主面に対して立ち上がることなく、アレイ基板ＡＲの主面に対してほぼ平行に駆動され、画像を表示するための透過率の変調に寄与する。このため、透過率の低下を抑制することが可能となる。

上述したように、本実施の形態によれば、対向基板の帯電による影響を抑制しつつ、表示品位の良好な画像を表示することが可能となる。

さらに、本実施の形態において、シールド電極ＥＳは、対向電極ＥＴと電気的に接続されている。このため、シールド電極ＥＳは、常に対向電極ＥＴと同電位に設定される。画素電極ＥＰの電位と対向電極ＥＴの電位との間に電位差が形成されると、同時に、画素電極ＥＰの電位とシールド電極ＥＳの電位との間にも電位差が形成される。

つまり、白色画面を表示するために、画素電極ＥＰが対向電極ＥＴの電位に対して電位差を形成するような電位に設定された場合、同時に画素電極ＥＰとシールド電極ＥＳとの間にも電位差が形成される。そして、画素電極ＥＰと対向電極ＥＴとの間に形成される横電界Ｅ１によって駆動される液晶分子ＬＭのみならず、画素電極ＥＰとシールド電極ＥＳとの間に形成される縦電界Ｅ２によって駆動される液晶分子ＬＭも白色画面を表示するのに寄与する。

このように、画素電極ＥＰとシールド電極ＥＳとの間に積極的に縦電界Ｅ２を形成し、縦電界Ｅ２で駆動される液晶分子ＬＭを画像表示に寄与させることにより、透過率を向上することが可能となる。

次に、本実施の形態の効果を検証するため、本実施の形態及び比較例において、液晶表示パネルＬＰＮの透過率（％）を測定した。比較例は、正の誘電率異方性を有する液晶材料からなる液晶層ＬＱを備えた構成の液晶表示装置である。

画素電極ＥＰに最大電圧を印加した際（つまり白色画面を表示する際）において、本実施の形態の液晶表示装置の透過率は、比較例の液晶表示装置に対して約２５％改善することが確認された。このように、電圧印加時において、本実施の形態の液晶表示装置は、比較例よりも透過率を向上することが可能となり、表示品位の良好な画像を表示できることが確認された。

なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、上記実施形態における画素電極ＥＰ及び対向電極ＥＴの配置位置を逆にすることも可能である。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本実施の形態は、ＦＦＳモードについて説明したが、主として横電界を利用したモードであれば、特にモードは問わない。例えば、一方の基板に櫛歯状の画素電極ＥＰ及び対向電極ＥＴを備え、アレイ基板ＡＲの主面に対してほぼ平行な横電界で液晶分子ＬＭをスイッチングするＩＰＳモードにおいても本実施の形態を適用可能である。

図１は、この発明の一実施の形態に係る横電界を利用した液晶モードの液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。 図２は、図１に示した液晶表示装置に適用されるアレイ基板及び対向基板の構造を概略的に示す断面図である 図３は、図１に示した液晶表示装置に適用される１画素の画素電極及び対向電極の構造を概略的に示す平面図である。 図４は、本実施の形態におけるアレイ基板及び対向基板の構造を概略的に示す断面図である。 図５は、正の誘電率異方性を有する液晶材料に対して横電界を印加したときの液晶分子の配向方位を示す図である。 図６は、正の誘電率異方性を有する液晶材料に対して縦電界を印加したときの液晶分子の配向方位を示す図である。 図７は、負の誘電率異方性を有する液晶材料に対して横電界を印加したときの液晶分子の配向方位を示す図である。 図８は、負の誘電率異方性を有する液晶材料に対して横電界を印加したときの液晶分子の配向方位を示す図である。

符号の説明

ＬＰＮ…液晶表示パネル
ＡＲ…アレイ基板 ＣＴ…対向基板
ＬＱ…液晶層 ＢＬ…バックライトユニット
ＰＸ…画素
Ｙ…走査線 Ｘ…信号線
Ｗ…スイッチング素子
ＥＰ…画素電極 ＥＴ…対向電極
ＥＳ…シールド電極
ＳＬ…スリット
３６ａ、３６ｂ…配向膜
３２…ブラックマトリクス
３４…カラーフィルタ層
ＬＱ…液晶層 ＬＭ…液晶分子

Claims (5)

1. 第１基板と第２基板との間に液晶層を保持した構成の液晶表示装置であって、
   前記第１基板は、
   画像を表示する表示領域の各画素に配置された画素電極と、
   前記画素電極と間隔をおいて対向する対向電極と、を備え、
   前記第２基板は、
   絶縁基板と、
   前記表示領域全体において、前記液晶層と前記絶縁基板との間に配置されたシールド電極と、を備え、
   前記液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶材料によって形成されたことを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記対向電極と前記シールド電極は、電気的に接続されていることを特徴とする請求項１の液晶表示装置。
3. 前記画素電極は、複数のスリットを有し、絶縁膜を介して対向電極と対向することを特徴とする請求項１の液晶表示装置。
4. さらに、前記第１基板は、前記各画素の列方向に沿って延在した信号線を備え、
   前記スリットは、その長軸が列方向と平行となるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載された液晶表示装置。
5. さらに、前記液晶層と接触するように配置され、前記液晶層に含まれる液晶分子の配向を規制するようにラビング処理された配向膜を備え、
   ラビング方向は、前記スリットの長軸に直交する方向に対して４５°以下の角度をなす方向であることを特徴とする請求項３の液晶表示装置。

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