JP2014206639A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速でありながら透過率を向上することができる液晶表示装置を提供する。【解決手段】第１のくし歯状電極は、Ｘ方向に延在する複数の第１の電極部Ｅ１と、複数の第１の電極部Ｅ１のそれぞれの一端を連結しＹ方向に延在する第２の電極部Ｅ２を有する。第２のくし歯状電極は、Ｘ方向に延在する複数の第３の電極部Ｅ３と、複数の第３の電極部Ｅ３のそれぞれの一端を連結しＹ方向に延在する第４の電極部Ｅ４を有する。該第１のくし歯状電極の電極Ｅ１間に該第２のくし歯状電極の電極Ｅ３が入り込むように構成され、くし歯状電極Ｅ３の両側にスリット１を有する。くし歯状電極Ｅ３の両側のスリット１で液晶の回転方向が反対となるように、くし歯状電極の長手方向に液晶を配向させる。【選択図】図６

Description

本開示は、液晶表示装置に関し、例えば、高速液晶表示モードに適用可能である。

液晶表示装置は、光源の透過光量を調節することで画像を表示する非発光型のディスプレイである。液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）は、薄型，軽量，低消費電力といった特徴を有する。現在、広視野角を達成できる代表的な液晶表示方式としてＩＰＳ（In Plane Switching）方式が挙げられる。ＩＰＳ方式は、横電界によって液晶分子が面内方向で回転することで、実効的な光軸を面内で回転させ、透過率を制御する液晶駆動方式である。横電界を印加するためには、様々な方法が提案されており、最も一般的な方法は、画素電極と共通電極を同一基板に形成し、くし歯（ストライプ）状電極を用いる方法である。くし歯状電極による横電界印加は、画素電極と共通電極の両方をくし歯状にする方法と、画素電極をくし歯状にし絶縁層を介してべた平面状の共通電極を配置する方法（ＩＰＳ−Ｐｒｏ（Provectus）またはＦＦＳ（Fringe Field Switching））などがある（特許文献１、特許文献２）。

特開２００９−１５０９４５号公報 特開２０１０−１９８７３号公報

本願発明者らは、ＩＰＳ−Ｐｒｏ方式において高速液晶表示モードを検討していたが、次のような問題があることを見出した。
画素電極を、くし歯状電極を対向させて形成したスリット構造にし、ラビング角度をゼロにすることにより、くし歯状電極のスリットの両側で液晶の回転方向が反対となるために高速化が可能である。しかしながら、透過率が低いという問題がある。

本開示のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
すなわち、液晶表示装置の画素電極は１対のくし歯状電極を有し、一方のくし歯状電極の電極間に他方のくし歯状電極が入り込むように構成され、くし歯状電極の長手方向に液晶配向するようにされる。

上記の液晶表示装置によれば、高速でありながら透過率を向上することができる。

一般的なＩＰＳ−Ｐｒｏ構造の液晶表示装置における断面図である。 比較例に係る液晶表示装置の画素構造の平面図である。 比較例に係る液晶表示装置の電極構造の断面図と平面図である。 比較例に係る液晶表示装置の動作原理について説明した図面である。 比較例に係る液晶表示装置の透過率低減のメカニズムを説明した図である。 実施例に係る液晶表示装置の電極構造を示す図である。 実施例に係る液晶表示装置の電極構造の電界方向および発生するディスクリネーションの箇所を示す図である。 従来のＩＰＳ−Ｐｒｏ方式の液晶表示装置と実施例に係る液晶表示装置とで電気光学応答についてシミュレーションした結果を示す図である。 比較例に係る液晶表示装置の電極構造および実施例に係る液晶表示装置の電極構造の電圧−輝度を測定した結果を示す図である。 変形例１に係る液晶表示装置の電極構造を示す図である。 変形例２に係る液晶表示装置の電極構造を示す図である。

以下、実施例、変形例、比較例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例、変形例、比較例を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

以下の説明では、液晶配向（液晶の初期配向）はラビング法を用いているが、光配向などの他の配向処理方法を用いてもよい。

本願発明者らは、本開示に先立ってＩＰＳ−Ｐｒｏ方式において高速液晶表示モードを検討していたが、問題があることを見出した。その問題点について以下説明する。

まず、一般的なＩＰＳ−Ｐｒｏ構造の液晶表示装置について説明する。図１は一般的なＩＰＳ−Ｐｒｏ構造の液晶表示装置における１画素の断面を模式的に示した図である。液晶表示装置は、主に第１の基板ＳＵＢ１と第２の基板ＳＵＢ２と液晶層ＬＣＬからなり、第１の基板ＳＵＢ１と第２の基板ＳＵＢ２は、液晶層ＬＣＬを挟持する。第１の基板ＳＵＢ１および第２の基板ＳＵＢ２は、液晶層ＬＣＬに近接する面上に液晶層ＬＣＬの配向状態を安定化するために、第１の配向膜ＡＬ１および第２の配向膜ＡＬ２を備える。また、第２の基板ＳＵＢ２の液晶層ＬＣＬに近接する面上には、液晶層ＬＣＬに電圧を印加するための手段を備える。なお、第１の基板ＳＵＢ１には第１の偏光板ＰＬ１が、第２の基板ＳＵＢ２には第２の偏光板ＰＬ２が取り付けられている。

第１の基板ＳＵＢ１は、ガラス製である。第１の基板ＳＵＢ１と液晶層ＬＣＬの間には、第１の配向膜ＡＬ１、平坦化膜ＬＬ、カラーフィルタＣＦ、ブラックマトリクスＢＭが順次積層されている。第１の配向膜ＡＬ１は、ポリイミド系の有機高分子膜であり、水平配向膜である。平坦化膜ＬＬはアクリル系樹脂であり、透明性に優れ、下地の凹凸を平坦化し、かつ溶剤の浸透を防ぐ機能を有する。カラーフィルタＣＦは赤色，緑色，青色を呈するストライプ状の各部分が繰り返し配列された平面構造を有する。ブラックマトリクスは黒色顔料を含むレジストからなり、画素境界部に対応するように格子状の平面分布構造を有する。また、第１の基板ＳＵＢ１に対して、液晶層ＬＣＬが配置された側とは反対側に、帯電防止用の裏面電極ＢＥが配置される。裏面電極ＢＥは、ベタ平面状の平面分布を示し、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide、インジウム錫酸化物）製である。

第２の基板ＳＵＢ２は、第１の基板ＳＵＢ１と同様にガラス製である。第２の基板ＳＵＢ２と液晶層ＬＣＬの間には、主に第２の配向膜ＡＬ２、画素電極ＰＥ、層間絶縁膜ＰＣＩＬ、共通電極ＣＥ、アクティブ素子（不図示）、走査配線ＧＬ、ソース配線ＳＬを備える。第２の配向膜ＡＬ２は、第１の配向膜ＡＬ１と同様に、ポリイミド系の有機高分子膜からなる水平配向膜である。画素電極ＰＥと共通電極ＣＥは、いずれも透明性と導電性に優れたＩＴＯである。両者は、窒化珪素（ＳｉＮ）製の層間絶縁膜ＰＣＩＬによって隔たれている。画素電極ＰＥの平面形状はくし歯状であるのに対し、共通電極ＣＥは空孔部（コンタクトホール）を有するものの、各画素のほぼ全面に渡って分布している。

本開示は図１中の画素電極構造が最も重要であるため、今後は画素電極ＰＥ、層間絶縁膜ＰＣＩＬ、共通電極ＣＥのみを記載する。なお、以下の本開示に先立って検討したＩＰＳ−Ｐｒｏ技術（比較例）および実施例に係る液晶表示装置の画素電極の形状および液晶配向方向が、図１における液晶表示装置の画素電極の形状および液晶配向方向と異なるが、その他の構造は図１と同じである。なお、図１は、図２におけるＳ１−Ｓ２断面に対応するものであるが、画素電極ＰＥの形状および液晶配向方向が異なっている。

図２は比較例に係る液晶表示装置の画素構造の平面図である。図２に示すように画素電極ＰＥの平面形状は長方形状であり、スリット１とコンタクトホールＣＨを有する。画素電極ＰＥはスリット１によって１対のくし歯状電極を構成している。画素電極ＰＥの各くし歯状電極部の長手方向（Ｘ方向）は、走査線ＧＬの延在方向（Ｘ方向）と平行になるように形成される。また、図２において左右１対のくし歯電極が略半ピッチずれた状態となるように形成されている。画素電極ＰＥより下層にある共通電極ＣＥは、図示されていないが、コンタクトホールＣＨ部で空孔部を有するものの、各画素のほぼ全面に渡って分布している。画素電極ＰＥの長手方向（Ｙ方向）に沿ってその外側にソース線ＳＬが延在している。また、画素電極ＰＥの短手方向（Ｘ方向）に沿ってその外側に走査線ＧＬが延在している。アクティブ素子の薄膜トランジスタＴＦＴは共通電極ＣＥより下層にある。

図３は図２におけるＤの領域を拡大した電極構造を示す図である。図３（ａ）は図３（ｂ）におけるＡ−Ａ’断面図、図３（ｂ）は平面図である。画素電極ＰＥは共通電極ＣＥの上に層間絶縁膜ＰＣＩＬを介して配置されている。また、ラビング方向（液晶配向方向）は画素電極ＰＥのくし歯電極部の長手方向である。図３（ｂ）において上下１対のくし歯電極は半ピッチずれた状態となっている。上側のくし歯電極の先端を結んだ線と下側のくし歯電極の先端を結んだ線とは離れている。

図４は比較例に係る液晶表示装置の動作原理について説明した図面である。図４は図３におけるＢの領域のみを記載した図面である。図４（ａ）は電界の向き、図４（ｂ）は液晶の回転方向を示した図である。ラビング方向（液晶配向方向）は、画素電極ＰＥのくし歯電極部の長手方向であり、液晶は正の誘電率異方性材料を使用している。そのため、くし歯電極間の液晶は右回転、左回転ともに等しいエネルギーとなるため回転方向が決まらない。しかしながら、図４（ａ）の電界の向きＥＬが示すように、くし歯電極エッジもしくは付け根部分では電極に対して斜めの電界が発生する。図４（ｂ）の液晶の回転方向ＬＲが示すように、その斜め電界を基点として液晶の回転方向が決まる。つまり、くし歯電極の間で二つの異なる液晶の回転方向となる。このとき、従来のＩＰＳ−ＰｒｏやＦＦＳと比べて、同じ方向に回転する領域が小さくなるため、液晶配向のひずみが大きくなり、弾性力が増し高速に駆動することができる。

図５は比較例に係る液晶表示装置の透過率低減のメカニズムを説明した図面である。液晶の回転方向が異なる場合その境界でディスクリネーションが発生する。したがって、本開示に先立って検討したＩＰＳ−Ｐｒｏ技術に係る電極構造の場合、図５に示したように、電圧印加時にディスクリネーションライン（暗線発生箇所）ＤＬが発生するはずである。ディスクリネーションラインＤＬが発生する箇所では、透過率が十分に得られない。

したがって、比較例に係る液晶表示装置では、高速化が可能であるが、透過率が低いという問題がある。

そこで、画素電極の構造を検討した。実施の形態に係る液晶表示装置は、べた平面形状の構造を有する共通電極と画素電極を具備し、画素電極は１対のくし歯状電極を有し、一方のくし歯状電極の電極間に他方のくし歯状電極が入り込むように構成され、くし歯状電極の長手方向に液晶配向（液晶の初期配向）するようにされる。実施の形態に係る液晶表示装置によれば、高速でありながら透過率を向上することができる。以下、実施の形態の一例について実施例を用いて詳細に説明する。

前述したように、実施例に係る液晶表示装置は、画素電極の形状および液晶配向方向が、図１における液晶表示装置の画素電極の形状および液晶配向方向と異なるが、その他の構造は図１と同じである。

図６は実施例に係る液晶表示装置の電極構造を示す図である。図６に示すように、１対のくし歯状電極が半ピッチずれて配置されているが、その先端がお互いのくし歯状電極間まで延びており、入れ子構造になっている。すなわち、一方のくし歯状電極間に他方のくし歯状電極が入り込んでいる。１対のくし歯状電極がちょうど半ピッチずれているのが、左右のバランスを考慮すると好ましいが、必ずしもちょうど半ピッチずれている必要はない。１対のくし歯状電極が入れ子構造になっていることが重要であり、くし歯状電極が１対以上画素内に存在していてもかまわない。画素電極ＰＥの平面構造をより詳しく説明すると以下のようになる。

一方（第１）のくし歯状電極は、Ｘ方向に延在する複数の第１の電極部Ｅ１と、複数の第１の電極部Ｅ１のそれぞれの一端を連結しＹ方向に延在する第２の電極部Ｅ２を有する。他方（第２）のくし歯状電極は、Ｘ方向に延在する複数の第３の電極部Ｅ３と、複数の第３の電極部Ｅ３のそれぞれの一端を連結しＹ方向に延在する第４の電極部Ｅ４を有する。複数の第１の電極部Ｅ１および複数の第３の電極部Ｅ３のそれぞれは、長方形状である。第２の電極部Ｅ２と第４の電極部Ｅ４との間に、複数の第１の電極部Ｅ１と複数の第３の電極部Ｅ３が配置される。複数の第１の電極部Ｅ１の他端（先端）は第４の電極部Ｅ４に対向し、複数の第３の電極部Ｅ３の他端（先端）は第２の電極部Ｅ２に対向する。第１の電極部Ｅ１と第３の電極部Ｅ３が交互に配置される。第１の電極部Ｅ１の先端が、複数の第３の電極部Ｅ３の隣接する電極部で挟まれている。第３の電極部Ｅ３の先端が、複数の第１の電極部Ｅ１の隣接する電極部で挟まれている。１対のくし歯状電極は、比較例と同様に、長方形状の画素電極ＰＥにスリットを入れることによって構成される。複数の第１の電極部Ｅ１および複数の第３の電極部Ｅ３は、同一方向に延在していればよく、必ずしもちょうどＸ方向に延在する必要はない。

実施例に係る画素電極構造により、比較例では液晶が動かなかった１対のくし歯状電極の間の液晶も動くことにより透過率が向上する。入れ子にする長さＣは０以上であれば効果が得られる。入れ子構造にするために、比較例に比べて、くし歯状電極の間隔を広げるか、くし歯状電極の幅を狭くすればよい。

画素電極ＰＥのくし歯状電極部分の形状以外は、比較例の構造と同じである。すなわち、図２、図３におけるくし歯状電極部分の形状以外の部分は、実施例の画素構造となる。ラビング方向（液晶配向方向）は、比較例と同様に画素電極ＰＥのくし歯状電極の長手方向である。なお、画素電極ＰＥの各くし歯状電極部の長手方向（Ｘ方向）は、走査線ＧＬの延在方向（Ｘ方向）と平行になるように形成されるが、画素電極ＰＥの各くし歯状電極部の長手方向は、それぞれ平行であればよく、必ずしも走査線ＧＬの延在方向（Ｘ方向）と平行である必要はない。

図７は実施例に係る液晶表示装置の電極における電界の向きおよび発生するディスクリネーションの箇所を示した図面である。図７（ａ）は電界の向き、図７（ｂ）は発生するディスクリネーションの箇所を示している。図７（ｂ）と図５を比較することでわかるように、ディスクリネーション発生箇所が減少していることがわかる。これにより透過率を上昇させることができる。

図８は従来のＩＰＳ−Ｐｒｏの液晶表示装置と実施例に係る液晶表示装置とで電気光学応答についてシミュレーションした結果を示す図である。液晶材料の物性値は同じものを使用している。図８（ａ）は立ち下がり（ｏｆｆ）の場合、図８（ｂ）は立ち上がり（ｏｎ）を示している。シミュレーション結果からも明らかなように実施例の電極構造にすることにより高速に駆動することができる。具体的には、図８（ａ）に示すように、１００％−１０％の応答で従来のＩＰＳ−Ｐｒｏ（図８においてはＩＰＳ−Ｐｒｏと表記）が約２５ｍｓｅｃであるのに対して、実施例は約６ｍｓｅｃと高速化している。また、図８（ｂ）に示すように、０％−９０％の応答で従来のＩＰＳ−Ｐｒｏが約２６ｍｓｅｃであるのに対して、実施例は約１０ｍｓｅｃに高速化していることがわかる。図４（ｂ）と同様に、くし歯状電極の間で二つの異なる液晶の回転方向となる。これによって、従来のＩＰＳ−ＰｒｏやＦＦＳと比べて、同じ方向に回転する領域が小さくなるため、液晶配向のひずみが大きくなり、弾性力が増し高速に駆動することができる。

図９は比較例に係る液晶表示装置の電極構造を用いた場合と、実施例に係る液晶表示装置の電極構造を用いた場合のセルを作製して、電圧−輝度を測定した結果を示す図である。図９からわかるように、実施例に係る液晶表示装置の電極構造を用いることによって輝度が約５％向上していることが確認できる。

実施例に係る液晶表示装置では、比較例と同様に、画素電極のくし歯状電極のスリットの両側で液晶の回転方向が反対になるために高速化することができる。言い換えると、画素電極のくし歯状電極の両側のスリットで液晶の回転方向が反対になるために高速化することができる。また、比較例では液晶が動かなかった所も実施例では液晶が動くことにより、透過率を向上することができる。

実施例に係る液晶表示装置では、高速応答が可能であるので、車載用液晶表示装置に適用することができる。また、動画性能が向上するので、スマートフォンやタブレット端末用の液晶表示装置に適用することができる。

＜変形例１＞
図１０は変形例１に係る液晶表示装置の電極構造を示す図である。図１０（ａ）は電界の向き、図１０（ｂ）は発生するディスクリネーションの箇所も示している。変形例１に係る液晶表示装置の画素電極構造は、図１０に示すように入れ子構造の先端を突起構造にしている。突起構造とは、先端に向かうほど幅が狭くなっていく構造で、図１０では三角形状となっている。図１０（ｂ）に示すように、１対のくし歯状電極間においてディスクリネーションは完全に発生しなくなることにより、透過率をさらに向上させることができる。変形例１に係る画素電極構造では、図１０（ａ）に示すように、このとき入れ子構造箇所の電界が１対のくし歯状電極の間で連続的に変化することによりディスクリネーションの発生を抑制している。入れ子にする長さＣは０以上であれば効果が得られる。実施例に係る画素電極構造では、図７（ａ）に示すように、くし歯状電極の先端部分では電界は連続的に変化していない。したがって、変形例１に係る液晶表示装置の画素電極構造の方が実施例に係る液晶表示装置の画素電極構造より透過率が大きくなる。

＜変形例２＞
図１１は変形例２に係る液晶表示装置の電極構造と電界方向を示す図面ある。図１１に示すように入れ子構造のくし歯状電極の先端を突起構造にして、先端を曲げている。突起構造は三角形状となっているが、三角形の1つの角は鈍角になっている。図１１（ａ）は第１（上側）のくし歯状電極の先端と第２（下側）のくし歯状電極の先端が同じ方向に曲げた場合、図１１（ｂ）は第１のくし歯状電極の先端と第２くし歯状電極の先端が逆方向に曲げた場合を示している。変形例２に係る液晶表示装置の画素電極構造は、先端が曲がっている電極により、くし歯状電極間に発生するディスクリネーションが他に及ばないというピン止め効果が得られる。図１１（ｂ）の画素電極構造の方が図１１（ａ）の画素電極構造よりも、電極先端の電界方向が揃っているので、ディスクリネーションのピン止め効果が大きい。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態、実施例および変形例に基づき具体的に説明したが、本発明はこれまで記載した実施の形態、実施例および変形例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

１・・・スリット
ＡＬ１、ＡＬ２・・・配向膜
Ｃ・・・入れ子の長さ
ＣＥ・・・共通電極
ＥＬ・・・電界方向
ＬＣＬ・・・液晶層
ＰＣＩＬ・・・層間絶縁膜
ＰＥ・・・画素電極

Claims (15)

1. べた平面状の構造を有する共通電極と、前記共通電極の上に絶縁膜を介して配置される画素電極と、前記画素電極の上に配置される配向膜と、前記配向膜の上に配置される液晶層と、を具備し、
   前記画素電極は１対のくし歯状電極を有し、一方のくし歯状電極の電極間に他方のくし歯状電極が入り込むように構成され、
   くし歯状電極の長手方向に液晶配向するようにされる液晶表示装置。
2. 前記画素電極は、スリットによって前記１対のくし歯状電極を構成するようにされる請求項１の液晶表示装置。
3. 前記画素電極は、前記スリットとは異なる場所にコンタクトホールを有し、前記共通電極は空孔部を有し、前記空孔部は前記コンタクトホール付近にある請求項１および請求項２のいずれか１項の液晶表示装置。
4. さらに、走査配線を有し、前記くし歯状電極の長手方向は前記走査配線の延在方向と平行である請求項１から請求項３のいずれか１項の液晶表示装置。
5. さらに、ソース配線を有し、前記くし歯状電極の長手方向は前記ソース配線の延在方向と直交する方向である請求項１から請求項４のいずれか１項の液晶表示装置。
6. 前記液晶層は正の誘電率異方性材料を使用している請求項１から請求項５のいずれか１項の液晶表示装置。
7. 前記くし歯状電極の先端に突起を有する請求項１から請求項６のいずれか１項の液晶表示装置。
8. 前記くし歯状電極の突起の先端を曲げている請求項７の液晶表示装置。
9. べた平面状の構造を有する共通電極と、前記共通電極の上に絶縁膜を介して配置される画素電極と、前記画素電極の上に配置される配向膜と、前記配向膜の上に配置される液晶層と、を具備し、
   前記画素電極は第１および第２のくし歯状電極を有し、
   前記第１のくし歯状電極は、第１の方向に延在する複数の第１の電極部と、前記第１の方向と交差する第２の方向に延在し、前記複数の第１の電極部を連結する第２の電極部と、を有し、
   前記第２のくし歯状電極は、前記第１の方向に延在する複数の第３の電極部と、前記第２の方向に延在し、前記複数の第３の電極部を連結する第４の電極部と、を有し、
   前記複数の第１の電極部の一つの電極部の先端が、前記複数の第３の電極部の隣接する電極部で挟まれるようにされ、前記複数の第３の電極部の一つの電極部の先端が、前記複数の第１の電極部の隣接する電極部で挟まれるようにされ、
   前記第１の方向に液晶配向するようにされる液晶表示装置。
10. 前記第１の方向と前記第２の方向は直交する請求項９の液晶表示装置。
11. 前記画素電極は、スリットによって前記第１のくし歯状電極と前記第２のくし歯状電極を構成するようにされる請求項９および請求項１０のいずれか１項の液晶表示装置。
12. 前記画素電極は、前記スリットとは異なる場所にコンタクトホール孔を有し、前記共通電極は空孔部を有し、前記空孔部は前記コンタクトホール付近にある請求項９から請求項１１のいずれか１項の液晶表示装置。
13. さらに、走査配線を有し、前記走査配線の延在方向は前記第１の方向である請求項９から請求項１２のいずれか１項の液晶表示装置。
14. さらに、ソース配線を有し、前記ソース配線の延在方向は前記第２の方向である請求項９から請求項１３のいずれか１項の液晶表示装置。
15. 前記液晶層は正の誘電率異方性材料を使用している請求項９から請求項１４のいずれか１項の液晶表示装置。

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