JP3723380B2

JP3723380B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP3723380B2
Application number: JP13454799A
Authority: JP
Inventors: 徳夫小間; 龍男内田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 1999-05-14
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2019-05-14
Also published as: JP2000321588A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置（Liquid Crystal Display；ＬＣＤ）に関し、特に液晶駆動速度の速いＯＣＢ（Optical Controlled Birefringence）モードを用いたＬＣＤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＣＤの動画再生能力の向上や、フィールドシーケンシャルＬＣＤ（Field Sequential LCD；ＦＳ−ＬＣＤ）の実用化のために、より応答速度の早いＬＣＤが求められている。
【０００３】
ＬＣＤの応答速度とは、液晶に駆動電圧を印加してから液晶が駆動状態に変化するのに要する時間である。液晶は電圧が印加されると所定の方向に配向されて駆動状態となるが、配向方向に液晶分子がそろうまでには一定の時間が必要であり、この時間が応答速度である。応答速度が遅いと、例えば動画を表示すると、前の画面が残るので、特に動画表示特性の低いＬＣＤとなる。応答速度がより速い液晶を用いたＬＣＤであれば、動画をよりスムーズに表示することができる。
【０００４】
また、ＦＳ−ＬＣＤとは、３原色の光を素速く切り替えてそれぞれの色の画像をひとつの画素に交互に表示することによってカラーの表示を行う方式である。ＦＳ−ＬＣＤに用いる液晶は、その動作原理からカラーフィルタ方式のＬＣＤに用いられる液晶に比較して著しく速い応答速度が求められており、実用化が待たれている。
【０００５】
ところで、応答速度の早い液晶としては、ＯＣＢモードの液晶が以前から知られている。ＯＣＢモードは液晶がベンド配向を行う状態の名称である。図９は対向するガラス等よりなる透明基板５１、５２上に、それぞれ第１、第２の電極５３、５４、配向膜５５、５６を形成し、この間に液晶層５７を封入したＬＣＤを示している。液晶層５７はネマティック液晶で、配向膜５５、５６は、互いにほぼ平行方向にラビングされ、互いに向かい合うようにプレティルト角がつけられている。これに図示しない光学補償層が設置され、可視化される。図９（ａ）は電極５３、５４に電圧を印加していない状態である。液晶分子５７ａは、ラビング方向（紙面平行方向）に配向され、配向膜５５、５６近傍の液晶分子５７ａはプレティルト角の方向を向いている。図９（ｂ）は電極５３に例えば５Ｖの駆動電圧を印加した状態を示している。印加された駆動電圧によって液晶が立っているが、液晶層５７の中央では液晶分子が倒れている。図９（ｂ）の状態の配向をスプレイ配向と呼ぶ。図９（ｃ）は液晶５７ａの配向状態が変化した状態を示している。図９（ｃ）の状態の配向をベンド配向と呼ぶ。ベンド配向では、スプレイ配向と異なり、液晶層５７中央の液晶分子も立っている。スプレイ配向とベンド配向は互いに可逆の相転移で、スプレイ配向がベンド配向に転移することをベンド転移と呼ぶ。
【０００６】
ベンド配向を用いるＬＣＤのひとつにＯＣＢモードがある。これはベンド配向の液晶と２軸の光学補償層を用いたものである。ベンド配向は従来のＴＮやＳＴＮ方式のＬＣＤに用いられる液晶モードに比較して応答速度が早いので、ＯＣＢモードを用いたＬＣＤは動画表示や、ＦＳ−ＬＣＤに適している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＯＣＢモードを用いてＬＣＤを制作しようとする場合、ベンド転移以前のスプレイ配向と、ベンド配向とでは、応答速度が格段に変化するため、ＬＣＤのセル内の液晶を確実にベンド転移させる必要がある。
【０００８】
しかしながらベンド転移の物理的メカニズムに関しては未だ不明な点も多く、解明すべき課題はまだ多いのが現状である。
【０００９】
そこで本発明は、ＯＣＢモードを用いたＬＣＤにおいて、液晶を確実にベンド転移させ、応答速度の高いＬＣＤを得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
我々はベンド配向の拡散を妨げている要因は画素間にある電界が不在の領域であるとの仮定に基づき、複数の画素間隔を有するＯＣＢモードのＬＣＤパネルを試作し、実験を行った結果、以下の発明をなすに至った。
【００１１】
即ち本発明は、第１の透明基板上に設けられた複数の第１の電極と、第２の透明基板上に設けられた第２の電極と、第１及び第２の基板間に封入されたＯＣＢモードを有する液晶層とを備えた液晶表示装置において、複数の第１の電極間の距離は、５μｍ以下、もしくは２μｍ以下である液晶表示装置である。
【００１２】
また、第１の透明基板上に設けられた複数の第１の電極と、第２の透明基板上に設けられた第２の電極と、第１及び第２の基板間に封入されたＯＣＢモードを有する液晶層とを備えた液晶表示装置において、複数の第１の電極間には画素間電極が設けられており、画素間電極と複数の第１の電極との間は５μｍ以下、もしくは２μｍ以下である液晶表示装置である。
【００１３】
さらに、第１の電極は、画素毎に独立して形成された画素電極であり、それぞれの画素電極には、薄膜トランジスタが形成され、画素電極間には薄膜トランジスタに接続された信号線及びゲート線が配置され、画素間電極は、信号線もしくは／及びゲート線である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の転移方法の基本的な原理を説明するための液晶への印加電圧に対するギブスのエネルギーの変化を示す図である。実線がスプレイ配向、一点鎖線がベンド配向のギブスのエネルギーをそれぞれ示している。また、図２は、印加電圧が閾値電圧Vcよりも高い電圧Ｖ１である時のスプレイ配向、ベンド配向のギブスのエネルギーを示している。
【００１５】
ギブスのエネルギーは、液晶の配向状態によって変化する状態エネルギーであって、状態エネルギーの低い配向状態がより安定な状態であると言える。スプレイ配向、ベンド配向共に印加電圧の増加と共にエネルギーが低下していく。これによって、電圧無印加時にはプレチルト方向で安定していた液晶分子が駆動され、スプレイ、ベンドいずれかの配向をする。ギブスのエネルギーは、印加電圧が閾値電圧Vcよりも低いときは、スプレイ配向の方が低く、Vcを越えるとベンド配向の方が低くなる。物質は状態エネルギーの低い方で安定する性質があるので、印加電圧が閾値電圧Vcより低いうちは、スプレイ配向の方が安定であり、液晶分子はスプレイ配向となる。即ち、スプレイ配向が液晶の初期配向状態である。印加電圧が閾値電圧Vcよりも高いときはベンド配向の方がより安定である。
【００１６】
ＯＣＢモードはベンド配向の液晶を用いるが、印加電圧を単に閾値電圧Vcよりも高い電圧、例えばＶ１に増加させてもベンド配向への転移（ベンド転移）が起こる確率は低い。これは、図２に示すように、スプレイ配向とベンド配向の間にはポテンシャル障壁ＰＢが存在するためであると考えられる。つまり、印加電圧Ｖ１では、デルタＥのポテンシャル障壁ＰＢを越えるには充分な電圧でないため、ベンド転移できないのである。そして、ポテンシャル障壁ＰＢを越えて、ひとたびベンド転移した後の液晶は、印加電圧が閾値電圧Vcよりも高い間、ギブスのエネルギーがより低いベンド配向を維持する。
【００１７】
さて、図１を見ると、Ｖ１よりも印加電圧を更に上げると、ベンド配向とスプレイ配向のギブスのエネルギーの差はますます拡大する。そこで、本発明は、ＬＣＤの表示を行う前に、閾値電圧Vcよりも充分に高い転移電圧をあらかじめ印加して、セル内の液晶をまずベンド転移させる。
【００１８】
図３は、ＬＣＤのひとつの画素に着目し、この電極間に一定の電圧を印加し続け、電極間の液晶がベンド転移するまでの時間を測定したグラフである。電極間に１０Ｖの電圧を印加し続けると、約２０秒で電極間の液晶がベンド転移した。そして、印加電圧を上昇させるとベンド転移に必要な時間は急激に短縮され、１８Ｖを印加すれば約２秒でベンド転移した。このように、閾値電圧Vcよりも充分高い電圧（本明細書においては、これを転移電圧と呼ぶ）を印加することによって、液晶をベンド転移させ、ＯＣＢモードとすることができる。
【００１９】
図４は単純マトリックス型ＬＣＤにおいて、スプレイ配向からベンド配向への転移について示す平面図である。対向するガラスよりなる第１及び第２の透明基板間のセルに液晶が封入されており、第１の透明基板上には横方向にストライプ状に延在する複数の第１の電極１が、第２の透明基板上には縦方向にストライプ状に延在する複数の第２の電極２が形成されている。第１の電極と第２の電極が重畳する領域は、第１及び第２の電極に印加された電圧によって電界が形成され、ここの液晶が配向する画素領域３となっている。
【００２０】
図４（ａ）において、セル内にいくつか示した黒い点４は、ベンド転移が起こるきっかけとなる転移因子である。ベンド転移はこの転移因子４をスタートポイントとして発生し、ここを中心に放射状にベンド転移が拡散していく。図４（ｂ）はこの様子を示している。図中ハッチングを施した領域５がベンド転移している領域であり、転移因子４を中心に経時的に拡大していく。
【００２１】
しかし、図４（ｃ）に示すように、ベンド転移は画素領域内に拡散した後は、それ以上拡散しないという現象が見られた。
【００２２】
隣接画素領域へベンド転移が起こった確率であるベンド転移率を
ベンド転移率＝隣接する画素領域へベンド配向が転移した観察点／全観察点
と定義し、図５に、画素電極の間隔ｄを２μｍ、５μｍ、１１μｍと変化させたときのベンド転移率の転移電圧に対する変化を示す。菱形のマークが２μｍ、正方形のマークが５μｍ、三角形のマークが１１μｍをそれぞれ示している。
【００２３】
まず実線で示した画素間隔が２μｍの場合を見る。印加電圧が５Ｖ以下の時には転移率が０である。印加電圧を増加させていき、６Ｖ程度から転移率が増加し、８Ｖ程度印加すると転移率が１、即ち確実に隣接する画素領域へベンド配向が転移することを示している。
【００２４】
図６はこの時のベンド転移の様子を示した平面図である。ストライプ状の第１の電極１と第２の電極２が形成されている等の点は、図４と同様であるが、画素間隔ｄは２μｍになっている。図６（ａ）は図４（ａ）と同様の状態で、転移因子４がランダムに生じている。図６（ｂ）で、ベンド転移が転移因子４を中心に拡散し、ベンド転移の領域５’は隣接する画素領域３にまたがって拡散している。そして、図６（ｃ）に示すように、ベンド転移の領域６は、セル全面に拡散する。ベンド転移率が高ければ、このように全面にベンド転移の領域が拡散することができる。ベンド転移が全面に拡散すれば、ＬＣＤ全面にわたって均等に応答速度が速くなる。
【００２５】
次に図５に正方形のマークで示した画素間隔５μｍの場合を見ると、８Ｖではまだ転移率は０である。そして、印加電圧が９Ｖ程度となると転移率が増加し、１１Ｖ程度で転移率１となる。画素間隔が２μｍの場合と比較して、より間隔の広い５μｍの場合においては、転移率を上げるためにはより高い転移電圧が必要である。さらに、三角形のマークで示した間隔１１μｍの場合では、印加電圧が１０Ｖとなってもまだ転移率０のままであった。更に高い電圧を印加すれば、２μｍや５μｍの場合と同様に、ある印加電圧で転移率が上昇することが予想されるが、一般的にＬＣＤに印加する画素電圧は１０Ｖ程度である。従って、電極間距離は５μｍ以下である必要があり、好ましくは、２μｍ以下であれば更によい。以下、ベンド転移が起こる電極の間隔を転移距離と呼ぶ。
【００２６】
以上の結果から、
・隣接する画素間におけるベンド転移は、電極間に印加されている印加電圧が高いほど転移しやすく、
・電極が不在の電極間は、ベンド転移にとっていわば障壁となり、
・電極間距離は狭い方が画素領域間のベンド転移が生じやすく、
・画素間距離は転移距離以下、即ち５μｍ以下、好ましくは２μｍ以下であればよい
ことが解る。
【００２７】
上述した点は、図６に示した単純マトリックス型のＬＣＤのみではなく、図７に示すような、アクティブマトリックス型のＬＣＤにおいても同様に言える。図７（ａ）はアクティブマトリックス型ＬＣＤの平面図、図７（ｂ）はその画素電極１５間部分の断面図である。第１の透明基板１１上に複数のデータ線１２が形成され、データ線１２上には、図示しない絶縁膜を介してゲート線１３が形成されている。ゲート線１３上には平坦化膜である絶縁膜１４を介して各画素毎に画素電極１５が形成され、その上に配向膜１７が形成されている。第１の透明基板１１に対向して配置された第２の透明基板１８上には、複数の画素電極１５に対向して共通電極１９が形成され、その上に配向膜２０が形成されている。第１及び第２の基板間には液晶２１が封入されている。また、図示しない補助容量電極が画素電極１５に接続されている。
【００２８】
今、画素電極１５同士の間隔をｄとすると、画素電極１５同士の間にはデータ線１２やゲート線１３が配置され、また、画素電極１５同士の耐圧も確保する必要があり、この間隔ｄを転移距離以下とすることは困難である。間隔ｄが転移距離よりも大きい状況で画素電極１５のみに転移電圧を印加すると、画素電極１５間の領域がベンド転移の障壁となって、ベンド転移しない画素が生じる場合がある。そこで、第１の基板１１側に転移電圧を印加する場合は、画素電極１５のみでなく、データ線１２、ゲート線１３、補助容量電極等、第１の基板に形成される全ての電極に転移電圧を印加する。データ線１２、ゲート線１３にも転移電圧を印加することによって、画素電極１５間の液晶もベンド転移させることができる。しかし一方で、転移電圧を印加するための配線が複雑になり、更に、転移電圧がゲート電極にも印加されてしまい、薄膜トランジスタ１６が絶縁破壊されるおそれが生じる。
【００２９】
そこで、アクティブマトリクス型ＬＣＤに転移電圧を印加する場合、転移電圧は共通電極１９に印加するのがよい。共通電極１９は、ゲート電極１５、データ線１２、ゲート線１３を広く覆っているので、共通電極１９に転移電圧を印加し、第１の基板側の各種電極を接地しておけば、画素電極１５と共通電極１９の間のみでなく、データ線１２、ゲート線１３と共通電極１５の間にも電界が生じる。電界が生じれば、ベンド転移の拡散を妨げることはなくなり、より確実に表示画面全体をベンド転移させることができる。
【００３０】
このように転移電圧を印加するのであれば、画素電極１５の間隔ｄは転移距離以上あってもよく、そして、この時は、画素電極１５とデータ線１３もしくはゲート線１２との間隔ｄ’が転移距離以下であればよい。
【００３１】
また、上述したように、画素電極１５間隔ｄを転移距離、２μｍ以下とすることは困難であるが、データ線１２、ゲート線１３は画素電極１５とは絶縁膜１４を隔てて形成しているので、間隔ｄ’を２μｍとすることは容易である。
【００３２】
更に、図８に示すように、画素電極１５とデータ線１３、ゲート線１２とがオーバーラップするように形成すればなおよい。これによって、画素電極１５とデータ線１２、ゲート線１３との間隔ｄ’がいわば０になったわけである。
【００３３】
要は、画素間に電極不在の領域が転移距離以上にわたって存在しないように各電極を画素間電極として配置することが肝要である。つまり、画素間に配置される電極、即ち画素間電極は、データ線１２、ゲート線１３に限られるものではなく、特別にこれを設けてももちろんよいし、補助容量電極を用いて兼用してもよい。ただ、特にアクティブマトリックス型のＬＣＤにおいては、データ線やゲート線は、全ての表示領域に格子状に配置されるので、画素間に配置する電極として用いるのには最適である。
【００３４】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、ＯＣＢモードを有するＬＣＤの第１の電極間の距離を、５μｍ以下、もしくは２μｍ以下としたので、ベンド配向が画素間にまたがって拡散し、各画素の液晶をＯＣＢモードで駆動することができ、応答速度の速いＬＣＤとすることができる。
【００３５】
また、第１の電極間には画素間電極が設けられており、画素間電極と複数の第１の電極との間は５μｍ以下、もしくは２μｍ以下であるので、画素電極同士の間隔が離れていても応答速度の早いＬＣＤとすることができる。
【００３６】
さらに、画素間電極は、信号線もしくは／及びゲート線であるので、新たな電極を配置する必要が無く、セル領域を有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ベンド配向とスプレイ配向のギブスのエネルギーを示す図である。
【図２】ベンド配向とスプレイ配向の間のポテンシャル障壁を示す図である。
【図３】転移電圧と転位時間の関係を示すグラフである。
【図４】単純マトリックス型ＬＣＤにおけるベンド転移の拡散を示す平面図である。
【図５】画素間距離、印加電圧、ベンド転移率の関係を示すグラフである。
【図６】単純マトリックス型ＬＣＤにおいて、画素間距離を転移距離以下にした場合のベンド転移の拡散を示す平面図である。
【図７】アクティブマトリックス型ＬＣＤを示す平面図及び断面図である。
【図８】アクティブマトリックス型ＬＣＤを示す平面図及び断面図である。
【図９】ベンド配向とスプレイ配向を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１第１の電極、２第２の電極、３画素領域、４転移因子
５ベンド転移した領域、１２データ線、１３ゲート線
１５画素電極、１９共通電極

Claims

第１の透明基板上に設けられ、第一の方向に延在する複数の第１の電極と、
第２の透明基板上に設けられ、前期第１の方向と異なる第二の方向に延在する複数の第２の電極と、
前記第１もしくは第２の電極をそれぞれ覆って形成され、互いに実質同じ方向にラビングされてなる第１及び第２の配向膜と、
前記第１及び第２の基板間に封入され、ベンド配向の状態とスプレイ配向の状態とを有する液晶層とを備えた単純マトリックス型液晶表示装置において、
前記複数の第１の電極間の距離は、５μｍ以下であることを特徴とする液晶表示装置。
前記複数の第１の電極間の距離は、２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
第１の透明基板上に設けられた複数の第１の電極と、
第２の透明基板上に設けられた第２の電極と、
前記第１もしくは第２の電極をそれぞれ覆って形成され、互いに実質同じ方向にラビングされてなる第１及び第２の配向膜と、
前記第１及び第２の基板間に封入され、ベンド配向の状態を有する液晶層とを備えた液晶表示装置において、
前記第１の電極同士の間には、電極不在の領域が該第１の電極間方向に５μｍ以上存在しないことを特徴とする液晶表示装置。
第１の透明基板上に設けられた複数の第１の電極と、
第２の透明基板上に設けられ、複数の前記第１の電極にまたがって設けられた第２の電極と、
前記第１もしくは第２の電極をそれぞれ覆って形成され、互いに実質同じ方向にラビングされてなる第１及び第２の配向膜と、
前記第１及び第２の基板間に封入され、ベンド配向の状態を有する液晶層とを備えた液晶表示装置において、
前記複数の第１の電極間には画素間電極が設けられており、
前記第２の電極に転移電圧を印加し、
前記第１の電極と前記第２の電極の間のみでなく、前記画素間電極と前記第２の電極の間にも電界を発生させて前記液晶層をベンド転移させ、
該画素間電極と前記複数の第１の電極との間隔が５μｍ以下であることを特徴とする液晶表示装置。
前記該画素間電極と前記複数の第１の電極との間は２μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置。
前記画素間電極は、前記複数の第１の電極とは絶縁膜を介して形成されていることを特徴とする請求項４もしくは請求項５に記載の液晶表示装置。
前記画素間電極と、前記第１の電極のうちの少なくともひとつとは、重畳する領域を有することを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の液晶表示装置。
前記第１の電極は、画素毎に独立して形成された画素電極であり、
それぞれの該画素電極には、薄膜トランジスタが接続され、
前記画素電極間には該薄膜トランジスタに接続された信号線及びゲート線が配置され、
前記画素間電極とは、前記信号線もしくは／及びゲート線であることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれかに記載の液晶表示装置。