JP4108589B2 - 液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板面に対して平行な横方向電界により液晶分子の配列方向を制御して表示を行う横電界方式の液晶表示装置に関する。

近年、液晶表示装置の急激な技術進歩に伴い、液晶表示装置にもＣＲＴ（Cathode-Ray Tube：ブラウン管）表示装置と同等の動画性能が強く要求されている。特に、ＩＰＳ（In-Plane Switching：横電界）方式の液晶表示装置は、極めて視野角が広いという優れた特性を備えているため、ＴＶへの適用が急速に拡大しつつある。そこで、ＩＰＳ方式の液晶表示装置には、動画を表示するため、応答性能の改善が求められている。

応答性能の指標としては、一般に、液晶が黒表示から白表示に切り替わるまでの応答時間τ_ｏｎと、液晶が白表示から黒表示に切り替わるまので応答時間τ_ｏｆｆとの和である応答速度τ（＝τ_ｏｎ＋τ_ｏｆｆ）が利用されている。ＩＰＳ方式のアクティブマトリクス型液晶表示装置における応答速度τと、基板間ギャップｄ及び液晶の回転粘性係数γ_１との関係は、下記数式１により表される。

上記数式１に示すように、ＩＰＳ方式の液晶表示装置の高速応答化、即ち、応答速度τを小さくするためには、基板間ギャップｄを小さく（狭ギャップ化）すること及び液晶の回転粘性係数γ_１を小さくすることが効果的である。

従来、液晶の回転粘性係数γ_１及び液晶の屈折率異方性Δｎを規定して、高速応答化を図った液晶表示装置がある（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、ＩＰＳ方式の液晶表示装置において、（γ_１／Δｎ^２）を６．０Ｐａ・秒以下にすることにより、応答速度τを、中間調応答まで含めて片側１７×１０^−３秒以下にすることができるとされている。そして、特許文献１に記載の液晶表示装置においては、これを実現するため、基板間ギャップｄを３μｍとし、液晶材料中に含まれているニュートラル材の含有量を４０質量％以上にし、更に回転粘性係数γ_１を４５乃至５５ｍＰａ・秒と極めて小さくした液晶材料を使用することにより、上述の応答速度を実現している。

また、基板間ギャップｄと液晶の屈折率異方性Δｎとの積（＝ｄ×Δｎ）を、０．２乃至０．５５μｍの範囲内にすることにより、応答速度の向上を図ったＩＰＳ方式の液晶表示装置も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０００−３１０７９７号公報 特開平９−２９７３０６号公報

しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。先ず、特許文献１の液晶表示装置において使用しているニュートラル材は、液晶層を形成している他の成分に比べて蒸気圧が高いため、ニュートラル材を多量に含有する液晶組成物は、ＯＤＦ（One Drop Fill）方式及び注入方式等のように真空中で液晶組成物をセルに封入する方式を適用した場合、封入作業中にニュートラル材が揮発するという問題点がある。ニュートラル材が多量に揮発すると、液晶組成物の特性が変わるだけでなく、濃度が変化して液晶成分が析出することもある。また、液晶組成物中に単一成分を多量に含有させると、各成分の相溶性が低下するという問題点もある。更に、ニュートラル材の割合を増やしつつ、適正な液晶の誘電異方性Δεを得るためには、液晶成分として単体の誘電率が大きく、且つ極性が強い物質を添加しなければならない。このような物質の多くは、Ｎａ等のイオンとの親和性が高いため、シミ等を引き起こす原因となる可能性があり、信頼性上使いこなすことが極めて困難である。

また、特許文献２に記載の液晶表示装置は、ラビング方向と横電界とがなす角度を８８°にしているが、このような角度では、電界が印加した瞬間に初期配向方向に整列した液晶にかかるトルクが小さいため、高速駆動が得られないという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、応答速度が速く、信頼性が高い横電界方式の液晶表示装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る液晶表示装置は、対向するように配置された第１及び第２の基板と、前記第１基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され相互に平行な画素電極及び共通電極と、前記絶縁膜、前記画素電極及び前記共通電極を覆うように設けられた第１の配向膜と、前記第２の基板上に設けられた第２の配向膜と、前記第１及び第２の配向膜間に挟持された液晶層と、を有し、前記第１及び第２の配向膜は一定方向に配向処理が施されており、前記画素電極及び前記共通電極の長手方向と前記第１及び第２の配向膜の配向処理された方向とがなす角度が１０乃至２０°であり、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜の対向する表面の間隔が２．７μｍ以下であり、前記液晶層を形成する液晶の誘電率異方性が８乃至２０であり、白表示時に前記画素電極に印加する電圧（白電圧）が４乃至７Ｖであり、前記白電圧をＶ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、前記液晶の誘電率異方性をΔε、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜との距離をｄ（μｍ）、前記画素電極と前記共通電極との間隔をＬ（μｍ）としたとき、下記数式２を満たすことを特徴とする。

本発明においては、画素電極及び共通電極の長手方向と第１及び第２の配向膜の配向処理された方向とがなす角度を１０乃至２０°とし、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜の対向する表面の間隔ｄを２．７μｍ以下とし、液晶の誘電率異方性Δεを８乃至２０とし、白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}を４乃至７Ｖとし、更に、前記白電圧をＶ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、前記液晶の誘電率異方性Δε、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜との距離ｄ（μｍ）及び前記画素電極と前記共通電極との間隔Ｌ（μｍ）が、上記数式２を満たすようにすることにより、従来の横電界方式の液晶表示装置に比べて、信頼性が向上すると共に、応答速度１５×１０^−３秒以下の高速で応答する液晶表示装置を製造することができる。

本願第２発明に係る液晶表示装置は、対向するように配置された第１及び第２の基板と、前記第１の基板上に設けられた絶縁膜と、前記第１の基板上に形成され一方が前記絶縁膜上に他方が前記絶縁膜と前記第１の基板側との間に形成され平面視で相互に平行な画素電極及び共通電極と、前記絶縁膜及び前記画素電極又は前記共通電極を覆うように設けられた第１の配向膜と、前記第２の基板上に設けられた第２の配向膜と、前記第１及び第２の配向膜間に挟持された液晶層と、を有し、前記第１及び第２の配向膜は一定方向に配向処理が施されており、前記画素電極及び前記共通電極の長手方向と前記第１及び第２の配向膜の配向処理された方向とがなす角度が１０乃至２０°であり、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜の対向する表面の間隔が２．７μｍ以下であり、前記液晶層を形成する液晶の誘電率異方性が８乃至２０であり、白表示時に前記画素電極に印加する電圧（白電圧）が４乃至７Ｖであり、前記白電圧をＶ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、前記液晶の誘電率異方性をΔε、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜との距離をｄ（μｍ）、前記画素電極と前記共通電極との間隔をＬ（μｍ）、前記絶縁膜の膜厚をＴ（μｍ）としたとき、下記数式３を満たすことを特徴とする。

本発明においては、画素電極及び共通電極の長手方向と第１及び第２の配向膜の配向処理された方向とがなす角度を１０乃至２０°とし、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜の対向する表面の間隔ｄを２．７μｍ以下とし、液晶の誘電率異方性Δεを８乃至２０とし、白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}を４乃至７Ｖとし、更に、前記白電圧をＶ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、前記液晶の誘電率異方性Δε、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜との距離ｄ（μｍ）、層間膜の膜厚Ｔ（μｍ）及び前記画素電極と前記共通電極との間隔Ｌ（μｍ）が、上記数式３を満たすようにすることにより、画素電極と共通電極との間に絶縁膜が設けられているような構造の液晶表示装置においても、従来の横電界方式の液晶表示装置に比べて、信頼性を向上させると共に、応答速度が１５×１０^−３秒以下の高速応答を実現することができる。

前記第１の配向膜に覆われる前記画素電極及び前記共通電極配置は、透明導電膜により形成されていてもよく、前記透明導電膜は、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ:Indium Tin Oxide）膜である。

本願第３発明に係る液晶表示装置の製造方法は、前記第１基板上に設けられた絶縁膜上に相互に平行な画素電極及び共通電極とを形成し、前記絶縁膜、前記画素電極及び前記共通電極を覆うように一定方向に配向処理された第１の配向膜を形成する工程と、前記第２の基板上に一定方向に配向処理された第２の配向膜を設ける工程と、前記画素電極及び前記共通電極の長手方向と前記第１及び第２の配向膜の配向処理方向とがなす角度が１０乃至２０°で、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜の間隔が２．７μｍ以下になるように前記第１及び前記第２の基板を対向させて、前記第１及び第２の配向膜間に誘電率異方性が８乃至２０である液晶を挟持させる工程と、を有し、白表示時に前記画素電極に印加する電圧（白電圧）を４乃至７Ｖとしたとき、前記白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、前記液晶の誘電率異方性Δε、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜との距離ｄ（μｍ）及び前記画素電極と前記共通電極との間隔Ｌ（μｍ）が下記数式２を満たすようにすることを特徴とする。

本願第４発明に係る液晶表示装置の製造方法は、前記第１の基板上に一方が絶縁膜上に他方が前記絶縁膜と前記第１の基板側との間に配置して平面視で相互に平行になるように画素電極及び共通電極を形成し、前記絶縁膜及び前記画素電極又は前記共通電極を覆うように一定方向に配向処理された第１の配向膜を形成する工程と、前記画素電極及び前記共通電極の長手方向と前記第１及び第２の配向膜の配向処理方向とがなす角度が１０乃至２０°で、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜の間隔が２．７μｍ以下になるように前記第１及び前記第２の基板を対向させて、前記第１及び第２の配向膜間に誘電率異方性が８乃至２０である液晶を挟持させる工程と、を有し、表示時に前記画素電極に印加する電圧（白電圧）を４乃至７Ｖとしたとき、前記白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、前記液晶の誘電率異方性Δε、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜との距離ｄ（μｍ）、前記画素電極と前記共通電極との間隔Ｌ（μｍ）及び前記絶縁膜の膜厚Ｔ（μｍ）が下記数式３を満たすようにすることを特徴とする。

本発明によれば、画素電極及び共通電極の長手方向と第１及び第２の配向膜の配向処理された方向とがなす角度を１０乃至２０°とし、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜の対向する表面の間隔ｄを２．７μｍ以下とし、液晶の誘電率異方性Δεを８乃至２０とすると共に、白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）と、液晶の誘電率異方性Δε、第１の配向膜及び第２の配向膜間の距離ｄ（μｍ）並びに画素電極及び共通電極の間隔Ｌ（μｍ）との関係を最適化することにより、信頼性及び応答速度を向上させることができるため、従来の横電界方式の液晶表示装置に比べて、信頼性が高く且つ高速で動作する液晶表示装置が得られる。

以下、本発明の実施形態に係る液晶表示装置について、添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、第１の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。図１は本実施形態の液晶表示装置の構成を示す平面図であり、図２は図１に示すＡ−Ａ線による断面図である。本実施形態の液晶表示装置は、ＩＰＳ方式のアクティブマトリクス型液晶表示装置である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の液晶表示装置は、透明基板１の上に、層間絶縁膜２が設けられており、この層間絶縁膜２上には相互に平行な画素補助電極３及びデータ線４が形成されている。そして、これらの上には、層間絶縁膜として窒化シリコン膜５及び透明アクリル樹脂膜６がこの順に設けられている。この透明アクリル樹脂膜６の上には、ＩＴＯ等の透明導電性膜からなる共通電極７及び画素電極８が、相互に平行に形成されている。なお、透明アクリル樹脂膜６上におけるデータ線４が形成されている領域に対応する領域には共通電極７が形成されており、画素補助電極３が形成されている領域に対応する領域には画素電極８が形成されている。更に、透明アクリル樹脂膜６上には、共通電極７及び画素電極８を覆うように、一定方向に配向処理が施された配向膜９が設けられている。

また、透明基板１と層間絶縁膜２との間には、データ線４と直交する方向に延びるゲート電極１０が形成されており、層間絶縁膜２上のデータ線４とゲート電極１０とが交差する位置の近傍には、アモルファスシリコン膜１６、ソース電極１１及びドレイン電極１７が形成された薄膜トランジスタが形成されている。この薄膜トランジスタのソース電極１１は、画素補助電極３に接続されると共に、ソース電極１１上の窒化シリコン膜５及び透明アクリル樹脂膜６に設けられたコンタクトホール１２を介して、画素電極８にも接続されている。更に、透明基板１と層間絶縁膜２との間には、共通電極配線１３がゲート電極１０と平行になるように形成されており、この共通電極配線１３、層間絶縁膜２、窒化シリコン膜５及び透明アクリル樹脂膜６を貫通するように設けられたコンタクトホール１４を介して、共通電極７に接続されている。

一方、透明基板１に対向するように配置される透明基板２０上には、色層２１及びブラックマトリクス２２が形成されている。また、これらの上には、オーバーコート膜２３が設けられており、このオーバーコート膜２３上には、セルギャップを形成するための柱状スペーサ（図示せず）が設けられている。この柱状スペーサは、透明基板１と透明基板２０とを対向させた際に、透明基板１においてゲート電極１０が形成されており、且つデータ線４及びアモルファスシリコン膜１６が形成されていない領域に対向する領域に設けられている。更に、オーバーコート膜２３及びスペーサ上には、一定方向に配向処理が施された配向膜２４が設けられている。更にまた、透明基板２０における色層２１及びおよびブラックマトリクス２２が形成されている面と反対側の面には、帯電防止のための導電層２５が設けられている。

本実施形態における配向膜９及び配向膜２４の表面は、ラビング法により、ゲート電極１０が延びる方向に対して垂直な方向に配向処理が施されている。また、共通電極７及び画素電極８は、相互に平行であり、配向膜２４の配向処理方向、即ち、ラビング方向ｘに対称になるように屈曲している。そして、ラビング方向ｘと共通電極７及び画素電極８の長手方向とがなす角度βは１０乃至２０°である。

また、透明基板１及び透明基板２０は、配向膜９及び配向膜２４を内側にして、これらのラビング方向ｘが同じになるように対向して配置されている。そして、配向膜９と配向膜２４との間には、誘電率異方性Δεが９乃至２０である液晶が封入され、シール材（図示せず）等により封止されている。本実施形態の液晶表示装置における液晶層１５の厚さ、即ち、配向膜９と配向膜２４との間隔であるセルギャップｄは２．７μｍ以下である。なお、このセルギャップｄの値は前述の柱状スペーサの高さを変更することにより調節することができる。

更に、透明基板１及び透明基板２０の外面には、夫々偏光板２６ａ及び２６ｂが貼りつけられている。なお、透明基板１上に設けられた偏光板２６ａは、その偏光透過軸と透明基板１に形成された配向膜９のラビング方向ｘとが、略平行になるように貼りつけられている。また、透明基板基板２０上に設けられた偏光板２６ｂは、その偏光透過軸と、透明基板２０に形成された配向膜２４のラビング方向ｘとが、略垂直になるように貼りつけられている。

次に、本実施形態の液晶表示装置におけるセルギャップｄ及び液晶の誘電率異方性Δεの数値限定理由について説明する。

本発明者等は、液晶表示装置において動画を鮮明に且つ忠実に再現するために鋭意実験研究を行った結果、液晶が黒表示から白表示に切り替わるまでの応答時間τ_ｏｎと、液晶が白表示から黒表示に切り替わるまので応答時間τ_ｏｆｆとの和である応答速度τ（＝τ_ｏｎ＋τ_ｏｆｆ）を、１５×１０^−３秒以下にすることにより、動画性能が大幅に向上することを見出した。上記数式１に示すように、ＩＰＳ方式のアクティブマトリクス型液晶表示装置を高速応答化、即ち、応答速度τを小さくするためには、セルギャップｄ及び回転粘性係数γ_１を小さくすることが有効である。そこで、本発明者等は、セルギャップｄと応答時間τとの関係について検討を行った。現時点でＩＰＳ方式の液晶表示装置用として利用可能な液晶のうち、回転粘性係数γ_１が最も小さい液晶（γ_１＝９０ｍＰａ・秒）を使用し、セルギャップｄを変化させて、応答時間τを実測及び実験によって求めた結果を下記表１に示す。本発明者等は、下記表１に示すように、ギャップｄを２．７μｍ以下にすることにより、応答速度τを１５×１０^−３秒以下にすることができることを実験的に見出した。従って、本実施形態の液晶表示装置におけるセルギャップｄは２．７μｍ以下にする。

ところで、ＩＰＳ方式のアクティブマトリクス型液晶表示装置においては、セルギャップｄを小さくすると、駆動電圧が上昇するという問題が生じる。液晶表示装置におけるしきい値電圧Ｖ_ｔｈ（Ｖ）と、液晶の誘電率異方性Δε、セルギャップｄ（μｍ）並びに共通電極７及び画素電極８の間隔Ｌ（μｍ）との関係は、下記数式４により表される。

なお、上記数式４におけるＫ_２２は液晶の弾性係数である。また、液晶表示装置におけるＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘは、上記数式４に示すしきい値電圧Ｖ_ｔｈに比例するため、上記数式４から下記数式５が導かれる。

上記数式５に示すように、セルギャップｄを狭くすると、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘが大きくなるため、適正な電圧で駆動できなくなる虞がある。駆動電圧を小さくするためには、誘電率異方性Δεを大きくすることが考えられるが、誘電率異方性Δεを大きくすると、回転粘性係数γ_１が増加するため、応答速度τが低下してしまう。

一般に、セルギャップｄが狭いＩＰＳ方式の液晶表示装置では、屈折率異方性Δｎが０．１よりも大きい液晶材料が使用される。しかしながら、このような材料では、誘電率異方性Δεを８より小さくしても回転粘性係数γ_１が小さくならず、信頼性面でも大きな改善は見られない。また、液晶の誘電率異方性Δεを２０より大きくすると、回転粘性係数γ_１の上昇を招くだけでなく、信頼性面においても極めて不安定になり、液晶表示装置として使用できなくなる。従って、本実施形態の液晶表示装置における液晶の誘電率異方性Δεは８乃至２０とする。

次に、本実施形態の液晶表示装置の動作について説明する。本実施形態の液晶表示装置は、無電界時に光が通過しないノーマリブラックモードにより表示する。即ち、０Ｖ付近の電圧では黒を表示し、画素電極８に電圧を印加することにより、共通電極７と画素電極８との間に発生する電場により液晶が駆動し、その複屈折性により光の透過率が変化する。

また、本実施形態の液晶表示装置においては、白表示時に画素電極８に印加する電圧（白電圧）を４乃至７Ｖとし、更に、白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、液晶の誘電率異方性Δε、セルギャップｄ（μｍ）、共通電極７及び画素電極８の間隔Ｌ（μｍ）、層間膜の膜厚Ｔ（μｍ）を、下記数式６の範囲内とする。

以下、その理由について説明する。本発明者等は、応答速度τを１５×１０^−３秒以下にするため、セルギャップｄが２．７μｍ以下の狭ギャップセルにおいて、適正な駆動電圧を維持しながら、高透過率で良好な表示が得られるＩＰＳ方式の液晶表示装置について鋭意研究を行い、以下に示す結果を得た。

先ず、セルを狭ギャップ化し、横方向電界で液晶を駆動する場合には、強い電界が求められるため、横電界を形成する共通電極７及び画素電極８は、できるだけ液晶層１５に近い位置にあることが望ましい。図３は本実施形態の液晶表示装置における共通電極７及び画素電極８の位置を模式的に示す断面図である。本発明者等は、共通電極７及び画素電極８の両方が絶縁膜１９よりも透明基板１側に形成されていると、狭ギャップセルにおいて、液晶を駆動させるためには極めて高い電圧が必要になり、駆動に適さないことを見出した。そして、共通電極７及び画素電極８のうち少なくとも一方が、配向膜９に接するように、即ち、絶縁膜１９上に配置されていることが最も好ましいことを見出した。

また、図３に示す液晶表示装置において、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘ（Ｖ）と、液晶の誘電率異方性Δε、セルギャップｄ（μｍ）並びに共通電極７及び画素電極８の間隔Ｌ（μｍ）との関係を、２．７μｍ以下の狭ギャップの場合について調査したところ、セルを狭ギャップ化すると、上記数式５は、実測からの乖離が大きくなることも見出した。そこで、本発明者等は、シミュレーション及び実測により、これらの関係を以下に示す方法で詳細に検討究した。

検討に際して、本発明者等は、駆動電圧と応答速度との関係が最も良好であるのは、電極の長手方向と液晶層１５中の液晶の初期配向方向とのなす角度βが１５°のときであるということを見出し、以下に示す検討は角度βを１５°に設定している。なお、角度βは１０乃至２０°の範囲内であれば、駆動電圧及び応答速度には大きな差異は認められないため、下記の検討結果は、角度βが１０乃至２０°の範囲内における任意の角度に適用することが可能である。

図４は横軸にセルギャップｄの対数をとり、縦軸にＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘの対数をとって、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘとセルギャップｄとの関係を示すグラフ図である。電極間隔Ｌを１０μｍにしてシミュレーションを行った結果、図４に示すように、Ｌｏｇ（ｄ）に対して、Ｌｏｇ（Ｖ_ｍａｘ）をプロットしたグラフの傾きは−０．６であり、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘはセルギャップｄの−０．６乗に比例していることを実験的に見出した。

図５は横軸に電極間隔Ｌの対数をとり、縦軸にＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘの対数をとって、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘとの電極間隔Ｌとの関係を示すグラフ図である。液晶の誘電率異方性Δεを１０にしてシミュレーションを行った結果、図５に示すように、Ｌｏｇ（Ｌ）に対して、Ｌｏｇ（Ｖ_ｍａｘ）をプロットしたグラフの傾きは０．５であり、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘは電極間隔Ｌの０．５乗に比例していること実験的に見出した。

図６は横軸に液晶の誘電率異方性Δεの対数をとり、縦軸にＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘの対数をとって、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘと液晶の誘電率異方性Δεとの関係を示すグラフ図である。電極間隔Ｌを１０μｍにしてシミュレーションを行った結果、図６に示すように、Ｌｏｇ（Δε）に対して、Ｌｏｇ（Ｖ_ｍａｘ）をプロットしたグラフの傾きは−０．５であり、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘは液晶の誘電率異方性Δεの−０．５乗に比例することを実験的に見出した。

以上の結果から、本発明者等は、セルギャップｄが小さい領域、特に、セルギャップｄが２．７μｍ以下の領域においては、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘと、液晶の誘電率異方性Δε、基板間ギャップｄ（μｍ）並びに画素電極及び共通電極の間隔Ｌ（μｍ）との間には、下記数式７に示す関係が成り立つことを見出した。

上記数式７における比例係数をＡとすると、下記数式８を導くことができる。

上記数式８における比例係数Ａは、使用する液晶の弾性定数に依存する。一般的に、弾性定数は、液晶のネマティック−アイソトロピック転移点Ｔ_ｎｉにより大きく異なることが知られている。また、液晶成分の極性基によっても値が異なり、例えば、シアノ基を含むシアノ系液晶と、フッ素のみを含むフッ素系液晶とでは弾性定数が異なる。極めて高速の液晶表示が求められるのは、主に、ＴＶ及びモニター用途であり、これらの用途においては、通常の使用環境を考慮すると、液晶のネマティック−アイソトロピック転移点Ｔ_ｎｉを６５乃至８０℃にすることが好ましい。また、一般に、信頼性においては、フッ素系液晶はシアノ系液晶よりも優れており、フッ素系液晶を使用することにより信頼性が優れた液晶ディスプレイを得ることができる。

上述の条件を満たす液晶材料を使用した場合について、実測及びシミュレーションにより求めたＡの値を下記表２に示す。

更に、本発明者等は、多くの例を詳細に調査したところ、上記数式８における比例定数Ａが１０．９を超え、１１．８未満であることを見出した。ＩＰＳ方式の液晶表示装置においては、白表示の際に画素電極８に印加する電圧（白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}）をＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘ付近に設定することにより、透過率を高くすることができる。具体的には、白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}を、下記数式９に示すように、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘに対して９０乃至１００％の範囲にすることにより、高い透過率を得ることができる。

そして、上記数式８及び数式９より下記数式１０が導かれる。

前述したように、比例定数Ａは１０．９を超え、１１．８未満であるため、上記数式１０から上記数式６を導くことができる。

そこで、図３に示すように、共通電極７及び画素電極８の両方が絶縁膜１９上に配向膜９と接するように形成されている場合、上記数式６を満たすように、各パラメータを設定することにより、適正な駆動電圧を維持しつつ、セルギャップｄを２．７μｍ以下にした場合でも、透過率が高く、高速で駆動するＩＰＳ方式の液晶表示装置を得ることができる。

なお、現状得られる駆動回路を使用した場合、適正な白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}は４Ｖよりも大きく、且つ７Ｖよりも小さい範囲である。また、本発明者等が実施したシミュレーションは、実測値と極めてよい一致を示し、物理的に妥当な結果を予測できるものである。

前述の第１実施形態においては、共通電極及び画素電極が配向膜に接するように形成されている場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、共通電極及び画素電極のいずれか一方の電極が配向膜に接するように絶縁膜上に形成されていればよい。以下、本発明の第２実施形態に係る液晶表示装置として、共通電極を配向膜に接するように絶縁膜上に形成し、画素電極を厚さがＴμｍの絶縁膜と透明基板との間に形成した液晶表示装置について説明する。図７は本発明の第２実施形態の液晶表示装置の構成を示す平面図であり、図８は図７に示すＢ−Ｂ線による断面図である。本実施形態の液晶表示装置は、ＩＰＳ方式のアクティブマトリクス型液晶表示装置である。

図７及び図８に示すように、本実施形態の液晶表示装置は、透明基板１の上に、層間絶縁膜２が設けられており、この層間絶縁膜２上には相互に平行な画素電極８及びデータ線４が形成されている。そして、これらの上には、層間絶縁膜として窒化シリコン膜５が設けられている。また、この窒化シリコン膜５の上のデータ線４が形成されている領域に対応する領域には、アクリル樹脂膜６が形成されており、このアクリル樹脂膜６及び窒化シリコン膜５上には、ＩＴＯからなる共通電極７が、データ線４が形成されている領域、即ち、アクリル樹脂膜６上及び画素電極８が形成されていない領域に、画素電極８と相互に平行になるように形成されている。更に、これらの上には、配向膜９が設けられている。

また、透明基板１と層間絶縁膜２との間には、データ線４と直交する方向に延びるゲート電極１０が形成されており、層間絶縁膜２上のデータ線４と走査線１０とが交差する位置の近傍には、アモルファスシリコン膜１６、ソース電極１１及びドレイン電極１７が形成された薄膜トランジスタが形成されている。この薄膜トランジスタのソース電極１１は、画素電極８に接続されている。更に、透明基板１と層間絶縁膜２との間には、共通電極配線１３がゲート電極１０と平行になるように形成されており、この共通電極配線１３は、層間絶縁膜２、窒化シリコン膜５及び透明アクリル樹脂膜６を貫通するように設けられたコンタクトホール１４を介して、共通電極７に接続されている。

一方、透明基板１に対向するように配置される透明基板２０上には、色層２１及びブラックマトリクス２２が形成されている。また、これらの上には、オーバーコート膜２３が設けられており、このオーバーコート膜２３上には、セルギャップを形成するための柱状スペーサ（図示せず）が設けられている。この柱状スペーサは、透明基板１と透明基板２０とを対向させた際に、透明基板１においてゲート電極１０が形成されており、且つデータ線４及びアモルファスシリコン膜１６が形成されていない領域に対向する領域に設けられている。更に、オーバーコート膜２３及びスペーサ上には一定方向に配向処理が施された配向膜２４が設けられている。更にまた、透明基板２０における色層２１及びおよびブラックマトリクス２２が形成されている面と反対側の面には、帯電防止のための導電層２５が設けられている。

本実施形態における配向膜９及び配向膜２４の表面は、ラビング法により、走査線１０が延びる方向に対して垂直な方向に配向処理が施されている。また、共通電極７及び画素電極８は、相互に平行であり、配向膜２４の配向処理方向、即ち、ラビング方向ｘに対称になるように屈曲している。そして、ラビング方向ｘと共通電極７及び画素電極８の長手方向とがなす角度βは１０乃至２０°である。

また、透明基板１及び透明基板２０は、配向膜９及び配向膜２４を内側にして、これらのラビング方向ｘが同じになるように対向して配置されている。そして、配向膜９と配向膜２４との間には、誘電率異方性Δεが９乃至２０である液晶が封入されており、シール材（図示せず）等により封止されている。本実施形態の液晶表示装置における液晶層１５の厚さ、即ち、配向膜９と配向膜２４との間隔であるセルギャップｄは２．７μｍ以下である。なお、本実施形態の液晶表示装置におけるセルギャップｄの値は前述の柱状スペーサの高さを変更することにより調節することができる。

更に、透明基板１及び透明基板２０の外面には、夫々偏光板２６ａ及び２６ｂが貼りつけられている。なお、透明基板１上に設けられた偏光板２６ａは、その偏光透過軸と透明基板１に形成された配向膜９のラビング方向ｘとが、略平行になるように貼りつけられている。また、透明基板基板２０上に設けられた偏光板２６ｂは、その偏光透過軸と、透明基板２０に形成された配向膜２４のラビング方向ｘとが、略垂直になるように貼りつけられている。

次に、本実施形態の液晶表示装置の動作について説明する。本実施形態の液晶表示装置は、無電界時に光が通過しないノーマリブラックモードにより表示する。即ち、０Ｖ付近の電圧では黒を表示し、画素電極８に電圧を印加することにより、共通電極７と画素電極８との間に発生する電場により液晶が駆動し、その複屈折性により光の透過率が変化する。

図９は本実施形態の液晶表示装置における共通電極及び画素電極の位置を模式的に示す断面図である。図９に示すように、本実施形態の液晶表示装置は、共通電極７が配向膜９に接するように、即ち、絶縁膜１９上に形成され、画素電極８は絶縁膜１９と透明基板１との間に形成されており、共通電極７と画素電極８との間に存在する絶縁膜１９の厚さはＴμｍである。この場合、下記数式１１に示すように、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘは、共通電極７及び画素電極８の両方が配向膜９に接する場合に比べて増大する。

そこで、本実施形態の液晶表示装置においては、白表示時に画素電極８に印加する電圧（白電圧）を４乃至７Ｖとし、更に、白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、液晶の誘電率異方性Δε、セルギャップｄ（μｍ）、共通電極７及び画素電極８の間隔Ｌ（μｍ）、層間膜の膜厚Ｔ（μｍ）を、下記数式１２を満たすように設定する。これにより、適正な駆動電圧を維持しつつ、セルギャップｄを２．７μｍ以下にした場合でも、透過率が高く、応答速度τが１５×１０^−３秒以下の高速で駆動するＩＰＳ方式の液晶表示装置を得ることができる。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本発明の実施例１として、図１及び図２に示す構造の液晶表示装置を作製した。その際、液晶としては、誘電率異方性Δεが１１．２、ネマチック−アイソトロピック転移温度Ｔ_ｎｉが７５℃、屈折率異方性Δｎが０．１２０の材料使用した。また、画素電極及び共通電極の長手方向と液晶層１５中の液晶の初期配向方向とのなす角度βを１５°とし、セルギャップｄは２．４μｍとした。ここで、白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}を５．０Ｖに設定する場合、上記数式１０より求められる電極間隔Ｌの範囲は、５．７μｍを超え、８．３μｍ未満となる。そこで、本実施例においては、画素サイズを横７９．５μｍ、縦２３８．５μｍ、画素電極及び共通電極の幅を３．５μｍとし、電極間隔Ｌは、この範囲で最も効率よく配置できるように７μｍにした。そして、この液晶表示装置を、白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}が５．０Ｖとして動作させて、その特性を調べた。その結果を下記表３にまとめて示す。

本実施例の液晶表示装置においては、電圧が上昇するに従い透過率が増大し、印加電圧が５．２Ｖのときに透過率が最大となった。このときの比例定数Ａは１１．１２であった。よって、本実施例における白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}は、透過率が最大となる電圧、即ち、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘの９６％にあたる。このため、本実施例の液晶表示装置の透過率は、最大透過率の９９．２％と高い値を示した。更に、上記表３に示すように、本実施例の液晶表示装置においては、液晶が黒表示から白表示に切り替わるまでの応答時間τ_ｏｎは５．７×１０^−３秒であり、液晶が白表示から黒表示に切り替わるまので応答時間τ_ｏｆｆは６．２×１０^−３秒であった。従って、これらの和である応答速度τは１１．９×１０^−３秒となり、良好な動画を得ることができる１５×１０^−３秒を大幅に下回っており、極めて良好な動画表示性能を得ることができた。

次に、本発明の実施例２として、図７及び図８に示す構造の液晶表示装置を作製した。このとき、液晶材料としては、誘電率異方性Δεが１１．２、ネマチック−アイソトロピック転移温度Ｔ_ｎｉが７５℃、屈折率異方性Δｎが０．１２０の材料を使用した。また、画素電極及び共通電極の長手方向と液晶の初期配向方向とのなす角度βは１５°とし、画素電極と共通電極との間に形成された窒化シリコン膜の厚さＴは０．３μｍ、セルギャップｄは２．４μｍとした。ここで、白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}を５．５Ｖに設定する場合、上記数式１２より求められる電極間隔Ｌの範囲は、５．７μｍを超え、８．３μｍ未満となる。そこで、本実施例においては、画素サイズを横７９．５μｍ、縦２３８．５μｍとし、画素電極及び共通電極の幅を３．５μｍとし、電極間隔Ｌは、この範囲で最も効率よく配置できるように７μｍにした。そして、この液晶表示装置を、白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}を５．５Ｖとして動作させて、その特性を調べた。その結果を下記表４にまとめて示す。

本実施例の液晶表示装置においては、電圧が上昇するに従い透過率が増大し、印加電圧が５．７Ｖのときに透過率が最大となった。このときの比例定数Ａは１１．１２であった。よって、本実施例における白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}は、透過率が最大となる電圧、即ち、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘの９６％にあたる。このため、本実施例の液晶表示装置の透過率は、最大透過率の９９．２％と高い値を示した。また、上記表４に示すように、本実施例の液晶表示装置においては、応答時間τ_ｏｎは５．７×１０^−３秒であり、液晶が白表示から黒表示に切り替わるまので応答時間τ_ｏｆｆは６．２×１０^−３秒であった。従って、これらの和である応答速度τは１１．９×１０^−３秒となり、良好な動画を得ることができる１５×１０^−３秒を大幅に下回っており、極めて良好な動画表示性能を得ることができた。

本発明の第１の実施形態の液晶表示装置の構成を示す平面図である。 図１に示すＡ−Ａ線による断面図である。 本発明の第１の実施形態における共通電極７及び画素電極８の位置を模式的に示す断面図である。 横軸にセルギャップｄの対数をとり、縦軸にＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘの対数をとって、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘとセルギャップｄとの関係を示すグラフ図である。 横軸に電極間隔Ｌの対数をとり、縦軸にＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘの対数をとって、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘとの電極間隔Ｌとの関係を示すグラフ図である。 横軸に液晶の誘電率異方性Δεの対数をとり、縦軸にＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘの対数をとって、ＶＴピーク電圧Ｖ_ｍａｘと液晶の誘電率異方性Δεとの関係を示すグラフ図である。 本発明の第２の実施形態の液晶表示装置の構成を示す平面図である。 図７に示すＢ−Ｂ線による断面図である。 本発明の第２の実施形態における共通電極７及び画素電極８の位置を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１、２０；透明基板
２；層間絶縁膜
３；画素補助電極
４；データ線
５；窒化シリコン膜
６；透明アクリル樹脂膜
７；共通電極
８；画素電極
９、２４；配向膜
１０；ゲート電極
１１；ソース電極
１２、１４；コンタクトホール
１３；共通電極配線
１５；液晶層
１６；アモルファスシリコン膜
１７；ドレイン電極
１９；絶縁膜
２１；色層
２２；ブラックマトリクス
２３；オーバーコート膜
２５；導電層
２６ａ、２６ｂ；偏光板
ｄ；セルギャップ
Ｌ；電極間隔
Ｔ；絶縁膜の厚さ
ｘ；ラビング方向

Claims (8)

1. 対向するように配置された第１及び第２の基板と、前記第１基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され相互に平行な画素電極及び共通電極と、前記絶縁膜、前記画素電極及び前記共通電極を覆うように設けられた第１の配向膜と、前記第２の基板上に設けられた第２の配向膜と、前記第１及び第２の配向膜間に挟持された液晶層と、を有し、前記第１及び第２の配向膜は一定方向に配向処理が施されており、前記画素電極及び前記共通電極の長手方向と前記第１及び第２の配向膜の配向処理された方向とがなす角度が１０乃至２０°であり、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜の対向する表面の間隔が２．７μｍ以下であり、前記液晶層を形成する液晶の誘電率異方性が８乃至２０であり、白表示時に前記画素電極に印加する電圧（白電圧）が４乃至７Ｖであり、前記白電圧をＶ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、前記液晶の誘電率異方性をΔε、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜との距離をｄ（μｍ）、前記画素電極と前記共通電極との間隔をＬ（μｍ）としたとき、下記数式を満たすことを特徴とする液晶表示装置。
   

   
2. 対向するように配置された第１及び第２の基板と、前記第１の基板上に設けられた絶縁膜と、前記第１の基板上に形成され一方が前記絶縁膜上に他方が前記絶縁膜と前記第１の基板側との間に形成され平面視で相互に平行な画素電極及び共通電極と、前記絶縁膜及び前記画素電極又は前記共通電極を覆うように設けられた第１の配向膜と、前記第２の基板上に設けられた第２の配向膜と、前記第１及び第２の配向膜間に挟持された液晶層と、を有し、前記第１及び第２の配向膜は一定方向に配向処理が施されており、前記画素電極及び前記共通電極の長手方向と前記第１及び第２の配向膜の配向処理された方向とがなす角度が１０乃至２０°であり、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜の対向する表面の間隔が２．７μｍ以下であり、前記液晶層を形成する液晶の誘電率異方性が８乃至２０であり、白表示時に前記画素電極に印加する電圧（白電圧）が４乃至７Ｖであり、前記白電圧をＶ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、前記液晶の誘電率異方性をΔε、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜との距離をｄ（μｍ）、前記画素電極と前記共通電極との間隔をＬ（μｍ）、前記絶縁膜の膜厚をＴ（μｍ）としたとき、下記数式を満たすことを特徴とする液晶表示装置。
   

   
3. 前記絶縁膜上に形成された前記画素電極及び前記共通電極は、透明導電膜により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
4. 前記透明導電膜は、酸化インジウム錫膜であることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
5. 前記第１基板上に設けられた絶縁膜上に相互に平行な画素電極及び共通電極とを形成し、前記絶縁膜、前記画素電極及び前記共通電極を覆うように一定方向に配向処理された第１の配向膜を形成する工程と、前記第２の基板上に一定方向に配向処理された第２の配向膜を設ける工程と、前記画素電極及び前記共通電極の長手方向と前記第１及び第２の配向膜の配向処理方向とがなす角度が１０乃至２０°で、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜の間隔が２．７μｍ以下になるように前記第１及び前記第２の基板を対向させて、前記第１及び第２の配向膜間に誘電率異方性が８乃至２０である液晶を挟持させる工程と、を有し、白表示時に前記画素電極に印加する電圧（白電圧）を４乃至７Ｖとしたとき、前記白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、前記液晶の誘電率異方性Δε、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜との距離ｄ（μｍ）及び前記画素電極と前記共通電極との間隔Ｌ（μｍ）が下記数式を満たすようにすることを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
   

   
6. 前記第１の基板上に一方が絶縁膜上に他方が前記絶縁膜と前記第１の基板側との間に配置して平面視で相互に平行になるように画素電極及び共通電極を形成し、前記絶縁膜及び前記画素電極又は前記共通電極を覆うように一定方向に配向処理された第１の配向膜を形成する工程と、前記画素電極及び前記共通電極の長手方向と前記第１及び第２の配向膜の配向処理方向とがなす角度が１０乃至２０°で、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜の間隔が２．７μｍ以下になるように前記第１及び前記第２の基板を対向させて、前記第１及び第２の配向膜間に誘電率異方性が８乃至２０である液晶を挟持させる工程と、を有し、表示時に前記画素電極に印加する電圧（白電圧）を４乃至７Ｖとしたとき、前記白電圧Ｖ_{ｗｈｉｔｅ}（Ｖ）、前記液晶の誘電率異方性Δε、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜との距離ｄ（μｍ）、前記画素電極と前記共通電極との間隔Ｌ（μｍ）及び前記絶縁膜の膜厚Ｔ（μｍ）が下記数式を満たすようにすることを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
   

   
7. 前記絶縁膜上に形成された前記画素電極及び前記共通電極を、透明導電膜により形成することを特徴とする請求項５又は６に記載の液晶表示装置の製造方法。
8. 前記透明導電膜が酸化インジウム錫膜であることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置の製造方法。
   

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