JP4404983B2

JP4404983B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP4404983B2
Application number: JP07048099A
Authority: JP
Inventors: 義孝山田; 昭夫村山; 雄三奥出
Original assignee: Toshiba Mobile Display Co Ltd
Current assignee: Japan Display Central Inc
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2019-03-16
Also published as: JP2000267144A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液晶表示装置に係り、特に、ツイステッドネマティック型液晶を備えた低消費電力型の液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、低消費電力型の液晶表示装置は、バッテリで動作する携帯型電子装置のディスプレイとして利用されている。携帯型電子装置を、長時間、バッテリで動作させるためには、液晶表示装置の消費電力を低減する必要がある。低消費電力化を実現するためには、液晶を駆動する駆動電圧を低減する方法が有力である。
【０００３】
液晶表示装置は、それぞれ透明電極を有する対向配置された一対の基板間に液晶層を挟持することによって構成されている。液晶層をツイステッドネマティック型液晶すなわちＴＮ液晶で構成した場合、液晶表示装置の駆動電圧は、ＴＮ液晶のしきい値電圧に依存するところが大きい。すなわち、ＴＮ液晶のしきい値電圧すなわちフレデリクス転移点は、一般に、以下の式によって表される。
【０００４】
Ｖｃ＝Ｅｃ・ｄ
＝π[{Ｋ₁₁+(Ｋ₃₃−2・Ｋ₂₂)／4}／(ε₀・Δε)] ^1/2
ここで、ｄは、液晶層の厚さすなわち一対の基板間のギャップであり、Ｋ₁₁は、液晶の広がりに対応した弾性定数であり、Ｋ₂₂は、液晶の捩じれに対応した弾性定数であり、Ｋ₃₃は、液晶の曲がりに対応した弾性定数である。また、ε₀は、液晶の真空中での誘電率であり、Δεは、液晶の誘電率異方性を表す。
【０００５】
上述したしきい値電圧を表す式より、駆動電圧の低電圧化を実現するためには、以下の手法が考えられる。
【０００６】
（１）液晶の誘電率異方性Δεを大きくする。
【０００７】
（２）液晶の弾性定数Ｋ₁₁、Ｋ₃₃を小さくする。
【０００８】
例えば、実願平１−１１４３９３号公報によれば、液晶層の液晶分子のツイスト角を９０度より大きく１３０度以下とし、誘電率異方性Δεを１５以上、液晶の屈折率異方性Δｎと液晶層の厚さｄとの積すなわちリタデーションΔｎ×ｄの値を１．０〜１．５μｍ、偏光板の透過軸の狭角を７０度以上１３０度以下と設定した、低電圧駆動用の液晶表示装置が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶の誘電率異方性や弾性定数などのパラメータを過度に変更すると、以下のような問題が生じる。
【００１０】
すなわち、液晶の誘電率異方性Δεを過度に大きくすると、液晶分子構造に起因する粘度増大により、応答速度が低下したり、比抵抗低下に伴って保持特性が低下する問題が発生する。また、液晶の弾性定数を過度に変更すると、応答速度が低下する問題が発生する。
【００１１】
これにより、液晶表示装置に表示される画像の画質の劣化が生じたり、生産上の歩留まりの低下を招くといった問題が発生する。
【００１２】
この発明の目的は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、表示画像の画質の劣化及び生産歩留まりの低下を招くことなく、駆動電圧を低減し、消費電力を低下することが可能な液晶表示装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明の一態様によれば、
一対の電極を有する２枚の基板と、前記両基板間に挟持されたネマティック型液晶を含む液晶層と、前記各基板の前記液晶層を挟持する面に配置され、前記液晶を所定の方向に配向する配向膜と、前記各基板の前記配向膜が設けられた面の反対側の面にそれぞれ配置された偏光板と、を有し、前記配向膜によって配向された液晶のツイスト角φが９５度であり、且つ、前記液晶の誘電率異方性Δεが４．５であるツイステッドネマティック型液晶表示装置において、前記２枚の偏光板の透過軸は、前記両基板の前記配向膜の配向方向がなす狭角度内に位置することを特徴とする液晶表示装置が提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の液晶表示装置の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、この発明の液晶表示装置の構造を概略的に示す断面図である。
【００１６】
図１に示すように、液晶表示装置１は、光源部１０と、光変調機能を有する液晶層を有する液晶セル２０と、液晶セル２０からの光が入射する液晶セル２０の入射面側に偏光子として配置された第１偏光板３０と、液晶セル２０の出射面側に検光子として配置された第２偏光板４０と、を備えている。
【００１７】
光源部１０は、アクリル樹脂から成る拡散部としての薄板状の導光板１１と、この導光板１１の短手端面に配置された光源としての冷陰極管１２と、冷陰極管１２の周囲を包囲して冷陰極管１２からの光を導光板１１の端面に向けて反射させる反射板１３と、導光板１１の裏面側に配置され、導光板１１内を伝播する光を選択的に主表面から出射させるよう乳白色のドットパターンなどが印刷形成された反射シート１４とを備えて構成される。
【００１８】
液晶セル２０は、アレイ基板２８と、アレイ基板２８に対向配置された対向基板２９と、アレイ基板２８と対向基板２９との間に配置された液晶層６０とを有している。
【００１９】
アレイ基板２８は、ガラスからなる０．７ｍｍ厚の透明絶縁基板２１上に、図示しないがマトリクス状に配置される１０２４×３本の信号線及び７６８本の走査線と、信号線と走査線との交点近傍に配置されるスイッチ素子としてのＴＦＴ２２と、ＴＦＴ２２に接続されるＩＴＯから構成される画素電極２３と、液晶層６０に含まれる液晶分子を所定の方向に配向する第１配向膜２４とを備えて構成される。
【００２０】
対向基板２９は、ガラスからなる０．７ｍｍ厚の透明絶縁性基板２５上に、画素電極２３に対向したＩＴＯから構成される対向電極２６と、液晶層６０に含まれる液晶分子を所定の方向に配向する第２配向膜２７とを備えて構成される。
【００２１】
アレイ基板２８と対向基板２９との間に挟持される液晶層６０は、例えばツイステッドネマティック型液晶すなわちＴＮ液晶を有する液晶組成物である。
【００２２】
第１偏光板３０は、その透過軸が所定の方向に向くように配置されている。また、第２偏光板４０は、その透過軸が第１偏光板３０の透過軸に対して略直交するように配置されている。
【００２３】
このように、ＴＮ液晶と、互いに透過軸を直交するように配置した２枚の偏光板とを組み合わせることにより、電圧無印加時に白を表示するいわゆるノーマリーホワイト型の液晶表示装置を構成する。
【００２４】
次に、表示画像の画質の劣化及び生産歩留まりの低下を招くことなく、駆動電圧を低減し、消費電力を低下するために、液晶表示装置の種々のパラメータの最適値を検討する。
【００２５】
ここで検討するパラメータは、ＴＮ液晶の屈折率異方性Δｎ、ＴＮ液晶のツイスト角φ、及び第１偏光板３０及び第２偏光板４０の透過軸のなす狭角度ωである。
【００２６】
ツイスト角φは、以下のように定義する。図２に示すように、ツイスト角φは、アレイ基板２８側の第１配向膜２４の配向方向と、対向基板２９側の第２配向膜２７の配向方向とのなす角度であって、且つ対向基板２９からアレイ基板へと見たときの反時計回り方向すなわち左回り方向の角度として定義する。すなわち、液晶セル２０の長辺に平行な軸を水平軸Ｈとし、第１配向膜２４の配向方向と水平軸Ｈとのなす角度をθ（ＤＥＧ．）、第２配向膜２７の配向方向と水平軸Ｈとのなす角度をψ（ＤＥＧ．）とすると、ツイスト角φ（ＤＥＧ．）は、（１８０−θ−ψ）で定義される。
【００２７】
偏光板の透過軸がなす狭角度ωは、以下のように定義する。図３に示すように、狭角度ωは、液晶表示装置１のアレイ基板２８側に設けられた第１偏光板３０の透過軸と、液晶表示装置１の対向基板２９側に設けられた第２偏光板４０の透過軸とのなす角度で定義する。すなわち、第１偏光板３０の透過軸方向と水平軸Ｈとのなす角度をα（ＤＥＧ．）、第２偏光板４０の透過軸方向と水平軸Ｈとのなす角度をβ（ＤＥＧ．）とすると、狭角度ω（ＤＥＧ．）は、（α−β）で示される角度のうちの狭角で定義される。
【００２８】
このような定義に基づいて、ＴＮ液晶の屈折率異方性Δｎ、ＴＮ液晶のツイスト角φ、及び第１偏光板３０及び第２偏光板４０の透過軸のなす狭角度ωのパラメータの異なる条件で液晶表示装置を構成した際の、それぞれの光学特性を評価した。
【００２９】
図４は、これら条件の異なる液晶表示装置のパラメータを示す図であり、図５は、各条件における評価結果を示す図である。
【００３０】
図４に示したように、条件１、３、５、及び７は、同一の屈折率異方性Δｎ（＝０．０９７）を有する第１のＴＮ液晶で構成され、条件２、４、６、及び８は、同一の屈折率異方性Δｎ（＝０．１０３）を有する第２のＴＮ液晶で構成されている。第１及び第２のＴＮ液晶は、それぞれ屈折率異方性Δｎが異なるのみで、他の条件、すなわち、プレチルト角（＝６．５度）、カイラルピッチ（＝１００μｍ（左回り））、誘電率異方性Δε（＝＋４．５）、弾性定数Ｋ１１（＝１０．５ｐＮ）、Ｋ２２（＝１１．３ｐＮ）、及びＫ３３（＝２６．７ｐＮ）は、同一である。
【００３１】
条件１乃至８は、液晶層６０の厚みｄが均一の４．９μｍであり、条件１、３、５、及び７のリタデーション値Δｎ・ｄは、４７５ｎｍ、条件２、４、６、及び８のリタデーション値Δｎ・ｄは、５０７ｎｍである。
【００３２】
条件１及び２では、図４および図６の（ａ）に示すように、θが４５度、ψが４５度であり、アレイ基板２８側の第１配向膜２４の配向方向１０１と対向基板２９側の第２配向膜２７の配向方向１０２とのなす角度で規定される液晶のツイスト角φは、９０度である。また、αが１３６度、βが４５度であり、第１偏光板３０及び第２偏光板４０の各透過軸２００のなす狭角度ωは、８９度である。第１配向膜２４と第２配向膜２７との間に挟持されるＴＮ液晶は、配向方向１０１から配向方向１０２に向かって矢印３００に示すような向きに約９０度ねじれる。
【００３３】
条件３及び４では、図４および図６の（ｂ）に示すように、θが４２．５度、ψが４２．５度であり、アレイ基板２８側の第１配向膜２４の配向方向１０１と対向基板２９側の第２配向膜２７の配向方向１０２とのなす角度で規定される液晶のツイスト角φは、９５度である。また、αが１３６度、βが４５度であり、第１偏光板３０及び第２偏光板４０の各透過軸２００のなす狭角度ωは、８９度である。第１配向膜２４と第２配向膜２７との間に挟持されるＴＮ液晶は、配向方向１０１から配向方向１０２に向かって矢印３００に示すような向きに約９５度ねじれる。
【００３４】
条件５及び６では、図４および図６の（ｃ）に示すように、θが４２．５度、ψが４２．５度であり、アレイ基板２８側の第１配向膜２４の配向方向１０１と対向基板２９側の第２配向膜２７の配向方向１０２とのなす角度で規定される液晶のツイスト角φは、９５度である。また、αが１３４度、βが４６度であり、第１偏光板３０及び第２偏光板４０の各透過軸２００のなす狭角度ωは、８８度である。第１配向膜２４と第２配向膜２７との間に挟持されるＴＮ液晶は、配向方向１０１から配向方向１０２に向かって矢印３００に示すような向きに約９５度ねじれる。
【００３５】
条件７及び８では、図４および図６の（ｄ）に示すように、θが４０度、ψが４０度であり、アレイ基板２８側の第１配向膜２４の配向方向１０１と対向基板２９側の第２配向膜２７の配向方向１０２とのなす角度で規定される液晶のツイスト角φは、１００度である。また、αが１３５度、βが４５度であり、第１偏光板３０及び第２偏光板４０の各透過軸２００のなす狭角度ωは、９０度である。第１配向膜２４と第２配向膜２７との間に挟持されるＴＮ液晶は、配向方向１０１から配向方向１０２に向かって矢印３００に示すような向きに約１００度ねじれる。
【００３６】
図６の（ａ）ないし（ｄ）に示すように、条件１乃至８では、第１偏光板３０及び第２偏光板４０の透過軸は、第１配向膜２４及び第２配向膜２７の配向方向１０１及び１０２がなす狭角度内に位置している。
【００３７】
特に、図６の（ｃ）及び（ｄ）に示した例では、第１偏光板３０の透過軸と第１配向膜２４の配向方向とのなす角度は、第２偏光板４０の透過軸と第２配向膜２７の配向方向とのなす角度に略等しくなるように、第１偏光板３０及び第２偏光板４０が配置されている。
【００３８】
図７は、リタデーション値Δｎ・ｄ＝４７５ｎｍのときの、液晶に印加する印加電圧に対する液晶表示装置正面での相対的な透過率のシミュレーション結果を示す図である。
【００３９】
図８は、リタデーション値Δｎ・ｄ＝５０７ｎｍのときの、液晶に印加する印加電圧に対する液晶表示装置正面での相対的な透過率のシミュレーション結果を示す図である。
【００４０】
図７及び図８には、それぞれ、ツイスト角φが９０度、９５度、及び１００度の場合について、それぞれシミュレーション結果が示されている。
【００４１】
図７中の実線Ａは、条件１に対応し、実線Ｃは、条件３に対応し、実線Ｅは、条件７に対応する。図８中の実線Ｂは、条件２に対応し、実線Ｄは、条件４に対応し、実線Ｆは、条件８に対応する。
【００４２】
図７及び図８に示したシミュレーション結果より、図５に示したような評価結果が得られる。
【００４３】
すなわち、図５に示した透過率の相対値は、電圧無印加時の透過率であり、図７及び図８において、印加電圧が０Ｖのときの相対透過率に対応する。図９は、ツイスト角φに対する相対透過率の関係を示す図である。図９に示すように、リタデーション値Δｎ・ｄが５０７ｎｍの場合、ツイスト角φが９０度から増大しても、相対透過率の減少は少なく、ツイスト角φが９０度乃至１００度の間で略１００％の相対透過率が得られた。一方、リタデーション値Δｎ・ｄが４７５ｎｍの場合、ツイスト角φが９０度から増大すると、相対透過率は次第に減少する。ツイスト角φが１００度のとき、相対透過率は約９８％まで減少する。
【００４４】
図５に示したしきい値電圧は、図７及び図８において、相対透過率が０．９（＝９０％）のときの印加電圧に対応する。図１０は、ツイスト角φに対するしきい値電圧Ｖｔｈの関係を示す図である。図１０に示すように、リタデーション値Δｎ・ｄが５０７ｎｍの場合、ともに、ツイスト角φが９０度から増大するにしたがって、しきい値電圧Ｖｔｈが次第に低下することが分かる。この傾向は、リタデーション値Δｎ・ｄが４７５ｎｍの場合も同様である。
【００４５】
図５に示した黒レベル電圧は、図７及び図８において、相対透過率が０．００５（＝０．５％）のときの印加電圧、すなわち飽和電圧に対応する。図１１は、ツイスト角φに対する飽和電圧の関係を示す図である。図１１に示すように、リタデーション値Δｎ・ｄが５０７ｎｍの場合、ともに、ツイスト角φが９０度から増大するにしたがって、飽和電圧が次第に低下することが分かる。この傾向は、リタデーション値Δｎ・ｄが４７５ｎｍの場合も同様である。
【００４６】
図５に示した黒のはね上がりは、図７及び図８において、黒レベル電圧より高い電圧を印加した際に、相対透過率が増大する傾向に対応する。図７及び図８に示すように、ツイスト角φが９０度の場合、はね上がりはほとんど見られなかったが、ツイスト角φが９５度の場合、わずかなはね上がりが見られ、さらに、ツイスト角φが１００度の場合、大きなはね上がりが見られた。
【００４７】
図５に示したコントラスト比１は、図７及び図８に示したような印加電圧−相対透過率を示すＶ−Ｔ特性上のしきい値電圧での透過率Ｔ０と飽和電圧付近で示すはね上がりの微少透過率ピークＴ１とのコントラスト比に対応する。
【００４８】
図５に示したコントラスト比２は、図７及び図８に示したようなＶ−Ｔ特性上のしきい値電圧での透過率Ｔ０と飽和電圧付近で示す第１の最小透過率Ｔｍｉｎとのコントラスト比に対応する。
【００４９】
図１２は、ツイスト角φに対する視角（ＤＥＧ．）方向毎のコントラストＣＲ＝１０となるときの角度を示す図である。
【００５０】
図１３は、液晶に印加する印加電圧に対する液晶表示装置正面での相対的な透過率のシミュレーション結果を示す図である。図１３には、ツイスト角φと偏光板軸角度との組み合わせ（φ−ω）が、（９０度−９０度）、（９５度−８８．５度）、及び（９５−９０）の場合について、それぞれシミュレーション結果が示されている。図１３に示すように、従来、（９０度−９０度）に対して、条件１（９５度−９０度）、条件５（９５度−８８．５度）の各々のＶ−Ｔ特性は、図中の左側にシフトしており、低電圧で透過率を高くすることすなわち黒を表示することが可能となる。
【００５１】
図１４は、液晶に印加する印加電圧に対する表示画像のコントラスト比のシミュレーション結果を示す図であり、図１３のＶ−Ｔ特性を印加電圧−コントラスト比すなわちＶ−ＣＲ特性に変更したものである。図１４には、ツイスト角φと偏光板軸角度との組み合わせ（φ−ω）が、（９０度−９０度）、（９５度−８８．５度）、及び（９５度−９０度）の場合について、それぞれシミュレーション結果が示されている。図１４に示すように、従来、（９０度−９０度）と比べて、条件１（９５度−９０度）、条件５（９５度−８８．５度）では、高コントラストを実現できる。
【００５２】
なお、図１３及び図１４に示したシミュレーション結果は、使用する液晶の異方性屈折率Δｎ＝０．０９７、液晶層の厚さｄ＝４．９μｍであり、リタデーション値Δｎ・ｄ＝４７５ｎｍである。
【００５３】
上述したような各シミュレーション結果をまとめると、図５に示したような結果となる。
【００５４】
図５に示すように、ツイスト角φが増大するほど、黒レベル電圧すなわち飽和電圧が小さくなり、低駆動電圧で駆動することが可能となるが、ツイスト角φが１００度まで増大すると、相対透過率が低下し、コントラスト比の低下を招くことがある。また、ツイスト角φが９０度の場合、黒レベル電圧が大きく、低駆動電圧で駆動することが困難となるおそれがある。
【００５５】
したがって、ツイスト角φを９５±２度とし、ＴＮ液晶の誘電率異方性Δεを４以上１０以下とし、リタデーション値Δｎ・ｄを５０７±３０μｍとし、偏光板の透過軸の狭角を８６度以上９０度以下、好ましくは８８度±１度とすることにより、低電圧駆動が可能となるとともに、表示画像の画質の劣化及び生産歩留まりの低下を抑制することが可能な液晶表示装置を提供することが可能となる。
【００５６】
なお、上述した実施の形態では、２枚の偏光板をその透過軸が互いに直交するように配置して電圧無印加時に白を表示するいわゆるノーマリーホワイト型の液晶表示装置の場合を例に説明したが、この発明は、この例に限定されるものではなく、２枚の偏光板をその透過軸が互いに平行となるように配置して電圧無印加時に黒を表示するいわゆるノーマリーブラック型の液晶表示装置にも適用可能である。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、表示画像の画質の劣化及び生産歩留まりの低下を招くことなく、駆動電圧を低減し、消費電力を低下することが可能な液晶表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の液晶表示装置の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した液晶表示装置に適用される液晶のツイスト角φを説明するための図である。
【図３】図３は、図１に示した液晶表示装置に適用される偏光板の透過軸のなす狭角度ωを説明するための図である。
【図４】図４は、異なる条件で液晶表示装置を構成した際のセルパラメータを示す図である。
【図５】図５は、図４に示した各条件でのシミュレーション結果をまとめた一覧を示す図である。
【図６】図６の（ａ）は、図４に示した条件１及び２のときのツイスト角φ及び偏光板軸角度ωの関係を示す図であり、図６の（ｂ）は、図４に示した条件３及び４のときのツイスト角φ及び偏光板軸角度ωの関係を示す図であり、図６の（ｃ）は、図４に示した条件５及び６のときのツイスト角φ及び偏光板軸角度ωの関係を示す図であり、図６の（ｄ）は、図４に示した条件７及び８のときのツイスト角φ及び偏光板軸角度ωの関係を示す図である。
【図７】図７は、リタデーション値Δｎ・ｄが４７５ｎｍのときの、液晶印加電圧に対する相対透過率の関係を示すシミュレーション結果である。
【図８】図８は、リタデーション値Δｎ・ｄが５０７ｎｍのときの、液晶印加電圧に対する相対透過率の関係を示すシミュレーション結果である。
【図９】図９は、ＴＮ液晶のツイスト角φに対する電圧無印加時の相対透過率の関係を示す図である。
【図１０】図１０は、ＴＮ液晶のツイスト角φに対するしきい値電圧の関係を示す図である。
【図１１】図１１は、ＴＮ液晶のツイスト角φに対する飽和電圧の関係を示す図である。
【図１２】図１２は、ＴＮ液晶のツイスト角φに対する視角の関係を示す図である。
【図１３】図１３は、ツイスト角φと偏光板軸角度ωとの組み合わせによる、ＴＮ液晶の印加電圧に対する相対透過率の関係を示すシミュレーション結果である。
【図１４】図１４は、ツイスト角φと偏光板軸角度ωとの組み合わせによる、ＴＮ液晶の印加電圧に対するコントラスト比の関係を示すシミュレーション結果である。
【符号の説明】
１…液晶表示装置
１０…光源部
２０…液晶セル
２４…第１配向膜
２７…第２配向膜
３０…第１偏光板
４０…第２偏光板

Claims

一対の電極を有する２枚の基板と、
前記両基板間に挟持されたネマティック型液晶を含む液晶層と、
前記各基板の前記液晶層を挟持する面に配置され、前記液晶を所定の方向に配向する配向膜と、
前記各基板の前記配向膜が設けられた面の反対側の面にそれぞれ配置された偏光板と、を有し、前記配向膜によって配向された液晶のツイスト角φが９５度であり、且つ、前記液晶の誘電率異方性Δεが４．５であるツイステッドネマティック型液晶表示装置において、
前記２枚の偏光板の透過軸は、前記両基板の前記配向膜の配向方向がなす狭角度内に位置することを特徴とする液晶表示装置。
前記２枚の偏光板の透過軸がなす狭角度は、８８度または８９度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。