JP4404983B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【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 (2)
- 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。
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