CN102472926A

CN102472926A - 液晶显示元件

Info

Publication number: CN102472926A
Application number: CN2010800347981A
Authority: CN
Inventors: 松本俊宽; 村田充弘; 小出贵子
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2012-05-23
Also published as: EP2495610A4; JPWO2011052257A1; RU2012122206A; US20120176575A1; BR112012010185A2; WO2011052257A1; EP2495610A1

Abstract

本发明提供能够充分地提高可靠性和光学特性，并且能够进行低电压驱动的液晶显示元件。本发明的液晶显示元件，其包括一对基板和被密封在上述一对基板间的液晶层，上述液晶层含有具有正的介电常数各向异性的液晶分子，上述一对基板的至少一个具有一对梳型电极，上述一对基板的至少一个在与液晶层接触的一侧的面的显示区域中具有垂直取向膜。上述垂直取向膜是包含无机材料的无机取向膜。

Description

液晶显示元件

技术领域

本发明涉及液晶显示元件。更加详细地说，涉及适合于通过施加电压使液晶层内的液晶分子在横方向呈弯曲状取向来控制透过液晶层的光的显示方式的液晶显示元件。

背景技术

液晶显示元件(以下，简记为LCD)是以薄型、轻量、低功耗为特征的显示设备，逐渐被应用于便携式电话、PDA(掌上电脑)、车载导航、个人电脑显示器、电视，和车站内的指示牌、室外公告牌等的信息显示器等许多用途。

目前的LCD，通过施加电场来控制液晶分子的排列，改变透过液晶层的光的偏振状态，调节通过偏光板的光的量来进行表示。LCD的显示性能，受施加电压时的液晶分子的排列状态、施加电场的大小和方向的影响。LCD的显示模式，根据未施加电压时的液晶分子的排列状态和施加电场的方向而存在各种模式，例如作为无电压施加时的液晶取向与基板平行的纵电场方式的液晶显示元件，有TN(TwistedNematic：扭曲向列)模式、OCB(Optically Compensated Bend：光学补偿弯曲)模式等，分别能够满足高透过率、高速响应性等特性。此外，作为无电压施加时的液晶取向与基板垂直的纵电场方式的液晶显示元件，有MVA(Multi-Domain Vertical Alignment：多畴垂直配向)模式，作为无电压施加时的液晶取向与基板垂直的横电场方式的液晶显示元件，有TBA(Transverse Bend Alignment：横向弯曲取向)模式，能满足高对比度的特性。进一步，作为无电压施加时的液晶取向与基板平行的横电场方式的液晶显示元件，有IPS(In-plane Switching，平面切换)模式，广视野角的特性非常出色。然而，无法满足广视野角、高对比度和高速响应的全部特性，为了满足这些特性正进行各种研究。

例如，公开有一种液晶装置(例如，参照专利文献1)，其是在一对基板间夹持具有负的介电常数各向异性的液晶而成的液晶装置，在该一对基板的至少一个基板，包括像素电极和形成在该像素电极上并对上述液晶进行取向限制的无机取向膜，上述无机取向膜包括通过从相互相反的方位在上述基板上进行斜向蒸镀而形成的第一斜向蒸镀膜和第二斜向蒸镀膜。此外，公开有一种液晶装置(例如，参照专利文献2)，其设置在一对基板中的至少一个基板的取向膜，包含具有多孔质构造的无机膜，并且具有形成在该无机膜的液晶层侧的表面的多个凸部，在俯视时上述凸部为具有长轴和短轴的形状。而且，还公开有一种有源矩阵型液晶显示装置(例如，专利文献3参照)，其表示取向膜与液晶层的界面的液晶分子与上述取向膜表面的扭转结合(twistcoupling)的强度的外推长度，为一对基板间的间隙的10％以上。并且，还公开有TBA模式的液晶显示装置等(例如，参照专利文献4～10)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-225032号公报

专利文献2：日本特开2008-191264号公报

专利文献3：日本特开2005-189889号公报

专利文献4：日本特开昭57-618号公报

专利文献5：日本特开平10-186351号公报

专利文献6：日本特开平10-333171号公报

专利文献7：日本特开平11-24068号公报

专利文献8：日本特开2000-275682号公报

专利文献9：日本特开2002-55357号公报

专利文献10：日本特开2001-159759号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在上述液晶装置等中，丝毫没有涉及到规定取向膜的介电常数。而且，对液晶装置等的低电压化效果、高速响应效果，也没有丝毫公开。

进一步，对上述将具有负的介电常数各向异性的液晶和无机取向膜组合的液晶装置，期望使吞吐量(生产率)更加充分，使液晶分子的倾斜取向的控制更加容易。

本发明是鉴于以上现状而完成的，其目的在于提供能够充分地提高可靠性和光学特性，并且能够进行低电压驱动的液晶显示元件。

用于解决课题的手段

以下，以TBA模式为例，对完成本发明的经过进行说明，但本发明不限定于TBA模式。

本发明者们，对在能够得到高对比度的液晶显示元件中使驱动电压降低进行各种研究后，着眼于作为初始取向是垂直取向且当施加电场时液晶分子向非电极部的中央倾倒的显示方式的TBA模式的液晶分子的施加电压时的动向。

在TBA模式的液晶显示元件中，在以MVA模式和TN模式所采用的程度的电压来驱动液晶的情况下，如果不使用液晶的介电常数各向异性Δε(以下，仅称为Δε)为20程度(在MVA模式的情况下-3程度，在TN模式的情况下5程度)的材料则不能够驱动。一般来说越增大Δε，越有可能使作为材料的可靠性降低，光学特性降低。

图7表示TBA模式的在使用一般的有机取向膜(介电常数ε为3，膜厚为

)的情况下施加2V、3V、4V时各液晶的介电常数各向异性Δε与透过率的关系的数据。

为了使用具有尽可能小的Δε的液晶而得到希望的透过率，必须施加高的电压。该倾向，在液晶的Δε在某种程度上大的范围内(在作为立起电压的2V附近，Δε为10以上的程度)变得显著。

像这样驱动电压变高的理由，如下所述。因为在TBA模式中由非电极部的液晶决定透过率，所以将非电极部设置得尽可能大。因此，电极部间变宽。例如，通常如果是MVA模式或TN模式，则电极间距离(即单元厚)为3～4μm，但在TBA模式中例如为8μm左右，因此阈值电压变高。此外，在TBA模式中为了驱动在单侧基板上形成的一对梳型电极间的液晶分子，随着靠近与上述梳型基板相对的一侧的基板，电场变弱，伴随于此，液晶分子变得难以活动(存在死区)。由此，阈值电压变高。

于是，本发明者们进行锐意研讨后发现：提高取向膜的介电常数并充分地增大向液晶施加的电场，以及减小在基板与液晶层的界面的极角方向的束缚力(锚定能量，Anchoring Energy)，对充分地减小液晶的Δε而提高可靠性和光学特性，并使驱动电压降低来说是有效的。

进一步，本发明者们对在TBA模式等中充分地提高可靠性和光学特性，并且使驱动电压降低的具体方法进行各种研讨后，想到：通过将基板所具有的垂直配向膜设为包含无机材料的无机取向膜，使施加在液晶的电场变得充分大，能够充分地减小液晶的Δε，并且有效地降低在基板与液晶层的界面的极角方向的锚定能量，能够完美地解决上述课题的方法，而完成本发明。

即，本发明是一种液晶显示元件，其特征在于：包括一对基板和被密封在该一对基板间的液晶层，上述液晶层含有具有正的介电常数各向异性的液晶分子，上述一对基板的至少一个具有一对梳型电极，上述一对基板的至少一个在与液晶层接触的一侧的面的显示区域中具有垂直配向膜，上述垂直配向膜是包含无机材料的无机取向膜。

以下，对本发明的液晶显示元件进行详述。

本发明的液晶显示元件是包括一对基板和被密封在上述一对基板间的液晶层的液晶显示元件。在上述液晶层中，填充有因一定的电压的施加而使取向性被控制的液晶分子。通过在上述一对基板的一个或两个设置配线、电极、半导体元件等，能够向液晶层内施加电压，从而控制液晶分子的取向性。

在本发明的液晶显示元件中，上述液晶分子使用具有正的介电常数各向异性的液晶分子(向列型液晶分子)。由此，通过向液晶层施加电压，能够使液晶分子沿着电场的方向取向，液晶分子组例如描画为拱状，因此能够具有自我补偿效果而得到广视角。

优选上述液晶分子的介电常数各向异性Δε为10以上。由此，能够进一步显著地发挥本发明的效果。更加优选为15以上。优选作为上限值为25以下。

在本发明的液晶显示元件中，上述一对基板的至少一个具有一对梳型电极。上述梳型电极，只要具有作为梳柄的部分和自柄平面地突出的梳齿，对其他的整体结构就不作限定。上述一对梳型电极，通过例如将一个梳型电极作为被以像素为单位设置且被施加信号电压的像素电极，将另一个梳型电极作为被施加维持在一定电压的共用电压的共用电极，能够根据向像素电极供给的图像信号，按每个像素形成电场(例如横电场)。

另外，优选上述一对梳型电极的电极间距离，例如为7～9μm。

上述一对基板的至少一个在与液晶层接触的一侧的面具有垂直配向膜，该垂直配向膜是包含无机材料的无机取向膜。优选上述无机取向膜，在无电压施加时使上述液晶分子与上述一对基板的至少一个的基板面实质上垂直取向。换而言之，优选上述无机取向膜为，将在无电压施加时与表面接近的液晶分子的倾斜规定为，当设与基板面平行的方向为0°时在极角方向呈大约90°(90°±0～4°)的无机取向膜。该取向，可以是因无机取向膜的材料而引起的，也可以是因无机取向膜的构造而引起的。

此外，优选上述无机取向膜，从基板面法线方向上看时设置在显示区域整个面。

作为本发明的液晶显示元件的结构，只要是将这样的构成要素作为必须而形成的结构，就不特别被其他的构成要素限定。

以下，对本发明的液晶显示元件的优选方式进行详细地说明。

作为本发明的液晶显示元件的优选方式之一，能够列举上述无机材料的介电常数为4以上6以下的方式。由此，能够充分地增大向液晶施加的电场。由此，能够采用介电常数各向异性Δε小的液晶以充分地提高作为材料的可靠性和光学特性，即使阈值电压为低电压也能达到希望的透过率(参照图7和将图7部分地扩大的图8)。此外，硅类的无机材料的介电常数通常为6以下，像这样无机材料含有硅的方式也是本发明的优选方式之一。另外，在图7和图8中，以“透过率”来表示透过率100％设为1时的透过率比。

优选上述无机取向膜包含具有SiO键的材料。通过使用具有SiO键的材料，能够降低对液晶分子的锚定能量。

作为本发明的液晶显示元件的优选方式之一，能够列举上述无机取向膜只设置于具有上述一对梳型电极的基板的方式。由此，液晶分子的响应性变得特别地出色。

作为本发明的液晶显示元件的优选方式之一，能够列举上述无机取向膜通过印刷法、旋涂法或喷墨法而形成的方式。在本发明的液晶显示元件中，由此能够容易地制造液晶显示元件，并能够充分地提高吞吐量。通过上述印刷法、旋涂法或喷墨法，能够得到在无电压附加时使液晶分子垂直取向的无机取向膜。

上述各方式，在不超越出本发明的主旨的范围内可以适当地组合。

发明效果

根据本发明，在将初始取向设为垂直取向时的液晶显示元件中，能够采用介电常数各向异性Δε小的液晶以充分地提高作为材料的可靠性和光学特性，此外能够进行低电压驱动。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的液晶显示元件的立体示意图。

图2是本发明的实施方式1的液晶显示元件的截面示意图。

图3是表示当将液晶的介电常数各向异性Δε设为10时的、实施例1、2和比较例1的TBA模式的单元的电压-透过率特性的图表。

图4是表示当将液晶的介电常数各向异性Δε设为15时的、实施例1、2和比较例1的TBA模式的单元的电压-透过率特性的图表。

图5是表示当将液晶的介电常数各向异性Δε设为20时的、实施例1、2和比较例1的TBA模式的单元的电压-透过率特性的图表。

图6是表示当将液晶的介电常数各向异性Δε设为25时的、实施例1、2和比较例1的TBA模式的单元的电压-透过率特性的图表。

图7是表示在TBA模式的单元中使用的各液晶的介电常数各向异性-透过率特性的图表。

图8是将图7的图表部分地扩大后的图表。

图9是表示实施方式2的液晶显示元件的结构的截面示意图。

具体实施方式

以下举出实施方式，对本发明进行更加详细地说明，但本发明不仅限定于这些实施方式。

(实施方式1)

图1是本发明的实施方式1的液晶显示元件的立体示意图。

图2是本发明的实施方式1的液晶显示元件的断面示意图。

如图1、图2所示，本发明的实施方式1的液晶显示元件包括阵列基板101、与玻璃基板102相对的对置基板111和被阵列基板101和对置基板111夹持的液晶层121。阵列基板101具有产生横电场的一对梳型电极103，以层叠有包括垂直取向基的取向膜B的玻璃基板102为主体。对置基板111以层叠有彩色滤光片(CF)113和包括垂直取向基的取向膜A的玻璃基板112为主体。

一对梳型电极103各自是像素电极和共用电极，作为基本结构含有梳齿。像素电极的梳齿与共用电极的梳齿相互平行且空开间隔地相互交替地啮合。像素电极是按构成显示区域的每个像素单位配置的电极，被供给图像信号。另一方面，共用电极是与像素的边界无关地整体导通的电极，被供给共用信号。

当在一对梳型电极103施加规定电压时，在液晶层内产生拱状的电场。并且，正型向列型液晶分子(具有正的介电常数各向异性的向列型液晶)122沿着施加电场在横向弯曲状取向。此外，在电极形成部和电极间中央部，维持垂直取向，位于非电极部的液晶分子有助于透过。

本发明的实施方式1的液晶显示元件是TBA模式的液晶显示元件，其对包括在无电压施加状态下与基板面垂直地取向的正型向列型液晶(具有正的介电常数各向异性的向列型液晶)的液晶层121，施加横向(基板面方向)的电场，使液晶层内的液晶分子转移为横向的弯曲状取向。

另外，在各透明基板102、112的与液晶层121相反的一侧的面上，各自配置有偏光板107、108。此外，本实施方式的液晶显示元件在阵列基板101与对置基板111之间具有规定液晶层厚度(单元间隙)的树脂串珠状间隔物和用于密封液晶层121的密封部件。

(实施例1、2和比较例1)

如下列表1所示，一般来说有机物的介电常数大约为3以下，无机物的介电常数大约为4以上。另外，ε_γ表示相对介电常数。

[表1]

	介电常数(ε_γ)
		玻璃	5.4～9.9
环氧玻璃基板	4～4.8
		石英	3.8
橡胶	2～3.5

在图3～6中分别表示在液晶的介电常数各向异性Δε为10、15、20、25的情况下，当取向膜A和取向膜B的介电常数ε为相当于有机物的3，相当于无机物的4、6时(各自比较例1、实施例1、2)的TBA模式的电压与透过率的关系(取向膜膜厚

)。

另外，图3～6所示的Δε表示液晶的介电常数各向异性。此外，ε表示垂直配向膜的介电常数。

由图3～6可知：介电常数ε高的取向膜在低电压下成为高透过率。

总而言之，可以如以下所述。

(1)如果是相同的Δε的液晶，则取向膜的ε大的能够实现在低电压下的立起或高透过率。因此，可以在低电压下驱动液晶显示元件。(2)在想要实现作为某个电压值的透过率的情况下，取向膜的ε大的能够以低的Δε值实现。因此，能够采用Δε更低的液晶，其结果能够使液晶显示元件的可靠性提高，并使光学特性提高。

另外，与实施例1、2和比较例1同样地，在下列表2、表3表示一般的MVA(垂直取向)模式的物性值(液晶的Δε＝-3，膜厚为

时的取向膜的ε分为3、4、6的3种类)的结果，和在一般的TBA模式下的物性值(液晶的Δε＝20，膜厚为

时的取向膜的ε分为3、4、6的3种类)的结果。

[表2]

施加2.1V时(立起电压值)透过率比

[表3]

施加4V时(中间电压值)透过率比

由表2和表3的结果可知：像这样越增大取向膜的ε，透过率变得越高，该效果在液晶的Δε大的TBA模式中更加出色，本发明在TBA模式能够发挥显著的效果。

(实施例3～5和比较例2)

实施例3～5的无机取向膜14是具有SiO键(SiOx(x＝1～3))和垂直取向基Y的取向膜。例如，优选使用包括下记化学式(1)所示的化学构造的无机取向膜。下记化学式(1)的作为主链的有机硅氧烷骨骼的侧链末端具有垂直取向基-Y。另外，下列化学式(1)表示使烷氧硅烷单体缩聚而得到的物质。

[化学式1]

(式中，l和m表示括号内的重复构造的数量，是正的整数。)

Y能够适当地列举例如长链烷基、长链含氟烷基，硅氧烷链等。其中，特别优选下列化学式(2)～(8)中任一个所表示的物质。

[化学式2]

(式中，X表示卤素原子。优选氟原子。)

另外，作为液晶取向材料，能够使用例如日本特开平9-230354号公报中所记载的液晶取向处理剂、国际公开第2003/042752号公报中所记载的液晶取向处理剂、国际公开第2005/052028号公报中所记载的垂直取向用液晶取向处理剂、国际公开第2006/070819号公报中所记载的垂直取向用液晶取向剂、日本特开2006-30961号公报所记载的垂直液晶取向剂等。

以下，对实际地制作实施例3的液晶显示元件并与现有技术中的液晶显示元件对比地进行评价后的结果进行说明。具体如以下所述地制作了实施例3的液晶显示元件。

首先，准备在表面上具备ITO(Indium Tin Oxide：铟锡氧化物)制等的透明电极的一对梳型电极的阵列基板侧的玻璃基板，在该玻璃基板上和一对梳型电极上，以烧制后成为

的条件通过旋涂法涂敷具有上记化学式(1)所示的化学构造的垂直配向膜用无机溶液，此后使该溶液涂敷后的基板在200℃下烧制约1小时，形成无机取向膜。另外，一对梳型电极具有的梳齿的宽度为4.0μm，梳齿彼此的间隔为8.0μm(线/空间＝4.0μm/8.0μm)。

然后，通过同样的工序，在对置基板侧的玻璃基板上也形成无机取向膜。此后，在阵列基板上通过分散等配置希望的单元厚为(d)的直径的树脂串珠状间隔物，另一方面在对置基板上印刷环氧类密封树脂，并将它们贴合，通过在180℃下经过2小时使上述密封树脂硬化而制作成液晶单元。

此后，通过真空注入法将正型向列型液晶(具有正的介电常数各向异性的向列型液晶)封入液晶单元内，接着在各玻璃基板的与液晶层相反的一侧的面上贴合偏光板，而制作成液晶显示元件(实施例3)。封入到上述一对基板间。正型向列型液晶(具有正的介电常数各向异性的向列型液晶)的Δn，当施加电压时的dΔn大概为λ/2的值，Δε为22。

而且，最后，使用大塚电子株式会社制的液晶评价装置LCD-5200来测量实施例3的液晶显示元件的电压-透过率特性。

此外，作为垂直配向膜的材料代替上述垂直配向膜用无机溶液，使用不具有SiO键的有机取向膜SE-1211(日产化学工业(株)制)来形成垂直配向膜A(实施例4)，形成垂直配向膜B(实施例5)，形成垂直配向膜A和垂直配向膜B(比较例1)，此外，根据与实施例3同样的方法，制作液晶显示元件，并同样地测定电压-透过率特性。(1)在下列表4中表示施加0V→6.5V的电压时的结果。(2)在下列表5中表示施加6.5V→0V的电压时的结果。此外，在表6表示(1)与(2)的总和。

[表4]

①0V→6.5V

[表5]

②6.5V→0V

[表6]

①+②

(1)当施加0V→6.5V的电压时，当在梳齿电极侧(垂直配向膜B)使用无机取向膜时，无机取向膜与有机取向膜相比锚定(紧固力)弱，因此响应变快(表4)。

(2)当施加6.5V→0V的电压时，一般来说在弱锚定的情况下响应变慢，但在本模式中，弯曲状取向因内部应力而返回到垂直取向，因此几乎没有因弱锚定的影响而响应的迟延(表5)。

从(1)和(2)的总和的响应来看可知：在梳齿电极侧(垂直配向膜B)使用无机取向膜的情况下的响应快(表面6)。

从该结果可知：通过将无机取向膜设置在具有一对梳型电极的基板，特别是只设置在具有一对梳型电极的基板，能够减少锚定能量，其结果，能够得到阈值电压的降低效果。

在上述例子中，作为无机取向膜列举了包括SiO键和垂直取向基Y的无机取向膜，但不限定于此，能够使用例如AlOx、SiOx、TiOx、SiC等其它无机取向膜。此外，本实施方式的无机取向膜，可以是这些无机电介质的层叠膜，也可以适当地组合。而且，在无机取向膜中可以含有Al(铝)、Ga(镓)、In(铟)、Si(硅)、Ge(锗)、Sn(锡)、Ti(钛)、Zr(锆)、Hf(铪)，由此，能够更加减少锚定能量。

本实施方式的液晶显示元件，通过进一步具备驱动电路、背光源(照明装置)等，能够作为便携式电话、PDA、车载导航、个人电脑显示器、电视、车站内的指示牌、室外公告牌等信息显示器等来使用。

(实施方式2)

本实施方式的液晶显示元件，在以下的点中与实施方式1不同。

即，本实施方式的液晶显示元件在对置基板侧具有对置电极。具体来说，如图9所示，在玻璃基板112的液晶层121侧的主面上，依次层叠对置电极61、电介质层(绝缘层)62和垂直配向膜A。另外，在对置电极61与玻璃基板112之间，可以设置彩色滤光片113、黑色矩阵(BM)等。

对置电极61包含ITO、IZO等透明导电膜。对置电极61和电介质层62各自无缝隙地形成为至少覆盖整个显示区域。在对置电极61施加各像素共用的规定电位。

电介质层62包含透明的绝缘材料。具体来说，包含氮化硅等的无机绝缘膜、丙烯酸树脂等有机绝缘膜等。

另一方面，在玻璃基板102，与实施方式1同样地，设置有：包括像素电极20和共用电极30的梳型电极；和垂直配向膜B。此外，在2张基板102、112的外主面上配设有偏光板107、108。

除黑表示时之外，在像素电极20与共用电极30和对置电极61之间施加不同的电压。共用电极30和对置电极61可以接地，在共用电极30和对置电极61中，可以施加同样大小且同样极性的电压，也可以施加相互不同的大小和极性的电压。

根据实施方式2的液晶显示元件，与实施方式1同样地，能够充分地提高可靠性和光学特性，还能够进行低电压驱动。此外，通过形成对置电极61能够提高响应速度。

此外，由于无机取向膜的细致性非常高，所以通过作为垂直配向膜A使用无机取向膜，能够防止杂质从彩色滤光片113、电介质层62向液晶层121熔析。即，能够使垂直配向膜A作为障壁层发挥作用。

另外，在实施方式2中与实施方式1同样地确认出低电压驱动、高速响应化的效果。

上述实施方式的各方式，在不超出本发明的主旨的范围内可以适当地组合。

另外，本申请以2010年1月15日申请的日本国申请专利2010-006692号为基础，主张基于巴黎条约以及进入国的法规的优先权。该申请的内容，其整体作为参照援引于本申请中。

附图标记说明

20：像素电极

30：共用电极

61：对置电极

62：电介质层

101：阵列基板

102、112：玻璃基板

103：梳型电极

107、108：偏光板

111：对置基板

113：彩色滤光片

121：液晶层

122：沿着施加电场弯曲状取向的液晶分子

123：电场的施加方位

A、B：垂直配向膜

Claims

1.一种液晶显示元件，其特征在于：

所述液晶显示元件包括一对基板和被密封在所述一对基板间的液晶层，

所述液晶层含有具有正的介电常数各向异性的液晶分子，

所述一对基板的至少一个具有一对梳型电极，

所述一对基板的至少一个在与液晶层接触的一侧的面的显示区域中具有垂直取向膜，

所述垂直取向膜是包含无机材料的无机取向膜。

2.如权利要求1所述的液晶显示元件，其特征在于：

所述无机材料的介电常数为4以上6以下。

3.如权利要求1或2所述的液晶显示元件，其特征在于：

所述无机取向膜只设置于具有所述一对梳型电极的基板。

4.如权利要求1至3中任一项所述的液晶显示元件，其特征在于：

所述无机取向膜是通过印刷法、旋涂法或喷墨法形成的。