JP2004302386A - 液晶装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直配向型の液晶装置において、ディスクリネーションの発生位置を固定し、ザラツキ感のない鮮明な画層表示を実現する。
【解決手段】対向基板２０側に設けられた導電性の遮光膜２１を共通電極として用い、アレイ基板１０の画素電極１１と対向基板２０の遮光膜２１とにより液晶層３０を駆動する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶装置及びこれを備えた電子機器に関し、詳しくは、プロジェクタのライトバルブや、携帯電話，ＰＤＡ等の表示部に用いて好適な高精細垂直配向型液晶装置の配向制御技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶装置の分野では高コントラスト且つ広視野角な表示が求められており、このような表示を実現するために、垂直配向モードの研究が盛んに行なわれている。この垂直配向型の液晶装置は、対向する一対の基板の間に誘電異方性が負の液晶が封入された構造を有する。この一方の基板は、例えばマトリクス状に複数配列形成された画素電極と各画素電極を個別にスイッチングするためのＴＦＴを備えたアレイ基板として構成され、この基板面上に垂直配向膜が形成されている。また、これに対向する他方の基板には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる共通電極が基板全面に形成され、この上に垂直配向膜が形成されている。なお、このような液晶装置では、対向基板側から入射される光源光によりＴＦＴが誤動作することを防止するため、或いは、カラー表示を行なう場合には隣接するドット間の色にじみを防止するために、対向基板側に遮光膜が設けられる。特に、液晶装置をプロジェクタのライトバルブとして用いる場合には、このような遮光膜は必須となる。このような遮光膜は非画素領域に対応して格子状に設けられ、基板本体と共通電極との間に配置される。
【０００３】
このような垂直配向型の液晶装置では、垂直配向膜によって液晶分子の初期配向状態（電圧無印加時の配向状態）が基板面に対して略完全に垂直に立った状態とされ、この状態を黒表示として用いているため、ＴＮ型のものに比べて黒浮きが少なく高コントラストな表示を実現できる。
【０００４】
しかし、この垂直配向型の液晶装置では、もともと配向規制力が弱く、電圧印加時に液晶分子が様々な配向状態をとることで、不安定なドメイン構造が形成され易い。そして、これら隣接するドメインの境界には液晶分子の倒れない領域（ディスクリネーション）が生じ、基板上の配向処理の僅かな乱れや電圧印加状態のバラツキ等によって、このディスクリネーション領域がふらつくという現象が生じることがある。このディスクリネーション領域は常に同じ箇所に生じている限りあまり大きな問題にならないが、ディスクリネーション領域がパネル全体にわたって動くと画像表示にザラツキ感が生じる。
【０００５】
このようなディスクリネーションによる画質の低下を抑えるために、例えば以下の特許文献１では、透明な共通電極に対して画素電極中央部に対向する位置に開口部を設けた構造が提案されている。この構造では、開口領域に位置する液晶分子は、電圧印加によって生じる画素電極−共通電極間の電界の影響を殆ど受けず、開口領域内の液晶分子は当初の垂直配向状態を維持される。このため、液晶分子の配向方向は、例えば画素中心に向かって配向するというように、ある規則性をもって配向され、ディスクリネーションが無秩序に発生することが防止される結果、ザラツキのない鮮明な画像表示が可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−３０１０３６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の構造では、対向基板に対して遮光膜のパターン形成工程、共通電極の形成工程以外に、共通電極のパターニングという新たな工程が必要となり、コスト高となる。
本発明は、上記課題に鑑み創案されたものであり、構造を簡略化しながらザラツキのない画像表示を得られるようにした液晶装置及びこれを備えた電子機器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の液晶装置は、複数の画素電極がマトリクス状に配列形成されたアレイ基板と、上記画素電極に対向する位置に開口部を有する導電性の遮光膜が形成された対向基板と、上記両基板に挟持された液晶層とを備え、上記液晶層は、初期配向状態が垂直配向を呈する誘電異方性が負の液晶からなり、上記液晶は上記画素電極と上記遮光膜との間の電界により配向制御されることを特徴とする。
すなわち、本構成では遮光膜を共通電極として用い、従来の透明な共通電極を省略している。このため、従来の対向基板の製造工程において、共通電極の形成工程、共通電極のパターニング工程が不要となり、生産性が高くコスト的に有利となる。
【０００９】
なお、本構成では、開口率を稼ぐために、共通電極である遮光膜を画素周縁部に配置する必要があるが、この場合、駆動電圧が小さすぎると、遮光膜近傍の狭い領域に存在する液晶分子しか配向させることができない。このため、本発明者らは画素ピッチと駆動電圧との関係を調べた結果、画素ピッチを２０μｍ以下とした場合、プロジェクタのライトバルブや携帯機器のモニターの駆動電圧として採用されている電圧印加によって画素中央部の液晶分子を配向可能であることを確認した。したがって、本液晶装置を、このような低電圧駆動が必要な電子機器に適用する場合には、画素ピッチを２０μｍ以下とすることが望ましい。
【００１０】
また、上述の構成において、画素電極に突起又は開口部を設けてもよい。これにより、ディスクリネーションの発生位置を上記画素電極の開口領域内に規定でき、一層ザラツキ感の少ない画像表示を実現できる。
また、上記液晶層にはカイラル剤を添加することが好ましい。共通電極である遮光膜が画素電極を囲むように配置された上記構成では、電圧印加時に液晶分子は所定方向にねじれて倒れるが、この傾倒方向は常に一定ではなく、不安定である。１画素内の液晶分子に関しては上記捩れ方向は一致するが、画素同士の間では上記捩れ方向はランダムであり、捩れ方向の異なる画素の間でディスクリネーションが発生してしまう。このため、液晶層にカイラル剤を添加して上記捩れ方向を全ての画素で同一方向とすることで、明るい表示が可能となる。
【００１１】
また、上記画素電極の形状は、鋭角部を有しない多角形であることが好ましい。また、鋭角部を有しない直線部（屈曲部を含む）と曲線部とからなる形状でもよい。このように鋭角部のない形状とすることでディスクリネーションが生じにくくなり、高速，広視野角，高コントラストな表示を実現できる。特に、正多角形又は円形とすれば、液晶分子は１画素の中で、各方向に対して均等に配向分割される。この結果、コントラストが良好となり、視野角を等方的に広げることができる。
【００１２】
また、上述の構成において、アレイ基板及び対向基板に対して円偏光を入射するための円偏光入射手段を設けてもよい。この構成では、偏光板の透過軸と液晶分子のダイレクタとの角度のずれに起因する輝度の低下が生じなくなり、明るい表示が得られる。
【００１３】
また、本発明の電子機器は、上述の液晶装置を備えたことを特徴としている。この構成によれば、ザラツキ感の少ない高品質な表示が可能な電子機器を安価に提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
以下、図１〜図４を参照しながら本発明の第１実施形態に係る液晶装置について説明する。図１は本実施形態の液晶装置の概略構成を示す断面図、図２はその要部構造を対向基板側から見た平面図、図３は電圧印加時における液晶の配向状態を説明するための図、図４はその１画素内の液晶の配向状態を示す平面図である。なお、以下の各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。また、本明細書では、液晶装置を構成する各部材において、液晶層側に配置された面を「内面」といい、それと反対側の面を「外面」という。
【００１５】
本実施形態の液晶装置は、画素ピッチが２０μｍ程度の高精細な透過型液晶パネルであり、図１に示すように、対向する一対の基板１０，２０の間に誘電異方性が負の液晶が封入されてなり、上記封入された液晶により光変調層としての液晶層３０が構成されている。
石英，ガラス，プラスチック等の透光性材料からなる下基板１０の内面側には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる略矩形の画素電極１１がマトリクス状に複数配列形成されており、この画素電極１１を覆うように垂直配向膜１２が形成されている。なお、本実施形態では、下基板１０は、ＴＦＴ等のスイッチング素子や、データ線，走査線等の各種配線が形成されたＴＦＴアレイ基板として構成されているが、図１では、それらの素子及び配線の図示を省略している。
【００１６】
一方、石英，ガラス，プラスチック等の透光性材料からなる上基板２０の内面側には、ＡｌやＣｒ等の遮光性導電膜からなる遮光膜２１が形成されており、この遮光膜２１を覆うように垂直配向膜２２が形成されている。遮光膜２１には、画素電極１１と対向する位置に開口部２１ａが設けられており、この開口部２１ａを介して照明光が基板２０側から液晶層３０に入射するるようになっている。なお、この遮光膜２１は遮光性を高めるために、図２に示すように、画素電極１１と一部平面的に重なるように配置されている。また、遮光膜２１は共通電位（例えば接地電位）に設定されており、画素電極１１とともに液晶層３０に駆動電圧を印加する電圧印加手段を構成している。すなわち、本実施形態の液晶装置では、遮光膜２１を従来の共通電極として用いており、これにより、上記文献１の構成で必要となる共通電極やこの開口部の形成工程を不要としている。
また、下基板１０及び上基板２０の外面側にはそれぞれ偏光板１５，２５が設けられている。
【００１７】
このような構成において画素電極１１と遮光膜２１との間に電圧を印加すると、ここで生じる電界の作用によって、図３に示すように、遮光膜２１と画素電極１１とが平面的に重なる領域、及び、遮光膜２１近傍の領域に位置する液晶分子Ｌが配向される。この際、共通電極である遮光膜２１が画素電極１１の外周を囲むように配置されているため、図４に示すように、液晶分子Ｌは画素周辺部から画素中央部に向けて放射状に倒れ、画素中央部Ｅ１にはディスクリネーションの核が安定的に形成される。つまり、画素中央部Ｅ１では上記電界の影響が小さく、しかも周囲の液晶分子の傾倒方向がこの領域Ｅ１に集中することから、領域Ｅ１に位置する液晶分子Ｌは倒れることができず、当初の垂直配向状態を安定的に維持される。また、本実施形態では、画素ピッチが２０μｍ程度と小さいため、５Ｖ程度の低電圧駆動を行なった場合でも、上記電界の影響は画素中央部Ｅ１にまで及び、画素内の略全ての領域において液晶分子の配向が制御される。
【００１８】
なお、画素電極１１間の領域Ｅ２には上記電界の作用が殆ど生じないため、この領域に存在する液晶分子Ｌは垂直配向状態を維持されるが、この領域Ｅ２への照明光の入射は遮光膜２１によって遮光されるため、表示に寄与しない。
【００１９】
したがって、本実施形態の液晶装置によれば、従来対向基板側に設けられていた共通電極を省略し、この代わりに、導電性の遮光膜２１を共通電極として用いているため、従来のものに比べて装置構成が簡素化され、製造が容易となる。また、本構成では、共通電極である遮光膜２１が平面視で画素電極１１の周囲を囲むように配されているため、液晶分子Ｌの配向方向は、略矩形の画素電極１１の各端辺と垂直な４方向Ｄ１〜Ｄ４に規定され、画素内に４つの異なる配向方向を持つ領域ができる。この結果、配向分割が実現され、良好な視角特性が得られる。
【００２０】
また、本実施形態では画素ピッチを２０μｍ程度としたため、低電圧駆動を採用した場合でも、ここで生じる電界の作用を画素中央部Ｅ１まで及ぼすことができる。このため、ディスクリネーションの発生位置が画素中央部の狭い範囲に確実に固定され、ザラツキ感のない明るい画像表示を実現できる。さらに、平面視で遮光膜２１が画素電極１１周囲を囲むように配置される本構成では、液晶分子Ｌは隣接する画素電極１１の横電界の影響を受けづらくなり、電圧印加時における液晶分子Ｌの傾倒方向が安定する利点もある。
【００２１】
［第２実施形態］
次に、図５，図６を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る液晶装置について説明する。なお、本実施形態において、上記実施形態１と同様の部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２２】
本実施形態は、上記第１実施形態の構成において画素電極の形状及び遮光膜の開口形状を変形したものである。すなわち、図５に示すように、本実施形態の画素電極１１′は、上記第１実施形態の画素電極１１の角部を削って８角形の形状としており、遮光膜にはそれに合わせた８角形の開口部２１ａ′が設けられている。なお、画素電極１１′の形状及び遮光膜の開口形状は、上記８角形以外にも、５角形，６角形，７角形や９角形以上の鋭角部を有しない多角形とすることができ、円や楕円等の曲線からなる形状としてもよい。更に、直線部（屈曲部を含む）と曲線部とにより構成される形状であってもよい。そして、これ以外は上記第１実施形態と同様である。
【００２３】
したがって、本実施形態では、簡素な構成でザラツキ感のない明るい表示を実現できる他、画素形状及び遮光膜の開口形状を鋭角部を有しない多角形形状としたことで、ディスクリネーションの発生自体を防止することができる。つまり、画素電極の形状及び遮光膜の開口形状を多角形とした場合、液晶分子の配向方向はこの多角形の各端辺に垂直な方向に規定され、１画素内に液晶分子の傾倒方向の異なる複数のドメイン（本実施形態では、画素電極１１′の８つの端辺に垂直な方向Ｄ１〜Ｄ８に配向方向を有する８つのドメイン）が形成される。この際、画素形状に鋭角部があると、この鋭角部において隣接する２つのドメインでは、液晶分子Ｌは互いに略逆向きに倒れようとするため、この境界部にディスクリネーションが発生しやすくなる。これに対して、本構成では画素形状に鋭角部を有しないため、隣接するドメイン同士の間では、液晶分子の配向方向は平行に近くなり、ディスクリネーションの発生が抑えられる。特に、画素電極１１′の形状を円形形状とすることで、最も安定な配向状態が得られる。そして、このようなディスクリネーションの発生を防止することで、高速，広視野角，高コントラストな表示を実現できる。
【００２４】
［第３実施形態］
次に、図７を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る液晶装置について説明する。なお、本実施形態において、上記第１実施形態と同様の部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
本実施形態では、液晶層３０′にカイラル剤が添加されており、液晶分子Ｌの配向をより安定に制御可能となっている。つまり、上記垂直配向型の液晶装置では、液晶分子Ｌは電圧印加時に所定方向に捩れた状態で倒れる。この捩れ方向は常に一定ではなく不安定であり、同一画素内では液晶分子の捩れ方向は一致するが、異なる画素同士の間ではこの捩れ方向はランダムである。このように捩れ方向の異なるドメインが表示領域に複数配置されると、その境界領域でディスクリネーションが発生しやすくなり、透過率の低下につながる。これに対して、本実施形態では、液晶層３０′にカイラル剤を添加して全画素について上記捩れ方向を同一とすることで、このようなディスクリネーションの発生を防止している。
【００２６】
また、本実施形態では、液晶層３０′を挟んで対向する位置に円偏光入射手段としての位相差板を設けることもできる。すなわち、本液晶装置は、上記第１実施形態の構成において、下基板１０と下偏光板１５との間、及び、上基板２０と上偏光板２５との間に、それぞれ１／４波長板１４，２４を備えている。この構成では、液晶層３０′を透過する光が円偏光とされることで、液晶装置の輝度が、液晶分子のダイレクタと偏光板１５，２５の透過軸との角度に依存しなくなる。このため、この角度のずれに起因する輝度の低下を防止できる。
【００２７】
図８は、電圧印加状態における画素の顕微鏡写真であり、図８（ａ）は位相差板１４，２４を設けない場合（即ち、直線偏光モード）、図８（ｂ）は位相差板１４，２４を設けた場合（即ち、円偏光モード）について示している。図８（ａ）に示すように、カイラル剤を添加した液晶装置では、液晶分子の捩れの方向はいずれの画素についても同一となり、消光模様がより安定して画素中央部に発生している。また、円偏光モードを採用した図８（ｂ）の構成では、消光模様が画素中央の一点にのみ生じ、図８（ａ）のものに比べてその面積が小さくなっている。
したがって、本実施形態によれば、ザラツキ感が少なく、より明るい表示が可能となる。また、円偏光モードを採用することで、更に透過率を高めることができる。
【００２８】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上記各実施形態では、液晶分子Ｌを画素周縁部から画素中央部に向けて配向させることで、ディスクリネーションの発生位置を画素内に制限しているが、この位置をより正確に固定するために、画素電極に突起や開口部を設けてもよい。例えば、画素電極に開口部を設けた場合には、この部分の等電位面が歪みことにより、ディスクリネーションの発生位置をこの開口領域内に確実に固定することができる。また、画素電極に突起を設けた場合には、開口部を設けた場合と同様の効果を得られる。
【００２９】
また、上記各実施形態では、本発明の液晶装置として透過型の構造を採用したが、反射型若しくは半透過反射型の構造としてもよい。反射型液晶装置とした場合、画素電極にはＡｌやＡｇ等の高反射率の金属反射膜、若しくは、これら金属反射膜と透明導電膜の積層膜を用いることができる。また、下基板１０には、ガラス等の透光性材料以外にも、半導体基板等の不透明な材料を用いることができる。
【００３０】
（電子機器）
次に、本発明の電子機器の一例である投射型表示装置について説明する。
図８は、上記実施の形態の液晶装置を３つの液晶ライトバルブ（光変調手段）として用いた、いわゆる３板式の液晶プロジェクタの一例を示す概略構成図である。図中、符号５１０は光源、５１３，５１４はダイクロイックミラー、５１５，５１６，５１７は反射ミラー、５１８，５１９，５２０はリレーレンズ、５２２，５２３，５２４は液晶ライトバルブ、５２５はクロスダイクロイックプリズム（色合成手段）、５２６は投射レンズ系（投射手段）を示す。
【００３１】
光源５１０は、メタルハライド等のランプ５１１とランプ５１１の光を反射するリフレクタ５１２とから構成されている。ダイクロイックミラー５１３，５１４は、光源から出射された光を互いに異なる複数の色光に分離する色分離手段であり、青色光・緑色光反射のダイクロイックミラー５１３は、光源５１０からの白色光のうちの赤色光を透過させるとともに、青色光と緑色光とを反射する。透過した赤色光は反射ミラー５１７で反射され、赤色光用液晶ライトバルブ５２２に入射される。
【００３２】
一方、ダイクロイックミラー５１３で反射された色光のうち、緑色光は、緑色光反射のダイクロイックミラー５１４によって反射され、緑色用液晶ライトバルブ５２３に入射される。一方、青色光は、第２のダイクロイックミラー５１４も透過する。青色光に対しては、光路長が緑色光、赤色光と異なるのを補償するために、入射レンズ５１８、リレーレンズ５１９、出射レンズ５２０を含むリレーレンズ系からなる導光手段５２１が設けられ、これを介して青色光が青色光用液晶ライトバルブ５２４に入射される。
【００３３】
そして、各ライトバルブ５２２〜５２４は、入射された色光を変調して対応する色の画像光を形成し、クロスダイクロイックプリズム５２５に出力する。このプリズム５２５は、４つの直角プリズムが貼り合わされ、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に形成されたものである。
３つの画像光は、これらの誘電体多層膜によって合成されて、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は、投射レンズ系５２６によってスクリーン５２７上に投射され、画像が拡大表示される。
【００３４】
上記構成の投射型表示装置では、上記実施の形態の液晶装置をライトバルブとして用いているため、ザラツキ感のない鮮明な画像表示を安価に実現できる。
なお、本発明の電子機器としては、上述の投射型表示装置以外にも、携帯電話やＰＤＡ、電子ブック、パーソナルコンピュータ、ディジタルスチルカメラ、液晶テレビ、ビューファインダ型あるいはモニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器等を例として挙げることができ、これら電子機器の直視型の表示部に本発明の液晶装置を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の液晶装置の断面図である。
【図２】同、液晶装置の要部構造を示す平面図である。
【図３】同、液晶装置の電圧印加時における配向状態を示す断面図。
【図４】同、液晶装置の電圧印加時における配向状態を示す平面図。
【図５】本発明の第２実施形態の液晶装置の要部構造を示す平面図。
【図６】同、液晶装置の電圧印加時における配向状態を示す平面図。
【図７】本発明の第３実施形態の液晶装置の断面図である。
【図８】同、液晶装置の電圧印加時における配向状態を示す平面図。
【図９】本発明の電子機器の一例としての投射型表示装置を示す図。
【符号の説明】
１０…アレイ基板、１１，１１′…画素電極、１４，２４…位相差板（円偏光入射手段）、２０…対向基板、２１…遮光膜、２１ａ，２１ａ′…開口部、３０，３０′…液晶層

Claims (8)

1. 複数の画素電極がマトリクス状に配列形成されたアレイ基板と、
   上記画素電極に対向する位置に開口部を有する導電性の遮光膜が形成された対向基板と、
   上記両基板に挟持された液晶層とを備え、
   上記液晶層は、初期配向状態が垂直配向を呈する誘電異方性が負の液晶からなり、上記液晶は上記画素電極と上記遮光膜との間の電界により配向制御されることを特徴とする、液晶装置。
2. 上記画素電極は中央部に突起又は開口部を有することを特徴とする、請求項１記載の液晶装置。
3. 上記液晶層にカイラル剤が添加されたことを特徴とする、請求項１又は２記載の液晶装置。
4. 上記画素電極の形状は、鋭角部を有しない多角形であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの項に記載の液晶装置。
5. 上記画素電極の形状は、正多角形又は円形であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの項に記載の液晶装置。
6. 上記アレイ基板及び対向基板に対して円偏光を入射させるための円偏光入射手段が設けられたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかの項に記載の液晶装置。
7. 画素ピッチが２０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかの項に記載の液晶装置。
8. 請求項１〜７のいずれかの項に記載の液晶装置を備えたことを特徴とする、電子機器。

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