JP2005148401A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 垂直配向モードを用いた半透過型の液晶表示素子において、良好な表示特性を実現する。
【解決手段】 反射表示領域と透過表示領域を有する第１基板と、第１基板と対向配置され対向面に突起を有する第２基板とを備え、これら基板間に液晶層が形成されてなる液晶表示素子である。第２基板においては、突起上に透明電極が形成されている。液晶層を構成する液晶分子は、電圧無印加状態で各基板に対して略垂直方向に配向されている。また、透過表示領域と反射表示領域とで液晶層の厚みを異ならせるための絶縁層が第１基板に形成され、透過表示領域に対応して絶縁層に凹部が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、背面に配置された光源からの光を利用して表示を行う透過表示領域と、外光を反射して表示を行う反射表示領域とを１画素内に有する、いわゆる半透過型の液晶表示素子に関するものであり、特に、液晶分子の配向を制御する突起を有する液晶表示素子の改良に関する。

近年、携帯情報端末等のディスプレイとして、反射表示領域と透過表示領域を併せ持つ半透過型の液晶ディスプレイが多く用いられている。このような液晶表示装置は、暗所ではバックライトを点灯させることで画像表示を行い、明所ではバックライトを点灯せずに外光を光源として画像表示を行うことができ、暗所での視認性の良さと、明所ではバックライトを点灯しないことによる低消費電力というメリットがある。

半透過型液晶ディスプレイの液晶配向モードとしては、主にツイストモードや平行配向モード等が挙げられる。平行配向モードは、通常、透過表示領域のセルギャップと反射表示領域のセルギャップとが異なるいわゆるマルチギャップ方式とされ、透過表示領域のセルギャップと反射表示領域のセルギャップとはおよそ２：１とされる。これにより平行配向モードの反射表示領域の反射率はツイストモードと同程度であるが、平行配向モードの透過表示領域の透過率はツイストモードに比べ高くなるというメリットがある。しかしながら、平行配向モードは、ツイストモードに比べ透過表示の視野角が狭く、広視角化するためには高価な視角補償フィルムを必要とするといったデメリットがある。

そこで、高透過率及び広視野角を実現する半透過型液晶ディスプレイの液晶配向モードとして、垂直配向モードが考えられている。垂直配向モードとは、電圧無印加時は液晶分子が基板に対しほぼ垂直に配向し、電圧印加時には印加した電圧に応じて液晶分子が傾き、これによりリタデーションを生じさせ階調表示を行う液晶配向モードである。垂直配向モードを用いた半透過型液晶ディスプレイにおいても、透過表示領域のセルギャップと反射表示領域のセルギャップとが異なるマルチギャップ方式にすることにより、平行配向モードと同等の反射率及び透過率が得られる。また、垂直配向モードのマルチギャップ方式の半透過型液晶ディスプレイは、液晶分子がセルギャップの厚い領域と薄い領域との間の傾斜した領域の傾斜角に沿って配向することにより、電圧印加時に液晶分子が放射状に傾き、広視野角特性が得られる。

しかしながら、セルギャップの厚い領域と薄い領域との間の傾斜領域による配向制御だけでは、電圧印加時に液晶分子が充分に安定せず、応答速度が遅いためディスプレイの表示特性の低下を招くという問題がある。

そこで、垂直配向モードの半透過型液晶表示装置において、対向基板側に液晶分子の配向制御を行う凸状構造物（突起）を設けた構造（例えば、特許文献１参照）や、電極にスリットを配置した構造（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。これらの液晶表示装置によれば、凸状構造物やスリットを設けることにより液晶分子の配向制御を補っている。
特開２００３−１７７３８４号公報 特開平１０−３０１１１２号公報

しかしながら、上述のような凸状構造物やスリットを設けた場合であっても、電圧印加時の液晶分子の配向の安定性は充分ではなく、ディスプレイの表示特性の向上を妨げてい る。

そこで本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、特に垂直配向モードを用いた半透過型の液晶表示素子において、良好な表示特性を実現することが可能な液晶表示素子を提供することを目的とする。

上述の問題を解決するために、本発明に係る液晶表示素子は、反射表示領域と透過表示領域を有する第１基板と、当該第１基板と対向配置され対向面に突起を有する第２基板とを備え、これら基板間に液晶層が形成されてなる液晶表示素子であって、前記第２基板においては、前記突起上に透明電極が形成されていることを特徴とする。

以上のような構成の液晶表示素子では、突起により電圧印加時に液晶分子が倒れる方向が規制され、その結果、電圧印加時の液晶分子の配向が安定し、また、広い視角特性が実現される。これに加えて、本発明の液晶表示素子では、対向電極である第２基板の透明電極が、突起上に形成されるので、突起に起因する電界のゆがみや等電位線の乱れが解消され、突起による規制方向と電界による規制方向がほぼ一致し、電圧印加時の液晶分子の配向がより安定なものとなる。従来技術では、透明電極上に突起が形成されており、等電位線が湾曲し、突起による規制方向と電界による規制方向にすれが生ずるので、液晶分子の規制が不十分である。

本発明によれば、突起による液晶分子の規制と、電界による液晶分子の規制との相乗効果により、視角特性に優れ、透過表示においても反射表示においても全方位に亘って良好な表示特性を実現し得る液晶表示素子を提供することが可能である。

以下、本発明を適用した液晶表示素子について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態の液晶表示素子は、図１に示すように、外光等を利用した反射表示方式で表示を行う反射表示領域と、バックライト等の背面の光源からの光を利用した透過表示方式で透過表示領域とを各画素内に有する、いわゆる半透過型の液晶表示素子である。

本実施形態の液晶表示素子は、基本的には通常の液晶表示素子と同様の構成を有し、一対のガラス基板で液晶セルが構成され、その間隙に液晶材料を封入して液晶層が形成されている。すなわち、本実施形態の半透過型液晶表示素子は、第１基板に相当する下側ガラス基板１と第２基板に相当する上側ガラス基板２との間に液晶層３が封入されている。

また、本実施形態では、上側ガラス基板２に形成配向膜及び下側ガラス基板に形成される配向膜として垂直配向膜を用い、液晶組成物として負の誘電率異方性を有する液晶を用いる。

下側ガラス基板１は、いわゆるアレイ基板に相当するもので、各画素に対応して画素電極及びスイッチング素子である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）がマトリクス状に形成されるとともに、画素電極に電気信号を送るための信号線と、スイッチング素子である薄膜トランジスタに信号を供給するためのゲート線とが、互いに直交して配線されている。

各画素は、画素電極として反射電極が形成された反射表示領域Ａと、透明電極が形成された透過表示領域Ｂとに面積的に分割されている。そして、反射表示領域Ａにおいては外光を利用し、透過表示領域Ｂにおいては背面側に配されたバックライト４を光源として画像表示が行われる。

以下、アレイ基板である下側ガラス基板１について詳述すると、下側ガラス基板１の上側ガラス基板２との対向面側のうち、反射表示領域Ａに対応する領域においては、表面に微細凹凸が形成された絶縁層５が形成され、その上に例えばアルミニウム等の光反射効率の高い金属材料等からなる反射電極６、及び下側配向膜７が順次積層されるとともに、この反射電極６に隠れる位置に液晶駆動用スイッチング素子としてのＴＦＴ８が形成されている。微細凹凸が形成される絶縁層５上に反射電極６を形成することで、反射電極６にも微細凹凸が反映され、外光を反射する際に散乱により反射光が均一化される。また、絶縁層５は、反射表示領域Ａにおける液晶層３の厚み（セルギャップ）を調整する役割も果たす。スイッチング素子であるＴＦＴ８は、反射電極６の背面側に位置しているので、画像表示の際に妨げとなることはない。

一方、透過表示領域Ｂにおいては、前記絶縁層５は形成されずに開口部（凹部）とされ、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明導電材料からなる透明電極９のみが形成されている。また、透過表示領域Ｂにおいても、反射表示領域Ａと同様に下側配向膜７が形成されている。したがって、この透過表示領域Ｂにおいては、バックライト４からの光が下側ガラス基板１、透明電極９及び下側配向膜７を透過して液晶層３へと入射され、画像表示光として上側ガラス基板２側から観察される。

本実施形態の半透過型液晶表示素子は、透過表示領域Ｂのセルギャップが反射表示領域Ａのセルギャップより厚くされた、いわゆるマルチギャップ方式の半透過型液晶表示素子である。したがって、下側ガラス基板１において、セルギャップの薄い領域Ｃとセルギャップの厚い領域Ｄとの境界で、絶縁層５の厚さ分に相当する段差を有することになるが、この部分では、絶縁層５の厚みに勾配を設け、傾斜部Ｅとすることで急峻な段差を解消している。

上側ガラス基板２は、第２基板に相当するものであり、液晶層３側の面には、各画素に対応してカラーフィルタ層１０が形成される。カラーフィルタ層１０は、顔料や染料によって各色に着色された樹脂層であり、例えばＲ，Ｇ，Ｂの各色のフィルタ層が組み合わされて構成されている。また、各カラーフィルタ層１０の境界部分には、コントラスト向上等を目的として、いわゆるブラックマトリクス層が形成される。

また、カラーフィルタ層１０上には、各画素に対応するように樹脂等の絶縁材料等からなる突起１１が形成されている。この突起１１は、詳細は後述するが、液晶層３の液晶分子の配向を制御するために設けられるものであり、いわゆるＭＶＡによって電圧印加時の液晶分子が倒れる方向を規定する役割を果たし、電圧印加時の液晶の配向を安定化し、また視角特性を改善する。突起１１の底部形状は円形、多角形、楕円形等であるが、これらに限定されるものではなく、適当な形状とすることができる。突起１１の幅は、例えば５μｍ〜２０μｍ程度であり、高さは例えば１μｍ〜４μｍ程度である。ここでは、上側ガラス基板２に対して垂直方向から見たときに対向する下側ガラス基板１上に形成された絶縁層５の開口部の略中心と重なり合う位置に、突起１１が配置される。

画素内の突起１１及び透過表示領域Ｂの位置関係は、本実施形態のように、絶縁層５の開口部の略中心に突起１１が一致するように配置するのが望ましく、この場合に、より視角特性は均一になる。しかしながら、これらの位置関係は必ずしも前記に限定されるものではなく、ＴＦＴ等の駆動素子や画素容量電極等の位置関係、あるいは画素の形状や絶縁層５の形状等によっては、適宜前記位置関係をずらすことも可能である。

さらに、上側ガラス基板２においては、突起１１の表面を覆ってＩＴＯ等の透明導電材料からなる対向電極１２と、上側配向膜１３とがカラーフィルタ層１０の略全面に順次形成される。したがって、対向電極１２及び上側配向膜１３は、図１に示すように突起１１の表面に沿って液晶層３側に突出するような形状とされる。

また、下側ガラス基板１の外面には、位相差板１４、λ／２板１５及び偏光板１６が貼り付けられている。また、上側ガラス基板２の外面には、位相差板１７、λ／２板１８及び偏光板１９が貼り付けられている。

本実施形態においては、電圧無印加時には、液晶層３の液晶分子は、上側配向膜１３及び下側配向膜７に対して垂直に配向するが、突起１１近傍の液晶分子は、突起１１の斜面に沿って配向するので、他の領域の液晶分子に比べて僅かに斜めに配向する。

電圧印加時には、基板面に垂直配向した液晶分子は徐々に倒れ始め、基板面に対して略平行となる。このとき、突起１１により斜めに配向した液晶分子の影響により、突起１２に対して液晶分子が放射状に倒れるので、安定した配向が得られる。

また、本実施形態の液晶表示素子は、電圧印加時に突起１１を中心として液晶分子が放射状に倒れるため、全方位にわたって良好な表示特性が得られ、広視角特性を実現することができる。また、高価な視角補償フィルムが不要であり、低コストにて広視角特性を改善することができる。

本実施形態の液晶表示素子では、透明電極である対向電極１２が突起１１上に形成されているので、電界の乱れを抑えて電圧印加時の液晶の配向をより安定なものとすることができる。この原理について、以下において説明する。

図２は、対向電極１２が突起１１上に形成された場合の等電位線、及び対向電極１２と透明電極９間に印加される電界の様子を模式的に示すものである。同様に、図３は、対向電極１２が突起１１の下に形成された場合の等電位線、及び対向電極１２と透明電極９間に印加される電界の様子を模式的に示すものである。

本実施形態の半透過型液晶表示素子においては、上側ガラス基板２の対向電極１２が突起１１の上に形成されているので、対向電極１２と透明電極９の形状がほぼ合致し、これらの間の距離がほぼ一定となる。したがって、電圧印加時に加わる電界の等電位線（図中、線Ｘで示す。）は、これら対向電極１２及び透明電極９間においてほぼ平行になる。その結果、電圧印加時には、これら対向電極１２と透明電極９との間には、突起１１の頂点を中心とした略放射状の電界が生ずる（図中、線Ｙで示す。）。

この略放射状の電界の方向は、突起１１による液晶分子の配向制御の方向とほぼ一致し、これらが相俟って液晶分子の配向が確実に規制され、液晶分子の安定した配向が得られ、良好な表示特性を実現することができる。

すなわち、本実施形態の液晶表示素子においては、電圧無印加時には、液晶層３の液晶分子は上側配向膜１３及び下側配向膜７に対して垂直に配向するが、突起１１近傍の液晶分子は突起物１１の斜面に沿って僅かに斜めに配向している。電圧印加時には、液晶分子は徐々に倒れ始め、基板面に対して略平行となるが、このとき本実施形態の液晶表示素子では、突起１１による液晶分子の配向制御、及び前記電界の方向により、突起１２に対して液晶分子が放射状に傾斜し、安定した配向が得られる。

また、本実施形態の液晶表示素子では、マルチギャップ形状の効果による配向制御により、さらに電圧印加時の液晶の安定な配向を実現することができる。すなわち、絶縁層５の開口部、すなわち透過表示領域Ｂの略中心と重なり合う位置に突起１１が配置されることで、液晶分子は、セルギャップの厚い領域Ｄとセルギャップの薄い領域Ｃとの間の傾斜部Ｅと、対向する上側ガラス基板２の突起１１の傾斜に沿って配向し、電圧印加時に突起１１を中心として放射状に傾斜するように規制される。これにより、電圧印加時の液晶分子の配向をさらに安定化することができる。

一方、図３に示すように対向電極１２が突起１１の下に形成されている場合には、対向電極１２と透明電極９の形状が合致せず、これらの間の距離が変動する。さらに、対向電極１２の上に絶縁体である突起１１が存在するので、これが電位に影響を及ぼす。これらのことから、対向電極１２が突起１１の下に形成されている場合には、等電位線Ｘは、特に突起１１の近傍において平行にならず、印加される電界の方向Ｙは突起１１による配向制御の方向と一致しなくなる。したがって、液晶分子の配向制御が不十分となり、配向状態が不安定なものとなる。

以上、本発明を適用した液晶表示素子の実施形態について説明してきたが、本発明がこの実施形態に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、図４に示すように、下側ガラス基板１に設けられた透明電極９の略中心部が除去されて開口部２１とされていてもよい。なお、この図４に示す液晶表示素子の説明では、図１の液晶表示装置１と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

透明電極９に設けられた開口部２１は、液晶層３の液晶分子の配向を制御するために設けられるものであり、電圧印加時の液晶分子が倒れる方向を規定する役割を果たす。開口部２１は透明電極９の一部を例えばエッチング等によって除去することにより形成され、円形、多角形、楕円形等の形状とすることができる。開口部２１の幅は、例えば５μｍ〜２０μｍ程度である。ここでは、上側ガラス基板２に対して垂直方向から見たときに突起物１１と重なり合う位置に開口部２１が配置される。
突起１１に加えて、下側ガラス基板１側に開口部２１を設けることで、突起１１と開口部２１とにより上下基板間に斜めの電界が発生し、これにより等電位線の乱れがさらに抑えられるため、電圧印加時の液晶の安定な配向が得られ、優れた表示性能を実現することができる。

また、突起１１及び開口部２１は電圧印加時の液晶の配向を安定とすることができる一方で、実効的な開口率を低下させるおそれがあるが、この図４に示す液晶表示素子においては、突起物１１と開口部２１とを前記のような位置関係に配置することにより、これらの画素内で占める面積を最小限とし、実効的な開口率の低下を抑える。したがって、図４に示す液晶表示素子によれば、透過率の低下を招くことなく、電圧印加時の液晶の配向のさらなる安定化を実現できる。

その他、例えば、先の実施形態では、スイッチング素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）により液晶層を駆動する構成としたが、ＴＦＤ（Thin Film Diode）による駆動としてもよいし、単純マトリクス方式の駆動とすることもできる。この場合には、製造歩留まりが向上するとともに、低開口率で明るさが向上し、消費電力も低下する。

本発明を適用した液晶表示素子の一例を示す要部概略断面図である。 対向電極を突起上に形成した液晶表示素子における等電位線及び電界の方向を示す模式図である。 対向電極を突起の下に形成した液晶表示素子における等電位線及び電界の方向を示す模式図である。 本発明を適用した液晶表示素子の他の例を示す要部概略断面図である。

符号の説明

１ 下側ガラス基板
２ 上側ガラス基板
３ 液晶層
４ バックライト
５ 絶縁層
６ 反射電極
７ 下側配向膜
８ ＴＦＴ
９ 透明電極
１０ カラーフィルタ層
１１ 突起物
１２ 対向電極
１３ 上側配向膜
２１ 電極開口部

Claims (8)

1. 反射表示領域と透過表示領域を有する第１基板と、当該第１基板と対向配置され対向面に突起を有する第２基板とを備え、これら基板間に液晶層が形成されてなる液晶表示素子であって、
   前記第２基板においては、前記突起上に透明電極が形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記液晶層を構成する液晶分子は、電圧無印加状態で各基板に対して略垂直方向に配向されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
3. 前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも一方において、前記透過表示領域と前記反射表示領域とで前記液晶層の厚みを異ならせるための絶縁層を有することを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
4. 前記絶縁層は前記第１基板に形成され、前記透過表示領域に対応して当該絶縁層に凹部が形成されていることを特徴とする請求項３記載の液晶表示素子。
5. 前記凹部の形状が、円形、多角形、又は楕円形であることを特徴とする請求項４記載の液晶表示素子。
6. 前記凹部の略中央位置に対応して前記突起が形成されていることを特徴とする請求項４記載の液晶表示素子。
7. 前記第１基板において、前記透過表示領域に透明電極が形成され、前記突起と対向する部分の前記透明電極が除去され、電極開口部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の液晶表示素子。
8. 前記電極開口部の形状が、円形、多角形又は楕円形であることを特徴とする請求項７記載の液晶表示素子。

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