JP2005316331A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＶＡＮモードにおいて良好な白表示の輝度を得る。
【解決手段】複数の画素電極６を有するアレイ基板と、複数の画素電極に対向する共通電極を有する対向基板と、アレイ基板および対向基板間に挟持される液晶層とを備え、液晶層は誘電率異方性が負である液晶分子７が各画素電極６および共通電極間の画素領域においてアレイ基板および対向基板に対して略垂直に配向する液晶材料を含み、アレイ基板は画素電極６および共通電極間に電圧を印加した電圧印加状態でアレイ基板基板の４辺と略４５°の角度をなす方位に液晶分子７を傾ける構造体を有し、この構造体は液晶層を含む面内の一方向に延びた形状でかつ面内の一方向と交差する方向に交互に繰り返し配列されて電界の強さまたは液晶層の層厚を相互に異ならせる第１および第２領域１，２を有する。特に、各画素電極６は少なくとも１端辺が電圧印加状態で液晶分子７の傾く方位に平行または直交する平面形状を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶層が一対の電極基板間に挟持される構造の液晶表示装置に関し、特にこの液晶層の画素領域が液晶分子の配向方向を互いに異ならせた複数のドメインに分割される液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、薄型、軽量、低消費電力という特徴からＯＡ機器、情報端末、時計、およびテレビのような様々な用途に応用されている。特に、アクティブマトリクス型液晶表示装置は薄膜トランジスタ(ＴＦＴ: Thin Film Transistor)を用い手画素のスイッチングを行うことにより優れた応答性を得ることができるため、多くの画像情報を表示しなくてはならない携帯テレビあるいはコンピュータの表示モニタとして利用されている。

近年では、液晶表示装置の精細度および表示速度の向上が情報量の増加に伴って要求され始めている。精細度の向上はＴＦＴアレイ構造を微細化して画素数を増大することにより行われる。この場合、画素数の増大に伴って液晶分子の配列をより短い時間内に遷移させるために、現在の２倍から数十倍という液晶分子の応答速度を得られるような液晶表示モードが必要となる。この液晶表示モードとしては、例えばネマチック液晶を用いたＯＣＢ(Optical Compensated Birefringence)モード、ＶＡＮ(Vertical Aligned Nematic)モード、ＨＡＮ(Hybrid Aligned Nematic)モード、およびπ配列モードや、スメクチック液晶を用いた界面安定型強誘電性液晶(ＳＳＦＬＣ: Surface-Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal)モードおよび反強誘電性液晶(ＡＦＬＣ: Anti-Ferroelectric Liquid Crystal)モードが検討されている。

特にＶＡＮモードでは、従来のツイストネマチック（ＴＮ）モードよりも速い応答速度が得られることや、静電気破壊のような不良発生の原因となる従来のラビング工程を垂直配向処理の採用により不要にできることから近年注目されている。また、ＶＡＮモードは視野角の補償設計を容易にすることができる。なかでも、マルチドメイン型ＶＡＮモード（以下、ＭＶＡモードという）は、一対の電極基板であるアレイ基板および対向基板間に挟持される液晶層の画素領域を液晶分子の配向方向を互いに異ならせた複数のドメインに分割するマルチドメイン構造により視野角を広げることができる。

従来、このマルチドメイン構造を得るための手段を一方の電極基板側にのみ設けることによって製造コストを低減した液晶表示装置が提案されている（例えば特許文献１を参照）。この液晶表示装置は一方の主面に配置される画素電極を有するアレイ基板と、画素電極に対向して配置される共通電極を有する対向基板と、アレイ基板および対向基板間に挟持される液晶層とを備える。さらに、この液晶表示装置では、画素領域が画素電極と共通電極とによって挟まれた液晶層の一部からなり、この画素領域内において画素電極と共通電極との間に電圧を印加したときの電界の強さまたは液晶層の厚さを互いに異ならせる第１および第２領域が設けられる。第１および第２領域は例えばアレイ基板側の画素電極および画素電極の欠落部であるスリットによりそれぞれ液晶層を含む面内の一方向に延びた形状でかつ面内の一方向と交差する方向に交互に繰り返されるように配列される。従って、アレイ基板と対向基板とを貼り合わせる際に高精度な位置合わせを行う必要がない。すなわち、ＭＶＡモードを採用した場合であっても、アレイ基板と対向基板とを高精度に位置合わせすることなく製造することが可能となる。このような液晶表示モードをＡＶＡＮモード（Advanced Vertical Alignment mode）と称する。

上述したＡＶＡＮモードの液晶表示装置の画素についてさらに具体的に説明する。図１０は画素領域を上から見たもので、電場の強い領域（第１領域）１および電場の弱い領域（第２領域）２が４つの異なる方向成分に対する異方性を液晶分子７に付与するように画素領域内に配置される。負の誘電率異方性を示すネマチック液晶材料が用いられる場合、液晶分子７は電場の強い領域１と弱い領域２が交互に配置された方向と平行な方向にダイレクタを揃えて配向する。各異方性領域では、それぞれ異なる方向に配向するため、動作時の画素状態として示される４つのドメインが形成される。さらに、電場の強い領域１と弱い領域２の繰り返しによって構成される異方性領域の長手方向の端においては、電場の強い領域１によって占められるチルト安定化領域と電場の弱い領域２によって占められるチルト安定化領域が配置されており、これら各電場領域の総合作用によって液晶分子７が一定方向に配向したドメインを生じる。上述のように２つ以上の異方性領域を１画素電極内に設けることにより液晶表示装置に特有の視野角依存性を相互に補償して広い視野角特性を実現することができる。

図１１は電場の強弱領域１，２によって生じる液晶分子７の異方性を詳細に示す。電場の弱い領域２によって挟まれた強い領域１が図１１に示すように直線状に配置された構造では、電場の強い領域１から弱い領域２に向かって生じる漏れ電界によって傾きを持った電気力線が発生している。この傾きを持った電気力線に沿って液晶分子７の誘電率異方性が生じるために電場近傍の液晶分子７は一定方向への傾き(チルト)を生じる。向かいあう電場の弱い領域２によってそれぞれ生じたチルトは互いに干渉しあう方向成分を有するためエネルギーが低い状態へと配向緩和すると考えられる。ここで、異方性領域において電場の弱い領域２および強い領域１の隣接部だけをみると、液晶分子７の配向緩和は２方向に同じ確率で生じる。しかし、電場の強い領域１相互は異方性領域の一端側で連結され、電場の弱い領域２相互は異方性領域の他端側で連結されている。このため、各異方性領域内の液晶分子は上述の２方向のうちの一方である平均的な傾斜方向に配向緩和する。こうした異方性領域を画素領域、すなわち画素電極の範囲内において適切に配分することによりマルチドメイン構造が実現できる。尚、複数のドメインは図１２または図１３に示すように電場の強い領域１と電場の弱い領域２を配置しても得ることができる。

図１０および図１１に示す例では、電場の強い領域１および弱い領域２のような電界強度の相違がマルチドメイン構造を得るために利用されたが、電極に重なる絶縁構造体等を用いて一方の電極基板に凹凸形状を設けることにより得られる液晶層の厚さの相違、あるいはこの液晶層の厚さの相違と電界強度の相違との組み合わせを利用してマルチドメイン構造を得ることもできる。いずれの場合でも、液晶分子は電圧印加時の電界により図１０，図１２、および図１３に示すように、領域１，２のストライプに平行な方位に傾斜する。しかしながら、図１０および図１２に示す構造では領域１，２のストライプと画素端辺とが直交していないため、図１２に示すように、画素端部の液晶分子がストライプと異なる方向に傾斜する。偏光板の吸収軸は図１０および図１２に示す構造で白表示の透過率を高めるために図１２に示す方位に設定される。従って、画素端部では液晶分子の傾斜方位と偏光板の吸収軸が略平行となり、液晶層での位相差を得られず、輝度を低下させる。実際には、図１０に示すように画素端部が黒くなる現象によって透過率の低下を招いていた。こうした問題は、図１３に示すように画素端辺を領域１，２のストライプに直交させることにより解決可能である。しかしながら、このような構造では白表示の輝度を高めるために図１３に示すように偏光板の吸収軸を画素端辺に対して４５°の角度に設定しなければならない。ＶＡモードでは、視角補償板の挿入などによりコントラスト視角は比較的広いが、偏光板の吸収軸と４５°の角度をなす方位のコントラスト視角特性は全ての方位の中で最も悪くなる。一般的に液晶表示装置の視角特性の中で最も重要視される方位は上下左右方位であり、図１３に示す構成では、この最も重要視される方位のコントラスト視角が最も悪い特性となってしまう。
特開２００３−１６１９４７号公報

画素がＡＶＡＮモードで上下左右方位のコントラスト視角特性を最良にする構造である場合、第１および第２領域からなるストライプが画素端辺に直交しないため、液晶分子が電圧印加時の電界により画素端部で上述のストライプと平行でない方位に傾き、液晶層での位相差が得られず、白表示の輝度を低下させる問題が生じていた。

本発明の目的は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＡＶＡＮモードにおいて良好な白表示の輝度を得ることができる液晶表示装置を提供することにある。

本発明によれば、略マトリクス状に配置される複数の画素電極を有する第１基板と、複数の画素電極に対向する共通電極を有する第２基板と、第１および第２基板間に挟持される液晶層とを備え、液晶層は誘電率異方性が負である液晶分子が各画素電極および共通電極間の画素領域において第１および第２基板に対して略垂直に配向する液晶材料を含み、第１基板は画素電極および共通電極間に電圧を印加した電圧印加状態で第１基板の４辺と略４５°の角度をなす方位に液晶分子を傾ける構造体を有し、構造体は液晶層を含む面内の一方向に延びた形状でかつ面内の一方向と交差する方向に交互に繰り返し配列されて電界の強さまたは液晶層の層厚を相互に異ならせる第１および第２領域を有し、各画素電極は少なくとも１端辺が電圧印加状態で液晶分子の傾く方位に平行または直交する平面形状を有する液晶表示装置が提供される。

この液晶表示装置では、各画素電極の少なくとも１端辺が電圧印加状態で液晶分子の傾く方位に平行または直交する形状であるため、ＡＶＡＮモードにおいて良好な白表示の輝度を得ることができる。

以下、本発明の一実施形態に係るＡＶＡＮモードの液晶表示装置について添付図面を参照して説明する。

図１はこの液晶表示装置の画素配列を概略的に示し、図２は図１に示す画素の平面構造を示し、図３は図２に示すＡ−Ａ’線に沿って画素の断面構造を示す。

この液晶表示装置は、図３に示すようにアクティブマトリクス基板（またはアレイ基板）４と対向基板３との間に液晶層８を挟持させた構造を有している。これらアクティブマトリクス基板４と対向基板３との間隔は図示しないスペーサによって一定に維持されている。また、これら基板４，３には、図２に示す方位１０，１１に吸収軸を有する一対の偏光板ＰＡ，ＰＣが貼り付けられる。アクティブマトリクス基板４は、ガラス基板のような透明基板４Ａを含む。透明基板４Ａの一方の主面上には、ゲート線１２および信号線１３など配線およびスイッチング素子ＳＷが形成される。また、それらの上には、カラーフィルタ層ＣＦ、画素電極６、および配向膜ＡＡが順次形成される。透明基板４Ａ上に形成する配線は、アルミニウム、モリブデン、および銅などからなる。また、スイッチング素子ＳＷは、例えば、アモルファスシリコンやポリシリコンを半導体層とし、アルミニウム、モリブデン、クロム、銅、およびタンタルなどをメタル層とした薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）であり、ゲート線１２および信号線１３、および画素電極６に接続されている。アクティブマトリクス基板４では、このような構成により、所望の画素電極６に対して選択的に電圧を印加することを可能としている。

カラーフィルタ層ＣＦは画素電極６の下地となり、青、緑、赤の着色層で構成されている。画素電極６は例えばＩＴＯのような透明導電材料で構成され、カラーフィルタ層ＣＦに設けられるコンタクトホールを介してスイッチング素子ＳＷと接続される。画素電極６は、例えばスパッタリング法などにより薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてその薄膜をパターニングすることにより形成することができる。配向膜ＡＡは、ポリイミドなどの透明樹脂からなる薄膜で構成されている。尚、本実施形態では、この配向膜ＡＡには、ラビング処理は施さずに垂直配向性を付与している。

対向基板３は、ガラス基板のような透明基板３Ａ上に、共通電極５および配向膜ＡＣを順次形成した構造を有する。これら共通電極５および配向膜ＡＣは、画素電極６およびアクティブマトリクス基板４上に形成した配向膜ＡＡと同様の材料で形成され得る。ここでは、共通電極５が平坦な連続膜として形成されている。

図２に示すように、画素は平面的に見てストライプ状の配列となる第１領域１および第２領域２で構成される。第１領域１は画素電極６により得られ、第２領域２は画素電極６内のスリットにより得られる。

画素電極６と共通電極５との間に電圧を印加していない場合、配向膜ＡＡ，ＡＣは、液晶層８を構成する液晶分子７、具体的には誘電率異方性が負の液晶分子７を垂直配向させるように作用する。そのため、液晶分子７は、それらの長軸が配向膜ＡＡ，ＡＣの膜面に対してほぼ垂直となるように配向する(図３は電圧を印加した状態)。

画素電極６と共通電極５との間に電圧を印加することによって生じる電界はその電気力線に垂直な方向に液晶分子７を配向させるように作用する。従って、液晶分子７は、配向膜ＡＡ，ＡＣおよび電界の作用によって、図３に示すように配向しようとする。すなわち、アクティブマトリクス基板４に設けた構造のみで、１つの画素領域内に液晶分子７のチルト方向が互いに異なる４つのドメインを形成することができる。

本実施形態において、複数のゲート線１２は複数の画素電極６の行に沿って水平方向に伸びる。複数のスイッチング素子ＳＷは複数の画素電極６にそれぞれ接続され、複数のゲート線１２の１本により制御される。各画素電極６は２端辺が複数のゲート線１２に平行し、残りの全端辺が電圧印加状態で液晶分子７の傾く方位に平行または直交する”く”の字型平面形状を有する。すなわち、第１領域１および第２領域２のストライプが画素端辺となる画素電極６の端辺のうちでゲート線１２の方位と平行な２端辺を除いた全ての端辺と直交している。従って、画素電極６および共通電極５間に電圧を印加した際に殆どの画素端領域で、画素内部同様に、液晶分子７の傾斜方向が第１領域１および第２領域２のストライプに沿うようになるので、従来の構造より輝度が向上する。また、偏光板ＰＡ，ＰＣの吸収軸は図２に示すように上下左右方位であり液晶表示装置として最も視角特性が求められる上下左右方位のコントラスト視角特性を全ての方位の中で最良にできる。

尚、第１領域１と第２領域２とは、上述のような画素電極６の有無だけでなく、例えば図４に示すような画素電極６上の構造体９の有無、図５に示すような画素電極６および構造体９の有無、図６および図７に示すような画素電極６下の構造体９の有無などによって得ることもできる。図４から図７では、図３と同様部分を同一参照符号で表し、重複する説明を省略する。

また、図１に示す画素配線および図２に示す画素の平面構造をそれぞれ図８および図９に示すように変形すれば、第１領域１および第２領域２のストライプが確実に全ての画素端辺に直交するのでより輝度を向上させることが可能である。

以下、本実施形態の液晶表示装置の製造例について説明する。

(製造例１)
本製造例では、図１に示す画素配列、図２に示す画素の平面構造、および図３に示す画素の断面構造を有する液晶表示装置を作製した。液晶層８は負の誘電率異方性を示すメルク(株)製のＭＬＣ−２０３８である。また、液晶層８の上下には電圧無印加時の液晶層８の位相差を補償する手段として２軸のアートン樹脂位相差板(日東電工(株)製)を面内遅相軸が隣接する偏光板ＰＡ，ＰＣの吸収軸と直交するように配置してある。位相差板のリターデーション値は面内方位が１２０ｎｍ、法線方位が５０ｎｍ((ｎｘ−ｎｙ)に厚さを乗じた値)となっており、液晶材料の屈折率異方性Δｎと液晶層８の厚さｄを乗じた値Δｎｄ＝３００ｎｍを補償する条件となっている。また、偏光板ＰＡ，ＰＣには日東電工(株)製のＳＥＧ１２２４ＤＵを用いた。こうして得られた液晶表示装置において画素電極６および共通電極（対向電極)５間に４Ｖの電圧を印加して、透過率を測定したところ、９.０％という高い値であった。

(比較例)
図１２に示す画素の平面構造を有する液晶表示装置を比較例として作製した。この比較例では、画素の平面構造に関連した部分を除いて製造例１と実質的に同様になるように考慮されている。こうして得られた液晶表示装置において画素電極６および共通電極（対向電極)５間に４Ｖの電圧を印加して、透過率を測定したところ、８.０％しかなかった。

(製造例２)
本製造例では、図８に示す画素配列および図９に示す画素の平面構造を有する液晶表示装置を作製した。この製造例２では、画素配列および画素の平面構造に関連した部分を除いて製造例１と実質的に同様になるように考慮されている。こうして得られた液晶表示装置において画素電極６および共通電極（対向電極）５間に４Ｖの電圧を印加して、透過率を測定したところ、９.５％という高い値であった。

以上のように、本実施形態では、ＡＶＡＮモードにて上下左右方位のコントラスト視角特性を最良にする構成において上述のような所定の構造を採用することにより、画素端部においても液晶分子７が第１および第２領域１，２のストライプに平行な方位に傾き、液晶層８での位相差を得て、白表示の輝度を低下させないようにできる。すなわち、ＡＶＡＮモードを採用した場合であっても、優れた表示輝度を上下左右方位のコントラスト視角特性を最良にする構成において改善できる。

本発明の一実施形態に係るＡＶＡＮモードの液晶表示装置の画素配列を示す図である。 図１に示す画素の平面構造を示す図である。 図２に示すＡ−Ａ’線に沿って画素の断面構造を示す図である。 図３に示す画素の断面構造の第１変形例を示す図である。 図３に示す画素の断面構造の第２変形例を示す図である。 図３に示す画素の断面構造の第３変形例を示す図である。 図３に示す画素の断面構造の第４変形例を示す図である。 図１に示す画素配列の変形例を示す図である。 図８に示す画素の平面構造を示す図である。 従来から知られるＡＶＡＮモードの液晶表示装置において採用されている画素の平面構造を示す図である。 ＡＶＡＮモードにおいて電圧印加時に得られる液晶分子配列を説明するための図である。 図１０に示す画素の平面構造の一変形例を示す図である。 図１０に示す画素の平面構造の他の変形例を示す図である。

符号の説明

１…第１領域、２…第２領域、３…対向基板、４…アレイ基板、５…共通電極、６…画素電極、７…液晶分子、８…液晶層、９…構造体、１０…フロント側偏光板吸収軸方位、１１…リア側偏光板吸収軸方位、１２…ゲート線、１３…信号線、ＳＷ…スイッチング素子、ＰＡ，ＰＣ…偏光板、ＡＡ，ＡＣ…配向膜。

Claims (3)

1. 略マトリクス状に配置される複数の画素電極を有する第１基板と、前記複数の画素電極に対向する共通電極を有する第２基板と、前記第１および第２基板間に挟持される液晶層とを備え、前記液晶層は誘電率異方性が負である液晶分子が各画素電極および共通電極間の画素領域において前記第１および第２基板に対して略垂直に配向する液晶材料を含み、前記第１基板は前記画素電極および共通電極間に電圧を印加した電圧印加状態で前記第１基板の４辺と略４５°の角度をなす方位に液晶分子を傾ける構造体を有し、前記構造体は前記液晶層を含む面内の一方向に延びた形状でかつ前記面内の前記一方向と交差する方向に交互に繰り返し配列されて電界の強さまたは前記液晶層の層厚を相互に異ならせる第１および第２領域を有し、各画素電極は少なくとも１端辺が前記電圧印加状態で液晶分子の傾く方位に平行または直交する平面形状を有することを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記第１基板はさらに前記複数の画素電極の行に沿って水平方向に伸びる複数のゲート線、および前記複数の画素電極にそれぞれ接続され各々前記複数のゲート線の１本により制御される複数のスイッチング素子を有し、各画素電極は２端辺が前記複数のゲート線に平行し、残りの全端辺が前記電圧印加状態で液晶分子の傾く方位に平行または直交する平面形状を有すること特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記電圧印加状態で液晶分子の傾く方位が各画素領域内で２または４方向存在することを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示装置。

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