JP2006301466A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高いコントラストと低視野角色シフトを両立した液晶テレビ用途に適した液晶表示素子を提供する。
【解決手段】
一対の基板と、該一対の基板それぞれに設けられた偏光子と、前記一対の基板間に配置された誘電異方性が負である液晶層と、該液晶層の液晶配向を前記それぞれの基板に対してほぼ垂直配向させる垂直配向層と、前記液晶層に電界を印加するために、前記一対の基板の双方それぞれの基板上に配置された櫛歯形状部を有する電極あるいは電極群とを備え、前記一対の基板の双方の電極櫛歯形状部分の櫛歯長手方向が互いにほぼ直交するように配置されている構成を採る。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示素子に係り、特に高コントラストかつ低視野角色シフトの液晶表示素子に関する。

近年の大画面液晶パネル製造技術の進歩により、従来ブラウン管が大勢を占めていたテレビ用のディスプレイとして液晶表示素子が用いられるようになっている。このような液晶表示素子の大画面化に伴い、従来主に用いられてきたツイステッドネマチック（ＴＮ）表示方式では不十分であったコントラストとその視野角特性を向上させるため、ＴＮ表示方式とは異なる表示方式を用いた液晶表示素子が提案され、大画面液晶テレビの表示方式としてＴＮ表示方式に代わって用いられている。

上記のようなコントラストとその視野角特性を改善するための液晶表示素子の表示方式としては、例えば特開平６−１６０８７８号に示されたインプレーンスイッチング（IPSあるいは横電界）表示方式や、特開平１１−２４２２２５号に示されたマルチドメインバーチカルアライメント（ＭＶＡ）表示方式がある。前者のＩＰＳ方式に於いては、液晶層を挟む基板表面に水平配向処理を施すことにより、電界無印加時の液晶パネルをほぼ水平ホモジニアス配向状態とし、この状態を暗（黒）表示として用いる。後者のＭＶＡ方式では、垂直配向処理を施した基板を用い、電界無印加時の液晶パネルをほぼホメオトロピック（垂直）配向状態として暗表示を行う。さらにこれらのＩＰＳ（横電界）方式とＭＶＡ方式の中間的な方式として、横電界と垂直配向とを組み合わせたものが、下記特許文献１および特許文献２に開示されている。なお、現在大画面液晶テレビの表示方式としては用いられていないが、２色性色素が含有された液晶を用い偏光子を除いた、いわゆるゲスト・ホスト表示モードにおいて高コントラストを実現する技術として、特開平１４−182228号が開示されている。

特開平１１−２４０６８号 特開２０００−２４１８１６

しかしながら、大画面液晶テレビへの応用を考えた場合、上記した２つの従来技術
（ＩＰＳ方式およびＭＶＡ方式）の双方共にそれぞれ特有の課題がある。

ＩＰＳ方式においては、上述のように、液晶層を挟む基板表面に水平配向処理を施すことにより、電界無印加時の液晶パネルをほぼホモジニアス配向状態とし、互いに偏光透過軸を直交させた一組の偏光板の一方の偏光透過軸を上記基板表面の水平配向方向と一致させることにより、このホモジニアス配向状態を暗（黒）表示として用いる。したがって、上記の偏光板の偏光透過軸と基板表面の配向方向に軸ずれがあると光漏れが生じ、黒表示輝度が浮き上がり、コントラストが低下する。同様に、液晶層を挟む二枚の基板表面の水平配向方向が軸ずれをおこしても光漏れが生じる。このことから、得られる黒表示輝度の下限が上記の軸合わせ精度に左右され、低黒表示輝度で高い正面コントラストのパネルの製造が困難という問題点がある。

ＭＶＡ方式では、２枚の互いに直交させた偏光板を用いる点はＩＰＳ方式と同じであるが、基板表面に垂直配向処理を施し、電界無印加時の液晶パネルをほぼホメオトロピック（垂直）配向状態として暗（黒）表示として用いる点が異なる。したがって、ＩＰＳ方式のような液晶の水平配向軸に関連した軸合わせが不要なため、低黒表示輝度で高い正面コントラストのパネルの製造がＩＰＳ方式に比べ容易である。他方、ＭＶＡ方式では、輝度諧調を電界印加による液晶分子配向の初期垂直配向からの傾き（極角チルト）で制御することから、パネル正面から極角方向に傾いた斜め方向から見たときの輝度変化の階調依存性が、初期水平配向からの面内ツイスト制御により階調制御を行うＩＰＳ方式に比べて原理的に大きくなってしまう。この輝度の極角視角依存性が階調により大きく異なることから、ＭＶＡ方式では肌色などのＲＧＢの混色比が不均一な中間色の極角視角による色シフトがＩＰＳ方式に比べて大きいと言う問題点が有る。

また従来技術において挙げた、特開平１１−２４０６８号において開示されている横電界と垂直配向とを組み合わせた方式においては、ＩＰＳ方式と同じく片側基板にのみ横電界を発生する１対の櫛歯電極を供えた電極構成に、単純に垂直配向処理した２枚の基板を組み合わせてホメオトロピック配向により無電界黒表示を行う構成となっていることから、低黒表示輝度で高い正面コントラストが得られる反面、（液晶組成物の誘電異方性が正・負いずれでも）ＭＶＡ方式と同じ極角チルト制御による階調表示であることから視野極角色シフトについてはＩＰＳ方式に対し大きく劣る。

さらに、上記に類似の技術として、横電界を発生させる対をなす櫛歯電極を、片側基板だけではなく液晶層を挟む双方の基板に備えた技術が特開２０００−２４１８１６号に開示されている。この技術は、それぞれの基板の櫛歯電極対によって発生する電界の基板面内成分が直交するように配置し、これに誘電異方性が正の液晶組成物を組み合わせ、液晶分子を電界印加により一般的なＭＶＡ方式と同様の４つのドメインから成る上下左右対称な分子配向とすることでシングルドメインのＩＰＳ方式における視角方位角による色シフトを低減するものである。この技術では構成上多少のツイストを有する液晶分子配向となるが、偏光板の偏光透過軸を上記の二対の櫛歯電極により形成される横電界方向に対して４５度の方向に設定した複屈折効果による表示を利用していることからも明らかなように、上記のツイスト変形を積極的に利用するものではなく、４ドメインＩＰＳ方式を実現するための技術と考えられる。

以上のように、従来技術においては、液晶テレビのような高いコントラストと低視野角色シフトが必要となる用途において、それらを両立した液晶表示素子を製造歩留まり高く提供することが困難であった。

上記課題である高コントラストと低視角色シフトを両立するには、ＭＶＡ方式と同様に、高コントラスト化に有利な垂直配向による無電界暗（黒）表示を行い、かつ電界印加時の液晶配向においてツイスト変形を積極的に主たる配向変化として利用し、輝度階調を
ＴＮ方式と同様の面内ツイスト角制御による旋光性の制御を主に用いた階調制御手段を用いれば良い。

これを実現するために、本願では以下の手段を用いる。

本願発明の一の手段として、一対の基板と、該一対の基板間に配置される液晶層と、前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板と、を有し、前記液晶層は誘電異方性が負であり、前記一対の基板のそれぞれに櫛歯状の電極が形成され、かつ前記一対の基板のそれぞれにベタ状の電極が形成される液晶表示装置、又は液晶表示パネルの構成をとる。

ここで、ベタ状の電極（プレーン電極）は画素内に一面に形成された電極をいう。また、櫛歯状の電極（フィンガー電極）は、一面に形成された電極にスリットが入る形状の電極、若しくは、細長い電極が複数本並んだ形状の電極をいう。

また、前記一対の基板のそれぞれに形成されたベタ状の電極は、前記一対の基板のそれぞれに形成された櫛歯状の電極と電気的に接続される構成をとる。また、前記櫛歯状の電極又はベタ状の電極の少なくとも一部が透明電極である構成をとる。また、前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板の偏光透過軸が互いにほぼ直交するように配置されている構成をとる。また、前記一対の基板のそれぞれに形成された櫛歯状の電極は、互いに櫛歯の方向がほぼ直交するように配置されている構成をとる。また、前記液晶層における液晶分子の配向は電圧無印加時に前記一対の基板に対してほぼ垂直の方向に配向する構成をとる。

本願発明の他の手段としては、一対の基板と、該一対の基板間に配置される液晶層と、前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板と、を有し、前記液晶層は誘電異方性が負であり、前記一対の基板のそれぞれに櫛歯状の電極が形成され、かつ前記一対の基板の一方にベタ状の電極が形成される液晶表示装置の構成をとる。また、一対の基板と、該一対の基板間に配置される液晶層と、前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板と、を有し、前記液晶層は誘電異方性が負であり、前記一対の基板のそれぞれに櫛歯状のみ電極が形成される液晶表示装置の構成をとる。

本発明によれば、高いコントラストと低視野角色シフトを両立した液晶テレビ用途に適した液晶表示素子を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す液晶表示素子の構成を示す図である。

基板として、厚みが０.７mm の透明なガラス基板を２枚用いた。これらの基板のうち一方の基板１０１上に、薄膜トランジスタおよび配線電極を形成した。なお、薄膜トランジスタおよび配線電極からなるマトリクス素子は、一般的なアクティブ・マトリクス駆動ができるものであれば何でも良く、その製法は本発明の骨子には関係しないので記述は省略する。次に、その上層にベタ状の電極３０１を、ＩＴＯ（インジウムチンオキサイド）からなる透明導電層として形成し、さらにその上層に窒化シリコンからなる絶縁層２０１を形成した。本実施例では、ＩＴＯからなるベタ状の電極３０１および絶縁層２０１の膜厚は、それぞれ７７ｎｍおよび５００ｎｍとした。

次に、絶縁層２０１の上に、櫛歯状の電極３０２を膜厚７７ｎｍのＩＴＯ櫛歯電極としてパターン化して形成した。櫛歯状の電極３０２の電極幅および電極間隔は共に５μｍである。さらに特に図示していないが、基板１０１の最表面には垂直配向膜材料として、長鎖アルキル基を側鎖に持つ化合物を主成分とした高分子材料である、日本合成ゴム社製
ＪＡＬＳ−２０４を用い、その溶液を印刷・塗布した後、１８０度１時間の加熱焼成により膜厚約８０ｎｍの垂直配向膜を形成した。

他方の基板１０２には、図示されていないがカラーフィルタなどを形成した後、基板
１０１と同様に、ベタ状の電極３０３，絶縁層２０２，櫛歯状の電極３０４の積層構造を形成した。基板１０２の最表面にも基板１０１と同様にして垂直配向膜を形成した。

次に、これらの２枚の基板をそれぞれの液晶配向能を有する表面どうしを相対向させて、スペーサーと周辺部のシール剤とを介在させてセルを組み立てた。

この液晶セルの基板間に、誘電異方性がΔεが負でその値が−４.１ （１ｋＨｚ，２０℃）であり、屈折率異方性Δｎが０.０８２１（波長５９０ｎｍ,２０℃）のネマチック液晶材料（メルク社製ＭＬＣ−２０３９）を真空で封入し、紫外線硬化型樹脂からなる封止剤で封止して液晶パネルを製作した。この時液晶層４０１の厚み（ギャップ）は、上記のスペーサーにより、液晶封入状態で４.０μｍ となるように調節した。したがって製作したパネルの液晶層４０１のリダデーション（Δｎｄ）は、約０.３３μｍとなる。

次に、このパネルを図１に示すように２枚の偏光板６０１，６０２（日東電工社製
ＳＥＧ１２２４ＤＵ）および光学位相補償板５０１で挟み、一方の偏光板の偏光透過軸を他方のそれに直交させるように配置した。光学位相補償板５０１は、そのリタデーションを上述の液晶層４０１のそれに合わせて、屈折率が（図１中の座標系ｘｙｚにおいて）
ｎｘ＝ｎｙ＝ｎｚ＋０.３３μｍとなるように設定した異方性光学フィルムを用いた。

次に、上記ベタ状の電極３０１,３０３、櫛歯状の電極３０２,３０４に駆動電圧ＡＣＶが加わるように駆動回路を接続した。本実施例では、ベタ状の電極３０１と櫛歯状の電極３０２との間に電位差を加えるよう駆動回路を接続し、またベタ状の電極３０３と櫛歯状の電極３０４との間に電位差を加えるよう駆動回路を接続した。さらに、ベタ状の電極
３０１と電極３０３との間に電位差を加えるよう駆動回路を接続し、また櫛歯状の電極
３０２と電極３０４との間に電位差を加えるよう駆動回路を接続した。その後、バックライトなどを接続したモジュール化し、液晶表示装置を得た。

以上の構成を採ることにより、本願発明の目的を達成することができる。

即ち、本実施例では、まず背景技術にある特開２０００−２４１８１６号で用いられているＩＰＳ方式に類似した櫛歯電極対と正の誘電異方性の液晶ではなく、ベタ透明電極の上に櫛歯透明電極を絶縁層を介して積層した、いわゆるフィンガー・オン・プレーン
（ＦＯＰ）電極（Ｉ−Ｗ.Ｗｕ ら、インターナショナル・ディスプレイ・ワークショップ‘９９，ＦＭＣ６−２，３８３ｐ）を用い、さらに液晶材料として誘電異方性が負の液晶を用いる。

上記の液晶層を挟む二枚の基板それぞれに設けられたＦＯＰ電極対において、各々それぞれ櫛歯(フィンガー)電極とベタ（プレーン）電極の間に電位差が加えられ、これにより二枚の基板それぞれの櫛歯電極端部にフリンジ電界を発生させる。さらに上下二枚の基板それぞれのＦＯＰ電極間にも、上基板のベタ電極３０３と下基板のベタ電極３０１および、上基板の櫛歯電極３０４と下基板の櫛歯電極３０２間で電位差を加えることにより、上下ＦＯＰ電極間で縦方向の電界を発生させる。ここで、縦電界とは、基板１０１，１０２に対しほぼ垂直な方向の電界であり、図１中のｚ（縦）方向の電界を意味する。

本実施例では、上記の電極群およびそれらへの電位差の与え方を前提として、さらに負の誘電異方性の液晶材料を組み合わせ、後者の上下ＦＯＰ電極間の電位差によりセル全域で発生させられる縦電界成分により、電界印加により液晶分子を初期垂直配向からセル全域でチルトさせ、水平配向に近い状態にすみやかに導くことが出来る。同時に上下基板のＦＯＰ電極の櫛歯電極長手方向を直交させることにより、上述のフリンジ電界の横（基板面内）電界成分の方向も直交することから、液晶分子配向は、電界印加により初期垂直配向から上下で直交する方向にチルトするため、結果的に上下基板間でほぼ９０度ツイストした水平配向状態へと遷移する。

上記において双方の基板上の電極群は、それらへの電圧印加により、液晶層を挟む一対の基板上の電極間に、基板面にほぼ垂直な電界と基板面内方向成分を有する電界とを同時に発生させることにより、液晶層の液晶分子が初期無電界時のほぼ垂直配向から前記電圧印加により基板間でほぼ９０度ツイストしながらチルトさせる手段として設けられている。

その結果として、この面内ツイスト角制御による階調制御が、ＴＮ方式に類似した旋光モードにより主として行われるため、ＩＰＳ方式における主として複屈折モードによる階調制御に比べ、液晶層の厚みの製造ばらつきに対する電気光学特性の変化がより小さくなる。

本実施例では、ＩＰＳ方式の櫛歯電極対を用いた場合に比べ、発生する電界が基板近傍により局在することから、上述の電界印加により発生する基板間の９０度ツイストが上述の旋光モードに有利なより理想的なツイスト変形となる。

なお、図１の各電極と駆動電圧源との接続は、上記のように液晶層を挟む電極間で縦電界、それぞれの基板単独の電極間で横電界成分を含む電界を液晶に同時に印加出来るものであればその接続方法は上記の実施例に特に限定されるものではない。

この第１実施例の液晶表示素子はノーマリクローズ型表示素子構成であり、電圧無印加時に低光透過状態（いわゆる暗表示）が得られた。次に図１に示すように電極間に周波数１ｋＨｚの５Ｖｐｐ交流電圧を加えることにより、高光透過状態（いわゆる明表示）が得られた。ミノルタ社製の液晶視野角測定装置ＣＶ−１０００を用いて、本実施例の液晶表示素子のコントラストを測定したところ、正面コントラストとして８９０：１、その視野角特性として、上下１６０度，左右１６０度の全域でコントラスト比が１０：１以上で、かつ階調反転のない広視野角特性が得られた。目視による画質検査においても、斜め方向から見ても表示色の大きな変化も見られず、均一性の高い表示が得られた。

さらにγ特性の視角依存性を測定し、対応するＩＰＳ方式の液晶表示素子の測定結果と、代表点として視角方向としてパネル法線方向からの極角６０度で、方位方向をパネル左右水平および上下垂直方向から見た場合の視野角によるγ特性のシフトを比較して見たが、ほぼ同等のシフトとなっており、ＭＶＡ方式より大幅に低減されている事を確認した。

以上の実施例のように本発明によれば、高いコントラストと低視野角色シフトを両立した液晶テレビ用途に適した液晶表示素子を提供することが可能となる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

本実施例の液晶表示装置では、上記実施例１における上部基板に配置されたベタ状の電極が省略される点で異なる。従って、図２に示すように一対の基板のうち基板１０１にはベタ状の電極３０１，絶縁層２０１，櫛歯状の電極３０２の積層構造が形成されるのに対し、基板１０２には櫛歯状の電極３０４が形成されることとなる。

図２において、ベタ状の電極３０１と櫛歯状の電極３０２、及び櫛歯状の電極３０２と電極３０４との間に電位差を加えるよう駆動回路を接続する。

この電極構造により上記実施例１で説明したように、ベタ状の電極３０１と櫛歯状の電極３０２との間に駆動電圧をかけることにより液晶層４０１にフリンジ電界を印加することが可能となり、また櫛歯状の電極３０２と電極３０４との間に駆動電圧をかけることにより液晶層４０１に縦電界を印加することが可能となる。

櫛歯電極３０４のみとした側においては、フリンジ電界成分は櫛歯状のスリット部分での電界のゆがみにより発生する。

本実施例においても、第１実施例と同様の視野角測定により、第１実施例とほぼ同じ高いコントラストと低視野角色シフト特性が得られた。

次に、本発明の第３実施例について説明する。

上記の第２実施例において、基板１０１側のベタ電極３０１と、付随した絶縁層２０１が省略され、それに伴い駆動電圧源ＡＣＶに各電極が図３のように接続され、さらに液晶組成物をカイラルドーパントとしてメルク社製のＣＢ−１５を、その螺旋ピッチがセルギャップのほぼ１／４となるように組成したものを用いた点でことなる。

従って、図３に示すように双方の基板とも、櫛歯電極３０２，３０４のみが形成され、これらの間に電位差を加えるよう駆動回路を接続する。

この場合には双方の基板でフリンジ電界成分がスリット部の電界のゆがみにより受動的に発生させるため、基板間でほぼ９０度ツイストの発生を補助する手段として液晶組成物としてカイラル材を添加したものを用いる。

本実施例においても、第１実施例と同様の視野角測定により、第１実施例とほぼ同じ高いコントラストと低視野角色シフト特性が得られた。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨にもとづいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の第１実施例を示す液晶表示素子の構成を示す図である。 本発明の第２実施例を示す液晶表示素子の構成を示す図である。 本発明の第３実施例を示す液晶表示素子の構成を示す図である。

符号の説明

１０１，１０２…基板、２０１，２０２…絶縁層、３０１，３０３…ベタ状の電極、
３０２，３０４…櫛歯状の電極、４０１…液晶層、５０１…光学位相補償板、６０１，
６０２…偏光板。

Claims (19)

1. 一対の基板と、
   該一対の基板間に配置される液晶層と、
   前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板と、
   を有し、
   前記液晶層は誘電異方性が負であり、
   前記一対の基板のそれぞれに櫛歯状の電極が形成され、
   かつ前記一対の基板のそれぞれにベタ状の電極が形成される液晶表示装置。
2. 前記一対の基板のそれぞれに形成されたベタ状の電極は、前記一対の基板のそれぞれに形成された櫛歯状の電極と電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記櫛歯状の電極又はベタ状の電極の少なくとも一部が透明電極で構成されることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
4. 前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板の偏光透過軸が互いにほぼ直交するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
5. 前記一対の基板のそれぞれに形成された櫛歯状の電極は、互いに櫛歯の方向がほぼ直交するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
6. 前記液晶層における液晶分子の配向は電圧無印加時に前記一対の基板に対してほぼ垂直の方向に配向することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
7. 一対の基板と、
   該一対の基板間に配置される液晶層と、
   前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板と、
   を有し、
   前記液晶層は誘電異方性が負であり、
   前記一対の基板のそれぞれに櫛歯状の電極が形成され、
   かつ前記一対の基板の一方にベタ状の電極が形成される液晶表示装置。
8. 前記一対の基板の一方に形成されたベタ状の電極は、前記一対の基板のそれぞれに形成された櫛歯状の電極と電気的に接続されることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
9. 前記櫛歯状の電極又はベタ状の電極の少なくとも一部が透明電極で構成されることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
10. 前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板の偏光透過軸が互いにほぼ直交するように配置されていることを特徴とする請求項７記載の液晶表示装置。
11. 前記一対の基板のそれぞれに形成された櫛歯状の電極は、互いに櫛歯の方向がほぼ直交するように配置されていることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
12. 前記液晶層における液晶分子の配向は電圧無印加時に前記一対の基板に対してほぼ垂直の方向に配向することを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
13. 一対の基板と、
    該一対の基板間に配置される液晶層と、
    前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板と、
    を有し、
    前記液晶層は誘電異方性が負であり、
    前記一対の基板のそれぞれに櫛歯状の電極が形成される液晶表示装置。
14. 前記櫛歯状の電極の少なくとも一部が透明電極で構成されることを特徴とする請求項
    １３に記載の液晶表示装置。
15. 前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板の偏光透過軸が互いにほぼ直交するように配置されていることを特徴とする請求項１３記載の液晶表示装置。
16. 前記一対の基板のそれぞれに形成された櫛歯状の電極は、互いに櫛歯の方向がほぼ直交するように配置されていることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
17. 前記液晶層における液晶分子の配向は電圧無印加時に前記一対の基板に対してほぼ垂直の方向に配向することを特徴とする請求項１３に記載の液晶表示装置。
18. 一対の基板と、
    該一対の基板間に配置される液晶層と、
    該液晶層に接する配向制御膜と、
    前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板と、
    を有し、
    前記液晶層は誘電異方性が負であり、
    前記一対の基板のそれぞれに櫛歯状の電極が形成され、
    かつ前記一対の基板のそれぞれにベタ状の電極が形成される液晶表示パネル。
19. 一対の基板と、
    該一対の基板間に配置される液晶層と、
    前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板と、
    を有し、
    前記液晶層は誘電異方性が負であり、
    前記液晶層に、前記基板に対しほぼ垂直な方向の電界と、前記基板に対しほぼ平行な方向の電界とを印加する構成を採る液晶表示装置。
    
    

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