JP2007183300A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】横電界方式液晶表示装置において、プレチルト角による特性のばらつきを抑制することである。
【解決手段】従来の一般的な配向膜３３，３７を用いる場合、ガラス基板２２，２４の面内において、液晶分子１７は、ラビング方向５４，５５と平行な方向の配向方向５６を有する。そして、液晶パネルの断面図において、液晶分子１７は、ガラス基板２２，２４の平面に対し、プレチルト角θをなす。配向膜としてＶＲ配向膜３４，３８を用いる場合、ガラス基板の面内において、液晶分子１７は、ラビング方向５４，５５と直交する方向の配向方向５８を有する。そして、液晶パネルの断面図において、液晶分子１７がガラス基板２２，２４の平面に対してなす角度は０°である。つまりプレチルト角が０°である。
【選択図】図３

Description

本発明は、液晶表示装置に係り、特に、互いに対向する一対の基板間に液晶が挟持され、液晶は共通電極と画素電極とで発生する横電界により駆動される液晶表示装置に関する。

一般に、テレビ、グラフィックディスプレイ等の表示装置を構成する液晶表示装置には、主としてアクティブマトリクス型で、縦電界により駆動される方式が用いられる。すなわち、この方式の液晶表示装置は、透明な一対のガラス基板と、このガラス基板の間に封入された液晶とから構成され、このガラス基板のうち、少なくとも一つのガラス基板には、薄膜トランジスタと画素電極が形成され、他方のガラス基板にはカラーフィルタと共通電極が形成される。また、これらの素子あるいは膜等が形成された双方のガラス基板の最上層、つまり液晶に直接対向する面には、ラビングによって液晶の配向方向を規制するプレチルト角がついた配向膜が設けられる。そして、液晶は、駆動回路によって、一方側のガラス基板上の画素電極と、他方側のガラス基板上の共通電極との間に発生する電界、すなわち、ガラス基板の面内方向を横方向として、これに垂直な縦方向の電界によって駆動される。

液晶表示装置については、高精細化、小型化、そして広視野角化が要求される。そして、近年、広視野角化を図る手段の１つとして、ガラス基板に対して面内方向の電界、すなわち横電界を発生させ、この横電界で液晶分子を基板に平行な面内で回転させることで透過率を変化させる光スイッチング機能を持たせる方式の技術が実用化されている。

例えば、特許文献１では、ガラス基板の面に平行な平行場を利用したＩＰＳモード（Ｉｎ Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ）の液晶表示素子について述べられており、また、特許文献２では、ＩＰＳ技術をさらに改良したＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ−Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）技術を用いて開口率を向上させる液晶表示装置が述べられている。ここで、ＦＦＳ技術では、共通電極の上に絶縁層を介して画素電極を配置し、画素電極にスリットを設け、そのスリットを利用することで、画素電極から共通電極へ向かう電界を発生させている。この電界は、横方向電界と共に電極の縁の近傍で基板に垂直な方向にも強い電界成分を有しており、このことで、電極上方に位置する液晶分子も駆動することができる。したがって、透明電極を用いれば、電極部分も表示に寄与させることができて、開口率が向上することになる。

特開平１０−６２７６７号公報 特開２００２−２９６６１１号公報

上記のように、横電界方式を用いることは、液晶表示装置において広視野角化等を実現することができるので、有用である。

また、液晶表示装置の一対のガラス基板には、ラビングによってプレチルト角が付けられた配向膜が設けられる。配向膜としては、例えばポリイミド等の有機膜をラビングして液晶の配向を規制する液晶向方向を有するようにしたものが用いられる。一般的に、ラビング方向と、液晶配向方向とは同じであり、プレチルト角とは、その方向に沿って、ガラス基板から上方に向かってガラス基板となす角度である。このプレチルト角は、有機膜をラビングすることで生じるので、ラビング条件等によりばらつくことがあり、そのばらつきのために表示性能に影響を与えることがある。

横電界方式を用いる液晶表示装置においては、液晶分子をガラス基板に平行な面内で回転させることにより透過率を制御する。したがって、ガラス基板から上方に向かって配向方向が角度付けられる必要はない。一般的な配向膜ではプレチルト角そのものが有用であり、その範囲のばらつきをどのように抑制するかが課題であるが、横電界方式を用いる液晶表示装置では、プレチルト角そのものが必要なく、かえってプレチルト角が付けられると、その角度のばらつきによって表示性能が左右されることが生じうる。

本発明の目的は、プレチルト角による特性のばらつきを抑制できる横電界方式液晶表示装置を提供することである。

本発明に係る液晶表示装置は、液晶の物性定数を求める際に、プレチルト角の影響をなくすために特別の配向特性を有する膜を用いて行った実験を思い出し、その特別の配向膜を、横電界方式の液晶表示装置の配向膜として利用できないか、と想到したことに基づくものである。その実験の内容は、小間等，「ＶＲ配向膜による液晶物性定数の精密測定」，１９９８年日本液晶学会討論会講演予稿集，日本液晶学会，１９９８年１０月１３日，ｐ４９８−４９９に述べられている。そこでは、ＶＲ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｏ Ｒｕｂｂｉｎｇ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）配向膜として、ラビング方向と液晶配向方向とが直交するタイプの配向膜で、その対称性からプレチルト角が０°になるものとして紹介されている。その実験ではポリイミド系のＶＲ配向膜を用い、プレチルト角の影響のない条件の下で液晶のＣ−Ｖ特性を測定し、液晶の弾性定数比、誘電率比を決定したことが述べられている。この実験は液晶の物性特性測定であるので、液晶の駆動方式には関係がない。

本発明に係る液晶表示装置は、このＶＲ配向膜を、横電界を用いる場合の配向膜として利用するものである。

本発明に係る液晶表示装置は、互いに対向する一対の基板間に液晶が挟持され、前記液晶は第１電極と第２電極とで発生する横電界により駆動される液晶表示装置であって、前記一対の基板の少なくとも一方は、前記液晶のプレチルト角が０°であることを特徴とする。

また、本発明に係る液晶表示装置は、互いに対向する一対の基板間に液晶が挟持され、前記液晶は第１電極と第２電極とで発生する横電界により駆動される液晶表示装置であって、前記一対の基板の少なくとも一方は、ラビング方向と液晶配向方向とが直交する特性を有する配向膜を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る液晶表示装置は、互いに対向する一対の基板間に液晶が挟持され、前記液晶は第１電極と第２電極とで発生する横電界により駆動される液晶表示装置であって、前記一対の基板の少なくとも一方は、前記第１電極と、前記第１電極の上に積層された絶縁層と、前記絶縁層の上に積層され、所定開口寸法を有する電極開口部が複数配置される前記第２電極と、前記第２電極の上に配置される配向膜と、を備え、前記配向膜は、ラビング方向と液晶配向方向とが直交する特性を有することを特徴とする。

また、前記第１電極及び前記第２電極は、それぞれ透明電極であることが好ましい。

また、本発明に係る液晶表示装置において、前記第１電極は複数の画素に共通の共通電極であり、前記第２電極は前記各画素ごとの画素電極であることが好ましい。

また、本発明に係る液晶表示装置において、マトリクス状に配置され、それぞれ画素電極を有する複数の画素と、前記各画素ごとにそれぞれ設けられる複数のスイッチング素子と、を備えることが好ましい。

上記構成の少なくとも１つにより、横電界方式を用いる液晶表示装置は、一対の基板の少なくとも一方は、液晶のプレチルト角が０°である。したがって、プレチルト角による特性のばらつきが生じない。

上記構成の少なくとも１つにより、横電界方式を用いる液晶表示装置は、一対の基板の少なくとも一方が、ラビング方向と液晶配向方向とが直交する特性を有する配向膜を備える。プレチルト角はラビング方向に沿って付くので、液晶配向方向がラビング方向と直交するときはプレチルト角が付かないことになる。したがって、プレチルト角による特性のばらつきを抑制できる。

また、上記構成の少なくとも１つにより、横電界方式を用いる液晶表示装置の中で、第１電極の上に絶縁層を介して第２電極が配置され、第２電極には所定開口寸法を有する電極開口部が複数配置される方式、すなわちＦＦＳ技術を用いる液晶表示装置において、ラビング方向と液晶配向方向とが直交する特性を有する配向膜を備える。プレチルト角はラビング方向に沿って付くので、液晶配向方向がラビング方向と直交するときはプレチルト角が付かないことになる。したがって、ＦＦＳ技術を用いる液晶表示装置においてプレチルト角による特性のばらつきを抑制できる。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下において、液晶表示装置は、アクティブマトリククス方式で、ＦＦＳ技術を用いるものとして説明するが、ＩＰＳ方式を含む横電界方式の液晶表示装置であってもよい。また、アクティブマトリクス方式を用いるものとして説明するが、それ以外の方式、たとえばパッシブマトリクス方式の液晶表示装置に拡大して以下の実施形態を変形して実施できる。また、スイッチング素子として、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いるものとして説明するが、それ以外のスイッチング素子、例えばダイオード素子等を用いるものであってもよい。また、以下において、各電極は透明電極として説明するが、開口率について実用上問題がなければ、透明電極以外の金属電極であってもよい。また、駆動電界は共通電極と画素電極との間に形成されるものとして説明するが、一般的に２つの電極の間で駆動電界が形成されればよく、電極の種類によらない。また、以下で説明する寸法等は１例であって、それ以外の寸法等であってもよい。

図１は、プレチルト角による特性のばらつきを抑制できるＦＦＳ方式液晶表示装置１０の構成模式図である。液晶表示装置１０は、表示制御部１２と、表示パネル１４等から構成される。表示制御部１２は、表示パネル１４に所望の表示をさせるための制御回路及び駆動回路等を含む回路である。なお、表示制御部１２を構成する回路の一部を表示パネル１４に組み込むこともできる。

表示パネル１４は、一対のガラス基板２２，２４の間に液晶１６を挟みこんで封止した形態を取る素子であり、各ガラス基板２２，２４に液晶表示に必要な複数のスイッチング素子や複数の画素がマトリクス状に配置されるアクティブマトリクス方式の液晶表示パネルである。図１において下側のガラス基板２４には、ＴＦＴ形成層２６、共通電極層２８、絶縁層３０、画素電極層３２、配向膜３４等が順次積層される。この積層構造の詳細は後述する。また、上側のガラス基板２２には、カラーフィルタ３６、配向膜３８等が積層される。ここで、液晶１６は、対向する配向膜３４，３８の間に封止されて配置される。この積層形態は、１例であって、それ以外の積層要素を含んでもよく、また積層順序を液晶表示の方式あるいは用途に応じ変更してもよい。ここで、ＦＦＳ方式においてプレチルト角による特性のばらつきを抑制するための構造は、下側のガラス基板２４に積層されるＡ部にあるので、以下にその内容を詳細に説明する。

各積層要素が積層された状態の下側ガラス基板２４の詳細な上面図と断面図とをそれぞれ図２（ａ），（ｂ）に示す。なお、図２では、おおよそ１画素分の範囲が図示されている。図１と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

下側ガラス基板２４は、液晶パネル用に適した成分と温度特性等を有するガラス板である。下側ガラス基板２４とＴＦＴ形成層２６との間のバッファ層２５は、ガラス基板２４上に半導体層を含むＴＦＴ形成層２６を密着性よく形成し、不純物の拡散を防止する等のために設けられる。

ＴＦＴ形成層２６は、画素ごとにＴＦＴ素子４０を作りこむための半導体層及びゲート絶縁膜層等からなる。半導体層は、低温ポリシリコン層、高温ポリシリコン層、アモルファスシリコン層等を用いることができ、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術等の薄膜堆積技術と、レーザアニール等の熱処理技術等を用いて形成することができる。ゲート絶縁膜層は、ＣＶＤ法等による酸化膜、窒化膜あるいはそれらを組み合わせた複合絶縁膜等を用いることができる。

ＴＦＴ素子４０は、ＴＦＴ形成層２６の半導体層において、ソース、ドレイン、およびその間のチャネル領域が作りこまれ、チャネル領域の上にはゲート絶縁膜を挟んでゲート電極４２が形成されて構成される。ソースからは画素電極層３２に接続されるソース端子が引き出され、ドレインからはデータライン４４に接続されるドレイン端子が引き出される。なお、ドレインとソースは互換性がある構造で、ここでは、画素電極層３２に接続される側をソースとしたが、これをドレインと呼ぶことも構わない。

ＴＦＴ形成層２６と共通電極層２８との間の層間絶縁膜２７は、主として、ＴＦＴ形成層２６を保護し、その上部に積層される電極層との間の分離を図る機能を有する層で、例えば、ＣＶＤ法によって堆積される酸化膜や窒化膜等の無機絶縁膜、あるいは有機絶縁膜を用いることができる。また、層間絶縁膜２７を多層構造として、配線層が中間に設けられ、さらに、ＴＦＴ形成層２６の中のＴＦＴ素子４０の各端子を、配線層や電極層に接続するコンタクトホールが縦方向に設けられる。図２（ｂ）においては、ＴＦＴ素子４０のドレイン端子からのデータライン４４、ソース端子から画素電極層３２へのコンタクトホール４６、コモン配線から共通電極層２８へのコンタクトホール４８等が図示されている。

共通電極層２８は、層間絶縁膜２７の上に配置される透明電極膜で、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）膜等で形成することができる。共通電極層２８はマトリクス状に配置される複数の画素に共通の電極層である。図２（ｂ）においては、共通電極層２８の上部に配置される画素電極に通じるコンタクトホール４６のために、一部、共通電極層２８に開口が設けられる様子が示されるが、それらの例外を除けば、共通電極層２８は、１つの画素について、画素電極全面に対向される。

絶縁層３０は、共通電極層２８と、画素電極層３２との間に配置され、これらの間の分離を図る機能と共に、回路的にはこれら２つの電極層に挟まれて構成される容量素子を形成する機能を有する。この容量素子は、回路的に液晶１６の容量成分と並列に配置されるので、いわゆる保持容量として働く。

画素電極層３２は、絶縁層３０を挟んで共通電極層２８の上部に配置される透明電極膜で、ＩＴＯ膜等で形成することができる。画素電極層３２は、コンタクトホール４６によってＴＦＴ素子４０のソース端子に接続される。ここで、ＦＦＳ方式において液晶分子に横方向電界を与えるために、画素電極層３２には複数のスリット状の開口部が設けられる。後に述べる絶縁層３０の開口と区別するために、画素電極層３２における開口部を、電極開口部５０と呼ぶことができる。その様子は図２（ａ）の上面図に示されている。ここでは、１つの画素の画素電極に１１の細長いスリット状の電極開口部５０が設けられる。

画素電極層３２の上部には、図２（ａ）に破線で示すラビング方向５４でラビングされた配向膜３４が全面に配置される。なお、上側のガラス基板２２の配向膜３８のラビング方向５５も、図２（ａ）の実線に示すように、下側のガラス基板２４の配向膜３４のラビング方向５４と同じ向きである。これらのラビング方向５４，５５は、電極開口部５０の長手方向と０°より大きく４５°以下の角度を持つことが好ましい。また、図示されていないが、一対の基板と接しない両側には、偏光板が配置されており、各々の偏光板の透過軸は互いに９０°の角度をなし、ラビング方向とは０°または９０°の角度をなす。

この配向膜３４は、図２に示すように、ラビング方向５４，５５と液晶配向方向５８とが直交する特性を有する特別な配向膜である。この配向膜を、上記の「ＶＲ配向膜による液晶物性定数の精密測定」の文献にちなんで、ＶＲ配向膜と呼ぶことにする。図３に、従来の一般的な配向膜と比較して、ＶＲ配向膜の液晶配向特性の様子を説明する。図３（ａ），（ｂ）は、従来の一般的な配向膜を用いた場合、（ｃ），（ｄ）はＶＲ配向膜を用いた場合のそれぞれにおいて、液晶パネルの断面図とガラス基板に平行な平面図について、液晶分子１７の配向方向５６，５８とラビング方向５４，５５との関係を示す図である。なお、液晶パネルの断面図においては、液晶分子１７の他、ガラス基板２２，２４と配向膜３３，３４，３７，３８のみを示し、他の要素は図示を省略してある。

図３（ａ），（ｂ）に示されるように、従来の一般的な配向膜３３，３７を用いる場合、液晶パネルの平面図において、すなわちガラス基板２２，２４の面内において、液晶分子１７は、ラビング方向５４，５５と平行な方向の配向方向５６を有する。そして、液晶パネルの断面図において、液晶分子１７は、ガラス基板２２，２４の平面に対し、角度θをなす。この角度がいわゆるプレチルト角である。したがって、プレチルト角は、ラビング方向５４，５５に沿って、ガラス基板２２，２４に対して上方に立ち上がる角度のことである。

図３（ｃ），（ｄ）は、ＶＲ配向膜３４，３８を用いる場合であり、この場合には、液晶パネルの平面図において、すなわちガラス基板２２，２４の面内において、液晶分子１７は、ラビング方向５４，５５と直交する方向の配向方向５８を有する。そして、液晶パネルの断面図において、液晶分子１７がガラス基板２２，２４の平面に対してなす角度は０°である。つまりプレチルト角が０°である。

図４は、ＶＲ配向膜の様子を模式的に示す図である。図４に示されるように、模式的に述べれば、ＶＲ配向膜７０は、長手方向に延びることができる軸方向成分７２と、軸方向成分７２が直線的に延ばされたときに、その軸方向に直交する方向に立つ分極成分７４を有する。この分極成分７４が、液晶分子１７と相互作用することで、液晶分子１７が、軸方向に直交する方向に配向すると考えることができる。これによって、配向方向５８がラビング方向５４，５５に直交する。このような軸方向成分７２と分極成分７４の関係を有するものとして、代表的にはポリスチレン等のポリマーが知られている。ちなみに、上記の「ＶＲ配向膜による液晶物性定数の精密測定」の文献においては、ポリイミド系のＶＲ配向膜が用いられている。

このように、液晶の物性特性の測定のために用いられたＶＲ配向膜を、横電界方式の液晶表示装置の配向膜に用いることで、プレチルト角を０°とすることができ、ラビング条件等によるプレチルト角のばらつきに起因する表示特性のばらつきを抑制することができる。

上記構成の液晶表示装置１０の作用について図５を用いて説明する。図５はＦＦＳ方式による電界のかかり方を示す図である。ここでは、液晶分子１７の他、ガラス基板２２，２４、共通電極層２８、絶縁層３０、画素電極層３２、配向膜３４，３８等を示し、その他の要素の図示を省略してある。

上記構成の液晶表示装置１０において、液晶の透過率の相違によって表示を行おうとするときは、表示制御部１２が所望の画素についてゲート電極４２に対応するゲートラインとデータライン４４とを選択し、その画素のスイッチング素子であるＴＦＴ素子４０をオンにする。それによって、共通電極層２８と、その画素の画素電極層３２との間に所定の駆動信号が印加される。その１例として、図５では共通電極層２８にマイナスの電位が印加され、画素電極層３２にプラスの電位が印加される場合が示されている。

図示されるように、画素電極層３２には、複数のスリット状の電極開口部５０が設けられる。この電極開口部５０の作用によって、周知のＦＦＳ方式の原理により、広い視野角の横電界方式で、開口率を向上させることができる。すなわち、共通電極層２８と画素電極層３２との間で発生する電界６０は、ガラス基板２２，２４の面に平行な横方向の電界成分とともに、画素電極層３２の縁部、つまり電極開口部５０の縁部においてガラス基板面に垂直の方向にも強い電界成分を有する。これによって液晶分子１７は、画素電極層３２の間に位置するもののみならず、画素電極層３２の上方に位置するものも、この電界６０によって、ガラス基板の面内で回転駆動され、電極の部分の液晶分子も表示に寄与させることができる。

そして、配向膜３４，３８として、配向方向５８がラビング方向５４，５５に直交するものを用いるので、プレチルト角を０°にでき、プレチルト角による特性のばらつきを抑制することができる。

本発明に係る実施の形態におけるＦＦＳ方式液晶表示装置の構成模式図である。 本発明に係る実施の形態において、各積層要素が積層された状態の下側ガラス基板の詳細な上面図と断面図である。 本発明に係る実施の形態の配向膜であるＶＲ配向膜の液晶配向特性の様子を、従来の一般的な配向膜と比較して説明する図である。 本発明に係る実施の形態の配向膜であるＶＲ配向膜を模式的に示す図である。 本発明に係る実施の形態について、液晶分子に対する電界のかかり方を説明する図である。

符号の説明

１０ 液晶表示装置、１２ 表示制御部、１４ 表示パネル、１６ 液晶、１７ 液晶分子、２２，２４ ガラス基板、２５ バッファ層、２６ ＴＦＴ形成層、２７ 層間絶縁膜、２８ 共通電極層、３０ 絶縁層、３２ 画素電極層、３３，３４，３７，３８ 配向膜、３６ カラーフィルタ、４０ ＴＦＴ素子、４２ ゲート電極、４４ データライン、４６，４８ コンタクトホール、５０ 電極開口部、５４，５５ ラビング方向、５６，５８ 配向方向、６０ 電界、７０ ＶＲ配向膜、７２ 軸方向成分、７４ 分極成分。

Claims (6)

1. 互いに対向する一対の基板間に液晶が挟持され、前記液晶は第１電極と第２電極とで発生する横電界により駆動される液晶表示装置であって、
   前記一対の基板の少なくとも一方は、前記液晶のプレチルト角が０°であることを特徴とする液晶表示装置。
2. 互いに対向する一対の基板間に液晶が挟持され、前記液晶は第１電極と第２電極とで発生する横電界により駆動される液晶表示装置であって、
   前記一対の基板の少なくとも一方は、
   ラビング方向と液晶配向方向とが直交する特性を有する配向膜を備えることを特徴とする液晶表示装置。
3. 互いに対向する一対の基板間に液晶が挟持され、前記液晶は第１電極と第２電極とで発生する横電界により駆動される液晶表示装置であって、
   前記一対の基板の少なくとも一方は、
   前記第１電極と、
   前記第１電極の上に積層された絶縁層と、
   前記絶縁層の上に積層され、所定開口寸法を有する電極開口部が複数配置される前記第２電極と、
   前記第２電極の上に配置される配向膜と、
   を備え、
   前記配向膜は、ラビング方向と液晶配向方向とが直交する特性を有することを特徴とする液晶表示装置。
4. 請求項１から３のいずれか１に記載の液晶表示装置において、
   前記第１電極及び前記第２電極は、それぞれ透明電極であることを特徴とする液晶表示装置。
5. 請求項１から４のいずれか１に記載の液晶表示装置において、
   前記第１電極は複数の画素に共通の共通電極であり、
   前記第２電極は前記各画素ごとの画素電極であることを特徴とする液晶表示装置。
6. 請求項１から５のいずれか１に記載の液晶表示装置において、
   マトリクス状に配置され、それぞれ画素電極を有する複数の画素と、
   前記各画素ごとにそれぞれ設けられる複数のスイッチング素子と、
   を備えることを特徴とする液晶表示装置。

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