JP2007271703A

JP2007271703A - 液晶表示素子

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Publication number: JP2007271703A
Application number: JP2006094191A
Authority: JP
Inventors: Chigusa Tago; 千種多胡; Yuzo Hisatake; 雄三久武
Original assignee: Toshiba Matsushita Display Technology Co Ltd
Current assignee: Japan Display Central Inc
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】写り込みを抑制し、厚みおよび製造コストを抑制しつつ充分な透過性を確保した液晶セルを提供する。
【解決手段】基板６，７の法線方向Ｌに対して、上方向L1へと所定角度傾斜した方向の輝度を、法線方向Ｌに対して上方向L1と対称となる下方向L2へと所定角度傾斜した方向の輝度よりも小さく設定する。ルーバシートなどを用いることなく、上方向L1の輝度のみを絞り込み、上方向L1に位置する例えばフロントガラスなどの反射体への写り込みを抑制しつつ、液晶セル３の厚みおよび製造コストを抑制し、かつ、充分な透過性を確保できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、印加される電圧に対応して基板の法線方向に対する傾斜角度が変化する液晶分子を備えた液晶表示素子に関する。

近年、液晶表示素子は、ノートパソコン、モニタ、カーナビゲーション、関数電卓、中小型テレビジョン、大型テレビジョン、携帯電話、電子手帳など、様々な分野に応用されている。

これら液晶表示素子は、薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)駆動の実現およびインプレーンスイッチングモード(ＩＰＳモード)や垂直配向モードであるマルチバーティカルアラインモード(ＭＶＡモード)などのＥＣＢモード、ワイドビューフィルムを適用することで広い視野角特性および高いコントラスト特性を得ている。

これら液晶表示素子の中で、例えばカーナビゲーションに用いられるものは、昼間の高い照度下でも充分に視認できるように高い輝度特性が求められる反面、夜間の低い照度下で使用する場合、液晶表示素子から出射した光がフロントガラスに写り込む問題がある。

同様の問題は、カーナビゲーションシステムの他、航空機のコックピット用、あるいは船舶用の計測機器、魚群探知機用のディスプレイなどでも発生する。このため、この写り込みを防止するために、液晶表示素子の法線方向より上方位の輝度を極力抑制する構成がある。

すなわち、高い輝度特性を得る手段として、液晶表示素子の高透過率設計(表示モード、カラーフィルタの高透過率化、画素の高開口率設計など)、偏光板の高透過率設計(偏光子の高透過率化、表面の反射防止設計など)、バックライトの高輝度化、高効率化の他に、液晶表示素子とバックライトとの間に位置する偏光板にて吸収される偏光をバックライト方向に反射する偏光反射板を配設する構成が知られており（例えば、特許文献１参照。）、このような高輝度化を図った液晶表示素子の法線方向より上方位の輝度を抑制する手段として、ルーバシートを液晶表示素子とバックライトとの間に配設する構成が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２０００−１４７２５０号公報特開２００５−２７５２６２号公報

しかしながら、上述の液晶表示素子では、ルーバシートに、視野角を充分狭くするためにシート法線方向に数ｍｍ程度の遮光層を設けているため、透過率が充分でないという問題点を有している。また、ルーバシートは、製造工程も複雑で、製造コストの抑制が容易でない。

また、ルーバシートと偏光反射板との双方を用いているため、液晶表示素子の厚みが増大するばかりでなく、製造コストも極めて高くなっている。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、写り込みを抑制し、厚みおよび製造コストを抑制しつつ充分な透過性を確保した液晶表示素子を提供することを目的とする。

本発明は、互いに対向配置された一対の基板と、印加される電圧に対応して前記基板の法線方向に対する傾斜角度が変化する液晶分子を備え、前記基板間に介在された液晶層とを具備したＥＣＢモードの液晶表示素子であって、前記法線方向に対して所定方位へと所定角度傾斜した方向の輝度が、前記法線方向に対して前記所定方位と対称となる対称方位へ所定角度傾斜した方向の輝度よりも小さいものである。

そして、基板の法線方向に対して、所定方位へと所定角度傾斜した方向の輝度を、法線方向に対して所定方位と対称となる対称方位へ所定角度傾斜した方向の輝度よりも小さく設定する。

本発明によれば、例えばルーバシートなどを用いることなく、所定方位の輝度のみを絞り込み、所定方位に位置する例えばフロントガラスなどの反射体への写り込みを抑制しつつ、厚みおよび製造コストを抑制し、かつ、充分な透過性を確保できる。

以下、本発明の第１の実施の形態の液晶表示素子の構成を図面を参照して説明する。

図４に液晶表示装置１を示し、この液晶表示装置１は、面光源装置としてのバックライト２と、液晶表示素子としての液晶セル３と、これらバックライト２と液晶セル３との間に介在されたプリズムシートあるいは拡散シートなどの光学シート４とを備えている。

そして、液晶セル３は、例えばＥＣＢモードとしてのＭＶＡモード型の液晶セルであって、カーナビゲーションシステム、航空機のコックピット用、あるいは船舶用の計測機器、魚群探知機用のディスプレイなど、フロントガラスなどの反射体の下方に配設される表示装置に用いられるものである。そして、この液晶セル３は、図１ないし図３に示すように、基板としてのアクティブマトリクス基板であるアレイ基板６と、このアレイ基板６と対向配置される基板としての対向基板７と、これら基板６，７間に介在される液晶層８とを備え、各基板６，７の間隔が図示しないスペーサにより一定に維持されている。

アレイ基板６は、例えばガラス基板などの四角形板状の透明基板11の一主面上に図示しない所定のアレイ配線と液晶駆動素子としてのスイッチング素子とがマトリクス状に成膜され、これらの上に、カラーフィルタ層、画素電極および配向膜が順次形成されている。また、透明基板11の他主面には、視角補償板12、位相差板としての１／４波長板13、および、偏光板14が順次貼着されている。

アレイ配線は、例えばアルミニウム、モリブデン、および、銅などからなる走査線および信号線などである。

スイッチング素子は、例えば、アモルファスシリコンやポリシリコンを導体層とし、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、アレイ配線の走査線および信号線、ならびに、画素電極などと電気的に接続されている。

この結果、アレイ基板６は、所望の画素電極に対して選択的に電圧を印加することが可能となっている。

また、カラーフィルタ層は、例えば赤(Ｒ)、緑(Ｇ)および青(Ｂ)の着色層で構成され、このカラーフィルタ層には、画素電極とスイッチング素子とを電気的に接続可能なコンタクトホールが設けられている。

さらに、画素電極は、例えばＩＴＯのような透明導電材料で構成されている。この画素電極は、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所定のパターンにパターニングすることで形成されている。

配向膜は、例えば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。なお、本実施の形態では、この配向膜には、ラビング処理を施さずに垂直配向性を付与している。

一方、対向基板７は、例えばガラス基板などの四角形板状の透明基板15を有し、この透明基板15の一主面上に、図示しない共通電極と配向膜とを順次形成して構成されている。これら共通電極および配向膜は、アレイ基板６側の画素電極および配向膜と同様の材料で形成されている。なお、本実施の形態では、共通電極は平坦な連続膜として形成される。また、透明基板の他主面上には、位相差板としての１／４波長板16および偏光板17が順次貼着されている。

また、視角補償板12は、液晶層８の厚み方向における正の位相差の視角特性を打ち消すように、厚み方向における位相差の絶対値が電圧無印加時の液晶層８の厚み方向における位相差と等しい負の位相差板とする。

偏光板14，17は、互いに吸収軸が直交するように配設されている。また、これら偏光板14，17の透過軸は、１／４波長板13，16とのなす角度がπ／４〔rad〕、液晶層８に電圧を印加した際の液晶分子21の傾きの配列方位とのなす角度がπ／４〔rad〕となっている。

そして、液晶層８は、例えば誘電率異方性が負のネマティック液晶材料により形成され、電圧を印加した状態(白表示状態など)で傾斜角度θに傾斜するとともに電圧を印加しない状態(黒表示状態)で基板６，７に対して略垂直に配置される液晶分子21を備えるとともに、内部には、アレイ基板６側から断面視略三角形状の突起23が突設されている。

この突起23は、液晶層８に電圧を印加した際の液晶分子21が、図１および図５に示す法線方向Ｌに対して所定方位、例えば上方向L1と、法線方向Ｌに対して上方向L1と対称方向である対称方位としての下方向L2とに傾斜し、法線方向Ｌに対して上方向２０°での輝度が法線方向Ｌの輝度に対して所定値、例えば１／６以下になるような面積比に表示領域を配向分割領域としての第１配向分割領域25と配向分割領域としての第２配向分割領域26とに２分割する、すなわち配向分割するように設けられている。換言すれば、第１配向分割領域25では、電圧印加時に、法線方向Ｌに対して上方位に液晶分子21が傾斜し、第２配向分割領域26では、電圧印加時に、法線方向Ｌに対して下方位に液晶分子21が傾斜する。なお、液晶層８の表示領域は、任意数の配向分割領域に分割してもよい。

なお、本明細書において、上方位とは、液晶表示装置１を使用する際に液晶表示面を垂直に立てた状態において、上側の方位をいい、下方位とは同様の状態において、下側の方位をいう。また、上方位に液晶分子21が傾斜するとは、液晶分子21の両端部のうち観察面側の端部が他の端部に比べて上方位に位置することをいい、下方位に液晶分子21が傾斜するとは、液晶分子21の両端部のうち観察面側の端部が他の端部に比べて下方位に位置することをいう。

具体的に、ＥＣＢモードにおいて、例えば第１配向分割領域25における液晶層８に電圧を印加して液晶分子21が傾斜した状態では、基板６，７の法線方向Ｌおよび上下方向L1，L2での液晶分子21の垂直方位と水平方位との屈折率差Δｎは、図６(a)ないし図６(c)の屈折率楕円体28a，28b，28cのそれぞれの面積にて示すように、
(上方向のΔｎ)＜(法線方向のΔｎ)＜(下方向のΔｎ)
となる。また、第２配向分割領域26における関係は上式とは逆の関係になる。

さらに、偏光板14，17の吸収軸が直交している場合の液晶層８の透過率Ｔは、
Ｔ＝sin2ψ・sin²{π／λ・Δｎ(θ)・ｄ}……(1)
と表すことができる。ここで、ψは偏光板14，17の吸収軸と液晶分子21の光軸との角度、Δｎ(θ)は液晶分子21の傾斜角度θでの屈折率差、ｄは液晶層８の層厚である。

したがって、本実施の形態の配向分割型のＥＣＢモードである垂直配向モードとしてのＭＶＡモードにおいては、法線方向Ｌに対して上方向２０°から見た場合、第１配向分割領域25の透過率T₁および第２配向分割領域26の透過率T₂を、式(1)からそれぞれ、
T₁＝sin2ψ・sin²{π／λ・Δｎ(θ−20°)・ｄ}……(2)
T₂＝sin2ψ・sin²{π／λ・Δｎ(θ＋20°)・ｄ}……(3)
と表すことができ、第１配向分割領域25の面積をD1、第２配向分割領域26の面積をD2とすると、上方向２０°の透過率T_20°は、
T_20°＝D1／(D1＋D2)・T₁＋D2／(D1＋D2)・T₂……(4)
となる。

このため、法線方向Ｌに対して上方向２０°での輝度が、法線方向Ｌの輝度に対して１／６以下となるようにするには、式(2)および式(3)を式(4)に代入して整理すると、
D1／(D1＋D2)・sin²{π／λ・Δｎ(θ＋20°)・ｄ／cos20°}+D2／(D1＋D2)・sin²{π／λ・Δｎ(θ＋20°)・ｄ／cos20°}≦１／６・sin²{π／λ・Δｎ(θ)・ｄ}……(5)
を満たすように面積比D1／D2、電圧印加時の液晶分子21の傾斜角度θ、屈折率差Δｎ(θ)および液晶層８の層厚ｄを設定すればよい。

次に、上記第１の実施の形態の作用を説明する。

１／４波長板13，16として、例えばＪＳＲ社製のアートン(登録商標)樹脂からなるフィルム(面内位相差は１４０ｎｍ)を用い、偏光板14，17として、例えば日東工業株式会社製のＳＥＧ１２２４ＤＵを用い、液晶層８として、例えばメルク株式会社製のＭＪ０２８０９を用い、液晶層８の屈折率差Δｎが０．１２２３(測定波長である入射光の波長λは５５０ｎｍ)で、層厚(セルギャップ)ｄが５８００ｎｍ(５．８μｍ)とする。したがって、複屈折位相差であるリタデーションΔｎ・ｄがλ／２以上に設定される。

そして、例えば、白表示時の印加電圧を液晶分子21の傾斜角度θが約４８°になるように設定し、第１配向分割領域25と第２配向分割領域26の面積比D1／D2を、１／２０以上２０以下、例えば１／９に設定すると、視角補償板12を用いる本実施の形態では、図７(a)ないし図７(c)に示すように、上記式(2)を参照して、第１配向分割領域25において、視角補償板12の各方向L1，Ｌ，L2からの屈折率楕円体31a，31b，31cと液晶セル３の各方向L1，Ｌ，L2からの屈折率楕円体28a，28b，28cとの和に面積比D1/(D1+D2)を掛けたものと、第２配向分割領域26において、視角補償板12の各方向L1，Ｌ，L2からの屈折率楕円体33a，33b，33cと液晶セル３の各方向L1，Ｌ，L2からの屈折率楕円体34a，34b，34cとの和に面積比D2/(D1+D2)を掛けたものとの和が、各方向L1，Ｌ，L2の屈折率楕円体35a，35b，35cとなる。

この結果、図８に示す上下方位の視角Θに対する透過率の変化において、上方向２０°以上での透過率が法線方向Ｌの透過率に対して１／６以下になる。

すなわち、上記第１の実施の形態によれば、例えば製造コストが高く透過率が低くかつ嵩張るルーバシートなどを用いることなく、液晶セル３の上方向L1の輝度のみを絞り込むことができるので、液晶セル３全体の厚みおよび製造コストを抑制しつつ充分な透過性を確保しながら、カーナビゲーションシステムなどに液晶セル３を用いた場合に、この液晶セル３の上方向L1に位置するフロントガラスなどの反射体への写り込みを確実に抑制できる。

特に、カーナビゲーションシステムに液晶セル３を用いる場合には、液晶セル３の法線方向Ｌに対して約２０°程度上方の位置にフロントガラスが位置することが多いため、法線方向Ｌに対して上方向２０°の輝度を法線方向Ｌの輝度に対して１／６以下に抑制することで、液晶セル３のフロントガラスへの写り込みを抑制でき、また夜間の低い照度下で使用する場合などに、仮に写り込みが生じた場合でも、使用者には殆ど視認されることがなく、この写り込みにより生じる、フロントガラス前方の視認性などへの悪影響を防止できる。

さらに、上記第１の実施の形態では、カラーフィルタ層をアレイ基板６側に設けた、いわゆるＣＯＡ(Color filter On Array)構造を採用したことにより、アレイ基板６と対向基板７とを貼り合わせて液晶セル３を形成する際に、例えばアライメントマークなどを利用した高精度な位置合わせが不要となり、製造性が向上する。

なお、上記第１の実施の形態において、視角補償板12を使用しない場合でも同様の効果が得られることは言うまでもない。

次に、第２の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、上記第１の実施の形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

この第２の実施の形態は、上記第１の実施の形態において、図９ないし図１１に示すように、液晶分子21の配向が一様となるように配向処理したＥＣＢモードの液晶セル３である。すなわち、この液晶セル３は、液晶分子21の配向を分割する突起23を有していない。また、この液晶セル３は、視角補償板12を備えていない。

したがって、液晶分子21は、液晶層８に電圧を印加しない場合では基板６，７に対して略垂直となっており、液晶層８に電圧を印加した場合では、基板６，７の法線方向Ｌに対して一様に傾斜するように、図示しない配向膜にラビングなどの配向処理が施されている。

また、この液晶層８は、
sin²{π／λ・Δｎ(θ±20°)・ｄ／cos20°}≦１／６・sin²{π／λ・Δｎ(θ)・ｄ}……(6)
を満たすように、電圧印加時の液晶分子21の傾斜角度θ、液晶層８の屈折率差Δｎ(θ)および液晶層８の層厚ｄがそれぞれ設定されている。この結果、液晶層８に電圧を印加して白表示をした状態において、法線方向Ｌに対して上方向２０°での輝度が、法線方向Ｌの輝度に対して１／６以下に設定されている。

なお、Δｎ(θ±20°)とは、電圧印加時の液晶分子21の傾斜方向が液晶セル３の法線方向Ｌに対して上方位である場合にはΔｎ(θ−20°)となり、下方位である場合にはΔｎ(θ＋20°)となるものであり、液晶分子21の傾斜方位が上下いずれの場合でも上記式(6)を満たすことができる。

一例として、白表示時の印加電圧を、液晶分子21の傾斜角度θが例えば上方向約３０°になるように設定すると、図１２に示すように、上方向２０°以上での透過率が法線方向Ｌの透過率に対して１／６以下となる。

この結果、上記第２の実施の形態によれば、液晶分子21の配列方向を一様としたＥＣＢモードの液晶セル３においても、上記第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

なお、上記第２の実施の形態においては、第１の実施の形態のような視角補償板12を備えておらずまた配向分割もなされていないため、各方向L1，Ｌ，L2の屈折率楕円体の大小関係は、図７における屈折率楕円体34a，34b，34cの大小関係と同様として考えることができる。

そして、上記第２の実施の形態において、視角補償板12を使用した場合でも同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、上記各実施の形態は、カラーフィルタ層をアレイ基板６側に設けたＣＯＡ構造としたが、カラーフィルタ層を対向基板７側に設けてもよい。

さらに、スイッチング素子として薄膜トランジスタを用いたＭＶＡモードの場合を説明したが、液晶層８の配向モードを、ホモジニアス配向としたり、液晶層８の一方の界面が平行配向で他方が垂直配向であるハイブリッド配向としたりするなど、ＥＣＢモードでの任意の配向モードを選択でき、また、スイッチング素子として薄膜ダイオード(ＴＦＤ)を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

そして、上記各実施の形態では、フロントガラスなどの反射体の下方に液晶セル３を配置するために上方向への輝度を抑制する構成としたが、反射体の上方、あるいは側方などに液晶セル３を配置する場合には、それぞれ反射体の方向に対応した方向の輝度を抑制するように構成すればよい。

本発明の第１の実施の形態の液晶表示素子の白表示状態を示す説明断面図である。同上液晶表示素子の黒表示状態を示す説明断面図である。同上液晶表示素子を示す平面図である。同上液晶表示素子を備えた液晶表示装置を示す側面図である。同上液晶表示素子の液晶分子の傾斜状態を示す側面図である。 (a)は同上液晶表示素子の液晶分子の所定方向の屈折率楕円体を示す説明図、(b)は同上液晶分子の法線方向の屈折率楕円体を示す説明図、(c)は同上液晶分子の法線方向に対して所定方向と反対方向の屈折率楕円体を示す説明図である。 (a)は同上液晶表示素子の所定方向の屈折率楕円体を示す説明図、(b)は同上液晶表示素子の法線方向の屈折率楕円体を示す説明図、(c)は同上液晶表示素子の法線方向に対して所定方向と反対方向の屈折率楕円体を示す説明図である。同上液晶表示素子の視角とその視角方向の透過率との関係を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態の液晶表示素子の白表示状態を示す説明断面図である。同上液晶表示素子の黒表示状態を示す説明断面図である。同上液晶表示素子の白表示状態を示す平面図である。同上液晶表示素子の視角とその視角方向の透過率との関係を示すグラフである。

符号の説明

３液晶表示素子としての液晶セル
６基板としてのアレイ基板
７基板としての対向基板
８液晶層
21 液晶分子
25 配向分割領域としての第１配向分割領域
26 配向分割領域としての第２配向分割領域

Claims

互いに対向配置された一対の基板と、印加される電圧に対応して前記基板の法線方向に対する傾斜角度が変化する液晶分子を備え、前記基板間に介在された液晶層とを具備したＥＣＢモードの液晶表示素子であって、
前記法線方向に対して所定方位へと所定角度傾斜した方向の輝度が、前記法線方向に対して前記所定方位と対称となる対称方位へ所定角度傾斜した方向の輝度よりも小さい
ことを特徴とした液晶表示素子。
前記液晶分子は、複数の配向分割領域を形成し、
前記液晶分子が前記所定方位へ傾斜する一の前記配向分割領域の面積と、前記液晶分子が前記対称方位へ傾斜する他の前記配向分割領域の面積とが異なる
ことを特徴とした請求項１記載の液晶表示素子。
前記液晶層は、垂直配向モードである
ことを特徴とした請求項１または２いずれか一記載の液晶表示素子。