JP2007271839A - 表示素子 - 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、光学的等方性を示す液晶材料を用いた表示素子をより低い駆動電圧で提供する。
【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電界無印加時に光学的等方性を示す液晶材料からなる液晶層と、前記一対の基板の少なくとも一方にベタ状の電極が形成され、かつ前記ベタ状の電極上に形成された絶縁層と、当該絶縁層上に形成された櫛歯状の電極とを有し、前記ベタ状の電極上に形成された絶縁層の少なくとも一部が、他の部分に比べてその膜厚が十分の一以下となる部分を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示素子に係り、特に高コントラストかつ広視野角，高速応答の表示素子に関する。

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、例えば下記特許文献１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、下記特許文献２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。

さらに動画表示において重要となる高速応答性においても優れた技術として、電界無印加時には光学等方性、櫛歯電極対による電界印加時に、高速応答なカー効果により光学異方性を示す誘電性物質層を用い、光学等方状態により暗（黒）表示、光学異方性により明表示を行う表示方法が下記特許文献３により開示されている。本技術は、ＩＰＳ方式と同様に櫛歯電極対による面内電界成分を主に用いることから視野角特性に優れ、光学等方状態で黒表示を行うことから、ＭＶＡ方式と同等以上の高コントラストが得られると期待される。

特開平６−１６０８７８号公報 特開平１１−２４２２２５号公報 特開２００５−２０２３９０号公報

しかしながら前記特開２００５−２０２３９０号公報に開示されている表示素子には、駆動電圧が高く実用性に乏しいという課題があり、そのため前記技術の櫛歯電極対を凸状に形成された絶縁層上に形成することにより駆動電圧を低減する技術が特開２００５−
２２７７６０号公報により開示されているが、実用上十分ではない。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は従来技術よりも駆動電圧が低減された、光学的等方性を示す液晶材料を用いた表示素子および表示装置を提供することにある。

本発明にかかる表示素子は、上記課題を解決するために、
少なくとも一方が透明な一対の基板と、該一対の基板間に配置される液晶層とを有し、前記液晶層の液晶材料は、電界無印加時に光学的等方性を示す液晶材料であり、前記一対の基板の少なくとも一方にベタ状の電極が形成され、かつ前記ベタ状の電極上に形成された絶縁層と、当該絶縁層上に形成された櫛歯状の電極と、
を有する。

ここで、前記電界印加時に光学等方性を示す液晶材料が、電界印加時には光学的異方性を生じる液晶材料であることが望ましい。

また、前記ベタ状の電極上に形成された絶縁層の少なくとも一部が、他の部分に比べてその膜厚が十分の一以下となる部分を有することが望ましい。また、前記液晶材料が、その比抵抗が１００Ｇ（ギガ）Ω・cm以上であることが望ましい。また、前記液晶材料が、フッ素原子を極性基として有する化合物から成ることが望ましい。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構成されることが望ましい。また、前記櫛歯状の電極又はベタ状の電極が、前記電界印加時に液晶材料に生じる光学的異方性の異方軸が、領域毎に異なる方向（マルチドメイン）となるように構成されることが望ましい。また、前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板を有することが望ましい。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ことが望ましい。

本発明によれば、視野角特性に優れ、高コントラストかつ高速応答性を備えた液晶テレビ用途に適した液晶表示素子を、より低い駆動電圧で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断面構成を、図２は画素部分の平面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８０１および配線電極９０１，９０２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。

画素の表示領域においては、基板１０１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電極層として形成した後、図３ａのように櫛歯パターンエッチング用のレジスト層６０１を形成、パターン化し（図３ｂ）、蓚酸によるウエットエッチでＩＴＯ３０２を（図３ｃ）、さらに異方性ドライエッチにより窒化シリコン絶縁層２０１をそれぞれエッチングし（図３ｄ）、その後レジスト剥離して櫛歯電極パターンを形成した。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。

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、これらの２枚の基板を、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。

通常のネマチック液晶材料を用いた場合には、配向膜高分子の塗布・形成や、さらにそのラビング処理等の表面配向処理が必要であるが、光学等方性を示す液晶材料を用いた表示素子の場合は、これらの表面配向処理を省くことが可能で、大型パネル製造時のプロセス数低減とラビング処理等にともなう不良低減に効果が大きい。

次に、この液晶セルの基板間に液晶層４０１として、ColesとPivnenkoらにより報告
（ColesとPivnenko，ネーチャー，Vol.436，997p）されている化１に示す化合物の、スペーサーアルキル鎖長がｎ＝７，９，１１の３種をそれぞれ、１：１.１５：１ の比率で組成物としたものに、カイラル材としてメルクケミカル社製ＢＤＨ１２８１を、螺旋構造による選択反射中心波長が紫外波長領域となるように数％混合した、室温付近の広い温度範囲で光学的等方性を示す（コレステリックブルー相）液晶組成物材料を真空で封入し、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１０.０μｍとなるように調節した。

上記の液晶組成物は、合成プロセス管理と精製により、その比抵抗が１００Ｇ（ギガ）Ω・cm以上である液晶組成物を用いた。

次に、このパネルを２枚の偏光板５０１，５０２（日東電工社製ＳＥＧ１２２４ＤＵ）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。この時、偏光板の偏光透過軸は、図２に示すように前記櫛歯電極の長手方向と±４５度の角度なす方向７０１，７０２とした。

次に、上記ベタ状の電極３０１櫛歯状の電極３０２に交流駆動電圧が加わるように駆動回路を接続、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２００５−２０２３９０号公報で用いられている、ＩＰＳ方式に類似の櫛歯電極対ではなく、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、さらに前記ベタ状の電極上に形成された絶縁層の少なくとも一部が、他の部分に比べてその膜厚が十分の一以下となる（絶縁層がエッチングによりほとんど除去された）部分を有する構造とする。

対となる電極により発生する電界の強度は、印加する電圧を一定とすると、対となる電極間の間隔（距離）にほぼ反比例すると考えられる。上記ＩＰＳ方式に類似の櫛歯電極対の場合の電極対の間隔（距離）は、マスクルールやショート回避などの理由から最低でも５μｍ程度は必要で、通常１０μｍ弱である。

一方、前記ＦＯＰ電極対においては、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るが、両者間の距離ほぼ層間絶縁層の厚みであり、通常数百ｎｍ程度（本実施例の場合は５００ｎｍ＝０.５μｍ ）と、前出のＩＰＳ方式に類似の櫛歯電極対の場合に比べて一桁以上小さくすることが可能で、これにより同一印加電圧でより強い電界を発生、液晶に加えることができる。

さらに好ましくは、上記実施例のように櫛歯電極部以外の絶縁層をドライエッチにより除去し（絶縁層抜き構造）、強電界が発生する櫛歯電極エッジ部（上記の電極間距離が
０.５μｍ の部分）に直接液晶層に隣接させることによって、さらに駆動電圧を低減させることが出来る。

また、ＩＰＳ櫛歯電極対では電極間隔が基板（ＸＹ）面内にレイアウトされるため、その繰り返しピッチをあまり小さくできない(最低でも２０μｍ以上で、通常３０μｍ程度)のに対し、ＦＯＰ電極では上記のように電極間隔が層間絶縁層であるＺ方向となるため、基板（ＸＹ）面内のピッチ独立に小さくすることが可能（２０μｍ未満、本実施例の場合は１０μｍ）で、この電極ピッチを小さくすることによって電界発生源の基板面内密度を上げる事が可能となり、これによっても駆動電圧低減が可能である。

したがって、このＦＯＰ電極と、さらに絶縁層抜き構造を用いることにより、同じ電界強度を得るための駆動電圧を最大で一桁以上低減することが可能と考えられる。

ここで、上記の櫛歯電極部以外の絶縁層をドライエッチにより除去した絶縁層抜き構造は、例えば上記実施例の場合のように０.５μｍ以上の段差部を生じることから、通常のネマチック液晶を用いた場合には、この段差部で配向不良が生じ黒表示時に大きな光漏れを発生しコントラストの大幅な低下を招くため、以前から提案はあるが実用的ではない。本発明のように光学等方液晶を用いた場合には、可視光波長以下の空間スケールで等方配向となっていることから、上記の段差部での光漏れが発生せず、コントラストの低下を招くことなく、特にＦＯＰ(ベタ・櫛歯対)電極構造と組み合わせることにより従来のＩＰＳ櫛歯電極対構造との組み合わせを大きく上回る駆動電圧低減効果を得ることが出来る。

上記の様にＦＯＰ電極および絶縁層抜き構造を用いることにより、駆動電圧の低減が可能であるが、一方で、櫛歯電極端部に局在した非常に強い電場が発生することに起因した特有の問題が生じることが検討により明らかとなった。その問題とは、液晶組成物中に不可避的にある程度含有されている多少なりとも電荷を持った（イオン性）不純物がある敷居値を越えて含まれている場合に、上記の非常に強い電場に引き寄せられ大きな反電場を形成するため、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等を用いたアクティブマトリクス駆動時に、いわゆる保持率の低下を招き実際に液晶層に加わる電界強度が低下する問題である。FOP電極および絶縁層抜き構造は特に強電場を発生するためにこれが大きな課題となるが、検討により、液晶組成物として、その比抵抗が１００Ｇ（ギガ）Ω・cm以上である液晶組成物を用いることにより、アクティブマトリクス駆動時に液晶層に加わる実効的な電圧の低下を防ぐことが可能である。

上記の１００Ｇ（ギガ）Ω・cm以上の高い比抵抗の達成は、電界無印加時に光学等方性を示す液晶材料として、背景技術にある特開２００５−２０２３９０号実施例で用いられているようなイオン性不純物の低減が困難な水素結合性の液晶化合物（通称ＢＡＢＨ８あるいはＡＮＢＣ１６）や、特開２００５−３３６４７７号に記載されているような高分子／液晶複合材料を用いた場合には実用上困難で、本発明実施例のようなフッ素系低分子液晶材料から成るいわゆるオールフッ素系の液晶組成物を用いることが望ましく、さらに十分な合成プロセス管理と精製を行う必要がある。

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。次に電極間に周波数１ｋＨｚの従来技術より非常に小さな１９Ｖｐｐの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１５００：１以上、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。

動画表示において重要となる応答特性についても、ほとんどの諧調間の表示切替で数ミリ秒以下の高速応答特性が得られた。

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。

方位方向の視角方向による色変化は、ＦＯＰ電極の櫛歯電極を、図２の画素平面図に示すように、たとえば画素上下でハの字のように配置することにより印加電場方向を変化させた、いわゆるマルチドメイン方式とすることにより良好な特性が得られた。

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低駆動電圧で提供することが可能となる。

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断面構成を示す図である。 本発明の第１実施例を示す液晶表示素子の平面構造を示す図である。 本発明の第１実施例の櫛歯電極の形成プロセスを説明する図である。

符号の説明

１０１，１０２…基板、２０１…絶縁層、３０１…ベタ状の電極、３０２…櫛歯状の電極、４０１…液晶層、５０１，５０２…偏光板、６０１…レジスト、７０１，７０２…偏光板５０１および５０２の偏光軸、８０１…薄膜トランジスタ部、９０１…ゲート配線電極、９０２…ドレイン配線電極。

Claims (9)

1. 少なくとも一方が透明な一対の基板と、
   該一対の基板間に配置される液晶層と、
   を有し、
   前記液晶層の液晶材料は、電界無印加時に光学的等方性を示す液晶材料であり、
   前記一対の基板の少なくとも一方にベタ状の電極が形成され、
   かつ前記ベタ状の電極上に形成された絶縁層と、
   当該絶縁層上に形成された櫛歯状の電極と、
   を有することを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記電界印加時に光学等方性を示す液晶材料が、電界印加時には光学的異方性を生じる液晶材料であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記ベタ状の電極上に形成された絶縁層の少なくとも一部が、他の部分に比べてその膜厚が十分の一以下となる部分を有することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の液晶表示装置。
4. 前記液晶材料が、その比抵抗が１００Ｇ（ギガ）Ω・cm以上であることを特徴とする請求項１，２あるいは３に記載の液晶表示装置。
5. 前記液晶材料が、フッ素原子を極性基として有する化合物から成ることを特徴とする請求項１，２，３あるいは４に記載の液晶表示装置。
6. 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１，２，３，４あるいは５に記載の液晶表示装置。
7. 前記櫛歯状の電極又はベタ状の電極が、前記電界印加時に液晶材料に生じる光学的異方性の異方軸が、領域毎に異なる方向（マルチドメイン）となるように構成されたことを特徴とする請求項２，３，４，５あるいは６に記載の液晶表示装置。
8. 前記一対の基板のそれぞれに配置された偏光板を有することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６あるいは７に記載の液晶表示装置。
9. 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。
   

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