JP2007532966A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、面内切り替え式液晶表示装置に関する。ディスプレイの切り替え特性を向上させるため、および表示画像のコントラストを改善するため、ディスプレイ内の基板上の各画素領域は、抵抗材料ストリップによって取り囲まれる。抵抗材料ストリップの異なる位置に接続された、少なくとも3つの接続端子に、駆動信号を印加することにより、画素領域全体にわたって均一な電場であって、切り替え処理の間に、動的に変化する電場が得られ、切り替え処理の間、画素内の液晶分子には、最大のトルクが付与される。

Description

本発明は、第1および第2の基板の間に設置された液晶材料と、個々に制御可能な複数の画像素子であって、各画像素子は、該画像素子内の前記液晶材料に影響を及ぼすため、2以上の方向に電場を形成する電場形成手段を有するところの画像素子と、を有する液晶表示装置に関する。

2つの直線および一つのL型電極を使用するそのような装置は、国際公開第WO03／012537号パンフレットに示されている。この構成を使用して、画素内の液晶分子の回転速度を向上させることができ、これにより、LCDディスプレイの切り替え速度を高めることができる。切り替え操作の際、各液晶分子に、平均的に大きなトルクを提供することができるためである。しかしながら、そのような表示装置は、コントラストおよび輝度の妨害により、特に画素のコーナー部において、機能が低下する可能性がある。
国際公開第WO03／012537号パンフレット

本発明の目的は、コントラストおよび／または輝度特性が向上した、前述の種類の表示装置を提供することである。

この目的は、請求項1に記載の表示装置の手段によって達成される。

特に、本発明の態様による液晶表示装置は、第1および第2の基板の間に設置された液晶材料と、個々に制御可能な複数の画像素子であって、各画像素子は、該画像素子内の前記液晶材料に影響を及ぼすため、2以上の方向に電場を形成する電場形成手段を有するところの画像素子と、を有し、前記電場形成手段は、前記第1の基板に設置された、前記画像素子の領域を実質的に取り囲む抵抗材料層経路と、該抵抗材料層経路に電圧を供給するための、少なくとも3つの接続端子とを有することを特徴とする。

この場合、電場により、切り替え操作の際に、液晶分子に強いトルクが加わるようになり、切り替え処理が速くなる。抵抗経路は、従来技術の導電性電極とは異なり、それらの抵抗経路の長さ方向に沿って、電位を低下させることができる。従って、抵抗経路は、従来の導電性電極ほどは、電場を妨害せず、電場に対して非垂直な経路が提供される。このため、より均一な電場が提供され、さらには画素領域全体にわたって、より均一な液晶材料の偏向が得られる。より均一な偏向によって、画素さらにはディスプレイに対して、改善されたコントラストおよび輝度特性が得られる。

好適実施例では、抵抗材料層経路は、連続層を形成し、該連続層は、画像素子によって定形される領域を取り囲む。これにより、比較的少ない接続端子で、基板平面内に、事実上、いかなる角度の電場をも形成することが可能となる。

抵抗材料層経路は、ストリップを有し、該ストリップは、矩形状に構成され、画像素子は、4つの接続端子を有し、該接属端子は、前記矩形のコーナーに設置されることが好ましい。この実施例は、行列状に配置された画素のアレイを有するほとんどの種類のディスプレイに適合する。

ただし、別の実施例では、抵抗材料層経路は、ストリップを有し、該ストリップは、三角形状に構成され、画像素子は、3つの接続端子を有し、該接続端子は、三角形のコーナーに設置され、あるいは、前記ストリップは、3つの接続端子を有する六角形状に形成され、該接続素子は、六角形の一つおきのコーナーに設置される。

好適実施例では、矩形状画素を備える表示装置は、アースに対する第1の電圧を、第1のコーナーの接続端子に供給し、第2の電圧を、前記第1のコーナーとは反対側の、第2のコーナーの接続端子に供給するように適合された駆動手段であって、前記第1および第2の電圧の間の電圧を、中間の第3および第4のコーナーの接続端子に供給するように適合された駆動手段を有する。これにより、均一な状態のまま、画素形状に対して傾斜した電場を発生させることが可能となる。

好適実施例では、表示装置は、前記液晶材料の液晶分子が、実質的に、前記第1および第2の基板と平行な面内で延伸する限り、自由に回転することを可能にする配向層を有する。そのような電場形成手段、およびそのような配向層を有する表示装置は、双安定であり、すなわち、液晶材料の分子は、なんら電場が印加されなくても、状況に応じて、2以上の状態に、留まることができる。

本発明のこれらのおよび他の態様は、以下に示す実施例を参照することにより明らかとなろう。

液晶ディスプレイ（LCD）は、テレビジョンスクリーン、パーソナルコンピュータモニタ、携帯電話のディスプレイ等として使用される。LCDは、アレイ状に配置された、以降画素と呼ばれる、個々に制御可能な複数の画像素子を有する。各画素を通る光を制御することにより、LCDディスプレイは、ユーザに視認される画像を提供する。

図1には、従来のIPS液晶ディスプレイ内の画素の作動原理を概略的に示す。

オフ状態では、入射光1は、第1の偏光方向を有する第1の偏光器2を通過し、これにより偏向される。次に、偏向された光は、第1および第2の透明ガラス基板4、5の間に収容された液晶材料3を通る。暗いオフ状態では、液晶材料3の偏光方向は、液晶材料を通過した光の偏向方向が、未変化のまま維持されるようにされる。従ってその後、光は、第1の偏光器2の偏光方向に対して直角の、第2の偏光方向を有する、第2の偏光器6で遮断される。

しかしながら、オン状態では、液晶材料3の偏光方向は、液晶材料3を通った光の偏向方向が、90゜回転するようにされる。従ってその後、この光は、第2の偏光器6を通過するようになる。このように、液晶材料3の偏光方向を変化させることにより、画素を通過する光の流れを調整することが可能となる。これは、第1の基板4上の、第1および第2の導電性電極7および8の間に、電場を発生させることにより行われる。第1および第2の電極7、8に電圧V₁−V₂が印加されると、液晶分子は、オン状態に回転される。電場が解消されると、配向層（図示されていない）は、オフ状態に戻すように、液晶分子をゆっくりと回転させる。

面内切り替え（IPS）型液晶ディスプレイでは、液晶分子の偏光方向は、面内で回転し、この面は、第1および第2の基板4、5に平行である。従って、印加電場も同様に、基板4、5と平行である。

液晶分子が受けるトルクは、電場方向と、細長い液晶分子の方向の間の角度θに依存する。負の方向の異方性を有する液晶分子の場合、トルクは、sin（2θ）に比例する。従って、最大トルクは、θが45゜のときに生じる。従来のIPS型液晶ディスプレイでは、この角度は、オン切り替え処理の短い部分の間だけ、45゜に近くなっている。これは、オン切り替え処理が遅いことを意味する。また、オフ切り替え処理の間、従来のディスプレイでは、分子を元に戻す回転は、配向層に依存しており、これにより、オフ切り替え処理がさらに遅くなる。

しかしながら、画素の切り替え処理の間に、電場が動的に変化する場合、すなわちθが常時45゜近傍に維持される場合、実質的に、表示装置の切り替え特性を改善することが可能となる。また、電場を使用して、分子を少なくとも部分的に、オン状態からオフ状態に戻すように回転させる場合、この処理は、実質的に速くなる。

図2には、本発明の実施例による、面内切り替え型表示装置画素における電場形成手段を示す。この実施例では、基板上の画素領域は、抵抗性の経路によって取り囲まれるが、この経路は、基板に設置された、ストリップ素子10、11、12、13の形態であることが好ましい。この場合、これらの抵抗素子10、11、12、13は、図1の導電性電極7、8と置換される。ストリップ素子10、11、12，13は、矩形状に配置され、またはより具体的には、二次元的に配置される。この実施例では、各画素は、4つの接続端子15、16、17、18または接続部を有し、この各々により、2つの抵抗ストリップ素子の終端点に、電圧を印加することができる。例えば、第1の接続端子15は、第1の抵抗ストリップ素子10の左（図の向きにおいて）の終端点と、第4の抵抗ストリップ素子13の上部終端点とに、電圧を供給することが可能である。抵抗ストリップ素子10、11、12、13を用いて、画素領域内に、電場を発生させることができる。従来のような導電性電極に沿った電位勾配ではなく、抵抗素子に沿った電位勾配を得ることが可能となり、これにより、従来技術に比べて、2つの重要な利点が得られる。一つは、以下に示すように、電場形成手段の延伸方向に対して、傾斜した電場を形成することができることである。2番目は、電場内に設置された抵抗ストリップは、対応する導電性ストリップのようには、この電場を妨害しないことである。

以下に示すように、図2に示されている電場形成手段を使用することにより、極めて均一な電場を得ることができ、この電場を、画素に対して、各種角度に誘導することができる。これにより、画素の高速なオン切り替えが可能になるとともに、より重要な画素の高速のオフ切り替えが可能になる。これにより、例えば、そのような画素を備えるLCDディスプレイを有し、特性が改良されたテレビジョンセットが提供される。

図2に示すように、抵抗ストリップ素子10、11、12、13は、連続層内の画素領域を完全に取り囲むことが好ましいが、より多くの接続端子を導入することにより、小さな間隙は、許容される。

図3a乃至3dには、図2における電場形成手段の作動原理を示す。図3aでは、液晶の配向、さらにはそれらの液晶の偏光方向Pは、示されたｘ軸に対して、45゜の角度をなすと仮定している。偏光器（基板の上下の）は、ｘ軸に対して45゜の角度をなしており、一つの偏光方向は、他の偏光方向と直交している。この状態では、画素の液晶材料は、入射光の偏向を変化させず、従って画素は、暗くなる。接続端子15、16、17、18が電圧を受けると、液晶分子が暗いオフ状態から回転され始める。電場がｘ軸に対して45゜となるように誘導されることにより、または配向層がこの方向に分子を固定することにより、オフ状態が得られる。

第1および第2の接続端子15、16に、0Vの電位が印加され、第3および第4の接続端子17、18は、V⁺V（例えば10V）の電位となる。従って、第1の抵抗ストリップ素子10は、全体として0Vの電位となり、一方、第3の抵抗ストリップ素子12は、全体としてV⁺Vの電位となる。第2および第4の抵抗素子11、13は、それらの素子の全長に沿った電位勾配を受け、この勾配は、液晶材料が受ける勾配と同様の勾配である。従って、導電性電極の場合のように、電場線は、妨害されず、画素の幅全体にわたり、均一な電場、および結果的に液晶の均一な再配向が得られる。電場は、液晶の偏光方向に対して、45゜の角度をなし、最大のトルクが得られることに留意する必要がある。

図3bでは、液晶分子が回転し始め、y軸と平行に配向される。ここで、電場が図3aの場合と同じであると仮定すると、液晶分子は、回転を停止する。しかしながら、ここで、第2および第3の接続端子16、18の駆動電位が変化し、第2の端子16が、0VからV⁺／2Vに変化し、第4の接続端子18が、V⁺／VからV⁺／2Vに変化する。第1および第3の接続端子15、17は、図3aの場合と同じ駆動電位を受ける。この状態では、全ての抵抗ストリップ素子10、11、12、13が電位勾配を受け、全画素領域にわたって印加される電場は、ｘ軸に対して、135゜に相当する方向を有する。従って、この場合も、最大トルクが得られる。

図3cでは、液晶分子は、さらに回転されている。駆動電位が図3bの場合と同様である場合、液晶分子は、ｘ軸に対して135゜の角度の方向（光状態が得られる角度）に回転を続けるが、速度は低下する。従って、図3cでは、第2および第4の接続端子の電位が、再度変化し、第2の端子16は、V⁺／2VからV⁺Vとなり、第4の接続端子18は、V⁺／2Vから0Vになる。この場合、第2および第4の抵抗素子11、13は、均一な電位となり、第1および第3の抵抗素子10、12は、電位勾配を有するようになる。電場は、ｘ軸に平行となり、トルクが最大に近くなる。

液晶分子がｘ軸に対して135゜の角度をなす場合、液晶分子が過度に回転しないように、電位は、図3dに示すように、迅速に図3bの状態に戻される。画素をオフにする切り替えは、同様の方法で行われる。次に接続端子は、図3bの状態に切り替えられ、分子が回転を開始する。オフ状態の回転処理の後者の部分は、対応する方法で、ｘ軸の方向に誘導された電場を使用することによって、あるいは配向層を使用することによって、得ることができる。液晶材料の所望の回転パターンを得るため、複数の異なる切り替え方式を使用することも可能である。

接続端子の電圧は、例えば図3bの状態から図3cの状態に、断続的に変化させても良い。しかしながら、複雑性が増すことを許容し、駆動信号が、一つの状態から次の状態に滑らかに変化するようにした場合、より良い特性が得られる。また、折衷案として、いくつかの数のサブステップで、電圧を変化させても良い。

アクティブ方式で印加された電場と配向層の両方を用いた、異なる組み合わせとすることも可能である。

図4a乃至4cには、それぞれ、図3a乃至3cに対応するシミュレーション実施の結果を示す。シミュレーションは、2dimMOS（登録商標）ソフトウェアを用いて実施した。抵抗素子は、階段的にシミュレートされ、すなわち、多くの導電性素子セグメントが、レジスタによって相互に接続されているとして、シミュレーションを行った。等電位線20（電場に対して垂直な破線）および液晶分子21の配向は、図4a乃至4cに示されている。

図4a乃至4cに示すように、等電位線は、画素全体にわたって均一に分布している。小さな乱れが認められるが、これは、階段状抵抗素子のシミュレーション方法により生じたものであり、実際の抵抗素子が使用される現実のディスプレイでは生じない。

抵抗素子は、薄膜レジスタで構成されることが好ましい。好ましい材料は、抵抗が高い、透明ITO（インジウムスズ酸化物）または不透明ニッケルクロムである。これにより、電力消費が最小限に抑制され（低電流）、さらに加熱が抑制される。これらの特性を有する他の材料を使用することも、勿論可能である。

抵抗素子の上部の液晶分子が、抵抗素子間の空間内の分子と同様に配向されている場合、ITOが好ましい。ただし、抵抗素子の上部の液晶材料が均一に配向されておらず、偽偏光が生じるおそれがある場合、誤った方法で偏向される光を遮断するため、ニッケルクロムが好ましい。これによりコントラストが向上するが、当然のことながら、開口は、小さくなる。抵抗素子の幅および厚さは、大きな抵抗が生じるように十分に小さくするとともに、RC切り替え時間があまり長くならないように十分に小さくするように選択する必要がある。例えば、酸素リッチなITOを用いた場合、抵抗ストリップの厚さは、25nmであり、ストリップの幅は、12nmである。

表示装置の配向層は、電場形成手段によって生成されるいかなる電場も存在しない状態において、図2aに示す方向（ｘ軸に対して45゜の角度）に、液晶材料を配向させるように配置される。そのようなディスプレイでは、駆動信号が接続端子に印加された際に、画素は、オフに切り替えられる。

しかしながら、別の実施例では、配向層によって、液晶材料は、配向がｚ軸に垂直である限り、ｘ−ｙ面内で自由に回転することができる。この場合、双安定なディスプレイを提供することが可能となり、液晶材料は、新たな駆動信号が接続端子に印加されるまで、オフ状態またはオン状態に維持される。これにより、携帯電話等のバッテリー作動用途において好ましい、低エネルギー消費が可能となる。この場合、電場形成手段は、（偏光層によって定まるような）オフ状態とオン状態の間の、全角度範囲に電場を発生するように作動する必要がある。また、最適な切り替え速度を得るため、電場は、この範囲の45゜外側まで発生することが好ましい。

また当然のことながら、液晶材料は、いかなる中間的な「グレー」状態に駆動されても良く、これによりn−安定表示装置が得られる。

図2に示す電場形成配置を有する画素を有する表示装置は、各画素が、連続的に画素内容を変化させる切り替え手段を有する、アクティブマトリクス式ディスプレイ、または画素内容が、規則的なインターバルで更新される、パッシブマトリクス式ディスプレイのような、異なる種類のLCDディスプレイに適用されても良い。

マトリクス内に配置された個々の画素は、例えば、図2における第3の接続端子17を共通行ラインに接続し、第2の接続端子16を共通列ラインに接続することにより、アドレス処理されても良い。その後、画素は、共通行ラインと共通列ラインが同時に活性化されたときにのみ活性化され、これにより、個々の画素のアドレス処理が可能になる。

図5には、このようなことを実施することが可能な、IPS画素用の駆動回路を概略的に示す。ある実施例では、図2における第4の接続端子18の電位V₄は、V₄＝V₃−V₂によって、第2の接続端子（V₂）16の電位から算出される。図3a乃至3dにおいて、第3の接続端子のV₃は、常にV⁺Vに維持され、第1の接続端子V₁は、常に0Vに維持されることに留意する必要がある。

これは、単純なレジスタ回路と、図5に示すような差動増幅器とによって行うことができる。回路は、従来の光リソグラフィー処理方法を用いることにより製作することができる。この回路により、ただ一つの接続部、すなわち第2の接続端子16を用いて、全ての駆動電圧を局部的に発生させることが可能となる。電圧V⁺および0Vは、差動増幅器用の電源として使用される。そのような駆動回路を用いることにより、図3a乃至3dにおける全ての電位の組み合わせを実施することができ、x軸から90゜乃至180゜の範囲の電場が形成される。電場がオフに切り替えられると、配向層を用いることにより、液晶材料は、ｘ軸に対して45゜の角度となる。

図6乃至8には、画素内の電場形成手段の別の配置を示す。図6には、抵抗材料層ストリップが、六角形状である場合が示されており、この場合、画素は、3つの接続端子を有し、各々は、六角形の一つおきのコーナーに設置されている。図7では、抵抗材料層ストリップは、三角形状であり、画素は、3つの接続端子を有し、これらの接続端子は、三角形のコーナー部に設置される。多くの場合、図2のような二次元的な実施例が好ましいが、図8には、他の矩形状の実施例が想定されることが示されている。

要約すると、本発明は、面内切り替え式液晶表示装置に関する。ディスプレイの切り替え特性を向上させるため、および表示画像のコントラストを改善するため、ディスプレイ内の基板上の各画素領域は、抵抗材料のストリップによって取り囲まれる。抵抗材料ストリップの異なる位置に接続された、少なくとも3つの接続端子に、駆動信号を印加することにより、画素領域全体にわたって均一な電場であって、切り替え処理の際に、動的に変化する電場が得られ、切り替え処理の間、画素内の液晶分子に最大トルクが付与されるようになる。

本発明は、記載された実施例に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲内で、異なる方法で変更することができる。例えば、電場形成手段は、いずれかの基板に設置しても良い。

前述の実施例では、バックライト型ディスプレイについて説明した。ただし、そのような電場形成手段を有する反射型ディスプレイも、同様に可能である。

従来のIPS液晶ディスプレイ内の画素の作動原理を概略的に示した斜視図である。 本発明の第1の実施例における電場形成手段の上面図である。 図2の電場形成手段の作動原理を示す図である。 図2の電場形成手段の作動原理を示す図である。 図2の電場形成手段の作動原理を示す図である。 図2の電場形成手段の作動原理を示す図である。 図3aに対応した、シミュレーションの実施結果を示す図である。 図3bに対応した、シミュレーションの実施結果を示す図である。 図3cに対応した、シミュレーションの実施結果を示す図である。 IPS画素の駆動回路を概略的に示す図である。 画素内の電場形成手段の別の配置を示す図である。 画素内の電場形成手段の別の配置を示す図である。 画素内の電場形成手段の別の配置を示す図である。

Claims (7)

1. 第1および第2の基板の間に設置された液晶材料と、
   個々に制御可能な複数の画像素子であって、各画像素子は、該画像素子内の前記液晶材料に影響を及ぼすため、2以上の方向に電場を形成する電場形成手段を有するところの画像素子と、
   を有する液晶表示装置であって、
   前記電場形成手段は、前記第1の基板に設置された、前記画像素子の領域を実質的に取り囲む抵抗材料層経路と、該抵抗材料層経路に電圧を供給するための、少なくとも3つの接続端子とを有することを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記抵抗材料層経路は、連続層を形成し、該連続層は、前記画像素子によって定形される領域を取り囲むことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
3. 前記抵抗材料層経路は、ストリップを有し、該ストリップは、矩形状に構成され、前記画像素子は、4つの接続端子を有し、該接続端子は、前記矩形のコーナーに設置され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。
4. 前記抵抗材料層経路は、ストリップを有し、該ストリップは、三角形状に構成され、前記画像素子は、3つの接続端子を有し、該接続端子は、前記三角形のコーナーに設置され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。
5. 前記抵抗材料層経路は、ストリップを有し、該ストリップは、六角形状に構成され、前記画像素子は、3つの接続端子を有し、該接続端子は、前記六角形の一つおきのコーナーに設置され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。
6. 第1の電圧を、第1のコーナーの接続端子に供給し、第2の電圧を、前記第1のコーナーとは反対側の、第2のコーナーの接続端子に供給するように適合された駆動手段であって、前記第1および第2の電圧の間の電圧を、中間の第3および第4のコーナーの接続端子に供給するように適合された駆動手段を有することを特徴とする請求項3に記載の液晶表示装置。
7. 前記液晶材料の液晶分子が、実質的に、前記第1および第2の基板と平行な面内で延伸する限り、自由に回転することを可能にする配向層を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の液晶表示装置。

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