JP2008164958A - Ｉｐｓ方式の液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＰＳ液晶は、ＴＮ液晶などの液晶モードにくらべて応答速度が遅い。応答速度を速くすることができれば、高速ＴＶを実現することができる。応答速度が速いＩＰＳ方式の液晶表示装置を得る。
【解決手段】アレイ基板とカラーフィルター基板が対向して設けられ、両基板間に液晶が介在され、前記アレイ基板に共通電極及び画素電極が形成されたＩＰＳ方式の液晶表示装置であって、前記アレイ基板上に形成され、第１の方向の横電界を発生させる第１の共通電極１及び第１の画素電極２と、前記アレイ基板上に形成され、前記第１の方向と異なる第２の方向の横電界を発生させる第２の共通電極３及び第２の画素電極４とを設け、前記第１及び第２の方向の横電界により前記液晶を駆動する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＩＰＳ方式（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅ）の液晶表示装置（ＬＣＤ：Ｌｉｑｉｕｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ）に係り、特に、２方向の横電界によって液晶を駆動するＩＰＳ方式の液晶表示装置に関するものである。

一般的な液晶表示装置は、液体と固体の中間の状態である液晶の電気−光学的性質を表示装置に応用している。この液晶は、液体のような流動性を有する有機分子が結晶のように規則的に配列された状態であり、液晶表示装置は、この分子配列が外部電界によって変化する性質を利用している。従って、液晶の分子配列方向を任意に調節すると、光学的異方性によって液晶の分子配列方向に光が屈折して画像情報を表現する。

現在は、アクティブマトリックス型液晶表示装置（ＡＭ−ＬＣＤ：Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ Ｌｉｑｉｕｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ）が解像度及び動画像の表現能力が優れていて最も注目を浴びている。この液晶表示装置ＡＭ−ＬＣＤは、共通電極が形成されたカラーフィルター基板と、画素電極が形成されたアレイ基板と、両基板間に充填された液晶とで構成されるが、このような液晶表示装置は、共通電極と画素電極に電圧が印加され両電極間に生じる電界によって液晶を駆動する方式であり、透過率と開口率等の特性が優れる。

ところが、基板に対して垂直方向の縦電界を用いて液晶を駆動（スイッチング）する方式は、視野角特性が優れていないという短所がある。従って、このような短所を克服するために、ＩＰＳ方式が登場し、このＩＰＳ方式の液晶表示装置は、視野角特性が優れているという長所がある。

従来のＩＰＳ方式の液晶表示装置について図面を参照しながら説明する（例えば、特許文献１参照）。図９は、一般的なＩＰＳ方式の液晶表示装置の概略的な構成を示す断面図である。また、図１０は、一般的なＩＰＳ方式の液晶表示装置のアレイ基板の構成を概略的に示す平面図である。

図９に示すように、従来のＩＰＳ方式の液晶表示装置は、アレイ基板１０とカラーフィルター基板２０とが対向して設けられ、両基板間には、液晶層ＬＣが介在される。

アレイ基板１０には、共通電極１と、画素電極２と、複数の画素Ｐ毎に設けられた薄膜トランジスタＴとが形成されている。薄膜トランジスタＴは、ゲート電極１１と、このゲート電極１１の上部に絶縁膜１４を間に積層された半導体層１５と、この半導体層１５の上部に離隔して設けられたソース電極１２及びドレイン電極１３とから構成される。また、共通電極１は、ゲート電極１１と同一層、同一物質で構成され、画素電極２は、ソース電極１２及びドレイン電極１３と同一層、同一物質で構成される。

カラーフィルター基板２０には、透明な絶縁基板上に、ゲート線（図示せず）及び信号線（図示せず）と薄膜トランジスタＴに対応する部分に形成されるブラックマトリックス２１と、画素Ｐに対応して形成される赤色Ｒ２２ａ、緑色Ｇ２２ｂ、青色Ｂのカラーフィルター層２２とが形成されている。液晶層ＬＣは、共通電極１と画素電極２の横電界Ｅによって駆動される。

図１０に示すように、ＩＰＳ方式の液晶表示装置のアレイ基板１０上には、一方向に形成されたゲート線１６と、このゲート線１６とは垂直に交差して画素領域Ｐを定義する信号線１７とが形成されている。また、ゲート線１６に平行に共通線１８が形成されている。さらに、ゲート線１６と信号線１７の交差地点には、ゲート線１６に接続されたゲート電極１１と、ゲート電極１１の上部の半導体層１５と、半導体層１５の上部のソース電極１２及びドレイン電極１３とから構成される薄膜トランジスタＴが形成されている。

画素領域Ｐには、共通線１８に対して垂直方向に、共通線１８から伸延され、相互に平行に離れた共通電極１が形成され、共通電極１間には、共通電極１に平行に画素電極２が形成されている。

ここで、従来のＩＰＳ方式の液晶表示装置の横電界と液晶分子の配向方向について図面を参照しながら説明する。図１１は、従来のＩＰＳ方式の液晶表示装置の電極と液晶分子の関係を示す平面図である。また、図１２及び図１３は、従来のＩＰＳ方式の液晶表示装置の横電界と液晶分子の関係を示す図である。

図１１に示すように、楕円体の液晶分子ＬＭは、共通電極１及び画素電極２に対して５０度〜８０度の角度でホモジニアス配向をしている。このときに、共通電極１及び画素電極２間に電圧を加えると、基板界面の液晶分子ＬＭは、ラビング方向にとどまり、基板間中心部の液晶分子ＬＭは、図１２のように横電界方向へ向く。また、中間調では、図１３のように横電界とラビング方向の中間の角度にとどまっている。

以上のことから、液晶分子ＬＭの応答速度について次のようなことが言える。液晶分子ＬＭの位置及び配向状態は、電界と弾性のつりあいで決まっている。良く知られているように、ＯＮ時間は電界を強くすれば、早くなる。しかし、ＯＦＦ時間は電界を取り去った後の応答なので、弾性エネルギー、粘性、セル構造で決まる。弾性エネルギーも粘性も液晶材料で決まり、ＴＶ製品として要求される５ｍｓ以下を実現するのは困難になってきている。また、セル構造は従来のＩＰＳセルでは応答時間がギャップの二乗に比例するのでセル厚を薄くしてきているがこれも限界にきている。電界がかかったときの応答速度は、次の式で表される。

この式において、Ｖは共通電極１及び画素電極２間に印加する電圧、Ｖｃはしきい値である。一方、電界を取り去ったときの応答速度は、次の式で表される。

この式からも分かるように、ＯＦＦの応答速度は、電圧（電界）によらない（例えば、非特許文献１参照）。

図１２及び図１３において、楕円体のＬＭはセル内、中央の液晶分子、Ｅは電界ベクトル、Ｄは上下の基板の液晶のダイレクタである。無電界のときは、Ｄ方向に強いアンカリングで液晶分子ＬＭが揃っていて、これが液晶分子ＬＭの弾性エネルギーが最小になって安定する状態である。これに、電界Ｅが加わったときは、ＥとＤのエネルギーに対して安定となるような図１２の方向に液晶分子ＬＭが向く。実際は、セル厚方向の全ての液晶分子ＬＭの弾性エネギーが関わる。つまり、液晶分子ＬＭがＥ方向に向いているとき、電界を取り去ると、液晶分子ＬＭは弾性エネルギーのみでＤ方向に戻る。

また、図１３のように中間の透過率を出すときは、液晶分子ＬＭは、Ｅの方向とＤの方向の中間方向で止まっている。このときの配向方向を決めるのは、電界と弾性エネルギーとのバランスである。しかし、このような場合でも電圧を取り去ったときの応答速度には電界は関与せず、弾性エネルギーのみで応答速度が決まる。

特開２００３−１９５３３３号公報 岡野光治、小林俊介共編『液晶』培風館、ｐ２５（応用編）

上述したような従来のＩＰＳ方式の液晶表示装置では、横電界が１方向だけだったので、ＯＮからＯＦＦへの応答速度は、専ら、粘性、弾性、セルギャップで決まってしまい、限界があるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、２方向の横電界によってＩＰＳ駆動することにより、応答速度を速くすることができ、ひいては、高速ＴＶを実現することができるＩＰＳ方式の液晶表示装置を得るものである。

この発明に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置は、アレイ基板とカラーフィルター基板が対向して設けられ、両基板間に液晶が介在され、前記アレイ基板に共通電極及び画素電極が形成されたＩＰＳ方式の液晶表示装置であって、前記アレイ基板上に形成され、第１の方向の横電界を発生させる第１の共通電極及び第１の画素電極と、前記アレイ基板上に形成され、前記第１の方向と異なる第２の方向の横電界を発生させる第２の共通電極及び第２の画素電極とを設け、前記第１及び第２の方向の横電界により前記液晶を駆動するものである。

この発明に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置は、２方向の横電界によってＩＰＳ駆動することにより、応答速度を速くすることができ、ひいては、高速ＴＶを実現することができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置について図１から図８までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置の概略構成を示す平面図であり、電極以外の構成要素を省略している。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この実施の形態１に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置のアレイ基板には、第１の共通電極１と、第１の画素電極２と、第２の共通電極３と、第２の画素電極４とが設けられている。

第１の共通電極１、及び第１の画素電極２は、水平方向に対して直交する垂直方向に形成するとともに、第２の共通電極３、及び第２の画素電極４は、水平方向に対して傾き角度θだけ傾いて形成する。この傾き角度θは、０度＜θ＜９０度の条件を満たすように、４つの電極が形成されるが、２０度付近が最適である。

つぎに、この実施の形態１に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。図２は、図１の要部を拡大して示す平面図である。また、図３は、図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩから切断した断面を示す図である。

図２及び図３に示すように、まず、アレイ基板（図示せず）上に、第２の共通電極３及び第２の画素電極４が形成される。次に、これら第２の共通電極３及び第２の画素電極４が形成されたアレイ基板上の全面に、絶縁膜１９が形成される。次に、この絶縁膜１９上に、第１の共通電極１及び第１の画素電極２が形成される。なお、第２の共通電極３及び第２の画素電極４間や、第１の共通電極１及び第１の画素電極２間に別の絶縁膜を形成してもよい。

つづいて、この実施の形態１に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置の動作について図面を参照しながら説明する。図４から図８までは、この発明の実施の形態１に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置の横電界と液晶分子の関係を示す図である。

従来例の考察から、図４のような動作が求められることが分かる。追加の電極である第２の共通電極３及び第２の画素電極４を設けて、電界Ｅ２を作る。このとき、図５に示すように、実際に液晶分子ＬＭに働く電界は、第１の共通電極１及び第１の画素電極２によるＥ１ベクトルとＥ２ベクトルを加算したＥ３ベクトルとなる。つまり、液晶分子ＬＭの配向方向を決める電気ベクトルは、２つのベクトルからの合成で決まり、全ての応答に電界が関与する。

図６は、従来例の電界の様子を示す。液晶分子ＬＭの白丸は、回転中心である。説明の対象にしているのは液晶分子ＬＭの回転なので、この白丸を中心とした回転に注目する。Ｄは上下の基板に強くアンカリングしているために、生ずる液晶セルの配向力である。この従来例では、ベクトルＥ１と配向力Ｄの合成力で液晶分子ＬＭが回転して、つりあったところで止まる。回転なので液晶分子ＬＭに加わる合成力は、モーメントである。この配向力Ｄによる戻る力が液晶分子ＬＭの弾性に頼っているので、材料の特性で決まり、電界による力に比べると小さい。

図７及び図８は、それぞれＥ１、Ｅ２のみが存在するときの様子である。

図２のように、液晶分子ＬＭのガラス基板面での配向に沿って電界が加わるようにする。この電界のみがあるときには、この電界によって液晶分子ＬＭの配向方向が変化することはない。この状態から、第２の共通電極３及び第２の画素電極４間に電圧を加えていくと、その電界方向に液晶分子ＬＭが向いていく。電界を切ったときには、もとの電界が残っているので、電界がないときに比べて小さな応答速度が得られる。

また、この電界は配向方向に働くのでオーダパラメータの値が大きい場合でも、液晶分子ＬＭを一方向に揃えることができる。その結果、液晶表示に重要な黒レベルを低く抑えることができる。

図３は、上述したように、電極の断面図である。上述の２組の電極のうち、ガラス基板面の液晶分子ＬＭの配向方向と同じ向きの第２の共通電極３及び第２の画素電極４をアレイ基板側（下）にして、駆動用の第１の共通電極１及び第１の画素電極２を上にする。その間を数μｍの絶縁膜（高分子膜等）１９を挟む。このように２組の電極を離すことによって不必要な電界を省く。

この実施の形態１は、まとめると、次のようになる。
（１）．１方向の電界による液晶のＯＮ／ＯＦＦでなく、２方向の電界の合成によって液晶をＯＮ／ＯＦＦする。
（２）．それによって、ＯＮ→ＯＦＦの場合でも、応答速度に電界が寄与する。
（３）．一方の電極の組の電界と液晶分子ＬＭのガラス基板面での配向（ラビング方向）を一致させる。
（４）．（３）の電極には、常に電圧が加わっている。
（５）．２組の電極は、絶縁膜を挟んで離す。
（６）．オーダパラメータが小さくなくような（３）の電界を加える。

従来、第１の共通電極１及び第１の画素電極２に交流電圧を加えることで液晶を動かして表示をしていた。この実施の形態１では、新たに、第２の共通電極３及び第２の画素電極４を設けた。第２の共通電極３及び第２の画素電極４は、ほぼ、液晶の初期配向方向に電界を発生する。この実施の形態１では、２方向の電界によってＩＰＳ動作をするので、応答速度が速くなる。これによって、高速ＩＰＳＴＶを実現することができる。特に、テレビアプリケーションで課題となる、ＩＰＳ液晶の高速応答を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置の概略構成を示す平面図であ 図１の要部を拡大して示す平面図である。 図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩから切断した断面を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置の横電界と液晶分子の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置の横電界と液晶分子の関係を示す図である。 従来のＩＰＳ方式の液晶表示装置の横電界と液晶分子の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置の横電界と液晶分子の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るＩＰＳ方式の液晶表示装置の横電界と液晶分子の関係を示す図である。 一般的なＩＰＳ方式の液晶表示装置の概略的な構成を示す断面図である。 一般的なＩＰＳ方式の液晶表示装置のアレイ基板の構成を概略的に示す平面図である。 従来のＩＰＳ方式の液晶表示装置の電極と液晶分子の関係を示す平面図である。 従来のＩＰＳ方式の液晶表示装置の横電界と液晶分子の関係を示す図である。 従来のＩＰＳ方式の液晶表示装置の横電界と液晶分子の関係を示す図である。

符号の説明

１ 第１の共通電極、２ 第１の画素電極、３ 第２の共通電極、４ 第２の画素電極、１０ アレイ基板、１９ 絶縁膜。

Claims (5)

1. アレイ基板とカラーフィルター基板が対向して設けられ、両基板間に液晶が介在され、前記アレイ基板に共通電極及び画素電極が形成されたＩＰＳ方式の液晶表示装置であって、
   前記アレイ基板上に形成され、第１の方向の横電界を発生させる第１の共通電極及び第１の画素電極と、
   前記アレイ基板上に形成され、前記第１の方向と異なる第２の方向の横電界を発生させる第２の共通電極及び第２の画素電極とを備え、
   前記第１及び第２の方向の横電界により前記液晶を駆動する
   ことを特徴とするＩＰＳ方式の液晶表示装置。
2. 絶縁膜を挟んで、前記アレイ基板側に前記第２の共通電極及び第２の画素電極が形成され、かつ反対側に前記第１の共通電極及び第１の画素電極が形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のＩＰＳ方式の液晶表示装置。
3. 前記第１の共通電極及び第１の画素電極が垂直方向に形成されているとともに、
   前記第２の共通電極及び第２の画素電極が水平方向に対して傾き角度だけ傾いて形成されている
   ことを特徴とする請求項２記載のＩＰＳ方式の液晶表示装置。
4. ０度＜前記傾き角度＜９０度を満たしている
   ことを特徴とする請求項３記載のＩＰＳ方式の液晶表示装置。
5. 前記傾き角度は、略２０度である
   ことを特徴とする請求項３記載のＩＰＳ方式の液晶表示装置。

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