JP2009175765A - 液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高性能な液晶表示装置を提供し、セルギャップを増加させることで工程マージンを改善させる。
【解決手段】反射電極を有する下部基板と、下部基板上に形成する配向膜と、下部基板と対向配置してカラーフィルターを有する上部基板と、上部基板上に形成する配向膜と、下部基板と上部基板との間に配置した液晶層と、上部基板の外側面上に取り付けて線偏光を円偏光に変換する位相補償フィルムと、位相補償フィルム上に取り付けて、入射した自然光を、線偏光に変換する偏光板を含み、下部配向膜の配向角度は水平ラインに対して−10〜20゜であり、上部配向膜の配向角度は、水平ラインに対して40〜55゜であり、液晶層の位相遅延値(dΔn)は0.24〜0.27μmであり、位相補償フィルムはλ/4の位相補償機能を有し、かつその光軸が水平ラインに対して140〜146゜であり、偏光板の吸収軸は水平ラインに対して102〜122.5゜とする。
【選択図】図2

Description

本発明は液晶表示装置に関するものであり、より詳細には、特性パラメータを最適化させて表示特性を向上させ、工程マージンを改善させた液晶表示装置に関するものである。
液晶表示装置は、光源としてバックライトを使用する透過型液晶表示装置、バックライトの使用なしに自然光を使用する反射型液晶表示装置、必要によってバックライトと自然光を選択的に使用する反透過型液晶表示装置に区分される。
この内でバックライトが必要でない反射型液晶表示装置は、低消費電力、薄型及び軽量化をなすことができるために携帯用表示装置に多く用いられ、携帯電話と携帯機器の市場が拡大することで、その需要が増加している。
このような反射型液晶表示装置は、下部基板、反射電極、下部配向膜、液晶層、上部配向膜、上部透明電極、カラーフィルター、上部基板、位相補償フィルム、偏光板などを含んでおり、このような構成要素を順に積層した構造を有する。
また、液晶表示装置はその動作モードによって、TN(Twisted Nematic)型、GH(Guest Host)型、ECB(Electrically Controlled Birefringence)型、OCB(Optically Compensated Birefringence)型等に分けることができる。
ここで、TN型の液晶表示装置は、現在携帯用コンピュータ及び測定装置に広範囲に使用されているが、応答速度が遅いという短所がある。
ECB型の液晶表示装置は、液晶セルの複屈折率変化を通じて光透過率の変化を誘導した方式であり、その代表的な例としてHAN(Hybrid−Aligned Nematic)モード液晶表示装置を挙げることができる。前記HANモード液晶表示装置は、比較的低い電圧で動作して、その応答速度が速い利点を有するために、その研究が活発に進められている。
以下、反射型液晶表示装置の構造及び画面表示について簡略に説明する。
図1は従来の反射型液晶表示装置を概略的に図示した断面図である。
従来の反射型液晶表示装置は、図1に示すように、反射電極2及び下部配向膜3を具備した下部基板1と、カラーフィルター5及び上部配向膜6を具備した上部基板4の間に液晶層10を構成し、前記上部基板4の外側面上に位相補償フィルム、例えば、λ/4フィルム7と偏光板8を順に取り付けた構造を有する。前記反射電極2は、リソグラフィまたはホログラフィ工程などを通じて表面に凹凸を有する。
このような反射型液晶表示装置では、電圧無印加時に、偏光板を通過しながら線偏光した光が位相補償フィルムを通過して円形偏光、例えば、左円偏光に変わり、これが通過しながら再び線形偏光に変わり反射電極で反射される。
このように反射電極で反射された線偏光の光は、再び液晶層を通過しながら左円偏光に変わった後、位相補償フィルムを通過して、偏光方向が偏光板の偏光軸に平行な線偏光に変形され、偏光板を通過し、ホワイト(white)の状態を具現する。
また、反射型液晶表示装置では、電圧印加時に、偏光板と位相補償フィルムを通過して左円偏光に変換された光が、何らの変化なしに液晶層をそのまま通過して、反射電極で反射されて右円偏光に変わり、再び液晶層と位相補償フィルムを通過して、偏光方向が偏光板の偏光軸と垂直の線偏光に変形されることで偏光板を通過できなくなり、ダーク(dark)の状態を具現する。
このような反射型液晶表示装置における良い表示画面は、前述した各構成要素の特性値をどのように最適化させるかにより左右される。
反射型液晶表示装置での効率的な反射率増大のためには、偏光板の吸収軸または透過軸角度、位相補償フィルムの光学特性、液晶層の厚さ(d)、液晶層の位相遅延値(dΔn)、液晶のツイスト角、配向膜の配向角度、及び反射板の特性などの値を最適化することが必要である。
例えば、従来の反射型液晶表示装置における、良い表示画面はλ/4フィルム7を1枚または2枚を使用し、上部配向膜6の配向角度が、下部配向膜3の配向角度と90゜となるように配置し、偏光板8の透過軸が上部配向膜6の配向角度と20゜の角度となるように配置し、またλ/4フィルム7の光軸角度と45゜をなすことで得ることができる。
この時、液晶のツイスト角及び液晶層の位相遅延値は、各々63〜80゜及び0.20〜0.27μm程度で調節する。
しかしながら、従来の反射型液晶表示装置では、セル設計を最適化させるために2枚のλ/4フィルムを使用する場合に、反射率の低減が起きる。また、1枚のλ/4フィルムを使用する場合に、可視光波長の広い領域でλ/4の位相差を付与する機能が満足にできないことによる表示特性が悪くなる問題点がある。
従来の反射型液晶表示装置は、良い表示画面を得るために設定するセルギャップが非常に小さいために、実際工程での歩留まりが低下する問題点がある。
特開2001−51260号公報
本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、表示特性が良い液晶表示装置を提供することである。
また、本発明の他の目的は、充分なセルギャップを確保することで、製造工程での歩留まりが良い、液晶表示装置を提供することである。
前記のような目的を達成するために、本発明は、反射電極を具備した下部基板と、該下部基板上に形成する下部配向膜と、前記下部基板と対向配置してカラーフィルターを具備した上部基板と、該上部基板上に形成する上部配向膜と、前記下部基板と上部基板との間に配置した液晶層と、前記上部基板の外側面上に取り付けた線偏光を円偏光に変換する位相補償フィルムと、該位相補償フィルム上に取り付けて外部から入射する自然光を線偏光に変換する偏光板とを有し、前記下部配向膜の配向角度は水平ラインに対して0〜10゜であり、前記上部配向膜の配向角度は水平ラインに対して50〜56゜であり、前記液晶層の位相遅延値(dΔn)は0.17〜0.21μmであり、前記位相補償フィルムはλ/4位相補償機能を有し、かつその光軸が水平ラインに対して135〜145゜であり、前記偏光板の吸収軸は水平ラインに対して62〜66゜であることを特徴とする液晶表示装置を提供する。 前記液晶層はツイスト角が53゜であるツイストネマティック液晶を使用する。
本発明の液晶表示装置は、表面に凹凸を有する反射電極及び下部配向膜を具備した下部基板と、カラーフィルター及び上部配向膜を具備した上部基板との間に配置した液晶層と、前記上部基板の外側面上には線偏光を円偏光に変換する位相補償フィルムを取り付け、位相補償フィルム上に外部から入射した自然光を、線偏光に変換する偏光板を取り付けた構成を有する。
ここで、下部及び上部基板の厚さと屈折率はおよそ0.4〜0.7t及び1.5程度であり、上部基板での相対電極の厚さと屈折率は1500Å及び1.7程度であり、上部配向膜の厚さと屈折率は750Å及び1.6程度であり、AlNd材質の反射電極の厚さは1500Å程度である。
前記下部及び上部配向膜は、より効果的に液晶分子を配向させるために、液晶との親和性及び基板の密着性を考慮したポリアミン酸(polyamic acid)系列で構成する。
前記位相補償フィルムは1枚のλ/4フィルムで構成する。前記λ/4フィルムはポリカーボネート(polycarbonate)、ポリビニルアルコール(polyvinylachole)、または、ポリスチレン(polystyrene)のような高分子フィルムを一軸延伸させて、特定の位相差を有するように作る。
また、本発明の液晶表示装置は、各構成要素の各特性値を調節して、最適のセル構成をなし、これを通じて、明るくて、コントラスト比が高く、色特性が良好であり、反射率が高い良い表示画面を具現する。また、セルギャップの工程マージンを改善する効果がある。
前記最適のセルを構成するためのパラメータとしては偏光板の吸収軸または透過軸角度、λ/4フィルムを構成する二つの複屈折フィルムの光軸角度、液晶層の位相遅延値及び配向膜の配向角度などを挙げることができる。
以上のような本発明の目的と別の特徴及び長所などは、本発明の実施例により明確にする。
本発明は、従来の液晶表示装置と比較し、セルギャップを拡大することができるので、製造工程のマージンを高めることができ、製造収率を向上させることができる。
本発明は、液晶セルの設計を最適化させることによって、電圧による反射率を高めることができ、これにより、コントラスト比及び色特性を高めることができて、優秀な表示画面の液晶表示装置を提供できる。
従来の反射型液晶表示装置を図示した断面図である。 本発明の実施例による液晶表示装置で、各構成要素の軸配列を図示した図面である。 本発明の実施例による液晶表示装置で、各構成要素の軸配列を図示した図面である。 本発明の実施例による液晶表示装置で、各構成要素の軸配列を図示した図面である。 本発明の実施例による液晶表示装置の電圧による反射率特性を説明するためのグラフである。 本発明の実施例による液晶表示装置の電圧による反射率特性を説明するためのグラフである。 本発明の実施例による液晶表示装置の電圧による反射率特性を説明するためのグラフである。 セルギャップによる反射率関係を図示したグラフである。 本発明の他の実施例による液晶表示装置での各構成要素の軸配列を図示した図面である。 本発明の他の実施例による液晶表示装置での電圧による反射率特性を説明するためのグラフである。 本発明の他の実施例による液晶表示装置での各構成要素の軸配列を図示した図面である。 本発明の他の実施例による液晶表示装置での電圧による反射率特性を説明するためのグラフである。 本発明によるマルチ−ドメインツイストHANモード液晶表示装置を説明するための断面図である。 本発明によるツイストHAN&TNモード混用の反透過型液晶表示装置を説明するための断面図である。
本発明の望ましい実施例を、図面を参照してより詳細に説明する。
最適のセルを構成することができる本発明の実施例1による各構成要素の特性値を(1)〜(3)に示す。
(1)液晶層はツイスト角が60゜であるTN液晶で構成する。前記液晶層の位相遅延値が0.24〜0.27μmである時、セルギャップマージンが高くて、コントラスト比及び色特性が優秀な液晶表示装置を得ることができる。
この時、最適のセルを構成することができる下部配向膜の配向角度は水平ラインに対して−10〜−20゜であり、上部配向膜の配向角度は水平ラインに対して40〜55゜であり、λ/4フィルムの光軸は140〜146゜であり、偏光板の吸収軸は102〜122.5゜である。
図2は各構成要素の軸配列を図示した図面である。図面符号aは下部基板のラビング軸、すなわち、下部配向膜の配向角度を、bは上部基板のラビング軸、すなわち、上部配向膜の配向角度を、cはλ/4フィルムの光軸を、dは偏光板の吸収軸を各々示す。
(2)液晶層はツイスト角が76゜であるTN液晶で構成する。前記液晶層の位相遅延値が0.23〜0.27μmである時、セルギャップマージンが高くて、コントラスト比及び色特性が優秀な反射型液晶表示装置を得ることができる。
この時、最適のセルを構成することができる下部配向膜の配向角度は水平ラインに対して0〜10゜であり、上部配向膜の配向角度は水平ラインに対して55〜65゜であり、λ/4フィルムの光軸は160〜168゜であり、偏光板の吸収軸は117〜127.5゜である。
図3は各構成要素の軸配列を図示した図面である。図面符号aは下部基板のラビング軸、すなわち、下部配向膜の配向角度を、bは上部基板のラビング軸、すなわち、上部配向膜の配向角度を、cはλ/4フィルムの光軸を、dは偏光板の吸収軸を各々示す。
(3)液晶層はツイスト角が53゜であるTN液晶で構成する。前記液晶層の位相遅延値が0.17〜0.21μmである時、セルギャップマージンが高くて、コントラスト比及び色特性が優秀な反射型液晶表示装置を得ることができる。
この時、最適のセルを構成することができる下部配向膜の配向角度は水平ラインに対して0〜10゜であり、上部配向膜の配向角度は水平ラインに対して50〜56゜であり、λ/4フィルムの光軸は135〜145゜であり、偏光板の吸収軸は62〜66゜である。
図4は各構成要素の軸配列を図示した図面である。図面符号aは下部基板のラビング軸、すなわち、下部配向膜の配向角度を、bは上部基板のラビング軸、すなわち、上部配向膜の配向角度を、cはλ/4フィルムの光軸を、dは偏光板の吸収軸を各々示す。
一方、前記の例において、上部配向膜の配向角度と偏光板の透過軸との間の角は液晶のツイスト角が60゜である場合に28〜32゜、液晶のツイスト角が76゜である場合に31.5〜37.5゜で設計する。
前述したように、本発明は液晶のツイスト角を60゜、76゜及び53゜で設計し、この時の液晶層の位相遅延値を各々0.24〜0.27μm、0.23〜0.27μm、0.17〜0.21μmに調節し、配向膜の配向角度、λ/4フィルムの光軸及び偏光板の吸収、または透過軸を適切に調節することにより良い表示画面の液晶表示装置を得ることができる。
また、本発明の液晶表示装置は概略3.6〜4.0μm程度のセルギャップを有するようになる。これにより従来の液晶表示装置では2.9〜3.5μm程度のセルギャップであるが、これと比較して本発明は、工程マージンを改善することができる。
図5ないし図7は、電圧による反射率特性を説明するためのグラフであり、図5は松下電器産業株式会社の反射型液晶表示装置の電圧による反射率を図示したグラフであり、図6及び図7は各々液晶のツイスト角が60゜及び70゜である本発明による反射型液晶表示装置での電圧による反射率を図示したグラフである。
図5に示すように、松下電器産業株式会社「EI反射型液晶表示装置」は電圧印加時に完全なダーク(dark)とならないが、図6及び図7に図示すように、本発明による反射型液晶表示装置は電圧印加時にダーク状態をなす。したがって、本発明の液晶表示装置は松下電器産業株式会社のそれより電圧による反射率特性が優秀なことが分かる。
また、本発明による液晶表示装置は、同じ水準のコントラスト比である場合には駆動電圧を低くすることができる。
本発明の実施例1による液晶表示装置は液晶のツイスト角を76゜、液晶層の位相遅延値を0.25μm、液晶層のセルギャップを3.6μmに設計することによって、良い表示画面を有することができることはもちろん、セルギャップの増加により実際工程での適用を容易にすることができる。
最適のセルを構成することができる、本発明の実施例2による構成要素の特性値は次の通りである。
液晶層は電界印加の可否により透過光の位相を変換するHANモードの液晶層である。
このようなHANモード液晶層はツイスト角が90゜であるツイストネマティック液晶で構成する。
前記HANモード液晶層の位相遅延値(dΔn)は0.36〜0.40μmとし、偏光板の透過軸は42〜48゜とし、位相補償フィルムのλ/4フィルムの光軸は167〜173゜とする。
下部配向膜は80〜90゜または、2゜以下のフリーチルト角を有する垂直配向膜であり、水平ラインに対して−40〜−50゜の配向角度を有する。上部配向膜は垂直配向膜の下部配向膜とは反対に2゜以下、または80〜90゜のフリーチルト角を有する水平配向膜であり、水平ラインに対して40〜50゜の配向角度を有する。
位相補償フィルムは0.14〜0.15μmの位相補償遅延値を有する。
図8はセルギャップによる反射率関係を図示したグラフである。図示するように、反射率が最大になるセルギャップは5.6μm程度であることが分かる。
図9及び図11は本発明の実施例2の反射型HANモード液晶表示装置における各構成要素の軸配列を図示した図面である。図面符号aは下部基板のラビング軸を、bは上部基板のラビング軸を、cは位相フィルムの光軸を、dは偏光板の透過軸を各々示す。
図10及び図12は各々図9及び図11の反射型HANモード液晶表示装置での電圧による反射率特性を説明するためのグラフである。
図9に図示すように、液晶のツイスト角を90゜として、水平配向膜の下部配向膜のフリーチルト角は0.2゜であり、垂直配向膜の上部配向膜のフリーチルト角は80〜90゜とし、λ/4フィルムの光軸は167〜173゜とし、偏光板の透過軸角度は42〜48゜とする。この時の電圧による反射率特性を図10に示す。
次に、図11に図示するように、液晶のツイスト角を90゜として、垂直配向膜の下部配向膜のフリーチルト角は0.2゜とし、水平配向膜の上部配向膜のフリーチルト角は80〜90゜とし、λ/4フィルムの光軸は7〜13゜とし、偏光板の透過軸角度は42〜48゜とする。この時の電圧による反射率特性を図12に示す。
前述したように、本発明の実施例2による液晶表示装置は、HANモード液晶層を適用し、下部配向膜と上部配向膜のフリーチルト角が、互いに反対となるように調節し、λ/4フィルムの光軸と、偏光板の透過軸角度とを適切に調節することにより最適のセルを具現することができる。特に、セルギャップを大きく設計することができるために、さらに工程マージンを改善することができる。
図13は本発明の実施例3によるマルチ−ドメインツイストHANモード液晶表示装置を説明するための断面図である。
図13に示すように、反射電極31を具備した下部基板30と、カラーフィルター34を具備した上部基板33との間に液晶層37を配置する。前記反射電極31上には下部配向膜32を形成する。前記下部配向膜32は単位画素を二分して、第1領域では垂直または水平配向処理し、第2領域では第1領域とは反対の水平または垂直配向処理をする。前記カラーフィルター33上には、上部配向膜35を形成する。前記上部配向膜35は、下部配向膜32とは反対に、第1領域では水平または垂直配向処理し、第2領域では第1領域とは反対に垂直または水平配向処理をする。
前記下部配向膜32と上部配向膜36の配向角度は、各々水平ラインに対して−40〜−50゜、水平ラインに対して40〜50゜とする。また、前記下部配向膜32と上部配向膜36とは、所定のフリーチルト角を有するように、垂直または水平配向処理し、この時フリーチルト角は、互いに反対になるように2゜以下、または80〜90゜の内いずれか一つの範囲を有する。
前記液晶層37は、電界印加の可否によって透過光の位相を変換するツイストHANモードの液晶層で構成する。前記ツイストHANモードの液晶層37は、ツイスト角が90゜であるツイストネマティック液晶で構成して、0.36〜0.40μmの位相遅延値(dΔn)を有する。
上部基板33の外側面上には、線偏光を円偏光に変換する位相補償フィルムとしてλ/4フィルムを取り付け、前記λ/4フィルム上には外部から入射した自然光を、線偏光に変換する偏光板をとりつける。(図示せず)
この時、前記λ/4フィルムは、0.14〜0.15μmの位相補償遅延値を有し、水平ラインに対して167〜173゜の光軸を有する。前記偏光板は42〜48゜の透過軸を有する。
図14は本発明の第4実施例による、ツイストHAN&TNモードが混用反透過型の液晶表示装置を説明するための断面図である。
図14に示すように、単位画素は反射領域と透過領域に区分される。反射領域に該当する下部基板40部分の上には反射電極41を形成する。前記下部基板40と対向してカラーフィルター44を具備した上部基板43を配置する。
前記反射電極41を含んだ下部基板40上には、下部配向膜42を形成する。前記下部配向膜42は反射領域では、垂直または水平配向処理し、透過領域では反射領域と反対に水平または垂直配向処理する。前記カラーフィルター44上に上部配向膜45を形成する。前記上部配向膜45は下部配向膜42とは反対に反射領域では水平または垂直配向処理し、透過領域では反射領域と反対に垂直または水平配向処理する。
前記下部配向膜32と上部配向膜36の配向角度は、各々水平ラインに対して−40〜−50゜、水平ラインに対して40〜50゜とする。また、前記下部配向膜32と上部配向膜36とは、所定のフリーチルト角を有するように垂直または水平配向処理し、この時フリーチルト角はお互い反対になるように2゜以下または80〜90゜の内いずれか一つの範囲を有する。
前記下部基板40と上部基板43との間に液晶層47,48を配置する。前記液晶層47,48は2個の液晶モード、すなわち、ツイストHANモード液晶層47とTNモード液晶層48で構成し、前記ツイストHANモード液晶層47は反射領域に位置し、TNモード液晶層48は透過領域に位置する。前記ツイストHANモード液晶層47及びTNモード液晶層48は、ツイスト角が90゜であるツイストネマティック液晶で構成して、0.36〜0.40μmの位相遅延値(dΔn)を有する。
上部基板の外側面上には、位相補償フィルムとしてλ/4フィルムを取り付け、前記λ/4フィルム上には、偏光板を取り付ける。(図示せず)
この時、前記λ/4フィルムは0.14〜0.15μmの位相補償遅延値を有し、水平ラインに対して167〜173゜の光軸を有する。前記偏光板は42〜48゜の透過軸を有する。
一方、図示したように、反射領域の液晶層の厚さをdとすると、透過領域はセルギャップをd×2に設計し、反射領域と透過領域とが同じ位相遅延値(dΔn)を有する。
また、同一液晶の屈折率(Δn)を使用時に、TNモードを駆動する透過領域は反射電極と相対電極との間の距離を4.8μm程度に設計し、ツイストHANモードで駆動する反射領域は反射電極と相対電極との間の距離を5.6μm程度に設計する。この時、偏光板の吸収軸は同一に配置する。合わせて、上部基板または下部基板に凹または凸の段差を与えてセルギャップを制御することができる。
本発明はその要旨を逸脱しない範囲で変更して実施することができる。
本発明は液晶表示装置の分野に適用できる。
30,40 下部基板
31,41 反射電極
32,42 下部配向膜
33,43 上部基板
34,44 カラーフィルター
35,45 上部配向膜
37,47 ツイストHANモード液晶層
48 TNモード液晶層

Claims (2)

  1. 反射電極を具備した下部基板と、
    該下部基板上に形成する下部配向膜と、
    前記下部基板と対向配置してカラーフィルターを具備した上部基板と、
    該上部基板上に形成する上部配向膜と、
    前記下部基板と上部基板との間に配置した液晶層と、
    前記上部基板の外側面上に取り付けて線偏光を円偏光に変換する位相補償フィルムと、
    前記位相補償フィルム上に取り付けて外部から入射した自然光を線偏光に変換する偏光板とを有し、
    前記下部配向膜の配向角度は水平ラインに対して0〜10゜であり、
    前記上部配向膜の配向角度は水平ラインに対して50〜56゜であり、
    前記液晶層の位相遅延値(dΔn)は0.17〜0.21μmであり、
    前記位相補償フィルムはλ/4の位相補償機能を有し、かつその光軸が水平ラインに対して135〜145゜であり、
    前記偏光板の吸収軸は水平ラインに対して62〜66゜であることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記液晶層はツイスト角が53゜であるツイストネマティック液晶で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
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