JP2011203670A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マトリクス状の交叉画素電極を有するモノドメイン配向の垂直配向表示素子において、表示画素のエッジ部分で液晶分子の配向方向が所望の方向からずれる配向異常が発生し、表示の均一性が損なわれる。
【解決手段】 電極構造を積層構造にすることにより発生する斜め電界を利用して、表示画素のエッジ部分で液晶分子の配向をコントロールし、均一な表示を実現する。そのために、透明電極３１の上の、隣接する対向電極３６間のスペースに対向する部位に補助電極３５を設け、この補助電極３６に透明電極３１に印加される駆動信号と同一の駆動信号を印加することとした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、マトリクス状に電極を交叉させて画素を構成する垂直配向型の液晶表示装置に関し、特に、表示面内で配向状態が均一なモノドメイン配向の液晶表示装置に関する。

電圧無印加時に、液晶分子を基板に対して垂直に配向する垂直配向型液晶セルは、クロスニコル配置の偏光板間に配置することにより、電圧無印加時に非常に良好な黒表示が観察される。さらに、液晶セルと上下偏光板との間の片方または両方に、適切なパラメータを持つ負の光学異方性を持つ光学補償板を配置することにより、非常に良好な視角特性が得られる。

垂直配向型液晶セルとして、表示面内方向について配向状態が均一なモノドメイン配向のものや、表示面内に配向状態の異なる複数のドメインが配置されるマルチドメイン配向のものが提案されている。モノドメインの配向処理としては、ラビング処理や光配向処理等が提案され、マルチドメインの配向処理としては、画素電極内に設けた開口部により生じさせた斜め電界により配向を制御する方法等が提案されている。

特に、モノドメイン垂直配向型液晶セルでは、電圧印加時の配向欠陥を抑制するため、電圧無印加時において液晶分子が表示面法線方向からわずかに傾斜するように、プレチルト角が付与される（例えば、特許文献１を参照）。なお、プレチルト角は、表示面となす角で定義する。電圧印加により、液晶分子が表示面法線方向から倒れ込む。

特開２００５−２３４２５４号公報

マトリクス状電極を交叉させて画素を構成するモノドメイン配向の垂直配向表示素子を単純マトリクス駆動法（マルチプレックス駆動法）で駆動制御した場合、表示画素のエッジ部分で液晶分子の配向方向が所望の方向からずれる異常配向部分が発生し、表示の均一性が損なわれる問題が生じる。すなわち、画素電極のエッジ部分では液晶分子が所望の方向に倒れることができず、異常配向が生じ、一様な表示を得ることができない。

本発明の目的は、マトリクス状の交叉画素電極を有するモノドメイン配向の垂直配向表示素子において、表示パターンの際部分で液晶分子の配向方向が所望の方向からずれる異常配向部分を抑制し、均一な表示が可能な液晶表示装置を提供することである。

そこで、本発明は、複数の透明電極がストライプ状に形成され、透明電極を覆うように垂直配向膜が形成された透明基板と、複数の対向電極がストライプ状に形成され、対向電極を覆うように対向垂直配向膜が形成された対向基板と、透明基板と対向電極がマトリクス状に交差して表示画素を構成するように透明基板と対向基板を対向して配置させ、透明基板と対向基板とのギャップに設けられ、透明基板及び対向基板との間にプレチルト角が付与された液晶分子を含む液晶層と、液晶層を挟むように設けられた一対の偏光板を備える液晶表示装置において、複数の透明電極のそれぞれの透明電極上に補助電極を設けることとした。このとき、補助電極は対向電極のスペースに対向する位置に設けられ、補助電極には透明電極に印加される駆動信号と同一の駆動信号を印加することとした。

さらに、透明電極上で補助電極の存在していない部位には平坦化膜が設けられ、基板平面が平坦化されている。そして、垂直配向膜が平坦化膜上に設けられている。このような構成により、液晶層の厚みが均一化する。また、垂直配向膜自体も平坦化が可能になり、良好な垂直配向が得られる。

さらに、補助電極と透明電極の間に絶縁層を設け、絶縁層に形成したスルーホールを用いて透明電極と補助電極を電気的に接続することとした。

本発明によれば、表示画素のエッジ部分において、補助電極と対向電極の間に液晶分子を倒れこませるような斜め電界が発生することとなり、液晶分子の配向状態が制御でき、異常配向が防止できる。

本発明の代表的な液晶表示装置の概略断面図である。 垂直配向膜との界面の液晶分子のプレチルト角の付与された方位角方向、液晶層厚さ方向中央の液晶分子のダイレクタの方位角方向、及び偏光板の吸収軸方向を示す平面図である。 本発明の電極構造を説明する模式図である。 電圧印時の電界方向を説明する模式図である。

本発明の液晶表示装置は、透明基板と対向基板の間に、透明基板及び対向基板との間にプレチルト角が付与された液晶分子を含む液晶層が設けられた液晶セルと、この液晶セルを挟む一対の偏光板を備えている。透明基板には複数の透明電極がストライプ状に形成されている。すなわち、透明電極はライン状の電極であり、隣接する透明電極の間には所定のスペース（間隙）が設けられている。さらに、透明基板には、ストライプ状の透明電極を覆うように垂直配向膜が設けられる。この透明基板と対向する対向基板にも、同様に複数の対向電極がストライプ状に形成され、対向電極を覆うように対向垂直配向膜が形成されている。ストライプ状の透明電極とストライプ状の対向電極がマトリクス状に交叉するように透明基板と対向基板はシール材により貼り合わされている。そして、透明電極と対向電極には、一方にセグメント信号が、他方にコモン信号が供給され、各電極の交叉部である表示画素を駆動する。このとき、本発明では、透明電極の上に補助電極が設けられている。補助電極は、隣接する対向電極間のスペースに対向する部位に設けられている。そして、補助電極には透明電極に印加される駆動信号と同一の駆動信号を印加することとした。

このとき、電圧無印加時において、液晶分子が表示面法線方向に対して微小に傾斜するように、液晶分子にプレチルト角が付与されている。電圧印加により、液晶分子が表示面法線方向からプレチルト側に倒れ込むようになる。すなわち、プレチルト角を付与することにより、電圧印加時に液晶分子が倒れる方向が揃うこととなる。選択された画素電極間の液晶層に電圧が印加すると、選択した画素のエッジ部分以外には上下の電極間に垂直方向に電界が発生して液晶が倒れこむ。一方、エッジ部分では対向電極と補助電極の間に斜め電界が発生するため、液晶が所望の方向へ倒れこむ。このように、斜め電界により液晶分子の画素のエッジ部に生じる配向以上を抑制することができる。

また、補助電極が存在しない部位の透明電極上に平坦化膜を設け、この平坦化膜上に垂直配向膜を設けることとした。このような構成により、透明基板表面、すなわち垂直配向膜自体の平坦化が可能になり、良好な垂直配向が得られる。また、液晶層の厚みを均一化することができる。

さらに、補助電極と透明電極の間に絶縁層を形成してもよい。このとき、絶縁層にスルーホールを形成し、このスルーホールにより補助電極と透明電極を電気的に接続する。これにより、ライン状の透明電極と補助電極に同一の駆動信号を容易に供給することができる。

本実施例の液晶表示装置の構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、液晶表示装置の断面構成を示す模式図である。図示するように、液晶セル２０を挟むように上偏光板１と下偏光板１１が配置されている。バックライトや反射部材が必要な場合には、下偏光板１１の下方に配置される。液晶セル２０は、上ガラス基板３と下ガラス基板１３が相互に平行に対向配置され、両基板間に液晶層７が設けられた構成である。上ガラス基板３の内面に、基板側から、所望の形状に形成されたコモン電極４と上垂直配向膜６が積層して形成されている。下ガラス基板１３の内面にも、基板側から、所望の形状でセグメント電極１４が形成され、この上に下垂直配向膜１６が積層されている。ここで、必要に応じてセグメント電極を上ガラス基板に形成し、コモン電極を下ガラス基板に形成してもよい。垂直配向膜として、ポリイミド膜や無機膜等を適宜選択することができる。なお、本実施例では、基板間のショート防止のため、コモン電極４と上垂直配向膜６の間、及び、セグメント電極１４と下垂直配向膜１６の間にそれぞれ絶縁膜１５が配置されている。また、下ガラス基板１３と下偏光板１１の間に、液晶層７の厚さ断面内のリターデーションを補償する光学補償板１２が視角補償部材として挿入されている。視角補償部材として、Ｃプレート、Ａプレートおよび２軸位相差板を用いることもできる。なお、視角補償部材は、必要に応じて、液晶セルと上下偏光板との間の一方のみ、または両方に配置することができる。

図２は、上下垂直配向膜との界面の液晶分子のプレチルト角の付与された方位角方向、液晶層厚さ方向中央の液晶分子のダイレクタの方位角方向、及び上下偏光板の吸収軸方向を示す平面図である。ここで、表示面内における方位角を定義する（図２参照）。反時計回りに角度が増加するものとする。液晶表示装置を正面から見たとき、右方向（３時方向）を０°とし、左方向（９時方向）を１８０°とし、上方向（１２時方向）を９０°とし、下方向（６時方向）を２７０°方向とする。なお、向きも含めて方向を表す場合は、１つの方位角を用いて、例えば９０°方向等と表すこととする。向きを含めずに方向を表す場合は、相互に反対の２つの方位角を用いて、例えば９０°−１８０°方向等と表すこととする。

上垂直配向膜６と下垂直配向膜１６には、アンチパラレルの配向処理が施されている。このラビングにより、上垂直配向膜６と液晶層７の界面の液晶分子には、方位角方向２１Ｕが２７０°方向となるようにプレチルト角θＵが付与され、下垂直配向膜１６と液晶層７の界面の液晶分子には、方位角方向２１Ｌが上側の方位角方向２１Ｕと反対の９０°方向となるように、プレチルト角θＬが付与されている。配向処理として、上垂直配向膜６及び下垂直配向膜１６に、アンチパラレルのラビングを施した。ラビングにより、上垂直配向膜６と液晶層７との界面の液晶分子には、上側の方位角方向２１Ｕが２７０°方向となるようにプレチルト角θＵが付与され、下垂直配向膜１６と液晶層７との界面の液晶分子には、下側の方位角方向２１Ｌが上側のプレチルト角θＵの方位角方向２１Ｕと反対の９０°方向となるように、プレチルト角θＬが付与されている。

上下の垂直配向膜にこのようなアンチパラレルの配向処理を行うことにより、液晶層７の厚さ方向中央の液晶分子が電圧印加時に９０°−２７０°の方位角方向に倒れこむように制御できる。

このとき、上偏光板１の吸収軸２３Ｕは４５°−２２５°方向に配置され、下偏光板１１の吸収軸２３Ｌは１３５°−３１５°方向に設定されている。両偏光板の吸収軸２３Ｕと２３Ｌがなす角（または、両偏光板の透過軸が相互になす角は）は９０°であり、両偏光板は相互にクロスニコル配置されている。

液晶分子の方位角方向が偏光板の吸収軸（または透過軸）となす角を、０°以上９０°以下とした大きさで表すこととする。電圧印加時に液晶分子が倒れるよう定められた方位角方向（９０°−２７０°方向）は、上偏光板１の吸収軸２３Ｕ（４５°−２２５°方向）と−４５°をなし、下偏光板１１の吸収軸２３Ｌ（１３５°−３１５°方向）と＋４５°をなす。すなわち、液晶分子の倒れ込むよう定められた方向は、上偏光板１、下偏光板１１の透過軸ともそれぞれ４５°をなす。

次に、垂直配向型液晶表示装置の表示原理について説明する。液晶層７は、誘電率異方性Δεが負の液晶分子を含んでいる。電圧無印加時は、液晶分子がほぼ垂直に配向しているので、液晶層７は、表示面内について屈折率異方性を有さない。また、上偏光板１と下偏光板１１がクロスニコル配置されているので、下偏光板１１を透過した偏光成分は上偏光板１を透過できず、電圧無印加時に黒表示が得られる。

電圧印加時は、上下両側の電極に挟まれた電圧印加領域で、液晶分子が垂直方向から倒れこみ、表示面内での屈折率異方性が生じる。下偏光板１１の透過軸と、液晶分子が倒れこんだ方位角方向とが、表示面内で相互に平行でもなく直交してもいないとき、下偏光板１１を透過した偏光成分が、液晶分子の長さ方向に対する平行成分及び直交成分の両方を含む。これにより、液晶層７の透過時に平行成分と直交成分との間に位相差が生じ、上偏光板１を透過する偏光成分を生成することができる。すなわち、白表示を得ることができる。特に、液晶分子の倒れこんだ方位角方向が、クロスニコル配置の上下偏光板の透過軸とそれぞれなす角４５°であるとき、最大の透過率を得ることができる。また、液晶分子の倒れこむ方位角方向を上下方向の９０°−２７０°方向にすることにより、左右の視角特性がほぼ同等な広視野角の表示が得られる。

そして、本実施例では、コモン電極４とセグメント電極１４のいずれかの電極を二層構造としている。図３に、積層状態で形成された電極構造を模式的に示す。図３(ａ)に断面構造を示し、図３（ｂ）にその部分俯瞰図を示す。通常の透明電極は平坦な一層の電極材料で形成されるが、本実施例では透明電極が二層の電極材料で形成されている。図示しないガラス基板に、ライン状の透明電極３１がストライプ状に形成されている。これらの透明電極３１を絶縁膜３２で覆い、絶縁膜の一部分にスルーホール３４を形成する。このスルーホールの上部に補助電極３５を形成する。ここで、補助電極３５は、対向基板に設けられた複数のライン対向電極の間隙に対応する部位に形成されている。すなわち、補助電極３５は個々の電極ごとに独立しており、かつ上下の電極が交差していない画素間隙の部分に設けられている。透明電極３１と補助電極３５はスルーホール３４により導通しているので、補助電極３５にも透明電極３１に供給される駆動信号が同時に供給される。ここで、絶縁膜３２として、石英（ＳｉＯ２）または高分子膜が使用できる。また、補助電極が形成された表面を平坦化するために、絶縁膜上に平坦化膜３３が形成されている。平坦化膜３３は、少なくとも透明電極上の補助電極が存在しない部位に設けられていればよい。

対向電極と透明電極及びの補助電極３３との間に働く電界について図４を用いて説明する。図４は、透明基板に形成された二層構成の透明電極と、対向基板に形成された対向電極３６との間に、液晶層が設けられた構成を模式的に示す断面図である。画素を構成する透明電極と対向電極にそれぞれの駆動信号を印加すると、画素部分の液晶層に電圧が印加される。これにより、画素の中央部ではプレチルト角の方向（所望の方向）に液晶分子が倒れこむことになり、表示が実現する。このとき、画素を構成する電極のエッジ部分には対向電極３６と補助電極３５により電界方向３７のような斜め電界が発生する。斜め電界が発生することにより液晶分子の配向規制が可能となり、均一な表示が実現できる。

１ 上偏光板
３ 上ガラス基板
４ コモン電極
５、１５ 絶縁膜
６ 垂直配向膜
７ 液晶層
θＵ、θＬ プレチルト角
１１ 下偏光板
１２ 視角補償部材
１３ 下ガラス基板
１４ セグメント電極
２０ 液晶セル
３１ 透明電極
３２ 絶縁膜
３３ 平坦化膜
３４ スルーホール
３５ 補助透明電極
３６ 対向電極
３７ 電界方向

Claims (3)

1. 複数の透明電極がストライプ状に形成され、前記透明電極を覆うように垂直配向膜が形成された透明基板と、
   複数の対向電極がストライプ状に形成され、前記対向電極を覆うように対向垂直配向膜が形成された対向基板と、
   前記透明電極と前記対向電極がマトリクス状に交差して表示画素を構成するように前記透明基板と前記対向基板を対向して配置させ、前記透明基板と前記対向基板とのギャップに設けられた液晶層と、
   前記液晶層を挟むように設けられた一対の偏光板を備える表示装置において、
   前記液晶層は前記透明基板の表面及び前記対向基板の表面との間にプレチルト角が付与された液晶分子を含み、
   前記複数の透明電極のそれぞれの透明電極上に補助電極が設けられ、
   前記補助電極は前記対向電極のスペースに対向する位置に設けられ、前記補助電極には前記対向電極に印加される駆動信号と同一の駆動信号が印加されることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記透明電極上の、前記補助電極が存在しない部位には、平坦化膜が設けられ、
   前記垂直配向膜が前記平坦化膜上に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記補助電極と前記透明電極の間に絶縁層が形成され、前記補助電極は前記絶縁層に形成されたスルーホールにより前記透明電極と電気的に接続す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。

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