JP2013065042A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶表示装置のコントラストと応答速度の両立を図る。
【解決手段】 表示電極の長辺４２と、配向制御窓５０の直線部分５１の距離ｄを短くすると、液晶の応答速度が速くなる。一方、配向制御窓５０を大きくする（距離ｄを短くすることに相当する）と液晶のコントラストが小さくなり好ましくない。前記距離ｄが、２５μｍ〜３０μｍ以下になると、応答速度向上の効果が少なくなる。したがって、距離ｄを２５μｍ〜３０μｍにすることが好ましい。また配向制御窓５０はその幅を７μｍ程度とすることがより好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶の電気光学的な異方性を利用して表示を行う液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）に関し、特に、その電極の構造に関する。

ＬＣＤは、小型、薄型、低消費電力等の利点がありＯＡ機器、ＡＶ機器などの分野で実用化が進んでいる。特に、スイッチング素子として、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと略す）を用いたアクティブマトリクス型ＬＣＤは、原理的にデューティー比１００％のスタティック駆動をマルチプレクス的に行うことができ、大画面、高精細な動画ディスプレイに使用されている。

液晶層は、複数の画素に共通の共通電極とＴＦＴに駆動される表示電極とに挟まれている。表示電極の形成領域は、一つの画素の領域に対応する。一つの画素または一つの画素の色領域に対応して、共通電極にはスリットが形成されている。このスリットは配向制御窓と呼ばれ、液晶分子の傾倒方向を一定とする機能を有している。配向制御窓の形状は、例えば、直線状のスリットと、この直線状スリットの両端に枝分かれするように結合されたＶ字状のスリットとを有する形状などがある。

前述の配向制御窓の形状や、表示電極に対する配置などは、開口率、応答速度などを考慮した上で、決定する必要がある。

本発明は、配向制御窓と表示電極の配置を適正化することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明にかかる液晶表示装置は、表示電極を所定形状のスリットにより複数の部分に区画し、前記複数の部分は、前記スリットを挟む少なくとも一方の部分と他方の部分からなり、前記一方の部分における一辺は、前記表示電極の外形をなし、前記一方の部分における前記スリットの縁から前記スリットが延在する方向に対して垂直な方向での前記表示電極の外形をなす一辺までの幅は、前記他方の部分における前記スリットの縁から前記スリットが延在する方向に対して垂直な方向における幅よりも狭く、前記一方の部分において、前記配向制御窓が、前記対向電極上における前記表示電極の外形をなす一辺に相当する位置に、重畳するようさらに設けられ、前記他方の部分において、前記配向制御窓が、前記対向電極上における前記表示電極の縁と前記スリットの間もしくは前記スリットの間どうしに相当する位置であって、前記他方の部分における幅の方向の中央付近に対応する位置に設けられている。

また、配向制御窓をスリットの方向と略平行な部分を有する形状の開口部とし、直線部分と直線部分の端部から屈曲して延在する部分とからなる形状としている。

このほか、配向制御窓の先端を、対向電極における、表示電極の前記区画された部分の頂点に対向する位置まで延在させている。

本発明によれば、液晶分子の向きの制御可能な領域が大きく、すなわち画素のコントラストが大きく、応答速度の速い液晶表示装置を提供することができる。

液晶表示装置の１画素の構造を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 配向制御窓直線部分の縁と表示電極長辺との表示平面上の距離ｄと、応答速度の関係を示す図である。 配向制御窓の形状の他の例を示す図である。 表示電極の形状の他の例と、これに対応した配向制御窓の配置の例を示す図である。 表示電極の形状のさらに他の例と、これに対応した配向制御窓の配置の例を示す図である。 図６に示す表示電極を用いた液晶表示装置の断面図である。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。図１および図２は、本実施形態の液晶表示装置の一部の構造、特に１画素分を詳細に示す図である。図１は、液晶表示装置を構成する一対の基板のうち、ＴＦＴの形成された第１基板側の概略平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った位置における液晶表示装置の断面図である。ガラスなどの絶縁性の基板１０の上に、Ｃｒ，Ｔａ，Ｍｏなどの金属からなるゲート電極１１が形成され、これを覆ってＳｉＮｘ、ＳｉＯ₂の一方または双方などからなるゲート絶縁膜１２が形成されている。ゲート絶縁膜１２の上には、ゲート電極１１をまたぐようにパターニングされた多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）層１３が形成されており、この上にゲート電極１１と同様の形状にパターニングされたＳｉＯ₂などの注入ストッパ１４を利用して、Ｐ，Ａｓなどの不純物を低濃度に含有した（Ｎ−）低濃度（ＬＤ：Lightly doped）領域ＬＤ、その外側に同じ不純物を高濃度に含有した（Ｎ＋）ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄが形成されている。注入ストッパ１４の直下は、実質的に不純物が含有されない真性層であり、チャンネル領域ＣＨとなっている。これらの領域を有するｐ−Ｓｉ層１３を覆って、ＳｉＮｘなどからなる層間絶縁膜１５が形成されている。層間絶縁膜１５の上には、Ａｌ，Ｍｏなどからなるソース電極１６およびドレイン電極１７が形成され、各層間絶縁膜１５に開けられたコンタクトホールを介して、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄに接続されている。

以上のような構成により得られるＴＦＴの全面を覆うように、ＳＯＧ（SPIN ON GLASS）、ＢＰＳＧ（BORO-PHOSPHO SILICATE GLASS）、アクリル樹脂などの平坦化絶縁膜１８が形成されている。この平坦化絶縁膜１８上にはＩＴＯ（indium tin oxide）などの透明導電膜からなる液晶駆動用の表示電極１９が形成され、平坦化絶縁膜１８に開けられたコンタクトホールを介してソース電極１６に接続されている。

以上の構成を全て覆うように、ポリイミドなどの高分子膜からなる垂直配向膜２０が形成されている。なお、本実施形態において、垂直配向膜２０はラビングレスタイプの膜を採用している。一方、液晶層を挟んで基板１０に対向する位置には、基板１０と対をなす、ガラスなどからなる第２ガラス基板３０が配置され、このガラス基板３０上には、ＩＴＯにより表示部全面に形成された共通電極３１が設けられている。共通電極３１上には、第１基板１０側の配向膜２０と同じくポリイミドなどの配向膜３３が形成されている。

共通電極３１には、この電極の厚さを貫通するスリットとして、配向制御窓５０が形成されている。図１に破線で示すように、配向制御窓５０の平面形状は、直線状のスリットである直線部分５１の両端に、Ｖ字状のスリットであるＶ字状部分５２を結合した形となっている。直線状のスリットの両端が、それぞれ二股に分かれ、分かれた部分がＶ字形状を形成していると言い換えてもよい。配向制御窓の直線部分５１は、長方形の表示電極１９の長辺４２と略平行に、また短辺４３方向のほぼ中央に配置されている。Ｖ字状部分５２の先端は、共通電極３１の、表示電極１９の長方形の頂点に対向する位置にまで延びている。

図２に示すように、配向制御窓５０の直下においては、対向電極が存在しないので液晶分子４１を傾斜させるほどの電界が発生せず、液晶分子４１は、初期配向状態を維持し、電極１９，３１に対し、ほぼ垂直方向に配向する。一方、配向制御窓５０の縁においては、図２に破線で示すような向き、すなわち配向制御窓５０の両側の共通電極から電極が存在しない部分（配向制御窓５０）の直下部分に、互いに近づくように、その後表示電極に向けて平行になる向きに電界が形成される。ここで、本実施形態において、液晶分子４１は負の誘電異方性を備えているから、電界が発生すると配向制御窓５０の近傍の液晶分子４１は、その長軸が電界に直交するように、つまり、図２に示すように配向制御窓５０近傍の液晶分子がハの字状に位置するように配向制御される。また、表示電極１９の縁においても同様に、表示電極１９の間隙部分に向けて斜めに電界が形成されるので、図２において逆ハの字状に配向制御される。そして、液晶の連続性によって、共通電極３１や表示電極１９の縁付近の液晶分子４１の傾斜が内部の液晶まで伝達される。よって、液晶分子４１の制御された配向方向は、画素内で配向制御窓５０を境として図１の矢印で示すように複数の方向（ここでは４方向）となる。

本表示装置の表示平面またはこれに平行な平面、すなわち表示電極１９または共通電極３１が配置されている平面に平行な平面上の、表示電極１９と配向制御窓５０の正射影について考える。表示電極１９の射影の長辺４２と、配向制御窓直線部分５１の射影の縁との間隔ｄは、液晶の応答速度に影響する。液晶分子４１は、電界がかけられたとき、電界の強さに応じて長軸が電界に直交するように平面の法線方向から傾くが、傾く方角は、電界強度によって決定されるものではない。そして、本実施形態において、その傾く方角は、前述した配向制御窓５０の縁および表示電極１９の縁付近に発生する斜めの電界による
液晶分子４１の傾斜方角により決定される。すなわち、前記の縁付近の液晶分子４１が、斜めの電界によって所定方角に傾斜すると、この傾斜が電極の内側部分に伝播（でんぱ）する。したがって、この伝播距離が短い方が、液晶の応答速度が速いと考えられる。つまり、液晶分子４１が倒れたとき、その長軸を結んでいった線の長さが短い方が好ましい。

図３は、間隔ｄと、応答速度の関係を示している。破線で示すグラフは、表示電極１９と共通電極３１との間隙、すなわちセルギャップが３．３〜３．４μｍの場合であり、実線で示すグラフは、セルギャップが３．５〜３．６μｍの場合である。一般的傾向として、液晶の応答速度は、液晶表示装置のセルギャップが小さいほど速くなる特性を有し、図３においてもセルギャップ３．５〜３．６μｍにおける液晶の応答速度よりも、３．３〜３．４μｍにおける液晶の応答速度が速い。しかし、図３から明らかなように、本実施形態の垂直配向型液晶表示装置においては、このような一般的傾向だけでなく、いずれのセルギャップにおいても、間隙ｄが短くなると応答速度が速まる傾向を示し、さらに、その傾向は間隔ｄが３０μｍ以下では弱まり、２５μｍより短くしても応答速度の改善はほとんど望めないことが分かる。なお、図３の特性は、液晶としてネガタイプフッ素系液晶を用い、その特性は、粘度：１５０ｍＰａ・ｓｅｃ、光学異方性：Δｎ＝０．０９１、誘電異方性：Δε＝−３．８、ＮＩ点（液晶が液体に変化する温度）：８２℃である。もちろん、本実施形態において採用可能な液晶として、上記特性を備えた液晶だけに限られるものではないが、少なくとも同程度の特性又は同種類の傾向を示す液晶において、図３に示
すような窓と表示電極辺との間隙ｄと、液晶応答速度との関係が成り立つ。セルギャップが３．５〜３．６μｍの場合では、間隔ｄが３０μｍ以下の領域では、応答速度の短縮が鈍く、２５μｍ以下ではほとんど変化しないことが分かる。また、セルギャップが３．３〜３．４μｍの場合では、間隔ｄが３０μｍ以下で、応答速度の短縮効果が鈍り、２５μｍ以下での効果はわずかであることが分かる。

一方、液晶分子の向きを制御可能な領域、すなわち表示電極１９から配向制御窓５０を除いた部分の面積は実質的な画素表示面積にほぼ等しいため、この面積は大きい方が好ましく、よって、この面からは間隔ｄは長い方が好ましい。したがって、間隔ｄは、応答速度の短縮効果が期待できない範囲において、なるべく長くすることがよいことが理解される。そこで、本実施形態においては、間隔ｄを２５μｍ〜３０μｍとした。

ここで、配向制御窓５０の幅は７μｍ程度とすることが好適である。上述のように配向制御窓５０は共通電極３１が図１の点線のようなパターンに開口されて形成されたもので、窓直下では液晶にほとんど電界がかからないから、窓領域は非表示領域となるため、窓５０の幅を７μｍより狭めると画素表示面積が増加するが、配向分割機能を十分に発揮することができなくなる。反対に、７μｍより大きくしても、配向分割機能はほとんど変化しない一方で画素表示面積が減少してしまう為である。

図４には、配向制御窓の形状が異なる場合の例が示されている。表示電極１１９は略長方形であり、この長方形の長辺にほぼ平行に、かつ短辺のほぼ中心に略長方形のスリットとして幅が略７μｍの配向制御窓１５０が位置している。この配向制御窓１５０の縁と、表示電極１１９の長辺の間隔ｄが、２５μｍ〜３０μｍになっている。また、長方形の表示電極の短辺に平行に配向制御窓を設けることも可能である。この場合は、短辺どうしの間隔を２５μｍ〜３０μｍとする。

図５には、配向制御窓と表示電極の配置の他の例が示されている。表示電極２１９は、長方形に切り込みを入れたようなスリット２６０により、３つの部分に区画され、この区画された部分ごとに配向制御窓２５０が設けられている。一つの配向制御窓２５０の形状は、図１に示される配向制御窓５０と同様に、一つの直線部分の両端が二股に分かれた形状をしている。そして、表示電極２１９の縁、すなわち表示電極の外形の一辺２４２およびスリット２６０の縁と、配向制御窓２５０の直線部分の縁の間隔ｄが、２５μｍ〜３０μｍとなっている。また、窓２５０の幅は７μｍ程度のスリット２６０の幅も７μｍ程度である。このスリット２６０は、表示電極２１９に形成されたものであるが、窓２５０と同様な配向分割機能を有しており、スリット２６０を境に液晶の傾く方角を約１８０°に制御している。

このように１画素の表示電極にスリットを設け、１画素当たり配向制御窓を複数設けることにより、より幅Ｗｐの広い画素にも対応可能となる。間隔ｄを２５μｍ〜３０μｍ、スリットの幅Ｗｓを７μｍとすれば、図５のように１画素の表示電極を３つに分割した場合、１８５μｍ〜２１５μｍの画素の幅Ｗｐに対応することができる。また、図１または図４に示すように、１画素の表示電極を分割しない場合、５７μｍ〜６７μｍの画素幅Ｗｐに対応することができる。さらに、１画素の表示電極を二つに分割することによって、Ｗｐ１２１μｍ〜１４１μｍに対応することができる。

このように画素幅Ｗｐの大きな画素についても、本発明によれば、画素内で配向方向を確実に分割でき、高速応答が可能で、かつ開口率を向上することができ、画素サイズの大きな例えば大型ＬＣＤなどに適用することで、優れた表示品質の大型ＬＣＤを実現できる。

また、以上の中間となる値の幅Ｗｐを有する画素に対しては、図６および図７に示すような電極の構成を採ることができる。図６は１画素の表示電極３１９と、共通電極３３１に設けられた配向制御窓３５０ａ，３５０ｂを示す平面図、図７は表示電極３１９と共通電極３３１に直交する面の断面図である。表示電極３１９は、配向制御窓３５０ａ，３５０ｂに略平行な、スリット３６０により二つの部分３１９ａ，３１９ｂに分割されている。部分３１９ｂの幅Ｗｐ２は部分３１９ａの幅Ｗｐ１の略半分であり、面積も同様にほぼ半分となっている。

共通電極の、部分３１９ａの幅Ｗｐ１方向の中央付近に対応する位置に配向制御窓３５０ａが設けられている。配向制御窓３５０ａの縁と、表示電極の部分３１９ａの配向制御窓に略平行な２辺との距離ｄは、前述の例と同様２５μｍ〜３０μｍとなっている。また、表示電極のもう一方の部分３１９ｂに対して、配向制御窓３５０ｂは、表示電極３１９の外形、すなわち画素の外形となる辺３４２と対向する位置に設けられている。そして、配向制御窓３５０ｂの縁とスリット３６０の縁との間隔ｄも２５μｍ〜３０μｍとなっている。

図７の断面図に破線で示すように電界が形成され、また図示するように、配向制御窓３５０ａとスリット３６０で分けられた３つの部分それぞれにおいて液晶分子４１の配向方向がそろう。このような構成において、間隔ｄを２５μｍ〜３０μｍ、スリットおよび配向制御窓の幅を７μｍとすれば、画素幅Ｗｐを９３μｍ〜１０８μｍとすることができ、より多様な画素幅に対応することができるようになる。このような構成を採ってもなお実現できない画素幅（例えば６８μｍ〜９２μｍ）については、やや開口率を低下させるが、スリット、配向制御窓の幅ｗを拡大して対応することができる。

１９ 表示電極、３１ 共通電極（対向電極）、４０ 液晶、４１ 液晶分子、４２ （表示電極の）長辺、５０ 配向制御窓、５１ （配向制御窓の）直線部分、５２ （配向制御窓の）Ｖ字状部分。

Claims (5)

1. 複数形成された表示電極と対向電極との間に垂直配向された液晶分子を有する液晶層が設けられ、電界により上記液晶分子の配向を制御する垂直配向方式の液晶表示装置であって、
   前記表示電極は所定の方向に延在する所定形状のスリットにより複数の部分に区画され、
   前記対向電極は電極の開口部である配向制御窓を有し、
   前記複数の部分は、前記スリットを挟む少なくとも一方の部分と他方の部分からなり、前記一方の部分における一辺は、前記表示電極の外形をなし、
   前記一方の部分における前記スリットの縁から前記スリットが延在する方向に対して垂直な方向での前記表示電極の外形をなす一辺までの幅は、前記他方の部分における前記スリットの縁から前記スリットが延在する方向に対して垂直な方向における幅よりも狭く、
   前記一方の部分において、前記配向制御窓が、前記対向電極上における前記表示電極の外形をなす一辺に相当する位置に、重畳するようさらに設けられ、
   前記他方の部分において、前記配向制御窓が、前記対向電極上における前記表示電極の縁と前記スリットの間もしくは前記スリットの間どうしに相当する位置であって、前記他方の部分における幅の方向の中央付近に対応する位置に設けられる、
   液晶表示装置。
2. 請求項１に記載された液晶表示装置であって、前記配向制御窓は前記スリットの方向と略平行な部分を有する形状の開口部である、
   液晶表示装置。
3. 請求項１または２に記載された液晶表示装置であって、前記配向制御窓は直線部分と直線部分の端部から屈曲して延在する部分とからなる、
   液晶表示装置。
4. 請求項３に記載された液晶表示装置であって、前記配向制御窓の先端は、前記対向電極における、前記表示電極の前記区画された部分の頂点に対向する位置まで延在している、液晶表示装置。
5. 請求項１に記載された液晶表示装置であって、前記一方の部分における幅は、前記他方の部分おける幅の略半分である、
   液晶表示装置。