JP2015148637A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 縦電界と横電界とを利用する表示モードにおいて、良好な表示特性を有する液晶表示装置を提供する。
【解決手段】 互いに対向して設けられた第一基板及び第二基板と、該第一及び第二基板間に挟持された液晶層とを備え、該液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶分子を含有し、該第一基板は、平板状の第一の共通電極と、絶縁膜と、該絶縁膜を介して該第一の共通電極とは異なる層に設けられた画素電極とを備え、該画素電極は、櫛歯構造を有し、該第二基板は、平板状の第二の共通電極と、液晶分子の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜とを備え、最も高い階調のときに、第一の共通電極と第二の共通電極との間の電位差が、第一の共通電極と画素電極との間の電位差より大きくなるように設定されている液晶表示装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶表示装置に関する。より詳しくは、誘電率異方性が負の液晶に対し、縦電界を印加することで黒表示とし、さらに横電界を印加することで白表示とする液晶表示装置に関するものである。

液晶表示（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）パネルは、複屈折性を有する液晶分子の配向を制御することにより光の透過／遮断（表示のオン／オフ）を制御する機器である。ＬＣＤの液晶配向モードとしては、正の誘電率異方性を有する液晶分子を基板法線方向から見たときに９０°捩れた状態で配向させるＴＮ（Twisted Nematic）モード、負の誘電率異方性を有する液晶分子を基板面に対して垂直配向させる垂直配向（ＶＡ：Vertical Alignment）モード、正の誘電率異方性を有する液晶分子を基板面に対して水平配向させて液晶層に対し横電界を印加する面内スイッチング（ＩＰＳ：In-Plane Switching）モード及びフリンジ電界スイッチング（ＦＦＳ：Fringe Field Switching）モード等が挙げられる。

ＶＡモードでは、負の誘電率異方性を有する液晶を用いて、基板面に対して垂直配向させた液晶分子を縦電界により横向きに傾けることで表示を行うが、液晶分子を異なる角度で見る場合に液晶分子の見かけ上の複屈折率が変化するため、視野角の狭さが問題となる。

ＩＰＳモードでは、一対の櫛歯電極間に発生した横電界により、液晶分子が電界の向きに水平になろうとする働きを利用して表示を行う。ＦＦＳモードでは、共通電極と、該共通電極上に絶縁膜を介して設けられた画素電極との間に発生した横電界により、液晶分子が電界の向きに水平になろうとする働きを利用して表示を行う。ＩＰＳモード及びＦＦＳモードによれば視野角は改善されるが、ＶＡモード並みのコントラスト比を得ることは難しくなる。

また、近年、ＩＰＳモードやＦＦＳモードのように横電界を利用して表示を行う液晶表示装置において、従来の横電界に加え縦電界を発生させることで、液晶の駆動を制御するという新たな試みもなされている（例えば、特許文献１及び２参照。）。

特開２００２−２３１７８号公報 特開２０００−３５６７８６号公報

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、縦電界と横電界とを利用する表示モードにおいて良好な表示特性を有する液晶表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、初期配向が垂直配向であり、かつ誘電率異方性が負の液晶を含有する液晶層を備える液晶表示装置において、一方の基板に、平板状の第一の共通電極と、絶縁膜を介して該第一の共通電極と異なる層に設けられた画素電極とを設け、更に、液晶層を挟んで対向する基板に第二の共通電極を設けることで、計三種の電極を一つの液晶表示装置内に配置する構造に着目した。

そして、画素電極と第二の共通電極との間、及び、第一の共通電極と第二の共通電極との間に電圧を印加することにより、該液晶層内に縦電界（液晶層の厚み方向に形成される電界）を形成して、液晶分子を基板面に対して水平に配向させることで、黒表示を得るとともに、更に、上記電圧を印加した状態で、第一の共通電極と第二の共通電極との間の電位差が、第一の共通電極と画素電極との間の電位差より大きくなるように、画素電極と第一の共通電極との間に電圧を印加することで、液晶分子を基板面に対して水平に配向させたまま、該液晶層内に横電界（フリンジ電界）を形成し、白表示を得ることができることを見出した。

また、本発明者らは、鋭意検討を行った結果、配向処理を少なくとも対向基板側に行い、垂直配向膜のプレチルト特性を変化させることで、液晶の配向乱れ（以下、ディスクリネーションともいう。）の発生を抑制し、優れた表示特性を有する液晶表示装置を得ることができることを見出した。

この方法によれば、ＶＡモードやＦＦＳモードとは異なる表示方式で、かつ良好な表示特性を有する液晶表示装置が得られることになる。

すなわち、本発明の一側面は、互いに対向して設けられた第一基板及び第二基板と、該第一及び第二基板間に挟持された液晶層とを備え、該液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶分子を含有し、該第一基板は、平板状の第一の共通電極と、絶縁膜と、該絶縁膜を介して該第一の共通電極とは異なる層に設けられた画素電極とを備え、該画素電極は、櫛歯構造を有し、該第二基板は、平板状の第二の共通電極と、液晶分子の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜とを備え、最も高い階調のときに、第一の共通電極と第二の共通電極との間の電位差が、第一の共通電極と画素電極との間の電位差より大きくなるように設定されている液晶表示装置である。

本発明の液晶表示装置の構成としては、このような構成要素を必須として形成されるものである限り、液晶表示装置に通常用いられるその他の構成要素を適宜適用することができる。また、上記配向処理は、更に、第一基板に対して成されてもよく、すなわち、上記第一基板もまた、液晶分子の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜を備えていてもよい。

上記液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶分子を含有する。該液晶分子は、電圧印加時には、電界の向きと直交する方向に倒れる特性を有する。

上記画素電極は、櫛歯構造を有し、絶縁膜を介して上記第一の共通電極とは異なる層に設けられる。このような構成とすることで、画素電極と第一の共通電極との間にフリンジ電界を形成することができる。上記櫛歯構造は、言い換えれば、画素電極に複数本のスリットが形成された構造である。上記櫛歯構造の具体例としては、例えば、（ｉ）スリットの一端が開放され、スリットの他端が閉じられた構造、及び、（ｉｉ）スリットの両端が閉じられた構造が挙げられる。

上記第一の共通電極及び上記第二の共通電極には、それぞれ異なる大きさの共通電位が供給される。これにより、第二の共通電極と上記第一の共通電極との間、及び、第二の共通電極と上記画素電極との間に電位差が生じ、縦電界が形成される。

上記第二基板は、液晶の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜を備える。配向膜材料は、有機材料及び無機材料のいずれであってもよく、また、光活性材料であってもよい。配向処理はラビング法、光配向法等によって行うことができ、液晶分子の方位を規定する。「液晶分子の方位」とは、基板を平面視した場合の液晶分子の長軸方向を表す。なお、ここでの「配向処理」とは、同時に、垂直配向膜のプレチルト特性を変化させ、少なくとも第二基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角を９０°よりも小さくさせるものを意味する。「傾斜角」は、液晶分子の長軸と基板面とがなす角度を０°〜９０°の範囲で表したものであり、電圧無印加時における液晶分子の各基板に対する傾斜角の平均を「平均初期傾斜角」といい、以下、単純に「プレチルト角」ともいう。これにより、液晶分子の反転を抑制し、ディスクリネーションの発生を抑制することができる。

上記液晶表示装置は、最も高い階調のときに、第一の共通電極と第二の共通電極との間の電位差が、第一の共通電極と画素電極との間の電位差より大きくなるように設定されている。これにより、液晶分子を基板面に対して水平に配向させたまま、白表示とすることができる。最も高い階調とは、表示時の輝度が最も高い状態（白表示状態）をいう。

上記プレチルト角に関して、具体的には、上記第二基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は７０°以下であることが好ましい。また、同様の観点から、上記第一基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は７０°以下であることが好ましい。ディスクリネーションの発生とプレチルト角の大きさとの関係については、後述する評価試験において詳しく述べる。

異なる観点からは、上記第二基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は４０°以下であることが好ましい。また、上記第一基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は４０°以下であることが好ましい。４０°以下であれば、よりなだらかで良好なＶＴ特性を得ることができる。この点についても、後述する評価試験において詳しく述べる。

上記液晶表示装置においては、最も低い階調のときに、上記第一の共通電極と上記画素電極との間の電位差が０．１〜１．０Ｖとなるように設定されていることが好ましい。本発明の表示方式においては、これにより、等電位面が基板面に対して水平に近づき、良好な黒表示が得られるので、よりコントラスト比の高い表示を行うことができる。最も低い階調とは、表示時の輝度が最も低い状態（黒表示状態）をいう。

本発明の液晶表示装置が備える上記第一及び第二基板は、液晶層を挟持するための一対の基板であり、例えば、ガラス、樹脂等の絶縁基板を母体とし、絶縁基板上に配線、電極、カラーフィルタ等を作り込むことで形成される。また、垂直電界を維持するため、カラーフィルタ上には凹凸面を平坦化するオーバーコート層（比誘電率ε_ｒ＝３〜４）を配置することが好ましい。

上記第一基板はアクティブ素子を備えるアクティブマトリクス基板であることが好適である。

なお、一般的なＶＡモードでは、プレチルト角を小さくすることは、コントラスト比の低下の観点から通常は行わない。一方、本発明では、縦電界により液晶分子を寝かせた状態で黒表示を行っているため、プレチルト角を小さくしてもコントラスト比の低下は起こらない。

また、一般的なＦＦＳモードに対しては、本発明では負の誘電率異方性を有する液晶を用いている点、及び、垂直配向膜を用いている点で相違する。

本発明によれば、縦電界と横電界とを利用する表示方式において良好な表示特性を有する液晶表示装置を得ることができる。

実施形態１に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図。 図１のＡ−Ｂ線に沿った液晶表示装置の電圧無印加時における断面模式図。 実施形態１に係る液晶表示装置の縦電界発生時における断面模式図。 実施形態１に係る液晶表示装置の横電界発生時における断面模式図。 実施形態２に係る液晶表示装置の断面模式図。 実施形態３に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図。 実施形態４に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図。 図７のＣ−Ｄ線に沿った液晶表示装置の電圧無印加時における断面模式図。 実施形態４に係る液晶表示装置の縦電界発生時における断面模式図。 実施形態４に係る液晶表示装置の横電界発生時における断面模式図。 実施形態４に係る液晶表示装置の横電界発生時における電極間の拡大平面模式図。 評価試験１における、Ｌ／Ｓ＝３／３の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像。 評価試験１における、Ｌ／Ｓ＝３／６の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像。 評価試験１における、Ｌ／Ｓ＝３／１０．５の場合の液晶セルの平面模式図及び平面画像。 評価試験１における、Ｌ／Ｓ＝３／２４の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像。 評価試験２における、ＶＴカーブを示したグラフ。 評価試験２における、プレチルト角が８９．９°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が８５°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が８０°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が７５°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が７０°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が６５°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が６０°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が４５°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が４０°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が２°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験３における、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が０Ｖである場合の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験３における、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が０．５Ｖである場合の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験３における、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が１．０Ｖである場合の液晶セルの平面画像及び断面画像。

以下に実施形態を掲げ、本発明について図面を参照して更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図であり、図２は、図１のＡ−Ｂ線に沿った液晶表示装置の電圧無印加時における断面模式図である。実施形態１の液晶表示装置は、第一基板１０と、第二基板２０と、第一基板１０及び第二基板２０に挟持された液晶層３０とを備える。液晶層３０は、負の誘電率異方性を有する液晶分子３１を含有している。第一基板１０は、支持基板１１、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）６、走査信号線２、データ信号線１、第一の共通電極１２、画素電極１４、第一の共通電極１２と画素電極１４とを電気的に隔離する絶縁膜１３、及び、配向膜１５を備える。第二基板２０は、支持基板２１、第二の共通電極２２、カラーフィルタ、ブラックマトリクス、及び、配向膜２５を備える。

画素電極１４は、走査信号線２とデータ信号線１とで囲まれた領域ごとに設けられている。データ信号線１、走査信号線２及びドレイン引き出し配線４のそれぞれの一部、並びに、半導体層３はＴＦＴ６を構成している。ＴＦＴ６は、スイッチング素子として機能する。画素電極１４は、コンタクトホール５を介して、ＴＦＴ６から伸びるドレイン引き出し配線４と接続されている。走査信号線２に供給される走査信号によりＴＦＴ６がオンの状態になると、半導体層３が導通し、データ信号線１を通じて供給されるデータ信号が画素電極１４に書き込まれる。

実施形態１では、画素電極１４は、スリット１４ｂの一端が開放された櫛歯構造を有する。櫛歯部分１４ａの幅は、２μｍ〜７μｍであることが好ましい。また、隣り合う櫛歯部分の間（スリット）１４ｂの幅は、２μｍ〜７μｍであることが好ましい。スリット幅が２μｍ未満であると実質的な透過部分が少なくなるおそれがあり、７μｍより広いとフリンジ電界が弱くなり、液晶分子のスイッチングが遅くなるおそれがある。

画素電極１４に対向する櫛歯電極は設けられておらず、画素電極１４及び第一の共通電極１２のみで、横電界（フリンジ電界）を形成することができる。

第一の共通電極１２は第一基板に平板状に形成されており、絶縁膜１３を介して上記画素電極１４が形成されている。絶縁膜１３は感光性樹脂材料等を含む有機膜（比誘電率ε_ｒ＝３〜４）、シリコン窒化物等を含む無機膜（比誘電率ε_ｒ＝５〜７）等を使用することができる。第一の共通電極１２には、例えば、０Ｖの共通電位が供給される。

第二の共通電極２２は、交流電源と接続されており、対称性を考慮して、例えば−５Ｖ〜−１０Ｖ及び＋５Ｖ〜＋１０Ｖの共通電位が交互に供給されている。上記第二の共通電極２２に対しては、第二の共通電極２２と第一の共通電極１２との間の電位差が、第一の共通電極１２と画素電極１４との間の電位差より大きくなるように、共通電位が供給されることが好ましい。

配向膜１５、２５は垂直配向膜に対して配向処理が成された膜である。配向処理は、ラビング法、光配向法等により行うことができ、例えば、配向方位が櫛歯部分の長手方向に直交する軸に対して３〜１０°の角度θを成すように行う。配向方位が、櫛歯部分の長手方向に直交する軸、すなわち、横電界が発生する方位に対して角度を成すことで、液晶分子の回転方向を一致させることができる。

プレチルト角の大きさは９０°よりも小さい限り特に限定されないが、好ましくは７０°以下であり、より好ましくは４０°以下である。後述するように、プレチルト角が７０°以下であればディスクリネーションの発生が効果的に抑えられ、４０°以下であれば良好なＶＴ特性を得ることができる。なお、プレチルト角の大きさは、垂直配向膜に用いる化合物の側鎖及び主鎖の構造を変更すること、ラビング法による場合はラビング強度を調整すること、光配向法による場合は照射光の強度を調整することで制御することができる。

実施形態１では、第一基板及び第二基板に対しアンチパラレル処理を行うことで、好適に配向方位を規定することができる。例えば、第一基板に対して７°方位に配向処理を行う場合は、第二基板に対しては１８７°方位に配向処理を行う。第一基板及び第二基板の、液晶層と反対側の面上には、それぞれ偏光板が貼り付けられる。両偏光板は、偏光軸が直交するようにして配置されており、一方の基板の偏光軸と配向処理方向とが一致するように配置される。

以下に、実施形態１の液晶表示装置の駆動原理について説明する。

初めに、電圧無印加時について図２を用いて説明する。電圧無印加時とは、第一の共通電極１２、第二の共通電極２２及び画素電極１４のいずれにも電圧が印加されていない状態である。液晶分子３１は、第一及び第二基板１０、２０面に対して、所定のプレチルト角を持って配向している。図２では、第一基板１０及び第二基板２０に対してプレチルト角が８９．９°となるように、配向膜１５、２５に配向処理が成された例を示している。

次に黒表示時について説明する。図３は、実施形態１に係る液晶表示装置の縦電界発生時における断面模式図である。図３において、矢印は電界の向きを示す。黒表示時は、第二の共通電極２２と第一の共通電極１２との間、及び、第二の共通電極２２と画素電極１４との間に電圧を印加し、液晶層内に基板面に対して略垂直な縦電界を発生させる。図３においては、第一の共通電極１２に対して０Ｖ、画素電極１４に対して±０．５Ｖ、第二の共通電極２２に対して±７．５Ｖの電位が供給された例を示している。液晶分子３１は負の誘電率異方性を有するため、縦電界の向きに直交する向きに配向する結果、第一及び第二基板１０、２０に対して水平に配向する。この状態を平面視すると、図１に示すように液晶分子３１は配向処理を行った方位に倒れている。第一基板１０及び第二基板２０のいずれか一方の偏光板の偏光軸を配向処理方位と一致させるとともに、これらの偏光板の偏光軸が直交するように、各偏光板を配置することで、バックライトからの光が遮断され、黒表示となる。

なお、黒表示とするときに、第一の共通電極１２と画素電極１４との間の電位差を、０．１〜１．０Ｖとすることで、電極間の等電位面が基板面に対してより平行に近づけることができ、より良好な黒を得ることができる。この点については、後述する評価試験において詳しく述べる。

次に、白表示時について説明する。図４は、実施形態１に係る液晶表示装置の横電界発生時における断面模式図である。図４において、矢印は発生する電界の向きを示し、液晶層３０内の実線は、透過率を示す。白表示時は、第二の共通電極２２と第一の共通電極１２との間、及び、第二の共通電極２２と画素電極１４との間に電圧を印加したまま、画素電極１４と第一の共通電極１２との間に電圧を印加することで、縦電界に加え、横電界を発生させることができる。画素電極１４には、液晶分子３１が水平回転する閾値以上の電圧が、ＴＦＴのスイッチングのタイミングに応じて供給される。図４においては、第一の共通電極１２に対して０Ｖ、画素電極１４に対して±３Ｖ、第二の共通電極２２に対して±７．５Ｖの電位が供給された例を示している。液晶分子３１は横電界に対して垂直に配向しようとする結果、基板面に対して水平に回転する。この状態を平面視すると、図１に示すように液晶分子３１は偏光板の偏光軸に対して角度を持つため、バックライトからの光を透過し、白表示となる。

以上のように、縦電界を形成したまま、更に、横電界を形成することで、液晶表示装置の表示切換えを行うことができる。

以下に、各部材の材料及び製造方法について説明する。

支持基板１１、２１の材料としては、ガラス、プラスチック等の透明な材料が好適に用いられる。配向膜１５、２５は、配向処理が成される前において、膜面に対して液晶分子を垂直に立たせるものである限り、有機配向膜及び無機配向膜のいずれであってもよい。

第一の共通電極１２、第二の共通電極２２及び画素電極１４は、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ）等の透明導電材料、又は、それらの合金を、スパッタリング法等により単層又は複数層で成膜して形成した後、フォトリソグラフィ法等を用いてパターニングすることができる。画素電極１４のスリット１４ｂもまた、パターニングの際に同時に形成することができる。

このようにして作製された第一基板１０及び第二基板２０は、絶縁材料からなる柱状のスペーサを一方の基板に複数設けた後、シール材を用いて互いに貼り合わされる。第一基板１０と第二基板２０との間には液晶層３０が形成されるが、滴下法を用いる場合には、基板の貼合せ前に液晶材料の滴下が行われ、真空注入法を用いる場合には、基板の貼合せ後に液晶材料が注入される。そして、各基板の液晶層３０側と反対側の面上に、偏光板、位相差フィルム等を貼り付けることにより、液晶表示装置が完成する。更に、液晶表示装置に、ゲートドライバー、ソースドライバー、表示制御回路等を実装するとともに、バックライト等を組み合わせることによって、用途に応じた液晶表示装置が完成する。

実施形態１の液晶表示装置の構造は、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて確認及び測定することができる。

液晶分子３１の誘電率異方性は、液晶材料の分子構造を、例えば、ガスクロマトグラフィーにより分析することで確認することができる。

基板に対する液晶分子３１の平均初期傾斜角は、Ｓｈｉｎｔｅｃｈ社製のプレチルト角測定装置を用いて、基板ごとに測定することができる。

垂直配向膜に対して配向処理が成されたか否かは、基板表面に対して拡散紫外光を照射することで、確認することができる。拡散紫外光照射後、液晶分子が垂直配向すれば、液晶分子が配向処理を行う前の配向状態が垂直配向であったことが分かる。

（実施形態２）
実施形態２は、第二基板に対してのみ、液晶の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成されている点以外は、実施形態１と同様である。図５は、実施形態２に係る液晶表示装置の断面模式図である。第一基板１０が備える配向膜１５は、液晶分子３１に対して所定のプレチルト角を付与する機能を有さず、一方、第二基板２０が備える配向膜２５は、配向処理が成され、液晶分子３１に対して所定のプレチルト角を付与する機能を有する。第二基板２０の近くは、第一基板１０の近くと比べて電界の強さが弱く、ディスクリネーションがより発生しやすい領域となるが、実施形態２のように少なくとも第二基板２０の近くの液晶分子３１に対するプレチルト角を小さくしておくことで、ディスクリネーションの発生を効果的に抑制することができる。

（実施形態３）
実施形態３は、スリットの両端が閉じられた櫛歯構造を有する画素電極を用いている点以外は、実施形態１と同様である。図６は、実施形態３に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図である。画素電極１４の各櫛歯部分１４ａの幅は、２μｍ〜７μｍであることが好ましい。また、隣り合う櫛歯部分の間（スリット）１４ｂの幅は、２μｍ〜７μｍであることが好ましい。スリット幅が２μｍ未満であると実質的な透過部分が少なくなるおそれがあり、７μｍより広いとフリンジ電界が弱くなり、液晶分子のスイッチングが遅くなるおそれがある。実施形態３においても、実施形態１と同様の効果が得られる。

（実施形態４）
実施形態４は、黒表示時における液晶分子の方位が画素電極の櫛歯部分の長手方向に対して平行となるように配向処理を行っている点以外は、実施形態１と同様である。図７は、実施形態４に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図であり、図８は、図７のＣ−Ｄ線に沿った液晶表示装置の電圧無印加時における断面模式図である。図９は、実施形態４に係る液晶表示装置の縦電界発生時における断面模式図であり、図１０は、実施形態４に係る液晶表示装置の横電界発生時における断面模式図である。図１１は、実施形態４に係る液晶表示装置の横電界発生時における電極間の拡大平面模式図である。図９及び１０において、矢印は電界の向きを示し、図１０において、液晶層３０内の実線は、透過率を示す。

図８に示すように、電圧無印加時には、液晶分子３１は基板面に対して垂直に配向している。黒表示時には、図９に示すように、液晶分子３１は第一及び第二基板１０、２０に対して水平に配向し、この状態を平面視すると、図７に示すように、液晶分子３１は画素電極の櫛歯部分の長手方向に平行に配向する。白表示時には、図１０に示すように、液晶分子３１は基板面に対して水平に回転し、この状態を平面視すると、図７に示すように、液晶分子３１は画素電極の櫛歯部分の長手方向に対して４５°又は１３５°を成す方位に回転する。また、隣り合う櫛歯部分の間の中心付近、及び、櫛歯部分上で透過率曲線が落ち込んでいることから、暗線が発生していることが分かる。この状態を拡大視すると、図１１に示すように、液晶分子３１は、櫛歯部分１４ａからスリット１４ｂの中央に向かって２方向から倒れ込むように回転し、隣り合う櫛歯部分１４ａの間の中心付近に、櫛歯部分１４ａの長手方向に沿って暗線７が見られる。

実施形態４では、上述のように暗線が見られたが、それでも全体としては良好な表示特性を有する液晶表示装置を得ることができる。

（評価試験１）
評価試験１では、白表示時におけるディスクリネーションの発生について、異なるスリット幅を想定してシミュレーションによる検討を行った。液晶セルの平面画像及び断面画像はＳｈｉｎｔｅｃｈ社製、配向シミュレータ「ＬＣＤＭａｓｔｅｒ」を用いて作製した。第一基板及び第二基板に対するプレチルト角が８９．９°、配向処理方位が櫛歯部分の長手方向と直交する軸に対して７°である条件でシミュレーションを行った。第一基板及び第二基板には、偏光軸がクロスニコルとなるように偏光板が貼り付けられ、配向処理方位と一方の基板の偏光板の偏光軸が一致するように配置されることを想定している。以下、評価試験では、画素電極の櫛歯部分の電極幅をＬ、スリット幅をＳともいい、例えば、電極幅が３μｍでスリット幅が３μｍの場合を、Ｌ／Ｓ＝３／３と表す。

図１２はＬ／Ｓ＝３／３の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像、図１３はＬ／Ｓ＝３／６の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像、図１４はＬ／Ｓ＝３／１０．５の場合の液晶セルの平面模式図及び平面画像、図１５はＬ／Ｓ＝３／２４の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像である。各断面画像の実線は等電位線を表している。

図１２〜１５の平面画像に示すように、全てのスリット幅において、画素電極の櫛歯部分の外縁に沿ってディスクリネーションが観察された。また、図１２、１３、１５の断面画像に示すように、全てのスリット幅において、点線で囲んだセル厚方向の中央付近で、画素電極の櫛歯部分の外縁に沿って液晶分子の配向が不均一となっていることが分かる。特に、スリット幅が最も広い２４μｍの場合に顕著に現れ、図１５の平面画像に示すように、画素電極の櫛歯部分間の中央付近の光透過領域（ｂ）では、液晶分子は均一に配向しているが、画素電極の櫛歯部分の近傍領域（ｃ）では液晶分子の配向が不均一となって櫛歯部分の外縁に沿ってディスクリネーションが発生していることがよく分かる。なお、領域（ａ）の部分は、スリット幅が広く電界が弱いため、液晶分子が横電界の影響を受けず、水平回転していないため透過率が低くなっている。

ディスクリネーションの発生について、より詳細に検討すると、図１５の平面画像において、偏光軸に対して４５°方位傾いた方向に配向した液晶分子３２と、画素電極の櫛歯部分の長手方向と略平行に配向した液晶分子３３が混在している。また、図１２、１３、１５の断面画像において、点線で囲んだセル厚方向の中央付近で画素電極の櫛歯部分の外縁に沿って液晶分子の向きが反転していることが分かる。

本発明に係る液晶表示装置では、白表示時は横電界を形成するため、画素電極の櫛歯部分近傍の電界は強くなり、画素電極の櫛歯部分から遠ざかるほど電界が弱くなる。そのため、画素電極の櫛歯部分近傍の液晶分子は、横電界の影響を強く受け水平回転するが、画素電極の櫛歯部分間の液晶分子は画素電極の櫛歯部分近傍の液晶分子より応答速度が遅いため、液晶分子の衝突が起こり、ディスクリネーションが発生すると考えられる。一方で、第二基板面近くの液晶分子は、横電界が弱い一方で、配向膜の規制力の影響が強いため、セル厚方向の中央付近の液晶分子に比べて、より大きなプレチルト角を有する。液晶分子はプレチルト角が垂直に近いほど回転しやすくなるため、第二基板面近くの液晶分子と、セル厚方向の中央付近の液晶分子との間で衝突が起こり、ディスクリネーションが発生すると考えられる。

その結果、図１２、１３、１５の点線で囲んだ、セル厚方向の中央付近であって、かつ第二基板寄りの位置に、画素電極の櫛歯部分の外縁に沿った形で、ディスクリネーションが発生すると考えられる。

（評価試験２）
評価試験２では、画素電極近傍での液晶分子の状態を観察しやすくするため、Ｌ／Ｓ＝３／２４の条件で検討を行った。まず、プレチルト角とＶＴカーブの関係について検討を行った。図１６は、第一基板及び第二基板に対するプレチルト角が、９０°、８５°、８０°、７５°、７０°、６５°、６０°、４５°、４０°、２０°、２°である場合のＶＴカーブを示したグラフである。

図１６に示すように、プレチルト角が大きい場合に、より急峻なグラフが得られ、プレチルト角が小さくなるにつれ、よりなだらかなグラフが得られた。プレチルト角が７０°以下の場合は、電圧の上昇に伴い、透過率は上昇し一定値で安定する良好なＶＴカーブが得られた。また、特にプレチルト角が４０°以下では、ＶＴカーブの変化が緩やかであるため、より良好な階調表示をすることができることが分かった。

次に、白表示時の液晶分子の配向状態と、プレチルト角の関係について検討を行った。画素電極と第一の共通電極との間には、図１６において最も高い透過率が得られた電圧を印加した。図１７〜２６は、第一基板及び第二基板に対するプレチルト角が、８９．９°、８５°、８０°、７５°、７０°、６５°、６０°、４５°、４０°、２°である場合の各液晶セルの平面画像及び断面画像である。

図１７〜２６の平面画像に示すように、プレチルト角が低くなるほど画素電極の櫛歯部分の外縁に沿って配向が不均一となっている領域が狭くなり、ディスクリネーションが抑制されていることが分かる。プレチルト角が８０°を超えると、点灯領域幅は広くなるが、ディスクリネーションが発生する。また、図１７、１８の断面画像に示すように、プレチルト角が８０°よりも大きいと、点線で囲んだ部分のような液晶分子の反転が顕著に見られるが、図１９〜２６の断面画像に示すように、プレチルト角が小さくなるほど画素電極の櫛歯部分の外縁に沿って液晶分子の配向が均一となっていることが分かる。

本発明では、垂直配向膜を用いているため、プレチルト特性を付与しない場合は、液晶分子は基板面に対して垂直となる。評価試験１で検証したように、液晶分子は基板面に対して垂直であるほど回転しやすくなるため、画素電極の櫛歯部分の外縁に沿ってセル厚方向の中央付近でディスクリネーションが多く発生すると考えられる。

評価試験２の結果から、第一基板及び第二基板に対する液晶分子のプレチルト角が小さくなるにつれ、より画素電極の櫛歯部分近傍の液晶分子の反転を抑制し、ディスクリネーションの発生を抑制することができることが分かった。図２１〜２６から分かるように、特に、プレチルト角が７０°以下では、画素電極の櫛歯部分近傍の液晶分子の反転はほとんど観察されず、良好で均一な配向となった。

また、プレチルト角を小さくすることでディスクリネーションの発生を抑制することができるという効果は、スリット幅を狭くした場合にも同様に得ることができると考えられる。そのため、液晶分子の第一基板及び第二基板に対するプレチルト角を小さくすることで、図１２〜１５の平面画像において見られた、画素電極の櫛歯部分の外縁に沿って観察されたディスクリネーションの発生を抑制し、更に、スリット幅が狭い場合には、画素電極の櫛歯部分間の全面を点灯させ、高い透過率を実現することができる。

（評価試験３）
評価試験３では、黒表示時に画素電極に供給する電位について検討を行った。評価試験２の図１６のＶＴカーブからは、各プレチルト角において、画素電極に０．１Ｖ〜１．０Ｖの電位が供給されているときに、最も透過率が低くなることが分かる。図２７〜２９はそれぞれ、黒表示時に第一の共通電極と画素電極との間の電位差が０Ｖである場合、０．５Ｖである場合、１．０Ｖである場合の液晶セルの平面画像及び断面画像である。図２７に示すように、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が０Ｖである場合には、電極間の等電位面は基板面に対して水平より下がり、白浮きが発生することが分かった。これは、画素電極の櫛歯部分間の等電位面が第一の共通電極の影響を受けるためと考えられる。図２８に示すように、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が０．５Ｖである場合には、等電位面は基板面に対して水平となることが分かった。また、図２９に示すように、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が１．０Ｖである場合には、等電位面は基板面に対して水平より上がり、やや低階調となることが分かった。

評価試験３の結果から、黒表示時に第一の共通電極と画素電極との間の電位差を０．５〜０．８Ｖとすることで、等電位面が基板面に対してより水平に近づけることができ、良好な黒表示が得られるため、コントラスト比の高い表示を行うことができることが分かった。

１：データ信号線
２：走査信号線
３：半導体層
４：ドレイン引き出し配線
５：コンタクトホール
６：薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
７：暗線
１０：第一基板
１１、２１：支持基板
１２：第一の共通電極
１３：絶縁膜
１４：画素電極
１４ａ：画素電極の櫛歯部分
１４ｂ：隣り合う櫛歯部分の間（スリット）
１５、２５：配向膜
２０：第二基板
２２：第二の共通電極
３０：液晶層
３１：液晶分子
３２：偏光軸に対して４５°方位傾いた方向に配向した液晶分子
３３：画素電極の櫛歯部分の長手方向と略平行に配向した液晶分子

Claims (7)

1. 互いに対向して設けられた第一基板及び第二基板と、
   該第一及び第二基板間に挟持された液晶層とを備え、
   該液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶分子を含有し、
   該第一基板は、平板状の第一の共通電極と、絶縁膜と、該絶縁膜を介して該第一の共通電極とは異なる層に設けられた画素電極とを備え、
   該画素電極は、櫛歯構造を有し、
   該第二基板は、平板状の第二の共通電極と、液晶分子の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜とを備え、
   最も高い階調のときに、第一の共通電極と第二の共通電極との間の電位差が、第一の共通電極と画素電極との間の電位差より大きくなるように設定されている
   ことを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記第一基板は、液晶分子の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜を備えることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
3. 前記第二基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は７０°以下であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
4. 前記第一基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は７０°以下であることを特徴とする請求項３記載の液晶表示装置。
5. 前記第二基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は４０°以下であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
6. 前記第一基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は４０°以下であることを特徴とする請求項５記載の液晶表示装置。
7. 最も低い階調のときに、前記第一の共通電極と前記画素電極との間の電位差が０．１〜１．０Ｖとなるように設定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の液晶表示装置。