JP2017058541A - 液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】表示品位の劣化抑制することが可能な液晶表示装置を提供する。
【解決手段】第1配向膜を備えた第1基板と、前記第1配向膜に対向する第2配向膜を備えた第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間のセルギャップに保持された液晶層と、を備え、前記液晶層は、60℃の条件における粘性が20mPa*s以上の液晶材料によって形成され、前記セルギャップは、2.3μm以上3.3μm以下である、液晶表示装置。
【選択図】図3
【解決手段】第1配向膜を備えた第1基板と、前記第1配向膜に対向する第2配向膜を備えた第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間のセルギャップに保持された液晶層と、を備え、前記液晶層は、60℃の条件における粘性が20mPa*s以上の液晶材料によって形成され、前記セルギャップは、2.3μm以上3.3μm以下である、液晶表示装置。
【選択図】図3
Description
本発明の実施形態は、液晶表示装置に関する。
例えば、第1電極と第2電極との間に挟持され、ねじれネマティック配向する液晶層を備えた液晶表示装置であって、液晶層の回転粘性が50mPas〜80mPasであり、液晶層の厚さであるセルギャップが2.5μm〜5.0μmであり、第1電極と第2電極との電位差が0.2V〜8.0Vである液晶表示装置が開示されている。
一方で、液晶層中のイオン性不純物が表示領域に凝集することによって、局所的に電圧保持率が低下し、表示ムラ(例えば、白表示画面内の一部が黒く表示される黒ムラ)に起因した表示品位の劣化を招くといった課題がある。
本実施形態の目的は、表示品位の劣化を抑制することが可能な液晶表示装置を提供することにある。
本実施形態によれば、
第1配向膜を備えた第1基板と、前記第1配向膜に対向する第2配向膜を備えた第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間のセルギャップに保持された液晶層と、を備え、前記液晶層は、60℃の条件における粘性が20mPa*s以上の液晶材料によって形成され、前記セルギャップは、2.3μm以上3.3μm以下である、液晶表示装置が提供される。
第1配向膜を備えた第1基板と、前記第1配向膜に対向する第2配向膜を備えた第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間のセルギャップに保持された液晶層と、を備え、前記液晶層は、60℃の条件における粘性が20mPa*s以上の液晶材料によって形成され、前記セルギャップは、2.3μm以上3.3μm以下である、液晶表示装置が提供される。
以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。
図1は、本実施形態の液晶表示装置を構成する表示パネルPNLの構成を示す平面図である。ここでは、互いに交差する第1方向Xと第2方向Yとで規定されるX−Y平面における平面図を図示している。なお、第1方向X及び第2方向Yは、互いに直交しているが、90°以外の角度で交差していてもよい。
すなわち、表示パネルPNLは、アクティブマトリクスタイプの液晶表示パネルであり、第1基板SUB1と、第1基板SUB1に対向配置された第2基板SUB2と、第1基板SUB1と第2基板SUB2との間に保持された液晶層LQと、を備えている。第1基板SUB1と第2基板SUB2とは、これらの間に所定のセルギャップを形成した状態でシール材SEによって貼り合わせられている。図示した例では、シール材SEは、矩形枠状の閉ループ形状をなすように形成されている。液晶層LQは、第1基板SUB1と第2基板SUB2との間のセルギャップにおいてシール材SEによって囲まれた内側に保持されている。表示パネルPNLは、シール材SEによって囲まれた内側に、画像を表示する表示領域DAを備えている。表示領域DAは、例えば、略長方形状であり、マトリクス状に配置された複数の画素PXによって構成されている。
第1基板SUB1は、表示領域DAにおいて、第1方向Xに延出するゲート線G、第2方向Yに延出するソース線S、各画素PXにおいてゲート線G及びソース線Sと電気的に接続されたスイッチング素子SW、各画素PXにおいてスイッチング素子SWに接続された画素電極PEなどを備えている。コモン電位の共通電極CEは、第1基板SUB1または第2基板SUB2に備えられ、複数の画素電極PEと対向する。なお、ゲート線G及びソース線Sは、一部で屈曲していても良いし、一部が分岐していても良い。
駆動ICチップ2及びフレキシブル・プリンテッド・サーキット(FPC)基板3などの表示パネルPNLの駆動に必要な信号供給源は、表示領域DAよりも外側の非表示領域(周辺領域)NDAに位置している。図示した例では、駆動ICチップ2及びFPC基板3は、第2基板SUB2よりも外側に延出した第1基板SUB1の実装部MTに実装されている。非表示領域NDAは、表示領域DAを囲むエリアであり、シール材SEが配置されるエリアを含み、矩形枠状に形成されている。
なお、表示パネルPNLの詳細な構成については説明を省略するが、基板主面あるいはX−Y平面の法線に沿った縦電界を利用する表示モード、あるいは、基板主面の法線に対して斜め方向に傾斜した傾斜電界を利用する表示モードでは、画素電極PEが第1基板SUB1に備えられる一方で、共通電極CEが第2基板SUB2に備えられる。また、基板主面に沿った横電界を利用する表示モードでは、画素電極PE及び共通電極CEの双方が第1基板SUB1に備えられている。さらには、表示パネルPNLは、上記の縦電界、横電界、及び、傾斜電界を適宜組み合わせて利用する表示モードに対応した構成を有していても良い。
また、表示パネルPNLは、例えば、後述する照明装置(バックライトユニット)BLからの光を選択的に透過させることで画像を表示する透過表示機能を備えた透過型であるが、これに限定されるものではない。すなわち、表示パネルPNLは、外光や補助光といった表示面側からの光を選択的に反射させることで画像を表示する反射表示機能を備えた反射型であっても良い。また、表示パネルPNLは、透過表示機能及び反射表示機能を備えた半透過型であっても良い。反射型の表示パネルPNLが適用される場合、第1基板SUB1と対向する側に位置する照明装置BLは省略される。但し、反射型の表示パネルPNLが適用される場合には、第2基板SUB2と対向する側に照明装置(フロントライトユニット)が配置されても良い。
図2は、図1に示した第1基板SUB1の一部の構成を第2基板SUB2の側から見た平面図である。なお、ここでは、横電界を利用する表示モードの一つであるFFS(Fringe Field Switching)モードを適用した第1基板SUB1の構成を例に説明するが、図中には説明に必要な主要部のみを図示している。
第1基板SUB1は、ゲート線G1乃至G3、ソース線S1乃至S4、スイッチング素子SW1乃至SW6、共通電極CE、画素電極PE1乃至PE6、第1配向膜AL1などを備えている。ゲート線G1乃至G3は、第1方向Xに沿ってそれぞれ延出している。ソース線S1乃至S4は、概ね第2方向Yに沿ってそれぞれ延出し、ゲート線G1乃至G3と交差している。これらのゲート線G1乃至G3及びソース線S1乃至S4は、画素PX1乃至PX6を区画している。
一例では、第1方向Xに並んだ画素PX1乃至PX3は互いに異なる色を表示する画素であり、また、画素PX4乃至PX6も互いに異なる色を表示する画素である。これらの画素PX乃至PX6には、例えば、緑色画素、青色画素、及び、赤色画素が含まれ、さらに、必要に応じて他の色(例えば、白色など)を表示する画素が含まれる場合もある。
画素PX1乃至PX3は、第2方向Yに対して時計回りに鋭角に交差する第1延出方向A1に延出している。各画素PX1乃至PX3の両側に位置するソース線S1乃至S4は第1延出方向A1に延出している。画素PX4乃至PX6は、第2方向Yに対して反時計回りに鋭角に交差する第2延出方向A2に延出している。各画素PX4乃至PX6の両側に位置するソース線S1乃至S4は第2延出方向A2に延出している。なお、第2方向Yと第1延出方向A1とのなす角度θ1は、第2方向Yと第2延出方向A2とのなす角度θ2とほぼ同一であり、例えば5°〜15°程度である。
共通電極CEは、ゲート線G1乃至G3の上方を跨いで第2方向Yに延在するとともに、ソース線S1乃至S4の上方を跨いで第1方向Xに延在し、画素PX1乃至PX6のそれぞれに配置されている。なお、共通電極CEには、各画素において、詳述しないが画素電極とスイッチング素子とを電気的に接続するための開口部が形成されている。
画素PX1は、スイッチング素子SW1及び画素電極PE1を備えている。スイッチング素子SW1は、ゲート線G2及びソース線S1と電気的に接続されている。画素電極PE1は、スイッチング素子SW1に接続されている。画素PX2は、スイッチング素子SW2及び画素電極PE2を備えている。スイッチング素子SW2は、ゲート線G2及びソース線S2と電気的に接続されている。画素電極PE2は、スイッチング素子SW2に接続されている。画素PX3は、スイッチング素子SW3及び画素電極PE3を備えている。スイッチング素子SW3は、ゲート線G2及びソース線S3と電気的に接続されている。画素電極PE3は、スイッチング素子SW3に接続されている。
同様に、画素PX4は、ゲート線G3及びソース線S1と電気的に接続されたスイッチング素子SW4、及び、スイッチング素子SW4に接続された画素電極PE4を備えている。画素PX5は、ゲート線G3及びソース線S2と電気的に接続されたスイッチング素子SW5、及び、スイッチング素子SW5に接続された画素電極PE5を備えている。画素PX6は、ゲート線G3及びソース線S3と電気的に接続されたスイッチング素子SW6、及び、スイッチング素子SW6に接続された画素電極PE6を備えている。
スイッチング素子SW1乃至SW6は、例えば薄膜トランジスタ(TFT)である。画素電極PE1乃至PE6は、それぞれ共通電極CEの上方に位置している。画素電極PE1乃至PE3は、それぞれ第1延出方向A1に延出した画素形状に対応した島状に形成されている。また、画素電極PE1乃至PE3は、それぞれ第1延出方向A1に延出したスリットSLAを有している。画素電極PE4乃至PE6は、それぞれ第2延出方向A2に延出した画素形状に対応した島状に形成されている。また、画素電極PE4乃至PE6は、それぞれ第2延出方向A2に延出したスリットSLBを有している。各スリットSLA及びSLBは、いずれも共通電極CEと向かい合っている。
第1配向膜AL1の配向処理方向R1は、第2基板SUB2に備えられる第2配向膜AL2の配向処理方向R2と平行である。なお、配向処理方向R1及びR2は、互いに逆向きの方向であっても良いし、同じ向きの方向であっても良い。一例では、配向処理方向R1及びR2は、第1延出方向A1及び第2延出方向A2に対して45°以上、90°未満の鋭角に交差する方向である。図示した例では、配向処理方向R1及びR2は、第1方向Xに平行である。本実施形態では、第1配向膜AL1及び第2配向膜AL2は、いずれも光配向処理によって配向処理されている。光配向処理とは、配向膜材料に対して所定方向から紫外線を照射することによって、配向膜材料に所定の配向規制力を発揮させるための処理である。本実施形態では、光配向処理された配向膜を「光配向膜」と称する。
図3は、図2の線I−I‘に沿った表示パネルPNLの断面図である。なお、図3では、非表示領域NDAにおける表示パネルPNLの断面も併せて図示している。
第1基板SUB1は、ガラス基板や樹脂基板などの透明な第1絶縁基板10を用いて形成されている。第1基板SUB1は、第1絶縁基板10の第2基板SUB2に対向する側に、共通電極CE、画素電極PE1乃至PE3、第1絶縁膜11、第2絶縁膜12、第1配向膜AL1などを備えている。なお、第1基板SUB1は、図示しない、ゲート線、ソース線、スイッチング素子なども備えている。
共通電極CEは、第1絶縁膜11の上に形成されている。共通電極CEは、第2絶縁膜12によって覆われている。なお、図示しないゲート線やソース線、スイッチング素子などは、第1絶縁基板10と第1絶縁膜11との間に形成されている。画素電極PE1乃至PE3は、第2絶縁膜12の上に形成され、共通電極CEと向かい合っている。画素電極PE1乃至PE3には、それぞれスリットSLAが形成されている。共通電極CE及び画素電極PE1乃至PE3は、例えば、インジウム・ティン・オキサイド(ITO)やインジウム・ジンク・オキサイド(IZO)などの透明な導電材料によって形成されている。画素電極PE1乃至PE3は、第1配向膜AL1によって覆われている。第1配向膜AL1は、第2絶縁膜12も覆っている。第1配向膜AL1は、例えば水平配向性を示す材料によって形成され、第1基板SUB1の液晶層LQに接する面に配置されている。
図示した例では、共通電極CEが第1電極に相当し、画素電極PE1乃至PE3が第2電極に相当し、第2絶縁膜12が層間絶縁膜に相当する。但し、画素電極PE1乃至PE3が第1絶縁膜11と第2絶縁膜12との間に形成され、共通電極CEが第2絶縁膜12と第1配向膜AL1との間に形成されても良い。この場合、画素電極PE1乃至PE3が第1電極に相当し、共通電極CEが第2電極に相当する。
また、第1基板SUB1は、非表示領域NDAにおいて、シールド電極30及びトラップ電極40を備えている。図示した例では、シールド電極30は第2絶縁膜12と第1配向膜AL1との間に形成され、トラップ電極40は第1絶縁膜11と第2絶縁膜12との間に形成されているが、両者の配置位置は図示した例に限られるものではない。シールド電極30には、所定の電位が供給される。一例では、シールド電極30は、共通電極CEと同電位である。このようなシールド電極30は、画素電極と同一材料によって形成可能であるが、他の金属材料などによって形成されても良い。トラップ電極40には、シールド電極30とは異なる電位が供給される。一例では、トラップ電極40は、固定電位が供給される図示しない配線(例えば、スイッチング素子のオフ電圧であるゲートロー電圧が印加される配線)と電気的に接続されている。トラップ電極40は、共通電極と同一材料によって形成可能であるが、他の金属材料などによって形成されても良い。
第2基板SUB2は、ガラス基板や樹脂基板などの透明な第2絶縁基板20を用いて形成されている。第2基板SUB2は、第2絶縁基板20の第1基板SUB1に対向する側に、遮光部BM、カラーフィルタCF1乃至CF3、オーバーコート層OC、第2配向膜AL2などを備えている。
遮光部BMは、第2絶縁基板20の第1基板SUB1と対向する内面20Aに形成されている。遮光部BMは、非表示領域NDAの内面20Aにも形成されている。カラーフィルタCF1乃至CF3のそれぞれは、内面20Aにも形成されている。カラーフィルタCF1乃至CF3は、それぞれ異なる色のカラーフィルタである。例えば、カラーフィルタCF1は、緑色(G)に着色された樹脂材料によって形成されている。カラーフィルタCF2は、青色(B)に着色された樹脂材料によって形成されている。カラーフィルタCF3は、赤色(R)に着色された樹脂材料によって形成されている。
オーバーコート層OCは、カラーフィルタCF1乃至CF3を覆っている。非表示領域NDAにおいては、オーバーコート層OCは、遮光部BMを覆っている。オーバーコート層OCは、透明な樹脂材料によって形成されている。このようなオーバーコート層OCは、第2基板SUB2に備えられた有機絶縁膜に相当する。一例では、オーバーコート層OCは、架橋剤モノマー(例えば、フタル酸構造を有する架橋剤)を含むアクリル系樹脂またはエポキシ系樹脂を主成分とする透明の光硬化性樹脂材料によって形成されている。オーバーコート層OCは、第2配向膜AL2によって覆われている。第2配向膜AL2は、例えば水平配向性を示す材料によって形成され、第2基板SUB2の液晶層LQに接する面に配置されている。
上述したような第1基板SUB1と第2基板SUB2とは、第1配向膜AL1及び第2配向膜AL2が対向するように配置されている。第1基板SUB1と第2基板SUB2とは、セルギャップGPが形成された状態でシール材によって貼り合わせられている。液晶層LQは、第1基板SUB1の第1配向膜AL1と第2基板SUB2の第2配向膜AL2との間に形成されたセルギャップGPに保持されている。なお、セルギャップとは、表示パネルPNLの法線方向に沿った第1配向膜AL1と第2配向膜AL2との間の距離に相当し、例えばスペーサの高さで規定される。本実施形態では、液晶層LQは、誘電率異方性が負(ネガ型)の液晶材料によって形成されている。また、液晶層LQは、65℃の温度条件における粘性が20mPa*s以上の液晶材料によって形成されている。セルギャップGPは、2.3μm以上3.3μm以下である。
照明装置BLは、第1基板SUB1と対向している。照明装置BLとしては、種々の形態が適用可能であるが、詳細な構造については説明を省略する。
第1偏光板PL1を含む第1光学素子OD1は、第1絶縁基板10の外面に配置されている。第2偏光板PL2を含む第2光学素子OD2は、第2絶縁基板20の外面に配置されている。例えば、第1偏光板PL1の第1吸収軸及び第2偏光板PL2の第2吸収軸は、X−Y平面内で直交している。また、第1吸収軸及び第2吸収軸のいずれか一方は、液晶分子LMの初期配向方向と平行である。
第1偏光板PL1を含む第1光学素子OD1は、第1絶縁基板10の外面に配置されている。第2偏光板PL2を含む第2光学素子OD2は、第2絶縁基板20の外面に配置されている。例えば、第1偏光板PL1の第1吸収軸及び第2偏光板PL2の第2吸収軸は、X−Y平面内で直交している。また、第1吸収軸及び第2吸収軸のいずれか一方は、液晶分子LMの初期配向方向と平行である。
以下に、上記構成の液晶表示装置における動作について説明する。
液晶層LQに電圧が印加されていないOFF時には、画素電極PEと共通電極CEとの間に電界が形成されていない。このため、液晶層LQに含まれる液晶分子LMは、図2に実線で示したように、第1配向膜AL1及び第2配向膜AL2の配向規制力によりX−Y平面内において第1方向Xに初期配向している。つまり、液晶分子LMの初期配向方向は第1方向Xに平行である。OFF時には、照明装置BLからの光の一部は、第1偏光板PL1を透過し、表示パネルPNLに入射する。表示パネルPNLに入射した光は、例えば第1偏光板PL1の第1吸収軸と直交する直線偏光である。このような直線偏光の偏光状態は、OFF時の表示パネルPNLを透過した際にほとんど変化しない。このため、表示パネルPNLを透過した直線偏光のほとんどが、第2偏光板PL2によって吸収される(黒表示)。
液晶層LQに電圧が印加されていないOFF時には、画素電極PEと共通電極CEとの間に電界が形成されていない。このため、液晶層LQに含まれる液晶分子LMは、図2に実線で示したように、第1配向膜AL1及び第2配向膜AL2の配向規制力によりX−Y平面内において第1方向Xに初期配向している。つまり、液晶分子LMの初期配向方向は第1方向Xに平行である。OFF時には、照明装置BLからの光の一部は、第1偏光板PL1を透過し、表示パネルPNLに入射する。表示パネルPNLに入射した光は、例えば第1偏光板PL1の第1吸収軸と直交する直線偏光である。このような直線偏光の偏光状態は、OFF時の表示パネルPNLを透過した際にほとんど変化しない。このため、表示パネルPNLを透過した直線偏光のほとんどが、第2偏光板PL2によって吸収される(黒表示)。
一方、液晶層LQに電圧が印加されたON時には、画素電極PEと共通電極CEとの間にフリンジ電界が形成される。このため、液晶分子LMは、図2に破線で示したように、X−Y平面内において、初期配向方向とは異なる方位に配向する。ネガ型の液晶材料においては、例えば画素PX3の液晶分子LMは、X−Y平面内において、フリンジ電界と略直交な方向に配向するように反時計回りに回転し、画素PX6の液晶分子LMは、X−Y平面内において、フリンジ電界と略平行な方向に配向するように時計回りに回転する。このとき、液晶分子LMは、電界の大きさに応じた方向に配向する。ON時には、第1偏光板PL1の第1吸収軸と直交する直線偏光は、表示パネルPNLに入射し、その偏光状態は、液晶層LQを透過する際に液晶分子LMの配向状態に応じて変化する。このため、ON時においては、液晶層LQを通過した少なくとも一部の光は、第2偏光板PL2を透過する(白表示)。
このような構成により、ノーマリーブラックモードが実現される。
このような構成により、ノーマリーブラックモードが実現される。
ネガ型の液晶材料を適用した液晶表示装置においては、フリンジ電界のうちのX−Y平面に対して垂直な成分が液晶層に作用しても、液晶分子LMはX−Y平面と略平行な面内で回転する。つまり、X−Y平面に対して垂直な方向に液晶分子LMが立ち上がる現象を抑制することができる。このため、ポジ型の液晶材料を適用した液晶表示装置と比較して、一画素あたりの透過率を向上することができ、また、コントラスト比も向上することが可能となる。
ところで、発明者は、一般的な液晶表示装置において、液晶層LQに浸入したイオン性不純物が表示領域DAの一部に凝集することに起因した黒ムラの発生メカニズムについて種々検討した。まず、イオン性不純物の発生原因の一つとして、表示パネルPNLに適用される第1配向膜AL1及び第2配向膜AL2がいずれも光配向処理によって配向処理される「光配向膜」である点が挙げられる。すなわち、光配向処理では、配向膜材料に対して紫外線が照射される。この際、配向膜材料やその下地となる各種有機絶縁膜(例えばオーバーコート層OC)が劣化し、イオン性不純物を発生する。発生したイオン性不純物は、表示パネルPNLが組み立てられた後に、液晶層LQに浸入しやすい。また、イオン性不純物の他の発生原因としては、イオン性不純物を含む水分が外部から表示パネルPNLに浸入する点が挙げられる。有機絶縁膜は、無機絶縁膜と比較して透湿性が高いものが多い。このため、表示パネルPNLを構成する部材のうち、外部に露出した有機絶縁膜が水分パスを形成し、水分に含まれるイオン性不純物が液晶層LQに浸入しやすい。特に、ネガ型の液晶材料は、イオン性不純物を取り込みやすい性質を有している。
液晶層LQに浸入したイオン性不純物は、液晶表示装置が駆動されることにより、液晶層LQ中をドリフトし、シール材SEで囲まれた領域の端部に凝集する。近年では、液晶表示装置における非表示領域NDAの幅を低減する狭額縁化の要望が高まっている。このため、ドリフトしたイオン性不純物は、シール材SEの近傍に凝集するが、非表示領域NDAにとどまらず、表示領域DAにも凝集する。表示領域DAにおいて、第1配向膜AL1及び第2配向膜AL2の表面に凝集したイオン性不純物は、各画素PXに保持された電圧のリークを引き起こす原因となる。このため、ノーマリーブラックモードにおいて、ON時に白を表示している画素PXの保持電圧が低下することでOFF時の黒表示状態に近づき、結果として、黒ムラとして視認されてしまう。
図4は、表示パネルPNLの画面サイズと、液晶層LQのイオン性不純物のイオン密度との関係をシミュレーションした結果を示す図である。なお、図中の(A)及び(B)において、横軸は表示パネルPNLの画面サイズを表す表示領域DAの対角寸法(インチ)を示し、縦軸は画面サイズが5インチの場合のイオン密度を1として規格化した場合のイオン密度(相対値)を示している。
図中の(A)は、表示パネルPNLを構成する部材の透湿性を考慮して外部から浸入するイオン性不純物のイオン密度をシミュレーションした結果を示している。画面サイズが小さくなるほど、液晶層LQの体積が減少するため、イオン密度は増加する傾向がわかる。
図中の(B)は、紫外線を照射した際に表示パネルPNLを構成する有機絶縁膜(第1配向膜AL1、第2配向膜AL2、オーバーコート層OCなど)から発生するイオン性不純物のイオン密度をシミュレーションした結果を示している。画面サイズが大きくなるほど、有機絶縁膜の表面積が増加するため、イオン密度は増加する傾向がわかる。
図4に示したように、イオン性不純物は、紫外線照射及び外部からの浸入によって表示パネルPNLに蓄積されるが、画面サイズによって支配的要因が異なる。つまり、画面サイズの小さい表示パネルPNLについては外部からの浸入するイオン性不純物が支配的となり、画面サイズの大きい表示パネルPNLについては、紫外線照射によって発生したイオン性不純物が支配的となる。このため、画面サイズの小さい表示パネルPNLについては、表示パネルPNLを構成する部材の透湿性を低減することによってイオン性不純物のイオン濃度の上昇を抑制することができる。また、画面サイズの大きい表示パネルPNLについては、表示パネルPNLを構成する部材の紫外線耐性を向上することによってイオン性不純物のイオン濃度の上昇を抑制することができる。
図5は、表示パネルPNLのセルギャップGPと、粘性抵抗η1との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図中の横軸はセルギャップGP(μm)であり、縦軸はセルギャップGPが3.2μmの場合の粘性抵抗η1を1として規格化した場合の粘性抵抗η1(相対値)である。ここでは、平行に配置された2枚の平板間に液晶層LQを配置した時のポアズイユの流れを仮定し、Langevin方程式に基づき、セルギャップ(平板間の距離)GPに対する粘性抵抗η1をシミュレーションにより算出した。液晶層LQ中をドリフトするイオン性不純物は、液晶層LQの粘性抵抗ηを受ける。この粘性抵抗ηは、液晶層LQの粘性γ1と2枚の平板界面から受ける粘性抵抗η1とで決まる値である。図示したように、セルギャップGPが小さくなるほど、2枚の平板界面が接近するため、イオン性不純物が平板界面から受ける粘性抵抗η1は増加する傾向がわかる。つまり、液晶層LQの粘性γ1、及び、粘性抵抗η1を決めるセルギャップGPにより、液晶層LQの粘性抵抗ηを最適化することによって、イオン性不純物のドリフトを抑制し、さらには、イオン性不純物の凝集を抑制することができる。本実施形態では、上記の通り、セルギャップGPは、2.3μm以上、3.3μm以下に設定されるため、これらのセルギャップGPにおけるイオン性不純物の凝集を抑制するための粘性抵抗ηの最適化が必要となる。上記のセルギャップGPの範囲において、セルギャップGPが小さい条件(2.3μmに近づく条件)では、図示したように粘性抵抗η1が増加し、イオン性不純物のドリフト及び凝集を抑制する効果が期待できる。一方で、セルギャップGPが大きい条件(3.3μmに近づく条件)では、粘性抵抗η1が低減するため、液晶層LQの粘性γ1を最適化することで、イオン性不純物のドリフト及び凝集を抑制することが可能となる。
発明者は、上記の知見に基づき、信頼性試験において黒ムラが発生しない液晶層LQの粘性γ1をシミュレーションによって算出した。ここでの信頼性試験とは、温度65℃、湿度90%の環境下に表示パネルPNLを放置するステップを複数回にわたって行うものである。使用する表示パネルPNLについては、画面サイズが5インチであり、セルギャップGPが3.2μmである。表示領域DAにおけるイオン性不純物が直線的にドリフトするものと仮定すると、最長のドリフト距離は、表示領域DAの対角線上の距離つまり5インチである。ドリフト距離が5インチである場合、表示領域DAにおけるほぼすべてのイオン性不純物が表示領域DAの1つの角部に凝集したものと仮定される。このシミュレーション上の信頼性試験では、イオン性不純物が凝集するのに要する時間(あるいは、ドリフト距離が5インチとなるのに要する時間)が30ステップ(約1000時間相当)以上である条件を、許容する(信頼性試験OK判定とする)ことにする。
図6は、信頼性試験の時間と、イオン性不純物のドリフト距離との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図中の横軸は信頼性試験の時間に相当するタイムステップ(step)であり、縦軸はイオン性不純物のドリフト距離(インチ)である。シミュレーションでは、液晶層LQの粘性γ1をパラメータとして、イオン性不純物の凝集に要する時間を、Langevin方程式に基づいて算出した。65℃の温度条件での粘性γ1が22mPa*sである場合、凝集に要する時間は約30ステップであった(信頼性試験OK)。同様に、粘性γ1が26mPa*sである場合、凝集に要する時間は約35ステップであった(信頼性試験OK)。一方で、粘性γ1が15mPa*sである場合、凝集は約20ステップで発生した(信頼性試験NG)。また、粘性γ1が18mPa*sである場合、凝集は約25ステップで発生した(信頼性試験NG)。
このようなシミュレーション結果に基づくと、画面サイズが5インチであり、セルギャップGPが3.2μmである表示パネルPNLについては、65℃の温度条件での粘性γ1が20mPa*s以上の液晶材料を適用することにより、通常の使用範囲においては、イオン性不純物の凝集が抑制され、黒ムラの発生を防止できることが分かった。なお、粘性γ1が大きくなるほどイオン性不純物のドリフトが抑制されるため、黒ムラ発生を抑制するといった観点では、粘性γ1の上限は特にないが、表示品位の観点から、65℃の温度条件において、83mPa*s以下であることが望ましい。
上記の通り、本実施形態によれば、第1配向膜AL1及び第2配向膜AL2がいずれも「光配向膜」であったとしても、液晶層LQは65℃の条件における粘性が20mPa*s以上の液晶材料によって形成され、セルギャップGPは2.3μm以上3.3μm以下である条件を適用することにより、液晶層LQにおけるイオン性不純物のドリフトを抑制することができ、イオン性不純物の凝集に起因した黒ムラの発生を抑制することができる。したがって、表示品位の劣化を抑制することが可能となる。
次に、画面サイズをパラメータとして、65℃の温度条件での粘性γ1が22mPa*sである液晶材料を適用し、セルギャップGPが3.2μmである表示パネルPNLについて同様の信頼性試験のシミュレーションを行った。
図7は、画面サイズと、信頼性試験の時間との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図中の横軸は画面サイズ(インチ)であり、縦軸は表示領域DAにおけるほぼすべてのイオン性不純物が表示領域DAの1つの角部に凝集するのに要する時間に相当するタイムステップ(step)である。図示したように、粘性γ1及びセルギャップGPを固定した条件では、画面サイズが小さくなるにしたがって、最長のドリフト距離が短縮するため、30ステップ未満の短時間でイオン性不純物が凝集する。このため、画面サイズが5インチ未満のいずれの表示パネルPNLも信頼性試験でNGと判定される。例えば、画面サイズが4.5インチである場合には約24ステップであり、画面サイズが4インチである場合には約19ステップであり、画面サイズが3.5インチである場合には約15ステップであった。
一方で、画面サイズが5インチよりも大きい場合、図4を参照して説明した通り、外部から浸入するイオン性不純物よりも、紫外線照射によって発生するイオン性不純物の影響が支配的となる。このため、画面サイズが5.5インチ及び6インチの場合、紫外線耐性を向上する対策を施すことで、画面サイズが5インチの場合と同様に、約30ステップを達成できる(信頼性試験OK)。一方、紫外線耐性が未対策の場合には、画面サイズが5.5インチの場合には約27ステップであり、画面サイズが6インチの場合には約25ステップであり、いずれも信頼性試験でNGと判定される。
次に、信頼性試験OKと判定される条件、すなわち、画面サイズが5インチであり、セルギャップGPが3.2μmである表示パネルPNLについて、65℃の温度条件での粘性γ1が22mPa*sである液晶材料を適用する条件に基づき、他の画面サイズの表示パネルPNLについても、信頼性試験OKと判定される条件を算出した。すなわち、各画面サイズの表示パネルPNLについて、図4の(A)に示したイオン密度(相対値)に基づいて、信頼性試験OKと判定される液晶層LQの粘性(γ1)、及び、粘性抵抗η1を決めるセルギャップGPを換算した。
図8は、各画面サイズについて、信頼性試験OKと判定される条件をまとめた図である。図中には、各画面サイズについて、イオン密度(相対値)、粘性(mPa*s)、セルギャップ(μm)、液晶層LQの粘性抵抗η(相対値)、応答時間(相対値)の順にそれぞれの値を記載している。イオン密度、粘性抵抗、及び、応答時間については、画面サイズが5インチの場合の値を1として規格化した相対値を表している。また、粘性については、同一材料であっても温度によって値が異なるが、ここでは、信頼性試験における温度条件での値であり、例えば、65℃での値を示している。
イオン密度について、図4の(A)に示したように、画面サイズが5インチの場合を1とした時、画面サイズが4.5インチの場合に1.13であり、画面サイズが4インチの場合に1.3であり、画面サイズが3.5インチの場合に1.5である。
粘性γ1について、温度条件を一定とし、画面サイズが5インチの場合に信頼性試験OKと判定される値がγx以上であると仮定すると、他の画面サイズについて信頼性試験OKと判定される粘性γ1はイオン密度に基づいて以下の通り換算される。すなわち、画面サイズが4.5インチの場合にはγxの1.13倍以上であり、画面サイズが4インチの場合にはγxの1.3倍以上であり、画面サイズが3.5インチの場合にはγxの1.5倍以上である。一例では、温度条件を65℃とし、粘性γxが20mPa*s以上である場合、画面サイズが4.5インチの場合の粘性γ1は22.6mPa*s以上であり、画面サイズが4インチの場合の粘性γ1は26mPa*s以上であり、画面サイズが3.5インチの場合の粘性γ1は30mPa*s以上である。
セルギャップGPについて、画面サイズが5インチの場合に信頼性試験OKと判定される値がGPxであると仮定すると、他の画面サイズについて信頼性試験OKと判定されるセルギャップGPはイオン密度に基づいて以下の通り換算される。すなわち、画面サイズが4.5インチの場合のセルギャップGPはGPxを1.13の平方根で除算した値以下であり、画面サイズが4インチの場合のセルギャップGPはGPxを1.3の平方根で除算した値以下であり、画面サイズが3.5インチの場合のセルギャップGPはGPxを1.5の平方根で除算した値以下である。一例では、セルギャップGPxが3.2μmである場合、画面サイズが4.5インチの場合にはセルギャップGPが3.0μm以下であり、画面サイズが4インチの場合にはセルギャップGPが2.8μm以下であり、画面サイズが3.5インチの場合にはセルギャップGPが2.6μm以下である。
粘性抵抗ηは、粘性γ1及びセルギャップGPに基づいて算出される値であり、画面サイズが5インチの場合に信頼性試験OKと判定される値を1とした場合、他の画面サイズについて信頼性試験OKと判定される粘性抵抗ηは以下の通りである。すなわち、画面サイズが4.5インチの場合の粘性抵抗ηは1.24以上であり、画面サイズが4インチの場合の粘性抵抗ηは1.69以上であり、画面サイズが3.5インチの場合の粘性抵抗ηは2.25以上である。
応答時間について、画面サイズが5インチの場合を1とすると、他の画面サイズについては、いずれも1以下となった。また、言うまでもなく、シミュレーション上の信頼性試験では、いずれも画面サイズの表示パネルについてもOKと判定された。
図9は、図8に示した条件を満足する各画面サイズの表示パネルPNLの実施例を説明するための図である。図中の(A)乃至(D)について、横軸は、表示領域DAにおけるほぼすべてのイオン性不純物が表示領域の1つの角部に凝集するのに要する時間に相当するタイムステップ(step)であり、縦軸は、イオン密度(相対値)である。イオン密度は、画面サイズが5インチの表示パネルPNLについて、信頼性試験OKと判定される30ステップでのイオン密度を1とする。
図中の(A)は、画面サイズが5インチの表示パネルPNLの実施例に相当する。65℃での粘性γ1は22Pa*sであり、セルギャップは3.2μmである。
図中の(B)は、画面サイズが4.5インチの表示パネルPNLの実施例に相当する。65℃での粘性γ1は25Pa*sであり、セルギャップは3μmである。イオン密度は1.13であり、35ステップが実現できる。なお、画面サイズが4.5インチの表示パネルであっても、65℃の温度条件での粘性γ1が22mPa*sである液晶材料を適用し、セルギャップGPが3.2μmである表示パネルPNLについては、図7に示した通り、約24ステップであった。
図中の(C)は、画面サイズが4インチの表示パネルの実施例に相当する。65℃での粘性γ1は29Pa*sであり、セルギャップは2.8μmである。イオン密度は1.3であり、40ステップが実現できる。なお、画面サイズが4インチの表示パネルであっても、65℃の温度条件での粘性γ1が22mPa*sである液晶材料を適用し、セルギャップGPが3.2μmである表示パネルPNLについては、図7に示した通り、約19ステップであった。
図中の(D)は、画面サイズが3.5インチの表示パネルの実施例に相当する。65℃での粘性γ1は33Pa*sであり、セルギャップは2.6μmである。イオン密度は1.5であり、45ステップが実現できる。なお、画面サイズが3.5インチの表示パネルであっても、65℃の温度条件での粘性γ1が22mPa*sである液晶材料を適用し、セルギャップGPが3.2μmである表示パネルPNLについては、図7に示した通り、約15ステップであった。
このように、各画面サイズの表示パネルPNLについて、それぞれ粘性γ1及びセルギャップGPを図8に示した条件を満足するように最適化することで、30ステップ以上を実現することができた。
ところで、上記の説明は、液晶層LQに含まれるイオン性不純物のドリフトを抑制し、イオン性不純物の凝集による黒ムラの発生を抑制するための手法に関するものである。一方で、液晶層LQへのイオン性不純物の浸入を抑制するための手法を組み合わせることがさらに有効である。
一手法としては、図4を参照して説明した通り、表示パネルPNLを構成する部材の透湿性を低減することが有効である。本実施形態では、表示パネルPNLを構成する有機絶縁膜について、透湿度は5E-9mol/cm2以下であることが望ましい。なお、透湿度の評価方法は、TDS(Thermal Desorption Spectrometry;昇温脱離ガス分光法)が適用される。
また、イオン性不純物の浸入を抑制する他の手法としては、図4を参照して説明した通り、表示パネルPNLを構成する部材の紫外線耐性を向上することが有効である。本実施形態では、表示パネルPNLを構成する有機絶縁膜について、紫外線を照射する前後での吸光度スペクトルの差分の最小値と最大値との差(スペクトル変化量)が0.0030以下であることが望ましい。なお、吸光度スペクトルは、FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrometer)で測定される。
図10は、表示パネルの各構成例の信頼性試験の結果と、オーバーコート層OCの透湿度と、オーバーコート層OCのスペクトル変化量との関係をまとめた図である。各構成例は、オーバーコート層OCの材料以外、すべて同一条件で構成された表示パネルである。ここでは、4種類のオーバーコート層OCを用意した。図中では、4種類のオーバーコート層OCを、OC−A、OC−B、OC−C、OC−Dで区別している。
各オーバーコート層OCの透湿度(mol/cm2)は、光配向膜を形成する際の紫外線照射前と、紫外線照射後とでそれぞれ測定した。OC−B、OC−C、OC−Dの各構成例について、透湿度は、紫外線照射前後で5E-9mol/cm2以下の条件を満たす。OC−Aの構成例について、透湿度は、紫外線照射前後で5E-9mol/cm2以下の条件を満たさない。
各オーバーコート層OCのスペクトル変化量は、光配向膜を形成する際の紫外線照射前に測定した吸光度スペクトルと、紫外線照射後に測定した吸光度スペクトルとの差分をプロットし、その最小値と最大値との差を求めた。図11は、各構成例のオーバーコート層について、吸光度スペクトルの差分をプロットしたものである。図中の(A)乃至(D)は、それぞれOC−A、OC−B、OC−C、OC−Dで区別される4種類の構成例に相当する。図中の(A)乃至(D)について、横軸は波数(cm−1)であり、縦軸は紫外線照射前後での吸光度スペクトルとの差分である。OC−A、OC−C、OC−Dの各構成例について、スペクトル変化量は、0.0030以下の条件を満たす。OC−Bの構成例について、スペクトル変化量は、0.0030以下の条件を満たさない。
これらの4つの構成例について、上記と同一条件(温度65℃、湿度90%の環境下に表示パネルPNLを放置する)の信頼性試験を行ったところ、OC−A及びOC−Bで区別される2種類の構成例についてはNGと判定され、OC−C及びOC−Dで区別される2種類の構成例についてはOKと判定された。
次に、液晶層LQに含まれるイオン性不純物をトラップする手法について説明する。
本実施形態では、図3を参照して説明したように、表示パネルPNLは、非表示領域NDAにシールド電極30及びトラップ電極40を備えている。トラップ対象であるイオン性不純物が正イオンである場合には、例えばトラップ電極40の電位は、シールド電極30の電位よりも低電位に設定される。これにより、イオン性不純物は、クーロン力によってトラップ電極40にトラップされる。なお、トラップ対象のイオン性不純物が負イオンである場合には、トラップ電極40の電位は、シールド電極30の電位よりも高電位に設定される。このようなシールド電極30及びトラップ電極40は、非表示領域NDAにおける所望の位置に設置することができる。このため、表示領域DAにおけるイオン性不純物の凝集を抑制することが可能となる。
本実施形態では、図3を参照して説明したように、表示パネルPNLは、非表示領域NDAにシールド電極30及びトラップ電極40を備えている。トラップ対象であるイオン性不純物が正イオンである場合には、例えばトラップ電極40の電位は、シールド電極30の電位よりも低電位に設定される。これにより、イオン性不純物は、クーロン力によってトラップ電極40にトラップされる。なお、トラップ対象のイオン性不純物が負イオンである場合には、トラップ電極40の電位は、シールド電極30の電位よりも高電位に設定される。このようなシールド電極30及びトラップ電極40は、非表示領域NDAにおける所望の位置に設置することができる。このため、表示領域DAにおけるイオン性不純物の凝集を抑制することが可能となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、表示品位の劣化を抑制することが可能な液晶表示装置を提供することができる。
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
PNL…表示パネル SUB1…第1基板 SUB2…第2基板 LQ…液晶層
AL1…第1配向膜 AL2…第2配向膜
PE…画素電極 CE…共通電極 OC…オーバーコート層
30…シールド電極 40…トラップ電極
AL1…第1配向膜 AL2…第2配向膜
PE…画素電極 CE…共通電極 OC…オーバーコート層
30…シールド電極 40…トラップ電極
Claims (7)
- 第1配向膜を備えた第1基板と、
前記第1配向膜に対向する第2配向膜を備えた第2基板と、
前記第1基板と前記第2基板との間のセルギャップに保持された液晶層と、を備え、
前記液晶層は、65℃の条件における粘性が20mPa*s以上の液晶材料によって形成され、
前記セルギャップは、2.3μm以上3.3μm以下である、液晶表示装置。 - 前記第1基板は、さらに、第1電極と、前記第1電極を覆う層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上で前記第1電極と対向し前記第1配向膜によって覆われた第2電極と、を備え、
前記液晶材料の誘電率異方性は負である、請求項1に記載の液晶表示装置。 - 前記第2基板は、さらに、有機絶縁膜を備え、
前記有機絶縁膜は、架橋剤モノマーを含むアクリル系樹脂またはエポキシ系樹脂を主成分とする透明の光硬化性樹脂材料によって形成された、請求項1に記載の液晶表示装置。 - 前記有機絶縁膜について、透湿度は5E-9mol/cm2以下である、請求項3に記載の液晶表示装置。
- 前記有機絶縁膜について、紫外線を照射する前後での吸光度スペクトルの差分の最小値と最大値との差が0.0030以下である、請求項3または4に記載の液晶表示装置。
- さらに、非表示領域において、所定電位のシールド電極と、前記シールド電極とは異なる電位のトラップ電極とを備えた、請求項1に記載の液晶表示装置。
- 前記第1配向膜及び前記第2配向膜は、光配向膜である、請求項1に記載の液晶表示装置。
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