JP2953720B2

JP2953720B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2953720B2
Application number: JP1327899A
Authority: JP
Inventors: 圭介津田; 千芽子川崎; 伊佐子菊池; 克彦熊川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-12-18
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1999-09-27
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: JPH03188419A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、映像表示を行う液晶表示装置に関し、特に
表示品位の高い液晶表示装置を提供するものである。

従来の技術現在、表示画素の各々に薄膜トランジスタ素子（TF
T）を設けた構成の、アクティブマトリクス型液晶表示
装置において、最も広く用いられているものにTN（Twis
ted Nematic）型がある。TN型は、基板間で液晶分子が9
0゜捻れた構成をもつ液晶パネルを、２枚の偏光板によ
り、挟んだものである。この２枚の偏光板の偏光軸方向
は、互いに平行（ノーマリーブラックモード）か、直交
（ノーマリーホワイトモード）させており、又、一方の
偏光板の偏光軸は、一方の基板に接している液晶分子の
長軸方向と平行か垂直になるように（ライトガイドモー
ド）、貼り合わせている。このようなTN型液晶表示装置
の、液晶にかかる電圧を制御すると、白、黒の表示を出
すことができる。ノーマリーホワイトモードの場合、液
晶パネルを通過してくる光の透過率Ｔと、液晶層にかか
る実行電圧Vrmsとの間には、第７図のような関係（Ｔ−
Ｖ特性）があり、電圧無印加あるいはVth以下の電圧で
白表示、Vamxで黒表示が得られる。一方、ノーマリーブ
ラックモードの場合、液晶パネルを通過してくる光の透
過率Ｔと、液晶層にかかる実効電圧Vrmsとの関係は、ノ
ーマリーホワイトモードと反対に、電圧無印加あるいは
Vth以下の電圧で黒表示、Vmaxで白表示が得られる。
（例えば、プロシーディングスオブザ９スイン
ターナショナルディスプレイリサーチコンフェレ
ンス，ジャパンディスプレイ'89ピーピー.286（Proce
edings of The 9th International Display Research C
onference,Japan Display'89 pp.286））ところで、TFT素子を用いた液相表示装置の場合、TFT
のスイッチング機能により、選択時に信号線から供給さ
れる電圧V_Sが、基本的には次の選択時まで画素内で保持
されため、その画素内での液晶に印加される実効電圧
は、やはりV_Sとなる。従ってて、V_SがVth〜Vmaxの任意
の値を取ることにより、白から黒までのさまざまな明る
さの階調表示を行うことができる。このことは、VthとV
maxの電圧差が大きい程、つまりＴ−Ｖ特性のカーブが
なだらかな程、多階調表示が容易となる。

発明が解決しようとする課題従来のようなアクティブマトリクス方式によるTN型液
晶表示装置では、以下のような課題が生じる。従来の技
術では、多階調表示を実現するためには、Ｔ−Ｖカーブ
のゆるやかな液晶材料を用いればよいと述べたが、実際
にはゆるやかな液晶材料を用いても、第７図で透過率Ｔ
が90％となる電圧V₉₀と10％となる電圧V₁₀との比V₁₀/V
₉₀の値は、1.4〜1.5程度である。従って、８階調、16階
調程度の階調表示は比較的簡単に実現できるが、今後映
像表示としてCRTを凌駕し、さらにはハイビジョンを液
晶で実現するために、128、256階調表示が要求されるに
当たっては、現状の駆動ICの電圧偏差や、各画素毎のTF
T素子特性のバラツキ等を考慮に入ると、もはや現在のV
₁₀/V₉₀の値では、実現不可能となる。さらに、一方の基
板の液晶層と接する面に、金属等で反射面を形成し、も
う一方の基板側にのみ偏光素子を配置したような、反射
型の液晶表示装置の場合、透過型と比較して、液晶、液
晶層の厚み、液晶分子軸の捻れ角のいずれもが等しくて
も、V₁₀/V₉₀の値は小さくなる傾向にある。従って、こ
のような構成の反射型液晶表示装置では、なお一層多階
調表示は難しくなる。

一般にTNモードでは、電圧無印加時に入射直線偏光に
対して、液晶層を通過した後の出射光は、偏光軸の直交
した直線偏光となるように液晶パネルを設計する。この
ときの条件は、通常、光学的な位相差Δｎ・d/λ（Δｎ
＝液晶の屈折率異方性、ｄ＝液晶層の厚み、λ＝光の波
長）がほぼ１である。ところで、このとき表示モードが
ノーマリーブラックモードの場合、以下のような課題が
付加される。ノーマリーブラックモードでは、電圧無印
加時に黒表示となるので、黒付近の表示は光学的位相差
が１付近という比較的大きい領域を用いることになる。
従って、波長依存性が大きく、黒付近の中間調では色度
変化の激しい表示品位の非常に悪いものになってしま
う。

一方、ノーマリーホワイト表示ては、光学的位相差が
大きい領域で白表示となるが、このときは波長依存が生
じていても、色度変化は少ない。又、黒付近では、光学
的位相差が小さくなり、従って波長依存性そのものも小
さくなるので、やはり色度変化のない均一で、良好な表
示がえられる。ところが、ノーマリーホワイト表示にも
次のような欠点が残される。コントラスト比の高い表示
を得ようとすると、黒表示での光の透過率をできるだけ
低くする必要があるが、ノーマリーホワイト表示は、電
圧を印加して、液晶分子が基板面に対して垂直に立ち上
がった状態で黒となるものである。これは液晶分子は、
分子の長軸方向が光の進行方向に平行なときには、光学
的な位相差は生じず、光は偏光成分を変化することなく
液晶層を通過するためである。実際には、電圧をある程
度印加しても、基板界面付近の液晶分子は、基板との相
互作用が強く、完全には立ち上がらない。従って、光学
的な位相差は若干存在し、そのために光の偏光状態は変
化し、真の黒にはなりにくい。従ってコントラスト比を
上げるためには、10V以上という大きな電圧が必要とな
り、駆動ICの耐圧の課題から、この表示モードも高品位
な画像表示としては最適なものではない。

本発明は、上記課題に鑑み、TFTの形成された液晶表
示装置において、新規な表示モードを考察することによ
り（たとえば電界制御複屈折効果のノーマリーホワイト
モードに光学位相差板を積層させた構成）、液晶層に印
加される最大の電圧を高くすることなく、かつV₁₀/V₉₀
の値を大きくすることにより、多階調表示を容易とす
るとともに、色度変化の小さい良好な映像表示が実現で
きる液晶表示装置を提供することを目的としたものであ
る。

課題を解決するための手段前記課題を解決するために本発明の液晶表示装置は、
ネマティック液晶の分子が水平配向する一方の電極付き
基板と前記ネマティック液晶の分子が垂直配向するもう
一方の電極付き基板とを電極のある側を対向させて所定
の間隙部を設けて貼り合わせ、前記間隙部に前記ネマテ
ィック液晶を充填し、かつ電圧印加手段により光学位相
差を制御して明るさを変化させることで白表示から黒表
示までの階調表示を行う液晶パネルと、前記液晶パネル
に印加される所定の電圧における前記液晶パネルの光学
位相差を相殺する光学位相差板とを積層した構成であ
る。

作用本発明は、前記のような構成にしたことにより、液晶
パネルに所望の電圧を印加したときに、液晶分子が完全
に基板に対して垂直に立ち上がらない場合でも、このと
きに生じている液晶パネルでの光学位相差を相殺するよ
うな、光学位相差を有する光学位相差板を液晶パネルに
積層することで、完全な黒表示を実現できるので、それ
ほど高くない電圧でも、コントラスト比の高い表示を行
うことができる。つまり、液晶分子が完全に基板に対し
て垂直に立ち上がらない場合、液晶パネルに光学位相差
が生じるので、入射直線偏光のうち一方の振動成分は進
み、これに直交するもう一方の振動成分は遅れて偏光状
態を変える。この状態で液晶パネルを出射した光のう
ち、遅れた方の振動成分と、光学位相差板の進相軸とが
平行になるように光学位相差板が積層されていると、光
は進んだ振動成分は今度は遅れ、遅れた振動成分は進よ
うになる。光学位相差板の光学位相差が、液晶パネルの
それと同じになったとき、互いに直交する振動成分の間
で、位相差を生じることがなくなり、このとき、全く入
射直線偏光と同じ直線偏光で出射される。ノーマリーホ
ワイトモードの場合、出射側の偏光板は、この光を全く
遮断するため、真の黒表示を得ることができるのであ
る。従って、液晶パネルに所望の電圧を印加した状態で
生じる光学位相差の値と、光学位相差板の光学位相差の
値が、等しくなるように設定することで、その電圧の値
で真の黒を出すことができ、この電圧は、如何なる値で
も設定できるので、駆動ICの耐圧に見合った電圧とする
こともでき、駆動電圧に関する課題が解決されるのであ
る。

さらに、少なくとも一方の基板に接している液晶分子
の長軸方向が基板に対して平行に配向し、かつ液晶分子
が基板間で捩れずに配向している液晶パネルにおいて、
基板に平行に配向いている液晶分子の長軸に対して、所
定の角度αを持つように偏光素子の偏光軸を配置して、
光を入射させると、電界制御複屈折項により、液晶層に
印加される電圧に伴い、液晶パネルを通過する光の透過
率が変化する。α＝45゜とし、かつ電圧無印加時の液晶
パネルの光学位相差板Δｎ・ｄをλ/2に設定した場合、
透過率−電圧曲線は第３図のように緩やかな勾配を持っ
た特性を示し、多階調表示が容易となる。

一方、光学位相差板のΔｎ・ｄは10nm程度と非常に小
さいので、光学位相差板を電圧を印加しない液晶パネル
で作成する場合、従来のような液晶パネルの製造法では
製造できない。なぜならば、液晶のΔｎは0.1程度であ
るので、パネルの厚みｄが100nm程度にする必要がある
からである。このような、薄さのパネルを作る手法とし
ては、クロムなどの物質を、蒸着などの手段において基
板上に100nm形成した後、適当な形状にパターニングし
たものの上に、もう一方の基板を重ね、物質の厚みと同
じ間隙部を設け、この間隙部にΔｎ＝0.1の液晶を封入
すれば、容易に光学位相差板を液晶パネルで作成するこ
とができる。

実施例以下、本発明の１実施例の液晶表示装置について図面
を参照しながら説明する。

第１図は本発明の第１の実施例における液晶表示装置
の構成断面図であり、第２図は本発明の第１の実施例に
おける液晶表示装置の動作原理を示すものである。第１
図において、１は液晶パネル、２は光学位相差板である
第２の液晶パネル、３は基板、４はゲート電極、５はゲ
ート絶縁層とアモルファスシリコン層の積層、６は画素
電極、７はドレイン電極、８はソース電極、９はITO
層、10は垂直配向処理層、11は水平配向処理層、12は液
晶分子、13は偏光板である。以上のように構成された液
晶表示装置について、以下第１図および第２図を用いて
その動作を説明する。

まず、第２図において、14は第１の偏光板、15は偏光
軸、16は液晶パネル、17は液晶分子の長軸方向、18は光
学位相差板、19は光学位相差板の遅相軸、20は第２の偏
光板である。

まず、ガラスを用いた絶縁性基板３の上に、金属膜を
電子ビーム蒸着により形成した後、フォトエッチングに
よりゲート電極４を形成した。次にプラズマCVD法によ
り、ゲート絶縁膜として窒化シリコン相を約4000Åの厚
さに形成した後、同じくプラズマCVD法によりアモルフ
ァスシリコン層５を約600Åの厚さに形成した。このア
モルファスシリコン層をフォトエッチングにより、第１
図の５の形状にパターン化した。

次にアルミニウム、クロム、チタン等をスパッター法
で前面に設けた後、フォトエッチングにより、ドレイン
電極７、ソース電極８、を形成した。さらに、DCスパッ
ター法によりITO（Ingium−Tin−Oxide）を前面に設け
た後、フォトエッチングにより透明電極層を形成し、画
素電極６とした。

このようにしてTFT素子の成形された基板の上に、垂
直配向剤10としてチッソ社製のODS−Ｅをエタノールで
0.8％に希釈した溶液を2500rpmでスピンコートし、130
℃で30分加熱乾燥した。

一方、透明な共通電極のパターニングされた対向基板
上に、ポリイミド配向膜を印刷法により約1000Å形成
し、300℃、１時間加熱硬化させた後、レーヨン布によ
りラビング処理を施して、水平配向膜11を形成した。

この垂直配向処理の施されたTFT素子の形成された基
板と、水平配向処理の施された共通電極の形成された対
向基板とを、電極側が向かい合うように対向して貼り合
わせ、液晶を注入して、一方の基板からもう一方の基板
にかけて液晶分子12が垂直から水平に徐々に傾斜して行
くような配向を得、これを液晶パネル１とした。つぎ
に、光学位相差板としての第２の液晶パネル２を作成し
た。作成に当たっては、透明電極の形成された２枚の基
板３のうち、一方の基板の上には、上記液晶パネルの配
向手法と同様に垂直配向処理を、もう一方の基板の上に
は水平配向処理を施し、上記液晶パネルと全く配向、液
晶層の厚みの等しい第２の液晶パネル２を得、光学位相
差板とした。

以上のようにして得られた、液晶パネルの水平配向さ
れた側の液晶分子12の長軸方向17と、第２の液晶パネル
２の水平配向された側の液晶分子長軸方向（遅相軸19）
とが互いに直交するようにして重ね、これを液晶表示装
置とした。この液晶表示装置の外側の一方の面に、水平
配向された液晶分子の長軸方向と45゜の角度をなすよう
に、偏光軸15を設定した第１の偏光板14を設け、もう一
方の面には、偏光軸が第１の偏光板14の偏光軸15と直交
するように第２の偏光体板を設けた。この構成におい
て、第２の液晶パネル２に5Vの実効電圧を印加し、液晶
パネル１の印加電圧を変えていったところ、この液晶表
示装置の透過率−電圧特性は、第３図のようになり、液
晶パネルに印加されている実効電圧が5Vの状態で良好な
黒表示が得られ、かつ勾配の緩やかな多階調表示に適し
た映像表示が実現された。

また、液晶の配向処理が、いずれの基板に対しても上
記水平配向処理を施したものであり、これら基板の電極
側が向かい合い、かつ互いに施されたラビング方向とが
平行となるようにして貼り合わせ、液晶を注入して、液
晶分子の長軸方向が基板間で捩れずかつ基板面に対して
平行な配向をしているような、液晶パネルと第２の液晶
パネルを用い、上記偏光板配置と同様な構成の液晶表示
装置を作成しても、やはり透過率−電圧特性が緩やかな
勾配を持ち、黒の沈み込みも良い、良好な表示を得るこ
とができた。

以下、本発明の第２の実施例について図面を参照しな
がら説明する。

第４図は本発明の第２の実施例における液晶表示装置
の構成断面図である。第４図において、21は液晶パネ
ル、22は光学位相差板である第２の液晶パネル、23は基
板、24はゲート電極、25はゲート絶縁層とアモルファス
シリコン層の積層、26は画素電極、27はドレイン電極、
28はソース電極、29はITO層、30は垂直配向処理層、31
は水平配向処理層、32は液晶分子、33は偏光ビームスプ
リッターである。以上のように構成された液晶表示装置
について、以下第４図を用いてその動作を説明する。

第１の実施例とほぼ同様な手法であるが、第１の実施
例の液晶パネルと異なり、液晶パネル21はドレイン電極
形成前にアルミニウムをスパッタ法により約１μｍ形成
し、これを反射板であると同時に、ドレイン電極と接続
された画素電極26としている反射型となっている。この
液晶パネル21に第１の実施例と全く同じ構成の光学位相
差板である第２の液晶パネル22を積層させ、さらにその
上に偏光ビームスプリッター33を設けた、偏光ビームス
プリッター33の偏光軸と、第２の液晶パネル22の基板33
に対して平行に配向させた側の液晶の分子長軸方向とは
45゜の角度をなして配置させた。

以上のような反射型の液晶表示装置において、その反
射率−電圧特性は、第５図のようになり、黒表示となる
実効電圧は、第１の実施例のような透過型の液晶表示装
置に比較すると、大きなものとなるが、それでも約10V
の状態で良好な黒表示が得られ、かつ勾配の緩やかな多
階調表示に適した映像表示が実現された。

以下、本発明の第３の実施例について図面を参照しな
がら説明する。

第６図は本発明の液晶表示装置の構成断面図を示すも
のである。第６図において、34は液晶パネル、35はフィ
ルム位相差板、36は基板、37はゲート電極、38はゲート
絶縁層とアモルファスシリコン層の積層、39は画素電
極、40はドレイン電極、41はソース電極、42はITO層、4
3は垂直配向処理層、44は水平配向処理層、45は液晶分
子、46は偏光板である。以上のように構成された液晶表
示装置について、以下第６図を用いてその動作を説明す
る。

まず、液晶パネル34については、第１の実施例とまっ
たく同じ手法により、作成した。

つぎに、ポリカーボネートでできた樹脂を、延伸機に
より１方向に引き延ばし、約15nmの光学的な位相差を有
するフィルムを作成し、光学位相差板35とした。

以上のようにして得られた、液晶パネルの水平配向さ
れた側の液晶分子45の長軸方向と、光学位相差板の遅相
軸とが互いに直交するようにして重ね、これを液晶表示
装置とした。この液晶表示装置と、その外側の両面に偏
光板46を第１の実施例と全く配置が同様な構成にしたと
ころ、やはり透過率−電圧特性が第３図と全く同様にな
り、緩やかな勾配を持ち、黒の沈み込みも良い、良好な
表示を得ることができた。

発明の効果以上のように本発明は、前記のような構成にしたこと
で、透過率（反射率）−電圧特性曲線の勾配を緩やかに
することが可能となり、多階調表示が容易となるととに
も、所望の実効電圧において、透過率（反射率）の極め
て低い良好な黒表示が実現されるにいたり、コントラス
ト比の高い、非常に高画質な映像表示を提供できる液晶
表示装置を実現できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における液晶表示装置の構成
断面図、第２図は本発明の一実施例における液晶表示装
置の動作原理図、第３図は本発明の一実施例における液
晶表示装置の透過率Ｔと実効電圧Ｖとの関係を表したグ
ラフ、第４図は本発明の一実施例における液晶表示装置
の構成断面図、第５図は本発明の一実施例における液晶
表示装置の反射率Ｒと実効電圧Ｖとの関係を表したグラ
フ、第６図は本発明の一実施例における液晶表示装置の
構成断面図、第７図はTN型ノーマリーホワイト方式の液
晶表示装置の透過率Ｔと実効電圧Ｖとの関係を表したグ
ラフである。 1,16,21,34……液晶パネル、2,22……光学位相差板であ
る第２の液晶パネル、3,23,36……基板、4,24,37……ゲ
ート電極、5,25,38……ゲート絶縁層とアモルファスシ
リコン層の積層、6,26,39……画素電極、7,27,40……ド
レイン電極、8,28,41……ソース電極、9,29,42……ITO
層、10,30,43……垂直配向処理層、11,31,44……水平配
向処理層、12,32,45……液晶分子、13,46……偏光板、1
4……第１の偏光板、15……偏光軸、17……液晶分子の
長軸方向、18……光学位相差板、19……光学位相差板の
遅相軸、20……第２の偏光板、33……偏光ビームスプリ
ッター、35……フィルム位相差板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菊池伊佐子大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者熊川克彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開平２−23（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−151614（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−149626（ＪＰ，Ａ) 特開平１−209424（ＪＰ，Ａ) 岡野光治外１名編「液晶、応用編」（初版第３刷昭和62年11月10日発行) 培風館ｐ．13−15

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ネマティック液晶の分子が水平配向する一
方の電極付き基板と前記ネマティック液晶の分子が垂直
配向するもう一方の電極付き基板とを電極のある側を対
向させて所定の間隙部を設けて貼り合わせ、前記間隙部
に前記ネマティック液晶を充填し、かつ電圧印加手段に
より光学位相差を制御して明るさを変化させることで白
表示から黒表示までの階調表示を行う液晶パネルと、前
記液晶パネルに印加される所定の電圧における前記液晶
パネルの光学位相差を相殺する光学位相差板とを積層し
たことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】液晶パネルが、アクティブマトリクス型の
液晶パネルであることを特徴とする請求項（１）に記載
の液晶表示装置。
【請求項３】液晶パネルが、一方の基板上に光の反射板
を形成した反射型の液晶パネルであ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。