JP3144474B2

JP3144474B2 - アクティブマトリクス液晶表示パネル

Info

Publication number: JP3144474B2
Application number: JP02903297A
Authority: JP
Inventors: 真一西田; 照晃鈴木; 成嘉鈴木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2017-02-13
Also published as: JPH10228016A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、透明基板で液晶を
挟んだ構造のアクティブマトリクス液晶表示パネルに関
する。

【０００２】

【従来の技術】画素のスイッチング素子（能動素子）と
して薄膜電界効果型トランジスタ（以下「ＴＦＴ」と記
す）を有するアクティブマトリクス液晶表示パネルは、
高品位の画質が得られるため、携帯型コンピュータの表
示デバイスあるいは最近では省スペースタイプのデスク
トップコンピュータのモニターなどとして幅広く用いら
れている。

【０００３】近年、液晶表示のさらなる高画質化を目的
として、視野角特性を向上させるために、横方向電界を
利用したいわゆるインプレインスイッチングモード（以
下「ＩＰＳ」と記す）と呼ばれる方式を採用したアクテ
ィブマトリクス液晶表示パネルが提案されている。その
一例が、１９９５年１０月１６日〜１８日開催の「アジ
アディスプレイ’９５」にて発表され、その予稿集に記
載の論文「Principlesand Characteristics of Electro
-Optical Behaviour with In-Plane Switching Mode」
に開示されている。この液晶パネルは、図１１に示すよ
うに、液晶層をはさむ一対の基板４０のうちの一方に、
互いに平行な線状の画素電極４１および対向電極４２が
形成され、他方の基板には電極が形成されない構成であ
る。そして、両基板のそれぞれの外側に偏光板４３、４
４が配設され、両偏光板４３、４４の偏光軸４５、４６
は互いに直交している。すなわち、両偏光板４３、４４
はクロスニコルの位置関係にある。画素電極４１と対向
電極４２との間に電圧が印加されて、液晶層面に平行な
横方向電界４７が生じることにより、液晶分子のダイレ
クタの向きが初期配向方向４８から変化し、これによっ
て透過光が制御されるものである。

【０００４】ツイステッドネマティックモード（以下
「ＴＮ」と記す）の場合には、液晶分子が液晶層面から
３次元的に立ち上がるので、立ち上がった液晶分子のダ
イレクタに平行な方向から見たときと、液晶層の法線方
向から見たときとで、見え方が変わってくる。そして、
液晶表示パネルを斜め方向から見た場合に、印加電圧と
透過光量との関係が大きく異なってしまうという問題が
ある。具体的には、電圧−透過率特性を図１２に例示し
ているように、ＴＮモードの液晶表示パネルを正面から
見た場合には、印加電圧が２Ｖくらいからは電圧が高く
なるにつれて透過率が低くなる単調な減少曲線となって
いるのに対して、斜めから見た場合には、印加電圧の増
大にともなって透過率が一旦低下し電圧２Ｖくらいで透
過率が０になった後、電圧が高くなるにつれて再び透過
率が高くなり、電圧が３Ｖを越えるあたりから透過率が
低くなるというように、極値をもった複雑な曲線とな
る。したがって、正面から見た場合の電圧−透過率特性
に基づいて駆動電圧を設定すると、斜めから見た場合
に、白表示部が黒くつぶれたり、黒表示部が白っぽくな
るなど、階調反転が生じる恐れがある。結局、通常はＴ
Ｎモードの液晶表示パネルの左右４０度、上１５度、下
５度くらいの視野角の範囲でのみ表示が正しく視認さ
れ、使用可能である。もちろん、液晶表示パネルの設置
方法によって上下左右の方向は変更可能である。

【０００５】これに対し、ＩＰＳ方式の場合は、液晶分
子が液晶層面にほぼ平行な向きにのみ（２次元的に）動
くので、ＴＮ方式に比べて、広い視角から見て、ほぼ同
様な画像を得ることができるという利点がある。具体的
には、上下左右４０度くらいの視野角の範囲で使用可能
である。

【０００６】このＩＰＳ方式として、液晶層の初期配向
状態と偏光板の設定の仕方により、様々な構成の液晶表
示パネルが提案されている。前記した図１１の例では、
液晶層が両基板で同一方向に界面配向処理が施され、２
枚の偏光板のうちの片方の偏光軸が配向方向と平行であ
る。この液晶表示パネルは、初期配向状態において液晶
分子のダイレクタが界面配向処理方向に均一に配向され
て、電圧無印加時に黒を表示し、電圧印加時にダイレク
タを回転させて白を表示することにより、安定した黒表
示が可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の通り、横方向電
界を利用するＩＰＳ方式のアクティブマトリクス液晶表
示パネルは、従来のＴＮ方式に比べると広い視野角にお
いて良好な表示特性が得られる。しかし、このＩＰＳ方
式のアクティブマトリクス液晶表示パネルも、見る角度
によっては階調反転が生ずる場合がある。このように階
調反転が発生すると、例えば人間の髪の毛のように黒を
中心とした画像を表示すると、斜めから見た場合に良好
な画像が得られないという問題がある。

【０００８】この問題について以下に詳細に説明する。
まず、液晶層を省略しクロスニコルの位置関係にある２
枚の偏光板のみを配設した場合の透過率について説明す
る。なお、偏光板のうち、光の入射する側に配置される
ものが偏光子、出射する側に配置されるものが検光子で
ある。

【０００９】図１３には、偏光子の吸収軸方向の単位ベ
クトルがｅ₁、検光子の吸収軸方向の単位ベクトルが
ｅ₂、基板法線方向の単位ベクトルがｅ₃と表されてい
る。これらの単位ベクトルは互いに直交する。偏光子透
過時の光線の方向の単位ベクトルはｋと表されている。
ベクトルｋと基板法線との間の角を天頂角α、ベクトル
ｋの基板面への投影とベクトルｅ₁との間の角を方位角
φと表すと、ベクトルｋはｋ＝sinαcosφ・ｅ₁＋sinαsinφ・ｅ₂＋cosα・ｅ₃ ...(1) と表される。

【００１０】偏光子を通過する際の光は、（ｅ₁×ｋ）
方向の偏光成分と、（（ｅ₁×ｋ）×ｋ）方向の偏光成
分とに分けて考えられる。なお、ベクトル間の「×」は
ベクトル積を表すものとする。前者は吸収軸ｅ₁に垂直
であるので、理論的には吸収されない。これに対して、
後者は偏光子に吸収される。偏光子の吸収係数と膜厚と
の積が十分大きいとすると、偏光子透過後、後者の偏光
成分は０になる。

【００１１】２枚の偏光板（偏光子と検光子）の屈折率
はほぼ等しく、検光子を通過する際の光線の方向がｋに
等しいので、検光子を通過する際、光は（ｅ₂×ｋ）方
向の偏光成分と、（（ｅ₂×ｋ）×ｋ）方向の偏光成分
に分かれる。後者の偏光成分は、検光子透過後ほぼ完全
に吸収され、前者の偏光成分だけが残る。従って、ガラ
スの表面での反射等の影響を無視すると、透過率Ｔは、

【００１２】

【数１】と表される。

【００１３】これをα、φを用いて表すと、

【００１４】

【数２】となる。

【００１５】方位角φが０度または９０度の場合のよう
に、どちらかの偏光板の吸収軸の向きと等しい方位角か
ら光が入射する場合、(2)式より透過率Ｔは０となる。
すなわち、正面から光が入射する場合と同様に、クロス
ニコルの位置にある偏光板の働きにより、光が透過しな
い。

【００１６】これに対して、方位角φ＝４５度の場合、
つまり方位角φが両偏光板の吸収軸の各々と４５度をな
す場合には、天頂角αが大きくなるに従って透過率が大
きくなる。偏光子の屈折率を１．５とすると空気の屈折
率はほぼ１であるので、sinαの最大値は１／１．５程
度である。これを、(3)式に代入してそのまま計算する
と、透過率が７％程度になる。実際には、偏光板と空気
との屈折率差によって界面で反射が起こるので、これを
見込んでシミュレ−ションを行うと、空気中での光線の
基板法線からの傾き角（天頂角）αと透過率との間の関
係は図１４の曲線１のようになる。

【００１７】次に、有電率異方性が正でありｎ₀＝１．
４５、△ｎ＝０．０６７なる屈折率異方性を有する液晶
が、２枚の偏光板の間に、ダイレクタが検光子の吸収軸
と同じ方向（α＝９０度、φ＝０度）に配向されるよう
に狭持された場合について説明する。偏光子を透過した
光は、液晶中では偏光子中の光線方向とはやや異なる方
向に進む。その結果、偏光子を透過する際にそろえられ
た直線偏光は、液晶を透過した後には楕円偏光となるの
で、液晶がない場合とは透過率が異なる。方位角φ＝４
５度の方向から光が入射する場合の天頂角αと透過率と
の関係が、図１４の曲線２で示されている。この場合、
クロスニコルの偏光板のみを配設して液晶層が存在しな
い場合（曲線１）と比較して、透過率がやや大きくな
る。

【００１８】基板界面で、液晶ダイレクタは基板面に完
全に平行にはならず、基板面に対し通常１〜１０度程度
立ち上がっている。この角度がプレティルト角である。
通常は、液晶をより安定に配向させるために、両方の界
面付近で液晶分子同士の配向方向が互いに平行となるよ
うにラビング等の界面配向処理が行なわれるので、各液
晶分子はほぼすべての領域で基板面に対して一定の角度
で傾いている。工業用の安定性の高い配向膜を用いた場
合、一般的にはこのプレティルト角はほぼ３度程度にな
る。

【００１９】プレティルト角が３度で方位角φ＝４５度
方向から光を入射させた場合の天頂角αと透過率との関
係は、図１４の曲線３で示される。そして、プレティル
ト角が−３度で方位角φ＝４５度方向から光を入射させ
た場合の天頂角αと透過率との関係は、図１４の曲線４
で示される。なお、ベクトルｅ₁と同じ向きに液晶が立
ち上がる場合のプレティルト角を正とし、ベクトルｅ₁
と反対向きに液晶が立ち上がる場合のプレティルト角を
負としている。特にベクトルｅ₁と同じ向きに液晶が立
ち上がる場合（プレティルト角が正の場合）、透過率は
偏光板のみの場合（液晶が存在しない場合）に比べて、
２倍程度大きくなっている。

【００２０】以上の通り図１４の曲線１〜４は、液晶に
電界を印加しない黒表示の状態を比較しているので、透
過率が低いほど望ましいが、曲線３は曲線１、２、４と
比較して透過率が非常に大きくなっている。そこで、曲
線３のケース、すなわちプレティルト角３度の場合につ
いて、さらに詳細に説明する。

【００２１】液晶に電界を印加しない場合は前記の通り
であるが、液晶に横方向電界を印加してダイレクタを液
晶層面内にて回転させると、透過率が増大する。計算上
のシミュレ−ションを行うと、画素電極と共通電極との
間の電位差が３Ｖの場合の透過率が２．４％程度、電位
差が３．５Ｖの場合の透過率が６．３％程度となる。図
１５は、プレティルト角３度、方位角φ＝４５度で、天
頂角αを変化させた時の透過率変化の計算結果をプロッ
トしたグラフである。電界無印加（Ｖ＝０Ｖ）の場合は
前記図１４の曲線３と同じである。電界を印加する場
合、天頂角αが増大するに伴い透過率が減少し、Ｖ＝
３．０Ｖの曲線では天頂角α＝３７度付近で、またＶ＝
３．５Ｖの曲線では天頂角α＝５０度付近で、電界無印
加（初期配向状態時）のＶ＝０Ｖの曲線と交差し、透過
率および輝度が逆転するという結果が得られる。すなわ
ち、電位差３．０Ｖの場合、天頂角αが３７度より小さ
いときは電圧印加された部分が電圧無印加の部分よりも
透過率が高いのに、天頂角αが３７度より大きくなると
電圧印加部が無印加部よりも透過率が低くなる。従っ
て、天頂角αが３７度を越えると、電圧印加部が黒っぽ
く、無印加部が白っぽくなり、通常とは白黒表示が反対
になるいわゆる階調反転が生じる。なお、天頂角α＝３
７度付近では電圧印加部と無印加部との透過率があまり
変わらないので、コントラストが小さく表示が見にく
い。同様に、電位差３．５Ｖの場合、天頂角αが５０度
前後で電圧印加部と電圧無印加部との透過率が逆転して
白黒表示が反対になる階調反転が生じる。

【００２２】以上説明した階調反転の現象は、実際のデ
バイスでも観察されており、液晶のプレティルト角と偏
光板の吸収軸の方向との関係にもよるが、見る方向によ
っては４０度程度の角度から見た場合に階調反転を生ず
ることがある。

【００２３】このように、横方向電界を用いて構成した
ＩＰＳ方式のアクティブマトリクス液晶表示パネルは、
従来のＴＮ方式に比べてより広い視野角において良好な
表示特性が得られるものの、見る方向によっては階調反
転を生じ、特に黒色の多い表示を斜めから見る場合に良
好な画像が得られないという問題がある。

【００２４】前述したように、クロスニコルの位置関係
にある２枚の偏光板の偏光軸に対して、例えば４５度を
なす方向から基板を斜めに見た場合、電圧を印加してい
ない部分で、一方の偏光板からの透過光が他方の偏光板
でも完全には吸収されないという現象が発生するために
白浮き現象が発生する。さらに、液晶表示パネルは２枚
の偏光板の間に屈折率異方性を有する液晶が挟まれるた
め、一方の偏光板を抜けた光（直線偏光）が複屈折を受
けて楕円偏光となって他方の偏光板に入射するので、白
浮きの度合いが一定ではない。通常の横方向電界を用い
た液晶表示のように、液晶のダイレクタの基板面への投
影を一方の偏光板の偏光軸と平行にして、基板面に対し
一定のプレティルト角をなすように配向させた場合、図
１４に示すように、液晶の立ち上がりの方向によって
は、白浮きの強度が非常に大きくなってしまう。このよ
うに白浮きが強められた結果、図１５に示すように低い
天頂角で階調反転を生じてしまうことがある。

【００２５】そこで本発明の目的は、横方向電界表示の
持つ良好な視野角特性を失うことなく、黒表示部が白っ
ぽくなることを抑制し、より広い視角範囲内で階調反転
を起こさず良好な表示特性を有するアクティブマトリク
ス液晶表示パネルを提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のアクティブマトリクス液晶表示パネルは、
一対の透明絶縁性基板のうちの一方に、互いに交差して
格子状をなすように配設された複数の走査線および複数
の信号線と、走査線と信号線の各交点近傍にそれぞれ設
けられた複数の能動素子と、能動素子に接続された複数
の画素電極と、各画素電極に対応して配設され画素電極
との間に電圧が印加される複数の対向電極とが設けられ
ており、一方の透明絶縁性基板と他方の透明絶縁性基板
との間に液晶層が設けられ、両透明絶縁性基板の外側に
偏光板がそれぞれ配設され、液晶層に実質的に平行な電
界によって制御される液晶表示パネルにおいて、液晶層
が基板にほぼ平行な方向にホモジニアス配向されてお
り、画素電極と対向電極との間の電圧が０のときに、液
晶層内の各液晶分子のダイレクタが液晶層面に対してな
す角が実質的に均一であり、液晶層のダイレクタの基板
面への射影が、クロスニコルを形成する２枚の偏光板の
うちの一方の偏光軸と一致するように配置され、実質的
に液晶層のダイレクタと平行な一軸方向に負の屈折率異
方性を持つ光学補償層が、少なくとも一方の透明絶縁性
基板と前記偏光板との間に設けられており、液晶層の屈
折率異方性ΔｎLCと層厚ｄLCとの積ΔｎLC・ｄLCと、光
学補償層の屈折率異方性ΔｎFと層厚ｄFとの積ΔｎF・
ｄFとが実質的に等しいことを特徴とする。

【００２７】画素電極と対向電極との間の電圧が０のと
きに液晶層内の各液晶分子のダイレクタが液晶層面に対
してなす角を実質的に均一とし、光学補償層の屈折率異
方軸をダイレクタと実質的に平行としているので、光学
補償層による補償の精度が向上する。

【００２８】液晶層の屈折率異方性△ｎLCと層厚ｄLCと
の積△ｎLC・ｄLCと、光学補償層の屈折率異方性△ｎF
と層厚ｄFとの積△ｎF・ｄFとを実質的に等しくしてい
るので、補償精度をさらに向上できる。

【００２９】さらに、液晶層の常光に対する屈折率ｎ_LO
と、光学補償層の常光に対する屈折率ｎ_FOとを実質的に
等しくすることにより、補償の程度をより向上させるこ
とができる。

【００３０】また、画素電極と対向電極との間の電位差
が０のときに全ての液晶分子のダイレクタの液晶層面へ
の投影が実質的に平行であり、かつ光学補償層の屈折率
異方軸の液晶層面への投影もダイレクタの液晶層面への
投影と平行になるようにし、光学補償層の屈折率異方軸
の液晶層面に対する角度をθ_F、液晶層と絶縁性基板と
の界面においてダイレクタと液晶層面とのなす角を
θ₁、θ₂（θ₁≠θ₂）とすると、θ₁＜θ_F＜θ₂または
θ₂＜θ_F＜θ₁であり、光学補償層の屈折率異方軸を液
晶層内の少なくとも一つの液晶分子のダイレクタと平行
になる構成とすることが好ましい。

【００３１】さらに、画素電極と対向電極との間の電位
差が０のときに全ての液晶分子のダイレクタの液晶層面
への投影が実質的に平行であり、かつ光学補償層の屈折
率異方軸の液晶層面への投影も、ダイレクタの液晶層面
への投影と平行になるようにし、光学補償層の屈折率異
方軸の液晶層面に対する角度をθ_F、液晶層と絶縁性基
板との界面においてダイレクタと液晶層面とのなす角を
θ₁、θ₂（θ₁≠θ₂）とすると、常にθ₁＜θ_F＜θ₂ま
たは常にθ₂＜θ_F＜θ₁であり、角度θ_Fを、ダイレクタ
の液晶層の層厚方向の変化に対応して、光学補償層の層
厚方向に変化させることがより好ましい。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００３３】図１は本発明のアクティブマトリクス液晶
表示パネルの第１の実施形態の主要部を示す断面図、図
２はそのアクティブマトリクス基板Ａの平面図である。
このＩＰＳ方式のアクティブマトリクス基板Ａ（本実施
形態では入射側）について説明する。ガラス基板（透明
絶縁性基板）６上に、対向電極バスライン１２で接続さ
れた複数の対向電極２と、走査線１４とが形成され、そ
の上を覆うようにゲ−ト絶縁膜９が形成されている。さ
らにその上に、能動素子である薄膜トランジスタ（以下
「ＴＦＴ」と記す。）の一部をなす島状非晶質シリコン
１３と、画素を構成する複数の画素電極３と、信号線１
とが形成されており、各画素電極３はおよび信号線１は
対向電極２と平行である。そして、保護絶縁膜８および
配向膜１１が積層形成されている。ＴＦＴのソース電極
は画素電極３に、ドレイン電極は信号線１に接続され、
走査線１４がＴＦＴのゲート電極となっている。このよ
うにして、ＴＦＴを有するＩＰＳ方式のアクティブマト
リクス基板Ａが形成される。なお、製造方法の詳細につ
いては後述する。

【００３４】カラーフィルター基板Ｃ（本実施形態では
出射側）は、ガラス基板（透明絶縁性基板）６の一方の
面に、アクティブマトリクス基板Ａ側と同じ配向膜２６
が設けられ、他方の面に、プラスチック製フィルムから
なる光学補償層５が設けられている。

【００３５】このアクティブマトリクス基板Ａとカラー
フィルター基板Ｃとは互いに配向膜同士が対向するよう
に配置され、両基板の外側に偏光板が配設され、両基板
の配向膜１１間には正の屈折率異方性を有する液晶層７
が設けられている。なお、入射側の偏光板が偏光子１
０、出射側の偏光板が検光子４である。

【００３６】図３は、偏光子の偏光方向１８、検光子の
偏光方向１６、液晶分子のダイレクタ方向２１、光学補
償層の屈折率異方軸の方向１７、基板法線１９、電極の
長手方向２０、および電界の方向２２の関係を示したも
のである。基板法線１９と電極の長手方向２０と電界の
方向２２とは互いに直交している。図３で点線は、偏光
子の偏光方向１８を示したものであり、基板面２３に平
行であり、電極の長手方向２０と一定の角度をなす。検
光子の偏光方向１６は、偏光子の偏光方向１８に対し垂
直である。

【００３７】液晶分子は、配向膜４、１１によって均一
に配向されており、そのダイレクタ（長手方向）２１は
基板面２３に対し一定の角度（プレティルト角）で傾い
ている。このプレティルト角は、通常１〜１０度程度で
ある。液晶分子のダイレクタ２１の基板面２３への投影
は偏光子の偏光方向１８に平行であり、光学補償層の屈
折率異方軸１７はダイレクタ２１に平行である。検光子
の偏光方向１６は、偏光子の偏光方向１８に垂直で、基
板面２３に平行である。

【００３８】一般的な横方向電界型のアクティブマトリ
クス液晶表示パネルの例として、次の理論に基づいて制
御されるものがある。すなわち、画素電極と対向電極と
の間の電位差が０の場合（電界が印加されない場合）に
は偏光子および検光子によって光が吸収され黒表示とな
り、電界を印加するとダイレクタが回転していき、電位
差を増加させるにつれてさらにダイレクタ２１が回転
し、液晶層を通過した光線の中に、検光子によって吸収
されない成分が増大し、透過率が上昇して白表示とな
り、約４５度回転した時に透過率（輝度）が最大にな
る。

【００３９】ところが、従来はこの理論に基づいて制御
しても表示が見にくくなる場合があった。前述の通り、
基板を斜めに見た場合、偏光子１０を透過した後の直線
偏光は、液晶層７を通過する際にリターデーションを生
じ楕円偏光となることが主な原因となって、電界を加え
ておらず液晶分子が回転していない状態でも、検光子４
によって吸収し得ない偏光成分を含んだまま光は液晶層
７から検光子４に入射する場合がある。プレティルト角
の方向と光線方向との関係を考慮した詳細な数値計算の
結果によると、方向２４（図３参照）から見た場合、液
晶層７がなくクロスニコルの偏光板のみを同じ方向２４
から見た場合に比べて透過率は非常に増大する。すなわ
ち、黒表示を行うべきところが白っぽく見えてしまい、
表示品位が悪くなる。

【００４０】そこで、本発明では光学補償層５が設けら
れている。本実施形態では、負の一軸屈折率異方性を有
する光学補償層５がガラス基板６と検光子４との間に設
けられ、図３に示すように、その屈折率異方軸１７は液
晶のダイレクタ２１と平行で、液晶層７中の光学的主軸
と光学補償層５中の光学的主軸とがほぼ同一方向になっ
ている。液晶層７を通過する際にはリターデーションに
より偏光面のゆがみを生じるが、このゆがめられた偏光
面が光学補償層５により補償され、光の偏光状態は偏光
子１０を透過した直後の偏光状態（直線偏光）に近づ
く。そして、光は光学補償層５を通過した後、検光子４
により吸収され黒表示が行われる。このように本発明
は、黒表示時に液晶層７で発生するリターデーションを
光線の入射方向によらず光学補償層５でキャンセルする
ことによって、黒表示中の白浮きを抑止するという効果
があり、しかもそれ以外の視角特性にほとんど影響を与
えない。従って、非常に広い視野角特性を有する液晶表
示パネルが得られる。

【００４１】前記の通り、光学補償層５の光学軸（屈折
率異方軸）の方向１７は、液晶層７の光学軸の方向（ダ
イレクタの方向）２１と同一であるため、どのような角
度で光が入射しても、液晶層７を通過する際と光学補償
層５を通過する際とで光学的主軸がほぼ同一となり、正
の屈折率異方性を有する液晶層７と負の屈折率異方性を
有する光学補償層５とを効果的にキャンセルさせること
ができる。また、この方向に屈折率異方軸を有する光学
補償層５が存在しても、正面から見た透過率は全く変化
を受けず、黒レベル以外の白および中間調の視角特性も
ほとんど変化を受けることがない。従って、効率よく黒
表示の白浮きを防止することができ、階調反転を抑止
し、さらに良好な視野角特性を得ることができる。

【００４２】液晶層７を通過する際に受ける偏光面のゆ
がみは、光学的主軸の間の屈折率差と光路長との積に比
例したリターデーションからなる。このゆがみを補正す
るためには、光学補償層５で反対向きのリターデ−ショ
ンを加えてやればよい。液晶層７と光学的補償層５の常
光に対する屈折率が同程度であると、各々の層厚と光路
長の比はほぼ等しい。また、屈折率の異方軸が共通で、
光線通過に伴う主軸もほぼ同一であるので、光学的主軸
の間の屈折率差と各々の層の屈折率異方性もまた比例す
る。以上のことから、液晶層７の屈折率異方性△ｎ_LCと
液晶層厚ｄ_LCとの積△ｎ_LC・ｄ_LCと、光学補償層５の屈
折率異方性△ｎ_Fと層厚ｄ_Fとの積△ｎ_F・ｄ_Fとを実質的
に一致させることにより、ほぼ完全に液晶層で発生する
偏光面のゆがみ（リターデーション）を光学補償層で補
正することができるので、白浮きを、クロスニコルのみ
の場合とほぼ等しいレベルに抑えることができる。

【００４３】なお、前記説明の通り、より完全な補償を
行う場合には、液晶層７の常光に対する屈折率と光学補
償層５の常光に対する屈折率を一致させることが望まし
い。両者の屈折率が異なっている場合は、各々の層を通
過する際に光線の方向が微妙に異なってくるので、光学
的主軸の方向および主軸に対する屈折率差および光路長
が微妙に異なってくるので、完全な補償が行われない。
しかし、両者の屈折率を一致させると光学的主軸が完全
に一致し、液晶層７と光学補償層５とのリターデーショ
ンの補償をより完全に行うことができる。

【００４４】実際にこのアクティブマトリクス液晶表示
パネルを、図３に示すように偏光子の偏光軸１８の方向
を基準とした方位角４５度の方向から基板を見た場合に
おける、天頂角２５と透過率との関係が図４に示されて
いる。光学補償層５がない場合、図１５に示すように３
５度程度の低い天頂角２５で透過率が反転していたの
が、光学補償層５を導入したことにより、図４に示すよ
うに透過率が反転する天頂角２５を１０度以上高い領域
に追い込むことができ、透過率反転が生じた場合の輝度
もかなり低く抑えることができる。

【００４５】また、光学補償層５がない場合に斜め方向
から見たときの電界印加部の白輝度の低下を図５に、光
学補償層５が設けられた前記構成の液晶表示パネルを斜
め方向から見たときの電界印加部の白輝度の低下を図６
に、それぞれ示している。これによると、光学補償層５
が設けられた液晶表示パネルの方が、光学補償層が設け
られていないパネルよりも、白輝度の低下が低く抑えら
れており、黒表示部および白表示部のいずれも、光学補
償層５の働きにより表示品位の低下が抑えられているこ
とがわかる。

【００４６】このような構成の液晶表示パネルの作製方
法の一例について詳細に説明する。

【００４７】まず、最初にアクティブマトリクス基板Ａ
の製造方法について述べる。

【００４８】透明ガラス基板上に、走査線１４および対
向電極２および対向電極バスライン１２となる金属層と
してＣｒ膜が１５０ｎｍ積層され、パターニングされ
る。さらにゲ−ト絶縁膜９として、窒化シリコン膜が４
００ｎｍの厚さに、ノンドープ非晶質シリコン膜が３５
０ｎｍの厚さに、ｎ型非晶質シリコン膜が３０ｎｍの厚
さに、それぞれ順番に積層される。しかる後に、ｎ型非
晶質シリコン層とノンドープ非晶質シリコン層とがパタ
ーン形成されて島状非晶質シリコン１３が形成される。
しかる後に、信号線１および画素電極３となる金属層と
して、Ｃｒ膜が１５０ｎｍ層積され、パターニングされ
る。さらに、保護絶縁膜８が形成され、周辺端子部にお
いてこれを除去することによりＴＦＴが完成する。

【００４９】以上のようにして作製したアクティブマト
リクス基板Ａと、カラーフィルター基板Ｃには、配向膜
１１、２６がそれぞれ塗布される。アクティブマトリク
ス基板側の配向膜１１は図１の１５の方向にラビングさ
れ、カラーフィルター基板側の配向膜２６は図１の１５
の逆方向にラビング処理される。両配向膜１１が対向す
るように両基板が配置され、外周部がシール材（図示せ
ず）で互いに固定された後、両配向膜間の間隙に液晶が
注入され封止されることにより液晶層７が設けられる。
なお、配向膜１１、２６によって、液晶ダイレクタ２１
は液晶層７内でほぼ一定の方向に配向される。本実施形
態におれる液晶ダイレクタ２１と基板面２３との間のプ
レティルト角は３度である。注入した液晶の常光に対す
る屈折率はｎ_O＝１．４７６、屈折率異方性は△ｎ＝
０．０６７で、白表示の輝度および色再現性を最適化す
るため、セルギャップは４．５μｍとした。

【００５０】さらに、光学補償層５であるプラスチック
製のフィルムが、カラーフィルター基板の外側に貼付さ
れる。光学補償層５は、負の一軸屈折率異方性を有する
もので、屈折率異方軸は液晶ダイレクタ２１の初期配向
方向に平行、すなわち基板面に対し３度をなす方向とし
た。光学補償層の屈折率異方性△ｎ_Fと層厚ｄ_Fとの積△
ｎ_F・ｄ_Fは、液晶層の屈折率異方性と層厚の積に等しく
させ、３０２ｎｍとした。

【００５１】このアクティブマトリクス基板Ａとカラー
フィルター基板Ｃを挟む形で、２枚の偏光板が貼付され
る。この時、偏光子（入射側偏光板）１０の偏光軸１８
はラビング方向１５に平行に、検光子（出射側偏光板）
４の偏光軸はこれに垂直な方向にしてある。

【００５２】このようにして製造した液晶表示パネルを
実際に駆動してみたところ、従来より広い視角範囲で黒
レベルが安定して、階調反転がほとんど感じられない良
好な表示特性を得ることができ、上下左右５０度くらい
の視野角の範囲で使用可能であった。

【００５３】次に、本発明の第２の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００５４】本実施形態のアクティブマトリクス液晶表
示パネルは、第１の実施形態とほとんど同じ構成および
製造方法であるが、両配向膜２７、２８の配向方向と、
液晶分子のダイレクタと基板面とのなす角度とが、第１
の実施形態と異なっている。

【００５５】図７は、液晶分子のダイレクタの方向２９
および光学補償層３０の屈折率異方軸の方向３１を示す
ために、液晶表示パネルを偏光子の偏光軸と基板法線と
を含む平面で切断した断面図である。ここで、信号線
１、走査線１４、島状非晶質シリコン１３、画素電極
３、対向電極２、偏光子の偏光方向１８、検光子の偏光
方向１６等の構成は、第１の実施の形態（図１〜３参
照）と同じである。

【００５６】両配向膜２７、２８は、いずれも同一方向
（図２の方向１５と同じ方向）に配向処理（ラビング）
してある。そして、液晶分子のダイレクタの向き２９は
液晶層３２内で変化している。全ての液晶分子のダイレ
クタの基板面への投影は同一方向で、偏光子の偏光方向
１８に平行であるが、液晶分子のダイレクタ２９と基板
面とのなす角度は、入射側基板界面と出射側基板界面と
で異なる。この角度をそれぞれθ₁、θ₂とすると、両界
面の間でダイレクタの基板面とのなす角θ_LCは連続的に
変化し、ひずみエネルギーが極小化するように分布して
いる。

【００５７】カラーフィルター基板Ｃの外側に貼付され
たプラスチック製フィルムからなる光学補償層３０は、
負の一軸屈折率異方性を有するもので、屈折率異方軸の
方向３１は、その基板面への投影が偏光子の偏光軸１８
および液晶分子のダイレクタ２９の基板面への投影と平
行となるようにしてある。また、光学補償層の異方軸３
１と基板面とのなす角θ_Fは層内部で均一で、θ₂＜θ_F
＜θ₁であり、本実施形態では０．４５度である。な
お、仮にθ₁＜θ₂である場合はθ₁＜θ_F＜θ₂とする。
液晶材料およびセル厚は第１の実施形態と同じであり、
光学補償層の屈折率異方性△ｎ_Fと層厚ｄ_Fとの積△ｎ_F
・ｄ_Fは、液晶層３２の屈折率異方性と層厚の積に等し
く、本実施形態では３０２ｎｍである。

【００５８】この液晶表示パネルの外側に貼付された２
枚の偏光板のうち、偏光子１０の偏光軸１８はラビング
方向１５に平行であり、検光子４の偏光軸はこれに垂直
な方向である（図２参照）。

【００５９】本実施形態の場合、液晶層中の光学主軸が
厚み方向で変化するのでそれほど簡単ではないが、シミ
ュレーションや実験により最適なθ_Fを定めることがで
きる。簡便には、θ_F＝（θ₁＋θ₂）／２とすることが
できる。このθ_Fの最適値を用いると、黒表示時の液晶
層３２のリターデーションと光学補償層３０のリターデ
ーションとはかなり良くキャンセルし、クロスニコルと
ほぼ同程度まで、黒表示中の白浮きを抑制することがで
きる。

【００６０】以上のようにして作成したアクティブマト
リクス液晶表示パネルは、第１の実施例の場合と同様、
非常に広い視角特性を有していた。

【００６１】なお、良好な黒表示を得るため、液晶分子
のダイレクタの基板面への投影は、常に片側の偏光板の
偏光軸にほぼ一致させてある。そして、光学補償層３０
の屈折率異方軸の基板面への投影も、同じ方向にしてあ
る。さらに光学補償層の屈折率異方軸と基板面とのなす
角度θ_Fは、θ₁とθ₂の間のしかるべき位置に設定する
ことで、効率よく白浮きを抑えることが可能である。

【００６２】次に、本発明の第３の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００６３】本実施形態のアクティブマトリクス液晶表
示パネルは、第２の実施形態とほとんど同じ構成および
製造方法であるが、光学補償層３３と基板面とのなす角
度とが第２の実施形態とは異なっている。

【００６４】図８は、液晶分子のダイレクタの方向３４
および光学補償層３３の屈折率異方軸の方向３５を示す
ために、液晶表示パネルを偏光子１０の偏光軸と基板法
線とを含む平面で切断した断面図である。ここで、信号
線１、走査線１４、島状非晶質シリコン１３、画素電極
３、対向電極２、偏光子の偏光方向１８、検光子の偏光
方向１６等の構成は、第１の実施の形態（図１〜３参
照）と同じである。

【００６５】第２の実施形態と同様に、両配向膜２７、
２８は、いずれも同一方向（図２の方向１５と同じ方
向）に配向処理（ラビング）してある。そして、液晶分
子のダイレクタ３４の方向は液晶層３６内で変化してい
る。全ての液晶分子のダイレクタの基板面への投影は同
一方向で、偏光子１０の偏光方向１８に平行であるが、
液晶分子のダイレクタと基板面とのなす角度は、入射側
基板界面と出射側基板界面とで異なる。この角度をそれ
ぞれθ₁、θ₂とすると、両界面の間でダイレクタが基板
面となす角θ_LC（ｚ）は連続的に変化し、ひずみエネル
ギーが極小化するように分布している。

【００６６】両基板を挟むように貼付されている２枚の
偏光板のうち、入射側（偏光子）１０の偏光軸はラビン
グ方向１５（図２参照）に平行で、出射側（検光子）４
の偏光軸はそれに垂直な方向とした。

【００６７】光学補償層３３は、負の一軸屈折率異方性
を有するもので、屈折率異方軸の基板面への投影が、常
に偏光子の偏光軸１８および液晶分子のダイレクタの基
板面への投影と平行となるようにしてある。そして、図
８に示すように、光学補償層の屈折率異方軸３５と基板
面とのなす角が層内部で変化しており、この角は深さ方
向の座標ξの関数θ_F（ξ）となっている。θ_LC（ｚ）
とθ_F（ξ）とは次の関係が成立するようにした。

【００６８】θ_F（ξ）＝θ_LC（ｚ） ξ＝ｚ・ｄ_F／ｄ_LC ｄ_Fは光学補償層の厚さ、ｄ_LCは液晶層の厚さ、θ
_LC（ｚ）は液晶層３６中の深さｚの位置にある液晶分子
のダイレクタの基板面とのなす角である。

【００６９】θ_LC（ｚ）は次の式に従って分布してい
る。

【００７０】

【数３】この関係を満たすように、光学補償層の屈折率異方軸の
方向を変化させると、各々対応するスラブ面が補償しあ
うので効率がよい。

【００７１】なお、液晶材料およびセル厚は第１の実施
形態と同じであり、光学補償層の屈折率異方性△ｎ_Fと
層厚ｄ_Fとの積△ｎ_F・ｄ_Fは、液晶層の屈折率異方性と
層厚の積に等しく、本実施形態では３０２ｎｍである。

【００７２】本実施の形態の場合、液晶層中の光学主軸
が厚み方向ｚで変化するので、これに対応させてθ
_F（ξ）を変化させることで、第２の実施の形態に比し
て、さらに良好な黒表示の視角特性を得ることができ
る。

【００７３】以上、３つの実施形態では、光学補償層
が、検光子４とガラス基板６との間に設けてあるが、図
９のように、光学補償層３７が偏光子１０とガラス基板
６との間に挟まれる構成とすることも可能である。この
場合、光学補償層３７の屈折率異方軸の向きなどの構成
は前記３つの実施形態のいずれかと同様にすると、ほと
んど同様の効果を得ることができる。

【００７４】また、図１０のように、検光子４とガラス
基板６との間および偏光子１０とガラス基板６との間の
両方に、光学補償層３８、３９が設けられる構成とする
こともできる。両者の異方軸の向きは平行にし、両光学
補償層の△ｎとｄとの積の和を、液晶層７の△ｎ_LC・ｄ
_LCに等しくすることにより、ほぼ完全な補償を得ること
ができる。

【００７５】また、以上説明した実施形態では偏光子の
偏光軸と液晶分子のダイレクタの基板面への投影とを平
行にした例を示しているが、検光子の偏光軸と液晶ダイ
レクタの基板面への投影とを平行にし、偏光子の偏光軸
をこれと垂直にしても同等な効果が得られる。

【００７６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明は、アクティ
ブマトリクス液晶表示パネルにおいて、負の一軸屈折率
異方性を有する光学補償層を設けることにより、液晶層
中で発生するリターデーションをキャンセルして黒表示
部の白浮きを抑制することができ、階調反転が顕著に抑
制され、より広い視野角で良好な画像特性を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のアクティブマトリク
ス液晶表示パネルの断面図である。

【図２】第１の実施形態のアクティブマトリクス基板の
平面図である。

【図３】本発明の第１の実施形態における偏光軸、液晶
ダイレクタ、光学補償層の屈折率異方軸の関係を示す説
明図である。

【図４】第１の実施形態の電圧無印加時または低電圧印
加時における天頂角と透過率との関係図である。

【図５】第１の実施形態の高電圧印加時における天頂角
と透過率との関係図である。

【図６】従来のＩＰＳ方式のアクティブマトリクス液晶
表示パネルの高電圧印加時における天頂角と透過率との
関係図である。

【図７】第２の実施形態のアクティブマトリクス液晶表
示パネルの断面図である。

【図８】第３の実施形態のアクティブマトリクス液晶表
示パネルの断面図である。

【図９】第４の実施形態のアクティブマトリクス液晶表
示パネルの断面図である。

【図１０】第５の実施形態のアクティブマトリクス液晶
表示パネルの断面図である。

【図１１】従来のＩＰＳ方式のアクティブマトリクス液
晶表示パネルの構成および偏光軸や電界の方向の関係を
示す説明図である。

【図１２】従来のＴＮ方式のアクティブマトリクス液晶
表示パネルにおける電圧と透過率の関係図である。

【図１３】従来のＩＰＳ方式のアクティブマトリクス液
晶表示パネルの偏光軸および光線の方向や方位角および
天頂角を示す説明図である。

【図１４】従来のＩＰＳ方式のアクティブマトリクス液
晶表示パネルの様々なプレティルト角における電圧無印
加時の天頂角と透過率との関係図である。

【図１５】プレティルト角３度の従来のＩＰＳ方式のア
クティブマトリクス液晶表示パネルの電圧無印加時また
は低電圧印加時における天頂角と透過率との関係図であ
る。

【符号の説明】

１信号線２対向電極３画素電極４検光子（出射側偏光板）５、３０、３３、３７、３８、３９光学補償層６ガラス基板（透明絶縁性基板）７、３２、３６液晶層８保護絶縁膜９ゲート絶縁膜１０偏光子（入射側偏光板）１１、２６、２７、２８配向膜１２対向電極バスライン１３島状非晶質シリコン１４走査線１５液晶配向方向（ラビング方向）１６検光子の偏光方向１７、３１、３５屈折率異方軸の方向１８偏光子の偏光方向１９基板法線２０電極の長手方向２１、２９、３４液晶分子のダイレクタの方向２２電界の方向２３基板面２４光線の方向２５天頂角２６配向膜Ａアクティブマトリクス基板Ｃカラーフィルター基板ｅ₁ 偏光子の偏光軸方向の単位ベクトルｅ₂ 検光子の偏光軸方向の単位ベクトルｅ₃ 基板法線方向の単位ベクトルｋ光線の進行方向の単位ベクトル α 天頂角 φ 方位角 θ₁、θ₂ 基板界面における液晶分子のダイレクタと
基板面のなす角 θ_F、θ_F（ξ）光学補償層の異方軸と基板面のなす
角 θ_LC、θ_LC（ｚ）液晶層内における液晶分子のダイレ
クタと基板面のなす角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平９−160042（ＪＰ，Ａ) 特開平10−26766（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1335 G02F 1/1343 G02F 1/136

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の透明絶縁性基板のうちの一方に、
互いに交差して格子状をなすように配設された複数の走
査線および複数の信号線と、前記走査線と前記信号線の
各交点近傍にそれぞれ設けられた複数の能動素子と、前
記能動素子に接続された複数の画素電極と、前記各画素
電極に対応して配設され前記画素電極との間に電圧が印
加される複数の対向電極とが設けられており、前記一方
の透明絶縁性基板と他方の透明絶縁性基板との間に液晶
層が設けられ、前記両透明絶縁性基板の外側に偏光板が
それぞれ配設され、前記液晶層に実質的に平行な電界に
よって制御される液晶表示パネルにおいて、液晶層が基板にほぼ平行な方向にホモジニアス配向され
ており、前記画素電極と前記対向電極との間の電圧が０
のときに、前記液晶層内の各液晶分子のダイレクタが前
記液晶層面に対してなす角が実質的に均一であり、前記
液晶層のダイレクタの基板面への射影が、クロスニコル
を形成する２枚の偏光板のうちの一方の偏光軸と一致す
るように配置され、かつ実質的に液晶層のダイレクタと
平行な一軸方向に負の屈折率異方性を持つ光学補償層
が、少なくとも一方の前記透明絶縁性基板と前記偏光板
との間に設けられており、前記液晶層の屈折率異方性Δ
ｎLCと層厚ｄLCとの積ΔｎLC・ｄLCと、前記光学補償層
の屈折率異方性ΔｎFと層厚ｄFとの積ΔｎF・ｄFとが実
質的に等しいことを特徴とするアクティブマトリクス液
晶表示パネル。
【請求項２】前記液晶層の常光に対する屈折率ｎ
^LO と、光学補償層の常光に対する屈折率ｎ ^FO が実質的に
等しいことを特徴とする請求項１に記載のアクティブマ
トリクス液晶表示パネル。
【請求項３】一対の透明絶縁性基板のうちの一方に、
互いに交差して格子状をなすように配設された複数の走
査線および複数の信号線と、前記走査線と前記信号線の
各交点近傍にそれぞれ設けられた複数の能動素子と、前
記能動素子に接続された複数の画素電極と、前記各画素
電極に対応して配設され前記画素電極との間に電圧が印
加される複数の対向電極とが設けられており、前記一方
の透明絶縁性基板と他方の透明絶縁性基板との間に液晶
層が設けられ、前記両透明絶縁性基板の外側に偏光板が
それぞれ配設され、前記液晶層に実質的に平行な電界に
よって制御される液晶表示パネルにおいて、前記画素電極と前記対向電極との間の電位差が０のとき
に全ての前記液晶分子のダイレクタの前記液晶層面への
投影が実質的に平行であり、かつ前記光学補償層の屈折
率異方軸の前記液晶層面への投影が前記ダイレクタの前
記液晶層面への投影と平行であり、前記光学補償層の屈折率異方軸の前記液晶層面に対する
角度をθ ^F 、前記液晶層と前記絶縁性基板との界面にお
いて前記ダイレクタと前記液晶層面とのなす角をθ ¹ 、
θ ² （θ ¹ ≠θ ² ）とすると、θ ¹ ＜θ ^F ＜θ ² またはθ ² ＜
θ ^F ＜θ ¹ であり、前記光学補償層の屈折率異方軸は前記
液晶層内の少なくとも一つの液晶分子のダイレクタと平
行であることを特徴とするアクティブマトリクス液晶表
示パネル。
【請求項４】一対の透明絶縁性基板のうちの一方に、
互いに交差して格子状をなすように配設された複数の走
査線および複数の信号線と、前記走査線と前記信号線の
各交点近傍にそれぞれ設けられた複数の能動素子と、前
記能動素子に接続された複数の画素電極と、前記各画素
電極に対応して配設され前記画素電極との間に電圧が印
加される複数の対向電極とが設けられており、前記一方
の透明絶縁性基板と他方の透明絶縁性基板との間に液晶
層が設けられ、前記両透明絶縁性基板の外側に偏光板が
それぞれ配設され、前記液晶層に実質的に平行な電界に
よって制御される液晶表示パネルにおいて、前記画素電極と前記対向電極との間の電位差が０のとき
に全ての前記液晶分子のダイレクタの前記液晶層面への
投影が実質的に平行であり、かつ前記光学補償層の屈折
率異方軸の前記液晶層面への投影が前記ダイレクタの前
記液晶層面への投影と平行であり、前記光学補償層の屈折率異方軸の前記液晶層面に対する
角度をθ ^F 、前記液晶層と前記絶縁性基板との界面にお
いて前記ダイレクタと前記液晶層面とのなす角をθ ¹ 、
θ ² （θ ¹ ≠θ ² ）とすると、常にθ ¹ ＜θ ^F ＜θ ² または常
にθ ² ＜θ ^F ＜θ ¹ であり、前記角度θ ^F は、前記ダイレク
タの前記液晶層の層厚方向の変化に対応して、前記光学
補償層の層厚方向に変化していることを特徴とするアク
ティブマトリクス液晶表示パネル。