JP3826214B2 - 高開口率及び高透過率液晶表示装置 - Google Patents
高開口率及び高透過率液晶表示装置 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に関し、特に画質特性の改善された液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
IPSモードの液晶表示装置は、TN(twisted nematic)液晶表示装置の視野角特性を補償するために提案されたものである(Principle and characteristic of electro−optical behaviour with in−plane switching mode, Asia display 95, p577〜580)。
【0003】
この様なIPS液晶表示装置は、図1に示すように、液晶分子3aを駆動させる電極2a、2bを共に下部基板1に設け、下部基板1と上部基板(図示せず)の間の距離よりも電極2a、2b間の距離を大きくする。これにより、下部基板1面と平行な電界を形成するようにする。このとき、電極2a、2bはMoW、Al等のような不透明金属膜で形成される。尚、図1において符号Rは、配向膜のラビング方向を示す。
【0004】
液晶内の液晶分子は、公知のように、長軸と短軸の長さが相異して屈折率異方性Δnを有し、見る方向によって屈折率異方性Δnが変化する。これにより、極角が0゜付近で方位角が0゜、90゜、180゜、270゜付近では白にも拘わらず所定の色相が現れる。
こうした現象をカラーシフトといい、これは次の式1によって詳細に説明される。
T≒T0sin2(2χ)・sin2(π・Δnd/λ)・・・・(式1)
T: 透過率
T0: 参照(reference)光に対する透過率
χ: 液晶分子の光軸と偏光板の偏光軸がなす角
Δn: 屈折率異方性
d: 上部及び下部基板間の距離またはギャップ(液晶層厚)
λ: 入射される光波長
前記式1によれば、最大透過率Tを得るために、χがπ/4であるか、あるいはΔnd/λがπ/2となるべきである。この時、Δndが変化すると(液晶分子の屈折率異方性値は見る方向によって変化する。)、λ値はπ/2を満足させる為に変化する。これによって、変化した光波長λに該当する色相が画面に現れる。
【0005】
したがって、液晶分子の短軸に向かって見る方向αでは、Δnが減少するにつれて、最大透過率に至るための入射光の波長は相対的に短くなる。これにより、視認者は白の波長よりも短い波長を有する青色を見ることになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
一方、液晶分子の短軸に向かって見る方向βでは、Δnが増大するにつれて、入射光の波長は相対的に長くなる。これにより、視認者は白の波長よりも長い波長を有する黄色を見ることになる。このため、IPS−LCDの画質特性が低下してしまう。
【0007】
また、IPSモードの液晶表示装置は、電極2a、2bが不透明金属膜で形成されるので、開口面積が減少し、透過率が低下する。この結果から適当な輝度を得るためには、強いバックライトを使用すべきなので、消費電力が大きくなるという問題点が生じる。
【0008】
この様な問題点を解決するため、電極2a、2bを透明物質で形成する方法が提案された。この方法では、開口率面を少し増大させることができても、透過率面ではあまり優れない。
【0009】
すなわち、横電界(in−plane field)を形成するには、前述したように、電極2a、2b間の距離lを上部及び下部基板間の距離より大きくし、適当な強さの電界を得るため、電極2a、2bの幅Wを、例えば10〜20μm程度とする。しかし、この様な構造を有するため、電極2a、2b間には基板と略平行な電界が形成されるが、広い幅を有する電極2a、2bの上部の大部分にある液晶分子には、電界が達することなく、等電位面が生じるようになる。これにより、電極上部の液晶分子が、電界印加時にも初期配列状態を維持するので、透過率は殆ど改善されない。
【0010】
そこで、本発明は、前記問題点に着目してなされたものであり、その目的は、画質特性を改善し、開口率及び透過率を得ることのできる開口率及び透過率液晶表示装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成する本発明は、所定距離をおいて対向する上部及び下部基板と、
前記上部及び下部基板間に介在され、複数の液晶分子を有する液晶層と、
前記下部基板上にマトリクス状に配列され、サブ画素を限定するゲートバスラインとデータバスラインと、
前記サブ画素内に形成される長方形板状のカウンタ電極と、
前記カウンタ電極の所定部分とオーバーラップするように形成される第1電極部と、前記第1電極部から斜線形に延長される第2電極部とを有する画素電極と、
前記ゲートバスラインとデータバスラインの交点近傍に形成され、前記ゲートバスライン選択時、データバスラインの信号を画素電極にスイッチングする薄膜トランジスタと、
前記上部及び下部基板の内側面に形成される水平配向膜と、
前記下部基板の外側面に配置された偏光子と前記上部基板の外側面に配置された検光子とを備え、
前記サブ画素の中で選択されるいずれかのサブ画素の第2電極部は、ゲートバスライン及びデータバスラインに対して斜線形に延長され、前記選択されたサブ画素の隣接したサブ画素に形成される第2電極部は、前記選択されたサブ画素の第2電極部と対称をなすように配列され、
前記カウンタ電極と画素電極は透明な導電体で形成され、
前記下部基板に形成される水平配向膜は、ゲートバスラインまたはデータバスラインと平行な方向にラビングされ、前記上部基板に形成される水平配向膜は、下部基板の水平配向膜と逆平行な方向にラビングされ、
前記偏光子の偏光軸は前記下部配向膜のラビング軸と一致するように配置され、前記検光子の偏光軸は前記偏光子の偏光軸と垂直である
ことを特徴とする。
【0012】
また、前記選択されたサブ画素空間のカウンタ電極と前記画素電極の第2電極部の間に形成される電界と偏光軸がなす角が、45°〜90°であれば、誘電率異方性が正の液晶を用い、0°〜45°であれば、誘電率異方性が負の液晶を用いることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適実施の形態を詳細に説明する。
(実施の形態1)図2は実施の形態1に係る液晶表示装置であって、誘電率異方性が正の液晶を用いた液晶表示装置を示す平面図、図3は実施の形態1に係る液晶表示装置であって、誘電率異方性が負の液晶を用いた液晶表示装置を示す平面図である。
【0014】
図2を参照すると、下部ガラス基板10上に赤、緑、青サブ画素R、G、Bが限定される。サブ画素R、G、Bの各々には液晶駆動用第1電極11が形成される。このとき、各画素R、G、Bに形成される第1電極11は斜線形である。ここで、赤及び青サブ画素R、Bの第1電極11a、11cは、同方向に指向するように配列され、緑サブ画素Gの第1電極11bは、赤及び青サブ画素R、Bの第1電極11a、11cと対称な方向に配列される。各第1電極11a、11b、11cは透明導電膜で形成され、所定幅W1を有する。
【0015】
第2電極12も赤、緑、青サブ画素R、G、Bにそれぞれ形成される。第2電極12a、12b、12cは該サブ画素空間R、G、B内の第1電極11a、11b、11cとそれぞれ所定距離をおいて離隔されながら平行に配列される。第2電極12も透明導電膜で形成される。このとき、第2電極12は所定幅W2を有する。ここで、第1電極11a、11b、11c及び第2電極12a、12b、12c間の間隔lは、第1及び第2電極の幅W1、W2より狭く、上下基板間の距離より狭く形成される。また、第1電極11a、11b、11c及び第2電極12a、12b、12cの幅W1、W2は、第1電極11a、11b、11c及び第2電極12a、12b、12c間に発生する電界が電極11、12上部まで十分に達する程度である。
【0016】
第1電極11及び第2電極12の形成された下部ガラス基板10の上部には、液晶分子13の初期配列を決定する配向膜(図示せず)が形成される。このとき、配向膜は水平配向膜であって、水平配向膜は図のx軸方向(またはy軸方向)にラビング処理され、電界の形成以前に、液晶分子13の長軸がx軸方向(またはy軸方向)に指向するように配列される。
【0017】
このように配列された第1電極11及び第2電極12間に電圧差が発生すると、電界E1、E2が形成される。このとき、電界E1、E2は第1及び第2電極11、12が斜線形に配列されて斜線形に形成される。また、赤及び青サブ画素に形成される電界E1と緑サブ画素に形成される電界E2は互いに対称をなす。
【0018】
又、 液晶は電界E1、E2とラビング軸のなす角θによって選定される。すなわち、電界とラビング軸のなす角が、45°〜90°の場合、誘電率異方性が正の液晶を用い、0°〜45°の場合、誘電率異方性が負の物質を用いる。
【0019】
このように、電界とラビング軸のなす角によって液晶の誘電率異方性を選択することは最大透過率を得るためである。例えば、θが45°〜90°であれば、誘電率異方性が正の液晶を用い、図2のように、液晶分子13はその長軸と電界E1、E2が平行となるように配列される。このとき、液晶分子13は45°以上捻れるので、最大透過率が達成される。
【0020】
また、θが0°〜45°であれば、誘電率異方性が負の液晶を用い、図3のように、液晶分子13はその短軸と電界E1、E2が平行となるように配列される。このとき、液晶分子13は45°以上捻れるので、最大透過率が達成される。
【0021】
しかも、前述した電界が形成されると、図2または図3のように、赤及び青サブ画素R、Bでは液晶分子13が時計方向(図3では反時計方向)に捻れ、緑サブ画素Gでは液晶分子13が反時計方向(図3では時計方向)に捻れる。このとき、人間の目は一つのサブ画素だけが認知できないため、ユニット画素側面で見れば、液晶分子が二方向に分れて配列されたように見える。これにより、液晶分子13の屈折率異方性が補償され、カラーシフトが発生しない。
【0022】
また、第1及び第2電極11、12の上部にも十分に電界が達するので、電極上部にある液晶分子がともに動作して透過率及び開口率が改善される。
【0023】
(実施の形態2)図4は、実施の形態2に係るアクティブマトリックス方式の液晶表示装置の下部基板を示す平面図である。図4を参照すれば、下部基板上に複数のゲートバスライン21がx軸方向に配列され、複数のデータバスライン22はx軸方向と実質的に垂直なy軸方向に配列され、それぞれのサブ画素R、G、Bを限定する。図4では、三つのサブ画素空間R、G、Bからなる一つのメーン画素空間を示すために、一対のゲートバスライン21と三つのデータバスライン22だけが図示されている。なお、一番目のサブ画素を赤サブ画素R、二番目のサブ画素を緑サブ画素G、三番目のサブ画素を青サブ画素Bという。
【0024】ゲートバスライン21及びデータバスライン22間には、これら両ラインを絶縁させるためのゲート絶縁膜(図示せず)が介在される。また、前記ゲートバスライン11とデータバスライン12a、12b、12cは、導電特性に優れた不透明な金属膜、例えばMoW、Al、Ta、Tiの一つの金属膜で形成されている。
【0025】
カウンタ電極23はそれぞれのサブ画素に形成される。カウンタ電極23はゲートバスライン21及びデータバスライン22とそれぞれ所定間隔をおいて離隔されて配置される。ここで、それぞれのカウンタ電極23は、図5に示すように、全体的に長方形枠状を持つ本体23aと、本体23aに囲まれた空間を所定個に区画する斜線形ブランチ23bとを有する。
【0026】
ここで、斜線形ブランチ23bの延長方向はサブ画素空間R、G、B別に異なるが、各画素空間R、G、B内での斜線形ブランチ23bはともに平行である。ある一つのサブ画素空間内の斜線形ブランチ23bの延長方向と、そのサブ画素空間の上下左右隣接したサブ画素空間内のブランチ23bの延長方向とは互いに対称に配置するのが望ましい。例えば、図5のように、赤及び青サブ画素空間R、B内のブランチ23bはx軸とθだけの角度をなし、緑サブ画素空間G内のブランチ23bはx軸にθ+90だけの角度をなす。カウンタ電極23の斜線形ブランチ23bは等間隔に配置され、それらの幅は約2〜4μm程度になるようにする。
【0027】
画素電極24はカウンタ電極23の上部にオーバーラップする。画素電極24は、カウンタ電極23の本体23aの所定部分とオーバーラップする第1電極部24aと、第1電極部24aからカウンタ電極23の斜線形ブランチ23b間に配置されるように延長される斜線形の第2電極部24bとを有する。ここで、第2電極部24bは各サブ画素に該カウンタ電極23の斜線形ブランチ23bと平行に配列される。
【0028】
このとき、画素電極24の第1電極部24aは全て、同一サブ画素空間内の第2電極部24bとコンタクトされる。よって、第1電極部24aは、例えば実施の形態において、赤及び青サブ画素空間R、BではL字形状に形成され、緑サブ画素空間GではL字形状を時計方向に90°だけ回転させた形状に形成される。ここで、画素電極24の第1電極部24aの幅はカウンタ電極23の本体23aの幅より狭いか同一であり、第2電極部24bの幅はカウンタ電極23の斜線形ブランチ23bと同一であるのが望ましい。しかも、斜線形ブランチ23b及び第2電極部24b間の距離は、約0.5〜3μmとなるようにし、実施の形態では1μmとする。また、斜線形ブランチ23bと第2電極部24bの間の距離は、前記斜線形ブランチ23bと第2電極部24bの幅より小さく形成される。
【0029】
画素電極24の第2電極部24bの端部はカウンタ電極23の本体23aと鈍角をなす方向に曲げられる。これは、エッジ部に発生する寄生電界をなくすためである。ここで、カウンタ電極23と画素電極24はともに透明導電膜、例えばITO(indium tin oxide)物質で形成されるのが望ましい。
【0030】
ゲートバスライン21とデータバスライン22との交点部分には薄膜トランジスタ25を備える。このとき、薄膜トランジスタ25は、スイッチング素子であって、ゲートバスライン21の選択時、データバスライン22の信号を画素電極24に伝達する役割を果たす。
【0031】
共通電極線26はカウンタ電極23の所定部分とコンタクトするように配列される。このとき、共通電極線26はゲートバスライン21と平行に配置される。ここで、共通電極線26は、信号遅延が発生しないように、導電性に優れた不透明金属からなり、カウンタ電極23のそれぞれに共通信号を伝達する。
【0032】
水平配向膜(図示せず)は下部基板の結果物上部に塗布される。このとき、配向膜はx軸方向(またはy軸方向)にラビングされる。ここで、符号27はラビング軸方向を示す。
【0033】
上部基板(図示せず)は下部基板と所定距離をおいて対向するように設置され、上部基板及び下部基板間には液晶層(図示せず)が介在される。ここで、上部基板及び下部基板間のセルギャップは6μm以下程度である。また、液晶層の誘電率異方性は、前記実施の形態1で説明したように、電界の方向によって決定される。実施の形態では、電界とx軸のなす角が45°以下になるように電極を配置し、誘電率異方性が負の液晶を用いる。上部基板(図示せず)の内側表面にも配向膜(図示せず)が形成されるが、この上部基板側配向膜(以下、上部配向膜という)は、前記下部基板側配向膜(以下、下部配向膜という)のラビング軸と逆平行(anti−parallel)なラビング軸を持つ。
【0034】
偏光子(図示せず)は下部基板の外側面に付着され、検光子(図示せず)は上部基板の外側面に付着される。ここで、偏光子の偏光軸は下部基板の配向膜のラビング軸と一致するように付着され、検光子の偏光軸は下部偏光板の偏光軸と交叉する方向に付着される。
【0035】この様な液晶表示装置の動作は次の通りである。まず、カウンタ電極23及び画素電極24間に電界が形成されない場合には、液晶分子の長軸が一律的にラビング軸に沿って配列される。偏光子を通過した光は液晶を通過するようになって偏光状態が変化しない。これにより、液晶を通過した光は偏光軸と交叉配置された偏光軸を持つ検光子が通過できなくなるので、画面は黒となる。
【0036】
一方、カウンタ電極23及び画素電極24間に所定の電圧差が発生されると、カウンタ電極23のブランチ23b及び画素電極24の第2電極部24b間に電界が形成される。このとき、電界E1、E2は該サブ画素空間のブランチ23b及び第2電極部24bと法線形に形成される。すなわち、赤及び青サブ画素空間R、Bにはx軸とθ1+90°だけの角度をなす電界E1が形成され、緑サブ画素空間Gにはx軸とθ1だけの角度をなす電界E2が形成される。
【0037】このため、赤サブ画素空間Rと緑サブ画素空間Gとは、y軸を中心にして左右対称な電界が形成され、さらに緑サブ画素空間Gと青サブ画素空間Bとも、y軸を中心にして左右対称な電界が形成される。すると、赤及び青サブ画素空間R、Bの液晶分子は反時計方向に捻れ、緑サブ画素空間Gの液晶分子は時計方向に捻れる。このとき、電界と短軸が平行に捻れると、液晶分子は偏光板の偏光軸と45°をなすことになり、最大透過率となり、光の漏れを起こす。よって、画面は白となる。
【0038】
それぞれのサブ画素別に見ると、液晶分子は一律的に一方に働くが、人間の目は単位サブ画素が識別できる程敏感ではない。従って、R、G、Bメイン画素側面で見る時、液晶分子の捻れの方向が互いに異なるので、液晶分子の屈折率異方性が補償される。これにより、側面方位角で画面を見る時のカラーシフト現像が補償される。
【0039】
又、カウンタ電極23と画素電極24は透明な金属で形成し、フリンジフィールドを形成するようにし、既存のIPSモードよりも透過率を向上させる。さらに、実質的に電界の形成されるカウンタ電極23のブランチ23b及び画素電極24の第2電極部24b間の距離が電極幅に比べて狭く、ブランチ23b及び第2電極部24bは、その上部にある液晶分子が前記電界E1、E2によって十分に動作される程の幅を持つので、透過率は増大する。
【0040】
(実施の形態3)図6は実施の形態3に係るアクティブマトリックス方式の液晶表示装置の下部基板を示す平面図である。実施の形態3では、ゲートバスライン、データバスライン、薄膜トランジスタ、共通電極線、第1及び第2配向膜、並びに第1及び第2偏光板の配置は前記実施の形態1と同様であるが、カウンタ電極と画素電極の配置は異なる。すなわち、図6に示すように、実施の形態3におけるカウンタ電極230は板状で形成される。このカウンタ電極230は透明な導電体、例えばITO金属膜で形成される。
【0041】
画素電極24はカウンタ電極230の上部にオーバーラップする。画素電極24は、前述した実施の形態2と同様に、カウンタ電極230の端部の所定部分に沿って形成される第1電極部24aと、第1電極部24aから斜線形に延長される複数の第2電極部24bとを有する。この第2電極部24bは等間隔例えば1〜4μm以下の間隔に配置される。第2電極部24bとx軸は所定角度θ2、例えば2〜30°とし、これにより、液晶層は誘電率異方性が負の物質を選択する。
【0042】
実施の形態3において、カウンタ電極230及び画素電極24間の間隔は、ゲート絶縁膜(図示せず)厚さだけであり、ゲート絶縁膜の厚さは電極幅に比べて小さい。また、電界は、画素電極24の第2電極部24bと、画素電極24の第2電極部24bによって露出したカウンタ電極230との間で形成される。この様な実施の形態3に係る液晶表示装置は実施の形態2の液晶表示装置と同様に動作する。
【0043】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ある一つのサブ画素に形成される電界と、その画素と隣接するサブ画素に形成される電界は、ともに斜線形を取りながら、互いに対称をなすように形成される。これにより、電界印加時、液晶分子が対称な二方向にツイストされる。従って、液晶分子の屈折率異方性が補償されてカラーシフトが防止されることにより、画質特性が改善される。
【0044】
さらに、カウンタ電極と画素電極が透明な物質で形成され、カウンタ電極と画素電極間の距離がカウンタ電極や画素電極の電極幅よりも狭いので、電極上部でも電界が達するようにする。このため、液晶表示装置の開口率及び透過率がより改善される。
【0045】
また、一般的にコントラスト分布はラビング方向でより優れている。本発明のラビング方向は視認者の見慣れた方向の90°、180°(ゲート、データバスライン構造)であるから、視認者の見慣れた方向でのコントラストはより改善される。
【0046】
尚、本発明は、その要旨から逸脱しない範囲内で多様に変更・実施できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のIPS液晶表示装置の駆動原理を説明するための図である。
【図2】実施の形態1に係る液晶表示装置であって、誘電率異方性が正の液晶を用いた液晶表示装置を示す平面図である。
【図3】実施の形態1に係る液晶表示装置であって、誘電率異方性が負の液晶を用いた液晶表示装置を示す平面図である。
【図4】実施の形態2に係るアクティブマトリックス方式の液晶表示装置の下部基板を示す平面図である。
【図5】実施の形態2に係る液晶表示装置のカウンタ電極を示す平面図である。
【図6】実施の形態3に係るアクティブマトリックス方式の液晶表示装置の下部基板を示す平面図である。
【符号の説明】
21 ゲートバスライン
22 データバスライン
23 カウンタ電極
23a 本体
23b 斜線形ブランチ
24 画素電極
24a 第1電極部
24b 第2電極部
25 薄膜トランジスタ
Claims (2)
- 所定距離をおいて対向する上部及び下部基板と、
前記上部及び下部基板間に介在され、複数の液晶分子を有する液晶層と、
前記下部基板上にマトリクス状に配列され、サブ画素を限定するゲートバスラインとデータバスラインと、
前記サブ画素内に形成される長方形板状のカウンタ電極と、
前記カウンタ電極の所定部分とオーバーラップするように形成される第1電極部と、前記第1電極部から斜線形に延長される第2電極部とを有する画素電極と、
前記ゲートバスラインとデータバスラインの交点近傍に形成され、前記ゲートバスライン選択時、データバスラインの信号を画素電極にスイッチングする薄膜トランジスタと、
前記上部及び下部基板の内側面に形成される水平配向膜と、
前記下部基板の外側面に配置された偏光子と前記上部基板の外側面に配置された検光子とを備え、
前記サブ画素の中で選択されるいずれかのサブ画素の第2電極部は、ゲートバスライン及びデータバスラインに対して斜線形に延長され、前記選択されたサブ画素の隣接したサブ画素に形成される第2電極部は、前記選択されたサブ画素の第2電極部と対称をなすように配列され、
前記カウンタ電極と画素電極は透明な導電体で形成され、
前記下部基板に形成される水平配向膜は、ゲートバスラインまたはデータバスラインと平行な方向にラビングされ、前記上部基板に形成される水平配向膜は、下部基板の水平配向膜と逆平行な方向にラビングされ、
前記偏光子の偏光軸は前記下部配向膜のラビング軸と一致するように配置され、前記検光子の偏光軸は前記偏光子の偏光軸と垂直である
ことを特徴とする、高開口率及び高透過率液晶表示装置。 - 前記選択されたサブ画素空間のカウンタ電極と前記画素電極の第2電極部の間に形成される電界と偏光軸がなす角が、45°〜90°であれば、誘電率異方性が正の液晶を用い、0°〜45°であれば、誘電率異方性が負の液晶を用いることを特徴とする請求項1に記載の高開口率及び高透過率液晶表示装置。
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