JP4213364B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ネマチック液晶を用い、優れた視角特性をもつＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）方式の液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ネマチック液晶を用いた表示パネル（表示素子）は、液晶分子の配向によっていくつかのモードがある。最も普及しているのは、捻れネマチック（ＴＮ）モードであり、その他にホメオトロピック（垂直）配向、またはホモジニアス（水平）配向の複屈折モードやゲストホストモード等がある。ＴＮモードはとくに、一方の基板に画素電極毎に能動素子を設けたアクティブアマトリクス液晶表示パネルにおいて主流となっている。
【０００３】
ＴＮ液晶は、誘電異方性が正の液晶を、水平配向処理した電極付き基板の間に挟んで、９０度捻った状態を安定状態とし、このとき液晶の配向に沿って偏波面が９０度回転し、液晶層を挟んで配置した偏光子と検光子の透過軸を直交させていると、白表示となる（ノーマリホワイトモード）。電圧印加により液晶分子が立つと、入射偏光はそのまま液晶層を進むので、検光子により吸収されて黒表示となる。
【０００４】
配向処理は、通常、ポリイミドをラビングすることにより達成されるが、このときラビング方向に対応して数度程度の液晶のプレチルトが生じる。ＴＮ液晶の捻れ方向は、この上下基板でのプレチルト方向により基本的に決まる。つまり、液晶層がスプレイ歪みを伴わないように配向することで捻れ方向が決定される。さらに、逆捻れ配向を防止し、捻れ方向を均一に揃えるために、上下基板でのプレチルト方向と符合させて、液晶中に微量のカイラル物質（光学活性物質）を添加して捻れ方向を決めている。液晶は一方の基板界面近傍から反対側の基板界面近傍まで、ほぼ一様なプレチルトをもって配向する。上下基板間に電圧を印加すると、まず液晶層中央部の液晶分子が初期に与えられたプレチルト方向に立ち上がり、液晶層全体がそれに追従する。
【０００５】
したがって、液晶の立ち上がる向きはパネル全体で同一であり、パネルを観察する方向によって液晶層の屈折率変化の仕方が違うため、視角方向によって光透過率が大きく変わる。このため、視角方向によってコントラストの大幅な低下や色変化、階調反転などが発生し、視角特性に非常に問題がある。とくにノーマリホワイトモードでは、液晶層中央部の液晶分子の立ち上がり方向（視角方向）から観察する場合とその逆の方向（反視角方向）から観察する場合では、視角特性が大きく異なる。正面から視角方向側では階調反転現象が激しく、反視角方向側ではコントラスト低下が著しく、白浮きが発生する。通常、視角方向は上下方向に設定されるため、ＴＮモードでは上下方向で視角特性が非対称となる。
【０００６】
このようなＴＮモードの視角特性を改善するために、多くの方法が提案されている。例えば、「ＳＩＤ ９４ ＤＩＧＥＳＴ，９２７」に記載されているように、液晶をベンド配向させ、これに光学位相補償フィルムを組み合わせることにより、広い視野角を得るＯＣＢ方式がある。ＯＣＢ方式は、ＴＮ方式に比べて、応答速度が非常に速いという特徴も有しており、非常に魅力的な方式である。
【０００７】
このＯＣＢ方式では、液晶を初期的にはスプレイ配向させておき、使用時に液晶に電界を加えることにより、ベンド配向（またはπツイスト配向）へ配向転移させる必要がある。つまり、電圧を加えることにより液晶が立ち上がると、スプレイ配向の歪みが増大し、安定なベンド配向またはπツイスト配向への転移が起こる。この様子を観察すると、スプレイ配向の中にベンドまたはπツイスト配向をもつ所望の正常ドメインの核が発生し、成長する様子が見られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者らの実験によれば、スプレイ配向からベンド配向またはπツイスト配向への転移を発生させることは容易でなく、この転移を行なうには１０Ｖ以上の相当に高い電圧を必要とする（１０Ｖとは液晶にかかる電圧である。液晶表示装置は液晶を交流駆動するのでさらに大きな電圧が必要となる、３０Ｖ前後の電源が必要となる）。液晶表示パネルにこのような高い電圧を加えることは、一般には駆動電圧や消費電力や部材（駆動用ＬＳＩなど）の制約があるため困難である。
【０００９】
また、電界印加だけにより発生するベンド配向またはπツイスト配向のドメインの核発生密度はかなり低く、ドメインが全領域に広がるのには、相当の時間を要する。さらに、全ての画素で転移を起こすことは非常に困難であり、どうしても転移の起こらない画素が残ってしまう。配向転移が起こらず、スプレイ配向のままで残った画素が存在すると、その画素は表示欠陥として認識され、ディスプレイとしての表示品位を大きく低下させ、商品としての価値が無くなってしまう。
【００１０】
そこで、配向欠陥のない均一配向を実現するために、液晶表示装置内部（液晶パネル内部）に、転移を起こすきっかけとなる転移核（核発生手段）を導入し、低電圧でこの部位から転移を起す工夫がなされてきた、本願発明者が属する同一出願人による発明として特開平１０−２０２８４や特開平１０−１４２６３８で述べられている。これらの発明のポイントは、（１）液晶セルの画素電極部に導電性の凸部を設置して縦電界（画素電極から対向電極に向かう方向の電界）を局所的に強くする（図４）。（２）画素電極部にプレチルト角の大きい部分あるいは垂直配向させる部分を局所的に導入する（図５）ことであった。
【００１１】
従来の構成を簡単に説明する。（図４）は液晶セルの画素電極部に導電性の凸部を設置して縦電界（画素電極から対向電極に向かう方向の電界）を局所的に強くした例である。（ｂ）は従来の液晶表示装置の画素部分の平面模式図であり、この平面模式図のＡ−Ｂ線に準ずる断面模式図が（ａ）である（この図は説明のために寸法、形状を実際のものからはデフォルメして記載しています）。この図において、基板１上に、１６は能動素子としての薄膜トランジスタ、４はこれに接続された画素電極、２は配線、３は絶縁膜でありこれらはアクティブマトリクス基板基板を形成している（実際にはアクティブマトリクス基板の能動素子の形成に必要な多層の薄膜材料が存在するがここでは本願発明とは直接関係しない部分であるので詳細は図示していない）。７は基板、８は遮光用のブラックマトリクス、９ａ，９ｂ，９ｃはカラ−フィルターの着色層（通常は赤緑青）、１０は対向電極でありこれらは対向基板を形成している。これらの２枚の基板に配向処理をされた配向膜５と１１を介して液晶１２が挟みこまれる。１３ａと１３ｂは偏光板である。液晶表示装置はこれに周辺回路部材（図示せず）やフレーム（図示せず）が組みつけられ完成する。この図において画素電極４上に導電性部材で凸部６が設置されているこの部分１４で液晶層のギャップが狭くなるため、電界強度が強くなり転移が起こりやすくなる。また（図５）の例では液晶層の中に垂直配向を促すビーズ１５を混入し転移を起こりやすくしている。
【００１２】
しかしながら、これらの従来の構成では転移核となる部分を作るために特別の工程（凸部形成や部分垂直配向）や材料（凸部形成材料やビーズ）の付加が必要であり、転移核の導入がコスト増や工程増加に伴う歩留低下につながった。本願発明の目的は、上記の課題に対し、工程負担増の無い転移核の導入を行い、加えて、さらに確実に転移が起こせる液晶表示装置を提供することを目的とする。加えてさらに転移の起こりやすい構成を加えることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題に対する本願発明の手段を以下に記載する。
【００１６】
この発明の構成は、画素電極とこれに繋がる能動素子をマトリクス状に有するアクティブマトリクス基板と対向電極を有する対向基板と、この一対の基板の間に介在されて前記画素電極と前記対向電極間に電圧を印加することによりスプレイ配向からπツイスト配向またはベンド配向に転移する液晶と、前記スプレイ配向からπツイスト配向またはベンド配向への転移を促進する核発生手段とを備えた液晶表示パネルにおいて、前記アクティブマトリクス基板もしくは対向基板上に形成された凸部を有し、かつ前記凸部上に電位差をつけることのできる２つの電極が間隔を空けて配置された部位を核発生手段とする液晶表示装置とすることである。これにより、さらに転移が確実に起こるようになる。
【００１７】
さらに、この構成において好ましくは、前記２つの電極は隣り合う画素電極であることを特徴とする液晶表示装置とすることである。
【００１８】
上記の手段方法により確実に配向転移を起こすことができるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本願発明の第１の実施の形態の液晶表示装置を（図１）を用いて説明する。本願発明の液晶表示装置の画素部分の平面模式図が（図１（ｂ））であり、そのＡ−Ｂ線に準ずる部分の断面模式図が（図１（ａ））である（この図は説明のために寸法、形状を実際のものからはデフォルメして記載しています）。本実施の形態では液晶表示装置に用いるカラーフィルタをアクティブマトリクス基板上に形成する（ＣＯＡ：カラー フィルター オン アレイ）構造のものを示している。この図において１はガラス基板、２１は配線、３は絶縁膜である（実際にはアクティブマトリクス基板の能動素子の形成に必要な多層の薄膜材料が存在するがここでは本願発明とは直接関係しない部分であるので詳細は図示していない）２２ａと２２ｂと２２ｃはカラーフィルター層でありこの場合は感光性の着色レジストを用いており、配置はストライプパターンとした（（図１の（ｂ））では図面が複雑になるためカラ−フィルタ−着色層は省略して記載している）。このとき画素の一部分でカラーフィルター着色層を２色重ねて凸部２２ａａを形成した（２色の組合わせはそれぞれの画素の色で組合わせた。たとえば赤に緑の突起部，青に赤の突起部など）。凸部２２ａａの形成は元々カラ−フィルター層の加工の際に同時にパターン化したものであり、凸部を作るために工程の増加は一切生じていない。凸部の膜厚は概ね３μｍである。この後、能動素子に繋がる画素電極２３を形成し、アクティブマトリクス基板とした。また７は対向基板用のガラス基板であり、１０は対向電極（ＩＴＯ薄膜）である。液晶１２が配向膜５と１１を介してこれら２枚の基板の間に挟みこまれる。液晶は画素電極と対向電極間に電圧を印加することによりスプレイ配向からπツイスト配向またはベンド配向に転移する液晶であり、それに必要は配向処理を施した。１３ａと１３ｂは偏光板である。液晶表示装置はこれに周辺回路部材（図示せず）やフレーム（図示せず）が組みつけられ完成する。本実施の形態では液晶層本体の厚みを５μｍに設定した、そのため凸部２２ａａでは液晶の厚みは概ね２μｍとなり２４の部分は他の部分に比べて電界集中する（電界が強い）構造となる。
【００２０】
この第１の実施の形態によれば、画素電極２３と対向電極１０間に電圧を印加すると、この凸部を起点に安定なベンド配向またはπツイスト配向への転移が起こる。そして短時間にドメインが全領域に広がる。このように凸部２２ａａが転移核（核発生手段）となり配向ドメインの核発生密度が高くなり、転移が効率よく行なわれ、全体に配向欠陥のない均一配向が可能となる。したがって、従来のように製造工程や部材を増加することなく、高品位なＯＣＢ方式の液晶表示パネルを得ることができた。
【００２１】
なお本実施の形態ではカラ−フィルタ−着色層として赤緑青の各色を用いたが、黒（遮光層）であってもかまわない。また図では着色層２２ｂの上に小さくパターン化された別色の着色層を重ねて凸部２２ａａを形成したが、逆に小さくパターン化された着色層の上に着色層２２ｂを重ねても良い（実際に全ての画素に転移核を形成する場合はこの構成も必要である）。なお転移が起こると順次ドメインが広がっていくが、転移核は全ての画素に設けるほうが好ましい。
【００２２】
次に（図２）を用いて本願の発明の第２の実施の形態を説明する。液晶表示装置の画素部分の平面模式図が（図２（ｂ））であり、そのＡ−Ｂ線に準ずる部分の断面模式図が（図２（ａ））である（この図は説明のために寸法、形状を実際のものからはデフォルメして記載しています）。本実施の形態は殆ど第１の実施の形態同様の構成を持っており、ＣＯＡ構造のもである。異なるのは転移核となる凸部３３が隣接する画素電極の間に形成されている点であり、今までの説明と共通の部分の説明はここでは省略する。この図において３１は配線である（横の配線が示されている、実際にはアクティブマトリクス基板の能動素子の形成に必要な多層の薄膜材料が存在するがここでは本願発明とは直接関係しない部分であるのでここでも詳細は図示していない）３２はカラーフィルター層であり（この場合はＡＢ線が縦方向なので１色分しか示されていない）感光性の着色レジストを用いており、配置はストライプパターンとした。このとき隣接する画素電極の間に相当する一部分でカラーフィルター着色層を２色重ねて凸部３３を形成した。凸部３３の形成は元々カラ−フィルター層の加工の際に同時にパターン化したものであり、凸部を作るために工程の増加は一切生じていない。凸部の膜厚は概ね３μｍである。この後、能動素子に繋がる画素電極３４を形成し、第1の実施の形態同様に液晶が配向膜を介して２枚の基板の間に挟みこまれる。液晶は画素電極と対向電極間に電圧を印加することによりスプレイ配向からπツイスト配向またはベンド配向に転移する液晶であり、それに必要は配向処理を施した。液晶表示装置はこれに周辺回路部材（図示せず）やフレーム（図示せず）が組みつけられ完成する。本実施の形態では液晶層本体の厚みを５μｍに設定した、そのため凸部３３では液晶の厚みは概ね２μｍとなり、３５の部分は他の部分に比べて電界集中する（電界が強い）構造となる。
【００２３】
この第１の実施の形態と異なるのは、隣接する画素電極３４が凸部でせまい間隔（この場合４μｍ）で隣り合うため、画素電極に異なる電位を印加すると液晶に横方向の力も加わって液晶分子が第１の実施の形態よりも動きやすくなるため、より転移が起こりやすくなる（通常の表示中でも異なる電位がかかるため逆転移（元に戻ってしまう不良）を防止する働きもする）、このようにこの凸部を起点に安定なベンド配向またはπツイスト配向への転移が起こる。そして短時間にドメインが全領域に広がる。このように凸部３３により配向ドメインの核発生密度が高くなり、転移が効率よく行なわれ、全体に配向欠陥のない均一配向が可能となる。したがって、従来のように製造工程や部材を増加することなく、高品位なＯＣＢ方式の液晶表示パネルを得ることができた。
【００２４】
次に（図３）を用いて本願発明の第３の実施の形態の液晶表示装置を説明する。第１の実施の形態に準ずる部分の断面模式図がである（この図は説明のために寸法、形状を実際のものからはデフォルメして記載しています）。本実施の形態はカラ−フルターの着色層が対向基板側にある構造のもである。対向基板側にカラ−フィルタ−着色層９ａと９ｂと９ｃが配置され、画素の一部で２色の着色層を重ねて凸部９ａａを形成しているこの上に対向電極４１を形成している。凸部９ａａの形成は元々カラ−フィルター層の加工の際に同時にパターン化したものであり、凸部を作るために工程の増加は一切生じていない。第1の実施の形態同様に液晶が配向膜を介して２枚の基板の間に挟みこまれる。この時液晶は画素電極と対向電極間に電圧を印加することによりスプレイ配向からπツイスト配向またはベンド配向に転移する液晶であり、それに必要は配向処理を施した。液晶表示装置はこれに周辺回路部材（図示せず）やフレーム（図示せず）が組みつけられ完成する。本実施の形態では液晶層本体の厚みを５μｍに設定した、そのため凸部では液晶の厚みは概ね２μｍとなり、４３の部分は他の部分に比べて電界集中する（電界が強い）構造となる。
【００２５】
この第３の実施の形態によれば、画素電極と対向電極４１間に電圧を印加すると、この凸部を起点に安定なベンド配向またはπツイスト配向への転移が起こる。そして短時間にドメインが全領域に広がる。このように凸部９ａａにより配向ドメインの核発生密度が高くなり、転移が効率よく行なわれ、全体に配向欠陥のない均一配向が可能となる。したがって、従来のように製造工程や部材を増加することなく、高品位なＯＣＢ方式の液晶表示パネルを得ることができた。
【００２６】
なお、プレチルト角が大きいほど、ベンド配向またはπツイスト配向ドメインの成長速度は大きく、配向を保持するための電界強度は小さくてよい。検討の結果、液晶のプレチルト角は３゜以上が好適であることがわかった。とくに全ての領域で３°以上に設定するのが好ましい。また、この発明に用いられる液晶材料は、フッ素系の材料に限定するものではなく、シアノ系の液晶など誘電率異方性が正の材料系であれば、使用が可能である。しかし、アクティブマトリクス型液晶表示パネル用には、電圧保持率が高く、信頼性に優れたフッ素系の材料を主成分とする液晶組成物を用いることが、とくに好ましい。
【００２７】
【発明の効果】
本願発明により特別に従来かた工程や部材を増やすことなく、核発生手段（凸部）を導入することができ、ベンド配向またはπツイスト配向をもつ正常ドメインの核が多く発生し成長し、短時間にドメインが全領域に広がる。このように、核発生手段により、配向ドメインの核発生密度が高くなり、転移が効率よく行なわれ、全体に配向欠陥のない均一配向が可能となる。したがって、高品位なＯＣＢ方式の液晶表示パネルを得ることができる。
【００２８】
さらに凸部で隣接画素電極に代表される異なる電極を狭い間隔で近接させることにより、より転移を確実なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の液晶表示装置を示し、
（ａ）はその断面模式図
（ｂ）は模式平面図
【図２】本発明の第２の実施の形態の液晶表示装置を示し、
（ａ）はその断面模式図
（ｂ）は模式平面図
【図３】本発明の第３の実施の形態の液晶表示装置の断面模式図
【図４】従来の転移核を有する液晶表示装置の断面模式図
【図５】別の従来の転移核を有する液晶表示装置の断面模式図
【符号の説明】
１ 基板
２、２１、３１ 配線
３ 絶縁膜
４、２３、３４ 画素電極
５、１１ 配向膜
６ 導電性部材による凸部
７ 基板
８ ブラックマトリクス
９ａ、９ｂ、９ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ カラーフィルター着色層
１０、４１ 対向電極
１２ 液晶
１３ａ、１３ｂ 偏光板
１４、２４、３５、４３ 液晶層が薄くなる部分
１５ ビーズ
１６ 薄膜トランジスタ
９ａａ、２２ａａ、３３ 凸部
３２ カラ−フィルタ−層

Claims (2)

1. 画素電極とこれに繋がる能動素子をマトリクス状に有するアクティブマトリクス基板と対向電極を有する対向基板と、この一対の基板の間に介在されて前記画素電極と前記対向電極間に電圧を印加することによりスプレイ配向からπツイスト配向またはベンド配向に転移する液晶と、前記スプレイ配向からπツイスト配向またはベンド配向への転移を促進する核発生手段とを備えた液晶表示パネルにおいて、前記アクティブマトリクス基板もしくは対向基板上に形成された凸部を有し、かつ前記凸部上に電位差をつけることのできる２つの電極が間隔を空けて配置された部位を核発生手段とする液晶表示装置。
2. 前記２つの電極は隣り合う画素電極であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。

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