JP4466596B2 - 配向転移方法 - Google Patents

Description

この発明は、第１の電極と第２の電極との間に設けられた液晶層における液晶分子の配向をスプレイ配向からベント配向へ転移させる配向転移方法に関する。

液晶表示素子として、液晶分子が初期配向状態でスプレイ配向した液晶層を備え、前記液晶分子の初期配向状態の前記スプレイ配向をベンド配向に転移させ、そのベンド配向における前記液晶分子の配向状態を制御して表示するベンド配向型のものがある。

前記ベンド配向型の液晶表示素子は、間隙を存して対向する一対の基板間に液晶層が封入され、前記一対の基板の互いに対向する内面それぞれに前記液晶層の液晶分子をスプレイ配向させる配向処理が施され、前記液晶層の液晶分子は、前記配向処理方向に分子長軸を揃えてスプレイ配向している。前記一対の基板の内面には、互いに対向する電極が設けられ、これらの電極間には、起動時に、前記液晶分子を前記スプレイ配向からベンド配向に転移させるための配向転移電界と、起動後に、画像データに対応した駆動電界とか印加される。

このベンド配向型液晶表示素子は、起動時に、前記一対の基板の電極間に前記配向転移電界を生成することにより、前記液晶分子の配向を前記スプレイ配向からベンド配向に転移させ、その後に、前記電極間に画像データに対応した駆動電界を生成することにより、前記ベンド配向における前記液晶分子の配向状態を制御して画像を表示する。

ところで、前記ベンド配向型液晶表示素子は、前記起動時の液晶分子のスプレイ配向からベンド配向への転移を、短時間で且つ低電圧で行なうことが望まれている。

そのため、従来は、スプレイの弾性定数Ｋ_１１とベンドの弾性定数Ｋ_３３の比Ｋ_３３／Ｋ_１１が小さい液晶材料を使用すること（特許文献１参照）、或いは、少なくとも一方の基板の内面に、配向転移電圧の印加による液晶分子の立上がり状態を各領域毎に異ならせる処理を施すこと（特許文献２参照）が提案されている。
特開平８−８７０１３号公報 特開２０００−６６２０８号公報

この発明は、液晶分子のスプレイ配向からベンド配向への転移を短時間で且つ低電圧で行なうことができる配向転移方法を提供することを目的としたものである。

この発明の配向転移方法は、第１の電極と第２の電極との間に設けられた液晶層における液晶分子の配向をスプレイ配向からベント配向へ転移させる配向転移方法であって、前記第２の電極に互いに平行に延伸する複数のスリットを設けるとともに、絶縁膜を介して前記複数のスリットを塞ぐように配置された第３の電極を前記液晶層との間に前記絶縁膜が介在するように設け、前記液晶層の液晶分子がスプレイ配向しているときに前記第２の電極と前記第３の電極との間に電圧を印加しながら前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより、前記スプレイ配向している液晶分子をベント配向へ転移させることを特徴とする。

この発明によれば、液晶分子のスプレイ配向からベンド配向への転移を短時間で且つ低電圧で行なうことができる。

図１〜図４はこの発明の一実施例を示しており、図１は液晶表示素子の一部分の断面図、図２は前記液晶表示素子の一方の基板の一部分の平面図である。

この液晶表示素子は、図示しない枠状シール材を介して接合され、間隙を存して対向する一対の透明基板１，２と、これらの一対の透明基板１，２間の前記枠状シール材で囲まれた領域に封入され、正の誘電異方性を有するネマティック液晶からなる液晶層３と、前記一対の基板１，２の互いに対向する内面それぞれに前記液晶層３の液晶分子３ａを図４（ａ−１）及び（ａ−２）に示したようにスプレイ配向させるための配向処理が施された配向膜と、前記一対の基板１，２の内面に設けられ、起動時に、前記液晶層３の層厚方向に、前記液晶分子３ａを前記スプレイ配向から図４（ｃ−１）及び（ｃ−２）に示したベンド配向に転移させるための予め定めた値の縦電界と、前記縦電界に対して交差し、基板面に対して実質的に平行な方向の、前記液晶分子３ａを前記基板１，２間において捩れ配列させるための横電界とからなる配向転移電界を生成し、前記起動後に、前記液晶層３の層厚方向に、画像データに対応した駆動電界を生成する透明電極４，５，１５と、前記一対の基板１，２を挟んで一対の偏光板１９，２０とにより構成されている。

この液晶表示素子は、光の透過を制御する複数の画素Ａを行方向及び列方向にマトリックス状に配列させて形成したものであり、前記一対の基板１，２の一方、例えば表示の観察側（図１において上側）とは反対側の基板（以下、後基板という）１の内面に、前記複数の画素Ａにそれぞれ対応させて、互いに絶縁された第１と第２の電極４，５が設けられ、他方の基板、つまり観察側の基板（以下、前基板という）２の内面に、前記複数の画素Ａに対応する第３の電極１５が設けられている。

前記後基板１の内面に設けられた前記第１と第２の電極４，５のうち、第１の電極４は、少なくとも前記画素Ａの全域に対応させて形成され、第２の電極５は、前記第１の電極４を覆って設けられた層間絶縁膜１４の上に、前記画素Ａよりも小さい面積を有する形状に形成され、その縁部において前記第１の電極４と対向している。

また、この液晶表示素子は、前記マトリックス状に配列した複数の画素Ａを、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）６からなるアクティブ素子により選択して駆動するアクティブマトリックス表示素子であり、前記第１の電極４は、各画素行毎に、その行の複数の画素Ａに対応させて設けられ、前記第２の電極５は、各画素Ａにそれぞれ対応させて設けられ、前記後基板１の内面に形成された複数のＴＦＴ６にそれぞれ接続されている。

前記ＴＦＴ６は、前記後基板１の基板面上に形成されたゲート電極７と、前記ゲート電極７を覆って前記後基板１の略全面に形成されたゲート絶縁膜８と、このゲート絶縁膜８の上に前記ゲート電極７と対向させて形成されたｉ型半導体膜９と、前記ｉ型半導体膜９の両側部の上にｎ型半導体膜（図示せず）を介して設けられたソース電極１０及びドレイン電極１１とからなっている。

さらに、前記後基板１の内面には、各行のＴＦＴ６にゲート信号を供給する複数本の走査線１２と、各列のＴＦＴ６に後述する起動信号と画像データ信号とを選択的に供給する複数本の信号線１３とが設けられており、前記走査線１２は、前記後基板１の基板面上に前記ＴＦＴ６のゲート電極７と一体に形成され、前記信号線１３は、前記ゲート絶縁膜８の上に形成され、前記ＴＦＴ６のドレイン電極１１に接続されている。

そして、前記第１の電極４は、前記ゲート絶縁膜８の上に、各画素行にそれぞれ対応させて設けられた導電膜４ａからなっており、これらの導電膜４ａは、それぞれの端部において共通接続され、前記第２の電極との間に予め定めた強度の電界を生成するための電圧が供給される。

なお、この実施例では、前記導電膜４ａの各画素Ａに対応する領域の間の部分の幅を小さくしているが、この導電膜４ａは、その全長に充分に広い範囲に亙って前記画素Ａの全域に対応する幅に形成してもよい。

また、前記第２の電極５は、前記第１の電極４を覆う前記層間絶縁膜１４の上に各画素Ａにそれぞれ対応させて設けられ、複数の櫛歯部を有する櫛形形状にパターニングされた櫛形導電膜５ａからなっており、この櫛形導電膜５ａの各櫛歯部をつなぐ基部の一端において前記ＴＦＴ６のソース電極１０に接続されている。

なお、前記層間絶縁膜１４は、前記後基板１の略全面に、前記第１の電極４とＴＦＴ６及び信号線１３を覆って設けられており、前記櫛形導電膜５ａは、前記層間絶縁膜１４に設けられたコンタクト孔（図示せず）において前記ＴＦＴ６のソース電極１０に接続されている。

前記櫛形導電膜５ａは、例えば等間隔で形成された４本の櫛歯部を有しており、これらの櫛歯部は、液晶表示素子の画面の上下方向、つまり前記画面の縦軸ｖに対して、左右いずれか一方の方向に、５°〜１５°の角度θで傾いた方向に沿う細長形状に形成されている。

一方、前記前基板２の内面の第３の電極１５は、前記複数の画素Ａの配列領域全体に対向する一枚膜状の導電膜からなっており、その周縁の一部または複数箇所に形成された端子部から、例えば予め定めた値の対向電極電圧が供給される。

なお、この液晶表示素子は、前記複数の画素Ａ毎にそれぞれ対応する赤、緑、青の３色のカラーフィルタ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂを備えたカラー画像表示素子であり、前記カラーフィルタ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂは前記前基板２の基板面上に形成され、その上に前記第３の電極１５が形成されている。

さらに、前記一対の基板１，２の内面にはそれぞれ、前記第１と第２の電極４，５及び前記第３の電極１５を覆って水平配向膜１７，１８が設けられており、前記液晶層３の液晶分子３ａをスプレイ配向させる配向処理は、前記配向膜１７，１８の膜面をそれぞれ、前記櫛形導電膜５ａからなる第２の電極５の各櫛歯部の長さ方向に対して予め定めた角度で斜めに交差する方向に沿って、互いに平行で、且つ同じ向きの方向にラビングすることにより施されている。

図３は、前記一対の基板１，２の内面の配向処理方向（配向膜１７，１８のラビング方向）１ａ，２ａと、前記一対の基板１，２を挟んで配置された一対の偏光板１９，２０の透過軸１９ａ，２０ａの向きを示している。

図３のように、前記一対の基板１，２の内面の配向処理方向１ａ，２ａは、前記第２の電極５の各櫛歯部の長さ方向に対して、前記画面の縦軸ｖに対する前記櫛歯部の傾き方向とは反対方向に、前記縦軸ｖに対する前記櫛歯部の傾き角と実質的に同じ角度θ（θ＝５°〜１５°）傾いた方向、つまり前記画面の縦軸ｖと実質的に平行な方向に沿って、互いに平行で、且つ同じ向きの方向に設定されており、前記液晶層３の液晶分子３ａは、前記一対の基板１，２の内面の前記配向処理方向１ａ，２ａに分子長軸を揃えてスプレイ配向している。

また、前記一対の偏光板１９，２０の一方、例えば後側偏光板１９は、その透過軸１９ａを前記配向処理方向１ａ，２ａと実質的に平行にして配置され、他方の前側偏光板２０は、その透過軸２０ａを前記後側偏光板１９の透過軸１９ａと実質的に直交させるか、或いは実質的に平行にして配置されている。なお、この実施例では、前記一対の偏光板１９，２０の透過軸１９ａ，２０ａを互いに直交させ、ノーマーリーブラックモードの液晶表示素子を構成している。

さらに、この液晶表示素子は、前記前基板２と、その外面に配置された偏光板２０との間に、外部（観察側）からの静電気を遮断するための一枚膜状の透明な導電膜２１を配置している、
前記後基板１の内面の第１と第２の電極４，５のうち、液晶層３側に設けられ、前記ＴＦＴ６のソース電極１０に接続された櫛形導電膜５ａからなる第２の電極５と、前記前基板２の内面に設けられた一枚膜状の導電膜からなる第３の電極１５との間には、液晶表示素子の起動時に、前記液晶層３の層厚方向に、前記液晶分子３ａを前記スプレイ配向からベンド配向に転移させるための予め定めた値の縦電界と、前記起動後に、前記液晶層３の層厚方向に、画像データに対応した駆動電界を生成される。また、前記後基板１の内面の第１と第２の電極４，５間には、前記起動時に、前記配向転移電界の方向に対して交差し、基板面と実質的に平行な方向の、前記液晶分子３ａを前記基板１，２間において捩れ配列させるための横電界を生成される。

この液晶表示素子は、起動時に、前記信号線１３及びＴＦＴ６を介して前記第２の電極５に例えば５〜１０Ｖの範囲の予め定めた電圧値の起動信号が供給され、この第２の電極５と前記第３の電極１５との間に、前記起動信号に対応した強さの縦電界を生成するとともに、前記第２の電極５と前記第１の電極４との間、つまり前記第２の電極５の各櫛歯部の縁部と、前記第１の電極４の前記第２の電極５の各櫛歯部間に対応する部分との間に、予め定めた強さの横電界を生成することにより、前記液晶層３の液晶分子３ａを前記スプレイ配向からベンド配向に転移させ、その後に、前記第２の電極５に前記信号線１３及びＴＦＴ６を介して画像データ信号を供給し、この第２の電極５と前記第３の電極１５との間に前記画像データに対応した駆動電界を生成させ、前記ベンド配向における前記液晶分子３ａの配向状態を制御して表示する。

図４は、前記起動時の液晶分子３ａの配向の変化を模式的に示した図であり、（ａ−１）及び（ａ−２）は、初期配向状態での、配向処理方向方向に沿った断面及び前記配向処理方向と直交する方向に沿った断面における液晶分子の配向状態を示し、（ｂ−１）及び（ｂ−２）は、配向転移過程の配向状態での、前記配向処理方向の方向に沿った断面及び前記配向処理方向と直交する方向に沿った断面における液晶分子の配向状態、（ｃ−１）及び（ｃ−２）は、配向転移後の配向状態での、配向処理方向に沿った断面及び前記配向処理方向と直交する方向に沿った断面における液晶分子の配向状態を示している。

この液晶表示素子において、起動時には、前記第２の電極５と第３の電極１５との間に前記縦電界と、前記第２の電極５と第１の電極４との間に前記横電界を印加する。この縦電界により、前記液晶分子３ａには、その液晶分子を基板面に対して立ち上がらそうとする力が働き、一対の基板１，２の内面に隣接する液晶分子は、前記配向膜１７，１８の配向規制力によって配向方向及びプレチルト角を維持し、液晶層の中間の液晶分子は、基板面に対して立ち上がろうとする。これと同時に、前記配向処理方向１ａ，２ａに対して直交する方向の前記横電界が印加されるので、前記液晶層の中間の液晶分子３ａは、前記配向処理の方向に対して交差する方向にねじる力が働き、前記中間層の液晶分子３ａは、基板１，２の内面に隣接する液晶分子３ａに対して捩られるように配列し始める。このように前記液晶分子３ａの配列が捩らされると、液晶層３の層厚方向に隣合う液晶分子相互の分子間力が弱くなるため、前記液晶分子が動きやすくなり、前記第２の電極５と第３の電極１５との間に印加される弱い縦電界により、前記液晶分子３ａが、前記転移補助電界に応じて容易に配向状態を変えることができるようになり、それぞれの基板１，２の近傍から液晶層３の層厚の中央部に向かって順次に基板１，２面に対する立上がり角が大きくなるように液晶分子が配列したベンド配向の状態が得られる。

そして、この液晶表示素子は、起動時に、液晶層３に前記縦電界と前記横電界とを印加するようにしているため、前記液晶層３の液晶分子３ａは、図４（ａ−１）及び（ａ−２）のスプレイ配向状態から、図４（ｂ−１）及び（ｂ−２）のように、前記捩れ配列とが複合した状態を経由した後、図４（ｃ−１）及び（ｃ−２）のように、前記一対の基板１，２の内面の前記配向処理方向１ａ，２ａに分子長軸を揃えたベンド配向状態になる。

すなわち、この液晶表示素子は、起動時の液晶分子３ａのスプレイ配向からベンド配向への転移を、前記縦電界と前記横電界とにより液晶分子３ａの配向状態を変化させて行なうものであり、この液晶表示素子によれば、スプレイ配向状態における液晶分子相互の分子間力が前記横電界による液晶分子の捩れ配列により小さくなるため、起動時の液晶分子３ａのスプレイ配向からベンド配向への転移を、短時間で且つ低電圧で行なうことができる。

これに比べて、対向する電極間に液晶層厚方向の縦電界のみをスプレイ配向状態の液晶層に印加することによりベント配向に配向を転移される従来のベンド配向型の液晶表示素子では、強い縦電界を必要とし、且つ配向の転移に長い時間を要していた。

なお、上記実施例では、起動時に液晶分子３ａを捩れ配列させるための横電界を生成する第１と第２の電極４，５のうち、第１の電極４を、少なくとも画素Ａの全域に対応させて形成し、第２の電極５を、前記第１の電極４を覆う層間絶縁膜１４の上に、櫛形導電膜５ａにより形成しているが、前記第１と第２の電極４，５の両方を互いに逆パターンの第１と第２の櫛形導電膜により形成し、その一方の電極の各櫛歯部と他方の電極の各櫛歯部とを、前記後基板１面に沿った方向に間隔を隔てて隣接させてもよく、その場合は、前記第１と第２の櫛形導電膜からなる第１と第２の電極をそれぞれ各画素Ａに対応させて設け、その両方の電極と他方の基板２に設けられた第３の電極１５との間に前記配向転移電界を生成するようにしてもよい。

また、上記実施例では、前記一対の基板１，２の一方の内面に、起動時に液晶分子３ａを捩れ配列させるための横電界を生成する電極４，５を設けているが、前記一対の基板１，２の両方の内面に、起動時に液晶分子３ａを捩れ配列させるための転移補助電界を生成する電極を設けてもよい。

さらに、上記実施例では、第２の電極４と第３の電極１５との間に縦電界と、第１電極４と第２の電極５との間に横電界を印加することによってベンド配向状態を形成する起動時における電界の印加状態を述べたが、その後の表示駆動状態においては、第１電極４と第２の電極５とを導電位にし、或いは第１電極４と第２の電極５の両方に、画像データに対応した表示信号を供給し、こけらの第１と第２の電極４，５と第３の電極との間の液晶層に画像データに応じた電界を印加するように駆動してもよい。

この発明の一実施例を示す液晶表示素子の一部分の断面図。 前記液晶表示素子の一方の基板の一部分の平面図。 前記液晶表示素子の一対の基板の内面の配向処理方向と一対の偏光板の透過軸の向きを示す図。 前記液晶表示素子の起動時の液晶分子の配向の変化を模式的に示した図。

符号の説明

１，２…基板、３…液晶層、３ａ…液晶分子、４…第１の電極、５…第２の電極、６…ＴＦＴ、１２…走査線、１３…信号線、１４…層間絶縁膜、１５…第３の電極、１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂ…カラーフィルタ、１７，１８…配向膜、１ａ，２ａ…配向処理方向、１９，２０…偏光板、１９ａ，２０ａ…透過軸、１１…静電気遮断導電膜。

Claims (4)

1. 第１の電極と第２の電極との間に設けられた液晶層における液晶分子の配向をスプレイ配向からベント配向へ転移させる配向転移方法であって、
   前記第２の電極に互いに平行に延伸する複数のスリットを設けるとともに、絶縁膜を介して前記複数のスリットを塞ぐように配置された第３の電極を前記液晶層との間に前記絶縁膜が介在するように設け、
   前記液晶層の液晶分子がスプレイ配向しているときに前記第２の電極と前記第３の電極との間に電圧を印加しながら前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより、前記スプレイ配向している液晶分子をベント配向へ転移させることを特徴とする配向転移方法。
2. 前記スリットは、スプレイ配向する液晶分子の配向方位に対して所定の角度で傾斜した方向に延伸するように設けることを特徴とする請求項１に記載の配向転移方法。
3. 前記スリットは、１つの画素に対応した領域内に対して複数設けることを特徴とする請求項１または２に記載の配向転移方法。
4. 前記複数のスリットは互いに隣接するスリット間の間隔が等しいことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の配向転移方法。

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