JP4822535B2

JP4822535B2 - 液晶表示装置及びそれを用いた端末装置

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Publication number: JP4822535B2
Application number: JP2006346659A
Authority: JP
Inventors: 伸一上原; 真也新岡
Original assignee: NLT Technologeies Ltd
Current assignee: Tianma Japan Ltd
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: JP2007193324A

Description

本発明は、液晶表示装置及び端末装置に関し、特に横電界駆動（In-Plane Switching：IPS）方式の液晶表示装置において、高い透過率を簡素な電極構成で実現可能な液晶表示装置及びそれを用いた端末装置に関する。

近時、薄型、軽量、小型、低消費電力等の利点から、液晶を使用した表示装置は、モニタ及びテレビジョン（ＴＶ：Television）等の大型の端末装置から、ノート型パーソナルコンピュータ、キャッシュディスペンサ及び自動販売機等の中型の端末装置、またパーソナルＴＶ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance：個人用情報端末）、携帯電話及び携帯ゲーム機等の小型の端末装置にまで広く搭載され、使用されている。この液晶表示装置の主要構成部品である液晶パネルは、液晶分子の配向状態を電界により制御して情報を表示するが、液晶分子の種類、初期配向状態及び電界の方向等の組み合わせにより多数のモードが提案されている。これらのモードのうち、従来の端末装置に最も良く使用されるモードには、単純マトリクス構造によるＳＴＮ（Super Twisted Nematic）モード及びアクティブマトリクス構造によるＴＮ（Twisted Nematic）モードがあるが、これらのモードの液晶パネルは階調を正しく視認できる角度範囲が狭く、最適な観察位置から外れると階調反転が発生してしまう。

この階調反転の問題は、表示内容が文字主体である端末装置、一例では電話番号程度のみ表示していた頃の携帯電話のような端末装置では大きな問題とならなかった。しかし、近年の技術進展により、端末装置が文字情報だけでなく画像情報も多く表示するようになったため、階調反転によって画像の視認性が著しく低下する点が問題になっている。このため、階調反転が発生せず階調を正しく視認できる視野角度範囲が広いモードの液晶パネルが、徐々に端末装置へ搭載されつつある。このようなモードの液晶パネルは、一般に広視野角液晶パネルと総称され、ＩＰＳ（イン・プレイン・スイッチング）方式等の横電界モード、マルチドメイン垂直配向モード、フィルム補償ＴＮモードが実用化されている。

これらの広視野角液晶パネルで採用されている広視野角モードのうちフィルム補償ＴＮモードは、ＴＮモードの液晶パネルに視野角補償フィルムを貼合して、視野角を改善したものである。そもそもＴＮモードの液晶パネルでは、電圧非印加時に液晶分子が基板と平行になるように配向させておく。ＴＮモードでは、一軸の正の屈折率異方性を有する液晶を使用するため、液晶分子の屈折率が大きな方向は、基板と平行になるよう配向されている。この状態に電圧を印加すると、液晶分子は基板と垂直方向に立ち上がるが、初期配向を決定する配向膜の配向規制力の影響により、基板界面付近は高い電圧を印加しても完全に立ち上がることはできず、基板に対して斜め方向を向くことになる。即ち、液晶分子の屈折率が大きな方向が、基板に対して斜めに配向した状態に存在することになる。ここで、液晶分子を屈折率の大きな方向から観察した場合、この方向が少しでも変動すると、液晶分子の見かけの屈折率が大きく変化することになり、この見かけの屈折率変化により視野角が狭くなってしまう。そこで、フィルム補償ＴＮモードでは、視野角補償フィルムがこの斜め方向に配向した液晶分子の見かけの屈折率変化を抑制する働きをする。この一例として、ディスコティック化合物を、この斜め方向に配向した液晶分子と対応するように配置した補償フィルムがある。この補償フィルムを用いると、電圧印加時の基板界面付近における液晶分子の影響を低減できるため、階調反転を抑制でき、視野角特性を改善することができる。

また、前述の広視野角モードのうちマルチドメイン垂直配向モードは、電圧非印加時に垂直配向状態を有し、電圧印加により液晶分子が基板界面と平行方向に傾く垂直配向モードの液晶パネルにおいて、この傾く方向が互いに補償し合うドメインを有する方式である。マルチドメイン化されていない垂直配向モードのように、電圧印加時に液晶分子が一方向のみに傾く場合には、前述のＴＮモードの電圧印加時と同様、斜め方向に配向した液晶分子の影響により視野角が狭くなる。そこで、マルチドメイン垂直配向モードでは、基板表面に凹凸を設ける等して、この傾く方向が互いに異なる複数のドメインが発生するようにしてある。即ち、ある方向に傾いた液晶分子は、他のドメインの異なる方向に傾いた液晶分子により光学的に補償され、視野角が改善される。

これらのフィルム補償ＴＮモード及びマルチドメイン垂直配向モードは、電圧印加時に液晶分子が斜めに傾くものの、この斜めに傾いた液晶分子の影響を光学的に補償して、視野角を改善するという点で共通している。

これに対し、ＩＰＳ方式などの横電界モードは、電圧を印加しても液晶分子は基板に対して斜め方向に傾くことがないため、原理的に広い視野角を有する。

図３４は、特許文献１に記載されている従来の第１の液晶表示装置に使用されるＩＰＳ方式の液晶パネルを模式的に示す断面図である。図３４に示すように、従来の第１の液晶パネル１３００は、一対の基板１２００及び１２０１の間に液晶分子１２０２が挟持され、基板１２０１の液晶分子側表面には、一対の電極１２０３、１２０４が配置されている。この一対の電極１２０３、１２０４は同層に形成されており、平行電極型の電極構造となっている。ここで、一対の基板１２００、１２０１の間の距離、即ちセルギャップをｄ、電極の幅をｗ、一対の電極の間の距離をＬとすれば、従来のＩＰＳ方式では、これらの寸法の関係が、Ｌ／ｄ＞１かつＬ／ｗ＞１を満たす。即ち、電極間距離はセルギャップより大きく、かつ電極幅より大きくなっている。なお、図中に示すように、電極１２０３、１２０４が配列する方向をＹ方向と定義し、基板１２００、１２０１が積層する方向をＺ方向と定義する。また、Ｘ方向をＹ方向及びＺ方向と直交する方向と定義し、夫々の正の方向を図中に示す方向とする。

このように構成された特許文献１に記載の従来の第１の液晶パネルにおいては、一対の電極１２０３、１２０４に異なる電圧を印加することにより、この一対の電極１２０３、１２０４の間に横電界Ｅが発生する。この横電界Ｅにより、一対の電極１２０３、１２０４の間に位置する液晶分子が駆動される。このとき、液晶分子はＸＹ平面内で回転しＺ方向に立ち上がることがないため、使用者は液晶分子をその屈折率異方性が大きな方向から観察することがない。即ち、前述のフィルム補償ＴＮモード及びマルチドメイン垂直配向モードが斜め方向に立ち上がった液晶分子の影響を低減して視野角特性を改善する方式であるのに対し、ＩＰＳ方式は原理的に液晶分子が斜め方向に立ち上がることがないため、非常に優れた視野角特性を有することになる。

図３５は、特許文献１に記載されている従来の第２の液晶表示装置に使用される液晶パネルを模式的に示す断面図である。この従来の第２の液晶パネルは、ＩＰＳ方式の改良形であるフリンジフィールド・スイッチング（Fringe-Field Switching：ＦＦＳ）方式の液晶パネルである。図３５に示すように、従来の第２の液晶パネル２３００は、一対の基板２２００及び２２０１の間に液晶分子２２０２が挟持され、基板２２０１の液晶分子側表面には、基板２２０１側から電極２２０４が形成され、この電極２２０４の液晶側には絶縁層２２０５が積層され、更にその上に他方の電極２２０３が形成されている。電極２２０３が前述の従来の第１の液晶パネルに記載の電極と同様、櫛歯状であるのに対し、電極２２０４は櫛歯状にパターン化されていない。前述の従来の第１の液晶パネルと同様、基板２２００、２２０１の間の距離、即ちセルギャップをｄ、電極２２０３の幅をｗ、電極２２０３と電極２２０４との間の距離をＬとすれば、ＦＦＳ方式の液晶パネルでは、Ｌ／ｄ＝０かつＬ／ｗ＝０が成立する。即ち、２種類の電極が異なる層で形成され、具体的には電極２２０４の上に絶縁層２２０５を介して櫛歯状の電極２２０３が積層されているために、電極間距離Ｌが０になっている。

このように構成された特許文献１に記載の従来の第２の液晶パネルにおいては、電極２２０３、２２０４に異なる電圧を印加することにより、この電極２２０３、２２０４の間に横電界Ｅが発生するが、この電界の方向は前述の第１の液晶パネルの場合と比較すると、電極構成の違いにより異なるものとなる。即ち、ＩＰＳ方式である前述の第１の液晶パネルでは、電極１２０３、１２０４がＺ方向から見てＹ方向に平行に配置された平行電極型構造を有するため電界方向はＹ方向であるが、このＦＦＳ方式では電極２２０３、２２０４がＺ方向に積層された積層電極型構造を有するため、Ｙ方向に加えて、特に電極２２０３の縁の近傍で基板面に垂直な方向であるＺ方向にも強い電界成分を持っている。

その結果、ＩＰＳ方式では電極１２０３、１２０４間に位置する液晶分子１２０２は駆動されても電極の上方に位置する液晶分子はほとんど駆動されないが、ＦＦＳ方式の場合、電極２２０３間に位置する液晶分子は勿論のこと、電極２２０３の上方に位置する液晶分子２２０２も駆動されることになる。したがって、ＦＦＳ方式においては、電極をインジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide、以下、ＩＴＯと略記する）等の透明導電膜で形成すれば、電極の部分も表示に寄与させることができ、同じ条件のＩＰＳ方式の液晶パネルに比べて透過率を大きくできるという利点がある。

なお、このＦＦＳ方式の別の電極構造として、図３５に記載のように積層電極型の構造にせず、図３４に記載のように同層で構成した平行電極型の構造で、特にＬ／ｄ＜１かつＬ／ｗ＜１、即ちセルギャップ及び電極幅よりも電極間距離を小さくすることにより、同様の効果を得られることが記載されている。

特開２００２−２９６６１１号公報

しかしながら、前述の従来の液晶表示装置には、以下に示すような問題点がある。即ち、従来のＩＰＳ方式においては、前述のように電極上の液晶分子を駆動できないため、液晶パネルの透過率が低下してしまう。また、従来の電極積層型のＦＦＳ方式においては、従来のＩＰＳ方式と異なり電極上の液晶分子も駆動できるものの、電極構成が複雑で作製プロセス数が増加するため、コストが上昇してしまう。これらの問題、即ち透過率の低下や作製プロセス数の増加に起因する高コスト化は、特に中小型の端末装置に搭載する際に大きな問題となる。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、特に横電界駆動（In-Plane Switching：IPS）方式の液晶表示装置において、高い透過率を簡素な電極構成で実現可能な液晶表示装置及びそれを用いた端末装置を提供することを目的とする。

本発明に係る液晶表示装置は、少なくとも平行電極対を有する基板と、この基板上に配置された液晶層と、を有し、前記平行電極対を構成する電極の幅と間隔との合計値が、前記液晶層の厚さの半分以下であり、前記液晶層の液晶分子は前記平行電極対で発生する電界により駆動され、電極上の電界は、横電界成分よりも縦電界成分が大きく、かつ、電極間の電界は、横電界成分よりも縦電界成分が小さく、前記電極上及び前記電極間において前記基板近傍から離れた領域の液晶分子のダイレクタ方向が、それぞれ、前記電極上及び前記電極間の電界方向とは異なる領域を有し、この領域が液晶層の厚みの半分以上であるとともに、前記液晶層の厚み方向中央領域より対向基板側において、前記電極間上の電界方向が前記基板面に垂直な方向である電界領域が存在する横電界駆動方式の液晶表示装置において、前記平行電極対の電極幅を前記液晶層の厚さより小さくすることにより電極上の横電界を大きくすることで、前記電極上の液晶分子が前記電極間の液晶分子と同様に配向変化するように構成し、かつ、前記液晶分子のツイスト弾性定数を同液晶分子のベンド弾性定数よりも小さくすることにより前記電極上での前記横電界による前記液晶分子のツイスト変形の減衰を小さくすることで、前記平行電極対で発生する電界により前記電極間の前記基板近傍の液晶分子がツイスト変形したときに、このツイスト変形に追従して前記電極上の液晶分子及び前記電極間上において前記基板近傍から前記液晶層の厚み方向に離れた領域の液晶分子に前記電極間の液晶分子と同様のツイスト変形をさせるように構成し、前記平行電極対は、横方向に隣接する画素を分離する画素分離方向に平行に延びるように形成されるとともに当該画素分離方向と垂直な方向に配列され、さらに、前記平行電極対の電極配列方向に対して、前記液晶層を有する各画素の像を光学的に拡大する画素拡大手段を有し、前記平行電極対を構成する画素電極及び共通電極の末端部には、逆回転ドメイン防止構造としてラビング方向と垂直な電極部が形成されている、ことを特徴とする。

本発明においては、電圧印加時に電極上の液晶分子を電極間の液晶分子と同様に配向変化させることができるため、特に電極上の透過率を向上でき、電極間の透過率を含めた液晶表示装置の透過率を大きくすることができる。更に、電極上のみならず、電極間においても、電極近傍の透過率を高めることができる。この効果は、特に電極幅が液晶層の厚さ以上である従来の平行電極型のＩＰＳ方式と比べて大きいため、透過率の高い横電界モードの液晶表示装置が実現できる。更にまた、本発明の液晶表示装置では電極間の液晶配向変化に追従させて電極上の液晶を配向変化させているため、液晶分子の立ち上がりを抑制できる。この結果、視野角特性を向上することができる。

また、前記平行電極対を構成する電極の間の距離が、この電極の幅以上であることが好ましい。これにより、平行電極対により発生する電界に占める電極配列方向の割合を向上できるため、低電圧駆動が可能となる。

また、液晶分子のツイスト弾性定数はベンド弾性定数よりも小さいことで、電界により配向変化させられた電極間の液晶分子に追従して電極上の液晶分子がより配向変化し易くなるため、電極上及び電極近傍の液晶層の透過率をより効率的に向上できる。

また、前記液晶層の液晶分子は、誘電率異方性が正であってもよく、前記平行電極対を構成する電極の上の液晶層において、この平行電極対に電界が発生した際の液晶分子のダイレクタ方向が、前記平行電極対を構成する電極の配列方向である液晶分子が存在することが好ましい。これにより、電極上の液晶層の透過率をより効果的に向上できる。

また、前記液晶層の液晶分子は、誘電率異方性が負であってもよい。誘電率異方性が負であるネガ型の液晶分子は電界と直交する方向に配向変化するため、ポジ型の液晶分子を使用した場合よりも縦電界への追従を防止でき、ＸＹ平面内での回転をより容易にできる。これにより、ポジ型液晶と比較して電極上の透過率を大幅に向上でき、この結果として電極間の透過率を含めた液晶表示装置の透過率を大きくできる。更に、液晶分子の立ち上がりを抑制できるため、視野角特性を向上することができる。

更にまた、前記平行電極対を構成する電極の上の液晶層において、この平行電極対に電界が発生した際の液晶分子のダイレクタ方向が、前記平行電極対を構成する電極の長手方向である液晶分子が存在することが好ましい。これにより、誘電率異方性が負の液晶を用いた液晶表示装置において、特に電極上の透過率を向上できる。

また、前記平行電極対が同層に形成されていてもよい。これにより、電極を積層する製造プロセスが不要になるため、液晶表示装置の低コスト化が可能になる。

また、前記平行電極対の液晶層側、及びこの平行電極対を構成する電極の間にオーバーコート層を有していてもよい。これにより、電極に起因する凹凸を低減できるので、電極ピッチを小さくしても配向性を損なうことがなく、高いコントラスト比が実現できる。

また、前記平行電極対を構成する電極の間に平坦化層を有していてもよい。これにより、電極間の隙間が平坦化層により埋められて平坦化されるため、上述のオーバーコートを設けた場合と同様に配向性を向上できるだけでなく、電極上には平坦化層が設けられていないため、駆動電圧を低減することができる。

また、前記平行電極対は透明導電体から構成されていてもよい。これにより、特に電極上の透過率を高めるという本発明の効果の一部を享受することができる。

また、前記平行電極対は金属から構成されていてもよい。これにより、電極の細線化が容易になり、かつ電極近傍領域の透過率を向上できるので、液晶表示装置の透過率を向上することができる。

更に、前記平行電極対における前記液晶層側の表面に反射低減手段を設けることもできる。これにより、外光が金属面で反射されることにより、表示品質が低下する問題を解決することができる。

更にまた、前記平行電極対の電極幅が１μｍ以下であることが好ましい。これにより、電極上の液晶分子の配向を電極間の液晶分子の配向と同様にできるため、透過率をより高めることができる。

また、前記液晶表示装置はノーマリホワイトモードで動作してもよい。本発明においては、液晶層が均一な配向を有する位相差板として作用するため、黒表示時の光漏れを抑制し、表示のコントラスト比を大幅に向上することができる。

また、前記平行電極対の電極配列方向に対して、前記液晶層を有する各画素の像を光学的に拡大する画素拡大手段を有している。本発明においては、液晶層が均一な配向を有し面内の透過率変動が抑制されているため、画素拡大手段により拡大した画素の像も均一な明るさが実現でき、高画質化が可能となる。これにより、高画質な立体画像表示装置やマルチ画面表示装置、光利用効率を向上した明るい液晶表示装置が実現できる。

本発明においては、従来の方式よりも、より多くの液晶分子をツイスト変形させることができ、特に前記基板から離れた領域の液晶分子をより効果的にツイスト変形させることができるため、従来よりも高い透過率が実現できる。

本発明においては、液晶層の配向手段によるアンカリング力が最も弱くなる液晶層の厚み中央付近の電界が弱電界化されているため、液晶分子はより自由に動くことができ、液晶層をより効率的にツイスト変形することが可能となり、更に高い透過率を実現することができる。また、液晶分子の基板面垂直方向への立ち上がりも抑制できるため、視野角特性を向上することができる。更には、液晶層を均一にツイスト変形させることができるため、面内の位相差分布が均一な位相差板が実現できる。

また、前記平行電極対を構成する電極の幅と間隔との合計値が、前記液晶層の厚さの半分以下であり、前記液晶層の厚み方向中央領域より対向基板側において、電極間上の電界方向が前記基板面に垂直な方向である電界領域が存在している。本発明による電界構造を平行電極対構造を用いて生成することにより、液晶層の対向基板付近においては、電極上だけでなく電極間上においても垂直電界を生成することができる。この結果、元々存在していた電極上の垂直電界と等電位線がつながり、複数の電極上に跨る等電位線を生成することができる。そして、液晶層の厚み方向中央付近に弱電界層を導入でき、液晶層の対向基板側半分以上において、ツイスト変形をより容易にすることができる。

更にまた、前記平行電極対の電極幅が０．５μｍ以下であることが好ましい。これにより、本発明において液晶層の厚みを５μｍ程度以内の範囲に設定するのが可能となり、配向手段のアンカリングエネルギーを配向変形に有効に作用させることが可能となるため、応答時間、特にオフ時の応答時間を改善することができる。

更にまた、前記平行電極対に逆回転ドメイン防止構造が形成されている。これにより、平行電極対の末端部に起因する液晶分子の望ましくない配向変形が発生し、平行電極対全体に伝搬する現象を抑制することができ、安定なツイスト変形を実現することができる。

また、この端末装置は、携帯電話、個人用情報端末、ゲーム機、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ビデオプレーヤ、ノート型パーソナルコンピュータ、キャッシュディスペンサ又は自動販売機であってもよい。

本発明によれば、平行電極対を有するＩＰＳ方式の液晶表示装置において、前記平行電極対の電極幅を前記液晶層の厚さより小さく形成し、前記平行電極対で発生する電界により前記電極間の液晶分子が配向変化し、この配向変化に追従して電極上の液晶分子が前記電極間の液晶分子と同様に配向変化し、この電極上の液晶分子のダイレクタ方向が電極上の電界と異なる方向とすることにより、電極上の透過率及び電極近傍の透過率を向上でき、これにより簡素な電極構成で液晶表示装置の透過率を向上できる。

以下、本発明の実施形態に係る液晶表示装置及びそれを用いた端末装置について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置及びそれを用いた端末装置について説明する。図１は本実施形態に係る液晶表示装置の電圧印加時の状態を示す断面図であり、図２はその構成要素である画素電極及び共通電極間に電圧を印加しないときの液晶分子の配向状態を示す断面図であり、図３は本実施形態に係る液晶表示装置を搭載した端末装置を示す斜視図である。

図１に示すように、本第１実施形態に係る液晶表示装置１は、主基板２ａと対向基板２ｂが微小な間隙を設けて対向配置され、この主基板２ａの対向基板２ｂ側の表面には、画素電極３ａと共通電極３ｂの２種類の電極が形成されている。これら２種類の電極は櫛歯状に形成され、この櫛歯の長手方向に対して直交する方向（図１中横方向）に、画素電極３ａと共通電極３ｂが交互に配置されている。これらの電極は、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）等の透明導電体により構成されている。更にその対向基板２ｂ側には、液晶分子を初期配向するための配向膜４が形成されている。同様に、対向基板２ｂの主基板２ａ側の表面にも、配向膜４が形成されている。主基板２ａと対向基板２ｂとの間には、誘電率異方性が正であるポジ型液晶分子５１からなる層が挟持されている。主基板２ａと対向基板２ｂとの間隙、即ちポジ型液晶分子５１からなる層の厚さは一例として３μｍに設定されている。液晶分子からなる層の厚さを本実施形態ではセルギャップと称する。なお、実際の液晶表示装置においては、液晶表示装置１の両面側に偏光板が設けられるが、図１においては省略してある。

なお、本明細書においては、便宜上、以下のようにＸＹＺ直交座標系を設定する。主基板２ａから対向基板２ｂに向かう方向を＋Ｚ方向とし、その反対方向を−Ｚ方向とする。＋Ｚ方向及び−Ｚ方向を総称してＺ軸方向という。また、図１の横方向をＹ軸方向とし、特に右方向を＋Ｙ方向とし、その反対方向を−Ｙ方向とする。そして、＋Ｘ方向は、右手座標系が成立する方向とする。即ち、人の右手の親指を＋Ｘ方向、人差指を＋Ｙ方向に向けたとき、中指は＋Ｚ方向を向くようにする。

上述の如くＸＹＺ直交座標系を設定すると、画素電極３ａと共通電極３ｂが交互に配置される方向はＹ軸方向となる。また、画素電極３ａ又は共通電極３ｂが延びる方向、即ち櫛歯状電極の櫛歯長手方向はＸ軸方向となる。また、液晶表示装置１の表示面はＸＹ平面になる。

画素電極３ａ及び共通電極３ｂの幅、即ち電極幅は、一例として夫々１μｍとなるように形成されている。また、画素電極３ａと共通電極３ｂとの間隔、即ち電極間距離は、一例として６μｍに設定されている。上述のように、本実施形態でのセルギャップは３μｍに設定されているため、本実施形態では電極幅がセルギャップより小さく設定されていることになる。

前述のように、特許文献１に記載されている従来の第１の液晶表示装置に使用されるＩＰＳ方式では、電極構造が平行電極型であり、Ｌ／ｄ＞１かつＬ／ｗ＞１、即ち電極間距離はセルギャップより大きく、かつ電極間距離は電極幅より大きいものと規定されているが、本実施形態では特にｗ／ｄ＜１、即ち電極幅がセルギャップより小さいという関係を満たすものである。

また、特許文献１に記載されている従来の第２の液晶表示装置に使用されるＦＦＳ方式において、特に積層電極型の構造を有する方式に対しては、本実施形態は平行電極型の構造を有するために、電極構造が異なっている。また、ＦＦＳ方式において特に平行電極型の構造を有する方式に対しては、前述のように平行電極型のＦＦＳ方式がＬ／ｄ＜１かつＬ／ｗ＜１、即ち電極間距離がセルギャップ及び電極幅よりも小さいものとして規定されており、本実施形態では電極間距離がセルギャップ及び電極幅より大きく、特に電極幅がセルギャップより小さい点が異なる。

電界に応じて液晶分子の集団が変形するとき、広がり（splay：スプレイ）、ねじり（twist：ツイスト）、曲がり（bend：ベンド）の夫々の歪みに対するスプレイ弾性定数Ｋ１１、ツイスト弾性定数Ｋ２２、及びベンド弾性定数Ｋ３３に応じて弾性力が作用する。

ポジ型液晶分子５１は、一例として、波長５５０ｎｍにおける屈折率異方性Δｎが０．１、誘電率異方性Δεが１４、液晶の配向ベクトルに平行な方向の誘電率が１８．４、弾性定数がＫ１１＝１１．３[ｐＮ]（ピコニュートン）、Ｋ２２＝６．９[ｐＮ]、Ｋ３３＝１１．６[ｐＮ]なる物性値を有する。この液晶分子は、ツイスト弾性定数Ｋ２２がベンド弾性定数Ｋ３３よりも小さく、ツイスト変形が容易となっている。

図２に示すように、このポジ型液晶分子５１の配向状態は、画素電極３ａ及び共通電極３ｂ間に電圧を印加しない初期状態において、液晶分子の長軸方向がほぼＸ軸方向となるよう配向処理されている。なお、上述の偏光板は、液晶表示装置１の両面側に配置された２枚のうち１枚が、その吸収軸を液晶分子の長軸方向に合わせて配置され、この偏光板と吸収軸が直交配置するようにして、もう１枚の偏光板が配置されている。

共通電極３ｂと画素電極３ａとの間に±５Ｖ・６０Ｈｚの矩形波である電圧を印加した場合のポジ型液晶分子５１の配向状態は、図１に示すように、電極間の主基板２ａ又は対向基板２ｂの界面付近では、配向処理によるアンカリング効果のため、ほぼＸ軸方向に配向しているが、基板界面から離れるに従い、平行電極により発生する横電界の方向に従って、Ｙ軸方向に配向変化している。一方で、電極上の液晶配向状態は、対向基板２ｂの界面付近では電極間と同様に初期配向のままであるが、対向基板２ｂから離れるに従い電極間と同様にＹ軸方向に配向している。主基板２ａの画素電極３ａ又は共通電極３ｂ付近では、多少Ｚ軸方向への立ち上がりが見られるものの、その部分の液晶層の厚さは１μｍよりも小さい。

即ち、特許文献１に記載されている従来の第１の液晶表示装置に使用されるＩＰＳ方式では、前述のように、電極の上方に位置する液晶分子はほとんど駆動されないのに対して、本実施形態での電極上の液晶分子は、電極間の液晶分子の配向方向と同様に、Ｙ軸方向に配向変化する点が異なる。

また、特許文献１に記載されている従来の第２の液晶表示装置に使用されるＦＦＳ方式では、平行電極型においても、また積層電極型においても、小さな電極間距離により発生したＺ方向の強い電界成分によって電極上の液晶分子を配向変化させているが、本実施形態での電極上の液晶分子は、その大部分が電極間の液晶分子の配向変化に追従して、Ｙ軸方向に配向変化している。

図３に示すように、この液晶表示装置１は、例えば、携帯電話９に搭載される。

次に、上述の如く構成された本実施形態に係る液晶表示装置の動作、即ち、本実施形態に係る液晶表示装置の光変調動作について説明する。図４は、共通電極と画素電極との間に電圧を印加しない場合の液晶表示装置の透過率分布を示すための顕微鏡写真であり、図５は、共通電極と画素電極との間に±５Ｖ・６０Ｈｚの矩形波電圧を印加した場合の液晶表示装置の透過率分布を示すための顕微鏡写真であり、図６は、電極間中央部の直径１μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフであり、図７は、電極上の直径１μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフであり、図８は、この液晶表示装置の電圧印加時の動作原理について解析するため、液晶配向と電界分布、透過率分布をシミュレーションした結果であり、図９は、図８のシミュレーション結果における電極上の液晶配向を示した拡大図であり、図１０は電極上及び電極間を含めた直径１００μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。

図４に示すように、共通電極と画素電極との間に電圧を印加しないときには、液晶分子の長軸方向が偏光板の吸収軸方向と一致し、かつ２枚の偏光板が吸収軸を直交して配置されているため、透過率が非常に小さい、いわゆる黒状態となる。

次に、図５に示すように、共通電極と画素電極との間に電圧を印加した場合には、透過率が大きくなる白状態となるが、本実施形態では電極間の領域だけでなく、特に電極上の領域も透過率が上昇している点が特徴である。この透過率の値について検討するため、電極間中央部の直径１μｍの領域において、電圧−透過率特性を測定した結果が図６のグラフであり、同様に電極上の直径１μｍの領域において、電圧−透過率特性を測定した結果が図７のグラフである。透過率の値は、偏光板の光学特性の影響を排除するため、２枚の偏光板の吸収軸を平行配置した場合を１００％と定義してある。夫々、電圧は０Ｖから５Ｖまでを印加している。電極間中央部では、電圧４．５Ｖにおいて最大透過率６４％が得られている。また、電極上では、同様に電圧４．５Ｖにおいて最大透過率４７％が得られている。この電極上の透過率の値は、従来の電極幅が大きなＩＰＳ方式よりも大きな値となっている。

電極上の透過率が電圧印加により上昇するためには、電極上の液晶分子の配向方向が、電圧印加により透過率を上昇するように配向変化する必要がある。具体的には、電極間の液晶分子のように、液晶分子の配向ベクトルの向きがＹ軸方向となるように配向変化していればよい。そこで、この電極上の液晶分子の配向変化について解析するため、市販の液晶配向シミュレータを使用して、液晶分子の挙動と電界分布を検証した。この結果を図８に示すが、これは特にＹＺ平面について示したものである。また、電界分布は電位の等しい等電位線を示している。図８に示すように、電極間の特に電極間中央付近では、電界の向きはＹ軸方向となるため、液晶分子はＹ軸方向に大きく回転している。なお、電極間領域の基板付近では、配向処理によるアンカリング効果のため、液晶分子がＹ軸方向に回転しない液晶分子が発生するものの、Ｚ軸方向に対するその割合は非常に小さい。一方で、電極上の領域に着目すると、電界はほぼ＋Ｚ方向となっているため、電極のごく近傍の液晶分子は発生したＺ軸方向の縦電界により若干立ち上がりを見せているが（図９参照）、その角度とＺ軸方向に対する割合は小さい。大部分の液晶分子は、電界の方向に従わずに、電極間の液晶分子と同様、Ｙ軸方向に大きく回転していることがわかる。即ち、電極上の電極近傍以外の領域では、液晶分子がＺ軸方向の縦電界方向に配向変化せず、電極間の液晶分子配向に追従してＹ軸方向に回転している。この結果、電極上の透過率が上昇することになる。

電極上の液晶分子が、縦電界に反して電極間の液晶配向に追従する理由としては、まず電極幅がセルギャップより小さい点が挙げられる。これにより電極上の液晶分子は、基板界面に接する領域よりも、電極間の液晶分子に接する領域が大きくなるため、基板界面の初期配向に束縛されるよりも、電極間の液晶配向に追従し易くなる。前述のように、特許文献１に記載の従来のＩＰＳ方式では、電極上の液晶分子は、電圧を印加しても初期配向からほとんど配向変化しないが、これは基板界面の束縛の方が大きいためと考えられる。本実施形態では、電極幅がセルギャップより小さく形成されることで、基板界面の束縛が相対的に低下し、電極間の液晶配向に追従し易くなっている。

即ち、電極上の液晶分子は、電界に反して初期配向に留まるよりも、電界に反して電極間の液晶配向に追従してツイスト変形する方が、エネルギー的に安定であることを示している。

更に、電極上の液晶分子が電極間の液晶配向に追従することにより、従来のＩＰＳと比較して電極近傍の液晶分子もツイスト変形し易くなるため、電極間の透過率を向上する効果も得られる。

なお、本実施形態におけるポジ型液晶分子５１のように、液晶分子のツイスト弾性定数Ｋ２２をベンド弾性定数Ｋ３３よりも小さくすることで、ツイスト変形時の自由エネルギーを小さくできるため、電極上の液晶分子は、電極間の液晶分子に追従してよりツイスト変形し易くなる。これにより、電極上の液晶層の透過率をより効率的に向上できる。

なお、図１０に示すように、本実施形態での最大透過率は５６％となっており、後述する本発明の第１比較例に示す従来のＩＰＳ方式と比較して、１．３倍程度透過率が向上している。

本発明の液晶表示装置によれば、櫛歯状の平行電極を有する横電界モードの液晶表示装置において、電圧印加時に電極上の液晶分子を電極間の液晶分子と同様に配向変化させることができるため、特に電極上の透過率を向上でき、電極間の透過率を含めた液晶表示装置の透過率を大きくすることができる。更に、電極上のみならず、電極間においても、電極近傍の透過率を高めることができる。この効果は、特に電極幅がセルギャップ以上である従来の平行電極型のＩＰＳ方式と比べて大きいため、透過率の高い横電界モードの液晶表示装置が実現できる。

また、特に従来の積層電極型のＦＦＳ方式と比較した場合、本発明の液晶表示装置は電極を積層しない平行電極型の構造で透過率を高めることができる。これにより、複雑な積層プロセスを使用せずに実現できるため、液晶表示装置の低コスト化が可能になる。

また、特に従来の平行電極型のＦＦＳ方式と比較した場合、本発明の液晶表示装置は、画素電極と共通電極との間を大きく設けることができるため、両電極間の短絡の発生確率を低減でき、高歩留まりでの製造が可能となる。

更に、積層電極型又は平行電極型いずれのＦＦＳ方式においても、小さな電極間距離により発生したＺ方向の強い電界成分によって電極上の液晶分子を配向変化させているのに対して、本発明の液晶表示装置では電極間の液晶配向変化に追従させて電極上の液晶を配向変化させているため、液晶分子のＺ軸方向への立ち上がりを抑制できる。この結果、ＦＦＳ方式と比較して、液晶分子の斜め方向への立ち上がりが抑制できるため、視野角特性を向上することができる。

更にまた、本発明の液晶表示装置では、電極間の液晶分子と電極上の液晶分子の配向方向を揃えることができるため、Ｙ軸方向の屈折率分布を低減でき、これにより回折の発生を抑制できる。回折により斜め方向に進行する光はコントラストを低下させてしまうため、この回折現象を抑制できることにより、高コントラスト化など視野角特性を向上できる。

本発明の液晶表示装置を具備した携帯端末装置は、液晶表示装置の透過率が高いため、高輝度な表示が可能となる。また、従来程度の輝度で使用した場合には、バックライトの光量を抑えることができるため、電力の削減が可能となる。更に、従来程度の輝度で、従来程度の電力が使用できれば、透過率の向上を画素数の増加に振り向けることができるため、より多くの情報を表示できる。これは特に、画面サイズが限定される携帯端末装置に適する。

なお、本実施形態の液晶表示装置は、画素電極及び共通電極がＩＴＯ等の透明導電体により構成される例について記載したが、本発明はこれに限定されず、光学的に不透明な金属で構成されていても良い。一般的にアルミニウム等の金属はＩＴＯよりも加工性が高いため、電極の微細化が容易になる。一方で、電極が不透明化されることにより、電極上の配向が透過率向上に寄与する割合は若干低下するものの、前述のように電極近傍領域でも微細化により透過率を向上する効果が得られるため、総合すると透過率を向上することができる。なお、このように金属で電極を形成する際には電極幅を可能な限り小さくする方が良く、特に１μｍ未満にするのが好ましい。

また、本実施形態の液晶表示装置では、液晶分子の基板側界面に配向膜を有するものとして記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、液晶分子が所定の方向に配向するように処理されていれば不要となるため、本発明の必須の構成要件ではない。

また、本実施形態の液晶表示装置では、画素電極及び共通電極が同層に形成された場合について記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、平行電極型であれば異なる層に形成されていてもよく、またこの異なる電極層の間に絶縁層が形成されていてもよい。特に、アクティブマトリクス型に適用する際には、画素の薄膜トランジスタを形成するゲート電極と、ソース又はドレイン電極を用いて画素電極及び共通電極を形成することができ、平行電極用に新たな層を設ける必要がないため、低コスト化が可能となる。

また、画素電極及び共通電極は、その長手方向がＸ軸方向であるものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｘ軸方向に対して傾斜して配置されていてもよいし、この傾斜がＸ軸上の座標により異なる値を有してマルチドメイン化されていても良い。

前述のように、本発明の液晶表示装置は、携帯電話等の携帯端末装置に好適に適用することができる。携帯端末装置としては携帯電話のみならず、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant：個人用情報端末）、ゲーム機、デジタルカメラ及びデジタルビデオカメラ等の各種の携帯端末装置に適用することができる。また、携帯端末装置のみならず、ノート型パーソナルコンピュータ、キャッシュディスペンサ、自動販売機等の各種の端末装置に適用することができる。

次に、本発明の液晶表示装置に対する第１の比較例について説明する。図１１は本比較例に係る液晶表示装置の電圧印加時の状態を示す断面図であり、図１２は、共通電極と画素電極との間に±５Ｖ・６０Ｈｚの矩形波電圧を印加した場合の本比較例の液晶表示装置の透過率分布を示すための顕微鏡写真であり、図１３は、電極間中央部の直径１μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフであり、図１４は、電極上の直径１μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフであり、図１５は、この液晶表示装置の電圧印加時の動作原理について解析するため、液晶配向と電界分布、透過率分布をシミュレーションした結果であり、図１６は、図１５のシミュレーション結果における電極上の液晶配向を示した拡大図であり、図１７は電極上及び電極間を含めた直径１００μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。

図１１に示すように、本第１比較例に示す液晶表示装置１１は、本第１実施形態における液晶表示装置１と比較して、電極幅が大きく設定されている点が異なる。即ち、本第１実施形態では、画素電極３ａ及び共通電極３ｂの電極幅が１μｍであったのに対し、本第１比較例では、画素電極３１ａ及び共通電極３１ｂの電極幅が３μｍに形成されている。なお、セルギャップの値は本第１実施形態と同様に３μｍに設定されているため、本比較例では電極幅とセルギャップが同じになっている。

更に、電圧印加時におけるポジ型液晶分子５１の配向状態は、電極間の主基板２ａ又は対向基板２ｂの界面付近では、配向処理によるアンカリング効果のため、ほぼＸ軸方向に配向しているが、基板界面から離れるに従い、平行電極により発生する横電界の方向に従って、Ｙ軸方向に配向変化している。この点では、本第１実施形態と同様である。一方で、電極上の液晶配向状態は、対向基板２ｂの界面付近では電極間と同様に初期配向のままであり、対向基板２ｂから離れてもＹ軸方向に配向せず、初期配向の状態を保っている。即ち、本第１実施形態では、電極上の液晶分子が対向基板２ｂから離れた部分ではＹ軸方向に配向変化していたのに対し、本比較例ではＹ軸方向に変化していない点が異なる。本比較例における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。

本第１比較例は、特許文献１に記載されている従来の第１の液晶表示装置に使用されているＩＰＳ方式と同様である。即ち、電極幅がセルギャップ以上の値を有し、電極の上方に位置する液晶分子はほとんど駆動されていない場合を示すものである。

次に、上述の如く構成された本第１比較例に係る液晶表示装置の動作について説明する。図１２に示すように、共通電極と画素電極との間に電圧を印加した場合には、透過率が大きくなる白状態となるが、本比較例では電極間の領域は透過率が大きくなり、写真では明るく観察されるものの、電極上の領域は暗くなっており、透過率が大きく低下していると考えられる。そこで、この透過率の値について検討するため、電極間中央部の直径１μｍの領域において、電圧−透過率特性を測定した結果が図１３のグラフであり、同様に電極上の直径１μｍの領域において、電圧−透過率特性を測定した結果が図１４のグラフである。夫々電圧は０Ｖから５Ｖまでを印加している。電極間中央部では、電圧４．１Ｖにおいて最大透過率５９％が得られている。これに対して、電極上では、同様に電圧４．１Ｖにおいて透過率は最大となり、その値は２４％に留まっている。即ち、電極間の透過率の値は、本第１実施形態とほぼ同等の結果が得られているにもかかわらず、電極上の透過率の値は大幅に低下している。

次に、電極上の透過率低下について検討するため、市販の液晶配向シミュレータを使用して、液晶分子の配向、電界分布、透過率分布を解析した。この結果を図１５に示す。また図１６は、図１５の結果において、特に電極上の液晶配向を拡大したものである。図１５に示すように、電極間の特に電極間中央付近では、電界の向きはＹ軸方向となるため、液晶分子はＹ軸方向に大きく回転しており、この結果透過率は向上している。一方で、電極上の領域では透過率が低下しているが、これは図１６に示すように、電極上の液晶分子が電極間の配向変化に殆ど追従せず、初期配向を保っていることが理由である。即ち、従来のＩＰＳ方式では、電極の上方に位置する液晶分子が殆ど駆動されず、この結果電極上の透過率が上昇していないことがわかる。

更に、図１７に示すように、電極上及び電極間を含めた最大透過率は４４％となっており、本第１実施形態と比較して１．３分の１に低下している。このように、従来のＩＰＳ方式では、電極上の液晶分子が透過率向上に寄与しないため、液晶表示装置の透過率が低下することが確認できた。

次に、本発明の液晶表示装置に対する第２の比較例について説明する。図１８は、本比較例の液晶表示装置について、電極上及び電極間を含めた直径１００μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。

本第２比較例では、本第１比較例と比べて、電極幅が更に大きく設定されている点が異なる。即ち、本第１比較例における電極幅は３μｍであったのに対し、本第２比較例では６μｍとなっている。本比較例における上記以外の構成は、前述の第１比較例と同様である。

本比較例においては、図１８に示すように、最大透過率が３９％に低下している。即ち、セルギャップに対する電極幅を大きくする程、透過率は低下することがわかる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。図１９は本実施形態に係る液晶表示装置の電圧印加時の状態を示す断面図であり、図２０はその構成要素である画素電極及び共通電極間に電圧を印加しないときの液晶分子の配向状態を示す断面図であり、図２１は電極上及び電極間を含めた直径１００μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。

図１９に示すように、本第２実施形態に示す液晶表示装置１２においては、本第１実施形態における液晶表示装置１と比較して、幅１μｍである画素電極３ａと共通電極３ｂの代わりに、幅が１．５μｍである画素電極３２ａと共通電極３２ｂが使用されている。また、画素電極３２ａと共通電極３２ｂとの間の間隔、即ち電極間距離は３．８μｍに設定されている。更に、主基板２ａと対向基板２ｂとの間には、誘電率異方性が負であるネガ型液晶分子５２からなる層が挟持されている。主基板２ａと対向基板２ｂとの間隙、即ちネガ型液晶分子５２からなる層の厚さは３．５μｍに設定されている。即ち、本第２実施形態においては、電極幅、電極間距離、セルギャップの値は本第１実施形態とは異なるものの、電極幅がセルギャップより小さく形成されている点では同じである。

ネガ型液晶分子５２は、一例として、波長５５０ｎｍにおける屈折率異方性Δｎが０．１、誘電率異方性Δεが−６．２、液晶の配向ベクトルに平行な方向の誘電率が４．１、弾性定数がＫ１１＝１４．６[ｐＮ]、Ｋ２２＝６．７[ｐＮ]、Ｋ３３＝１５．７[ｐＮ]なる物性値を有する。ネガ型液晶は、液晶の配向ベクトルに平行な方向の誘電率が、配向ベクトルに垂直な方向の誘電率よりも小さな液晶であり、誘電率異方性は負の値を有する。誘電率の大きな方向が配向ベクトルの向きと直交しているため、電界に対して垂直に配向変化する。なお、この液晶分子は、ツイスト弾性定数Ｋ２２がベンド弾性定数Ｋ３３よりも小さいため、第１実施形態において説明したように、ツイスト変形が容易となっており、電極上の液晶層の透過率をより効率的に向上できる。

図２０に示すように、画素電極３２ａ及び共通電極３２ｂ間に電圧を印加しない状態、即ち初期状態としてのネガ型液晶分子５２の配向状態は、液晶分子の長軸方向がほぼＹ軸方向となるように配向処理されている。

共通電極３２ｂと画素電極３２ａとの間に±６Ｖ・６０Ｈｚの矩形波である電圧を印加した場合のネガ型液晶分子５２の配向状態は、図１９に示すように、電極間の主基板２ａ又は対向基板２ｂの界面付近では、配向処理によるアンカリング効果のため、ほぼＹ軸方向に配向しているが、基板界面から離れるに従い、平行電極により発生する横電界の方向と直交するように、Ｘ軸方向に配向変化している。一方で、電極上の液晶配向状態は、対向基板２ｂの界面付近では電極間と同様に初期配向のままであるが、対向基板２ｂから離れるに従い電極間と同様にＸ軸方向に配向している。主基板２ａの画素電極３２ａ又は共通電極３２ｂ付近では、多少Ｚ軸方向への立ち上がりが見られるものの、その部分の液晶層の厚さは１μｍより小さく、また本第１実施形態の場合よりも小さい。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。

次に、上述の如く構成された本第２実施形態に係る液晶表示装置の動作について説明する。図１９に示すように、共通電極と画素電極との間に電圧を印加した場合には、透過率が大きくなる白状態となるが、本実施形態では電極間の領域は透過率が大きくなる。また、電極上の領域においては、本第１実施形態よりも高い透過率を実現することができる。この結果、図２１に示すように、電極上及び電極間を含めた最大透過率は７７％となっており、本第１実施形態と比較して１．３７倍の透過率が得られている。また、本第１比較例に記載の従来のＩＰＳ方式と比較すると、１．７５倍という高い透過率が得られている。

そこで、ネガ型液晶を使用した際の電極上の透過率及び液晶配向について検討するため、市販の液晶配向シミュレータを使用して、液晶分子の配向、電界分布、透過率分布を解析した。この結果を図２２に示す。また図２３は、図２２の結果において、特に電極上の液晶配向を拡大したものである。図２２及び図２３に示すように、電極間の特に電極間中央付近では、電界の向きはＹ軸方向となるため、液晶分子はこの電界と直交する方向であるＸ軸方向に大きく回転しており、この結果透過率は向上している。なお、電極間領域の基板付近では、配向処理によるアンカリング効果のため、液晶分子がＸ軸方向に回転しない液晶分子が発生するものの、Ｚ軸方向に対するその割合は非常に小さい。一方で、電極上の領域に着目すると、基板間の中央付近の液晶分子は、電極間の液晶分子の配向変化に追従して、Ｘ軸方向に大きく回転しており、この結果透過率は向上している。電極近傍ではＺ軸方向の縦電界が発生するが、ネガ型液晶の場合には配向ベクトルの向きと電界が直交するように配向変化するため、電界はＸ軸方向の回転を妨げることにならない。このため、本第１実施形態のポジ型液晶分子の場合と異なり、電極上の液晶分子はより自由にＸ軸方向へ回転することができるため、電極上の透過率をより向上することができる。また、液晶分子は縦電界に追従してＺ方向に回転することがないため、特に電極近傍の液晶分子の立ち上がりを防止できることも、電極上の透過率を向上できる一因となっている。

本実施形態の液晶表示装置によれば、電極幅がセルギャップより小さく形成され、かつネガ型の液晶分子が使用されており、電圧印加時に電極上の液晶分子を電極間の液晶分子と同様に配向変化させることができるため、電極上の透過率を向上でき、電極間の透過率を含めた液晶表示装置の透過率を大きくすることができる。特に、ネガ型の液晶分子は電界と直交する方向に配向変化するため、ポジ型の液晶分子を使用した場合よりも縦電界への追従を防止でき、ＸＹ平面内での回転をより容易にできる。この結果、ポジ型液晶と比較して電極上の透過率を大幅に向上でき、この結果として電極間の透過率を含めた液晶表示装置の透過率を大きくできる。更に、液晶分子のＺ軸方向への立ち上がりを抑制できるため、視野角特性を向上することができる。本第２実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第１実施形態と同様である。

次に、本発明の第３の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。図２４は、本実施形態に係る液晶表示装置の電極上及び電極間を含めた直径１００μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。

本第３実施形態に示す液晶表示装置においては、本第２実施形態における液晶表示装置１２と比較して、幅１．５μｍである画素電極３２ａと共通電極３２ｂの代わりに、幅が１μｍである画素電極と共通電極が使用されている。また、画素電極と共通電極との間の間隔、即ち電極間距離は、本第２実施形態では３．８μｍに設定されているのに対し、本実施形態では１μｍに設定されている。セルギャップは本第２実施形態と同様、３．５μｍである。即ち、本実施形態では電極幅と電極間距離は等しい値に設定されており、かつ電極幅はギャップより小さく、特に電極幅と電極間距離との合計である電極ピッチがセルギャップ以下に設定されている点が異なる。これにより、本実施形態ではＬ／ｗ≧１、かつｗ／ｄ＜１、かつ（Ｌ＋ｗ）／ｄ≦１、即ち電極間距離は電極幅以上であり、電極幅はセルギャップより小さく、かつ電極ピッチがセルギャップより小さいという条件を満たすことになる。本実施形態では、電極ピッチがセルギャップ以下になるため、本第２実施形態よりもＹ軸方向の電界が強くなる。これにより、本実施形態における電圧印加時の液晶配向は、電極上の液晶分子がより多くＸ軸方向に配向変化したものとなっている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第２の実施形態と同様である。

次に、上述の如く構成された本第３実施形態に係る液晶表示装置の動作について説明する。本第２実施形態の液晶表示装置と同様に、共通電極と画素電極との間に電圧を印加すると、透過率が大きくなる白状態となる。前述のように、このときの電極上の液晶配向は、本第２実施形態よりもより多くの液晶分子がＸ軸方向に配向変化したものとなるため、より高い透過率が実現できる。図２４に示すように、電極上及び電極間を含めた最大透過率は７９％となっており、本第１実施形態と比較して１．４１倍の透過率が得られている。また、本第１比較例に記載の従来のＩＰＳ方式と比較すると、１．８倍という高い透過率が得られている。更に、本第２実施形態において、最大透過率を実現する電圧は５．５Ｖであったのに対し、本実施形態では５．０Ｖまで低減することができ、低電力化も可能になる。

なお、本実施形態の液晶表示装置は、画素電極及び共通電極の液晶層側に、平坦化を目的とするオーバーコート層を有していてもよい。上述のように、ネガ型液晶分子を使用する場合には、液晶分子のダイレクタの向きが共通電極と画素電極の配列方向とほぼ平行となるように初期配向する必要があるが、特に電極ピッチがセルギャップより小さくなると、電極の凹凸に沿って液晶分子が配向するようになる。オーバーコートを設けることにより、電極に起因する凹凸を低減できるので、電極ピッチを小さくしても配向性を損なうことがなく、高いコントラスト比が実現できる。

更に、共通電極と画素電極との間にのみ平坦化層が設けられ、共通電極及び画素電極の上には平坦化層が設けられていなくてもよい。これにより、共通電極と画素電極との間の隙間が平坦化層により埋められて平坦化されるため、上述のオーバーコートを設けた場合と同様に配向性を向上できる。更に、電極上には平坦化層が設けられていないため、駆動電圧を低減することができる。本第３実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第２実施形態と同様である。

次に、本発明の第４の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。図２５は本実施形態に係る液晶表示装置の構造、及びその構成要素である画素電極及び共通電極間に電圧を印加しないときの液晶分子の配向状態を示す断面図であり、図２６は本第４実施形態の液晶表示装置の電圧印加時の電界構造と液晶配向を示す断面図であり、特に電界構造と液晶配向、透過率分布の関係をシミュレーションにより示した断面図である。

図２５に示すように、本第４実施形態に示す液晶表示装置１３は、前述の本発明の第１実施形態における液晶表示装置１と比較して、幅１μｍである画素電極３ａと共通電極３ｂの代わりに、幅が０．５μｍである画素電極３３ａと共通電極３３ｂが使用されている。また、画素電極３３ａと共通電極３３ｂとの間の間隔、即ち電極間距離は２．５μｍに設定されている。更に、主基板２ａと対向基板２ｂとの間には、前述の第１実施形態と同じポジ型液晶分子５１からなる層が挟持されている。主基板２ａと対向基板２ｂとの間隙、即ちポジ型液晶分子５１からなる層の厚さは４μｍに設定されている。画素電極３３ａ及び共通電極３３ｂ間に電圧を印加しない状態、即ち初期状態としてのポジ型液晶分子５１の配向状態は、本第１実施形態の配向状態と同様、液晶分子の長軸方向がほぼＸ軸方向となるように配向処理されている。上述のように、本第４実施形態における構造の第１の特徴は、電極幅と電極間距離の和が液晶層の厚さ以下となっている点にある。

図２６は、本第４実施形態における液晶表示装置の電圧印加時の電界構造と液晶配向を示すため、特に電界構造と液晶分子の配向、透過率分布の関係を市販の液晶配向シミュレータを用いて示した断面図である。共通電極３３ｂと画素電極３３ａとの間には、±５Ｖ・６０Ｈｚの矩形波である電圧が印加されている。

図２６に示すように、本第４実施形態における構造の第２の特徴は電界構造に関し、対向基板付近における電極間上の電界強度が電極上の電界強度以下である電界領域を有することを特徴とする。更に、本第４実施形態における構造の第３の特徴は液晶配向構造に関し、この電界構造により、電極上の液晶分子が電極間の液晶分子と同様に配向変化し、特に電極上のみならず電極間においても液晶分子のダイレクタ方向が電界方向と異なる領域を有することを特徴とする。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。

次に、上述の如く構成された本第４実施形態に係る液晶表示装置の動作について説明するが、まずはじめに本実施形態における構造の第２の特徴である電界構造について説明する。前述のように、本発明の電界構造は、対向基板付近における電極間上の電界強度が電極上の電界強度以下である領域を有することを特徴とする。ここで、図２６に示す透過率のシミュレーション結果に着目すると、電極上及び電極間を含めた透過率は８３％が得られており、本発明の第１乃至第３実施形態と比較しても、非常に高い透過率が達成されている。この結果について本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、ポジ型液晶分子を使用した場合でも非常に高透過率が達成できる電界構造を発明するに至った。前述のように、本発明の電界構造の特徴は、対向基板付近における電極間上の電界強度が電極上の電界強度以下である領域を有することであるが、本発明における電極構造のように櫛歯電極を有する場合、この電界構造を導入することにより、電界の非常に弱い弱電界層を対向基板付近の液晶層中に生成することができる。この弱電界層の導入が本実施形態における重要な概念の一つであり、従来のＩＰＳ方式、及び前述の第１実施形態とは大きく異なる特徴となっている。本実施形態においては、この弱電界層を導入した電界構造を発明することにより、高透過率の達成が可能となっている。

ここで、弱電界層について説明するため、本第４実施形態におけるシミュレーション結果である図２６と、前述の第１比較例に記載の電界構造のシミュレーション結果である図１５、及び前述の第１実施形態に記載の電界構造のシミュレーション結果である図８とを比較する。図１５に記載の従来の電界構造においては、等電位線は電極間では基板面と垂直方向、即ちＺ軸方向に走っている。また、電極上の等電位線は、基板面と略平行な方向、即ち図１５の断面図においてはＹ軸方向に走っている。従来の電界構造においては、電極間は横電界が生成され液晶配向のツイスト変形を実現しているが、電極上には基板面と垂直方向に比較的強い電界が生成され、液晶配向のツイスト変形を妨げていた。この結果、電極上の透過率が低下していた。一方で、図８に記載の本発明の第１実施形態においては、電極上の液晶配向は電極間の液晶配向に追従するために、電極上の透過率は第１比較例より向上するものの、電界構造は第１比較例とほぼ同様となっている。これに対し、本第４実施形態における電界構造では、電極間の主基板側は横電界が生成されているものの、対向基板側ではもはや横電界とは呼称できない方向に電界は走っている。そして、この対向基板付近の電界強度は、前述の第１比較例や本発明の第１実施形態における電界強度よりも弱く、弱電界層が形成されている。更に、電極上の電界構造に着目すると、前述の第１比較例や第１実施形態と同様に基板面と垂直方向に電界は走っているが、その電界強度は比較的弱く、やはり弱電界層が形成されている。そして、対向基板付近における電極間上と電極上の電界強度を比較すると、電極間上の電界強度が電極上の電界強度以下である。即ち、本実施形態における弱電界層とは、対向基板付近に着目して、従来の電界構造よりも非常に弱い電界層が形成されていることを意味する。そして、この弱電界層の電界強度は、電極付近の電界強度よりも非常に弱いものとなっている。

次に、本実施形態における構造の第３の特徴である液晶配向について説明する。前述の本発明の電界構造により、主基板近傍における電極間の液晶分子は、従来同様横電界によりツイスト変形する。一方で、対向基板付近に形成された弱電界層中の液晶分子は、従来よりも電界強度が弱いため、電界と独立して比較的自由に動き易くなる。この結果、この弱電界層中の液晶分子は、電界に追従して配向するよりも、主基板近傍における電極間の液晶分子の配向変化に追従してツイスト変形することになる。これは、液晶分子が弱電界中で従来の配向を保つ状態や、弱垂直電界に従って垂直配向する状態よりも、周囲の液晶分子の配向状態に追従してツイスト変形する方がエネルギー的に安定となるからである。なお、主基板側の電極上の液晶分子は、基板面と垂直方向の電界の作用により多少立ち上がっているが、電極幅そのものが小さいこともあり、周囲のツイスト配向に押され、狭い範囲に留まっている。これにより、液晶配向の効果的なツイスト変形が可能となっている。

更に、前述の本発明の第１実施形態と比較すると、前述の第１実施形態においては、平行電極対で発生する電界により電極間の液晶分子がツイスト変形し、この変形に追従して電極上の液晶分子が電界に反して電極間の液晶分子と同様に配向変化することを特徴としていた。これに対し、本第４実施形態においては、平行電極対で発生する電界により、平行電極対を有する基板側の電極間の液晶分子がツイスト変形し、この変形に追従して電極間上の基板から離れた場所に位置する液晶分子もツイスト変形し、更にこれらの電極間のツイスト変形に追従して電極上の液晶分子もツイスト変形し、平行電極対を有する基板から離れた場所では、電極上のみならず電極間においても電界方向に反して配向変化していることが特徴である。そして、この本実施形態における第３の特徴である液晶配向構造は、前述の本実施形態の第２の特徴である弱電界層という電界構造により実現される。

次に、この弱電界層という本実施形態の第２の特徴を実現する電極構造とその動作、即ち本実施形態における構造の第１の特徴について説明する。前述のように、本実施形態の電極構造は、電極幅と電極間距離の和が液晶層の厚さ以下である点を特徴とする。弱電界層を実現するためには、これよりも電界強度の大きな強電界層を電極付近に閉じ込めれば良いことになる。電界分布の詳細は液晶分子の配向シミュレーションを要するが、簡便的には図２６のシミュレーション結果に示すように、強電界領域は液晶層の厚み方向において、電極からＷ＋Ｓの高さの範囲、即ち電極幅と電極間距離との和の範囲に存在する。したがって、弱電界領域を形成するためには、液晶層の厚みをＷ＋Ｓの値よりも大きく設定することで可能となる。即ち、ｄ≧Ｗ＋Ｓである。本実施形態においては、前述のように電極幅が０．５μｍ、電極間距離が２．５μｍ、液晶層の厚みが４μｍに設定されており、ｄ≧Ｗ＋Ｓの条件を満たしている。

本実施形態においては、弱電界層の導入により、液晶層の大部分がツイスト変形可能となっている。即ち、平行電極対で発生する電界により、平行電極対を有する基板側の電極間の液晶分子がツイスト変形し、この変形に追従して電極間上の基板から離れた場所に位置する液晶分子もツイスト変形し、更にこれらの電極間のツイスト変形に追従して電極上の液晶分子もツイスト変形し、平行電極対を有する基板から離れた場所では、電極上のみならず電極間においても電界方向に反して配向変化する。これにより、従来よりもより多くの液晶分子がＹ軸方向に配向変化したものとなるため、従来よりも高い透過率が実現できる。

本実施形態の液晶表示装置によれば、弱電界層の導入とこれによる液晶層のツイスト変形メカニズムにより、ポジ液晶を使用しても非常に高い透過率を実現することができる。また、液晶分子のＺ軸方向への立ち上がりも抑制できるため、視野角特性を向上することができる。

なお、本実施形態における液晶分子は、液晶分子のツイスト弾性定数Ｋ２２がベンド弾性定数Ｋ３３よりも小さい方が好ましい。これによりツイスト変形時の自由エネルギーを小さくできるため、液晶層全体のツイスト変形がより容易となり、透過率をより効率的に向上できる。

また、本実施形態の液晶分子はポジ型の場合について説明したが、本発明の第２又は第３実施形態に記載のネガ型液晶分子を使用することも可能である。ポジ型液晶分子は、屈折率異方性の方向と誘電率異方性の方向が一致しているため、液晶分子の物性を好ましい方向に改善するのが容易である。この結果、低電圧化や高速化などが可能となる。

更に、本実施形態においては、前述の本発明の第１実施形態と同様に偏光板を設けることができるが、前述の第１実施形態と同様、本発明において偏光板は必須の構成ではなく、一例ではレーザ光のように直線偏光の光を入射側に使用し、表示装置を使用する観察者が偏光眼鏡を使用してもよい。

更にまた、本実施形態においては、電極間距離が電極幅以上である場合について説明したが、これは非常に重要なポイントである。電極間距離が電極幅以上である場合は、液晶層のツイスト変形を主流とすることができ、透過率の向上が可能になる。しかし仮に電極幅が電極間距離より大きい場合について考えると、液晶層の主基板側の配向変化に着目した場合、電極間のツイスト変形領域が相対的に小さくなってしまう。この結果、液晶層の対向基板側をツイスト変形する効果が低下し、ツイスト変形が困難になるばかりか、液晶分子の＋Z軸方向への立ち上がりが発生してしまい、視野角特性も大幅に悪化することになる。即ち、電極間距離を電極幅以上とするのが重要である。

更にまた、本実施形態においては、画素電極と共通電極が同じ電極幅を有する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、異なる電極幅とすることもできる。ただし、同じ電極幅とすることで、画素電極と共通電極との間の電界をより均等にすることができ、電界の不均一さに起因する表示不良を低減することができる。

更にまた、本実施形態においては、本発明の第１実施形態と同様に、画素電極及び共通電極が異層に形成されるのを除外するものではなく、薄膜トランジスタを形成するためのゲート電極やソース又はドレイン電極を用いて画素電極又は共通電極を形成してもよい。この場合、画素電極と共通電極を異なる層に形成しても、プロセス数を増加させることなく対応が可能となる。一般的にゲート電極やソース又はドレイン電極は低抵抗性が要求されることから、光学的に不透明な金属で構成されることが多い。また、一般的にアルミニウム等の金属はＩＴＯよりも加工性が高いため、電極の微細化が容易になるという効果をもたらす。その反面、外光が金属面で反射されることにより、表示品質が低下するが、本発明では微細な電極を使用できるため、表示品質の低下を抑制することができる。なお、金属電極の観察者側の面が外光の反射を低減するような構造を有していてもよい。一例では、金属電極上に多層低反射膜が形成されていてもよいし、黒色物質が塗布されていてもよい。更には、金属電極での正反射を低減するため、電極に微細な凹凸構造が設けられていてもよい。

更にまた、本発明においては、平行電極対が形成された主基板と対向基板を構成要件として説明したが、対向基板は必ずしも必要な構成要件ではなく、一例では液晶層の上部をUV硬化樹脂等でカバーすることで対応してもよい。このとき、液晶層は対向基板からのアンカリングの影響を低減できるため、配向変形が容易になり、低電圧化やオン時の高速化が可能になるという利点が生じる。

更にまた、本実施形態において主基板はガラス基板に限定されるものではなく、シリコン基板や石英基板を使用することも可能である。特にシリコン基板を使用した場合には、平行電極対の微細化が容易になる。本第４実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第１実施形態と同様である。

次に、本発明の第５の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。図２７は本実施形態に係る液晶表示装置の構造、及びその構成要素である画素電極及び共通電極間に電圧を印加しないときの液晶分子の配向状態を示す断面図であり、図２８は本第５実施形態の液晶表示装置の電圧印加時の電界構造と液晶配向を示す断面図であり、特に電界構造と液晶配向、透過率分布の関係をシミュレーションにより示した断面図である。

図２７に示すように、本第５実施形態に示す液晶表示装置１４は、前述の本発明の第４実施形態における液晶表示装置１３と比較して、幅０．５μｍである画素電極３３ａと共通電極３３ｂの代わりに、幅が０．２μｍである画素電極３４ａと共通電極３４ｂが使用されている。また、画素電極３４ａと共通電極３４ｂとの間の間隔、即ち電極間距離は０．９μｍに設定されている。更に、主基板２ａと対向基板２ｂとの間には、前述の第４実施形態と同じポジ型液晶分子５１からなる層が挟持されている。主基板２ａと対向基板２ｂとの間隙、即ちポジ型液晶分子５１からなる層の厚さは３．５μｍに設定されている。このように、本第５実施形態における構造の第１の特徴は、電極幅と電極間距離の和が液晶層の厚みの半分以下となっている点、即ちｄ≧２（Ｗ＋Ｓ）が成立する点にある。

図２８は、本第５実施形態における液晶表示装置の電圧印加時の電界構造と液晶配向を示すため、特に電界構造と液晶分子の配向、透過率分布の関係を市販の液晶配向シミュレータを用いて示した断面図である。共通電極３４ｂと画素電極３４ａとの間には、±５Ｖ・６０Ｈｚの矩形波である電圧が印加されている。

図２８に示すように、本第５実施形態における構造の第２の特徴は電界構造に関し、電極間の対向基板近傍に垂直電界を有することを特徴とする。更に、本第５実施形態における構造の第３の特徴は液晶配向構造に関し、この電界構造により、電極上の液晶分子が電極間の液晶分子と同様に配向変化し、特に電極上のみならず電極間においても液晶分子のダイレクタ方向が電界方向と異なる領域を有し、この領域が液晶層の厚みの半分以上を有することを特徴とする。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第４の実施形態と同様である。

次に、上述の如く構成された本第５実施形態に係る液晶表示装置の動作について説明するが、まずはじめに本実施形態における構造の第２の特徴である電界構造について説明する。前述のように、本発明の電界構造は、電極間の対向基板近傍に垂直電界を有することを特徴とする。ここで、図２８に示す透過率のシミュレーション結果に着目すると、電極上及び電極間を含めた透過率は８５％が得られており、本発明の第４実施形態と比較しても、より高い透過率が達成されている。この結果について本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、前述の第４実施形態と比較してもより高い透過率が実現できる電界構造を発明するに至った。前述のように、本発明の電界構造の特徴は、電極間の対向基板近傍に垂直電界を有することであるが、本発明における電極構造のように櫛歯電極を有する場合、この電界構造を導入することにより、液晶層の対向基板付近においては、電極上だけでなく電極間上においても垂直電界を生成することができる。従来のＩＰＳ方式、及び前述の第１実施形態と比較すると、電極間の対向基板付近には強い横電界が発生し、また前述の第４実施形態においては明確に横電界とは言えない電界を発生させていたのに対し、本実施形態においては、電極間の対向基板近傍に垂直電界を導入した結果、元々存在していた電極上の垂直電界と等電位線がつながり、複数の電極上に跨る等電位線が生成されている点が大きな違いであり、本実施形態における重要な概念の一つとなっている。本実施形態においては、このように垂直電界の等電位線を配置することにより、液晶層の厚み方向中央付近に弱電界層を導入できる。この結果液晶層の対向基板側半分以上がツイスト変形した配向構造を実現することができるため、より高い透過率の達成が可能となっている。

即ち、前述の第４実施形態に記載の弱電界層の存在領域を本実施形態と比較すると、図２６に示すように第４実施形態においては、液晶層の対向基板付近に弱電界層が形成されていた。これに対し、図２８に示すように、本実施形態においては、液晶層の厚み中央付近より対向基板側に弱電界層が形成されている。この弱電界層は、ほぼ基板面に垂直な方向に電界を有し、その強度は前述の第４実施形態と比較してもより弱いものとなっている。即ち、本実施形態における弱電界層とは、液晶層の厚み中央付近より対向基板側において、従来の電界構造よりも非常に弱い垂直電界層が形成されていることを意味する。

次に、本実施形態における構造の第３の特徴である液晶配向について説明する。主基板近傍における電極間の液晶分子は、従来同様横電界によりツイスト変形するのは、前述の第４実施形態と同様である。本実施形態においては、液晶層の配向手段によるアンカリングが最も弱くなる液晶層の厚み中央付近の電界が弱電界化されているため、液晶分子はより自由に動くことができる点が特徴である。この結果、主基板近傍における電極間の液晶分子がツイスト変形すると、この変形に追従して液晶層の対向基板側半分以上の液晶分子が同様にツイスト変形することになる。これは、液晶分子が弱電界中で従来の配向を保つ状態や、弱垂直電界に従って垂直配向する状態よりも、周囲の液晶分子の配向状態に追従してツイスト変形する方がエネルギー的に安定となるからである。なお、主基板側の電極上の液晶分子は、基板面と垂直方向の電界の作用により多少立ち上がっているが、電極幅そのものが小さいこともあり、周囲のツイスト配向に押され、狭い範囲に留まっている。これにより、液晶配向の効果的なツイスト変形が可能となっている。本実施形態における第３の特徴である液晶配向構造は、前述の本実施形態の第２の特徴である電極間の対向基板近傍に垂直電界を有する電界構造により実現される。

次に、この弱電界層という本実施形態の第２の特徴を実現する電極構造とその動作、即ち本実施形態における構造の第１の特徴について説明する。前述のように、本実施形態の電極構造は、電極幅と電極間距離の和が液晶層の厚さの半分以下である点を特徴とする。前述のように、電界強度の比較的大きな強電界層は、電極の形成された主基板からＷ＋Ｓの高さの範囲、即ち電極幅と電極間距離との和の範囲に存在する。したがって、液晶層の厚みをＷ＋Ｓの値の２倍よりも大きく設定することで、液晶層中央付近より＋Ｚ方向側の液晶層に弱電界層を生成することが可能となる。即ち、ｄ≧２（Ｗ＋Ｓ）である。なお本実施形態においては、前述のように電極幅が０．２μｍ、電極間距離が０．９μｍ、液晶層の厚みが３．５μｍに設定されており、ｄ≧２（Ｗ＋Ｓ）の条件を満たしている。

本実施形態においては、弱電界層を液晶層の半分以上の領域に導入することにより、液晶層のツイスト変形をより容易としている。即ち、平行電極対で発生する電界により、平行電極対を有する基板側の電極間の液晶分子がツイスト変形し、この変形に追従して電極間上の液晶層中央付近に位置する液晶分子もツイスト変形し、更にこれらの電極間のツイスト変形に追従して電極上の液晶分子もツイスト変形する。この結果、液晶層の半分以上の領域でツイスト変形が容易となり、平行電極対を有する基板から液晶層の半分以上離れた場所では、電極上のみならず電極間においても電界方向に反して同様にツイスト変化する。これにより、従来よりもより多くの液晶分子がＹ軸方向に配向変化したものとなるため、従来よりも更に高い透過率が実現できる。

本実施形態の液晶表示装置によれば、弱電界層を液晶層の半分以上の領域に導入することとこれによる液晶層のツイスト変形メカニズムにより、ポジ液晶を使用しても非常に高い透過率を実現することができる。また、液晶分子のＺ軸方向への立ち上がりも抑制できるため、視野角特性を向上することができる。

なお、本実施形態における液晶層の厚みは、液晶分子の変形時間を考慮すると、通常の液晶層の厚みである５μｍ程度以内の範囲に設定するのが好ましい。これは、液晶層の厚みが大きくなると、配向手段のアンカリング作用が弱くなるため、電圧をオフにした際の液晶配向の戻りが悪くなり、オフの応答時間が長くなってしまうからである。即ち、電極幅と電極間距離の和は２．５μｍ以内に設定するのが好ましい。更に前述のように、電極幅Ｗは電極間距離Ｓよりも小さくする必要があり、本実施形態に示すようにＷ≦Ｓ／４の範囲に設定するのが好ましい。即ち、電極幅は０．５μｍ以下にするのが好ましい。

また、図２９に示すように、本実施形態における画素電極及び共通電極の末端部には、液晶分子が望ましくない方向に配向変形するのを防止する逆回転ドメイン防止構造３４ｃを設けるのが好ましい。本発明の第４又は第５実施形態においては、本構造の導入が特に重要となる。これは、通常のＩＰＳ方式と比較して、本発明の方式では横電界の割合が小さく、電界印加時の配向変形を電極間の主基板近傍における液晶分子のツイスト変形に依存しているため、櫛歯電極の末端部に発生する異常電界に起因して望ましくない配向変形が誘起されると、この配向変形が伝搬し易く、通常のツイスト変形が困難になるからである。このような逆回転ドメイン防止構造の一例としては、図２９に示すように、平行電極対を構成する画素電極及び共通電極の末端部に、ラビング方向と垂直な電極部を形成する方法が挙げられる。

更にまた、本実施形態においては、配向手段として配向膜を有するものとして説明したが、配向手段はこれに限定されるものではなく、特にポジ型液晶を使用する場合には、平行電極対の凹凸構造を配向手段として用いることができる。これにより、配向膜の形成及びラビング処理等の配向処理が不要になるため、装置の低コスト化が可能となる。更に、平行電極対を左右方向、即ち図２９におけるＹ軸方向に微小に屈曲させてもよい。これにより、液晶分子の初期配向方向は平行電極対の延伸方向となり、横電界の基板面内方向は屈曲によりＹ軸方向と異なる方向になるため、液晶分子と電界との角度を９０°以外に設定できる。これにより、電圧印加時の液晶分子のツイスト方向を面内で一様に揃えることが可能となる。なお、微小屈曲のピッチを大きくするに従って、液晶分子と横電界の角度は直交する傾向を示すため、微小屈曲のピッチは平行電極対のピッチ以下に設定することが好ましい。本第５実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第４実施形態と同様である。

次に、本発明の第６の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。図３０は本実施形態に係る液晶表示装置の構造を示す断面図である。

図３０に示すように、本第６実施形態に示す液晶表示装置１５は、前述の本発明の第５実施形態と比較して、主基板２ａ上に反射板５が形成されている点が異なる。なお、液晶表示装置１５の観察者側の面には偏光板が設けられていてもよいが、図３０においては省略してある。一例では、この偏光板の吸収軸は、液晶分子の短軸方向に合わせて配置されている。即ち、本実施形態における液晶表示装置１５は、ノーマリホワイトモードの反射型表示装置として動作する。本第６実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第５実施形態と同様である。

次に、上述の如く構成された本第６実施形態に係る液晶表示装置の動作について説明する。まず、画素電極及び共通電極間に電圧を印加しない場合について説明する。偏光板から液晶層に向けて出射された直線偏光は液晶層に入射するが、電圧を印加しない場合、この直線偏光の偏光方向と液晶分子の長軸方向が一致するため、直線偏光はそのままの状態で反射板に到達する。反射板で反射した光は、反射板、液晶層で偏光方向が変化せず、そのままの状態で偏光板から出射することになる。即ち、電圧を印加しない場合には、白表示が実現される。

本発明の第５実施形態に記載のように、画素電極及び共通電極間に電圧が印加された場合には、液晶層が表示面内でほぼ均一なツイスト変形をするため、均一な位相差を与える位相差板を実現することができる。特に、この位相差が１／４波長の場合、偏光板から液晶層に入射した直線偏光は円偏光となって反射板に出射する。反射板は円偏光の偏光方向を１８０度回転させるため、反射した光は反対方向に回転する円偏光となって液晶層に入射し、入射時とは直交する直線偏光に変換されて、偏光板に向かう。この光は偏光板から出射できないため、電圧を印加することで黒表示が実現される。

本発明の第１比較例に記載のように、液晶層において電圧印加時に電極上と電極間上との液晶配向が大きく異なる場合、この液晶層は均一な位相差板として作用することができない。このため、特にノーマリホワイトモードで使用した場合には黒表示時に光漏れが発生し、表示のコントラスト比を大幅に悪化させることになる。

これに対し、本実施形態に記載のように、液晶層において均一なツイスト配向を実現した場合には、高いコントラスト比を実現することができる。

なお、本実施形態における反射板はアルミニウムや銀等の光に対して高反射率を有する金属を使用することができるが、この場合には画素電極及び共通電極との導通を防止するため、画素電極及び共通電極と反射板との間に絶縁層を設けるのが好ましい。

また、本実施形態における液晶表示装置は反射型表示装置として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、透過型表示装置にも適用することができ、特に半透過型表示装置に好適に使用することができる。この半透過型表示装置においては、透過領域と反射領域とで画素電極を共通化し、透過領域と反射領域の共通電極にそれぞれ異なる電圧を印加し、位相差フィルムを使用しない場合を考えると、透過領域がノーマリブラック、反射領域がノーマリホワイトの特性を示す。透過領域の光学的な動作は本発明の第５実施形態に記載の通りで高い透過率を実現することができ、反射領域の光学的な動作は本実施形態のように高コントラストの反射表示を実現することができる。本第６実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第５実施形態と同様である。

次に、本発明の第７の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。図３１は本実施形態に係る液晶表示装置の構造を示す断面図である。

図３１に示すように、本第７実施形態に係る液晶表示装置１６は、レンチキュラレンズ１０３が具備された立体画像表示装置である。液晶表示装置１６においては、各１個の左眼用画素１０４Ｌ及び右眼用画素１０４Ｒからなる表示単位としての画素対がマトリクス状に設けられている。レンチキュラレンズ１０３は、多数のシリンドリカルレンズ１０３ａが一次元配列したレンズアレイであり、その配列方向は左眼用画素１０４Ｌ及び右眼用画素１０４Ｒが繰り返し配列される方向、即ち図３１におけるＹ軸方向になっている。シリンドリカルレンズ１０３ａの延伸する方向、即ち長手方向は、表示面内において配列方向と直交する方向であり、図３１のＸ軸方向である。また、Ｙ軸方向における１対の画素対は、一つのシリンドリカルレンズ３ａに対応している。左眼用画素１０４Ｌ及び右眼用画素１０４Ｒは、本発明の第5実施形態に記載の液晶表示装置に使用の画素と同一の構造を有する。そして、画素電極と共通電極は、図３１のＹ軸方向に繰り返し配置されている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第５の実施形態と同様である。

次に、上述の如く構成された本第７実施形態に係る液晶表示装置の動作について説明するが、まずはじめにレンチキュラレンズ１０３の画素拡大動作について説明する。図３１に示すように、レンチキュラレンズ１０３の主点、即ち頂点と画素との間の距離をＨとし、レンチキュラレンズ１０３の屈折率をｎとし、レンズピッチをＬとする。また、左眼用画素１０４Ｌ又は右眼用画素１０４Ｒの各１個のピッチをＰとする。このとき、各１個の左眼用画素１０４Ｌ及び右眼用画素１０４Ｒからなる表示画素の配列ピッチは２Ｐとなる。

また、レンチキュラレンズ１０３と観察者との間の距離を最適観察距離ＯＤとし、この距離ＯＤにおける画素の拡大投影像の周期、即ち、レンズから距離ＯＤだけ離れレンズと平行な仮想平面上における左眼用画素１０４Ｌ及び右眼用画素１０４Ｒの投影像の幅の周期を夫々ｅとする。更に、レンチキュラレンズ１０３の中央に位置するシリンドリカルレンズ１０３ａの中心から、Ｘ軸方向におけるレンチキュラレンズ１０３の端に位置するシリンドリカルレンズ１０３ａの中心までの距離をＷＬとし、液晶表示装置の表示画面の中心に位置する左眼用画素１０４Ｌと右眼用画素１０４Ｒからなる表示画素の中心と、Ｘ軸方向における表示画面の端に位置する表示画素の中心との間の距離をＷＰとする。更にまた、レンチキュラレンズ１０３の中央に位置するシリンドリカルレンズ１０３ａにおける光の入射角及び出射角を夫々α及びβとし、Ｘ軸方向におけるレンチキュラレンズ１０３の端に位置するシリンドリカルレンズ１０３ａにおける光の入射角及び出射角を夫々γ及びδとする。更にまた、距離ＷＬと距離ＷＰとの差をＣとし、距離ＷＰの領域に含まれる画素数を２ｍ個とする。

シリンドリカルレンズ１０３ａの配列ピッチＬと画素の配列ピッチＰとは相互に関係しているため、一方に合わせて他方を決めることになるが、通常、表示パネルに合わせてレンチキュラレンズを設計することが多いため、画素の配列ピッチＰを定数として扱う。また、レンチキュラレンズ１０３ａの材料を選択することにより、屈折率ｎが決定される。これに対して、レンズと観察者との間の観察距離ＯＤ、及び観察距離ＯＤにおける画素拡大投影像の周期ｅは所望の値を設定する。これらの値を使用して、レンズの頂点と画素との間の距離Ｈ及びレンズピッチＬを決定する。スネルの法則と幾何学的関係より、下記数式１乃至９が成立する。また、下記数式１０及び１１が成立する。

本実施形態においては、レンチキュラレンズの頂点と画素との間の距離Ｈを、レンチキュラレンズの焦点距離ｆと等しく設定する。このため下記数式１６が成立し、レンズの曲率半径をｒとすると、曲率半径ｒは下記数式１１により求まる。

ここで、レンチキュラレンズの横倍率は、画素拡大投影像の周期を画素の周期、即ち画素ピッチで除した値と考えることができるので、ｅ／Ｐ倍となる。例えば画素の配列ピッチＰとして６５μｍの表示パネルを使用し、画素拡大投影像の周期ｅを６５ｍｍに設定すると、レンチキュラレンズ１０３は１０００倍の横倍率を有することになる。即ち、画素に形成された画素電極や共通電極も１０００倍に拡大されて、観察面に投影されることになる。一例では、画素電極又は共通電極部に５μｍ幅の透過率低下領域が発生すると、観察面では５ｍｍ幅の透過率低下領域として観察されることになる。

本発明の第１比較例に記載のように、液晶層において電圧印加時に電極上と電極間上との液晶配向が大きく異なり、Ｘ軸方向に大きな透過率分布が発生する場合、この透過率分布はレンチキュラレンズにより拡大されて観察者に観察される。即ち、観察者が表示装置との角度を変えると、表示画像に明暗のムラが重畳して観察されることになるため、観察者は表示画像の品質を低いものとして感じることになる。

一方で、本実施形態に記載のように、液晶層において均一なツイスト配向を実現した場合には、観察者は電極構造に起因する透過率分布を表示画像と重畳して観察することがないため、表示品質が悪いと感じることはない。即ち、本発明では表示品質の向上が可能となる。

本実施形態においては、左眼用画素と右眼用画素とを有する２視点の立体画像表示装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｎ視点（Ｎは自然数）方式の表示装置に対して同様に適用することができる。この場合には、前述の距離ＷＰの定義において、距離ＷＰの領域に含まれる画素数を２ｍ個としたのをＮ×ｍ個として扱えばよい。なお、Ｎは１、即ち画素とレンズが１対１に対応していてもよい。この場合、ゲート線やデータ線等の表示に寄与しない領域の影響を低減でき、光の利用効率を向上することができる。

また、本発明は立体画像表示装置に限定されるものではなく、レンチキュラレンズが設けられた表示装置であれば同様に適用することができる。一例では、複数の平面画像を異なる方向に表示するマルチ画像表示装置に対しても、同様に適用することができる。

更に、本発明の画像分離手段はレンチキュラレンズに限定されるものではなく、レンズ要素が二次元配列したフライアイレンズや、スリットが一次元配列した視差バリア、ピンホールが二次元配列した視差バリアについても、同様に適用することができる。即ち、本実施形態は画素を拡大表示する光学手段を設ける場合に好適に使用でき、高画質化が可能となる。

また、透過型液晶表示装置のみならず、反射型液晶表示装置や半透過型液晶表示装置、微反射型液晶表示装置にも同様に適用することができる。

更にまた、本実施形態における画素電極、共通電極はＩＴＯ等の透明導電体を使用して形成されるのが望ましいが、金属を使用した場合にも改善の効果を出すことができる。これは、金属電極周辺の液晶配向を改善することで、液晶層の透過率における面内均一性を向上することができるからである。本第７実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第５実施形態と同様である。

次に、本発明の第８の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。図３２は本実施形態に係る液晶表示装置の構造を示す断面図であり、図３３はその構成要素であり光線方向規制素子であるルーバを示す斜視図である。

図３２に示すように、本発明の第８実施形態に係る液晶表示装置１７は、前述の第５実施形態における液晶表示装置１４と比較して、液晶表示装置１４の＋Ｚ方向側に光線方向規制素子であるルーバ２１２を有する点を特徴とする。

図３３に示すように、ルーバ２１２は、光を透過する透明領域２１２ａと光を吸収する吸収領域２１２ｂとが、ルーバ表面に平行な方向に交互に配置されている。透明領域と吸収領域が交互に配置されている方向は、図３２及び図３３のＹ軸方向に設定されている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第５の実施形態と同様である。

本実施形態においては、ルーバ２１２に入射する光線のうち、出射面に対する法線方向から角度の大きい成分を吸収して除去する作用を有するため、液晶表示装置１７から出射する光線の指向性を高めることができる。これにより、斜め方向からの覗き見を防止することができ、秘密情報の漏洩防止効果を発揮することができる。

ここで、本発明の第１比較例に記載のように、液晶層において電圧印加時に電極上と電極間上との液晶配向が大きく異なり、Ｘ軸方向に大きな透過率分布が発生する場合、この透過率分布とルーバ２１２の吸収領域２１２ｂとが干渉し、観察者に画像の表示品質が低下したものとして観察される。

一方で、本実施形態に記載のように、液晶層において均一なツイスト配向を実現した場合には、電極構造に起因する透過率分布とルーバの吸収領域との干渉に起因する画質の低下を防止することができるため、観察者は表示品質が低いと感じることはない。即ち、本発明ではルーバを使用した際の表示品質の向上が可能となる。

なお、本発明における光線方向規制素子であるルーバは、透明領域と吸収領域とが交互に配置される方向がＹ軸方向であるものとして説明したが、ＸＹ平面内において回転配置されていてもよい。

また、本実施形態においては光線方向規制素子であるルーバの例について記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、出射光の指向性を制御するための光学素子に関しても同様に適用することができる。このような例として、バックライトを構成するプリズムシートを挙げることができ、本発明を同様に適用することができる。本第８実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第５実施形態と同様である。

なお、上述の各実施形態はそれぞれ単独で使用しても良いが、適宜組み合わせて使用することも可能である。

本発明は、携帯電話、ＰＤＡ、ゲーム機、デジタルカメラ、ビデオカメラ及びビデオプレーヤ等の携帯端末装置の表示装置や、ノート型パーソナルコンピュータ、キャッシュディスペンサ、自動販売機等の端末装置の表示装置に好適に利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置の電圧印加時の状態を示す断面図である。本実施形態の構成要素である画素電極及び共通電極間に電圧を印加しないときの液晶分子の配向状態を示す断面図である。本実施形態に係る液晶表示装置を搭載した端末装置を示す斜視図である。共通電極と画素電極との間に電圧を印加しない場合の液晶表示装置の透過率分布を示すための顕微鏡写真である。共通電極と画素電極との間に±５Ｖ・６０Ｈｚの矩形波電圧を印加した場合の液晶表示装置の透過率分布を示すための顕微鏡写真である。電極間中央部の直径１μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。電極上の直径１μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。本実施形態の液晶配向と電界分布、透過率分布をシミュレーションした結果である。図８のシミュレーション結果における電極上の液晶配向を示した拡大図である。電極上及び電極間を含めた直径１００μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。本発明の第１比較例に係る液晶表示装置の電圧印加時の状態を示す断面図である。共通電極と画素電極との間に±５Ｖ・６０Ｈｚの矩形波電圧を印加した場合の液晶表示装置の透過率分布を示すための顕微鏡写真である。電極間中央部の直径１μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。電極上の直径１μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。本実施形態の液晶配向と電界分布、透過率分布をシミュレーションした結果である。図１５のシミュレーション結果における電極上の液晶配向を示した拡大図である。電極上及び電極間を含めた直径１００μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。本発明の第２比較例に係る液晶表示装置について、電極上及び電極間を含めた直径１００μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。本発明の第２の実施形態に係る液晶表示装置の電圧印加時の状態を示す断面図である。本実施形態の構成要素である画素電極及び共通電極間に電圧を印加しないときの液晶分子の配向状態を示す断面図である。電極上及び電極間を含めた直径１００μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。本実施形態の液晶配向と電界分布、透過率分布をシミュレーションした結果である。図２２のシミュレーション結果における電極上の液晶配向を示した拡大図である。本発明の第３の実施形態に係る液晶表示装置について、電極上及び電極間を含めた直径１００μｍの領域において電圧−透過率特性を測定したグラフである。本発明の第４の実施形態に係る液晶表示装置の構造、及びその構成要素である画素電極及び共通電極間に電圧を印加しないときの液晶分子の配向状態を示す断面図である。本実施形態に係る液晶表示装置の電圧印加時の電界構造と液晶配向を示す断面図であり、特に電界構造と液晶配向、透過率分布の関係をシミュレーションにより示した断面図である。本発明の第５の実施形態に係る液晶表示装置の構造、及びその構成要素である画素電極及び共通電極間に電圧を印加しないときの液晶分子の配向状態を示す断面図である。本実施形態に係る液晶表示装置の電圧印加時の電界構造と液晶配向を示す断面図であり、特に電界構造と液晶配向、透過率分布の関係をシミュレーションにより示した断面図である。本実施形態に係る液晶表示装置において、逆回転ドメイン防止構造を示した上面図である。本発明の第６の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図である。本発明の第７の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図である。本発明の第８の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図である。本実施形態に係る液晶表示装置において、その構成要素であり光線方向規制素子であるルーバを示す斜視図である。特許文献１に記載されている従来の第１の液晶表示装置に使用されるＩＰＳ方式の液晶パネルを模式的に示す断面図である。特許文献１に記載されている従来の第２の液晶表示装置に使用される液晶パネルを模式的に示す断面図であり、ＦＦＳ方式の液晶パネルである。

符号の説明

１、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７；液晶表示装置
２ａ；主基板
２ｂ；対向基板
３ａ、３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ；画素電極
３ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ；共通電極
３４ｃ；逆回転ドメイン防止構造
４；配向膜
４１；ラビング方向
５；反射板
９；携帯端末装置
５１；ポジ型液晶分子
５２；ネガ型液晶分子
１０３；レンチキュラレンズ
１０３ａ；シリンドリカルレンズ
１０４Ｌ；左眼用画素
１０４Ｒ；右眼用画素
１５１；右眼
１５２；左眼
２１２；ルーバ
２１２ａ；透明領域
２１２ｂ；吸収領域
１２００、１２０１；基板
１２０２；液晶分子
１２０３、１２０４；電極
１３００；液晶パネル
２２００、２２０１；基板
２２０２；液晶分子
２２０３、２２０４；電極
２２０５；絶縁層
２３００；液晶パネル

Claims

少なくとも平行電極対を有する基板と、この基板上に配置された液晶層と、を有し、
前記平行電極対を構成する電極の幅と間隔との合計値が、前記液晶層の厚さの半分以下であり、
前記液晶層の液晶分子は前記平行電極対で発生する電界により駆動され、電極上の電界は、横電界成分よりも縦電界成分が大きく、かつ、電極間の電界は、横電界成分よりも縦電界成分が小さく、前記電極上及び前記電極間において前記基板近傍から離れた領域の液晶分子のダイレクタ方向が、それぞれ、前記電極上及び前記電極間の電界方向とは異なる領域を有し、この領域が液晶層の厚みの半分以上であるとともに、前記液晶層の厚み方向中央領域より対向基板側において、前記電極間上の電界方向が前記基板面に垂直な方向である電界領域が存在する横電界駆動方式の液晶表示装置において、
前記平行電極対の電極幅を前記液晶層の厚さより小さくすることにより電極上の横電界を大きくすることで、前記電極上の液晶分子が前記電極間の液晶分子と同様に配向変化するように構成し、かつ、
前記液晶分子のツイスト弾性定数を同液晶分子のベンド弾性定数よりも小さくすることにより前記電極上での前記横電界による前記液晶分子のツイスト変形の減衰を小さくすることで、前記平行電極対で発生する電界により前記電極間の前記基板近傍の液晶分子がツイスト変形したときに、このツイスト変形に追従して前記電極上の液晶分子及び前記電極間上において前記基板近傍から前記液晶層の厚み方向に離れた領域の液晶分子に前記電極間の液晶分子と同様のツイスト変形をさせるように構成し、
前記平行電極対は、横方向に隣接する画素を分離する画素分離方向に平行に延びるように形成されるとともに当該画素分離方向と垂直な方向に配列され、さらに、
前記平行電極対の電極配列方向に対して、前記液晶層を有する各画素の像を光学的に拡大する画素拡大手段を有し、
前記平行電極対を構成する画素電極及び共通電極の末端部には、逆回転ドメイン防止構造としてラビング方向と垂直な電極部が形成されている、
ことを特徴とする液晶表示装置。
前記平行電極対を構成する電極の間の距離が、この電極の幅以上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。
前記液晶層の液晶分子は、誘電率異方性が正であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
前記平行電極対を構成する電極の上の液晶層において、この平行電極対に電界が発生した際の液晶分子のダイレクタ方向が、前記平行電極対を構成する電極の配列方向である液晶分子が存在することを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
前記液晶層の液晶分子は、誘電率異方性が負であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
前記平行電極対を構成する電極の上の液晶層において、この平行電極対に電界が発生した際の液晶分子のダイレクタ方向が、前記平行電極対を構成する電極の長手方向である液晶分子が存在することを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。
前記平行電極対が同層に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
前記平行電極対の液晶層側、及びこの平行電極対を構成する電極の間にオーバーコート層を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
前記平行電極対を構成する電極の間に平坦化層を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
前記平行電極対は透明導電体から構成されることを特徴とする請求項１乃至９に記載の液晶表示装置。
前記平行電極対は金属から構成されることを特徴とする請求項１乃至９に記載の液晶表示装置。
前記平行電極対における前記液晶層側の表面に反射低減手段を有することを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
前記平行電極対の電極幅が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１２に記載の液晶表示装置。
ノーマリホワイトモードで動作することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の液晶表示装置を有することを特徴とする端末装置。
携帯電話、個人用情報端末、ゲーム機、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ビデオプレーヤ、ノート型パーソナルコンピュータ、キャッシュディスペンサ又は自動販売機であることを特徴とする請求項１５に記載の端末装置。