JP4978995B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶パネルおよびそれを用いた液晶表示装置に関し、特に液晶分子を、基板面に対して略垂直方向に配向させるモード(Vertical Alignment モード:以下、VAモードと呼ぶ)で動作する液晶パネルに関し、VAモードの液晶パネルにおいて、光照射により配向膜に配向処理を施した液晶表示装置に関する。
液晶表示装置は、パーソナルコンピュータをはじめとする様々な情報処理装置の表示装置や、テレビジョン等の表示装置として広く使われている。この液晶表示装置の中でVAモードの液晶パネルを用いたものが製品化されている。
VAモードの液晶パネルは、負の誘電率異方性を有する液晶を用い、液晶パネルを構成する一対の基板間に、液晶を略垂直に配向するようにしたものである。
VAモードの液晶パネルでは、液晶に電界を印加しない状態において、液晶分子は基板面に対して略垂直に配向するため、液晶層に入射した光は、液晶層内で偏光面をほとんど変化させることなく出射する。このような液晶層を挟んで、一対の偏光板をその透過軸を直交させて配置(クロスニコル)し液晶パネルを形成した場合に、非電界印加状態において、このVAモードの液晶パネルは偏光板の性能に従った黒色表示が可能である。
VAモードの液晶表示装置については、例えば特許文献1に見られるように、性能向上のために研究・開発が進められている。
特開平07−191313号
しかしながら、このVAモードの液晶表示パネルにおいては、斜め方向から見た場合に特定の色に着色するという所謂視野角が狭いという問題がある。この視野角が狭いという問題点を解決するために、特許文献1に記載あるように、MVA(Multi−domain Vertical Alignment)型液晶表示装置やHAN(Hybrid Aligned Nematic)型液晶表示装置が提唱されている。また、VAモードの液晶表示パネルに限らず位相差板を用いて視野角を広げる試みは広く知られている。
しかしながら、いずれの方法も根本的な解決方法ではなく、特に位相差板を用いる方法は、高価な位相差板を用いるために製造原価が高くなってしまうといった問題を有している。
第1の基板と、第2の基板と、第1と第2の基板に挟まれた液晶層と、第1の基板上にマトリクス状に配置された画素部を有する液晶表示装置であって、第1の基板の液晶層側に第1の有機膜と、第2の基板の液晶層側に第2の有機膜とを形成し、第1の有機膜に光照射によって第1の遅相軸と、第2の有機膜に光照射によって第2の遅相軸とを交差するように形成し、液晶層に電界を印加した場合に液晶分子が倒れる方向と、第1の遅相軸または第2の遅相軸とを異ならせることで、VAモードの液晶表示装置の視野角を拡大する。
本願発明によれば、VAモードの液晶表示パネルにおいて、高価な位相差板を用いることなく、簡単な構造で広視野角の液晶表示装置を得ることが可能となる。
TFTおよび画素電極等を有する画素部がマトリクス状に配置されたTFT基板と、カラーフィルタ等が形成されたカラーフィルタ基板とを重ねあわせ、両基板の間に液晶層を挟み、両基板の周囲をシール材等で取り囲み封止して液晶パネルを形成し、TFT基板の液晶層側には有機膜で第1の配向膜を形成し、またカラーフィルタ基板の液晶層側にも有機膜で第2の配向膜を形成する。
TFT基板には第1の方向と該第1の方向と交差する第2の方向とにジグザグに折れ曲がり延伸する第1の突起を形成し、カラーフィルタ基板にも第1の突起と同様に第1の方向と該第1の方向と交差する第2の方向とにジグザグに折れ曲がり延伸するた第2の突起とを形成する。
また、第1の配向膜には紫外線等の光照射によって、配向膜の分子の主鎖を揃えることにより第1の遅相軸を生じさせ、第2の配向膜にも光照射により第2の遅相軸を生じさせる。この第1の遅相軸と第2の遅相軸とは交差するように配置される。
液晶分子は電界が印加されない状態では垂直に配向するVAモードで使用され、液晶層に電界を印加した場合に液晶分子は、第1の突起および第2の突起の延伸方向と交差する方向に倒れる。この液晶分子の倒れる方向と、第1の遅相軸または第2の遅相軸とが異なるように形成する。
VAモードで使用する液晶パネルにおいて、第1の遅相軸と第2の遅相軸とを交差するように配置することで、配向膜にVAモードの液晶表示装置の視野角を広げる位相差板の機能を持たせることができる。
図1は、本発明による液晶表示装置100を示す平面図である。液晶表示装置100は液晶パネル1と制御回路80とで構成される。制御回路80からは液晶パネル1の表示に必要な信号が供給される。制御回路80はフレキシブル基板70に搭載されており、配線71、端子75を介して信号が液晶パネル1に伝達される。
液晶パネル1の画素部8には画素電極11が設けられている。なお、液晶パネル1は多数の画素部8をマトリクス状に備えているが、解り易くするため、図1では画素部8を1つだけ図示している。マトリクス状に配置された画素部8は表示領域9を形成し、各画素部8が画像の画素の役割をはたし、表示領域9に画像を表示する。
図1においては、図中x方向に延在しy方向に並設されるゲート信号線(走査線とも呼ぶ)21と、y方向に延在しx方向に並設されるドレイン信号線(映像信号線とも呼ぶ)22とが設けられており、ゲート信号線21とドレイン信号線22とで囲まれる領域に画素部8が形成されている。また、ゲート信号線21と並列に共通信号線25が設けられており、各画素部8の保持容量電極に印加される電圧を供給している。
画素部8にはスイッチング素子10が設けられている。ゲート信号線21からは制御信号が供給され、スイッチング素子10のオン・オフが制御される。スイッチング素子10がオン状態となることで、ドレイン信号線22を介して伝送された映像信号が画素電極11に供給される。
ゲート信号線21とドレイン信号線22とは駆動回路5に接続されており、駆動回路5から制御信号及び映像信号が出力する。
次に図2は、VAモード液晶表示パネル1の基本的構成を示す概略展開図である。液晶パネル1は相互に対向する一対のガラス基板2、3と、その間に封入される液晶層4とより構成され、前記液晶パネル1の下方には矢印95で示した方向に吸収軸を有する第1の偏光板91が、また上方には矢印96で示した方向に吸収軸を有する第2の偏光板92が配設される。
ガラス基板2と、3にはそれぞれ画素電極11と対向電極15とが形成されている。液晶層4は、負の誘電率異方性を有する液晶であり、画素電極11と対向電極15との間に電界を印加しない非駆動状態において、下側基板近傍および、上側基板近傍の液晶分子は、各基板に対して略垂直に配向する。
非駆動状態の場合には、液晶分子は基板に略垂直に配向しており、第1の偏光板91を透過して入射した光は、その偏光軸を変えずに進むので、透過軸が第1の偏光板91に対して直交している第2の偏光板92を透過せず、黒色表示が行える。
白色表示を行うために、電圧を画素電極11と対向電極15との間に印加した場合には、下側の配向膜93により液晶分子は矢印97の方向に傾き、上側の配向膜94により液晶分子は矢印98の方向に傾く。この時、液晶分子によって偏光軸が回転した光は、第2の偏光板92を通過して、パネルの正面から観た場合には所望の白色表示が得られる。
本願発明では、図2の配向膜93は位相差を有する屈折率楕円体で、その遅相軸は矢印97と同方向としている。また、配向膜94も位相差を有する屈折率楕円体で、その遅相軸99は液晶分子が傾く方向98に対して交差している。
次に配向膜93と94について図3を用いて説明する。紙面と同じ平面に図3に示すようにx軸方向とy軸方向を定め、紙面に垂直な方向をz軸方向とすると、配向膜93は遅相軸がx方向を向いており、位相差はnx>ny=nzの関係を有している。
また、配向膜94は遅相軸がy方向を向いており、位相差はny>nx=nzの関係を有している。そのため、配向膜93と配向膜94とをその遅相軸がそれぞれ直交するように重ねると、配向膜93と配向膜94との位相差を合せた値は、nx=ny>nzの関係とすることができる。
配向膜の遅相軸97、99を偏光板91、92の透過軸方向95、96に対して45度となるように配置すると、大きなRth=((nx+ny)・2−nz)×dを得ることが可能である。
次に図4から図6を用いて位相差を有する配向膜について説明する。図4は配向膜の高分子が並んでいる状態を示している。例えば配向膜はポリイミドをスピンコートすることで形成される。このときポリイミド分子鎖110は図4に示すように、ランダムな方向を向いている。
図4に示すように、矢印111の方向に直線偏光した紫外線をポリイミドに照射すると、図5に示すように、配向膜の分子鎖は照射された紫外線の偏光方向にほぼ平行な分子鎖112は紫外線を多く吸収して切れて短くなる。
図6に示すように、紫外線照射と同時に、または照射後、ポリイミドを加熱すると切れて短くなった分子鎖は分解する。よって相対的に、紫外線の偏光方向と直交した方向の分子鎖113は、平行な方向の分子鎖よりも長くなる。
このような、紫外線の偏光方向に対して、吸収しやすい方向を有する分子鎖は、光学的な異方性を有しており、紫外線照射により例えば分子鎖に平行な方向に遅相軸を形成する。
そのため、液晶分子の配向方向を規制する目的で形成される配向膜に、紫外線を照射し、照射方向、強度を調整することで望みの位相差を生じさせることが可能である。
配向膜は液晶層を挟んで2層形成されるため、2層の間で異なる方向に遅相軸が発生するように紫外線を照射し、2層重ね合わせることで生じる位相差を利用することが可能である。
次に図7に画素部8の平面図を示す。また図7のA−A線で示す断面図を図8に示す。図7に示すようにゲート信号線21とドレイン信号線22とが交差して形成され、ゲート信号線21と並列に容量線25が形成されている。ゲート信号線21とドレイン信号線22とで囲まれた領域に画素電極11が形成されている。
画素電極11と容量線25とは重なっており保持容量を形成している。画素電極11にはスルーホール47が形成されており、保持容量電極16と画素電極11とは電気的に接続されている。
ゲート信号線21とドレイン信号線22の交差部近傍にスイッチング素子(以後、薄膜トランジスタ、TFTとも呼ぶ)10が形成される。TFT10はゲート信号線21を介して供給されるゲート信号によりオン状態となり、ドレイン信号線22を介して供給される映像信号をドレイン電極32、ソース電極33、スルーホール46を介して画素電極11に書き込む。
次に、図8に図7のA−A線で示す概略断面図を示す。液晶パネル1は、TFT基板2とカラーフィルタ基板3とが対向して配置されている。TFT基板2とカラーフィルタ基板3との間には、液晶組成物4が保持されている。なお、TFT基板2とカラーフィルタ基板3との周辺部には、シール材(図示せず)が設けられており、TFT基板2とカラーフィルタ基板3とシール材とは、狭い隙間を有する容器を形成しており、液晶組成物4はTFT基板2とカラーフィルタ基板3との間に封止される。また、符号14と符号18は液晶分子の配向を制御する配向膜である。
図7では図が複雑になることを避けるために、液晶分子の配向方向を規制する突起114、115を省略したが、TFT基板2の配向膜14の下には突起114が設けられ、カラーフィルタ基板3の配向膜18の下には突起115が設けられている。この突起114、115は図9に示すように折れ曲がった形状をしている。
図7で説明した画素部8の設けられるTFT基板2は、少なくとも一部が透明なガラス、樹脂等からなる。TFT基板2上には前述したようにゲート信号線21(図8では図示せず)が形成されており、ゲート信号線21は、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)または、ジルコニウム(Zirconium)を主体とする層とアルミ(Al)を主体とする層の多層膜から形成される。また、上面からTFT基板側の下面に向けて線幅が広がるように側面が傾斜している。ゲート信号線21の一部はゲート電極31を形成する。図8ではそのゲート電極31を図示している。
ゲート電極31を覆うようにゲート絶縁膜36が形成され、ゲート絶縁膜36の上にアモルファスシリコン膜からなる半導体層34が形成される。半導体層34の上部には不純物が添加されてn+層35が形成される。n+層35はオーミックコンタクト層であり、半導体層34が電気的に良好に金属層と接続されるよう設けられている。半導体n+層35の上には、ドレイン電極32とソース電極33とが離間して形成されている。なお、ドレインとソースの呼び方は電位によって変化するが、本明細書ではドレイン信号線22と接続する方をドレインと呼ぶ。
ドレイン信号線22、ドレイン電極32、ソース電極33は、モリブデン(Mo)とクロム(Cr)の合金や、モリブデン(Mo)又はタングステン(W)を主体とする2つの層で、アルミを主体とする層を挟んだ多層膜から形成されている。
TFT30の上には無機絶縁膜43と有機絶縁膜44が形成されている。この無機絶縁膜43と有機絶縁膜44にはスルーホール46が形成されており、ソース電極33と画素電極11とが電気的に接続される。無機絶縁膜43は窒化シリコン膜SiNや酸化シリコン膜SiO2で形成することができ、有機絶縁膜44は有機樹脂膜を用いることができる。有機絶縁膜44の表面は比較的平坦に形成することが可能なものであるが、凹凸を形成すように加工することも可能である。
画素電極11は透明導電膜で形成されており、透明導電膜は、ITO(indium tin oxide)、ITZO(Indium Tin Zinc Oxide)、IZO (Indium Zinc Oxide)、ZnO (Zinc Oxide)、SnO(酸化スズ)、In2O3(酸化インジウム)等の透光性の導電層から構成されている。
なお、前述したクロムを主体とする層は、クロム単体でもクロムとモリブデン(Mo)等の合金でもよく、ジルコニウムを主体とする層は、ジルコニウム単体でもジルコニウムとモリブデン等の合金でもよく、タングステンを主体とする層は、タングステン単体でもタングステンとモリブデン等の合金でもよく、アルミを主体とする層は、アルミ単体でもアルミとネオジウム(Neodymium)等の合金でもよい。
容量線25には、保持容量部13が接続している。容量線25には無機絶縁膜43を挟んで対向して保持容量電極26が設けられている。保持容量電極26と画素電極11とは、有機絶縁膜44に設けられたスルーホール47を介して接続される。なお、保持容量電極26はドレイン信号線22と同じ工程で、同じ材料にて形成することが可能である。
前述したように、画素電極11の上には液晶分子の配向方向を規制する突起114が形成されている。同様にカラーフィルタ基板3側にも突起115が形成されている。
カラーフィルタ基板3はガラス、樹脂等からなる基板で、特定の波長の光を透過するカラーフィルタ150と各カラーフィルタ150を区画する遮光層であるブラックマスク162が形成されている。カラーフィルタ150とブラックマスク162の上にはオーバーコート膜158が形成されている。
オーバーコート膜158の上には対向電極15が形成され、対向電極15の上には前述した突起115が形成されており、対向電極15と突起115の上を覆って配向膜18が形成されている。
前述したように、この配向膜14、18には紫外線照射により位相差が生じている。このとき、配向膜14と18の分子鎖(主鎖)の伸びる方向が遅相軸となる。配向膜14と配向膜18とはそれぞれ遅相軸を有しているために、それぞれは屈折率楕円体であるが、配向膜14と配向膜18の遅相軸を直交するように重ねると2つの配向膜で、nx=ny>nzとすることができ、視野角を光学的に補償することが可能となる。
ただし、このときVAモードの液晶表示素子では、前述した配向方向を規制する突起114、115と配向膜14、18の遅相軸との関係について検討する必要が生じる。
次に図9を用いて突起114、115と液晶分子116の倒れる方向を説明する。図9に示すように突起114と突起115とはジグザグに折れ曲がっており、平面的に観て交互に形成されている。
突起114、115の上の液晶分子は垂直配向されているため、突起114、115の傾斜面に対して垂直な方向に配向される。このとき各基板の主面に対して傾斜面が傾きを有しているため、電界が印加されて無い状態でも突起114、115の液晶分子は基板に対して傾いて配向されることになる。
そのため、電界を印加した場合には、突起114、115の配向方向に液晶分子が倒れることとなる。図9では突起114、115の延伸方向に交差する方向となる。
前述したように、突起114はTFT基板2に設けられ、突起115はカラーフィルタ基板3に設けられ、平面的に観て交互に形成されているので、突起114と突起115によって液晶分子の倒れる方向は、TFT基板2とカラーフィルタ基板3とで同じ方向となる。
ただし、図9に示したように、突起114、115はジグザグに折れ曲がっているので、液晶分子116aと116bのように突起114と突起115の形成される方向によって液晶分子の倒れる方向は異なる。
図9では、突起114と突起115の折れ曲がる方向は2方向であり、その方向はゲート信号線21やドレイン信号線22と略45°の角度で交差している。
前述したように、配向膜14と配向膜18の遅相軸は直交しており、対して液晶分子の倒れる方向は、TFT基板2とカラーフィルタ基板3とで同じ方向であるため、一方の基板側で配向膜の遅相軸と液晶分子の倒れる方向をそろえたとしても他方の基板側では配向膜の遅相軸と液晶分子の倒れる方向がそろわずに交差してしまう。
一般に配向膜の遅相軸方向に配向膜分子の主鎖がそろっているので、遅相軸方向に液晶が配向する可能性があるため、配向膜の遅相軸と液晶分子の倒れる方向とを同方向としたいが、配向膜で視野角を光学的に補償するために、配向膜14と配向膜18の遅相軸を直交するように重ねる必要がある。そのため、どちらか一方の基板側で、配向膜の遅相軸と液晶分子の倒れる方向がそろわないこととなる。
図9に示すように突起114、115はジグザグに折れ曲がっているので、配向膜の遅相軸と液晶分子の倒れる方向がそろわない領域も、TFT基板2側とカラーフィルタ基板3側で交互に形成されており、配向膜の遅相軸と液晶分子の倒れる方向がそろわないことによる問題点を相互に補償し合うことが可能である。
以上、本願発明によれば、VAモードの液晶表示装置において、配向膜に視野角拡大の機能を持たせることが可能となる。そのため、高価な視野角拡大フィルムを積層貼り合わせて使用することが簡略化されて、薄膜化と低コスト化を図ることができる。
本発明の実施の形態である液晶表示装置の概略構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の液晶パネルを示す概略展開図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の配向膜を示す概略展開図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の配向膜を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の配向膜を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の配向膜を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の画素部を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の画素部を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の突起を示す概略平面図である。
符号の説明
1…液晶パネル、2…TFT基板、3…カラーフィルタ基板、4…液晶層、5…駆動回路、8…画素部、9…表示領域、11…画素電極、14…配向膜、15…対向電極、16…保持容量電極、18…配向膜、21…ゲート配線(走査信号線)、22…映像信号線、25…保持容量線、31…ゲート電極、32…ドレイン電極、33…ソース電極、34…半導体層、35…n+層、36…ゲート絶縁膜、43…無機保護膜、44…有機絶縁膜、46…コンタクトホール、47…コンタクトホール、110…分子鎖、111…矢印、112…分子鎖、113…分子鎖、114…突起、115…突起、116…液晶分子。

Claims (9)

  1. 第1の基板と、第2の基板と、
    上記第1と第2の基板に挟まれた液晶層と、
    上記第1の基板上にマトリクス状に配置された画素部を有する液晶表示装置であって、
    上記第1の基板の液晶層に面して形成された第1の有機膜と、
    上記第2の基板の液晶層に面して形成された第2の有機膜とを有し、
    上記液晶層に面する第1の有機膜に光照射によって生じた第1の遅相軸と、上記液晶層に面する第2の有機膜に光照射によって生じた第2の遅相軸とが交差しており、
    上記液晶層に電界を印加した場合に液晶分子が倒れる方向と、第1の遅相軸または第2の遅相軸とが異なり、
    上記第1の遅相軸と第2の遅相軸は、光照射によって、上記第1の有機膜と第2の有機膜の主鎖が伸びる方向にそれぞれ形成されることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 上記液晶分子は上記第1の有機膜および第2の有機膜に対して垂直方向に配向することを特徴とする特許請求の範囲の請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. 上記光照射は偏光された紫外線の照射であることを特徴とする特許請求の範囲の請求項1に記載の液晶表示装置。
  4. 第1の基板と、第2の基板と、
    上記第1と第2の基板に挟まれた液晶層と、
    上記第1の基板上にマトリクス状に配置された画素部を有する液晶表示装置であって、
    上記第1の基板の液晶層に面して形成された第1の有機膜と、
    上記第2の基板の液晶層に面して形成された第2の有機膜と、
    第1の基板に形成され第1の方向に延伸する第1の突起と、
    第2の基板に形成され第1の方向に延伸する第2の突起とを有し、
    上記液晶層に面する第1の有機膜に光照射によって生じた第1の遅相軸と、上記液晶層に面する第2の有機膜に光照射によって生じた第2の遅相軸とが交差しており、
    上記液晶層に電界を印加した場合に液晶分子は、上記第1の方向に交差する方向に倒れ、
    上記液晶分子の倒れる方向と、第1の遅相軸または第2の遅相軸とが異なり、
    上記第1の遅相軸と第2の遅相軸は、光照射によって、上記第1の有機膜と第2の有機膜の主鎖が伸びる方向にそれぞれ形成されることを特徴とする液晶表示装置。
  5. 上記液晶分子は上記第1の有機膜および第2の有機膜に対して垂直方向に配向するVAモードであることを特徴とする特許請求の範囲の請求項4に記載の液晶表示装置。
  6. 上記光照射は偏光された紫外線の照射であることを特徴とする特許請求の範囲の請求項4に記載の液晶表示装置。
  7. 第1の基板と、第2の基板と、
    上記第1と第2の基板に挟まれた液晶層と、
    上記第1の基板上にマトリクス状に配置された画素部を有する液晶表示装置であって、
    上記第1の基板の液晶層に面して形成された第1の有機膜と、
    上記第2の基板の液晶層に面して形成された第2の有機膜と、
    上記第1の基板に形成され第1の方向と該第1の方向と交差する第2の方向とに折れ曲がり延伸する第1の突起と、
    上記第2の基板に形成され第1の突起と同様に第1の方向と該第1の方向と交差する第2の方向とに折れ曲がり延伸する第2の突起とを有し、
    上記液晶層に面する第1の有機膜に光照射によって生じた第1の遅相軸と、上記液晶層に面する第2の有機膜に光照射によって生じた第2の遅相軸とが交差しており、
    上記液晶層に電界を印加した場合に液晶分子は、上記第1の突起および第2の突起の延伸方向と交差する方向に倒れ、
    上記液晶分子の倒れる方向および第1の遅相軸の方向がそろわない領域と、上記液晶分子の倒れる方向および第2の遅相軸の方向がそろわない領域は、交互に形成され、
    上記第1の遅相軸と第2の遅相軸は、光照射によって、上記第1の有機膜と第2の有機膜の主鎖が伸びる方向にそれぞれ形成されることを特徴とする液晶表示装置。
  8. 上記液晶分子は上記第1の有機膜および第2の有機膜に対して垂直方向に配向するVAモードであることを特徴とする特許請求の範囲の請求項7に記載の液晶表示装置。
  9. 上記光照射は偏光された紫外線の照射であることを特徴とする特許請求の範囲の請求項7に記載の液晶表示装置。
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