JP5045477B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関する。より詳しくは、液晶表示装置の配向膜の信頼性改善技術に関する。

液晶表示装置は、互いに対向配置した一対の基板と、両基板の間に保持された液晶と、各基板と液晶とが接する面に配され液晶を配向するための配向層と、少なくとも一方の基板に配され液晶を駆動する電極とを備えている。液晶表示装置は液晶の配向状態によって多様な動作モードがこれまでに提案されている。液晶表示装置のコントラスト、応答速度、視野角など種々の特性改善のため、液晶の配向にプレチルトを与えることがある。プレチルトは基板に対して液晶分子に予め与えられる傾斜角（チルト）であり、配向層によって制御される。配向層による液晶のプレチルト制御技術は、例えば以下の特許文献１や特許文献２に開示がある。
特開平０６−２７３７７２号公報 特開２００７−０１７５０２公報

液晶にプレチルトを与える技術として、従来から無機斜方蒸着が知られている。これは、例えば二酸化ケイ素などの無機物質を基板に対して斜めから蒸着し、配向層とする。以下本明細書では、無機物質を所定の蒸着方向から斜方蒸着した配向層を、無機蒸着膜と呼ぶ。無機蒸着膜は蒸着角度に応じてプレチルト角度を制御することができるので、多くの液晶動作モードで採用されている。

しかしながら、従来の無機蒸着膜は、吸湿性があるため、プレチルト角が経時的に変化する。この吸湿によるプレチルト変化で、液晶表示装置のコントラストが低下し、解決すべき課題となっている。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は無機蒸着膜を配向層に用いた液晶表示装置の信頼性を改善することを目的とする。かかる目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明は、互いに対向配置した一対の基板と、両基板の間に保持された液晶と、各基板と液晶とが接する面に配され液晶に対してプレチルトを与える配向層と、少なくとも一方の基板に配され液晶を駆動する電極とを備えた液晶表示装置であって、前記配向層は、無機物質を所定の蒸着方向から斜方蒸着した無機蒸着膜からなり、一方の配向層は、蒸着方向と同じ側に液晶がプレチルトする正プレチルト状態を生じ、他方の配向層は、蒸着方向と反対側に液晶がプレチルトする逆プレチルト状態を生じることを特徴とする。

前記無機蒸着膜は、経時的にプレチルトが変化する性質を有し、一方の配向層を正プレチルト状態にし他方の配向層を逆プレチルト状態として、プレチルトの経時的な変化を両基板の間で相殺する。前記無機蒸着膜は、蒸着方向に応じて正プレチルト状態と逆プレチルト状態のいずれか一方を発現し、一方の配向層は正プレチルト状態となるように蒸着方向を設定し、他方の配向層は逆プレチルト状態となるように蒸着方向を設定して、各々無機蒸着膜を成膜する。

無機蒸着膜は経時的にプレチルトが変化する性質を有する。これに対処するため、一対の基板のうち一方に形成された無機蒸着膜は液晶を正プレチルト状態にする一方、他方の基板に形成された無機蒸着膜は、液晶が逆プレチルト状態となるようにする。一方の基板に接する液晶分子を正プレチルト状態にし、他方の基板に接する液晶を逆プレチルト状態とすることで、プレチルトの経時的な変化を両基板の間で相殺することができる。これにより液晶表示装置で経時的に吸湿が進んでもコントラストの低下が生じなくなり、信頼性を改善できる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の基本的な概念を説明するための模式図である。図１は上段と下段に分かれている。上段は従来の液晶表示装置の断面構造を表し、下段は本発明にかかる液晶表示装置の断面構造を表している。また図１の左側半分は液晶表示装置の初期状態を表しており、右側半分は時間が経過したあとの状態を表している。

まず最初に本発明の背景を明らかにするため、従来の液晶表示装置の状態変化を説明する。図示するように、液晶表示装置は互いに対向配置した一対の基板１，２と両基板１，２の間に保持された液晶３と、各基板１，２と液晶３とが接する面に配され液晶３に対してプレチルトを与える配向層と、少なくとも一方の基板に配され液晶を駆動する電極とを備えている。なお図では理解を容易にするため電極は図示を省略している。上側の基板１に形成された配向層は下地膜６と無機蒸着膜４とからなる。下地膜６は例えば二酸化ケイ素などの無機物質を基板の法線方向から蒸着した膜である。無機蒸着膜４は二酸化ケイ素などの無機物質を所定の蒸着方向から斜方蒸着したものであり、図示するように斜めに傾いた微細な柱状体の集合からなる。この無機蒸着膜４は蒸着角度を適切に設定することで、液晶３に逆プレチルト状態を与えている。即ち基板１の内面に接する液晶３の分子は蒸着方向と反対側にプレチルトしている。本明細書では液晶分子のこの状態を逆チルトと呼ぶ場合がある。

下側の基板２に形成された配向層も下地膜６と無機蒸着膜５の２層構造からなる。無機蒸着膜５もその斜め蒸着方向を適切に設定することで、下側の基板２に接する液晶分子を逆チルトに制御している。この様に、従来の液晶表示装置は上側の無機蒸着膜４及び下側の無機蒸着膜５共に液晶３を逆チルトに配向している。従って液晶３は両基板１，２の間で全体的に一様な逆プレチルト状態となっている。

上述した初期状態から時間が経過すると液晶表示装置の内部に湿気が侵入し、無機蒸着膜４，５に吸湿される。無機蒸着膜４は吸湿によりプレチルト角が変化する性質がある。初期状態で液晶３が逆チルトにある場合、無機蒸着膜は吸湿によってチルト角が低下する傾向になる。従って図示するように吸湿が進むにつれ、液晶３はチルト角が低くなっていき、基板１，２の法線方向に対して傾きが大きくなる。この影響で電圧無印加状態における液晶表示装置のコントラストが低下する。

本発明は吸湿によるコントラストの低下を改善することを目的とする。このため、図１の下段に示した構成を採用している。図示するように本発明にかかる液晶表示装置は、初期状態で上側の基板１に形成された無機蒸着膜４が蒸着方向と同じ側に液晶３がプレチルトする正プレチルト状態を与えている。無機蒸着膜４は斜方蒸着角度を適切な範囲に設定することで、液晶分子を逆チルトではなく正チルトにすることができる。一方下側の基板２の無機蒸着膜５は従来と同様に液晶３を逆チルトに配向させている。

時間の経過と共に液晶表示装置は吸湿が進み、左側の状態から右側の状態に変化する。下側の基板２に形成された無機蒸着膜５は液晶３を逆チルトに配向するものであり、吸湿の進行に伴ってチルト角は低下していく。一方上側基板１に形成された無機蒸着膜４は液晶を正チルトに配向している。この場合には吸湿の進行によって液晶３はチルトが高くなる性質がある。この様に上側の基板１に接した液晶３を正プレチルト状態とし下側の基板２に接した液晶３を逆プレチルト状態とすることで、プレチルトの経時的な変化を両基板１，２の間で相殺することができる。図示するように、上側基板１に接した液晶分子は吸湿の進行に伴ってその配向状態が立ってくる。一方下側の基板２に接した液晶分子は吸湿に伴って液晶分子が寝てくる。両基板１，２の中間に位置する大部分の液晶分子は上側基板に起きたチルトの変化と下側の基板２に生じたチルトの変化が互いに打ち消しあうことで、チルトは初期状態とほとんど変化がない。この様に液晶３の層の大部分を占める中間の液晶分子が吸湿に関わらずチルト変化が生じないので、コントラスト変化も起こらず、信頼性が改善される。

図２は、図１に示した本発明にかかる液晶表示装置の要部断面図である。図２の上段は上側無機蒸着膜４の微細構造を示し、下段は下側無機蒸着膜５の微細構造を表している。まず下側無機蒸着膜５は、二酸化ケイ素など無機物質の斜方蒸着により、微細な柱状体の集合が形成される。この柱状体は液晶３に対しアンカリング作用を及ぼす。アンカリング力により液晶３は逆チルトに配向される。図示するように、アンカリング力は柱状体の軸方向成分と、これに直交する成分とに分けられる。軸方向成分と直交成分の合力により、液晶３の逆チルトが規定される。図示するように、液晶３は微細柱状体の軸方向と反対方向に傾斜し、逆チルトになる。一般的に、微細柱状体は蒸着方向に沿って成長するため、柱状体の軸方向は蒸着方向と同じ側になる。

吸湿の進行に伴って下側無機蒸着膜５の表面に水分子の薄い膜が形成される。これにより液晶３と下側無機蒸着膜５の界面におけるアンカリング力が低下する。特に柱状体の軸方向のアンカリング力が直交方向のアンカリング力に比べて大きく低下する。これにより液晶３はその姿勢が寝ていき逆チルト状態が低くなっていく。

これに対し上側無機蒸着膜４も斜方蒸着により形成された微細柱状体の集合からなる。但し斜方蒸着の角度、真空度、基板材料などを適宜選択することで、液晶３を逆チルトではなく正チルトに配向することができる。蒸着条件を適宜選択することで、液晶分子に対するアンカリング力は柱状体の軸方向成分が大きくなり、これと直交する方向の成分が小さくなる。両成分の合力によって液晶分子は図示するように正チルトに配向する。

時間の経過に伴って吸湿が進行し、上側無機蒸着膜４と液晶３の界面にも薄い水分子の膜が形成される。これにより界面のアンカリング力が低下する。この場合も軸方向のアンカリング力の低下がこれと直交する方向のアンカリング力の低下よりも大きいため、液晶分子は矢印で示すように立っていく。即ち正チルトの場合には液晶分子は吸湿で分子が立つ方向に変化する。よって、正チルトと逆チルトで吸湿による変化が互いに打ち消しあうことになり、コントラストの低下を防ぐことができる。

図３は、蒸着角度とチルト角の関係を示すグラフである。横軸に蒸着角度をとり、縦軸にチルト角をとってある。蒸着角度は基板水平面を基準にした蒸着方向を表している。一方チルト角は、基板平面に対する液晶分子の長軸の傾き角で表してある。チルト角が９０度のとき液晶分子は基板に対して垂直に配向する。チルト角が９０度より大きい場合逆チルトとなり、９０度より小さい場合正チルトとなるように角度の測定方向を設定している。パラメータとして蒸着真空度及び基板材料を取ってある。曲線Ａは基板材料がシリコンで蒸着真空度が１×１０^−４Ｐａである。この場合蒸着角が４０度以下で液晶分子は逆チルトとなり、蒸着角度が４０度から５５度の範囲で正チルトに反転し、５５度以上では再び逆チルトになる。曲線Ｂは、基板材料がやはりシリコンウェハで、真空度が８×１０^−３Ｐａの場合である。このときには蒸着角度が３０度〜５０度の範囲で液晶分子は正チルトになる。曲線Ｃは基板材料がガラスで真空度が５．６×１０^−３Ｐａの場合である。この場合蒸着角度が３５度〜６０度弱の範囲で液晶分子は正チルトになる。６０度を超えると液晶分子は逆チルト状態に反転する。曲線Ｄは基板材料がガラスで真空度が８×１０^−３Ｐａの場合である。このときには蒸着角度が３５度〜６０度の範囲で液晶分子は正チルトであり、６０度を超えると逆チルトになる。

この様に蒸着角度、基板材料、真空度などの各種パラメータを適切に設定することで、逆チルト状態もしくは正チルト状態を選択的に作り出すことができる。

図４は、図１に示した本発明にかかる液晶表示装置の配向層の顕微鏡写真である。配向層は下地膜６と無機蒸着膜４の積層からなる。下地膜６は前述したように二酸化シリコンなどの無機材料を基板の法線方向から蒸着したものであり、基本的にはアモルファス状態となっている。一方無機蒸着膜４は基板平面に対して蒸着角度６１度で二酸化シリコンを斜方蒸着して形成する。二酸化シリコンの斜方蒸着により、下地膜６の上に微細な柱状体が成長し、無機蒸着膜４となる。微細な柱状体の成長方向はほぼ斜方蒸着方向と等しい。従って、微細な柱状体の軸の傾斜角度は基板法線に対しておよそ３０度程度になっている。

図５は、本発明にかかる液晶表示装置の具体的な構成例を示す模式的な部分断面図である。本表示装置は、行状の走査線と、列状の信号線と、両者の交差部に位置する画素とが基板５１上に集積形成されている。石英からなる基板５１には、遮光膜５５を介して下地膜５６が形成されている。図５の断面図は、１画素分を示す模式的な部分断面図である。図では信号線電極５７Ｓが列状の信号線（図示せず）に接続しており、ゲート電極５３が行状の走査線（図示せず）に接続している。

画素は、電気光学素子と、走査線と信号線に接続して電気光学素子を駆動する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とを含んでいる。電気光学素子は画素電極６７と対向電極６９との間に保持された液晶７０で構成されている。なお対向電極６９は対向基板６８に形成されている。画素電極６７と対向電極６９はそれぞれ液晶７０に対する配向膜７１，７２で被覆されている。

薄膜トランジスタは、ポリシリコン膜５２と、ゲート電極５３と、ポリシリコン膜５２とゲート電極５３との間に配されたゲート酸化膜５４とからなる。ポリシリコン膜５２は、ゲート電極５３に整合したチャネル領域ＣＨと、ソースＳまたはドレインＤとなる所定の不純物濃度の導電性領域とを含む。

かかる構成を有するＴＦＴはＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜６０で被覆されている。この層間絶縁膜６０の上には信号線電極５７Ｓと画素電位引き出し電極５７Ｄが形成されている。これらの電極５７Ｓ，５７Ｄは層間絶縁膜６０に開口したコンタクトホールを介して、それぞれＴＦＴのソースＳ及びドレインＤに接続している。

信号線電極５７Ｓと画素電位引き出し電極５７Ｄは同じくＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜６４により被覆されている。層間絶縁膜６４の上には画素電位引き出し電極６５が形成されている。この画素電位引き出し電極６５は下層の層間絶縁膜６４に形成されたコンタクトホールを介して、下側の画素電位引き出し電極５７Ｄに接続している。

画素電位引き出し電極６５は層間絶縁膜６６で被覆されている。層間絶縁膜６６の上には前述した画素電極６７が形成されている。この画素電極６７は層間絶縁膜６６に開口したコンタクトホールを介して画素電位引き出し電極６５に接続している。なお画素電位引き出し電極６５は金属Ｔｉからなり、表面遮光膜を兼ねている。この表面遮光膜６５と裏面遮光膜５５とで、中間のＴＦＴを上下から遮光している。画素電極６７は例えば光反射性の金属導電膜からなる。本表示装置は、画素電極６７と対向電極６９との間で駆動電圧を印加し、画素単位で液晶７０の透過率を変調し以って画像を表示している。

かかる構成において、下側の石英基板５１と液晶７０の界面に配向層７１が形成されている。また上側基板６８と液晶７０との界面には上側配向層７２が形成されている。配向層７１，７２はいずれも無機物質を所定の蒸着方向から斜方蒸着した無機蒸着膜からなる。一方の配向層７１は、蒸着方向と同じ側に液晶７０がプレチルトする正プレチルト状態を生じ、他方の配向層７２は蒸着方向と反対側に液晶がプレチルトする逆プレチルト状態を生じる。無機蒸着膜は、経時的にプレチルトが変化する性質を有する。一方の配向層７１を正プレチルト状態にし他方の配向層７２を逆プレチルト状態として、プレチルトの経時的な変化を両基板５１,６８の間で相殺する。無機蒸着膜は、蒸着方向に応じて正プレチルト状態と逆プレチルト状態のいずれか一方を発現する。一方の配向層７１は正プレチルト状態となるように蒸着方向を設定し、他方の配向層７２は逆プレチルト状態となるように蒸着方向を設定して、各々無機蒸着膜を成膜する。

図６は、図５に示した液晶表示装置の全体構成を示す模式的な斜視図である。図示するように、本表示装置は一対の絶縁基板１０１，１０２と両者の間に保持された液晶１０３とを備えたパネル構造を有する。下側の絶縁基板１０１には画素アレイ部１０４と駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直駆動回路１０５と水平駆動回路１０６とに分かれている。また、絶縁基板１０１の周辺部上端には外部接続用の端子部１０７が形成されている。端子部１０７は配線１０８を介して垂直駆動回路１０５及び水平駆動回路１０６に接続している。画素アレイ部１０４には行状のゲート配線１０９と列状の信号配線１１０が形成されている。両配線の交差部には光反射性の画素電極１１１とこれを駆動する薄膜トランジスタ１１２が形成されている。薄膜トランジスタ１１２のゲート電極は対応するゲート配線１０９に接続され、ドレイン領域は対応する画素電極１１１に接続され、ソース領域は対応する信号配線１１０に接続している。ゲート配線１０９は垂直駆動回路１０５に接続する一方、信号配線１１０は水平駆動回路１０６に接続している。

図７は、画像表示部として図６に示した液晶パネルを用いた反射型プロジェクタ装置の一例を示す構成図である。図７に図解した反射型プロジェクタ装置は、３原色光、すなわち、青色、緑色、赤色を提供する光源として、白色光を出力するランプ２０１と、コリメータレンズ２０２と、フライアイ（蠅の目）レンズ２０３、２０４と、入射光の例えばＰ偏光成分の光をＳ偏光に変換して出力するＰＳ変換手段２０５と、メインコンデンサレンズ２０６と、青色反射ダイクロッイクミラー２０７と、緑赤色反射ダイクロイックミラー２０８と、全反射ミラー２０９、２１０と、緑反射ダイクロイックミラー２１１とを有する。

反射型プロジェクタ装置はさらに、クロスプリズム２２４と、このクロスプリズム２２４の周囲に配設された、３個の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、すなわち、第１偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２１８、第２ＰＢＳ２１９、第３ＰＢＳ２２３を有する。反射型プロジェクタ装置は、クロスプリズム２２４を挟んで、第２ＰＢＳ２１９と対向する側に投射レンズ２２５を有する。第２ＰＢＳ２１９の一方の面側には、コンデンサレンズ２１２が配設され、他方の面に緑色用液晶反射パネル２１３と１／４波長板２１４とが配設されている。第１ＰＢＳ２１８の一方の面側には、コンデンサレンズ２１５が配設され、他方の面に赤色用液晶反射パネル２１７と１／４波長板２１６とが配設されている。第３ＰＢＳ２２３の一方の面側には、コンデンサレンズ２２０が配設され、他方の面に緑色用液晶反射パネル２２２と１／４波長板２２１とが配設されている。

光源からは３原色光、すなわち、青色光、緑色光、赤色光が下記のごとく出力される。赤色光は、メインコンデンサレンズ２０６から出力された白色光が緑赤色反射ダイクロイックミラー２０８で反射され、全反射ミラー２０９で反射され、緑反射ダイクロイックミラー２１１を透過し、コンデンサレンズ２１５に入射する。緑色光は、メインコンデンサレンズ２０６から出力された白色光が緑赤色反射ダイクロイックミラー２０８で反射され、全反射ミラー２０９で反射され、緑反射ダイクロックミラー２１１で反射され、コンデンサレンズ２１２に入射する。青色光は、メインコンデンサレンズ２０６から出力された白色光が青色反射ダイクロックミラー２０７で反射され、全反射ミラー２１０で反射され、コンデンサレンズ２２０に入射する。

コンデンサレンズ２１２に入射された緑色光は、第２ＰＢＳ２１９で反射されて１／４波長板２１４を透過して緑色用液晶反射パネル２１３に入射し、そこで変調されると第２ＰＢＳ２１９を透過してクロスプリズム２２４に入射して投射レンズ２２５から、その前方に位置するスクリーン（図示せず）に投射される。コンデンサレンズ２１５に入射された赤色光は、第１ＰＢＳ２１８で反射されて１／４波長板２１６を透過して赤色用液晶反射パネル２１７に入射し、そこで変調されると第１ＰＢＳ２１８を透過してクロスプリズム２２４に入射して投射レンズ２２５から、その前方に位置するスクリーン（図示せず）に投射される。コンデンサレンズ２２０に入射された緑色光は、第３ＰＢＳ２２３で反射されて１／４波長板２２１を透過して緑色用液晶反射パネル２２２に入射し、そこで変調されると第３ＰＢＳ２２３を透過してクロスプリズム２２４に入射して投射レンズ２２５から、その前方に位置するスクリーン（図示せず）に投射される。

本発明にかかる液晶表示装置の基本構成を示す模式図である。 本発明にかかる液晶表示装置の要部拡大図である。 蒸着角度とチルト角との関係を示すグラフである。 無機蒸着膜の断面顕微鏡写真である。 本発明にかかる液晶表示装置の具体的な構成例を示す模式的な部分断面図である。 図５に示した液晶表示装置の全体構成を示す斜視図である。 図６に示した液晶表示装置を組み込んだ反射型プロジェクタを示す模式図である。

符号の説明

１・・・基板、２・・・基板、３・・・液晶、４・・・無機蒸着膜、５・・・無機蒸着膜、６・・・下地膜

Claims (3)

1. 互いに対向配置した一対の基板と、両基板の間に保持された液晶と、各基板と液晶とが接する面に配され液晶に対してプレチルトを与える配向層と、少なくとも一方の基板に配され液晶を駆動する電極とを備えた液晶表示装置であって、
   前記配向層は、無機物質を所定の蒸着方向から斜方蒸着した無機蒸着膜からなり、
   一方の配向層は、蒸着方向と同じ側に液晶がプレチルトする正プレチルト状態を生じ、
   他方の配向層は、蒸着方向と反対側に液晶がプレチルトする逆プレチルト状態を生じることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記無機蒸着膜は、経時的にプレチルトが変化する性質を有し、
   一方の配向層を正プレチルト状態にし他方の配向層を逆プレチルト状態として、プレチルトの経時的な変化を両基板の間で相殺することを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
3. 前記無機蒸着膜は、蒸着方向に応じて正プレチルト状態と逆プレチルト状態のいずれか一方を発現し、
   一方の配向層は正プレチルト状態となるように蒸着方向を設定し、他方の配向層は逆プレチルト状態となるように蒸着方向を設定して、各々無機蒸着膜を成膜することを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。