JP5096857B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、液晶を用いた装置に関し、特に液晶表示素子に関する。

垂直配向液晶表示素子において、異なる形状の上下電極のエッジ部分に斜め電界が発生し、液晶分子が水平方向に傾く現象がある。この現象はしきい値電圧近傍から発生する。垂直配向液晶表示素子は、クロスニコル配置の一対の偏光板を用い、ノーマリブラックで動作させることが多い。液晶表示素子において、この現象が発生した部分は光学的に光を透過する状態になる。ＯＦＦ電圧を印加する単純マトリクス駆動では、この光抜けが原因となりコントラスト比の低下を引き起こす。

実開平７−３９０７６号公報では、表示ＯＦＦ状態における画素エッジからの光抜け（光漏れ）を防止するため、画素エッジ部を覆うように金属遮光マスク（ブラックマスク）を配置する方法が提案されている。

実開平７−３９０７６号公報

本発明の目的は、上下電極のエッジ部分に生じる斜め電界に起因した光抜けを低減する垂直配向液晶表示素子を提供することである。

本発明の一観点によれば、対向する一対の基板と、前記基板の各々の対向面側に形成された電極パターンと、前記基板の各々の対向面側に形成された前記電極パターンの交差部分で形成された表示領域と、前記基板の各々に対し前記電極パターンを覆って形成された垂直配向膜と、前記基板間に挟持された液晶層と、前記基板の各々において前記液晶層側とは反対側に形成された一対の偏光板とを有し、前記表示領域の輪郭は、前記基板の各々の対向面側に形成された前記電極パターンの、各々のエッジにより構成され、前記表示領域の輪郭において、前記電極パターンのエッジが前記偏光板の軸方向のいずれか一方およびその直交方向と平行なジグザグパターンを含む液晶表示素子が提供される。

本発明によれば、上下電極のエッジ部分に生じる斜め電界に起因した光抜けを低減する垂直配向液晶表示素子を提供することができる。

図１に、液晶表示素子の概略断面図を示す。図示の液晶表示素子は、ガラス製の背面基板１ａと、それに対向するガラス製の前面基板１ｂとを備えており、両基板１ａ、１ｂ間に液晶層２が設けられている。

背面基板１ａの液晶層２側表面にセグメント電極となる背面透明電極３ａが形成され、前面基板１ｂの液晶層２側表面にコモン電極となる前面透明電極３ｂが形成されている。

両透明電極３ａ、３ｂが液晶層２を挟んで重なり合い、この重なり合う部分で表示領域が形成される。

また、各々の透明電極を覆うように、基板１ａ、１ｂの液晶層２側に垂直配向膜４ａ、４ｂが設けられている。なお、垂直配向膜と透明電極との間に必要に応じて絶縁膜を設けても良い。

上下基板１ａ、１ｂの法線方向に関して外側に、一対の偏光板５ａ、５ｂが形成されている。偏光板５ａ、５ｂの軸方向は互いに９０°を為すように配置される。なお、必要に応じて基板と偏光板（例えば１ｂと５ｂ）との間に光学補償板６を配置しても良い。

上記液晶表示素子の製造方法に関して説明する。両基板１ａ、１ｂ上に主にインジウムスズオキサイドＩＴＯを用いて透明電極３ａ、３ｂを形成する。

透明電極３ａ、３ｂをそれぞれ覆うようにして垂直配向膜４ａ、４ｂを塗布焼成する。垂直配向膜材料として、日産化学工業製ＳＥ１２１１を用いる。垂直配向膜にラビング等で８９．５°のプレチルトを付与する。ラビングは１２時方向に上下基板でアンチパラレルとなるように施す。なお、液晶分子の傾き方向の制御は、スリット配向、突起配向、紫外線光配向等で行っても良い。

次いで、各基板１ａ、１ｂにメインシール材を塗布し、更に、所定の直径のギャップコントロール材（ここでは４μｍ）を散布した後、両基板１ａ、１ｂを電極側を向かい合わせて重ね合わせ、メインシール材を硬化させて空セルを形成する。

形成された空セルに液晶を注入して液晶層２を形成する。液晶材料としてΔε＝−３．２、Δｎが０．１５程度のものを用いる。液晶層２の液晶分子２ｍは垂直配向膜の作用で垂直配向される。なお、液晶材料が負の誘電率異方性を有していれば、他の物性値やセル厚に特段の制限はない。

その後、背面基板１の外側（図中下側）に背面偏光板５ａを貼り合せると共に、前面基板２の外側（図中上側）に光学補償板６と前面偏光板５ｂとを重ねて貼り合せる。偏光板としてポラテクノ製ＳＨＣ−１２５Ｕを用いる。光学補償板６として例えばＣプレート（面内リタデーションΔＲ＝０ｎｍ、厚み方向リタデーションΔｔｈ＝２２０ｎｍ）を用いる。なお、光学補償板６としてＣプレートの他にＡプレートや２軸位相差板等を用いても良い。

図２に、液晶表示素子の偏光板の透過軸の方向を表す平面図を示す。図示のように背面偏光板５ａの（透過）軸方向７ａと前面偏光板５ｂの（透過）軸方向７ｂとは直交しており（このような構成の一対の偏光板をクロスポラライザーと呼ぶ）、ノーマリブラックの液晶表示素子となる。また、右方向を０度として左回りを正の角度とすると、軸方向７ａは４５°であり、軸方向７ｂは１３５°である。

図３に、液晶表示素子における単純マトリクス型の電極構成例を示す。単純マトリクス型液晶表示素子の場合、行状に並んだコモン電極３ｃと、列状に並んだセグメント電極とが画素３ｄを形成する。各画素は単純マトリクス駆動により各々独立に明暗表示を行うことが出来る。

（比較例１）
図４Ａにコモン電極の一部の形状を示し、図４Ｂに、セグメント電極の一部の形状を示す。発明者らは、比較例１として、図４Ａに示す縦４００μｍ、横５００μｍのコモン電極３ｃに、図４Ｂに示す縦５００μｍ、横４００μｍのセグメント電極３ｓ−１組み合わせた場合、画素がどのように表示されるかについて独自のソフトによりシミュレーションを行った。

図５に、非選択電圧印加状態における画素の明暗分布を示す。非選択電圧印加状態とは、コモン電極−セグメント電極間にＯＦＦ電圧が印加されている状態のことを指す。図は、非選択電圧印加状態の画素の光透過状態を明暗の分布で表している。画素３ｄ−１はコモン電極３ｃに、セグメント電極３ｓ−１を重ね合わせた場合に表示される画素と対応する。

セグメント電極として３ｓ−１を用いた場合、画素３ｄ−１は、図示のように周囲に光抜けを持つ。フリンジ電界の面内方向は０度と９０度であろう。偏光板の透過軸４５度、１３５度に対して斜め方向に液晶分子が倒れ始めると光抜けが生じると考えられる。光抜けは、画素のエッジを中心に１０μｍ程度の領域で発生する。非選択電圧印加状態では光を遮光してコントラスト比を高く保つことが求められるため、この光抜けを解消したい。

（実施例１）
図６に、実施例１におけるセグメント電極形状を示す。発明者らは、上記光抜けを防ぐために、セグメント電極３ｓ−２の左右のエッジをジグザグパターン（鋸歯形状）とした場合について検討（シミュレーション）を行った。ジグザグパターンの辺は、偏光板軸方向７ａ、７ｂのどちらか一方に平行となっている。鋸歯のピッチは２０μｍである。

図７を参照する。図７は、コモン電極と左右にジグザグパターンのエッジを有するセグメント電極とを組み合わせた場合の非選択電圧印加状態における画素３ｄ−２の明暗分布を示す。図示のように、画素の左右については、ジグザグパターンの頂点のみ光抜けが見られる。

実施例において、セグメント電極の辺が４５°の方向であると、面内１３５°の方向にフリンジ電界が生じるであろう。このフリンジ電界は偏光板の軸方向の一方に平行である。頂点には、種々の方向成分が含まれると解される。このように、電極の辺およびフリンジ電界と、偏光板軸方向のいずれかおよびその直交方向とが平行となるように電極パターン、例えば上記のようにジグザグパターンを構成すれば、光抜けをジグザグパターンの頂点のみに止めることが出来るであろう。

次に発明者らは、実際の画素として使用するために鋸歯のピッチの最適範囲を検討した。

図８Ａおよび図８Ｂに選択電圧印加状態における画素の明暗分布を示す。選択電圧印加状態とは、電極間にＯＮ電圧が印加されている状態を指す。図８Ａに示す比較例による画素３ｄ−１は、正方形を表示しており、画素として理想的な形といえる。図８Ｂに示す画素３ｄ−２は、ジグザグパターンのピッチが２０μｍである。図８Ｂ中では左右の辺にジグザグパターンが確認できるが、実際画素として通常の距離（例えば数十ｃｍ離れた位置）から見る場合においては問題ないレベルである。発明者らが検討した結果、鋸歯が４０μｍ以下のピッチであれば画素として問題ないことが分かった。

一方、製造上の制限から、鋸歯のピッチの下限が決まる。通常の製造装置を用いて電極にジグザグパターンを形成することを考えると鋸歯のピッチの下限は２μｍが妥当であろう。

従って、実施例として可能な鋸歯のピッチ範囲は２μｍ〜４０μｍである。

なお、ジグザグパターンはセグメント電極側のみに設けてもよいし、コモン電極側のみに設けてもよいし、両方に設けてもよい。

（実施例２）
図９に、実施例２として、他の電極形状の例を示す。図は、７セグメントで「８」を表示するセグメント型の液晶表示素子の例である。このセグメント電極は、そのセグメント領域を平面的に包括するコモン電極に対向する。従って、セグメント電極のエッジ部分とコモン電極間に斜め電界が発生する。偏光板がその軸方向を４５°および１３５°とするクロスニコル配置であるとする。前述の光抜け対策として、各セグメント電極８ｓの斜めの辺が４５°もしくは１３５°となるようにし、縦横の辺に上記実施例と同様のジグザグパターンを設ける。それにより、非選択電圧印加時の光抜けはかなり減少するであろう。

上記シミュレーション結果に基づき、実際に液晶表示素子を作製した。

（比較例２）
比較例２は比較例１の電極パターンでモノドメイン垂直配向型液晶セルである。１画素あたりのセグメント側およびコモン側の電極幅は４０５μｍとし、電極間隔は幅３０μｍとした。下側基板に透明導電膜であるＩＴＯでセグメント電極を、上側基板に同じくＩＴＯでコモン電極を配置した。配向処理は垂直配向膜にラビング等で８９．５°のプレチルトを付与した。下側基板のプレチルトの方位角方向は１２時方向（右を０度とした場合、反時計まわりに９０度の位置である。図１上では上方向）、上側基板のプレチルトは６時方向の、アンチパラレル配向とした。このとき液晶ダイレクタは１２時方向であり、最適視認方向は６時方向になる。セル厚は６μｍ。液晶材料はΔε＝−２．２、Δｎ＝０．２０のネガティブ液晶を用いた。偏光板の吸収軸角度は上側４５度、下側１３５度の配置とした。使用した偏光板はポラテクノ製ＳＨＣ−１３Ｕ。光学補償板にはＣプレート（ΔＲ＝０ｎｍ、Δｔｈ=２２０ｎｍ）を下側の偏光板と液晶セル間に３枚積層した。ΔＲ：面内リターデーション値、Δｔｈ：厚み方向のリターデーション値である。

駆動波形はフレーム毎に極性反転を行うＢ波形（フレーム反転駆動）を用いた。駆動条件は１／３２ｄｕｔｙ、１／６ｂｉａｓ、駆動周波数１５０Ｈｚとした。大塚電子製液晶セル評価装置ＬＣＤ−５２００にて液晶セル法線方向（正面方向）の電圧と透過率の特性を測定した。

次に種々の電極パターンを作製し、液晶表示素子を作製した。

（実施例３）
図１０に、実施例３における電極パターンを示す。比較例２のセグメント電極のエッジを４５°と１３５°のジグザグ線で構成したパターンとした。ジグザグパターンは２つの頂点の間隔（ピッチ）が２０μｍ、２つの頂点の高さは１０μｍである。コモン電極もセグメント電極と同様に電極のエッジを４５°と１３５°のジグザグ線で構成したパターンとした。ジグザグパターンのピッチと高さはセグメント電極と同じである。

（実施例４）
図１１に、実施例４における電極パターンを示す。実施例３の電極パターンと同様にセグメント電極とコモン電極のエッジを同角度のジグザグ線とした。異なるのはジグザグパターンのピッチおよび高さであり、それぞれピッチ４０μｍ、高さ２０μｍとした。

（実施例５）
図１２に、実施例５における電極パターンを示す。実施例３の電極パターンと同様にセグメント電極のエッジを４５°と１３５°のジグザグ線で構成したパターンで、１ドットに占める頂点の数を減らした。コモン電極は比較例１と同じ直線パターンを用いた。比較例２と同様にセグメント電極幅（図中 水平方向の距離）は４０５μｍであり、隣り合う電極と電極の間隔は３０μｍとした。セグメント電極はコモン電極の中心線とコモン電極間隔の中心線の２箇所で折り曲げるような形状とし、そのときのジグザグピッチは４３５μｍ、高さは２１７．５μｍであった。上下基板を重ねた時、両電極が重なり合った部分の電極パターンは、「くの字」の形状であった。

（実施例６）
図１３に、実施例６における電極パターンを示す。実施例６はセグメント電極のエッジを４５°と１３５°の斜め線で構成した実施例５と同じパターンとした。ジグザグパターンのピッチは４３５μｍ、高さは２１７．５μｍである。コモン電極は実施例３と同様の形状でピッチが５０μm、高さ２５μｍのジグザグパターンとした。上下基板を重ねた時、両電極が重なり合った部分の電極パターンは、ジグザグ線を含んだ「くの字」状の形状であった。上記実施例３から６について、電極パターン以外は比較例２と全く同様に、液晶セルを作製した。駆動条件も同一で、同様に電圧と透過率の特性を測定した。

表１に、その結果からコントラストの最大値と、そのときのＯＮ透過率を示す。

表１．１／３２ｄｕｔｙ １／６ｂｉａｓ駆動時の最大コントラストとそのときのＯＮ透過率

セグメント電極およびコモン電極のエッジ部を４５度と１３５度のジグザグパターンとすることで、従来電極パターンのコントラストと比較して大きくすることができた。実施例４においては比較例の１．６倍のコントラストが、実施例６においては比較例の２．４倍のコントラストが得られた。また、その時のＯＮ透過率も高くできた。とりわけジグザグパターンの頂点の数を小さくすることが、効果的であることがわかる。また、比較例２と実施例５の結果から、ジグザグパターンはセグメント電極もしくはコモン電極のどちらかに配置するだけで、高コントラスト化の効果があることがわかる。比較例と実施例３と実施例４の比較、または実施例５と実施例６の比較から、好ましくはセグメント電極とコモン電極の両方の電極のエッジにジグザグパターンを配置したほうが、高コントラスト化の効果は高いことがわかる。ジグザグパターンで構成された表示画素は、視認距離により視認性が変わることが確認できた。視認距離が１０ｃｍ以内では実施例５や実施例６の形状が、くの字状に認識された。それ以上離れた距離では１画素の形状は気にならず、比較例２と同等の視認性であった。実施例３や実施例４については視認距離が１０ｃｍ以内でも、比較例２と同様の形状に認識された。

次に電極パターンにスリットを形成したスリット配向についても検討した。スリット配向は、斜め電界によって液晶ダイレクタ方位を決定でき、さらに異なるダイレクタ方位を持つマルチドメイン化が可能なため、広視野角の垂直配向液晶表示素子に多く用いられている。この表示画素の配向制御に電極の開口部を用いるスリット配向においても、斜め電界の影響でＯＦＦ電圧印加時に光漏れが発生する。そのため、スリット部のパターンエッジにジグザグパターンを配置してシミュレーションを行った。

(比較例３)
図１４に、比較例３におけるセグメント電極パターンを示す。コモン電極は、図４Ａに示したように縦４００μｍ、横５００μｍである。セグメント電極は図１４に示すように縦２５０μｍ、横１００μｍのスリット状開口部を設けた縦５００μｍ、横３００μｍの電極である。

図１５に、比較例３におけるＯＦＦ電圧印加時の表示状態を示す。図示のように、エッジ周辺に光漏れが見られる。

(実施例７)
図１６に、実施例７におけるセグメント電極を示す。実施例７では、比較例３のスリット部のエッジに該当する部分を、ピッチが４０μｍで４５度と１３５度の角度のジグザグパターンで作製した。コモン電極は比較例３と同様である。プレチルト角を９０度とし、ラビング等の配向処理を行わない以外は比較例１および実施例１と同条件で計算を実施した。

図１７に、実施例７におけるＯＦＦ電圧印加時の表示状態を示す。図示のように、実施例７においても、偏光板の吸収軸角度と同じ４５度と１３５度の角度のジグザグ状にエッジパターンを形成したスリットとすることで、光漏れを防止することが可能である。今回のようなジグザグパターンを持つスリット部であれば、ＯＮ時のダイレクタ方位に影響することがないことを確認している。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１は、液晶表示素子の概略断面図である。 図２は、液晶表示素子の偏光板の透過軸の方向を表す平面図である。 図３は、液晶表示素子における単純マトリクス型の電極構成例である。 図４Ａは、コモン電極の一部の形状であり、図４Ｂは、セグメント電極の一部の形状である。 図５は、非選択電圧印加状態における画素の明暗分布である。 図６は、実施例１におけるセグメント電極形状である。 図７は、図７は、コモン電極と左右にジグザグパターンのエッジを有するセグメント電極とを組み合わせた場合の非選択電圧印加状態における画素３ｄ−２の明暗分布である。 図８Ａおよび図８Ｂは、選択電圧印加状態における画素の明暗分布である。 図９は、実施例２における他の電極形状の例である。 図１０は、実施例３における電極パターンである。 図１１は、実施例４における電極パターンである。 図１２は、実施例５における電極パターンである。 図１３は、実施例６における電極パターンである。 図１４は、比較例３におけるセグメント電極パターンである。 図１５は、比較例３におけるＯＦＦ電圧印加時の表示状態である。 図１６は、実施例７におけるセグメント電極である。 図１７は、実施例７におけるＯＦＦ電圧印加時の表示状態である。

符号の説明

１ａ、１ｂ （透明）基板
２ 液晶層
２ｍ 液晶分子
３ａ、３ｂ 電極
３ｃ コモン電極
３ｄ、３ｄ−１、３ｄ−２ 画素
３ｓ、３ｓ−１、３ｓ−２、８ｓ セグメント電極
４ａ、４ｂ 垂直配向膜
５ａ、５ｂ 偏光板
６ 光学補償板
７ａ、７ｂ 偏光板軸方向

Claims (4)

1. 対向する一対の基板と、
   前記基板の各々の対向面側に形成された電極パターンと、
   前記基板の各々の対向面側に形成された前記電極パターンの交差部分で形成された表示領域と、
   前記基板の各々に対し前記電極パターンを覆って形成された垂直配向膜と、
   前記基板間に挟持された液晶層と、
   前記基板の各々において前記液晶層側とは反対側に形成された一対の偏光板と
   を有し、
   前記表示領域の輪郭は、前記基板の各々の対向面側に形成された前記電極パターンの、各々のエッジにより構成され、
   前記表示領域の輪郭において、前記電極パターンのエッジが前記偏光板の軸方向のいずれか一方およびその直交方向と平行なジグザグパターンを含む液晶表示素子。
2. 前記一対の偏光板の互いの軸方向がクロスニコルである請求項１記載の液晶表示素子。
3. 液晶表示素子正面観察時に、１２時方向から時計回り９０度の位置を右方向とし、右方向を０°として左回りを正としたとき、前記一対の偏光板の軸方向の一方が４５°で、他方が１３５°である請求項２記載の液晶表示素子。
4. 前記ジグザグパターンのピッチが２μｍ〜４０μｍである請求項１〜３のいずれか１項記載の液晶表示素子。