JP5101268B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、表示のための電極パターンを工夫した液晶表示素子に関する。

電圧無印加時の液晶層内の液晶分子配向方向を基板に対して垂直にした垂直配向型液晶表示素子は、その電圧無印加時における黒レベルが非常に良好である。垂直配向型液晶表示素子は、それを構成する液晶セルのうち、上下基板もしくは上下どちらか一方の基板の適切な位置に負の光学異方性を有する光学補償板を導入することにより、非常に良好な視角特性を有する。

垂直配向型液晶表示素子の配向タイプとして、ラビング処理などによるモノドメイン配向や、画素電極内に開口部を設けて斜め電界を発生させ、基板と平行な同一面内において複数の方向に液晶を配向させるマルチドメイン配向がある。

モノドメイン垂直配向型液晶表示素子は、電圧印加の有無に関らず、液晶層内における面内配向方向が一様になるように配向制御される。垂直配向型の場合、電圧印加時に液晶が基板に水平に近い状態に傾斜する。電圧無印加時に液晶分子が基板に対して完全に垂直であると、電圧印加時に液晶分子の配向が部分的に乱れる配向欠陥が生じやすい。そこで、電圧無印加時に液晶分子が基板に対して垂直からわずかに傾斜するようにプレチルト角を付与する。

ラビング処理を施した垂直配向液晶表示素子は、例えば特開２００５−２３４２５４号公報にて提案されている。

モノドメイン垂直配向型液晶表示素子において、ドットマトリクス表示で適用されるような高Ｄｕｔｙ駆動を行う場合、駆動電圧は透過率に基づいて設定される。このときＯＦＦ電圧の実効値は、ＯＮ電圧の実効値とバイアス比から決められる。高Ｄｕｔｙ駆動の条件では、ＯＦＦ電圧が液晶分子が倒れ始めるしきい値電圧よりも高いことがあるため、ＯＦＦ電圧印加時でも液晶の透過率が変化し、表示部に光抜けが発生することがある。この光り抜けはコントラスト比低下を招くので避けたい。

上記光抜けを防ぐため、電圧−透過率の変化をしきい値付近で急峻にすることが知られている。その方法の一つは、液晶分子が倒れ始めるしきい値電圧上げるため、液晶の角度を基板に対して垂直に近づける高プレチルト角の配向処理を行うことである。また、液晶セルのいわゆるリタデーションを大きくする方法も用いられている。

特開２００５−２３４２５４号公報

液晶表示素子の表示パターンのエッジ部分にあたる上下の電極間で斜め電界が生じることがある。上記の光抜け防止方法を用いても、この斜め電界がかかる領域の液晶分子は、表示領域中央の液晶分子よりも低い電圧で傾倒し始めるため、光抜けが観察される。

光抜けはコントラスト比の低下だけでなく、視角特性の悪化も招く。

本発明の目的は、光抜けを減少させた垂直配向型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、前記基板の各々に対し前記電極パターンを覆って形成され、アンチパラレル配向処理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、軸方向がクロスニコルである一対の偏光板とを有し、前記電極パターンがセグメント電極とコモン電極からなり、該電極パターンを構成する辺が、前記偏光板の軸方向に平行もしくは垂直なジグザグパターンであり、該セグメント電極とコモン電極とが画定する画素のエッジが、前記偏光板の軸方向と平行もしくは垂直であり、前記画素のエッジの前記偏光板の軸方向と平行もしくは垂直である辺が前記アンチパラレル配向処理に対して等しく所定の角度を備える液晶表示素子が提供される。

本発明によれば、光抜けを減少させた垂直配向型液晶表示素子を提供することができる。

図１は、液晶表示素子の概略断面図である。

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画素領域が形成される。

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の透過（吸収）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（Ａプレート、Ｃプレート、２軸位相差板等）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。なお、垂直配向膜はポリイミドや無機膜等でも良い。

次に、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、６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、基板１ａ、１ｂのどちらか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６μｍ）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を形成し、液晶セルを形成する。液晶材料としてΔε＝−２．２、Δｎが０．２０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。

液晶セルに光学補償板および偏光板を貼り合わせる。光学補償板としてＣプレート（面内リタデーションΔＲ＝０ｎｍ、厚さ方向のリタデーションΔｔｈ＝２２０ｎｍ）を下側の偏光板と液晶セル間に４枚積層する。偏光板としてポラテクノ社製のＳＨＣ−１３Ｕを用いる。なお、ヨウ素系偏光板、染料系偏光板も可能である。こうして、液晶表示素子を完成させる。

通常のモノドメイン垂直配向型液晶表示素子では、液晶中央分子配向方向（液晶ダイレクタ）は、液晶表示素子を正面から観察したときの１２時方向、もしくは６時方向に設定される。このダイレクタ設定にすることで、左右の視角特性がほぼ同等な広視野角の表示が得られる。このとき偏光板の透過（吸収）軸角度は液晶ダイレクタに対して＋４５°と−４５°のクロスニコル（２枚の偏光板の軸方向が直交する）配置とする。

発明者らは、予備段階（比較例）として、上記構成の液晶表示素子において、次のような電極パターンを持つ液晶表示素子サンプルを作製した。

図２は、比較例による液晶表示素子の画素の一部を示す平面図である。ここで、液晶表示素子の表示部を正面から見て３時の方向を０°とし、左回り（反時計回り）に角度が増えるとする。その場合、通常のドットマトリクス表示では、９０°の線からなるセグメント電極３ｓと、０°の線からなるコモン電極３ｃとが重なる部分で画素３ｄを形成する。液晶ダイレクタを９０°（１２時方向）に設定したとき、２枚の偏光板の透過（吸収）軸は４５°と１３５°のクロスニコルである。この偏光板配置の場合の液晶表示素子はノーマリブラックモードである。

この構成において、ＯＦＦ電圧を印加すると、画素３ｄの横方向（０°−１８０°）のエッジ部分に上下（セグメント−コモン）電極間で斜め電界が生じ、面内縦方向（９０°もしくは２７０°）に液晶分子が倒れ込む。画素の縦方向（９０°−２７０°）のエッジ部分も上下（セグメント−コモン）電極間で斜め電界が生じ、面内横方向（０°もしくは１８０°）に液晶分子が基板面に対して斜めに倒れ込む。

例えば、液晶分子が０°の方向に倒れ込むと、面内の０°−１８０°方向の屈折率が９０°−２７０°方向の屈折率より高くなる。４５°に偏光した光は０°−１８０°成分と９０°−２７０°成分とに分解され、異なる屈折率を感じて位相差が生じ、偏光状態が変化する。偏光状態の変化により、光抜けが生じる。このように、入射光の偏光成分が、液晶分子の倒れ込む面内方向とこれに直交する面内方向に分割される場合、光抜けが生じると考えられる。偏光方向が液晶分子の倒れ込む面内方向と平行ないし直交である場合、このような光成分の分割は生じないであろう。

発明者らは、斜め電界による液晶分子の倒れ込みが起きても光抜けが発生しないように、偏光板の透過（吸収）軸角度とドットパターンの形状に着目し、表示画素のエッジに対応する電極パターンの辺を偏光板の透過（吸収）軸角度と平行もしくは垂直にする液晶表示素子を発案した。

図３Ａは、実施例１による液晶表示素子の画素の一部を示す平面図である。図３Ｂは実施例１による液晶表示素子のセグメント電極パターンの一部を示す平面図である。図３Ｃは実施例１による液晶表示素子のコモン電極パターンの一部を示す平面図である。図３Ｂに示すように、セグメント電極３ｓは４５°と１３５°の辺を有する縦方向に長いジグザグ電極パターンが行方向に複数並ぶ形態であり、図３Ｃに示すように、コモン電極３ｃは４５°と１３５°の辺を有する横方向に長いジグザグの電極パターンが列方向に複数並ぶ形態である。各セグメント電極およびコモン電極の各々に駆動信号が送られる
図３Ａに示すように両電極が重なって画定する画素３ｄは、４５°に傾いた長方形のドット（ここでは、斜めドットと呼ぶこととする）となる。一つの画素３ｄの短辺方向の長さは２８６μｍ、長辺方向の長さは５９３μｍである。セグメント電極３ｓ、コモン電極３ｃの各々において、隣り合う電極の最短距離（間隔）は３０μｍである。この液晶表示素子のサンプルを作製し、それに電圧を印加して観察したところ、画素エッジ部の光抜けがほとんど見られなかった。

図４は、実施例１および比較例のＯＦＦ波形を印加したときの透過率−電圧特性を示す。縦軸に示す透過率及び横軸に示す電圧は、大塚電子製液晶セル評価装置ＬＣＤ−５２００にて測定した。１／３２Ｄｕｔｙ駆動において、ＯＮ波形を印加したとき０．５％以上の透過率の領域では、実施例１と比較例は同じ透過率−電圧特性であった。このとき実用的な透過率が得られる電圧は１６Ｖ以上であった。図示のように、比較例のサンプルの場合、１５Ｖ付近から徐々に透過率が上昇し始めた。一方、実施例１のサンプルの場合、１７．５Ｖ付近から透過率が急激に上昇した。実施例１は、実用的なＯＮ透過率が得られる電圧（約１６Ｖ）付近では、ＯＦＦ透過率が低く、光抜けが抑えられていることが分かる。

図５は、実施例１および比較例のコントラスト比−電圧印加時の透過率（Ｔｏｎ）特性を示す。コントラスト比はＴｏｎ／Ｔｏｆｆ（ここでの駆動は１／３２Ｄｕｔｙ、１／６Ｂｉａｓで実施）である。図示のように、実施例１ではコントラスト比が大きく、最大で８００以上あった。また、最大コントラスト比を得られる透過率が、比較例の１３％であるのに対し、実施例１は１８％であった。より高い透過率で高コントラスト比が実現できると、液晶表示素子の表示が明るくなるメリットがある。

図４、図５の結果を考えると、実施例１によるサンプルは、ＯＦＦ波形印加時における低透過率を比較例より高い電圧領域まで維持したことにより、高コントラスト比が実現できたと考えられる。また、ＯＦＦ波形印加時に低透過率を維持したことは、ＯＦＦ波形印加時に画素エッジ部の光抜けが減少したことの裏付けと言える。

図６は、正面透過率を１３％（比較例において最大コントラスト比が得られた透過率）としたときの、コントラスト比の視角依存性を示すグラフである。正面透過率を同じとするため、比較例と実施例１との印加電圧は異なっている。図示のように、実施例１は、左右２０度程度までの視角範囲において、比較例よりも高コントラスト比となっており、このことから、実施例１による液晶表示素子は視角特性も良好だといえる。なお、実施例１の斜めドットによって表示に違和感がないか１０名程度が観察したところ、特に違和感は覚えなかった。なお、視認に問題ない１画素のサイズは（ピッチ−線間）で約４００μｍ以下である。

実施例１のように、偏光板の透過（吸収）軸角度と電極パターンの辺を平行もしくは垂直に合わせることで、光抜けを減少させ、高コントラストを実現できる。

図７Ａは、実施例２によるセグメント電極パターンであり、図７Ｂは、実施例２によるコモン電極パターンである。発明者らは、より広視野角化をめざし、図示のように、斜めドットの辺に相当する部分にセグメント、コモン共に出来るだけ切り込み（図中点線の丸で囲んだ部分）を入れるように電極を形成することを試みた。深い視野角においては、斜めドットの辺において発生している斜め電界による液晶ダイレクタと偏光板の透過（吸収）軸角度にズレが生じるため、そのズレによる光抜けを抑えるためである。

図８は、実施例１と実施例２による液晶表示素子のコントラスト比の視角依存性を示すグラフである。図示のように、実施例２の方が、左右６０°程度まで実施例１に比べて高コントラスト比であり、より広い視野角が得られた。これは、斜めドットの辺に相当する部分において、セグメント電極、コモン電極共に切り込みを入れることにより、斜め電界を減らすことが出来たためと考えられる。

切り込みの深さについては、任意に設定可能である。但し、電極の抵抗が上がらない程度に深いことが望ましい。目安としては電極部分として斜めドットの辺の５分の１程度を残すのが良いであろう。なお、切り込み短辺方向の長さ（幅）は、１０μｍ程度以上が好ましい。

図９Ａ、図９Ｂはそれぞれ、実施例２の変型例によるセグメント電極パターン、コモン電極パターンである。図９Ａ、図９Ｂに示すように、電極パターンの切り込みを電極エッジから分離されたスリット７としても良い。

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。

図１０は、液晶表示素子の画素の一部を示した平面図である。図示のように、複数の斜めドットを組み合わせて一つのドットとしても良い。

また、偏光板透過（吸収）軸角度は互いに９０°を為すことが望ましいが、数度程度ずれても良い。

さらに、上記の実施例ではモノドメインの液晶表示素子について説明したが、マルチドメインの液晶表示素子であっても、偏光方向が、画素面内の液晶分子の倒れ込む方向（液晶ダイレクタ）と＋４５°もしくは−４５°である場合、実施例を適用可能であろう。

その他、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、比較例による液晶表示素子の画素の一部を示す平面図である。 図３Ａは、実施例１による液晶表示素子の画素の一部を示す平面図であり、図３Ｂは実施例１による液晶表示素子のセグメント電極パターンの一部を示す平面図であり、図３Ｃは実施例１による液晶表示素子のコモン電極パターンの一部を示す平面図である。 図４は、実施例１および比較例の透過率−電圧特性である。 図５は、実施例１および比較例のコントラスト比−電圧印加時の透過率（Ｔｏｎ）特性である。 図６は、正面透過率を１３％（比較例において最大コントラスト比が得られた透過率）としたときの、コントラスト比の視角依存性を示すグラフである。 図７Ａは、実施例２によるセグメント電極パターンであり、図７Ｂは、実施例２によるコモン電極パターンである。 図８は、実施例１と実施例２による液晶表示素子のコントラスト比の視角依存性を示すグラフである。 図９Ａ、図９Ｂはそれぞれ、実施例２の変型例によるセグメント電極パターン、コモン電極パターンである。 図１０は、液晶表示素子の画素の一部を示した平面図である。

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 画素
３ｓ 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
７ スリット

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、
   前記基板の各々に対し前記電極パターンを覆って形成され、アンチパラレル配向処理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、軸方向がクロスニコルである一対の偏光板とを有し、
   前記電極パターンがセグメント電極とコモン電極からなり、該電極パターンを構成する辺が、前記偏光板の軸方向に平行もしくは垂直なジグザグパターンであり、該セグメント電極とコモン電極とが画定する画素のエッジが、前記偏光板の軸方向と平行もしくは垂直であり、前記画素のエッジの前記偏光板の軸方向と平行もしくは垂直である辺が前記アンチパラレル配向処理に対して等しく所定の角度を備える液晶表示素子。
2. 前記電極パターンにおいて、前記画素のエッジに対応する部分に設けられた切り込みであって、その長さがエッジ長さの４／５以下の切り込みを有する請求項１記載の液晶表示素子。
3. 前記切り込みが前記電極パターンのエッジから分離されて形成されたスリットである請求項２記載の液晶表示素子。
4. 構造がパッシブマトリクス型である請求項１から３のいずれか１項記載の液晶表示素子。

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