JP5178691B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、IPS(In-Plane Switching)モードなどの横電界駆動方式の液晶表示装置に適用して有効な技術に関するものである。
従来、アクティブマトリクス駆動方式の液晶表示パネルを有する液晶表示装置は、たとえば、携帯電話端末やディジタルカメラなどの携帯型電子機器の液晶ディスプレイに用いられている。
携帯型電子機器に搭載される液晶表示装置は、近年、高画質化、大画面化、および高精細化が進んでいる。このうちの高精細化については、従来の240×320×3画素であるQVGA(Quarter Video Graphics Array)仕様にかわり、480×620×3画素であるVGA(Video Graphics Array)仕様が主流になりつつある。
また、携帯型電子機器に搭載される液晶表示装置は、当該携帯型電子機器の電池駆動時間を増大させるための低消費電力化や、屋外視認性を向上させるための明るさの向上が求められている。
しかしながら、液晶表示装置の高精細化、すなわち画素数の増大は、画素の開口率の低下を招くので、特に、VGA仕様では明るさの向上が困難である。また、近年の携帯型電子機器は、たとえば、動画再生機能を搭載するなどの高機能化が進んでおり、液晶表示装置の高速応答化が要求されている。そのため、携帯型電子機器に用いる液晶表示装置では、近年、透過効率および応答特性が再検討されている。
アクティブマトリクス駆動方式の液晶表示パネルは、表示領域が多数の画素の集合で構成されている。このとき、画素は、アクティブ素子(スイッチング素子と呼ぶこともある)、画素電極、共通電極、および液晶層を有し、画素電極と共通電極との間に電位差を与えると、当該電位差により生じる電界が液晶層に印加される。液晶層に電界が印加されると、当該液晶層は、電界無印加時の配向状態とは異なる配向状態になり、光透過率が変化する。またこのとき、液晶層の配向状態(光透過率)は、画素電極と共通電極との電位差の大きさに応じて変化する。
また、電界を印加して液晶層の配向状態を変化させる方法、すなわち液晶層の駆動モードとしては、従来、種々のモードが知られており、たとえば、TN(Twisted Nematic)モード、STN(Super Twisted Nematic)モード、VA(Vertically Aligned または Vertical Alignment)モード、ECB(Electrically Controlled Birefringence)モード、OCB(Optically Compensated Birefringence)モード、およびIPSモードなどがある。
これらの駆動モードのうちの、TNモード、VAモード、ECBモード、およびOCBモードなどの液晶表示パネルにおいて、電界を印加したときの液晶層の配向状態の変化は、液晶分子のチルト角の変化が主である。
これに対し、IPSモードの液晶表示パネルは、液晶層を封入する一対の基板のうちの一方の基板上に配置された画素電極と共通電極とにより、液晶面(基板平面)に平行な成分を主とする、いわゆる横電界を生成し、これにより液晶層の配向状態を変化させる。すなわち、IPSモードの液晶表示パネルにおいて、電界を印加したときの配向状態の変化は、液晶面と概ね平行な面内における液晶分子の回転が主であり、液晶分子のチルト角の変化は少ない。そのため、IPSモードの液晶表示パネルでは、電圧印加にともなうリタデーションの実効値の変化が少なく、広い視角範囲において階調再現性に優れた表示が得られるので、高画質化の要求をより満足できる。
また、IPSモードのうちの、IPS-Pro(IPS-Provectus)と呼ばれる駆動モードでは、画素電極と共通電極とを絶縁膜で隔てて異なる層に積層配置し、液晶層から近いほうの電極の平面形状を櫛歯状とし、液晶層から遠いほうの電極の平面形状をベタ平面状としている。このような電極構造としたことにより、IPS-Proモードでは、画素電極と共通電極との間に電位差を与えたときに、フリンジ電界と呼ばれる液晶層の下層(画素電極および共通電極から近い部分)に局在化した横電界が生成され、かつ、高い電界強度が得られる。そのため、IPS-Proモードは、各種IPSモードの中でも高透過率化に有利である。
なお、IPSモードにおいて横電界の分布や電界強度を決定するのは、櫛歯状の電極の幅や間隙の寸法、更には絶縁膜や配向膜の厚さである。IPSモードに特有なこれらの画素パラメータについては、たとえば、特許文献1に記載されている。
以上のようなことから、携帯型電子機器に搭載する液晶表示装置の透過効率を向上させるには、IPSモード、特にIPS-Proモードの液晶表示パネルを用いることが望ましいといえる。
特開2002-323706号公報
IPS-Proモードの液晶表示パネルの画素では、画素電極と共通電極との間に電位差を与えると、前述のようなフリンジ電界が液晶層に印加される。このとき、液晶層には、捩れ配向が生じる。またこのとき、捩れ配向の捩れ角が大きく、かつ櫛歯状の電極の各部分で均一に増大すれば、液晶層の光透過率が向上する。
なお、櫛歯状の電極の各部分というのは、たとえば、当該電極の歯に相当する部分(以下、単に歯という。)の中央、隣接する2本の歯の間隙部分(以下、スリットという。)の中央、歯とスリットの境界である。
一般的なIPS-Proモードの画素では、これらの各部分のうちの、歯とスリットの境界は、横電界強度が強いので液晶層の配向変化が比較的生じやすい。これに対して、歯の中央およびスリットの中央は、それぞれ、横電界強度が弱いので液晶層の配向変化が比較的生じにくい。しかしながら、液晶層は、局所的な配向方向に着目すると、弾性体としてふるまう。そのため、歯とスリットの境界で生じた捩れ配向が、歯の中央およびスリットの中央に伝播すれば、捩れ角が画素内で均一に増大する。
また、画素境界部に着目すると、櫛歯状の電極を画素境界になるべく近接するように、言い換えると隣接する2つの画素における櫛歯状の電極の間隙がなるべく小さくなるように配列すれば、透過率が向上する。
しかしながら、隣接する2つの画素における櫛歯状の電極の間隙を小さくしすぎると、たとえば、混色により色再現範囲が低下するという問題が生じる。
なお、本明細書における混色というのは、ある画素における液晶層の配向変化が、当該ある画素と隣接する画素の液晶層に伝播して生じる現象であり、純色表示時に特に顕著である。すなわち、原色表示時における点灯画素に着目すると、その隣接画素は本来暗表示であるべきだが、これに配向変化が伝播すると隣接画素が半ば点灯することになる。純色表示を赤表示とすると、これに緑や青が混合するため色純度が低下する。
IPS-Pro方式では電界の印加にともない液晶層に捩れ配向が生じるが、この捩れ配向は、とりわけ伝播しやすい。すなわち、捩れ配向に対応する弾性定数k22は、スプレー変形に対応する弾性定数k11、ベンド変形に対応する弾性定数k33に比較して小さいため、より遠くまで捩れ配向が伝わりやすい。したがって、IPSモードの液晶表示パネルにおいて、混色を防ぐためには、櫛歯状の電極を画素境界から離し、隣接する2つの電極の間隙を充分に大きくしなければならない。しかしながら、櫛歯状の電極を画素境界から離すと、たとえば、画素境界付近における液晶層の配向状態の変化(捩れ配向)が不十分になり、透過率の低下につながる。
このように、従来のIPS-Proモードの液晶表示パネルを有する液晶表示装置では、混色を防止しながら透過率を向上することが困難であった。そのため、従来のIPS-Proモードの液晶表示パネルでは、たとえば、高精細化が進むにつれて、高画質(たとえば、優れた階調再現性など)を維持することが難しくなってきている。
本発明の目的は、たとえば、IPS-Proモードの液晶表示装置における透過率の向上と混色の防止を両立させることが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概略を説明すれば、以下の通りである。
第1の基板と第2の基板との間に液晶層が設けられた液晶表示パネルを有し、当該液晶表示パネルは、複数の画素がドットマトリクス状に配置された表示領域を有し、それぞれの画素は、前記液晶層と、前記第1の基板に設けられたアクティブ素子、画素電極、および共通電極とを有し、前記画素電極と前記共通電極とは、絶縁層を介して積層されており前記液晶層からの距離が異なり、かつ、前記液晶層から近いほうの電極は平面形状が櫛歯状で、前記液晶層から遠いほうの電極は平面形状が平板状であり、前記液晶層は、電界無印加時の液晶分子の配向がホモジニアス配向である液晶表示装置であって、
前記第1の基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板と前記液晶層との間に配置され、かつ、前記電界無印加時の前記液晶分子の配向方向を制御する配向膜と、前記櫛歯状の前記電極の歯が並ぶ方向で隣接する2つの画素の境界を通り、かつ、前記画素電極および前記共通電極とは異なる導体とを有し、前記アクティブ素子、前記画素電極、前記共通電極、および前記導体は、前記絶縁基板と前記配向膜との間に配置されており、かつ、前記導体は、前記画素電極および前記共通電極よりも前記液晶層からの距離が遠く、前記共通電極は、複数の前記画素のうちの、少なくとも前記歯が並ぶ方向で隣接する2つ以上の画素で共有される一体物であり、前記配向膜は、前記電界無印加時の前記液晶分子の配向方向を、前記櫛歯状の前記電極の前記歯の延びる方向に対して所定の角度だけ傾いた初期配向方向に制御する配向処理が施されており、
前記共通電極は、前記境界に、前記歯の延びる方向に沿って並んだ複数の開口部を有し、前記共通電極の前記開口部は、前記歯の延びる方向となす鋭角が、前記歯の延びる方向と前記初期配向方向とがなす鋭角よりも大きい平行な二辺を有し、かつ、前記初期配向方向と前記歯の延びる方向とがなす鋭角の角度をα、当該二辺の延びる方向と前記初期配向方向とがなす鋭角の角度をβ、当該二辺の延びる方向と前記歯の延びる方向とがなす鋭角の角度をγとしたときに、α+β=γである液晶表示装置。
本発明によれば、たとえば、IPS-Proモードの液晶表示装置における透過率の向上と混色の防止を両立させることができる。
本発明による実施例1の液晶表示パネルにおける画素の平面構成の一例を示す模式平面図である。 図1のA−A’線の位置における液晶表示パネルの断面構成の一例を示す模式断面図である。 図1のB−B’線の位置における液晶表示パネルの断面構成の一例を示す模式断面図である。 実施例1の液晶表示パネルにおいて最も重要な構成を説明するための模式平面図である。 図4のC−C’線の位置における主要部分の断面構成の一例を示す模式断面図である。 従来の液晶表示パネルにおける1本の映像信号線を挟んで隣接する2つの画素における主要部分の平面構成を示す模式平面図である。 従来の液晶表示パネルにおける液晶層の配向の変化と実施例1の液晶表示パネルにおける液晶層の配向の変化とを比較する模式平面図である。 従来の液晶表示パネルにおける色再現範囲の低下を防ぐ方法の一例を示す模式平面図である。 実施例1の液晶表示パネルの変形例を説明するための模式平面図である。 実施例1の液晶表示パネルの応用例を説明するための模式平面図である。 本発明による実施例2の液晶表示パネルにおける画素の平面構成の一例を示す模式平面図である。 図11のD−D’線の位置における液晶表示パネルの断面構成の一例を示す模式断面図である。 実施例2の液晶表示パネルにおいて最も重要な構成を説明するための模式平面図である。 図13のE−E’線の位置における主要部分の断面構成の一例を示す模式断面図である。
以下、本発明について、図面を参照して実施の形態(実施例)とともに詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは、同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図1乃至図5は、本発明による実施例1の液晶表示パネルの概略構成の一例を説明するための模式図である。
図1は、本発明による実施例1の液晶表示パネルにおける画素の平面構成の一例を示す模式平面図である。図2は、図1のA−A’線の位置における液晶表示パネルの断面構成の一例を示す模式断面図である。図3は、図1のB−B’線の位置における液晶表示パネルの断面構成の一例を示す模式断面図である。図4は、実施例1の液晶表示パネルにおいて最も重要な構成を説明するための模式平面図である。図5は、図4のC−C’線の位置における主要部分の断面構成の一例を示す模式断面図である。
なお、図4は、図1の領域AR1を拡大して示した模式平面図である。
実施例1の液晶表示パネルは、アクティブマトリクス駆動方式であり、かつ、液晶層の動作モードがIPS-Proモードである。このような液晶表示パネルにおける1つの画素は、たとえば、図1乃至図3に示したような構成になっている。
なお、実施例1の液晶表示パネルにおいて最も重要な点は、後述するように、共通電極のうちの、隣接する2つの画素の境界部分に設ける開口部の形状であり、他の基本的な構成は、たとえば、周知の構成のいずれかですればよい。そのため、実施例1では、液晶表示パネルにおける基本的な構成に関する詳細な説明を省略する。
液晶表示パネルは、たとえば、第1の基板1、第2の基板2、第1の基板1と第2の基板2との間に封入された液晶層3、第1の偏光板4、および第2の偏光板5を有する。
第1の基板は、第1の絶縁基板6、第1の絶縁基板6と液晶層3との間に配置される第1の配向膜7、および第1の絶縁基板6と第1の配向膜7との間に配置される第1の薄膜積層体を有する。第1の絶縁基板6は、たとえば、厚さが約0.4mmのホウケイサンガラス製である。第1の薄膜積層体は、たとえば、複数の走査信号線8、第1の絶縁層9、複数の映像信号線10、TFT素子11、第2の絶縁層12、共通電極13、第3の絶縁層14、および画素電極15を有する。第1の配向膜7は、たとえば、ポリイミド系の有機高分子膜であり、ラビング法による配向処理が施されている。
第2の基板2は、第2の絶縁基板16、第2の絶縁基板16と液晶層3との間に配置される第2の配向膜17、および第2の絶縁基板16と第2の配向膜17との間に配置される第2の薄膜積層体を有する。第2の絶縁基板16は、たとえば、厚さが約0.4mmのホウケイサンガラス製である。第2の薄膜積層体は、たとえば、ブラックマトリクス18(遮光膜)、カラーフィルタ19、および平坦化層20を有する。第2の配向膜17は、たとえば、ポリイミド系の有機高分子膜であり、ラビング法による配向処理が施されている。
実施例1の液晶表示パネルは、複数の画素がドットマトリクス状に配置された表示領域を有し、それぞれの画素は、液晶層3と、第1の基板1に設けられたアクティブ素子、画素電極15、および共通電極13とを有する。アクティブ素子は、走査信号線8の一部分をゲート電極とするTFT素子11であり、当該ゲート電極の上に第1の絶縁層12を介して配置された半導体層11aには、第1のソース-ドレイン電極11bと、映像信号線の一部分(第2のソース-ドレイン電極)とが接続している。このとき、第1のソース-ドレイン電極11bは、コンタクトホールにより、画素電極15と接続している。
またこのとき、画素電極15と共通電極13とは、第3の絶縁層14を介して積層されており、液晶層3から近いほうの電極である画素電極15は、平面形状が櫛歯状になっている。また、共通電極13は、映像信号線10よりも液晶層3からの距離が近い。図1に示した例では、櫛歯状の画素電極15の歯の延びる方向(以下、第1の方向という)が映像信号線10の延びる方向であり、歯が並ぶ方向が走査信号線8の延びる方向である。なお、図1に示した例では、それぞれの歯の、第1の方向で見た両端に、映像信号線10の延びる方向とは異なる方向に屈曲した部分が設けられている。しかしながら、この屈曲した部分は、たとえば、外圧などによる液晶層の配向の乱れを防ぐためのものであり、その形状は任意である。また、この屈曲した部分は、必須の構成ではない。そのため、本明細書における第1の方向は、歯の両端部分を除いた中間部分の延びる方向とする。
第1の配向膜7および第2の配向膜17は、前述のように、ポリイミド系の有機高分子膜でなり、ラビング法による配向処理が施されている。このとき、第1の配向膜7および第2の配向膜17には、画素電極15と共通電極13との間に電位差がない電界無印加時の液晶層3(液晶分子LC)の配向が、たとえば、図2および図3に示したように、液晶分子LCのプレチルト角が約1.5度のホモジニアス配向になるような配向処理を施す。またこのとき、図1に示した平面で見たときの電界無印加時の液晶層3の配向方向(液晶分子LCの長軸方向)は、たとえば、第1の方向から反時計回りに5度程度傾いた方向になるようにする。
このような構成の画素において、画素電極15と共通電極13との間に電位差を与えると、たとえば、図3に示したように、液晶層3を通って当該両電極を結ぶアーチ状の電気力線21が形成される。このとき、液晶層3には、基板平面に対して平行な成分を主とする電界(いわゆる横電界)が印加される。ホモジニアス配向の液晶層3に横電界が印加されると、液晶層3の配向方向(液晶分子LCの長軸方向)が主に基板平面内で回転するように変化する、IPSモードに特有の配向変化が起こる。
さて、実施例1の液晶表示パネルにおける1つの画素は、図1に示した領域の中の、2本の隣接する走査信号線8と、隣接する2本の映像信号線10とで囲まれた領域に相当する。このとき、画素電極15の歯が並ぶ方向で隣接する2つの画素の境界には、映像信号線10が通っている。またこのとき、共通電極13は、複数の画素で共有される一体物であり、かつ、映像信号線10を挟んで隣接する2つの画素(以下、隣接画素という。)の境界に、第1の方向に沿って並んだ複数の開口部13hを有する。
共通電極13に設ける当該開口部13hは、たとえば、図4および図5に示すように、走査信号線8の延びる方向と概略平行な二辺を底辺(上底および下底)とする平行四辺形である。このとき、開口部13hは、斜辺(底辺とは別の平行な二辺)の方向DR2(以下、第2の方向という。)と第1の方向DR1となす鋭角の角度γが、第1の方向DR1と電界無印加時の液晶層3の配向方向DRLC(液晶分子LCの長軸方向。以下、初期配向方向という)とがなす鋭角の角度αよりも大きくなるようにする。すなわち、共通電極13の開口部13hには、液晶層3の初期配向方向DRLCからの回転角が鋭角になる方向が、当該初期配向方向DRLCから第1の方向DR1への回転角が鋭角になる方向(時計回り)とは逆方向(反時計回り)の辺を設ける。このとき、初期配向方向DLCと第1の方向DR1とがなす鋭角の角度α、初期配向方向DRLCと第2の方向DR2とがなす鋭角の角度β、および第1の方向DR1と第2の方向DR2とがなす鋭角の角度γの関係は、α+β=γになる。
共通電極13がこのような開口部13hを有する場合、共通電極13と映像信号線10との間に電位差が生じると、隣接画素の境界には、たとえば、図5に示したように、液晶層3を通って共通電極13と映像信号線10とを結ぶアーチ状の電気力線21が生じる。このとき、隣接画素の境界にある液晶層3には、基板平面に対して平行な成分を主とする横電界が印加される。
またこのとき、初期配向方向DRLC、第1の方向DR1、および第2の方向DR2の関係が、図4に示したような関係であると、共通電極13の開口部13hのうちの第2の方向DR2に延びる辺に沿った部分では、当該第2の方向DR2と直交する方向の電界が液晶層3に印加される。また、開口部13hの底辺に沿った分では、第1の方向の電界が印加される。そのため、共通電極3の開口部13hの周辺にある液晶分子LCは、初期配向方向DRLCから電界の方向への回転角が鋭角になる方向、すなわち時計回りに回転する。
これに対し、画素電極15の歯の近辺では、第1の方向DR1と直交する方向の電界が液晶層3に印加される。そのため、画素電極15の歯の近辺にある液晶分子LCは、初期配向方向DRLCから電界の方向への回転角が鋭角になる方向、すなわち反時計回りに回転する。
このように、実施例1の液晶表示パネルでは、隣接画素の境界にある液晶層3に電界が印加され、かつ、そのときの液晶分子LCの回転方向が、画素の中央部分にある液晶層3に電界を印加したときの液晶分子LCの回転方向とは逆になるようにする。このとき、共通電極13と映像信号線10とによる電界で生じる液晶層3の捩れ配向の捩れ方向は、画素電極15と共通電極13とによる電界で生じる液晶層3の捩れ配向の捩れ方向とは逆の方向になる。
図6乃至図8は、実施例1の液晶表示パネルの作用効果を説明するための模式図である。
図6は、従来の液晶表示パネルにおける1本の映像信号線を挟んで隣接する2つの画素の主要部分の平面構成を示す模式平面図である。図7は、従来の液晶表示パネルにおける液晶層の配向の変化と実施例1の液晶表示パネルにおける液晶層の配向の変化とを比較する模式平面図である。図8は、従来の液晶表示パネルにおける色再現範囲の低下を防ぐ方法の一例を示す模式平面図である。
なお、図7に示した(a)および(b)は、それぞれ、図6の領域AR2における液晶層3の配向状態を示す模式図である。また、図7において、(a)は、中央の映像信号線10を挟んで隣接する2つの画素がともに電界無印加時の液晶層3の配向状態を示しており、(b)は、中央の映像信号線10の右側にある画素の液晶層3のみに電界が印加されたときの液晶層3の配向状態を示している。また、図7に示した(c)は、実施例1の液晶表示パネル、すなわち、共通電極13のうちの隣接画素の境界に開口部13hが有り、かつ、中央の映像信号線10の右側にある画素の液晶層3のみに電界が印加されたときの液晶層3の配向状態を示している。
実施例1の液晶表示パネルの効果を調べるために、本願発明者らは、まず、高精細化が進む中小型の液晶表示装置において問題になっている色再現範囲の低下に着目した。中小型の液晶表示装置の代表例である携帯電話端末の液晶モニターは、近年、ワイドVGA仕様が主流になりつつある。このワイドVGA仕様の液晶表示装置では、表示領域を構成する画素の数が800×480×3個である。また、デジタルカメラの液晶モニターとして主流になりつつあるVGA仕様の液晶表示装置では、表示領域を構成する画素の数が640×480×3個である。
このような画素仕様を、表示領域の対角寸法が 3インチ程度の液晶表示装置(液晶表示パネル)に適用すると、1つの画素のサイズは微小になる。たとえば、画素仕様をワイドVGA、表示領域の対角寸法を 3インチとすると、1つの画素のサイズは、27.2μm×81.6μmになる。このとき、図6に示した、隣接する2本の映像信号線10の間隔W1は、27.2μmになる。
また、IPS-Proモードの液晶表示パネルでは、1つの画素における有効領域のわずかな変化により、当該有効領域に配置可能な歯の本数が変化する。隣接する2本の映像信号線10の間隔W1が27.2μmの場合、たとえば、隣接画素の画素電極15の間隙W2を13μmにすると、1つの画素における有効領域の間隔W1方向の寸法(以下、有効領域の寸法という。)は14.2μmになる。
櫛歯状の画素電極15における歯の幅とスリット幅(隣接する歯の間隙)の合計を櫛歯ピッチW3とすると、最小加工寸法は 5μm程度が限界である。有効領域の寸法が14.2μmの場合、画素電極15の歯の幅とスリット幅の比率を、高透過率が安定して得られる比率である2:3にすると、歯を3本配列する際の櫛歯ピッチW3は、14.2/2.4=5.9μmになる。この値は、上記の最小加工寸法よりも大きいので実現可能である。一方、有効領域の寸法が14.2μmの画素に歯を4本配列する場合、歯の幅とスリット幅の比率が2:3になる櫛歯ピッチW3は、14.2/3.4=4.2μmになる。この値は、上記の最小加工寸法よりも小さいので実現できない。すなわち、画素の有効領域の寸法が14.2μmである場合、当該有効領域に配列可能な歯は3本となる。
これに対し、隣接画素の画素電極15の間隙W2を10μmにすると、1つの画素における有効領域の寸法は17.2μmになる。この有効領域に対して、歯の幅とスリット幅の比率が2:3になるように4本の歯を配列する場合、櫛歯ピッチW3は、17.2/3.4=5.1μmになる。この値は、上記の最小加工寸法よりも大きいので実現可能である。そのため、映像信号線10の間隔W1が27.2μmの場合、隣接画素の画素電極15の間隙W2を10μmにすることにより、1つの画素に配列可能な歯の数を4本に増やすことができる。そして、1つの画素における画素電極の歯の本数が増大したことにより、画素内に生じるフリンジ電界の密度も増大し、光透過率が増大する。
さて、従来のIPS-Proモードの液晶表示パネルにおいて、隣接画素の画素電極15の間隙W2を約10μmにした場合、当該隣接画素の液晶層3がともに電界無印加状態であるとすると、たとえば、図7の(a)に示すように、当該2つの画素の境界付近における液晶分子LC1〜LC8の配向方向は、概ね同じ方向になっている。
これに対し、映像信号線10の右側にある画素の液晶層3に電界を印加すると、たとえば、図7の(b)に示したように、当該右側の画素の画素電極15の歯の近傍に位置する液晶分子LC1,LC2は、電界の方向を向くような反時計回りの回転をする。
また、IPSモードは、電圧印加時に液晶層3で生じる配向変化が主に捩れ配向であり、これに関わる弾性定数k22は、弾性定数k11およびk33に比較して値が小さい。そのため、IPSモードの液晶表示パネルには、液晶層3のうちのある部分で生じた配向変化(捩れ配向)が伝播する距離が比較的長いという特徴がある。
本願発明者らが調べたところ、液晶層3の厚さが3.4μmの液晶表示パネルの場合、液晶層のある部分で生じた配向変化の伝播距離は、10μm以上であった。
すなわち、従来の液晶表示パネルにおいて、前述のように、光透過率を高めるために隣接画素の画素電極15の間隙W2を約10μmにして有効領域に4本の歯を配置すると、たとえば、図7の(b)に示したように、右側の画素電極15の歯のうちの、境界(映像信号線10)に最も近い歯と共通電極13との電位差により印加される電界で生じる液晶分子LC2の配向変化が左側の画素の液晶層3に伝播し、その影響で、左側の画素電極15の歯の近傍にある液晶分子LC7の配向方向が変化する。このとき、液晶分子LC3から液晶分子LC7までの回転角は、右側の画素電極15からの距離が大きくなるにつれて小さくなるが、液晶分子LC7が回転すると、左側の画素のうちの境界に近い部分だけ、光透過率が変化する。したがって、電界無印加時が暗表示になる液晶表示装置の場合、左側の画素は、右側の画素との境界付近が明るくなる。
このような隣接画素の光透過率の変化の影響は、カラー液晶表示装置において純色を表示する際に最も顕著に現れ、色再現範囲を低下させる原因となる。RGB方式のカラー表示に対応した液晶表示装置(液晶表示パネル)は、赤色光の輝度を制御する赤画素、緑色光の輝度を制御する緑画素、および青色光の輝度を制御する青画素の3つの画素により映像や画像の1ドットの色を表現している。このとき、これらの3つの画素は、通常、走査信号線8の延びる方向に並んでおり、映像信号線10を挟んで隣接する2つの画素は、輝度を制御する光の色が異なる。RGB方式のカラー液晶表示装置において、たとえば、純色の赤を表示する場合は、通常、赤画素のみを明表示にするので、赤画素と隣接する緑画素および青画素は、本来は暗表示であるべきである。しかしながら、従来の液晶表示パネルでは、赤画素の境界付近で生じた液晶層3の配向変化が、隣接する緑画素や青画素に伝播し、緑画素や青画素の光透過率が部分的に大きくなる。その結果、従来の液晶表示パネルにおいて、隣接画素の画素電極の間隙W2を約10μmにすると、隣接する純色の赤に、緑色光や青色光が混ざり、純色赤表示の色純度が低下する。また、このような混色は、たとえば、純色の緑を表示する場合や、純色の青を表示する場合にも起こるし、任意の色を表示する場合にも生じる。そのため、従来のIPS-Proモードの液晶表示パネルでは、隣接画素の画素電極15の間隙W2を小さくすると、混色により色再現範囲が低下する。
このような液晶層3の配向変化の伝播による色再現範囲の低下を防ぐ方法として、従来のIPS-Proモードの液晶表示パネルでは、たとえば、隣接画素の境界と画素電極15との間隙W2’を、液晶層3の配向変化が伝播する距離よりも充分に大きくしていた。たとえば、液晶層3の厚さが3.4μmの場合、液晶層3の配向変化の伝播による色再現範囲の低下を防ぐために必要な画素電極15の間隙W2は、約13μmである。すなわち、従来の液晶表示パネルにおいて、映像信号線10の間隔W1が27.2μmの場合、液晶層3の配向変化の伝播による色再現範囲の低下を防ぐためには、たとえば、図8に示したように、1つの画素に配置する歯の数を3本に減らし、隣接画素の画素電極15の間隙W2を13μm以上にしなければならない。
しかしながら、隣接画素の画素電極15の間隙W2を大きくした場合、液晶層3の配向変化の伝播による色再現範囲の低下を防ぐことはできるものの、1つの画素における有効領域の寸法が小さくなる。すなわち、画素の端部に生じる画素電極の存在しない部分(画素電極15と共通電極13とによる電界が印加されない部分)が広くなるので、実効的な開口率が低下し、光透過率が低下する。
これに対し、実施例1の液晶表示パネルにおいて、隣接する2本の映像信号線10の間隔W1を27.2μm、隣接画素の画素電極15の間隙W2を10μmにし、画素の有効領域に4本の歯を配置して、右側の画素の液晶層3のみに電界を印加すると、液晶層3の配向の変化は、たとえば、図7の(c)に示したようになる。すなわち、画素の境界部分では、共通電極13と映像信号線10との電位差による電界が液晶層3に印加されるので、当該境界付近の液晶分子LC4,LC5は、右側の画素における液晶分子LC1,LC2とは反対の方向に回転する。そのため、右側の画素で生じた液晶層3の配向変化の伝播は、画素の境界部分で止まる。したがって、実施例1の液晶表示パネルは、隣接画素の画素電極15の間隙W2を約10μmにしても、液晶層3の配向変化の伝播による混色(色再現範囲の低下)を防ぐことができる。
この色再現範囲の低下を防ぐ効果について、もう少し詳しく説明する。本願発明者らは、NTSC比、すなわち National Television System Committee の定めた色再現範囲が C.I.E. 1931 CHROMATICITY DIAGRAM 上で作る面積を100%として、これに対する面積比で色再現範囲を評価した。実施例1の液晶表示パネルにおいて、隣接する2本の映像信号線10の間隔W1を27.2μm、隣接画素の画素電極15の間隙W2を10μmにし、有効領域に4本の歯を配置したところ、NTSC比で72%の色再現範囲が得られた。これは、従来の液晶表示パネルにおいて、隣接する2本の映像信号線10の間隔W1を27.2μm、隣接画素の画素電極15の間隙W2を13μmにし、有効領域に3本の歯を配置したときの色再現範囲と同等である。このことは、実施例1の液晶表示パネルの場合、隣接画素の画素電極15の間隙W2を10μmにしても混色が発生していないことを意味する。
また、実施例1の液晶表示パネルでは、隣接画素の画素電極15の間隙W2を10μmにしても混色の発生を防ぐことができるので、間隙W2を13μm以上にする従来の液晶表示パネルに比べ、光透過率が向上する。
隣接画素の画素電極15の間隙W2を10μm、1つの画素における有効領域の寸法を17.2μmにし、当該有効領域に4本の歯を配置したときの光透過率は、画素電極15の間隙W2を13μm、有効領域の寸法を14.2μmにし、当該有効領域に3本の歯を配置したときの光透過率に比べて約6%向上することが、本願発明者らによって確認された。
以上説明したように、実施例1の液晶表示パネルを有する液晶表示装置は、光透過率の向上と混色の防止を両立させることができる。
図9は、実施例1の液晶表示パネルの変形例を説明するための模式平面図である。図10は、実施例1の液晶表示パネルの応用例を説明するための模式平面図である。
実施例1の液晶表示パネルの一例として、図1および図4に示した共通電極13の開口部13hは、第1の方向に対して角度γだけ傾いた辺が、映像信号線10の端辺と交差しており、当該開口部13hには、映像信号線10と重畳している部分と、していない部分が存在する。しかしながら、共通電極13に設ける開口部13hは、これに限らず、たとえば、図9に示したように、開口部13hの全体が映像信号線10と重畳していてもよいことはもちろんである。
また、開口部13hの第1の方向の寸法W4および隣接する開口部13hの間隙W5が適宜変更可能であることはもちろんである。なお、隣接する開口部13hの間隙W5を大きくすると、当該間隙部分では、液晶層3の配向変化の伝播を止める効果が弱まる。そのため、開口部13hの間隙W5は、図9に示したように、開口部13hの第1の方向の寸法W4よりも小さくすることが望ましい。またこのとき、開口部13hの第1の方向の寸法W4および間隙W5の関係は、たとえば、2μm≦W4+W5≦8μmになるようにするとよいことが、本願発明者らによって確認された。
また、実施例1の液晶表示パネルの一例として、図1に示した画素の平面構成は、第1の方向DR1、すなわち画素電極15の歯の延びる方向が、走査信号線8の延びる方向と直交している。しかしながら、画素電極15の歯の延びる方向は、これに限らず、たとえば、図10に示すように、走査信号線8の延びる方向となす角が90度になっていなくてもよいことはもちろんである。
図10に示した例では、画素電極15の平面形状が、走査信号線8を対称軸とする線対称になっている。すなわち、図10に示した平面内での方位角を、走査信号線8の延びる方向を0度、反時計回り方向を正と定義すると、走査信号線8より上側の領域BL1における第1の方向DR1の方位角はθ、下側の領域BL2における第1の方向DR1の方位角は−θになる。このとき、方位角θは、たとえば、約85度である。このような画素の場合、第1の配向膜7により制御される液晶層3の初期配向方向DRLCは、たとえば、走査信号線8の延びる方向と直交する方向、すなわち方位角が90度の方向にする。そうすると、画素電極15と共通電極13の間に電位差を与えたときに、走査信号線8より上側の領域BL1と、下側の領域BL2とでは、液晶分子LCの回転方向が逆になる。このとき、ある方向から1つの画素を観察すると、走査信号線8より上側の領域BL1と下側の領域BL2は、いずれか一方が黄色い色相の着色を示し、他方が青色の色相の着色を示す。しかしながら、当該ある方向から1つの画素を観察した場合、黄色い色相の着色を示す領域と、青色の色相の着色を示す領域の両方が同時に観測されるので着色が相殺される。その結果、より広い視角方向において無着色の表示が得られる。
画素の構成を図10に示したような構成にする場合も、共通電極13のうちの、画素の境界部分に形成する複数の開口部13hは、初期配向方向DRLC、第1の方向DR1、および第2の方向DR2の関係が、上記の関係になるようにする。なお、図10に示した構成の場合、走査信号線8より上側の領域BL1と下側の領域BL2とでは、第1の方向DR1が異なるので、走査信号線8の上側に形成する開口部13hにおける第2の方向DR2と、下側に形成する開口部13hにおける第2の方向DR2とが異なる方向になることはもちろんである。
また、実施例1の液晶表示パネルの一例として、図2および図3に示した断面構成は、第2の基板2にカラーフィルタ19を設けている。しかしながら、カラーフィルタ19は、これに限らず、第1の基板1に設けてもよい。第1の基板1にカラーフィルタ19を設ける場合は、たとえば、第2の絶縁層12と共通電極13の間に設ける。このようにすると、たとえば、画素の開口領域とカラーフィルタ19との位置合わせの精度が向上する。また、これにより、ブラックマトリクス18が不要になるため、画素の開口率が向上する。
なお、第2の絶縁層12と共通電極13との間にカラーフィルタ19を設ける場合、たとえば、映像信号線10と共通電極13とにより形成されるフリンジ電界の強度が、図2および図3に示した断面構成の液晶表示パネルに比べて弱くなるおそれがある。映像信号線10と共通電極13とにより形成されるフリンジ電界の強度が弱い場合は、たとえば、共通電極13の開口部13hの形状を変更すればよい。具体的には、第2の方向DR2、すなわち平行四辺形の斜辺の傾きを大きくし、液晶層3の初期配向方向DRLCと第2の方向DR2とがなす鋭角の角度βを大きくすればよい。このようにすると、共通電極13の開口部13hに形成される電界の方向(第2の方向DR2と直交する方向)と液晶層3の初期配向方向DRLCとがなす鋭角が小さくなるので、より高電圧が印加される高階調側の表示において捩れ配向の配向変化を増大することができる。
このように、共通電極13に設ける開口部13hの形状を最適化することにより、第2の絶縁層12と共通電極13の間にカラーフィルタ19を配置した場合においても光透過率の向上と混色の防止を両立することができる。
図11乃至図14は、本発明による実施例2の液晶表示パネルの概略構成の一例を説明するための模式図である。
図11は、本発明による実施例2の液晶表示パネルにおける画素の平面構成の一例を示す模式平面図である。図12は、図11のD−D’線の位置における液晶表示パネルの断面構成の一例を示す模式断面図である。図13は、実施例2の液晶表示パネルにおいて最も重要な構成を説明するための模式平面図である。図14は、図13のE−E’線の位置における主要部分の断面構成の一例を示す模式断面図である。
なお、図13は、図11の領域AR3を拡大して示した模式平面図である。
実施例2の液晶表示パネルは、実施例1の液晶表示パネルと同様のアクティブマトリクス駆動方式であり、かつ、液晶層3の動作モードがIPS-Proモードである。ただし、実施例2の液晶表示パネルは、画素電極15と共通電極13の積層関係が、実施例1とは逆になっている。すなわち、実施例2の液晶表示パネルは、たとえば、図11および図12に示すように、第1の絶縁基板6の上に、画素電極15、共通電極13の順に積層されており、共通電極13のほうが、画素電極15よりも液晶層3からの距離が近い。
このような液晶表示パネルの場合、第1の絶縁層9と第2の絶縁層12の間に、映像信号線10、TFT素子の半導体層11a、および第1のソース-ドレイン電極11b、ならびに平板状の画素電極15を配置し、当該画素電極15の一部が第1のソース-ドレイン電極11bに乗り上げるようにする。こうすると、実施例1の液晶表示パネルにおける第3の絶縁層14やコンタクトホールを形成する工程を省略でき、液晶表示パネルの製造効率の上昇、製造コストの低減が可能になる。
実施例2の液晶表示パネルの場合、前述のように、共通電極13のほうが、画素電極15よりも液晶層3からの距離が近い。そのため、実施例2の液晶表示パネルでは、たとえば、図11に示したように、共通電極13のほうが櫛歯状の電極になる。このとき、共通電極13は、走査信号線8および映像信号線10と重複する格子部分と、画素電極15と重複する歯の部分とに分けられる。またこのとき、共通電極13の歯の延びる方向(第1の方向DR1)は、映像信号線10の延びる方向である。
また、共通電極13の格子部分のうちの、映像信号線10の上を通る部分には、当該映像信号線10を挟んで隣接する2つの画素の境界(第1の方向DR1)に沿って並んだ複数の開口部13hが設けられている。
共通電極13に設ける当該開口部13hは、たとえば、図13および図14に示すように、走査信号線8の延びる方向と概略平行な二辺を底辺(上底および下底)とする平行四辺形である。このとき、開口部13hは、斜辺の方向(第2の方向DR2)と第1の方向DR1となす鋭角の角度γが、第1の方向DR1と初期配向方向DRLCとがなす鋭角の角度αよりも大きくなるようにする。すなわち、共通電極13の開口部13hには、液晶層3の初期配向方向DRLCからの回転角が鋭角になる方向が、当該初期配向方向DRLCから第1の方向DR1への回転角が鋭角になる方向(時計回り)とは逆方向(反時計回り)の辺を設ける。このとき、初期配向方向DLCと第1の方向DR1とがなす鋭角の角度α、初期配向方向DRLCと第2の方向DR2とがなす鋭角の角度β、および第1の方向DR1と第2の方向DR2とがなす鋭角の角度γの関係は、α+β=γになる。
このような構成の画素においても、画素電極15と共通電極13との間に電位差を与えると、図12に示したようなアーチ状の電気力線21が生じ、液晶層3に横電界が印加される。そのため、共通電極13の格子部分のうちの、映像信号線10の上を通る部分に開口部13hがない場合、隣接画素における共通電極13の歯の間隙が小さいと、一方の画素の液晶層3で起こった配向変化が他方の液晶層3に伝播し、混色が発生する。
また、画素電極15および共通電極13のうちの、共通電極13のほうを液晶層3から近い櫛歯状の電極にした場合、たとえば、図14に示したように、共通電極13のうちの映像信号線10の上を通る部分と画素電極15との間隙W6が小さいと、画素電極15と共通電極13との間に電位差を与えたときに、共通電極13のうちの映像信号線10の上を通る部分と画素電極15とを結ぶアーチ状の電気力線21も生じる。そのため、共通電極13のほうが液晶層3に近い櫛歯状の電極である従来の液晶表示パネルにおいて、液晶層3の配向変化の伝播による混色を防ぐには、たとえば、共通電極13のうちの映像信号線10の上を通る部分の幅W7を広くするか、当該映像信号線10の上を通る部分と画素電極15との間隙W6を大きくする必要がある。しなしながら、そのようにすると、1つの画素における有効領域の寸法が小さくなり、画素の端部に生じる共通電極13の存在しない部分(画素電極15と共通電極13とによる電界が印加されない部分)が広くなるので、実効的な開口率が低下し、光透過率が低下する。このように、共通電極13のほうが液晶層3に近い櫛歯状の電極である従来のIPS-Proモードの液晶表示パネルでも、光透過率の向上と混色の防止を両立させることが難しかった。
これに対し、実施例2の液晶表示パネルでは、共通電極13と映像信号線10との間に電位差があると、当該共通電極13に設けた開口部13hにアーチ状の電気力線21が生じ、当該開口部13上の液晶層3に横電界が印加される。このとき、共通電極13と映像信号線10とで生成される電界による液晶分子LCの回転方向(捩れ方向)は、画素電極15と共通電極13とで生成される電界による液晶分子LCの回転方向とは逆になる。そのため、実施例1で説明したように、隣接画素のうちの一方の画素で生じた液晶層3の配向変化の伝播は、当該2つの画素の境界部分(映像信号線10の上)で止まる。したがって、実施例2の液晶表示パネルでは、共通電極13のうちの映像信号線10の上を通る部分の幅W7を、たとえば、10μm程度まで狭くしても、液晶層3の配向変化の伝播による混色(色再現範囲の低下)を防ぐことができる。
また、共通電極13のうちの映像信号線10の上を通る部分の幅W7を狭くすることができれば、その分、有効領域の寸法を大きくすることができ、当該有効領域に配置する歯の本数を多くすることができる。したがって、画素の端部に生じる共通電極の歯の存在しない部分が狭くなるので、実効的な開口率が増大し、光透過率が向上する。
以上説明したように、実施例2の液晶表示パネルを有する液晶表示装置は、光透過率の向上と混色の防止を両立させることができる。
また、実施例2の液晶表示パネルの一例として、図12および図14に示した断面構成は、第1の絶縁層9と第2の絶縁層12との間に、映像信号線10、TFT素子の半導体層11a、第1のソース-ドレイン電極11b、および画素電極15を形成している。しかしながら、画素電極15および共通電極13のうちの共通電極13のほうを液晶層3から近い櫛歯状の電極にする場合は、映像信号線10、TFT素子の半導体層11a、および第1のソース-ドレイン電極11bと、画素電極15とを、絶縁層を介した異なる層に形成し、当該絶縁層に設けたコンタクトホールにより第1のソースドレイン電極11bと画素電極15とを接続してもよいことはもちろんである。
以上、本発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることはもちろんである。
たとえば、実施例1および実施例2では、第1の基板1、液晶層3、および第2の基板2を、第1の偏光板4と第2の偏光板5の2枚の偏光板で挟んだ、いわゆる透過型の液晶表示パネルを挙げている。しかしながら、本発明は、これに限らず、反射型の液晶表示パネルにも適用できることはもちろんである。また、本発明を適用する液晶表示パネルは、たとえば、1つの画素の開口領域内に、バックライトからの光の透過率を制御する透過領域と、外光の反射率を制御する反射領域とを有する、いわゆる半透過型であってもよいことはもちろんである。
また、実施例1および実施例2では、映像信号線10を挟んで隣接する2つの画素の境界にある液晶層3に印加する電界を、共通電極13と映像信号線10との電位差により生成している。しかしながら、映像信号線10に加わる信号は、各画素の画素電極15に書き込む(加える)階調電圧信号であり、共通電極13と映像信号線10との電位差は不定である。そのため、画素の境界部分に印加される電界強度も不定であり、場合によっては、液晶層3の配向変化の伝播を画素の境界で止められないこともある。したがって、本発明に関わる液晶表示パネルでは、たとえば、櫛歯状の電極の歯の延びる方向(第1の方向DR1)と直交する方向、すなわち歯の並ぶ方向で隣接する2つの画素の境界に、映像信号線10とは別の導体を設け、当該導体と共通電極13とによる電界が液晶層3に印加されるようにしてもよい。
1 第1の基板
2 第2の基板
3 液晶層
4 第1の偏光板
5 第2の偏光板
6 第1の絶縁基板
7 第1の配向膜
8 走査信号線
9 第1の絶縁層
10 映像信号線
11 TFT素子
11a 半導体層
11b 第1のソース-ドレイン電極
12 第2の絶縁層
13 共通電極
13h 開口部
14 第3の絶縁層
15 画素電極
16 第2の絶縁基板
17 第2の配向膜
18 ブラックマトリクス
19 カラーフィルタ
20 平坦化層
21 電気力線
LC,LC1〜LC8 液晶分子

Claims (6)

  1. 第1の基板と第2の基板との間に液晶層が設けられた液晶表示パネルを有し、
    当該液晶表示パネルは、複数の画素がドットマトリクス状に配置された表示領域を有し、
    それぞれの画素は、前記液晶層と、前記第1の基板に設けられたアクティブ素子、画素電極、および共通電極とを有し、
    前記画素電極と前記共通電極とは、絶縁層を介して積層されており前記液晶層からの距離が異なり、かつ、前記液晶層から近いほうの電極は平面形状が櫛歯状で、前記液晶層から遠いほうの電極は平面形状が平板状であり、
    前記液晶層は、電界無印加時の液晶分子の配向がホモジニアス配向である液晶表示装置であって、
    前記第1の基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板と前記液晶層との間に配置され、かつ、前記電界無印加時の前記液晶分子の配向方向を制御する配向膜と、前記櫛歯状の前記電極の歯が並ぶ方向で隣接する2つの画素の境界を通り、かつ、前記画素電極および前記共通電極とは異なる導体とを有し、
    前記アクティブ素子、前記画素電極、前記共通電極、および前記導体は、前記絶縁基板と前記配向膜との間に配置されており、かつ、前記導体は、前記画素電極および前記共通電極よりも前記液晶層からの距離が遠く、
    前記共通電極は、複数の前記画素のうちの、少なくとも前記歯が並ぶ方向で隣接する2つ以上の画素で共有される一体物であり、
    前記配向膜は、前記電界無印加時の前記液晶分子の配向方向を、前記櫛歯状の前記電極の前記歯の延びる方向に対して所定の角度だけ傾いた初期配向方向に制御する配向処理が施されており、
    前記共通電極は、前記境界に、前記歯の延びる方向に沿って並んだ複数の開口部を有し、
    前記共通電極の前記開口部は、前記歯の延びる方向となす鋭角が、前記歯の延びる方向と前記初期配向方向とがなす鋭角よりも大きい平行な二辺を有し、かつ、
    前記初期配向方向と前記歯の延びる方向とがなす鋭角の角度をα、当該二辺の延びる方向と前記初期配向方向とがなす鋭角の角度をβ、当該二辺の延びる方向と前記歯の延びる方向とがなす鋭角の角度をγとしたときに、α+β=γであることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記第1の基板は、前記絶縁基板と前記配向膜との間に、複数の走査信号線および複数の映像信号線を有し、前記導体は、前記映像信号線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。
  3. 前記液晶層から近いほうの前記電極は、前記画素電極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。
  4. 前記液晶層から近いほうの前記電極は、前記共通電極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。
  5. 前記共通電極の前記開口部の開口端は、前記歯の延びる方向となす角が前記角度γである平行な二辺と、前記歯の延びる方向と概ね直交する方向に延びる平行な二辺を有する平行四辺形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。
  6. 前記境界に並んだ複数の前記開口部は、前記歯の延びる方向で隣接する2つの前記開口部の間隔が、2μm以上8μm以下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。
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