JP5219907B2

JP5219907B2 - 液晶表示装置

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Publication number: JP5219907B2
Application number: JP2009095477A
Authority: JP
Inventors: 伸田畑; 俊明藤野; 偉長江
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: JP2010243967A

Description

本発明は、ＴＮ（ツイステッドネマチック）モードの液晶表示装置に関し、特に、表示品位を改善したＴＮモードの液晶表示装置に関する。

ＴＮモードの液晶表示装置は、最も一般的な液晶表示装置であり、その液晶パネルは２枚の電極基板間に液晶材料を狭持した構成を採り、２枚の電極基板を一定間隔に保持するために、電極基板の周辺部分にシール材と呼ばれるエポキシ樹脂等の有機材料で構成される部材が電極基板間に挟まれるように配置されている。

また、液晶材料に配向性を与えるために、電極基板の液晶材料に接触する側の表面にはラビング処理を施したポリイミド等の配向膜が設けられている。

このような構成のＴＮモードの液晶表示装置を、製造後に長期間保存し、さらに動作、非動作を繰り返すと、シール材からの不純物が液晶パネル中に拡散し、液晶配向状態の変化を誘起する。つまり、液晶材料および配向膜の界面が汚染されると、配向膜の液晶分子に対する拘束力が低下するため、液晶配向のプレチルト角が上昇し、液晶の配向の秩序度が低下すると考えられる。

プレチルト角の変化は、液晶材料のしきい値特性を低電圧側へシフトすることになるため、その部分は輝度が低下する。また、液晶配向の秩序度の変化により、液晶材料の見かけの屈折率異方性が低下することになるため、この場合は汚染部分の輝度が低下する。

このように、液晶パネル中の汚染により、汚染部分の輝度が低下するため、表示面内の周辺部分の輝度が低下し、表示品位が著しく低下する。

この問題に対しては、現状では、汚染を生じにくいシール材を用いる方法や、例えば特許文献１に記載されるように、表示領域とシール材との間の領域に通常の配向膜よりも不純物の吸着性の高いポーラス構造の配向膜を配置し、シール材からの不純物を吸着させる方法や、液晶配向の規制力の変化しにくい配向膜を用いる方法で対処しており、液晶パネルの構成材料を変更することにより、輝度低下が発生するまでの時間を長くするという方針を採っている。

従って、大きく表示品位が低下することはないが、長時間の使用において全く輝度低下を生じないシール材や配向膜は見出されておらず、長時間使用するとわずかではあるものの、必ず輝度低下が生じているのが現状である。

特開２００８−２８１９９１号公報

上述のように、十分な材料選択を行った場合であっても、長期間に渡って使用し続けた場合、周辺部分の輝度低下は必ず生じており、良好な表示品位を長期に渡って維持することが難しいというのが現状である。

本発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、ＴＮモードの液晶表示装置において、長期間の保存や使用を行った後に観察されるパネル周辺部分の輝度低下を防止することを目的とする。

本発明に係る請求項１記載の液晶表示装置は、対向する第１および第２の基板間に液晶材料を挟持する液晶パネルと、前記液晶パネルの表示面に平行に配置されたバックライトと、を備えた液晶表示装置であって、前記液晶材料は、その液晶配向が、前記第１および第２の基板間で９０度ねじれた、ツイステッドネマティック液晶であって、前記液晶パネルは、前記第１および第２の基板間に複数配設され、前記第１および第２の基板間の間隙の大きさで規定されるパネルギャップを形成する柱状のスペーサを有し、前記液晶パネルの表示面内において、端縁部から１０ｍｍの距離で規定される領域内では、前記柱状のスペーサの配設密度が、中央部での配設密度の半分以下に設定され、前記パネルギャップが、前記領域内の方が０．１〜０．５μｍ狭く形成される。

本発明に係る請求項１記載の液晶表示装置によれば、第１および第２の基板間に複数配設され、パネルギャップを形成する柱状のスペーサを有し、液晶パネルの表示面内において、端縁部から１０ｍｍの距離で規定される領域内では、柱状のスペーサの配設密度が、中央部での配設密度の半分以下に設定され、第１および第２の基板間の間隙の大きさで規定されるパネルギャップが、当該領域内の方が０．１〜０．５μｍ狭く形成されているので、当該領域の輝度が、中央部よりも低くなり、長期の保存や使用によって端縁部近傍での輝度の低下と併せることで、バックライトの影響による端縁部近傍での輝度上昇分を相殺して、輝度分布に極小値が生じることが防止され、表示品位の低下を防止して、良好な表示品位を得ることができる。

液晶パネルの表示面における中央部から端縁部にかけての輝度分布を示す図である。液晶パネルの表示面を示す平面図である。液晶パネルの表示面における中央部から端縁部にかけての輝度分布を示す図である。柱スペーサの配置例を示す平面図である。液晶パネルの表示面における中央部から端縁部にかけての輝度分布を示す図である。

＜輝度低下の解析＞
発明の実施の形態の説明に先立って、ＴＮモードの液晶表示装置における輝度低下の現象についての解析結果を説明する。

＜長期保存による輝度低下＞
長期保存に起因すると思われる輝度低下は、液晶パネルの表示面の端縁部から約３０ｍｍの幅を有して端縁に沿って発生しており、パネル表示面の外側に向かうほど輝度低下が大きく、中央に近くなるほど輝度低下が小さくなっている。この輝度分布の変化を図１に示す。

すなわち、図１は、図２に示す液晶パネルＬＰの表示面ＤＰにおける中央部ＰＨから端縁部ＰＨにかけての矢印ＡＲで示される評価領域の輝度分布を示しており、図１における横軸の図に向かって左方向が表示面ＤＰの端縁部方向であり、右方向が表示面ＤＰの中央部方向を示している。

図１において、特性Ｃ１１は初期段階での輝度分布を示しており、端縁部ＰＨに近いほど初期の輝度が高く、中央部ＰＨに近づくにつれて輝度が低くなり、中央部ＰＨでは輝度は一定する特性となっている。

また、特性Ｃ１２は長期保存後の輝度分布を示しており、端縁部ＰＨに近いほど初期の輝度からの低下が大きいことが示されている。

＜長期使用による輝度低下＞
長期間に渡る使用に起因すると思われる輝度低下は、長期保存による輝度低下とほぼ同じ領域に発生し、図２における端縁部ＰＨから一定距離離れた部分が低下が最も大きく、中央部ＣＴ側では輝度低下はやや小さくなっている。この輝度分布を図３に示す。

図３においても図１と同様に、横軸の図に向かって左方向が表示面ＤＰの端縁部方向であり、右方向が表示面ＤＰの中央部方向を示している。

図３において、特性Ｃ１２は長期保存後の輝度分布を示しており、特性Ｃ１３は長期使用後の輝度分布を示している。

図３に示すように、特性Ｃ１３においては、特性Ｃ１２との比較において端縁部ＰＨから一定距離離れた部分の輝度低下が最も大きく、中央部ＣＴに向かうにつれて輝度低下が小さくなっていることが示されている。

＜バックライトの影響＞
一般に液晶パネルでは、バックライトの構造上、端縁部から５〜１０ｍｍの範囲で輝度がやや高くなっている。この輝度の高い領域において、長期保存による輝度低下と長期使用による輝度低下とが同時に生じると、端縁部から５ｍｍ程度の位置に輝度の極小部分が生じ、液晶パネルの端縁部に沿ってリング状に輝度の低い領域が視認されるようになるため、非常に表示品位を低下させることになる。

長期保存による輝度低下や、長期使用による輝度低下は、先に説明した従来的な手法の採用により抑制されているとは言え、完全に防止されているとは言えず、液晶表示装置の長期保存や長期使用により、いずれはリング状に輝度の低い領域が発生することとなる。

以上のような検討を行った結果、発明者達は、長期保存による輝度低下や、長期使用による輝度低下という要因の完全な除去は不可能であるので、パネルの透過率分布の不均一という要因を取り除き、パネル表示面の端縁部近傍での輝度が、中央部の輝度と比べて高くならないようにすることで表示品位の低下を防止するという技術思想に到達した。以下、本発明に係る実施の形態について説明する。

＜実施の形態１＞
液晶表示装置の構成には種々のバリエーションがあるが、以下においては、簡単化のため、最小限必要な構成のみを挙げて製造工程を説明しつつ、発明に係る液晶表示装置の構成を説明する。

１２．１型用のカラーフィルター基板上に感光性高分子溶液を塗布し、乾燥させた後、マスキングを施すなどして柱状のスペーサを形成する部分のみに選択的に紫外線を照射し、現像処理を行うことで柱スペーサを形成した。

柱スペーサは、カラーフィルター基板と対向するＴＦＴ基板との間に間隙を形成するためのスペーサであり、高さは４μｍ、直径１０μｍの円柱状をなしている。

柱スペーサの配置例を図４に示す。図４は、カラーフィルター基板上に設けられたＲ、Ｇ、Ｂの各色のサブピクセルＳＰの配列の一例を示している。

図４に示すように、柱スペーサＣＳは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色のサブピクセルを１組とするピクセル（画素）ＰＸの４個に対して１個の割合で配置され、基本的にはパネル表示面の全面に形成されている。ただし、パネル表示面の端縁部から１０ｍｍの幅の領域では９個の画素に対して柱スペーサ１個、すなわち柱スペーサの配設密度は、パネル表示面の中央部の半分以下となるように形成した。

その後、このカラーフィルター基板に配向膜を塗布し、焼成した後、ラビング処理を行った。

そして、カラーフィルター基板と対向するＴＦＴ基板に、上記と同様の配向膜を塗布し、焼成した後、ラビング処理を行い、その後、所定の位置にエポキシ樹脂のシール材を塗布した。一般的には、シール材中には球状または棒状の、パネルギャップ（基板間距離）を保持するための樹脂またはガラス製のスペーサを添加して用いるが、本実施の形態では、端縁部のパネルギャップを狭くするために、シール材中にはスペーサを添加しなかった。

その後、カラーフィルター基板と、ＴＦＴ基板とを重ね合わせ、熱圧着した後、所定のパネルの大きさ（ここでは対角が１２．１インチとなる大きさ）に切断し、真空中で液晶材料を注入して封止することで液晶パネルを得た。

得られた液晶パネルは、液晶材料の配向方向が、２枚の基板間で直交するようにラビング処理が行われており、パネルギャップはパネル表示面内の中央では約４．３μｍ、パネル表示面の端縁部から１０ｍｍの幅の領域では、ほぼ直線的に中央よりも約０．２μｍ狭くなっていた。

これは、パネル表示面の端縁部から１０ｍｍの幅の領域では、柱スペーサの配設密度を、パネル表示面の中央部の半分以下となるように設定したことによる効果であり、配設密度が低い領域では、柱スペーサが若干潰れて、パネルギャップが狭くなったと考えられる。

この液晶パネルに偏光板を貼付し、筐体に実装し、モジュール化を行って液晶表示装置を完成させた後、３ヶ月間室温で保存し、その後に３０時間に渡って中間調を表示させた結果、端縁部の近傍で輝度が数％低下する傾向は観察されたが、輝度分布に極小値は生じず、表示品位の低下は視認されず、良好な表示品位を得ることができた。

図５には、本発明に係る液晶表示装置における輝度分布の変化を示す。図５において、特性Ｃ１は初期段階での輝度分布を示しており、端縁部ＰＨと中央部ＣＴとで輝度に分布は見られず、パネル表示面内で輝度が一定となっている。

また、特性Ｃ２は長期保存後の輝度分布を示しており、端縁部ＰＨに近いほど初期の輝度からの低下は大きいが、初期段階では輝度が一定なので、端縁部ＰＨ近傍では中央部ＣＴよりも輝度が低くなり、図３に示した特性Ｃ１２とは反対の特性となっている。

また、特性Ｃ３は長期使用後の輝度分布を示しているが、特性Ｃ２が平行にシフトした特性となっており、図３に示した特性Ｃ１３のように輝度の極小値は見られない。

このような効果が得られる仕組みは以下のように理解される。すなわち、液晶パネルはバックライトの光で表示しており、バックライトは基本的には液晶パネルの端縁部に沿って配設されたＣＣＦＬ（Cold-Cathode Fluorescent Lamp）またはＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光源を有しており、パネル表示面に平行して配置された導光板中に光を入射して、導光板の主面から光を取り出す構造となっている。

導光板からの光の取り出しは均一ではなく、光源近傍では光の強度が強いので明るくなり、光源が配置されていない端縁部近傍では導光板中を伝わってきた光が端面で反射するので明るくなり、結果的に導光板からの光の取り出しでは、導光板の端縁部に沿った部分が明るくなる。

従って、従来の液晶パネルでは、初期においては上述したバックライトの影響で端縁部から５〜１０ｍｍの範囲が明るいが、先に説明したようにシール材からの不純物による汚染により、長期の保存や使用をすると、端縁部から１０〜２０ｍｍの範囲で輝度が低下する。つまり端縁部から２０ｍｍの部分から輝度が低下し始め、徐々に外側に向かうにつれて輝度が低下するが、端縁部から５ｍｍ程度の部分でバックライトの影響で輝度上昇が起こり、極小値を有する輝度分布となる。

しかし、本発明に係る液晶表示装置では、液晶パネルのパネル表示面の端縁部から１０ｍｍの幅の領域においてパネルギャップが狭くなっており、当該領域の輝度が、初期の時点から少し低くなっている。

このような液晶パネルにおいては、中間調表示で端縁部近傍の輝度がやや低くなるので、長期の保存や使用によって端縁部から１０〜２０ｍｍの範囲で輝度が低下しても、その低下の勾配がパネルギャップの影響により大きくなり、バックライトの影響による端縁部近傍での輝度上昇分を相殺して、輝度分布に極小値が生じることが防止されるものと考えられる。

なお、上記においては、パネル表示面の端縁部から１０ｍｍまでの領域ではパネルギャップが約０．２μｍ狭くなった例を示したが、発明の効果を得るにはこの数値に限定されるものではなく、０．１〜０．５μｍの範囲でパネルギャップが狭くなっていれば、上述した効果を得ることができる。

すなわち、パネルギャップの中央部との差が０．５μｍを越えるほどに狭くすると、中間調における輝度の低下が中心部の輝度の１０〜１５％の範囲で低下し、パネルギャップの中央部との差が０．１μｍを越えない程度とすると、輝度の低下は中心部の輝度の２〜３％の範囲となり、バックライトの影響による端縁部近傍での輝度上昇分を相殺できなくなるということが確認されている。

また、上記においては、パネル表示面の端縁部から１０ｍｍの幅の領域では柱スペーサの配設密度を、パネル表示面の中央部の半分以下とする例を説明したが、これは、長期の保存や使用により、端縁部から１０〜２０ｍｍの範囲で輝度が低下するという前提に基づく設定であったが、これは一例であり、製品のばらつきを考慮すると、端縁部から１０〜４０ｍｍの範囲で輝度が低下する可能性があり、これに対応するには、パネル表示面の端縁部から４０ｍｍの幅の領域で柱スペーサの配設密度を、パネル表示面の中央部の半分以下とすることが現実的と言える。

＜実施の形態２＞
次に、本発明に係る実施の形態２の液晶表示装置について説明する。実施の形態２の液晶表示装置も、実施の形態１と同様に、ＴＦＴ基板とカラーフィルター基板とを有するが、実施の形態１とは異なり、ＴＦＴ基板とカラーフィルター基板との間に柱スペーサは形成されず、ジビニルベンゼンを主成分とする球状のスペーサが、カラーフィルター基板上に均一に、およそ１平方ｍｍあたり２００個となるように散布されている。

このような構成を有する液晶パネルについて、液晶の注入、封止を行った後のパネルギャップの分布を測定すると、パネル表示面の端縁部から２０ｍｍ程度の範囲では、パネルギャップが中央部よりも０．３μｍ程度広くなっていた。この理由は以下のように説明される。

すなわち、球状のスペーサは散布密度を制御することはできないので、基本的にはパネル表示面中央部も端縁部近傍も均一に散布される。しかし、パネル表示面内の基板上には凹凸があり、配線部分では高く、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜などが形成される画素部分では低くなるのが一般的で、均一に散布された球状のスペーサのうち、画素部分（低い部分）に配置されたものはギャップ保持に寄与せず、いわば浮いた状態となっており、配線部分（高い部分）に配置されたスペーサのみがギャップ保持に寄与する。

そして、この配線部分の密度は、パネル表示面の中央部では画素間の配線のみであるので密度が低く、反対に端縁部近傍では配線のみとなるので密度が高くなる。

このため、ギャップ保持に寄与する配線上の球状のスペーサは、パネル表示面の端縁部近傍で散布密度が高くなり、中央部では散布密度が低い状態となる。

ここで、球状のスペーサがギャップを保持している状態では、やや押しつぶされた状態となるが、密度が高い領域では潰れ度合いが小さくなり、ギャップがやや大きくなるので、結果的に、パネル表示面の端縁部近傍では中央部よりもギャップが０．３μｍ程度広くなると考えられる。

このような液晶パネルについて、バックライトから光を照射すると、バックライトの輝度分布が面内で均一になっている場合であっても、液晶パネルのギャップ分布に基づき、端縁部近傍の輝度が中央部よりも中間調表示で約１０％高いという結果が得られる。

これは、端縁部近傍でパネルギャップが広いことに起因して、パネルの光透過率分布が高くなっているためと考えられる。

そこで、バックライトの導光板上に輝度分布を作るための透明シートを配設する。すなわち、パネルギャップが広いことに起因する輝度の上昇分を相殺するように、端縁部近傍の光透過率を１０％程度低下させるように着色を施した透明シートをバックライトと液晶パネルの間に配置する。

透明シートの一例としては、液晶パネルとほぼ同じサイズの透明シートにおいて、パネル端縁部近傍の輝度が中央部よりも高い領域に対応する部分のみに、例えば微細な不透明なドットを印刷して透過率を下げたものが挙げられる。ドットの代わりに着色をしても良い。

このようなシートは、バックライトが平板な導光板を有するのであれば、導光板上に配置しても良いし、液晶パネルの裏面（表示面とは反対側の面）上に配置しても良い。

また、透明シートを配置する代わりに、バックライトの導光板のパネル端縁部近傍に対応する領域の表面のシボ加工の密度を高めて光透過率を低下させるという構成を採っても良い。

このように、バックライトと透明シートとを組み合わせることにより、液晶パネルに入射する光の分布を、液晶パネルのギャップ分布に起因する輝度分布を相殺するように設定することができ、液晶表示装置としてパネル表示面内の端縁部近傍の輝度の上昇を防止できる。

このような構成を有する液晶表示装置を３ヶ月間室温で保存し、その後に３０時間に渡って中間調を表示させた結果、端縁部の近傍で輝度が数％低下する傾向は観察されたが、輝度分布に極小値は生じず、表示品位の低下は視認されず、良好な表示品位を得ることができた。

＜比較例＞
上述した実施の形態２の液晶表示装置との比較例として、透明シートを有さない液晶表示装置、すなわち、従来的な液晶表示装置について、３ヶ月間室温で保存し、その後に３０時間に渡って中間調を表示させた結果、端縁部近傍の輝度が低下し、さらに端縁部から１０〜２０ｍｍの幅の領域で輝度の極小値が視認され、表示ムラが発生した。

＜実施の形態３＞
次に、本発明に係る実施の形態３の液晶表示装置について説明する。実施の形態３の液晶表示装置も、実施の形態２と同様に、ＴＦＴ基板とカラーフィルター基板との間に柱スペーサは形成されず、ジビニルベンゼンを主成分とする球状のスペーサが、カラーフィルター基板上に均一に、およそ１平方ｍｍあたり２００個となるように散布されている。

このような構成を有する液晶パネルについて、液晶の注入、封止を行った後のパネルギャップの分布を測定すると、パネル表示面の端縁部から２０ｍｍ程度の範囲では、中央部よりも０．３μｍ程度広くなっており、このような液晶パネルについて、バックライトから光を照射すると、バックライトの輝度分布が面内で均一になっている場合であっても、液晶パネルのギャップ分布に基づき、端縁部近傍の輝度が中央部よりも中間調表示で約１０％高いという結果が得られる。

このような液晶パネルを組み込んだ実施の形態３の液晶表示装置においては、画像を表示する際に、画像信号そのままの階調を表示するのではなく、パネル表示面の端縁部から２０ｍｍ程度の輝度が高くなっている領域では、その輝度上昇分を相殺するように輝度信号を変調して画面に表示する構成を採っている。

なお、このような輝度信号の変調処理は、変調処理部においてパネル表示面の端縁部近傍の平均的な輝度上昇を相殺するようにパネル表示面内の階調輝度特性に分布を作る処理であるので、ハードウエアとしての新たな装置は不要であり、コスト的にも有利な方法である。

このようなデータ処理を行うことにより、パネル表示面内の端縁部近傍の輝度が高くなることを防止できる。

＜実施の形態４＞
次に、本発明に係る実施の形態４の液晶表示装置について説明する。実施の形態４の液晶表示装置も、実施の形態２と同様に、ＴＦＴ基板とカラーフィルター基板との間に柱スペーサは形成されず、ジビニルベンゼンを主成分とする球状のスペーサが、カラーフィルター基板上に均一に、およそ１平方ｍｍあたり２００個となるように散布されている。

このような構成を有する液晶パネルについて、液晶の注入、封止を行った後のパネルギャップの分布を測定すると、パネル表示面の端縁部近傍では中央部よりも０．３μｍ程度広くなっている。

ここで、実施の形態４の液晶表示装置の液晶パネルにおいては、画素の開口率が、パネルギャップ分布に起因する輝度分布を相殺するように、パネル表示面の端縁部近傍で最大１０％程度開口率が低くなるように構成されている。

すなわち、画素の開口率は、画素ピッチから計算される画素サイズに対する開口部分の割合であり、画面の面積を画素数で割ったものを１００とし、これに対して、実際に表示に寄与する開口部分の比率で定義されている。

この開口率を局所的に低下させる方法としては、カラーフィルター基板におけるブラックマトリクスのパターンを変えて、Ｒ、Ｇ、Ｂのサブピクセルの面積に対してブラックマトリクスの面積比率を大きくする方法が挙げられる。

このような液晶パネルについて、バックライトから光を照射すると、バックライトの輝度分布が面内で均一になっている場合であっても、液晶パネルの開口率分布が、液晶パネルのギャップ分布に起因する平均的な輝度上昇を相殺し、液晶表示装置としてパネル表示面内の端縁部近傍の輝度の上昇を防止できる。

以上説明した実施の形態１〜４については、液晶パネルの画面サイズは１２．１型として説明したが、これに限定されるものではなく、２インチ程度の携帯機器用の液晶パネルから、数十インチのテレビ用の液晶パネルに対しても本発明の適用は可能である。

ＣＳ柱スペーサ。

Claims

対向する第１および第２の基板間に液晶材料を挟持する液晶パネルと、
前記液晶パネルの表示面に平行に配置されたバックライトと、を備えた液晶表示装置であって、
前記液晶材料は、
その液晶配向が、前記第１および第２の基板間で９０度ねじれた、ツイステッドネマティック液晶であって、
前記液晶パネルは、
前記第１および第２の基板間に複数配設され、前記第１および第２の基板間の間隙の大きさで規定されるパネルギャップを形成する柱状のスペーサを有し、
前記液晶パネルの表示面内において、端縁部から１０ｍｍの距離で規定される領域内では、前記柱状のスペーサの配設密度が、中央部での配設密度の半分以下に設定され、前記パネルギャップが、前記領域内の方が０．１〜０．５μｍ狭く形成される、液晶表示装置。