JP5273368B2 - Liquid crystal display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は液晶表示装置に関する。 The present invention relates to a liquid crystal display device.
携帯型情報機器の通信速度の高速化、メモリ容量増大に伴い、より大容量の画像情報やよりコマ数の多い動画が取り扱われるようになる。インターフェイスである表示装置にも、今まで以上の高画質化と大画面化、更には画素数増大が要求される。その一方で、携帯型情報機器が成熟する中でデザインも見直されており、薄型のスマートなデザインが好まれる傾向にある。これに伴い、表示装置にも薄型化が要求されている。 As the communication speed of portable information devices is increased and the memory capacity is increased, a larger amount of image information and a moving image having a larger number of frames are handled. A display device as an interface is also required to have higher image quality and larger screen than ever before, and further increase the number of pixels. On the other hand, as mobile information devices mature, designs are being reviewed, and thin smart designs tend to be preferred. Accordingly, display devices are also required to be thin.
IPS(In-Plane Switching)方式液晶表示装置は、同一基板上に形成した共通電極と画素電極の間に液晶面内に平行な成分を主とする横電界を形成し、これにより液晶層を駆動する。そのため、IPS方式液晶表示装置では電界印加に伴う液晶層の配向変化が液晶層内における回転が主になる。VA(Vertically Aligned)方式やECB (Electrically Controlled Birefringence)方式やOCB(Optically Compensated Birefringence)方式などでは、電界印加に伴う液晶層の配向変化はチルト角の変化が主であるが、IPS方式液晶表示装置ではチルト角の変化が少ない。このことにより、IPS方式液晶表示装置では電圧印加に伴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。そのため、IPS方式液晶表示装置では高画質化の要求をより満足できる。 The IPS (In-Plane Switching) type liquid crystal display device forms a horizontal electric field mainly composed of parallel components in the liquid crystal plane between the common electrode and the pixel electrode formed on the same substrate, thereby driving the liquid crystal layer. To do. Therefore, in the IPS liquid crystal display device, the alignment change of the liquid crystal layer accompanying the application of an electric field is mainly rotated in the liquid crystal layer. In the VA (Vertically Aligned) method, ECB (Electrically Controlled Birefringence) method, OCB (Optically Compensated Birefringence) method, etc., the change in the orientation of the liquid crystal layer due to electric field application is mainly due to the change in the tilt angle, but the IPS liquid crystal display The tilt angle changes little. Thus, in the IPS liquid crystal display device, the change in the effective value of the retardation due to voltage application is small, and a display with excellent gradation reproducibility can be obtained in a wide viewing angle range. Therefore, the IPS liquid crystal display device can satisfy the demand for higher image quality.
また、中小型の液晶表示方式に用いられるVA方式ではマルチドメイン化により視角特性を向上するが、この時に透過率の低下を防ぐため液晶パネルと上下の偏光板との間に四分の一波長板を積層する。四分の一波長板はVA方式液晶表示装置の厚さ増大の一因になっている。しかし、IPS方式液晶表示装置では四分の一波長板を必要としないことから、薄型化の要求をより満足することができる。 In addition, the VA method used for small and medium-sized liquid crystal display methods improves viewing angle characteristics by making multi-domain, but at this time, in order to prevent a decrease in transmittance, a quarter wavelength is placed between the liquid crystal panel and the upper and lower polarizing plates. Laminate the plates. The quarter wave plate contributes to the increase in the thickness of the VA liquid crystal display device. However, since the IPS liquid crystal display device does not require a quarter-wave plate, the demand for thinning can be satisfied more.
IPS方式に限らず液晶表示装置は非発光型の表示装置なので、表示の明るさは光源の明るさの他に透過率で決定される。IPS方式の透過率向上を目的として液晶層の弾性定数に着目した検討例としては、例えば下記特許文献1がある。
IPS方式の中でも画素電極と共通電極を電極絶縁層を介して積層し、一方の電極形状をベタ(隙間のない一様の)平面状にしたIPS-Pro(Provectus)方式は、各種IPS方式の中でも高透過率である。これは、異なる層にある電極を結ぶようにアーチ状の電気力線が形成されて液晶層中にはみ出し、かつ電極の中央近傍にまで分布するためである。このような異層間の電極を結ぶアーチ状の電界は、フリンジ電界と呼ばれている。 Among the IPS methods, the IPS-Pro (Provectus) method, in which pixel electrodes and common electrodes are stacked via an electrode insulation layer and one electrode shape is a flat (uniform with no gaps), is the IPS method. Among them, it has a high transmittance. This is because arch-shaped lines of electric force are formed so as to connect electrodes in different layers, protrude into the liquid crystal layer, and are distributed to the vicinity of the center of the electrodes. Such an arched electric field connecting electrodes between different layers is called a fringe electric field.
IPS方式の平面構造に着目すると、画素中央ではストライプ状の電極とスリットが規則正しく配列している。画素中央の液晶層には電圧印加時に捩れ配向が生じており、この部分の透過率を向上するには捩れ配向の回転を増大すべきである。画素端部の少なくとも一方では櫛歯状の電極を互いに連結しなければならない。連結部のない画素端部では、櫛歯先端のような平面構造が形成される。何れの場合にも画素端部において電極は閉じた構造になるため、フリンジ電界の方向は180度回転するように分布する。 Focusing on the planar structure of the IPS system, stripe-like electrodes and slits are regularly arranged in the center of the pixel. The liquid crystal layer in the center of the pixel has a twisted orientation when a voltage is applied, and the rotation of the twisted orientation should be increased to improve the transmittance of this portion. Comb electrodes must be connected to each other on at least one of the pixel ends. A planar structure such as the tip of a comb tooth is formed at the pixel end portion without the connecting portion. In any case, since the electrode has a closed structure at the pixel end, the direction of the fringe electric field is distributed so as to rotate 180 degrees.
このため画素端部の一部では、画素中央において生じる回転とは逆向きの回転を液晶層に与えるようなフリンジ電界が必ず発生する。液晶層の厚さ方向の全体に渡って逆捩れになれば、正常な捩れ配向との境界で配向状態がほとんど変化しない部分が発生する。この部分の透過率は電圧無印加時とほぼ同じなので、暗線として観測される。暗線はドメインと呼ばれており、画素端部における透過率の向上にはこれの低減が必要である。 For this reason, a fringe electric field that always gives the liquid crystal layer a rotation opposite to the rotation that occurs at the center of the pixel is always generated at a part of the pixel end. If the liquid crystal layer is reversely twisted in the entire thickness direction, a portion where the alignment state hardly changes is generated at the boundary with the normal twisted alignment. Since the transmittance of this part is almost the same as when no voltage is applied, it is observed as a dark line. The dark line is called a domain, and it is necessary to reduce it in order to improve the transmittance at the pixel end.
携帯型情報機器に搭載される液晶表示装置では高精細化が進展しており、これに伴い画素のサイズも縮小する傾向にある。画素サイズが縮小すると画素全体に対する画素端部の寄与が相対的に増加するので、画素中央に於ける捩れ配向増大に加えて、ドメインによる透過率低下も無視できなくなる。 A liquid crystal display device mounted on a portable information device has been improved in definition, and accordingly, the pixel size tends to be reduced. When the pixel size is reduced, the contribution of the pixel end portion to the entire pixel is relatively increased. Therefore, in addition to an increase in twisted orientation at the center of the pixel, a decrease in transmittance due to the domain cannot be ignored.
本発明が解決しようとする課題は、画素中央に於ける捩れ配向増大と、画素端部に発生するドメインの抑制を両立し、IPS-Pro方式液晶表示装置の透過率を向上することである。 The problem to be solved by the present invention is to improve the transmittance of the IPS-Pro liquid crystal display device while achieving both an increase in the twisted orientation at the center of the pixel and the suppression of the domain generated at the pixel end.
第一の基板と、第二の基板と、前記第一の基板と第二の基板間に挟持された液晶層からなる液晶パネルを有し、液晶パネルはその上下に第一の偏光板と第二の偏光板を有し、液晶パネルは独立制御可能な複数の画素を有し、各画素は第二の基板の液晶層側の面上の表示部に一対の画素電極と共通電極を有し、画素電極と共通電極は電極間絶縁層を介して積層し、画素電極と共通電極のうち液晶層からより離れた方の平面構造はベタ平面状であり、液晶面内に平行な成分を主とする電界を印加して液晶層を駆動する液晶表示装置において、櫛歯電極の幅と櫛歯電極を隔てるスリットの幅の和を櫛歯電極ピッチとすると、(櫛歯電極ピッチ×電極間絶縁膜の比誘電率/電極間絶縁層厚)を81以上、162以下の範囲とし、櫛歯電極ピッチを2.5μm以上、8.5μm以下の範囲とし、(櫛歯電極幅/櫛歯電極ピッチ)を0.3以上、0.5以下の範囲とする。 A liquid crystal panel having a liquid crystal layer sandwiched between the first substrate, the second substrate, and the first substrate; The liquid crystal panel has a plurality of independently controllable pixels, and each pixel has a pair of pixel electrodes and a common electrode on the display portion on the liquid crystal layer side of the second substrate. The pixel electrode and the common electrode are stacked via an inter-electrode insulating layer, and the planar structure of the pixel electrode and the common electrode that is further away from the liquid crystal layer is a solid flat surface, and a component parallel to the liquid crystal surface is mainly used. In a liquid crystal display device that drives the liquid crystal layer by applying an electric field, the sum of the width of the comb electrode and the width of the slit separating the comb electrode is defined as (comb electrode pitch × interelectrode insulation). The relative dielectric constant of the film / the thickness of the insulating layer between the electrodes is in the range of 81 to 162 and the comb electrode pitch is 2.5 μm to 8.5 μm In the range below, (comb-tooth electrode width / comb electrodes pitch) of 0.3 or more, in the range of 0.5 or less.
本発明によれば、IPS-Pro方式液晶表示装置において櫛歯電極の主要部における液晶層の捩れ配向を増大し、櫛歯電極の端部に現れるドメインを抑制し、IPS-Pro方式液晶表示装置の透過率を向上できる。 According to the present invention, in the IPS-Pro liquid crystal display device, the twisted orientation of the liquid crystal layer in the main part of the comb electrode is increased, and the domain appearing at the end of the comb electrode is suppressed, and the IPS-Pro liquid crystal display device Can improve the transmittance.
実施形態1
本実施形態の液晶表示装置の一画素の断面を図2に模式的に示す。図2の切断面S1、S2、S3、S4は、平面図である図3に記載してある。本実施形態の液晶表示装置は主に第一の基板と第二の基板と液晶層からなり、第一の基板と第二の基板は液晶層を挟持する。第一の基板と第二の基板は液晶層に近接する面上に液晶層の配向状態を安定化するための配向膜を備える。また、第二の基板の液晶層に近接する面上には、液晶層に電圧を印加するための手段を備える。
A cross section of one pixel of the liquid crystal display device of the present embodiment is schematically shown in FIG. The cut surfaces S1, S2, S3 and S4 in FIG. 2 are shown in FIG. 3 which is a plan view. The liquid crystal display device of this embodiment mainly includes a first substrate, a second substrate, and a liquid crystal layer, and the first substrate and the second substrate sandwich the liquid crystal layer. The first substrate and the second substrate include an alignment film for stabilizing the alignment state of the liquid crystal layer on a surface close to the liquid crystal layer. Further, a means for applying a voltage to the liquid crystal layer is provided on the surface of the second substrate close to the liquid crystal layer.
第一の基板は厚さ約0.4mmのホウケイサンガラス製であり、画素に対応する部分に着目すると、液晶層に近接する側より第一の配向膜、平坦化膜、カラーフィルタ、ブラックマトリクスが順次積層されている。第一の配向膜はポリイミド系の有機高分子膜であり、ラビング法で配向処理されており、近接する液晶層に約1.5度のプレチルト角を付与する水平配向膜である。平坦化膜はアクリル系樹脂であり、透明性に優れ、下地の凹凸を平坦化すると共に溶液の浸透を防止する機能を有する。カラーフィルタは赤色、緑色、青色を呈する顔料を含むレジストから構成される。 The first substrate is made of borosilicate glass with a thickness of about 0.4 mm. Focusing on the part corresponding to the pixel, the first alignment film, flattening film, color filter, and black matrix are arranged from the side close to the liquid crystal layer. They are sequentially stacked. The first alignment film is a polyimide organic polymer film, which is aligned by a rubbing method, and is a horizontal alignment film that imparts a pretilt angle of about 1.5 degrees to an adjacent liquid crystal layer. The flattening film is an acrylic resin, has excellent transparency, and has a function of flattening the unevenness of the base and preventing the penetration of the solution. The color filter is composed of a resist containing a pigment exhibiting red, green, and blue.
第二の基板は第一の基板と同様にホウケイサンガラス製であり、液晶層に近接する側より順に、主に第二の配向膜、画素電極、電極間絶縁膜、共通電極、TFT(Thin Film Transistor)、走査配線、信号配線を備える。第二の配向膜は、第一の配向膜と同様の水平配向膜である。画素電極と共通電極はいずれもITO(Indium Tin Oxide)であり、透明性と導電性に優れており、層厚は80nmである。画素電極と共通電極は窒化珪素(SiN)製の電極間絶縁膜で絶縁しており、電極間絶縁膜の層厚は300nmである。画素電極の平面形状は画素端部において結合された櫛歯状であるのに対し、共通電極は画素の透明部分においてベタ平面状である。 Like the first substrate, the second substrate is made of borosilicate glass, and in order from the side close to the liquid crystal layer, the second alignment film, the pixel electrode, the interelectrode insulating film, the common electrode, the TFT (Thin Film Transistor), scanning wiring, and signal wiring. The second alignment film is a horizontal alignment film similar to the first alignment film. The pixel electrode and the common electrode are both ITO (Indium Tin Oxide), and are excellent in transparency and conductivity, and the layer thickness is 80 nm. The pixel electrode and the common electrode are insulated by an interelectrode insulating film made of silicon nitride (SiN), and the layer thickness of the interelectrode insulating film is 300 nm. The planar shape of the pixel electrode is a comb-like shape joined at the pixel end, whereas the common electrode is a solid planar shape in the transparent portion of the pixel.
以上のように画素電極と共通電極を電極間絶縁膜で隔て、かつ電極間絶縁膜の膜厚を十分に薄くすることにより、画素電極と共通電極の間にアーチ状の電気力線が形成される。この時、電気力線は電極間絶縁膜を貫いて主に液晶層中に分布し、なおかつ主に基板平面に対して平行な成分を有する横電界を形成する。これにより、電圧印加時において液晶配向方向が主に層平面内で回転するように変化する、IPS方式に特有の配向変化を与える。 As described above, by separating the pixel electrode and the common electrode by the interelectrode insulating film and sufficiently reducing the film thickness of the interelectrode insulating film, an arch-shaped electric field line is formed between the pixel electrode and the common electrode. The At this time, lines of electric force are distributed mainly through the liquid crystal layer through the interelectrode insulating film, and form a transverse electric field having a component mainly parallel to the substrate plane. This gives a change in alignment peculiar to the IPS system in which the liquid crystal alignment direction changes so as to rotate mainly in the layer plane when a voltage is applied.
また、図2に示したように、画素電極と共通電極が重畳する部分が多数存在するが、この部分は液晶層に対して並列に結合しているため、保持期間中に液晶層に印加される電圧値を一定に保つ透明保持容量として機能する。保持容量が透明でかつ保持容量上の液晶層も駆動できることから、高い開口率と保持特性を両立できる。 In addition, as shown in FIG. 2, there are many portions where the pixel electrode and the common electrode overlap each other, but since this portion is coupled in parallel to the liquid crystal layer, it is applied to the liquid crystal layer during the holding period. It functions as a transparent holding capacitor that maintains a constant voltage value. Since the storage capacitor is transparent and the liquid crystal layer on the storage capacitor can be driven, both a high aperture ratio and storage characteristics can be achieved.
尚、図3に示したように画素電極のストライプは画素長辺方向に平行であり、スリット構造の方向は画素内において一様である。走査配線方向を0度とし、方位角を反時計回りに定義すると、各ストライプ構造の方向は90度であり、液晶配向方向は85度である。各ストライプは図3の下側において結合されており、上側では各ストライプの先端が櫛歯の先端の様に並んでいる。 As shown in FIG. 3, the stripe of the pixel electrode is parallel to the long side direction of the pixel, and the direction of the slit structure is uniform within the pixel. When the scanning wiring direction is defined as 0 degree and the azimuth angle is defined counterclockwise, the direction of each stripe structure is 90 degrees and the liquid crystal alignment direction is 85 degrees. The stripes are joined on the lower side of FIG. 3, and on the upper side, the tips of the stripes are arranged like the tips of comb teeth.
図4はこれとは異なる画素電極の例であり、画素電極のストライプは画素短辺により近い方向を向いている。スリット構造の方向の角度が5度である領域と、-5度である領域が一画素内に上下に分かれて存在し、面積比は一対一である。これら2つの領域では電圧印加時における液晶配向方向の回転方向が互いに異なり、すなわち一方において時計回りであれば、他方において反時計回りである。各領域は明表示が黄色い色相の着色を示す視角方向と、青色の色相の着色を示す視角方向とをそれぞれ有するが、両者が同時に観察されるため着色が相殺される。その結果、視角方向においてより無着色の表示が得られる。 FIG. 4 shows an example of a pixel electrode different from this, and the stripe of the pixel electrode is directed in a direction closer to the short side of the pixel. A region where the angle in the direction of the slit structure is 5 degrees and a region where the angle is -5 degrees are present in one pixel, and the area ratio is 1: 1. In these two regions, the rotation directions of the liquid crystal alignment directions at the time of voltage application are different from each other, that is, if one is clockwise, the other is counterclockwise. Each region has a viewing angle direction in which the bright display indicates a yellow hue coloring and a viewing angle direction in which a blue hue coloring is observed. However, since both are observed simultaneously, the coloring is offset. As a result, a more colorless display is obtained in the viewing angle direction.
図3に示した様に信号配線と走査配線は互いに交差しており、交差部の近傍にはそれぞれTFTを有し、画素電極と1対1に対応している。画素電極にはTFTとコンタクトホールを介して信号配線より画像信号に対応した電位が付与される。また、TFTの動作は走査配線の走査信号により制御される。TFTのチャネル部はアモルファスシリコン層から成る。あるいはまた、より移動度の高いポリシリコン層で形成しても良い。チャネル部はチャネル部無機絶縁膜で被覆することにより動作を安定化し、かつチャネル部有機絶縁膜により凹凸を平坦化し、かつ寄生容量を低減する。各画素電極は長方形状で互いに独立に制御され、かつ第二の基板上に格子状に配置されている。画素電極はスルーホール部においてTFTに接続している。 As shown in FIG. 3, the signal wiring and the scanning wiring intersect each other, each has a TFT near the intersection, and corresponds to the pixel electrode on a one-to-one basis. A potential corresponding to an image signal is applied to the pixel electrode from the signal wiring through the TFT and the contact hole. Further, the operation of the TFT is controlled by the scanning signal of the scanning wiring. The channel part of TFT consists of an amorphous silicon layer. Alternatively, a polysilicon layer with higher mobility may be formed. The channel portion is covered with a channel portion inorganic insulating film to stabilize the operation, the channel portion organic insulating film is used to flatten the unevenness, and the parasitic capacitance is reduced. Each pixel electrode is rectangular and is controlled independently of each other, and is arranged in a grid pattern on the second substrate. The pixel electrode is connected to the TFT at the through hole.
液晶層には、室温を含む広い温度範囲でネマチック相を示し、誘電率異方性が正で高抵抗の液晶材料を用いる。画素書込みTFTがオフとなる保持期間中における電圧低下が十分に少なく、保持期間中に透過率を維持し、かつフリッカの発生を防ぐことができる。 For the liquid crystal layer, a liquid crystal material that exhibits a nematic phase in a wide temperature range including room temperature, has a positive dielectric anisotropy, and has a high resistance is used. The voltage drop during the holding period when the pixel writing TFT is turned off is sufficiently small, the transmittance can be maintained during the holding period, and the occurrence of flicker can be prevented.
第一の配向膜と第二の配向膜にラビング法で配向処理を施した後、第一の基板と第二の基板を組み立てる。第一の基板と第二の基板の間のギャップは、第一の基板側に配置したポストスペーサによって均一に維持される。ポストスペーサは概略円柱状であり、画素間に分布している。第一の基板と第二の基板の間のギャップに液晶材料を真空封入して、前述の液晶層とする。液晶層はホモジニアス配向で、その配向方向は走査配線に対して5度を成す。電圧印加時の電界方向と配向方向のなす角度が85度と充分に大きいため、電圧印加時に大きな液晶配向方向の回転が生じ、高透過率が得られる。 After the alignment process is performed on the first alignment film and the second alignment film by a rubbing method, the first substrate and the second substrate are assembled. The gap between the first substrate and the second substrate is uniformly maintained by a post spacer disposed on the first substrate side. The post spacers are substantially cylindrical and are distributed between the pixels. A liquid crystal material is vacuum-sealed in the gap between the first substrate and the second substrate to form the aforementioned liquid crystal layer. The liquid crystal layer has homogeneous alignment, and the alignment direction forms 5 degrees with respect to the scanning wiring. Since the angle formed by the electric field direction and the alignment direction when a voltage is applied is sufficiently large as 85 degrees, a large rotation of the liquid crystal alignment direction occurs when a voltage is applied, and high transmittance can be obtained.
第一の基板と第二の基板の外側には第一の偏光板と第二の偏光板を配置しており、第一の偏光板と第二の偏光板はヨウ素系色素を含み、その2色性により自然光を直線偏光に極めて近い部分偏光に変換する。第一の偏光板と第二の偏光板の吸収軸はその平面法線方向から観察して互いに直交しており、かつ第一の偏光板の吸収軸は液晶配向方向に平行である。 A first polarizing plate and a second polarizing plate are arranged outside the first substrate and the second substrate, and the first polarizing plate and the second polarizing plate contain iodine dye, Natural light is converted into partially polarized light very close to linearly polarized light by chromaticity. The absorption axes of the first polarizing plate and the second polarizing plate are orthogonal to each other when observed from the plane normal direction, and the absorption axis of the first polarizing plate is parallel to the liquid crystal alignment direction.
図3、4に示したIPS-Pro方式液晶表示装置の画素構造より明らかなように、一画素の中央では櫛歯電極とスリットが規則的に配列しているが、画素端部ではこれが寸断されている。櫛歯電極とスリットの分布が異なれば、フリンジ電界の分布も異なるので電圧印加時の液晶層の配向変化も異なる。具体的には、櫛歯電極とスリットが規則的に配列している部分ではフリンジ電界は一定方向を向いている。これに対し、櫛歯構造の先端では櫛歯電極が閉じた構造になっており、結合部ではスリットが閉じた構造になっており、フリンジ電界の方向も180度回転して分布している。IPS-Pro方式液晶表示装置の透過率向上を図る際にはこれらの部分を分離して、それぞれについて透過率向上策を検討すべきである。尚、これ以降櫛歯電極とスリットが規則的に配列している部分を櫛歯電極部、その端部を櫛歯電極端部と呼ぶことにする。また、後者を連結部端部と先端部に分類する。 As is clear from the pixel structure of the IPS-Pro liquid crystal display device shown in FIGS. 3 and 4, comb electrodes and slits are regularly arranged at the center of one pixel, but this is cut off at the pixel end. ing. If the distribution of the comb electrode and the slit is different, the distribution of the fringe electric field is also different, so that the change in the orientation of the liquid crystal layer upon voltage application is also different. Specifically, the fringe electric field is directed in a certain direction in the part where the comb-shaped electrodes and slits are regularly arranged. On the other hand, the comb electrode is closed at the tip of the comb structure, and the slit is closed at the joint, and the direction of the fringe electric field is also rotated by 180 degrees and distributed. When improving the transmittance of an IPS-Pro liquid crystal display device, these parts should be separated and measures for improving the transmittance should be considered for each. In the following description, a portion where the comb electrodes and slits are regularly arranged will be referred to as a comb electrode portion, and an end portion thereof will be referred to as a comb electrode end portion. Moreover, the latter is classified into a connection part end part and a tip part.
本実施形態では、櫛歯電極部に着目することにする。電圧印加時におけるIPS-Pro方式液晶表示装置の液晶層配向状態をシンテック社製の2次元配向計算プログラムで計算した。計算結果を配向方向のチルト角と方位角の分布で表すと図5のようになる。図5の横軸は液晶層内における液晶層厚方向の位置を示し、液晶層厚で規格化してあり、第一の基板端が1であり、第二の基板端が0である。方位角は電圧無印加時の方位角を0度とし、時計回りに増大するように定義してある。図5中の3つのプロットは、IPS-Pro方式液晶表示装置の画素内で代表的な3つの部分に対応している。即ち、櫛歯電極の中央と、スリットの中央と、櫛歯電極とスリットの境界である。全体的に見て、図5(b)に示したチルト角に比較して図5(a)に示した方位角の方が大きく、電圧印加時のIPS-Pro方式液晶表示装置の液晶層配向変化は液晶層内における回転で表されることを示している。また、方位角はフリンジ電界強度の大きい第二の基板近傍で急速に増大しており、第一の基板端との間で方位角は液晶層厚に比例して変化している。このことは、第二の基板近傍と第一の基板端との間で捩れ配向が形成されていることを示している。 In the present embodiment, attention is paid to the comb electrode portion. The liquid crystal layer alignment state of the IPS-Pro liquid crystal display device when a voltage was applied was calculated using a two-dimensional alignment calculation program manufactured by Shintech. The calculation result is expressed as a distribution of tilt angle and azimuth angle in the orientation direction as shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 5 indicates the position in the liquid crystal layer thickness direction in the liquid crystal layer, normalized by the liquid crystal layer thickness, the first substrate end is 1, and the second substrate end is 0. The azimuth angle is defined to increase clockwise with the azimuth angle when no voltage is applied being 0 degrees. The three plots in FIG. 5 correspond to three representative portions in the pixel of the IPS-Pro liquid crystal display device. That is, the center of the comb electrode, the center of the slit, and the boundary between the comb electrode and the slit. Overall, the azimuth angle shown in FIG. 5 (a) is larger than the tilt angle shown in FIG. 5 (b), and the liquid crystal layer alignment of the IPS-Pro liquid crystal display device when a voltage is applied. This indicates that the change is represented by rotation in the liquid crystal layer. Further, the azimuth angle increases rapidly in the vicinity of the second substrate having a large fringe electric field strength, and the azimuth angle changes in proportion to the liquid crystal layer thickness between the first substrate edge. This indicates that a twisted orientation is formed between the vicinity of the second substrate and the end of the first substrate.
このような液晶層配向状態は、図6に図示した捩れ配向モデルで近似的に表される。第一の基板端における液晶配向の方位角は、第一の配向膜の配向処理方向とする。第二の基板端における液晶配向の方位角は、第二の配向膜の配向処理方向からずれており、両者の間で捩れ配向が生じているものとする。また、チルト角の変動は無視し、電圧無印加時に等しいものとする。 Such a liquid crystal layer alignment state is approximately represented by a twisted alignment model shown in FIG. The azimuth angle of the liquid crystal alignment at the first substrate end is the alignment processing direction of the first alignment film. It is assumed that the azimuth angle of the liquid crystal alignment at the edge of the second substrate is deviated from the alignment processing direction of the second alignment film, and twisted alignment occurs between them. In addition, the fluctuation of the tilt angle is ignored, and is assumed to be equal when no voltage is applied.
透過率向上の観点から捩れ配向モデルを見ると、TN(Tweited Nematic)方式と同様のウエーブガイドモードが理想的である。すなわち、捩れ角が90度であり、Δndが550nmであれば、視感度最大となる波長550nmの光が液晶層の配向方向に従い90度回転し、第一の基板端に到達した時点において、第一の偏光板の透過軸に振動方向の平行な直線偏光になり、この時に最大の透過率が得られる。 From the viewpoint of improving the transmittance, looking at the twisted orientation model, the wave guide mode similar to the TN (Tweited Nematic) method is ideal. That is, if the twist angle is 90 degrees and Δnd is 550 nm, the light with the wavelength of 550 nm, which has the maximum visibility, rotates 90 degrees according to the alignment direction of the liquid crystal layer and reaches the first substrate edge. It becomes linearly polarized light whose vibration direction is parallel to the transmission axis of one polarizing plate, and at this time, the maximum transmittance is obtained.
ところが、ウエーブガイドモードを実現するために液晶層のΔndを550nmまで増大すれば、中間調の色相変化が増大する。また、捩れ角を90度にするには液晶層の配向方向を櫛歯方向に平行にしなければならないが、この時には液晶層の動作が不安定になる。このようにウエーブガイドモードを完璧に実現することは出来ないが、これに近い配向状態を実現すればウエーブガイドモードに近い高透過率が得られる。そのため、中間調の色相変化や液晶層動作を良好に保ちながら透過率を向上することが可能であり、捩れ配向モデルはIPS-Pro方式液晶表示装置の透過率向上のための指針を与える。即ち、捩れ角(最大の方位角)の増大とチルト角の減少である。このうち後者は、液晶材料のΔnと液晶層厚を一定に保ちながら、実効的なΔndを増大することを意味する。 However, if Δnd of the liquid crystal layer is increased to 550 nm in order to realize the wave guide mode, a halftone hue change increases. Further, in order to set the twist angle to 90 degrees, the alignment direction of the liquid crystal layer must be parallel to the comb tooth direction, but at this time, the operation of the liquid crystal layer becomes unstable. Thus, although the wave guide mode cannot be realized perfectly, a high transmittance close to the wave guide mode can be obtained if an orientation state close to this is realized. Therefore, it is possible to improve the transmittance while maintaining good hue change of the halftone and the liquid crystal layer operation, and the twisted orientation model provides a guideline for improving the transmittance of the IPS-Pro liquid crystal display device. That is, an increase in twist angle (maximum azimuth angle) and a decrease in tilt angle. Among these, the latter means increasing the effective Δnd while keeping the Δn of the liquid crystal material and the liquid crystal layer thickness constant.
捩れ配向モデルのような液晶配向を実現するには、フリンジ電界を第二の基板端により局在化させ、なおかつその強度を増大すれば良い。フリンジ電界の分布を第二の基板端に寄せれば、捩れ角が最大となる部分も第二の基板端により近づくからである。また、チルト角を低減するには、フリンジ電界をより短い周期で配置すればよい。チルト角の増大はアーチ状のフリンジ電界に沿って液晶層が配向することに起因するが、フリンジ電界はアーチ状であるためその両端で異なる符合のチルト角を発生させる。その結果、フリンジ電界に沿って液晶層にベンド配向が発生する。応力とベンド弾性定数k33が一定の場合、単位長さあたりのチルト角変化は一定なので、櫛歯ピッチを低減するほどチルト角が減少する。 In order to realize liquid crystal alignment such as a twisted alignment model, it is only necessary to localize the fringe electric field by the edge of the second substrate and increase its strength. This is because if the distribution of the fringe electric field is brought closer to the second substrate end, the portion with the maximum twist angle is closer to the second substrate end. In order to reduce the tilt angle, the fringe electric field may be arranged with a shorter period. The increase in the tilt angle is caused by the alignment of the liquid crystal layer along the arcuate fringe electric field. However, since the fringe electric field is arcuate, tilt angles with different signs are generated at both ends thereof. As a result, bend alignment occurs in the liquid crystal layer along the fringe electric field. When the stress and the bend elastic constant k33 are constant, the tilt angle change per unit length is constant. Therefore, the tilt angle decreases as the comb tooth pitch is reduced.
また、櫛歯ピッチの低減はフリンジ電界を第二の基板端に局在化させるにも有効であり、フリンジ電界は櫛歯電極ピッチに比例して縮小する。フリンジ電界に対して電極間絶縁膜と液晶層は直列に結合しているので、液晶層中に分布するフリンジ電界の強度を増大するには電極間絶縁膜をより薄くするか、あるいはまた電極間絶縁膜の比誘電率を増大すれば良い。しかしこの時、フリンジ電界の分布は液晶層の厚さ方向に拡大し、第二の基板端に局在しなくなる。櫛歯電極ピッチと電極間絶縁膜厚の比率に電極間絶縁膜の比誘電率を掛けた値を一定に保ちながら櫛歯電極ピッチを縮小すれば、フリンジ電界の分布も櫛歯電極ピッチや電極間絶縁膜厚と相似の関係を保ちながら縮小する。これにより、フリンジ電界の強度を保ちながら、これを第二の基板端に局在化させることができる。 Further, the reduction of the comb tooth pitch is also effective in localizing the fringe electric field at the end of the second substrate, and the fringe electric field is reduced in proportion to the comb electrode pitch. Since the interelectrode insulating film and the liquid crystal layer are coupled in series to the fringe electric field, the interelectrode insulating film is made thinner or the interelectrode electrode is increased in order to increase the strength of the fringe electric field distributed in the liquid crystal layer. What is necessary is just to increase the dielectric constant of an insulating film. However, at this time, the fringe electric field distribution expands in the thickness direction of the liquid crystal layer and is not localized at the edge of the second substrate. If the comb electrode pitch is reduced while maintaining a constant value obtained by multiplying the ratio between the comb electrode pitch and the inter-electrode insulation film thickness by the relative dielectric constant of the inter-electrode insulation film, the fringe electric field distribution is also reduced by the comb electrode pitch and the electrode. Shrink while maintaining a similar relationship with the insulation film thickness. Thereby, this can be localized at the edge of the second substrate while maintaining the strength of the fringe electric field.
フリンジ電界の分布の均一性は櫛歯電極部内における透過率を向上する際に重要であり、これには後述する電極幅比の他に、電極間絶縁膜の厚さとその比誘電率が関与する。電極間絶縁膜厚を低減し、電極間絶縁膜の比誘電率を増大して液晶層内部でのフリンジ電界強度を増大すると、フリンジ電界の分布がより不均一になる。また、これらを減少すると前述の様に液晶層中に分布するフリンジ電界の強度が減少する。フリンジ電界の均一性と強度を両立するには、櫛歯電極ピッチと電極間絶縁膜厚の比率に電極間絶縁膜の比誘電率を掛けた値を一定範囲に保つべきである。櫛歯電極ピッチが5μm、電極間絶縁膜厚の比誘電率が6.5の場合に好適な電極間絶縁膜厚は0.2μm以上0.4μm以下であることから、櫛歯電極ピッチと電極間絶縁膜厚の比率に電極間絶縁膜の比誘電率を掛けた値の最適範囲は81以上162以下と求められる。 The uniformity of the fringe electric field distribution is important in improving the transmittance in the comb electrode part, and this involves the thickness of the interelectrode insulating film and the relative dielectric constant in addition to the electrode width ratio described later. . When the interelectrode insulating film thickness is reduced and the relative dielectric constant of the interelectrode insulating film is increased to increase the fringe electric field strength inside the liquid crystal layer, the fringe electric field distribution becomes more non-uniform. Further, when these are reduced, the strength of the fringe electric field distributed in the liquid crystal layer is reduced as described above. In order to achieve both the uniformity and strength of the fringe electric field, the value obtained by multiplying the ratio of the comb electrode pitch to the interelectrode insulating film thickness by the relative dielectric constant of the interelectrode insulating film should be kept within a certain range. Since the interelectrode insulating film thickness is 0.2 μm or more and 0.4 μm or less when the interdigital electrode pitch is 5 μm and the relative dielectric constant of the interelectrode insulating film thickness is 6.5, the interdigital electrode pitch and the interelectrode insulating film thickness The optimum range of values obtained by multiplying the ratio by the relative dielectric constant of the interelectrode insulating film is determined to be 81 or more and 162 or less.
現在中小型液晶表示装置の高精細化が進んでおり、携帯電話のモニターとして主流になりつつあるワイドVGA(Video Gate Array) 仕様液晶表示装置では画素数が800×480×3である。また、デジタルカメラのモニターとして主流になりつつあるVGA仕様液晶表示装置では画素数が640×480×3である。このような画素仕様を対角3インチ程度の液晶表示装置に適用すると、一画素のサイズは75μm×25μmになる。 Currently, high definition of medium and small-sized liquid crystal display devices is progressing, and wide VGA (Video Gate Array) specification liquid crystal display devices, which are becoming mainstream as mobile phone monitors, have 800 × 480 × 3 pixels. In addition, the number of pixels is 640 × 480 × 3 in a VGA type liquid crystal display device which is becoming mainstream as a monitor of a digital camera. When such a pixel specification is applied to a liquid crystal display device having a diagonal of about 3 inches, the size of one pixel is 75 μm × 25 μm.
このような微小な画素では、配置する櫛歯電極の本数により透過率が大きく変化する。例えば、画素長辺方向に対して平行に櫛歯電極を配置すると、隣接画素間での混色を防ぐためには画素端におよそ6.5μmの間隙を配置しなければならないので、櫛歯電極を配置できる部分の幅は12μmになる。この部分に櫛歯電極を1本だけ配置すれば、透過率は著しく低下する。即ち、この時フリンジ電界は画素内に2列形成されるのみで、画素内の液晶層を充分に配向変化させるにはその分布が不足である。櫛歯電極の本数を2本、3本、4本と増やせばフリンジ電界も4列、6列、8列と増大し、これに伴い透過率も増大する。櫛歯電極が一本の場合を基準にすると、透過率は1.52倍、1.65倍、1.71倍に増大する。ここで、後述する電極幅比をその最適値である0.4としており、櫛歯電極ピッチはそれぞれ8.5μm、5.0μm、3.5μmに相当する。このように、櫛歯電極数を1本から2本に増大した際の透過率増大がとりわけ大きい。 In such a minute pixel, the transmittance greatly varies depending on the number of comb-tooth electrodes to be arranged. For example, when a comb electrode is arranged in parallel to the long side direction of the pixel, a gap of about 6.5 μm must be arranged at the pixel end in order to prevent color mixing between adjacent pixels, so that the comb electrode can be arranged. The width of the part is 12 μm. If only one comb electrode is disposed in this portion, the transmittance is significantly reduced. That is, at this time, the fringe electric field is only formed in two columns in the pixel, and its distribution is insufficient to sufficiently change the orientation of the liquid crystal layer in the pixel. If the number of comb electrodes is increased to 2, 3, and 4, the fringe electric field also increases to 4, 6, and 8, and the transmittance increases accordingly. Based on the case of a single comb electrode, the transmittance increases 1.52, 1.65, and 1.71 times. Here, the electrode width ratio described later is 0.4, which is the optimum value, and the comb electrode pitches correspond to 8.5 μm, 5.0 μm, and 3.5 μm, respectively. Thus, the increase in transmittance is particularly large when the number of comb electrodes is increased from one to two.
ここで隣接画素間での混色とは、隣接した電圧が印加されていない画素の液晶層が、自画素の影響で配向変化を起こすことによって生じる現象である。これを防止するには、画素内の櫛歯電極のうち最も画素端に位置するものと画素境界との間隙を充分広く設定する必要があり、これが前述の6.5μmの間隙である。 Here, the color mixture between adjacent pixels is a phenomenon that occurs when the liquid crystal layer of an adjacent pixel to which no voltage is applied causes an orientation change due to the influence of the own pixel. In order to prevent this, it is necessary to set a sufficiently wide gap between the interdigital electrode in the pixel located at the end of the pixel and the pixel boundary, which is the aforementioned 6.5 μm gap.
櫛歯電極ピッチには製造上の制約から下限がある。電極間絶縁膜の下層にある共通電極は完全に平坦ではなく、ITOを成膜する際に生じる結晶粒等により凹凸が存在する。そのため、電極間絶縁膜を薄くすれば凹凸が電極間絶縁膜を貫通して共通電極と画素電極が短絡する可能性が増大する。現状では電極間絶縁膜の厚さの下限は約0.1μmであり、この条件で十分な透過率を得るためには、電極間絶縁膜の比誘電率をSiN膜の6.5とすると、櫛歯電極ピッチの下限は2.5μm程度と求められる。 The comb electrode pitch has a lower limit due to manufacturing limitations. The common electrode in the lower layer of the interelectrode insulating film is not completely flat, and there are irregularities due to crystal grains or the like generated when ITO is formed. Therefore, if the interelectrode insulating film is thinned, the possibility that the unevenness penetrates the interelectrode insulating film and the common electrode and the pixel electrode are short-circuited increases. At present, the lower limit of the thickness of the interelectrode insulating film is about 0.1 μm, and in order to obtain sufficient transmittance under these conditions, if the relative dielectric constant of the interelectrode insulating film is 6.5 of the SiN film, the comb-tooth electrode The lower limit of the pitch is required to be about 2.5 μm.
その他にも、櫛歯電極幅とスリット幅の比率もフリンジ電界の強度に影響を及ぼす。IPS−Pro方式液晶表示装置では一方が櫛歯状、他方がベタ平面状の電極間に電圧を印加し、電気力線の湧き出し口はスリット部になる。そのため、以下に示すように、スリット部の幅がやや広い電極幅比0.4においてフリンジ電界の分布が最も均一になる。尚、電極幅比は{電極幅/(電極幅+スリット幅)}で定義される。 In addition, the ratio between the comb electrode width and the slit width also affects the strength of the fringe electric field. In the IPS-Pro type liquid crystal display device, a voltage is applied between electrodes having one comb-like shape and the other having a solid flat shape, and the outlet of the lines of electric force becomes a slit portion. Therefore, as shown below, the distribution of the fringe electric field becomes the most uniform at an electrode width ratio of 0.4 where the width of the slit portion is slightly wider. The electrode width ratio is defined by {electrode width / (electrode width + slit width)}.
櫛歯電極の一ピッチを5μmに固定し、電極幅とスリット幅の比率を変えてB-V特性を計算した結果を図7に示す。図7では電極幅比を0.1から0.9までの範囲で0.1ずつ変えており、図7中の数字は各B-V特性の電極幅比を示している。電極幅比が0.4の時にB-V特性が最も低電圧側にシフトし、かつ最大透過率を与える印加電圧の低電圧側の電圧における透過率、例えば4.5Vにおける透過率もまた最大になる。電極幅比がこれよりずれるとB-V特性は全体的に高電圧側にシフトし、これに伴い4.5Vにおける透過率も減少する。低電圧域での透過率に、例えば4.5Vでの透過率に着目すれば、電極幅比が0.4の時に最大になる。 FIG. 7 shows the results of calculating the BV characteristics by fixing one pitch of the comb electrode to 5 μm and changing the ratio between the electrode width and the slit width. In FIG. 7, the electrode width ratio is changed by 0.1 in the range from 0.1 to 0.9, and the numbers in FIG. 7 indicate the electrode width ratio of each BV characteristic. When the electrode width ratio is 0.4, the BV characteristic is shifted to the lowest voltage side, and the transmittance at the low voltage side of the applied voltage giving the maximum transmittance, for example, the transmittance at 4.5 V is also maximized. If the electrode width ratio deviates from this, the B-V characteristic shifts to the high voltage side as a whole, and the transmittance at 4.5 V also decreases accordingly. Focusing on the transmittance in the low voltage region, for example, the transmittance at 4.5 V, the maximum is obtained when the electrode width ratio is 0.4.
また、電極幅比が0.4の場合と0.5の場合を比較すると、後者のB-V特性は若干高電圧側にシフトしているものの、変化は比較的少ない。電極幅比が0.4の場合と0.3の場合にも同様にして変化は比較的少ない。しかし、電極幅比が0.6と0.7のB-V特性を比較すると、後者は高電圧側へ大きくシフトしていることが分かる。電極幅比が0.3と0.2のB-V特性を比較しても、同様にして後者は高電圧側へ大きくシフトしている。 In addition, when the electrode width ratio is 0.4 and 0.5, the latter BV characteristic is slightly shifted to the high voltage side, but the change is relatively small. Similarly, the change is relatively small when the electrode width ratio is 0.4 and 0.3. However, comparing the B-V characteristics with electrode width ratios of 0.6 and 0.7, it can be seen that the latter is greatly shifted to the high voltage side. Even if the B-V characteristics with the electrode width ratio of 0.3 and 0.2 are compared, the latter is also greatly shifted to the high voltage side.
以上は図8(a)に示した印加電圧4.5Vにおける透過率の電極幅比依存性からも明らかである。印加電圧4.5Vにおける透過率は電極幅比0.4で最大であり、その周辺での変化は緩やかである。また、図7のB-V特性を0.5Vmaxの電極幅比依存性に直し図8(b)に示した。ここで、0.5Vmaxは各B-V特性の最大透過率の半分の値を与える印加電圧値である。0.5Vmaxは電極幅比0.4にて最小になり、その周辺での変化は緩やかである。以上より、電極幅比0.4の近傍では印加電圧4.5V程度の低電圧域で高透過率を与え、かつ電極幅比が揺らいでもB-V特性の変化は小さい。しかし、電極幅比が0.4から大きると電極幅比が揺らいだ時のB-V特性の変化が大きくなる。 The above is also apparent from the electrode width ratio dependence of the transmittance at an applied voltage of 4.5 V shown in FIG. 8 (a). The transmittance at an applied voltage of 4.5 V is maximum at an electrode width ratio of 0.4, and the change around it is gradual. In addition, the BV characteristic of FIG. 7 is corrected to the electrode width ratio dependency of 0.5 Vmax and is shown in FIG. 8 (b). Here, 0.5 Vmax is an applied voltage value that gives a half value of the maximum transmittance of each BV characteristic. 0.5Vmax is minimum at the electrode width ratio of 0.4, and the change around it is gradual. From the above, in the vicinity of the electrode width ratio of 0.4, high transmittance is given in the low voltage range of about 4.5 V applied voltage, and even if the electrode width ratio fluctuates, the change in the BV characteristic is small. However, when the electrode width ratio is increased from 0.4, the change in the B-V characteristic when the electrode width ratio fluctuates increases.
IPS-Pro方式液晶表示装置における液晶層の配向変化と透過率分布を図8〜10に示す。図9は電極幅比が0.4の場合であり、櫛歯電極のピッチにして約2ピッチ分の断面を含む。スリット中央、櫛歯電極中央、スリット-櫛歯電極境界に依らず、配向変化は櫛歯電極の一ピッチ内において比較的一定であり(図9(b))、透過率分布もまた櫛歯電極の一ピッチ内において比較的一定である(図9(a))。図10は電極幅比が0.2の場合であり、スリット中央で電界が疎になり液晶層の配向変化が小さくなる(図10(b))。また、透過率分布を実線で図10(a)
に示した。図10(a)中の破線は図9(a)に示した電極幅比が0.4の場合の透過率分布である。スリット中央において透過率が減少しており、破線と比較して低透過率である。図11は電極幅比が0.7の場合であり、図10とは逆に画素電極中央の電界が疎になる。画素電極中央の液晶層の配向変化が小さいため(図11(a))、透過率が減少している(図11(b))。これより、電極幅比を0.4近傍の値に設定することにより、画素内における端部から離れた部分の透過率を増大できる。図8より明らかなように電極幅比は0.3から0.5が最適範囲である。
FIGS. 8 to 10 show the orientation change and transmittance distribution of the liquid crystal layer in the IPS-Pro liquid crystal display device. FIG. 9 shows a case where the electrode width ratio is 0.4 and includes a cross section of about 2 pitches as the pitch of the comb electrodes. Regardless of the slit center, comb electrode center, and slit-comb electrode boundary, the orientation change is relatively constant within one pitch of the comb electrode (Fig. 9 (b)), and the transmittance distribution is also the comb electrode. Is relatively constant within one pitch (FIG. 9 (a)). FIG. 10 shows the case where the electrode width ratio is 0.2, and the electric field becomes sparse at the center of the slit, and the change in the orientation of the liquid crystal layer becomes small (FIG. 10 (b)). Also, the transmittance distribution is shown by a solid line in Fig. 10 (a).
It was shown to. The broken line in FIG. 10 (a) is the transmittance distribution when the electrode width ratio shown in FIG. 9 (a) is 0.4. The transmittance is reduced at the center of the slit, which is lower than that of the broken line. FIG. 11 shows a case where the electrode width ratio is 0.7. In contrast to FIG. 10, the electric field at the center of the pixel electrode is sparse. Since the change in orientation of the liquid crystal layer at the center of the pixel electrode is small (FIG. 11 (a)), the transmittance is reduced (FIG. 11 (b)). Thus, by setting the electrode width ratio to a value in the vicinity of 0.4, it is possible to increase the transmittance of a portion away from the end portion in the pixel. As apparent from FIG. 8, the optimum range of the electrode width ratio is 0.3 to 0.5.
IPS-Pro方式液晶表示装置の櫛歯電極部に着目し、捩れ配向モデルに基づき液晶層中のフリンジ電界強度を強めながらかつその分布を第二の基板端に局在かするべく、櫛歯電極と電極間絶縁膜のパラメータを求めた。その結果、(櫛歯電極ピッチ×電極間絶縁膜の比誘電率/電極間絶縁層厚)を81以上、162以下の範囲に設定し、櫛歯電極ピッチを2.5μm以上、 8.5μm以下の範囲に設定し、(櫛歯電極幅/櫛歯電極ピッチ)を0.3以上、0.5以下の範囲に設定すべきとの結論を得た。櫛歯電極と電極間絶縁膜のパラメータを上記範囲に設定することにより、IPS-Pro方式液晶表示装置の櫛歯電極部の透過率を向上できる。 Focusing on the comb-tooth electrode portion of the IPS-Pro liquid crystal display device, the comb-tooth electrode is used to increase the fringe electric field strength in the liquid crystal layer and localize the distribution at the edge of the second substrate based on the twisted orientation model. The parameters of the interelectrode insulating film were obtained. As a result, (comb electrode pitch × dielectric constant of interelectrode insulating film / interelectrode insulating layer thickness) is set in the range of 81 to 162 and the comb electrode pitch is in the range of 2.5 μm to 8.5 μm. And the conclusion that (comb electrode width / comb electrode pitch) should be set in the range of 0.3 to 0.5. By setting the parameters of the comb electrode and the interelectrode insulating film within the above range, the transmittance of the comb electrode portion of the IPS-Pro liquid crystal display device can be improved.
実施形態2
本実施形態では櫛歯電極端部の透過率向上を試みた。具体的には画素端部ドメインに着目し、これを抑制することでIPS-Pro方式液晶表示装置の透過率向上を試みた。まず始めに、画素端部ドメインの発生原因の解明を試みた。IPS方式において電圧印加時に生じる液晶配向変化は、液晶層内における回転であり、ドメイン内部ではこの回転方向が逆向きになる。電圧印加時に生じる液晶配向変化は右回りと左回りのうち、より小さな回転で液晶配向方向がフリンジ電界に平行になる方が選択される。これは、フリンジ電界の方向と電圧無印加時の液晶配向方向の関係によって決まる。
In this embodiment, an attempt was made to improve the transmittance of the end portion of the comb electrode. Specifically, we focused on the pixel edge domain and tried to improve the transmittance of the IPS-Pro liquid crystal display device by suppressing it. First of all, we tried to elucidate the cause of pixel edge domain. In the IPS system, the change in liquid crystal alignment that occurs when a voltage is applied is rotation within the liquid crystal layer, and this rotation direction is reversed within the domain. The change in liquid crystal alignment that occurs when a voltage is applied is selected from the clockwise and counterclockwise directions in which the liquid crystal alignment direction is parallel to the fringe electric field with a smaller rotation. This is determined by the relationship between the direction of the fringe electric field and the liquid crystal alignment direction when no voltage is applied.
IPS-Pro方式の画素電極は、連結部を画素端両側に有する構造と片側のみに有する構造に分類される。これ以降、前者をスリット構造、後者を櫛歯構造と呼ぶことにする。図3と図4に示した画素電極は櫛歯構造であり、これらに対応するスリット構造の画素電極を図12(a)、(b)に示す。スリット構造と櫛歯構造のいずれの場合も、画素端部ではフリンジ電界の方向が180度回転するので、液晶層に逆回転を与える部分が必ず存在する。図3、4、12はいずれも加工精度が充分に高い場合に想定される理想的な画素電極であり、画素電極の端部に鋭角が現れている。 The IPS-Pro pixel electrodes are classified into a structure having connecting portions on both sides of the pixel end and a structure having only one side. Hereinafter, the former is called a slit structure and the latter is called a comb-tooth structure. The pixel electrodes shown in FIGS. 3 and 4 have a comb-teeth structure, and corresponding pixel electrodes having a slit structure are shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b). In both the slit structure and the comb structure, the fringe electric field direction rotates 180 degrees at the pixel end portion, so that there is always a portion that gives the liquid crystal layer a reverse rotation. 3, 4 and 12 are ideal pixel electrodes assumed when the processing accuracy is sufficiently high, and an acute angle appears at the end of the pixel electrode.
図13(a)、(b)は櫛歯構造とスリット構造の画素電極の拡大図であり、このうち図13(a)は後で述べるドメイン抑制のための三角構造を含んでいる。図13(a)、(b)は電圧印加時に生じる液晶配向の回転方向を示しており、実線は電圧無印加時の液晶配向方向であり、破線はフリンジ電界の方向である。液晶配向の異なる部分をA〜Dの記号を付けて分類しており、逆回転を与える部分を円で囲って示した。Gは櫛歯電極の外側に位置しており、画素電極の内側の液晶配向状態に影響を及ぼさない。画素電極の内側に位置して逆回転を与える部分は、櫛歯構造では角の頂点のBとEのみである。スリット構造の場合にも、同様にして角の頂点のBのみである。このように、画素端部に鋭角を有する場合には、逆回転を与える部分は画素電極内側の角の頂点にしか存在しないはずである。 FIGS. 13A and 13B are enlarged views of pixel electrodes having a comb-tooth structure and a slit structure, and FIG. 13A includes a triangular structure for domain suppression described later. FIGS. 13 (a) and 13 (b) show the rotation direction of the liquid crystal alignment that occurs when a voltage is applied, the solid line is the liquid crystal alignment direction when no voltage is applied, and the broken line is the direction of the fringe electric field. The portions with different liquid crystal alignments are classified by attaching symbols A to D, and the portions that give reverse rotation are shown circled. G is located outside the comb electrode and does not affect the liquid crystal alignment state inside the pixel electrode. In the comb-tooth structure, only the corner vertices B and E are located on the inner side of the pixel electrode and give reverse rotation. Similarly, in the case of the slit structure, only the corner apex B is provided. As described above, when the pixel end portion has an acute angle, the portion that gives reverse rotation should exist only at the vertex of the corner inside the pixel electrode.
実際には加工精度に限界があるので、画素端部は鋭角が消失して丸みを帯びる。この場合、電圧印加時に生じる液晶配向の回転方向を図14(a)、(b)に示す。画素端部の鋭角が消失したことにより、BとEは一点に限定されずに幅を持つことになる。そのため、鋭角を有する場合に比較して液晶層に逆回転を与える部分が拡大する。 Actually, since the processing accuracy is limited, the edge of the pixel is rounded off with an acute angle. In this case, the rotation direction of the liquid crystal alignment generated when a voltage is applied is shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b). Due to the disappearance of the acute angle at the pixel end, B and E are not limited to one point but have a width. Therefore, the part which gives a reverse rotation to a liquid-crystal layer expands compared with the case where it has an acute angle.
画素端部の透過率と配向状態をシンテック社製の3次元液晶配向計算プログラムであるLCDマスターで再現した結果を図15に模式的に示す。図15(b)は図6に示したS5、S6断面における液晶配向状態であり、図15(a)はこれに対応する透過率分布である。太線で囲った部分が逆捩れ配向であり、画素電極に近接する液晶界面に現れている。このように逆ねじれの液晶配向は、画素電極に近接する液晶界面には常に存在するものと思われる。しかし、周囲の正常配向部からの規制力が強ければ、これ以上成長しない。この時の透過率分布は図15(a)に示したように、明確な極小点を示さない。透過率分布との関連に着目しても、逆捩れ配向の分布に関連した透過率分布は見られないので、ドメインとして観察されない。 FIG. 15 schematically shows the result of reproducing the transmittance and alignment state of the pixel end portion with an LCD master, which is a three-dimensional liquid crystal alignment calculation program manufactured by Shintech. FIG. 15B shows the liquid crystal alignment state in the sections S5 and S6 shown in FIG. 6, and FIG. 15A shows the transmittance distribution corresponding thereto. A portion surrounded by a thick line is reverse twisted orientation, which appears at the liquid crystal interface close to the pixel electrode. Thus, it is considered that the reverse twisted liquid crystal alignment always exists at the liquid crystal interface close to the pixel electrode. However, if the regulation force from the surrounding normal orientation part is strong, it will not grow any more. The transmittance distribution at this time does not show a clear minimum point as shown in FIG. 15 (a). Even if attention is paid to the relationship with the transmittance distribution, the transmittance distribution related to the distribution of the reverse twist orientation is not observed, so that it is not observed as a domain.
ところが、逆捩れ配向が周囲の正常配向部からの規制力に打ち勝って液晶層の厚さ方向全体に渡って成長する場合がある。画素端部の鋭角が消失した場合などがこれに相当し、この時の画素端部の電気光学計算結果を図16に示す。図16(b)は図14に示したS7、S8断面における液晶配向状態であり、図16(a)はこれに対応する透過率分布である。太線で囲った逆捩れ配向は、液晶層の厚さ方向全体に及んでいる。また、透過率分布にも逆捩れ配向の分布に関連した明確な極小点が現れている。逆捩れ配向と正常配向部の境界は液晶配向変化が小さく、電圧無印加時とほぼ同じ配向状態なので暗線として観察される。このように、画素電極の端部の鋭角が消失するとドメインが出現しやすくなる。 However, there is a case where the reverse twist orientation overcomes the regulating force from the surrounding normal orientation portion and grows over the entire thickness direction of the liquid crystal layer. This corresponds to the case where the acute angle at the pixel end disappears. FIG. 16 shows the electro-optic calculation result at the pixel end at this time. FIG. 16B shows the liquid crystal alignment state in the S7 and S8 cross sections shown in FIG. 14, and FIG. 16A shows the transmittance distribution corresponding thereto. The reverse twist orientation surrounded by the thick line extends over the entire thickness direction of the liquid crystal layer. In addition, a clear minimum point related to the distribution of reverse twist orientation appears in the transmittance distribution. The boundary between the reverse twisted orientation and the normal orientation portion is observed as a dark line because the change in the orientation of the liquid crystal is small and the orientation is almost the same as when no voltage is applied. As described above, when the acute angle at the end of the pixel electrode disappears, the domain easily appears.
なお、ここでは液晶層の配向状態を示すのに円筒型の模型と釘型の模型の両方を用いているが、特に平面図においてチルト角を明記する場合に後者を用いることにした。 Here, both the cylindrical model and the nail model are used to show the alignment state of the liquid crystal layer, but the latter is used particularly when the tilt angle is clearly shown in the plan view.
画素端にある連結部では、液晶層に電圧が印加されないので透過率が増大しない。そのため、透過率向上には連結部が両端にあるスリット構造よりも、片側のみにある櫛歯構造の方が有利である。この場合ドメインは櫛歯構造の先端と連結部端に発生するが、本実施形態ではこのうち後者の連結部端ドメインに注目した。これを液晶配向計算で再現し、連結部端ドメイン内部の配向状態を観察した。図17(a)は連結部端ドメインの分布状態を示しており、連結部端ドメインは近接する画素電極とスリットの中央部を連結するように分布し、横に倒したU字型の形状を示す。図17(b)は配向方向の方位角分布に注目して連結部端ドメイン内と正常部の配向状態を示した図であり、液晶層内においてフリンジ電界が最も強い層平面における液晶配向状態を示している。これより、連結部端ドメインの内部では正常部とは逆の捩れ配向が生じている。 In the connection portion at the pixel end, no voltage is applied to the liquid crystal layer, so that the transmittance does not increase. For this reason, the comb-tooth structure on one side is more advantageous than the slit structure on both ends for improving the transmittance. In this case, the domains are generated at the tip of the comb-tooth structure and the end of the connecting portion. In the present embodiment, attention is paid to the latter connecting portion end domain. This was reproduced by liquid crystal alignment calculation, and the alignment state inside the connecting portion end domain was observed. FIG. 17 (a) shows the distribution state of the connecting portion end domain.The connecting portion end domain is distributed so as to connect the adjacent pixel electrode and the central portion of the slit, and has a U-shaped shape that lies sideways. Show. FIG. 17 (b) is a diagram showing the alignment state of the connection end domain and the normal part focusing on the azimuth distribution in the alignment direction. The liquid crystal alignment state in the layer plane where the fringe electric field is strongest in the liquid crystal layer is shown. Show. As a result, a twisted orientation opposite to that of the normal portion is generated inside the connecting portion end domain.
また、ドメイン内部の配向状態をチルト角まで含めて詳細に検討した結果を図17(d)に示す。ここで、図17(d)の右側に向けて立上るチルト角を正、左側に向けて立上るチルト角を負と定義する。ドメイン内部にはチルト角が正の部分と負の部分があり、両者の境界(チルト角=0度)で回転角が最大になっている。また、チルト角が正の部分と負の部分の面積は等しくなく、図17(d)では正の部分の面積がより大きい。一方、図16(b)では負の部分が大きい。連結部が左側にある場合についての同様の計算では、図17(c)に示したように負の部分の面積がより大きい。以上をまとめると、ドメイン内部におけるチルト角分布には偏りがあり、連結部が左側にある場合と右側にある場合では、優勢なチルト角成分が逆である。 Also, FIG. 17 (d) shows the result of detailed examination of the orientation state inside the domain including the tilt angle. Here, the tilt angle rising toward the right side in FIG. 17 (d) is defined as positive, and the tilt angle rising toward the left side is defined as negative. Inside the domain, there are a positive part and a negative part of the tilt angle, and the rotation angle is maximum at the boundary between them (tilt angle = 0 degree). Further, the areas of the positive part and the negative part of the tilt angle are not equal, and the area of the positive part is larger in FIG. 17 (d). On the other hand, in FIG. 16 (b), the negative part is large. In a similar calculation when the connecting portion is on the left side, the area of the negative portion is larger as shown in FIG. 17 (c). In summary, the tilt angle distribution within the domain is biased, and the dominant tilt angle component is reversed when the connecting portion is on the left side and on the right side.
次に、連結部端ドメイン内部の配向状態が上記のような分布となる原因について、図18に示したように考察した。図18は連結部端が左端にある画素電極の2ピッチ分の連結部を示しており、図18(a)、(b)、(c)はそれぞれスリット幅が画素電極幅より広い場合、両者が等しい場合、画素電極幅がスリット幅より広い場合である。連結部端ドメイン内部の配向状態と画素電極構造の関連を観察したところ、正負のチルト角領域の境界は図18中の破線のように画素電極とスリットの境界に位置していることを見出した。この部分はフリンジ電界が液晶層に逆回転を与えるので、回転角が最大になるものと思われる。また、前述のように連結部端ドメインの位置は電極構造に関係しており、横に倒したU字型の直線部分は画素電極の中央部とスリットの中央部に位置する。画素電極の中央部とスリットの中央部は透過率が極小になるため、連結部端ドメインほど明瞭でないものの、暗線として観察される。連結部端ドメインは互いに近接する画素電極の中央部からスリットの中央部に渡って分布し、正負のチルト角領域の境界は画素電極とスリットの境界に位置する。そのため、電極幅とスリット幅が同一でなければ、図18(a)、(c)に示したように連結部端ドメイン内部にチルト角分布の偏りが生じる。また、電極幅とスリット幅が同一であれば、図18(b)に示したように連結部端ドメイン内部にチルト角分布の偏りが生じない。 Next, the reason why the orientation state inside the connecting portion end domain has the above distribution was considered as shown in FIG. FIG. 18 shows a connecting portion corresponding to two pitches of the pixel electrode whose connecting portion end is at the left end, and FIGS. 18 (a), (b), and (c) show the case where the slit width is wider than the pixel electrode width. Are equal, the pixel electrode width is wider than the slit width. As a result of observing the relationship between the orientation state inside the coupling end domain and the pixel electrode structure, it was found that the boundary between the positive and negative tilt angle regions is located at the boundary between the pixel electrode and the slit as shown by the broken line in FIG. . This part seems to have the maximum rotation angle because the fringe electric field gives the liquid crystal layer a reverse rotation. Further, as described above, the position of the connecting portion end domain is related to the electrode structure, and the U-shaped linear portion that lies down is located at the central portion of the pixel electrode and the central portion of the slit. Since the transmittance of the central portion of the pixel electrode and the central portion of the slit is minimized, it is observed as a dark line although it is not as clear as the connection end domain. The connecting portion end domain is distributed from the central portion of the pixel electrode adjacent to each other to the central portion of the slit, and the boundary between the positive and negative tilt angle regions is located at the boundary between the pixel electrode and the slit. Therefore, if the electrode width and the slit width are not the same, the tilt angle distribution is biased inside the connecting portion end domain as shown in FIGS. 18 (a) and 18 (c). Further, if the electrode width and the slit width are the same, the tilt angle distribution is not biased inside the coupling portion end domain as shown in FIG. 18 (b).
一方、実施形態1で述べたようにIPS-Pro方式液晶表示装置の透過率-印加電圧特性(B-V特性)は電極幅とスリット幅の比率に依存し、これを2:3とすると低電圧域での透過率が向上する。透過率向上のために電極幅とスリット幅の比率を不均一にしているので、連結部端ドメイン内部にチルト角分布の偏りが生じることになる。 On the other hand, as described in the first embodiment, the transmittance-applied voltage characteristic (BV characteristic) of the IPS-Pro liquid crystal display device depends on the ratio of the electrode width and the slit width. Improves the transmittance. Since the ratio between the electrode width and the slit width is made non-uniform in order to improve the transmittance, the tilt angle distribution is biased inside the connecting portion end domain.
本実施形態では、以上のような連結部端ドメイン内部におけるチルト角分布の偏りを利用して、連結部端ドメインのサイズをプレチルト角で制御することを試みた。その原理について以下に説明する。まず始めに、液晶変形の相互作用について、図19に示したように考察した。液晶層の変形には捩れ変形とスプレー変形があるが、注目する液晶層の上下端面のチルト角が0度であれば捩れ変形とスプレー変形は互いに独立である。図19では捩れ変形が生じた場合の例として、捩れ角が180度の場合を示した。図19(a)、(b)に示したように、注目する液晶層の上下端面のチルト角が0度であれば、捩れ角が0度であっても180度であっても、捩れ角によらずスプレー変形は生じない。ところがチルト角が0度でなければ、捩れ変形とスプレー変形が互いに関係しあう。液晶層の上下端面でチルト角が同じ符号であれば、図19(c)、(d)に示したように捩れ角が増大するにつれてスプレー変形が増大する。液晶層の上下端面でチルト角が逆符号であれば、図19 (e)、(f)に示したように捩れ角が増大するにつれてスプレー変形が減少する。 In the present embodiment, an attempt was made to control the size of the connecting portion end domain with the pretilt angle by utilizing the bias of the tilt angle distribution inside the connecting portion end domain as described above. The principle will be described below. First, the interaction of liquid crystal deformation was considered as shown in FIG. There are torsional deformation and spray deformation in the deformation of the liquid crystal layer. However, if the tilt angle of the upper and lower end surfaces of the liquid crystal layer of interest is 0 degree, the torsional deformation and the spray deformation are independent of each other. FIG. 19 shows a case where the twist angle is 180 degrees as an example of the case where the twist deformation occurs. As shown in FIGS. 19 (a) and 19 (b), if the tilt angle of the upper and lower end surfaces of the liquid crystal layer of interest is 0 °, the twist angle is 0 ° or 180 °. Regardless, spray deformation does not occur. However, if the tilt angle is not 0 degree, the torsional deformation and the spray deformation are related to each other. If the tilt angle is the same sign on the upper and lower end surfaces of the liquid crystal layer, the spray deformation increases as the twist angle increases as shown in FIGS. 19 (c) and 19 (d). If the tilt angle is opposite in the upper and lower end surfaces of the liquid crystal layer, spray deformation decreases as the twist angle increases as shown in FIGS. 19 (e) and 19 (f).
以上をもとに、連結部端ドメイン内部のチルト角と電極に近接する液晶層界面のプレチルト角の関係について図20に示したように考察した。図20には、上下端面のチルト角がそれぞれ正と負の場合の4通りの組み合わせと、チルト角がいずれも0度の場合について記載してある。この場合、注目する液晶層の上下端面は、それぞれフリンジ電界の最も強い部分と、電極に近接する液晶界面になる。特に、後者のチルト角はプレチルト角に相当する。電圧印加時には液晶層に捩れ変形とスプレー変形が同時に生じるが、通常k11はk22より2倍以上大きいので、急峻なスプレー変形を緩和するように捩れ角に変化が生じる。この時の捩れ角の変化の仕方は、プレチルト角の符号によって異なる。図20(c)に示した上下端面のチルト角が0度の場合を基準にすると、連結部端ドメイン内部のチルト角とプレチルト角が同符号の場合は、図20(a)、(e)に示したようにスプレー変形を緩和するために捩れ角が増大する。逆符号の場合には、図20(b)、(d)に示したように捩れ角が減少する。 Based on the above, the relationship between the tilt angle inside the coupling end domain and the pretilt angle at the liquid crystal layer interface close to the electrode was considered as shown in FIG. FIG. 20 shows four combinations in which the tilt angles of the upper and lower end surfaces are positive and negative, respectively, and a case in which both tilt angles are 0 degrees. In this case, the upper and lower end surfaces of the liquid crystal layer of interest are the portions where the fringe electric field is strongest and the liquid crystal interface close to the electrodes. In particular, the latter tilt angle corresponds to a pretilt angle. Twist and spray deformation occur simultaneously in the liquid crystal layer when a voltage is applied, but normally k11 is more than twice as large as k22, so that the twist angle changes to alleviate steep spray deformation. The method of changing the twist angle at this time varies depending on the sign of the pretilt angle. Based on the case where the tilt angle of the upper and lower end surfaces shown in FIG. 20 (c) is 0 degree, when the tilt angle and the pretilt angle inside the connecting portion end domain are the same sign, FIG. 20 (a), (e) As shown in FIG. 5, the twist angle increases to alleviate the spray deformation. In the case of the reverse sign, the twist angle decreases as shown in FIGS. 20 (b) and 20 (d).
更に、液晶層の配向方向は連続体のように変化するため、捩れ角の大きさに応じて連結部端ドメインの大きさが変化する。前述のようにドメイン内部の捩れ配向は逆捩れのため、周囲の正常な液晶配向との間に配向変化のない部分が形成される。この部分が暗線になり連結部端ドメインとして観察されるが、連結部端ドメイン内部の逆捩れ角が大きいほど配向変化のない部分が正常配向側に押しやられるので、その結果連結部端ドメインが拡大する。前述のようにドメインの分布は横に倒したU字型であるが、連結部端ドメインが拡大するとU字の直線部分が伸長する。逆捩れ角が小さいと、U字の直線部分が短縮するようにして連結部端ドメインが縮小する。 Furthermore, since the alignment direction of the liquid crystal layer changes like a continuum, the size of the connecting portion end domain changes according to the magnitude of the twist angle. As described above, the twisted orientation inside the domain is counter-twisted, so that a portion having no orientation change is formed with the surrounding normal liquid crystal orientation. This part becomes a dark line and is observed as a connecting part end domain, but as the reverse twist angle inside the connecting part end domain increases, the part without orientation change is pushed to the normal orientation side, and as a result, the connecting part end domain expands. To do. As described above, the distribution of the domain is a U-shape that lies sideways, but when the end domain of the connecting portion expands, the straight portion of the U-shape expands. When the reverse twist angle is small, the connecting portion end domain is reduced so that the straight line portion of the U-shape is shortened.
連結部端ドメインが右側にある場合と左側にある場合について、プレチルト角による連結部端ドメインの大きさの変化を図21にまとめて示した。図21中の符号は、フリンジ電界の最も強い部分におけるチルト角の符号である。連結部端ドメイン内にはチルト角が正の部分と負の部分があるが、両者の面積が同じならば伸長と収縮の効果が相殺して連結部端ドメインの大きさはプレチルト角に寄らず変化しない。しかし、実際には透過率向上のため、電極幅よりもスリット幅を広く設定する。この内の一方はプレチルト角の符号と逆符号になって伸長し、他方は順符号になって縮小するが、連結部端ドメイン全体の大きさはおよそ両者の足し合わせになる。そのため、連結部端ドメインの全体の大きさは優勢なプレチルト角成分により決定される。 FIG. 21 collectively shows changes in the size of the connecting portion end domain depending on the pretilt angle when the connecting portion end domain is on the right side and on the left side. The sign in FIG. 21 is the sign of the tilt angle at the strongest part of the fringe electric field. There are a positive part and a negative part in the connecting part end domain, but if the area of both is the same, the effect of expansion and contraction cancels and the size of the connecting part end domain does not depend on the pretilt angle. It does not change. However, in practice, the slit width is set wider than the electrode width in order to improve the transmittance. One of them expands with a sign opposite to the sign of the pretilt angle, and the other contracts with a sign of the forward tilt, but the total size of the connecting end domain is approximately the sum of the two. Therefore, the overall size of the connecting portion end domain is determined by the dominant pretilt angle component.
ポリイミド系配向膜をラビング工程で配向処理した場合、液晶層にプレチルト角が付与されるが、一方で黒表示時の視角特性向上にはプレチルト角の低減が有効である。両者を勘案してプレチルト角を1.5度に設定したが、このような比較的小さいプレチルト角でも、その符号の順逆によりドメインの大きさが変化する。また、プレチルト角の絶対値がドメインの大きさに与える変化は少ないので、ドメイン制御のためにはフリンジ電界の最も強い部分におけるチルト角と、プレチルト角の符号の順逆に着目すべきである。 When a polyimide-based alignment film is subjected to an alignment process in a rubbing process, a pretilt angle is imparted to the liquid crystal layer. On the other hand, a reduction in the pretilt angle is effective for improving viewing angle characteristics during black display. Considering both, the pretilt angle was set to 1.5 degrees, but even with such a relatively small pretilt angle, the size of the domain changes depending on the order of the signs. In addition, since the absolute value of the pretilt angle has little change on the domain size, attention should be paid to the order of the tilt angle in the strongest part of the fringe electric field and the sign of the pretilt angle for domain control.
連結部が右側にある場合は、連結部端ドメインにおいてチルト角が正の部分が優勢になるので、プレチルト角が正になるようにラビング条件を設定すれば、図21(b)に示したように連結部端ドメインが縮小する。連結部が左側にある場合は、チルト角が負の部分が優勢になるので、プレチルト角が負になるようにラビング条件を設定すれば、図21(e)に示したように連結部端ドメインが縮小する。 When the connecting portion is on the right side, the portion where the tilt angle is positive in the connecting portion end domain is dominant, so if the rubbing condition is set so that the pretilt angle becomes positive, as shown in FIG. The connecting end domain is reduced. When the connecting part is on the left side, the part with the negative tilt angle is dominant, so if the rubbing condition is set so that the pretilt angle becomes negative, the end part domain of the connecting part as shown in FIG. Shrinks.
連結部端ドメインは、高電圧の印加や外部からの圧力で短時間残像の原因になる。即ち、これらの刺激により画素端部ドメインが拡大して画素の中央部まで伸長する。刺激を除いた後に伸長したドメインが元の大きさに戻るのに時間を有するので、短時間の残像となる。上記のようなプレチルト角の設定による連結部端ドメインの抑制は、これらのドメインが関係した残像の防止にも有効である。 The connection end domain causes a short-time afterimage due to application of a high voltage or external pressure. That is, the pixel end domain is expanded by these stimuli and extends to the center of the pixel. Since it takes time for the extended domain to return to its original size after removal of the stimulus, it becomes a short afterimage. The suppression of the connecting portion end domains by setting the pretilt angle as described above is also effective in preventing afterimages related to these domains.
尚、プレチルト角の符号は、暗表示時の視角特性より評価可能である。第一の偏光板と第二の偏光板は法線方向から観察して吸収軸が直交するように配置している。ところがこれを斜め方向から観察すると、T.Ishinabe、T.Miyashita、T.Uchda、Y.Fujimuraによる非特許文献Asia Display/IDW‘01 Proceedings 485頁〜488頁に記載されているように、二枚の偏光板の直交関係が変化するため透過率が増大する。特に、偏光板の吸収軸に対して45度を成す方位角方向において、極角を増大して観察した場合の透過率増大が顕著である。即ち、暗表示透過率の視角特性において、高透過率と低透過率の領域が方位角にして90度周期で分布する。IPS方式液晶表示装置の暗表示時視角特性のプレチルト角依存性を図22に示す。図22において斜体字は極角を示し、正体字は方位角を示す。プレチルト角が0度であると図22(c)に示したように暗表示時の視角特性は対称になるが、プレチルト角が0度でないと図22(a)、(b)に示したように非対称になる。この時、透過率がより大きくなる方向がプレチルト角が立上る方向である。図22では液晶層がホモジニアス配向でかつ水平方向を液晶配向方向としており、図22(a)、(b)はそれぞれプレチルト角が正の場合と負の場合である。暗表示時における視角方向での透過率を低減するため、前記非特許文献にあるように偏光板と液晶表示パネルの間に位相板を積層する場合があるが、この時にも図22に示した透過率分布の傾向は保たれる。 The sign of the pretilt angle can be evaluated from the viewing angle characteristics during dark display. The first polarizing plate and the second polarizing plate are arranged so that the absorption axes are orthogonal to each other when observed from the normal direction. However, when this is observed from an oblique direction, as described in T.Ishinabe, T.Miyashita, T.Uchda, Y. Fujimura, non-patent literature Asia Display / IDW'01 Proceedings pages 485-488, two sheets Since the orthogonal relationship of the polarizing plates changes, the transmittance increases. In particular, in the azimuth angle direction that forms 45 degrees with respect to the absorption axis of the polarizing plate, the increase in transmittance when the polar angle is observed is remarkable. That is, in the viewing angle characteristic of the dark display transmittance, the high transmittance region and the low transmittance region are distributed at 90 degree intervals as azimuth angles. FIG. 22 shows the pretilt angle dependency of the viewing angle characteristics during dark display of the IPS liquid crystal display device. In FIG. 22, italic letters indicate polar angles and true letters indicate azimuth angles. When the pretilt angle is 0 degree, the viewing angle characteristics during dark display are symmetric as shown in FIG. 22 (c), but when the pretilt angle is not 0 degree, as shown in FIGS. 22 (a) and (b). Becomes asymmetric. At this time, the direction in which the transmittance becomes larger is the direction in which the pretilt angle rises. In FIG. 22, the liquid crystal layer is homogeneously aligned and the horizontal direction is the liquid crystal alignment direction, and FIGS. 22 (a) and 22 (b) are cases where the pretilt angle is positive and negative, respectively. In order to reduce the transmittance in the viewing angle direction during dark display, a phase plate may be laminated between the polarizing plate and the liquid crystal display panel as described in the non-patent document. The trend of transmittance distribution is maintained.
以上の考察をもとに、図4に示した連結部が片側のみにある電極構造のIPS-Pro方式液晶表示装置を作成し、画素電極に近接する液晶層のプレチルト角を櫛歯先端から根元に向かって立上るように設定した。本実施形態の場合に連結部は右側なので、プレチルト角が正になるようにラビング条件を設定した。以上の施策により画素両端のドメインを抑制し、画素両端に連結部を有する画素構造のIPS-Pro方式液晶表示装置に比較して5%以上の透過率向上を実現した。これと同時に、ドメインが関係した残像現象を防止することができた。 Based on the above considerations, we created an IPS-Pro liquid crystal display device with an electrode structure in which the connecting portion shown in FIG. 4 is only on one side, and set the pretilt angle of the liquid crystal layer adjacent to the pixel electrode from the tip of the comb teeth. It was set to stand up toward. In the case of this embodiment, since the connecting portion is on the right side, the rubbing conditions are set so that the pretilt angle becomes positive. Through the above measures, the domain at both ends of the pixel is suppressed, and the transmittance is improved by 5% or more compared to the IPS-Pro liquid crystal display device with a pixel structure that has a connecting part at both ends of the pixel. At the same time, the afterimage phenomenon related to the domain could be prevented.
一方、櫛歯電極先端部のドメインについには、櫛歯の先端部分にドメイン抑制構造を導入して低減を試みた。ドメイン抑制構造は斜めスリット構造と三角構造があり、これらのドメイン抑制構造を備えた画素電極の例をそれぞれ図23、24に示す。何れも櫛歯方向が画素長辺に平行な例と、櫛歯方向が画素短辺に概略平行な例を示してある。 On the other hand, for the domain at the tip of the comb tooth electrode, an attempt was made to reduce it by introducing a domain suppression structure at the tip of the comb tooth. Domain suppression structures include an oblique slit structure and a triangular structure, and examples of pixel electrodes having these domain suppression structures are shown in FIGS. 23 and 24, respectively. In both examples, the comb tooth direction is parallel to the long pixel side, and the comb tooth direction is substantially parallel to the short pixel side.
ドメイン抑制構造によるドメイン抑制効果を図25に説明する。図25(a)はドメイン抑制構造のない場合であり、図25(b)は斜めスリット構造、図25(c)は三角構造である。何れも櫛歯先端部分でかつスリット部に面した部分を中心に拡大してあり、加工時に生じる鋭角の消失を考慮してある。電界方向と配向方向の表記は図13、14と同じであり、円で囲んだ部分E、Gにおいて逆捩れ配向の原因になるフリンジ電界が存在する。 The domain suppression effect by the domain suppression structure is illustrated in FIG. FIG. 25 (a) shows a case without a domain suppression structure, FIG. 25 (b) shows an oblique slit structure, and FIG. 25 (c) shows a triangular structure. Both are enlarged centering on the tip of the comb tooth and the portion facing the slit portion, and the disappearance of the acute angle that occurs during processing is taken into consideration. The notation of the electric field direction and the orientation direction is the same as in FIGS. 13 and 14, and there is a fringe electric field that causes reverse twisted orientation in the circled portions E and G.
E、Gのうち櫛歯電極部により近いのはEであり、Eに起因する逆捩れ配向が成長すればドメインになる。正常配向を与えるフリンジ電界でかつEに最も近接するのがFであり、図25(b)の斜めスリット構造では図25(a)に比較してFがEにより近接していることがわかる。同様にして、図25(b)の三角構造でも図25(a)に比較してFがEにより近接している。これによりEはFからの配向規制力をより強く受けるため、逆捩れ配向の成長が抑制される。 Of E and G, E is closer to the comb electrode portion, and becomes a domain when the reverse twisted orientation caused by E grows. It is understood that F is the fringe electric field that gives normal orientation and is closest to E, and F is closer to E in the oblique slit structure of FIG. 25 (b) compared to FIG. 25 (a). Similarly, in the triangular structure of FIG. 25 (b), F is closer to E compared to FIG. 25 (a). As a result, E is more strongly subject to the orientation regulating force from F, so that the growth of reverse twisted orientation is suppressed.
連結部側にドメイン抑制構造を配置すれば、連結部側ドメインも抑制できる。しかし、櫛歯電極の先端に加えて連結部側にもドメイン抑制構造を配置すると、透過率がスリット構造並みに低下して透過率向上の目的を達成できなくなる。即ち、斜めスリット構造では電圧無印加時の液晶配向方向とフリンジ電界の成す角が小さいため、電圧印加時における液晶配向の回転角が減少して透過率が低下する。従って、櫛歯構造の連結部側にはドメイン抑制構造を導入せず、プレチルト角の設定により連結部端ドメインを抑制した。 If a domain suppression structure is arrange | positioned at the connection part side, a connection part side domain can also be suppressed. However, if the domain suppression structure is arranged on the coupling part side in addition to the tip of the comb-tooth electrode, the transmittance is reduced to the same level as the slit structure, and the purpose of improving the transmittance cannot be achieved. That is, in the oblique slit structure, since the angle formed by the liquid crystal alignment direction when no voltage is applied and the fringe electric field is small, the rotation angle of the liquid crystal alignment when the voltage is applied is reduced and the transmittance is decreased. Therefore, the domain suppressing structure was not introduced on the connecting part side of the comb-tooth structure, and the connecting part end domain was suppressed by setting the pretilt angle.
以上の画素電極形状と液晶層チルト角の関係をまとめると、図1に示したようになる。図1の液晶層チルト角は図21(b)に相当し、即ち連結部が片側のみにある電極構造において、プレチルト角は画素電極の櫛歯先端から根元に向かって立上るように設定すれば、連結部端ドメインを抑制できる。連結部端と先端部端のドメインを抑制したことにより、本実施形態では実施形態1よりも更に透過率を向上することができた。また、ドメイン抑制構造の導入は、連結部端や先端部端のドメインに起因する短時間の残像現象の抑制にも有効である。 The relationship between the pixel electrode shape and the liquid crystal layer tilt angle is summarized as shown in FIG. The liquid crystal layer tilt angle in FIG. 1 corresponds to FIG. 21B, that is, in the electrode structure in which the connecting portion is only on one side, the pretilt angle should be set so as to rise from the tip of the comb teeth of the pixel electrode toward the root. , Can suppress the linking end domain. By suppressing the domain at the end of the connecting portion and the end of the distal end, the transmittance can be further improved in the present embodiment than in the first embodiment. The introduction of the domain suppression structure is also effective in suppressing the short-time afterimage phenomenon caused by the domain at the end of the connecting portion or the end of the distal end.
実施形態3
本実施形態では液晶材料のパラメータの最適化により、IPS-Pro方式液晶表示装置の櫛歯電極部の透過率向上を試みた。前述の様に電圧印加時のIPS-Pro方式液晶表示装置の配向変化は捩れ配向であるため、弾性定数の中でも配向変化に関与するのは捩れ弾性定数k22である。k22を低減すれば液晶層の配向変化が容易になり、B-V特性が低電圧側にシフトする。しかしこの時、Δεを一定としてk22を低減すればB-V特性のシフトに伴いTmaxも低下するので、十分な透過率向上が得られない。
In the present embodiment, an attempt was made to improve the transmittance of the comb electrode portion of the IPS-Pro liquid crystal display device by optimizing the parameters of the liquid crystal material. As described above, since the orientation change of the IPS-Pro liquid crystal display device when a voltage is applied is a twisted orientation, the torsional elastic constant k22 is involved in the orientation change among the elastic constants. If k22 is reduced, the orientation of the liquid crystal layer can be easily changed, and the BV characteristics shift to the low voltage side. However, at this time, if Δ22 is kept constant and k22 is reduced, Tmax also decreases with the shift of the BV characteristic, so that a sufficient improvement in transmittance cannot be obtained.
実施形態1で述べたように、電極幅比を0.4近傍に設定すると画素内におけるフリンジ電界の分布が最も均一になる。しかし、この場合でもフリンジ電界の分布が完全に均一になったわけではなく、櫛歯電極とスリットの境界部においてより密で、櫛歯電極中央とスリット中央において疎である傾向に変わりはない。k22を低減したことによりフリンジ電界の密な部分ではより配向変化しやすくなるが、密な部分おける配向変化が疎な部分に伝播しにくくなり、疎な部分おける配向変化は小さくなる。その結果、櫛歯電極とスリットの境界部の透過率は増大するものの、櫛歯電極中央とスリット中央の透過率が減少するので、櫛歯電極部全体の透過率は向上しない。 As described in the first embodiment, when the electrode width ratio is set in the vicinity of 0.4, the distribution of the fringe electric field in the pixel becomes the most uniform. However, even in this case, the distribution of the fringe electric field is not completely uniform, and there is no change in the tendency that the fringe electric field is denser at the boundary between the comb electrode and the slit and sparse at the comb electrode center and the slit center. By reducing k22, it becomes easier to change the orientation in the dense part of the fringe electric field, but the orientation change in the dense part becomes difficult to propagate to the sparse part, and the orientation change in the sparse part becomes small. As a result, although the transmittance at the boundary between the comb electrode and the slit is increased, the transmittance at the center of the comb electrode and the center of the slit is decreased, so that the transmittance of the entire comb electrode portion is not improved.
k22低減時に画素全体の透過率を向上するためには、Δε低減が有効である。即ち、液晶層に配向変化を生じさせる力が弱まることにより、画素内の電界分布がより均一になる高電圧側において大きな捩れ変形が生じるようになるからである。これより、B-V曲線を一定の形状に保ちながら透過率を増大すべきであり、電圧印加時にIPS方式の透過率が変化し始めるしきい値電圧をVthとすると、B-V曲線はVthによって特徴付けられる。M.Oh-e、M.Ohta、S.Aratani、K.Kondoによる非特許文献ASIA DISPLAY‘95 577頁〜580頁によれば、Vthは以下の式で表される。
[数1]
Vth=π{k22/(ε0Δε)}/d・・・(1)
In order to improve the transmittance of the entire pixel when k22 is reduced, Δε reduction is effective. That is, since the force that causes the alignment change in the liquid crystal layer is weakened, a large torsional deformation occurs on the high voltage side where the electric field distribution in the pixel becomes more uniform. From this, the transmittance should be increased while keeping the BV curve in a certain shape, and if the threshold voltage at which the transmittance of the IPS system starts changing when voltage is applied is Vth, the BV curve is characterized by Vth . According to non-patent literature ASIA DISPLAY '95 pages 577-580 by M.Oh-e, M.Ohta, S.Aratani, K.Kondo, Vth is represented by the following equation.
[Equation 1]
Vth = π {k22 / (ε 0 Δε)} / d (1)
ここでε0、dはそれぞれ平均誘電率、液晶層厚である。このうち平均誘電率は室温を含む広範な温度範囲でネマチック相を示し、かつ高い抵抗値を示す液晶材料ではほぼ一定である。また、充分な応答特性と透過率を両立するため液晶層厚もほぼ一定値とする。そのため、k22とΔεを最適化して櫛歯電極部の透過率を向上するには、k22/Δεを一定範囲内に保つことが有効な指針になる。 Here, ε 0 and d are an average dielectric constant and a liquid crystal layer thickness, respectively. Among these, the average dielectric constant is substantially constant in a liquid crystal material that exhibits a nematic phase in a wide temperature range including room temperature and exhibits a high resistance value. In addition, the liquid crystal layer thickness is set to a substantially constant value in order to achieve both sufficient response characteristics and transmittance. Therefore, in order to optimize k22 and Δε to improve the transmittance of the comb electrode portion, it is an effective guideline to keep k22 / Δε within a certain range.
k22が4.5pN、5.0pN、5.5pNの場合について、印加電圧4.5Vでの透過率のΔε依存性を計算した結果を図26に示す。図26において透過率は標準条件に於ける値で規格化しており、標準条件のk22とΔεはそれぞれ6.5pNと6.5とした。k22=4.5pN、5.0pN、5.5pNにおいて最大透過率を与えるΔεはそれぞれ4.5、5.5、6.5であり、これよりk22/Δεを求めると1.0pN、0.91pN、1.0pNとなる。このように、最大透過率を与える条件をk22/Δεで表すと0.91pNから1.0pNのごく狭い範囲内に収まる。 FIG. 26 shows the result of calculating the Δε dependency of the transmittance at an applied voltage of 4.5 V when k22 is 4.5 pN, 5.0 pN, and 5.5 pN. In FIG. 26, the transmittance is normalized by the value under the standard condition, and k22 and Δε in the standard condition are 6.5 pN and 6.5, respectively. Δε giving the maximum transmittance at k22 = 4.5 pN, 5.0 pN, and 5.5 pN are 4.5, 5.5, and 6.5, respectively, and when k22 / Δε is obtained from these, 1.0 pN, 0.91 pN, and 1.0 pN are obtained. Thus, when the condition for giving the maximum transmittance is expressed by k22 / Δε, it falls within a very narrow range of 0.91 pN to 1.0 pN.
いずれのk22においても透過率はΔεと共に急激に変化しており、最大値と標準条件の透過率の中間を半値とし、これより半値幅を求める。k22が4.5pNの場合にはΔεが3.2以上8.6以下、k22が5.0pNの場合には3.8以上8.4以下、k22が5.5pNの場合には4.2以上8.2以下が半値幅である。これより半値以上の高透過率を与えるk22/Δεの値を求めると、k22が4.5pNの場合は0.52pN以上1.41pN以下であり、k22が5.0pNの場合は0.60pN以上1.31pN以下であり、k22が5.5pNの場合は0.67pN以上1.31pN以下であった。何れのk22においても高透過率を与えるk22/Δεはほぼ同じ範囲内にあり、3つの計算結果をまとめると0.52以上1.41以下となる。 In any k22, the transmittance changes rapidly with Δε, and the half value is obtained from the half value between the maximum value and the transmittance of the standard condition. When k22 is 4.5 pN, Δε is 3.2 or more and 8.6 or less, when k22 is 5.0 pN, 3.8 or more and 8.4 or less, and when k22 is 5.5 pN, the half width is 4.2 or more and 8.2 or less. From this, the value of k22 / Δε that gives a high transmittance of half or more is 0.52pN or more and 1.41pN or less when k22 is 4.5pN, and 0.60pN or more and 1.31pN or less when k22 is 5.0pN. When k22 was 5.5 pN, it was 0.67 pN or more and 1.31 pN or less. In any k22, k22 / Δε giving a high transmittance is in substantially the same range, and the total of the three calculation results is 0.52 or more and 1.41 or less.
以上のように、液晶材料のk22/Δεを0.52pN以上1.41pN以下の範囲に設定することにより、IPS-Pro方式液晶表示装置において主要な櫛歯電極部の透過率を向上することができる。 As described above, by setting k22 / Δε of the liquid crystal material in the range of 0.52 pN or more and 1.41 pN or less, the transmittance of the main comb electrode portion in the IPS-Pro liquid crystal display device can be improved.
実施形態4
IPS-Pro方式液晶表示装置の表示特性の中で応答特性も重要であり、透過率向上の際に応答特性を維持できればより好ましい。多くの場合IPS-Pro方式液晶表示装置の一画素内において櫛歯電極部の影響が主であり、応答時間についてもこれが当てはまるため、櫛歯電極部の応答時間に注目する。電圧印加時において液晶層は捩れ配向状態となり、その配向変形に寄与する弾性定数は捩れ弾性定数k22である。そのため、電圧Vを印加した際、電圧Vを除去した際の配向変化に要する応答時間をそれぞれTon、Toffとすると、それぞれ以下の式で表される。
Response characteristics are also important among the display characteristics of an IPS-Pro liquid crystal display device, and it is more preferable if the response characteristics can be maintained when the transmittance is improved. In many cases, the influence of the comb electrode portion is mainly in one pixel of the IPS-Pro liquid crystal display device, and this also applies to the response time. Therefore, attention is paid to the response time of the comb electrode portion. When a voltage is applied, the liquid crystal layer is in a twisted alignment state, and an elastic constant contributing to the alignment deformation is a torsional elastic constant k22. Therefore, when the voltage V is applied and the response times required for the orientation change when the voltage V is removed are Ton and Toff, respectively, they are expressed by the following equations, respectively.
[数2]
Ton=4πηd2/(ε0ΔεV2-4π3k22)・・・(2)
Toff=ηd2/π2k22 ・・・(3)
[Equation 2]
Ton = 4πηd 2 / (ε 0 ΔεV 2 -4π 3 k22) (2)
Toff = ηd 2 / π 2 k22 (3)
ここで、ηは粘性定数である。液晶層及び液晶材料のパラメータのうち、Ton、Toffの両方に寄与するのはη、d
、k22であり、このうちηは室温を含む広範な温度範囲でネマチック相を示し、かつ高い抵抗値を示す液晶材料で、Δnが0.08から0.12の範囲にある場合にはほぼ一定値を取る。また、dは液晶層のパラメータであるが、液晶材料の物性値であるΔnと組み合わせて一定値をとる。即ち、透過率向上にはΔndを増大すべきであるが、中間調の色相変化を抑制するにはこれを低減すべきで、これらを両立するためにΔndは380nm近傍の値にしなければならない。以上より、応答特性維持のための指標を液晶材料の物性値で表せば、k22Δn2が得られる。k22低減により透過率増大を図る際に応答特性を維持するには、k22Δn2を一定値に保つべきである。
Here, η is a viscosity constant. Of the parameters of the liquid crystal layer and the liquid crystal material, η and d contribute to both Ton and Toff.
K22, of which η is a liquid crystal material exhibiting a nematic phase in a wide temperature range including room temperature and having a high resistance value, and takes a substantially constant value when Δn is in the range of 0.08 to 0.12. D is a parameter of the liquid crystal layer, and takes a constant value in combination with Δn which is a physical property value of the liquid crystal material. That is, Δnd should be increased to improve the transmittance, but should be reduced to suppress halftone hue change. In order to achieve both, Δnd must be set to a value in the vicinity of 380 nm. From the above, k22Δn 2 can be obtained by expressing the index for maintaining the response characteristics by the physical property value of the liquid crystal material. In order to maintain response characteristics when increasing transmittance by reducing k22, k22Δn 2 should be kept constant.
Δε、k22、Δnを変えて透過率と応答時間を計算した結果を図27に示す。Δεは4.5、5.5、6.5、k22は4.5pN、5.5pN、6.5pN、Δnは0.10、0.11、0.12、0.13とした。また、透過率と応答時間は標準条件において得られた値で規格化している。応答時間は図27の右側ほど短くなるようにプロットしており、標準条件より右上側の領域において透過率と応答時間の向上が同時に得られる。標準条件においてk22は6.5pNであり、これを5.5pN、4.5pNと低減するほど透過率が向上する。この時、これと同時にΔnを0.11、0.12と増大すれば、応答時間をほぼ一定に保つことが出来る。k22を6.5pN、5.5pN、4.5pN、Δnを.10、0.11、0.12と変えた時の透過率と応答時間の変化を図26中に矢印て示した。矢印はほぼ垂直方向を向いていることから、この時応答時間をほぼ一定に保ちながら透過率が増大していることが分かる。 FIG. 27 shows the results of calculating the transmittance and response time while changing Δε, k22, and Δn. Δε was 4.5, 5.5, 6.5, k22 was 4.5 pN, 5.5 pN, 6.5 pN, and Δn was 0.10, 0.11, 0.12, 0.13. Also, the transmittance and response time are normalized with values obtained under standard conditions. The response time is plotted so as to be shorter toward the right side of FIG. 27, and the transmittance and response time can be improved at the same time in the upper right region from the standard condition. Under standard conditions, k22 is 6.5 pN, and the transmittance increases as this is reduced to 5.5 pN and 4.5 pN. At this time, if Δn is increased to 0.11 and 0.12 at the same time, the response time can be kept substantially constant. Changes in transmittance and response time when k22 is changed to 6.5 pN, 5.5 pN, 4.5 pN, and Δn is changed to .10, 0.11, and 0.12 are indicated by arrows in FIG. Since the arrow points substantially vertically, it can be seen that the transmittance increases while keeping the response time substantially constant.
標準条件においてk22Δn2は0.065pNであり、k22=5.5pN、Δn=0.11では0.067pNであり、k22=4.5pN、Δn=0.12では0.065pNである。標準条件並びにこれとほぼ同じ応答時間を与える何れの場合においても、k22Δn2はほぼ同じ値になる。以上のように、k22Δn2を0.065pNにしながら透過率を増大することにより、応答時間をほぼ一定に保つことができる。更には、k22Δn2を0.065pN以上にすれば、応答時間を低減しながら透過率を向上できる。 Under standard conditions, k22Δn 2 is 0.065 pN, k22 = 5.5 pN, Δn = 0.11 is 0.067 pN, and k22 = 4.5 pN, Δn = 0.12 is 0.065 pN. In any case where the standard condition and almost the same response time are given, k22Δn 2 is almost the same value. As described above, the response time can be kept substantially constant by increasing the transmittance while setting k22Δn 2 to 0.065 pN. Furthermore, if k22Δn 2 is 0.065 pN or more, the transmittance can be improved while the response time is reduced.
以上の結果は、Δndを一定に保ちながらdを低減した際に、透過率が変化しないことによって得られる。実施形態1で述べたように、IPS-Pro方式液晶表示装置の電圧印加時の配向状態は捩れ配向モデルで表されるが、このことは液晶層はその第二の基板端に局在化したフリンジ電界で駆動されていることを示している。最もフリンジ電界の強い部分と第一の基板端の間では捩れ配向が形成され、dを多少低減しても第一の配向膜の配向規制力はフリンジ電界の最も強い部分に於ける液晶層の回転角にほとんど影響を与えない。Δndを一定に保ちながらΔnを0.10から0.12に増大した場合、dの低減は0.87倍程度である。
The above results are obtained by the fact that the transmittance does not change when d is reduced while keeping Δnd constant. As described in
また、Δnを0.12よりも大きくすると粘性定数が増大するので、応答時間が増大する。従って、ここで求めた応答時間をほぼ一定に保つk22Δn2の値である0.065pNは、Δnが0.12以下の場合に有効である。Δnが0.12以上の場合に応答時間を保持しながら透過率を向上するにはk22Δn2η/η0が有効な指標であり、ここでη0はΔnが0.12以下の標準条件における粘性定数である。 Also, if Δn is greater than 0.12, the viscosity constant increases, and the response time increases. Therefore, 0.065 pN, which is the value of k22Δn 2 that keeps the response time obtained here substantially constant, is effective when Δn is 0.12 or less. K22Δn 2 η / η 0 is an effective index for improving the transmittance while maintaining the response time when Δn is 0.12 or more, where η 0 is a viscosity constant under standard conditions where Δn is 0.12 or less. .
実施形態5
本実施形態では実施形態2に引き続き、連結部端ドメイン低減によるIPS-Pro方式液晶表示装置の透過率向上を試みた。実施形態2では液晶層の配向状態と電極構造の最適化を行ったが、本実施形態では液晶物性の最適化による連結部端ドメイン低減を試みた。
In the present embodiment, following the second embodiment, an attempt was made to improve the transmittance of the IPS-Pro liquid crystal display device by reducing the connecting end domain. In the second embodiment, the alignment state of the liquid crystal layer and the electrode structure were optimized. In this embodiment, an attempt was made to reduce the end domain of the connecting portion by optimizing the liquid crystal properties.
前述の様にフリンジ電界が最も強いのは第二の基板近傍の液晶層である。そのため、第二の基板に近接し、かつ界面に平行な面内における液晶層の配向状態に着目した。連結部端ドメインが発生した際の配向分布を図17(c)、(d)に模式的に示す。ドメイン内の捩れ方向は、その周囲の正常配向部とは逆であり、画素端に平行な方向でこれを観察すると、逆配向部と正常配向部が繰り返し分布している。逆配向部と正常配向部の間は暗線として観察されるドメインであり、配向変化がほとんど生じていない。ドメインを中心にしてその上の部分と下の部分の液晶配向方向を観察すれば、両者は互いに逆向きに傾いている。これより、逆配向部と正常配向部の間にはスプレー変形が生じていることがわかる。 As described above, the liquid crystal layer near the second substrate has the strongest fringe electric field. Therefore, attention was paid to the alignment state of the liquid crystal layer in a plane close to the second substrate and parallel to the interface. FIGS. 17 (c) and 17 (d) schematically show the orientation distribution when the connection end domain is generated. The torsional direction in the domain is opposite to the surrounding normal alignment portion. When this is observed in a direction parallel to the pixel end, the reverse alignment portion and the normal alignment portion are repeatedly distributed. Between the reverse orientation portion and the normal orientation portion is a domain observed as a dark line, and the orientation change hardly occurs. If the liquid crystal alignment directions of the upper part and the lower part of the domain are observed, they are inclined in opposite directions. From this, it can be seen that spray deformation occurs between the reverse orientation portion and the normal orientation portion.
逆配向部と正常配向部の繰り返しの周期は、電極幅とスリット幅の和で定義される櫛歯電極ピッチと同じである。電極幅とスリット幅はそれぞれ2μm、3μmなので、櫛歯電極ピッチは5μmである。これは液晶層厚とほぼ同じ長さであり、逆配向部と正常配向部の間で発生しているスプレー変形は、縦電界方式液晶表示装置において電圧印加時に液晶層厚方向に発生する配向変形と同じ程度の急峻性を有する。従って、連結部端ドメインは液晶材料の弾性定数の影響を受け易く、弾性定数により抑制可能である。スプレー変形に関連する弾性定数はk11なので、k11を増大すれば連結部端ドメインの出現に必要な配向エネルギーが増大し、連結部端ドメインが出現しにくくなる。 The repetition cycle of the reverse orientation portion and the normal orientation portion is the same as the comb electrode pitch defined by the sum of the electrode width and the slit width. Since the electrode width and the slit width are 2 μm and 3 μm, respectively, the comb electrode pitch is 5 μm. This is almost the same length as the liquid crystal layer thickness, and the spray deformation that occurs between the reverse alignment part and the normal alignment part is the alignment deformation that occurs in the liquid crystal layer thickness direction when a voltage is applied in the vertical electric field mode liquid crystal display device. Has the same steepness as Therefore, the coupling end domain is easily affected by the elastic constant of the liquid crystal material and can be suppressed by the elastic constant. Since the elastic constant related to spray deformation is k11, increasing k11 increases the orientation energy necessary for the appearance of the coupling end domain, making it difficult for the coupling end domain to appear.
その一方で、スプレー変形は図20、21に図示したように連結部端ドメインの内部において捩れ変形を増大、減少する作用を有し、k11を増大するほどその作用も強まるはずである。本実施形態では画素電極の平面形状を櫛歯型にして、櫛歯先端のドメインをドメイン抑制構造で抑制し、連結部端ドメインは液晶層のチルト角を櫛歯先端から根元に向けて立ち上がるように設定したことで抑制している。このようなチルト角設定は、連結部端ドメインを縮小するが、櫛歯先端のドメインは拡大するように作用する。k11を増大して行くとドメイン抑制構造は櫛歯先端のドメインを抑制しきれなくなり、櫛歯先端のドメインが成長して透過率が減少に転じる。このように、k11は増大するほど良いわけではなく、透過率向上のために最適な範囲が存在する。 On the other hand, the spray deformation has an effect of increasing or decreasing the torsional deformation inside the connecting portion end domain as shown in FIGS. 20 and 21, and the effect should be strengthened as k11 is increased. In this embodiment, the planar shape of the pixel electrode is a comb-like shape, the domain at the tip of the comb tooth is suppressed by the domain suppression structure, and the connecting portion end domain rises from the tip of the comb tooth toward the root. Suppressed by setting to. Such tilt angle setting reduces the connecting portion end domain, but acts to enlarge the comb tip end domain. As k11 increases, the domain suppression structure cannot completely suppress the comb tip domain, and the comb tip domain grows and the transmittance starts to decrease. Thus, k11 is not so good that it increases, and there is an optimum range for improving the transmittance.
k11の値を変えて、櫛歯構造の画素電極に電圧印加した時の配向状態を計算した。連結部端ドメインはk11を増大するにつれて縮小し、更には消滅した。一方、櫛歯先端部のドメインはk11の値が十分に小さい場合に大きさはほぼ一定であるが、k11の値が更に増大すると拡大してドメイン抑制構造の内側にまで分布を広げた。 The orientation state when a voltage was applied to the pixel electrode having a comb-tooth structure while changing the value of k11 was calculated. The junction end domain decreased with increasing k11 and disappeared. On the other hand, the size of the domain at the tip of the comb teeth is almost constant when the value of k11 is sufficiently small. However, when the value of k11 further increases, the domain expands to the inside of the domain suppression structure.
次に、k11の値が異なり、かつほぼ同一のB-V特性を示す液晶材料を2種類用意し、その混合比を変えてk11の値をより細かい幅で変えた。それぞれの液晶材料について印加電圧4.5Vにおける透過率を測定したところ、図28に示したような結果が得られた。k11の値が13.5pNの時に印加電圧4.5Vにおける透過率は極大になった。それ以上のk11では透過率が減少し、k11の値が15.5pNの時には10pNにおける値とほぼ同じ透過率が得られた。 Next, two types of liquid crystal materials having different k11 values and substantially the same BV characteristics were prepared, and the k11 value was changed with a finer width by changing the mixing ratio. When the transmittance at an applied voltage of 4.5 V was measured for each liquid crystal material, the results shown in FIG. 28 were obtained. When the value of k11 was 13.5 pN, the transmittance at an applied voltage of 4.5 V was maximized. When the k11 value was 15.5 pN, the transmittance was almost the same as that at 10 pN.
このようにIPS-Pro方式液晶表示装置の透過率向上のためには、k11の値に最適な範囲が存在する。現状の液晶材料のk11は10pNを前後とした範囲内にあるので、これと同等以上の透過率を得るためには、k11の値に最適な範囲は10 pN 以上、15.5 pN以下である。 Thus, in order to improve the transmittance of the IPS-Pro liquid crystal display device, there exists an optimum range for the value of k11. Since k11 of the current liquid crystal material is in a range around 10 pN, the optimum range for the value of k11 is 10 pN or more and 15.5 pN or less in order to obtain a transmittance equal to or higher than this.
実施形態6
実施形態3で述べたように、櫛歯電極部の液晶層の配向変形にはk11、k22、k33のうちk22が関与する。Δεと一定の関係を保ちながらk22を低減すれば、捩れ変形が生じ易くなるため液晶層の配向変化が増大し、透過率が向上する。また、実施形態7で述べたように現状の液晶材料に典型的な値よりもk11を増大することにより連結部端ドメインを抑制できる。
As described in the third embodiment, k22 out of k11, k22, and k33 is involved in the alignment deformation of the liquid crystal layer in the comb electrode portion. If k22 is reduced while maintaining a constant relationship with Δε, twist deformation is likely to occur, so that the change in the alignment of the liquid crystal layer increases and the transmittance is improved. Further, as described in the seventh embodiment, the coupling end domain can be suppressed by increasing k11 from a value typical of the current liquid crystal material.
櫛歯電極の方向が長方形の画素の短辺方向の場合には、一画素内の長辺に沿って櫛歯端部が多数存在する。更には、画素サイズが小さい場合には、連結部端ドメインが透過率に与える影響を無視できなくなる。以下の条件1から条件9の弾性定数と誘電率異方性の液晶材料について、櫛歯電極の長さを変ながら透過率を計算した結果を図29(a)に示す。透過率は櫛歯電極の長さと共に増大しており、このことは櫛歯端部が櫛歯電極部に比較して透過率が低いことを示している。条件1から条件9の中で条件1が標準条件であり、図29中に破線で示した。各透過率を標準条件で規格化して表すと、図31(b)のようになる。櫛歯電極の長さが概略100μm以上の領域では規格化透過率がほぼ一定になっていることから、櫛歯電極の長さが100μm以下において櫛歯電極端部の影響を無視できないことがわかる。
When the direction of the comb electrode is the short side direction of the rectangular pixel, there are many comb end portions along the long side in one pixel. Furthermore, when the pixel size is small, the influence of the coupling end domain on the transmittance cannot be ignored. FIG. 29 (a) shows the result of calculating the transmittance of the liquid crystal material having the elastic constant and dielectric anisotropy in the following
尚、条件1の弾性定数と誘電率異方性はそれぞれk11=12.9pN、k22=6.5pN、k33=16.4pN、Δε=6.5であり、条件2はk11=14.4pN、k22=6.5pN、k33=16.4pN、Δε=6.5であり、条件3はk11=15.9pN、k22=6.5pN、k33=16.4pN、Δε=6.5であり、条件4はk11=12.9pN、k22=5.2pN、k33=16.4pN、Δε=6.5であり、条件5はk11=14.4pN、k22=5.2pN、k33=16.4pN、Δε=6.5であり、条件6はk11=15.9pN、k22=5.2pN、k33=16.4pN、Δε=6.5であり、条件7はk11=12.9pN、k22=5.2pN、k33=16.4pN、Δε=5.5であり、条件8はk11=14.4pN、k22=5.2pN、k33=16.4pN、Δε=5.5であり、条件9はk11=15.9pN、k22=5.2pN、k33=16.4pN、Δε=5.5である。電極形状は櫛歯構造であり、連結部の幅は2.0μmとした。櫛歯電極幅とスリット幅はそれぞれ2.0μm、3.0μmとし、電極間絶縁膜厚は0.3μm、電極間絶縁膜の比誘電率は6.5とした。また、櫛歯電極の連結部側と先端側のそれぞれ1.5μmはBMによって遮蔽され、この部分は透過率に寄与しないものとした。
The elastic constant and dielectric anisotropy of
櫛歯電極端部の影響を無視できない場合、透過率向上には結合部側ドメインを抑制し、これと同時に捩れ配向を増大する必要がある。結合部側ドメインの抑制にはk11最適化が有効であり、捩れ配向増大にはk22/Δεが有効である。実施形態3において高透過率を与えたk22/Δεの範囲と、実施形態5において高透過率を与えたk11の範囲を同時に満足する液晶材料を用いることにより、櫛歯電極の長さが100μm以下のIPS-Pro方式液晶表示装置の透過率をより向上することができる。 When the influence of the comb electrode end cannot be ignored, it is necessary to suppress the coupling portion side domain and simultaneously increase the twisted orientation in order to improve the transmittance. K11 optimization is effective for suppressing the binding domain, and k22 / Δε is effective for increasing the twist orientation. By using a liquid crystal material that simultaneously satisfies the range of k22 / Δε giving a high transmittance in the third embodiment and the range of k11 giving a high transmittance in the fifth embodiment, the length of the comb electrode is 100 μm or less. The transmittance of the IPS-Pro liquid crystal display device can be further improved.
実施形態7
図3に示した画素電極では一画素内に電圧印加時における液晶配向の回転方向が互いに異なる二つの領域が存在しており、視角方向においてより無着色の表示が得られる。このように長方形の画素電極の内部に傾きの異なるスリットを一定の幅で形成すると、画素中央が二領域の境界部となり、液晶層に電圧印かできない無効領域が三角形状に形成される。一画素内にはコンタクトホール、TFT、走査配線などの不透明な構成要素が存在するが、この部分にこれらを配置することにより、無効領域を有効活用できる。一方、画素端部でも電極幅が広くなり、液晶層にフリンジ電界が印加されない無効領域が生じる。このような無効領域は、図30に示したように画素電界の形状を台形にすれば除くことができる。画素電界の形状を台形にしたことにより、図30では近接する画素電極の境界が鋸歯状になっているが、走査配線は画素中央にある二領域の境界部の下層を通過するので、走査配線の形状は直線である。
In the pixel electrode shown in FIG. 3, there are two regions in which the rotation direction of the liquid crystal alignment is different from each other when a voltage is applied in one pixel, and a more colorless display is obtained in the viewing angle direction. Thus, when slits having different inclinations are formed in a rectangular pixel electrode with a constant width, the center of the pixel becomes a boundary between the two regions, and an ineffective region where no voltage can be applied to the liquid crystal layer is formed in a triangular shape. There are opaque components such as contact holes, TFTs, and scanning wirings in one pixel. By disposing these components in this portion, the invalid area can be used effectively. On the other hand, the electrode width is widened at the pixel end, and an ineffective region where no fringe electric field is applied to the liquid crystal layer is generated. Such invalid areas can be removed by making the shape of the pixel electric field trapezoid as shown in FIG. Since the shape of the pixel electric field is trapezoidal, the boundary between adjacent pixel electrodes in FIG. 30 has a sawtooth shape, but the scanning wiring passes through the lower layer of the boundary between the two regions in the center of the pixel. The shape of is a straight line.
また、連結部端ドメインを抑制するためには画素電極構造を櫛歯構造にし、かつ全ての画素において連結部端を同一の側に揃える。具体的には、台形の頂辺側に連結部を配置した画素電極と、台形の底辺側に連結部を配置した画素電極を、図30に示したように交互に配置する。これにより全ての画素において連結部による無効領域を低減し、なおかつ実施形態1と同様にして連結部端ドメインを抑制できる。 Further, in order to suppress the connecting portion end domain, the pixel electrode structure is a comb-tooth structure, and the connecting portion ends are aligned on the same side in all pixels. Specifically, the pixel electrodes in which the connecting portions are arranged on the top side of the trapezoid and the pixel electrodes in which the connecting portions are arranged on the bottom side of the trapezoid are alternately arranged as shown in FIG. As a result, the invalid area due to the connecting portion is reduced in all pixels, and the connecting portion end domain can be suppressed in the same manner as in the first embodiment.
本発明の表示装置を携帯電話やデジタルカメラ等のモバイル機器のインターフェイスに用いれば、高輝度で屋外視認性に優れた画像表示が得られる。 When the display device of the present invention is used for an interface of a mobile device such as a mobile phone or a digital camera, an image display with high brightness and excellent outdoor visibility can be obtained.
CL 液晶層、PE 画素電極、AD 配向方向、RD 配向処理方向、PL1 第一の偏光板、PL2 第二の偏光板、SU1 第一の基板、SU2 第二の基板、LL 平坦化層、CF カラーフィルタ、AL1 第一の配向膜、AL2 第二の配向膜、GL 走査配線、SE ソース配線、CE 共通電極、CH コンタクトホール、BM ブラックマトリクス、PCIL 電極間絶縁膜、CEIL 共通電極絶縁膜、GIL 走査配線絶縁膜、SL 信号配線、TFT アクティブ素子、RT 逆捩れ配向部、DO 連結部端ドメイン、DL 暗線、EF 電気力線。 CL liquid crystal layer, PE pixel electrode, AD alignment direction, RD alignment processing direction, PL1 first polarizing plate, PL2 second polarizing plate, SU1 first substrate, SU2 second substrate, LL flattening layer, CF color Filter, AL1 first alignment film, AL2 second alignment film, GL scanning wiring, SE source wiring, CE common electrode, CH contact hole, BM black matrix, PCIL interelectrode insulating film, CEIL common electrode insulating film, GIL scanning Wiring insulation film, SL signal wiring, TFT active element, RT reverse twist orientation section, DO connection end domain, DL dark line, EF electric field line.
Claims (7)
櫛歯電極の幅と櫛歯電極を隔てるスリットの幅の和を櫛歯電極ピッチとすると、(櫛歯電極ピッチ×電極間絶縁膜の比誘電率/電極間絶縁膜厚)が81以上、162以下の範囲にあり、櫛歯電極ピッチは2.5μm以上、8.5μm以下の範囲にあり、(櫛歯電極幅/櫛歯電極ピッチ)が0.3以上であって0.5よりも小さい範囲にあり、
液晶層の配向は電極側の界面において櫛歯状構造の先端部から根元に向けて立ち上がるようなプレチルト角を有する液晶表示装置。 A liquid crystal panel having a liquid crystal layer sandwiched between the first substrate, the second substrate, and the first substrate; The liquid crystal panel has a plurality of independently controllable pixels, and each pixel has a pair of pixel electrodes and a common electrode on the display portion on the liquid crystal layer side of the second substrate. The pixel electrode and the common electrode are stacked via an inter-electrode insulating film, and the planar structure of the pixel electrode and the common electrode that is further away from the liquid crystal layer is a solid plane, and the liquid crystal layer of the pixel electrode and the common electrode The electrode on the side is a comb-tooth electrode having a comb-like planar structure with a connecting portion only on one side, and a liquid crystal display that drives a liquid crystal layer by applying an electric field mainly composed of parallel components in the liquid crystal surface In the device
When the sum of the width of the slit separating the width and the comb electrodes of the comb electrodes and comb electrodes pitch, (insulating film thickness between the dielectric constant / the electrode comb electrode pitch × inter-electrode insulating film) 81 or more, 162 in the range below, the comb-tooth electrode pitch 2.5μm or more is in the following range 8.5 .mu.m, Ri small range near than 0.5 a (at the comb-tooth electrode width / comb electrodes pitch) of 0.3 or more,
The liquid crystal display device has a pretilt angle in which the alignment of the liquid crystal layer rises from the tip of the comb-like structure toward the base at the electrode-side interface .
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