JP5436844B2

JP5436844B2 - キャラクタ型垂直配向液晶表示装置

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Publication number: JP5436844B2
Application number: JP2008308354A
Authority: JP
Inventors: 正俊堀井
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: JP2010134076A

Description

本発明はキャラクタ型（セグメント型とも言う）垂直配向液晶表示装置に関する。

一般に、キャラクタ型垂直配向液晶表示装置においては、電圧無印加時に液晶分子が基板に対して垂直配向しているので黒表示が非常に良好であり、また、２つの偏光板間の垂直配向液晶層の一方もしくは両方に負の光学異方性を有する光学補償板を挿入することにより、視角特性が非常に良好である（参照：特許文献１）。

また、垂直配向液晶層には、配向層に対してラビング配向、紫外線配向等を施すことによるモノドメイン配向や、電極に対してスリットを設ける、基板上に突起を設ける等の処理によるマルチドメイン配向などが提案されている。なかでもモノドメイン配向処理は、電圧印加の有無に関らず、垂直配向液晶層における配向状態が一様になるように制御できる。

さらに、垂直配向液晶層の電圧印加時の配向欠陥を防止するために、プレチルト角が付与され、電圧無印加時においても、垂直配向液晶層の液晶分子が基板に対して垂直からわずかに傾斜するようにしてある。

薄膜トランジスタ（TFT）を用いないキャラクタ型垂直配向液晶表示装置の駆動方法として、マルチプレックス駆動法がある。一般的なマルチプレックス駆動法としては最適バイアス法が用いられており、駆動波形として、フレーム内反転駆動もしくは１ライン反転駆動波形（以下、A波形とする）、フレーム反転駆動波形（以下、B波形とする）、Nライン反転駆動波形（以下、C波形とする）等がある。現在は、消費電力が最も小さいB波形が広く用いられている。
特開２００５−２３４２５４号公報

しかしながら、上述の従来のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置においては、TNモード等の水平配向液晶表示装置に比較して液晶方位角の規制力が弱いので、何らかの外部要因で液晶方位角が設定方向からずれることによりリターデーションが部分的に変化し、この結果、電圧印加時の白い領域の垂直配向液晶層の中に黒い低透過率領域が“影状” 領域として視認されることがある。また、黒い影状領域は液晶表示装置の正面（法線方向）のみならず、視角を振ったときに“ざらつき状” 領域として視認されることがある。さらに、黒い影状領域は連続性を有し、隣接する領域までに到達して“むら状” 領域として視認されることがある。これらの影状領域、ざらつき状領域あるいはむら状領域として視認される現象はいわゆる動的配向不安定（DMA、dynamic miss alignment）現象と呼ばれ、表示均一性を低下させると共に、表示パターンの欠落となるという課題がある。

上述のDMA現象の発生状態は種々の内部要因、たとえば、方位角方向の規制力に起因するプレチルト角及び液晶のフレームレスポンス現象で変化すると考えられる。

外部要因としては、２つの電極層間つまりセグメント電極層とコモン電極層との間に発生する斜め電界がある。セグメント電極層のセグメント電極のエッジとコモン電極層のコモン電極の平坦部との間、コモン電極層のコモン電極のエッジとセグメント電極層のセグメント電極の平坦部との間には、斜め電界が発生し、特に、垂直配向液晶表示装置の場合、その影響は大きい。すなわち、垂直配向液晶表示装置におけるネガ型液晶は電界の電気力線に対して垂直方向に倒れるので、上述の斜め電界の電気力線に対しても垂直方向に倒れる。この結果、液晶ダイレクタが配向処理による液晶ダイレクタと異なる方向にあるとき、その境界部で黒い影状領域として視認される。

上述の影状領域は線状ではなく広い領域となる。影状領域が広い領域となるのは、基板面内方向（方位角方向）に対して液晶分子が動き易い状態と考えられる。この液晶分子が動き易い状態とは、プレチルト角が垂直に近い90°付近で方位角方向の配向規制力（アンカリング）が弱い状態、液晶の応答性が良い状態等である。前者のプレチルト角が垂直に近い90°付近とする高プレチルト化は、高デューティ駆動を行うときに広視野角特性のためのシャープネス向上のために必要である。また、後者の液晶の応答性が良い状態とは、液晶材料が低粘度材料であるとき、液晶層の厚さが小さいとき、動作温度が高いとき等である。いずれのときも、液晶分子はマルチプレックス駆動法のパルス波形によってプレチルト角で規制される方位角方向よりも斜め電界の方位角方向に倒れ易くなり、この結果、配向処理によって設定された方位角方向と異なる方向に斜め電界が発生した場所のある地点を基点として配向処理方向からずれた液晶ダイレクタを発現してしまう。液晶分子同士は相互に配向方向を揃える力が働き、また上述のように配向処理による規制力が弱い環境であるため、上記基点からその周囲に向かい、液晶ダイレクタがずれた領域が徐々に拡大することとなり、その結果、広い領域において、液晶ダイレクタが配向処理方向からずれてしまう。

上述の影状領域の発生を防止する手法として、フレームレスポンス現象を抑制することが考えられる。すなわち、フレーム周波数を高くし、また、A波形、C波形あるいはマルチラインアドレッシング（MLA）波形を用いることにより、マルチプレックス駆動法によるパルス間隔を短くする高周波駆動法を行い、これにより、フレームレスポンス現象を抑制する。しかしながら、このような高周波駆動法は消費電力が大きくなり、かつ、電極層の抵抗成分によるクロストーク現象が大きくなるという問題が発生する。

従って、本発明の目的は、高周波駆動法を用いずにキャラクタ型垂直配向液晶表示装置のDMA現象を抑止することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係るキャラクタ型垂直配向液晶表示装置は、第１、第２の基板と、第１の基板の内側に設けられた複数のセグメント電極を構成するセグメント電極層と、第２の基板の内側に設けられた複数のコモン電極を構成するコモン電極層と、各第１、第２の基板の内側にセグメント電極層及びコモン電極層を覆うように設けられ、少なくとも一方側が配向処理されている第１、第２の垂直配向膜層と、第１、第２の基板間に設けられ、配向処理されている第１、第２の垂直配向膜層の一方側によりプレチルト角が付与されたモノドメイン型垂直配向液晶層と、第１、第２の基板間に、セグメント電極層及びコモン電極層の重複パターンで構成される表示パターンと無関係に、形成され、動的配向不安定現象を抑止するための格子状壁層とを具備するものである。

すなわち、キャラクタ型垂直配向液晶表示装置においては、表示パターンが直線及び曲線で構成される複雑な形状を有するので、電極のエッジと他の電極の平坦部との間に発生する斜め電界とプレチルトによる液晶ダイレクタとの関係はドットマトリクス型垂直配向液晶表示装置に比較して単純でなく、つまり、DMA現象が発生し易い。他方、DMA現象は液晶が流体の性質を有することに関係している。このことから、発明者はあらゆる方向の液晶の流体の伝播を格子状壁層によって制限することによりDMA現象の伝播を抑制することを考案した。

本発明によれば、格子状壁層によりDMA現象の伝播が阻止され、この結果、DMA現象を抑止できる。また、高周波駆動が不要となった分、消費電力を低減できると共にクロストークを低減できる。高温度領域のDMA現象が抑制されるため駆動条件の動作マージンを広くすることができ、消費電力を低減することが可能になる。さらに、高プレチルト化も可能となった分、シャープネス向上すなわちコントラスト向上及び広視野角特性の向上も可能となる。

図１は本発明に係るキャラクタ型垂直配向液晶表示装置のセグメント電極SEG1，SEG2，…，SEG13のレイアウト図、図２は同垂直配向液晶表示装置のコモン電極COM1，COM2，…，COM6のレイアウト図、図３は図１のセグメント電極SEG1，SEG2，…，SEG13と図２のコモン電極COM1，COM2，…，COM6との重複パターンで構成される表示パターンのレイアウト図である。

図４は本発明によって付加された格子状壁層Wを示すレイアウト図である。

図４の（Ａ）に示すように、垂直配向液晶表示装置の正面から右側を0°、上側を90°、左側を180°と反時計方向に角度を設定した場合、格子状壁層の基準角度を0°としている。しかしながら、格子状壁層Wは表示パターンとの関係を問わない。つまり、格子状壁層Wの基準角度は任意の角度でも液晶の流体の伝播の抑制効果は変わらない。尚、格子状壁層Wがバックライト導光板の部材構造に起因する出射光分布、例えば導光板のプリズムによる出射光の強弱繰返しとモアレ干渉する場合には、格子状壁層Wの基準角度をずらして干渉を防止することもできる。

また、図４の（Ｂ）に示すように、格子状壁層の基準角度を後述の偏光板（参照：図５の１１、２１）の軸角度と平行もしくは垂直とする。つまり、格子状壁層Wはその材料たとえば遮光性樹脂の屈折率を有するので、視角を振ったときに液晶の屈折率と異なる状態となる。このような状態を偏光板間に挟んで斜めから観察すると、他の部分と補償条件が異なるため光抜けとなり、従って、黒表示の透過率が高くなり、この結果、垂直配向液晶表示装置の特徴が損なわれる。たとえば、偏光板の軸角度が45°、135°と平行もしくは垂直にすると、偏光板軸方向（45°とその対角225°、135°とその対角315°の4方向）に視角を傾けてみた場合、背景の黒の状態を維持できる。これにより、表示パターン全体の視認性をよくできる。

図５は図１〜図４に示されるキャラクタ型垂直配向液晶表示装置の断面図である。

上側構造１は図１のセグメント電極SEG1，SEG2，…，SEG13を構成するセグメント電極層１４を含み、下側構造２は図２のコモン電極COM1，COM2，…，COM6を構成するコモン電極層２４及び図４の格子状壁層Wを含み、上側構造１と下側構造２との間に垂直配向液晶層３が設けられている。

上側構造１は、偏光板１１、光学補償板１２、ガラス基板１３、透明なセグメント電極層１４、絶縁層１５及び垂直配向膜層１６よりなり、同様に、下側構造２は、偏光板２１、光学補償板２２、ガラス基板２３、透明なコモン電極層２４、格子状壁層W、絶縁層２５及び垂直配向膜層２６よりなる。

偏光板１１、２１はヨウ素系材料、染料系材料等により形成され、たとえばポラテクノ製SHC-13Uを用いる。偏光板１１、２１の交差角度は90°であり、電圧印加時の位相差変化が最も大きくなるように、垂直配向液晶層３の設定液晶ダイレクタに対して+45°、-45°のクロスニコルの組合せとなっている。尚、90°を数度ずらしてもよい。垂直配向液晶層３の液晶ダイレクタは表示パターンを正面から見たときに上側（12時方向）もしくは下側（6時方向）に設定されており、これにより、左右の視角特性がほぼ同等の広視野角の表示が得られる。

光学補償板１２、１３はネガティブCプレートと呼ぶ１軸位相差板であり、面内リターデーション値ΔR=0nm、厚み方向リターデーション値ΔR_th=220nmのCプレート１枚で構成されている。尚、Cプレートの代りに、Aプレート、２軸位相差板であるBプレートでもよい。

セグメント電極層１４及びコモン電極層２４はインジウム錫酸化物（ITO）等によって形成されている。

絶縁層１５及び２５は、セグメント電極層１４とコモン電極層２４とを絶縁するためのものである。液晶セル内の異物による電極間のショートを防ぐ効果がある。

高分子垂直配向層１６、２６はポリイミド、無機膜等によって形成され、突起配向、ラビング処理、紫外線配向等によって配向制御される。たとえば、フレキソ版印刷で成膜し、その後、焼成し、ラビング処理によって89.5°あるいは89.9°のプレチルト角θ_pを付与する。この場合、下側の高分子垂直配向層２６のプレチルト角の方向は12時方向（右を0度とした場合、反時計回りの90°の位置）、上側の高分子垂直配向層１６のプレチルト角の方向は6時方向のアンチパラレル配向とする。

垂直配向液晶層３は、モノドメイン型であって、Δεが負、たとえば、Δε=-2.6、光学異方性Δn=0.20のネガ型液晶である。垂直配向液晶層３の厚さTは2.0μmである。ツイスト構造をとるためのカイラル剤を添加することもできる。

格子状壁層Wは線幅50μm及び繰返し間隔（ピッチ）435μmの格子パターンを構成し、コモン電極層２４及びガラス基板２３上に設けられている。また、格子状壁層Wの高さHは垂直配向液晶層３の厚さTの1/2つまり1μmである。尚、電極層１４、２４、絶縁層１５、２５、垂直配向膜層１６、２６の厚さは高さH、厚さTに比較して非常に小さい。

格子状壁層Wは透明性でも遮光性（ブラックマトリクス）でもよい。但し、視野角を振ったときのコントラストを維持するために遮光性の方が好ましい。たとえば、紫外線硬化型樹脂をスピンコータで1μm成膜後、仮乾燥し、格子状パターンのフォトマスクを用いた紫外線露光し、現像液で現像処理するというフォトリソグラフィによってパターン化することによって形成できる。遮光性の場合には、紫外線硬化型樹脂に黒材料としてカーボンあるいは数色の顔料を含有させる。また、格子状壁層Wはコモン電極COM1，COM2，…，COM6を構成するコモン電極層２４上に直接形成されるので、隣接するコモン電極間のショートを防止するために格子状壁層Wの材料には10⁹Ωcm以上の絶縁性が要求される。従って、カーボンを含有させる場合には、絶縁性カーボンを用いる。但し、絶縁層２５を構成する場合にはこの限りではない。尚、格子状壁層Wを遮光性樹脂で形成する場合には、線幅をできるだけ細くすることにより開口率の低下を最小限とすることが好ましい。

図５のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置をフレーム反転駆動のB波形により1/64デューティ、1/9バイアスで駆動した実験結果を図６の（Ａ）に示す。

図６の（Ａ）に示すように、プレチルト角θ_p=89.5°の場合、330Hz以下では、影状領域のDMA現象が視認されるが、他方、360Hz以上では、影状領域のDMA現象は視認できず、表示パターンの良好な透過状態を示している。

他方、図６の（Ｂ）の比較例に示すように、格子状壁層Wが存在しない従来のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置を同一条件で駆動した場合は、450Hz以下では、影状領域のDMA現象が視認されるが、他方、480Hz以上では、影状領域のDMA現象は視認できず、表示パターンの良好な透過状態を示している。

このように、格子状壁層Wが存在しない同一型の従来のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置に比較して明白にDMA現象が抑制されていることが分かる。

尚、プレチルト角θ_p=89.5°において、垂直配向液晶層３の厚さTを4μm、格子状壁層Wの高さHを2μm（=T/2）とした場合にも、同様に、DMA現象が抑制されていることが分かった。また、厚さTを4μm、格子状壁層Wの高さを1μm（=T/4）とした場合には、DMA現象を抑制する効果は見られなかった。

図６の（Ａ）に示すように、格子状壁層Wの高さHを垂直配向液晶層３の厚さTの1/2（H=T/2）としているが、図７に示すごとく、DMA現象の抑制効果の観点から、H≧T/2であることが好ましい。尚、図７においては、いずれも、プレチルト角θ_p=89.9°である。

図７の（Ａ）に示すように、格子状壁層Wの高さHを0.7μmとし、垂直配向液晶層３の厚さT（=2μm）の0.35とすると、390Hzでも、影状領域のDMA現象が視認される。つまり、DMA現象の抑制効果が図７の（Ｂ）の場合（H=T/2）に比較して小さくなる。

また、図７の（Ｃ）に示すように、格子状壁層Wの高さHを1.2μmとし、垂直配向液晶層３の厚さT（=2μm）の0.60とすると、330Hz以下では、影状領域のDMA現象が視認されるが、他方、360Hz以上では、影状領域のDMA現象は視認できない。つまり、DMA現象の抑制効果が図７の（Ｂ）の場合（H=T/2）に比較して大きくなる。

尚、DMA現象の抑制効果の観点から、格子状壁層Wの高さHの下限値はH≧T/2によって制限されるが、格子状壁層Wの高さHを垂直配向液晶層３の厚さTにすることは好ましくない。つまり、液晶を真空注入法で充填する場合にはH=Tとすると、液晶の注入時に液晶が移動できず、液晶を注入できない。従って、液晶の注入の観点から、少なくともセル厚に対して10％程度の空間（壁高さとセル厚の隙間）が必要であり、この結果、格子状壁層Wの高さHの上限値はH≦0.9Tによって制限する必要がある。一方、液晶を滴下法により充填する場合にはH=Tの条件は必ずしも無効な条件では無い。格子状壁層Wの繰返し間隔に対して滴下法による滴下間隔が充分に短い場合にはH=Tでも問題は生じない。しかし、滴下間隔が充分に短くない等の場合には滴下した液晶の平準化のために真空注入法と同等の壁高さとセル厚の隙間を必要とする。

図５のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置において、格子状壁層Wの繰返し間隔を435μmより大きくたとえば870μm、1305μm、1740μmと大きくできる。尚、繰返し間隔870μm、1305μm、1740μmは内壁間隔820μm、1255μm、1690μmにそれぞれ相当する。しかしながら、格子状壁層Wの繰返し間隔が870μm以上では、影状領域のDMA現象は視認されず、従って、表示パターンの良好な透過状態を示すのは、480Hz以上であり、図７の（Ｂ）に示す繰返し間隔435μmの場合の420Hz以上に比較してDMA抑制効果は劣る。従って、格子状壁層Wの繰返し間隔は好ましくは400μm以下である。

他方、格子状壁層Wの領域では液晶の動きがないので、オン時の透過率が低下し、つまり、開口率が低下する。従って、格子状壁層Wの繰返し間隔が小さい程、表示パターンに占める格子状壁層Wの面積が増加して開口率が低下する。開口率の低下を抑制するためには格子状壁層Wの線幅は小さい方がよいが、格子状壁層Wの形成のためのフォトリソグラフィを考慮すると、格子状壁層Wの線幅の下限値は10μm程度である。

図５において、格子状壁層Wをコモン電極層２４側に設けているが、図８に示すごとく、格子状壁層W’をセグメント電極層１４側に設けても、DMA現象の抑制効果は変わらない。

さらに、図９に示すごとく、格子状壁層Wをコモン電極層２４側に設けると共に、格子状壁層W’をセグメント電極層１４側に設けても、２つの合計高さ（=H+H’）が垂直配向液晶層３の厚さTの1/2以上であれば、DMA現象の抑制効果は変わらない。尚、格子状壁層をコモン電極層２４側とセグメント電極層１４側とに設けることにより各格子状壁層の高さを小さくできるので、格子状壁層の側面部分である高分子配向層２６、１６がラビングされない部分が減少でき、この結果、格子状壁層の表示パターン内の液晶ダイレクタへの影響を小さくできるという利点もある。また、格子状壁層をコモン電極層側及びセグメント電極層側の両方に設けた場合には、一方側の格子状壁層を透明材料、他方側の格子状壁層をブラックマトリクス材料としてもよい。

また、本発明は透過型、反射型の単純マトリクス垂直配向液晶表示装置のいずれにも適用できる。尚、反射型の場合には、偏光板の一方の外側に反射層を設け、他方の偏光板から入射／出射を行う。

本発明に係るキャラクタ型垂直配向液晶表示装置のセグメント電極を示すレイアウト図である。本発明に係るキャラクタ型垂直配向液晶表示装置のコモン電極を示すレイアウト図である。図１のセグメント電極及び図２のコモン電極の重複パターンである表示パターンを示すレイアウト図である。図１〜図３のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置に付加された格子状壁層のレイアウト図である。図１〜図４に示されるキャラクタ型垂直配向液晶表示装置の断面図である。図５のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置を駆動した実験結果を示す顕微鏡写真図である。図５のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置を駆動した実験結果を示す顕微鏡写真図である。図５の変更例を示す断面図である。図５の他の変更例を示す断面図である。

符号の説明

SEG1，SEG2，…，SEG13：セグメント電極
COM1，COM2，…，COM6：コモン電極
W，W’：格子状壁層
１：上側構造
２：下側構造
３：垂直配向液晶層
１１：偏光板
１２：光学補償板
１３：ガラス基板
１４：セグメント電極層
１５：絶縁層
１６：垂直配向膜層
２１：偏光板
２２：光学補償板
２３：ガラス基板
２４：コモン電極層
２５：絶縁層
２６：垂直配向膜層

Claims

第１、第２の基板と、
該第１の基板の内側に設けられた複数のセグメント電極を構成するセグメント電極層と、
前記第２の基板の内側に設けられた複数のコモン電極を構成するコモン電極層と、
前記各第１、第２の基板の内側に前記セグメント電極層及び前記コモン電極層を覆うように設けられ、少なくとも一方側が配向処理されている第１、第２の垂直配向膜層と、
前記第１、第２の基板間に設けられ、前記配向処理されている前記第１、第２の垂直配向膜層の一方側によりプレチルト角が付与されたモノドメイン型垂直配向液晶層と、
前記第１、第２の基板間に、前記セグメント電極層及び前記コモン電極層の重複パターンで構成される表示パターンと無関係に、形成され、動的配向不安定現象を抑止するための格子状壁層と
を具備するキャラクタ型垂直配向液晶表示装置。
前記格子状壁層が前記第２の基板側に設けられた請求項１に記載のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置。
前記格子状壁層が前記第１の基板側に設けられた請求項１に記載のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置。
前記格子状壁層の高さが前記モノドメイン型垂直配向液晶層の厚さの１／２以上である請求項２または３に記載のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置。
前記格子状壁層が前記第１、第２の基板側に対向して設けられた請求項１に記載のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置。
前記対向して設けられた格子状壁層の合計高さが前記モノドメイン型垂直配向液晶層の厚さの１／２以上である請求項５に記載のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置。
前記垂直配向液晶表示装置の正面から右側を0°、上側を90°、左側を180°と反時計方向に角度を設定した場合、前記格子状壁層のうち一方向に平行な格子状壁層の角度が0°である請求項１に記載のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置。
さらに、前記第１、第２の基板の外側に第１、第２の偏光板を具備し、
前記格子状壁層の基準角度が前記第１、第２の偏光板の軸角度と平行もしくは垂直である請求項１に記載のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置。
前記格子状壁層の繰返し間隔が70μmを超え400μm以下である請求項１に記載のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置。
前記格子状壁層の線幅が10μm以上である請求項１に記載のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置。
前記格子状壁層が紫外線硬化材料よりなる請求項１に記載のキャラクタ型垂直配向液晶表示装置。