JP5555779B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関するものである。特に、１つの画素内に複数のドメインが形成された液晶表示装置に関する。

従来から各種の液晶表示装置が提案されており、特に近年は、視野角の拡大、ディスクリネーションの抑制、焼きつきの低減などを図った各種の液晶表示装置が提案されている。視野角の拡大のためには、１つの画素内に複数のドメインを形成するＭＶＡ（Muitidomain Vertical Alignment）方式が提案されている。

たとえば、特開２００７−２４９２４３号公報（特許文献１）には、ＭＶＡ方式の液晶表示装置の一例が記載されている。特許文献１に記載されたＭＶＡ方式の液晶表示装置は、一対の基板と、１つの画素内に形成された複数のドメインと、各ドメインにおける液晶分子の傾く方向を規制するドメイン規制手段とを備える。特許文献１では、ドメイン規制手段として、基板の表面に形成された突起や窪みと、基板に設けられたフィッシュボーン形状の電極とが挙げられている。

このようなドメイン規制手段を設けることで、電圧印加時における各ドメインでの液晶分子の傾斜方向を各々異ならせている。このように、各ドメインにおける液晶分子の傾斜方向を異ならせることで、視野角の向上が図られている。

特開２００８−１９７６９１号公報（特許文献２）に記載された液晶表示装置は、１つの画素内に形成されたドメインと、液晶層に接する部分に設けられた垂直配向膜とを備えている。垂直配向膜には、斜め方向から紫外線（ＵＶ：Ultra Violet光）を照射することによって配向処理が施されている。紫外線の照射方向を位置によって異ならせることで複数のドメインを形成している。この液晶表示装置は、電圧印加時に、各ドメインの配向規制方位に向けて液晶分子が配向するように突起状の構造物を備える。

特開２００７−２４９２４３号公報 特開２００８−１９７６９１号公報

電圧印加時に液晶分子が配向する方位が異なったものとなる複数のドメインを備えた液晶表示装置においては、画素の外形線の一部に暗線が生じる。

そこで、本発明は、複数のドメインを備えた液晶表示装置であって、画素の外形線の一部に暗線が生じる現象が抑制された液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく液晶表示装置は、複数の画素を含む表示領域を有し、少なくとも上記表示領域に延在する液晶層と、上記液晶層を挟み込むように互いに貼り合わせられた第１および第２の基板と、上記第１，第２の基板を挟み込むように配置された一対の偏光板とを備える液晶表示装置であって、上記第１の基板には、上記複数の画素の各々に対応して画素電極が設けられ、上記第２の基板には、上記画素電極と対向するように対向電極が設けられ、上記画素電極の上記液晶層側の表面には第１配向膜が配置され、上記対向電極の上記液晶層側の表面には第２配向膜が配置され、上記画素は、上記第１および第２配向膜の配向方位の組合せがそれぞれ異なった状態となっている複数のドメインを含み、上記画素電極は、外形辺の少なくとも一部に沿って、上記外形辺の近傍にスリット群を有する。

本発明によれば、画素の外形線の一部に暗線が生じる現象を抑制することができる。

画素電極の平面図である。 ＴＦＴ基板上での露光設定の説明図である。 ＣＦ基板上での露光設定の説明図である。 ＴＦＴ基板上の液晶分子の姿勢を観察する様子の説明図である。 液晶分子のチルト方位を表す記号である。 ＴＦＴ基板上に設定された配向方位の説明図である。 ＣＦ基板上に設定された配向方位の説明図である。 ＴＦＴ基板とＣＦ基板とを張り合わせたものに生じる複数のドメインの説明図である。 ＴＦＴ基板とＣＦ基板とを張り合わせたものにおける液晶分子の姿勢を観察する様子の説明図である。 各ドメイン内における厚み方向の中央での液晶分子のチルト方位を示す説明図である。 各ドメイン内における厚み方向の中央での液晶分子のチルト方位を示すとともに、画素電極の外形線近傍にある液晶分子が斜め電界によって傾く様子を示した説明図である。 １つの画素の内部に暗線が生じる様子の説明図である。 １つの画素の内部での液晶分子を示す記号と暗線のシミュレーション結果とを重ねた図である。 本発明に基づく実施の形態１における液晶表示装置の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態１における液晶表示装置の部分断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における液晶表示装置の部分拡大平面図である。 画素とドメインとの平面的位置関係に関する説明図である。 １つの画素を取り出したところの平面図である。 図１８のＺ１部における暗線発生のシミュレーション結果である。 スリット群がない場合の同じ部位における暗線発生のシミュレーション結果である。 スリット群ありの場合となしの場合との透過率のグラフである。 液晶分子の姿勢とドメイン辺との関係を示す説明図である。 画素電極のライン部およびスペース部の説明図である。 スリット角およびスリット深さの定義の説明図である。 スリットなしの場合のシミュレーション結果の画像である。 本発明に基づく実施の形態２において、スリット角を４５°としたときのシミュレーション結果の画像である。 本発明に基づく実施の形態２において、スリット角を９０°としたときのシミュレーション結果の画像である。 本発明に基づく実施の形態２において、スリット角を変化させた場合の透過率のグラフである。 本発明に基づく実施の形態３において、スリット深さを１２μｍとしたときのシミュレーション結果の画像である。 本発明に基づく実施の形態３において、スリット深さを１６μｍとしたときのシミュレーション結果の画像である。 本発明に基づく実施の形態３において、スリット深さを２０μｍとしたときのシミュレーション結果の画像である。 本発明に基づく実施の形態３において、スリット深さを変化させた場合の透過率のグラフである。

上述のような暗線が生じる理由についてまず説明する。
複数のドメインを有する液晶表示装置においては、各ドメインごとに液晶分子の姿勢が定まる。液晶層を挟む基板はＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板とＣＦ（Color Filter）基板と呼ぶものとする。ＴＦＴ基板の側には、図１に示す形状の画素電極があるものとする。各ドメインは、ＴＦＴ基板とＣＦ基板とのそれぞれに配向膜を有し、これらの配向膜には異なる配向方位が設定されている。各ドメインの内部にある液晶分子のうちＴＦＴ基板とＣＦ基板との各配向膜の近傍にあるものは、当該配向膜が有する配向方位に従って傾く。

なお、液晶分子の長手方向が基板面となす角度は「チルト角」と呼ぶものとする。基板に垂直な方向から見たときの液晶分子が傾いている方位を「チルト方位」と呼ぶものとする。画素電極に電圧を印加しない状態でのチルト角、チルト方位をそれぞれプレチルト角、プレチルト方位と呼ぶものとする。

液晶層の厚み方向に沿って配向膜からの距離が遠くなるにつれて液晶分子の姿勢が配向膜の影響を受ける度合いは減る。特にＴＦＴ基板の配向膜が有する配向方位とＣＦ基板の配向膜が有する配向方位が異なる場合は、液晶分子のチルト方位は厚み方向に沿って変化することとなる。液晶層の厚み方向の中央においては、液晶分子は、ＴＦＴ基板の配向膜によって定まるチルト方位とＣＦ基板の配向膜によって定まるチルト方位との平均に相当するチルト方位に傾く。

一方、画素の外形線の近傍においては画素電極の端が生じさせる斜め電界の影響により、液晶分子は画素の外形線に対して垂直かつ外形線の内側向きの方位に傾こうとする。

各画素内における液晶分子のチルト方位の定まり方の一例について、より詳しく説明する。各画素においては、図１に示す形状の画素電極がＴＦＴ基板側に設けられているものとする。実際には基板上には多数の画素が配列されているが、以下、１つの画素内での様子に注目して説明する。この例では、ＴＦＴ基板上では、図２に示すように、各画素が左右に２つの領域に分割され、各領域ごとに設定された方向で配向膜の露光が行なわれるものとする。ＣＦ基板上では、図３に示すように各画素が上下に２つの領域に分割され、各領域ごとに設定された方向で配向膜の露光が行なわれるものとする。図２、図３における矢印は露光時の光の照射方向を示す。

以下、液晶分子の傾きを記号化して示す。たとえば基板上面において図４に矢印で示すように左向きに配向方位が設定され、かつ、液晶分子が傾いている場合、この液晶分子を基板の上方から見たものと仮定すれば図４における液晶分子の左端が観察者にとっては近くに見えるので、その端を楕円形の頭で表示する。図４における液晶分子の右端は観察者にとって遠くに見えるので、尖った尻尾で表示する。その結果、図４に対応する液晶分子の様子は図５のようにオタマジャクシ（tadpole）形状で表示される。液晶分子のチルト方位はオタマジャクシ形状の頭の向きによって把握することができる。

配向膜に対して一定の傾いた方向から露光することによって配向膜は一定の配向方位を獲得する。配向方位は露光方向と逆向きとなる。図２に示すようにＴＦＴ基板に露光した結果、ＴＦＴ基板の表面の配向膜においては、図６に示すような配向方位となる。図３に示すようにＣＦ基板に露光した結果、ＣＦ基板の表面の配向膜においては、図７に示すような配向方位となる。図６、図７における矢印は設定された配向方位を意味し、配向膜が配向膜近傍の液晶分子を当該方位に傾かせる性質を有することを意味する。

図６に示したＴＦＴ基板に対して、図７に示したＣＦ基板を左右反転させるように裏返して配向膜が内側になるように上側から被せ、ＴＦＴ基板とＣＦ基板との間に液晶層を保持したものと想定する。こうして、図８に示すように１つの画素内に４つのドメインが形成される。図８において上下方向の矢印として表示されている矢印はＴＦＴ基板の上面に形成された配向膜が有する配向方位である。図８において左右方向の矢印として表示されている矢印はＣＦ基板の下面に形成された配向膜が有する配向方位である。ＣＦ基板の下面の配向膜によって傾く液晶分子は図９に示すように、観察者からはＣＦ基板を透過するようにして観察されることとなる。液晶分子のＣＦ基板側の端が観察者から近い端となるので、この端がオタマジャクシ形状の頭として表示される。

図８においては、各ドメインの内部に液晶分子を示すオタマジャクシ形状が２つずつ重なって表示されているが、紙面手前側のオタマジャクシ形状がＣＦ基板の近傍の液晶分子のチルト方位を表す。紙面奥側のオタマジャクシ形状がＴＦＴ基板の近傍の液晶分子のチルト方位を表す。各ドメイン内においては、ＴＦＴ基板の近傍の液晶分子に現れるチルト方位とＣＦ基板の近傍の液晶分子に現れるチルト方位とは９０°をなして交差している。

液晶層の厚み方向の中央においては、図８に表示された２つのチルト方位を合成した向きに液晶分子が傾くこととなるので、各ドメイン内における厚み方向の中央での液晶分子のチルト方位は図１０に示すようになる。電圧を印加したときには、ＴＦＴ基板に設けられた画素電極の外形線近傍においては斜め電界が発生し、図１１に示すようになる。すなわち、画素電極の外形線近傍にある液晶分子は斜め電界の影響により外形線に垂直な側に傾こうとする。図１１では画素電極の外形線上に液晶分子の傾きを表示している。

図１１に示される各ドメインの外形線のうち画素の外形線と兼ねる辺を「ドメイン辺」と呼ぶものとする。１つの画素の中には８本のドメイン辺を想定することができる。画素の１つの辺はそれぞれ２つのドメイン辺からなる。液晶分子の記号の頭同士が向き合っているドメイン辺においては、液晶分子の向きが乱れ、暗線となる。また、ドメイン同士が隣接する箇所においても、液晶分子のチルト角は９０°異なることとなるので暗線が生じる。結果的に、図１２に示すようにドメイン同士の境界と、画素の外形線上の４つのドメイン辺とにおいて暗線が生じる。１つの画素の全体としては鉤十字（swastika）の形状に暗線が現れる。

液晶分子を示す記号と暗線のシミュレーション結果とを重ねたところを図１３に示す。図１３において破線の楕円で囲まれた区間において暗線が生じている。

発明者らは鋭意努力の結果、上述のような原理で生じている暗線の発生を抑制するために本発明をなしとげた。

（実施の形態１）
図１４〜図１７を参照して、本発明に基づく実施の形態１における液晶表示装置について説明する。図１４に示すように、本実施の形態における液晶表示装置１は、複数の画素３を含む表示領域２を有する。図１５に示すように、液晶表示装置１は、少なくとも表示領域２に延在する液晶層４と、液晶層４を挟み込むように互いに貼り合わせられた第１および第２の基板としてのＴＦＴ基板５およびＣＦ基板６と、前記第１，第２の基板を挟み込むように配置された一対の偏光板７ａ，７ｂとを備える。前記第１の基板としてのＴＦＴ基板５には、複数の画素３の各々に対応して画素電極８が設けられている。前記第２の基板としてのＣＦ基板６には、画素電極８と対向するように対向電極９が設けられている。画素電極８の液晶層４側の表面には第１配向膜１１が配置されている。対向電極９の液晶層４側の表面には第２配向膜１２が配置されている。図１５では、説明の便宜のため、ＴＦＴ、配線、コンタクトホールなどの構造物を図示省略している。図１６に示すように、画素３は、第１および第２配向膜１１，１２の配向方位の組合せがそれぞれ異なった状態となっている複数のドメイン１３を含む。画素電極８は、外形辺の少なくとも一部に沿って、前記外形辺の近傍にスリット群１４を有する。スリット群１４は複数のスリット１５の集合である。

ここで、画素３とドメイン１３との平面的位置関係を説明するために、図１７を参照する。ＴＦＴ基板５の表面には、画素３に対応するサイズの電極として画素電極８が配置されている。画素３は平面的に見た幾何学的領域の概念であり、画素電極８は画素３をほぼ被覆するように配置される電極としての部材を意味するものとする。ここでは、１つの画素３は縦長の長方形であるものとして説明をするが、これはあくまで例示であり、理論上は画素は他の形状であってもよい。本実施の形態では、画素３の内部には４つのドメイン１３が含まれている。ドメイン同士の間では、第１および第２配向膜１１，１２の配向方位の組合せがそれぞれ異なっている。言い換えれば、１つの画素３の内部の複数のドメインの中から任意の２つのドメインを選択してドメイン同士を比較すると、第１および第２配向膜１１，１２の配向方位の組合せが一致しない。図１６、図１７に示した例では１つの画素３の中に４つのドメインがあり、配向方位の組合せがドメインごとに異なるので、１つの画素の中に配向方位の組合せが４通り存在するといえる。

ここでは、１つの画素３の内部に４つのドメインが形成されている例を示したが、１つの画素の内部に設けられるドメインの数は４より大きくても小さくてもよい。

本実施の形態における液晶表示装置では、画素電極８の外形辺の少なくとも一部に沿って、前記外形辺の近傍にスリット群１４を有するので、暗線が抑えられる。図１８に示すＺ１部における暗線発生のシミュレーション結果を図１９に示す。スリット群１４がない場合の同じ部位における暗線発生のシミュレーション結果を図２０に示す。図１９、図２０において、白抜き矢印は、第１基板としてのＴＦＴ基板５の表面に設けられた配向膜すなわち第１配向膜１１の配向方位を示し、黒い矢印は、第２基板としてのＣＦ基板６の表面に設けられた配向膜すなわち第２配向膜１２の配向方位を示す。なお、このシミュレーションにおいては画素電極はいわゆる全面ベタ構造、すなわち単純な長方形の板状とし、液晶分子のチルト角は８８．２°としている。実際に試作した液晶表示装置においてもシミュレーション結果と同様の結果が得られることを発明者らは確認済みである。

図１９と図２０とを比較すると、図１９では、図２０に比べて暗線の発生領域が明らかに狭くなっていることがわかる。このように、本実施の形態における液晶表示装置によれば、複数のドメインを備えた液晶表示装置において画素の外形線の一部に暗線が生じる現象を抑制することができる。

透過率をグラフにしたものを図２１に示す。図２１における横軸の「水平位置」は、画素間中線１８の位置を０とし、画素電極８の内側に向かう向き、すなわち、図１９、図２０における右側を正として位置を表している。「画素間中線」とは、画素電極８同士の間の間隙の中心線を意味する。図１９、図２０においては、画素間中線１８は一点鎖線で表示されている。図２１における縦軸の「透過率」は、各位置における光の透過率を示す。暗線となっている箇所では、透過率が低くなっている。図２１のグラフからは、本発明に従ってスリット群を設けることによって、スリット群を設けない場合に比べて暗線の幅が縮小していることがわかる。シミュレーション結果によれば、スリット群なしの場合の透過率は０．２６３であるのに対して、スリット群ありの場合の透過率は０．３０３である。スリット群ありとしたことによる改善率は１．１５である。

なお、本実施の形態においては、前記複数のドメインの外形辺のうち前記画素電極の外形辺をなすものを「ドメイン辺」と呼ぶこととしたとき、スリット群１４は、第１配向膜１１と第２配向膜１２とによって液晶層４の厚み方向中央において生じる液晶分子の前記第２基板側の端が向く側の前記ドメイン辺に設けられていることが好ましい。たとえば図２１に示すように画素３は４つのドメイン１３を含み、画素３の外形辺は８本のドメイン辺１６ａ〜１６ｈを含んでいる。第１配向膜１１と第２配向膜１２とによって液晶層４の厚み方向中央において生じる液晶分子の前記第２基板側の端は、図２２に示したように、ドメイン辺１６ａ，１６ｃ，１６ｅ，１６ｇの側を向いている。本実施の形態では、この条件を満たすようにスリット群１４が配置されている。すなわち、図１６に示すようにスリット群１４が配置されている。このようにすることで、スリット群がなければ暗線が生じるであろう箇所に、集中的にスリット群を設けることができるので、暗線の発生を効率的に抑制することができる。

本実施の形態では、図２３に示すように、スリット群１４は、画素電極８の最も近い外形辺１７に対して垂直な方向９１に延在する線状のスリット１５を最も近い外形辺１７に平行な方向９２に複数並べたものであることが好ましい。本実施の形態では、この条件を満たすようにスリット群１４が配置されている。このようにすることで、暗線の発生を効率的に抑制することができる。スリットの延在方向と暗線抑制効果との関係については実験結果とともに後述する。

図２３に示すように、スリット群のライン部すなわち画素電極が存在する部分の幅をＷＬとし、スリット群のスペース部すなわち画素電極がない部分の幅をＷＳと呼ぶこととする。暗線発生のシミュレーションはＷＬ＝４μｍ、ＷＳ＝３μｍとして行なった。

（スリットの条件に関する比較実験）
発明者らは、スリット群１４に含まれる個々のスリット１５の延在方向やサイズに関して最適な条件を探るために実験を行なった。これらの実験を実施の形態２，３として以下に説明する。

なお、図２４に示すように、画素電極８の外形辺とスリット１５とがなす角度θを「スリット角」と呼ぶものとし、画素間中線とスリットの画素間中線から遠い側の端との間の距離Ｌを「スリット深さ」と呼ぶものとする。スリットなしの場合のシミュレーション結果を比較のために図２５に示す。

（実施の形態２）
（スリット角に関する実験）
スリット深さＬを１６μｍとして、スリット角θを４５°、９０°としたときのシミュレーション結果を図２６、図２７にそれぞれ示す。このシミュレーション結果における透過率をグラフにしたものを図２８に示す。スリット角θが９０°の場合の方がスリット角θが４５°の場合に比べて暗線が細くなっていることが、シミュレーション結果の画像からもグラフからも明らかである。このような検討の結果、発明者らは、スリット深さが一定の場合は、スリット角θを９０°としたときに透過率が最大となるという結論に至った。

（実施の形態３）
（スリット深さに関する実験）
スリット角θを９０°として、スリット深さＬを１２μｍ、１６μｍ、２０μｍとしたときのシミュレーション結果を図２９、図３０、図３１にそれぞれ示す。このシミュレーション結果における透過率をグラフにしたものを図３２に示す。シミュレーション結果の画像およびグラフから、スリット深さＬ＝１２μｍでは、スリット群なしの場合を示す図２５に比較しても改善しているとはいえず、却って暗線の幅が大きくなることがわかった。スリット深さＬ＝２０μｍでは、スリット１５の長辺に沿って短い暗部が発生し、その結果、透過率が下がることがわかった。このような検討の結果、発明者らは、スリット角が一定の場合は、スリット深さＬは１６μｍとしたときに透過率が最大となるという結論に至った。

このスリット深さＬを１６μｍとしたときのスリット１５の画素電極８の端から遠い側の端の位置は、スリット群１４が設けられなかった場合に生じる暗線の画素電極８の端から遠い側の端の位置に等しい。発明者らは、検討の結果、この条件が満たされるようにスリットの長さを設定することが好ましいことを突き止めた。言い換えれば、スリット１５の画素電極８の端から遠い側の端の位置は、スリット群１４が設けられなかった場合に生じる暗線の画素電極８の端から遠い側の端の位置に等しいことが好ましい。この構成が採用されれば、暗線を効率良く抑制することができる。

なお、画素３は長方形であり、複数のドメイン１３は画素３の内部に縦２つ横２つの合計４つ配列されたドメイン１３であり、各ドメイン１３においては、各ドメイン１３の外形辺であってかつ画素３の外形辺をなす２辺のうち一方の辺に沿って前記スリット群１４が設けられていることが好ましい。このようにすることで、暗線の発生を効率的に抑制することができる。前記２辺のうち他方の辺に沿っては前記スリット群が設けられていないことが好ましい。このようにすることで、画素の外形辺のうち必要な部分のみにスリット群を設けることができるようになるので、暗線の発生を効率的に抑制することができる。

なお、上記各実施の形態では、配向膜は露光によって特定の配向方位を設定されるものとして説明したが、配向膜における配向方位の設定方法は露光以外の何らかの方法であってもよい。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明は、液晶表示装置に利用することができる。

１ 液晶表示装置、２ 表示領域、３ 画素、４ 液晶層、５ ＴＦＴ基板、６ ＣＦ基板、７ａ，７ｂ 偏光板、８ 画素電極、９ 対向電極、１１ 第１配向膜、１２ 第２配向膜、１３ ドメイン、１４ スリット群、１５ スリット、１６ａ〜１６ｈ ドメイン辺、１７ （画素電極の）外形辺、１８ 画素間中線、９１，９２ 方向。

Claims (5)

1. 複数の画素を含む表示領域を有し、
   少なくとも前記表示領域に延在する液晶層と、
   前記液晶層を挟み込むように互いに貼り合わせられた第１および第２の基板と、
   前記第１，第２の基板を挟み込むように配置された一対の偏光板とを備える液晶表示装置であって、
   前記第１の基板には、前記複数の画素の各々に対応して画素電極が設けられ、
   前記第２の基板には、前記画素電極と対向するように対向電極が設けられ、
   前記画素電極の前記液晶層側の表面には第１配向膜が配置され、
   前記対向電極の前記液晶層側の表面には第２配向膜が配置され、
   前記画素は、前記第１および第２配向膜の配向方位の組合せがそれぞれ異なった状態となっている複数のドメインを含み、
   前記画素電極は、外形辺の少なくとも一部に沿って、前記外形辺の近傍にスリット群を有し、
   前記複数のドメインの外形辺のうち前記画素電極の外形辺をなすものをドメイン辺と呼ぶこととしたとき、前記スリット群は、前記第１配向膜と前記第２配向膜とによって前記液晶層の厚み方向中央において生じる液晶分子の前記第２基板側の端が向く側の前記ドメイン辺に設けられている、液晶表示装置。
2. 前記スリット群は、前記画素電極の最も近い外形辺に対して垂直な方向に延在する線状のスリットを前記最も近い外形辺に平行な方向に複数並べたものである、請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記スリットの前記画素電極の端から遠い側の端の位置は、前記スリット群が設けられなかった場合に生じる暗線の前記画素電極の端から遠い側の端の位置に等しい、請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記画素は長方形であり、前記複数のドメインは前記画素の内部に縦２つ横２つの合計４つ配列されたドメインであり、前記各ドメインにおいては、前記各ドメインの外形辺であってかつ前記画素の外形辺をなす２辺のうち一方の辺に沿って前記スリット群が設けられている、請求項１から３のいずれかに記載の液晶表示装置。
5. 前記２辺のうち他方の辺に沿っては前記スリット群が設けられていない、請求項４に記載の液晶表示装置。