JP5624966B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、軽量、薄型、低消費電力などの特徴を生かして、パーソナルコンピュータなどのＯＡ機器やテレビなどの表示装置として各種分野で利用されている。近年では、液晶表示装置は、携帯電話などの携帯端末機器や、カーナビゲーション装置、ゲーム機などの表示装置としても利用されている。

近年では、Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ（ＦＦＳ）モードやＩｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ（ＩＰＳ）モードの液晶表示パネルが実用化されている。このようなＦＦＳモードやＩＰＳモードの液晶表示パネルは、画素電極及び共通電極を備えたアレイ基板と、対向基板との間に液晶層を保持した構成である。近年では、低電圧駆動により低消費電力化を図った液晶表示装置が提案されている。

特開２００２−１６９１８４号公報

本実施形態の目的は、透過率を向上することが可能な液晶表示装置を提供することにある。

本実施形態によれば、
各画素に配置されたスイッチング素子と、複数の画素に亘って形成された共通電極と、前記共通電極を覆う絶縁膜と、前記スイッチング素子と電気的に接続されるとともに前記絶縁膜の上において各画素に形成され前記共通電極と向かい合うスリットが形成された画素電極と、前記画素電極を覆うとともに前記スリットの長軸に対して交差する方向に配向処理された第１配向膜と、を備えた第１基板と、前記第１配向膜と対向するとともに前記第１配向膜の配向処理方向と平行且つ逆向きに配向処理された第２配向膜を備えた第２基板と、前記第１基板の前記第１配向膜と前記第２基板の前記第２配向膜との間に保持されるとともに、７５℃の転移温度Ｔｎｉにおいて誘電率異方性Δεが＋３．３以上、＋５．３以下の材料からなる液晶層と、を備えたことを特徴とする液晶表示装置が提供される。

図１は、本実施形態の液晶表示装置を構成する液晶表示パネルの構成及び等価回路を概略的に示す図である。 図２は、図１に示した液晶表示パネルの断面構造を概略的に示す図である。 図３は、図２に示したアレイ基板における画素の構造を対向基板の側から見た概略平面図である。 図４は、液晶駆動電圧（Ｖ）に対する透過率（％）の関係の一例を示す図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態の液晶表示装置を構成する液晶表示パネルＬＰＮの構成及び等価回路を概略的に示す図である。

すなわち、液晶表示装置は、アクティブマトリクスタイプの透過型の液晶表示パネルＬＰＮを備えている。液晶表示パネルＬＰＮは、第１基板であるアレイ基板ＡＲと、アレイ基板ＡＲに対向して配置された第２基板である対向基板ＣＴと、これらのアレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとの間に保持された液晶層ＬＱと、を備えている。このような液晶表示パネルＬＰＮは、画像を表示するアクティブエリアＡＣＴを備えている。このアクティブエリアＡＣＴは、ｍ×ｎ個のマトリクス状に配置された複数の画素ＰＸによって構成されている（但し、ｍ及びｎは正の整数である）。

アレイ基板ＡＲは、アクティブエリアＡＣＴにおいて、第１方向Ｘに沿ってそれぞれ延出したｎ本のゲート配線Ｇ（Ｇ１〜Ｇｎ）及びｎ本の容量線Ｃ（Ｃ１〜Ｃｎ）、第１方向Ｘに交差する第２方向Ｙに沿ってそれぞれ延出したｍ本のソース配線Ｓ（Ｓ１〜Ｓｍ）、各画素ＰＸにおいてゲート配線Ｇ及びソース配線Ｓと電気的に接続されたスイッチング素子ＳＷ、各画素ＰＸにおいてスイッチング素子ＳＷに各々電気的に接続された画素電極ＰＥ、容量線Ｃの一部であり画素電極ＰＥと向かい合う共通電極ＣＥなどを備えている。保持容量ＣＳは、容量線Ｃと画素電極ＰＥとの間に形成される。

共通電極ＣＥは、複数の画素ＰＸに亘って共通に形成されている。画素電極ＰＥは、各画素ＰＸにおいて島状に形成されている。

各ゲート配線Ｇは、アクティブエリアＡＣＴの外側に引き出され、第１駆動回路ＧＤに接続されている。各ソース配線Ｓは、アクティブエリアＡＣＴの外側に引き出され、第２駆動回路ＳＤに接続されている。各容量線Ｃは、アクティブエリアＡＣＴの外側に引き出され、第３駆動回路ＣＤに接続されている。これらの第１駆動回路ＧＤ、第２駆動回路ＳＤ、及び、第３駆動回路ＣＤは、例えばその少なくとも一部がアレイ基板ＡＲに形成され、駆動ＩＣチップ２と接続されている。図示した例では、液晶表示パネルＬＰＮを駆動するのに必要な信号源として、駆動ＩＣチップ２は、液晶表示パネルＬＰＮのアクティブエリアＡＣＴの外側において、アレイ基板ＡＲに実装されている。

また、図示した例の液晶表示パネルＬＰＮは、ＦＦＳモードあるいはＩＰＳモードに適用可能な構成であり、アレイ基板ＡＲに画素電極ＰＥ及び共通電極ＣＥを備えている。このような構成の液晶表示パネルＬＰＮでは、画素電極ＰＥ及び共通電極ＣＥの間に形成される横電界（例えば、フリンジ電界のうちの基板の主面にほぼ平行な電界）を主に利用して液晶層ＬＱを構成する液晶分子をスイッチングする。

図２は、図１に示した液晶表示パネルＬＰＮの断面構造を概略的に示す図である。

すなわち、アレイ基板ＡＲは、ガラス基板などの光透過性を有する第１絶縁基板１０を用いて形成されている。このアレイ基板ＡＲは、第１絶縁基板１０の内面（すなわち対向基板ＣＴに対向する側）１０Ａにスイッチング素子ＳＷ、共通電極ＣＥ、画素電極ＰＥなどを備えている。

ここに示したスイッチング素子ＳＷは、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）である。このスイッチング素子ＳＷは、ポリシリコンやアモルファスシリコンによって形成された半導体層を備えている。なお、スイッチング素子ＳＷは、トップゲート型あるいはボトムゲート型のいずれであっても良い。このようなスイッチング素子ＳＷは、第１絶縁膜１１によって覆われている。

共通電極ＣＥは、第１絶縁膜１１の上に形成されている。この共通電極ＣＥは、第２絶縁膜１２によって覆われている。また、この第２絶縁膜１２は、第１絶縁膜１１の上にも配置されている。画素電極ＰＥは、第２絶縁膜１２の上に形成されている。この画素電極ＰＥは、第１絶縁膜１１及び第２絶縁膜１２を貫通するコンタクトホールを介してスイッチング素子ＳＷに接続されている。また、この画素電極ＰＥは、第２絶縁膜１２を介して共通電極ＣＥと向かい合うスリットＰＳＬを有している。これらの共通電極ＣＥ及び画素電極ＰＥは、ともに透明な導電材料、例えば、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）やインジウム・ジンク・オキサイド（ＩＺＯ）などによって形成されている。画素電極ＰＥは、第１配向膜ＡＬ１によって覆われている。この第１配向膜ＡＬ１は、水平配向性を示す材料によって形成され、アレイ基板ＡＲの液晶層ＬＱに接する面に配置されている。

一方、対向基板ＣＴは、ガラス基板などの光透過性を有する第２絶縁基板３０を用いて形成されている。この対向基板ＣＴは、第２絶縁基板３０の内面（すなわちアレイ基板ＡＲに対向する側）３０Ａに、各画素ＰＸを区画するブラックマトリクス３１、カラーフィルタ３２、オーバーコート層３３などを備えている。

ブラックマトリクス３１は、第２絶縁基板３０の内面３０Ａにおいて、アレイ基板ＡＲに設けられたゲート配線Ｇやソース配線Ｓ、さらにはスイッチング素子ＳＷなどの配線部に対向するように形成されている。

カラーフィルタ３２は、第２絶縁基板３０の内面３０Ａに形成され、ブラックマトリクス３１の上にも延在している。このカラーフィルタ３２は、互いに異なる複数の色、例えば赤色、青色、緑色といった３原色にそれぞれ着色された樹脂材料によって形成されている。赤色に着色された樹脂材料からなる赤色カラーフィルタは、赤色画素に対応して配置されている。青色に着色された樹脂材料からなる青色カラーフィルタは、青色画素に対応して配置されている。緑色に着色された樹脂材料からなる緑色カラーフィルタは、緑色画素に対応して配置されている。異なる色のカラーフィルタ３２間の境界は、ブラックマトリクス３１上に位置している。

オーバーコート層３３は、カラーフィルタ３２を覆っている。このオーバーコート層３３は、ブラックマトリクス３１やカラーフィルタ３２の表面の凹凸を平坦化する。また、オーバーコート層３３は、透明な樹脂材料によって形成されている。このようなオーバーコート層３３は、第２配向膜ＡＬ２によって覆われている。この第２配向膜ＡＬ２は、水平配向性を示す材料によって形成され、対向基板ＣＴの液晶層ＬＱに接する面に配置されている。

上述したようなアレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとは、第１配向膜ＡＬ１及び第２配向膜ＡＬ２が向かい合うように配置されている。このとき、アレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴの間には、一方の基板に形成された柱状スペーサにより、所定のセルギャップが形成される。アレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとは、セルギャップが形成された状態でシール材によって貼り合わせられている。液晶層ＬＱは、これらのアレイ基板ＡＲの第１配向膜ＡＬ１と対向基板ＣＴの第２配向膜ＡＬ２との間に形成されたセルギャップに封入された液晶分子を含む液晶組成物によって構成されている。特に、このような液晶層ＬＱは、例えば、誘電率異方性が正（ポジ型）の液晶材料によって構成されている。

このような構成の液晶表示パネルＬＰＮに対して、その背面側には、バックライトＢＬが配置される。バックライトＢＬとしては、種々の形態が適用可能であり、また、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用したものや冷陰極管（ＣＣＦＬ）を利用したものなどのいずれでも適用可能であり、詳細な構造については説明を省略する。

アレイ基板ＡＲの外面、すなわち第１絶縁基板１０の外面１０Ｂには、第１偏光板ＰＬ１を含む第１光学素子ＯＤ１が配置されている。また、対向基板ＣＴの外面、すなわち第２絶縁基板３０の外面３０Ｂには、第２偏光板ＰＬ２を含む第２光学素子ＯＤ２が配置されている。第１偏光板ＰＬ１の第１偏光軸（あるいは第１吸収軸）と第２偏光板ＰＬ２の第２偏光軸（あるいは第２吸収軸）とは、例えば、クロスニコルの位置関係にある。

図３は、図２に示したアレイ基板ＡＲにおける画素ＰＸの構造を対向基板ＣＴの側から見た概略平面図である。なお、ここでは、説明に必要な主要部のみを図示している。

ゲート配線Ｇは、第１方向Ｘに沿って延出している。このようなゲート配線Ｇは、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに沿って第１ピッチで配置されている。ソース配線Ｓは、第２方向Ｙに沿って延出している。このようなソース配線Ｓは、第１方向Ｘに沿って第１ピッチよりも小さい第２ピッチで配置されている。ゲート配線Ｇとソース配線Ｓとの交差部にはスイッチング素子が配置されているが図示を省略している。

容量線Ｃは、第１方向Ｘに沿って延在している。すなわち、容量線Ｃは、各画素ＰＸに配置されるとともにソース配線Ｓの上方に延在しており、第１方向Ｘに隣接する複数の画素ＰＸに亘って共通に形成されている。この容量線Ｃは、各画素ＰＸに対応して形成された共通電極ＣＥを含んでいる。

各画素ＰＸの画素電極ＰＥは、共通電極ＣＥの上方に配置されている。各画素電極ＰＥは、各画素ＰＸにおいて画素形状に対応した島状に形成されている。図示した例では、画素電極ＰＥは、第１方向Ｘに沿った短辺と、第２方向Ｙに沿った長辺と、を有する概略長方形状に形成されている。このような各画素電極ＰＥには、共通電極ＣＥと向かい合う複数のスリットＰＳＬが形成されている。図示した例では、スリットＰＳＬのそれぞれは、第２方向Ｙに沿って延出しており、第２方向Ｙと平行な長軸を有している。

第１配向膜ＡＬ１及び第２配向膜ＡＬ２は、基板主面と平行な面内において、互いに平行な方位に配向処理（例えば、ラビング処理や光配向処理）がなされている。第１配向膜ＡＬ１は、スリットＰＳＬに対して４５°以下の鋭角に交差する方向に沿って配向処理されている。第１配向膜ＡＬ１の配向処理方向Ｒ１は、例えば、スリットＰＳＬが延出した第２方向Ｙに対して５°〜１５°の角度をもって交差する方向である。また、第２配向膜ＡＬ２は、第１配向膜ＡＬ１の配向処理方向Ｒ１と平行な方向に沿って配向処理されている。第１配向膜ＡＬ１の配向処理方向Ｒ１と第２配向膜ＡＬ２の配向処理方向Ｒ２とは互いに逆向きである。

このような構成の液晶表示装置において、液晶層ＬＱに電圧が印加されていない状態、つまり、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に電界が形成されていない状態（ＯＦＦ時）では、液晶層ＬＱに含まれる液晶分子ＬＭは、面内において、第１配向膜ＡＬ１及び第２配向膜ＡＬ２の配向処理方向に初期配向する（液晶分子ＬＭが初期配向する方向を初期配向方向と称する）。

ＯＦＦ時には、バックライトＢＬからのバックライト光の一部は、第１偏光板ＰＬ１を透過し、液晶表示パネルＬＰＮに入射する。液晶表示パネルＬＰＮに入射した光は、第１偏光板ＰＬ１の第１吸収軸と直交する直線偏光である。このような直線偏光の偏光状態は、ＯＦＦ時の液晶表示パネルＬＰＮを通過した際にほとんど変化しない。このため、液晶表示パネルＬＰＮを透過した直線偏光は、第１偏光板ＰＬ１に対してクロスニコルの位置関係にある第２偏光板ＰＬ２によって吸収される（黒表示）。

一方、液晶層ＬＱに電圧が印加された状態、つまり、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間にフリンジ電界が形成された状態（ＯＮ時）では、液晶分子ＬＭは、面内において、初期配向方向とは異なる方位に配向する。ポジ型の液晶材料においては、液晶分子ＬＭは、電界と略平行な方向に配向する。

このようなＯＮ時には、第１偏光板ＰＬ１の第１吸収軸と直交する直線偏光は、液晶表示パネルＬＰＮに入射し、その偏光状態は、液晶層ＬＱを通過する際に液晶分子ＬＭの配向状態に応じて変化する。このため、ＯＮ時においては、液晶層ＬＱを通過した少なくとも一部の光は、第２偏光板ＰＬ２を透過する（白表示）。

次に、本実施形態における液晶層ＬＱの物性と駆動方法との関係について検討する。

まず、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に印加する液晶駆動電圧と、液晶表示パネルＬＰＮの透過率との関係について説明する。

図４は、通常使用温度での液晶駆動電圧（Ｖ）に対する透過率（％）の関係の一例を示す図である。

ここに示した例は、誘電率異方性Δεが７５℃の転移温度Ｔｎｉにおいて異なる条件の液晶材料を適用した以外は全て同一条件で構成された液晶表示パネルを用意し、通常使用温度での液晶駆動電圧に対する透過率の変化を測定したものである。用意した液晶表示パネルは以下の５種類である。すなわち、パネル１は誘電率異方性Δεが１．３の液晶材料を適用して構成されたものであり、パネル２は誘電率異方性Δεが３．３の液晶材料を適用して構成されたものであり、パネル３は誘電率異方性Δεが５．３の液晶材料を適用して構成されたものであり、パネル４は誘電率異方性Δεが７．３の液晶材料を適用して構成されたものであり、パネル５は誘電率異方性Δεが９．３の液晶材料を適用して構成されたものである。

なお、図中の透過率は、パネル５において３．５Ｖの液晶駆動電圧を印加した場合の透過率を１００％として規格化したものである。

液晶駆動電圧の最大値は、駆動回路の負荷の増大抑制、消費電力の低減、耐圧性などを考慮して５Ｖ以下に設定される。液晶駆動電圧の最大値を５Ｖに設定した場合、パネル２及びパネル３では、液晶駆動電圧の上昇に伴って透過率が単調増加し、最大値付近の液晶駆動電圧を印加した際に、透過率が最大となる。このとき、パネル２及びパネル３で得られる最大の透過率は、パネル５において３．５Ｖの液晶駆動電圧を印加したときの透過率に対して約１０％向上する。一方で、パネル１については、液晶駆動電圧の上昇に伴って透過率が単調増加するものの、得られる最大の透過率は、パネル５において３．５Ｖの液晶駆動電圧を印加したときの透過率を約１０％下回る。また、パネル４及びパネル５については、５Ｖよりも低い液晶駆動電圧を印加した際に最大の透過率が得られるが、得られる最大の透過率は、パネル２及びパネル３で得られる最大の透過率よりも低い。

上記の結果から、液晶層ＬＱを構成する液晶材料として、７５℃の転移温度Ｔｎｉにおける誘電率異方性Δεが＋３．３以上、＋５．３以下の材料を適用したパネルにおいて、高い透過率を得られることが確認された。特に、液晶駆動電圧の最大値が５Ｖ以下の条件化では、誘電率異方性Δεが＋３．３以上、＋５．３以下の材料を適用したパネルにおいて、最も高い透過率を得られることが確認された。

ところで、このように低い正の誘電率異方性Δεを有する液晶材料を適用することでパネル透過率を改善できることは、以下の知見により見出した。すなわち、誘電率異方性Δεが高い液晶材料は、電界に対して比較的感度が高いため、比較的低い液晶駆動電圧を印加した際に最大の透過率が得られる。このため、誘電率異方性Δεの小さい液晶材料を適用したパネルほど、最大の透過率が得られる液晶駆動電圧が高くなる傾向があり、この傾向は上記の測定結果から読み取ることができる。また、誘電率異方性Δεが高い液晶材料は、電界に対して比較的感度が高いため、基板主面にほぼ平行に初期配向している液晶分子が電圧印加時に基板主面に対して起き上がってしまい、液晶層ＬＱの実質的なリタデーションΔｎ・ｄ（但し、Δｎは液晶材料の屈折率異方性であり、ｄは液晶層を保持しているセルギャップに相当する）が低下してしまう。このため、誘電率異方性Δεの大きい液晶材料を適用したパネルほど、得られる最大の透過率が低くなる傾向があり、この傾向は上記の測定結果から読み取ることができる。これらの知見に基づき、本実施形態においては、誘電率異方性Δεが＋３．３以上、＋５．３以下の材料を適用して液晶表示パネルを構成するものである。

一方で、誘電率異方性Δεの小さい液晶材料を適用したことにより、各画素に表示すべき階調を変化させた際の応答速度を向上することが可能となる。すなわち、誘電率異方性Δεの小さい液晶材料ほど粘性率γ１（ｍＰａ・ｓ）が低くなる傾向があり、また、転移温度Ｔｎｉの低い液晶材料ほど粘性率γ１（ｍＰａ・ｓ）が低くなる傾向がある。液晶材料の低粘性化を図ることにより、液晶駆動電圧の大小にかかわらず、応答速度を向上することが可能となる。

一例として、転移温度Ｔｎｉが７５℃において誘電率異方性Δεが３．３である液晶材料においては、粘性率γ１は４８ｍＰａ・ｓであった。このような条件の液晶材料を適用した液晶表示パネルは図４のパネル２に相当し、液晶駆動電圧の最大値を５Ｖに設定して駆動したところ、上記のように高い透過率が得られ、しかも、ネガ型の液晶材料を適用した場合よりも応答速度を高速化できることが確認された。

以上説明したように、本実施形態によれば、透過率を向上することが可能な液晶表示装置を提供することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

ＬＰＮ…液晶表示パネル ＡＲ…アレイ基板 ＣＴ…対向基板
ＰＥ…画素電極 ＰＳＬ…スリット
ＣＥ…共通電極
ＬＱ…液晶層

Claims (3)

1. 各画素に配置されたスイッチング素子と、複数の画素に亘って形成された共通電極と、
   前記共通電極を覆う絶縁膜と、前記スイッチング素子と電気的に接続されるとともに前記絶縁膜の上において各画素に形成され前記共通電極と向かい合うスリットが形成された画素電極と、前記画素電極を覆うとともに前記スリットの長軸に対して交差する方向に配向処理された第１配向膜と、を備えた第１基板と、
   前記第１配向膜と対向するとともに前記第１配向膜の配向処理方向と平行且つ逆向きに配向処理された第２配向膜を備えた第２基板と、
   前記第１基板の前記第１配向膜と前記第２基板の前記第２配向膜との間に保持されるとともに、７５℃の転移温度において誘電率異方性が＋３．３以上、＋５．３以下の材料からなる液晶層と、
   を備え、
   前記画素電極と前記共通電極との間に印加する液晶駆動電圧の最大値は５Ｖ以下であることを特徴とする液晶表示装置。
2. 最大値付近の液晶駆動電圧を印加した際に、透過率が最大となる請求項１に記載の液晶表示装置。
3. さらに、前記第１基板の外面に配置された第１偏光板及び第２基板の外面に配置された第２偏光板を備え、前記第１偏光板の第１偏光軸と前記第２偏光板の第２偏光軸とが直交することを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示装置。

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