JP5864221B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、斜め電界配向制御法を用いる液晶表示装置に関する。

情報表示装置として、背景表示部や暗表示部の表示輝度の非常に低い表示装置が求められており、これを実現し得るものの１つとして垂直配向型の液晶表示装置が知られている。垂直配向型の液晶表示装置は、初期配向状態における正面観察時の光学特性がクロスニコル配置の偏光板における光学特性とほぼ同等になるため、初期配向状態における透過率を非常に低くすることが可能となる。

垂直配向型の液晶表示装置において液晶層の液晶分子を一方向に配向した場合、すなわちモノドメイン配向とした場合には、液晶層に電圧を印加して明表示とした場合に、観察者の観察方位によって明表示が最も明るく見え、最良なコントラストが得られる最良視認方位が存在する。また、明表示における最低透過率が電圧無印加領域（背景領域）や暗表示における透過率と同等かそれ以下となる、すなわち表示が反転する反視認方位も存在する。このような表示状態では正面観察時に認識される表示状態とは全く異なった表示状態となり、或いは表示自体が外観から認識できない状態となる。

これに対して、電圧印加時にも良好な視角特性を獲得するためには、液晶分子の配向方向を１つの画素内において複数の方向へ分けること（マルチドメイン配向）が有効であり、これを実現するために種々の技術が提案されている。例えば、特許第４１０７９７８号公報（特許文献１）には、セグメント表示型の液晶表示装置において、電極に複数の開口部を設けることにより液晶層内で２つの１８０°異なる方向に斜め電界を発生させ、その方向に配向制御する技術（斜め電界配向制御法）が開示されている。

ところで、先行例のような液晶表示装置では、比較的高温の環境下（例えば、液晶材料の相転移温度に近い温度）で動作させたときに、外観上許容し得ないほどの表示均一性の低下（例えば、表示のざらつき感）が表れる場合がある。これについて発明者らが検討したところ、各開口部のサイズ等の設計条件によっては液晶層内において斜め電界による配向規制力の弱い領域が生じる場合があり、高温時には液晶分子の分子運動（ゆらぎ）がより激しくなることからこの領域において配向不良を生じることがあり、それが表示均一性の低下を招く原因となることが分かった。

特許第４１０７９７８号公報

本発明に係る具体的態様は、高温環境下においても液晶表示装置における表示品位を維持し得る技術を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の液晶表示装置は、（ａ）対向配置された第１基板及び第２基板と、（ｂ）第１基板の一面上に配置された第１電極と、（ｃ）第２基板の一面上に配置された第２電極と、（ｄ）第１基板と第２基板の各一面の間に配置され、垂直配向した液晶層を含み、（ｅ）第１電極は、規則的に配置された複数の第１開口部を有し、（ｆ）第２電極は、規則的に配置された複数の第２開口部を有し、（ｇ）複数の第１開口部と複数の第２開口部の各々は、平面視において各斜辺が上辺及び下辺よりも長い等脚台形状の外縁を有しており、隣り合う第１開口部と第２開口部の各々の斜辺同士が略平行となるようにして、上辺及び下辺と略平行な第１方向に沿って交互に配置されている、ことを特徴とする液晶表示装置である。

上記の液晶表示装置によれば、特に環境温度が高くなった場合（例えば７０℃以上）においても斜め電界によって配向規制される領域における配向状態が不安定になることを抑制し、表示品位を維持することが可能となる。

上記の液晶表示装置において、複数の第１開口部及び複数の第２開口部は、例えば、各々の長手方向が第１方向と略直交する第２方向に沿うように配列される。

上記の液晶表示装置において、複数の第１開口部及び複数の第２開口部は、各々、第２方向において隣り合うものの上辺同士又は下辺同士が近接するようにして配置されていることがより好ましい。

これにより、液晶層の液晶分子の配向乱れをより抑制することが可能となる。

上記の液晶表示装置において、複数の第１開口部及び複数の第２開口部は、各々、下辺の長さが液晶層の層厚の３倍以上７．５倍以下に設定されていることがより好ましい。また、複数の第１開口部及び複数の第２開口部は、各々、上辺の長さが液晶層の層厚の２倍以上であり、かつ下辺よりも短く設定されていることがより好ましい。

これらの条件を充足することにより、上記した本発明による効果をより好適に発揮し得る。

一実施形態の液晶表示装置の部分断面図である。 上側電極およびこれに設けられた各第１開口部の構造の一例を説明するための模式的な平面図である。 下側電極およびこれに設けられた各第２開口部の構造の一例を説明するための模式的な平面図である。 各第１開口部と各第２開口部の配置状態を説明するための模式的な平面図である。 各第１開口部と各第２開口部の配置状態を説明するための模式的な平面図である。 各第１開口部と各第２開口部の配置状態を説明するための模式的な平面図である。 ポテンシャル差を説明するための図である。 シミュレーション条件を説明するための図である。 実施例の液晶表示装置におけるポテンシャルのシミュレーション結果を示す図である。 比較例の液晶表示装置におけるポテンシャルのシミュレーション結果を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態の液晶表示装置の部分断面図である。図１に示す液晶表示装置は、上側基板（第１基板）１１、下側基板（第２基板）１２、上側電極（第１電極）１３、下側電極（第２電極）１４、配向膜１５、１６、液晶層１７、上側偏光板（第１偏光板）２１、下側偏光板（第２偏光板）２２を含んで構成されている。本実施形態の液晶表示装置は、例えばセグメント型の液晶表示装置、ドットマトリクス型の液晶表示装置或いはセグメント型とドットマトリクス型の混合したタイプの液晶表示装置であり、マルチプレックス駆動されるものである。

上側基板１１および下側基板１２は、それぞれ、例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板であり、相互に対向して配置されている。上側基板１１と下側基板１２との相互間には、例えば球状スペーサーが分散して配置されている。これらのスペーサーにより、上側基板１１と下側基板１２との間隙が所定距離（例えば４μｍ程度）に保たれる。

上側電極１３は、上側基板１１の一面上に設けられている。同様に、下側電極１４は、下側基板１２の一面上に設けられている。上側電極１３および下側電極１４は、それぞれ、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。

図示のように、上側電極１４は複数の第１開口部（スリット）３１を有し、下側電極１４は複数の第２開口部３２を有する。各第１開口部３１は上側電極１３を部分的に除去することによって形成され、各第２開口部３２は下側電極１４を部分的に除去することによって形成される。これらの第１開口部３１、第２開口部３２の詳細についてはさらに後述する。

配向膜１５は、上側基板１１の一面側に上側電極１３を覆うようにして設けられている。同様に、配向膜１６は、下側基板１２の一面側に下側電極１４を覆うようにして設けられている。本実施形態においては、配向膜１５、１６としては、液晶層１７の初期状態（電圧無印加時）における配向状態を略垂直配向に規制するもの（垂直配向膜）が用いられている。

液晶層１７は、上側基板１１の一面と下側基板１２の一面の相互間に設けられている。本実施形態においては誘電率異方性Δεが負の液晶材料（ネマティック液晶材料）を用いて液晶層１７が構成されている。液晶材料のネマティック相−等方相間の相転移温度は９５℃、屈折率異方性Δｎは０．１程度である。液晶層１７に図示された太線は、電圧無印加時における液晶分子の配向方向（ダイレクタ）を模式的に示したものである。図示のように液晶層１７は、液晶分子の配向状態が初期状態（電圧無印加状態）において垂直配向しており、電圧印加により液晶分子の長軸方向が電界方向と交差するように液晶層１７の配向状態が変化する。

上側偏光板２１は、上側基板１１の外側に配置されている。また、下側偏光板２２は、下側基板１２の外側に配置されている。本実施形態においては、上側偏光板２１と下側偏光板２２は、互いの吸収軸を略直交させて配置されている。なお、必要に応じ、上側偏光板２１と上側基板１１の間と下側偏光板２２と下側基板１２の間の一方または両方に視角補償板が配置されてもよい。当該視角補償板は各偏光板と一体化されていてもよい。

図２は、上側電極およびこれに設けられた各第１開口部の構造の一例を説明するための模式的な平面図である。詳細には、図２（Ａ）は上側電極１３の一例を示す平面図であり、図２（Ｂ）はこの上側電極１３に設けられた各第１開口部３１の一部（図２（Ａ）にて符号ａで示す部分）を拡大した平面図である。図２（Ａ）に示す上側電極１３は、任意の文字や図柄（本例では２桁の数字）を表示するためのセグメント電極である。この上側電極１３には、図２（Ｂ）に示すように複数の第１開口部３１が設けられている。各第１開口部３１は、平面視において各斜辺が上辺及び下辺よりも長い等脚台形状の外縁を有しており、図示のＸ方向およびＹ方向のそれぞれに沿って規則的に配列されている。なお、これらのＸ方向およびＹ方向は、例えば液晶表示装置の表示面の左右方向および上下方向に対応している（以降も同様）。

図３は、下側電極およびこれに設けられた各第２開口部の構造の一例を説明するための模式的な平面図である。詳細には、図３（Ａ）は下側電極１４の一例を示す平面図であり、図３（Ｂ）はこの下側電極１４に設けられた各第２開口部３２の一部（図３（Ａ）にて符号ｂで示す部分）を拡大した平面図である。図３（Ａ）に示す下側電極１４は、上記したセグメント電極である上側電極１３に対応して設けられたコモン電極である。このコモン電極は上記のセグメント電極と対向配置される。下側電極１４には、図３（Ｂ）に示すように複数の第２開口部３２が設けられている。各第２開口部３２は、各第１開口部３１と同様に、平面視において各斜辺が上辺及び下辺よりも長い等脚台形状の外縁を有しており、図示のＸ方向およびＹ方向のそれぞれに沿って規則的に配列されている。

図４は、各第１開口部と各第２開口部の配置状態を説明するための模式的な平面図である。図４では、上側基板１１側から平面視した場合の各第１開口部３１と各第２開口部３２がそれぞれ部分的に示されており、各第２開口部３２については点線で示されている。図４に示すように、各第１開口部３１と各第２開口部３２は、それぞれ、上辺および下辺と略平行なＸ方向に沿って１つずつ交互に配置されている。また、Ｘ方向において隣り合う第１開口部３１と第２開口部３２は、それぞれの斜辺同士が略平行となるようにして配置されている。本例では、各斜辺はＹ方向に対して平行、直交のいずれでもない角度で配置されている。

また、図４に示すように、各第１開口部３１および各第２開口部３２は、それぞれの長手方向がＹ方向に沿うように配列されている。また、各第１開口部３１および各第２開口部３２は、各々、Ｙ方向において隣り合うものの上辺同士又は下辺同士が近接するようにして配置されている。また、本例では、各第１開口部３１および各第２開口部３２は、各々の長手方向（Ｙ方向）が上側偏光板２１と下側偏光板２２の各吸収軸（Ａ，Ｐ）に対して略４５°および略１３５°の角度をもつように配置されている。

図５は、各第１開口部と各第２開口部の配置状態を説明するための模式的な平面図である。本例においては、各第１開口部３１および各第２開口部３２は、Ｙ方向において隣り合うものの一方の上辺と他方の下辺とが近接するように配置されている。それ以外については上記した図４に示す配置状態と共通であるため、ここでは説明を省略する。各第１開口部３１および各第２配向部３２はこのような配置状態としてもよい。なお、多くの場合、図４に示した配置状態のほうが液晶分子の配向乱れをより抑制することができる。

次に、図４または図５に示した各第１開口部３１および各第２開口部３２のサイズについて好適な数値例を説明する。各第１開口部３１および各第２開口部３２について、各々の長手方向の長さＬ１は、例えば８０μｍ程度に設定される。また、各々の上辺の長さＬ２は、例えば８μｍに設定され、各々の下辺の長さＬ３は、例えば１２μｍに設定される。また、Ｙ方向において隣り合う第１開口部３１の相互間距離Ｌ４は、上記した下辺の長さＬ３以下であることが望ましく、例えば８μｍに設定される。Ｙ方向において隣り合う第２開口部３２の相互間距離についても同様である。また、Ｘ方向において隣り合う第１開口部３１と第２開口部３２の各々の斜辺の相互間距離Ｌ５は、例えば３０μｍ程度に設定される。また、各第１開口部３１と各第２開口部３２は、それぞれ下辺の長さＬ３が液晶層１７の層厚（セル厚）の３倍以上７．５倍以下に設定されていることが望ましく、さらにそれぞれの上辺の長さＬ２が液晶層１７の層厚の２倍以上かつ下辺の長さＬ３よりも短く設定されていることが望ましい。

図６は、各第１開口部と各第２開口部の配置状態を説明するための模式的な平面図である。本例においては、各第１開口部３１および各第２開口部３２がＸ方向のみならずＹ方向においても隣り合うように配置されている。このような場合では図４、図５の場合と異なり、Ｙ方向にて隣り合う第１開口部３１と第２開口部３２は必ずしも距離を持って設けられる必要はない。また、図６においては図４と同様、Ｙ方向に隣り合うものについては上辺同士、下辺同士が近接するように配置されているが、図５のように上辺と他方の下辺が近接するように置かれていてもよい。そのほかの点については図４、図５と共通である。図４、図５のような場合のほうがＹ方向での液晶分子の配向乱れは生じにくく、図６の場合のほうが同一基板上の開口部の相互間距離を長くとれ、抵抗値の上昇を抑えることができる。

次に、平面視における外縁を等脚台形状とした各第１開口部３１および各第２開口部３２を用いて斜め電界を生じさせることによる効果について説明する。

各開口部の外縁を長方形状としていた従来例では、開口率をなるべく高くするために各開口部の幅（短手方向の長さ）を極力小さく、例えば１０μｍ以下に設定していた（セル厚４μｍの場合）。しかし、このような従来例の液晶表示装置は、特に環境温度が高くなった場合（例えば７０℃以上）に斜め電界によって配向規制される領域における配向状態が不安定になり、外観上許容し得ないざらつき感として認識される場合があった。この問題への対策を検討したところ、各開口部の幅をより大きくすることが有効であることが判った。これは、各開口部の幅をより大きくすることで、開口部の外縁から開口部の内側にかけての斜め電界（ポテンシャル差）がより強くなるためである。図７は、ポテンシャル差を説明するための図である。具体的には、図７では液晶表示装置の一部構成が模式的な断面図で示されている。ここでいうポテンシャル差とは、図示のように、上側基板１１の上側電極１３に設けられた第１開口部３１の斜辺側の外縁から第１開口部３１の中央（２つの斜辺間の中点）にかけてのポテンシャル差、および、下側基板１２の下側電極１４に設けられた第２開口部３２の斜辺側の外縁から第２開口部３２の中央（２つの斜辺間の中点）にかけてのポテンシャル差をいう。このポテンシャル差は１．８Ｖ以上となることが好ましい。

しかしながら、単純に各開口部の幅を広げると上記したように開口率の低下を招き、液晶表示装置の明表示時における透過率を低下させることになる。このような問題に対して、発明者らが検討した結果、本実施形態のように等脚台形状とした各第１開口部３１および各第２開口部３２を上記した所定条件で配置することにより、開口率を低下させることなく、開口部の外縁から開口部の内側にかけての斜め電界（ポテンシャル差）をより大きくできることが判った。これは、等脚台形状の開口部と用いた場合と、この等脚台形の平均の幅と同じ幅の長方形状の開口部、つまり同じ面積を有する長方形状の開口部を用いた場合とを比較すると、前者の方がポテンシャル差を大きくできることによる。すなわち、仮に同じポテンシャル差を生じさせるのであれば、等脚台形状の開口部としたほうが下辺の長さＬ３を小さくできるので、結果として開口部の面積が小さくなり、開口率を増加させることができるからである。これについて、計算機によるシミュレーション結果の一例を以下に説明する。

図８は、シミュレーション条件を説明するための図である。具体的には、図８（Ａ）は実施例のシミュレーション条件を説明するための図であり、図８（Ｂ）は比較例のシミュレーション条件を説明するための図である。図８（Ａ）に示すように実施例の液晶表示装置については、各第１開口部および各第２開口部の長手方向の長さＬ１を８０μｍ、上辺の長さＬ２を８μｍ、下辺の長さＬ３を１２μｍ、Ｘ方向において隣り合う第１開口部と第２開口部の各々の斜辺の相互間距離Ｌ５を３０μｍに設定した。また、図８（Ｂ）に示すように比較例の液晶表示装置については、各第１開口部および各第２開口部の長手方向の長さを８０μｍ、短手方向の長さを１０μｍ、Ｘ方向において隣り合う開口部の相互間距離を３０μｍに設定した。また、実施例、比較例ともにセル厚は４μｍに設定した。

図９は、実施例の液晶表示装置におけるポテンシャルのシミュレーション結果を示す図である。図９（Ａ）は図８（Ａ）に示したＡ−Ａ’断面におけるポテンシャルを示し、図９（Ｂ）は図８（Ａ）に示したＢ−Ｂ’断面におけるポテンシャルを示し、図９（Ｃ）は図８（Ａ）に示したＣ−Ｃ’断面におけるポテンシャルを示している。また、図１０は、比較例の液晶表示装置におけるポテンシャルのシミュレーション結果を示す図である。図１０（Ａ）は図８（Ｂ）に示したＡ−Ａ’断面におけるポテンシャルを示し、図１０（Ｂ）は図８（Ｂ）に示したＢ−Ｂ’断面におけるポテンシャルを示し、図１０（Ｃ）は図８（Ｂ）に示したＣ−Ｃ’断面におけるポテンシャルを示している。いずれの図においても、縦軸はセル厚方向、横軸はＸ方向に対応している。各図から分かるように、等脚台形状の開口部を用いた実施例の液晶表示装置においては、開口部の幅によってポテンシャル分布に変化が生じる。しかし、最もポテンシャル差の小さい開口部の幅が最小の領域であっても、比較例の液晶表示装置の開口部におけるポテンシャル差と同等であり、それ以外の領域においては比較例の液晶表示装置の開口部のポテンシャル差より大きい。よって全体として、液晶表示装置では開口部における上記したポテンシャル差がより大きくなることが分かる。なお、ここではシミュレーション条件の一例とその結果を示したが、他のシミュレーション条件においても同様の結果が得られることが発明者らにより確認されている。

以上のような本実施形態の液晶表示装置によれば、特に環境温度が高くなった場合（例えば７０℃以上）においても斜め電界によって配向規制される領域における配向状態が不安定になることを抑制し、表示品位を維持することが可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した実施形態に示したセル厚等の数値条件は一例であり、適宜変更することが可能である。

１１：上側基板（第１基板）
１２：下側基板（第２基板）
１３：上側電極（第１電極）
１４：下側電極（第２電極）
１５、１６：配向膜
１７：液晶層
２１：上側偏光板
２２：下側偏光板
３１：第１開口部
３２：第２開口部

Claims (5)

1. 対向配置された第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板の一面上に配置された第１電極と、
   前記第２基板の一面上に配置された第２電極と、
   前記第１基板と前記第２基板の各一面の間に配置され、垂直配向した液晶層、
   を含み、
   前記第１電極は、規則的に配置された複数の第１開口部を有し、
   前記第２電極は、規則的に配置された複数の第２開口部を有し、
   前記複数の第１開口部と前記複数の第２開口部の各々は、平面視において各斜辺が上辺及び下辺よりも長い等脚台形状の外縁を有しており、隣り合う第１開口部と第２開口部の各々の前記斜辺同士が略平行となるようにして、前記上辺及び前記下辺と略平行な第１方向に沿って交互に配置されている、
   液晶表示装置。
2. 前記複数の第１開口部及び前記複数の第２開口部は、各々の長手方向が前記第１方向と略直交する第２方向に沿うように配列されている、請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記複数の第１開口部及び前記複数の第２開口部は、各々、前記第２方向において隣り合うものの上辺同士又は下辺同士が近接するようにして配置されている、請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記複数の第１開口部及び前記複数の第２開口部は、各々、前記下辺の長さが前記液晶層の層厚の３倍以上７．５倍以下に設定されている、請求項１〜３の何れか１項に記載の液晶表示装置。
5. 前記複数の第１開口部及び前記複数の第２開口部は、各々、前記上辺の長さが前記液晶層の層厚の２倍以上であり、かつ前記下辺よりも短く設定されている、請求項４に記載の液晶表示装置。