JP6247485B2

JP6247485B2 - 液晶表示素子

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Publication number: JP6247485B2
Application number: JP2013196380A
Authority: JP
Inventors: 重宏柳澤
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: JP2015064397A

Description

本発明は、液晶表示素子に関する。

文字、図柄等の任意形状を表示するセグメント表示型液晶表示素子においては、たとえばパターニングされた電極、及び電極面上に形成された配向膜を有する一対の基板が略平行に対向配置され、基板の電極形成面間に液晶層が挟持される。また両基板の液晶層とは反対側の面に、偏光板が配置される。基板の法線方向から見たとき、両基板の電極が重畳する領域が表示部として規定され、電極間に電圧を印加して、液晶分子の配向状態を変化させることにより、明暗表示を実現する。

明暗スイッチングは、たとえば液晶分子が基板面外方向に傾斜角度を変化させること（複屈折性の変化）で行われる。電圧無印加時の液晶分子配向状態が、均一な方位に対してプレティルト角を有する場合、液晶分子の傾斜方向が一方位に偏ることから、液晶表示素子の外観観察に視角依存性が生じる。

垂直配向型の液晶表示素子は、少なくとも一方の基板と偏光板の間に、負の一軸または負の二軸光学異方性をもつ視角補償板を配置することにより、暗表示時の広い視角特性を獲得することができる。更に、明表示時においては最良視認方位及びその直交方位に対して、良好な視角特性を有する。しかし視角補償板を用いるため、たとえばツイストネマチック型の液晶表示素子と比較したとき、コストが高い。

良好な明暗表示視角特性を実現するインプレーンスイッチング(in-plane switching; IPS)モードの液晶表示素子が知られている。ＩＰＳモードの液晶表示素子においては、たとえば一方側の基板の同一面に表示電極と対向（共通）電極とが相互に組み合う櫛歯状に配置され、両電極間に電圧を印加して、基板面内方向で液晶分子をスイッチングする（たとえば、特許文献１参照）。表示電極と対向電極とを上下基板に分けて形成することもできる（たとえば、特許文献２参照）。特許文献１記載の液晶表示装置は、表示電極と対向電極の交差部に２端子または３端子の能動素子を用いるアクティブマトリクス駆動電極構造に関する提案であり、特許文献２記載の液晶表示装置は、単純マトリクス駆動によるドットマトリクス電極構造についての提案である。ＩＰＳモードの液晶表示装置においては、基板面内方向で液晶分子のスイッチングを行うため、視角補償板がなくても広い視野角を実現し、更に、低コストで製造可能である。

アクティブマトリクス駆動においては、オン表示部には一定の電圧が印加され、オフ表示部には電圧が全く印加されない。このため液晶表示素子には、急峻特性（印加電圧に対する輝度変化の急峻性）が強くは要求されない。しかしパッシブマトリクスの時分割駆動においては、たとえばオン表示部ではコモン電極とセグメント電極の双方に選択波形の電圧が印加され、オフ表示部ではコモン電極に選択波形の電圧が、セグメント電極に非選択波形の電圧が印加される。このため、急峻特性が得られない場合、オフセグメント見え（クロストーク）が発生し、狭い視野角、低いコントラストの表示となる。したがって、時分割駆動を行う液晶表示素子においては、急峻特性が重要視される。

フリンジフィールドスイッチング(fringe field switching; FFS)モードの液晶表示素子においては、たとえば単純な画素構造であれば、液晶分子を面内スイッチングするための電極構造に、表示意匠電極と格子状電極とが用いられる。この場合、液晶分子の初期配向方位は格子状電極に対して角度を設けることが好ましいとされている（たとえば、特許文献３参照）。しかし、初期配向角度を大きくすると急峻特性が悪化するため、時分割駆動には不向きである。

特開昭５６−９１２７７号公報特開平７−７２４９１号公報特開平１０−２６７６７号公報

本発明の目的は、たとえば急峻特性に優れた、ＦＦＳモードの液晶表示素子を提供することである。

本発明の一観点によれば、１／ｎＤｕｔｙ（１≦ｎ≦４）で駆動するＦＦＳ型の液晶表示素子であって、第１基板と、前記第１基板に対向配置され、意匠表示電極を含む第１電極と、前記第１電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された、短冊状電極部を含む第２電極と、前記第２電極を覆うように、前記絶縁膜上に形成された配向膜とを備える第２基板と、前記第１基板と前記第２基板の間に配置された液晶層とを有し、前記液晶層は、厚さが３．９μｍ〜４．１μｍであり、前記第２電極の短冊状電極部の延在方位に直交する方位と前記第２基板の配向膜に施された配向処理方位のなす角が、８８°以上９０°未満であり、前記第２電極の短冊状電極部の線間が５μｍ、線幅が３μｍ以上５μｍ以下である液晶表示素子が提供される。

本発明によれば、たとえば急峻特性に優れた、ＦＦＳモードの液晶表示素子を提供することができる。

図１Ａ及び図１Ｂは、実施例による液晶表示素子を示す概略的な斜視図であり、図１Ｃは、実施例による液晶表示素子を示す概略的な断面図である。図２Ａは、実施例による液晶表示素子の表示領域を示す外観写真であり、図２Ｂは、第１電極１２ｂ_１の一部を示す概略的な平面図であり、図２Ｃは、第２電極１２ｂ_２の一部を示す概略的な平面図であり、図２Ｄは、第１電極１２ｂ_１及び第２電極１２ｂ_２を、基板１１、１２法線方向から見た概略的な平面図である。簾状電極（第２電極１２ｂ_２）を示す概略的な平面図である。図４は、シミュレーション結果を示すグラフである。図５Ａ及び図５Ｂは、セル厚ｄが３μｍ及び４μｍの場合の解析結果を示すグラフ及び表である。図６Ａ及び図６Ｂは、セル厚ｄが５μｍの場合の解析結果を示すグラフ及び表である。図７は、急峻特性のプレチルト角依存性に関するシミュレーション結果を示すグラフである。図８Ａは、電圧−透過率特性の実測結果を示すグラフであり、図８Ｂは、Ｖ９０／Ｖ１０及びＶ１０をまとめた表であり、図８Ｃは、電圧−輝度特性をシミュレートした結果を示すグラフである。図９は、実施例と比較例の電圧−透過率特性を示すグラフである。

図１Ａ及び図１Ｂは、実施例による液晶表示素子を示す概略的な斜視図であり、図１Ｃは、実施例による液晶表示素子を示す概略的な断面図である。

図１Ａ〜図１Ｃに示すように、実施例による液晶表示素子は、上側基板１１、下側基板１２、及び、両基板１１、１２間に配置された液晶層１３を含んで構成される。

上側基板１１は、透明基板１１ａ、及び、透明基板１１ａ上に形成された配向膜１１ｄを含む。

下側基板１２は、透明基板１２ａ、透明基板１２ａ上に形成された第１電極１２ｂ_１、第１電極１２ｂ_１上に形成された絶縁膜１２ｃ、絶縁膜１２ｃ上に形成された第２電極１２ｂ_２、及び、第２電極１２ｂ_２を覆うように絶縁膜１２ｃ上に形成された配向膜１２ｄを含む。

透明基板１１ａ、１２ａは、たとえばソーダライムガラス基板または白板ガラス基板である。第１電極１２ｂ_１は、たとえば文字、数字等のキャラクター表示が行われるようにパターニングされた意匠表示電極であり、第２電極１２ｂ_２は、たとえば簾状電極である。電極１２ｂ_１、１２ｂ_２は、ＩＴＯ等の透明導電材料で形成された透明電極である。電極１２ｂ_１、１２ｂ_２間は、絶縁膜１２ｃにより絶縁される。配向膜１１ｄ、１２ｄは、たとえば水平配向膜材料で形成された配向膜であり、アンチパラレルに配向処理（ラビング処理）が施されている。図１Ａ及び図１Ｂには、配向膜１１ｄ、１２ｄの配向処理方向を矢印で示した。

液晶層１３は、たとえば複屈折率Δｎの液晶材料を用いて構成される。

実施例による液晶表示素子は、更に、偏光板１４、１５を含む。偏光板１４は、上側基板１１の、液晶層１３とは反対側の面に配置され、偏光板１５は、下側基板１２の、液晶層１３とは反対側の面に配置される。偏光板１４、１５は、ＴＡＣフィルムのリタデーションがほぼ０であるゼロタック偏光板であり、クロスニコルに配置される。図１Ａ及び図１Ｂには、偏光板１４、１５の吸収軸方位を矢印で示した。

実施例による液晶表示素子は、電極１２ｂ_１、１２ｂ_２間に電圧を印加して、液晶層１３の液晶分子を基板面内方向にスイッチングし、ＦＦＳモードで駆動する。図１Ａには、電圧無印加時（暗表示時）、図１Ｂには、電圧印加時（明表示時）の液晶分子の配向状態を示した。なお、図１Ｂ中の矢印Ｅで、電圧印加時に液晶層１３内に生じる電界の向きを表した。

図２Ａは、実施例による液晶表示素子の表示領域を示す外観写真である。表示領域には、複数の表示部、たとえば図中に楕円で囲んだ「Ｄ」、「２」という表示部が規定される。

図２Ｂは、第１電極１２ｂ_１の一部を示す概略的な平面図である。本図には、「Ｄ」、「２」を表示する部分を示した。「Ｄ」と「２」は同じ明暗表示を行う（相互に独立していない）表示部である。

図２Ｃは、第２電極１２ｂ_２の一部を示す概略的な平面図である。本図には、「Ｄ」、「２」を表示する第１電極１２ｂ_１部分に対応する、第２電極１２ｂ_２の一部を示した。第２電極（簾状電極）１２ｂ_２の延在方向は図の上下方向である。

図２Ｄは、図２Ｂに示す第１電極１２ｂ_１及び図２Ｃに示す第２電極１２ｂ_２を、基板１１、１２法線方向から見た概略的な平面図である。両電極１２ｂ_１、１２ｂ_２が重なる領域（ＦＦＳ動作が行われる領域）に、「Ｄ」、「２」という表示部が規定される。

本願発明者は、ＦＦＳ動作を行う液晶表示素子について、種々のシミュレーション等を行い、たとえば優れた急峻特性が得られる条件を鋭意研究した。シミュレーションには、（株）シンテック製のＬＣＤＭａｓｔｅｒを使用した。

まず、配向膜１１ｄ、１２ｄに施すラビング処理の方向と急峻特性の関係を調べた。シミュレーション対象として、第１電極１２ｂ_１がパターニング電極ではなくベタ電極である点で、図１Ａ〜図１Ｃの液晶表示素子とは異なる液晶表示素子を想定した。シミュレーションにおいては、セル厚（液晶層１３の厚さ）を３μｍ、液晶材料の複屈折率Δｎを０．０７、プレチルト角を１°とした。また、図３に示すように、簾状電極（第２電極）１２ｂ_２の線間、線幅をともに５μｍとし、簾状電極１２ｂ_２の延在方位に直交する方位と、配向膜１２ｄに施されたラビング方位（配向膜１１ｄ、１２ｄにアンチパラレルに施されたラビング方位）とのなす角θを２５°〜９０°の範囲で変化させた。なお、配向膜１１ｄ、１２ｄにアンチパラレルに施されたラビング方位と、液晶分子の初期配向方位とは相互に平行である。

図４は、シミュレーション結果を示すグラフである。グラフの横軸は、電極間に印加する電圧を単位「Ｖ」で示し、縦軸は、相対的な輝度を任意単位で示す。簾状電極１２ｂ_２の延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角が９０°に近づくにつれ、急峻性が良化する傾向が認められる。シミュレーション結果からは、なす角が９０°のとき（簾状電極１２ｂ_２の延在方位とラビング方位とが平行なとき）、最も急峻な電圧−輝度特性が得られることがわかるが、この条件の液晶表示素子の駆動時に、液晶分子の配向動作を確認すると、電界に対する液晶分子の向きにばらつきが見られる。ディスクリネーションと思われる現象も認められ、表示むらが観察される。したがって、たとえば急峻特性と表示むらのない良好な表示を両立させる観点から、簾状電極１２ｂ_２の延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角は、８８°以上９０°未満、たとえば８８°以上８９°以下とすることが適当であろう。

次に、液晶層１３のリタデーションと急峻特性の関係を調べた。シミュレーションにおいては、プレチルト角を１°、簾状電極１２ｂ_２の延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角を８９°とした。セル厚ｄ及び液晶材料の複屈折率Δｎを変えることで、液晶層１３のリタデーションΔｎｄを変化させた。その他の条件は、図４に結果を示すシミュレーションの対象とした液晶表示素子のそれに等しい。

図５Ａ及び図５Ｂに、セル厚ｄが３μｍ及び４μｍの場合の解析結果を示す。図５Ａは、電極間への印加電圧と、相対的な輝度の関係を表すグラフであり、図５Ｂは、セル厚ｄ、複屈折率Δｎ、リタデーションΔｎｄ、及びγをまとめた表である。図５Ａのグラフの両軸の意味するところは、図４のグラフのそれに等しい。

図５Ｂの表におけるγはＶ９０／Ｖ１０（Ｖ９０をＶ１０で除した値）を表す。Ｖ９０、Ｖ１０は、最も高い輝度（光透過率）を１００％としたとき、それぞれ９０％、１０％の輝度が得られる電圧値である。たとえば１／４Ｄｕｔｙで時分割駆動を行うとき、良好な表示を実現するためには、γの値が１．６４以下である必要があることが知られている。

図５Ｂの表を参照すると、セル厚ｄが３μｍのとき、γの値が１．６４以下となるリタデーションΔｎｄの範囲は、２１０ｎｍ〜３６０ｎｍであることがわかる。また、セル厚ｄが４μｍのとき、γの値が１．６４以下となるリタデーションΔｎｄの範囲は、２８０ｎｍ〜３６０ｎｍであることがわかる。

図６Ａ及び図６Ｂに、セル厚ｄが５μｍの場合の解析結果を示す。図６Ａは、電極間への印加電圧と、相対的な輝度の関係を表すグラフであり、図６Ｂは、セル厚ｄ、複屈折率Δｎ、リタデーションΔｎｄ、及びγをまとめた表である。図６Ａのグラフの両軸の意味するところは、図４のグラフのそれに等しい。

図６Ｂの表から、セル厚ｄが５μｍのとき、γの値が１．６４以下となるリタデーションΔｎｄの範囲は、３５０ｎｍ以下であることがわかる。

図５Ａ〜図６Ｂに結果を示すシミュレーションより、セル厚ｄが３μｍのとき、２１０ｎｍ〜３６０ｎｍのリタデーションΔｎｄ範囲で、セル厚ｄが４μｍのとき、２８０ｎｍ〜３６０ｎｍのリタデーションΔｎｄ範囲で、更に、セル厚ｄが５μｍのとき、３５０ｎｍ以下のリタデーションΔｎｄ範囲で、γの値を１．６４以下とすることができることがわかった。

セル厚ｄが０．１μｍ以下の範囲で変わっても同様の結論が得られると考えられる。すなわち、セル厚ｄが２．９μｍ〜３．１μｍのとき、２１０ｎｍ〜３６０ｎｍのリタデーションΔｎｄ範囲で、セル厚ｄが３．９μｍ〜４．１μｍのとき、２８０ｎｍ〜３６０ｎｍのリタデーションΔｎｄ範囲で、更に、セル厚ｄが４．９μｍ〜５．１μｍのとき、３５０ｎｍ以下のリタデーションΔｎｄ範囲で、γの値を１．６４以下とすることが可能であると考えられる。また、セル厚ｄが２．９μｍ〜４．１μｍのときは、２８０ｎｍ〜３６０ｎｍのリタデーションΔｎｄ範囲で、γの値を１．６４以下とすることが可能であるともいえるであろう。

なお、応答速度を考慮した場合、セル厚ｄは２．９μｍ〜４．１μｍ程度に設定することが好ましい。

更に、本願発明者は、急峻特性のプレチルト角依存性を調べた。シミュレーションにおいては、セル厚を４μｍ、液晶材料の複屈折率Δｎを０．０９、簾状電極１２ｂ_２の延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角を８９°とし、プレチルト角を１°〜１０°の範囲で変化させた。その他の条件は、図４に結果を示すシミュレーションの対象とした液晶表示素子のそれに等しい。

図７に、シミュレーション結果を示す。グラフの横軸は、電極間への印加電圧を単位「Ｖ」で表し、縦軸は、相対的な輝度を任意単位で表す。プレチルト角が３°以下のときは、ほぼ等しい急峻特性が得られ、４°以上のとき、急峻特性が悪化することがわかる。したがって、プレチルト角は３°以下に設定することが好ましい。

続いて、図１Ａ〜図１Ｃに構造を示した液晶表示素子において、簾状電極１２ｂ_２の線間及び線幅を異ならせ、輝度（透過率）特性に関し、実測及びシミュレーションを行った。実測及びシミュレーションの対象としたのは、液晶層１３のリタデーションΔｎｄが３６０ｎｍ、簾状電極１２ｂ_２の延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角が８８°の素子である。

図８Ａは、電圧−透過率特性の実測結果を示すグラフである。グラフの横軸は、電極１２ｂ_１、１２ｂ_２間に印加する電圧を単位「Ｖ」で示し、縦軸は、透過率を単位「％」で示す。線間、線幅がともに５μｍのとき、最も高い透過率が得られている。

図８Ｂは、実測結果につき、Ｖ９０／Ｖ１０及びＶ１０をまとめた表である。Ｖ１０及びＶ９０は、線間、線幅がともに５μｍのとき、最も小さい。

図８Ｃは、電圧−輝度特性をシミュレートした結果を示すグラフである。グラフの両軸の意味するところは、図４のグラフのそれに等しい。線間５μｍ、線幅３μｍとした素子が最も高い透過率を示し、次いで、線間、線幅をともに５μｍとした素子が高い透過率を示す。

図８Ａ及び図８Ｂに示す実測結果からは、簾状電極１２ｂ_２の線間、線幅をともに５μｍとすることが好ましいといえる。図８Ｃのシミュレーション結果からは、線間５μｍ、線幅３μｍの素子の透過率が高いが、たとえば液晶表示素子の作製時、フォトリソを用いたパターニング精度を考慮すると、ある程度のマージンが必要であるため、総合的に判断すると、線間、線幅をともに５μｍとすることが好ましい。

以上説明したシミュレーション等の結果から、図１Ａ〜図１Ｃに構造を示す液晶表示素子においては、たとえば（α）簾状電極１２ｂ_２の延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角を、８８°以上９０°未満とし、（β）セル厚ｄが２．９μｍ〜３．１μｍのとき、リタデーションΔｎｄを２１０ｎｍ〜３６０ｎｍ、セル厚ｄが３．９μｍ〜４．１μｍのとき、リタデーションΔｎｄを２８０ｎｍ〜３６０ｎｍ（セル厚ｄが２．９μｍ〜４．１μｍのとき、リタデーションΔｎｄを２８０ｎｍ〜３６０ｎｍ）、セル厚ｄが４．９μｍ〜５．１μｍのとき、リタデーションΔｎｄを３５０ｎｍ以下とし、（γ）プレチルト角を３°以下とし、（δ）簾状電極１２ｂ_２の線間、線幅をともに５μｍとすることが好ましいと判明した（実施例による液晶表示素子）。

実施例による液晶表示素子は、具体的には、たとえば次のようにして作製することができる。

一方のソーダライムガラス基板（透明基板１２ａ）上に、ＩＴＯで、キャラクター意匠がパターニングされた第１電極１２ｂ_１を形成する。第１電極１２ｂ_１上にアクリル樹脂を用い、絶縁膜１２ｃを形成する。絶縁膜１２ｃ上に、簾状電極である第２電極１２ｂ_２をＩＴＯで形成する。簾状電極（第２電極）１２ｂ_２の線間、線幅は、たとえばともに５μｍとする。第２電極１２ｂ_２を覆うように絶縁膜１２ｃ上に、水平配向膜材料を用いて配向膜１２ｄを形成する。また、他方のソーダライムガラス基板（透明基板１１ａ）上に、水平配向膜材料を用い、配向膜１１ｄを形成する。

配向膜１１ｄ、１２ｄに、ラビング処理を施す。透明基板１１ａ、１２ａを重ね合わせたとき、アンチパラレルとなるように、かつ、配向処理方位と簾状電極１２ｂ_２の延在方位に直交する方位とのなす角が８９°となるように、ラビングを行う。ラビング強度は、プレチルト角が１°以下となるように設定する。

たとえば透明基板１２ａ上に、３μｍ径のプラスチックボールを散布し、透明基板１１ａ上には、熱焼成型のエポキシ樹脂でメインシールパターンを印刷する。透明基板１１ａ、１２ａを重ね合わせて焼成し、メインシールパターンを硬化させる。液晶表示素子のセルサイズに小割した後、各空セルに複屈折率Δｎが０．１２のポジ型液晶材料を注入する。注入口を封止し、Ｎｉ点以上の温度で熱処理を行い、液晶層１３を形成する。

透明基板１１ａ、１２ａの液晶層１３と反対面側に、偏光板１４、１５をクロスニコルに、かつ、偏光板１４の透過軸方位と液晶分子の初期配向方位とが平行になるように配置する。

本願発明者は、上述のように作製した液晶表示素子と比較例による液晶表示素子の電圧−透過率特性を実測した。比較例による液晶表示素子は、簾状電極１２ｂ_２の延在方位に直交する方位と３５°をなす方位にラビングを行った点で、実施例とは異なる液晶表示素子である。

図９は、実施例と比較例の電圧−透過率特性を示すグラフである。比較例による液晶表示素子のγ（Ｖ９０／Ｖ１０）の値が２．４５であるのに対し、実施例による液晶表示素子は、高い透過率を備え、γの値は１．６４である。

実施例による液晶表示素子は、たとえば１／４Ｄｕｔｙ以下（１／４Ｄｕｔｙ、１／３Ｄｕｔｙ、１／２Ｄｕｔｙ等、１／ｎＤｕｔｙ表記において１＜ｎ≦４）の時分割駆動（Ｄｕｔｙ駆動）、及びスタティック駆動（１／ｎＤｕｔｙ表記においてｎ＝１）で良好な表示が可能な急峻特性を有するＦＦＳ型の液晶表示素子である。

以上、実施例等に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されない。

たとえば実施例においては、配向膜１１ｄ、１２ｄの双方に配向処理を施したが、配向処理は、配向膜１２ｄだけに行ってもよい。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１／ｎＤｕｔｙ（１≦ｎ≦４）で駆動するＦＦＳ型液晶表示素子として利用可能である。

１１上側基板
１１ａ透明基板
１１ｄ配向膜
１２下側基板
１２ａ透明基板
１２ｂ_１第１電極
１２ｂ_２第２電極
１２ｃ絶縁膜
１２ｄ配向膜
１３液晶層
１４、１５偏光板

Claims

１／ｎＤｕｔｙ（１≦ｎ≦４）で駆動するＦＦＳ型の液晶表示素子であって、
第１基板と、
前記第１基板に対向配置され、意匠表示電極を含む第１電極と、前記第１電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された、短冊状電極部を含む第２電極と、前記第２電極を覆うように、前記絶縁膜上に形成された配向膜とを備える第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板の間に配置された液晶層と
を有し、
前記液晶層は、厚さが３．９μｍ〜４．１μｍであり、
前記第２電極の短冊状電極部の延在方位に直交する方位と前記第２基板の配向膜に施された配向処理方位のなす角が、８８°以上９０°未満であり、
前記第２電極の短冊状電極部の線間が５μｍ、線幅が３μｍ以上５μｍ以下である
液晶表示素子。
前記第２電極の短冊状電極部の延在方位に直交する方位と前記第２基板の配向膜に施された配向処理方位のなす角が、８８°以上８９°以下である請求項１に記載の液晶表示素子。
前記液晶層のリタデーションが２８０ｎｍ〜３６０ｎｍである請求項１または２に記載の液晶表示素子。
前記第２基板の配向膜には、プレチルト角が３°以下となるように配向処理が施されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。