JPWO2014208122A1 - 液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

液晶表示装置(100)において、第1基板(10)は、液晶層側から、第1配向膜(25)と、第1電極(24)と、誘電体層(23)と、第2電極(22)とをこの順で有し、第1および第2電極の一方は、互いに平行な複数の直線部分(24s)を有し、第2基板(30)は、液晶層側から、第2配向膜(35)と、開口部(32a)を有する遮光層(32)とをこの順で有し、液晶層(42)は、誘電異方性が負のネマチック液晶材料を含み、液晶材料に含まれる液晶分子は、第1および第2配向膜によってほぼ水平に配向しており、遮光層(32)の開口部(32a)は、複数の直線部分(24s)と平行で、開口部の幅を規定する2つの辺を有し、開口部(32a)の2つの辺から、複数の直線部分(24s)の内の最も近い直線部分までの距離をD1およびD2とするとき、(D1+D2)/2が1.0μm以上3.0μm未満である。

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、Fringe Field Switching(FFS)モードの液晶表示装置に関する。
FFSモードの液晶表示装置は、従来の縦電界モード(例えば、VAモード)の液晶表示装置に比べて、γ特性の視角依存性が小さいという利点を有しており、例えば、中小型の液晶表示装置として利用が広まっている。しかしながら、表示品位のさらなる向上が望まれており、FFSモードの液晶表示装置については、特に、表示輝度(透過率)の向上が望まれている。
現在市販されているFFSモードの液晶表示装置は、P型液晶材料(誘電異方性が正、Δε>0)のネマチック液晶材料が用いられている。これに対し、特許文献1には、N型液晶材料(誘電異方性が負、Δε<0)のネマチック液晶材料を用いることによって、表示輝度を向上させることができると記載されている。
特開2010−8597号公報
特許文献1には、N型液晶材料を用いたFFSモードの液晶表示装置は開示されているものの、具体的な画素の構造と表示輝度との関係は記載されていない。
本発明は、N型液晶材料を用いたFFSモードの表示装置の表示輝度を効果的に高めることを目的とする。
本発明による実施形態の液晶表示装置は、第1基板と、第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間に設けられた液晶層とを有し、前記第1基板は、前記液晶層側から、第1配向膜と、第1電極と、誘電体層と、第2電極とをこの順で有し、前記第1および第2電極の一方は、互いに平行な複数の直線部分を有し、前記第2基板は、前記液晶層側から、第2配向膜と、開口部を有する遮光層とをこの順で有し、前記液晶層は、誘電異方性が負のネマチック液晶材料を含み、前記液晶材料に含まれる液晶分子は、前記第1および第2配向膜によってほぼ水平に配向しており、前記遮光層の前記開口部は、前記複数の直線部分と平行で、前記開口部の幅を規定する2つの辺を有し、前記開口部の前記2つの辺から、前記複数の直線部分の内の最も近い直線部分までの距離をD1およびD2とするとき、(D1+D2)/2が1.0μm以上3.0μm未満である。前記第1および第2配向膜によって規制される配向の方位は、平行または反平行である。
ある実施形態において、前記第1および第2配向膜は、光配向膜である。光配向膜は、光異性化によって配向規制方位を規定するものが好ましい。
ある実施形態において、前記第1および第2配向膜により規制される配向規制方向は、前記複数の直線部に対し、ほぼ直交する。
ある実施形態において、前記第1および第2配向膜によって規定されるプレチルト角は0°である。
ある実施形態において、前記複数の直線部分のそれぞれの幅Lは、1.5μm以上3.5μm以下であり、隣接する2つの直線部分の間隙の幅Sは、3.0μm超6.0μm以下である。
ある実施形態において、前記第1電極が前記複数の直線部分を有する。またある実施形態においては、前記第2電極が前記複数の直線部分を有する。前記複数の直線部分を有する電極は、画素電極または対向電極(共通電極)である。
本発明の実施形態によると、N型液晶材料を用いたFFSモードの表示装置の表示輝度を効果的に高めることができる。
(a)は、液晶表示装置100の模式的な平面図であり、(b)は、(a)における1B−1B’線に沿った模式的な断面図である。 N型液晶材料を用いた場合と、P型液晶材料を用いた場合のモード効率がDに依存する様子を示すグラフである。 液晶表示装置100の画素における透過率分布を示すグラフである。 (a)P型液晶材料の液晶分子の配向の状態を模式的に示す図であり、(b)はN型液晶材料の液晶分子の配向の状態を模式的に示す図である。 ネガ型液晶材料を用いた場合の光漏れ率の極角依存性を示すグラフである。
以下、図面を参照して、本発明による実施形態の液晶表示装置100の構造を説明する。図1(a)および(b)に、本発明による実施形態の液晶表示装置100の構造を模式的に示す。図1(a)は、液晶表示装置100の模式的な平面図であり、図1(b)は、図1(a)における1B−1B’線に沿った模式的な断面図である。図1(a)および(b)は、液晶表示装置100の1つの画素に対応する構造を示している。液晶表示装置は、行および列を有するマトリクス状に配列された複数の画素を有しており、行方向の画素の配列のピッチをPx、列方向の画素の配列のピッチをPyとする。
液晶表示装置100は、TFT基板(第1基板)10と、対向基板(第2基板)30と、TFT基板10と対向基板30との間に設けられた液晶層42とを有する。液晶表示装置100は、さらに不図示の一対の偏光板を有している。偏光板は、TFT基板10および対向基板30の外側に、クロスニコルに配置される。一方の透過軸(偏光軸)は水平方向、他方の透過軸は垂直方向に配置される。
TFT基板10は、液晶層42側から、第1配向膜25と、第1電極24と、誘電体層23と、第2電極22とをこの順で有し、第1電極24は、互いに平行な複数の直線部分24sを有している。ここでは、第1電極24が複数の直線部分24sを有する構造を例示しているが、第2電極が複数の直線部分を有してもよい。直線部分24sは、例えば、第1電極24を形成する導電膜にスリットを設けることによって形成され得る。第1電極24および第2電極22の一方が画素電極であり、他方が対向電極(共通電極)であればよいが、ここでは、第1電極24は画素電極であり、第2電極22は対向電極ある例を説明する。この例の場合、対向電極は、典型的にはべた電極(スリットなどがない膜電極)である。画素電極24が有する複数の直線部分24sのそれぞれの幅Lは、例えば、1.5μm以上3.5μm以下であり、隣接する2つの直線部分24sの間隙の幅Sは、例えば、3.0μm超6.0μm以下である。画素電極24および対向電極22は、ITOなどの透明導電材料から形成される。
液晶表示装置100は、TFT型であり、画素電極24は、TFTのドレイン電極に接続されており、TFTを介して、TFTのソース電極に接続されたソースバスライン(不図示)から、表示信号が供給される。ソースバスラインは列方向の延びるように配置され、ゲートバスラインは行方向に延びるように配置されている。TFTとしては、酸化物半導体を用いたTFTが好ましい。In−Ga−Zn−O系の半導体に代表される酸化物半導体は、高い移動度を有しているので、小型化が可能で、画素の開口率を高めることができる。液晶表示装置100に好適に用いられる酸化物半導体については後述する。酸化物半導体を用いたTFTを備えるFFSモードの液晶表示装置は、種々のものが知られており、例えば国際公開第2013/073635号に開示されている。参考のために、国際公開第2013/073635号の開示内容の全てを本明細書に援用する。図1(b)には、ボトムゲート型のTFTを有する場合の積層構造を模式的に示している。
TFT基板10は、基板(例えばガラス基板)11と、その上に形成されたゲートメタル層12、ゲートメタル層12を覆うゲート絶縁層13と、ゲート絶縁層13上に形成された酸化物半導体層14と、酸化物半導体層14上に形成されたソースメタル層16と、ソースメタル層16上に形成された層間絶縁層17とをさらに有している。ここでは、簡略化しているが、ゲートメタル層12はゲート電極、ゲートバスラインおよび対向電極用配線を含み、酸化物半導体層14はTFTの活性層を含み、ソースメタル層16は、ソース電極、ドレイン電極およびソースバスラインを含む。対向電極22は、層間絶縁層17上に形成されている。必要に応じて、層間絶縁層17と対向電極22との間に、さらに平坦化層が設けられることもある。
対向基板30は、基板(例えばガラス基板)31上に、液晶層42側から、第2配向膜35と、開口部32aを有する遮光層32(ブラックマトリクス)とをこの順で有する。遮光層32の開口部32aには、カラーフィルタ層34が形成される。遮光層32は、例えば、感光性を有する黒色樹脂層を用いて形成することができる。カラーフィルタ層34も、感光性を有する着色樹脂層を用いて形成することができる。基板31の外側(液晶層42とは反対側)に、必要に応じて、帯電を防止するための、ITO等からなる透明導電層(不図示)が設けられることもある。
液晶層は、誘電異方性が負のネマチック液晶材料を含み、液晶材料に含まれる液晶分子は、第1配向膜25および第2配向膜35によってほぼ水平に配向している。第1配向膜25および第2配向膜35によって規制される配向の方位は、平行または反平行であってよい。第1配向膜および第2配向膜による配向規制方位は、直線部分24sの延びる方向にほぼ直交する。第1配向膜25および第2配向膜35によって規定されるプレチルト角は例えば0°である。
第1配向膜25および第2配向膜35は、例えば、光配向膜である。光配向膜は、光異性化によって配向規制方位を規定するものが好ましい。光配向膜として、国際公開第2009/157207号に記載の光配向膜を用いることができる。例えば、ポリイミドの主鎖と、光反応性官能基としてのシンナメート基を含む側鎖とを有する高分子からなる配向膜に偏光紫外線を照射することによって、光配向膜を形成することができる。参考のために、国際公開第2009/157207号の開示内容の全てを本明細書に援用する。
液晶表示装置100の遮光層32の開口部32aは、複数の直線部分24sと平行で、開口部32aの幅Woを規定する2つの辺を有し、開口部32aの2つの辺から、複数の直線部分24sの内の最も近い直線部分24sまでの距離をD1およびD2とするとき、(D1+D2)/2が1.0μm以上3.0μm未満である。(D1+D2)/2をDと表記することがある。TFT基板と対向基板30との間にアライメントずれがない場合には、D1=D2=Dとなる。液晶表示装置100は、開口部32aと画素電極24の直線部分24sとが上記の関係を満足すように配置されているので、表示輝度を効果的に高めることができる。以下にこのことを詳細に説明する。
図2に、N型液晶材料を用いた場合と、P型液晶材料を用いた場合のモード効率がDに依存する様子を示す。モード効率は、以下のように定義される。モード効率が高いほど、表示輝度が高い。
モード効率(%)=((液晶表示パネルの光透過率)/(一対の偏光板のみをパラレルニコルに配置したと想定したときの光透過率))*100
なお、上記式における「液晶表示パネルの光透過率」は、開口率で規格化されている。また、上記式における*は、乗算を表す。開口率は、液晶表示パネルの表示領域の面積の内、実際の表示に寄与する面積の比率を表す。図1(a)を参照して説明すると、PxとPyとの積で表される面積に対する、開口部32aの面積の比率に相当することになる。
ここで、シミュレーションに用いた構成(図1参照)を以下に示す。シミュレーションにはExpertLCD(DAOU XILICON社製)を用いた。
Px=27μm、Py=81μm、Wo=19μm、L/S=2.6μm/3.8μm
N型液晶材料:Δε=−4.2、Δn=0.103、白表示電圧5.0V、液晶層の厚さ3.4μm
P型液晶材料:Δε=7.8、Δn=0.103、白表示電圧4.6V、液晶層の厚さ3.4μm
図2を参照してまずわかるのは、N型液晶材料を用いた方が、従来のP型モード液晶を用いた場合よりも、モード効率が高いことである。これは、特許文献1にも記載されているように、P型液晶材料とN型液晶材料とで、液晶分子の配向の変化の仕方に差があるからであり、図4を参照して後述する。
図2をみると、驚くべきことに、遮光層32の開口部32aの辺と、画素電極24の直線部分24sとの距離Dと、モード効率との関係が、N型液晶材料とP型液晶材料とで異なっている。従来のP型液晶材料を用いた液晶表示装置においては、Dが3μm付近で、モード効率が最大になるに対し、N型液晶材料を用いると、Dが1μm〜2μmの間でモード効率が最大となり、Dが3μmのときには、モード効率は最大値より4%程度低くなっている。
したがって、N型液晶材料を用いた液晶表示装置100においては、Dを1μm以上3μm未満とすることによって、効果的にモード効率(すなわち表示輝度)を高めることができることがわかる。
この現象を図3および図4を参照して説明する。
図3は、液晶表示装置100の画素における透過率分布を示すグラフである。なお、遮光層32がない状態でのシミュレーション結果である。透過率の値は任意単位(a.u.)である。
図3からわかるように、P型液晶材料を用いると、画素電極24の直線部分24s上で透過率が低下しており、断面方向において、透過率がばらついている。これに対し、N型液晶材料を用いると、画素電極24の直線部分24s上での透過率の低下は見られず、断面方向における透過率のばらつきが小さい。これは、図4(a)および(b)に示すように、P型液晶材料とN型液晶材料とで、液晶分子の配向の変化の仕方に差があるからである。
図4(a)に示すように、P型液晶材料からなる液晶層42’に、画素電極24および対向電極22からの電界が作用すると、P型の液晶分子は、分子の長軸(誘電率が大きい軸)が電気力線と平行になるように配向する。従って、図4(a)に模式的に示したように、一部の液晶分子が、基板面(液晶層面)に対して立ち上がる。液晶分子が立ち上がると、その部分のリタデーションはその他の部分のリタデーションよりも小さくなり、その分だけ透過率が低下することになる。
図4(b)に示すように、N型液晶材料からなる液晶層42に、画素電極24および対向電極22からの電界が作用すると、N型の液晶分子は、分子の長軸(誘電率が大きい軸)が電気力線と直交するように配向する。液晶層42に印加する電圧の大きさを変化させても、N型の液晶分子は、基板面(液晶層面)に平行な面内で配向方向を変化させるだけであり、一部の液晶分子が、基板面(液晶層面)に対して立ち上がるということはなく、透過率がP型液晶材料のように低下しない。
次に、図3の左側に注目する。画素電極24のエッジから離れると、透過率は一旦上昇したのち、低下する。この透過率の低下が始まる位置が、P型液晶材料よりもN型液晶材料の方が、画素電極24のエッジに近い。また、この透過率の低下の傾向が、P型液晶材料よりもN型液晶材料の方が、急峻になっっている。すなわち、N型液晶材料を用いると、画素電極24のエッジから遮光層32の開口部のエッジまでの領域の表示への寄与が、P型液晶材料を用いた場合よりも小さい。従って、図2に示したように、N型液晶材料を用いる場合には、P型液晶材料を用いた場合よりも、Dを小さくすることによって、モード効率をさらに高めることができるのである。
液晶表示装置100を斜めから観察すると、隣接する2つの画素の色が混色(例えば、赤と青)する。この現象をカラーウォッシュアウトということがある。カラーウォッシュアウトを防止するために、従来のP型液晶材料を用いた表示装置では、Dを3.75μmに設定している。図2を参照して説明したように、P型液晶材料を用いた表示装置ではDが3.0μm付近でモード効率が最大となるが、カラーウォッシュアウトを防止するために、0.75μmだけDを大きくしている。
ここで、カラー液晶表示装置における混色の問題を説明する。カラー液晶表示装置は、複数の画素が1つのカラー表示画素を構成する。典型的には、赤画素、緑画素および青画素の3つの原色画素(単に画素という。)が1つのカラー表示画素を構成する。典型的なストライプ配列のカラー液晶表示装置では、行方向に異なる色の画素が配列されているので、視角を表示面の法線方向から水平方向に傾斜させると、混色が起こる。混色の程度は、以下のように定義される光漏れ率を用いて定量的に評価することができる。行方向に互いに隣接する2つの画素の内の一方の画素を白表示状態(点灯)とし、他方の画素の透過率を黒表示状態(非点灯)としたときの、非点灯画素の透過率の点灯画素の透過率に対する比率を光漏れ率とする。すなわち、光漏れ率は、下記の式で定義される。
光漏れ率(%)=((非点灯画素の透過率)/(点灯画素の透過率))×100
ここでは、図2のモード効率を求めた場合と同じ構成について、種々の視角(表面法線からの極角で表す)における光漏れ率をExpertLCDを用いたシミュレーションで求めた。
図5にネガ型液晶材料を用いた場合の光漏れ率の極角依存性を示す。横軸は、表示面法線からの傾きの大きさを示す極角であり、縦軸は、光漏れ率(%)を示している。比較のために、従来のP型液晶材料を用いた表示装置のDが3.75μmのときの光漏れ率の極角依存性を示している。
図5からわかるように、Dを大きくすることによって、斜め視角における光漏れ率を低下させることができる。現在、市場で実績のあるP型液晶材料を用いた表示装置における光漏れ率と同程度の光漏れ率を得るためには、N型液晶材料を用いた表示装置において、Dを2.5μm以上とすればよいことがわかる。従って、高いモード効率を得るとともに、カラーウォッシュアウトを防止するためには、Dは2.5μm以上3.0μm未満であることが好ましい。
もちろん、液晶表示装置の利用形態によっては、カラーウォッシュアウトを防止する必要は必ずしもなく、表示輝度を優先すればよい。
上述したように、本発明による実施形態の液晶表示装置100のTFTとして、酸化物半導体層を有するTFTを用いることが好ましい。酸化物半導体として、In−Ga−Zn−O系の半導体(以下、「In−Ga−Zn−O系半導体」と略する。)が好ましく、結晶質部分を含むIn−Ga−Zn−O系半導体がさらに好ましい。ここで、In−Ga−Zn−O系半導体は、In(インジウム)、Ga(ガリウム)、Zn(亜鉛)の三元系酸化物であって、In、GaおよびZnの割合(組成比)は特に限定されず、例えばIn:Ga:Zn=2:2:1、In:Ga:Zn=1:1:1、In:Ga:Zn=1:1:2等を含む。
In−Ga−Zn−O系半導体層を有するTFTは、高い移動度(a−SiTFTに比べ20倍超)および低いリーク電流(a−SiTFTに比べ100分の1未満)を有しているので、画素TFTだけでなく駆動TFTとしても好適に用いられる。In−Ga−Zn−O系半導体層を有するTFTを用いれば、表示装置の有効開口率を増大させるとともに、表示装置の消費電力を削減することが可能になる。
In−Ga−Zn−O系半導体は、アモルファスでもよいし、結晶質部分を含み、結晶性を有していてもよい。結晶質In−Ga−Zn−O系半導体としては、c軸が層面に概ね垂直に配向した結晶質In−Ga−Zn−O系半導体が好ましい。このようなIn−Ga−Zn−O系半導体の結晶構造は、例えば、特開2012−134475号公報に開示されている。参考のために、特開2012−134475号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。
酸化物半導体層は、In−Ga−Zn−O系半導体の代わりに、他の酸化物半導体を含んでいてもよい。例えばZn−O系半導体(ZnO)、In−Zn−O系半導体(IZO(登録商標))、Zn−Ti−O系半導体(ZTO)、Cd−Ge−O系半導体、Cd−Pb−O系半導体、CdO(酸化カドニウム)、Mg−Zn−O系半導体、In−Sn−Zn−O系半導体(例えばIn23−SnO2−ZnO)、In−Ga−Sn−O系半導体などを含んでいてもよい。
本発明によると、FFSモードの表示装置の表示輝度を効果的に高めることができる。
10 TFT基板(第1基板)
11 基板
12 ゲートメタル層
13 ゲート絶縁層
14 酸化物半導体層
16 ソースメタル層
17 層間絶縁層
22 対向電極(第2電極)
23 誘電体層
24 画素電極(第1電極)
24s 直線部分
25 第1配向膜
30 対向基板(第2基板)
31 基板
32 遮光層
32a 開口部
34 カラーフィルタ
35 第2配向膜
42 液晶層
100 液晶表示装置

Claims (6)

  1. 第1基板と、第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間に設けられた液晶層とを有し、
    前記第1基板は、前記液晶層側から、第1配向膜と、第1電極と、誘電体層と、第2電極とをこの順で有し、前記第1および第2電極の一方は、互いに平行な複数の直線部分を有し、
    前記第2基板は、前記液晶層側から、第2配向膜と、開口部を有する遮光層とをこの順で有し、
    前記液晶層は、誘電異方性が負のネマチック液晶材料を含み、前記液晶材料に含まれる液晶分子は、前記第1および第2配向膜によってほぼ水平に配向しており、
    前記遮光層の前記開口部は、前記複数の直線部分と平行で、前記開口部の幅を規定する2つの辺を有し、
    前記開口部の前記2つの辺から、前記複数の直線部分の内の最も近い直線部分までの距離をD1およびD2とするとき、(D1+D2)/2が1.0μm以上3.0μm未満である、液晶表示装置。
  2. 前記第1および第2配向膜は、光配向膜である、請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. 前記第1および第2配向膜によって規定される配向規定方向は、前記複数の直線部に対してほぼ直交する請求項1または2に記載の液晶表示装置。
  4. 前記第1および第2配向膜によって規定されるプレチルト角は0°である、請求項1から3のいずれかに記載の液晶表示装置。
  5. 前記複数の直線部分のそれぞれの幅Lは、1.5μm以上3.5μm以下であり、隣接する2つの直線部分の間隙の幅Sは、3.0μm超6.0μm以下である、請求項1から4のいずれかに記載の液晶表示装置。
  6. 前記第1電極が前記複数の直線部分を有する、請求項1から5のいずれかに記載の液晶表示装置。
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