WO2013176159A1 - 液晶表示装置 - Google Patents

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村田　充弘
洋典 岩田
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Definitions

  • the present invention relates to a liquid crystal display device. More specifically, the present invention relates to a liquid crystal display device which displays black by applying a vertical electric field to a liquid crystal having a negative dielectric anisotropy and further displays white by applying a horizontal electric field.
  • a liquid crystal display (LCD) panel is a device that controls light transmission / blocking (display on / off) by controlling the orientation of liquid crystal molecules having birefringence.
  • the liquid crystal alignment mode of LCD includes TN (Twisted Nematic) mode in which liquid crystal molecules having positive dielectric anisotropy are aligned in a twisted state of 90 ° when viewed from the substrate normal direction, negative dielectric constant anisotropy Vertical alignment (VA: Vertical Alignment) mode in which liquid crystal molecules having a vertical property are aligned with respect to the substrate surface, and liquid crystal molecules having positive dielectric anisotropy are aligned horizontally with respect to the substrate surface to Examples include an in-plane switching (IPS) mode in which an electric field is applied and a fringe field switching (FFS) mode.
  • IPS in-plane switching
  • FFS fringe field switching
  • liquid crystal molecules having a negative dielectric anisotropy are used to display liquid crystal molecules that are vertically aligned with respect to the substrate surface by tilting the liquid crystal molecules horizontally by a vertical electric field, but the liquid crystal molecules are viewed at different angles.
  • the apparent birefringence of the liquid crystal molecules changes, so that the narrow viewing angle is a problem.
  • the IPS mode display is performed by utilizing the action of liquid crystal molecules to be horizontal in the direction of the electric field due to the horizontal electric field generated between the pair of comb electrodes.
  • the FFS mode a liquid crystal molecule is used to be horizontal in the direction of the electric field by a horizontal electric field generated between the common electrode and a pixel electrode provided on the common electrode via an insulating film. Display.
  • the viewing angle is improved, but it becomes difficult to obtain a contrast ratio comparable to that of the VA mode.
  • the present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a liquid crystal display device having good display characteristics in a display mode using a vertical electric field and a horizontal electric field.
  • a flat first common electrode and a first common electrode are formed on one substrate.
  • a pixel electrode provided in a different layer from the first common electrode is provided via an insulating film, and a second common electrode is provided on a substrate facing the liquid crystal layer, so that a total of three types of electrodes are provided. Attention was paid to the structure in which is placed in one liquid crystal display device.
  • a vertical electric field thickness of the liquid crystal layer
  • the liquid crystal molecules are aligned horizontally with respect to the substrate surface to obtain a black display
  • the first common electrode and the first By applying a voltage between the pixel electrode and the first common electrode so that the potential difference between the two common electrodes is larger than the potential difference between the first common electrode and the pixel electrode, the liquid crystal It has been found that a white display can be obtained by forming a horizontal electric field (fringe electric field) in the liquid crystal layer while keeping the molecules aligned horizontally with respect to the substrate surface.
  • liquid crystal alignment disorder hereinafter also referred to as disclination
  • a liquid crystal display device having a display method different from that of the VA mode or the FFS mode and having good display characteristics can be obtained.
  • one aspect of the present invention includes a first substrate and a second substrate provided to face each other, and a liquid crystal layer sandwiched between the first and second substrates, and the liquid crystal layer has a negative polarity.
  • a liquid crystal molecule having dielectric anisotropy wherein the first substrate is formed in a layer different from the first common electrode through the insulating film, the flat first common electrode, the insulating film, and the insulating film;
  • the pixel electrode has a comb-tooth structure
  • the second substrate is a flat second common electrode and a vertical alignment film that vertically aligns the initial alignment of liquid crystal molecules.
  • the liquid crystal display device is set so as to be larger than the potential difference.
  • the alignment treatment may be further performed on the first substrate, that is, the first substrate is also subjected to the alignment treatment on the vertical alignment film that vertically aligns the initial alignment of the liquid crystal molecules.
  • a film may be provided.
  • the liquid crystal layer contains liquid crystal molecules having negative dielectric anisotropy.
  • the liquid crystal molecules have the property of tilting in a direction perpendicular to the direction of the electric field when a voltage is applied.
  • the pixel electrode has a comb-tooth structure and is provided in a different layer from the first common electrode with an insulating film interposed therebetween. With such a configuration, a fringe electric field can be formed between the pixel electrode and the first common electrode.
  • the comb structure is a structure in which a plurality of slits are formed in the pixel electrode.
  • Specific examples of the comb tooth structure include (i) a structure in which one end of the slit is opened and the other end of the slit is closed, and (ii) a structure in which both ends of the slit are closed.
  • the first common electrode and the second common electrode are supplied with different common potentials. Thereby, a potential difference is generated between the second common electrode and the first common electrode, and between the second common electrode and the pixel electrode, and a vertical electric field is formed.
  • the second substrate includes a film in which an alignment process is performed on a vertical alignment film that vertically aligns the initial alignment of liquid crystal.
  • the alignment film material may be either an organic material or an inorganic material, and may be a photoactive material.
  • the alignment treatment can be performed by a rubbing method, a photo alignment method, or the like, and defines the orientation of liquid crystal molecules. “Orientation of liquid crystal molecules” represents the major axis direction of liquid crystal molecules when the substrate is viewed in plan.
  • alignment treatment means that the pretilt characteristic of the vertical alignment film is changed at the same time, and at least the average initial tilt angle of the liquid crystal molecules with respect to the second substrate is made smaller than 90 °.
  • tilt angle is an angle between the major axis of the liquid crystal molecules and the substrate surface in the range of 0 ° to 90 °.
  • the average tilt angle of the liquid crystal molecules with respect to each substrate when no voltage is applied is “ This is referred to as “average initial tilt angle”, and hereinafter simply referred to as “pretilt angle”.
  • the potential difference between the first common electrode and the second common electrode is larger than the potential difference between the first common electrode and the pixel electrode. Is set. Thereby, white display can be performed while the liquid crystal molecules are aligned horizontally with respect to the substrate surface.
  • the highest gradation means a state (white display state) having the highest luminance during display.
  • the average initial tilt angle of the liquid crystal molecules with respect to the second substrate is preferably 70 ° or less.
  • the average initial tilt angle of the liquid crystal molecules with respect to the first substrate is preferably 70 ° or less.
  • the average initial tilt angle of the liquid crystal molecules with respect to the second substrate is preferably 40 ° or less.
  • the average initial tilt angle of the liquid crystal molecules with respect to the first substrate is preferably 40 ° or less. If it is 40 ° or less, a smoother and better VT characteristic can be obtained. This point will also be described in detail in an evaluation test described later.
  • the potential difference between the first common electrode and the pixel electrode is set to 0.1 to 1.0 V at the lowest gradation.
  • the equipotential surface thereby becomes horizontal with respect to the substrate surface, and a good black display can be obtained, so that a display with a higher contrast ratio can be performed.
  • the lowest gradation means a state where the luminance at the time of display is the lowest (black display state).
  • the first and second substrates included in the liquid crystal display device of the present invention are a pair of substrates for sandwiching a liquid crystal layer.
  • an insulating substrate such as glass or resin is used as a base, and wiring and electrodes are formed on the insulating substrate. It is formed by making a color filter or the like.
  • the first substrate is preferably an active matrix substrate including active elements.
  • the pretilt angle is not normally performed from the viewpoint of lowering the contrast ratio.
  • the contrast ratio does not decrease even if the pretilt angle is reduced.
  • the present invention is different from a general FFS mode in that a liquid crystal having negative dielectric anisotropy is used in the present invention and a vertical alignment film is used.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of one pixel of the liquid crystal display device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device taken along line AB in FIG. 1 when no voltage is applied.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device according to Embodiment 1 when a vertical electric field is generated.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device according to Embodiment 1 when a horizontal electric field is generated.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal display device according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic plan view for one pixel of a liquid crystal display device according to a third embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic plan view of one pixel of a liquid crystal display device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device taken along line CD in FIG. 7 when no voltage is applied.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal display device according to Embodiment 4 when a vertical electric field is generated.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal display device according to Embodiment 4 when a horizontal electric field is generated.
  • FIG. 6 is an enlarged plan view schematically illustrating electrodes between electrodes when a horizontal electric field is generated in a liquid crystal display device according to a fourth embodiment.
  • the plane schematic diagram of a liquid crystal cell in the case of L / S 3/3 in the evaluation test 1, a plane image, and a cross-sectional image.
  • the plane schematic diagram of a liquid crystal cell in the case of L / S 3/6 in the evaluation test 1, a plane image, and a cross-sectional image.
  • the plane schematic diagram and plane image of the liquid crystal cell in the case of L / S 3 / 10.5 in the evaluation test 1.
  • the plane schematic diagram of a liquid crystal cell in the case of L / S 3/24 in the evaluation test 1, a plane image, and a cross-sectional image.
  • the plane image and cross-sectional image of a liquid crystal cell in case the potential difference between the 1st common electrode and pixel electrode in the evaluation test 3 is 0V.
  • FIG. 7 is a planar image and a cross-sectional image of a liquid crystal cell when the potential difference between the first common electrode and the pixel electrode in Evaluation Test 3 is 0.5V.
  • FIG. 6 is a planar image and a cross-sectional image of a liquid crystal cell when the potential difference between the first common electrode and the pixel electrode in Evaluation Test 3 is 1.0V.
  • FIG. 1 is a schematic plan view for one pixel of the liquid crystal display device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device along the line AB in FIG. 1 when no voltage is applied. is there.
  • the liquid crystal display device of Embodiment 1 includes a first substrate 10, a second substrate 20, and a liquid crystal layer 30 sandwiched between the first substrate 10 and the second substrate 20.
  • the liquid crystal layer 30 contains liquid crystal molecules 31 having negative dielectric anisotropy.
  • the first substrate 10 electrically connects the support substrate 11, thin film transistor (TFT) 6, scanning signal line 2, data signal line 1, first common electrode 12, pixel electrode 14, first common electrode 12 and pixel electrode 14. Insulating film 13 and alignment film 15 are provided.
  • the second substrate 20 includes a support substrate 21, a second common electrode 22, a color filter, a black matrix, and an alignment film 25.
  • the pixel electrode 14 is provided for each region surrounded by the scanning signal line 2 and the data signal line 1. A part of each of the data signal line 1, the scanning signal line 2, and the drain lead line 4, and the semiconductor layer 3 constitute a TFT 6.
  • the TFT 6 functions as a switching element.
  • the pixel electrode 14 is connected to the drain lead wiring 4 extending from the TFT 6 through the contact hole 5. When the TFT 6 is turned on by the scanning signal supplied to the scanning signal line 2, the semiconductor layer 3 becomes conductive, and the data signal supplied through the data signal line 1 is written to the pixel electrode 14.
  • the pixel electrode 14 has a comb-tooth structure in which one end of the slit 14b is opened.
  • the width of the comb tooth portion 14a is preferably 2 ⁇ m to 7 ⁇ m.
  • the width of the adjacent comb tooth portion (slit) 14b is preferably 2 ⁇ m to 7 ⁇ m. If the slit width is less than 2 ⁇ m, the substantial transmission portion may be reduced, and if it is greater than 7 ⁇ m, the fringe electric field may be weakened and switching of liquid crystal molecules may be delayed.
  • a comb electrode facing the pixel electrode 14 is not provided, and a horizontal electric field (fringe electric field) can be formed only by the pixel electrode 14 and the first common electrode 12.
  • the first common electrode 12 is formed in a flat plate shape on the first substrate, and the pixel electrode 14 is formed through an insulating film 13.
  • a common potential of 0 V is supplied to the first common electrode 12.
  • the second common electrode 22 is connected to an AC power source, and common potentials of, for example, ⁇ 5 V to ⁇ 10 V and +5 V to +10 V are alternately supplied in consideration of symmetry.
  • the potential difference between the second common electrode 22 and the first common electrode 12 is larger than the potential difference between the first common electrode 12 and the pixel electrode 14.
  • a common potential is supplied.
  • the alignment films 15 and 25 are films obtained by performing an alignment process on the vertical alignment film.
  • the alignment treatment can be performed by a rubbing method, a photo-alignment method, or the like.
  • the alignment is performed such that the alignment direction forms an angle ⁇ of 3 to 10 ° with respect to an axis perpendicular to the longitudinal direction of the comb tooth portion.
  • the orientation direction makes an angle with respect to an axis orthogonal to the longitudinal direction of the comb-teeth portion, that is, an orientation in which a transverse electric field is generated, so that the rotation direction of the liquid crystal molecules can be matched.
  • size of a pretilt angle is not specifically limited as long as it is smaller than 90 degrees, Preferably it is 70 degrees or less, More preferably, it is 40 degrees or less. As will be described later, the occurrence of disclination is effectively suppressed when the pretilt angle is 70 ° or less, and good VT characteristics can be obtained when the pretilt angle is 40 ° or less.
  • the pretilt angle is determined by changing the structure of the side chain and main chain of the compound used in the vertical alignment film, adjusting the rubbing intensity when using the rubbing method, and the intensity of irradiated light when using the photo-alignment method. It can be controlled by adjusting.
  • the orientation direction can be suitably defined by performing anti-parallel processing on the first substrate and the second substrate. For example, when the alignment process is performed in the 7 ° azimuth direction on the first substrate, the alignment process is performed in the 187 ° azimuth direction on the second substrate.
  • Polarizing plates are attached to the surfaces of the first substrate and the second substrate opposite to the liquid crystal layer, respectively. Both polarizing plates are disposed so that the polarization axes are orthogonal to each other, and are disposed so that the polarization axis of one substrate coincides with the alignment treatment direction.
  • FIG. 2 shows an example in which the alignment films 15 and 25 are subjected to the alignment treatment so that the pretilt angle is 89.9 ° with respect to the first substrate 10 and the second substrate 20.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device according to Embodiment 1 when a vertical electric field is generated.
  • the arrow indicates the direction of the electric field.
  • a voltage is applied between the second common electrode 22 and the first common electrode 12 and between the second common electrode 22 and the pixel electrode 14, and the substrate surface is formed in the liquid crystal layer.
  • a vertical electric field that is substantially perpendicular is generated.
  • FIG. 3 shows an example in which a potential of 0 V is supplied to the first common electrode 12, ⁇ 0.5 V is supplied to the pixel electrode 14, and ⁇ 7.5 V is supplied to the second common electrode 22. Yes.
  • the liquid crystal molecules 31 have a negative dielectric anisotropy, the liquid crystal molecules 31 are aligned horizontally with respect to the first and second substrates 10 and 20 as a result of being aligned in a direction orthogonal to the direction of the longitudinal electric field.
  • the liquid crystal molecules 31 are tilted in the orientation in which the alignment treatment is performed as shown in FIG.
  • the potential difference between the first common electrode 12 and the pixel electrode 14 is set to 0.1 to 1.0 V so that the equipotential surface between the electrodes is in relation to the substrate surface. It can be made more parallel and better black can be obtained. This point will be described in detail in an evaluation test described later.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device according to Embodiment 1 when a horizontal electric field is generated.
  • the arrow indicates the direction of the generated electric field
  • the solid line in the liquid crystal layer 30 indicates the transmittance.
  • the pixel electrode 14 and the first common electrode 22 and the first common electrode 12 and between the second common electrode 22 and the pixel electrode 14 are applied with the voltage between the second common electrode 22 and the first common electrode 12.
  • a horizontal electric field can be generated by applying a voltage to the common electrode 12.
  • FIG. 4 shows an example in which a potential of 0 V is supplied to the first common electrode 12, ⁇ 3 V is supplied to the pixel electrode 14, and ⁇ 7.5 V is supplied to the second common electrode 22.
  • the liquid crystal molecules 31 rotate horizontally with respect to the substrate surface as a result of attempting to align perpendicularly to the transverse electric field.
  • the display switching of the liquid crystal display device can be performed by forming the horizontal electric field while forming the vertical electric field.
  • a transparent material such as glass or plastic is preferably used as the material of the support substrates 11 and 21.
  • the alignment films 15 and 25 may be either an organic alignment film or an inorganic alignment film as long as the liquid crystal molecules stand perpendicular to the film surface before the alignment treatment is performed.
  • the first common electrode 12, the second common electrode 22, and the pixel electrode 14 are transparent conductive materials such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), and tin oxide (SnO).
  • ITO indium tin oxide
  • IZO indium zinc oxide
  • ZnO zinc oxide
  • SnO tin oxide
  • a material or an alloy thereof can be formed into a single layer or a plurality of layers by sputtering or the like, and then patterned using a photolithography method or the like.
  • the slit 14b of the pixel electrode 14 can also be formed simultaneously with patterning.
  • the first substrate 10 and the second substrate 20 manufactured in this way are provided with a plurality of columnar spacers made of an insulating material on one substrate, and then bonded to each other using a sealing material.
  • a liquid crystal layer 30 is formed between the first substrate 10 and the second substrate 20, but when a dropping method is used, a liquid crystal material is dropped before the substrates are bonded, and a vacuum injection method is used. In some cases, the liquid crystal material is injected after the substrates are bonded.
  • a liquid crystal display device is completed by affixing a polarizing plate, retardation film, etc. on the surface on the opposite side to the liquid crystal layer 30 side of each board
  • the structure of the liquid crystal display device of Embodiment 1 can be confirmed and measured using, for example, a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • the dielectric anisotropy of the liquid crystal molecules 31 can be confirmed by analyzing the molecular structure of the liquid crystal material, for example, by gas chromatography.
  • the average initial tilt angle of the liquid crystal molecules 31 with respect to the substrate can be measured for each substrate using a pre-tilt angle measuring device manufactured by Shintech.
  • the alignment treatment has been performed on the vertical alignment film can be confirmed by irradiating the substrate surface with diffuse ultraviolet light. If the liquid crystal molecules are vertically aligned after irradiating the diffuse ultraviolet light, it is understood that the alignment state before the liquid crystal molecules are subjected to the alignment treatment is the vertical alignment.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device according to the second embodiment.
  • the alignment film 15 included in the first substrate 10 does not have a function of imparting a predetermined pretilt angle to the liquid crystal molecules 31, while the alignment film 25 included in the second substrate 20 is subjected to an alignment process, and the liquid crystal The molecule 31 has a function of giving a predetermined pretilt angle.
  • the vicinity of the second substrate 20 is an area where the electric field strength is weaker than that of the vicinity of the first substrate 10 and disclination is more likely to occur, but at least near the second substrate 20 as in the second embodiment.
  • the occurrence of disclination can be effectively suppressed by reducing the pretilt angle with respect to the liquid crystal molecules 31.
  • FIG. 6 is a schematic plan view of one pixel of the liquid crystal display device according to the third embodiment.
  • the width of each comb-tooth portion 14a of the pixel electrode 14 is preferably 2 ⁇ m to 7 ⁇ m.
  • the width of the adjacent comb tooth portion (slit) 14b is preferably 2 ⁇ m to 7 ⁇ m. If the slit width is less than 2 ⁇ m, the substantial transmission portion may be reduced, and if it is greater than 7 ⁇ m, the fringe electric field may be weakened and switching of liquid crystal molecules may be delayed.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 7 is a schematic plan view of one pixel of the liquid crystal display device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device along line CD in FIG. 7 when no voltage is applied. is there.
  • 9 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device according to the fourth embodiment when a vertical electric field is generated, and
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device according to the fourth embodiment when a horizontal electric field is generated.
  • FIG. 7 is a schematic plan view of one pixel of the liquid crystal display device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device along line CD in FIG. 7 when no voltage is applied. is there.
  • 9 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device according to the fourth embodiment when a vertical electric field is generated
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal display device according to the fourth embodiment when a horizontal electric field is
  • FIG. 11 is an enlarged schematic plan view between electrodes when a horizontal electric field is generated in the liquid crystal display device according to the fourth embodiment. 9 and 10, the arrow indicates the direction of the electric field, and in FIG. 10, the solid line in the liquid crystal layer 30 indicates the transmittance.
  • the liquid crystal molecules 31 are aligned perpendicular to the substrate surface.
  • the liquid crystal molecules 31 are aligned horizontally with respect to the first and second substrates 10 and 20, and when this state is viewed in plan, the liquid crystal molecules 31 are as shown in FIG. It is oriented parallel to the longitudinal direction of the comb-teeth portion of the pixel electrode.
  • the liquid crystal molecules 31 rotate horizontally with respect to the substrate surface, and when this state is viewed in plan, the liquid crystal molecules 31 are formed at the comb-teeth portion of the pixel electrode as shown in FIG.
  • Evaluation Test 1 In Evaluation Test 1, the occurrence of disclination during white display was examined by simulation assuming different slit widths. A planar image and a cross-sectional image of the liquid crystal cell were produced using an alignment simulator “LCDMaster” manufactured by Shintech. The simulation was performed under the conditions that the pretilt angle with respect to the first substrate and the second substrate was 89.9 °, and the orientation of the alignment treatment was 7 ° with respect to the axis perpendicular to the longitudinal direction of the comb-tooth portion.
  • the electrode width of the comb-teeth portion of the pixel electrode is also referred to as L
  • the slit width is also referred to as S.
  • the solid line of each cross-sectional image represents an equipotential line.
  • the liquid crystal molecules are uniformly aligned in the light transmission region (b) near the center between the comb-teeth portions of the pixel electrode.
  • the orientation of the liquid crystal molecules is non-uniform and disclination occurs along the outer edge of the comb-tooth portion.
  • the area (a) has a low slit width because the slit width is wide and the electric field is weak, so the liquid crystal molecules are not affected by the horizontal electric field and are not horizontally rotated.
  • the liquid crystal molecules 32 aligned in the direction inclined by 45 ° with respect to the polarization axis, and the longitudinal direction of the comb-tooth portion of the pixel electrode are substantially the same.
  • Liquid crystal molecules 33 aligned in parallel are mixed. 12, 13, and 15, it can be seen that the orientation of the liquid crystal molecules is reversed along the outer edge of the comb-tooth portion of the pixel electrode in the vicinity of the center in the cell thickness direction surrounded by the dotted line.
  • the liquid crystal display device since a horizontal electric field is formed during white display, the electric field in the vicinity of the comb tooth portion of the pixel electrode becomes strong, and the electric field becomes weaker as the distance from the comb tooth portion of the pixel electrode increases.
  • the liquid crystal molecules near the comb teeth of the pixel electrode are strongly affected by the lateral electric field and rotate horizontally, but the liquid crystal molecules between the comb teeth of the pixel electrode are more responsive than the liquid crystal molecules near the comb teeth of the pixel electrode. It is considered that the liquid crystal molecules collide with each other and disclination occurs.
  • the liquid crystal molecules near the second substrate surface have a larger pretilt angle than the liquid crystal molecules near the center in the cell thickness direction because the lateral electric field is weak, but the influence of the regulating force of the alignment film is strong. . Since liquid crystal molecules rotate more easily when the pretilt angle is closer to the vertical, collisions occur between the liquid crystal molecules near the second substrate surface and the liquid crystal molecules near the center in the cell thickness direction, causing disclination. It is done.
  • the discrete area surrounded by the dotted lines in FIGS. 12, 13, and 15 is located near the center in the cell thickness direction and closer to the second substrate along the outer edge of the comb-tooth portion of the pixel electrode.
  • National is thought to occur.
  • the relationship between the alignment state of liquid crystal molecules during white display and the pretilt angle was examined.
  • a voltage at which the highest transmittance was obtained in FIG. 16 was applied between the pixel electrode and the first common electrode. 17 to 26, the pretilt angles with respect to the first substrate and the second substrate are 89.9 °, 85 °, 80 °, 75 °, 70 °, 65 °, 60 °, 45 °, 40 °, 2 °. It is the plane image and cross-sectional image of each liquid crystal cell in a certain case.
  • the lower the pretilt angle the narrower the region where the orientation is non-uniform along the outer edge of the comb-tooth portion of the pixel electrode, and the disclination is suppressed.
  • the pretilt angle exceeds 80 °, the lighting area width becomes wide, but disclination occurs.
  • the cross-sectional images of FIGS. 17 and 18 when the pretilt angle is larger than 80 °, the inversion of the liquid crystal molecules as in the portion surrounded by the dotted line is noticeable, but the cross-sectional images of FIGS.
  • the smaller the pretilt angle the more uniform the alignment of the liquid crystal molecules along the outer edge of the comb portion of the pixel electrode.
  • the liquid crystal molecules are perpendicular to the substrate surface when the pretilt characteristic is not given.
  • the liquid crystal molecules are more easily rotated as they are perpendicular to the substrate surface, there are many disclinations near the center in the cell thickness direction along the outer edge of the comb-tooth portion of the pixel electrode. It is thought to occur.
  • the effect that the occurrence of disclination can be suppressed by reducing the pretilt angle can be obtained similarly when the slit width is narrowed. Therefore, by reducing the pretilt angle of the liquid crystal molecules with respect to the first substrate and the second substrate, the disclination observed along the outer edge of the comb-tooth portion of the pixel electrode as seen in the planar images of FIGS. In addition, when the slit width is narrow, the entire surface between the comb-teeth portions of the pixel electrode can be turned on to achieve high transmittance.
  • the equipotential surface between the comb tooth portions of the pixel electrode is affected by the first common electrode.
  • the equipotential surface is horizontal to the substrate surface.
  • the equipotential surface rises from the horizontal with respect to the substrate surface and has a slightly lower gradation. I found out that

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Abstract

縦電界と横電界とを利用する表示モードにおいて、良好な表示特性を有する液晶表示装置を提供する。互いに対向して設けられた第一基板及び第二基板と、該第一及び第二基板間に挟持された液晶層とを備え、該液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶分子を含有し、該第一基板は、平板状の第一の共通電極と、絶縁膜と、該絶縁膜を介して該第一の共通電極とは異なる層に設けられた画素電極とを備え、該画素電極は、櫛歯構造を有し、該第二基板は、平板状の第二の共通電極と、液晶分子の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜とを備え、最も高い階調のときに、第一の共通電極と第二の共通電極との間の電位差が、第一の共通電極と画素電極との間の電位差より大きくなるように設定されている液晶表示装置である。

Description

液晶表示装置
本発明は、液晶表示装置に関する。より詳しくは、誘電率異方性が負の液晶に対し、縦電界を印加することで黒表示とし、さらに横電界を印加することで白表示とする液晶表示装置に関するものである。
液晶表示（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）パネルは、複屈折性を有する液晶分子の配向を制御することにより光の透過／遮断（表示のオン／オフ）を制御する機器である。ＬＣＤの液晶配向モードとしては、正の誘電率異方性を有する液晶分子を基板法線方向から見たときに９０°捩れた状態で配向させるＴＮ（Twisted Nematic）モード、負の誘電率
異方性を有する液晶分子を基板面に対して垂直配向させる垂直配向（ＶＡ：Vertical Alignment）モード、正の誘電率異方性を有する液晶分子を基板面に対して水平配向させて液晶層に対し横電界を印加する面内スイッチング（ＩＰＳ：In-Plane Switching）モード及びフリンジ電界スイッチング（ＦＦＳ：Fringe Field Switching）モード等が挙げられる。
ＶＡモードでは、負の誘電率異方性を有する液晶を用いて、基板面に対して垂直配向させた液晶分子を縦電界により横向きに傾けることで表示を行うが、液晶分子を異なる角度で見る場合に液晶分子の見かけ上の複屈折率が変化するため、視野角の狭さが問題となる。
ＩＰＳモードでは、一対の櫛歯電極間に発生した横電界により、液晶分子が電界の向きに水平になろうとする働きを利用して表示を行う。ＦＦＳモードでは、共通電極と、該共通電極上に絶縁膜を介して設けられた画素電極との間に発生した横電界により、液晶分子が電界の向きに水平になろうとする働きを利用して表示を行う。ＩＰＳモード及びＦＦＳモードによれば視野角は改善されるが、ＶＡモード並みのコントラスト比を得ることは難しくなる。
また、近年、ＩＰＳモードやＦＦＳモードのように横電界を利用して表示を行う液晶表示装置において、従来の横電界に加え縦電界を発生させることで、液晶の駆動を制御するという新たな試みもなされている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
特開２００２－２３１７８号公報 特開２０００－３５６７８６号公報
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、縦電界と横電界とを利用する表示モードにおいて良好な表示特性を有する液晶表示装置を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、初期配向が垂直配向であり、かつ誘電率異方性が負の液晶を含有する液晶層を備える液晶表示装置において、一方の基板に、平板状の第一の共通電極と、絶縁膜を介して該第一の共通電極と異なる層に設けられた画素電極とを設け、更に、液晶層を挟んで対向する基板に第二の共通電極を設けることで、計三種の電極を一つの液晶表示装置内に配置する構造に着目した。
そして、画素電極と第二の共通電極との間、及び、第一の共通電極と第二の共通電極との間に電圧を印加することにより、該液晶層内に縦電界（液晶層の厚み方向に形成される電界）を形成して、液晶分子を基板面に対して水平に配向させることで、黒表示を得るとともに、更に、上記電圧を印加した状態で、第一の共通電極と第二の共通電極との間の電位差が、第一の共通電極と画素電極との間の電位差より大きくなるように、画素電極と第一の共通電極との間に電圧を印加することで、液晶分子を基板面に対して水平に配向させたまま、該液晶層内に横電界（フリンジ電界）を形成し、白表示を得ることができることを見出した。
また、本発明者らは、鋭意検討を行った結果、配向処理を少なくとも対向基板側に行い、垂直配向膜のプレチルト特性を変化させることで、液晶の配向乱れ（以下、ディスクリネーションともいう。）の発生を抑制し、優れた表示特性を有する液晶表示装置を得ることができることを見出した。
この方法によれば、ＶＡモードやＦＦＳモードとは異なる表示方式で、かつ良好な表示特性を有する液晶表示装置が得られることになる。
すなわち、本発明の一側面は、互いに対向して設けられた第一基板及び第二基板と、該第一及び第二基板間に挟持された液晶層とを備え、該液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶分子を含有し、該第一基板は、平板状の第一の共通電極と、絶縁膜と、該絶縁膜を介して該第一の共通電極とは異なる層に設けられた画素電極とを備え、該画素電極は、櫛歯構造を有し、該第二基板は、平板状の第二の共通電極と、液晶分子の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜とを備え、最も高い階調のときに、第一の共通電極と第二の共通電極との間の電位差が、第一の共通電極と画素電極との間の電位差より大きくなるように設定されている液晶表示装置である。
本発明の液晶表示装置の構成としては、このような構成要素を必須として形成されるものである限り、液晶表示装置に通常用いられるその他の構成要素を適宜適用することができる。また、上記配向処理は、更に、第一基板に対して成されてもよく、すなわち、上記第一基板もまた、液晶分子の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜を備えていてもよい。
上記液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶分子を含有する。該液晶分子は、電圧印加時には、電界の向きと直交する方向に倒れる特性を有する。
上記画素電極は、櫛歯構造を有し、絶縁膜を介して上記第一の共通電極とは異なる層に設けられる。このような構成とすることで、画素電極と第一の共通電極との間にフリンジ電界を形成することができる。上記櫛歯構造は、言い換えれば、画素電極に複数本のスリットが形成された構造である。上記櫛歯構造の具体例としては、例えば、（ｉ）スリットの一端が開放され、スリットの他端が閉じられた構造、及び、（ｉｉ）スリットの両端が閉じられた構造が挙げられる。
上記第一の共通電極及び上記第二の共通電極には、それぞれ異なる大きさの共通電位が供給される。これにより、第二の共通電極と上記第一の共通電極との間、及び、第二の共通電極と上記画素電極との間に電位差が生じ、縦電界が形成される。
上記第二基板は、液晶の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜を備える。配向膜材料は、有機材料及び無機材料のいずれであってもよく、また、光
活性材料であってもよい。配向処理はラビング法、光配向法等によって行うことができ、液晶分子の方位を規定する。「液晶分子の方位」とは、基板を平面視した場合の液晶分子の長軸方向を表す。なお、ここでの「配向処理」とは、同時に、垂直配向膜のプレチルト特性を変化させ、少なくとも第二基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角を９０°よりも小さくさせるものを意味する。「傾斜角」は、液晶分子の長軸と基板面とがなす角度を０°～９０°の範囲で表したものであり、電圧無印加時における液晶分子の各基板に対する傾斜角の平均を「平均初期傾斜角」といい、以下、単純に「プレチルト角」ともいう。これにより、液晶分子の反転を抑制し、ディスクリネーションの発生を抑制することができる。
上記液晶表示装置は、最も高い階調のときに、第一の共通電極と第二の共通電極との間の電位差が、第一の共通電極と画素電極との間の電位差より大きくなるように設定されている。これにより、液晶分子を基板面に対して水平に配向させたまま、白表示とすることができる。最も高い階調とは、表示時の輝度が最も高い状態（白表示状態）をいう。
上記プレチルト角に関して、具体的には、上記第二基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は７０°以下であることが好ましい。また、同様の観点から、上記第一基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は７０°以下であることが好ましい。ディスクリネーションの発生とプレチルト角の大きさとの関係については、後述する評価試験において詳しく述べる。
異なる観点からは、上記第二基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は４０°以下であることが好ましい。また、上記第一基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は４０°以下であることが好ましい。４０°以下であれば、よりなだらかで良好なＶＴ特性を得ることができる。この点についても、後述する評価試験において詳しく述べる。
上記液晶表示装置においては、最も低い階調のときに、上記第一の共通電極と上記画素電極との間の電位差が０．１～１．０Ｖとなるように設定されていることが好ましい。本発明の表示方式においては、これにより、等電位面が基板面に対して水平に近づき、良好な黒表示が得られるので、よりコントラスト比の高い表示を行うことができる。最も低い階調とは、表示時の輝度が最も低い状態（黒表示状態）をいう。
本発明の液晶表示装置が備える上記第一及び第二基板は、液晶層を挟持するための一対の基板であり、例えば、ガラス、樹脂等の絶縁基板を母体とし、絶縁基板上に配線、電極、カラーフィルタ等を作り込むことで形成される。また、垂直電界を維持するため、カラーフィルタ上には凹凸面を平坦化するオーバーコート層（比誘電率εｒ＝３～４）を配置することが好ましい。
上記第一基板はアクティブ素子を備えるアクティブマトリクス基板であることが好適である。
なお、一般的なＶＡモードでは、プレチルト角を小さくすることは、コントラスト比の低下の観点から通常は行わない。一方、本発明では、縦電界により液晶分子を寝かせた状態で黒表示を行っているため、プレチルト角を小さくしてもコントラスト比の低下は起こらない。
また、一般的なＦＦＳモードに対しては、本発明では負の誘電率異方性を有する液晶を用いている点、及び、垂直配向膜を用いている点で相違する。
本発明によれば、縦電界と横電界とを利用する表示方式において良好な表示特性を有する液晶表示装置を得ることができる。
実施形態１に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図。 図１のＡ－Ｂ線に沿った液晶表示装置の電圧無印加時における断面模式図。 実施形態１に係る液晶表示装置の縦電界発生時における断面模式図。 実施形態１に係る液晶表示装置の横電界発生時における断面模式図。 実施形態２に係る液晶表示装置の断面模式図。 実施形態３に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図。 実施形態４に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図。 図７のＣ－Ｄ線に沿った液晶表示装置の電圧無印加時における断面模式図。 実施形態４に係る液晶表示装置の縦電界発生時における断面模式図。 実施形態４に係る液晶表示装置の横電界発生時における断面模式図。 実施形態４に係る液晶表示装置の横電界発生時における電極間の拡大平面模式図。 評価試験１における、Ｌ／Ｓ＝３／３の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像。 評価試験１における、Ｌ／Ｓ＝３／６の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像。 評価試験１における、Ｌ／Ｓ＝３／１０．５の場合の液晶セルの平面模式図及び平面画像。 評価試験１における、Ｌ／Ｓ＝３／２４の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像。 評価試験２における、ＶＴカーブを示したグラフ。 評価試験２における、プレチルト角が８９．９°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が８５°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が８０°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が７５°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が７０°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が６５°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が６０°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が４５°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が４０°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験２における、プレチルト角が２°の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験３における、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が０Ｖである場合の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験３における、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が０．５Ｖである場合の液晶セルの平面画像及び断面画像。 評価試験３における、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が１．０Ｖである場合の液晶セルの平面画像及び断面画像。
以下に実施形態を掲げ、本発明について図面を参照して更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図であり、図２は、図１のＡ－Ｂ線に沿った液晶表示装置の電圧無印加時における断面模式図である。実施形態１の液晶表示装置は、第一基板１０と、第二基板２０と、第一基板１０及び第二基板２０に挟持された液晶層３０とを備える。液晶層３０は、負の誘電率異方性を有する液晶分子３１を含有している。第一基板１０は、支持基板１１、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）６、走査信号線２、データ信号線１、第一の共通電極１２、画素電極１４、第一の共通電極１２と画素電極１４とを電気的に隔離する絶縁膜１３、及び、配向膜１５を備える。第二基板２０は、支持基板２１、第二の共通電極２２、カラーフィルタ、ブラックマトリクス、及び、配向膜２５を備える。
画素電極１４は、走査信号線２とデータ信号線１とで囲まれた領域ごとに設けられている。データ信号線１、走査信号線２及びドレイン引き出し配線４のそれぞれの一部、並びに、半導体層３はＴＦＴ６を構成している。ＴＦＴ６は、スイッチング素子として機能する。画素電極１４は、コンタクトホール５を介して、ＴＦＴ６から伸びるドレイン引き出し配線４と接続されている。走査信号線２に供給される走査信号によりＴＦＴ６がオンの状態になると、半導体層３が導通し、データ信号線１を通じて供給されるデータ信号が画素電極１４に書き込まれる。
実施形態１では、画素電極１４は、スリット１４ｂの一端が開放された櫛歯構造を有する。櫛歯部分１４ａの幅は、２μｍ～７μｍであることが好ましい。また、隣り合う櫛歯部分の間（スリット）１４ｂの幅は、２μｍ～７μｍであることが好ましい。スリット幅が２μｍ未満であると実質的な透過部分が少なくなるおそれがあり、７μｍより広いとフリンジ電界が弱くなり、液晶分子のスイッチングが遅くなるおそれがある。
画素電極１４に対向する櫛歯電極は設けられておらず、画素電極１４及び第一の共通電極１２のみで、横電界（フリンジ電界）を形成することができる。
第一の共通電極１２は第一基板に平板状に形成されており、絶縁膜１３を介して上記画素電極１４が形成されている。絶縁膜１３は感光性樹脂材料等を含む有機膜（比誘電率εｒ＝３～４）、シリコン窒化物等を含む無機膜（比誘電率εｒ＝５～７）等を使用することができる。第一の共通電極１２には、例えば、０Ｖの共通電位が供給される。
第二の共通電極２２は、交流電源と接続されており、対称性を考慮して、例えば－５Ｖ～－１０Ｖ及び＋５Ｖ～＋１０Ｖの共通電位が交互に供給されている。上記第二の共通電極２２に対しては、第二の共通電極２２と第一の共通電極１２との間の電位差が、第一の共通電極１２と画素電極１４との間の電位差より大きくなるように、共通電位が供給されることが好ましい。
配向膜１５、２５は垂直配向膜に対して配向処理が成された膜である。配向処理は、ラビング法、光配向法等により行うことができ、例えば、配向方位が櫛歯部分の長手方向に直交する軸に対して３～１０°の角度θを成すように行う。配向方位が、櫛歯部分の長手方向に直交する軸、すなわち、横電界が発生する方位に対して角度を成すことで、液晶分子の回転方向を一致させることができる。
プレチルト角の大きさは９０°よりも小さい限り特に限定されないが、好ましくは７０°以下であり、より好ましくは４０°以下である。後述するように、プレチルト角が７０°以下であればディスクリネーションの発生が効果的に抑えられ、４０°以下であれば良好なＶＴ特性を得ることができる。なお、プレチルト角の大きさは、垂直配向膜に用いる化合物の側鎖及び主鎖の構造を変更すること、ラビング法による場合はラビング強度を調整すること、光配向法による場合は照射光の強度を調整することで制御することができる。
実施形態１では、第一基板及び第二基板に対しアンチパラレル処理を行うことで、好適に配向方位を規定することができる。例えば、第一基板に対して７°方位に配向処理を行う場合は、第二基板に対しては１８７°方位に配向処理を行う。第一基板及び第二基板の、液晶層と反対側の面上には、それぞれ偏光板が貼り付けられる。両偏光板は、偏光軸が直交するようにして配置されており、一方の基板の偏光軸と配向処理方向とが一致するように配置される。
以下に、実施形態１の液晶表示装置の駆動原理について説明する。
初めに、電圧無印加時について図２を用いて説明する。電圧無印加時とは、第一の共通電極１２、第二の共通電極２２及び画素電極１４のいずれにも電圧が印加されていない状態である。液晶分子３１は、第一及び第二基板１０、２０面に対して、所定のプレチルト角を持って配向している。図２では、第一基板１０及び第二基板２０に対してプレチルト角が８９．９°となるように、配向膜１５、２５に配向処理が成された例を示している。
次に黒表示時について説明する。図３は、実施形態１に係る液晶表示装置の縦電界発生時における断面模式図である。図３において、矢印は電界の向きを示す。黒表示時は、第二の共通電極２２と第一の共通電極１２との間、及び、第二の共通電極２２と画素電極１４との間に電圧を印加し、液晶層内に基板面に対して略垂直な縦電界を発生させる。図３においては、第一の共通電極１２に対して０Ｖ、画素電極１４に対して±０．５Ｖ、第二の共通電極２２に対して±７．５Ｖの電位が供給された例を示している。液晶分子３１は負の誘電率異方性を有するため、縦電界の向きに直交する向きに配向する結果、第一及び第二基板１０、２０に対して水平に配向する。この状態を平面視すると、図１に示すように液晶分子３１は配向処理を行った方位に倒れている。第一基板１０及び第二基板２０のいずれか一方の偏光板の偏光軸を配向処理方位と一致させるとともに、これらの偏光板の偏光軸が直交するように、各偏光板を配置することで、バックライトからの光が遮断され、黒表示となる。
なお、黒表示とするときに、第一の共通電極１２と画素電極１４との間の電位差を、０．１～１．０Ｖとすることで、電極間の等電位面が基板面に対してより平行に近づけることができ、より良好な黒を得ることができる。この点については、後述する評価試験において詳しく述べる。
次に、白表示時について説明する。図４は、実施形態１に係る液晶表示装置の横電界発生時における断面模式図である。図４において、矢印は発生する電界の向きを示し、液晶層３０内の実線は、透過率を示す。白表示時は、第二の共通電極２２と第一の共通電極１２との間、及び、第二の共通電極２２と画素電極１４との間に電圧を印加したまま、画素電極１４と第一の共通電極１２との間に電圧を印加することで、縦電界に加え、横電界を発生させることができる。画素電極１４には、液晶分子３１が水平回転する閾値以上の電圧が、ＴＦＴのスイッチングのタイミングに応じて供給される。図４においては、第一の共通電極１２に対して０Ｖ、画素電極１４に対して±３Ｖ、第二の共通電極２２に対して±７．５Ｖの電位が供給された例を示している。液晶分子３１は横電界に対して垂直に配向しようとする結果、基板面に対して水平に回転する。この状態を平面視すると、図１に示すように液晶分子３１は偏光板の偏光軸に対して角度を持つため、バックライトからの光を透過し、白表示となる。
以上のように、縦電界を形成したまま、更に、横電界を形成することで、液晶表示装置の表示切換えを行うことができる。
以下に、各部材の材料及び製造方法について説明する。
支持基板１１、２１の材料としては、ガラス、プラスチック等の透明な材料が好適に用いられる。配向膜１５、２５は、配向処理が成される前において、膜面に対して液晶分子を垂直に立たせるものである限り、有機配向膜及び無機配向膜のいずれであってもよい。
第一の共通電極１２、第二の共通電極２２及び画素電極１４は、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ）等の透明導電材料、又は、それらの合金を、スパッタリング法等により単層又は複数層で成膜して形成した後、フォトリソグラフィ法等を用いてパターニングすることができる。画素電極１４のスリット１４ｂもまた、パターニングの際に同時に形成することができる。
このようにして作製された第一基板１０及び第二基板２０は、絶縁材料からなる柱状のスペーサを一方の基板に複数設けた後、シール材を用いて互いに貼り合わされる。第一基板１０と第二基板２０との間には液晶層３０が形成されるが、滴下法を用いる場合には、基板の貼合せ前に液晶材料の滴下が行われ、真空注入法を用いる場合には、基板の貼合せ後に液晶材料が注入される。そして、各基板の液晶層３０側と反対側の面上に、偏光板、位相差フィルム等を貼り付けることにより、液晶表示装置が完成する。更に、液晶表示装置に、ゲートドライバー、ソースドライバー、表示制御回路等を実装するとともに、バックライト等を組み合わせることによって、用途に応じた液晶表示装置が完成する。
実施形態１の液晶表示装置の構造は、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて確認及び測定することができる。
液晶分子３１の誘電率異方性は、液晶材料の分子構造を、例えば、ガスクロマトグラフィーにより分析することで確認することができる。
基板に対する液晶分子３１の平均初期傾斜角は、Ｓｈｉｎｔｅｃｈ社製のプレチルト角測定装置を用いて、基板ごとに測定することができる。
垂直配向膜に対して配向処理が成されたか否かは、基板表面に対して拡散紫外光を照射することで、確認することができる。拡散紫外光照射後、液晶分子が垂直配向すれば、液晶分子が配向処理を行う前の配向状態が垂直配向であったことが分かる。
（実施形態２）
実施形態２は、第二基板に対してのみ、液晶の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成されている点以外は、実施形態１と同様である。図５は、実施形態２に係る液晶表示装置の断面模式図である。第一基板１０が備える配向膜１５は、液晶分子３１に対して所定のプレチルト角を付与する機能を有さず、一方、第二基板２０が備える配向膜２５は、配向処理が成され、液晶分子３１に対して所定のプレチルト角を付与する機能を有する。第二基板２０の近くは、第一基板１０の近くと比べて電界の強さが弱く、ディスクリネーションがより発生しやすい領域となるが、実施形態２のように少なくとも第二基板２０の近くの液晶分子３１に対するプレチルト角を小さくしておくことで、ディスクリネーションの発生を効果的に抑制することができる。
（実施形態３）
実施形態３は、スリットの両端が閉じられた櫛歯構造を有する画素電極を用いている点以外は、実施形態１と同様である。図６は、実施形態３に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図である。画素電極１４の各櫛歯部分１４ａの幅は、２μｍ～７μｍであることが好ましい。また、隣り合う櫛歯部分の間（スリット）１４ｂの幅は、２μｍ～７μｍであることが好ましい。スリット幅が２μｍ未満であると実質的な透過部分が少なくなるおそれがあり、７μｍより広いとフリンジ電界が弱くなり、液晶分子のスイッチングが遅くなるおそれがある。実施形態３においても、実施形態１と同様の効果が得られる。
（実施形態４）
実施形態４は、黒表示時における液晶分子の方位が画素電極の櫛歯部分の長手方向に対して平行となるように配向処理を行っている点以外は、実施形態１と同様である。図７は、実施形態４に係る液晶表示装置の１画素分の平面模式図であり、図８は、図７のＣ－Ｄ線に沿った液晶表示装置の電圧無印加時における断面模式図である。図９は、実施形態４に係る液晶表示装置の縦電界発生時における断面模式図であり、図１０は、実施形態４に係る液晶表示装置の横電界発生時における断面模式図である。図１１は、実施形態４に係る液晶表示装置の横電界発生時における電極間の拡大平面模式図である。図９及び１０において、矢印は電界の向きを示し、図１０において、液晶層３０内の実線は、透過率を示す。
図８に示すように、電圧無印加時には、液晶分子３１は基板面に対して垂直に配向している。黒表示時には、図９に示すように、液晶分子３１は第一及び第二基板１０、２０に対して水平に配向し、この状態を平面視すると、図７に示すように、液晶分子３１は画素電極の櫛歯部分の長手方向に平行に配向する。白表示時には、図１０に示すように、液晶分子３１は基板面に対して水平に回転し、この状態を平面視すると、図７に示すように、液晶分子３１は画素電極の櫛歯部分の長手方向に対して４５°又は１３５°を成す方位に回転する。また、隣り合う櫛歯部分の間の中心付近、及び、櫛歯部分上で透過率曲線が落ち込んでいることから、暗線が発生していることが分かる。この状態を拡大視すると、図１１に示すように、液晶分子３１は、櫛歯部分１４ａからスリット１４ｂの中央に向かって２方向から倒れ込むように回転し、隣り合う櫛歯部分１４ａの間の中心付近に、櫛歯部分１４ａの長手方向に沿って暗線７が見られる。
実施形態４では、上述のように暗線が見られたが、それでも全体としては良好な表示特性を有する液晶表示装置を得ることができる。
（評価試験１）
評価試験１では、白表示時におけるディスクリネーションの発生について、異なるスリット幅を想定してシミュレーションによる検討を行った。液晶セルの平面画像及び断面画像はＳｈｉｎｔｅｃｈ社製、配向シミュレータ「ＬＣＤＭａｓｔｅｒ」を用いて作製した。第一基板及び第二基板に対するプレチルト角が８９．９°、配向処理方位が櫛歯部分の長手方向と直交する軸に対して７°である条件でシミュレーションを行った。第一基板及び第二基板には、偏光軸がクロスニコルとなるように偏光板が貼り付けられ、配向処理方位と一方の基板の偏光板の偏光軸が一致するように配置されることを想定している。以下、評価試験では、画素電極の櫛歯部分の電極幅をＬ、スリット幅をＳともいい、例えば、電極幅が３μｍでスリット幅が３μｍの場合を、Ｌ／Ｓ＝３／３と表す。
図１２はＬ／Ｓ＝３／３の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像、図１３はＬ／Ｓ＝３／６の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像、図１４はＬ／Ｓ＝３／１０．５の場合の液晶セルの平面模式図及び平面画像、図１５はＬ／Ｓ＝３／２４の場合の液晶セルの平面模式図、平面画像及び断面画像である。各断面画像の実線は等電位線を表している。
図１２～１５の平面画像に示すように、全てのスリット幅において、画素電極の櫛歯部分の外縁に沿ってディスクリネーションが観察された。また、図１２、１３、１５の断面画像に示すように、全てのスリット幅において、点線で囲んだセル厚方向の中央付近で、画素電極の櫛歯部分の外縁に沿って液晶分子の配向が不均一となっていることが分かる。特に、スリット幅が最も広い２４μｍの場合に顕著に現れ、図１５の平面画像に示すように、画素電極の櫛歯部分間の中央付近の光透過領域（ｂ）では、液晶分子は均一に配向しているが、画素電極の櫛歯部分の近傍領域（ｃ）では液晶分子の配向が不均一となって櫛歯部分の外縁に沿ってディスクリネーションが発生していることがよく分かる。なお、領域（ａ）の部分は、スリット幅が広く電界が弱いため、液晶分子が横電界の影響を受けず、水平回転していないため透過率が低くなっている。
ディスクリネーションの発生について、より詳細に検討すると、図１５の平面画像において、偏光軸に対して４５°方位傾いた方向に配向した液晶分子３２と、画素電極の櫛歯部分の長手方向と略平行に配向した液晶分子３３が混在している。また、図１２、１３、１５の断面画像において、点線で囲んだセル厚方向の中央付近で画素電極の櫛歯部分の外縁に沿って液晶分子の向きが反転していることが分かる。
本発明に係る液晶表示装置では、白表示時は横電界を形成するため、画素電極の櫛歯部分近傍の電界は強くなり、画素電極の櫛歯部分から遠ざかるほど電界が弱くなる。そのため、画素電極の櫛歯部分近傍の液晶分子は、横電界の影響を強く受け水平回転するが、画素電極の櫛歯部分間の液晶分子は画素電極の櫛歯部分近傍の液晶分子より応答速度が遅いため、液晶分子の衝突が起こり、ディスクリネーションが発生すると考えられる。一方で、第二基板面近くの液晶分子は、横電界が弱い一方で、配向膜の規制力の影響が強いため、セル厚方向の中央付近の液晶分子に比べて、より大きなプレチルト角を有する。液晶分子はプレチルト角が垂直に近いほど回転しやすくなるため、第二基板面近くの液晶分子と、セル厚方向の中央付近の液晶分子との間で衝突が起こり、ディスクリネーションが発生すると考えられる。
その結果、図１２、１３、１５の点線で囲んだ、セル厚方向の中央付近であって、かつ第二基板寄りの位置に、画素電極の櫛歯部分の外縁に沿った形で、ディスクリネーションが発生すると考えられる。
（評価試験２）
評価試験２では、画素電極近傍での液晶分子の状態を観察しやすくするため、Ｌ／Ｓ＝３／２４の条件で検討を行った。まず、プレチルト角とＶＴカーブの関係について検討を行った。図１６は、第一基板及び第二基板に対するプレチルト角が、９０°、８５°、８０°、７５°、７０°、６５°、６０°、４５°、４０°、２０°、２°である場合のＶＴカーブを示したグラフである。
図１６に示すように、プレチルト角が大きい場合に、より急峻なグラフが得られ、プレチルト角が小さくなるにつれ、よりなだらかなグラフが得られた。プレチルト角が７０°以下の場合は、電圧の上昇に伴い、透過率は上昇し一定値で安定する良好なＶＴカーブが得られた。また、特にプレチルト角が４０°以下では、ＶＴカーブの変化が緩やかであるため、より良好な階調表示をすることができることが分かった。
次に、白表示時の液晶分子の配向状態と、プレチルト角の関係について検討を行った。画素電極と第一の共通電極との間には、図１６において最も高い透過率が得られた電圧を印加した。図１７～２６は、第一基板及び第二基板に対するプレチルト角が、８９．９°、８５°、８０°、７５°、７０°、６５°、６０°、４５°、４０°、２°である場合の各液晶セルの平面画像及び断面画像である。
図１７～２６の平面画像に示すように、プレチルト角が低くなるほど画素電極の櫛歯部分の外縁に沿って配向が不均一となっている領域が狭くなり、ディスクリネーションが抑制されていることが分かる。プレチルト角が８０°を超えると、点灯領域幅は広くなるが、ディスクリネーションが発生する。また、図１７、１８の断面画像に示すように、プレチルト角が８０°よりも大きいと、点線で囲んだ部分のような液晶分子の反転が顕著に見られるが、図１９～２６の断面画像に示すように、プレチルト角が小さくなるほど画素電極の櫛歯部分の外縁に沿って液晶分子の配向が均一となっていることが分かる。
本発明では、垂直配向膜を用いているため、プレチルト特性を付与しない場合は、液晶分子は基板面に対して垂直となる。評価試験１で検証したように、液晶分子は基板面に対して垂直であるほど回転しやすくなるため、画素電極の櫛歯部分の外縁に沿ってセル厚方向の中央付近でディスクリネーションが多く発生すると考えられる。
評価試験２の結果から、第一基板及び第二基板に対する液晶分子のプレチルト角が小さくなるにつれ、より画素電極の櫛歯部分近傍の液晶分子の反転を抑制し、ディスクリネーションの発生を抑制することができることが分かった。図２１～２６から分かるように、特に、プレチルト角が７０°以下では、画素電極の櫛歯部分近傍の液晶分子の反転はほとんど観察されず、良好で均一な配向となった。
また、プレチルト角を小さくすることでディスクリネーションの発生を抑制することができるという効果は、スリット幅を狭くした場合にも同様に得ることができると考えられる。そのため、液晶分子の第一基板及び第二基板に対するプレチルト角を小さくすることで、図１２～１５の平面画像において見られた、画素電極の櫛歯部分の外縁に沿って観察されたディスクリネーションの発生を抑制し、更に、スリット幅が狭い場合には、画素電極の櫛歯部分間の全面を点灯させ、高い透過率を実現することができる。
（評価試験３）
評価試験３では、黒表示時に画素電極に供給する電位について検討を行った。評価試験２の図１６のＶＴカーブからは、各プレチルト角において、画素電極に０．１Ｖ～１．０Ｖの電位が供給されているときに、最も透過率が低くなることが分かる。図２７～２９はそれぞれ、黒表示時に第一の共通電極と画素電極との間の電位差が０Ｖである場合、０．５Ｖである場合、１．０Ｖである場合の液晶セルの平面画像及び断面画像である。図２７に示すように、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が０Ｖである場合には、電極間の等電位面は基板面に対して水平より下がり、白浮きが発生することが分かった。これは、画素電極の櫛歯部分間の等電位面が第一の共通電極の影響を受けるためと考えられる。図２８に示すように、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が０．５Ｖである場合には、等電位面は基板面に対して水平となることが分かった。また、図２９に示すように、第一の共通電極と画素電極との間の電位差が１．０Ｖである場合には、等電位面は基板面に対して水平より上がり、やや低階調となることが分かった。
評価試験３の結果から、黒表示時に第一の共通電極と画素電極との間の電位差を０．５～０．８Ｖとすることで、等電位面が基板面に対してより水平に近づけることができ、良好な黒表示が得られるため、コントラスト比の高い表示を行うことができることが分かった。
１：データ信号線
２：走査信号線
３：半導体層
４：ドレイン引き出し配線
５：コンタクトホール
６：薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
７：暗線
１０：第一基板
１１、２１：支持基板
１２：第一の共通電極
１３：絶縁膜
１４：画素電極
１４ａ：画素電極の櫛歯部分
１４ｂ：隣り合う櫛歯部分の間（スリット）
１５、２５：配向膜
２０：第二基板
２２：第二の共通電極
３０：液晶層
３１：液晶分子
３２：偏光軸に対して４５°方位傾いた方向に配向した液晶分子
３３：画素電極の櫛歯部分の長手方向と略平行に配向した液晶分子

Claims (7)

  1. 互いに対向して設けられた第一基板及び第二基板と、
    該第一及び第二基板間に挟持された液晶層とを備え、
    該液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶分子を含有し、
    該第一基板は、平板状の第一の共通電極と、絶縁膜と、該絶縁膜を介して該第一の共通電極とは異なる層に設けられた画素電極とを備え、
    該画素電極は、櫛歯構造を有し、
    該第二基板は、平板状の第二の共通電極と、液晶分子の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜とを備え、
    最も高い階調のときに、第一の共通電極と第二の共通電極との間の電位差が、第一の共通電極と画素電極との間の電位差より大きくなるように設定されている
    ことを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記第一基板は、液晶分子の初期配向を垂直配向させる垂直配向膜に対して配向処理が成された膜を備えることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
  3. 前記第二基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は７０°以下であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
  4. 前記第一基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は７０°以下であることを特徴とする請求項３記載の液晶表示装置。
  5. 前記第二基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は４０°以下であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
  6. 前記第一基板に対する液晶分子の平均初期傾斜角は４０°以下であることを特徴とする請求項５記載の液晶表示装置。
  7. 最も低い階調のときに、前記第一の共通電極と前記画素電極との間の電位差が０．１～１．０Ｖとなるように設定されていることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の液晶表示装置。
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