JP2008003372A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホモジニアス配向の半透過反射型の液晶表示装置において、配向制御突起部分のドメイン規制力を強化して、特に左右（水平方向）の視野角特性の非対称性を解消し、高品質の画像表示を実現した液晶表示装置を提供する。
【解決手段】第一基板１１４の画素部に複数の画素に跨って、画素の短辺方向（横方向、走査方向）に延在する線状誘電体突起１１０を有する。液晶層１２１は、誘電率異方性が正で、その液晶分子の初期配向方向が、線状誘電体突起１１０の延在方向に対して８０度から１００度の角度（好ましくは直交：９０度）を有している。共通電極１１９及び第一配向膜１５０は、画素の透過部の略中央に、当該画素の短辺方向に並んだ複数の画素に跨って、当該短辺方向に延在する直線状の凹部１７０、１７２を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、液晶表示装置に係り、特に観察側から入射する光で画像を表示する反射表示モードと観察側と反対側から入射する光で画像を表示する透過表示モードとを備える半透過反射型の液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、薄型で軽量・低消費電力であることから、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯情報端末、携帯電話機、デジタルカメラ等、広範囲の情報端末機器の表示装置として使用されている。

液晶表示装置は、ブラウン管やプラズマディスプレイ装置と異なり、それ自体が発光するのではなく、外部から入射した光の光量を制御して画像等を表示するものである。また、光制御素子として複数色のカラーフィルタを具備させることで多色のカラー画像表示が可能となる。

この種の液晶表示装置は、一対の基板（以下「第一基板と第二基板」ともいう。）の間に液晶層を挟持し、液晶層に印加される電界で液晶層を構成する液晶組成物分子（液晶分子）の分子配向を制御することで電子的な潜像を可視画像とするものである。

液晶表示装置には、その駆動方式により、単純マトリクス型とアクティブ・マトリクス型とに分類される。現行の液晶表示装置は高精細、高速画像表示が可能であることからアクティブ・マトリクス型が主流である。

アクティブ・マトリクス型の液晶表示装置では、第一基板又は第二基板に画素選択のための薄膜トランジスタで代表されるアクティブ素子（スイッチング素子）を有し、また、何れかの基板にカラー表示のための３色に塗り分けたカラーフィルタを有している。

反射型の液晶表示装置は、観察側から入射する光で画像を表示し、半透過型の液晶表示装置は、観察側と反対側から入射する光の透過光と観察側から入射する光を選択的に又は同時に利用可能として画像を表示するものである。

液晶表示装置は自発光型ではないので、電子的潜像を可視光による照明で可視化し、これを観察面に画像光として出射させる必要がある。観察面側から自然光（外光）等の照明光を照射する形式は反射型といい、観察面と反対側から照明光を照射する形式は透過型という。また、観察面側から照明光を照射する形式と観察面と反対側から照明光を照射する形式を兼ね備えたものを半透過型（半透過反射型）という。

この種の従来技術を開示したものとして特許文献１を挙げることができる。液晶配向方式には、誘電率異方性が負のホメオトロピック液晶を用いたホメオトロピック配向方式と誘電率異方性が正のホモジニアス液晶を用いたホモジニアス配向方式の両方があるが、応答時間の観点からは、特許文献１と同様、誘電率異方性が正のホモジニアス液晶を用いる方が有利である。

しかしながら、特許文献１に開示の半透過反射型の液晶表示装置は、上下あるいは左右の視野角特性が非対称であるため、カラー表示では上下あるいは左右の視野角方向で色調ずれが生じる。これを解決する方法としては、画素内で配向を２ドメイン等の複数のドメインに分割して、各ドメインの視野角特性の平均化により、上下あるいは左右の視野角特性の対称化を図る技術がある。誘電率異方性が正の液晶材料を用いたホモジニアス配向方式で、反射表示機能のない透過型液晶表示装置におけるこの種の従来技術を開示したものとしては、特許文献２を挙げることができる。また、垂直配向モードの液晶表示装置に関しては、特許文献３がある。また、本出願人が提案する液晶表示装置として、特許文献４がある。
特開２０００−１８７２２０号公報 特開２００２−７２２０９号公報 特開２００５−１１５１４３号公報 特願２００５−２４７３８６号

液晶層を２ドメイン化する目的は、視野角特性の非対称性を解消することにある。この非対称性を解消するため、本出願人は液晶層に配向制御突起を設けて上下視野角の対称性を改善する方法を提案した（特許文献４）。以下、誘電率異方性が正のホモジニアス液晶を用いた液晶表示装置の既提案の構造を図１、図２を用いて説明する。図１は、誘電率異方性が正のホモジニアス液晶を用いた液晶表示装置を構成する３画素付近の平面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。図１の平面図では、紙面奥行き方向から順に手前方向にバックライト（図示されていない）、図２に示す第二基板１１５、液晶層１２１、第一基板１１４が順に配置された状態を示している。

図２に示した第一基板１１４には、遮光層１１６、カラーフィルタ１１７、カラーフィルタ除去部１４８、オーバーコート膜１１８、第一の線状誘電体突起１０７、第二の線状誘電体突起１１０、共通電極１１９が形成されている。また、第二基板１１５には、信号配線１０１、走査配線１０２、多結晶シリコン層１５８、保護膜１５４、１５５、１５７、ゲート絶縁膜１５６、塗布型絶縁膜１５１、ソース電極１５３、ゲート電極１５２、透明電極１０６、反射電極１４０が形成されている。

第一基板１１４及び第二基板１１５の表面には、液晶分子１２０を配向させるための配向制御膜１５０（第一基板側配向膜）、１５０１（第二基板側配向膜）が形成されており、両基板の間に液晶分子１２０を注入して液晶層１２１を形成することにより液晶表示装置が形成される。各画素は、信号配線１０１と走査配線１０２の交差点毎に配置されており、１１３は画素の長辺方向（上下方向、垂直方向）の画素ピッチを示している。なお、画素の短辺方向（左右方向、水平方向）の画素ピッチは、長辺方向の画素ピッチ１１３の３分の１である。

画素毎にバックライト（図示されていない）からの照明光を透過・変調して画像を表示する透過部と、外光を反射・変調して画像を表示する反射部とが形成されている。各画素の透過部は、透明電極（透明画素電極）１０６を備えており、第一の線状誘電体突起１０７をはさんで第一の透過部１０５と第二の透過部１０８との２つの領域に分割されている。第一の線状誘電体突起１０７は、第一の基板１１４上でかつ共通電極１１９と液晶層１２１との間に位置しており、画素の短辺方向に走査配線１０２と平行に複数画素に跨って配置されている。

反射部１０９には、外光の反射散乱特性を制御するための凹凸構造１１１が形成されている。また、各反射部においては、反射率の高いアルミニウムを主成分とする金属膜により形成された反射電極１４０が形成されている。反射部１０９には、スルーホール１１２が設けられており、反射電極１４０及び透明電極１０６が下層のソース電極１５３と接続されている。なお、支柱１０３は液晶層の厚みを均一に制御するための構造で、スペーサとも呼ばれるものである。

反射部１０９に対応する第一基板１１４上には第二の線状誘電体突起１１０が形成されており、反射部１０９の液晶層１２１の厚みを透過部に比べて約二分の一に制御している。第二の線状誘電体突起１１０は、第一基板１１４上において、オーバーコート膜１１８と共通電極１１９との間に位置する。

保護層１５５の材料は酸化シリコン、保護層１５４の材料は窒化シリコンを用いているが、保護層１５５及び塗布型絶縁膜１５１の屈折率に比べて、保護層１５４の屈折率は大きいため、保護層１５４が透過部に存在すると反射ロスが生じて透過率が減少する。このため、透過部においては保護層１５４を除去している。なお、保護層１５４をパターニングした境界を保護膜１５４のパターニング境界１５９として示している。

次に、液晶配向方向及びチルトアップ方向、線状誘電体突起の配向制御突起としての役割、マルチドメインについて説明する。液晶分子１２０の配向方向は画素の長辺方向に平行でかつ第一基板１１４及び第二基板１１５の夫々に対してほぼ平行なホモジニアス配向である。基板に接する液晶分子の基板表面となす角度であるプレチルト角度は、できる限り小さい方が望ましく、さらに望ましくは０度ないし、２度以下であるとなおよい。

液晶分子のチルトアップ方向は、プレチルト角度が付与されている方向ではなく、第一の線状誘電体突起１０７による配向制御構造の形状と第二の線状誘電体突起１１０により発生する斜め電界によって規定される。チルトアップ方向とは、ある基板上において、棒状の液晶分子が水平状態から一方の端が持ち上がる時の、持ち上がる側のことをここでは示している。プレチルト角度が大きいと配向制御構造により規定されるチルトアップ方向とは逆の方向にチルトアップする現象が生じてしまう。

プレチルト角度０度を実現する手段としては、配向制御膜に偏光した光を照射することにより配向制御能を付与する、いわゆる光配向方式が挙げられる。光配向方式としては、いくつかの方式が知られているが、本発明に用いるべき光配向方式は、配向制御膜に対し所望の液晶配向方向に直交した偏光を照射して配向制御膜に異方性を付与する方式が望ましい。

図２に示す液晶分子１２０は、画素に、ある電圧が印加されてチルトアップしている状態を示している。この構成において、第一の透過部１０５、第二の透過部１０８の夫々において、液晶分子１２０のチルトアップ方向がどのように制御されるのか以下説明する。

図２において、第一の線状誘電体突起１０７は、共通電極１１９と液晶層１２１との間に形成されている。第一の線状誘電体突起１０７表面の液晶分子１２０は、突起の斜面に沿って配向しており、第一の線状誘電体突起１０７表面及びその近傍の液晶分子１２０は、第一基板１１４に対してはプレチルト角度が付与されたのと同様な配向状態になっている。第一の線状誘電体突起１０７の誘電率は、液晶層１２１の誘電率とほぼ同等の材料を用いており、第一基板１１４と第二基板１１５間の電界はほぼ基板に垂直である。その結果、第一の線状誘電体突起１０７の表面及びその近傍の液晶分子のチルトアップ方向は、図２に示すように第一の線状誘電体突起１０７の左右で反対方向となり、図１に示す透過部１０５，１０８は、２つのドメイン領域にマルチドメイン化され、第一の線状誘電体突起１０７の位置に２つのドメイン領域の境界が位置する。

第二の線状誘電体突起１１０は、オーバーコート膜１１８と共通電極１１９との間に形成されており、第二の線状誘電体突起１１０の端部では、印加された電位による電界がひずみ、その結果、基板１１４，１１６の法線方向に対して斜め方向の電界が液晶層１２１に印加される。また、第二の線状誘電体突起１１０の両端では、斜め電界の向きがお互いに逆向きであるため、液晶分子１２０のチルトアップ方向も逆である。

さらに、画素の長辺方向に隣接する画素間においては、間隙が存在することにより、第一の透過部１０５における透明電極１０６と第一基板１１４上の共通電極１１９との間及び隣接画素の第二の透過部１０８における透明電極１０６と第一基板１１４上の共通電極１１９との間には、夫々傾きが反対の斜め電界が発生する。その結果、第二の線状誘電体突起１１０端部近傍の液晶分子１２０のチルトアップ方向は、図２に示すように制御される。

この構成の利点の一つは、マルチドメイン化と高開口率との両立である。第一の線状誘電体突起１０７が位置する領域の電気光学特性は、液晶層１２１の厚みが透過部の厚みと異なることと、２つのドメイン領域の境界が位置することによるひずみが集中するという理由により、透過部１０５，１０８中央の電気光学特性とは異なった振る舞いをする。そのため、黒表示を行う場合に、この領域を露出しておくと黒輝度が上昇してコントラスト比の低下に繋がる。したがって、この液晶表示装置においては、第一の線状誘電体突起１０７は遮光層１１６により遮光されている。

画素を２分割してマルチドメイン化する方法としては、画素の長辺方向に線状誘電体突起を設ける方法も考えられるが、画素内に占める線状誘電体突起の面積が広くなり、これを遮光するための遮光層の占める面積もより大きくなる。なお、第一の線状誘電体突起１０７を、この構成のように画素の短辺方向に配置するのではなく、長辺方向に配置した場合には、この構成に比べて開口率が低下する。

また、この構成のように、第一の線状誘電体突起１０７により、画素の長辺方向にドメイン領域を２分割することにより２ドメイン化して、反射部の液晶層の厚みを制御するために設けられた第二の線状誘電体突起１１０の端面を配向制御にも兼用することができる。このことは、透過開口部の画素全体に占める比率である開口率を確保するためには利点として作用する。

液晶層を２ドメイン化する目的は、視野角特性の非対称性を解消することにある。この非対称性を解消するため、本出願人は上記したように、液晶層に配向制御突起を設けて上下視野角の対称性を改善する方法を提案した。このような構成においては、液晶層に配向制御突起を設けた上下視野角の対称性の改善に伴う荷重印加による試験（いわゆる、押しドメイン試験）での表示異常を低減させる必要がある。押しドメイン試験とは、例えば１０ｍｍ径の圧子を５０Ｎの荷重で点灯表示中の液晶表示パネルに押し付け、荷重開放後の表示異常の有無を確認する試験である。この押しドメイン試験での表示異常は配向制御突起部分のドメイン規制力が弱いことに起因することがわかった。

本発明の目的は、ホモジニアス配向の半透過反射型の液晶表示装置において、配向制御突起部分のドメイン規制力を強化して、特に左右（水平方向）の視野角特性の非対称性を解消し、高品質の画像表示を実現した液晶表示装置を提供することにある。

本発明は、第一基板と、第二基板と、前記第一基板と第二基板との間に挟持された液晶層とを有する液晶表示装置であり、マトリクス配置された複数の画素を有し、前記複数の画素のそれぞれは、画素電極と、透過表示を行う透過部と、反射表示を行う反射部とを有する。そして、前記第一基板は、第一配向膜と、前記第一配向膜と前記第一基板との間に配置された共通電極とを有し、前記第二基板は、第二配向膜と、前記第二配向膜と前記第二基板との間に配置された前記画素電極とを有する。

また、前記第一基板は、前記反射部に、前記画素の短辺方向に並んだ複数の画素に跨って、前記短辺方向に延在する線状誘電体突起を有し、前記液晶層は、誘電率異方性が正で、その液晶分子の初期配向方向が、前記線状誘電体突起の延在方向に対して８０度から１００度の角度を有し、前記共通電極及び前記第一配向膜は、前記透過部の略中央に、前記画素の前記短辺方向に並んだ前記複数の画素に跨って、前記短辺方向に延在する直線状の凹部を設けることができる。

また、本発明は、前記液晶層を構成する液晶分子の誘電率異方性を７〜１２とすることができ、前記液晶層を構成する液晶分子のプレチルト角度を０〜２度とすることができる。

また、本発明の前記第一基板にカラーフィルタを有し、前記カラーフィルタには前記直線状の凹部に対応する位置に直線状の凹部を設けることができる。

また、本発明は、前記第一基板に透明絶縁膜を設け、前記透明絶縁膜の前記直線状の凹部に対応する位置に直線状の凹部を設けることができる。

また、本発明は、前記共通電極の前記直線状の凹部に対応する位置で前記共通電極を欠如した構成とすることができる。

本発明の水平配向で用いるホモジニアス液晶の誘電率異方性Δεは正で、Δε＝７〜１２である。一方、垂直配向（ＶＡ）に用いられるホメオトロピック液晶の誘電率異方性Δεは負で、Δε＝−３〜−５である。一般的に、正の誘電率異方性をもつ液晶の方が誘電率異方性の絶対値は大きい。

本発明のように、ホモジニアス液晶を用いた場合、電圧を印加してから液晶分子の動作が完了するまでの時間「τon」は短く、印加電圧を除去してから液晶分子が初期状態に戻るまでの時間「τoff」は主として液晶の粘度が支配的で、誘電率異方性が負の液晶の方が長い。したがって、本発明の方が垂直配向よりも有利である。

特許文献３では、電極の上に誘電体で形成された配向制御突起で電界を変化させている。これに対し、本発明における凹部は、電極自体の形状を変化させるものであるため、配向制御突起による場合よりも電界の変化が強く、液晶分子に与える影響が大きい。そのため、パネルを押すことでドメイン・ウオールが移動した場合でも、ドメインを制御する力が強いため、凹部の部分で新たにドメインの境界を作り直すことが可能となり、ドメインの移動が規制される。このことは、正の誘電率異方性をもち誘電率異方性の絶対値が大きい液晶を用いることによって、液晶分子への影響力は相乗的に大きくなって、より効果的である。

本発明によれば、押しドメイン規制力が強化され、透過表示におけるコントラスト比及び表示効率が高く、特に水平方向の視野角特性の非対称性を解消し、高品質の画像表示を実現した視野角特性の対象性が良好な半透過液晶表示装置を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例の図面を用いて詳細に説明する。

図３は、本発明の実施例１を説明する図２と同様の１画素付近の断面図である。図３において、図１、図２と同じ符号は同一機能部分に対応し、符号１７０は共通電極１１９の凹部、１７１はカラーフィルタ１１７の凹部、１７２は第一基板側の配向膜１５０の凹部を示す。反射部は薄膜トランジスタ１８０が配置された部分でスルーホール１１２の凹凸構造形成領域にあり、透過部は隣接する薄膜トランジスタとの間にある平坦な透明画素電極１１６の形成領域にある。

以下、実施例１の液晶表示装置を図３の断面図を参照して詳細に説明する。実施例１の液晶表示装置は、第一基板１１４と、第二基板１１５と、前記第一基板１１４と第二基板１１５との間に挟持された液晶層１２１とを有する。そして、第一基板１１４と、第二基板１１５に形成された後述の部材により、複数の画素がマトリクス配置されて構成される。すなわち、前記複数の画素のそれぞれは、透明な画素電極（透明電極とも称する）１０６と反射電極１４０を有しており、透明電極１０６の領域は透過表示を行う透過部を構成し、反射電極１４０の領域は反射表示を行う反射部を構成する。

なお、第一基板１１４は、配向膜（第一基板側配向膜、第一配向膜とも称する）１５０と、前記第一配向膜と前記第一基板との間に配置された共通電極１１９とを有する。前記第二基板１１５は、配向膜（第二基板側配向膜、第二配向膜とも称する）１５０１と、前記第二配向膜１５０１と前記第二基板１１５との間に配置された画素電極１０６とを有している。

第一基板１１４には、前記反射部に、前記画素の短辺方向（図１の紙面横方向：長辺方向１１３と直交する方向）に並んだ複数の画素に跨って、前記短辺方向に延在する線状誘電体突起１１０を有している。液晶層１２１は、誘電率異方性が正で、その液晶分子の初期配向方向が、線状誘電体突起１１０の延在方向に対して８０度から１００度の角度（好ましくは直交：９０度）を有している。実施例１を含め、本発明では９０度として説明する。

共通電極１１９及び第一配向膜１５０は、前記透過部の略中央に、前記画素の前記短辺方向に並んだ前記複数の画素に跨って、前記短辺方向に延在する直線状の凹部１７０、１７２を有している。これらの直線状の凹部１７０、１７２は、カラーフィルタ１１７の直線状の凹部、すなわちオーバーコート膜１１８の凹部１１７の上に位置している。この部分は遮光層１１６の上となる。

また、液晶層１２１を構成する液晶分子の誘電率異方性は７〜１２であり、当該液晶分子のプレチルト角度は０〜２度に設定されている。

以上説明した実施例１により、押しドメイン規制力が強化されて透過表示におけるコントラスト比及び表示効率が高く、特に水平方向の視野角特性の非対称性が解消され、視野角特性の対象性が良好、かつ高品質の画像表示を実現した半透過液晶表示装置が実現される。

図４は、本発明の実施例２を説明する図３と同様の１画素付近の断面図である。図４において、図１乃至図３と同じ符号は同一機能部分に対応し、符号１６６は透明絶縁膜、１７３は透明絶縁膜１１６の欠如部分（透明絶縁膜１１６の凹部）を示す。実施例２は、第一基板１１４の第一配向膜１５０と共通電極１１９の間に、遮光層１１６の上で当該共通電極１１９の凹部１７０と第一配向膜１５０の凹部１７２が形成される部分を欠如した透明絶縁膜１６６を設けた。言い換えれば、この透明絶縁膜１６６の欠如部分１７３で共通電極１１９の凹部１７０と第一配向膜１５０の凹部１７２が形成されている。他の構成は実施例１と同様なので、繰り返しの説明はしない。

以上説明した実施例２によっても、押しドメイン規制力が強化されて透過表示におけるコントラスト比及び表示効率が高く、特に水平方向の視野角特性の非対称性が解消され、視野角特性の対象性が良好、かつ高品質の画像表示を実現した半透過液晶表示装置が実現される。

図５は、本発明の実施例３を説明する図３、図４と同様の１画素付近の断面図である。図５において、図１乃至図４と同じ符号は同一機能部分に対応し、符号１７４は共通電極１１９の凹部（溝）を示す。実施例３では、オーバーコート膜１１８の上層に成膜された共通電極１１９に、画素の短辺方向で複数の画素に跨る直線状の凹部（溝）１７４を設けることで、第一配向膜１５０に凹部１７２を形成した。

以上説明した実施例３によっても、押しドメイン規制力が強化されて透過表示におけるコントラスト比及び表示効率が高く、特に水平方向の視野角特性の非対称性が解消され、視野角特性の対象性が良好、かつ高品質の画像表示を実現した半透過液晶表示装置が実現される。

誘電率異方性が正のホモジニアス液晶を用いた液晶表示装置を構成する３画素付近の平面図である。 図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。 本発明の実施例１を説明する図２と同様の１画素付近の断面図である。 本発明の実施例２を説明する図３と同様の１画素付近の断面図である。 本発明の実施例３を説明する図３と同様の１画素付近の断面図である。

符号の説明

１１１・・・凹凸構造、１１２・・・スルーホール、１１４・・・第一基板、１１５・・・第二基板、１１６・・・遮光層、１１７・・・カラーフィルタ、１１８・・・オーバーコート膜、１１９・・・共通電極、１２１・・・液晶層、１５０・・・配向制御膜、１５１・・・塗布型絶縁膜、１５２・・・ゲート電極、１５３・・・ソース電極、１５４・・・保護膜、１５６・・・ゲート絶縁膜、１５７・・・保護膜、１５８・・・多結晶シリコン層、１７０・・・共通電極の凹部、カラーフィルタの凹部、１７２・・・配向膜の凹部。

Claims (6)

1. 第一基板と、第二基板と、前記第一基板と第二基板との間に挟持された液晶層とを有する液晶表示装置であって、
   マトリクス配置された複数の画素を有し、前記複数の画素のそれぞれは、画素電極と、透過表示を行う透過部と、反射表示を行う反射部とを有し、
   前記第一基板は、第一配向膜と、前記第一配向膜と前記第一基板との間に配置された共通電極とを有し、
   前記第二基板は、第二配向膜と、前記第二配向膜と前記第二基板との間に配置された前記画素電極とを有し、
   前記第一基板は、前記反射部に、前記画素の短辺方向に並んだ複数の画素に跨って、前記短辺方向に延在する線状誘電体突起を有し、
   前記液晶層は、誘電率異方性が正で、その液晶分子の初期配向方向が、前記線状誘電体突起の延在方向に対して８０度から１００度の角度を有し、
   前記共通電極及び前記第一配向膜は、前記透過部の略中央に、前記画素の前記短辺方向に並んだ前記複数の画素に跨って、前記短辺方向に延在する直線状の凹部を有することを特徴とする液晶表示装置。
2. 請求項１において、
   前記液晶層を構成する液晶分子の誘電率異方性が７〜１２であることを特徴とする液晶表示装置。
3. 請求項１又は２の何れかにおいて、
   前記液晶層を構成する液晶分子のプレチルト角度が０〜２度であることを特徴とする液晶表示装置。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、
   前記第一基板はカラーフィルタを有し、
   前記カラーフィルタは、前記直線状の凹部に対応する位置に直線状の凹部を有することを特徴とする液晶表示装置。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、
   前記第一基板は透明絶縁膜を有し、
   前記透明絶縁膜は、前記直線状の凹部に対応する位置に直線状の凹部を有することを特徴とする液晶表示装置。
6. 請求項１乃至３の何れかにおいて、
   前記共通電極は、前記直線状の凹部に対応する位置では前記共通電極が欠如していることを特徴とする液晶表示装置。
   
   

Images