JP2008164982A

JP2008164982A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JP2008164982A
Application number: JP2006354996A
Authority: JP
Inventors: Yuji Hayata; 祐二早田
Original assignee: Kyocera Display Corp
Current assignee: Kyocera Display Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-17

Abstract

【課題】電圧印加時の配向乱れを低減して液晶の配列をより均一にでき、画素内の明るさを向上させることができるＶＡ型の液晶表示素子を提供する。
【解決手段】Ｆ電極１２１の幅（線幅）は１９６μｍである。それぞれのＦ電極１２１（電極Ｐ）の長手方向に沿う縁部ｐと、隣接するＦ電極１２１（電極Ｑ）の長手方向に沿う縁部であって電極Ｐに近い側の縁部ｑとの間の距離（線間）は、４μｍ以下である。また、Ｒ電極１４１の線幅は１９６μｍである。それぞれのＲ電極１４１（電極Ｓ）の長手方向に沿う縁部ｓと、隣接するＲ電極１４１（電極Ｔ）の長手方向に沿う縁部であって電極に近い側の縁部ｔとの間の距離（線間）は、４μｍ以下である。線間を４μｍにした場合には、電圧印加時の液晶の配列方向はほぼ揃っている。その結果、画素内の透過率が高くなる。
【選択図】図７

Description

本発明は、液晶の初期配向が垂直配向である液晶表示素子に関し、特に、配向乱れを減少させることができる液晶表示素子に関する。

液晶表示素子として、電圧が印加されないときの液晶層における液晶（液晶分子）の配向（初期配向）が基板面に対して略垂直である垂直配向（ＶＡ：Vertical Alignment ）である液晶表示素子（ＶＡ型の液晶表示素子）がある。ＶＡ型の液晶表示素子では、誘電異方性が負である液晶が用いられる。そして、液晶層に電圧を印加することによって、液晶を、寝た状態（基板面に対して水平に近づく状態）にさせる（例えば、特許文献１参照。）。ＶＡ型の液晶表示素子は、ＴＮ（Twisted Nematic ）型の液晶表示素子やＳＴＮ（Super Twisted Nematic ）型の液晶表示素子と比較すると、応答性が高まり、高コントラストの表示を実現できる（例えば、特許文献２参照。）。

電圧が印加されないときの液晶の配向が基板に対して完全に垂直である場合には、電圧が印加されたときの液晶が傾く方向を規定することができない。その結果、液晶の配向が一様にならず表示品位が低下する。よって、何らかの方法で、プレチルトを付けるか、電極形状を工夫して液晶が傾く方向を規定する必要がある。プレチルトを付ける方法または電極形状を工夫して液晶が傾く方向を規定する方法として、印加電圧による電界方向を基板面に対して斜めにする斜め電界法、電極等にリブ構造を設けるリブ法、酸化珪素（ＳｉＯ_２）を基板に斜めに蒸着する斜め蒸着法等がある。また、垂直配向製の配向膜にラビング処理を施すことによって液晶の配向方向を規定することもできる。

特開２００３−２０７７８２号公報（段落０００２−０００４）特開２００６−１１３６２号公報（段落００１４）

図１１（Ａ）は、一般的なＶＡ型の液晶表示素子の構成例を示す分解斜視図である。液晶表示素子１は、ガラス等の２枚の基板（図示せず）間に形成され、視認側（前側）から前側（Ｆ）偏光板１１、多数の電極からなるＦ電極部１２、液晶層１３、多数の電極からなる後側（Ｒ）電極部１４およびＲ偏光板１５が積層された構造を有する。

図１１（Ｂ）は、Ｆ電極部１２およびＲ電極部１４のみを前側から眺めた場合の平面図である。図１１（Ｂ）に示すように、Ｆ電極部１２における複数のＦ電極１２１とＲ電極部１４における複数のＲ電極１４１とが交差するように配されている。なお、図１１（Ｂ）に示す例では、Ｆ電極１２１は横方向に伸び、Ｒ電極１４１は縦方向に伸びている。また、液晶表示素子１は、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）などの能動素子を有していないパッシブ型の液晶表示素子である。

図１２は、液晶層１３においてＦ電極１２１とＲ電極部１４とが交差する領域に形成される１つの画素を示す平面図である。以下、基板の平面に直交する方向をＺ方向とし、Ｆ電極１２１が伸びる方向すなわちＦ電極１２１の長手方向をＸ方向とし、Ｒ電極１４１が伸びる方向すなわちＲ電極１４１の長手方向をＹ方向とする。図１２には、電圧非印加時には、液晶層１３における液晶が垂直配向していることが示されている。Ｆ偏光板１１とＲ偏光板１５とは、各偏光板の吸収軸のそれぞれが直交するように配置されているので、図１２に示す状態では、黒表示が視認される。

液晶層１３に電圧を印加すると液晶は傾斜し、液晶の複屈折性により透過率が上昇する。液晶層１３への電圧印加時に液晶の配列を均一にさせるように液晶層１３に斜め電界を生じさせるのであるが、上記の特許文献１にも記載されているように（特許文献１の段落０００４−０００５参照）、斜め電界によって全体としては均一な配列が得られるが、局所的に配向の不均一（配向乱れ）が生ずることが知られている。配向乱れが生じている部分では透過率が低下する。

図１３は、電圧印加時の配向乱れを説明するための画素の模式図である。図１３（Ａ）には、液晶層１３のＺ方向における中央部における基板面と平行な面での１画素内の液晶の配列方向の例が示されている。図１３において、白抜きの矢印の向きが、液晶の配向方向を示している。図１３（Ｂ）には、１画素のＹ方向の断面における液晶の配列方向の例が示されている。図１３（Ｂ）における右側が、図１３（Ａ）における上側に相当する。図１３（Ｃ）には、１画素のＸ方向の断面における液晶の配列方向の例が示されている。以下、図１３（Ａ）に示されたものをＺ断面、図１３（Ｂ）に示されたものをＹ断面、図１３（Ｃ）に示されたものをＸ断面という。

Ｚ断面において、図１３（Ａ）における上側、下側および右側において、配向乱れが生じている（図１３（Ｄ）参照）。特に、液晶層１３のＺ方向の中央部において、画素における上側部分および下側部分では、液晶の配向方向は、Ｒ電極１４１の斜め電界の影響を受けて、Ｒ電極部１４の方向に傾こうとする配向乱れを生じ、偏光板の吸収軸またはそれに直交する方向に近づくので透過率が低下する。図１３において、破線は、電圧非印加時の透過率に対する、電圧印加時の液晶表示素子１の画素内の相対的な透過率を示す。

また、画素における右側部分では、液晶の配向方向は、Ｆ電極１２１の斜め電界の影響を受けて、液晶が本来傾くべき方向とは逆方向に傾こうとする配向乱れを生じて透過率が低下する。なお、本明細書では、液晶が逆方向に傾いている領域をドメインという。また、配向乱れが生じている領域には、ドメイン（この例では、右側部分）と、傾きの程度が周囲とは異なる領域（この例では、上側部分および下側部分）とがある。

以上のように、ＶＡ型の液晶表示素子では、斜め電界によって局所的に配向乱れが生じ、配向乱れが生じた領域では透過率が低下するので、コントラストが低下するという課題がある。

そこで、本発明は、電圧印加時の配向乱れを低減して液晶の配列をより均一にでき、画素内の明るさを向上させることができるＶＡ型の液晶表示素子を提供することを目的とする。

本発明による液晶表示素子は、表示領域における横方向に配置された複数の第１電極（例えば、Ｆ電極）と、第１電極と交差するように表示領域における縦方向に配置された複数の第２電極（例えば、Ｒ電極）と、第１電極と第２電極との間に設けられ電圧無印加時の液晶の配向が垂直配向である液晶層とを備え、複数の第１電極における各第１電極の長手方向に沿う縁部と、その電極に隣接する第１電極の長手方向に沿う縁部であってその電極に近い側の縁部との間の距離が電圧印加時に斜め電界によって局所的に液晶の配向乱れを生じさせない距離として１〜５μｍとされ、複数の第２電極における各第２電極の長手方向に沿う縁部と、その電極に隣接する第２電極の長手方向に沿う縁部であってその電極に近い側の縁部との間の距離が電圧印加時に斜め電界によって局所的に液晶の配向乱れを生じさせない距離として１〜５μｍとされていることを特徴とする。

複数の第１電極上に形成された配向膜と複数の第２電極上に形成された配向膜とに、反平行ラビング処理が施されていることが好ましい。

本発明によれば、ＶＡ型の液晶表示素子において、斜め電界に起因する配向乱れを低減して液晶の配向をより均一にすることができ、画素の明るさが向上して表示品位を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

本発明による液晶表示素子の全体的な構成は、図１１（Ａ）に示された構成と同じである。すなわち、液晶表示素子１は、ガラス等の２枚の基板間に形成され、視認側（前側）から前側（Ｆ）偏光板１１、Ｆ電極部１２、液晶層１３、後側（Ｒ）電極部１４およびＲ偏光板１５が積層された構造である。図１１（Ａ）では、基板は記載省略されている。

図１は、本発明による液晶表示素子におけるＦ電極部１２およびＲ電極部１４のみを前側から眺めた場合の平面図である。表示領域（視認可能な領域）において、図１に示すように、Ｆ電極部１２における横方向に伸びる短冊状の複数のＦ電極１２１と、Ｒ電極部１４における縦方向に伸びる短冊状の複数のＲ電極１４１とが交差するように配されている。なお、液晶表示素子１は、ＴＦＴなどの能動素子を有していないパッシブ型の液晶表示素子であり、例えば、Ｆ電極部１２を信号電極としＲ電極を走査電極として線順次に駆動される。液晶表示素子１を透過型の液晶表示パネルに適用する場合には、例えば、Ｒ偏光板１５の裏面（後側）にバックライトが設置される。

図１に示すように、Ｆ電極１２１の幅（線幅）は１９６μｍである。それぞれのＦ電極１２１（電極Ｐとする。）の長手方向に沿う縁部ｐと、隣接するＦ電極１２１（電極Ｑとする。）の長手方向に沿う縁部であって電極Ｐに近い側の縁部ｑとの間の距離（線間）は、４μｍ以下である。また、Ｒ電極１４１の線幅は１９６μｍである。それぞれのＲ電極１４１（電極Ｓとする。）の長手方向に沿う縁部ｓと、隣接するＲ電極１４１（電極Ｔとする。）の長手方向に沿う縁部であって電極に近い側の縁部ｔとの間の距離（線間）は、４μｍ以下である。なお、図１には、それぞれ１つのＦ電極１２１およびＲ電極１４１に対して線幅が１９６μｍであることが記されているが、全てのＦ電極１２１およびＲ電極１４１の線幅は１９６μｍである。また、図１には、Ｆ電極１２１とＲ電極１４１のそれぞれについて、１箇所の線間にのみ４μｍ以下であることが記されているが、全ての線間は、同じ距離を有し、全て４μｍ以下である。後述するように、線間は、線幅（または、線間＋線幅）に比べて十分小さいことが好ましいが、製造のしやすさ等の観点から線間は１μｍ程度までは小さくすることができる。

線間が１〜５μｍ（より好ましくは１〜４μｍ）であることが好ましい理由を説明する。以下の説明において、Ｆ電極１２１の線幅とＲ電極１４１の線幅とは等しいとする。

図２は、Ｆ電極１２１およびＲ電極１４１の線幅が１８０μｍであって線間を２０μｍとし（図２（Ｄ）参照）、液晶層１３に２．２Ｖの電圧（駆動電圧）を印加した場合の１つの画素における液晶の配列方向を示す模式図である。図２（Ａ）には、液晶層１３のＺ断面が示され、図２（Ｂ）にＹ断面が示され、図２（Ｃ）にはＸ断面が示されている。図２において、破線は、電圧非印加時の透過率に対する、電圧印加時の液晶表示素子１の相対的な透過率を示す。なお、液晶層１３の物性値等は、後述する実施例における物性値等と同じである。

図２に示すように、駆動電圧が２．２Ｖである場合には、画素の端部において液晶の配向の変化が生じ始めているが、透過率は低いままである。

図３は、Ｆ電極１２１およびＲ電極１４１の線幅が１８０μｍであって線間を２０μｍとし（図３（Ｄ）参照）、液晶層１３に２．５Ｖの電圧（駆動電圧）を印加した場合の１つの画素における液晶の配列方向を示す模式図である。図３（Ａ）には、液晶層１３のＺ断面が示され、図３（Ｂ）にＹ断面が示され、図３（Ｃ）にはＸ断面が示されている。図３において、破線は、電圧非印加時の透過率に対する、電圧印加時の液晶表示素子１の相対的な透過率を示す。なお、液晶層１３の物性値等は、後述する実施例における物性値等と同じである。

図３に示すように、画素の右側部分において、液晶が本来傾くべき方向とは逆方向に傾こうとする配向乱れが生じ始めている。その部分において、ドメインが生じやすいが、画素の上側部分および下側部分における配向乱れの程度は小さい。

図４は、Ｆ電極１２１およびＲ電極１４１の線幅が１８０μｍであって線間を２０μｍとし（図４（Ｄ）参照）、液晶層１３に３．０Ｖの電圧（駆動電圧）を印加した場合の１つの画素における液晶の配列方向を示す模式図である。図４（Ａ）には、液晶層１３のＺ断面が示され、図４（Ｂ）にＹ断面が示され、図４（Ｃ）にはＸ断面が示されている。図４において、破線は、電圧非印加時の透過率に対する、電圧印加時の液晶表示素子１の相対的な透過率を示す。なお、液晶層１３の物性値等は、後述する実施例における物性値等と同じである。

図４に示すように、画素の右側部分においてドメインが生じている。その結果、図４（Ｃ）の右側において、透過率が大きく低下する部分が生ずる。また、画素の上側部分および下側部分において配向乱れが生じている。その結果、図４（Ｂ）の左右両側において、透過率が大きく低下する部分が生ずる。図２〜図４の模式図に示す様子はシミュレーションで得られたものであるが、駆動電圧を３．０Ｖにすると、配向乱れが顕著に生ずることがわかる。そこで、以下、駆動電圧を３．０Ｖにして、配向乱れを低減させるための改善策を検討する。

なお、図２〜図４の模式図に示す様子は、配向膜のラビング方向を０°（Ｆ電極１２１の長手方向と同じ方向）にした場合に得られたものであるが、ラビング方向を９０°にした場合には、図５に示すような結果が得られる。すなわち、ラビング方向を９０°にした場合には、Ｚ断面における下側部分にドメインが生ずる。図５において、破線は、電圧非印加時の透過率に対する、電圧印加時の液晶表示素子１の相対的な透過率を示す。なお、液晶層１３の物性値等は、後述する実施例における物性値等と同じである。

図６は、Ｆ電極１２１およびＲ電極１４１の線幅が１９４μｍであって線間を６μｍとし（図６（Ｄ）参照）、液晶層１３に３．０Ｖの電圧（駆動電圧）を印加した場合の１つの画素における液晶の配列方向を示す模式図である。図６（Ａ）には、液晶層１３のＺ断面が示され、図６（Ｂ）にＹ断面が示され、図６（Ｃ）にはＸ断面が示されている。図６において、破線は、電圧非印加時の透過率に対する、電圧印加時の液晶表示素子１の相対的な透過率（透過率変化）を示す。なお、液晶層１３の物性値等は、後述する実施例における物性値等と同じである。

図６に示すように、画素の右側部分においてドメインが生じている。しかし、その領域の大きさは、図４に示された場合に比べると小さい。すなわち、ドメインがやや改善されている。また、画素の上側部分および下側部分での配向乱れの程度が軽減されている。

図７は、Ｆ電極１２１およびＲ電極１４１の線幅が１９６μｍであって線間を４μｍとし（図７（Ｄ）参照）、液晶層１３に３．０Ｖの電圧（駆動電圧）を印加した場合の１つの画素における液晶の配列方向を示す模式図である。図７（Ａ）には、液晶層１３のＺ断面が示され、図７（Ｂ）にＹ断面が示され、図７（Ｃ）にはＸ断面が示されている。図７において、破線は、電圧非印加時の透過率に対する、電圧印加時の液晶表示素子１の相対的な透過率（透過率変化）を示す。なお、液晶層１３の物性値等は、後述する実施例における物性値等と同じである。

線間を４μｍにした場合には、液晶の配列方向はほぼ揃っている。また、ドメインは発生していない。その結果、電圧印加時の画素内の透過率の変化の程度は、図４に示された場合に比べて小さくなっている。具体的には、画素の上側部分、下側部分および右側部分において、透過率は、図４に示された場合に比べると、さほど低下しない。よって、線間を４μｍにすれば、画素全体として明るさが向上することになる。

特に、図８に示すように、線間が２０μｍ（線幅＋線間の１０％）である場合にはドメインが顕著に表れるが（図８（Ａ））、線間を４μｍ（線幅＋線間の２％）にした場合には、ドメインは生じない（図８（Ｂ））。また、線間を小さくしていくほど配向乱れが解消されていくことから（図４〜図７参照）、線間を４μｍ以下（線幅＋線間の２％以下）にした場合には、さらに、配向方向が均一化され、画素の明るさがより向上する。なお、線間を５μｍ（好ましくは４μｍ）以下にすることが重要であり、線幅にはよらないが、線幅が小さい方が明るさは効果的に向上する。

以下、具体的な実施例を説明する。
Ｆ側（視認側、前側）のガラス基板に線幅１９６μｍ、線間４μｍになるようにＦ電極１２１をパターンニングし、Ｒ側（反視認側、後側）のガラス基板に線幅１９６μｍ、線間４μｍになるようにＲ電極１４１をパターンニングした。次いで、垂直性の配向膜をＦ側およびＲ側に成膜し、図９（Ｂ）に示すように、Ｆ側の配向膜およびＲ側の配向膜に対して一方向にアンチパラレル（反平行）ラビング処理を施して、図１０（Ａ）に示すように、プレチルト角を８９．６゜、リタデーションΔｎ・ｄを５３８ｎｍにした。なお、液晶分子が完全に垂直状態にあるときの角度が９０゜である。液晶材料として、図１０（Ｂ）に示すように、屈折率異方性（Δｎ）が０．０８９６、誘電異方性（Δε）が−５．６のものを用いた。図１０（Ａ）に示すように、セルギャップを６．０μｍとした。

偏光板１１，１５として、日東電工株式会社製のＮＰＦ−ＳＥＧ１２２４ＤＵを用いた。図９（Ａ），（Ｃ）に示すように、Ｆ側の配向膜の配向処理方向を基準軸として、視認側から見たときの基準軸からＦ偏光板（第１偏光板）１１の吸収軸までの反時計回りの角度をθ_１とした場合、θ_１＝４５゜になるようにし、Ｒ偏光板（第２偏光板）１５の吸収軸までの反時計回りの角度をθ_２とした場合、θ_２＝１３５゜になるようにした。ここでは、偏光板１１，１５の吸収軸が直交するようにしたが、偏光軸が直交するようにしてもよい。

以上のように作製した液晶表示素子１を、デューティ比１／３２で駆動したところ、良好な視認性が得られた。

なお、液晶層１３のΔｎ・ｄは、２００〜１０００ｎｍであることが好ましい。２００ｎｍより小さい場合にはオン（ＯＮ）の電圧印加時の明るさが低下してコントラストが低下し、１０００ｎｍよりも大きい場合にはオンの電圧印加時に着色して白黒表示が難しくなるからである。また、液晶のプレチルト角は８５〜８９．８゜であることが好ましい。８５゜よりも小さい場合には電圧非印加時やオフ（ＯＦＦ）時の明るさが明るくなってコントラストが低下し、８９．８゜よりも大きくなると、電圧印加時の液晶が傾く方向が一様にならず配向乱れが生ずるからである。

（比較例）
Ｆ側（視認側、前側）のガラス基板に線幅１９０μｍ、線間１０μｍになるようにＦ電極１２１をパターンニングし、Ｒ側（反視認側、後側）のガラス基板に線幅１９０μｍ、線間１０μｍになるようにＲ電極１４１をパターンニングした。その他は、上記の実施例の場合と同様にし、デューティ比１／３２で駆動した。

実施例と比較例とを比較すると、実施例の場合には、電圧印加時の画素の明るさが向上し、視認性は非常に良好であった。その理由は、上記のように、電圧印加時の液晶層１３における中央部において液晶の配向が均一に近くなり、配向乱れによる透過率低下が改善されるからである。なお、比較例の場合には、線幅１９０μｍ、線間１０μｍであるから開口率［Ｆ電極１２１の線幅×Ｒ電極１４１の線幅／（（Ｆ電極１２１の線幅＋Ｆ電極１２１の線間）×（Ｒ電極１４１の線幅＋Ｒ電極１４１の線間））×１００％］は９０．３％であり、実施例の場合には、線幅１９６μｍ、線間４μｍであるから開口率は９６．０％である。従って、実施例では、比較例に比べて開口率が高いのでその分明るさは向上する。しかし、実施例では配向乱れが低減しているので、開口率が向上したことの寄与に加えて、配向乱れの低減に起因した明るさの向上が得られ、比較例に比べて、画素の明るさがより向上している。

本発明は、ＶＡ型の液晶表示素子において、表示品位を向上させるために適用可能である。

本発明による液晶表示素子におけるＦ電極部およびＲ電極部を前側から眺めた場合の平面図。電極の線幅が１８０μｍ、線間が２０μｍ、駆動電圧が２．２Ｖである場合の液晶の配列方向を示す模式図。電極の線幅が１８０μｍ、線間が２０μｍ、駆動電圧が２．５Ｖである場合の液晶の配列方向を示す模式図。電極の線幅が１８０μｍ、線間が２０μｍ、駆動電圧が３．０Ｖである場合の液晶の配列方向を示す模式図。電極の線幅が１８０μｍ、線間が２０μｍ、駆動電圧が３．０Ｖである場合の液晶の配列方向を示す模式図。電極の線幅が１９４μｍ、線間が６μｍ、駆動電圧が３．０Ｖである場合の液晶の配列方向を示す模式図。電極の線幅が１９６μｍ、線間が４μｍ、駆動電圧が３．０Ｖである場合の液晶の配列方向を示す模式図。電極の線幅が１８０μｍで線間が２０μｍの場合の液晶の配列方向と、電極の線幅が１９６μｍで線間が４μｍの場合の液晶の配列方向とを比較する説明図。偏光板の吸収軸方向および配向膜の配向処理方向を示す説明図。パネル仕様および液晶物性値を示す説明図。（Ａ）は一般的なＶＡ型の液晶表示素子の構成例を示す分解斜視図、（Ｂ）はＦ電極部およびＲ電極部を前側から眺めた場合の平面図。１つの画素を示す平面図。電圧印加時の配向乱れを説明するための画素の模式図。

符号の説明

１液晶表示素子
１１Ｆ偏光板
１２Ｆ電極部
１３液晶層
１４Ｒ電極部
１５Ｒ偏光板
１２１Ｆ電極
１４１Ｒ電極

Claims

表示領域における横方向に配置された複数の第１電極と、第１電極と交差するように表示領域における縦方向に配置された複数の第２電極と、第１電極と第２電極との間に設けられ電圧無印加時の液晶の配向が垂直配向である液晶層とを備えた液晶表示素子において、
複数の第１電極における各第１電極の長手方向に沿う縁部と、その電極に隣接する第１電極の長手方向に沿う縁部であってその電極に近い側の縁部との間の距離が電圧印加時に斜め電界によって局所的に液晶の配向乱れを生じさせない距離として１〜５μｍとされ、
複数の第２電極における各第２電極の長手方向に沿う縁部と、その電極に隣接する第２電極の長手方向に沿う縁部であってその電極に近い側の縁部との間の距離が電圧印加時に斜め電界によって局所的に液晶の配向乱れを生じさせない距離として１〜５μｍとされている
ことを特徴とする液晶表示素子。
複数の第１電極上に形成された配向膜と複数の第２電極上に形成された配向膜とに、反平行ラビング処理が施されている
請求項１記載の液晶表示素子。