JP2014145986A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示品位の劣化を抑制する液晶表示装置を提供する。
【解決手段】スリットＳＬが設けられた画素電極ＰＥと、絶縁膜１３を介して複数の画素電極ＰＥと対向した共通電極ＣＥと、を備えたアレイ基板ＡＲと、アレイ基板ＡＲと対向して配置した対向基板ＣＴと、アレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとに保持されたネガ型の液晶材料により形成された液晶層ＬＱと、を備え、液晶層ＬＱはスリットＳＬが延びた方向と略直交する方向に対して１０°以上４５°以下の角度を成して初期配向する液晶分子ＬＭを含む液晶表示装置。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、液晶表示装置に関する。

近年、平面表示装置が盛んに開発されており、中でも液晶表示装置は、軽量、薄型、低消費電力等の利点から特に注目を集めている。特に、各画素にスイッチング素子を組み込んだアクティブマトリクス型液晶表示装置においては、ＩＰＳ（In-Plane Switching）モードやＦＦＳ（Fringe Field Switching）モードなどの横電界（フリンジ電界も含む）を利用した構造が注目されている。このような横電界モードの液晶表示装置は、アレイ基板に形成された画素電極と対向電極とを備え、アレイ基板の主面に対してほぼ平行な横電界で液晶分子をスイッチングする。

特開２００７−８６２０５号公報

本実施形態の目的は、表示品位の劣化を抑制することが可能な液晶表示装置を提供することにある。

実施形態によれば、スリットが設けられた画素電極と、絶縁膜を介して複数の前記画素電極と対向した共通電極と、を備えたアレイ基板と、前記アレイ基板と対向して配置した対向基板と、前記アレイ基板と前記対向基板とに保持されたネガ型の液晶材料により形成された液晶層と、を備え、前記液晶層は前記スリットが延びた方向と略直交する方向に対して１０°以上４５°以下の角度を成して初期配向する液晶分子を含む液晶表示装置が提供される。

図１は、本実施形態における液晶表示装置の構成及び等価回路を概略的に示す図である。 図２は、図１に示した液晶表示パネルのアクティブエリアの断面の一例を概略的に示す図である。 図３は、画素電極の電極部と、液晶分子の初期配向方向との関係の一例を説明するための図である。 図４は、バイアス角と中間調を表示した際の応答速度との関係の一例を説明するための図である。 図５は、本実施形態の液晶表示装置において配向膜厚とバイアス角とを変化させたときの輝度率の一例を説明するための図である。

以下、実施形態の液晶表示装置について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態における液晶表示装置の構成及び等価回路を概略的に示す図である。
すなわち、液晶表示装置は、アクティブマトリクスタイプの液晶表示パネルＬＰＮを備えている。液晶表示パネルＬＰＮは、第１基板であるアレイ基板ＡＲと、アレイ基板ＡＲに対向して配置された第２基板である対向基板ＣＴと、これらのアレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとの間に保持された液晶層ＬＱと、を備えている。このような液晶表示パネルＬＰＮは、画像を表示するアクティブエリアＡＣＴを備えている。このアクティブエリアＡＣＴは、ｍ×ｎ個のマトリクス状に配置された複数の画素ＰＸによって構成されている（但し、ｍ及びｎは正の整数である）。

液晶表示パネルＬＰＮは、アクティブエリアＡＣＴにおいて、ｎ本のゲート配線Ｇ（Ｇ１〜Ｇｎ）、ｍ本のソース配線Ｓ（Ｓ１〜Ｓｍ）などを備えている。ゲート配線Ｇは、例えば、第１方向Ｘに沿って略直線的に延出している。これらのゲート配線Ｇは、第１方向Ｘに交差する第２方向Ｙに沿って交互に並列配置されている。ここでは、第１方向Ｘと第２方向Ｙとは互いに略直交している。ソース配線Ｓは、ゲート配線Ｇと交差している。ソース配線Ｓは、第２方向Ｙに沿って略直線的に延出している。なお、ゲート配線Ｇ、及び、ソース配線Ｓは、必ずしも直線的に延出していなくても良く、それらの一部が屈曲していてもよい。

各ゲート配線Ｇは、アクティブエリアＡＣＴの外側に引き出され、ゲートドライバＧＤに接続されている。各ソース配線Ｓは、アクティブエリアＡＣＴの外側に引き出され、ソースドライバＳＤに接続されている。これらのゲートドライバＧＤ及びソースドライバＳＤの少なくとも一部は、例えば、アレイ基板ＡＲに形成され、コントローラを内蔵した駆動ＩＣチップ２と接続されている。

各画素ＰＸは、スイッチング素子ＳＷ、画素電極ＰＥ、共通電極ＣＥなどを備えている。

なお、本実施形態においては、液晶表示パネルＬＰＮは、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとがアレイ基板ＡＲに形成され、これらの画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に形成される電界を主に利用して液晶層ＬＱの液晶分子をスイッチングする。画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に形成される電界は、第１方向Ｘと第２方向Ｙとで規定されるＸ−Ｙ平面あるいは基板主面に対してわずかに傾いた斜め電界（あるいは、基板主面にほぼ平行な横電界）である。

スイッチング素子ＳＷは、例えば、ｎチャネル薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）によって構成されている。このスイッチング素子ＳＷは、ゲート配線Ｇ及びソース配線Ｓと電気的に接続されている。このようなスイッチング素子ＳＷは、トップゲート型あるいはボトムゲート型のいずれであっても良い。また、スイッチング素子ＳＷの半導体層は、例えば、ポリシリコンによって形成されているが、アモルファスシリコンによって形成されていても良い。

画素電極ＰＥは、各画素ＰＸに配置され、スイッチング素子ＳＷに電気的に接続されている。共通電極ＣＥは、絶縁層を介して複数の画素ＰＸの画素電極ＰＥに対して共通に配置されている。このような画素電極ＰＥ及び共通電極ＣＥは、例えば、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）やインジウム・ジンク・オキサイド（ＩＺＯ）などの光透過性を有する導電材料によって形成されているが、アルミニウムなどの他の金属材料によって形成されても良い。

アレイ基板ＡＲは、共通電極ＣＥに電圧を印加するための給電部ＶＳを備えている。この給電部ＶＳは、例えば、アクティブエリアＡＣＴの外側に形成されている。共通電極ＣＥは、アクティブエリアＡＣＴの外側に引き出され、給電部ＶＳと電気的に接続されている。

図２は、図１に示した液晶表示パネルのアクティブエリアの断面の一例を概略的に示す図である。

アレイ基板ＡＲは、光透過性を有する第１絶縁基板１０を用いて形成されている。ソース配線Ｓは、第１層間絶縁膜１１の上に形成され、第２層間絶縁膜１２によって覆われている。第２層間絶縁膜１２は平坦化膜であって、本実施形態では透明有機絶縁膜である。なお、図示しないゲート配線や補助容量線は、例えば、第１絶縁基板１０と第１層間絶縁膜１１の間に配置されている。共通電極ＣＥは、第２層間絶縁膜１２の上に形成され、第３層間絶縁膜１３によって覆われている。画素電極ＰＥは、第３層間絶縁膜１３の上に形成されている。画素電極ＰＥは、例えば第２方向Ｙに延びたスリットＳＬとスリットＳＬにより互いに離間した複数の電極部ＰＥＡとを有している。共通電極ＣＥは、第３層間絶縁膜１３を介して複数の画素電極ＰＥと対向している。

第１配向膜ＡＬ１は、アレイ基板ＡＲの対向基板ＣＴと対向する面に配置され、アクティブエリアＡＣＴの略全体に亘って延在している。この第１配向膜ＡＬ１は、画素電極ＰＥなどを覆っており、第２層間絶縁膜１２の上にも配置されている。このような第１配向膜ＡＬ１は、水平配向性を示す材料によって形成されている。

対向基板ＣＴは、光透過性を有する第２絶縁基板２０を用いて形成されている。この対向基板ＣＴは、ブラックマトリクスＢＭ、カラーフィルタＣＦ、オーバーコート層ＯＣ、第２配向膜ＡＬ２などを備えている。

ブラックマトリクスＢＭは、各画素ＰＸを区画し、画素電極ＰＥと対向する開口部ＡＰを形成する。すなわち、ブラックマトリクスＢＭは、ソース配線Ｓ、ゲート配線、スイッチング素子などの配線部に対向するように配置されている。ここでは、ブラックマトリクスＢＭは、第２方向Ｙに沿って延出した部分のみが図示されているが、第１方向Ｘに沿って延出した部分を備えていても良い。ブラックマトリクスＢＭは、第２絶縁基板２０のアレイ基板ＡＲに対向する内面２０Ａに配置されている。

カラーフィルタＣＦは、各画素ＰＸに対応して配置されている。すなわち、カラーフィルタＣＦは、第２絶縁基板２０の内面２０Ａにおける開口部ＡＰに配置されるとともに、その一部がブラックマトリクスＢＭに乗り上げている。第１方向Ｘに隣接する画素ＰＸにそれぞれ配置されたカラーフィルタＣＦは、互いに色が異なる。例えば、カラーフィルタＣＦは、赤色、青色、緑色といった３原色にそれぞれ着色された樹脂材料によって形成されている。赤色に着色された樹脂材料からなる赤色カラーフィルタＣＦＲは、赤色画素に対応して配置されている。青色に着色された樹脂材料からなる青色カラーフィルタＣＦＢは、青色画素に対応して配置されている。緑色に着色された樹脂材料からなる緑色カラーフィルタＣＦＧは、緑色画素に対応して配置されている。これらのカラーフィルタＣＦ同士の境界は、ブラックマトリクスＢＭと重なる位置にある。

オーバーコート層ＯＣは、カラーフィルタＣＦを覆っている。このオーバーコート層ＯＣは、カラーフィルタＣＦの表面の凹凸の影響を緩和する。

第２配向膜ＡＬ２は、対向基板ＣＴのアレイ基板ＡＲと対向する面に配置され、アクティブエリアＡＣＴの略全体に亘って延在している。第２配向膜ＡＬ２は、オーバーコート層ＯＣなどを覆っている。このような第２配向膜ＡＬ２は、水平配向性を示す材料によって形成されている。

これらの第１配向膜ＡＬ１及び第２配向膜ＡＬ２には、液晶層ＬＱの液晶分子を所定の方向に初期配向させるための配向処理（例えば、ラビング処理や光配向処理）がなされている。なお、液晶層ＬＱに電圧が印加されていない状態、つまり、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に電位差（あるいは電界）が形成されていない状態（ＯＦＦ時）が初期配向状態に相当し、ＯＦＦ時の液晶分子ＬＭの配向方向が初期配向方向に相当する。

上述したようなアレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとは、それぞれの第１配向膜ＡＬ１及び第２配向膜ＡＬ２が対向するように配置されている。このとき、アレイ基板ＡＲの第１配向膜ＡＬ１と対向基板ＣＴの第２配向膜ＡＬ２との間には、例えば、樹脂材料によって一方の基板に一体的に形成された柱状スペーサが配置され、これにより、所定のセルギャップが形成される。アレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとは、所定のセルギャップが形成された状態で、アクティブエリアＡＣＴの外側のシール材（図示せず）によって貼り合わせられている。

液晶層ＬＱは、アレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとの間に形成されたセルギャップに保持され、第１配向膜ＡＬ１と第２配向膜ＡＬ２との間に配置されている。このような液晶層ＬＱは、誘電率異方性が負（ネガ型）の液晶材料によって構成されている。

アレイ基板ＡＲの外面、つまり、アレイ基板ＡＲを構成する第１絶縁基板１０の外面１０Ｂには、第１光学素子（図示せず）が接着剤などにより貼付される。この第１光学素子は、液晶表示パネルＬＰＮのバックライト（図示せず）と対向する側に位置しており、バックライトから液晶表示パネルＬＰＮに入射する入射光の偏光状態を制御する。この第１光学素子は、第１偏光軸（あるいは第１吸収軸）を有する第１偏光板（図示せず）を含んでいる。

対向基板ＣＴの外面、つまり、対向基板ＣＴを構成する第２絶縁基板２０の外面２０Ｂには、第２光学素子（図示せず）が接着剤などにより貼付されている。この第２光学素子は、液晶表示パネルＬＰＮの表示面側に位置しており、液晶表示パネルＬＰＮから出射した出射光の偏光状態を制御する。この第２光学素子は、第２偏光軸（あるいは第２吸収軸）を有する第２偏光板（図示せず）を含んでいる。

第１偏光板の第１偏光軸と、第２偏光板の第２偏光軸とは、例えば、直交する位置関係（クロスニコル）にある。このとき、例えば一方の偏光板は、例えば、その偏光軸が液晶分子の初期配向方向つまり第１配向処理方向あるいは第２配向処理方向と平行または直交するように配置されている。

図３は、画素電極ＰＥの電極部ＰＥＡと、液晶分子ＬＭの初期配向方向との関係の一例を説明するための図である。

液晶分子ＬＭの初期配向方向は、スリットＳＬが延びた方向或いは電極部ＰＥＡが延びた方向と略直交した方向に対して傾いた方向である。スリットＳＬが延びた方向或いは電極部ＰＥＡが延びた方向に略直交した方向と初期配向方向とが成す角（バイアス角）θは、例えば１０°以上４５°以下の範囲で設定される。バイアス角θは、第１配向膜ＡＬ１および第２配向膜ＡＬ２の配向処理方向により規定される。

上記液晶表示装置において、液晶層ＬＱに電圧が印加されていない状態、つまり、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に電位差（あるいは電界）が形成されていない状態（ＯＦＦ時）には、液晶層ＬＱの液晶分子ＬＭは、その長軸が第１配向膜ＡＬ１の第１配向処理方向及び第２配向膜ＡＬ２の第２配向処理方向を向くように配向している。このようなＯＦＦ時が初期配向状態に相当し、ＯＦＦ時の液晶分子ＬＭの配向方向が初期配向方向に相当する。

バックライト４からのバックライト光は、その一部が第１偏光板ＰＬ１を透過し、液晶表示パネルＬＰＮに入射する。液晶表示パネルＬＰＮに入射した光の偏光状態は、液晶層ＬＱを通過する際に液晶分子ＬＭの配向状態によって異なる。ＯＦＦ時においては、液晶層ＬＱを通過した光は、第２偏光板ＰＬ２によって吸収される（黒表示）。

一方、液晶層ＬＱに電圧が印加された状態、つまり、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に電位差（あるいは電界）が形成された状態（ＯＮ時）では、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に基板と略平行な横電界（あるいは斜め電界）成分が形成される。液晶分子ＬＭは、電界の影響を受け、Ｘ−Ｙ平面と略平行な平面内で回転する。

このようなＯＮ時には、バックライト４から液晶表示パネルＬＰＮに入射したバックライト光は、その一部が第１偏光板ＰＬ１を透過し、液晶表示パネルＬＰＮに入射する。液晶層ＬＱに入射したバックライト光は、その偏光状態が変化する。このようなＯＮ時においては、液晶層ＬＱを通過した少なくとも一部の光は、第２偏光板ＰＬ２を透過する（白表示）。

ここで、バイアス角θは、例えば、液晶層ＬＱにリバースドメインが発生することを防止するために所定の角度に設定される。誘電率異方性が正（ポジ型）の液晶の場合は、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間と、画素電極ＰＥ及び共通電極ＣＥと対向基板ＣＴとの間に生じる縦電界成分によりセルギャップ方向Ｚへ液晶分子ＬＭのダイレクタが変形する傾向があり、所定のバイアス角を設けても、高電圧の印加や押圧によりリバースドメイン発生する可能性があった。一方、ネガ型液晶を採用した液晶表示装置の場合は、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に生じる縦電界成分によりセルギャップ方向Ｚへ液晶分子ＬＭのダイレクタの変形が略ない為、リバースドメインについてはポジ型液晶に対して良好な結果が得られた。

すなわち、ネガ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置の場合、ポジ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置に比べ、画素電極ＰＥおよび共通電極ＣＥに電圧印加したときにセルギャップ方向Ｚ（ティルト角）に配向する液晶分子が少ない。そのため、ネガ型液晶を採用した場合にはバイアス角θが小さくてもリバースドメインは生じ難い。
なお、ポジ型液晶を採用した液晶表示装置において、バイアス角θは画素電極のスリットが延びた方向に対する液晶分子の初期配向方向の角度である。

しかしながら、ネガ型液晶は、ポジ型液晶に比べると低粘度の液晶材料の合成が困難である。例えば、共通の条件下において、ＦＦＳモードの液晶表示装置にネガ型液晶を適用して中間調を表示した際の応答速度は、ＦＦＳモードの液晶表示装置にポジ型液晶を適用した場合より遅くなる傾向がみられた。この傾向は、中間調の表示をした際に顕著であって。

上記事情を鑑みて、本願発明者は、ネガ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置において、バイアス角θを１０°以上にすることで、中間調を表示した際の応答速度を改善することができることを見出した。

また、本願発明者は、ネガ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置は、ポジ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置に対して、配向膜の膜厚に対する感度が高く、輝度ムラが生じやすかったが、バイアス角θを１０°以上とすることで、輝度ムラの発生が抑制されることを見出した。

図４は、バイアス角θと中間調を表示した際の液晶の応答時間との関係の一例を説明するための図である。なお、液晶の応答時間は、例えば、所定の電圧を印加してから液晶分子の配向状態が安定するまでに要する時間であって、ここでは、ポジ液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置における中間調表示の際の応答時間（バイアス角を所定値に固定）を基準として、ネガ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置における中間調表示の際の応答時間比（（ネガ型液晶採用時の応答時間−ポジ型液晶採用時の応答時間（バイアス角を所定値に固定））／ポジ液晶採用時の応答時間（バイアス角を所定値に固定））で示している。

ネガ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置においてバイアス角θを１０°としたときには、ポジ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置と比較しても、十分な表示品位が得られる程度の応答時間であった。ネガ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置において、バイアス角θを例えば１０°以上としたとき、バイアス角θが大きくなるほど中間調を表示した際の応答時間が短くなった。

すなわち、本実施形態によれば、上記のようにネガ型液晶の応答速度を改善することができ、表示品位の劣化を抑制することが可能な液晶表示装置を提供することができる。

図５は、本実施形態の液晶表示装置において配向膜厚とバイアス角とを変化させたときの輝度率の一例を説明するための図である。図５では、実線でネガ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置の輝度率の一例を示し、破線でポジ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置の輝度率の一例を示している。なお、輝度率は配向膜厚の変化量が±０ｎｍであるときを基準（輝度率＝０％）として、その値に対する変化した輝度の割合を輝度率として縦軸に示している。

配向膜厚を−５ｎｍとしたとき、配向膜厚の変化量が±０ｎｍの時と比較して輝度が高くなる。配向膜厚を−５ｎｍとしたとき、バイアス角θが大きくなる程ネガ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置の輝度率は小さくなった。バイアス角θを１９°に設定したときに、ネガ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置の輝度率と、ポジ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置の輝度率とが略等しくなった。

配向膜厚を＋５ｎｍとしたとき、配向膜厚の変化量が±０ｎｍの時と比較して輝度が低くなる。配向膜厚を＋５ｎｍとしたとき、ネガ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置の輝度率は、バイアス角θが大きくなるにつれて大きくなる。バイアス角θを１９°に設定したときに、ネガ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置の輝度率と、ポジ型液晶を採用したＦＦＳモードの液晶表示装置の輝度率とが略等しくなった。

この結果によれば、バイアス角θが大きくなるほど、ネガ型液晶を採用したときとポジ型液晶を採用したときとの輝度率の差が小さくなり、バイアス角θが１９°としたときにはネガ型液晶を採用したときとポジ型液晶を採用したときとでほぼ同じ輝度率であった。

すなわち、バイアス角θ大きくするほど、ネガ型液晶の配向膜厚に対する感度を低く抑えることができた。さらにバイアス角θを１０°以上とすることによりネガ型液晶の配向膜厚に対する感度を十分低く抑えることが可能であり、表示ムラの発生を抑制することができた。

上記のように、本実施形態の液晶表示装置によれば、表示品位の劣化を抑制することが可能な液晶表示装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

ＬＰＮ…液晶表示パネル、ＡＲ…アレイ基板、ＣＴ…対向基板、ＬＱ…液晶層、ＰＸ…画素、Ｓ…ソース配線、Ｇ…ゲート配線、ＳＷ…スイッチング素子、ＰＥ…画素電極、ＣＥ…共通電極、ＳＬ…スリット、ＰＥＡ…電極部、ＬＭ…液晶分子、θ…バイアス角、ＡＬ１、ＡＬ２…配向膜ＡＬ、１１〜１３…層間絶縁膜。

Claims (3)

1. スリットが設けられた画素電極と、絶縁膜を介して複数の前記画素電極と対向した共通電極と、を備えたアレイ基板と、
   前記アレイ基板と対向して配置した対向基板と、
   前記アレイ基板と前記対向基板とに保持されたネガ型の液晶材料により形成された液晶層と、を備え、
   前記液晶層は前記スリットが延びた方向と略直交する方向に対して１０°以上４５°以下の角度を成して初期配向する液晶分子を含む液晶表示装置。
2. スリットにより互いに離間した複数の電極部を備えた画素電極と、絶縁層を介して複数の前記画素電極と対向した共通電極と、を備えたアレイ基板と、
   前記アレイ基板と対向して配置した対向基板と、
   前記アレイ基板と前記対向基板との間に保持された液晶層と、を備え、
   前記液晶層は前記電極部が延びた方向と略直交する方向に対して１０°以上４５°以下の角度を成して初期配向する液晶分子を含む液晶表示装置。
3. 前記アレイ基板と前記対向基板とは、前記液晶層と接触した一対の配向膜を有し、
   前記一対の配向膜は前記液晶分子の初期配向方向を規定するように配向処理がなされている請求項１または請求項２記載の液晶表示装置。

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