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JP2025002490A - 液晶表示装置 - Google Patents

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JP2025002490A
JP2025002490A JP2023102701A JP2023102701A JP2025002490A JP 2025002490 A JP2025002490 A JP 2025002490A JP 2023102701 A JP2023102701 A JP 2023102701A JP 2023102701 A JP2023102701 A JP 2023102701A JP 2025002490 A JP2025002490 A JP 2025002490A
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liquid crystal
display device
crystal display
electrode
substrate
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光一 渡辺
Koichi Watanabe
慎一 寺下
Shinichi Terashita
文一 下敷領
Bunichi Shimoshikiryo
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Original Assignee
Sharp Display Technology Corp
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Abstract

Figure 2025002490000001
【課題】残像の発生を充分に抑制でき、しかも反射モードの表示が可能なインセル型タッチパネルとしても有用な液晶表示装置を提供する。
【解決手段】第一の基板と、第一の基板に対向する第二の基板と、第一の基板と第二の基板との間に設けられた液晶層と、を備え、マトリクス状に配列された複数の画素を有し、第一の基板は、光を反射する反射層と、液晶層に横電界を生成し得る第一の電極及び第二の電極と、液晶層に接する第一の水平配向膜と、を有し、第一の電極及び第二の電極のうち少なくとも一方は、複数の帯状部と、複数の帯状部のうち互いに隣接する2つの帯状部間に位置するスリットと、を有し、各画素において、複数の帯状部は、互いに略平行に、かつ同一方向に延びる直線形状からなり、屈曲部を含まず、第二の基板は、液晶層に接する第二の水平配向膜を有し、液晶層は、電圧無印加時にツイスト配向をとる、液晶表示装置。
【選択図】図1

Description

以下の開示は、液晶表示装置に関する。
液晶表示装置は、表示のために液晶材料を利用する表示装置であり、表示方式により一般に、透過型液晶表示装置と反射型液晶表示装置とに大別される。透過型液晶表示装置は、画面背面のバックライト光による透過光を利用した透過モードの表示を行う装置であり、反射型液晶表示装置は、バックライト光の代わりに外光(周囲光とも称す)を利用した反射モードの表示を行う装置である。これらの特徴を併せ持つ表示装置として、各画素内に透過モードで表示を行う領域と反射モードで表示を行う領域とを有する半透過型液晶表示装置も提案されている(例えば特許文献1参照)。
液晶表示装置はまた、液晶の駆動方式によっても大別でき、例えば、基板面に略垂直な方向の電界により液晶層を駆動して表示を行う縦電界方式の液晶表示装置と、基板面に略平行な方向の電界により液晶層を駆動して表示を行う横電界方式の液晶表示装置とが知られている。縦電界方式としては例えば、TN(Twisted Nematic)モード、MVA(Multi-domain Vertical Alignment)モード等が例示され、横電界方式としては、IPS(In-plane Switching)モード、FFS(Fringe Field Switching)モード等が例示される。例えば特許文献2には、横電界方式の液晶表示装置として好適な液晶ディスプレイが開示されている。この液晶ディスプレイは、プロセスのばらつきに起因する不具合の抑制と、表示性能の向上とが可能であり、特に透過型液晶表示装置として有用である。
特許第5767195号公報 特許第5756860号公報
ところで近年、スマートフォンやタブレット等に使用される液晶表示装置には通常、タッチセンサ機能が付与されている。タッチセンサの方式としては、抵抗膜式、静電容量式、光学式等の種々の方式が知られている。タッチセンサを備える液晶表示装置(タッチパネルとも称す)には、タッチセンサを外付けする方式(外付け型)と、タッチセンサを内蔵する方式(内蔵型)とがあり、内蔵型タッチパネルは、外付け型タッチパネルよりも狭額縁化、薄型化及び軽量化等に有利であり、光の透過率を高められるという利点も有する。
内蔵型タッチパネルには、オンセル型とインセル型とがある。セルとは、薄膜トランジスタ(TFT)基板に代表されるアクティブマトリクス基板と、該基板に対向するように配置された対向基板と、これらの基板間に矜持された液晶層とを備える表示パネル(液晶パネルとも称す)を意味するが、通常、インセル型では、表示パネル内にタッチセンサ機能を担う層が配置され、オンセル型では、タッチセンサ機能を担う層が、表示パネルと、表示パネルの観察面側に設けられた偏光板との間に配置される。このうちインセル型は、原理的に最も薄く軽いタッチパネルを実現できる。また、反射モードの表示が可能な液晶表示装置は、屋外での利用に適しているため、反射モードの表示が可能なインセル型タッチパネルが求められているものの、未だ実現していないのが現状である。
実現していない理由は、現行の反射型液晶表示装置では、対向基板側に、液晶層に電圧を印加するための一対の電極のうち一方(対向電極又は共通電極とも称される)が配置されることにあると考えられる。そこで本発明者らは、FFSモード等の横電界方式であれば一対の電極が両方ともアクティブマトリクス基板側にのみ設けられるため、反射モードの表示が可能なインセル型タッチパネルを実現できると考え、横電界方式の液晶表示装置について鋭意検討を進めた。
即ち具体的には、モバイル機種のTFT基板を用いて、TFT基板側に液晶層に電圧を印加するための画素電極及び共通電極を配置し、かつ共通電極を、スリット状の開口部を有するスリット電極とし、更にネガ型の液晶材料を用いて、反射モードの表示が可能なFFSモードの装置を作製した(後述の検証例1参照)。このような装置では、画素端部の電界の影響によって配向乱れが発生するため、通常は、スリット電極を構成する帯状部を、直線が途中で折れ曲がったような形状とする。この装置を白表示状態とし、その状態の装置に黒色の文字を書き込んだ後、書き込んだ文字を消去する(即ち白表示状態に戻す)という操作を行うと、文字の残像が焼き付きのように視認された(図20C参照)。このような残像は、通常の画面操作や動画再生時にも発生し得る。従って、このような装置は残像が発生するという課題を有する。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、残像の発生を充分に抑制でき、しかも反射モードの表示が可能なインセル型タッチパネルとしても有用な液晶表示装置を提供することを目的とする。
(1)本発明の一実施形態は、第一の基板と、上記第一の基板に対向する第二の基板と、上記第一の基板と上記第二の基板との間に設けられた液晶層と、を備え、マトリクス状に配列された複数の画素を有する液晶表示装置であって、上記第一の基板は、光を反射する反射層と、上記液晶層に横電界を生成し得る第一の電極及び第二の電極と、上記液晶層に接する第一の水平配向膜と、を有し、上記第一の電極及び上記第二の電極のうち少なくとも一方は、複数の帯状部と、上記複数の帯状部のうち互いに隣接する2つの帯状部間に位置するスリットと、を有し、各画素において、上記複数の帯状部は、互いに略平行に、かつ同一方向に延びる直線形状からなり、屈曲部を含まず、上記第二の基板は、上記液晶層に接する第二の水平配向膜を有し、上記液晶層は、電圧無印加時にツイスト配向をとる、液晶表示装置。
(2)また、本発明のある実施形態は、上記(1)の構成に加え、上記複数の帯状部は、切欠き部を含まない、液晶表示装置。
(3)また、本発明のある実施形態は、上記(1)又は(2)の構成に加え、上記複数の帯状部が延びる方向は、少なくとも隣接する画素において、又は、表示領域において、同一である、液晶表示装置。
(4)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)又は上記(3)の構成に加え、上記液晶層は、ポジ型の液晶材料を含む、液晶表示装置。
(5)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)又は上記(3)の構成に加え、上記液晶層は、ネガ型の液晶材料を含む、液晶表示装置。
(6)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)、上記(3)、上記(4)又は上記(5)の構成に加え、電圧無印加時における上記液晶層のツイスト角は、58.3°以上89.9°以下である、液晶表示装置。
(7)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)、上記(3)、上記(4)、上記(5)又は上記(6)の構成に加え、シングルドメイン配向である、液晶表示装置。
(8)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)、上記(3)、上記(4)、上記(5)、上記(6)又は上記(7)の構成に加え、電圧無印加時の上記第一の基板側の上記液晶分子の配向方向は、上記複数の帯状部が延びる方向を基準(0°)として、-30°以上30°以下である、液晶表示装置。
(9)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)、上記(3)、上記(4)、上記(5)、上記(6)、上記(7)又は上記(8)の構成に加え、上記複数の帯状部は、平面視での帯状部1個あたりの幅Lと、平面視でのスリット1個あたりの幅Sとの比L/Sが、0.4~0.7/1である、液晶表示装置。
(10)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)、上記(3)、上記(4)、上記(5)、上記(6)、上記(7)、上記(8)又は上記(9)の構成に加え、更に、上記第一の基板及び/又は上記第二の基板の外側に配置された偏光板と、上記基板と上記偏光板との間に配置された位相差層と、を備える、液晶表示装置。
(11)また、本発明のある実施形態は、上記(10)の構成に加え、上記液晶層は、ポジ型の液晶材料を含み、上記偏光板は、吸収型偏光板であり、上記偏光板の光吸収軸は、上記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、5°以上35°以下である、液晶表示装置。
(12)また、本発明のある実施形態は、上記(10)又は上記(11)の構成に加え、上記液晶層は、ポジ型の液晶材料を含み、上記位相差層は、λ/2板を含み、上記λ/2板の面内遅相軸は、上記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、25°以上50°以下である、液晶表示装置。
(13)また、本発明のある実施形態は、上記(10)、上記(11)又は上記(12)の構成に加え、上記液晶層は、ポジ型の液晶材料を含み、上記位相差層は、λ/4板を含み、上記λ/4板の面内遅相軸は、上記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、45°以上70°以下である、液晶表示装置。
(14)また、本発明のある実施形態は、上記(10)の構成に加え、上記液晶層は、ネガ型の液晶材料を含み、上記偏光板は、吸収型偏光板であり、上記偏光板の吸収軸は、上記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、-85°以上-55°以下である、液晶表示装置。
(15)また、本発明のある実施形態は、上記(10)又は上記(14)の構成に加え、上記液晶層は、ネガ型の液晶材料を含み、上記位相差層は、λ/2板を含み、上記λ/2板の面内遅相軸は、上記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、-65°以上-40°以下である、液晶表示装置。
(16)また、本発明のある実施形態は、上記(10)、上記(14)又は上記(15)の構成に加え、上記液晶層は、ネガ型の液晶材料を含み、上記位相差層は、λ/4板を含み、上記λ/4板の面内遅相軸は、上記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、-40°以上-15°以下である、液晶表示装置。
(17)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)、上記(3)、上記(4)、上記(5)、上記(6)、上記(7)、上記(8)、上記(9)、上記(10)、上記(11)、上記(12)、上記(13)、上記(14)、上記(15)又は上記(16)の構成に加え、ノーマリーブラックモードで表示を行う、液晶表示装置。
(18)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)、上記(3)、上記(4)、上記(5)、上記(6)、上記(7)、上記(8)、上記(9)、上記(10)、上記(11)、上記(12)、上記(13)、上記(14)、上記(15)、上記(16)又は上記(17)の構成に加え、上記第一の電極又は上記第二の電極のうち一方は、上記複数の画素の各々に設けられた画素電極であり、他方は、タッチセンサ電極として各々機能し得る複数のセグメントを含む共通電極であり、上記第一の基板は、対応する上記タッチセンサ電極に各々接続された複数のタッチ配線を有する、液晶表示装置。
(19)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)、上記(3)、上記(4)、上記(5)、上記(6)、上記(7)、上記(8)、上記(9)、上記(10)、上記(11)、上記(12)、上記(13)、上記(14)、上記(15)、上記(16)、上記(17)又は上記(18)の構成に加え、更に、光源を備える、液晶表示装置。
本発明によれば、残像の発生を充分に抑制でき、残像の発生を充分に抑制でき、しかも反射モードの表示が可能なインセル型タッチパネルとしても有用な液晶表示装置を提供することができる。
実施形態1の一例の液晶表示装置1の断面模式図である。 実施形態1の一例の液晶表示装置1をより具体的に示した断面模式図である。 実施形態1の一例の液晶表示装置1の全体を、観察面側から見たときの平面模式図である。 ポジ型の液晶分子のスリット角度を説明するための図である。 ネガ型の液晶分子のスリット角度を説明するための図である。 画素の構造例を示す平面模式図である(角度Xは0°)。 画素の配列例を示す平面模式図である(角度Xは0°)。 画素の配列例を示す平面模式図である(角度Xは-10°)。 画素の配列例を示す平面模式図である(角度Xは+10°)。 画素の配列例を示す平面模式図である(角度Xは-90°)。 画素の配列例を示す平面模式図である(角度Xは-100°)。 画素の配列例を示す平面模式図である(角度Xは-80°)。 液晶表示装置1が備えるタッチセンサ電極TX及びタッチ配線TLの配置関係を例示する平面模式図である。 実施形態1の変形例1の液晶表示装置1をより具体的に示した断面模式図である。 実施形態2の一例の液晶表示装置1の断面模式図である。 実施形態2の一例の液晶表示装置1をより具体的に示した断面模式図である。 背面側から順に、第一の基板10と、液晶層20と、第二の基板30と、λ/4板41と、λ/2板42と、偏光板50と、を備える液晶表示装置1において、電圧無印加時における液晶層20が有する液晶分子21の長軸方向と、λ/4板41の面内遅相軸41SAと、λ/2板42の面内遅相軸42SAと、偏光板50の偏光軸50AAと、の関係を、概念的に示す平面図である。 背面側から順に、第一の基板10と、液晶層20と、第二の基板30と、λ/4板41と、λ/2板42と、偏光板50と、を備える液晶表示装置1において、電圧無印加時における液晶層20が有する液晶分子21の長軸方向と、λ/4板41の面内遅相軸41SAと、λ/2板42の面内遅相軸42SAと、偏光板50の偏光軸50AAと、の関係を、概念的に示す平面図である。 実施形態2の変形例1の液晶表示装置1をより具体的に示した断面模式図である。 実施形態3の一例の液晶表示装置1の断面模式図である。 実施形態3の液晶表示装置1において、各画素Pが、反射領域Rfと透過領域Trとを有することを概念的に示す平面模式図である。 実施形態4の一例の液晶表示装置1の断面模式図である。 検証例1で作製した装置の断面模式図である。 試験例1、2で想定した装置の断面模式図である。 TFT基板側の画素電極PEと共通電極CEとのみを、平面的に図示したCAD図である。 検証例1にて、装置内部を顕微鏡で観察した画像(平面画像)である。 検証例1にて、装置の初期状態を観察面側から撮影した平面写真である。 検証例1にて、初期状態の装置に黒色の文字を書き込んだ状態を観察面側から撮影した平面写真である。 検証例1にて、書き込んだ文字を消去した状態を観察面側から撮影した平面写真である。 画素中央部(a)と画素端(b)とで、液晶分子21(ネガ液晶)の回転方向が異なることを概念的に示す平面図である。 図18に、液晶分子21の回転方向を示す概念図を重ね合わせた図である。 図19に、液晶分子21の回転方向を示す概念図を重ね合わせた図である。 試験例1のシミュレーション結果((a)参照)と、当該結果を基に複数の帯状部SPを概念的に示した図((b)参照)である。 試験例2のシミュレーション結果((a)参照)と、当該結果を基に複数の帯状部SPを概念的に示した図((b)参照)である。 試験例3及び4で想定した装置が含む液晶パネル1Xの断面模式図である。 画素電極PEと共通電極CEとの電極構造を概念的に示す模式図である。 試験例3で用いた各光学フィルムの軸設定を概念的に示す平面図である。 試験例4で用いた各光学フィルムの軸設定を概念的に示す平面図である。 試験例3の結果を示すグラフである。 試験例4の結果を示すグラフである。 試験例5で用いた各光学フィルムの軸設定を概念的に示す平面図である。 試験例6で用いた各光学フィルムの軸設定を概念的に示す平面図である。 試験例5の結果を示すグラフである。 試験例6の結果を示すグラフである。
(用語の定義)
本明細書中、観察面側とは、液晶表示装置の画面(表示面)に対してより近い側を意味し、背面側とは、液晶表示装置の画面(表示面)に対してより遠い側を意味する。
電圧無印加状態とは、液晶層への印加電圧が閾値電圧未満(電圧無印加を含む)である状態を意味する。電圧印加状態とは、液晶層への印加電圧が閾値電圧以上である状態を意味する。本明細書において、電圧無印加状態を電圧無印加時とも称し、電圧印加状態を電圧印加時とも称す。
極角とは、対象となる方向(例えば測定方向)と、液晶パネルの画面の法線方向とのなす角度を意味する。
方位は、対象となる方向を液晶パネルの画面上に射影したときの方向を意味し、基準となる方位との間のなす角度(方位角)で表現される。ここで、基準となる方位(0°)は、液晶パネルの画面の水平右方向に設定される。
角度及び方位角は、基準となる方位から反時計回りを正の角度、基準となる方位から時計回りを負の角度とする。反時計回り及び時計回りは、いずれも液晶パネルの画面を観察面側(正面)から見たときの回転方向を表す。また、角度は、液晶パネルの画面を平面視した状態で測定された値を表し、回転方向等の断りのない限り、鋭角の角度を意味する。
光学フィルムの軸方位は、偏光板であれば偏光板の偏光軸の方位を意味し、位相差層であれば遅相軸の方位を意味する。偏光板の偏光軸とは、吸収型偏光板であれば吸収軸を意味し、反射型偏光板であれば反射軸を意味する。位相差層の軸方位とは、特に断りのない限り、位相差層の面内遅相軸の方位を意味する。
位相差層とは、少なくとも面内リタデーション(面内位相差とも称す)Reと厚み方向リタデーション(厚み方向位相差とも称す)Rthとのいずれかが、10nm以上の値を有する層を意味する。好ましくは、20nm以上の値を有するものを意味する。なお、本明細書中、Re及びRthとして記載する数値は、特に断りのない限り、絶対値である。
面内位相差Reは、Re=(nx-ny)×dで定義される。
厚み方向位相差Rthは、Rth={nz-(nx+ny)/2}×dで定義される。
nxは、各位相差層の面内における遅相軸方向の主屈折率を表す。
nyは、各位相差層の面内における進相軸方向の主屈折率を表す。
nzは、各位相差層の面に対して垂直方向の主屈折率を表す。
遅相軸方向とは、屈折率が最大となる方位であり、進相軸方向とは、屈折率が最小となる方位である。dは、位相差層の厚みを示す。
Aプレートとは、「nx>ny≒nz」を満たす位相差板である。
屈折率や位相差等の光学パラメータの測定波長は、特に断りのない限り、550nmとする。
略平行とは、両者のなす角度(絶対値)が0°±10°の範囲内であることを意味し、この角度は、0°±5°の範囲内であることが好ましく、0°であること(即ち狭義の平行を意味する。)がより好ましい。また、略直交(又は略垂直)とは、両者のなす角度(絶対値)が90°±10°の範囲内の角度をなすことを意味し、この角度は、90°±5°の範囲内であることが好ましく、90°であること(即ち狭義の直交又は垂直を意味する。)がより好ましい。
以下、本発明の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。本発明は、以下の実施形態に記載された内容に限定されるものではなく、本発明の構成を充足する範囲内で適宜設計変更を行うことが可能である。
(実施形態1)
図1は、本実施形態の一例の液晶表示装置1の断面模式図であり、図2は、本実施形態の一例の液晶表示装置1をより具体的に示した断面模式図である。図3は、本実施形態の一例の液晶表示装置1の全体を、観察面側から見たときの平面模式図である。図1に示すように、液晶表示装置1は、背面側から順に、第一の基板10と、液晶層20と、第二の基板30と、を備える。本実施形態では、第一の基板10としてTFT基板を用いる。なお、第一の基板10と第二の基板30との間に液晶層20を挟持した構造からなる部分又は構造体を、液晶パネル1Xとも称す。
液晶表示装置1は、図3に示すように、マトリクス状に配列された複数の画素Pを有する。複数の画素Pは、典型的には、赤色画素、緑色画素及び青色画素の3種類の画素を含むが、画素の種類は2種類以下であってもよいし、4種類以上であってもよい。各画素Pは、薄膜トランジスタ(TFT)110と、液晶層20に横電界を生成し得る第一の電極121及び第二の電極122と、を含む。TFT110のゲート電極は、対応するゲート配線(走査配線とも称す)GLに電気的に接続され、TFT110のソース電極は、対応するソース配線(信号配線とも称す)SLに電気的に接続されている。TFT110のドレイン電極は、第二の電極122に電気的に接続されている。
<第一の基板>
第一の基板10は、図2に示すように、背面側から観察面側に向かって順に、光を反射する反射層130と、第一の電極121と、第二の電極122と、液晶層20に接する第一の水平配向膜140と、を有する。第一の基板10は更に、反射層130の背面側に、支持基板100と、バックプレーン回路BPと、を有することが好ましい。各層等の間には、必要に応じて絶縁層(絶縁膜とも称す)が設けられる。例えばバックプレーン回路BPを覆うように第一の層間絶縁層151が設けられ、第一の層間絶縁層151上に反射層130を挟んで第二の層間絶縁層152が設けられ、第一の電極121と第二の電極122との間には、誘電体層(第三の層間絶縁層とも称す)153が設けられる。
支持基板100は、透明で絶縁性を有することが好ましく、支持基板100としては例えば、ガラス基板やプラスチック基板が例示される。
バックプレーン回路BPは、支持基板100上に設けられる。バックプレーン回路BPは、複数の画素Pを駆動するための回路であって、TFT110、ゲート配線GL及びソース配線SL等を備える。なお、通常はゲート絶縁膜150Gも備える。
TFT110は、複数の画素Pのそれぞれに設けられる。TFT110としては、活性層として酸化物半導体層を含むもの(これを酸化物半導体TFTとも称す)が好適である。酸化物半導体層に含まれる酸化物半導体は、近年、アモルファスシリコンや多結晶シリコンに代わる活性層材料として注目されており、アモルファスシリコンよりも高い移動度を有する。それゆえ、酸化物半導体TFTは、アモルファスシリコンTFTよりも高速で動作することが可能である。また、酸化物半導体層は、多結晶シリコン層よりも簡便なプロセスで形成されるため、大面積が必要とされる装置にも適用できる。
酸化物半導体TFTは、オフリーク特性にも優れているため、画像の書き換え頻度を低下させて表示を行う駆動方式を利用することもできる。例えば、静止画表示時等には、1秒に1回の頻度で画像データを書き換えるように動作させることができる。このような駆動方式は、休止駆動又は低周波駆動等と呼ばれ、液晶表示装置の消費電力を大幅に削減することが可能である。休止駆動を採用し、画像の書き換えが行われない期間にタッチ検出を行うことにより、駆動回路からのノイズによるタッチ操作の感度の低下を抑制でき、S/N比(信号対雑音比)を例えば従来の約10倍にすることができる。
酸化物半導体TFTはまた、TFTサイズの小型化にも有利であるため、画素Pごとにメモリ回路が設けられる構成(MIP(Memory In Pixels)とも称す)も好適に実現することができる。
酸化物半導体は、アモルファス酸化物半導体であってもよく、結晶質部分を有する結晶質酸化物半導体であってもよい。結晶質酸化物半導体としては、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、c軸が層面に概ね垂直に配向した結晶質酸化物半導体等が挙げられる。
酸化物半導体層は、単層であってもよいし、2層以上の積層構造を有していてもよい。積層構造を有する酸化物半導体層は、アモルファス酸化物半導体層と結晶質酸化物半導体層とを含んでもよいし、結晶構造の異なる複数の結晶質酸化物半導体層を含んでもよいし、複数のアモルファス酸化物半導体層を含んでもよい。酸化物半導体層が上層と下層とを含む2層構造を有する場合、下層に含まれる酸化物半導体のエネルギーギャップと、上層に含まれる酸化物半導体のエネルギーギャップとは、異なっていてもよい。
アモルファス酸化物半導体及び各結晶質酸化物半導体の材料や構造、成膜方法、並びに、積層構造を有する酸化物半導体層の構成等は、例えば特開2014-007399号公報に記載されている。参考のために、特開2014-007399号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。
酸化物半導体層として具体的には、In(インジウム)、Ga(ガリウム)及びZn(亜鉛)のうち少なくとも1種の金属元素を含むことが好適である。中でも、In、Ga及びZnの三元系酸化物を含む酸化物半導体膜であることがより好ましい。In、Ga及びZnの三元系酸化物としては例えば、酸化インジウムガリウム亜鉛が好ましく例示される。In、Ga及びZnの三元系酸化物を含む半導体は、In-Ga-Zn-O系半導体と称されるが、この半導体において、In、Ga及び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等が例示される。
In-Ga-Zn-O系半導体は、アモルファスでもよいし、結晶質でもよい。結晶質の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ものが好適である。
結晶質のIn-Ga-Zn-O系半導体の結晶構造は、例えば、特開2014-007399号公報、特開2012-134475号公報、特開2014-209727号公報などに開示されている。参考のために、特開2012-134475号公報および特開2014-209727号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。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)及び低いリーク電流(a-SiTFTに比べ100分の1未満)を有するため、駆動TFT(例えば、複数の画素を含む表示領域の周辺に、表示領域と同じ基板上に設けられる駆動回路に含まれるTFT)及び画素TFT(画素に設けられるTFT)として好適に用いられる。
酸化物半導体層は、In-Ga-Zn-O系半導体以外の酸化物半導体を含んでもよい。例えば、In、Sn(スズ)及びZnの三元系酸化物が挙げられ、例えば、In-SnO-ZnO;InSnZnOが好ましく例示される。In、Sn及びZnの三元系酸化物を含む半導体は、In-Sn-Zn-O系半導体と称される。あるいは、酸化物半導体層は、In-Al-Zn-O系半導体、In-Al-Sn-Zn-O系半導体、Zn-O系半導体、In-Zn-O系半導体、Zn-Ti-O系半導体、Cd-Ge-O系半導体、Cd-Pb-O系半導体、CdO(酸化カドミウム)、Mg-Zn-O系半導体、In-Ga-Sn-O系半導体、In-Ga-O系半導体、Zr-In-Zn-O系半導体、Hf-In-Zn-O系半導体、Al-Ga-Zn-O系半導体、Ga-Zn-O系半導体、In-Ga-Zn-Sn-O系半導体等を含んでいてもよい。
第一の層間絶縁層151は、バックプレーン回路BPを覆うように設けられる。第一の層間絶縁層151の反射層130側の表面は、凹凸形状(凹凸表面構造とも称す)を有することが好ましい。これにより、反射層130は、この形状が反映された凹凸表面構造を有することができる。凹凸表面構造を有する第一の層間絶縁層151は、例えば、特許第3394926号公報に記載のように感光性樹脂を用いて好適に形成され得る。
反射層(反射膜とも称す)130は、第一の層間絶縁層151上に設けられる。反射層130は、光を反射する材料から形成される。中でも、反射率の高い金属材料から形成されることが好ましい。反射層130の材料としては例えば、銀合金、アルミニウム合金、アルミニウム合金等が挙げられる。
反射層130は、第一の層間絶縁層151が好ましく有する凹凸表面構造が反映された凹凸形状を有することが好ましい。即ち反射層130もまた、凹凸表面構造を有することが好適である。この凹凸表面構造は、MRS(Micro Reflective Structure)とも称され、周囲光を拡散反射してペーパーホワイトに近い白表示を実現するために設けられる。凹凸表面構造は、例えば、隣接する凸部pの中心間隔が5μm以上50μm以下となるように、ランダムに配置された複数の凸部pから構成されることが好ましい。隣接する凸部pの中心間隔は、より好ましくは10μm以上20μm以下である。凸部pの形状は、支持基板の法線方向から見て略円形又は略多角形であることが好適である。一つの画素Pに占める凸部pの面積は、例えば約20~40%であることが好ましく、凸部pの高さは、例えば1μm以上5μm以下であることが好ましい。
反射層130を備え、かつ広帯域λ/4条件の位相差層を導入することで、反射型の液晶表示装置特有の偏光変換(例えば円偏光と直線偏光との変換)が可能になるため、光のロスが充分に低減される。広帯域λ/4条件とは、可視波長内の広い範囲で円偏光に近い偏光が得られる条件である。
第二の層間絶縁層152は、反射層130を覆うように、第一の層間絶縁層151上に設けられる。即ち第一の層間絶縁層151と第二の層間絶縁層152との間に、反射層130が配置される。
ここで、第一の層間絶縁層151及び第二の層間絶縁層152としては、有機絶縁材料や無機絶縁材料から形成することが好ましい。例えば有機絶縁材料を用いて得た有機絶縁膜としては、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ノボラック樹脂等の有機膜(比誘電率ε=2~5)や、これらの積層体が挙げられる。有機絶縁膜の膜厚は特に限定されないが、例えば2μm以上、4μm以下である。無機絶縁材料を用いて得た無機絶縁膜としては、例えば、窒化珪素(SiNx)、酸化珪素(SiO)等の無機膜(比誘電率ε=5~7)や、これらの積層膜が挙げられる。無機絶縁膜の膜厚は特に限定されないが、例えば1500Å以上、3500Å以下である。また、有機絶縁膜と無機絶縁膜との積層体であってもよい。中でも、第一の層間絶縁層151及び第二の層間絶縁層152は、有機絶縁膜であることが好適である。
第一の電極121は、第二の層間絶縁層152を介して反射層130上に配置され、第一の電極121と第二の電極122との間に誘電体層153が配置されている。従って、反射層130は、第一の電極121及び第二の電極122に対して、液晶層20とは反対側(即ち第一の電極121及び第二の電極122よりも背面側)に位置する。なお、第一の電極121及び第二の電極122のうち、本実施形態では第二の電極122が相対的に観察面側に位置し、第一の電極121が背面側に位置する。相対的に観察面側に位置する電極を上層電極とも称し、相対的に背面側に位置する電極を下層電極とも称する。
第一の電極121及び第二の電極122のうち一方は、画素電極PEであり、他方は共通電極CEである。画素電極は、複数の画素Pのそれぞれに設けられている。画素電極は、バックプレーン回路BPに電気的に接続されている。本実施形態では、第一の電極121(下層電極)が共通電極CEであり、第二の電極122(上層電極)が画素電極PEである。
第一の電極121及び第二の電極122のうち少なくとも一方は、複数の帯状部SPと、当該複数の帯状部のうち互いに隣接する2つの帯状部間に位置するスリットSlと、を有する。帯状部SPは電極部に相当し、スリットSlは開口部に相当するが、このような電極をスリット電極又はフィンガー電極とも称す。横電界を生成しやすくする観点から、少なくとも上層電極(本実施形態では画素電極PE)が、スリット電極であることが好適である。この場合、下層電極(本実施形態では共通電極CE)は、面状の電極、即ちいわゆるベタ電極であってもよいし、スリット電極であってもよい。
各画素Pにおいて、スリット電極(本実施形態では、画素電極PEである第二の電極122)を構成する複数の帯状部SPは、互いに略平行に、かつ同一方向に延びる直線形状からなり、屈曲部を含まない。これにより、液晶分子の配向が均一になり、配向乱れの発生が充分に抑制される。
ここで、帯状部SPが「直線形状からなり、屈曲部を含まない」とは、帯状部SPの外縁ではなく、帯状部SPの中心線が、屈曲していない直線形状であることを意味する。帯状部SPの中心線とは、帯状部SPを幅方向に二等分割する線を意味する。幅方向とは、平面視で、帯状部SPが延びる方向に略垂直な方向を意味する。従って、帯状部SPの先端部の外縁が円状であったとしても、帯状部SPの中心線が屈曲していない直線であれば、「直線形状からなり、屈曲部を含まない」形状に含まれる。比較のため、帯状部SPが屈曲部を含む場合の形状を図24Aの(b)に示し、屈曲部を含まない場合の形状を図24Bの(b)に示す。
帯状部SPはまた、切欠き部を含まないことが好適である。これにより、配向乱れの発生がより一層抑制される。「帯状部SPが切欠き部を含まない」とは、帯状部SPの一部が切り抜かれたり抜き落されたりすることがないことを意味する。
各画素Pにおいて、複数の帯状部SPが延びる方向(複数の帯状部SPの延伸方向とも称す)は、互いに略平行である。また、複数の帯状部SPの延伸方向は、画素ごとに異なってもよいが、隣接する2以上の画素において同一であることが好ましい。中でも、複数の帯状部SPの延伸方向は、少なくとも隣接する画素において同一であることが、画像品位及び製造上の観点からより好ましい。後述する図6A~図6Fはそれぞれ、複数の帯状部SPの延伸方向が、隣接する画素で同一である例を示している。複数の帯状部SPの延伸方向はまた、表示領域において同一であることも、より好適である。
各帯状部SPの幅Lは、例えば、0.3~10μmとすることが好ましい。より好ましくは1~5μmである。互いに隣接する2つの帯状部SPの間隔(即ち各帯状部の中心線の間隔)も、例えば、0.3~10μmとすることが好ましい。より好ましくは1~5μmである。
平面視での帯状部1個あたりの幅Lと、平面視でのスリット1個あたりの幅Sとの比L/S(L/S条件とも称す)は、0.4~0.7/1であることが好ましい。これにより、白表示の反射率(白反射率とも称す)が向上し、よってコントラスト比がより向上する。
ここで、電圧無印加時の第一の基板10側の液晶分子21の配向方向は、複数の帯状部SPの延伸方向を基準(0°)として、-30°以上30°以下であることが好適である。この角度、即ち、複数の帯状部SPの延伸方向を基準(0°)として、時計回りに回転した角度を正の角度(+)、反時計回りに回転した角度を負の角度(-)としたときに、電圧無印加時の第一の基板10側の液晶分子21の配向方向がなす角度を、スリット角度と称する。スリット角度の定義について、図4A及び図4Bを参照して説明する。図4Aは、ポジ型の液晶分子のスリット角度を説明するための図であり、図4Bは、ネガ型の液晶分子のスリット角度を説明するための図である。液晶分子21Aは、第一の水平配向膜140近傍の液晶分子21(即ち電圧無印加時の第一の基板10側の液晶分子)を意味し、液晶分子の符号の語尾に付した(p)はポジ型を、(n)はネガ型を、それぞれ意味する。
ポジ型の液晶分子の場合、電圧無印加時の第一の基板10側の液晶分子21Aの配向方向は、当該液晶分子21Aの長軸方向に該当する。当該液晶分子21Aの長軸方向と、複数の帯状部SPの延伸方向とが平行である場合、スリット角度は0°である(図4Aの「0°」欄を参照)。当該液晶分子21Aの長軸方向を基準(0°)として、複数の帯状部SPの延伸方向が時計回りに回転している場合、スリット角度は正の角度(+)となる(図4Aの「正(+)」欄を参照)。当該液晶分子21Aの長軸方向を基準(0°)として、複数の帯状部SPの延伸方向が反時計回りに回転している場合、スリット角度は負の角度(-)となる(図4Aの「負(-)」欄を参照)。
ネガ型の液晶分子の場合、電圧無印加時の第一の基板10側の液晶分子21Aの配向方向は、当該液晶分子21Aの短軸方向に該当する。当該液晶分子21Aの短軸方向と、複数の帯状部SPの延伸方向とが平行である場合、スリット角度は0°である(図4Bの「0°」欄を参照)。当該液晶分子21Aの短軸方向を基準(0°)として、複数の帯状部SPの延伸方向が時計回りに回転している場合、スリット角度は正の角度(+)となる(図4Bの「正(+)」欄を参照)。当該液晶分子21Aの短軸方向を基準(0°)として、複数の帯状部SPの延伸方向が反時計回りに回転している場合、スリット角度は負の角度(-)となる(図4Bの「負(-)」欄を参照)。
従って、スリット角度とは、複数の帯状部の延伸方向を基準(0°)として、電圧無印加時の第一の基板10側の液晶分子21Aにおいて誘電率の絶対値が大きい方の軸がなす角度と言うこともできる。
スリット角度の好適な範囲は、各帯状部SPの幅Lと各スリットSlの幅Sとの条件(L/S条件とも称す)や、ツイスト角、液晶材料がポジ型であるかネガ型であるか等によっても異なる。特にモノドメイン構造では、L/S条件によって最適なスリット角度を選択することで、反射率(特に白反射率)を最大化することができる。
例えばポジ型の液晶材料を用いる場合であって、ツイスト角が74°である場合、L/S(μm)=2.2/4.1(即ち、L/S=0.537/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-25°~+18°であり、より好ましい範囲は-18°~+9°であり、更に好ましい範囲は-11.5°~+2°である(後述の試験例3-1を参照)。L/S(μm)=1.6/3.0(即ち、L/S=0.533/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-18°~+14°であり、より好ましい範囲は-11°~+9°であり、更に好ましい範囲は-9.5°~0°である(後述の試験例3-2を参照)。L/S(μm)=3.0/5.0(即ち、L/S=0.6/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-25°~+13°であり、より好ましい範囲は-13°~+5°である(後述の試験例3-3を参照)。
例えばネガ型の液晶材料を用いる場合であって、ツイスト角が74°である場合、L/S(μm)=2.2/4.1(即ち、L/S=0.537/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-30°~+5°であり、より好ましい範囲は-28°~-3°である(後述の試験例4-1を参照)。L/S(μm)=1.6/3.0(即ち、L/S=0.533/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-25°~+3°であり、より好ましい範囲は-15°~-7°である(後述の試験例4-2を参照)。L/S(μm)=3.0/5.0(即ち、L/S=0.6/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-30°~0°であり、より好ましい範囲は-22°~-10°である(後述の試験例4-3を参照)。
例えばポジ型の液晶材料を用いる場合であって、ツイスト角が83°である場合、L/S(μm)=2.2/4.1(即ち、L/S=0.537/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-27°~+16°であり、より好ましい範囲は-18°~+10°であり、更に好ましい範囲は-11.5°~0°である(後述の試験例5-1を参照)。L/S(μm)=1.6/3.0(即ち、L/S=0.533/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-20°~+13°であり、より好ましい範囲は-12°~+7°であり、更に好ましい範囲は-9.5°~0°である(後述の試験例5-2を参照)。L/S(μm)=3.0/5.0(即ち、L/S=0.6/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-27°~+13°であり、より好ましい範囲は-18°~+8°である(後述の試験例5-3を参照)。
例えばネガ型の液晶材料を用いる場合であって、ツイスト角が83°である場合、L/S(μm)=2.2/4.1(即ち、L/S=0.537/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-30°~+5°であり、より好ましい範囲は-30°~-7°であり、更に好ましい範囲は-19°~-12°である(後述の試験例6-1を参照)。L/S(μm)=1.6/3.0(即ち、L/S=0.533/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-30°~+3°であり、より好ましい範囲は-15°~-5°である(後述の試験例6-2を参照)。L/S(μm)=3.0/5.0(即ち、L/S=0.6/1)の条件下では、スリット角度の好ましい範囲は-30°~+2°であり、より好ましい範囲は-30°~-5°である(後述の試験例6-3を参照)。
図5及び図6Aに、ソース配線SLの延設方向を基準(0°)として、時計回りに回転した角度を正の角度(+)、反時計回りに回転した角度を負の角度(-)としたときに、複数の帯状部SPの延伸方向(この角度を角度Xと称す。)が0°である例を示す。また、角度Xが-10°、+10°、-90°、-100°、-80°である例を、それぞれ図6B、図6C、図6D、図6E、図6Fとして示す。角度Xが0°である態様(図5及び図6A参照)は、複数の帯状部SPの延伸方向がソース配線SLの延設方向に平行である態様に該当し、-90°である態様(図6D参照)は、複数の帯状部SPの延伸方向がゲート配線GLの延設方向に平行である態様に該当する。
図5及び図6A~図6Fは、画素の具体例を模式的に示す平面模式図である。このうち図5は、画素の構造例を示す平面模式図であり、図6A~図6Fは、画素の配列例を示す平面模式図である。図6A~図6Fには、液晶分子21のツイスト配向も示した。液晶分子21Aは、第一の水平配向膜140近傍の液晶分子21(即ち電圧無印加時の第一の基板10側の液晶分子)を意味し、液晶分子21Bは、第二の水平配向膜340近傍の液晶分子21(即ち電圧印加時の第二の基板30側の液晶分子)を意味する。各液晶分子の符号の語尾に付した(p)はポジ型を、(n)はネガ型を、それぞれ意味する。
ところで本実施形態では、画素電極PEが共通電極CEの上方に設けられる構成について説明しているが、比較的大型の液晶表示装置、即ち画素Pの面積が比較的大きな液晶表示装置では、画素電極PEが共通電極CEの上方に設けられることが好ましい。この構成(V2構造とも称す)では、下層電極となる共通電極CEにスリットを形成する必要がないため、共通電極CEが画素電極PEの上方に設けられる構成(V3構造とも称す)よりも、共通電極CEの抵抗率(面抵抗率)の上昇が抑制され、よって液晶層20に印加されるフリンジ電界が弱くなることが抑制される。この構成(V2構造)で、画素電極PEをスリット電極とした場合、画素電極PEの抵抗率は上昇するものの、画素電極PEには外部から入力される電圧が印加されるため、抵抗率の上昇による影響を小さく(つまりフリンジ電界が弱くなることを抑制)しやすい。なお、共通電極CEの抵抗率の上昇を抑制するために、金属材料から形成された低抵抗配線を用いる(例えば低抵抗配線を共通電極に接続する)ことも考えられるが、そのような構成では、低抵抗配線による正反射等に起因する表示への悪影響(例えばぎらつき、虹色の回折、干渉模様)が発生することがあり、ブラックマトリクス等で遮光することが必要となり、反射開口率を充分に向上できないことがある。
画素電極PEが共通電極CEの上方に設けられる構成ではまた、第2のコンタクトホールCH2が形成される領域に共通電極CEが存在しないので、その領域は反射表示に寄与しなくなり、共通電極CEが画素電極PEの上方に設けられる構成よりも、反射率が低下し得る。コンタクトホール等の反射表示に寄与しない領域の面積は、画素Pの面積の大小によらず一定程度必要であるので、画素P内で反射表示に寄与しない領域が占める割合は、画素Pの面積が小さいほど(つまり高精細になるほど)高くなり、上述した反射率の低下が大きくなる。逆に言うと、比較的大型の液晶表示装置では、画素P内で反射表示に寄与しない領域が占める割合をより低くしやすいため、上述した反射率の低下を抑制しやすい。これらの理由から、比較的大型の液晶表示装置では、画素電極PEが共通電極CEの上方に設けられる構成が有利である。
一方、上述した通り第2のコンタクトホールCH2が形成される領域が反射表示に寄与しないことによる反射率の低下は、画素Pの面積が小さいほど(つまり高精細になるほど)高くなるため、比較的高精細の液晶表示装置、即ち画素Pの面積が比較的小さい液晶表示装置では、共通電極CEが画素電極PEの上方に設けられることが好ましい(後述の実施形態1の変形例1を参照)。
第一の電極121及び第二の電極122は、それぞれ透明導電材料から形成されることが好ましい。透明導電材料としては例えば、インジウム錫酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO(登録商標))、これらの混合物等が挙げられる。
図2に示す態様では、画素電極PE(本実施形態では第二の電極122)は、コンタクト電極160を介してバックプレーン回路に(より具体的にはTFT110のドレイン電極に)電気的に接続されている。コンタクト電極160は、反射膜130と同層に形成され、反射膜130と同じ材料(金属膜等)で形成される。第一の層間絶縁層151には、バックプレーン回路BPの一部(より具体的にはTFT110のドレイン電極の少なくとも一部)を露出させる第一のコンタクトホールCH1が形成されており、コンタクト電極160は、第一のコンタクトホールCH1においてバックプレーン回路BPに接続されている。また、第二の層間絶縁層152には、コンタクト電極160の一部を露出させる第2のコンタクトホールCH2が形成されており、画素電極PE(本実施形態では第二の電極122)は、第2のコンタクトホールCH2においてコンタクト電極160に接続されている。
誘電体層153は、第一の電極121を覆うように設けられる。誘電体層153は、無機絶縁材料から形成することが好ましい。無機絶縁材料を用いて得た無機絶縁膜については上述した通りである。
第一の水平配向膜140は、第二の電極122上に設けられ、液晶層20に接している。従って、第一の電極121及び第二の電極122は、第二の層間絶縁層152と第一の水平配向膜140との間に配置されていると言える。
第一の水平配向膜140及び後述する第二の水平配向膜340はそれぞれ、配向処理が施されており、液晶層20に含まれる液晶分子21の配向方位(配向方向とも称す)を規定する。例えば光配向処理又はラビング処理により配向処理を行うことが好ましい。光配向処理では、光分解型の光配向膜材料を用いることができ、ラビング処理では、ポリイミド等の配向膜材料を用いることが好ましい。
第一の水平配向膜140及び第二の水平配向膜340はいずれも、液晶層20に電圧が印加されていない状態において、液晶分子21を、第一の基板10及び第二の基板30に対して水平な方向に配向する水平配向膜である。即ち液晶分子21は、液晶層20に電圧が印加されていない状態において水平配向する。プレチルト角は、実質的に0°である。
第一の水平配向膜140によって規定される液晶分子21の配向方位と、第二の水平配向膜340によって規定される液晶分子21の配向方位とは、互いに異なる。それゆえ、液晶層20は、電圧無印加時にツイスト配向をとる(図2参照)。液晶層20に電圧が印加されると、即ち第一の電極121と第二の電極122とによって液晶層20に横電界が生成されると、横電界(フリンジ電界)によって液晶層20の配向状態が変化する。
<液晶層>
液晶層20は、第一の基板10と第二の基板30との間に位置し、ポジ型の液晶材料又はネガ型の液晶材料を含む。ポジ型の液晶材料とは、誘電率異方性Δεが正であるネマチック液晶材料を意味し、ネガ型の液晶材料とは、誘電率異方性Δεが負であるネマチック液晶材料を意味する。誘電率異方性Δεは、液晶分子21の長軸方向の誘電率ε//と短軸方向の誘電率εとの差(即ちε//-ε)である。
ポジ型の液晶材料では、該液晶材料の複屈折率Δnは、例えば0.123以下であることが好ましく、より好ましくは0.12であり、更に好ましくは0.119以下である。なお、製造上の観点(歩留まり等)を考慮すると、液晶層20の厚みdは2μm以上であることが好ましいが、この場合にΔnが0.123以下であることが好適である。更に好ましくは、dが2.5μm以上であり、かつΔnが0.098以下である。但し、応答の観点ではセル厚が小さい方が好適である。また、液晶材料の誘電率異方性Δεは、例えば10以上であることが好ましい。
ネガ型の液晶材料では、該液晶材料の複屈折率Δnは、例えば0.123以下であることが好ましく、より好ましくは0.12である。特に、液晶層20の厚みdが2μm以上であり、かつΔnが0.123以下であることが好適である。更に好ましくは、dが2.5μm以上であり、かつΔnが0.098以下である。また、液晶材料の誘電率異方性Δεは、例えば-5以下であることが好ましい。なお、Δεが小さい(又はΔεの絶対値が大きい)方が、VRカーブ(しきい値、反射率Max値等)が低電圧側にシフトする。
ポジ型又はネガ型の選択に際しては、用途や所望性能等を考慮することが好ましい。例えば、フリッカレス(フリッカーフリーとも称す)を実現する観点からは、ネガ型の液晶材料を用いることが好適である。これは次の理由による。ポジ型の液晶材料を用いたFFSモードの横電界方式では、電圧印加時に電極上の微細なスリット電極の影響(即ちフリンジ電界)により、液晶層にフレクソ分極が自発的に生じる。このフレクソ分極に応じて液晶が応答するため、極性反転時に輝度が変化し、よってフリッカーとして視認されやすくなると考えられる。また、信頼性の観点からは、ポジ型の液晶材料を用いることが好適である。
液晶層20はまた、必要に応じ、カイラル剤を更に含んでもよい。
液晶層20は、例えば滴下法により形成することができる。
液晶層20の厚みd(セルギャップ又はセル厚とも称す)は、例えば3.6μm以下が好ましい。より好ましくは2.0~3.4μmである。また、応答速度の観点から、3μm以下が好ましい。なお、セル厚が小さい方が、材料員数を少なくできるため、コストダウンの観点からは好適である。だが、小さすぎると、セル厚のムラや異物によって表示品位をより良好にならないことがあり、表示品位不良の発生率とのトレードオフになる。歩留まりの観点からは、上述したように2μm以上であることが好適である。
液晶層20は、配向乱れ抑制の観点から、シングルドメイン配向(モノドメイン配向とも称す)であることが好適である。
<第二の基板>
第二の基板30は、液晶層20を挟んで第一の基板10に対向して配置され、液晶層20に接する第二の水平配向膜340を有する。第二の基板30は更に、支持基板300と、カラーフィルタ層310と、を有することが好ましい。例えば図2に示すように、第二の基板30は、液晶層20側から順に、第二の水平配向膜340と、カラーフィルタ層310と、支持基板300と、を有する。第二の基板30はまた、複数の柱状スペーサ(図示せず)を有することが好ましい。なお、第一の基板10が複数の柱状スペーサを有してもよい。
支持基板300は、透明で絶縁性を有することが好ましく、支持基板300としては例えば、ガラス基板やプラスチック基板が例示される。
カラーフィルタ層310は、典型的には、赤色画素に対応する領域に設けられ、かつ赤色光を透過する赤色カラーフィルタと、緑色画素に対応する領域に設けられ、かつ緑色光を透過する緑色カラーフィルタと、青色画素に対応する領域に設けられ、かつ青色光を透過する青色カラーフィルタと、を含む。だがカラーフィルタの種類は2種類以下であってもよいし、4種類以上であってもよい。また、カラー表示を行わない場合は、カラーフィルタ層310は省略される。
必要に応じてカラーフィルタ層310を覆うオーバーコート層(平坦化層とも称す)を設けてもよい。なお、電極を形成する材料(例えば透明導電材料)、層間絶縁層や誘電体層を形成する材料、及び、配向膜を形成する材料によっては、白表示が黄色みを帯びることがある。その場合は、オーバーコート層を青色レジストで形成することによって色度調整(即ちブルーシフト)を行うことで、白表示の色度を、例えばD65光源の色度に近づけてもよい。D65光源とは、CIE標準光源D65である。
本実施形態の液晶表示装置1では、液晶層20が電圧無印加時にツイスト配向をとる横電界方式で表示が行われる。これにより、セルギャップを大きくすることができ、かつセルギャップの変動に対してコントラストの変動幅を小さくすることができる。従って、表示ムラの発生が充分に抑制され、反射表示のコントラストが良好になる。電圧無印加時における液晶層20のツイスト角θは、58.3°以上89.9°以下であることが好適である。より好ましい範囲については後述する。
液晶層20のツイスト角θとは、第一の水平配向膜140によって規定される液晶分子21の配向方位と、第二の水平配向膜340によって規定される液晶分子21の配向方位と、のなす角である。即ち、第一の水平配向膜140近傍の液晶分子21A(電圧無印加時の第一の基板10側の液晶分子21Aとも称す。)の長軸方向と、第二の水平配向膜340近傍の液晶分子21Bの長軸方向(電圧印加時の第二の基板30側の液晶分子21Bとも称す。)と、が、なす角である。
液晶表示装置1は、コントラスト比をより高める観点から、ノーマリーブラックモードであることが好適である。ノーマリーブラックモードとは、電圧無印加状態において黒表示となり、電圧印加状態において白表示となる表示モードである。
液晶表示装置1はまた、上述した部材等の他、TCP(テープ・キャリア・パッケージ)、PCB(プリント配線基板)等の外部回路;視野角拡大フィルム、輝度向上フィルム等の光学フィルム;ベゼル(フレーム);等の複数の部材により構成されるものであり、部材によっては、他の部材に組み込まれていてもよい。これらは特に限定されず、液晶表示装置の分野において通常使用されるものを用いることができるので、説明を省略する。
<応用例>
本実施形態の液晶表示装置1は、各種用途に好適に用いられる。中でも、タッチパネルに好ましく適用できる。外付け型タッチパネル及び内蔵型タッチパネルのいずれに適用しても、従来の各タッチパネルよりも低コストで、かつコントラスト比を向上させることができるため、有用である。中でも、内蔵型タッチパネルに好適に適用でき、インセル型タッチパネルに特に好適に適用できる。このように本実施形態の液晶表示装置1を用いれば、これまで実現し得なかった、反射モードの表示が可能なインセル型タッチパネルを好適に実現することができる。
反射モードの表示が可能なインセル型タッチパネルを実現できることで、例えば、外付け型タッチパネルでは必要な額縁配線領域が不要になるため、狭額縁化を達成でき、またカバーガラスなしでタッチパネル機能を搭載できるため、薄型化及び軽量化にも寄与できる。また、タッチ機能及びディスプレイ機能が時分割方式で駆動されるため、タッチパネルにおいて最大のノイズ源となり得るLCD(液晶ディスプレイ)ノイズを受けない。即ちキラーパターンが発生しないため、タッチ信号のチューニング(調整)が容易である。更に、反射光のロスが充分に少ない上、ペン書きがより自然で、かつ違和感のない表示が得られる。その上、外付け型タッチパネルに比べて、ユーザー視点でトータルコストダウンを実現できる。しかも、指による入力と、電磁誘導方式(EMR)によるペン入力とを組み合わせることができ、高精度なペン書きが実現できる。
液晶表示装置1をインセル型タッチパネルに用いた例について更に説明する。
図7は、液晶表示装置1が備えるタッチセンサ電極TX及びタッチ配線TLの配置関係を例示する平面模式図である。図7に示すように、液晶表示装置1は、表示領域DRと、非表示領域FRとを有する。表示領域DRは、マトリクス状に配列された複数の画素P(例えば図3参照)によって規定される。非表示領域FRは、表示領域DRの周辺に位置しており、周辺領域又は額縁領域とも称される。
表示領域DR内では、共通電極CEが複数のセグメントTXに分割されている。各セグメント(共通電極部分)TXは、タッチセンサ電極として機能する。図7に示す例では、各タッチセンサ電極TXは、2以上の画素Pに対応して設けられている。
液晶表示装置1(より具体的には第一の基板10)は、複数のタッチ配線TLを有する。各タッチセンサ電極TXは、対応するタッチ配線TLに電気的に接続されている。タッチセンサ電極TXとタッチ配線TLとの接続部TCを、タッチ配線コンタクト部TCとも称す。
タッチ配線TLは、非表示領域FRに設けられたタッチ駆動部TDに接続されている。タッチ駆動部TDは、例えば、複数のタッチセンサ電極TXを共通電極CEとして機能させる表示モードと、タッチセンサ電極TXとして機能させるタッチ検出モードと、を時分割で切り替えるように構成されている。タッチ駆動部TDは、例えば、表示モードにおいて、タッチ配線TLを介してタッチセンサ電極TX(共通電極CE)に共通信号を印加する。一方、タッチ検出モードにおいては、タッチ駆動部TDは、タッチ配線TLを介して、タッチセンサ電極TXにタッチ駆動信号を印加する。
図7では、複数のタッチ配線TLは、列方向(ソース配線SLと同じ方向)に延びている。一部のタッチ配線TLは、対応するタッチセンサ電極TXまで、他の1つ又は複数のタッチセンサ電極TXを横切って延びている。
あるタッチセンサ電極TXに着目すると、そのタッチセンサ電極TXに信号を供給する第1のタッチ配線TL1がタッチ配線コンタクト部TCまで延びており、そのタッチセンサ電極TXを横切るように、他のタッチセンサ電極TXに信号を供給するための第2のタッチ配線TL2が延びている。第2のタッチ配線TL2とタッチセンサ電極TXとは、絶縁層を介して重なっている。なお、タッチセンサ電極TXの位置によっては、そのタッチセンサ電極TXを横切って延びるように2以上のタッチ配線TLが配置されている場合もあるし、そのタッチセンサ電極TXを横切るようなタッチ配線TLが配置されていない場合もある。
非表示領域FRには、タッチ駆動部TDの他に、ゲートバスライン(ゲート配線)GLにゲート信号を供給するゲートドライバ、ソースバスライン(ソース配線)SLにソース信号を供給するソースドライバ等の駆動回路を含む周辺回路が設けられる(図示せず)。これらの駆動回路は、例えば第一の基板(TFT基板)10に実装されてもよいし、一体的(モノリシック)に形成されていてもよい。非表示領域FRに、一部又は全部の駆動回路を含む半導体チップが搭載されていてもよい。
インセル型タッチパネルでは、TFT110として、In-Ga-Zn-O系半導体を用いることが特に好ましい。また、フリッカレス(フリッカーフリーとも称す)を実現する観点からは、ネガ型の液晶材料を用いることが特に好適である。これは次の理由による。ポジ型の液晶材料を用いたFFSモードの横電界方式では、電圧印加時に電極上の微細なスリット電極の影響(即ちフリンジ電界)により、液晶層にフレクソ分極が自発的に生じる。このフレクソ分極に応じて液晶が応答するため、極性反転時に輝度が変化し、よってフリッカーとして視認されやすくなると考えられる。
(実施形態1の変形例1)
実施形態1では下層電極である第一の電極121が共通電極CEであり、上層電極である第二の電極122が画素電極PEである構成について説明したが、これとは逆に、第二の電極122が共通電極CEであり、第一の電極121が画素電極PEであってもよい。本例では、第二の電極122(上層電極)が共通電極CEであり、第一の電極121(下層電極)が画素電極PEである(図8参照)。
図8は、本例の液晶表示装置1をより具体的に示した断面模式図である。本例でも、横電界を生成しやすくする観点から、少なくとも上層電極(本例では共通電極CE)はスリット電極であることが好ましい。下層電極(本例では画素電極PE)は、面状の電極、即ちいわゆるベタ電極であってもよいし、スリット電極であってもよい。本変形例に係る液晶表示装置1は、上述したように比較的高精細の液晶表示装置、即ち画素Pの面積が比較的小さい液晶表示装置として特に好適である。
(実施形態1の変形例2)
実施形態1ではFFSモードの液晶表示装置について説明したが、IPSモードの液晶表示装置であってもよい(但し、液晶層20は電圧無印加時にツイスト配向をとる。)。本変形例はIPSモードの液晶表示装置である。本変形例では、第一の電極121と第二の電極122とは同層に設けられ、第一の電極121及び第二の電極122の両方がスリット電極であることが好ましい。
(実施形態2)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1と重複する内容については説明を省略する。本実施形態は、更に位相差層40と偏光板50とを有する液晶表示装置であること以外は、実施形態1と実質的に同じである。
図9は、本実施形態の一例の液晶表示装置1の断面模式図であり、図10は、本実施形態の一例の液晶表示装置1をより具体的に示した断面模式図である。図9に示すように、液晶表示装置1は、背面側から順に、第一の基板10と、液晶層20と、第二の基板30と、位相差層40と、偏光板50と、を備える。本実施形態では、第一の基板10としてTFT基板を用いる。
<位相差層>
位相差層40は、第二の基板30と偏光板50との間に位置し、λ/4板41と、λ/2板42とを含むことが好適である(図9及び図10参照)。これらの配置順は、液晶層20(及び第二の基板30)側から順に、λ/4板41、λ/2板42が位置することが好適である(図9及び図10参照)。
λ/4板とは、波長λの入射光に対して1/4波長の面内位相差を付与する位相差板を意味し、λ/4波長板又はQWP(Quarter-Wave Plate)とも称される。具体的には、λ/4板41は、直線偏光を円偏光に又は円偏光を直線偏光に変換することができる。例えばλ/4板41に入射した直線偏光は、λ/4板41出射時には円偏光となる。
λ/2板とは、波長λの入射光に対して1/2波長の面内位相差を付与する位相差板を意味し、λ/2波長板、半波長板又はHWP(Half-Wave Plate)とも称される。具体的には、λ/2板42は、入射光線の振動方向を略90°回転させることができる。例えばλ/2板42に入射した円偏光は、出射時にはその旋回方向が逆の円偏光となる。
λ/4板41及びλ/2板42として具体的には、1軸性のAプレートを用いることが好ましい。
<偏光板>
偏光板50は、位相差層40よりも観察面側に位置する(図9及び図10参照)。偏光板50は、円偏光板であってもよいし、直線偏光板であってもよい。ここで、直線偏光板とは、無偏光(自然光)、部分偏光又は偏光から、特定方向にのみ振動する偏光(直線偏光)を取り出す機能を有する偏光板を意味し、円偏光板とは区別される。中でも、直線偏光板であることが好ましい。
偏光板50はまた、吸収型偏光板であってもよいし、反射型偏光板であってもよい。吸収型偏光板とは、特定方向に振動する光を吸収し、それに垂直な方向に振動する偏光(直線偏光)を透過する機能を有する偏光板である。反射型偏光板とは、特定方向に振動する光を反射し、それに垂直な方向に振動する偏光(直線偏光)を透過する機能を有する偏光板である。中でも、吸収型偏光板であることが好ましい。特に、吸収型の直線偏光板を用いることが好適である。
吸収型偏光板としては例えば、ポリビニルアルコールフィルムにヨウ素錯体(又は染料)等の異方性材料を染色及び吸着させてから延伸配向させた偏光板等が挙げられる。一般的には、機械強度及び耐湿熱性を確保するために、ポリビニルアルコールフィルムの両側に、トリアセチルセルロースフィルム等の保護フィルムが積層された状態で実用に供される。また、反射型偏光板としては例えば、誘電体の薄膜を複数積層したフィルム、屈折率異方性が異なる薄膜を複数積層したフィルム、ナノワイヤーグリッド偏光板、コレステリック液晶の選択反射を用いた偏光板等が挙げられる。
なお、スリット角度を変更する場合は、偏光板50の偏光軸方向50AA、λ/4板41の遅相軸方向41SA、及び、λ/2板の遅相軸方向42SAを、それぞれ同じ方向に同じ角度だけ変更する。
<好ましい設定>
以下では、本実施形態における、液晶層20のツイスト角及びリタデーションdΔnや、光学フィルム(即ち偏光板及び位相差板)の軸設定等の好ましい設定について、液晶層20を構成する液晶材料がポジ型である場合と、ネガ型である場合とに分けて、更に説明する。なお、偏光板50としては、吸収型偏光板を用いる。
(i)液晶材料がポジ型である場合
(i-1)好ましい設定
図11に、コントラスト比向上の観点から特に好ましい光学的設定例を示す。図11は、背面側から順に、第一の基板10と、液晶層20と、第二の基板30と、λ/4板41と、λ/2板42と、偏光板50と、を備える液晶表示装置1において、電圧無印加時における液晶層20が有する液晶分子21の長軸方向と、λ/4板41の面内遅相軸41SAと、λ/2板42の面内遅相軸42SAと、偏光板50の偏光軸50AAと、の関係を、概念的に示す平面図である。図11中、液晶分子21として、第一の水平配向膜140近傍の液晶分子21Aと、第二の水平配向膜340近傍の液晶分子21Bと、を示す。
以下の説明中、基準となる方位を0°としたときの角度とは、図11を時計の文字盤に見立てて、基準となる方位、即ち複数の帯状部SPの延伸方向に直交する方向を、0°方向(3時方向)とし、ツイスト方向は正(反時計回り)としたときの角度である。ツイスト方向とは、液晶表示装置1を観察面側から見たときに、第一の水平配向膜140によって規定される液晶分子21Aの配向方位から、第二の水平配向膜340によって規定される液晶分子21Bの配向方位へと捩れている方向を意味する。
電圧無印加時における液晶層20のツイスト角θは、58.3°以上89.9°以下であることが好適である。これにより、コントラスト比が向上する。更にコントラスト比を向上する観点から、より好ましくは64.0°以上88°以下であり、更に好ましくは68.4°以上86°以下であり、特に好ましくは71.4°以上84°以下である。
複数の帯状部SPが延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、偏光板50の偏光軸50AAがなす角θは、5°以上35°以下であることが好ましい。これにより、コントラスト比が向上する。更にコントラスト比を向上する観点から、より好ましくは15°以上34°以下であり、更に好ましくは20°以上33°以下である。
複数の帯状部SPが延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、λ/2板42の面内遅相軸42SAがなす角θは、25°以上50°以下であることが好ましい。これにより、コントラスト比が向上する。更にコントラスト比を向上する観点から、より好ましくは35°以上49°以下であり、更に好ましくは40°以上48°以下である。
複数の帯状部SPが延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、λ/4板41の面内遅相軸41SAがなす角θは、45°以上70°以下であることが好ましい。これにより、コントラスト比が向上する。更にコントラスト比を向上する観点から、より好ましくは55°以上68°以下であり、更に好ましくは60°以上66°以下である。
液晶層20のリタデーション、即ち液晶層20の厚みdと、液晶材料の複屈折率Δnと、の積(dΔn)は、152.3nm以上285.8nm以下であることが好ましい。これにより、コントラスト比が向上する。更にコントラスト比を向上する観点から、より好ましくは176.9nm以上260.8nm以下であり、更に好ましくは195.8nm以上250nm以下であり、特に好ましくは207.0nm以上248nm以下である。
(ii)液晶材料がネガ型である場合
(ii-1)好ましい設定
図12に、コントラスト比向上の観点から特に好ましい光学的設定例を示す。図12は、背面側から順に、第一の基板10と、液晶層20と、第二の基板30と、λ/4板41と、λ/2板42と、偏光板50と、を備える液晶表示装置1において、電圧無印加時における液晶層20が有する液晶分子21の長軸方向と、λ/4板41の面内遅相軸41SAと、λ/2板42の面内遅相軸42SAと、偏光板50の偏光軸50AAと、の関係を、概念的に示す平面図である。図12中、液晶分子21として、第一の水平配向膜140近傍の液晶分子21Aと、第二の水平配向膜340近傍の液晶分子21Bと、を示す。
以下の説明中、基準となる方位を0°としたときの角度とは、図12を時計の文字盤に見立てて、基準となる方位、即ち複数の帯状部SPの延伸方向に直交する方向を、0°方向(3時方向)とし、ツイスト方向は正(反時計回り)としたときの角度である。
電圧無印加時における液晶層20のツイスト角θは、58.3°以上89.9°以下であることが好適である。これにより、コントラスト比が向上する。更にコントラスト比を向上する観点から、より好ましくは64.0°以上88°以下であり、更に好ましくは68.4°以上86°以下であり、特に好ましくは71.4°以上84°以下である。
複数の帯状部SPが延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、偏光板50の偏光軸50AAがなす角θは、-85°以上-55°以下であることが好ましい。これにより、コントラスト比が向上する。更にコントラスト比を向上する観点から、より好ましくは-75°以上-56°以下であり、更に好ましくは-70°以上-57°以下である。
複数の帯状部SPが延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、λ/2板42の面内遅相軸42SAがなす角θは、-65°以上-40°以下であることが好ましい。これにより、コントラスト比が向上する。更にコントラスト比を向上する観点から、より好ましくは-55°以上-41°以下であり、更に好ましくは-50°以上-42°以下である。
複数の帯状部SPが延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、λ/4板41の面内遅相軸41SAがなす角θは、-40°以上-15°以下であることが好ましい。これにより、コントラスト比が向上する。更にコントラスト比を向上する観点から、より好ましくは-30°以上-20°以下であり、更に好ましくは-27°以上-24°以下である。
液晶層20のリタデーション、即ち液晶層20の厚みdと、液晶材料の複屈折率Δnと、の積(dΔn)は、151.2nm以上285.1nm以下であることが好ましい。これにより、コントラスト比が向上する。更にコントラスト比を向上する観点から、より好ましくは175.9nm以上250nm以下であり、更に好ましくは193.8nm以上246nm以下であり、特に好ましくは204.7nm以上245nm以下である。
(実施形態2の変形例1)
実施形態2では下層電極である第一の電極121が共通電極CEであり、上層電極である第二の電極122が画素電極PEである構成について説明したが、これとは逆に、第二の電極122が共通電極CEであり、第一の電極121が画素電極PEであってもよい。本例では、第二の電極122(上層電極)が共通電極CEであり、第一の電極121(下層電極)が画素電極PEである(図13参照)。
図13は、本例の液晶表示装置1をより具体的に示した断面模式図である。本例でも、横電界を生成しやすくする観点から、少なくとも上層電極(本例では共通電極CE)はスリット電極であることが好ましい。下層電極(本例では画素電極PE)は、面状の電極、即ちいわゆるベタ電極であってもよいし、スリット電極であってもよい。本変形例に係る液晶表示装置1は、上述したように比較的高精細の液晶表示装置、即ち画素Pの面積が比較的小さい液晶表示装置として特に好適である。
(実施形態3)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1及び2と重複する内容については説明を省略する。実施形態1及び2では反射型液晶表示装置を例示して説明したが、本実施形態では半透過型液晶表示装置について説明する。本実施形態の液晶表示装置は、液晶層20よりも背面側に光源を備える点で、実施形態2の液晶表示装置と主に相違する。
図14は、本実施形態の一例の液晶表示装置1の断面模式図である。液晶表示装置1は、液晶層20よりも背面側に、光源61(バックライトとも称す)を更に備える。また、偏光板50’と、位相差層40’とを更に有することが好ましい。より好ましくは、図14に示すように、背面側から順に、光源61と、偏光板50’と、位相差層40’と、第一の基板10と、液晶層20と、第二の基板30と、位相差層40と、偏光板50と、を備える形態である。本実施形態でも、第一の基板10としてTFT基板が好適である。
光源61(バックライト)は、光を照射するものであれば特に限定されず、直下型やエッジ型やその他のどの方式でもよい。具体的には例えば、発光ダイオード(LED)等の光源と、導光板と、反射シートと、を有するものが好ましく、更に拡散シートやプリズムシートを更に有してもよい。
偏光板50’は、液晶層20の背面側に配置されている。より具体的には、第一の基板10よりも背面側に配置されている。偏光板50’は、円偏光板であってもよいし、直線偏光板であってもよいが、直線偏光板であることが好ましい。また、吸収型偏光板であってもよいし、反射型偏光板であってもよいが、吸収型偏光板であることが好ましい。特に、吸収型の直線偏光板を用いることが好適である。
位相差層40’は、偏光板50’と液晶層20との間に配置されている。より具体的には、偏光板50’と第一の基板10との間に配置されている。位相差層40’は、例えば、λ/4板とλ/2板とを含み得る。これらの配置順は、例えば、背面側から順に、λ/2板、λ/4板が位置することが好適である。
本実施形態の液晶表示装置1において、各画素Pは、反射モードで表示を行う反射領域Rfと、透過モードで表示を行う透過領域Trとを有する(図15参照)。図15は、本実施形態の液晶表示装置1において、各画素Pが、反射領域Rfと透過領域Trとを有することを概念的に示す平面模式図である。反射領域Rfには、反射層130(例えば図2参照)が配置されているが、透過領域Trには、反射層130は配置されていない。各画素P内に占める透過領域Trの面積の割合は、用途等に応じて適宜設定され得るが、例えば20%以上90%以下であることが好ましい。また、画素P内における透過領域Trの位置や形状も用途等に応じて適宜設定され得る。
本実施形態の液晶表示装置、即ち半透過型液晶表示装置においても、反射型液晶表示装置と同様に、液晶層20が電圧無印加時にツイスト配向をとる横電界方式で表示が行われことにより、反射表示のコントラスト比を充分に向上することができる。従って、本実施形態の液晶表示装置1もまた、低コストで、かつコントラスト比を向上させることができ、しかも反射モードの表示が可能なインセル型タッチパネルとしても有用である。
(実施形態4)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1と重複する内容については説明を省略する。本実施形態の液晶表示装置は、液晶層20よりも観察面側に光源を備える点で、実施形態1の液晶表示装置と主に相違する。なお、本実施形態の液晶表示装置は、反射型液晶表示装置である。
図16は、本実施形態の一例の液晶表示装置1の断面模式図である。本実施形態の液晶表示装置1は、液晶層20よりも観察面側に、光源62(フロントライトとも称す)を更に備える。より好ましくは、図16に示すように、背面側から順に、第一の基板10と、液晶層20と、第二の基板30と、位相差層40と、偏光板50と、光源62と、を備える形態である。本実施形態でも、第一の基板10としてTFT基板が好適である。
光源62(フロントライト)は、光を照射するものであれば特に限定されない。具体的には例えば、発光ダイオード(LED)等の光源と、導光板とを有するものが好ましい。反射型液晶表示装置1が光源62を更に備えることにより、周囲光が充分に得られない環境下においても、明るい反射表示を行うことができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、説明された個々の事項は、すべて本発明全般に対して適用され得るものである。
以下に実施例等を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。以下では偏光板50として吸収型偏光板を用いる。
(検証例1)
モバイル機種のTFT基板(第一の基板)10を用いて、反射モードの表示が可能なFFSモードの装置を作製した(図20A参照)。具体的には、図17Aに示すように、TFT基板10側に、液晶層20に電圧を印加するための画素電極PE及び共通電極CEを配置し、かつ上層電極(第二の電極122)である共通電極CEを、図18に示すように、複数の帯状部SPと、互いに隣接する2つの帯状部間に位置するスリットSlと、を有するスリット電極とした。各帯状部SPの幅Lは1.6μm、各スリットSlの幅は3.0μmとした。複数の帯状部SPは、互いに略平行に、かつ同一方向に延びる直線形状からなるが、途中で折れ曲がっている(図18のfを参照)。この折れ曲がった先の端部fを、キンク部又は屈曲部とも称す。液晶層20にはネガ型の液晶材料を使用した。下層電極(第一の電極121)である画素電極PEは、ベタ電極とした。なお、カラーフィルタは配置せずに白黒モードとした。図17Aは、本例で作製した装置の断面模式図であり、図18は、TFT基板側の画素電極PEと共通電極CEとのみを、平面的に図示したCAD(Computer Aided Design)図である。
この装置をまず、初期状態として、白表示状態(即ち255階調表示)にする(図20A参照)。次に、この状態の装置に黒色の文字を書き込むと、黒の領域が生じる(図20B参照)。その後、書き込んだ文字を消去する(即ち白表示状態に戻す)(図20C参照)。このような操作を行ったところ(図20A~図20C参照)、文字の残像が、焼き付きのように視認された(図20Cの破線内を参照)。図20Aは、装置の初期状態を観察面側から撮影した平面写真であり、図20Bは、初期状態の装置に黒色の文字を書き込んだ状態を観察面側から撮影した平面写真であり、図20Cは、書き込んだ文字を消去した状態を観察面側から撮影した平面写真である。残像が発生した部分を顕微鏡(OLYMPUS社製の「BX51」)で観察したところ、キンク部とも称される各共通電極CEの端部fに配向乱れが発生していることを確認した(図19参照)。このキンク部fで発生した配向乱れによって、これ以外の部分(例えば画素中央部)との間で輝度差(即ち反射率差)が生じ、よって残像が視認されると考えられる。図19は、装置内部を顕微鏡で観察した画像(平面画像)である。図19で示される部分の電極構造をCADで図示したのが、図18である。
この配向乱れの発生原因について、本発明者らは更に検討を進めた。画素中央部(図18及び図19中の(a)付近)と、画素端部(図18及び図19中の(b)付近)とでは、スリット電極(本例では共通電極CE)のスリット角度が異なる。本例のスリット電極では、スリット角度は、画素中央部(a)では-10度であるのに対し、画素端部(b)では-20度である。本発明者らは、このスリット角度の違いに起因して、電圧印加時の液晶分子21の回転方向が異なると推測した(図21参照)。図21は、画素中央部(a)と画素端(b)とで、液晶分子21(ネガ液晶)の回転方向が異なることを概念的に示す平面図である。電圧無印加時のTFT基板10側の液晶分子21Aの配向(即ち初期配向)を、液晶分子21Aの向きで表しており、電圧印加時のTFT基板10側の液晶分子21Aの配向を、液晶分子21A(A)の向きで表している。3時方向を0度とし、反時計回りを正(+)とし、ツイスト角を+74度とする。電圧を印加すると、液晶分子21Aは、画素中央部では時計回り(-)に回転する(図21(a)参照)のに対し、画素端部では、反時計回り(+)に回転する(図21(b)参照)。画素中央部と画素端部との境界部は、スリット角度が変化する部分に該当し、ここでは液晶分子21の配向が不連続となる。従って、配向乱れが発生し、よって、配向乱れが発生しない画素との間で輝度差が生じるため、残像として視認されると考えられる。
参考までに、画素中央部(a)と画素端部(b)とで、電圧印加時の液晶分子21(即ちTFT基板側の液晶分子21A)の回転方向が異なることを概念的に示す図として、図22及び図23を示す。図22は、図18に、液晶分子21の回転方向を示す概念図(即ち図21)を重ね合わせた図であり、図23は、図19に、液晶分子21の回転方向を示す概念図(即ち図21)を重ね合わせた図である。
(試験例1及び2)
ネガ型の液晶材料を用いた反射型の液晶表示装置1を想定して、3次元光学シミュレーションによって、キンク部の有無による配向乱れの発生状況を比較した。具体的には、図17Bに示すように、TFT基板(第一の基板)10側に、液晶層20に電圧を印加するための画素電極PE及び共通電極CEを配置し、かつ上層電極(第二の電極122)である共通電極CEを、複数の帯状部SPと、互いに隣接する2つの帯状部間に位置するスリットSlと、を有するスリット電極とした。各帯状部SPの幅Lは2.4μm、各スリットSlの幅は2.2μmとした。液晶層20にはネガ型の液晶材料を使用した。下層電極(第一の電極121)である画素電極PEは、ベタ電極とした。図17Bは、本例で想定した装置の断面模式図である。
ここで、スリット電極(共通電極CE)を構成する複数の帯状部SPを、試験例1では、互いに略平行に、かつ同一方向に延びる直線形状からなるが、端部に屈曲部fを有するものとした(図24Aの(b)参照)。これに対し、試験例2では、互いに略平行に、かつ同一方向に延びる直線形状からなり、屈曲部fを含まないものとした(図24Bの(b)参照)。図24Aは、試験例1のシミュレーション結果((a)参照)と、当該結果を基に複数の帯状部SPを概念的に示した図((b)参照)である。図24Bは、試験例2のシミュレーション結果((a)参照)と、当該結果を基に複数の帯状部SPを概念的に示した図((b)参照)である。
3次元光学シミュレーションにより反射率分布を評価した結果として、試験例1の結果を図24Aの(a)に示し、試験例2の結果を図24Bの(a)に示す。試験例1では、キンク部と称される屈曲部fに配向乱れが発生し、キンク部fの輝度が低い(図24Aの(a)を参照)。これに対し、試験例2では、配向乱れが発生せず、試験例1に比べて、共通電極CEの端部(試験例1のキンク部fに該当する部分)の輝度が上昇した(図24Bの(a)参照)。従って、スリット電極を構成する複数の帯状部SPを、互いに略平行に、かつ同一方向に延びる直線形状からなり、屈曲部を含まない形態とすることで、配向乱れが発生しないことが確認された。液晶分子21の配向とスリット角度との関係が各画素内で均一になるために、配向乱れが発生しなくなったと考えられる。
(試験例3及び4)
以上より、配向乱れの発生原因は、キンク部とそれ以外の部分とのスリット電極のスリット角度の違いによるものと考えられる。そこで、スリット角度による反射モード効率の変化を、3次元光学シミュレーションによって評価及び解析した。具体的には、反射型の液晶パネル1Xと、位相差層40と、偏光板50とをこの順に備える構成の液晶表示装置1において、位相差層40として、液晶パネル1X側から順に、λ/4板41と、λ/2板42とを配置した構造を想定した(図9参照)。λ/4板41としては、リタデーションが110nmである1軸位相差板を用い、λ/2板42として、リタデーションが260nmである1軸位相差板を用いる。
液晶パネル1Xとしては、TFT基板(第一の基板)10側に、液晶層20に電圧を印加するための画素電極PE及び共通電極CEを配置し、かつ上層電極(第二の電極122)である共通電極CEを、複数の帯状部SPと、互いに隣接する2つの帯状部間に位置するスリットSlと、を有するスリット電極とした(図25及び図26参照)。複数の帯状部SPは、互いに略平行に、かつ同一方向に延びる直線形状からなり、しかも屈曲部を含まないものとし、スリット角度を0°とした(図26参照)。下層電極(第一の電極121)である画素電極PEは、ベタ電極とした。また、モノドメイン構造の液晶層(ノーマリーブラック表示を行う液晶層)を想定した。図25では、一部の層の膜厚を、層を表す符号の後ろに括弧書きで記載した。
液晶層20にポジ型の液晶材料を用いた例を試験例3とし、ネガ型の液晶材料を用いた例を試験例4とした。各帯状部SPの幅Lと各スリットSlの幅Sとの比(L/S条件と称す)を、試験例3-1及び試験例4-1ではL/S(μm)=2.2/4.1とし、試験例3-2及び試験例4-2ではL/S(μm)=1.6/3.0とし、試験例3-3及び試験例4-3ではL/S(μm)=3.0/5.0とした。
図25は、本例で想定した装置が含む液晶パネル1Xの断面模式図である。図26は、画素電極PEと共通電極CEとの電極構造を概念的に示す模式図であり、中でも特に、L/S(μm)=1.6/3.0である例(試験例3-2及び試験例4-2)を示している。図26では、電圧無印加時のTFT基板10側の液晶分子21Aの配向(即ち初期配向)を、ポジ型の液晶分子21A(p)及びネガ型の液晶分子21A(n)の向きで表している。
実際のシミュレーションでは、条件設定を簡単にするために、スリット角度を変更する代わりに、液晶分子21のプレツイスト角及び光学フィルムの軸角度を変更した。但し、ツイスト角θは固定した(試験例3及び4では74°)。具体的には、次に述べる光学フィルムの軸設定を基準として、スリット角度と同じ角度だけ、液晶分子21のプレツイスト角及び各光学フィルムの軸角度を回転させる。光学フィルムとは、偏光板50及び位相差層40(本例ではλ/4板41及びλ/2板42)を意味する。なお、液晶分子21のプレツイスト角とは、基準(本明細書では液晶パネルを観察面側から平面視したときの3時方向を、基準0°とする。)に対する、TFT基板(第一の基板)10側の液晶分子21Aの初期配向角である。
各光学フィルムの軸設定及び液晶層20のリタデーションdΔnは、試験例3(ポジ液晶)では図27及び表1に示す通りとし、試験例4(ネガ液晶)では、図28及び表1に示す通りとした。図27は、試験例3で用いた各光学フィルムの軸設定を概念的に示す平面図であり、図28は、試験例4で用いた各光学フィルムの軸設定を概念的に示す平面図である。図27及び図28では、各光学フィルムを時計の文字盤に見立てて、3時方向を0°とし反時計回りを正とした。各光学フィルムの軸角度は、観察面側から平面視で観察したときの角度である。
電圧設定は、0Vから6Vまでの0.5V刻みに設定した。輝度分布の平均反射モード効率を求め、5V印加時の反射モード効率を、L/S条件ごとにプロットした。
ここで、反射モード効率は、下記式:
反射モード効率(%)=(偏光板ありの輝度)/(偏光板なしの輝度)×100
により求めた。結果を図29及び図30に示す。図29は、試験例3(ポジ型、ツイスト角74°)の結果を示すグラフであり、図30は、試験例4(ネガ型、ツイスト角74°)の結果を示すグラフである。
Figure 2025002490000002
図29(ポジ型、ツイスト角74°)では、特定のスリット角度を境にして、反射率が大きく変化することが確認される。これは、電圧印加時の液晶分子の回転方向が異なることに起因すると考えられる。また、反射率が不連続となるスリット角度は、L/S条件によって変化することも確認される。反射率が不連続となるスリット角度は、試験例3-1(L/S(μm)=2.2/4.1)では-11.5°付近であり、試験例3-2(L/S(μm)=1.6/3.0)では-9.5°付近であり、試験例3-3(L/S(μm)=3.0/5.0)では-13°付近である。従って、各L/S条件において、反射モード効率が30%以上となる場合のスリット角度、反射モード効率が33%以上となる場合のスリット角度、及び、反射モード効率が36%以上となる場合のスリット角度を、それぞれ、上述した好ましい範囲、より好ましい範囲、及び、更に好ましい範囲とした。
図30(ネガ型、ツイスト角74°)でも同様に、特定のスリット角度を境にして、反射率が大きく変化することが確認され、反射率が不連続となるスリット角度は、L/S条件によって変化することも確認される。反射率が不連続となるスリット角度は、試験例4-1(L/S(μm)=2.2/4.1)では-19°付近であり、試験例4-2(L/S(μm)=1.6/3.0)では-15°付近であり、試験例4-3(L/S(μm)=3.0/5.0)では-22°付近である。従って、各L/S条件において、反射モード効率が30%以上となる場合のスリット角度、及び、反射モード効率が33%以上となる場合のスリット角度を、それぞれ、上述した好ましい範囲、及び、より好ましい範囲とした。
(試験例5及び6)
試験例5は、ツイスト角θを83°にし、各光学フィルムの軸設定及び液晶層20のリタデーションdΔnを図31及び表2に示す通りとしたこと以外は、試験例3と実質的に同条件に設定した例である。試験例6は、ツイスト角θを83°にし、各光学フィルムの軸設定及び液晶層20のリタデーションdΔnを図32及び表2に示す通りとしたこと以外は、試験例4と実質的に同条件に設定した例である。L/S条件を、試験例5-1及び試験例6-1ではL/S(μm)=2.2/4.1とし、試験例5-2及び試験例6-2ではL/S(μm)=1.6/3.0とし、試験例5-3及び試験例6-3ではL/S(μm)=3.0/5.0とした。図31は、試験例5で用いた各光学フィルムの軸設定を概念的に示す平面図であり、図32は、試験例6で用いた各光学フィルムの軸設定を概念的に示す平面図である。
電圧設定は、0Vから6Vまでの0.5V刻みに設定した。輝度分布の平均反射モード効率を求め、5V印加時の反射モード効率を、L/S条件ごとにプロットした。結果を図33及び図34に示す。図33は、試験例5(ポジ型、ツイスト角83°)の結果を示すグラフであり、図34は、試験例6(ネガ型、ツイスト角83°)の結果を示すグラフである。
Figure 2025002490000003
図33(ポジ型、ツイスト角83°)でも、特定のスリット角度を境にして、反射率が大きく変化することが確認され、反射率が不連続となるスリット角度は、L/S条件によって変化することも確認される。反射率が不連続となるスリット角度は、試験例5-1(L/S(μm)=2.2/4.1)では-11.5°付近であり、試験例5-2(L/S(μm)=1.6/3.0)では-9.5°付近であり、試験例5-3(L/S(μm)=3.0/5.0)では-13°付近である。従って、各L/S条件において、反射モード効率が30%以上となる場合のスリット角度、反射モード効率が33%以上となる場合のスリット角度、及び、反射モード効率が36%以上となる場合のスリット角度を、それぞれ、上述した好ましい範囲、より好ましい範囲、及び、更に好ましい範囲とした。
図34(ネガ型、ツイスト角83°)でも同様に、特定のスリット角度を境にして、反射率が大きく変化することが確認され、反射率が不連続となるスリット角度は、L/S条件によって変化することも確認される。反射率が不連続となるスリット角度は、試験例6-1(L/S(μm)=2.2/4.1)では-19°付近であり、試験例6-2(L/S(μm)=1.6/3.0)では-15°付近であり、試験例6-3(L/S(μm)=3.0/5.0)では-22°付近である。従って、各L/S条件において、反射モード効率が30%以上となる場合のスリット角度、反射モード効率が33%以上となる場合のスリット角度、及び、反射モード効率が36%以上となる場合のスリット角度を、それぞれ、上述した好ましい範囲、より好ましい範囲、及び、更に好ましい範囲とした。
以上に示した本発明の各態様は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜組み合わされてもよい。
1 :液晶表示装置
1X :液晶パネル
10、30 :基板
20 :液晶層
21、21A、21B:液晶分子
40、40’ :位相差層
41 :λ/4板
42 :λ/2板
41SA、42SA:面内遅相軸
50、50’ :偏光板
50AA :偏光軸
61、62 :光源
100、300:支持基板
110 :TFT
121、122:電極
130 :反射層
140、340:水平配向膜
150G :ゲート絶縁膜
151、152:層間絶縁層
153 :誘電体層
160 :コンタクト電極
310 :カラーフィルタ層
BP :バックプレーン回路
CE :共通電極
PE :画素電極
CH1、CH2:コンタクトホール
DR :表示領域
FR :非表示領域
GL :ゲート配線
SL :ソース配線
f :キンク部(屈曲部)
p :凸部
P :画素
Rf :反射領域
Tr :透過領域
Sl :スリット
SP :帯状部
TC :タッチ配線コンタクト部
TD :タッチ駆動部
TL、TL1、TL2:タッチ配線
TX :タッチセンサ電極

Claims (19)

  1. 第一の基板と、
    前記第一の基板に対向する第二の基板と、
    前記第一の基板と前記第二の基板との間に設けられた液晶層と、
    を備え、マトリクス状に配列された複数の画素を有する液晶表示装置であって、
    前記第一の基板は、光を反射する反射層と、前記液晶層に横電界を生成し得る第一の電極及び第二の電極と、前記液晶層に接する第一の水平配向膜と、を有し、
    前記第一の電極及び前記第二の電極のうち少なくとも一方は、複数の帯状部と、前記複数の帯状部のうち互いに隣接する2つの帯状部間に位置するスリットと、を有し、
    各画素において、前記複数の帯状部は、互いに略平行に、かつ同一方向に延びる直線形状からなり、屈曲部を含まず、
    前記第二の基板は、前記液晶層に接する第二の水平配向膜を有し、
    前記液晶層は、電圧無印加時にツイスト配向をとる
    ことを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記複数の帯状部は、切欠き部を含まない
    ことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. 前記複数の帯状部が延びる方向は、少なくとも隣接する画素において、又は、表示領域において、同一である
    ことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  4. 前記液晶層は、ポジ型の液晶材料を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  5. 前記液晶層は、ネガ型の液晶材料を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  6. 電圧無印加時における前記液晶層のツイスト角は、58.3°以上89.9°以下である
    ことを特徴とする請求項4又は5に記載の液晶表示装置。
  7. シングルドメイン配向である
    ことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  8. 電圧無印加時の前記第一の基板側の液晶分子の配向方向は、前記複数の帯状部が延びる方向を基準(0°)として、-30°以上30°以下である
    ことを特徴とする請求項4又は5に記載の液晶表示装置。
  9. 前記複数の帯状部は、平面視での帯状部1個あたりの幅Lと、平面視でのスリット1個あたりの幅Sとの比L/Sが、0.4~0.7/1である
    ことを特徴とする請求項4又は5に記載の液晶表示装置。
  10. 更に、
    前記第一の基板及び/又は前記第二の基板の外側に配置された偏光板と、
    前記基板と前記偏光板との間に配置された位相差層と、
    を備える
    ことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  11. 前記液晶層は、ポジ型の液晶材料を含み、
    前記偏光板は、吸収型偏光板であり、
    前記偏光板の光吸収軸は、前記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、5°以上35°以下である
    ことを特徴とする請求項10に記載の液晶表示装置。
  12. 前記液晶層は、ポジ型の液晶材料を含み、
    前記位相差層は、λ/2板を含み、
    前記λ/2板の面内遅相軸は、前記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、25°以上50°以下である
    ことを特徴とする請求項10に記載の液晶表示装置。
  13. 前記液晶層は、ポジ型の液晶材料を含み、
    前記位相差層は、λ/4板を含み、
    前記λ/4板の面内遅相軸は、前記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、45°以上70°以下である
    ことを特徴とする請求項10に記載の液晶表示装置。
  14. 前記液晶層は、ネガ型の液晶材料を含み、
    前記偏光板は、吸収型偏光板であり、
    前記偏光板の吸収軸は、前記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、-85°以上-55°以下である
    ことを特徴とする請求項10に記載の液晶表示装置。
  15. 前記液晶層は、ネガ型の液晶材料を含み、
    前記位相差層は、λ/2板を含み、
    前記λ/2板の面内遅相軸は、前記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、-65°以上-40°以下である
    ことを特徴とする請求項10に記載の液晶表示装置。
  16. 前記液晶層は、ネガ型の液晶材料を含み、
    前記位相差層は、λ/4板を含み、
    前記λ/4板の面内遅相軸は、前記複数の帯状部が延びる方向に直交する方向を基準(0°)として、-40°以上-15°以下である
    ことを特徴とする請求項10に記載の液晶表示装置。
  17. ノーマリーブラックモードで表示を行う
    ことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  18. 前記第一の電極又は前記第二の電極のうち一方は、前記複数の画素の各々に設けられた画素電極であり、他方は、タッチセンサ電極として各々機能し得る複数のセグメントを含む共通電極であり、
    前記第一の基板は、対応する前記タッチセンサ電極に各々接続された複数のタッチ配線を有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  19. 更に、光源を備える
    ことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
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