JP5597577B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、インプレーンスイッチングツイストネマチック（ＩＴ）モードの液晶表示装置に関する。

特許文献１〜３に、ＩＴモード（または、ＩＰＳモード）の液晶表示装置が開示されている。以下、ＩＴモードの動作について簡単に説明する。

液晶層を挟む一対の基板の一方にのみ櫛歯型電極が形成されている。電界が印加されない状態では、液晶分子はツイストネマチック（ＴＮ）配列している。電極に電圧を印加すると、基板面に平行な向きの電界が発生し、電極が形成された基板側の液晶分子が、その長軸方向を基板面内で変化させる向きの力を受ける。電極に高電圧を印加すると、液晶層内の分子のねじれ状態が解消し、ホモジニアス配列に近づく。

液晶層の両側に偏光板がクロスニコル配置されている。液晶層内の分子のねじれ状態が解消したときの液晶分子の長軸が、いずれかの偏光板の透過軸に平行であれば黒表示になる。また、電圧を印加していない状態では、白表示になる。

ＩＴモードでは、基板面に平行な面内において液晶分子の長軸方向を変化させるため、液晶分子を基板面に垂直に立たせて黒表示を実現する従来のＴＮモードの液晶表示装置に比べて、良好な視角特性を得ることができる。

特許第２９８６７５６号公報 特許第３２９９１９０号公報 特開平１０−５４９８２号公報

ＩＴモードの液晶表示装置においては、液晶層内の液晶分子のねじれ状態を解消させて良好な黒表示を得るために、高い電圧が必要とされる。

本発明の目的は、黒表示状態を得るために必要な電圧を低減させることが可能な液晶表示装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
電界が発生していない状態で液晶分子がツイスト配列してヘリカル構造を示し、ねじれ角が９０°よりも大きく１８０°以下である液晶層を保持し、該液晶層に基板面内方向の電界を発生させる電極が形成され、前記液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と、前記電極によって発生する電界の方向とのなす角度が４５°になるように配向処理されている駆動セルと、
前記駆動セルの一方の面上に配置され、液晶分子がツイスト配列してヘリカル構造を示す液晶層を含み、ヘリカル構造の旋回方向が、前記駆動セルのヘリカル構造の旋回方向とは逆向きであり、該液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向が、前記駆動セルの液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と直交する補償手段と、
前記駆動セルと補償手段とを含む構造体の両側にそれぞれ配置された偏光板と
を有する液晶表示装置が提供される。

上述の構造とすることにより、従来のＩＴモードの液晶表示装置に比べて低電圧駆動が可能になる。

第１の実施例による液晶表示装置の分解斜視図である。 第１の実施例による液晶表示装置の電気光学特性を、駆動セルと補償セルとの液晶層の厚さの差ごとに示すグラフである。 第１の実施例による液晶表示装置の電気光学特性を、駆動セルと補償セルとのリタデーションごとに示すグラフである。 第１の実施例による液晶表示装置の電気光学特性を、駆動セルの電極基板側の配向方向と電界方向とのなす角ごとに示すグラフである。 第１の実施例による液晶表示装置の電気光学特性を、駆動セルと補償セルとのヘリカル構造のねじれ角ごとに示すグラフである。 第１の実施例による液晶表示装置の電気光学特性を、駆動セルのヘリカル構造のねじれ角を９０°に固定した場合に、補償セルのヘリカル構造のねじれ角ごとに示すグラフである。 第２の実施例による液晶表示装置の分解斜視図である。 第２の実施例による液晶表示装置の視角特性を示すグラフである。 第１の実施例による液晶表示装置の視角特性を示すグラフである。 第３の実施例による液晶表示装置の分解斜視図である。 第３の実施例による液晶表示装置の視角特性を示すグラフである。

図１に、本発明の第１の実施例による液晶表示装置の主要部の分解斜視図を示す。第１の実施例による液晶表示装置は、駆動セル１０、補償セル３０、駆動セル側の偏光板５０、及び補償セル側の偏光板５１を含んで構成される。

駆動セル１０は従来のＩＴモードの液晶セルと同様の構成を有し、電極基板１１、対向基板１２、両者の間に保持された液晶層１５を含んで構成される。液晶層１５には、正の一軸光学異方性を有する液晶分子１６が充填されている。電極基板１１の対向面上に、ある距離を隔てて電極１３及び１４が形成されている。電極１３と１４との間に電圧を印加すると、液晶層１５内に基板面に平行な成分を有する電界が発生する。この電界は、電極基板１１から対向基板１２に近づくに従って弱くなる。

電極１３と１４とによって発生する基板面に平行な方向の電界の向きを基準（０°）とし、電極基板１１の対向面に向かって反時計回りに回転した方位角θで液晶分子の配向方向（長軸方向）等を表す角度座標を定義する。

電極基板１１及び対向基板１２の対向面に、配向膜が形成されている。なお、図示していないが、電極基板１１の面内に複数の画素が画定され、電極１３及び１４は画素ごとに配置されている。

電極基板１１及び対向基板１２上の配向膜に、ラビング処理が施されている。電極基板１１上の配向膜に施されたラビングの方向Ｄ１は方位角２７０°の方向であり、対向基板１２上の配向膜に施されたラビングの方向Ｄ２は方位角０°の方向である。配向膜に接触する液晶分子はラビング方向に平行に配向し、ラビング方向を示す矢印の先端側の端部が基板から持ち上がるようにチルトする。

電極基板１１側の液晶分子の基板から持ち上がった方の端部が、対向基板１２側の液晶分子の基板に接触する方の端部に対応するように、液晶層１５内の液晶分子１６がツイストし、ヘリカル構造を構成する。このヘリカル構造は左旋回となり、ねじね角は９０°、厚さ方向の中央に位置する液晶分子の配向方向の方位角θは２２５°になる。

補償セル３０は、下側基板３１、上側基板３２、両者に挟まれた液晶層３５を含んで構成される。下側基板３１が駆動セル１０の対向基板１２に接触している。下側基板３１及び上側基板３２の対向面上に配向膜が形成され、ラビング処理が施されている。下側基板３１上の配向膜に施されたラビングの方向Ｄ３は方位角９０°の方向であり、上側基板３２上の配向膜に施されたラビングの方向Ｄ４は方位角０°の方向である。

液晶層３５内の液晶分子３６がツイストし、ヘリカル構造を構成する。このヘリカル構造は右旋回となり、ねじれ角は９０°、厚さ方向の中央に位置する液晶分子の配向方向の方位角θは１３５°になる。駆動セル１０の液晶層１５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と、補償セル３０の液晶層３５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向とは、相互に直交する。

偏光板５０が、駆動セル１０の電極基板１１の外側の面に密着し、偏光板５１が、補償セル３０の上側基板３２の外側の面に密着している。偏光板５０の透過軸の方向Ｄ５の方位角θは０°であり、偏光板５１の透過軸の方向Ｄ６の方位角θは９０°である。すなわち、偏光板５０と５１とは、クロスニコル配置とされている。

図２に、図１に示した液晶表示装置の電気光学特性を示す。横軸は印加電界を単位「Ｖ／ｍｍ」で表し、縦軸は光透過率を単位「％」で表す。なお、光透過率はシミュレーション計算により求めた結果である。液晶材料として誘電率異方性Δεが正であるメルク（株）製のＭＬＣ２０５１（屈折率異方性Δｎ＝０．１１）を想定した。また、偏光板５０及び５１は、吸収の無い理想的なものを仮定した。

図中の実線ａ_０は、駆動セル１０の液晶層１５の厚さと、補償セル３０の液晶層３５の厚さとが等しい場合を示す。破線ａ_１１、ａ_１２、ａ_１３は、それぞれ補償セル３０の液晶層３５が、駆動セル１０の液晶層１５よりも０．１μｍ、０．２μｍ、０．３μｍだけ厚い場合を示す。破線ａ_２１、ａ_２２、ａ_２３は、それぞれ補償セル３０の液晶層３５が、駆動セル１０の液晶層１５よりも０．１μｍ、０．２μｍ、０．３μｍだけ薄い場合を示す。なお、電界無印加時における駆動セル１０のリタデーションΔｎｄは０．４μｍとした。

印加電界が０の時に、黒表示になる。駆動セル１０の液晶層１５の厚さと補償セル３０の液晶層３５の厚さとが等しい場合に、印加電圧が０のときの光透過率が０になる。補償セル３０の液晶層３５の厚さが、駆動セル１０の液晶層１５の厚さからずれると、黒表示状態のときの光透過率が０ではなくなり、ずれ量が大きくなるに従って光透過率も大きくなる。

想定した液晶材料の屈折率異方性が０．１１であるため、液晶層の厚さのずれ量が０．３μｍのとき、補償セル３０のリタデーションと駆動セル１０のリタデーションとの差は、約０．０３μｍになる。補償セル３０のリタデーションと、電界無印加時における駆動セル１０のリタデーションとの差が０．０３μｍ以下であれば、良好な黒表示が得られることが分かる。また、リタデーションの差が０．０３μｍ以下の場合、所定の電界を印加した白表示状態のときの光透過率に、大きな差は見られない。従って、補償セル３０のリタデーションと駆動セル１０のリタデーションとの差を０．０３μｍ以下とすることが好ましい。

従来のＩＴモードの液晶表示装置では、良好な黒表示を行うために大きな電界を発生させる必要があったが、上記実施例による液晶表示装置はノーマリブラック表示であるため、駆動電圧を下げることができる。

図３に、駆動セル１０のリタデーションと補償セル３０のリタデーションとを等しくした場合の電気光学特性を示す。横軸は印加電界を単位「Ｖ／ｍｍ」で表し、縦軸は光透過率を単位「％」で表す。図中の破線または実線ｂ_１〜ｂ_６は、それぞれリタデーションΔｎｄが０．４０μｍ、０．４７μｍ、０．８０μｍ、１．２０μｍ、１．６０μｍ、２．００μｍの場合の光透過率を示す。

いずれのリタデーションの場合でも、白表示状態における光透過率に大きな差はない。従来のＩＴモードの液晶表示装置においては、良好な白表示を得るためにリタデーションを０．４９μｍ近傍に設定する必要（第一ミニマム条件）があったが、第１の実施例による液晶表示装置においては、リタデーションの広い範囲で良好な白表示が得られる。また、リタデーションが０．４０〜２．００μｍの範囲で、黒表示の品質にも大きな差は見られなかった。

駆動セル１０を厚くすると応答速度が遅くなる。従来のＩＴモードの液晶表示装置と同等の応答速度を維持するために、リタデーションを０．３μｍ〜１μｍとすることが好ましい。

図４に、駆動セル１０の電極基板１１上の配向膜のラビング方向Ｄ１と、印加される電界の向きとの関係を９０°からずらした場合の電気光学特性を示す。横軸は印加電界を単位「Ｖ／ｍｍ」で表し、縦軸は光透過率を単位「％」で表す。なお、駆動セル１０の液晶層１５及び補償セル３０の液晶層３５の厚さを４μｍとし、ヘリカル構造のねじれ角は９０°とした。

図４には、電極基板１１上の配向膜のラビング方向Ｄ１と、電極１３及び１４により発生する基板面に平行な方向の電界の向きとの成す角φが６０°、７０°、８０°、及び９０°の場合の光透過率を示す。いずれの場合も、良好な黒表示及び白表示が得られることがわかる。

図５に、駆動セル１０のヘリカル構造のねじれ角θｄを変化させた時の電気光学特性を示す。横軸は印加電界を単位「Ｖ／ｍｍ」で表し、縦軸は光透過率を単位「％」で表す。駆動セル１０の液晶層１５及び補償セル３０の液晶層３５の厚さを４μｍとした。補償セル３０のヘリカル構造のねじれ角θｃはねじれ角θｄと等しくなるようにした。ヘリカル構造のねじれ角を変化させても、駆動セル１０の液晶層１５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向が、方位角２２５°の方向になるようにした。補償セル３０に関しても、液晶層３５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向を１３５°で固定した。

このため、いずれの場合も、駆動セル１０の液晶層１５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と、補償セル３０の液晶層３５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向とは相互に直交する。

図５には、駆動セル１０のヘリカル構造のねじれ角θｄが３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°、及び１８０°の場合の光透過率を示す。ねじれ角θｄが９０°よりも小さくなると、光透過率の最大値が低下する。また、ねじれ角θｄが９０°よりも大きくなると、光透過率の立ち上がりが急峻になる。いずれの場合にも、良好な黒表示状態が得られている。従って、ねじれ角θｄが０°よりも大きく１８０°以下であれば、画像表示を行うことが可能である。

なお、より高いコントラストを得るために、駆動セル１０のヘリカル構造のねじれ角θｄと、補償セル３０のヘリカル構造のねじれ角θｃとを等しくし、両者を０°よりも大きく、かつ１８０°以下とすることが好ましい。

図６に、補償セル３０のヘリカル構造のねじれ角θｃのみを変化させた時の電気光学特性を示す。横軸は印加電界を単位「Ｖ／ｍｍ」で表し、縦軸は光透過率を単位「％」で表す。駆動セル１０の液晶層１５及び補償セル３０の液晶層３５の厚さを４μｍとし、駆動セル１０のヘリカル構造のねじれ角θｄは９０°とした。また、補償セル３０のヘリカル構造のねじれ角θｃを変化させても、液晶層３５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向が、方位角１３５°の方向になるようにした。このため、いずれの場合も、駆動セル１０の液晶層１５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と、補償セル３０の液晶層３５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向とは相互に直交する。

補償セル３０のヘリカル構造のねじれ角θｃを９０°から小さくしていくと、電界無印加時における光透過率が上昇する。この場合、電界を強くしていくと、光透過率は低下して極小値を示し、その後上昇する。光透過率が極小値を示す電界を印加することにより、黒表示を行うことができる。

補償セル３０のヘリカル構造のねじれ角θｃが９０°のときには、ノーマリブラック表示になる。ねじれ角θｃを９０°よりも小さくすることにより、ノーマリホワイト表示を行うことができる。ノーマルホワイト表示を行う際に、十分なコントラストを確保するために、補償セル３０のヘリカル構造のねじれ角θｃを３０〜６０°とすることが好ましい。

一般的には、補償セル３０のヘリカル構造のねじれ角θｃを、駆動セル１０のヘリカル構造のねじれ角θｄよりも小さくすることにより、ノーマリホワイト表示になる。補償セル３０のヘリカル構造のねじれ角θｃが、駆動セル１０のヘリカル構造のねじれ角θｄよりも大きくなると、良好な黒表示状態を得ることができない。このため、ねじれ角θｃをねじれ角θｄ以下とすることが好ましい。

ノーマリホワイト表示を行う場合、従来のＩＴモードの液晶表示装置で黒表示させる場合に比べて、低い電圧（弱い電界）で良好な黒表示を行うことができる。

上記第１の実施例では、駆動セル１０の対向基板１２側に補償セル３０を配置したが、電極基板１１側に補償セル３０を配置しても同様の効果が得られる。また、上記第１の実施例では、正の一軸光学異方性を有する液晶材料を想定してシミュレーションを行ったが、正の二軸光学異方性を有する液晶材料を用いてもよい。

上記第１の実施例では、誘電率異方性が正の液晶材料を用いたが、誘電率異方性が負の液晶材料を用いてもよい。誘電率異方性が負であっても、基板面に平行な電界を印加することにより、基板面に平行な面内に関する配向方向を変化させることができる。

上記第１の実施例で用いられる補償セル３０の液晶層３５内の液晶分子は、動作中にその配列状態を変化させない。従って、補償セル３０の代わりに、同等の光学特性を有する液晶ポリマ等からなる光学フィルムを用いてもよい。

図７に、第２の実施例による液晶表示装置の主要部の分解斜視図を示す。以下、図１に示した液晶表示装置の構成と異なる点について説明する。駆動セル１０と偏光板５０との間に、１／４波長板５２が挿入され、補償セル３０と偏光板５１との間に１／４波長板５３が挿入されている。その他の構成は、図１に示した液晶表示装置の構成と同様である。

１／４波長板５２及び５３として、正の一軸光学異方性または正の二軸光学異方性を有するものを使用することができる。１／４波長板５２の面内の遅相軸が、偏光板５０の透過軸と直交し、１／４波長板５３の面内の遅相軸が、偏光板５１の透過軸に平行になる。なお、逆に、１／４波長板５２の面内の遅相軸が、偏光板５０の透過軸と平行になり、１／４波長板５３の面内の遅相軸が、偏光板５１の透過軸に直交するようにしてもよい。

図８に、第２の実施例による液晶表示装置の視角特性を示し、図９に、第１の実施例による液晶表示装置の視角特性を示す。視角特性は、シンテック（株）製のＬＣＤＭＡＳＴＥＲ １次元シミュレータを用いて計算した。液晶材料としてメルク（株）製のＺＬＩ−４７９２を想定し、偏光板として日東電工（株）製のＧ−１２２０ＤＵを想定し、１／４波長板として、厚さ方向のリタデーションが７０ｎｍ、面内方向のリタデーションが１３７．５ｎｍの正の二軸光学異方性を有するフィルムを想定した。駆動セル１０及び補償セル３０の液晶層の厚さを４．９μｍとし、ヘリカル構造のねじれ角を９０°とした。

図８及び図９に示した方位角０°は、図７及び図１に示した角度座標の３１５°に対応する。また、最外周が、基板法線方向からの傾き角（極角）８０°に対応する。図中の実線は、電圧無印加時（黒表示時）における等輝度曲線を示す。

第２の実施例の場合の方が、第１の実施例の場合に比べて、等輝度曲線の間隔が広くなっており、視角特性が改善されていることがわかる。１／４波長板として、二軸光学異方性を有するものを使用する場合には、厚さ方向のリタデーションが、面内方向のリタデーションの４０〜６０％のものを用いることが好ましい。

図１０に、第３の実施例による液晶表示装置の分解斜視図を示す。以下、図１に示した第１の実施例による液晶表示の構成と異なる点について説明する。第１の実施例では、補償セル３０の液晶材料として正の光学異方性を持ったものを用いたが、第３の実施例では、負の一軸光学異方性または負の二軸光学異方性を持った液晶材料を用いる。液晶分子は円盤状(discotic)形状を有する。液晶分子のダイレクタ方向が、液晶分子の光軸方向と一致する。なお、必ずしも両者が一致した液晶材料を用いる必要はない。

補償セル３０の下側基板３１及び上側基板３２の表面上において、液晶分子は直立（upright）し、厚さ方向に関して右旋回している。すなわち、補償セル３０のヘリカル構造の旋回方向は、駆動セル１０のヘリカル構造の旋回方向と逆向きである。下側基板３１の表面上の液晶分子は、その光軸が０°方向を向くように配向し、上側基板３２の表面上の液晶分子は、その光軸が９０°方向を向くように配向している。

補償セル３０の液晶層３５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の光軸方向は、方位角４５°の方向である。駆動セル１０の液晶層１５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向も方位角４５°の方向であるため、両者は相互に平行になる。

以下、上述の補償セル３０の作製方法について説明する。下側基板３１及び上側基板３２の対向面上に配向膜を形成する。この配向膜として、例えば特開平９−２６５７２号公報の段落３１９に示されたポリイミド膜を用いることができる。この配向膜にラビング処理を施す。下側基板３１の配向膜のラビング方向は、方位角９０°の方向とし、上側基板３２の配向膜のラビング方向は、方位角０°の方向とする。

配向膜に接する円盤状液晶分子が基板面に対してほぼ直立し、その光軸がラビング方向とほぼ直交する。円盤状液晶材料として、例えば特開平９−２６５７２号公報に開示された光学活性を有する混合液晶化合物を用いることができる。この際にカイラルピッチの調整のために光学活性材料の混合比率を調整することは当業者にとって公知の手法である。上下基板の配向膜のラビングによって、上下基板近傍の液晶分子の配向方向が拘束され、上下基板間で９０°のツイスト角を持つ補償セルが得られる。

図１１に、第３の実施例による液晶表示装置の視角特性を示す。負の光学異方性を有する液晶材料として、メルク（株）製のＺＬＩ−４７９２の常光屈折率と異常光屈折率とを入れ替えたものを想定した。その他の条件は、図８及び図９で示したシミュレーションの場合と同様である。図１１の方位角及び極角の意味も、図８に示した方位角及び極角の意味と同様である。

図１１に示した等輝度曲線の間隔が、図８及び図９に示した等輝度曲線の間隔に比べて著しく広くなっている。すなわち、視角特性が著しく改善されていることがわかる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

本発明は、液晶表示装置に関し、特に液晶分子を基板面内方向に回転させて透過率を変化させるＩＴモードの液晶表示装置に関する。この液晶表示装置により、セグメント表示、及びドットマトリクス表示を行うことができる。また、この液晶表示装置は、単純マトリクス駆動及び薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）駆動のいずれにも適用可能である。

１０ 駆動セル
１１ 電極基板
１２ 対向基板
１３、１４ 電極
１５、３５ 液晶層
１６、３６、３６Ａ 液晶分子
３０ 補償セル
３１ 下側基板
３２ 上側基板
３５ 液晶層
５０、５１ 偏光板
５２、５３ １／４波長板

Claims (6)

1. 電界が発生していない状態で液晶分子がツイスト配列してヘリカル構造を示し、ねじれ角が９０°よりも大きく１８０°以下である液晶層を保持し、該液晶層に基板面内方向の電界を発生させる電極が形成され、前記液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と、前記電極によって発生する電界の方向とのなす角度が４５°になるように配向処理されている駆動セルと、
   前記駆動セルの一方の面上に配置され、液晶分子がツイスト配列してヘリカル構造を示す液晶層を含み、ヘリカル構造の旋回方向が、前記駆動セルのヘリカル構造の旋回方向とは逆向きであり、該液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向が、前記駆動セルの液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と直交する補償手段と、
   前記駆動セルと補償手段とを含む構造体の両側にそれぞれ配置された偏光板と
   を有する液晶表示装置。
2. 前記駆動セル及び前記補償手段内の液晶分子が、正の一軸光学異方性または正の二軸光学異方性を有する請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 電界が発生していない状態における前記駆動セルのリタデーションと、前記補償手段のリタデーションとの差が０．０３μｍ以下である請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 前記補償手段のリタデーション、及び電界が発生していない状態における前記駆動セルのリタデーションが、０．３μｍ〜１μｍである請求項１〜３のいずれかに記載の液晶表示装置。
5. 前記補償手段のヘリカル構造のねじれ角が、前記駆動セルのヘリカル構造のねじれ角以下である請求項１〜４のいずれかに記載の液晶表示装置。
6. さらに、前記駆動セルと該駆動セル側の前記偏光板との間、及び前記補償手段と該補償手段側の前記偏光板との間に配置され、正の一軸光学異方性または正の二軸光学異方性を有する１／４波長板を有する請求項１〜５のいずれかに記載の液晶表示装置。
   

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