JP2010060725A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト及び消費電力の増大を招くことなく、透過率を向上することが可能な液晶表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 アレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとの間に液晶層ＬＱを保持した構成の液晶表示パネルＬＰＮを備え、
アレイ基板ＡＲは、第１電極Ｅ１と、第１電極と絶縁層ＩＬを介して対向するように配置され第１電極と対向するスリットＳＬが形成された第２電極Ｅ２と、第２電極を覆うとともに液晶層に接する第１配向膜ＡＬ１と、を備え、
対向基板ＣＴは、第１配向膜より厚い膜厚を有し且つ液晶層に接する第２配向膜ＡＬ２を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

この発明は、液晶表示装置に係り、特に、液晶表示装置を構成する一方の基板に一対の電極を備えた構造の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、低消費電力などの特徴を生かして、各種分野に適用されている。このような液晶表示装置は、一対の基板間に液晶層を保持した構成であり、画素電極とコモン電極との間の電界によって液晶層を通過する光に対する変調率を制御し、画像を表示するものである。

このような液晶表示装置において、広視野角化の観点から、横電界（フリンジ電界も含む）を利用した構造が特に注目されている。

Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ（ＩＰＳ）モードや、Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ（ＦＦＳ）モードなどの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共通電極とを備え、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（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２９０１６８号公報

この発明の目的は、コスト及び消費電力の増大を招くことなく、透過率を向上することが可能な液晶表示装置を提供することにある。

この発明の態様による液晶表示装置は、
第１基板と第２基板との間に液晶層を保持した構成の液晶表示パネルを備え、
前記第１基板は、
第１電極と、
前記第１電極と絶縁層を介して対向するように配置され、前記第１電極と対向するスリットが形成された第２電極と、
前記第２電極を覆うとともに前記液晶層に接する第１配向膜と、を備え、
前記第２基板は、前記第１配向膜より厚い膜厚を有し且つ前記液晶層に接する第２配向膜を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、コスト及び消費電力の増大を招くことなく、透過率を向上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。

以下、この発明の一実施の形態に係る液晶表示装置について図面を参照して説明する。ここでは、一方の基板に第１電極及び第２電極を備え、これらの間に形成される横電界（基板の主面にほぼ平行な電界）を主に利用して液晶分子をスイッチングする液晶モードとして、ＦＦＳモードの液晶表示装置を例に説明する。

図１乃至図３に示すように、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装置であって、透過型の液晶表示パネルＬＰＮを備えている。この液晶表示パネルＬＰＮは、アレイ基板（第１基板）ＡＲと、アレイ基板ＡＲに対向して配置された対向基板（第２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、を備えて構成されている。このような液晶表示パネルＬＰＮは、画像を表示する表示エリアＤＳＰを備えている。この表示エリアＤＳＰ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）。

アレイ基板ＡＲは、ガラス板や石英板などの光透過性を有する絶縁基板２０を用いて形成されている。このアレイ基板ＡＲは、表示エリアＤＳＰにおいて、各画素ＰＸの行方向Ｈに沿ってそれぞれ延出したｎ本のゲート線Ｙ（Ｙ１〜Ｙｎ）、各画素ＰＸの列方向Ｖに沿ってそれぞれ延出したｍ本のソース線Ｘ（Ｘ１〜Ｘｍ）、各画素ＰＸにおいてゲート線Ｙとソース線Ｘとの交差部を含む領域に配置されたｍ×ｎ個のスイッチング素子Ｗなどを備えている。このようなゲート線Ｙ及びソース線Ｘは、例えばモリブデン、アルミニウム、タングステンなどの導電材料によって形成されている。

ｎ本のゲート線Ｙは、表示エリア外に引き出され、ゲートドライバＹＤに接続されている。また、ｍ本のソース線Ｘは、表示エリア外に引き出され、ソースドライバＸＤに接続されている。ゲートドライバＹＤは、コントローラＣＮＴによる制御に基づいてｎ本のゲート線Ｙに順次走査信号（駆動信号）を供給する。また、ソースドライバＸＤは、コントローラＣＮＴによる制御に基づいて各行のスイッチング素子Ｗが走査信号によってオンするタイミングでｍ本のソース線Ｘに映像信号（駆動信号）を供給する。

アレイ基板ＡＲは、さらに、絶縁層ＩＬを介して互いに対向するように配置された一対の電極、すなわち第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２を備えている。第２電極Ｅ２は、第１電極Ｅ１よりも液晶層ＬＱ側に配置されている。この第２電極Ｅ２には、第１電極Ｅ１と対向するスリットＳＬが形成されている。

ここに示した例では、第１電極Ｅ１は、複数の画素ＰＸに共通のコモン電位のコモン電極に相当し、また、第２電極Ｅ２は、各画素ＰＸに配置されたｍ×ｎ個の画素電極に相当する。このような構成例においては、各行の第２電極Ｅ２は、第１電極Ｅ１の電位に対して、対応するスイッチング素子Ｗを介して供給される映像信号に応じた画素電位にそれぞれ設定される。なお、第１電極Ｅ１が画素電極に相当し、第２電極Ｅ２がコモン電極に相当する構成例においてもこの発明を適用できることは言うまでもない。

アレイ基板ＡＲの構造について、より詳細に説明すると、各スイッチング素子Ｗは、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）によって構成されている。スイッチング素子Ｗの半導体層は、例えば、ポリシリコンやアモルファスシリコンなどによって形成可能である。スイッチング素子Ｗのゲート電極ＷＧは、ゲート線Ｙに接続されている（あるいはゲート線Ｙと一体的に形成されている）。スイッチング素子Ｗのソース電極ＷＳは、ソース線Ｘに接続される（あるいはソース線Ｘと一体に形成される）とともに、半導体層のソース領域にコンタクトしている。スイッチング素子Ｗのドレイン電極ＷＤは、第２電極Ｅ２に接続される（あるいは第２電極Ｅ２と一体に形成される）とともに、半導体層のドレイン領域にコンタクトしている。

第１電極Ｅ１は、例えば各画素ＰＸにおいて島状に配置され、コモン電位のコモン配線ＣＯＭに電気的に接続されている。この第１電極Ｅ１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。このような第１電極Ｅ１は、絶縁層ＩＬによって覆われている。絶縁層ＩＬは、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）などの無機系材料によって形成されている。

第２電極Ｅ２は、例えば各画素ＰＸにおいて画素形状に対応した島状、例えば、略四角形に形成され、第１電極Ｅ１に対向するように絶縁層ＩＬの上に配置されている。この第２電極Ｅ２は、各画素ＰＸのスイッチング素子Ｗに電気的に接続されている。また、この第２電極Ｅ２には、第１電極Ｅ１と対向する複数のスリットＳＬが設けられている。スリットＳＬは、例えば長方形状あるいは長円形状に形成されている。このスリットＳＬは、その長軸Ｌが例えば列方向Ｖと平行となるように形成されている。このような複数のスリットＳＬは、行方向Ｈに並んでいる。第２電極Ｅ２は、第１電極Ｅ１と同様に、例えばＩＴＯや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。

このような第２電極Ｅ２は、第１配向膜ＡＬ１によって覆われている。換言すると、アレイ基板ＡＲの液晶層ＬＱに接する面は、第１配向膜ＡＬ１によって覆われている。この第１配向膜ＡＬ１は、たとえばポリイミドによって形成されている。

一方、対向基板ＣＴは、ガラス板や石英板などの光透過性を有する絶縁基板３０を用いて形成されている。特に、カラー表示タイプの液晶表示装置においては、図３に示したように、対向基板ＣＴは、絶縁基板３０の内面（すなわち液晶層ＬＱに対向する側）に、各画素ＰＸを区画するブラックマトリクス３２、ブラックマトリクス３２によって囲まれた各画素ＰＸに配置されたカラーフィルタ層３４などを備えている。また、対向基板ＣＴは、さらに、カラーフィルタ層３４の表面の凹凸を平坦化するように比較的厚い膜厚で配置されたオーバーコート層などを備えて構成してもよい。

ブラックマトリクス３２は、絶縁基板３０上において、アレイ基板ＡＲに設けられたゲート線Ｙやソース線Ｘ、さらにはスイッチング素子Ｗなどの配線部に対向するように配置されている。このブラックマトリクス３２は、例えば黒色に着色された着色樹脂によって形成されている。

カラーフィルタ層３４は、絶縁基板３０上に配置され、互いに異なる複数の色、例えば赤色、青色、緑色といった３原色にそれぞれ着色された着色樹脂によって形成されている。赤色着色樹脂、青色着色樹脂、及び緑色着色樹脂は、それぞれ赤色画素、青色画素、及び緑色画素に対応して配置されている。

このようなカラーフィルタ層３４は、第２配向膜ＡＬ２によって覆われている。換言すると、対向基板ＣＴの液晶層ＬＱに接する面は、第２配向膜ＡＬ２によって覆われている。この第２配向膜ＡＬ２は、たとえばポリイミドによって形成されている。

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と対向基板ＣＴとの間には、図示しないスペーサ（例えば、樹脂材料によって一方の基板と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、所定のギャップが形成された状態でシール材によって貼り合わせられている。

液晶層ＬＱは、これらのアレイ基板ＡＲの第１配向膜ＡＬ１と対向基板ＣＴの第２配向膜ＡＬ２との間に形成されたギャップに封入された液晶分子ＬＭを含む誘電率異方性が正の液晶組成物によって構成されている。

第１配向膜ＡＬ１及び第２配向膜ＡＬ２は、液晶層ＬＱに含まれる液晶分子ＬＭの配向を規制するようにラビング処理されている。液晶分子ＬＭは、第１配向膜ＡＬ１及び第２配向膜ＡＬ２による規制力によってホモジニアス配向されている。第１配向膜ＡＬ１及び第２配向膜ＡＬ２のラビング方向Ｓは、スリットＳＬの長軸Ｌに対して非平行且つ非直角の方向である。

このような液晶表示装置は、さらに、液晶表示パネルＬＰＮに対してアレイ基板ＡＲ側に配置された照明ユニットすなわちバックライトユニットＢＬを備えている。このバックライトユニットＢＬは、アレイ基板ＡＲ側から液晶表示パネルＬＰＮを照明する。このようなバックライトとしては、種々の形態が適用可能であり、また、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用したものや冷陰極管（ＣＣＦＬ）を利用したものなどのいずれでも適用可能であり、詳細な構造については説明を省略する。

また、この液晶表示装置は、液晶表示パネルＬＰＮの一方の外面（すなわちアレイ基板ＡＲの液晶層ＬＱと接する面とは反対の面）に設けられた光学素子ＯＤ１を備え、また、液晶表示パネルＬＰＮの他方の外面（すなわち対向基板ＣＴの液晶層ＬＱと接する面とは反対の面）に設けられた光学素子ＯＤ２を備えている。これらの光学素子ＯＤ１及びＯＤ２は、それぞれ偏光板を含み、例えば第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に電位差が形成されていない（つまり、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に電界が形成されていない）無電界時において、液晶表示パネルＬＰＮの透過率が最低となる（つまり、黒色画面を表示する）ノーマリーブラックモードを実現している。

すなわち、このような液晶表示装置においては、無電界時には、液晶分子ＬＭは、その長軸Ｄが第１配向膜ＡＬ１及び第２配向膜ＡＬ２のラビング方向Ｓと平行な方位を向くように配向されている。このような状態では、バックライトユニットＢＬからのバックライト光は、光学素子ＯＤ１を透過した後、液晶表示パネルＬＰＮを透過し、光学素子ＯＤ２に吸収される（黒色画面表示）。

第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に電位差が形成された場合（つまり、第２電極Ｅ２に第１電極Ｅ１とは異なる電位の電圧が印加された電圧印加時）には、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に横電界（フリンジ電界）が形成される。この横電界は、スリットＳＬを介してその長軸Ｌに対して直交する方位に形成される。

このとき、液晶分子ＬＭの配向状態は、その長軸Ｄがラビング方向Ｓから横電界に平行な方向を向くように変化する。このように、液晶分子ＬＭの長軸Ｄの方位がラビング方向Ｓから変化すると、液晶層ＬＱを透過する光に対する変調率が変化する。このため、バックライトユニットＢＬから出射され液晶表示パネルＬＰＮを透過したバックライト光の一部は、第２光学素子ＯＤ２を透過する（白色画面表示）。このようにして選択的にバックライト光を液晶表示パネルＬＰＮで選択的に透過し、画像を表示する。

ところで、本実施の形態のような主として横電界を利用した表示モードは、広視野角化が可能となるが、ツイステッド・ネマティック（ＴＮ）モードや電界制御複屈折（ＥＣＢ）モードなどの表示モードと比較して透過率が低い。このため、現状においてＴＮモード並みの透過率（あるいは輝度）を得るためには、バックライトユニット側での工夫が必要であり、例えば、ＬＥＤなどの光源の個数を増やす、あるいは、光源に大電圧を印加するなどの方策が挙げられる。しかしながら、このような方策では、コストの増大や消費電力の増大を招く。

そこで、本実施の形態においては、液晶表示パネルＬＰＮの透過率を向上するために、配向膜の膜厚を最適化し、対向基板ＣＴ側の第２配向膜ＡＬ２の膜厚は、アレイ基板ＡＲ側の第１配向膜ＡＬ１より厚く形成されている。

すなわち、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に電位差が形成された際、誘電体である液晶層ＬＱ及び第１配向膜ＡＬ１のそれぞれの容量Ｃに応じて電圧が分配される。このため、第１配向膜ＡＬ１の膜厚が厚いほど第１配向膜ＡＬ１に分配される電圧の割合が高くなる。換言すると、液晶層ＬＱに印加される電圧の割合が低下する。

このため、液晶層ＬＱに所定の電圧を印加しようとした場合には、第１配向膜ＡＬ１の膜厚が厚いほど、高い駆動電圧が必要となる。換言すると、所定の駆動電圧の場合、液晶層ＬＱに印加される電圧は、第１配向膜ＡＬ１の膜厚が厚いほど低下するため、所望の配向分布が得られなくなる。

図４に示す例のように、ノーマリーブラックモードにおいては、第１配向膜ＡＬ１の膜厚が厚くなるほど、液晶表示パネルＬＰＮの最大透過率を得るための駆動電圧（ピーク電圧）が上昇する傾向にある。

また、第１配向膜ＡＬ１の膜厚が厚い場合には、第１配向膜ＡＬ１内で電界の広がりが生じてしまい、主として横電界を利用する表示モードでは、変調に寄与する電界成分を無駄にしてしまう。このため、駆動電圧を増大したとしても、液晶表示パネルＬＰＮの最大透過率が低下してしまう。

図５に示す例のように、第１配向膜ＡＬ１の膜厚が厚くなるほど、液晶表示パネルＬＰＮの最大透過率が低下する傾向にある。結果として、輝度の低下をもたらす。

このような検証結果に基づくと、液晶表示パネルＬＰＮを駆動する上で、アレイ基板ＡＲ側に備えられた一対の電極間の電界の影響を受ける第１配向膜ＡＬ１の膜厚は、通常適用される膜厚（例えば７０ｎｍ程度）より薄くすることが望ましい。これにより、高い透過率を得ることができるとともに、最大透過率を得るためのピーク電圧を低減することができる。

このような第１配向膜ＡＬ１の膜厚は、極力薄い方が望ましいが、過度に薄い場合には、液晶層ＬＱに接するアレイ基板ＡＲの表面のレベリング性が低下してしまう。すなわち、アレイ基板ＡＲにおいては、各種配線や電極が配置されているため、それらの厚みに応じて段差が形成されやすい。大きな段差は、横電界の歪みや、配向不良の原因となりやすい。また、薄い配向膜では、液晶分子の配向規制力が低下するおそれがある。

このため、第１配向膜ＡＬ１としては、配向規制力を確保しつつ、アレイ基板ＡＲの表面の段差を十分に低減できる膜厚が必要となる。発明者の検討によれば、第１配向膜ＡＬ１の膜厚は、３０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲が望ましいことが確認された。これにより、配向膜としての特性を維持しつつ、透過率の向上が可能となる。

一方で、液晶表示パネルＬＰＮにおいては、配向膜は屈折率の異なる層によって挟まれているため、界面では反射が起こる。特に、対向基板ＣＴ側においては、第２配向膜ＡＬ２は、液晶層ＬＱとカラーフィルタ層３４との間に位置している。これらの界面で反射が生じたとき、干渉が生じるが、第２配向膜ＡＬ２の膜厚に応じて干渉条件が異なる。このとき、液晶表示パネルＬＰＮから透過する透過光が強めあう干渉条件を満たすように第２配向膜ＡＬ２の膜厚を設定することにより、透過率の向上に貢献できる。

ここでは、特に、配向膜の膜厚に対して、視感度が高い緑色波長（５５０ｎｍ）の光の透過率の依存性について測定したところ、図６に示すような結果が得られた。この結果から、配向膜の膜厚が厚いほど、透過光が強めあう干渉条件を満足し、透過率が高くなることが確認された。

したがって、対向基板ＣＴ側に備えられた第２配向膜ＡＬ２の膜厚は、通常適用される膜厚（例えば７０ｎｍ程度）より厚くすることが望ましい。これにより、高い透過率を得ることができる。

このような第２配向膜ＡＬ２の膜厚は、極力厚い方が望ましいが、過度に厚い場合には、配向膜材料による吸収の影響が無視できなくなり、透過率の低下を招くおそれがある。また、第２配向膜ＡＬ２の膜厚は、緑色波長の光の干渉条件だけでなく、青色波長や赤色波長の光の干渉条件を考慮して決定することが重要である。発明者の検討によれば、第２配向膜ＡＬ２の膜厚は、１００ｎｍ〜１３０ｎｍの範囲が望ましいことが確認された。これにより、良好な色バランスを維持しつつ、各波長の光の透過率を向上することが可能となる。

以上説明したように、駆動的には配向膜の膜厚を薄くすることによって透過率が高くなること、及び、干渉条件的には配向膜の膜厚を厚くすることによって透過率が高くなることの相反する条件を満足させるため、駆動に殆ど影響を及ぼさない対向基板ＣＴ側の第２配向膜ＡＬ２を厚くし、アレイ基板ＡＲ側の第１配向膜ＡＬ１を薄くする。

このように、特に、駆動に必要な一対の電極がアレイ基板ＡＲに備えられた横電界モードの液晶表示装置については、アレイ基板ＡＲ及び対向基板ＣＴのそれぞれの配向膜の厚さを独立に最適化することによって、透過率を向上することが可能となる。

したがって、この実施の形態によれば、コスト及び消費電力の増大を招くことなく、透過率を向上し、良好な表示品位を実現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。

なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

図１は、この発明の一実施の形態に係る横電界を利用した液晶モードの液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。 図２は、図１に示した液晶表示装置に適用される画素の構成を概略的に示す平面図である。 図３は、図１に示した液晶表示装置の構造を示す概略的に示す断面図である。 図４は、配向膜の膜厚に対するピーク電圧（相対値）の関係の一例を示す図である。 図５は、配向膜の膜厚に対する最大透過率の関係の一例を示す図である。 図６は、配向膜の膜厚に対する透過率の関係の一例を示す図である。

符号の説明

ＬＰＮ…液晶表示パネル
ＡＲ…アレイ基板 ＣＴ…対向基板 ＬＱ…液晶層
ＤＳＰ…表示エリア ＰＸ…画素
Ｙ…ゲート線 Ｘ…ソース線
Ｗ…スイッチング素子 Ｅ１…第１電極 Ｅ２…第２電極 ＳＬ…スリット
ＡＬ１…第１配向膜 ＡＬ２…第２配向膜

Claims (5)

1. 第１基板と第２基板との間に液晶層を保持した構成の液晶表示パネルを備え、
   前記第１基板は、
   第１電極と、
   前記第１電極と絶縁層を介して対向するように配置され、前記第１電極と対向するスリットが形成された第２電極と、
   前記第２電極を覆うとともに前記液晶層に接する第１配向膜と、を備え、
   前記第２基板は、前記第１配向膜より厚い膜厚を有し且つ前記液晶層に接する第２配向膜を備えたことを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記第１配向膜の膜厚は、３０〜５０ｎｍ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。
3. 前記第２配向膜の膜厚は、１００〜１３０ｎｍ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. 前記第１電極及び前記第２電極は、光透過性を有する導電材料によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
5. さらに、前記液晶表示パネルを前記第１基板側から照明する照明ユニットを備えた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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