JP4092854B2

JP4092854B2 - 液晶表示素子及び垂直配向液晶の画素間配向分割方法

Info

Publication number: JP4092854B2
Application number: JP2000144712A
Authority: JP
Inventors: 英将山口; 誠地崎; 容子福永; 哲夫占部; 真太郎森田; 泰天野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2020-05-17
Also published as: JP2001324715A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板に対し電界を印加しない状態で液晶が垂直配向している液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレイの広視野角化の１つの技術として、非電界印加時に、基板に対して液晶の長軸方向を垂直に配向させる技術（垂直配向技術）が提案されている。
【０００３】
ところで、十分な広視野角特性を得ようとする場合、画素を複数の異なる配向方向を有するように分割する必要がある。その分割方法には電極にスリット部を設ける方法や基板表面上に突起物（リブ）を設ける方法等が提案されている（特許第29473505号明細書等)。
【０００４】
ここで、電極にスリット部を設ける場合、図８（ａ）に示すように、オフ時（非電界印加時）には電極Ｅに挟まれたスリット部Ｓ近傍の液晶ＬＣは垂直配向しているが、図８（ｂ）に示すように、オン時（電界印加時）には電気力線ＥＬの方向が斜め方向に向き、液晶ＬＣは電気力線ＥＬに沿って矢印の方向（図８（ａ））へ倒れる。従って、電界印加時、スリット部Ｓでは、液晶配向が分割されドメインが形成される。更に、周囲の液晶もスリット部Ｓの液晶に沿って倒れていくため、結果的に電界印加時に図８（ｂ）の点線を境界として分割配向しドメインが形成される。ここで、隣接する画素電極の間の間隙がスリット部として機能する。なお、図８（ａ）における点線は、電界印加した場合の電気力線の方向を示している。
【０００５】
また、基板表面の電極Ｅ上に突起物（リブ）ＲＩＢを設けた場合、図８（ｃ）に示すように、オフ時には液晶ＬＣが突起物ＲＩＢの傾斜に沿って斜めに配向し、図８（ｄ）に示すように、オン時に電気力線ＥＬの方向が斜め方向に向き、全体の液晶ＬＣが電気力線ＥＬに沿って矢印の方向（図８（ｃ））に倒れる。また、一般に、突起物ＲＩＢの誘電率は液晶ＬＣの誘電率より低いため、電気力線が傾き、スリットと同じ効果で電界印加時に液晶の配向が分割される。結果的に電界印加時に図８（ｄ）の点線を境界として分割配向したドメインが形成される。なお、図８（ｃ）における点線は、電界印加した場合の電気力線の方向を示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの方法では一つの画素内を分割するため、光の透過率が低下し、また光が透過しない配向ドメインの境界が表示領域に発生して実効開口率が低下するという問題あった。例えば、画素電極基板の画素電極間隙は、前述の電極のスリット部として機能するので、電界印加時には図８（ｂ）のように一つの画素内で液晶ＬＣが両端から内側に向かって倒れるので、画素内にドメインの境界が生じてしまう。
【０００７】
本発明は、以上の従来の技術を解決しようとするものであり、垂直配向の液晶表示素子について、画素内分割ではなく画素間配向分割できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決する手段】
本発明者らは、電界印加時に１画素おき又は複数画素おきに液晶の配向を異なる方向に分割することにより、好ましくは垂直配向型の液晶表示素子の画素電極基板と対向基板の一方の基板又は双方の基板に、電界印加時に１画素おき又は複数画素おきに液晶の配向を異なる方向に分割する配向分割手段を設けることにより上述の目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００９】
即ち、本発明は、画素電極が設けられた画素電極基板とそれに対向するように配置される対向基板と、それらの間に挟持される液晶とから少なくとも構成され、液晶が非電界印加時に該一対の両基板に対して垂直に配向する液晶表示素子において、電界印加時に１画素おき又は複数画素おきに液晶の配向を異なる方向に分割させる配向分割手段が設けられ、対向基板の配向分割手段が設けられている位置に対応する画素電極基板の画素電極間隙の幅が、配向分割手段が設けられていない位置に対応する画素電極間隙の幅よりも狭くされて成ることを特徴とする液晶表示素子を提供する。
【００１０】
また、本発明は、画素電極が設けられた画素電極基板とそれに対向するように配置される対向基板と、それらの間に挟持される液晶とから少なくとも構成され、液晶が非電界印加時に該一対の両基板に対して垂直に配向する液晶表示素子に対し、この液晶表示素子の片方の基板もしくは両方の基板に、電界印加時に１画素おき又は複数画素おきに液晶の配向を異なる方向に分割する配向分割手段を設け、対向基板の配向分割手段が設けられている位置に対応する画素電極基板の画素電極間隙の幅を、配向分割手段が設けられていない位置に対応する画素電極間隙の幅よりも狭くすることを特徴とする垂直配向液晶の画素間配向分割方法を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をＴＦＴＬＣＤを例に挙げて説明を行うが、本発明はＴＦＴＬＣＤに限定されるものではなく単純マトリックス駆動ＬＣＤ等にも適用可能である。
【００１２】
本発明の液晶表示素子においては、電界印加時に１画素おき又は複数画素おきに液晶の配向を異なる方向に分割させる。具体的には、電界印加時に１画素おき又は複数画素おきに液晶の配向を異なる方向に分割させる配向分割手段を片方の基板もしくは両方の基板に設ける。この場合、配向分割手段の配向分割規制力が、画素電極の電界による配向分割規制力より強くなるようにすることが好ましい。この結果、１画素おきに配向分割手段を設けた場合には画素毎に配向方向が相違することになり、そして配向ドメインの境界が画素内でなく、隣接する画素電極間隙に位置することとなる。画素電極間隙は、通常データライン、ゲートライン等が配置されており、開口部ではなく透過率に影響を及ぼさない領域である。従って、透過率(実効的開口率)低下につながるドメインの境界を画素間にのみ配置する事が可能となる。
【００１３】
本発明において、画素間の配向分割手段の好ましい例の一つとしては、図１（ａ）に示すように、ＲＧＢ各色毎にＩＴＯ等の画素電極１が設けられ、ガラス基板２ａとデータライン２ｂと平坦化膜２ｃなどからなる画素電極基板２に対向する対向基板３に、一画素おきに設けられる突起物ＲＩＢが挙げられる。図中、非電界印加時の液晶ＬＣの配向は、図１（ａ）に示したとおりであるが、電界印加時には図１（ｂ）に示すように画素毎に液晶ＬＣの配向を分割することができる。ここで、点線は、ドメインの境界線を示している。
【００１４】
ここで、より効率的に配向分割を行うためには、突起物ＲＩＢの配向分割規制力を画素電極間隙１Ｓの配向分割規制力より強くすること好ましい。具体的には、図１（ａ）に示すように、突起物ＲＩＢの幅ｄ及び高さｈと、突起物ＲＩＢに対向する位置にある画素電極間隙１Ｓの幅ｗ１が次式
【００１５】
【数３】
ｄ≧ｗ１
ｈ＞０．０５×ｄ
を満足することが好ましい。
【００１６】
また、強い分割規制力を得るためには突起物ＲＩＢの断面が三角形に近いものが好ましい。また、突起物ＲＩＢの誘電率が液晶に比べ小さい方がより傾斜した電界を形成できるので好ましく、４以下が好ましい。
【００１７】
また、突起物ＲＩＢの電気特性が、液晶材料の時定数をτ_LC（３０Ｈｚ）とし、突起物ＲＩＢの時定数をτ_RIB（３０Ｈｚ）としたときに、次式
【００１８】
【数４】
０．１×τ_LC＜τ_RIB＜１０×τ_LC
を満足することがより好ましい。これは、液晶材料と突起物ＲＩＢとの時定数が大きく異なると、突起物ＲＩＢ上に電荷が蓄積して、焼き付きやフリッカが生じて表示品位を著しく低下させるおそれがある。
【００１９】
また、配向分割手段としての突起物ＲＩＢの別の態様としては、図２（ａ）に示すように、扁平なくさび型の突起物ＲＩＢを設けてもよく、図２（ｂ）に示すように、ノコギリ歯型の突起物ＲＩＢを設けてもよい。また、図２（ｃ）に示すように、突起物の逆の形態、即ちくさび型溝Ｑを設けてもよい。この場合、対向基板３には、配向分割手段を設けなくてもよい。
【００２０】
本発明において、上述した突起物以外の配向分割手段としては、図３に示すように、対向基板３の共通電極（対向電極）４に一画素おきに設けるスリット部３Ｓ（対向電極スリット）が挙げられる。この場合、スリット部３Ｓの配向分割規制力は、画素電極間隙１Ｓの配向分割規制力よりも強くする必要がある。具体的には、スリット部３Ｓの幅ｗ２を画素電極間隙１Ｓの幅ｗ１よりも大きくする。
【００２１】
また、図１〜図３の態様において、図４に示すように配向分割手段（突起物ＲＩＢ）の位置に対応しない画素電極間隙１Ｓ′（幅ｗ３）は、積極的に配向分割手段として機能させる必要があり、また、配向分割手段（突起物ＲＩＢ）の位置に対応する画素電極間隙１Ｓ（幅ｗ１）は、配向分割手段（突起物ＲＩＢ）の配向分割規制力よりも弱い規制力でなければならない。従って、画素電極間隙１Ｓ′の配向分割規制力が画素電極間隙１Ｓの配向分割規制力より強くなるように、画素電極間隙１Ｓ′の幅ｗ３を画素電極間隙１Ｓの幅ｗ１よりも広くすることが好ましい。
【００２２】
以上説明した突起物やスリット以外の配向分割手段としては、特に二画素おき以上の配向分割を意図する場合には、マスクラビング法や光配向膜法などにより形成される配向膜を挙げることができる。
【００２３】
なお、１画素のサイズが大きすぎる場合には、斜めから液晶表示素子を観察した際に少なくとも１画素おきに視野角特性が異なるため、表示特性が劣化することが考えられる。また、画素ピッチが長すぎると良好な配向制御ができないことも予想される。従って、少なくとも１辺の画素ピッチが６０μm以下であることが好ましい（図５）。
【００２４】
各色がストライプ上に形成されている場合、配向分割の形態は図６（ａ）又は（ｂ）に示すものが考えられる。ここで、矢印は液晶が倒れる方向（配向方向）を示し、ハッチング部は突起物の位置を示している。
【００２５】
図６（ａ）及び（ｂ）の態様のうち、液晶表示装置を斜めから観察したときに良好な表示特性が得られるのは、図６（ｂ）に示すような画素の液晶の配向方向が市松模様状に配列している態様である。
【００２６】
ところで、以上説明した垂直配向型の液晶表示素子の電界複屈折モードは、その透過率が光の波長に大きく依存し、ある波長に対してλ／２になるように設定するとその他の波長の光の透過率が低くなってしまい白表示での色付きとなってしまう。これをカラーフィルターで補償しようとすると結果として透過率が低くなってしまう。
【００２７】
また、この色付きの現象は正面より斜めから見た場合のほうが顕著であり、例えば視感度を考慮にいれた透過率が最大となるように白表示時の液晶のリタデーションを設定すると(波長５５０ｎｍの光に対するリタデーションが２７５ｎｍ)斜めから観察したとき黄色に見えてしまうため、リタデーション透過率最大条件より小さい値に設定する必要がある。ＲＧＢ各画素でセルギャップを最適値すなわち白表示時に液晶層リタデーションを各色の主透過波長のおよそλ／２になるようにすればこの問題は解決される。
【００２８】
具体的には、少なくとも一方の基板に色分解フィルタが形成されている場合に、各色の主波長λと白表示のときの液晶層のリタデーションΔｎｄが０．８５×λ／２〜１．１５×λ／２の範囲になるように各色で液晶層の厚さｄを異ならせればよい。また、色分解フィルター層の厚さを各色間で変えることにより、各色の液晶層の厚さｄを制御してもよい。
【００２９】
本発明は、別の観点からみると、画素電極が設けられた画素電極基板とそれに対向するように配置される対向基板と、それらの間に挟持される液晶とから少なくとも構成され、液晶が非電界印加時に該一対の両基板に対して垂直に配向している液晶表示素子の片方の基板もしくは両方の基板に、電界印加時の液晶の配向を１画素おき又は複数画素おきに分割する配向分割手段を設けることを特徴とする垂直配向液晶の画素間配向分割方法としてとらえることができる。従って、この画素間配向分割方法も本発明の一部となる。
【００３０】
【実施例】
実施例１
本発明の液晶表示素子の一実施態様の概略断面図を図７に示す。この液晶表示素子は、ガラス基板１０１にデータライン１０２、平坦化膜１０３、画素電極１０４及び配向膜１０５が形成されたＴＦＴ基板と、ガラス基板１２０の片面に画素に対応して形成されたＲＧＢの各色のカラーフィルタ１２１、共通電極１２２及び一画素おきに設けられた突起物ＲＩＢ、及び配向膜１２３からなるＣＦ基板との間に、垂直配向した液晶層１３０が挟持された構造を有する。液晶表示素子の両面にはそれぞれ偏光板１３１及び１３２が形成されており、ＣＦ基板と偏光板１３１との間には位相差板１３３が形成された構造を有する。
【００３１】
この構造の液晶表示素子は、以下に説明するように製造された。
【００３２】
即ち、ガラス基板１２０のカラーフィルタ１２１上に、１００ｎｍ厚のＩＴＯからなる共通電極１２２を形成し、その上に、図６（ａ）のように画素の間にそつてストライプ状に突起物ＲＩＢを配置した。この突起物ＲＩＢは、感光性樹脂によりパターニング形成したものであり、より好ましい形状をえるため１２０〜１８０℃で５分間べーク後、２００℃以上の高い温度で本焼成を行った。その誘電率は３．５であり、形状は幅１０μｍ、高さ１．５μｍの断面がかまぼこ型であった。
【００３３】
次に突起物ＲＩＢが形成された側のＣＦ基板の面に配向膜１２３を形成した。この配向膜１２３は、印刷されたポリイミド系垂直配向膜であり、１８０℃で１時間焼成することにより形成した。配向膜１２３の膜厚は５０〜１００ｎｍであった。この配向膜についてラビング処理を施さなかった。
【００３４】
ＴＦＴ基板側には、図７に省略されているが、アクティブ駆動するためのＴＦＴ素子及び配線等が形成されている。平坦化膜１０３の厚さは３μｍであり、感光性樹脂からパターニング形成したものである。画素電極１０４は厚さ１００ｎｍのＩＴＯから形成され、各画素の大きさは、横４０μｍで、縦１２０μｍであった。画素電極間隙１Ｓの幅ｗ１及び画素電極間隙１Ｓ′の幅ｗ３はいずれも７μｍとした（図４）。その上にはＣＦ基板側と同様な配向膜１０５を形成した。
【００３５】
これらの基板の間に３．５μｍ径のアクリル系スペーサを散布し、重ね合わせ、その後、液晶を真空中で基板間に注入した。液晶はΔε＝−４、Δｎ＝０．１の材料を使用した。
【００３６】
得られた液晶表示素子に偏光板１３１（ＴＡＣフィルム）及び１３２を、クロスニコルの方向に配置した。視野角特性を考慮にいれ、偏光板１３１とガラス基板１２０の間には厚み方向（Ｚ軸）にのみ位相差をもつ位相差板１３３（(ｎｘ−ｎｚ)ｄ＝１００（ｎｘ＝面内方向の屈折率、ｎｚ＝厚み方向の屈折率、ｄ＝厚さ））を配置した。なお、偏光板１３１として用いたＴＡＣフィルムもｚ軸方向に位相差をもっており同様の効果をもっている。
【００３７】
また、比較例１として画素内の配向を２分割するように、全ての画素の真中に突起物を配置した液晶表示素子も同様に作製した。
【００３８】
得られた実施例１及び比較例１の液晶表示素子をＩＨ反転駆動させ、比較したところ、実施例１の液晶表示素子の方が、白表示時（画素に４．５Ｖ印加時）の透過率が１５％高い値であった。また、全方位から反転等のない良好な視野角特性が得られた。
【００３９】
実施例２
実施例１の突起物に代えて、ＣＦ基板の共通電極に幅１０μｍのスリット部を形成した。得られた液晶表示素子は、画素毎に配向分割し、実施例１の場合と同様に良好な視野角特性がえられた。
【００４０】
実施例３
実施例１の画素電極間隙１Ｓの幅ｗ１を４μｍとし、ｗ３を１０μｍとした。実施例１より残像が少ない表示特性が得られた。
【００４１】
実施例４
実施例１のカラーフィルタ層の厚みを、Ｒ（１．０μｍ）、Ｇ（１．２μｍ）、Ｂ（１．５μｍ）とし、散布したスペーサの径を４．０μｍとした。実施例１より白表示時が明るく、視野角方向において色付きが少ない特性が得られた。
【００４２】
実施例５
実施例１における突起物の配置を図６（ｂ）のように配置した。視野角方向から観察した際、実施例１では、縦方向にストライプ状の多少のムラが観察されたが、本実施例では視野角方向においても均一な画質であった。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の垂直配向の液晶表示素子は、画素内分割ではなく画素間配向分割されているために、透過率(実効的開口率)低下につながるドメインの境界を画素間にのみ配置することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示素子の配向分割手段の説明図である。
【図２】本発明の液晶表示素子の配向分割手段の説明図である。
【図３】本発明の液晶表示素子の配向分割手段の説明図である。
【図４】本発明の液晶表示素子の配向分割手段の説明図である。
【図５】本発明による配向分割の形態と画素ピッチの説明図である。
【図６】本発明による配向分割の形態の説明図である。
【図７】本発明の液晶表示素子の概略断面図である。
【図８】従来の配向分割の手法の説明図である。
【符号の説明】
１画素電極、１Ｓ,１Ｓ′ 画素電極間隙、２画素電極基板、３対向基板、４共通電極、ＲＩＢ突起物、３Ｓスリット、ＬＣ液晶

Claims

画素電極が設けられた画素電極基板とそれに対向するように配置される対向基板と、それらの間に挟持される液晶とから少なくとも構成され、液晶が非電界印加時に該一対の両基板に対して垂直に配向する液晶表示素子において、
電界印加時に１画素おき又は複数画素おきに液晶の配向を異なる方向に分割させる配向分割手段が設けられ、
前記対向基板の前記配向分割手段が設けられている位置に対応する画素電極基板の画素電極間隙の幅が、前記配向分割手段が設けられていない位置に対応する画素電極間隙の幅よりも狭くされて成ることを特徴とする液晶表示素子。
前記配向分割手段が、１画素おき又は複数画素おきに片方の基板もしくは両方の基板に設けられている請求項１記載の液晶表示素子。
配向分割手段の配向分割規制力が、画素電極の電界による配向分割規制力より強く、１画素おき又は複数画素おきに液晶の配向方向が相違する請求項１又は２記載の液晶表示素子。
配向分割手段が、対向基板の画素間に形成された突起物である請求項１〜３のいずれかに記載の液晶表示素子。
突起物の幅ｄ及び高さｈと、突起物に対向する位置にある画素電極間隙の幅ｗ１が次式

の関係にある請求項４記載の液晶表示素子。
突起物の誘電率が４以下である請求項４又は５記載の液晶表示素子。
突起物の電気特性が、液晶材料の時定数をτ_ＬＣ（３０Ｈｚ）とし、突起物の時定数をτ_ＲＩＢ（３０Ｈｚ）としたときに、次式

を満足する請求項４〜６のいずれかに記載の液晶表示素子。
配向分割手段が、対向基板の画素間に形成された対向電極スリットである請求項１又は２記載の液晶表示素子。
対向電極スリットの幅がそのスリット位置に対応した画素電極基板の画素電極間隙の幅より広い請求項１記載の液晶表示素子。
少なくとも１辺の画素ピッチが６０μｍ以下である請求項１〜９のいずれかに記載の液晶表示素子。
画素の配列がストライプ配列であり、且つ画素の液晶配向の方向が市松模様状に配列している請求項１〜１０のいずれかに記載の液晶表示素子。
少なくとも一方の基板に色分解フィルタが形成されており、各色の主波長λと白表示のときの液晶層のリタデーションΔｎｄが０．８５×λ／２〜１．１５×λ／２の範囲になるように各色で液晶層の厚さｄが異なる請求項１〜１１のいずれかに記載の液晶表示素子。
色分解フィルター層の厚さを各色で変えることにより、各色で液晶層の厚さｄが異なる請求項１２記載の液晶表示素子。
画素電極が設けられた画素電極基板とそれに対向するように配置される対向基板と、それらの間に挟持される液晶とから少なくとも構成され、液晶が非電界印加時に該一対の両基板に対して垂直に配向する液晶表示素子に対し、
前記液晶表示素子の片方の基板もしくは両方の基板に、電界印加時に１画素おきに又は複数画素おきに液晶配向を異なる方向に分割する配向分割手段を設け、
前記対向基板の前記配向分割手段が設けられている位置に対応する画素電極基板の画素電極間隙の幅を、前記配向分割手段が設けられていない位置に対応する画素電極間隙の幅よりも狭くすることを特徴とする垂直配向液晶の画素間配向分割方法。