特許第6247485号(P6247485)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6247485
(24)【登録日】2017年11月24日
(45)【発行日】2017年12月13日
(54)【発明の名称】液晶表示素子
(51)【国際特許分類】
   G02F 1/1337 20060101AFI20171204BHJP
   G02F 1/1343 20060101ALI20171204BHJP
【FI】
   G02F1/1337
   G02F1/1343
【請求項の数】4
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2013-196380(P2013-196380)
(22)【出願日】2013年9月24日
(65)【公開番号】特開2015-64397(P2015-64397A)
(43)【公開日】2015年4月9日
【審査請求日】2016年8月9日
(73)【特許権者】
【識別番号】000002303
【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100091340
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 敬四郎
(74)【代理人】
【識別番号】100141302
【弁理士】
【氏名又は名称】鵜飼 伸一
(72)【発明者】
【氏名】柳澤 重宏
【審査官】 横井 亜矢子
(56)【参考文献】
【文献】 特開平07−072491(JP,A)
【文献】 特開平09−005701(JP,A)
【文献】 特開平09−297306(JP,A)
【文献】 特開2001−117118(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2009/0251654(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G02F 1/133,1/1337
G02F 1/1343,1/1368,1/139
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
1/n Duty(1≦n≦4)で駆動するFFS型の液晶表示素子であって、
第1基板と、
前記第1基板に対向配置され、意匠表示電極を含む第1電極と、前記第1電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された、短冊状電極部を含む第2電極と、前記第2電極を覆うように、前記絶縁膜上に形成された配向膜とを備える第2基板と、
前記第1基板と前記第2基板の間に配置された液晶層と
を有し、
前記液晶層は、厚さが3.9μm〜4.1μmであり、
前記第2電極の短冊状電極部の延在方位に直交する方位と前記第2基板の配向膜に施された配向処理方位のなす角が、88°以上90°未満であり、
前記第2電極の短冊状電極部の線間が5μm、線幅が3μm以上5μm以下である
液晶表示素子。
【請求項2】
前記第2電極の短冊状電極部の延在方位に直交する方位と前記第2基板の配向膜に施された配向処理方位のなす角が、88°以上89°以下である請求項1に記載の液晶表示素子。
【請求項3】
前記液晶層のリタデーションが280nm〜360nmである請求項1または2に記載の液晶表示素子。
【請求項4】
前記第2基板の配向膜には、プレチルト角が3°以下となるように配向処理が施されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液晶表示素子に関する。
【背景技術】
【0002】
文字、図柄等の任意形状を表示するセグメント表示型液晶表示素子においては、たとえばパターニングされた電極、及び電極面上に形成された配向膜を有する一対の基板が略平行に対向配置され、基板の電極形成面間に液晶層が挟持される。また両基板の液晶層とは反対側の面に、偏光板が配置される。基板の法線方向から見たとき、両基板の電極が重畳する領域が表示部として規定され、電極間に電圧を印加して、液晶分子の配向状態を変化させることにより、明暗表示を実現する。
【0003】
明暗スイッチングは、たとえば液晶分子が基板面外方向に傾斜角度を変化させること(複屈折性の変化)で行われる。電圧無印加時の液晶分子配向状態が、均一な方位に対してプレティルト角を有する場合、液晶分子の傾斜方向が一方位に偏ることから、液晶表示素子の外観観察に視角依存性が生じる。
【0004】
垂直配向型の液晶表示素子は、少なくとも一方の基板と偏光板の間に、負の一軸または負の二軸光学異方性をもつ視角補償板を配置することにより、暗表示時の広い視角特性を獲得することができる。更に、明表示時においては最良視認方位及びその直交方位に対して、良好な視角特性を有する。しかし視角補償板を用いるため、たとえばツイストネマチック型の液晶表示素子と比較したとき、コストが高い。
【0005】
良好な明暗表示視角特性を実現するインプレーンスイッチング(in-plane switching; IPS)モードの液晶表示素子が知られている。IPSモードの液晶表示素子においては、たとえば一方側の基板の同一面に表示電極と対向(共通)電極とが相互に組み合う櫛歯状に配置され、両電極間に電圧を印加して、基板面内方向で液晶分子をスイッチングする(たとえば、特許文献1参照)。表示電極と対向電極とを上下基板に分けて形成することもできる(たとえば、特許文献2参照)。特許文献1記載の液晶表示装置は、表示電極と対向電極の交差部に2端子または3端子の能動素子を用いるアクティブマトリクス駆動電極構造に関する提案であり、特許文献2記載の液晶表示装置は、単純マトリクス駆動によるドットマトリクス電極構造についての提案である。IPSモードの液晶表示装置においては、基板面内方向で液晶分子のスイッチングを行うため、視角補償板がなくても広い視野角を実現し、更に、低コストで製造可能である。
【0006】
アクティブマトリクス駆動においては、オン表示部には一定の電圧が印加され、オフ表示部には電圧が全く印加されない。このため液晶表示素子には、急峻特性(印加電圧に対する輝度変化の急峻性)が強くは要求されない。しかしパッシブマトリクスの時分割駆動においては、たとえばオン表示部ではコモン電極とセグメント電極の双方に選択波形の電圧が印加され、オフ表示部ではコモン電極に選択波形の電圧が、セグメント電極に非選択波形の電圧が印加される。このため、急峻特性が得られない場合、オフセグメント見え(クロストーク)が発生し、狭い視野角、低いコントラストの表示となる。したがって、時分割駆動を行う液晶表示素子においては、急峻特性が重要視される。
【0007】
フリンジフィールドスイッチング(fringe field switching; FFS)モードの液晶表示素子においては、たとえば単純な画素構造であれば、液晶分子を面内スイッチングするための電極構造に、表示意匠電極と格子状電極とが用いられる。この場合、液晶分子の初期配向方位は格子状電極に対して角度を設けることが好ましいとされている(たとえば、特許文献3参照)。しかし、初期配向角度を大きくすると急峻特性が悪化するため、時分割駆動には不向きである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開昭56−91277号公報
【特許文献2】特開平7−72491号公報
【特許文献3】特開平10−26767号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の目的は、たとえば急峻特性に優れた、FFSモードの液晶表示素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一観点によれば、1/n Duty(1≦n≦4)で駆動するFFS型の液晶表示素子であって、第1基板と、前記第1基板に対向配置され、意匠表示電極を含む第1電極と、前記第1電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された、短冊状電極部を含む第2電極と、前記第2電極を覆うように、前記絶縁膜上に形成された配向膜とを備える第2基板と、前記第1基板と前記第2基板の間に配置された液晶層とを有し、前記液晶層は、厚さが3.9μm〜4.1μmであり、前記第2電極の短冊状電極部の延在方位に直交する方位と前記第2基板の配向膜に施された配向処理方位のなす角が、88°以上90°未満であり、前記第2電極の短冊状電極部の線間が5μm、線幅が3μm以上5μm以下である液晶表示素子が提供される。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、たとえば急峻特性に優れた、FFSモードの液晶表示素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1図1A及び図1Bは、実施例による液晶表示素子を示す概略的な斜視図であり、図1Cは、実施例による液晶表示素子を示す概略的な断面図である。
図2図2Aは、実施例による液晶表示素子の表示領域を示す外観写真であり、図2Bは、第1電極12bの一部を示す概略的な平面図であり、図2Cは、第2電極12bの一部を示す概略的な平面図であり、図2Dは、第1電極12b及び第2電極12bを、基板11、12法線方向から見た概略的な平面図である。
図3】簾状電極(第2電極12b)を示す概略的な平面図である。
図4図4は、シミュレーション結果を示すグラフである。
図5図5A及び図5Bは、セル厚dが3μm及び4μmの場合の解析結果を示すグラフ及び表である。
図6図6A及び図6Bは、セル厚dが5μmの場合の解析結果を示すグラフ及び表である。
図7図7は、急峻特性のプレチルト角依存性に関するシミュレーション結果を示すグラフである。
図8図8Aは、電圧−透過率特性の実測結果を示すグラフであり、図8Bは、V90/V10及びV10をまとめた表であり、図8Cは、電圧−輝度特性をシミュレートした結果を示すグラフである。
図9図9は、実施例と比較例の電圧−透過率特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
図1A及び図1Bは、実施例による液晶表示素子を示す概略的な斜視図であり、図1Cは、実施例による液晶表示素子を示す概略的な断面図である。
【0014】
図1A図1Cに示すように、実施例による液晶表示素子は、上側基板11、下側基板12、及び、両基板11、12間に配置された液晶層13を含んで構成される。
【0015】
上側基板11は、透明基板11a、及び、透明基板11a上に形成された配向膜11dを含む。
【0016】
下側基板12は、透明基板12a、透明基板12a上に形成された第1電極12b、第1電極12b上に形成された絶縁膜12c、絶縁膜12c上に形成された第2電極12b、及び、第2電極12bを覆うように絶縁膜12c上に形成された配向膜12dを含む。
【0017】
透明基板11a、12aは、たとえばソーダライムガラス基板または白板ガラス基板である。第1電極12bは、たとえば文字、数字等のキャラクター表示が行われるようにパターニングされた意匠表示電極であり、第2電極12bは、たとえば簾状電極である。電極12b、12bは、ITO等の透明導電材料で形成された透明電極である。電極12b、12b間は、絶縁膜12cにより絶縁される。配向膜11d、12dは、たとえば水平配向膜材料で形成された配向膜であり、アンチパラレルに配向処理(ラビング処理)が施されている。図1A及び図1Bには、配向膜11d、12dの配向処理方向を矢印で示した。
【0018】
液晶層13は、たとえば複屈折率Δnの液晶材料を用いて構成される。
【0019】
実施例による液晶表示素子は、更に、偏光板14、15を含む。偏光板14は、上側基板11の、液晶層13とは反対側の面に配置され、偏光板15は、下側基板12の、液晶層13とは反対側の面に配置される。偏光板14、15は、TACフィルムのリタデーションがほぼ0であるゼロタック偏光板であり、クロスニコルに配置される。図1A及び図1Bには、偏光板14、15の吸収軸方位を矢印で示した。
【0020】
実施例による液晶表示素子は、電極12b、12b間に電圧を印加して、液晶層13の液晶分子を基板面内方向にスイッチングし、FFSモードで駆動する。図1Aには、電圧無印加時(暗表示時)、図1Bには、電圧印加時(明表示時)の液晶分子の配向状態を示した。なお、図1B中の矢印Eで、電圧印加時に液晶層13内に生じる電界の向きを表した。
【0021】
図2Aは、実施例による液晶表示素子の表示領域を示す外観写真である。表示領域には、複数の表示部、たとえば図中に楕円で囲んだ「D」、「2」という表示部が規定される。
【0022】
図2Bは、第1電極12bの一部を示す概略的な平面図である。本図には、「D」、「2」を表示する部分を示した。「D」と「2」は同じ明暗表示を行う(相互に独立していない)表示部である。
【0023】
図2Cは、第2電極12bの一部を示す概略的な平面図である。本図には、「D」、「2」を表示する第1電極12b部分に対応する、第2電極12bの一部を示した。第2電極(簾状電極)12bの延在方向は図の上下方向である。
【0024】
図2Dは、図2Bに示す第1電極12b及び図2Cに示す第2電極12bを、基板11、12法線方向から見た概略的な平面図である。両電極12b、12bが重なる領域(FFS動作が行われる領域)に、「D」、「2」という表示部が規定される。
【0025】
本願発明者は、FFS動作を行う液晶表示素子について、種々のシミュレーション等を行い、たとえば優れた急峻特性が得られる条件を鋭意研究した。シミュレーションには、(株)シンテック製のLCD Master を使用した。
【0026】
まず、配向膜11d、12dに施すラビング処理の方向と急峻特性の関係を調べた。シミュレーション対象として、第1電極12bがパターニング電極ではなくベタ電極である点で、図1A図1Cの液晶表示素子とは異なる液晶表示素子を想定した。シミュレーションにおいては、セル厚(液晶層13の厚さ)を3μm、液晶材料の複屈折率Δnを0.07、プレチルト角を1°とした。また、図3に示すように、簾状電極(第2電極)12bの線間、線幅をともに5μmとし、簾状電極12bの延在方位に直交する方位と、配向膜12dに施されたラビング方位(配向膜11d、12dにアンチパラレルに施されたラビング方位)とのなす角θを25°〜90°の範囲で変化させた。なお、配向膜11d、12dにアンチパラレルに施されたラビング方位と、液晶分子の初期配向方位とは相互に平行である。
【0027】
図4は、シミュレーション結果を示すグラフである。グラフの横軸は、電極間に印加する電圧を単位「V」で示し、縦軸は、相対的な輝度を任意単位で示す。簾状電極12bの延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角が90°に近づくにつれ、急峻性が良化する傾向が認められる。シミュレーション結果からは、なす角が90°のとき(簾状電極12bの延在方位とラビング方位とが平行なとき)、最も急峻な電圧−輝度特性が得られることがわかるが、この条件の液晶表示素子の駆動時に、液晶分子の配向動作を確認すると、電界に対する液晶分子の向きにばらつきが見られる。ディスクリネーションと思われる現象も認められ、表示むらが観察される。したがって、たとえば急峻特性と表示むらのない良好な表示を両立させる観点から、簾状電極12bの延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角は、88°以上90°未満、たとえば88°以上89°以下とすることが適当であろう。
【0028】
次に、液晶層13のリタデーションと急峻特性の関係を調べた。シミュレーションにおいては、プレチルト角を1°、簾状電極12bの延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角を89°とした。セル厚d及び液晶材料の複屈折率Δnを変えることで、液晶層13のリタデーションΔndを変化させた。その他の条件は、図4に結果を示すシミュレーションの対象とした液晶表示素子のそれに等しい。
【0029】
図5A及び図5Bに、セル厚dが3μm及び4μmの場合の解析結果を示す。図5Aは、電極間への印加電圧と、相対的な輝度の関係を表すグラフであり、図5Bは、セル厚d、複屈折率Δn、リタデーションΔnd、及びγをまとめた表である。図5Aのグラフの両軸の意味するところは、図4のグラフのそれに等しい。
【0030】
図5Bの表におけるγはV90/V10(V90をV10で除した値)を表す。V90、V10は、最も高い輝度(光透過率)を100%としたとき、それぞれ90%、10%の輝度が得られる電圧値である。たとえば1/4Dutyで時分割駆動を行うとき、良好な表示を実現するためには、γの値が1.64以下である必要があることが知られている。
【0031】
図5Bの表を参照すると、セル厚dが3μmのとき、γの値が1.64以下となるリタデーションΔndの範囲は、210nm〜360nmであることがわかる。また、セル厚dが4μmのとき、γの値が1.64以下となるリタデーションΔndの範囲は、280nm〜360nmであることがわかる。
【0032】
図6A及び図6Bに、セル厚dが5μmの場合の解析結果を示す。図6Aは、電極間への印加電圧と、相対的な輝度の関係を表すグラフであり、図6Bは、セル厚d、複屈折率Δn、リタデーションΔnd、及びγをまとめた表である。図6Aのグラフの両軸の意味するところは、図4のグラフのそれに等しい。
【0033】
図6Bの表から、セル厚dが5μmのとき、γの値が1.64以下となるリタデーションΔndの範囲は、350nm以下であることがわかる。
【0034】
図5A図6Bに結果を示すシミュレーションより、セル厚dが3μmのとき、210nm〜360nmのリタデーションΔnd範囲で、セル厚dが4μmのとき、280nm〜360nmのリタデーションΔnd範囲で、更に、セル厚dが5μmのとき、350nm以下のリタデーションΔnd範囲で、γの値を1.64以下とすることができることがわかった。
【0035】
セル厚dが0.1μm以下の範囲で変わっても同様の結論が得られると考えられる。すなわち、セル厚dが2.9μm〜3.1μmのとき、210nm〜360nmのリタデーションΔnd範囲で、セル厚dが3.9μm〜4.1μmのとき、280nm〜360nmのリタデーションΔnd範囲で、更に、セル厚dが4.9μm〜5.1μmのとき、350nm以下のリタデーションΔnd範囲で、γの値を1.64以下とすることが可能であると考えられる。また、セル厚dが2.9μm〜4.1μmのときは、280nm〜360nmのリタデーションΔnd範囲で、γの値を1.64以下とすることが可能であるともいえるであろう。
【0036】
なお、応答速度を考慮した場合、セル厚dは2.9μm〜4.1μm程度に設定することが好ましい。
【0037】
更に、本願発明者は、急峻特性のプレチルト角依存性を調べた。シミュレーションにおいては、セル厚を4μm、液晶材料の複屈折率Δnを0.09、簾状電極12bの延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角を89°とし、プレチルト角を1°〜10°の範囲で変化させた。その他の条件は、図4に結果を示すシミュレーションの対象とした液晶表示素子のそれに等しい。
【0038】
図7に、シミュレーション結果を示す。グラフの横軸は、電極間への印加電圧を単位「V」で表し、縦軸は、相対的な輝度を任意単位で表す。プレチルト角が3°以下のときは、ほぼ等しい急峻特性が得られ、4°以上のとき、急峻特性が悪化することがわかる。したがって、プレチルト角は3°以下に設定することが好ましい。
【0039】
続いて、図1A図1Cに構造を示した液晶表示素子において、簾状電極12bの線間及び線幅を異ならせ、輝度(透過率)特性に関し、実測及びシミュレーションを行った。実測及びシミュレーションの対象としたのは、液晶層13のリタデーションΔndが360nm、簾状電極12bの延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角が88°の素子である。
【0040】
図8Aは、電圧−透過率特性の実測結果を示すグラフである。グラフの横軸は、電極12b、12b間に印加する電圧を単位「V」で示し、縦軸は、透過率を単位「%」で示す。線間、線幅がともに5μmのとき、最も高い透過率が得られている。
【0041】
図8Bは、実測結果につき、V90/V10及びV10をまとめた表である。V10及びV90は、線間、線幅がともに5μmのとき、最も小さい。
【0042】
図8Cは、電圧−輝度特性をシミュレートした結果を示すグラフである。グラフの両軸の意味するところは、図4のグラフのそれに等しい。線間5μm、線幅3μmとした素子が最も高い透過率を示し、次いで、線間、線幅をともに5μmとした素子が高い透過率を示す。
【0043】
図8A及び図8Bに示す実測結果からは、簾状電極12bの線間、線幅をともに5μmとすることが好ましいといえる。図8Cのシミュレーション結果からは、線間5μm、線幅3μmの素子の透過率が高いが、たとえば液晶表示素子の作製時、フォトリソを用いたパターニング精度を考慮すると、ある程度のマージンが必要であるため、総合的に判断すると、線間、線幅をともに5μmとすることが好ましい。
【0044】
以上説明したシミュレーション等の結果から、図1A図1Cに構造を示す液晶表示素子においては、たとえば(α)簾状電極12bの延在方位に直交する方位とラビング方位のなす角を、88°以上90°未満とし、(β)セル厚dが2.9μm〜3.1μmのとき、リタデーションΔndを210nm〜360nm、セル厚dが3.9μm〜4.1μmのとき、リタデーションΔndを280nm〜360nm(セル厚dが2.9μm〜4.1μmのとき、リタデーションΔndを280nm〜360nm)、セル厚dが4.9μm〜5.1μmのとき、リタデーションΔndを350nm以下とし、(γ)プレチルト角を3°以下とし、(δ)簾状電極12bの線間、線幅をともに5μmとすることが好ましいと判明した(実施例による液晶表示素子)。
【0045】
実施例による液晶表示素子は、具体的には、たとえば次のようにして作製することができる。
【0046】
一方のソーダライムガラス基板(透明基板12a)上に、ITOで、キャラクター意匠がパターニングされた第1電極12bを形成する。第1電極12b上にアクリル樹脂を用い、絶縁膜12cを形成する。絶縁膜12c上に、簾状電極である第2電極12bをITOで形成する。簾状電極(第2電極)12bの線間、線幅は、たとえばともに5μmとする。第2電極12bを覆うように絶縁膜12c上に、水平配向膜材料を用いて配向膜12dを形成する。また、他方のソーダライムガラス基板(透明基板11a)上に、水平配向膜材料を用い、配向膜11dを形成する。
【0047】
配向膜11d、12dに、ラビング処理を施す。透明基板11a、12aを重ね合わせたとき、アンチパラレルとなるように、かつ、配向処理方位と簾状電極12bの延在方位に直交する方位とのなす角が89°となるように、ラビングを行う。ラビング強度は、プレチルト角が1°以下となるように設定する。
【0048】
たとえば透明基板12a上に、3μm径のプラスチックボールを散布し、透明基板11a上には、熱焼成型のエポキシ樹脂でメインシールパターンを印刷する。透明基板11a、12aを重ね合わせて焼成し、メインシールパターンを硬化させる。液晶表示素子のセルサイズに小割した後、各空セルに複屈折率Δnが0.12のポジ型液晶材料を注入する。注入口を封止し、Ni点以上の温度で熱処理を行い、液晶層13を形成する。
【0049】
透明基板11a、12aの液晶層13と反対面側に、偏光板14、15をクロスニコルに、かつ、偏光板14の透過軸方位と液晶分子の初期配向方位とが平行になるように配置する。
【0050】
本願発明者は、上述のように作製した液晶表示素子と比較例による液晶表示素子の電圧−透過率特性を実測した。比較例による液晶表示素子は、簾状電極12bの延在方位に直交する方位と35°をなす方位にラビングを行った点で、実施例とは異なる液晶表示素子である。
【0051】
図9は、実施例と比較例の電圧−透過率特性を示すグラフである。比較例による液晶表示素子のγ(V90/V10)の値が2.45であるのに対し、実施例による液晶表示素子は、高い透過率を備え、γの値は1.64である。
【0052】
実施例による液晶表示素子は、たとえば1/4Duty以下(1/4Duty、1/3Duty、1/2Duty等、1/n Duty表記において1<n≦4)の時分割駆動(Duty駆動)、及びスタティック駆動(1/n Duty表記においてn=1)で良好な表示が可能な急峻特性を有するFFS型の液晶表示素子である。
【0053】
以上、実施例等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ない。
【0054】
たとえば実施例においては、配向膜11d、12dの双方に配向処理を施したが、配向処理は、配向膜12dだけに行ってもよい。
【0055】
その他、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。
【産業上の利用可能性】
【0056】
1/n Duty(1≦n≦4)で駆動するFFS型液晶表示素子として利用可能である。
【符号の説明】
【0057】
11 上側基板
11a 透明基板
11d 配向膜
12 下側基板
12a 透明基板
12b 第1電極
12b 第2電極
12c 絶縁膜
12d 配向膜
13 液晶層
14、15 偏光板
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9