(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定距離をおいて対向してそれぞれの内側面に駆動電極が形成された上部及び下部基板と、
前記上部及び下部基板間に介在される多数の誘電率異方性が負の液晶分子を含む液晶層と、
前記下部及び上部基板の内側に各々配置され、９０°以下のプレティルト角を持ち、互いに平行な方向にラビングされる第１及び第２配向膜と、
前記下部及び上部基板の外側面に各々配置され、その偏光軸が互い直交し、その何れかの偏光軸は前記ラビング軸と所定角度をなす第１及び第２偏光板と、
前記上部基板と第２偏光板との間、及び下部基板と第１偏光板との間の少なくとも一部分以上に介在する位相補償板と、
を含むスプレイモード液晶表示装置であって、
前記位相補償板は屈折率異方性の負の液晶分子からなり、位相補償板の液晶分子の長軸は前記第１及び第２の配向層のラビング軸に垂直をなし、位相遅延値は−０．１乃至−０．８μｍであり、位相補償板の遅延値の合計が、前記液晶層の位相遅延値と等しいことを特徴とする光学的に補償されたスプレイモード液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示装置に関し、より詳しくは光学的に視野角が補償されたスプレイモード液晶表示装置に関し、画質特性が改善された液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ツイストネマティック（ＴＮ）液晶表示装置（ＬＣＤ）は、狭い視野角にも係わらず、ノートブックコンピュータに広く用いられてきた。しかし、ＬＣＤがモニター及びテレビ市場でチューブＣＲＴ表示装置に代わる為には視野角を向上させることが必須な先決課題であった。
【０００３】
最近、ＴＮモードの視野角を改善する為に、ＴＮ−ＬＣＤの液晶層に二重ドメインを形成する技術及びＩＰＳ−ＬＣＤが提案された。ここで、液晶層内に二重ドメインを形成する技術としては、（１）多重ラビング方法（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｒｕｂｂｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）、（２）多重配向膜方法（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｌａｙｅｒ  ｍｅｔｈｏｄ）、（３）エッジフリンジフィールド方法（ｅｄｇｅ  ｆｒｉｎｇｅ  ｆｉｅｌｄ  ｍｅｔｈｏｄ）及び（４）平行フリンジフィールド方法（ｐａｒａｌｌｅｌ  ｆｒｉｎｇｅ  ｆｉｅｌｄ  ｍｅｔｈｏｄ）等がある。
【０００４】
しかし、これら方法は煩雑な工程を必要とする。例えば、多重ラビング方法を用いる時は、各パネルが一つまたは二つの基板に対して一回以上のラビング工程及びフォトリソグラフィー工程を必要とする。多重配向膜方法を用いる時は、一つまたは二つの基板に対して一回の配向膜パターニング及びエッチングを必要とする。平行フリンジフィールド方法を用いる時は、カラーフィルタ上にあるＩＴＯ層をパターニングすべき必要がある。前記三つの方法の工程はコーティング、ベイキング、パターニング、現像及びフォトレジストの除去段階を含む。また、多重ラビング方法は一つの追加層のラビングを、多重配向膜方法は一つの追加層のコーティングを、平行フリンジフィールド方法はカラーフィルタ側でのＩＴＯエッチングを必要とする。それで、デュアルドメイン形成工程は従来の単一ドメイン形成工程より複雑で、高コストの問題点があった。しかも、多重ラビング方法は視野角が非対称的であるという短所があった。
【０００５】
また、ＩＰＳ−ＬＣＤは視野角特性が非常に優秀であるが、透過率及び開口率が非常に低くて応答速度が非常に遅いという短所がある。
【０００６】
これにより、従来は数回のラビング工程なしに全方向で平均な視野角特性を得ながら応答速度を改善するために、液晶分子の屈折率異方性を補償するＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｍｐａｎｓａｔｅｄ  Ｂｅｎｄ）モードの液晶表示装置が提案された（参照文献；ＳＩＤ  ９３  Ｄｉｇｅｓｔ  ２７７頁、Ｗｉｄｅ−Ｖｉｅｗｉｎｇ−Ａｎｇｌｅ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｍｏｄｅ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ａｃｔｉｖｅ−Ｍａｔｒｉｘ  ＬＣＤ  Ｕｓｉｎｇ  Ｂｅｎｄ−Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｉｓｔａｌ  Ｃｅｌｌ，  Ｙ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，  Ｔ．Ｍｉｙａｓｈｉｔａ，  Ｔ．Ｕｃｈｉｄａ）。
【０００７】
図１乃至図３は従来のＯＣＢモード液晶表示装置の構成及び動作を説明するための断面図である。
【０００８】
まず、図１に示すように、下部基板１０と上部基板１５は所定距離をおいて対向配置される。下部基板１０と上部基板１５との間には多数の液晶分子１８ａを含む液晶層１８が介在される。ここで、液晶層１８は例えば誘電率異方性が正の物質を用いる。下部基板１０と上部基板１５の内側面には液晶分子を駆動させるための画素電極１１と共通電極１６が各々具備される。また、画素電極１１を含む下部基板１０と液晶層１８との間に第１配向膜１２が配置され、共通電極１６を含む上部基板１５と液晶層１８との間に第２配向膜１７が配置される。第１配向膜１２と第２配向膜１７はプレティルト角が１０゜以下の水平配向膜であって、互いに平行な方向にラビングされる。下部基板１０と上部基板１５の外側面の各々には所定の偏光軸を持つ第１及び第２偏光板１９ａ、１９ｂが付着される。このとき、第１及び第２偏光板１９ａ、１９ｂの偏光軸は互いに交差するように配置され、何れか一つはラビン軸と４５゜または１３５゜に配置される。
【０００９】
こうしたＯＣＢモードの液晶表示装置は、次の通り動作する。まず、図１に示すように、画素電極及び共通電極１１、１６間に電圧差が発生されないと、液晶分子１８ａは第１及び第２配向膜１２、１７だけの影響のためスプレイ（ｓｐｌａｙ）形態に配列される。これにより、液晶層を通過しながら光の偏光状態が変化して、光は第２偏光板１９ｂを通過しながらリークされる。
【００１０】
一方、画素電極に臨界電圧Ｖｓ以上の電圧が印加されると、図２及び図３に示すように、ミドルレーヤーにある液晶分子１８ａがその長軸が電界とほぼ平行に配列されて、液晶分子の配列がスプレイ状態からベンド状態に変換される。尚、図２は臨界電圧Ｖｓが画素電極に印加された時の液晶分子配列を示し、図３は臨界電圧Ｖｓ以上の電圧が画素電極に印加された時の液晶分子の配列を示す。
【００１１】
すなわち、電圧の印加前にミドルレーヤーにある液晶分子は上部及び下部配向膜の対称性のためスプレイ状態に配列され、その後、電圧印加時にミドルレーヤーにある液晶分子は直接作用する電界による力に耐えられなくてなり電界と長軸が平行なベンド状態に変換される。また、画素電極に臨界電圧以上を加えると、ミドルレーヤーだけでなく配向膜近傍の液晶分子もその長軸が基板表面に対して垂直をなすように配列され、臨界電圧以上の電圧を加えるほど透過光は低減されて益々ダークになる。このとき、ＯＣＢモード−ＬＣＤは、ベンド状態中の最大光量時をホワイト状態として用い、画素電極に臨界電圧以上の高電圧を加えた場合、最小光量時をダーク状態として用いる。すなわち、臨界電圧以下の電圧はディスプレイモードとして用いない。
【００１２】
こうしたＯＣＢモードの液晶表示装置は、電界形成時にミドルレーヤーを基準にして液晶分子１８ａが上下対称的に配列されるので、光が下部基板１０より上部基板１５を通過する間に自然に位相が補償される。また、ダーク状態は所定の臨界電圧を加えると達成されるので、逆流（ｂａｃｋｆｌｏｗ）現象が発生せず、比較的早い応答速度を持つ。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来のＯＣＢモードの液晶表示装置は、次の様な問題点を持つ。一般の液晶表示装置は、セルギャップを維持するために液晶層内にある球形または楕円形のスペーサ（不図示）を含む。このとき、従来のＯＣＢモード液晶表示装置の液晶分子は、電界印加前、スプレイ状態に配列されながらスペーサの曲面に沿って配列される。すなわち、図４に示すように、液晶分子１８ａがスペーサの曲面に沿ってスプレイ形態に配列されることで、スプレイの配置された部分では液晶分子が不安に配置される。よって、初期の液晶分子の配列状態が不安であるため、臨界電圧以上の高電圧の印加時、スプレイ状態からバンド状態に変化されることが不均一になる。
【００１４】
また、図５に示すように、画素電極１１がパターン形態に形成されて所定の段差を持ち、画素電極１１の表面に第１配向膜１２が形成される。これにより、画素電極１１上の液晶分子１８ａはその長軸が第１配向膜１２の表面と平行に配列される。ところが、画素電極１１の段差部にある液晶分子１８ａはその長軸が段差面と平行に配列されて、リバースティルト（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｔｉｌｔ）が発生する。
【００１５】
このように液晶分子の配向が部分的に不良で、段差部ではリバースティルトが発生するにつれて画質が低下し、臨界電圧以上の高電圧が印加されてもスプレイ状態からベンド状態に均一に変化し難しい。
【００１６】
さらに、画素電極１１に臨界電圧が印加されても、スプレイ状態からベンド状態に変化するのに相当時間を要するだけでなく、画素別に不均一に変化する。これにより、速くて均一にスプレイ状態からベンド状態に変化させる為には臨界電圧よりも高い電圧を加えるべきである。
【００１７】
１  従って、本発明の目的は、視野角を確保しながら画質特性を改善できる液晶表示装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に係る光学的に補償されたスプレイモード液晶表示装置は、所定距離をおいて対向してそれぞれの内側面に駆動電極が形成された上部及び下部基板と、前記上部及び下部基板間に介在される多数の誘電率異方性が負の液晶分子を含む液晶層と、前記下部及び上部基板の内側に各々配置され、９０°以下のプレティルト角を持ち、互いに平行な方向にラビングされる第１及び第２配向膜と、前記下部及び上部基板の外側面に各々配置され、その偏光軸が互い直交し、その何れかの偏光軸は前記ラビング軸と所定角度をなす第１及び第２偏光板と、前記上部基板と第２偏光板との間、及び下部基板と第１偏光板との間の少なくとも一部分以上に介在する位相補償板と、を含むスプレイモード液晶表示装置であって、
前記位相補償板は屈折率異方性の負の液晶分子からなり、位相補償板の液晶分子の長軸は前記第１及び第２の配向層のラビング軸に垂直をなし、位相遅延値は−０．１乃至−０．８μｍであり、位相補償板の遅延値の合計が、前記液晶層の位相遅延値と等しいことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適実施例を詳細に説明する。図６を参照して、下部基板３０と上部基板３５は所定距離をおいて対向配置される。下部基板３０と上部基板３５は透明絶縁物質で形成されるのが望ましい。下部基板３０と上部基板３５との間には多数の液晶分子３８ａを含む液晶層１８が介在される。ここで、液晶層３８は誘電率異方性が負、例えば誘電率異方性が−１５乃至−１程度の物質を用いる。しかも、液晶層３８の厚さｄと液晶分子３８ａの屈折率異方性との積Δｎｄ、すなわち位相遅延値が０．２乃至２．０μｍとなるのが望ましい。また、本発明では液晶分子３８ａはベンド弾性係数Ｋ３３が約１．５×１０−１１Ｎ程度と小さな物質を用いるのが望ましい。
【００２０】
下部基板３０の内側面には駆動電極の画素電極３１が配置され、上部基板３５の内側面には共通電極３６が形成される。このとき、画素電極３１と共通電極３６はともに透明導電体、例えばＩＴＯ物質で形成されるのが望ましい。画素電極３１の配置された下部基板３０の内側面には第１配向膜３２が形成される。また、共通電極３６の配置された上部基板３５の内側面にも第２配向膜３７が形成される。このとき、第１配向膜３２と第２配向膜３７は９０゜以下のプレティルト角、望ましくは４５乃至９０゜程度のプレティルト角を持ち、互いに同一方向にラビングされる。
【００２１】
一方、下部基板３０の外側面には第１偏光板３９ａが配置され、上部基板３５の外側面には第２偏光板３９ｂが配置される。このとき、第１偏光板３９ａの偏光軸と第２偏光板３９ｂの偏光軸は互いに交差されるように配置され、これらの偏光軸の何れか一つとラビング軸は所定角度、望ましくは約３０乃至５０゜、より望ましくは４５゜または約１２０乃至１４０゜、より望ましくは１３５゜をなす。これは、臨界電圧以上の電圧印加時、何れか一つの偏光軸とミドルレーヤーにある液晶分子の長軸が３５乃至５５゜（または１２０乃至１４０゜）、より望ましくは約４５゜（または１３５゜）をなすようにし、最大透過率を達成するためである。また、ディスプレイを実現できるように、上部基板３５と第２偏光板３９ｂとの間に位相補償板４０が介在される。この位相補償板４０は屈折率異方性が負の液晶分子から構成され、特定の電圧の印加時に液晶分子がスプレイ状態に配列される。しかも、位相補償板４０の液晶分子（不図示）の長軸は第１配向膜３２と第２配向膜３７のラビング軸に垂直をなし、位相補償板４０の液晶分子（不図示）はその長軸が液晶層３８のミドルレーヤー（ＭＬ）にある液晶分子３８ａａの長軸と垂直に配列される。このとき、位相補償板４０は、下部基板３０と第１偏光板３９ａとの間に介在される事もでき、下部基板３０と第１偏光板３９ａとの間及び上部基板３５と第２偏光板３９ｂとの間に介在される事もできる。ここで、位相補償板４０が基板３０、３５の何れかの外側に介在される場合、位相補償板４０の位相遅延値は−０．２乃至−２．０μｍである。また、位相補償板４０が上部及び下部基板３０、３５の外側ともに介在される場合、それぞれ位相補償板の位相遅延値は−０．１乃至−０．８μｍとなるようにする。このとき、位相補償板４０の位相遅延値の総合は液晶層３８の位相遅延値と同様であることが望ましい。
【００２２】
こうした構成を持つ液晶表示装置の動作を説明する。まず、図６のように、画素電極３１と共通電極３６との間に電界が形成されないと、液晶分子３８ａは第１及び第２配向膜３２、３７のプレティルト角に依存して、ベンド（ｂｅｎｄ）形態に配列される。これにより、第１偏光板３９ａ及び液晶層３８を通過した光は偏光状態がほぼ変化しないため、第２偏光板３９ｂによって遮断される。従って、画面はダークになる。
【００２３】
ここで、図８はプレティルト角による自由エネルギーを示すグラフであって、図のように、プレティルト角が５０゜以上ではバンド状態に配列される方がより安定的である。このため、本実施例の液晶表示装置は、電界印加前、液晶分子３８ａが安定的に配列される。
【００２４】
また、電界印加前、液晶分子３８ａがバンド形態に配列されるにつれて、スペーサが分布された部分でも、図１３のように、液晶分子３８ａがスペーサの曲面に沿って自然にバンド形態に配列されるので、追加の光リークはない。
【００２５】
また、画素電極３１の段差面においても、液晶分子が基板表面と９０゜以下の角をなすように配列されるので、ＯＣＢモードの様に甚だしくリバースティルトが発生しない。
【００２６】
しかも、ミドルレーヤーＭＬの上下に配置された液晶分子３８ａａはミドルレーヤーＭＬを中心にして相互対称をなす。このとき、ミドルレーヤーＭＬを基準にして上下の液晶分子３８ａａが対称をなすことは、第１及び第２配向膜３２、３７が同じプレティルト角を持つと同時に、同一方向にラビングされたためである。
【００２７】
一方、図７に示すように、臨界電圧Ｖｓ以上の電圧が画素電極３１に印加されると、画素電極３１と共通電極３６との間に基板３５と垂直形態の電界Ｅ３が形成される。すると、誘電率異方性が負の液晶分子３８ａはその長軸が電界Ｅ３と垂直にツイストされる。よって、液晶分子３８ａはスプレイ形態に配列される。このとき、ミドルレーヤーにある液晶分子３８ａａの長軸はラビング軸と一致するように配列され、第１及び第２偏光板３９ａ、３９ｂの偏光軸が交差され、この偏光軸の何れか一つがラビング軸と３５乃至５５゜をなすので、光がリークされる。ここで、本発明の液晶表示装置は、臨界電圧以上の電圧の印加時、光透過率の最高部分と最低部分を選択して、ダーク及びホワイトディスプレイとして用いる。このとき、位相補償板４０は両電圧の何れか一つを完全にダーク化する役割を果たす。
【００２８】
すなわち、臨界電圧が印加された場合、液晶層３８内の液晶分子３８ａはミドルレーヤーを中心にして上下対称的なスプレイ形態に配列される。よって、液晶層３８内で液晶分子３８ａの屈折率異方性が自体的に補償される。これにより、斜め方向すなわち極角（ｐｏｌａｒ  ａｎｇｌｅ）側面の視野角が大きく改善される。また、位相補償板４０の液晶分子の長軸がミドルレーヤーＭＬにある液晶分子３８ａａと垂直をなすので、方位角（ａｚｉｍｕｔｈ  ａｎｇｌｅ）側面でも視野角が大きく改善される。
【００２９】
本発明のように、液晶層内で自体的に液晶分子の屈折率異方性が補償されながら、電界印加時に液晶分子がスプレイ形態を取る液晶表示装置を、ＯＣＳ（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  ｓｐｌａｙ）モード液晶表示装置という。
【００３０】
ここで、画素電極３１及び共通電極３６間に印加される電圧が臨界電圧以下では、スプレイ形態の液晶分子の配列がバンド形態に変化しないように、一定の周期ごとに高電圧を印加するのが望ましい。
【００３１】
図９は液晶表示装置における電圧による自由エネルギーを示すグラフである。同図によれば、電圧を３Ｖ以上印加した時、ＯＣＳモードはベンドモードからスプレイモードに変化する。これにより、本発明のＯＣＳモードは前記３Ｖ以上の電圧でバンドモードからスプレイモードに変化することになる。従って、本発明のＯＣＳモード液晶表示装置は、スプレイ状態が維持される３Ｖからそれ以上の電圧を印加する時に駆動される。
【００３２】
図１０は液晶表示装置における時間に従う透過度を示すグラフである。図７のグラフによれば、本発明によるＯＣＳモード液晶表示装置の遅延時間が既存のツイストネマティック（ＴＮ）モード液晶表示装置よりずっと速い。すなわち、本発明の液晶表示装置の立ち上がり時間（ｒｉｓｉｎｇ  ｔｉｍｅ）及び減衰時間（ｄｅｃａｙ  ｔｉｍｅ）が各々３．５ｍｓ、２０ｍｓに対して、ＴＮモード液晶表示装置は１４ｍｓ、３７ｍｓである。これにより、本発明のＯＣＳモード液晶表示装置が既存のＴＮモード液晶表示装置より応答速度面で非常に優秀である。
【００３３】
図１１は本発明の液晶表示装置の視野角による等コントラスト比を示す。同図によれば、画面の全域でコントラスト比が１０以上を示す。
【００３４】
これは、既存のＴＮモード液晶表示装置の視野角による等コントラスト比を示すグラフ（図１２参照）と比較すれば、非常に広い視野角を持つことが分かる。
【００３５】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上から詳細に説明したように、本発明によれば、電界印加前には液晶分子がバンド形態に配列され、電界が印加されると、液晶層のミドルレーヤーを基準にして上下対称されるようにスプレイ形態に配列される。これにより、液晶層自体で液晶分子の屈折率異方性が補償されるので、既存のＴＮモード液晶表示装置より視野角が大きく改善される。また、応答速度面でも非常に優秀である。さらに、本発明によれば、電界印加前、液晶分子がバンド形態を取るので、スペーサが分布された部分で液晶分子がスペーサの曲面に沿って自然にバンド形態に配列されるため、配向不良が起きず、電極の段差部分でもリバースティルトドメインが発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のＯＣＢモード液晶表示装置を説明するための図である。
【図２】  従来のＯＣＢモード液晶表示装置を説明するための図である。
【図３】  従来のＯＣＢモード液晶表示装置を説明するための図である。
【図４】  従来の液晶表示装置においてスペーサが分布された部分を概略的に示す液晶表示装置の断面図である。
【図５】  従来の液晶表示装置の下部基板のみを示す断面図である。
【図６】  本発明による液晶表示装置を説明するための図である。
【図７】  本発明による液晶表示装置を説明するための図である。
【図８】  液晶表示装置においてプレティルト角による自由エネルギーを示すグラフである。
【図９】  液晶表示装置において電圧による自由エネルギーを示すグラフである。
【図１０】  液晶表示装置において時間に従う透過率を示すグラフである。
【図１１】  本発明の液晶表示装置の視野角による等コントラスト比を示す図である。
【図１２】  従来のＴＮモード液晶表示装置の視野角による等コントラスト比を示す図である。
【図１３】  本発明の液晶表示装置においてスペーサが分布された部分を概略的に示す液晶表示装置の断面図である。
【図１４】本発明による液晶表示装置の下部基板のみを示す断面図である。
【符号の説明】
３０  下部基板
３１  画素電極
３２  第１配向膜
３５  上部基板
３６  共通電極
３７  第２配向膜
３８  液晶層
３８ａ、３８ａａ  液晶分子
３９ａ、３９ｂ  第１、第２偏光板
４０  位相補償板
２００  スペーサ
ＭＬ  ミドルレーヤー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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