(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速応答の横電界方式パイセル液晶ディスプレイを改善する方法であって、
液晶配向角（ラビング角）を有するパイセル液晶を提供するステップと、
前記ディスプレイの応答時間を高めるために、前記ラビング角を３０度超４０度未満の範囲に拡大させるステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ディスプレイがコンピュータ・モニタ含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ディスプレイがテレビモニタ含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
パイセル液晶ディスプレイであって、
前記ディスプレイの応答時間を高めるために３０度超４０度未満の範囲の液晶配向角（ラビング角）を有することを特徴とするディスプレイ。
【請求項５】
改善された高速応答の横電界方式を有する液晶ディスプレイであって、
液晶配向角（ラビング角）を有する液晶ディスプレイと、
前記ディスプレイの応答時間を高める手段とを有し、
前記高める手段が、前記ラビング角を３０超４０度未満の範囲に拡大させる手段を含むことを特徴とするディスプレイ。
【請求項６】
前記ディスプレイが、コンピュータ・モニタを含むことを特徴とする請求項５に記載の液晶ディスプレイ。
【請求項７】
前記ディスプレイが、テレビモニタを含むことを特徴とする請求項５に記載の液晶ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は２００２年８月２６日提出の出願番号第６０／４０５９７６号仮出願の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は透過型液晶ディスプレイに関し、特に、広視野角を保持すると同時に、応答時間を短くし、しきい値電圧を縮小し、ディスプレイの明るさを増強し、グレースケールの直線性を高めるための大きなラビング角を用いることに関する。
【背景技術】
【０００３】
図１に示すような液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の横電界（ＩＰＳ）方式は３０年以上前に発明された。作用する電場が経線（縦）方向へある、ツイステッド・ネマチック（ＴＮ）セルと異なり、ＩＰＳ電場は横断（横）方向へある。液晶（ＬＣ）分子は同一平面で回転する。その結果、ＩＰＳ方式は広視野角及び高いコントラスト比を示し、デスクトップ・コンピュータ・モニタ及びＬＣＤテレビモニタに広く使用されている。
【０００４】
図１を参照すると、偏光板（ポラライザ（polarizer））１０の軸は底板１１のＬＣ配列と平行であり、偏光板（アナライザ（analyzer））１２が直交される。ＬＣ配列、あるいはラビング方向１３は、図に示すように電極１４への角度Φにある。
【０００５】
Sorefは、Applied Physics Letters、Vol.22、p.165（1973）、及びJournal of Applied Physics、Vol.45、p.5466（1974）で初めてのＩＰＳ概念を公表した。１９９２年には、Kieferらがそのような操作原理をディスプレイ装置へ拡張し、結果はJapan Displays、p.547（1992）で公表された。１９９５年には、Oh-e及びKondoが、薄膜トランジスタ駆動液晶ディスプレイ（ＴＦＴ−ＬＣＤ）にそのようなＩＰＳ方式を適用した。２つの報告、すなわちM.Oh-e、K.KondoによるApplied Physics Letters、Vol.67、p.3895（1995）、M.Oh-e、M.Yoneya、K.KondoによるJournal of Applied Physics、Vol.82、p.528（1997）において公表された。それ以来、多くの報告がこのトピックで公表されている。
【０００６】
ＩＰＳ方式において、２つのタイプのＬＣ配列、すなわち図２Ａに示すような均一な（homogeneous）セル及び図２Ｂに示すようなπセルが考慮される。図２Ａでは、均一なセル２０は、バルクＬＣディレクタが一様な方向に傾けられるように、各表面２１のＬＣプレチルト角αが同じ方向に傾けられることを示す。一方、図２Ｂのπセル２２は、上面基板２３及び底面基板２４の境界において反対のプレチルト角を有する。上述のＩＰＳ方式はすべて均一なＬＣセル配列を用いる。πセル２２は、左（Ｌ）右（Ｒ）の視野方向において対称である。しかし、均一なセル２０は非対称である。
【０００７】
Bos及びKoehler／Beranは、最初にCrystals and Liquid Crystals、Vol.113、p.329（1984）の中でπセルの配置を公表した。πセルはＬＣディレクタの逆流を除去して高速応答時間を達成する。しかし、それらの作用する電場は縦方向にある。結果として、バイアス電圧が領域の問題（domain problem）を克服するために必要となり、位相補償フィルムが広視野角を達成するために必要となる。
【０００８】
米国特許第6,356,329号B1、Tamatani他、では、ＩＰＳ電極でπセルの配置が用いられた。視野角はＩＰＳの均一なセルと同じくらい広い。ＩＰＳの均一なセルを超えるＩＰＳπセルの特別な利益は、水平方向の分子の配列が対称であるために、大きな斜角での色調変化が減少されるということである。しかし、Tamataniらに付与された米国特許'329では、ＬＣ配向角度を電極に対し１０°に配置する。利点はオン電圧が低いということであるが、応答時間は遅い。応答時間はコンピューター及びテレビへの適用において重要な問題である。
【０００９】
S.H.Leeらは、Soc.Inf.Displays、Vol.28,711（1997）の中でラビング角に依存する応答時間について報告する論文を公表した。S.H.Leeらによって研究されたＬＣ方式は、本発明において用いられるπセルではなく均一なセルであった。さらに、S.H.Leeらによる研究の結果は、Φが約２０°を超えると応答時間は基本的に飽和すると示している。したがって、応答時間はある最小値に達し、さらなるΦの拡大を持ってしてもこれ以上改善されない。これに反して本発明では、ＬＣ配向角度（すなわちラビング角）を３０〜４０°に拡大させることによって、Φ＝１０°であるときと比較して、応答時間が２〜３倍短縮されることが思いがけず発見された。広視野角を維持すると同時に、明るさは３３％以上改善され、より直線的となるグレースケールが得られる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の主要な目的は、より速い応答時間を示す新しいＩＰＳπセルの配置を提供することである。
【００１１】
本発明の第２の目的は新しいＩＰＳπセルに、より高い明るさのディスプレイを提供することである。
【００１２】
本発明の第３の目的は、新しいＩＰＳπセルに、より直線的なグレースケール性能を提供することである。
【００１３】
本発明の第４の目的は新しいＩＰＳπセルに、より低いしきい値電圧を提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的及び利点は、添付する図面に概略的に図示された、現在の好ましい実施態様の次の詳細な説明から明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
開示された本発明の実施態様について詳細に説明する前に、本発明は他の実施態様に用いることができ、示された特定の態様の詳細に適用することに限定されるものではないことを理解されたい。また、ここに使用される用語は限定の目的ではなく説明の目的のためのものである。
【００１６】
本発明は、広視野角を維持すると同時に、高速応答時間、より高い明るさ、及びより直線的なグレースケールを達成するための新しい装置の構造を提供する。図１は一般的な横電界（ＩＰＳ）方式構造を示す。ポラライザの主軸はＬＣ配列（すなわち、ラビング）方向と平行である。ＬＣラビング方向、すなわちＬＣディテクタは、ＩＰＳ電極に対して角度Φである。例えば米国特許第６,３５６,３２９号Ｂ１では、Φ＝１０°であり、電圧オフ状態では、バックライトは通常黒い状態であるアナライザに吸収される。電圧がオンの場合、ＬＣディレクタは電場方向に沿って再配向される。その結果、光は直交されたポラライザを透過する。直交されたポラライザは光軸が９０°とされた２枚のポラライザである。この場合、電圧が印加されなければ、光が第１のポラライザを通過した後に、第２のポラライザ（つまりアナライザ）によって遮断され、装置は黒い状態を示す。ＬＣに電圧を印加すると、ＬＣの位相レタデーションは変化し、光はポラライザを通って漏れる。
【００１７】
均一なセル及びπセルの２タイプのＬＣ配列は、通常黒い状態のディスプレイを達成するためにＩＰＳ方式に用いることができる。図２Ａは均一なセルのＬＣ配列を図示し、図２Ｂは、πセルのＬＣ配列を示す。主な違いはプレチルト角（α）にある。プレチルト角の効果によって、ＬＣディレクタは、その物理的性質が徹底的に異なるような、バルク中で異なった配列となる。右又は左から見た時に、πセルは対称である。しかし、均一なセルは非対称である。したがって、ＩＰＳπセルは大きな斜角で、均一なセルより弱い色調変化を示すであろう。
【００１８】
図３Ａ及び３Ｂは、プレチルト角が異なることを除き同じ条件の下で、均一なセル及びπセルの視野角を比較する。πセルは実際により大きく、より広い視野角を示す。
【００１９】
本発明では、図２Ｂに示すようなＩＰＳπセルの配置に焦点がある。とりわけ、大規模なラビング角がディスプレイ装置の性能において重要な効果があることが発見された。ラビング角又は方向は液晶分子の配列方向である。ＬＣ分子は、基板表面上の配向膜をラビングすることにより一定となる。
【００２０】
最初に、透過挙動をラビング方向の機能として検討する。図４Ａ及び４Ｂでは、Φ＝１０°及び３０°のＩＰＳπセルについて、電圧依存性の光線透過率をそれぞれ表示する。シミュレーションでは、次のパラメーターを使用した。ＬＣ混合物Merck MLC-6692（複屈折＝０．０８５、誘電異方性Δε＝１０．３、回転粘性γｌ＝０．１Ｐａｓ）、ＬＣセル・ギャップｄ＝４μｍ、電極幅ω＝４μｍ、電極ギャップ（中心から中心まで）ｌ＝８μｍ。計算に使われた３つの波長は、赤（Ｒ）＝６５０ｎｍ、緑（Ｇ）＝５５０ｎｍ及び青（Ｂ）＝４５０ｎｍである。
【００２１】
Φ＝１０°（図４Ａ）及びΦ＝３０°（図４Ｂ）の双方のＩＰＳπセルは、３つの主要な赤、緑青（ＲＧＢ）が比較的弱い色分散を示す。これはディスプレイへの適用に望ましい特徴である。
【００２２】
透過率に関するさらなる研究を、異なるラビング角（Φ＝５、１０、２０、３０、４０及び５０°）におけるＩＰＳπセルの電圧依存性の光線透過率をプロットする図５に示す。ＬＣの仕様は次の通りである。Merck MLC-6692、ｄΔｎ＝３４０ｎｍ、λ＝５５０ｎｍ、プレチルト角α＝１°、λ＝５５０ｎｍ。セル・パラメーターは変わらない。簡単にするため、λ＝５５０ｎｍの透過率を比較する。図５に示すように、ラビング角を拡大することは３つの変化をもたらす、すなわち（１）オン電圧の増加、（２）しきい値電圧の低下、（３）最大透過率の縮小である。
【００２３】
図５から、Φが５°から１０，２０，３０，４０°に拡大したときに、オン電圧は４．２Ｖｒｍｓからそれぞれ４．５、５．０、５．５、７．０Ｖｒｍｓまで増加する。ＩＰＳ方式において、ポラライザはＶ＝０でＬＣディレクタと平行に配置される。一旦電圧がしきい値を越えれば、ＬＣディレクタは同じ平面で再配向される。ディレクタが最初の位置から４５°回転するときに最大透過率が得られる。Φ＝５°の場合、ＬＣディレクタが５０°まで回転するときに最大透過率が生じる。したがって、そのオン電圧は比較的低い。しかし、Φ＝４０°の場合については、ＬＣディレクタは８５°まで回転しなければならず、すなわち、最大透過率を見るためにはＩＰＳ電極にほとんど垂直となる。したがって、そのオン電圧はより高い。Φ＝５０°の場合、そのオン電圧は揺れ戻るが、その最大透過率は著しく縮小される。結果として、これは最良の選択ではない。
【００２４】
オン電圧を縮小するために、より高い誘電異方性ＬＣ混合物を使用するか、又は電極ギャップを縮小する。１つのシミュレーションでは、ω＝３μｍ及びｌ＝６μｍを使用し、Φ＝３０°のセルのオン電圧は５．６Ｖｒｍｓから４．７５Ｖｒｍｓに減少する。
【００２５】
透過率は、図５において検討し実証したように電圧依存性であり、以下の応答時間におけるラビング角の影響についての考察に検討するように、時間依存性である。図６は、Φ＝５、１０、２５、３０、３５、４０、５０°におけるＩＰＳπセルのシミュレートされた応答時間を示す。用いるオン電圧が異なるために、各セルに印加した電圧は、図６の凡例の中で明記する。ＬＣ材料の仕様は、Merck MLC-6692、ｄΔｎ＝３４０ｎｍ、λ＝５５０ｎｍ、プレチルト角α＝１°である。
【００２６】
図６において、Φが５°から１０，２５，３０，３５，４０°に拡大したときに、立ち上がり時間（０−９０％）は縮小する。減衰期間に顕著な違いは認められない。Φ＝４０°及び１０°の立ち上がり時間はそれぞれ約１０ミリセカンド及び３０ミリセカンドである。この改良は特に、高速応答時間が必要とされるテレビ及びコンピュータ・モニタの適用にとって重要な意義を持つ。ラビング角を単にほぼ３０〜４０°に拡大させることにより、はるかに速い応答時間が得られる。この利点は、米国特許第６，３５６，３２９号Ｂ１では実現されていない。
【００２７】
図７は、様々なラビング角のＩＰＳπセル及び均一なセルの立ち上がり時間を比較する。セル・ギャップはｄ＝４μｍで、ＬＣはMLC-6692で、λ＝５５０ｎｍである。Φ＝４０°及び１０°の立ち上がり時間は、それぞれ１０ミリセカンド及び３０ミリセカンドである。再び、ラビング角を単に３０〜４０°に拡大させることにより、はるかに速い応答時間が得られる。
【００２８】
ラビング角を拡大することの他の利点は、より直線的なグレースケールである。図８は、Φ＝１０°及び３０°のＩＰＳπセルのグレースケールを比較する。Φ＝１０°及び３０°の場合の、しきい値及びオン電圧をマークする。図８から、Ｖ１は約１．５、Ｖ２は約４．５、一方、Ｖ３は約１．０、Ｖ４は約５．５Ｖｒｍｓである。これはΦ＝３０°のＩＰＳπセルは、米国特許第６，３５６，３２９号Ｂ１で請求されたΦ＝１０°のものより直線的なグレースケールを持つことを意味する。この例で使用したＬＣＤセルの特性は、MLC-6692、ｄΔｎ＝３４０ｎｍ、λ＝５５０ｎｍ、プレチルト角α＝１°である。
【００２９】
より速い応答時間は、さらにディスプレイのより高い明るさをもたらす。これは本発明の別の利点である。図９は、Φ＝１０°及び３０°のＩＰＳπセルの明るさを比較する。明るさは、過渡的な透過率カーブによってカバーされる面積に比例する。高速応答時間のために、スイッチ・オン時間はできるだけ速くあるべきである。ｔ＝２０ミリセカンドに対応する面積を計算する。ｔ＝２０ミリセカンドでは、Φ＝３０°方式は、米国特許第６，３５６，３２９号Ｂ１に請求された方式（Φ＝１０°）より１３６％高い明るさを有する。時間を４０ミリセカンドに増加する場合、明るさ利得は３３％に縮小する。図９で用いた特定のＬＣＤセルの特性は、ＬＣ：Merck MLC-6692、ｄΔｎ＝３４０ｎｍ、λ＝５５０ｎｍ、プレチルト角α＝１°である。
【００３０】
図１０において、コントラスト比ＣＲ＝３００：１、１５０：１、２０：１、及び１０：１を有する等コントラスト比曲線を示す。配向角度が変わるという点を除いて、２本のカーブはほとんど同一である。したがって、ラビング角の変更は視野角に影響しない。Φ＝３０°及び１０°のＩＰＳπセルの視野角をシミュレートし、視野角の結果を図１０Ａ及び図１０Ｂにそれぞれ示す。再び、視野角に実質的な変化はない。ＬＣＤセルの特性は、ＬＣ：Merck MLC-6692、ｄΔｎ＝３４０ｎｍ、λ＝５５０ｎｍ、プレチルト角α＝１°である。
【００３１】
要約すると、本発明の大きなラビング角、Φ>１０°、望ましくはΦ＝約２０〜４０°のＩＰＳπセルは、米国特許第６，９３５６，３２９号Ｂ１でTamataniらによって請求されたものに比べ、次の利点を示す。第１に、２倍〜３倍速い立ち上がり時間が得られること。第２に、スイッチング操作の最初の２０ミリセカンドの間に、ほぼ１３６％高い明るさが観察されること。第３に、必要なしきい値電圧がより低いこと。第４に、より直線的なグレースケールが得られること。非常に広い視野角は同じままである。ＬＣＤモニタがテレビとコンピューターのＣＲＴモニタにますます取って代わるとともに、本発明は新しいＬＣＤ技術に広範囲の適用を持つであろう。
【００３２】
本発明は、実際上推定したある実施態様又は修正の様々な用語に記述され、開示され、例証され、示されたが、これにより本発明の範囲を限定されるように意図したものではなく、また限定されると考えるべきではない。この開示によって示唆される他の修正又は実施態様は、ここに添付されたクレームの範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】横電界（ＩＰＳ）方式の一般的な先行技術の液晶セルの配置を示す。
【図２Ａ】α＝プレチルト角である先行技術の均一なセルを示す。
【図２Ｂ】α＝プレチルト角である先行技術のπセルを示す。
【図３Ａ】均一なセルを使用するＩＰＳ液晶ディスプレイの等コントラスト比曲線を示す。
【図３Ｂ】πセルを使用するＩＰＳ液晶ディスプレイの等コントラスト比曲線を示す。
【図４Ａ】Φ＝１０°を有するＩＰＳπセルの電圧依存性の透過率を示す。
【図４Ｂ】Φ＝３０°を有するＩＰＳπセルの電圧依存性の透過率を示す。
【図５】様々なラビング角のＩＰＳπセルの電圧依存性の透過率を示す。
【図６】異なるラビング角のＩＰＳπセルのシミュレートした応答時間を示す。
【図７】様々なラビング角のＩＰＳπセル及び均一なセルの立ち上がり時間の比較を示す。
【図８】Φ＝１０°及び３０°を有するＩＰＳπセルのグレースケールの比較を示す。
【図９】Φ＝１０°及び３０°を有するＩＰＳπセルの明るさの比較を示す。
【図１０Ａ】Φ＝３０°を有するＩＰＳπセルの、シミュレートした視野角及び等コントラスト比曲線を示す。
【図１０Ｂ】Φ＝１０°を有するＩＰＳπセルの、シミュレートした視野角及び等コントラスト比曲線を示す。
【図１】
0004636879.tif 000002
【図２Ａ】
0004636879.tif 000003
【図２Ｂ】
0004636879.tif 000004
【図３Ａ】
0004636879.tif 000005
【図３Ｂ】
0004636879.tif 000006
【図４Ａ】
0004636879.tif 000007
【図４Ｂ】
0004636879.tif 000008
【図５】
0004636879.tif 000009
【図６】
0004636879.tif 000010
【図７】
0004636879.tif 000011
【図８】
0004636879.tif 000012
【図９】
0004636879.tif 000013
【図１０Ａ】
0004636879.tif 000014
【図１０Ｂ】
0004636879.tif 000015