JP4131798B2

JP4131798B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP4131798B2
Application number: JP2002135444A
Authority: JP
Inventors: 敦行真鍋; 一之春原; 靖川田; 雄三久武; 剛史山口; 希佐子二ノ宮; 奈津子藤山
Original assignee: 東芝松下ディスプレイテクノロジー株式会社
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2022-05-10
Also published as: JP2003330028A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画素電極と共通電極間に電場の強い領域と弱い領域とを形成し、この領域を生じさせる画素電極のストライプ電極部パターンを改良して、白色表示の輝度や透過率を改善した液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在のカラー液晶表示装置としては、隣接画素間でのクロストークがなく、良好な表示画像の実現が可能なことから、アクティブマトリクス型カラー液晶表示装置が主流となっている。このアクティブマトリクス型カラー液晶表示装置は、図１４に示すように、透明なガラス材からなる基板５１上にマトリクス状にスイッチング素子、例えばアモルファスシリコンを半導体層とした薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）５２を設け、このＴＦＴ５２を覆うようにアクリル材等から構成される青、緑、赤の３色カラーフィルタ層５３を形成する複数の着色層５３Ｂ，５３Ｇ，５３Ｒが設けられている。このカラーフィルタ層５３に夫々スルーホール部５４を形成して、このスルーホール部５４を介してＴＦＴ５２と接続される複数のＩＴＯ等から構成される透明な画素電極５５をカラーフィルタ層５３上に配置し、更にこの画素電極５５面上にポリイミド等から構成される配向膜５６を形成したアレイ基板５７を有している。
【０００３】
このアレイ基板５７と対向して配置される対向基板５８は、同様に透明なガラス材にて形成された基板５９を有し、この基板５９のアレイ基板５７と対向する対向面上には、ＩＴＯ等から構成される透明な共通電極６０が設けられ、この共通電極６０上には、ポリイミド等から構成される配向膜６１が設けられている。更に、表示領域の外周部分には、黒色の遮光膜によって形成された額縁部６２が設けられ、この額縁部６２によって非表示領域を覆い隠すようにしている。
【０００４】
また、このアレイ基板５７上から対向基板５８へ電圧を印加する電極転移材として、銀ペースト（図示せず）等が画面周辺部に配置され、この電極転移材によってアレイ基板５７と対向基板５８間を電気的に接続するようになされている。
【０００５】
このアレイ基板５７と対向基板５８間は、両基板５７，５８間に介在されるスペーサ６３によって、そのギャップが規定されており、両基板５７，５８は所定の間隙を持って対向配置されるとともに、その周辺部を熱または紫外線硬化型のアクリル系あるいはエポキシ系の接着剤から構成されるシール材６４を介して貼合わされており、この間隙部分には液晶層６５が封止されて、液晶パネル(セル)６６が構成されている。
【０００６】
このスペーサ６３は、カラーフィルタ層５３を構成する着色層５３Ｇ，５３Ｂ，５３Ｒと同じ材料を使用して積層形成することが可能なので、着色層５３Ｇ，５３Ｂ，５３Ｒの形成時にスペーサ６３を同時に同じ材料を使用して、フォトリソグラフィ法によって作り込むことで、工程の削減が図られている。
【０００７】
更に、この液晶パネル６６の両外表面には、偏光板６７が接着剤によって貼付され、アレイ基板５７側の偏光板６７の外方には、必要に応じてバックライトもしくは反射板（図示せず）等が配置されて、カラー液晶表示装置を構成している。
【０００８】
このように構成されたカラー液晶表示装置は、例えば光源となるバックライトを点灯し、ＴＦＴ５２を駆動することによって画素電極５５をスイッチング制御して、画素電極５５電圧と対向する共通電極６０に供給される電圧との電位差により、各々の画素電極５５上の液晶層６５を制御して光シャッターの役目を行わせることにより、所定のカラー画像を表示している。
【０００９】
このように構成されたカラー液晶表示装置においても、近時の情報量の増加に伴い画像の高精細化や、表示速度の高速化に対する要求が高まっている。この画像の高精細化については、アレイ基板５７の構造を微細化することによって対応することが可能であり、また表示速度の高速化については、ネマチック液晶を用いた各種モードの採用や、スメクチック液晶を用いた界面安定型強誘電性液晶モードや反強誘電性液晶モードを採用することで対応するように、検討が進められている。
【００１０】
これらの各種表示モードの中でも、従来のＴＮモードよりも速い応答速度が得られ、また垂直配向のためのラビング処理が不要なＶＡＮ（Vertical Aligned Nematic）モードが有望であり、特にマルチドメイン型ＶＡＮモードは、視野角の補償設計が比較的容易なことから注目されている。
【００１１】
通常、マルチドメイン型ＶＡＮモードを採用する場合には、アレイ基板５７だけでなく対向基板５８に対しても畝状突起構造を形成したり、対向基板５８の共通電極６０にスリット等を設けている。このため、アレイ基板５７と対向基板５８との位置合せを、アライメントマークを用いる等して極めて高い精度で行う必要があり、コストの上昇や信頼性の低下を招くおそれがあった。
【００１２】
また、最近のＴＮモードのカラー液晶表示装置においては、上述のように、アレイ基板５７側にカラーフィルタ層５３を形成することが行われるようになってきている。このようにアレイ基板５７側にカラーフィルタ層５３を設けた場合には、アレイ基板５７と対向基板５８とを貼り合せて液晶パネル６６を形成する際に、カラーフィルタ層５３を構成する各着色層５３Ｇ，５３Ｂ，５３Ｒと画素電極５５との位置合せを特に行う必要がないという利点を有している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、このような技術をマルチドメイン型ＶＡＮモードのカラー液晶表示装置に適用することが考えられるが、従来のマルチドメイン型ＶＡＮモードのカラー液晶表示装置においては、アレイ基板５７と対向基板５８とを貼り合せて液晶パネル６６を形成する際に、依然として畝状突起やスリットの位置合せを行う必要がある。そのために、マルチドメイン型ＶＡＮモードのカラー液晶表示装置において、アレイ基板５７側にカラーフィルタ層５３を形成するようにしても、ＴＮモードのカラー液晶表示装置で得られた位置合せが不要とのメリットを享受することができない。更に、高い光透過率や広い視野角及び応答時間の一層の改善も要望されているところである。
【００１４】
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、画素内を夫々ストライプ電極部とスリットからなる複数の区画部分によって構成し、各区画部分内の配向方向が夫々中心点方向から同方向側にずれた方向で互いに直交する方向に設定することによって、これらの不具合を改善した液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板の主面上に配置された画素電極を有するアレイ基板と、このアレイ基板の主面に対向して配置された共通電極を有する対向基板と、この対向基板とアレイ基板との間に挟持された液晶層とを備えた液晶表示装置において、画素電極と共通電極とに挟まれた画素領域内に少なくとも一方の電極の一画素電極を４区画部分以上の画素部分から構成し、この区画部分を画素電極の中心を通り当該区画部分を等分に区分する中心線に沿うように延在するストライプ電極部とスリットとを交互に繰返し配列させ且つ中心線に対して非対称となるパターンで構成し、このパターン構成を隣接する区画部分毎に順次所定の角度で回転移動させた同一パターン構成とすることにより、各区画部分の配向方向が夫々中心点方向から同方向側に順次ずれた方向で、その配向方向が異なる異方性を有するように互いに直交する方向に設定されるように構成した。
【００１６】
このように構成することによって、高精度の位置合せを不要とするばかりでなく、画素電極上に電場の強さが異なる第１及び第２の領域を形成し、この配向方向を夫々中心点方向から同方向側にずれた方向で互いに直交する方向に設定することで、光透過率や視野角及び応答時間の向上を図ることが可能となった。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
本発明に係る液晶表示装置は、図１に示すように、透明なガラス材から構成される基板１１の主面上に、成膜、パターニング等の微細技術を駆使して電極配線とスイッチング素子、例えばＴＦＴ１２が設けられる。
【００１９】
このＴＦＴ１２上及び周囲には、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）に夫々色分けされたカラーフィルタ層１３の役目を担うＲＧＢ着色層１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂが夫々の色毎にストライプ状に設けられる。この着色層１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂは、例えば第１色を赤で構成する場合には、まず赤色の顔料を分散させた紫外線硬化型アクリル樹脂レジストをスピンナーにて基板１１の全面に均一になるように塗布し、次いで赤を着色したい部分に光が照射されるようなフォトマスクパターンを介して、３６５ｎｍの波長で１００ｍＪ／ｃｍ^２の強度の紫外線を照射して露光する。このフォトマスクパターンには、１色目に対応するストライプ形状のパターン部分と、積層型スペーサ用の四角形状のパターン部分とを有している。
【００２０】
その後、ＫＯＨの１％水溶液で２０秒間現像し、当該パターン部分に膜厚３．２μｍの赤の着色層１３Ｒを形成する。引続き緑の着色層１３Ｇ及び青の着色層１３Ｂを同様にして夫々形成する。このときＴＦＴ１２部分にもコンタクトホール部１４が併せて形成される。このカラーフィルタ層１３の形成材料をパターニングする際に、カラーフィルタ層１３を構成する各着色層１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ材を順次積層させて形成した積層型スペーサ１５を、選択された各色の画素パターン間に配置するように、夫々着色層１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの形成と同時に形成する。
【００２１】
そして、このカラーフィルタ層１３上には、ＩＴＯ等の透過性導電部材を１５００Åの厚さにスパッタリング法によって成膜し、フォトリソグラフィ法によってパターニングすることにより、図１（ｂ）に示すように、スリット１６を有する透明な画素電極１７を形成している。この画素電極１７は、その１画素分の画素電極１７が、夫々略等面積となるように、例えば４つの区画部分１７ａ〜１７ｄから構成されており、この各区画部分１７ａ〜１７ｄに設けたスリット１６によって形成された複数のストライプ電極部１７´は、長手方向に同じ幅を有するストライプ電極部１７´として構成され、更にこの区画部分１７ａ〜１７ｄに夫々互いに略９０°ずつ順次異なるように配置されている。例えば１つの区画部分１７ａの電極パターンを９０°回転移動させた場合には、区画部分１７ｂのパターンと一致し、更に９０°回転移動させると区画部分１７ｃのパターンと一致し、このパターンを更に９０°回転移動させると区画部分１７ｄのパターンと一致するように構成されている。そして、隣接する区画部分同士の電極パターンはピッチをずらすようにして配設されており、従って、各隣接する区画部分同士では、線対称の構成とはなっていない。
【００２２】
この画素電極１７は、これらに割当てられるカラーフィルタ層１３上に夫々形成され、ＴＦＴ１２のソース・ドレイン通路と各コンタクトホール部１４を介して夫々接続されている。また、カラーフィルタ層１３の外周囲部分、即ち、表示領域の外周部分には、黒色の遮光膜からなる額縁部１８をフォトリソグラフィ法によって設けている。この画素電極１７上には、ポリイミド等からなる６００Åの膜厚の配向膜１９を設けてアレイ基板２０を構成している。
【００２３】
一方、このアレイ基板２０に対向して対向基板２１が配置される。この対向基板２１は、同じく透明なガラス材から構成される基板２２の対向面上に、ＩＴＯ膜を１５００Åの厚さにスパッタリング法を用いて成膜して共通電極２３を形成するとともに、この共通電極２３上には、ポリイミド等を６００Åの厚さに塗布して形成した配向膜２４を配置することで、対向基板２１を構成している。この配向膜２４及びアレイ基板２０の配向膜１９は、いずれもラビング処理を施さずに垂直配向性を付与している。
【００２４】
この対向基板２１とアレイ基板２０とは、スペーサ１５によって所定の間隙を保ちながら、例えば注入口を除いて熱硬化性エポキシ系接着剤からなるシール材２５によって周辺部を加熱接着して固定している。またアレイ基板２０から対向基板２１に電圧を印加するための電極転移材を、シール材２５の周辺の電極転移電極（図示せず）上に形成している。この間隙部分には、例えばフッ素系液晶化合物からなる液晶部材を注入口から注入して液晶層２６を形成し、その後に、この注入口を紫外線硬化樹脂によって封止して液晶パネル２７を形成している。更に、この液晶パネル２７のアレイ基板２０及び対向基板２１の外表面には、夫々偏光板２８が接着固定されるとともに、アレイ基板２０側の偏光板２８の外側には、必要に応じてバックライトや反射板（図示せず）等が配置されて、液晶表示装置が構成されている。
【００２５】
上記ＴＦＴ１２及び画素電極１７、走査線、信号線等は、図２に示すように構成される。
【００２６】
即ち、基板１１の主面上にアンダーコーティング層３０を形成し、このアンダーコーティング層３０上にＴＦＴ１２を構成するポリシリコン膜にて形成された半導体層３１、及び不純物をドープしたポリシリコン膜によって形成された補助容量電極３２が配置されている。この半導体層３１は、チャネル領域３３の両側に夫々不純物をドープすることによって形成されたドレイン領域３４及びソース領域３５を有している。これら半導体層３１及び補助容量電極３２上には、ゲート絶縁膜３６が設けられ、このゲート絶縁膜３６のドレイン領域３４及びソース領域３５、並びに補助容量電極３２部分には、夫々コンタクトホールが形成されている。
【００２７】
このゲート絶縁膜３６上には、ゲート電極兼用の走査線３７及び補助容量線３８が形成される。この走査線３７及び補助容量線３８を覆うように層間絶縁膜３９が被着されるとともに、ゲート絶縁膜３６に形成したコンタクトホールに連接するコンタクトホールが形成されている。この層間絶縁膜３９上には、ドレイン領域３４上のコンタクトホールを介して、このドレイン領域３４と電気的に接続されたドレイン電極と兼用の信号線４０、及びソース領域３５上のコンタクトホールを介して、このソース領域３５と電気的に接続されたソース電極４１が形成される。また補助容量電極３２上のコンタクトホールを介してコンタクト電極４２が形成されている。
【００２８】
これら信号線４０、ソース電極４１及びコンタクト電極４２を含む層間絶縁膜３９上には、カラーフィルタ層１３を構成する着色層１３、例えば赤色着色層１３Ｒと緑色着色層１３Ｇ及び青色着色層１３Ｂが形成される。この着色層１３Ｒのソース電極４１及びコンタクト電極４２上には、コンタクトホールが形成されており、この着色層１３Ｒ上には、これらコンタクトホールを介して、夫々ソース電極４１とコンタクト電極４２と電気的に接続される画素電極１７が形成され、この画素電極１７を含む着色層１３Ｒ，１３Ｇ及び１３Ｂ上には、配向膜１９が設けられている。なお、図示していないが、青色着色層１３Ｂについても同様に形成されている。
【００２９】
上記走査線３７は、画素電極１７の行方向に沿って形成され、また信号線４０は、画素電極１７の列方向に沿って形成されており、信号線４０は走査線３７及び補助容量線３８に対して略直交するように配置されている。また補助容量電極３２は、画素電極１７と同電位に、補助容量線３８は所定の電位に設定されている。この走査線３７及び信号線４０の交差位置近傍には、各画素電極１７に対応してＴＦＴ１２が配置される。また、これら走査線４１及び補助容量線３８は、モリブデン−タングステンによって、また信号線４０は、主にアルミニウムによって形成されている。
【００３０】
なお、画素電極１７及び共通電極２３上には、配向膜１９，２４のみを配置した場合について例示しているが、これらの電極１７，２３上には、種々の用途に応じて絶縁膜（図示せず）を配置することも可能である。この場合に使用される、絶縁膜としては、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、Ａｌ_２Ｏ_３等の無機系薄膜、ポリイミド、フォトレジスト樹脂、高分子液晶等の有機系薄膜等を用いることができる。そして絶縁膜が無機系薄膜の場合には、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法あるいは溶液塗布法等によって形成することができ、また絶縁膜が有機系薄膜の場合には、有機物質を溶かした溶液等を用いて、スピンナー塗布法、スクリーン印刷塗布法、ロール塗布法等によって塗布し、その後に加熱、光照射等の所定の硬化条件で硬化させて形成する方法、あるいは蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＬＢ法等で形成することも可能である。
【００３１】
このように構成されたアレイ基板２０の等価回路は、図３に示すように、マトリクス状に配置されたｍ×ｎ個の画素電極１７、これら画素電極１７の行方向に沿って形成されたｍ本の走査線（４１）Ｙ１〜Ｙｍ、これら画素電極１７の列方向に沿って形成されたｎ本の信号線（４０）Ｘ１〜Ｘｎ、及びｍ×ｎ個の画素電極１７に対応して走査線Ｙ１〜Ｙｍ及び信号線Ｘ１〜Ｘｎの交差位置近傍にスイッチング素子として配置されたｍ×ｎ個のＴＦＴ１２を有している。
【００３２】
このＴＦＴ１２は、画素電極１７の行に沿って形成される走査線Ｙとゲート電極３７が、及び画素電極１７の列に沿って形成される信号線Ｘにソース電極４１が夫々接続されており、走査線駆動回路４３から走査線Ｙを介して供給される駆動電圧によってＴＦＴ１２が導通し、信号線駆動回路４４からの信号電圧をＴＦＴ１２のソース・ドレイン通路を通して画素電極１７に印加するように動作する。
【００３３】
この画素電極１７及び共通電極２３間には、画素電極１７と同電位の補助容量電極３２、及び所定の電位に設定された補助容量線３８から構成される補助容量Ｃが並列に接続されており、これら共通電極２３には、共通電極駆動回路４５からの駆動電圧が供給されている。
【００３４】
この画素電極１７の基本的な構成は、図４（ａ）に示すように、１つの画素電極１７を４つの区画部分１７ａ〜ｄで構成されるように４分割形成されている。この画素電極１７を構成する各区画部分１７ａ〜ｄには、複数のスリット１６が一定の周期で互いに平行に設けられており、スリット１６の長手方向は、各区画部分１７ａ〜ｄ間で互いに異なる方向、例えばＸＹ軸に対して夫々４５°ずつ傾き、その延長線が中点で交わるように、互いが９０°の角度ずつ回転対称となるように設定されている。
【００３５】
このようにスリット１６を設けることによって、画素電極１７のストライプ電極部１７´では電場の強い領域が形成され、またスリット１６を形成した部分では、電場の弱い領域が形成されることとなり、これらのスリット１６を形成する方向は、各部分１７ａ〜１７ｄで夫々異なる方向となるように設定されているために、電場の強弱の領域が４つの異なる方向成分を示すように異方性が付与されることとなる。従って、このような構成を採ることによって、異方性のパターンに従って液晶層２６の配向方向が決定されるので、液晶分子４６の配向は、０°、９０°、１８０°及び２７０°の方向性を示す４つの等面積のドメインとなる。これらドメインは、互いに視野角特性を補償する効果があるので、広い視野角特性を有する液晶表示装置を構成することが可能となる。
【００３６】
ここで、液晶層２６として負の誘電異方性を示すネマチック液晶材料を用いると、液晶分子４６は電場の強い領域と弱い領域が交互に配置された方向と平行な方向にチルト方向（ダィレクタ）を揃えて配向される。この４つの各部分１７ａ〜１７ｄの各異方性領域では、夫々異なる方向に配向するために、画素領域は画素電極１７を構成する各区画部分１７ａ〜１７ｄに対応して、図４（ｂ）に動作時の画素状態を示すように、液晶分子４６のチルト方向が互いに異なる４つのドメインへと分割されている。
【００３７】
この場合の液晶分子４６の配向変化は、画素電極１７と共通電極２３との間に電圧を印加していない場合には、配向膜１９，２４は液晶層２６を構成する誘電率異方性が負の液晶分子４６に、それらを垂直配向させるように作用する。そのために、液晶分子４６は、それらの長軸が配向膜１９，２４の膜面に対して略垂直となるように配向する。
【００３８】
そこで、画素電極１７と共通電極２３との間に比較的低い第１の電圧を印加すると、画素電極１７に設けたスリット１６の上方には漏れ電界が発生する。即ち、スリット１６上の電場の弱い領域１６Ａ，１６Ｂによって挟まれた強い領域１７Ａが、図５（ａ）に示すように、直線状に配置されている場合には、電場の強い領域１７Ａから弱い領域１６Ａ，１６Ｂに向かって生じる漏れ電界によって、傾きを持った電気力線が発生している。この傾きを持った電気力線に沿って液晶分子４６の誘電異方性が生じるために、電場近傍の液晶分子４６は、一定方向へのチルトを生じることになる。対向する電場の弱い領域１６Ａ，１６Ｂによって夫々発生したチルトは、図５（ｂ）に示すように、互いに干渉しあう方向成分を有し、このためにエネルギーが低い状態へと配向緩和するものと推察される。
【００３９】
ここで、電場の弱い領域１６Ａ，１６Ｂと強い領域１７Ａとは、２次元方向の異方性しか持っていないために、配向緩和方向は、図５（ａ）に符号Ａ，Ａ´で示す２方向に同じ確率で発生する。即ち、画素電極１７と共通電極２３との間に電圧を印加することによって生じる電界は、その電気力線に垂直な方向に液晶分子４６を配向するように作用する。従って液晶分子４６は、配向膜１９，２４及び電界からの作用によって、右側の液晶分子４６の配向状態と左側の液晶分子４６の配向状態とが干渉しあってしまうことになり、液晶分子４６は、図中上向きＡ、または下向きＡ´にチルト方向を変化させて、より安定な配向状態をとるように働くことになる。
【００４０】
ここで、図５（ａ）に示すように、画素電極１７の一対のスリット１６に挟まれた電極部１７´及びその近傍が、図中上下方向に対して対称的な、若しくは等方的な形状を有していると、液晶分子４６は、矢印Ａで示すように、上向きにチルト方向を変化させる確率と、矢印Ａ´で示すように、下向きにチルト方向を変化させる確率とが等しくなる。即ち、液晶分子４６は、上向き若しくは下向きのいずれの方向に対してチルト方向を変化させるか判らない状態にあり、不安定な状態に陥ることになる。
【００４１】
ここで、電場の弱い領域１６Ａ，１６Ｂと強い領域１７Ａによって構成された異方性領域の長手方向の端部に、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、その端部の一方に電場の強い領域１７Ｂを設け、他方に電場の弱い領域１６Ｃを設けると、電場の強い領域１７Ａ，１７Ｂと弱い領域１６Ａ〜１６Ｃによって３次元の異方性が生じるために、同異方性領域内の液晶分子４６は、図中矢印Ｂで示すように、平均的な傾斜方向に配向緩和される。
【００４２】
換言すれば、画素電極１７と共通電極２３との間に印加する電圧を、第１の電圧よりも高い第２の電圧まで高めると、配向膜１９，２４が液晶分子４６を垂直配向させようとする作用に対して、電界が液晶分子４６をその電気力線に垂直な方向に配向させようとする作用の方がより強くなる。従って液晶分子４６は、水平配向に近づく方向にチルト角を変化させる。
【００４３】
しかしながら、画素電極１７と共通電極２３間に印加する電圧を、第１の電圧よりも高い第２の電圧とした場合でも、画素電極１７及び共通電極２３間に印加する電圧を第１電圧とした場合と同様に、液晶分子４６が矢印Ａ´で示す方向に配向した配向状態は、液晶分子４６が矢印Ａで示す方向に配向した配向状態に比較してより安定となる。
【００４４】
そのために、画素電極１７及び共通電極２３間に印加する電圧を、第１及び第２の電圧間で変化させた場合に、液晶分子４６のチルト方向は、スリット１６の配列方向に垂直な面内で変化することとなる。即ち、画素電極１７及び共通電極２３間に印加する電圧を、第１及び第２の電圧間で変化させた場合に、液晶分子４６は、その平均的なチルト方向をスリット１６の配列方向に垂直な面内に維持したまま、チルト角を変化させることになる。
【００４５】
従って、画素電極１７を構成する４つの区画部分１７ａ〜１７ｄ間で、スリット１６の長手方向を夫々異なる方向に設定することにより、液晶分子４６のチルト方向を維持した状態のままで、そのチルト角を変化させることができる。即ち、アレイ基板２０に設けた画素電極１７で電界の強い領域１７Ａ，１７Ｂと弱い領域１６Ａ〜１６Ｃを形成することによって、１つの画素領域内に液晶分子４６のチルト方向が互いに異なる４つのドメインを形成することができる。また、液晶分子４６の平均的なチルト方向をスリット１６の配列方向に垂直な面内に維持したままで、チルト角を変化させることができるために、より速い応答速度を実現することができるとともに、配向不良が発生し難く良好な配向分割が可能となる。
【００４６】
このような構成を採ることによって、画素電極１７と共通電極２３との間に所定の電圧を印加した際に、液晶層２６中の画素領域内に夫々一方向に延びた形状を有し、且つその方向と交差する方向に画素領域内で交互に繰返し配列した第１及び第２の領域、即ち、電場の強い領域と弱い領域とを形成し、これら第１及び第２の領域によって液晶分子４６の配向を制御することが可能となる。これら第１及び第２の領域を形成する構成は、対向基板２１に対してアレイ基板２０側に設けているために、アレイ基板２０と対向基板２１とを貼り合せる際に、アライメントマークを使用する等の高精度な位置合せを行う必要がない優れた効果を発揮することができる。
【００４７】
このような画素電極１７においては、図６（ａ）に示すように、各区画部分１７ａ〜１７ｄの配向方向は画素電極１７の中心方向を向くように構成されるので、液晶分子４６は、図６（ｂ）に示すように、各区画部分１７ａ〜１７ｄ内のいずれもが中心方向に配向される。このように４つのドメインから中心に向かって液晶分子４６が配向すると、中心部では電圧印加時に液晶分子４６がチルトする方位が、この中心点を境として異なる方位となり、偏光板２８の吸収軸と平行なチルト方向が発生するために、所謂シュリーレン構造が発生する。このシュリーレン構造は、一定の領域、例えば１画素内に液晶分子４６のチルト方位が９０°以上異なるような配列をなした場合に、その方位間が連続的に方位を変化させるような配列において発生しており、しかもシュリーレン構造の捩れ配向が左右いずれにも捩れることが可能なので、視野角の不均一性や表示品位の低下が懸念される。また、これら配向が中心部で一旦衝突した後にシュリーレン構造に移行するために、配向安定までに要する時間も長くかかるようになり、応答時間を低下させる要因となりうる。
【００４８】
そこで、電極パターンを、図１（ｂ）及び図７（ａ）に示すように、各区画部分１７ａ〜１７ｄに配置されているストライプ電極部１７´とスリット１６とのピッチを各区画部分１７ａ〜１７ｄ毎にずらせて配設することにより、配向方向が中心点で衝突することなく回転するように設定することが可能となる。即ち、隣接する各区画部分１７ａ〜１７ｄでの配向方向が、夫々中心点方向からずれた方向で互いに直交する方向となるように設定される。この回転する方向は、電場の強い領域と電場の弱い領域との分布、即ち、ストライプ電極部１７´とスリット１６との配置方法によって制御することが可能である。このような構成とすることで、図７（ｂ）に示すように、液晶分子４６は、例えば左方向への回転を行うように配向され、左に渦を巻くようにして集束されることになり、中心点での衝突を回避することが可能となる。この結果、シュリーレン構造の中心停止位置が左右いずれかに特定することが可能なので、各配向領域の面積不均等等に起因する視野角の不均一性や表示品位の低下を防ぐことが可能となる。しかも配向安定までに要する時間も短縮されるので、応答時間を早くすることができる。
【００４９】
このような電極パターンを、図８（ａ）に示すように、１画素内において、放射状パターンによる配向効果が有効に作用するように、画素電極１７に設けた切欠部４７によって２つの領域４８ａ，４８ｂに分割して構成し、そしてこの２つの領域４８ａ，４８ｂにおける配向方向を、領域４８ａにおいては左回りに回転する方向に、また領域４８ｂにおいては右回りに回転する方向に交互に設定することができる。このように交互に配置することにより液晶配向方向に対称性を与えることができる。これによって視野角特性、特に斜め方向から見た場合の色変化を減少させることができるとともに、２つの領域４８ａ，４８ｂ間の配向方向ベクトルが一致するためにスムースな安定した配向とすることができる。この画素電極１７の動作状態は、図８（ｂ）に示すようになり、液晶分子４６は図中に示す配向方向で、画素電極１７としては、図中矢印で示す回転方向となり、配向が安定する。
【００５０】
このような２つの異なる方向に回転する２つの領域４８ａ，４８ｂの代わりに、図８（ｃ）及び（ｄ）に示すように、２つの領域４８ａ，４８ｂにおける配向方向が、ともに同じ左回りに回転するように構成することも可能である。
【００５１】
また、これらの場合には、１つの画素電極１７内において２つの領域４８ａ，４８ｂに分けて、夫々の領域４８ａ，４８ｂに回転して渦巻き状に集束するドメインを形成しているが、これを隣接する各画素電極１７−１，１７−２に夫々形成することも可能である。即ち、図９（ａ）に示すように、２つの領域４８ａ，４８ｂを夫々有する画素電極１７−１，１７−２の一方の画素電極１７−１には、左回りに回転する領域４８ａと右回りに回転する領域４８ｂとを形成し、これと対向する画素電極１７−２には、右回りに回転する領域４８ｂと左回りに回転する領域４８ａとを設けたもので、隣接する画素電極１７−１，１７−２の対向する領域４８ａ，４８ｂ間では異なる回転方向のドメインを配置している。
【００５２】
更に、２つの画素電極１７−１，１７−２の対向するドメインを、図９（ｂ）に示すように、同じ回転方向のドメインを配置するようにすることも可能で、この場合でも同様に配向を安定化させることができる。
【００５３】
なお、上記の実施の形態では、スリット１６の幅を一定とした場合について説明しているが、図１０（ａ）に示すように、スリット１６及びストライプ電極部１７´の幅を、その長手方向に沿って変化させることも可能で、その場合の液晶分子４６の配向状態は、図１０（ｂ）に示すようになる。なお、図示の場合には、画素電極１７を構成する４つの部分１７ａ〜１７ｄのうちの１つの部分１７ａの一部のみを図示している。このような構成においては、スリット１６の幅は、画素電極１７の中央部から周縁部に向けて連続的に増加している。このような構成を採ると、図１０（ｂ）に示すように、スリット１６の下端における液晶配向及び画素電極１７のスリット１６に挟まれた部分の上端における液晶配向に加え、スリット１６の両側端における液晶配向も、チルト方向が矢印Ｂで示す方向となるように作用する。従って、透過率や応答速度を更に向上させることができる。
【００５４】
この画素電極１７パターンは、図１１及び図１２に示すようなパターンとすることも可能である。
【００５５】
このように、画素電極１７にスリット１６を設けることにより、各ドメイン内に電界の強さが強い領域と弱い領域とを交互に、しかも周期的に配列した電界分布を発生させている。このようにスリット１６を利用した場合には、比較的高い自由度で設計を行うことが可能であり、また、画素電極１７パターンの変更のみで対応することが可能であり、製造プロセスを増加させることがなく、このためにコストアップになることもない。
【００５６】
このような電界分布は、他の方法によっても発生させることが可能である。
【００５７】
即ち、図１３に示すように、画素電極１７にスリット１６を設ける代わりに、画素電極１７上にスリット１６と同様のパターンで誘電体層４９を設けることでも対応が可能である。この場合、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ノボラック系樹脂等のように、誘電体層４９の誘電率が液晶材料の誘電率よりも低ければ、誘電体層４９の上方に電界の強さがより弱い領域を形成することができる。従って、スリット１６を形成した場合と同様の効果を得ることができる。なお、図示の場合は、放射状パターンによる配向効果が有効に作用するように、画素電極１７に設けた切欠部４７によって３つの領域に分割してある。
【００５８】
更に、画素電極１７にスリット１６を設ける代わりに、画素電極１７上に透明絶縁体層（図示せず）を介して配線（図示せず）を配置するようにしてもよい。この配線としては、例えば信号線４０、走査線３７、補助容量線３８等が利用可能であり、スリット１６と同様のパターンで配列させればよい。このような構造にすると、配線の上方に電界の強さがより強い領域を形成することができ、スリット１６を形成した場合と同様な効果を得ることができる。
【００５９】
なお、液晶表示装置が透過型である場合には、誘電体層４９及び配線の材料は、透過率の観点から透明な材料であることが好ましい。また、液晶表示装置が反射型の場合には、これら材料を透明な材料とするばかりでなく、金属材料のように不透明な材料を使用することも可能である。
【００６０】
そして、図１０に例示するように、液晶層２６中の電界の強さがより強い領域の幅Ｗ１と、電界の強さがより弱い領域の幅Ｗ２との合計幅Ｗ１＋２が２０μｍ以下であることが好ましい。この合計幅Ｗ１＋Ｗ２が２０μｍ以下であれば、液晶分子４６の配向を制御することが可能であり、十分な透過率を得ることができる。また、合計幅Ｗ１＋Ｗ２が６μｍ以上であることが好適である。この合計幅Ｗ１＋Ｗ２が６μｍ以上であれば、液晶層２６中に電界の強さがより強い領域とより弱い領域とを生じさせるための構造を、十分に高い精度で形成することが可能であり、更に液晶配向を安定に生じさせることができる。
【００６１】
なお、この合計幅Ｗ１＋Ｗ２は、画素電極１７のスリット１６に挟まれたストライプ電極部１７´の幅とスリット１６との幅との合計、画素電極１７上の誘電体層４９に挟まれたストライプ電極部１７´の幅と誘電体層４９の幅との合計、画素電極１７上に設けた配線の幅と配線に挟まれた領域の幅との合計等と略等しい。従って、これらの幅も２０μｍ以下で６μｍ以上とすることが好適である。
【００６２】
上述のように、画素電極１７を構成する４つの区画部分１７ａ〜１７ｄ間で、スリット１６の長手方向の向きを夫々異ならしめることにより、液晶分子４６のチルト方向を維持したままの状態で、そのチルト角を変化させることができる。即ち、アレイ基板２０に設けた構造のみで、１つの画素領域内に液晶分子４６のチルト方向が互いに異なる４つのドメインを形成することができる。しかも液晶分子４６の平均的なチルト方向を、スリット１６の配列方向に垂直な面内に維持したままチルト角を変化させることができるために、より速い応答速度を実現することができるとともに、配向不良が発生し難く良好な配向分割が可能となる。
【００６３】
このように、画素領域内に平面波状の電界の強さの分布を形成するとともに、その強さを変化させて、液晶層２６の光学特性を制御することによって表示を行うようにし、この制御を行う場合に、液晶層２６中の画素電極１７のストライプ電極部１７´上の部分には、スリット１６上の部分に比べてより強い電界が形成されることになる。このために、画素電極１７のストライプ電極部１７´上の部分では、スリット１６上の部分に比べて液晶分子４６はより大きく倒れることとなる。即ち、液晶層２６の画素電極１７のストライプ電極部１７´上の部分とスリット１６上の部分とでは、液晶分子４６の平均的なチルト角は互いに異なることになる。このチルト角の違いは、光学的な違いとして観察可能である。
【００６４】
このような液晶表示装置を、次のように構成して、その効果を確認した。
【００６５】
即ち、ＴＦＴ１２形成プロセスと同様に、成膜とパターニングとを繰返して、基板１１上に走査線３７及び信号線４０等の配線並びにＴＦＴ１２を形成する。このＴＦＴ１２を覆うようにしてカラーフィルタ層１３を形成し、更にこのカラーフィルタ層１３上に所定のパターンのマスクを介してＩＴＯをスパッタリング形成する。このＩＴＯ膜上にレジストパターンを形成した後に、このレジストパターンをマスクとして用いてＩＴＯ膜の露出部をエッチングすることにより、図１１に示すようなストライプ電極部１７´とスリット１６からなる電極パターンを有する画素電極１７を形成する。この各画素電極１７に形成した各ストライプ電極１７´幅とスリット１６幅とは、いずれも５μｍとなるように設定している。
【００６６】
その後、この画素電極１７を形成した面の全面に熱硬化性樹脂を塗布して、この塗膜を焼成することにより、垂直配向性を示す厚さ７０ｎｍの配向膜１９を形成して、アレイ基板２０を形成した。
【００６７】
一方の対向基板２１は、基板２２の主面上にＩＴＯをスパッタリング法を用いてＩＴＯ膜を形成し、これを共通電極２３として構成する。更に、この共通電極２３の全面に熱硬化性樹脂を塗布して、この塗膜を焼成することにより、垂直配向性を示す厚さ７０ｎｍの配向膜２４を形成して、対向基板２１を構成している。
【００６８】
次いで、アレイ基板２０と対向基板２１とを画素電極１７及び共通電極２３とが互いに対向するように、アライメントマーク等を利用する高精度な位置合せを行うことなく、単に両基板２０，２１の端面位置を揃えることによって位置合せを行い、この対向面周縁部を液晶材料を注入するための注入口を残してシール材２５により貼着させて液晶パネル２７を形成した。この液晶パネル２７のセルギャップは、高さ４μｍのスペーサ１５を両基板２０，２１間に介在させることにより、一定に維持するようにしている。
【００６９】
この液晶パネル２７中に誘電率異方性が負である液晶材料を注入して液晶層２６を形成し、液晶材料の注入後に注入口を紫外線硬化樹脂によって封止し、更に液晶パネル２７の両面に偏光板２８を貼付して液晶表示装置を構成した。この液晶表示装置の表示特性としては、表１の実施品１として示すような結果が得られ、良好な液晶表示装置を得ることができた。
【００７０】
更に、上記と同様にして、図１２に示すパターンで、画素電極１７のストライプ電極部１７´の幅、及びスリット１６の幅を、画素開口率を考慮して夫々４μｍに設定した液晶表示装置を構成したところ、表１の実施品２として示すような表示特性が得られた。
【００７１】
更に、上記と同様な方法にて、図１３に示すパターンの画素電極１７にスリット１６を設けるとともに、画素電極１７のストライプ電極部１７´上に誘電体層４９を形成し、この誘電体層を液晶層２６中の誘電体層の上方に位置する領域での電場の強さが十分に弱められるように１．４μｍの膜厚に設定するとともに、切欠部４７によって３つの領域に分割形成した画素電極１７を使用して液晶表示装置を構成した。この液晶表示装置においても表１の実施品３として示すような表示特性が得られた。
【００７２】
また、上記と同様な方法にて、図８（ａ）に示すような切欠部４７によって２つの領域４８ａ，４８ｂに分割し、この領域４８ａ、４８ｂに夫々異なる方向に回転する配向のパターンを使用して液晶表示装置を構成した。この液晶表示装置においても表１の実施品４として示すような表示特性が得られた。
【００７３】
更に、上記と同様な方法にて、図９（ａ）に示すような２つの領域４８ａ，４８ｂを有し、隣接する画素電極１７−１，１７−２の対応する領域４８ａ，４８ｂで夫々異なる方向に回転する配向のパターンを使用して液晶表示装置を構成した。この液晶表示装置においても表１の実施品５として示すような表示特性が得られた。
【表１】

なお、表１の視野角は、左右±４０°での白の色変化Δｕ′ｖ′を基に測定したものである。
【００７４】
この表１からも解るように、本発明に係る液晶表示装置によれば、アレイ基板２０及び対向基板２１を貼着する際に、高精度な位置合せを行っていないにもかかわらず、実施品１乃至３では、安定したドメイン分割による広い視野角特性と画素合せずれ等の光透過率低下要因の少ない液晶表示装置を得ることができ、しかもＴＦＴ１２製造プロセスの工程を変更することなく実施が可能で、コスト及び生産性へのインパクトを最小限に抑えることが可能である。
【００７５】
更に、実施品４及び５においては、高い光透過率と安定な応答時間を確保しつつ視野角が大幅に改善されており、特に実施品５においては、視野角の改善は一層顕著なものとなっている。
【００７６】
なお、本発明は、上述した実施の形態にとらわれることなく種々の変更が可能であり、例えば、液晶層２６中の電界の強さがより強い領域及びより弱い領域の双方を上下方向に対して対称として応答速度等の点で有利な構成としたが、これを上下方向に関して非対称となるような構成としてもよい。
【００７７】
また、誘電率異方性が負のネマチック液晶を垂直配向させたＶＡＮモードを採用したが、誘電率異方性が正のネマチック液晶を用いることも可能で、特に高いコントラストが望まれる場合には、ＶＡＮモードを採用し、且つノーマリブラックとすることにより、例えば４００：１以上の高いコントラストと高透過率設計による明るい画面設計とすることが可能となる。
【００７８】
更に、見掛け上、液晶の光学応答を早めるために、偏光フィルムの光透過容易軸あるいは光吸収軸と電界の強い領域と弱い領域との配列方向とがなす角度を４５°から所定の角度θだけずらせてもよい。この角度θは、視野角等に応じて設定することもできるが、応答時間を短縮するには２２．５°とすることが最も効果的である。
【００７９】
また、画素電極１７を構成する各区画部分１７ａ〜１７ｄの形状には特に制限はなく、例えば矩形や扇型とすることが可能であるばかりでなく、また、電圧の印加時に、液晶層２６中に電場の強さが強い領域と弱い領域とを生じさせる構造をアレイ基板２０側にのみ設けることで、アレイ基板２０と対向基板２１とを貼り合せて液晶パネル２７を形成する際に、アライメントマーク等を利用した高精度な位置合せを不要としているが、この電場の強弱を発生させる構成を、アレイ基板２０及び対向基板２１の双方に設けるように構成してもよく、カラーフィルタ層１３を対向基板２１側に配設することも可能である。
【００８０】
また、スペーサ１５は、単層型として構成することも可能で、この場合には、画素電極１７上に、感光性アクリル性透明樹脂をスピンナー塗布して９０℃で１０分間乾燥させた後に、単層型スペーサ用のパターンを有するフォトマスクを介して、３６５ｎｍの波長で１００ｍＪ／ｃｍ^２の強度の紫外線を照射して露光し、その後にｐＨ１１．５のアルカリ水溶液にて現像し、２００℃で６０分間の焼成を行うことによって、単層型スペーサ１５を形成することができる。更に、この単層型スペーサ１５を、額縁材を用いて額縁部１８をフォトリソグラフィ法によって形成する際に、単層型スペーサ１５も併せて作り込むことによって、額縁材をそのまま利用して形成すれば、製造工程の削減を図ることができる。また、ビーズ状のスペーサ１５の使用も可能である。更にＴＦＴ１２やその他の構成、形状、大きさ及び材質等は、これに限定されることなく適宜設計し得ることは言うまでもない。
【００８１】
【発明の効果】
以上述べてきたように本発明によれば、電場の強い領域と弱い領域とを画素電極にて形成し、これら電場の強弱の領域によって液晶分子の配向を制御するようにし、これら領域の形成はアレイ基板側に設けることが可能であり、このように構成した場合には、アレイ基板と対向基板とを貼り合せる際の高精度な位置合せを必要とすることなく達成できるとともに、高い光透過率と安定な応答時間を確保することができ、更に視野角を大幅に改善することが可能な液晶表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液晶表示装置及び画素電極パターンを示す断面及び平面図。
【図２】本発明に係る液晶表示装置を構成するアレイ基板の構成を示す断面図。
【図３】同じく本発明に係る液晶表示装置の回路構成を示す回路図。
【図４】同じく本発明に係る液晶表示装置を構成する画素電極構成を示す説明図。
【図５】同じく液晶分子の配向状態を説明するための説明図。
【図６】同じく画素電極の配向方向を説明するための説明図。
【図７】同じく異なる画素電極の配向方向を説明するための説明図。
【図８】同じく画素電極のパターン配置と液晶分子の配向状態を説明するための説明図。
【図９】同じく複数の画素電極のパターン配置と液晶分子の配向状態を説明するための説明図。
【図１０】同じく画素電極の他の構成を示す平面図。
【図１１】同じく画素電極の他のパターン配置を示す平面図。
【図１２】同じく画素電極の更に他のパターン配置を示す平面図。
【図１３】同じく画素電極の別のパターン配置を示す平面図。
【図１４】従来の液晶表示装置を示す断面図。
【符号の説明】
１１，２２：基板
１６：スリット
１７：画素電極
１７´：ストライプ電極部
１７ａ〜１７ｄ：区画部分
２０：アレイ基板
２１：対向基板
２３：共通電極
２６：液晶層
４６：液晶分子
４７：切欠部
４８：領域
４９：誘電体層

Claims

基板の主面上に配置された画素電極を有するアレイ基板と、
このアレイ基板の前記主面に対向して配置された共通電極を有する対向基板と、
この対向基板と前記アレイ基板との間に挟持された液晶層とを備えた液晶表示装置において、
前記画素電極と共通電極とに挟まれた画素領域内に前記少なくとも一方の電極の一画素電極を４区画部分以上の画素部分から構成し、この区画部分を前記画素電極の中心を通り当該区画部分を等分に区分する中心線に沿うように延在するストライプ電極部とスリットとを交互に繰返し配列させ且つ前記中心線に対して非対称となるパターンで構成し、このパターン構成を隣接する区画部分毎に順次所定の角度で回転移動させた同一パターン構成とすることにより、各区画部分の配向方向が夫々中心点方向から同方向側に順次ずれた方向で、その配向方向が異なる異方性を有するように互いに直交する方向に設定されていることを特徴とする液晶表示装置。
前記区画部分の隣接する区画部分の配向方向が夫々右及び左回りとなるように設定されている画素を複数有し、これら隣接する画素同士の配向方向を同じまたは反対方向に設定されたことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
前記ストライプ電極部とスリットの領域の幅を夫々Ｗ１、Ｗ２としたときに、６μｍ≦Ｗ１＋Ｗ２≦２０μｍに設定したことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。