(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の突起物や電極の開口部を形成することなく、高コントラストや高速応答に対応するマルチドメイン型垂直配向液晶ディスプレイを実現する。【解決手段】液晶ディスプレイを構成する２枚の基板１、２のうち一方の基板２上の各画素内の少なくとも１箇所において、液晶に電圧が印加される際に、一定領域Ｓの液晶にかかる電位を他の領域の液晶にかかる電位と異ならしめることにより、少なくとも２方向以上の異なる電位傾斜を生じるための絶縁膜１１を設けることによって、マルチドメイン化を達成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブマトリックス型マルチドメイン化垂直配向液晶ディスプレイにおける２枚の基板の一方の基板上の各画素内の少なくとも１箇所において、液晶に電圧が印加される際に、一定領域の液晶にかかる電位を他の領域の液晶にかかる電位と異ならしめることにより、少なくとも２方向以上の異なる電位傾斜が生じるための絶縁膜領域が設けられていることを特徴とする液晶ディスプレイ。
【請求項２】
前記絶縁膜領域は、カラーフィルターと対向する基板上の一定領域に形成れる絶縁膜と前記絶縁膜上に形成される第２の画素電極（金属アイランド）で構成され、前記絶縁膜の誘電率は液晶分子の誘電率に比較して極めて大きいか又は小さいことを特徴とする請求項１に記載の液晶ディスプレイ。
【請求項３】
前記絶縁膜領域は、カラーフィルターと対向する基板上の主画素電極に孔が形成され、前記孔と前記孔の両端部に隣接する前記主画素電極の一部を覆う絶縁膜が形成され、前記絶縁膜上に前記絶縁膜と同じ幅の第２の画素電極（金属アイランド）が形成され、前記第２の画素電極（金属アイランド）は前記主画素電極に対して前記絶縁膜を介して電気的にフローティングである構造であることを特徴とする請求項１に記載の液晶ディスプレイ。
【請求項４】
前記絶縁膜領域は、カラーフィルターと対向する基板上に第２の画素電極（第２金属アイランド）が形成され、前記第２の画素電極（第２金属アイランド）及び前記基板を覆う絶縁膜が形成され、前記絶縁膜上には主画素電極が形成されており、前記主画素電極は、前記第２の画素電極（第２金属アイランド）の上部において、２つの絶縁膜を介して前記第２の画素電極のほぼ中央直上に位置する第１金属アイランドと他の主画素電極に分断されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶ディスプレイ。
【請求項５】
前記絶縁膜領域は、カラーフィルターと対向する基板上の画素電極に孔が形成され、前記孔及び前記孔に隣接する前記画素電極の両端部が絶縁膜で覆われた構造を有することを特徴とする請求項１に記載の液晶ディスプレイ。
【請求項６】
第２の画素電極が、ＴＦＴを構成する電極のいずれかと同材料及び同層である請求項２又は３に記載の液晶ディスプレイ。
【請求項７】
主画素電極がＴＦＴ又は画素を構成する電極と同材料及び同層であり、第２の画素電極がＴＦＴ又は画素を構成する他の電極と同材料及び同層である請求項４に記載の液晶ディスプレイ。
【請求項８】
絶縁膜がＴＦＴを構成する絶縁膜と同材料及び同層である請求項１ないし７のいずれかに記載の液晶ディスプレイ。
【請求項９】
絶縁膜が画素電極とＴＦＴのドレイン又はソース電極間の絶縁膜と同材料及び同層である請求項１ないし７のいずれかに記載の液晶ディスプレイ。
【請求項１０】
前記絶縁膜領域及び主画素電極領域を含むカラーフィルターと対向する基板の内側の最表面に配向膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか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】
本発明は、マルチドメイン液晶ディスプレイに関し、特に、コントラスト比が高く応答速度が速いマルチドメイン液晶ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置は、現在、ＣＲＴに匹敵する画像を提供するフラットパネルディスプレイとして、パソコン、テレビ、携帯電話の画面、各種ＯＡ機器などに使用されており、一層の市場の拡大が期待されている。
【０００３】
液晶表示装置は、一般に、２枚の基板間に液晶を注入し、ここに加える電場の強さを調節して光透過量を調節する構造からなる。液晶表示装置のうち、垂直配向捩れネマチック（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ：ＶＡ）方式の液晶表示装置は、内側面に透明電極が形成されており外側面には偏光板が付着されている一対の透明基板を有する。２枚の透明基板の間には、誘電率異方性が負である液晶物質が充填されており、電極に電圧が印加されると基板に対して垂直な方向に電場が生成され、液晶分子の長軸が電場に対して垂直な方向に傾き、不斉分子のため一定のピッチで螺旋状に捩れる。
【０００４】
ＶＡ方式の液晶表示画面は、電圧無印加時も配向膜近傍の液晶分子がほぼ垂直なためＴＮ方式より格段にコントラストが高く、視野角性に優れているが、斜めから見たときのコントラストの低下、表示反転等の視野角特性が狭いという欠点があった。このようなＶＡ方式における欠点を改善するために液晶分子の配向方向を画素内で複数の異なる方向に分割するマルチドメイン化技術が開発されている。
【０００５】
マルチドメイン化技術としては、電圧無印加時において垂直に配列された液晶分子の長軸は、電圧印加に伴って倒れるが、倒れの方向はランダムであって互いに任意の方向に倒れようとして統制が取れず、均一な光学特性を得られず長時間の応答特性を呈する。このため液晶分子の電圧印加の初期における運動の方向を規制し応答時間の改善を図るべく、さまざまな工夫がなされてきた。たとえば、下記特許文献１では、基板上の各画素領域に対応して、傾斜した側面を有する凸部（突起）を形成することにより、液晶層に電圧が印加されると、凸部の傾斜面の影響を受けて液晶分子が倒れることを利用してマルチドメイン化を達成している。また、下記特許文献２においては、対向電極の画素電極の中央に向き合う部分に開口部を設けることにより、画素中央部に電界が傾斜した部分を生じさせ、液晶分子の配向方向を２方向又は４方向に分割することが提案されている。
【０００６】
しかしながら、凸部を設ける方法においては、画素電極に電圧がかからない状態においても、突起物の周辺の液晶分子が傾いてしまっており、これによって画面が本来黒状態において光漏れが生じ、コントラストを低下する原因となっている。また、電位が印加された際の凸部周辺の液晶分子の傾きがなだらかなものとなり応答速度の低下の原因になっている。さらに、凸部の幅、高さ、傾斜面の角度を精密にコントロールしないと、液晶分子のたおれかたにバラツキが生じてしまい、中間調領域でムラが発生するため、凸部の形成工程が複雑となりコスト高となるという欠点を有している。また、画素電極に開口部を設ける方法では、電極のない部分に電圧の印加がないため、黒表示から中間調表示または白表示から中間表示に移るときの液晶の応答速度が低くなり、駆動電圧及び消費電力の増加を招くという欠点を有していた。
【特許文献１】特開２００３−１６７２５３号公報
【特許文献２】特開平６−３０１０３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、マルチドメイン型液晶ディスプレイにおける上記の問題点を解決するために、突起物や電極の開口部を形成することなくマルチドメイン化を達成することにより、コントラスト及び応答速度が高く、消費電力が低く、視野角の広い液晶ディスプレイ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、アクティブマトリックス型マルチドメイン化垂直配向液晶ディスプレイにおいて、基板上の各画素内の一定の領域において、液晶に電圧が印加される際に少なくとも２方向以上の異なる電位傾斜が生じるための絶縁膜領域を設けることによって、突起物や電極の欠落部を形成することなくマルチドメイン化を図るものである。この絶縁膜領域は、いわば、液層層との直列の静電容量を形成し、例えば、絶縁膜領域にかかる電圧を大きくすれば、絶縁膜領域直上の液晶層にかかる電圧はその分低くなり、絶縁膜領域以外の液晶層の電圧より相対的に低くなり、ここに電位傾斜が生じる。本発明は、このように形成される電位傾斜を利用して、マルチドメイン化を達成しようとするものである。
【０００９】
本発明の基本構造の第１の態様は、内側に透明画素電極を有する２枚基板の一方の基板上の各画素内の少なくとも１箇所の一定領域において、絶縁膜とその絶縁膜上に形成される第２画素電極（金属アイランド）で構成される絶縁膜領域が形成され、前記絶縁膜の誘電率は液晶分子の誘電率に比較して極めて大きいか又は小さいことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の第１の態様は、このように絶縁膜の誘電率が液晶分子の誘電率より極端に小さいか又は大きい材料を用いることによって、絶縁膜領域にかかる電位をコントロールし、絶縁膜領域直上の液晶層にかかる電圧を、絶縁膜領域以外の液晶層の電圧より相対的に低くするか又は高くし、電位傾斜を形成するものである。
【００１１】
次に、本発明の第２〜４の態様は、上記第１の態様のように、絶縁膜として液晶分子の誘電率より極端に小さいか又は大きい材料を使用しなくても、絶縁膜領域の構造に工夫を加えることによって、絶縁膜に液晶分子の誘電率より極端に小さい誘電率を有する材料を採用したと同様の効果を得ようとするものである。
【００１２】
本発明の第２の態様は、少なくとも２方向以上の異なる電位傾斜が生じるための絶縁膜領域として、カラーフィルターと対向する基板上の主画素電極に孔が形成され、前記孔と前記孔の両端部に隣接する前記主画素電極の一部を覆う絶縁膜が形成され、前記絶縁膜上に前記絶縁膜と同じ幅の第２の画素電極（金属アイランド）が形成され、前記第２の画素電極（金属アイランド）は前記主画素電極に対して前記絶縁膜を介して電気的にフローティングである構造を採用する。このような構造をとることによって、液晶層に電圧が印加された際に本発明の第１の態様と同様に絶縁膜領域周辺に電位傾斜を形成することができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、少なくとも２方向以上の異なる電位傾斜が生じるための絶縁膜領域として、カラーフィルターと対向する基板上に第２の画素電極（第２金属アイランド）が形成され、前記第２の画素電極（第２金属アイランド）及び前記基板を覆う絶縁膜が形成され、前記絶縁膜上には主画素電極が形成されており、前記主画素電極は、前記第２の画素電極（第２金属アイランド）の上部において、２つの絶縁膜を介して前記第２の画素電極のほぼ中央直上に位置する第１金属アイランドと他の主画素電極に分断されている構造を有する。
【００１４】
本発明の第４の態様は、カラーフィルターと対向する基板上の画素電極に幅Ｅの孔が形成され、前記孔上の前記孔及び前記穴に隣接する前記画素の両端部が絶縁膜で覆われた構造を有する。
【００１５】
本発明の第２、３及び４の態様で使用される絶縁膜は、基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する際の絶縁膜と同じ材料によって同一のリソグラフィー工程によって形成することができるので、製造工程が複雑化することなくコストを抑えることができる。使用される絶縁材料の誘電率は、液晶分子の誘電率と同じかそれより低いものを選定する。好ましい絶縁膜材料としては、二酸化ケイ素及び窒化珪素が挙げられる。
【００１６】
本発明に使用される主画素電極、第二画素電極（金属アイランド）の材料としては、反射特性を有する金属であり、絶縁膜同様ＴＦＴ形成過程で同時に形成することが好ましいので、ＴＦＴを構成する金属と同じ金属材料であることが好ましい。例えば、ＴＦＴとその周辺の画素の構造は、図５に示される。図５は、ゲート電極の図を省略されたＴＦＴとその周辺からなる１つの画素電極の構造であって、ドレイン電極５３が下層にあり画素電極５１が上層にあるような多層構造を有している一般的な広開口率仕様の液晶画素の部分構造図である。このような構造を例として、一般的に金属膜が多層化された画素を有する場合には、これらの多層の金属のいずれかや間隙の絶縁膜等をそのまま利用して、本発明を実現することも出来る。例として、図３に示す第３の態様と、図５に示す画素構成の、各電極の相互の対応について示す。図３の第２の画素電極３３が、図５のドレイン電極５３の層位置に対応し、そこに用いられていたものと同材料で構成され、図３の主電極４及び第１の電極３１が、図５の画素電極５１の層位置に対応させ、そこに用いられていたと同材料であるような場合であり、さらにそれらの多層の金属間にある絶縁膜について、図３についての絶縁材料３１、３２と、図５における絶縁層５５についても、同一層、同一材料として対応させることができる。第１、第２の態様についても、層構成や金属膜や絶縁膜材料について、同様の対応を図ることができる。このような対応は、ＴＦＴがボトムゲート構造であっても、トップゲート構造であっても、多層膜構成をとる限りは同様であるので、双方のゲートの構成については触れていない。ただし、このようなゲート配線層やその絶縁膜層についても、同様に多層化が必然であるので、それらをより最適化して使用できることは言うまでもない。典型的には、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）が使用される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の絶縁膜領域の形成によれば、突起物や電極の開口部を形成することなく、電位傾斜の違いによってマルチドメイン化を達成することができるので、コントラスト及び応答速度が高く、消費電力が低く、視野角の広い液晶ディスプレイ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施態様の作動原理を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１の態様の絶縁膜領域の構造を示す断面図である。ガラス基板２及び３を有し、ガラス基板３の内面には、順に、カラーフィルター１、画素電極５及び配向膜６が積層されている。カラーフィルター１と対向する基板２の内側には主画素電極４が配置されているが、画素内の一定領域において幅Ｓの絶縁膜１１が主画素電極４上に形成され、さらに前記絶縁膜１１上に第２画素電極（金属アイランド）１２が形成されている。ここで、前記絶縁膜の誘電率εiは、液晶分子の誘電率εcより極端に小さいものとすると、この絶縁膜領域で形成される静電容量Ｃiは、Ｃi＝εi・Ｓc（Ｓ）／ｄi（ただしＳc（Ｓ）は幅Ｓを関数とする第２の画素電極の面積、ｄiは絶縁膜の厚さ）となる。仮に、この絶縁膜直上においてこのような絶縁膜や第２の画素電極もなく通常通り液晶材料で満たされていたとすれば、第２の画素電極位置には仮想的に第２の画素電極と同じ電極が浮かんでいる状態を想定することができ、この仮想部分の液晶層の部分的な静電容量Ｃcは、Ｃc＝εc・Ｓc（Ｓ）／ｄiとなる。また、ＣiとＣcは画素電極間において、直列配列とみなすことができるが、直列のコンデンサーにかかる電圧は静電容量に反比例する。画素電極間に電圧Ｖが印加されると、絶縁膜の誘電率εiと液晶の誘電率εcが大きく異なれば、Ｃiが液晶層の静電容量Ｃcと大きく異なるため、絶縁膜直上の液晶層にかかる電圧Ｖｃは、Ｖから絶縁膜領域にかかる電圧Ｖｉを引いた、Ｖ−Ｖｉとなるが、Ｖｉが減少すると、絶縁膜領域の液晶層の厚みが他の領域の液晶層よりも薄いにもかかわらず、他の領域の液晶層にかかる電圧Ｖに等しくなるように近づくことになり、Ｖｉが増加する場合には、たとえ絶縁膜上の液晶層が比較的薄くなっても、他の領域の液晶層にかかる電圧に比較して、液晶層の厚みの減少比率以上の比率でより小さくなる。このようにして、絶縁膜直上の液晶層にかかる電圧Ｖｃと他の領域の液晶層にかかる電圧Ｖとの間に変動が生じ、これによって絶縁膜領域周辺において電位傾斜が生じることになる。本発明は、このようにして生じる電位傾斜を利用して、液晶分子の傾き方向を絶縁膜周辺の領域によって異ならしめ、マルチドメイン化を達成するものである。
【００２０】
この際、図１は、画素に十分に電圧がかけられたときの液晶分子の配列方向の一例を示すが、ここに見られるように、ほとんどすべての液晶分子は基板に対して水平となり、絶縁膜領域全域で液晶分子が傾くことはなく、液晶分子が傾いている領域は絶縁膜領域の周辺に限られる。このように絶縁膜周辺のみにおける分子の配列の特異性は、電圧が印加されずにすべての分子が直立している状態から、わずかに電圧が印加されて、すべての液晶分子が傾斜を始める時点から発現し、そうして液晶分子傾斜の方向が初期化的に規制され、切り替え速度（応答速度）を速めることができる。また、電圧無印加時においては、突起などの影響による液晶分子の傾きもなく、このためコントラストを高めることができる。また、電極に欠落部が無いので、比較的消費電力の増加も少ない。また、このような電位傾斜は、絶縁膜εi、絶縁膜の厚さｄi及び面積Ｓを適宜選択することによって、絶縁膜領域の周囲における電位傾斜を最適化することができる。
【００２１】
図２は、本発明の第２の態様の絶縁膜領域の構造を示す断面図である。ガラス基板２及び３を有し、ガラス基板３の内面には、順に、カラーフィルター１、画素電極５及配向膜６が積層されている。カラーフィルター１と対向する基板２の内側には主画素電極４が配置されているが、画素内のある領域においては主画素電極４に幅Ｈの孔２３が形成されている。また前記孔２３と前記孔の両端部に隣接する前記主画素電極の一部２４（幅ｈ）を覆う幅Ｈ＋２ｈの絶縁膜２１が形成され、前記絶縁膜２１上には前記絶縁膜と同じ幅Ｈ＋２ｈの第２の画素電極（金属アイランド）２２が形成されている。ここで、主画素電極４と第２画素電極９が対抗する部分２４（幅ｈ）が生じている。第２の画素電極（金属アイランド）２２は前記主画素電極４に対して前記絶縁膜２１を介して電気的にフローティングである構造となっている。
【００２２】
このような構造を採用することにより、金属アイランド２２直上の液晶領域にかかる電圧と他の領域における液晶にかかる電圧に差が生じることによって絶縁膜領域の周囲で電位傾斜が生じ、液晶分子の傾き方向が異なる領域が生じマルチドメイン化を達成することができる。この際、主画素電極４と金属アイランド２２の重なり部分２４（幅ｈ）と主画素電極が欠落した部分である孔２３（幅Ｈ）の面積比及び絶縁膜の誘電率を適宜選択することによって、絶縁膜領域の周囲における電位傾斜を最適化することができる。
【００２３】
この際、図２に見られるように、電圧が印加されたときの絶縁膜領域直上の液晶分子は基板に対して水平となり、絶縁膜領域全域で液晶分子が傾くことはなく、液晶分子が傾いている領域は絶縁膜領域の周辺に限られるため、切り替え速度（応答速度）を速めることができる。また、電圧無印加時においては、突起などの影響による液晶分子の傾きもなく、このためコントラストを高めることができる。また、電極に欠落部が無いので、消費電力の増加は比較的少ない。
【００２４】
図３は、本発明の第３の態様の絶縁膜領域の構造を示す断面図である。ガラス基板２及び３を有し、ガラス基板３の内面には、順に、カラーフィルター１、画素電極５及び配向膜１６が積層されている。カラーフィルター１と対向する基板２上に幅Ｄ＋２ｄ＋２ｅの第２の画素電極（第２金属アイランド）３３が形成され、前記第２の画素電極（第２金属アイランド）３３及び前記基板２を覆う絶縁膜３２が形成され、前記絶縁膜３２上には主画素電極４が形成されており、前記主画素電極４は、前記第２の画素電極（第２金属アイランド）３３の上部において、幅Ｄの第１金属アイランド３１と他の主画素電極４に分断されている構造を有している。
【００２５】
このような構造を採用することにより、金属アイランド３１上面の液晶領域の電界分布とそれ以外の部分、すなわち電極４の上面の液晶領域における電界分布に差異が生じ、電圧が印化された際に金属アイランド３１の周囲で電位傾斜が生じ、マルチドメイン化を達成することができる。この際、主画素電極４と第２の金属アイランド３３の重なり部分３５（幅ｄ）と主画素電極が欠落した部分である孔３４（幅Ｄ）の面積比及び絶縁膜３２の誘電率を適宜選択することによって、上述した静電容量のギャップを調整し、絶縁膜領域の周囲における電位傾斜を最適化することができる。
【００２６】
この際、図３に見られるように、電圧が印加されたときの第１の金属アイランド直上の液晶分子は水平となり、絶縁膜領域全域で液晶分子が傾くことはなく、液晶分子が傾いている領域は第１の金属アイランドの周辺に限られる。このように絶縁膜周辺のみにおける分子の配列の特異性は、電圧が印加されずにすべての分子が直立している状態から、わずかに電圧が印加されて、すべての液晶分子が傾斜を始める時点から発現し、そうして液晶分子傾斜の方向が初期化的に規制され、切り替え速度（応答速度）を速めることができる。また、電圧無印加時においては、突起などの影響による液晶分子の傾きもなく、このためコントラストを高めることができる。また、電極に欠落部が無いので、消費電力が増加することもない。
【００２７】
図４は、本発明の第４の態様の絶縁膜領域の構造を示す断面図である。カラーフィルター１と対向する基板２上の画素電極４に幅Ｅの孔４２が形成され、前記孔３２上の前記孔及び前記穴に隣接する前記画素の両端部４３が幅Ｅ＋２ｅの絶縁膜４１で覆われた構造を有している。
【００２８】
このような構造を採用することにより、孔４２の上部の液晶領域の電位差、主画素電極４と絶縁膜４１の重なる部分４３の上部の液晶領域の電位差及びその他の主画素部分の上部の液晶領域の電位差にギャップが生じ、電圧が印化された際に絶縁領域の周囲で電位傾斜が生じ、マルチドメイン化を達成することができる。この際、孔４２（幅Ｅ）と主画素電極４と絶縁膜４１の重なる部分の面積比と、絶縁膜４１の誘電率を適宜選択することによって、絶縁膜領域の周囲における電位傾斜を最適化することができる。
【００２９】
上記構造においても、電圧無印加時においては、突起などの影響による液晶分子の傾きもなく、このためコントラストを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の態様の絶縁膜領域の構造を示す断面図を示す。
【図２】本発明の第２の態様の絶縁膜領域の構造を示す断面図を示す。
【図３】本発明の第３の態様の絶縁膜領域の構造を示す断面図を示す。
【図４】本発明の第４の態様の絶縁膜領域の構造を示す断面図を示す。
【図５】ＴＦＴとその周辺の画素構造を示す。
【符号の説明】
【００３１】
１  カラーフィルター
２  ガラス基板
３  ガラス基板
４  主画素電極
５  画素電極
６  配向膜
１１  絶縁膜
１２  第２画素電極（金属アイランド）
２１  絶縁膜
２２  第２画素電極（金属アイランド）
２３  孔（幅Ｈ）
２４  主画素電極と第２画素電極が重複する部分（幅ｈ）
３１  第１金属アイランド
３２  絶縁膜
３３  第２画素電極（第２金属アイランド）
３４  第１金属アイランドの幅（Ｄ）
３５  第２金属アイランドと主画素が重複する部分（幅ｄ）
３６  主画素電極を第１金属アイランドと分離する絶縁膜の幅（ｅ）
４１  絶縁膜
４２  孔（幅Ｅ）
４３  絶縁膜と主画素電極が重複する部分（幅ｅ）
５１  画素電極
５２  ＴＦＴ
５３  ドレイン電極
５４  データ線
５５  絶縁層
５６  基板
【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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