(57)【要約】【課題】マルチドメイン型ＶＡＮモードを採用したカラー液晶表示装置においては、画素電極を有するアレイ基板と共通電極とを有する対向基板とを、アライメントマーク等を用いて高精度な位置合せを必要としていたが、これらの不都合を解消して簡単な位置合せのみで構成することが可能な液晶表示装置を提供する。【解決手段】アレイ基板２０上に電場の強い領域と弱い領域とを交互に形成するようにスリット１６や誘電体層によってパターニングされた画素電極１７を形成し、この電場の強い領域と弱い領域での液晶層２６の厚さを、夫々の領域で異ならせるように構成する。【選択図】　図１
2004004314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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誘電率異方性が負の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電場の強い領域と弱い領域とを交互に繰返し配列し、これら領域の前記液晶層の厚さを夫々異なるように設定したことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記電場の強い領域と弱い領域との液晶層の厚さを夫々Ｔａ，Ｔｂとしたときに、Ｔａ＜Ｔｂの関係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。
【請求項３】
前記電場の強い領域と弱い領域との液晶層の厚さを夫々Ｔａ，Ｔｂとしたときに、Ｔａ＜Ｔｂの関係に設定し、かつ前記画素電極に電圧を印加した際に前記各領域の表示輝度が略等しくなるように設定したことを特徴とする請求項２記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記画素電極の厚みによって、前記各領域の液晶層の厚さを変えたことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
【請求項５】
前記画素電極の下に配置される絶縁層の厚みによって、前記各領域の液晶層の厚さを変えたことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
【請求項６】
前記電場の強弱の領域は、前記画素電極にスリットを設けて形成していることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、この領域の液晶層の厚さを夫々異ならせることによって、白色表示状態においても十分な表示輝度を確保することが可能な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１５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】
しかしながら、従来はマルチドメイン型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た。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ず、更に、透過率及び応答時間のより一層の改善が要望されている。
【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、この領域の液晶層の厚さを異ならせることによって、これらの不都合を解消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誘電率異方性が負の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電場の強い領域と弱い領域とを交互に繰返し配列し、これら領域の液晶層の厚さを夫々異なるように設定している。
【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、更にこの領域の液晶層の厚さを異ならせて、白色表示の際の表示輝度の改善を可能としている。
【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（ａ）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／ｃｍ２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（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）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、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、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。
【００２２】
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が付与されている。
【００２３】
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。
【００２４】
ここで、画素電極１７には、図１（ｂ）に示すように、スリット１６が形成されているために、画素電極１７と対向基板２１の共通電極２３との間の液晶層２６の厚さＴａと、スリット１６底面、即ちカラーフィルタ層１３との間の液晶層２６の厚さＴｂとは、その厚さが異なるように、Ｔａ＜Ｔｂの関係に設定されている。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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上には、配向膜１９が設けられている。なお、図示していないので、その詳細な説明は省略しているが、青色着色層１３Ｂについても同様に形成されている。
【００３０】
一方、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。
【００３１】
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ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
従って、画素電極１７を構成する４つの部分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。
【００４７】
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。
【００４８】
しかしながら、このような構成の液晶表示装置においても、白色表示状態においては、第１の領域の輝度及び透過率が第２の領域の輝度及び透過率よりも低くなり、十分な表示輝度が得られておらず、更に改善を要している。
【００４９】
そこで、図６（ａ）に示すように、画素電極１７の電極部１７´とスリット１６とを交互に配設したパターンにおいて、図６（ｂ）に示すように、電極部１７´上の液晶層２６の厚みをＴａとし、スリット１６上の液晶層２６の厚みをＴｂとしたときに、Ｔａ＜Ｔｂの関係となるように設定した。即ち、電場の強い領域▲１▼に対しては液晶層２６の厚さをＴａに、電場の弱い領域▲２▼に対しては液晶層２６の厚さをＴｂに設定している。
【００５０】
仮に、このように液晶層２６の厚みを異ならせずに、全ての厚みを略一定に形成して電圧を印加して白色表示を行った場合には、第２の領域では実効的なΔｎｄが減少するため、各赤、緑、青のカラー画素の透過率は、図７に示す×印の位置に相当することになる。なお、図中曲線Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青の透過率を表している。このように第２の領域（図中×印）における透過率は、第１の領域（図中○印）における透過率よりも低いために、全体としての透過率は低下している。
【００５１】
更に、図８に示すように、第２の領域、換言すれば、スリット１６部分（図中曲線ｂ）では、第１の領域（図中曲線ａ）の液晶分子４６のチルト挙動に応じて変化するために、第１の領域よりも応答特性が悪く、トータル（図中曲線ｃ）では緩やかなカーブを描くようになっている。
【００５２】
これに対して第１及び第２の領域における液晶層２６の厚さを一定とせずに、夫々の領域における液晶層２６の厚さが異なるように、即ち、第２の領域の液晶層２６の厚さＴｂを、第１の領域の液晶層２６の厚さＴａよりも厚く、Ｔａ＜Ｔｂの関係となるように設定すると、第２の領域の実効的なΔｎｄが第１の領域のΔｎｄと等しくなり、図９に示すように、第２の領域（図中×印）の透過率を第１の領域（図中○印）の透過率と同等に設定することが可能となる。例えば、第１の領域の液晶層２６の厚さをｄとし、これに液晶材料の屈折率異方性Δｎを乗じた値Δｎｄ（Ｔａ）を２９０ｎｍに設定し、第２の領域のΔｎｄ（Ｔｂ）が３１０ｎｍとなるように設定することで、第２の領域の液晶層２６の厚さＴｂを第１の領域の厚さＴａに比較して２５０ｎｍだけ厚くなるように構成している。この２５０ｎｍの差を持たせるために、画素電極１７を構成しているＩＴＯの厚みを２５０ｎｍとして構成することで、この差分を確保している。
【００５３】
ここで、液晶層２６の位相差を電界制御するＥＣＢモードでは、クロスニコル下における液晶層２６の透過率Ｔ（ＬＣ）は、次のように表される。
【００５４】
Ｔ（ＬＣ）＝Ｉｏ・ｓｉｎ２（２θ）・ｓｉｎ２｛　（Δｎ（λ，Ｖ）・ｄ／λ）・π｝
但し、Ｉｏは偏光板平行透過率、θは液晶層の遅相軸と偏光板光軸とのなす角度、Ｖは印加電圧、ｄは液晶層層厚、λは入射光波長である。
【００５５】
この屈折率異方性Δｎ（λ、Ｖ）は、その領域における実効的な印加電圧に依存するために、画素電極１７に電圧を印加した際の第２の領域のΔｎは、第１の領域のΔｎよりも小さくなる。そこで上述のように、第２の領域の液晶層２６の厚さｄを第１の領域の液晶層２６の厚さｄよりも大きく設定しているので、上記Δｎ（Ｖ）ｄを第１の領域と第２の領域において等しくなるように構成することが可能となる。この結果、全体としては十分な透過率及び輝度を得ることが可能となる。
【００５６】
更に、図１０に示すように、光学的変化としては第１の領域のΔｎｄ（図中曲線ａ）が第２の領域のΔｎｄ（図中曲線ｂ）の早い変化として現れるためにトータル（図中曲線ｃ）の応答時間は最終目標輝度に到達する時間としては液晶層２６の厚さを一定とした場合と変らないが、最終目標輝度の９０％程度まで到達する時間は早くなっているので、光学的な応答速度が改善されていることになる。
【００５７】
この第１の領域と第２の領域での液晶層２６の厚さを異ならせるために、上記の場合には、画素電極１７自体の厚みによって得るようにしているが、画素電極１７の下側に絶縁層を設けて、この絶縁層の厚さによって液晶層２６の厚さを制御するように構成することも可能である。即ち、この場合には、図１１に示すように、ＴＦＴ１２が形成されたアレイ基板１１上を絶縁層２で覆い（１）、次いでＴＦＴ１２と画素電極１７とを接続するために、この絶縁層２にフォトリソグラフィ法を用いてコンタクトホールＣＨを形成する（２）。次ぎにこのパターニングされた絶縁層２上にＩＴＯ４を成膜し（３）、このＩＴＯ４上にレジスト５を塗布して露光現像する（４）。このパターンに基づいてＩＴＯ４をパターニングし画素電極１７を形成する（５）。この状態で更に絶縁層２を所定量だけエッチングを行い（６）、レジスト５を除去することで所定の形状にパターニングされた電極部１７´構成による電極パターンを形成する（７）。このＩＴＯ４からなるパターニングされた画素電極１７は、絶縁層２によってトータルの厚さが厚くされた画素電極１７として得られる。従って、この画素電極１７の電極部１７´上の領域の液晶層２６の厚さは薄く、露出されている絶縁層２上の領域の液晶層２６の厚さを大とすることができる。なお、絶縁層２はカラーフィルタ層とすることも可能である。
【００５８】
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１２（ａ）に示すように、電極部１７´の幅Ｗ１とスリット１６の幅Ｗ２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１２（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１２（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。
【００５９】
この画素電極１７パターンは、図１３及び図１４に示すようなパターンとすることも可能である。
【００６０】
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る。
【００６１】
そして、図１２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。
【００６２】
なお、この合計幅Ｗ１＋Ｗ２は、画素電極１７のスリット１６に挟まれた部分１７´の幅とスリット１６の幅との合計、画素電極１７上の誘電体層４７に挟まれた部分１７´の幅と誘電体層４７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、第３の電圧の印加時にチルト角がより大きな領域の幅とより小さな領域の幅との合計、第３の電圧の印加時に透過率がより高い領域の幅とより低い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。
【００６３】
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。
【００６４】
上述のように、画素電極１７を構成する４つの部分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。
【００６５】
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。
【００６６】
このようなカラー液晶表示装置を、次のように構成して、その効果を確認した。
【００６７】
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４１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１３に示すようなスリット１６を有する画素電極１７を形成する。またこの各スリット１６に挟まれた電極部１７´の幅は、いずれも５μｍに設定し、第１の領域の液晶層２６の厚さＴａが第２の領域の液晶層２６の厚さＴｂをＴａ＜Ｔｂとなるように、第１の領域の液晶層の厚さｄと液晶材料の屈折率異方性Δｎを乗じた値Δｎｄが２９０ｎｍに、また同様に第２の領域のΔｎｄが３１０ｎｍとなるように画素電極１７の厚さを設定している。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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２０，２３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２０，２３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。
【００７１】
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の両面に偏光フィルム２８を貼付して液晶表示装置を構成した。
【００７２】
この液晶表示装置は、画素電極１７と共通電極２３との間に印加する電圧を、例えば約１．５Ｖと約５．０Ｖとの間で変化させることにより駆動している。またここで、画素電極１７と共通電極２３との間に約４．５Ｖの電圧を印加した状態で液晶表示面を観察した結果、画素電極１７の形状に対応した透過率分布を確認することができ、良好な液晶表示装置を得ることができた。
【００７３】
更に、上記と同様にして、図１４に示すようなパターンを使用し、画素電極１７の電極部１７´の幅を４μｍに設定してカラー液晶表示装置を構成し、また画素電極１７と共通電極２３との間に約４．５Ｖの電圧を印加した状態で液晶表示面を観察した結果、画素電極１７の形状に対応した透過率分布を確認することができ、良好な液晶表示装置を得ることができた。
【００７４】
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、透過率を高くすることができ、また配向分割均一性が良好であり、更にまた応答時間も短いものとなっている。
【００７５】
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非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。
【００７６】
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、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。
【００７７】
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。
【００７８】
また、画素電極１７を構成する各部分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、１つの画素領域をチルト方向が互いに異なる複数のドメインへと分割しない場合には、画素電極１７を１つの部分のみで構成することも可能である。
【００７９】
また、第３の電圧の印加時に、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用としているが、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／ｃｍ２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できるために、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、白色表示の際にも良好な表示輝度を確保することが可能となる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】本発明に係るカラー液晶表示装置及び画素電極の構成を示す断面及び説明図。
【図２】本発明に係るカラー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カラー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カラー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】同じく画素電極パターンと第１及び第２の領域の状態を説明するための説明図。
【図７】同じく赤、緑、青の第１及び第２の領域での透過率を示す特性図。
【図８】同じく設定輝度までに到達する輝度変化を説明する特性図。
【図９】同じく赤、緑、青の第１及び第２の領域の液晶層厚さを異ならせた場合の透過率を示す特性図。
【図１０】同じく設定輝度までに到達する輝度変化を説明する特性図。
【図１１】同じく第１及び第２の領域での液晶層厚さを異ならせるための他の構成を説明するための製造工程図。
【図１２】同じく画素電極パターンの他の構成を示す説明図。
【図１３】同じく画素電極パターンの他の構成を示す説明図。
【図１４】同じく画素電極パターンの更に他の構成を示す説明図。
【図１５】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´：電極部
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
【図１】
2004004314.tif 000003
【図２】
2004004314.tif 000004
【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】
2004004314.tif 000009
【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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【図１５】
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