JP2006126811A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 表示が明るく、且つ表示むらのない広視野角の液晶表示素子を提供する。
【解決手段】 液晶表示装置は、ＴＦＴ１０４が形成されたＴＦＴ基板と、カラーフィルタが形成されたＣＦ基板との間に負の誘電異方性を有する液晶が封入され、ＴＦＴ基板側に、画素電極１０５と、画素電極１０５の周囲に形成された補助電極１０７とを備える。画素電極１０５は、中心部に、ゲート絶縁膜をエッチングすることにより形成された凹部１０５ａを有するように形成され、液晶分子を凹部１０５ａの形状に応じて画素中心に向って傾けて配列させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、液晶表示素子、特に液晶分子を基板面に対して実質的に垂直に初期配向させた垂直配向型のアクティブマトリクス液晶表示素子に関する。

従来のＴＦＴ液晶パネルは、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）と画素電極等が形成されたＴＦＴ基板と、カラーフィルタ（Color Filter）と対向電極等が形成されたＣＦ基板とで液晶層を挟んで構成される。液晶分子をホモジニアス配向（homogeneous alignment）させたＴＦＴ液晶パネル、例えばＴＮ（ねじれネマティック）液晶ディスプレイでは正の誘電異方性を示す液晶材料が用いられる。液晶分子をホメオトロピック配向（homeotropic alignment）させた液晶表示パネルでは、負の誘電異方性を示す液晶材料が使用され、無電界（初期配向状態）でそのダイレクタ（分子長軸方向）を基板と垂直に配向させている。

液晶分子を初期配向状態でホメオトロピック配向させた垂直配向型のＴＦＴ液晶表示素子は、対向する内面に垂直配向膜が形成され、互いに対向して配置された一対のガラス基板の間に負の誘電異方性を示す液晶を封入して液晶セルが構成される。

この液晶セルにおいて、一対のガラス基板の一方には、複数の画素電極が形成され、他方の基板には、複数の画素電極と対向する対向電極が形成され、これらの各画素電極と対向電極の対向部分とその間の液晶により１つの画素が形成される。それぞれの基板には、画素電極と対向電極間に電圧が印加されたときに液晶分子が倒れる方向を定めるためのラビング処理された垂直配向膜が、画素電極と、対向電極とを覆うように形成されている。

画素電極と対向電極との間に電圧が印加されていない場合、対向電極と画素電極とは同電位であるため、画素電極と対向電極との間に電界が発生せず、垂直配向膜の作用により、液晶分子は基板に対して垂直に配向している。

画素電極と対向電極との間に電圧が印加されると、画素電極と対向電極との間に形成される電界により液晶分子が傾くように挙動し、画素電極と対向電極間に十分高い電圧が印加されたときに、液晶分子は基板に対して実質的に水平に配向する。

この場合、画素電極と対向電極との間に電圧が印加されたとき、画素電極と対向電極との間に形成される電界、及び前記垂直配向膜のラビング処理による配向規制力とにより、液晶分子は一方方向に配向するため、コントラストの視野角依存性が大きく、視野角特性が悪い。

そこで、垂直配向型の液晶表示装置において、広い視野角特性を得るために、垂直配向膜にラビング処理を行わない液晶表示素子が提案されている。この液晶表示素子では、対向する電極間に電圧を印加したとき、液晶分子が、各画素ごとに渦を巻くように配列するが、各画素内での電極間の間隔の変化、電界強度の揺らぎ等によって、前記渦の中心位置が変動するため、表示ムラが発生する。

また、各画素毎に液晶分子を複数の方向に配向させた複数のドメインを形成することが提案されている。例えば、特許文献１に記載されているように、対向電極にエックス字形状の開口を形成し、対向する２つの電極間に電圧が印加されたとき、１つの画素において液晶分子を前記エックス字形開口の中央に向かって４つの方向に倒れるように配向させた液晶表示装置である。

この液晶表示装置では、対向電極を画素電極より大きく形成し、画素電極と対向電極との間に電圧を印加した場合は、画素領域の画素電極と対向電極が対向する部分では縦電界（基板面に対して垂直な方向な電界）が発生し、画素電極の周辺部には斜め電界を発生させ、且つ対向電極の開口（スリット）が形成されている部分に電界の不連続部分を形成することにより、液晶分子が各画素毎に前記エックス字形開口の中央に向かって倒れるように配列する。すなわち、この液晶表示素子では、液晶分子は各画素ごとに、エックス字形開口によって区画された領域ごとに４つの方向に向かって傾くように配向する。
特許第２５６５６３９号明細書

しかし、上記の液晶表示装置は、各画素の中に形成されたエックス字開口によって配向方向の異なる領域を形成するため、各領域間の相互作用を絶つためにエックス字開口は十分広い幅に形成される必要がある。そのため、各画素において、電界により制御することができない開口（スリット）の面積が多く、対向する電極の面積が少なくなり、開口率が低くなるという問題がある。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、表示が明るく、且つ表示むらのない広視野角の液晶表示素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る液晶表示素子は、
第１の電極が設けられた第１の基板と、
前記第１の電極と予め定めた間隔を隔てて互いに対向配置され、前記第１の電極と対向する領域によりそれぞれの画素領域を形成する少なくとも一つの第２の電極が設けられた第２の基板と、
前記第２の基板と前記第２の電極が設けられた面に、少なくとも前記画素領域の周縁に沿って形成された補助電極と、
前記第１、第２の電極の互いに対向する内面それぞれに形成された垂直配向膜と、
前記第１、第２の基板間に封入され、負の誘電異方性を有する液晶層と、を備え、
前記第１、第２の電極のうちの少なくとも一方の電極の、前記画素領域の実質的な中央に対応する位置に、前記液晶層の液晶分子を、その形状に応じて配列させるための凹部、凸部のうちの少なくとも一つが形成されていることを特徴とする。

この第１の観点による液晶表示素子によれば、第１、第２の電極のうちの少なくとも一方に形成した凹部、又は凸部により、この凹部、又は凸部近傍の液晶分子に画素中心を向くようなチルトが与えられ、画素領域の周辺部の液晶分子は第２の電極と補助電極と間に発生する横電界により、画素中心に向かって傾く。したがって、画素領域毎に、液晶分子が画素周辺部から画素領域の中心に向かって渦巻状に配列されたモノドメインを形成し、全ての画素領域において、液晶分子の配向の渦の中心が一定になるので、安定して均一な配向状態が得られ、表示むらの発生が抑制される。

この発明の液晶表示素子においては、第２の電極の実質的な中央部に凹部を形成しても、或いは、第１の電極の画素領域の中央に対応する位置に凸部を形成しても良い。

第１の電極に凸部を形成する場合、その凸部は、第１の電極上に形成された絶縁材料からなる突起部によって形成しても良く、または、第１の電極の画素領域の中央に対応する位置に遮光膜からなる凸部が形成されるようにしても良い。

第１の基板に、各画素領域ごとに対応するカラーフィルタと、各画素領域の周辺を覆う位置に、遮光性の樹脂からなるブラックマスクが形成されるときは、第１の電極の前記画素領域の中央に対応する位置に形成される凸部は、第１の基板とカラーフィルタとの間に形成されたブラックマスクを形成するための樹脂によって形成されていることが望ましい。

この発明の液晶表示素子は、第２の基板に、画素領域の周縁部に沿った周縁凸部がさらに形成されていることが望ましく、この周縁凸部は、複数の画素領域の間に、補助電極の一部と縁が重なるように形成された絶縁膜によって形成されることが好ましい。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る液晶表示素子は、
第１の電極が設けられた第１の基板と、
前記第１の電極と予め定めた間隔を隔てて互いに対向配置され、前記第１の電極と対向する領域によりそれぞれの画素領域を形成する少なくとも一つの第２の電極が設けられた第２の基板と、
前記第２の基板の前記第２の電極が設けられた面に、少なくとも前記画素領域の周縁に沿って形成された補助電極と、
前記第１、第２の電極の互いに対向する内面それぞれに形成された垂直配向膜と、
前記第１、第２の基板間に封入され、負の誘電異方性を有する液晶層と、を備え、
前記第１、第２の電極のうちの少なくとも一方の電極の、前記画素領域の実質的な中央に対応する位置に、前記第２の電極と前記補助電極との間に印加される電界により、周辺から中央に向かって渦巻き状に配列される液晶分子の配向中心の位置を定めるための凹部、凸部のうちの少なくとも一つが形成されていることを特徴とする。

この第２の観点による液晶表示素子によれば、各画素領域ごとの液晶分子の渦巻き状の配向における中心位置が、第１、第２の電極のうちの少なくとも一方の電極の、画素領域の実質的な中央に対応する位置に形成された凹部、凸部のうちの少なくとも一つによって規定されるため、液晶分子の渦巻き状の配向が安定して得られ、表示むらの発生が抑制される。

この発明の液晶表示素子において、第２の基板の第２の電極には、その中央に凹部が形成されることが望ましく、この場合、画素領域の周縁部に沿って形成された周縁凸部をさらに設けることが好ましい。

この発明の液晶表示素子において、第１の電極の画素領域の中央に対応する位置に、凸部を形成するようにしてもよく、この場合にも、第２の基板には、画素領域の周縁部に沿った周縁凸部をさらに形成することが好ましい。

第１の基板の第２の基板に対向する内面に、各画素領域に対応するカラーフィルタが形成されるときは、第１の電極に形成された凸部が、カラーフィルタに設けた突起によって形成しても良い。

この発明の液晶表示素子において、補助電極は、第２の電極よりも低い電位に設定されるのが望ましい。

補助電極は、前記第２の電極の周辺部分と重畳し、第２の電極との間に補償容量を形成するための補償容量電極からなることことが好ましい。

第１の基板の内面に、画素領域の中心に対応する位置に絶縁膜からなる凸部を形成するときは、凸部の中心を透過する光を遮断するための金属膜を第１の基板に形成するのが望ましい。

凸部は、第１の電極と第２電極との間の間隔を調整するためのスペーサから構成しても良い。

上記目的を達成するため、本発明の第３の観点に係る液晶表示素子は、
第１の電極が設けられた第１の基板と、
前記第１の電極と予め定めた間隔を隔てて互いに対向配置され、前記第１の電極と対向する領域によりそれぞれの画素領域を形成する少なくとも一つの第２の電極が設けられた第２の基板と、
前記第２の基板の前記第２の電極が設けられた面に、少なくとも前記画素領域の周縁に沿って形成された補助電極と、
前記第１、第２の電極の互いに対向する内面それぞれに形成された垂直配向膜と、
前記第１、第２の基板間に封入され、負の誘電異方性を有する液晶層と、を備え、
前記液晶層の液晶分子が、その分子長軸を前記画素領域の中央に向かって傾けて配列するように、前記第１または第２の電極の少なくとも一方を前記画素領域の中央から周辺に向かって傾けて形成したことを特徴とする。

この第３の観点による液晶表示素子によれば、第１または第２の電極の少なくとも一方を画素領域の中央から周辺に向かって傾けて形成したので、液晶分子は、各画素領域の周辺から中央に向かって渦巻き状に配列し、各画素領域ごとの液晶分子の配向状態が安定する。

この発明の液晶表示素子において、第２の基板の第１の基板と対向する内面に、中央部が周辺部より厚く形成された断面を有するカラーフィルタを備えることが好ましい。

上記目的を達成するため、本発明の第４の観点に係る液晶表示素子は、
第１の電極が設けられた第１の基板と、
前記第１の電極と予め定めた間隔を隔てて互いに対向配置され、前記第１の電極と対向する領域によりそれぞれの画素領域を形成する少なくとも一つの第２の電極が設けられた第２の基板と、
前記第２の基板と前記第２の電極が設けられた面に、少なくとも前記画素領域の周縁に沿って形成された補助電極と、
前記第１、第２の電極の互いに対向する内面それぞれに形成された垂直配向膜と、
前記第１、第２の基板間に封入され、負の誘電異方性を有する液晶層と、を備え、
前記第１、第２の電極のうちの少なくとも一方の電極の、前記画素領域の実質的な中央に対応する位置に、前記第１、第２の電極間に印加される電圧により生成する電界が実質的に作用しない開口が形成されていることを特徴とする。

開口は、実質的な中央に対応する位置に関して回転対称に形成されていることが望ましい。

本発明によれば、画素領域の中心部の液晶分子には凹部、又は凸部により画素中心を向くようなチルトが与えられ、画素領域の周辺部の液晶分子は第２の電極と補助電極と間に発生する横電界により、画素中心に向かって傾くので、表示が明るく、且つ表示むらのない広視野角の液晶表示素子を提供することができる。

本発明の実施の形態にかかる液晶表示装置について、以下図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る垂直配向型液晶表示素子における１つの画素構造を概略的に示す平面図である。図２は、図１に示す１つの画素をII−II線に沿って断面して示す断面図である。尚、図２では、液晶分子を長楕円で表し、モデル化して示した。

液晶表示素子は、対向して配置された一対のガラス基板１０１，１０２を備え、一方のガラス基板１０２（以下ＴＦＴ基板１０２という）と他方のガラス基板１０１（以下対向基板１０１という）との間に負の誘電異方性を示す液晶１０３が封入されている。

ＴＦＴ基板１０２の対向基板１０１と対向する面上には、ＴＦＴ素子１０４、画素電極１０５、ドレイン配線１０６、補助電極１０７、ゲート配線１０８、ゲート絶縁膜１０９、絶縁膜１１０、配向膜１１１が形成されている。また、対向基板１０１の内面には、対向電極１１２、カラーフィルタ１１３、ブラックマスク１１５、及び配向膜１１４が形成されている。

ＴＦＴ素子１０４は、ＴＦＴ基板１０２上に形成された逆スタガ型の薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor）である。ＴＦＴ素子１０４は、ゲート電極１０４ａ、半導体層１０４ｂ、ソース電極１０４ｃ、ドレイン電極１０４ｄを備える。

画素電極１０５は、酸化インジウムを主成分とするＩＴＯ膜等から構成された、平面形状がほぼ四角形の透明電極から形成される。１つの画素電極１０５には、その実質的な中央部に、液晶分子の配向の中心または基点を形成し、段差を設けるための平面形状が円形又は多角形（例えば４角形）の凹状部１０５ａが形成されている。この凹状部１０５ａは、ゲート絶縁膜１０９に穴を形成し、その上に画素電極１０５、配向膜１１１を成膜することによって形成される。そして、これらの画素電極１０５は、対向電極１１２と対向する領域により、画像を形成するための最小単位である１つの画素領域を画定している。これらの画素領域を複数配列して表示領域を形成している。

この実施形態の液晶表示パネルにおけるドレイン配線１０６は、各画素列毎に、列方向に伸びるように形成されたアルミニウム配線等から構成される。このドレイン配線１０６は、同一画素列のＴＦＴ素子１０４のドレイン電極１０４ｄに接続され、列ドライバからの画像信号をオンしたＴＦＴ素子１０４を介して画素電極１０５に供給する。

補助電極１０７は、アルミニウム等から構成され、補助電極１０７の一部は、ゲート絶縁膜１０９を介して画素電極１０５の周縁部と重なるように形成される。さらに、この補助電極１０７は画素電極１０５よりも低い予め定めた電位に、より好ましくは、対向電極１１２と同電位に設定され、画素電極１０５との間で、各画素電極１０５と対向電極１１２と液晶１０３とで形成される画素容量と並列に接続された補償容量を形成する。

ゲート配線１０８は、各画素行毎に行方向に伸びるように形成されたアルミニウム配線等から構成され、ゲート絶縁膜１０９により他の電極と絶縁されている。このゲート配線１０８は、対応する画素行のＴＦＴ素子１０４のゲート電極１０４ａに接続され、ＴＦＴ素子１０４に走査信号を供給し、ＴＦＴ素子１０４のオン／オフを制御する。

ゲート絶縁膜１０９は、ＴＦＴ素子１０４のゲート電極１０４ａ、ゲート配線１０８、及び補助電極１０７が形成されたＴＦＴ基板１０２上に形成された絶縁膜であり、例えばシリコン窒化膜から構成される。なお、ゲート絶縁膜１０９は、ＴＦＴ素子１０４のゲート電極１０４ａと、このゲート電極１０４ａに対向する半導体層１０４ｂ及びソース／ドレイン電極１０４ｃ，１０４ｄとを電気的に分離する。このＴＦＴ素子１０４のソース電極１０４ｃは、対応する画素電極１０５に接続され、ドレイン電極１０４ｄは対応するドレイン配線１０６に接続される。

絶縁膜１１０は、ドレイン配線１０６を被い、画素電極１０５と、隣接する画素の画素電極１０５との間に形成された絶縁膜であり、例えばシリコン窒化膜から構成される。この絶縁膜１１０により、画素領域よりその周辺が厚くなる周縁凸部１１１ａが設けられ、この周縁凸部１１１ａにより配向膜１１１の膜面に傾斜部１１１ｂが形成されている。

配向膜１１１，１１４は、有機垂直配向材の塗布、及び焼成により形成され、或いは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成されたヘキサメチルジシロキサンの重合膜等から構成される。これらの配向膜１１１，１１４は、画素電極１０５と対向電極１１２をそれぞれ覆うように形成され、その間に液晶１０３が封入される。なお、配向膜１１１，１１４はラビング処理されておらず、無電界時には、その表面近傍の液晶分子を配向膜面に対して垂直に配向させる。

次に、上記構成の液晶表示素子の製造方法について説明する。

一方のガラス基板１０２上に、アルミニウム膜を形成し、これをパターニングすることによりＴＦＴ素子１０４のゲート電極１０４ａとゲート配線１０８と補助電極１０７（補助電極１０７を相互に接続する配線を含む）を形成する。次いで、ＣＶＤによりゲート絶縁膜１０９を形成する。続いて、ゲート絶縁膜１０９上に、ＴＦＴ素子１０４のチャネル層（半導体層）、ソース領域、ドレイン領域などを形成する。続いて、前記ゲート絶縁膜１０９の１つの画素領域に実質的な中央部に対応要る位置にエッチングにより断面が四角形の凹部を形成する。

続いて、凹部が形成されたゲート絶縁膜１０９上に、スパッタによりＩＴＯ膜を形成する。ＩＴＯ膜の画素領域を構成する部分を残して、ＩＴＯ膜をエッチングしてパターニングすることにより、各画素領域の中心に凹状部１０５ａが形成された画素電極１０５が得られる。

画素電極１０５の周縁から離間してゲート絶縁膜１０９上にドレイン配線１０６を形成し、ＴＦＴ素子１０４のドレイン電極１０４ｄに接続する。画素電極１０５の周囲の非画素領域に形成されたドレイン配線１０６を覆うように、ゲート絶縁膜１０９上に絶縁膜１１０を形成する。

続いて、全面にＣＶＤ、スピンコート等により、配向膜１１１を形成する。

このようにして形成されたＴＦＴ基板１０２と、対向電極１１２、カラーフィルタ１１３などが形成された対向基板１０１と、を図示しないスペーサを介して対向配置して、周囲をシール材によりシールして液晶セルを形成する。続いて、この液晶セルに負の誘電異性を有する液晶を注入し、注入口を封止する。さらに、ＴＦＴ基板１０２及び対向基板１０１の外面に図示しない偏光板を配置して液晶表示素子が製造される。

次に、上記のような構造を有する画素内の液晶の挙動について説明する。

負の誘電異方性を有する液晶１０３は、対向する画素電極１０５と対向電極１１２の間に電圧が印加されていない無電界状態では、その液晶分子１０３ａがＴＦＴ基板１０２及び対向基板１０１の表面の形状に垂直になるように配向する。すなわち、各画素電極１０５の内側に位置する液晶分子１０３ａは、ＴＦＴ基板１０２及び対向基板１０１の表面に垂直に配向する。各画素領域の周辺部に位置する液晶分子１０３ａは、その周辺部に形成された周縁凸部１１１ａにより配向膜面に傾斜面１１１ｂが形成されているので、液晶分子１０３ａはこの傾斜面１１１ｂに垂直に、つまり画素領域の内側に向かって傾斜して配列している。また、画素領域の中央の凹状部１０５ａ近傍の液晶分子１０３ａには、凹状部１０５ａのコーナー部に沿って、その表面に形成された配向膜１１１に垂直になるように配向させる力が作用するため、画素領域の中心を向くようなチルトが与えられて、画素領域の中心に向かって傾斜して配向している。

そして、対向する画素電極１０５と対向電極１１２の間に電圧が印加され、画素領域の周囲に形成された補助電極１０７が画素電極１０５よりも低い電位の予め定められた電位、例えば対向電極１１２と等しい電位の電圧が印加されると、画素電極１０５と補助電極１０７との間に横電界（基板面と実質的に平行な方向の電界）が発生する。そのため各液晶分子は、この横電界によって、画素領域の周辺部から画素中心に向かうように、そのダイレクタ（分子長軸方向）が傾く。

さらに、画素電極１０５の凹状部１０５ａ近傍の液晶分子は、凹状部１０５ａの中心に向かって倒れるように配列して配向の中心が規定されるため、画素領域の周辺部の液晶分子は、画素電極１０５と対向電極１１２及び補助電極１０７間の相互の電界と、画素周辺部の配向膜面の形状（周縁凸部１１１ａによる傾斜面１１１ｂの形状）に応じた配向規制力とにより、液晶分子は画素電極１０５の中心方向に向かって基板面と実質的に水平になるように配向し、凹状部１０５ａを中心にして連続した渦巻状の配向状態となり、画素ごとに液晶分子の配列が連続して変化する実質的にモノドメインとなる。したがって、各画素領域内の液晶分子の配向が安定し、均一になる。

以上説明したように、本発明によれば、画素電極１０５の中心部に形成した凹状部１０５ａにより、画素領域の中心部の液晶分子１０３ａには画素中心を向くようなチルトが与えられ、画素領域の周辺部の液晶分子１０３ａは画素電極１０５と補助電極１０７との間に発生する横電界により、さらには画素周辺部の配向膜面の形状に応じた配向規制力とにより、画素中心に向かって傾く。したがって、画素領域毎に、液晶分子１０３ａが画素周辺部から画素領域の中心に向かって渦巻状に配列されたモノドメインを形成するため、全ての画素領域において、液晶分子１０３ａの配向の渦の中心が一定になるので、安定して均一な配向状態が得られ、表示むらの発生が抑制される。

（実施形態２）
本発明の実施形態２について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施形態２に係る液晶表示素子の画素構造を示している。

この図３において、ＴＦＴ基板１０２の内面上には、ＴＦＴ素子、画素電極１０５、ドレイン配線１０６、補助電極１０７、ゲート配線、ゲート絶縁膜１０９、絶縁膜１１０、配向膜１１１が形成されている。また、対向基板１０１の内面には、対向電極１１２、カラーフィルタ１１３、ブラックマスク１１５、及び配向膜１１４が形成されている。この実施形態において、上記第１の実施形態と同一の構成には、同一の参照符号を付して、説明は省略する。

この実施形態において、カラーフィルタ１１３は、アクリル系樹脂からなるカラーレジスト溶液を塗布し、パターン露光、現像して形成され、色の三要素に対応する赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各フィルタである。このカラーフィルタ１１３は、画素電極１０５と対向するように形成される。

対向基板１０１の対向電極１１２は、複数の画素電極１０５に共通して対向するように形成された電極であり、この対向電極１１２は、ＩＴＯ膜等の透明導電物から形成される。

対向電極１１２上の、画素電極１０５の中心に対応する部分に、凸部１１７が形成されている。この凸部１１７は、感光性材料層を対向電極１１２上に形成した後、フォトリソグラフィーにより半球状に形成されたものである。

凸部１１７が形成された対向電極１１２上には、これらを覆う配向膜１１４が形成されている。

対向電極１１２と画素電極１０５との間に電圧が印加されないとき、各画素領域の中心部の液晶分子１０３ａは、凸部１１７の表面形状に沿って、その表面を覆う配向膜１１４と垂直になるように配向させる力が作用するため、画素電極１０５から見て、画素の中心を向くチルトが与えられる。また、各画素領域の周辺部に位置する液晶分子１０３ａは、その周辺部に形成された周縁凸部１１１ａにより配向膜面に傾斜面１１１ｂが形成されているので、この傾斜面１１１ｂに垂直に、つまり画素領域の内側に向かって傾斜して配列している。

電圧印加時には、この画素領域の中心部が渦の中心になり、画素電極１０５と補助電極１０７との間に形成される横電界により、さらには画素周辺部の周縁凸部１１１ａによる傾斜面１１１ｂの形状に応じた配向規制力とにより、画素領域の周辺部の液晶分子が画素中心に向かって傾く。したがって、凸部１１７を渦の中心として液晶分子が配向し、画素領域内の液晶分子の配向状態が安定する。

尚、この場合、各画素領域の中心部の液晶分子１０３ａは、中心に向かって倒れ込む周辺部の液晶分子１０３ａから均等に分子間力を受けるため、基板面に対して垂直に配向している。

本発明は、上記の実施形態に限定されず、その応用及び変形等は任意である。上記の実施形態２では、凸部１１７に感光性材料を用いた例を示した。この感光性材料には、公知の感光性樹脂等が適用可能であり、感光後に、透明、遮光のいずれかの材料であってもよい。

また、上記の実施形態２では、凸部１１７を、感光性材料層を対向電極１１２上に形成した後、フォトリソグラフィーにより形成する例を示した。しかし、凸部１１７は、感光性材料に限定されず、カラーフィルタであってもよい。或いは、図４に示すように、予め画素電極１０５の中心に対応する対向基板１０１に樹脂ブラックマスク１１５により突起部１１５ａを形成し、その上からカラーフィルタ１１３の成膜及びパターニングを行うことによって、カラーフィルタ１１３の一部として突起１１３ａ形成することができる。

さらに、図５に示すように、対向基板１０１の、画素電極１０５の中心に対応する位置に設けた突起１１２ａは、対向電極１１２の一部の厚くすることによって形成しても良い。

また、対向基板１０１の突起１１２ａに対応する部分であって、特にその中心に金属膜からなる遮光膜１１８を形成しても良い。この場合、画素領域の中心部の液晶分子が垂直に配向することにより、突起１１２ａの中心部分からの光漏れを防止することができ、コントラストが向上する。

（実施形態３）
この発明の液晶表示素子は、上記の実施形態２で示した凸部は、対向電極上に透明樹脂材料のパターニングによって形成されたスペーサであってもよい。

実施形態３における液晶表示素子は、図６に示すように、スペーサ１１９が、その側面を傾斜させた円錐状に形成され、このスペーサ１１９を覆うように配向膜１１４が形成されている。この実施形態３において、スペーサ１１９以外の他の構成は、実施形態２と同じであるから、上記実施形態２と同一の構成には、同一の参照符号を付して、説明は省略する。

この実施形態３によれば、液晶分子は、対向電極１１２と画素電極１０５との間に電圧が印加されとき、スペーサ１１９の傾斜した側面の影響を受けて、このスペーサ１１９を中心にして放射状に配向する。よって、各画素領域ごとの液晶分子の配向状態が安定する。

この実施形態において、無電界状態の液晶分子１０３ａの配向状態を図７に模式的に示し、電界印加状態の配向状態を図８に模式的に示した。これらの図７および図８で示すように、スペーサ１１９近傍の液晶分子１０３ａは、スペーサ１１９の傾斜した側面に対して略垂直に配列するため、電界印加時には、このスペーサ１１９近傍の液晶分子１０３ａを中心にして渦巻き状に配列し、液晶分子１０３ａの安定した配向状態が得られる。

（実施形態４）
上記実施形態２では、画素領域の中央に配置する凸部１１７は半球状に形成した例を示したが、凸部１１７の形状は半球状に限定されない。画素中心に向かうチルトを液晶に与えることができればよく、凸部１１７は、中央で厚く周辺で薄い形状にすることもできる。

この実施形態において、カラーフィルタ２１３は、図９及び図１０に示すように、各画素領域の中央部分が厚く、周辺部分が薄いなだらかな山形の断面形状を有している。この実施形態４においてカラーフィルタ２１３以外の他の構成は、実施形態２と同じであるから、上記実施形態２と同一の構成には、同一の参照符号を付して、説明は省略する。

この実施形態４において、無電界状態の液晶分子１０３ａの配向状態を図９に模式的に示し、電界印加状態の配向状態を図１０に模式的に示した。これらの図９及び図１０で示すように、無電界状態では、対向基板１０１側の配向膜１１４に隣接する液晶分子１０３ａは、カラーフィルタの曲面に対して略垂直に配向するため、ＴＦＴ基板１０２の法線方向に対して傾いた配向状態となる。すなわち、図９に示すように画素中央より右側の液晶分子１０３ａは左倒れに、画素中央より左側の液晶分子１０３ａは右倒れになる。この状態で電圧が印加されると、図１０に示すように、対向基板１０１に隣接する液晶分子１０３ａの影響を受けて、液晶分子１０３ａは、各画素領域の周辺から中央に向かって渦巻き状に配列する。よって、各画素領域ごとの液晶分子１０３ａの配向状態が安定する。

上記の実施形態１乃至４では、画素電極１０５または対向電極１１２の実質的な中心部に凹部または凸部を形成した。しかし、上記凹部または凸部ではなく、画素電極または対向電極の中心に、開口を形成してもよい。画素電極と対向電極との間に電圧が印加された場合、開口には、実質的に電界が作用しないので、開口近傍の液晶分子は、無電界時と変わらず垂直に配向している。図１１に示すように、一方、画素領域の周辺部の液晶分子１０３ａは、画素電極１０５と補助電極１０７との間に上述した横電界が形成されると、画素領域の周辺部から中心部に向かうように傾き、渦巻き状に配列する。そうすると、開口近傍の液晶分子１０３ａも、その周辺の液晶分子が画素領域の中心部に向けて傾くので、画素領域の中心部に向けて傾く。したがって、液晶分子１０３ａは、画素電極１０５の中心に向かって実質的に水平になるように配向し、開口１０５ｂを中心にして連続した渦巻き状の配向状態となる。このとき、開口近傍の液晶分子１０３ａも電界によりその配向を制御することができるので、開口率が低くなるという問題はない。さらに、画素電極または対向電極の中心について回転対称となるように、例えば矩形、円形等の形状を有する開口が形成されている場合には、開口中心の周辺の液晶分子の倒れ込みは、開口の周方向について均等となるため、開口中心近傍の液晶分子は、常に垂直に配向した状態を維持する。よって、渦巻きの中心位置は常に一定となり、変動することがない。

上記の実施形態１では、凹状部１０５ａが画素電極１０５に形成された例を示し、実施形態２では、凸部１１７等を対向電極１１２の上に形成した例を示したが、これらの凹状部１０５ａ及び凸部１１７等は、画素電極１０５、対向電極１１２のいずれに形成してもよい。同様に、開口１０５ｂについても、画素電極１０５、対向電極１１２のいずれに形成してもよい。

上記の各実施形態では、ＴＦＴ素子１０４は、逆スタガ型（ボトムゲート型）であると説明したが、ＴＦＴ素子のゲート構造は任意であり、例えばトップゲート型であってもよい。

上記の各実施形態では、ドレイン配線１０６、補助電極１０７、ゲート配線１０８はアルミニウム等により形成した例を示したが、これらの電極または配線は他の材料、例えば銅によって形成してもよい。特に補助電極１０７は、透明導電膜によって形成されるのが望ましく、この場合、各画素領域の透過率が向上する。

上記の各実施形態では、ゲート絶縁膜１０９がシリコン窒化膜である例を示したが、このゲート絶縁膜は他の絶縁膜、例えばシリコン酸化膜から構成されてもよい。

本発明の実施形態１に係る垂直配向型液晶表示素子における１つの画素構造を概略的に示す平面図である。 図１に示す１つの画素をII−II線に沿って断面して示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る液晶表示素子の画素構造を示す断面図である。 本発明の実施形態２の変形例の画素構造を示す断面図である。 本発明の実施形態２の他の変形例の画素構造を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る液晶表示素子の画素構造を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る液晶表示素子において、無電界状態の液晶分子の配向状態を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る液晶表示素子において、電界印加状態の液晶分子の配向状態を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態４に係る液晶表示素子において、無電界状態の液晶分子の配向状態を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態４に係る液晶表示素子において、電界印加状態の液晶分子の配向状態を模式的に示す断面図である。 本発明の変形例の画素構造を示す断面図である。

符号の説明

１０１・・・対向基板（ガラス基板）、１０２・・・ＴＦＴ基板（ガラス基板）、１０３・・・液晶、１０４・・・ＴＦＴ素子、１０５・・・画素電極、１０６・・・ドレイン配線、１０７・・・補助電極、１０８・・・ゲート配線、１０９・・・ゲート絶縁膜、１１０・・・絶縁膜、１１１・・・配向膜、１１２・・・対向電極、１１３・・・カラーフィルタ、１１４・・・配向膜、１１５・・・ブラックマスク、１１７・・・凸部、１１８・・・遮光膜、１１９・・・スペーサ、１０３ａ・・・液晶分子、１０５ａ・・・凹状部、１１１ａ・・・周縁凸部、１１２ａ・・・突起、１１３ａ・・・突起

Claims (26)

1. 第１の電極が設けられた第１の基板と、
   前記第１の電極と予め定めた間隔を隔てて互いに対向配置され、前記第１の電極と対向する領域によりそれぞれの画素領域を形成する少なくとも一つの第２の電極が設けられた第２の基板と、
   前記第２の基板と前記第２の電極が設けられた面に、少なくとも前記画素領域の周縁に沿って形成された補助電極と、
   前記第１、第２の電極の互いに対向する内面それぞれに形成された垂直配向膜と、
   前記第１、第２の基板間に封入され、負の誘電異方性を有する液晶層と、を備え、
   前記第１、第２の電極のうちの少なくとも一方の電極の、前記画素領域の実質的な中央に対応する位置に、前記液晶層の液晶分子を、その形状に応じて配列させるための凹部、凸部のうちの少なくとも一つが形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記第２の電極の実質的な中央部に、凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記第１の電極の前記画素領域の中央に対応する位置に、凸部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
4. 前記第１の電極の前記画素領域の中央に対応する位置に形成された凸部は、前記第１の電極上に形成された絶縁材料からなる突起によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示素子。
5. 前記第１の基板には、前記第１の電極の前記画素領域の中央に対応する位置に形成された凸部に対応する部分に遮光膜からなる突起が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示素子。
6. 前記第１の基板には、各前記画素領域ごとに対応するカラーフィルタと、各前記画素領域の周辺を覆う位置に、遮光性の樹脂からなるブラックマスクが形成されており、 前記第１の電極の前記画素領域の中央に対応する位置に形成された凸部は、前記第１の基板と前記カラーフィルタとの間に形成された前記ブラックマスクを形成するための樹脂からなる突起によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示素子。
7. 前記第２の基板には、前記画素領域の周縁部に沿った周縁凸部がさらに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
8. 前記第２の基板に形成された前記周縁凸部は、複数の前記画素領域の間に、前記補助電極の一部と縁が重なるように形成された絶縁膜によって形成されていることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示素子。
9. 第１の電極が設けられた第１の基板と、
   前記第１の電極と予め定めた間隔を隔てて互いに対向配置され、前記第１の電極と対向する領域によりそれぞれの画素領域を形成する少なくとも一つの第２の電極が設けられた第２の基板と、
   前記第２の基板の前記第２の電極が設けられた面に、少なくとも前記画素領域の周縁に沿って形成された補助電極と、
   前記第１、第２の電極の互いに対向する内面それぞれに形成された垂直配向膜と、
   前記第１、第２の基板間に封入され、負の誘電異方性を有する液晶層と、を備え、
   前記第１、第２の電極のうちの少なくとも一方の電極の、前記画素領域の実質的な中央に対応する位置に、前記第２の電極と前記補助電極との間に印加される電界により、周辺から中央に向かって渦巻き状に配列される液晶分子の配向中心の位置を定めるための凹部、凸部のうちの少なくとも一つが形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
10. 前記第２の基板の前記第２の電極には、その中央に凹部が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
11. 前記第２の基板には、中央に凹部が形成された前記第２の電極と、前記画素領域の周縁部に沿って形成された周縁凸部がさらに設けられていることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
12. 前記第１の電極の前記画素領域の中央に対応する位置に、凸部が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
13. 前記第１の基板には、前記画素領域の中央に対応する位置に前記凸部が設けられた前記第１の電極が形成され、
    前記第２の基板には、前記画素領域の周縁部に沿った周縁凸部がさらに形成されていることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
14. 前記第１の基板の前記第２の基板に対向する内面には、各前記画素領域に対応するカラーフィルタが形成され、
    前記第１の電極に形成された凸部は、前記カラーフィルタに設けた突起によって形成されていることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
15. 前記補助電極は、前記第２の電極よりも低い電位に設定されることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
16. 前記補助電極は、前記第２の電極の周辺部分と重畳し、前記第２の電極との間に補償容量を形成するための補償容量電極からなることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
17. 前記第１の基板の内面には、前記画素領域の中心に対応する位置に絶縁膜からなる凸部と、前記凸部の中心を透過する光を遮断するための金属膜が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
18. 前記凸部は、前記第１の電極と前記第２電極との間の間隔を調整するためのスペーサから構成されることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
19. 第１の電極が設けられた第１の基板と、
    前記第１の電極と予め定めた間隔を隔てて互いに対向配置され、前記第１の電極と対向する領域によりそれぞれの画素領域を形成する少なくとも一つの第２の電極が設けられた第２の基板と、
    前記第２の基板の前記第２の電極が設けられた面に、少なくとも前記画素領域の周縁に沿って形成された補助電極と、
    前記第１、第２の電極の互いに対向する内面それぞれに形成された垂直配向膜と、
    前記第１、第２の基板間に封入され、負の誘電異方性を有する液晶層と、を備え、
    前記液晶層の液晶分子が、その分子長軸を前記画素領域の中央に向かって傾けて配列するように、前記第１または第２の電極の少なくとも一方を前記画素領域の中央から周辺に向かって傾けて形成したことを特徴とする液晶表示素子。
20. 前記第２の基板の前記第１の基板と対向する内面に、中央部が周辺部より厚く形成された断面を有するカラーフィルタを備えることを特徴とする請求項１９に記載の液晶表示素子。
21. 第１の電極が設けられた第１の基板と、
    前記第１の電極と予め定めた間隔を隔てて互いに対向配置され、前記第１の電極と対向する領域によりそれぞれの画素領域を形成する少なくとも一つの第２の電極が設けられた第２の基板と、
    前記第２の基板と前記第２の電極が設けられた面に、少なくとも前記画素領域の周縁に沿って形成された補助電極と、
    前記第１、第２の電極の互いに対向する内面それぞれに形成された垂直配向膜と、
    前記第１、第２の基板間に封入され、負の誘電異方性を有する液晶層と、を備え、
    前記第１、第２の電極のうちの少なくとも一方の電極の、前記画素領域の実質的な中央に対応する位置に、前記第１、第２の電極間に印加される電圧により生成する電界が実質的に作用しない開口が形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
22. 前記開口は、実質的な中央に対応する位置に関して回転対称に形成された、ことを特徴とする請求項２１に記載の液晶表示装置。
23. 前記第２の基板には、前記画素領域の周縁部に沿った周縁凸部がさらに形成されていることを特徴とする請求項２１に記載の液晶表示素子。
24. 前記第２の基板に形成された前記周縁凸部は、複数の前記画素領域の間に、前記補助電極の一部と縁が重なるように形成された絶縁膜によって形成されていることを特徴とする請求項２３に記載の液晶表示素子。
25. 前記補助電極は、前記第２の電極よりも低い電位に設定されることを特徴とする請求項２１に記載の液晶表示素子。
26. 前記補助電極は、前記第２の電極の周辺部分と重畳し、前記第２の電極との間に補償容量を形成するための補償容量電極からなることを特徴とする請求項２１に記載の液晶表示素子。

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