JP4860121B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に配線部に柱状スペーサを設けたマルチドメイン垂直配向液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は薄型、軽量、低消費電力である等、さまざまな特長を有している。そのために、液晶表示装置は、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＯＡ(office Automation)機器、ＰＤＡ(Personal Digital Assistance)、車載ナビゲーションの表示モニタ、液晶テレビ等の表示装置として広く利用されている。

現在最も多用されている液晶表示装置の表示動作モードは、ＴＮ(Twisted Nematic；ねじれネマチック）型液晶を用いたノーマリホワイトモードである。この液晶表示装置は、対向配置した２枚のガラス基板の対向面にそれぞれ形成された電極と、両電極上に形成された水平配向膜とを有している。２つの水平配向膜には互いに直交する方向にラビング等により配向処理が施されている。そして、各基板外面にはそれぞれの基板内面の配向膜のラビング方向と平行に偏光軸を合わせた偏光板が配置されている。

正の誘電異方性を有するネマチック液晶をこの基板間に封止すると、配向膜に接する液晶分子はラビングの方向に沿って配向するので、液晶分子の配向方位は直交する。それに伴い両基板間の液晶分子は、基板面に平行な面内で配向方位を順次回転させて基板面に垂直方向に整列し、液晶は基板間で９０°捩れて配列する。

このような構造のＴＮ型液晶表示装置の一方の基板面側から入射した光は、偏光板を通過して液晶層に入る。そして、液晶層を通過する際に液晶分子のねじれに沿って偏光方位が９０°回転して、一方の基板側の偏光板と直交する偏光軸を有する他方の基板側の偏光板を通過する。これにより電圧無印加時において明状態の表示が得られる。

共通電極間に電圧を印加すると、正の誘電異方性を有するネマチック液晶分子の長軸が基板面に垂直に配向するためねじれが解消される。この状態の液晶層に入射した直線偏光の光に対して液晶分子は屈折率異方性を示さないので入射光の偏光方位は変化せず、従って他方の偏光板を透過することができない。これにより所定の最大電圧印加時において暗状態の表示が得られる。再び電圧無印加状態に戻すと配向規制力により明状態の表示に戻すことができる。また、印加電圧を変化させて液晶分子の傾きを制御して他の偏光板からの透過光強度を変化させることによって階調表示が可能となる。

ＴＮ型ＴＦＴ液晶表示装置は、共通電極間の印加電圧を画素毎に制御するためのスイッチング素子としてＴＦＴ(Thin Film Transistor;薄膜トランジスタ)を各画素に設けたアクティブマトリクス型の液晶表示装置である。ＴＮ型ＴＦＴ液晶表示装置は、薄型、軽量で且つ大画面、高画質が得られるためＰＣ用表示モニタ、携帯型テレビなどに幅広く利用されている。

このような用途に利用されている液晶表示装置では、表示品位の向上が求められているが、ＴＮ型ＴＦＴ液晶表示装置は視野角が狭い問題がある。このようなＴＮ型液晶表示装置の有する視野角特性の問題を解決する技術として、垂直配向(ＶＡ: Vertical Alignment)モード液晶が注目されている。ＶＡモード液晶は、多くの液晶表示装置で採用されているＴＮモード液晶に比べ、黒表示の表示品位が高く、しかもラビング処理などの配向処理工程が不要である。ＶＡモードの中でもマルチドメイン型垂直配向（ＭＶＡ: Multi-domain Vertical Alignment)モード液晶装置（以下、ＭＶＡ型液晶表示装置という）は、より広い視野角を実現可能であるため、特に注目を集めている。ＭＶＡ型液晶表示装置は、透過型液晶表示装置のみならず反射型液晶表示装置あるいは半透過型液晶表示装置にも適用され始めている。

ＭＶＡ型液晶表示装置の配向制御技術については様々な技術が開示されている。特許文献１には、液晶分子の配向ベクトル場の特異点（＋１または−１）の形成位置を制御し、透過率の低下を抑えて応答特性を改善するＭＶＡ型液晶表示装置が開示されている。この特異点とは、周りの液晶分子が倒れて配向しているにもかかわらず、中心の液晶分子が垂直配向している点のことである。液晶層を上面垂直方向から見た場合、特異点の周りの液晶分子が特異点に向かって倒れる場合または特異点から離れる場合の特異点を液晶分子の配向ベクトル場の＋１の特異点（以下、＋１の特異点と称す）という。また、特異点の周りの一部の液晶分子が特異点に向かって倒れ、他の液晶分子が特異点から離れる場合の特異点を液晶分子の配向ベクトル場の−１の特異点（以下、−１の特異点と称す）という。

図８は、特許文献１の配向制御技術を説明するための図であり、液晶表示装置の基板面に向かった見た平面図である。また、図９〜図１１は、それぞれ図８のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線およびＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図８に示すように、＋１の特異点１０では、液晶分子６は、ある一点に向かって配向しており、−１の特異点１１では一部の液晶はある一点から異なる方向を向いている。図９〜図１１を参照すると、所定の間隙で対向する下基板２０と上基板２１の対向面側には、それぞれ画素電極３および共通電極７が形成されている。画素電極３および共通電極７上には、垂直配向膜（図示せず）が形成されている。そして、上下基板の間には負の誘電異方性を有する液晶分子６が挿入されている。画素電極３および共通電極７上には液晶分子配向の特異点の制御部としてそれぞれ突起状構造物９および突起状構造物８が設けられている。突起状構造物８は基板面から見ると十字型をしている。そして突起状構造物８は十字端部を所定の間隙を持って突き合わせて隣接し合って配列されている。このような液晶表示装置の画素電極３および共通電極７に電圧を印加すると突起状構造物８、突起状構造物９により液晶に印加される電界に歪みが形成される。この電界の歪みにより突起状構造物８、突起状構造物９上およびその近傍の液晶の配向が規制される。図８に示すように突起状構造物８、突起状構造物９の中央部に＋１の特異点１０が形成され、突起状構造物８の十字部端に−１の特異点１１が形成される。

また、特許文献２には、基板間のギャップのムラが低減し、表示品位を改善したＭＶＡ型の液晶表示装置の技術が開示されている。この液晶表示装置では、図１２のように、マルチドメイン化のために対向して配置された一対の基板の少なくとも一方の対向面上に複数の畝状突起部２２を形成している。畝状突起部２２は１つの方向に連続する三角波状の形状をしている。そして、その１つの方向と交差する第２の方向に複数の柱状スペーサ２４を配列している。柱状スペーサ２４は、一対の基板間の間隔を一定に保つためのもので、畝状突起部２２の角部を通る軸上に配置されている。このような構成にすることでギャップムラを抑制することが可能であるとしている。なお、畝状突起部は液晶分子配向の特異点制御部の概念の中に含まれる。図１２の符号２３はカラーフィルター（表示していない）上に形成された画素電極である。

特開２００１−２４９３４０号公報 特開２００１−２６４７７３号公報

最近ではＭＶＡ型の液晶表示装置を携帯電話や携帯情報端末等の表示装置として使用することが検討されており、その際、液晶表示パネルの前面に指先またはペン先で押して情報を入力する透明タッチパネルを設けることがある。

特許文献２のように畝状突起部２２が三角波状で形成されている場合、特異点は畝状突起部２２の線上であればどこにあってもよく、ただちには決まらない。それは、畝状突起部の線上であれば同電位であり、電位的に特別な場所がないからである。液晶分子は連続的に配向するので、液晶分子の配向の特異点の位置が決まらないと、他の領域の液晶分子の配向が決まらない。そのために、画素内の液晶分子の配向が最終状態に落ち着くまでに時間を要することになる。従って、特許文献２の液晶表示装置ではパネル表面を押した際に液晶分子の波紋状の配向乱れが生じ、回復するのに秒単位の時間がかかるといった問題が発生する。

また特許文献１の技術では、信号線に用いる電極の一部を他の部分より太くしたり、細くすることにより、信号線上に発生する液晶分子の配向特異点を制御している。このような方法では信号線形成時のパターニング精度のばらつきを受けやすい。そして、信号線−画素電極間の寄生容量が画素毎にばらつきやすくなり、フリッカが発生しやすくなる。また柱状スペーサを使用していないため、パネル表面を押したときのギャップの変動が大きく、波紋状の配向乱れが発生する。

従って、本発明の目的は、上記の従来のＭＶＡ型の液晶表示装置の問題点を解決することにある。

本発明の液晶表示装置は、垂直配向型の液晶表示装置であって、第１基板と、前記第１基板に対向するように配置された第２基板と、第１基板と第２基板間に挟持された負の誘電異方性を有する液晶層と、を備えている。第１基板は、互いに交差する複数の信号線および複数の走査線からなる配線部と、信号線および走査線によって区画化された各領域に設けられた画素電極と、画素電極ごとに設けられたスイッチング素子と、を備えている。第２基板には共通電極を備えている。共通電極上には、画素電極と共通電極間に電圧印加時に液晶層の液晶分子の配向を規制する十字型の第１の配向規制物が設けられている。配線部には柱状スペーサが配置されている。この柱状スペーサは、上記の配線部上の位置は、隣り合う２つの第１の配向規制物の中間に設けることができる。

上記の本発明の液晶表示装置において、画素電極は、サブ画素電極を複数連ねた構造とし、第１の配向規制物を該サブ画素電極に対向して設けた構成とすることができる。また、柱状スペーサは、第１基板上または第２基板上に設けることができる。

上記の本発明の液晶表示装置において、共通電極に設けられている第１の配向規制物は、共通電極の電極不在部または、共通電極上に設けられている突起状構造物で構成することができる。

上記の本発明の液晶表示装置において、画素電極がサブ画素電極を複数連ねた構造である場合には、信号線または走査線と重なる位置でかつ柱状スペーサと重ならない共通電極上にさらに突起状構造物である第２の配向規制物を設けることができる。

上記の本発明の液晶表示装置は、画素領域に反射部を備えた半透過型の液晶表示装置とすることもできる。

本発明の液晶表示装置では、共通電極に十字型のスリットまたは共通電極上に十字型の突起状構造物の配向規制物を設け、信号線部に柱状スペーサを設けたことによって次の効果が得られる。
（１）表示領域では、液晶分子の配向方向が９０度ずつ異なる４つの領域に分け、液晶分子の配向ベクトル場の特異点の位置を２次元的に規制することができる。
（２）信号線部では、柱状スペーサの周りに発生する斜め電界により、液晶分子の配向ベクトル場の特異点が柱状スペーサ周りに発生し、信号線部の液晶分子の配向を制御することができる。
（３）その結果、液晶表示パネル表面を押したとき、液晶分子の再配向を速やかに安定させることが可能となる。また信号線自体は直線状であるので信号線−画素電極間の寄生容量のばらつきは小さく、フリッカが発生しにくい。

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の液晶表示装置を概略的に示す平面図である。図２、図１に示す液晶表示装置のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図２に示す液晶表示装置は、ＭＶＡ型液晶表示装置である。この液晶表示装置は、ＴＦＴを有するＴＦＴ基板３０と対向基板４０との間に負の誘電異方性を有する液晶層を挿入した構造を有している。なお、図２の液晶表示装置は、透過型液晶表示装置である。

ＴＦＴ基板３０は、透明絶縁基板５０上にスイッチング素子としてＴＦＴ（図示せず）、走査線１、信号線５を備えている。走査線１は横方向に、信号線５は縦方向に延びている。走査線１と信号線５は、絶縁層５１を介して交差している。ＴＦＴは走査線１、信号線５の交差する点の近傍に設けられ、走査線１、信号線５および透明な絶縁層５１上に設けられた画素電極３と接続されている。絶縁層５１はゲート絶縁膜および層間絶縁膜の積層膜からなる。ゲート絶縁膜および層間絶縁膜としては、ＳｉＮｘ等の絶縁膜を使用できる。走査線１および信号線５はゲート絶縁膜で絶縁化されている。走査線１および信号線５に入力する信号を調整することによりＴＦＴを介して画素電極３に所望の電圧を印加することができ、その電圧で液晶分子６の配向状態を制御する。この液晶分子６の配向状態で透過光強度を制御することができる。

走査線１および信号線５の配線材料には、アルミニウム、モリブデン、クロム等の材料が使用される。画素電極３は、酸化インジウムスズ膜（以下、ＩＴＯ膜という。）などの透明導電膜で構成されている。画素電極３はスパッタリング法などによりＩＴＯ膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を用いてパターニングして形成することができる。

対向基板４０は、透明絶縁基板６０上にＴＯ膜などの透明導電膜で構成される共通電極７を備えている。共通電極７上にはその一部を取り除いた電極不在部（以下、スリットとよぶ）が設けられている。共通電極７上のスリット２は、スパッタリング法などによって形成したＩＴＯ膜等の透明導電膜をパターニングして形成することができる。

本発明においてはスリット２の形を２つの線分を直交させた、十字型の形状にした。特許文献２のように畝状突起部が三角波状で形成されている場合、液晶分子の配向の特異点は畝状突起部の線上であればどこにあってもよく、ただちには決まらない。液晶分子の配向の特異点の最終的な位置は、周りの液晶分子配向との兼ね合い決まるからである。また、線状の配向規制物を用いる場合でも、液晶分子の配向の特異点の位置は線状の配向規制物であればどこでもよいために液晶分子の配向が安定するまで時間がかかる。本発明においてはスリット２を２つの線分を直交させた形状とした。その交差部が特別な点、即ち特異点となり、液晶分子の配向が早く落ち着くことができる。

対向基板４０にはカラーフィルター層、遮光層（いずれも図示せず）が設けられている。共通電極７にスリット２を形成した後、共通電極７上にアクリル樹脂等の感光性樹脂を所定の膜厚で塗布し、焼成する。この感光性樹脂をフォトリソグラフィ工程、エッチング工程で所定の位置、形状にパターニングすることにより柱状スペーサ４を形成する。柱状スペーサ４は、ＴＦＴ基板３０と対向基板４０を重ね合わせたときに、信号線５上に乗る位置で、かつ隣り合う２つの十字型のスリットの端部の中間に位置するように形成される。なお、柱状スペーサ４は、対向基板４０側に設ける代わりにＴＦＴ基板３０の信号線５上に設けてもよい。なお、図１および図２においては、柱状スペーサ４は信号線５と重なる位置に設けたが、走査線１と重なる位置に設けることもできる。

このようにして得られたＴＦＴ基板３０および対向基板４０の表面に垂直配向膜（図示せず）を形成する。垂直配向膜とは、液晶分子を基板に垂直に配向させる膜である。垂直配向膜としてはポリイミド膜、ポリアミック酸タイプのものを用いることができる。

垂直配向膜が形成されたＴＦＴ基板３０と対向基板４０の間に負の誘電異方性を有する液晶を注入方式あるいは滴下貼り合わせ方式で充填する。このときＴＦＴ基板３０と対向基板４０の間隔は、対向基板４０側に形成された柱状スペーサ４で一定に保たれている。

両基板の外側には、偏光板が配置される。偏光板としては、複屈折率が負の一軸性を示す光学フィルムを偏光板に積層したものを用いてもよいし、２軸延伸フィルムを偏光板に積層したものを用いてもよい。反射−透過兼用の液晶表示装置に適用する場合は、偏光板、２分の１波長板、４分の１波長板を積層したものを偏光板として用いてもよい。このようにしてＭＶＡ型液晶表示装置を得ることができる。

本実施の形態の液晶表示装置の具体例について図１および図２を参照して説明する。まず第１の基板であるＴＦＴ基板３０の作製方法について説明する。通常のＴＦＴ形成プロセスを用いて成膜とパターニングを繰り返し、透明絶縁基板５０上に、走査線１及び走査電極、コモンストレージ線、補助容量電極、ゲート絶縁膜、半導体層、信号線５及びソース／ドレイン電極を形成した。透明絶縁基板５０としては、ガラス基板、プラスチック基板またはそれらを貼り合わせた基板を使用できる。

そして、それらを覆う透明な層間絶縁膜を形成した。その後、層間絶縁膜（図１の絶縁層５１）上にスパッタンリング法により、ＩＴＯ膜を形成した。これをフォトリソグラフィ工程とエッチング工程でパターニングすることにより、画素電極３を形成した。画素電極３の繰り返しの周期は走査線１方向に１１０μｍ、信号線５方向に３３０μｍとした。画素電極３はコンタクトホールを介してＴＦＴと接続されている。画素電極３の端部と信号線５の端部までの距離は６μｍとした。画素電極３は対称的または対称的に近いパターン形状とする。例えば対称的な形状には、正方形や長方形がある。

次に第２の基板である対向基板４０の作製方法について説明する。ガラス基板等の透明絶縁基板６０上に遮光層、カラーフィルター層を通常のプロセスで形成する。カラーフィルター層の上に熱硬化性樹脂を用いて厚さ１μｍのオーバーコート層を形成する。カラーフィルター層による凹凸を平坦化するためである。オーバーコート層の上にスパッタリング法を用いてＩＴＯ膜を形成し、共通電極７を形成する。これをフォトリソグラフィ工程とエッチング工程でパターニングすることにより、共通電極７の所定の部分に電極不在部であるスリット２を形成した。スリット２の形状は、図１に示すように２つの線分を直交させた十字型形状とした。スリット２の幅の好ましい値は、６μｍ以上、１２μｍ以下とした。スリット２の幅が６μｍより小さい場合は液晶分子の分割配向が安定しない。またスリット２の幅は１２μｍより大きくてもよいが、その場合は光利用効率が下がる。共通電極７をパターニングした後、対向基板４０上に感光性アクリル樹脂を塗布、焼成し、これをフォトリソグラフィ工程とエッチング工程でパターニングすることにより、柱状スペーサ４を形成した。感光性アクリル樹脂としては比誘電率が３のものを用いた。柱状スペーサ４の形成後の弾性圧縮率は、１６０ｋｇ／ｍｍ^２〜２００ｋｇ／ｍｍ^２程度である。

柱状スペーサの高さは感光性アクリル樹脂の塗布膜厚、焼成による収縮、パターニングによる膜厚減少、パネル工程を通す際の収縮等を考慮して決められる。パネル工程完了後のセルギャップが４．０μｍとなるように調整した。柱状スペーサの形状は略四角柱型をしている。柱の上底、下底のうち、基板に近い側を下底と呼ぶことにする。このとき上底の形状を一辺の長さが１２μｍの正方形とした。すなわち柱一本あたりの上底の面積は１４４μｍ^２となる。柱の密度は、画素の面積１ｍｍ^２当たりで示すと３９６７μｍ^２となった。このようにして柱状スペーサ４が形成された対向基板４０を得た。なお、柱状スペーサは、四角柱の他に、六角柱や八角柱であってもよい。

そして、このようにして得られたＴＦＴ基板３０および対向基板４０の表面に垂直配向膜を形成する。垂直配向膜としては例えばＪＳＲ社製のポリイミド配向材ＪＡＬＳ−２１００を用いることができる。液晶材としては例えばメルク社製のＭＬＣ−６６０８を用いることができる。ＴＦＴ基板３０と対向基板４０間に滴下貼り合わせ方式で液晶材を充填することにより、ＭＶＡ型液晶表示装置を得ることができた。

このときスリット２の端部、画素電極３の端部、柱状スペーサ４の位置関係は図１、図２のようになっている。柱状スペーサ４は、２つの十字型のスリット２の先端部の中間に配置されている。また前述のとおり信号線５の端部と画素電極３の端部の距離は６μｍとなっており、画素電極３の端部と十字型のスリット２の先端部の距離は８μｍとなっている。

画素電極３と共通電極７の間に電圧を印加すると、スリット２の両側で向きが異なる電界が発生する。この電界は、斜め電界と呼ばれる。この電界により、液晶分子の倒れる方向が２方向に制御される。スリット２を十字型にすると、液晶分子の倒れる方向は４方向に制御できる。即ち、液晶分子の配向方向を９０度ずつ異なる４つの領域に分けることができる。横方向右向きを角度０°とすると、４つの領域とは４５°方向、１３５°方向、２２５°方向、３１５°方向を向いた領域である。沿った方向、すなわち０°、９０°１８０°、２７０°方向は透過率への寄与が少ないので無視している。十字型のスリット２によって、液晶分子の配向方向を４つの領域に分けることができるので液晶表示装置の広視野角化ができる。

図３は、図１の液晶表示装置における配向制御技術を説明するための図であり、液晶表示装置の基板面に向かって見た平面図である。図３に示すように、柱状スペーサ４と十字型のスリット２また柱状スペーサ４の効果により信号線５上の液晶分子の配向特異点の位置が定まる。すなわち十字型のスリット２の中心部に＋１の特異点１０ａが発生し、柱状スペーサ４の近傍に＋１の特異点１０ｂが発生する。さらに画素電極３端部と信号線５端部の間に−１の特異点１１ａが発生する。パネル表面を指で押すと、表示領域では十字型のスリット２の中心に発生した＋１の特異点１０ａを基点に液晶分子の配向の再配列がおきる。信号線５上では柱状スペーサの近傍に発生した＋１の特異点１０ｂを基点に液晶分子の配向の再配列がおきる。画素電極３端部、柱状スペーサ４、十字型のスリット２がこのような位置関係にあると０°、９０°１８０°、２７０°方向に配向する液晶分子６が十字型のスリット２部ならびに画素電極３と信号線５の間の領域の液晶分子になるので光利用効率を損ねない。

信号線５上に柱状スペーサが無い場合は、特異点の位置を明確に決める手段がないので安定するのに３〜４秒かかってしまう。配線上の特異点の移動に伴い、表示部の液晶分子も動いてしまい、それが波紋状の配向乱れとして見えてしまう。

上記の本実施の形態の液晶表示装置の説明は、透過型液晶表示装置について説明したが、本実施の形態は、半透過型のＭＶＡ液晶表示装置の透過部においても適用可能である。

次に、本実施の形態の液晶表示装置の技術を半透過型液晶表示装置に適用した例について図４を参照して説明する。

図４を参照すると、ＴＦＴ基板３０ａには、ガラス基板等の透明絶縁基板５０上に、走査線１及び走査電極、コモンストレージ線、補助容量電極１６、ゲート絶縁膜５２、半導体層、信号線及びソース／ドレイン電極１５を形成されている。そして、これらを覆う透明絶縁膜５３は形成されている。透過領域２００のＴＦＴ基板３０ａ上には、ＩＴＯ膜等からなる透明導電膜の画素電極３が形成されている。画素電極３の形状は図５に示すように略長方形である。そして、画素電極３の一部には電極不在部１７を設けている。画素電極３の端部と信号線の端部までの距離は６μｍとした。

ＴＦＴ基板３０ａの反射領域１００には、凹凸膜１３が形成され、さらにその表面には反射電極１４が形成され反射部が構成されている。ＴＦＴ基板３０ａの反射部と透過部には段差１８が形成されている。

対向基板４０ａには、ガラス基板等の透明絶縁基板６０上に遮光層、カラーフィルター層（いずれも表示していない）が形成されている。さらにカラーフィルター層の上には、オーバーコート層６１が形成されている。オーバーコート層６１上にＩＴＯ膜等の透明導電膜からなる共通電極７が形成されている。共通電極７の所定の部分に電極不在部である十字型のスリット２が形成されている。

ＴＦＴ基板３０ａの反射部の形成方法を説明する。画素電極３を透明絶縁膜５３上に形成後、ＴＦＴ基板３０ａ上に感光性アクリル樹脂を塗布、焼成した。ハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィ工程とエッチング工程でこれをパターニングすることにより、凹凸膜１３を形成した。凹凸膜１３上にＡｌ／Ｍｏ等の金属からなる反射電極１４をパターニングし、反射部を形成した。このとき透過部（感光性アクリル樹脂が完全に取り除かれている）と反射部（凹凸部）の平均段差１８が２μｍとなるようにした。

次に、対向基板４０ａの形成方法を説明する。実施例１と同様に、ガラス基板等の透明絶縁基板６０上に遮光層、カラーフィルター層を通常のプロセスで形成し、カラーフィルター層の上に熱硬化性樹脂を用いて厚さ１μｍのオーバーコート層６１を形成した。オーバーコート層６１の上にスパッタリング法を用いてＩＴＯ膜を形成し、共通電極７を形成する。これをフォトリソグラフィ工程とエッチング工程でパターニングすることにより、共通電極７の所定の部分に電極不在部であるスリット２を形成した。スリットの形は図６に示すように２つの線分状のスリットを直交させた、十字型とした。スリット２は、透過部の長方形の画素電極３の面積を平面的に４等分するように縦の線が長い十字型とした。スリットの幅は６μｍ以上１２μｍ以下とした。

共通電極７をパターニングした後、対向基板上に感光性アクリル樹脂を塗布、焼成し、これをフォトリソグラフィ工程とエッチング工程でパターニングすることにより、柱状スペーサ４を形成した。パネル工程完了後のセルギャップが４．０μｍとなるように調整した。実施例１と同様、上底の形状を一辺の長さが１２μｍの正方形とした。このようにして柱状スペーサ４が形成された対向基板４０ａを得る。

このようにして得られたＴＦＴ基板３０ａ、対向基板４０ａの表面に垂直配向膜１２を形成する。垂直配向膜１２としては例えばＪＳＲ社製のポリイミド配向材ＪＡＬＳ−２１００を用いることができる。液晶材としては例えばメルク社製のＭＬＣ−６６０８を用いることができる。滴下貼り合わせ方式でＴＦＴ基板３０ａと対向基板４０ａ間に液晶材を充填した。偏光板としては、偏光板、２分の１波長板、４分の１波長板を積層したものを用いた（図示せず）。このようにしてＭＶＡ型液晶表示装置を得ることができた。

このときスリット２の端部、画素電極の端部、柱状スペーサの位置関係は図１、図２と同様である。柱状スペーサ４は２つの十字型のスリット２の先端部の中間に配置されている。また前述のとおり信号線５の端部と画素電極３の端部の距離は６μｍとなっており、画素電極３の端部と十字型のスリット２の先端部の距離は８μｍとなっている。

画素電極３と共通電極７の間に電圧を印加すると、十字型のスリット２により、斜め電界が発生し、その効果により配向方向が９０度ずつ異なる４つの領域に分けることができた。横方向右向きを角度０°とすると、４つの領域とは４５°方向、１３５°方向、２２５°方向、３１５°方向を向いた領域である。十字型のスリットに沿った方向、すなわち０°、９０°１８０°、２７０°方向は透過率への寄与が少ないので無視している。４つの領域に分けることができたので広視野角化できた。

また柱状スペーサ４の効果により配線上の液晶分子の配向の特異点の位置が図３と同様に定まる。すなわち十字型のスリット２の中心部に＋１の特異点１０ａが発生し、柱状スペーサ４の近傍に＋１の特異点１０ｂが発生する。さらに画素電極３端部と信号線５（配線電極）端部の間に−１の特異点１１ａが発生する。パネル表面を指で押すと、表示領域では十字型のスリット２の中心に発生した＋１の特異点を基点に配向の再配列がなされ、配線電極上では柱状スペーサの近傍に発生した＋１の特異点を基点に配向の再配列が速やかになされる。

次に、本発明の第２の実施の形態の液晶表示装置について説明する。本実施形態の液晶表示装置の基本構成は、上記の第１の実施の形態の液晶表示装置と同様であるが、一画素領域の画素電極を分割した点が相違する。

図６は、本発明の第２の実施形態の液晶表示装置における配向制御技術を説明するための図であり、液晶表示装置の基板面に向かって見た平面図である。図６では、一画素領域の画素電極は信号線５に沿って３つのサブ画素電極３ａに分割されている。サブ画素電極３ａは、正方形や長方形のような対称性のよいパターン形状が好ましい。３つのサブ画素電極３ａはＩＴＯ膜からなる微小な接続電極３ｂによって電気的に接続されており、スイッチング素子によって電位を与えられると等電位となる。サブ画素電極３ａが大きすぎると応答時間が長くなり、また小さすぎると画素電極に占めるスリットの面積が多くなり光利用効率が下がる。そのために、サブ画素電極３ａの一辺の長は、通常３０〜８０μｍ程度とされる。

３つのサブ画素電極３ａのそれぞれに対向して、対向基板の共通電極に十字型のスリット２が設けられる。十字型のスリット２の中心はサブ画素電極３ａの中心と一致するように設けられている。柱状スペーサ４はＴＦＴ基板と対向基板を重ね合わせたときに、信号線５上に乗る位置で、かつ隣り合う２つの十字型のスリット２の端部の中間に位置するように対向基板上に形成した。上底の形状は一辺の長さが１０μｍの正方形とした。すなわち柱状スペーサ一本あたりの上底の面積は１００μｍ^２となる。柱状スペーサの上底の面積は、１画素あたり３００μｍ^２の面積を有することになり、上記の第１の実施の形態の例と比べ、単位面積あたりの柱の下底の面積は約２倍に増えた。このことによりパネル表面を指で押した後の配向の安定性が増した。なお、上記の本発明の第２の実施形態では、柱状スペーサ４は、対向基板上に設ける代わりにＴＦＴ基板上に設けることもできる。

上記の本発明の第２の実施形態の液晶表示装置においては、画素電極を信号線５に沿って３つのサブ画素電極３ａに分割しているが、画素電極を走査線に沿って分割することや、両方の配線に沿って縦横に分割してもよい。柱状スペーサは、走査線または信号線と重なる位置に配置される。

次に、本発明の第３の実施の形態の液晶表示装置について説明する。本実施形態の液晶表示装置の基本構成は、上記の第２の実施の形態の液晶表示装置と同様である。本実施の形態では、共通電極にスリットを設ける代わりに画素電極と重なる位置の共通電極上に十字型の突起状構造物と信号線と重なる位置の共通電極上に方形状の突起状構造物を設けた点が第２の実施の形態と相違する。また、本実施の形態では、柱状スペーサ４はＴＦＴ基板上に設けた。

図７は、本実施形態の液晶表示装置における配向制御技術を説明するための図であり、液晶表示装置の基板面に向かって見た平面図である。図７を参照して本実施の形態の液晶表示装置について説明する。上記の本発明の第１の実施の形態と同様に走査線及び走査電極、コモンストレージ線、補助容量電極、ゲート絶縁膜、半導体層、信号線及びソース／ドレイン電極を形成し、それらを覆う透明絶縁膜を形成した。その後、対称性のよい形状（正方形に近い長方形）の電極を３つ連ねた形でサブ画素電極３ａを形成した。その後、ＴＦＴ基板上に感光性アクリル樹脂を塗布、焼成し、これをフォトリソグラフィ工程とエッチング工程でパターニングすることにより、柱状スペーサ４を形成した。柱状スペーサ４の高さはパネル完成時のセルギャップが４μｍとなるような高さに設定した。柱状スペーサ４を立てる位置については後述する。なお、柱状スペーサ４の弾性率の値は、本発明の第１の実施の形態と同様である。

次に第２基板である対向基板の作製方法について説明する。ガラス基板に遮光層、カラーフィルター層を通常のプロセスで形成する。カラーフィルター層の上に熱硬化性樹脂を用いて厚さ１μｍのオーバーコート層を形成する。オーバーコート層は、カラーフィルター層による凹凸を平坦化するために形成される。オーバーコート層の上にスパッタリング法を用いてＩＴＯ膜を形成し、共通電極を形成する。この上に感光性アクリル樹脂を塗布、焼成し、これをフォトリソグラフィ工程とエッチング工程でパターニングすることにより十字型の突起状構造物２ａと方形の突起状構造物８を形成した。３つのサブ画素電極３ａのそれぞれに対向して、対向基板上に十字型の突起状構造物２ａを設けた。十字型の突起状構造物２ａの中心は対称性の良い画素電極３の中心と一致するように設けた。十字型の突起状構造物２ａの幅は８μｍ、高さは１．９μｍとした。方形状の突起状構造物８は一辺の長さは８μｍの正方形とし、高さを１．９μｍとした。方形状の突起状構造物８は、ＴＦＴ基板と対向基板を重ね合わせたときに、信号線５上に乗る位置で、かつ隣り合う２つの十字型の突起状構造物２ａの端部の中間に位置するように形成する。方形状の突起状構造物８は、３つ縦に並んだ十字型の突起状構造物のうち、真ん中の行には形成していない。

柱状スペーサ４は配線電極上で、隣り合う２つの十字型突起状構造物２ａの端部の中間の位置でかつ３つ縦に並んだ十字型の突起状構造物のうち、真ん中の行に形成する。方形状の突起状構造物８と柱状スペーサ４は、同じ位置には形成しない。

このようにして得られたＴＦＴ基板、対向基板の表面に垂直配向膜を形成する。垂直配向膜としては例えばＪＳＲ社製のポリイミド配向材ＪＡＬＳ−２１００を用いることができる。液晶材としては例えばメルク社製のＭＬＣ−６６０８を用いることができる。滴下貼り合わせ方式でＴＦＴ基板と対向基板の間に液晶材を充填することにより、ＭＶＡ型液晶表示装置を得ることができた。

サブ画素電極３ａと共通電極の間に電圧を印加すると、等電位線は絶縁体の突起状構造物２ａのところで曲がり、斜め電界が発生する。その効果により液晶分子の配向方向が９０度ずつ異なる４つの領域が形成できた。液晶分子の配向方向を４つの領域に分けることができたので広視野角化できた。

柱状スペーサ４ならびに方形の突起状構造物８の効果により配線上の特異点の位置が図７のように定まる。すなわち柱状スペーサ４の近傍に＋１の特異点１０ａが発生し、方形の突起状構造物８の上に＋１の特異点１０ｃが発生する。さらに画素電極３端部と信号線５端部の間に−１の特異点（表示していない）が発生する。パネル表面を指で押すと、表示領域では十字型の突起状構造物２ａの中心に発生した＋１の特異点を基点に液晶分子の配向の再配列がおきる。信号線５上では柱状スペーサ４の近傍および方形の突起状構造物８上に発生したに発生した＋１の特異点を基点に液晶分子の配向の再配列が速やかにおきる。このようにして外部からパネル表面に圧力を加えた場合でも液晶分子の再配向が速やかになされるＭＶＡ型液晶表示装置が得られる。このような構成は、透過型のみならず、半透過型のＭＶＡ液晶表示装置の透過部においても適用可能である。なお、上記の本発明の第３の実施形態では、柱状スペーサ４は、ＴＦＴ基板上に設ける代わりに対向基板上に設けることもできる。また、上記の本発明の第１の実施の形態の液晶表示装置において、スリット２の代わりに、十字型の突起状構造物を共通電極上に設けてもよい。

上記の本発明の第３の実施形態の液晶表示装置においては、画素電極を信号線５に沿って３つのサブ画素電極３ａに分割しているが、画素電極を走査線に沿って分割することや、両方の配線に沿って縦横に分割してもよい。柱状スペーサは、走査線または信号線と重なる位置に配置される。また、突起状構造物８は十字型突起状構造物２ａと同じ対向基板側に設けているが、十字型突起状構造物２ａとは反対側のＴＦＴ基板側の信号線上または走査線上で柱状スペーサと重ならない位置に設けることもできる。なお、上記の本発明の第３の実施形態の液晶表示装置は、画素電極を分割しない場合にも適用できることはいうまでもない。

本発明の活用例として、タッチパネル付のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＯＡ機器、車載ナビゲーションの表示モニタ、液晶テレビ等が挙げられる。

本発明の第１の実施形態に係わる液晶表示装置を概略的に示す平面図である。 図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 図１の液晶表示装置における配向制御技術を説明するための図であり、液晶表示装置の基板面に向かって見た平面図である。 図１の液晶表示装置の配向制御技術を半透過型液晶表示装置に適用した例を説明するための断面図である。 図４の液晶表示装置の画素電極の形状を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係わる液晶表示装置における配向制御技術を説明するための図であり、液晶表示装置の基板面に向かって見た平面図である。 本発明の第３の実施形態に係わる液晶表示装置における配向制御技術を説明するための図であり、液晶表示装置の基板面に向かって見た平面図である。 従来の液晶表示装置の配向制御技術の例を説明するための図であり、液晶表示装置の基板面に向かった見た平面図である。 図８のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 図８のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。 図８のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。 従来の液晶表示装置の配向制御技術の他の例を説明するための平面図である。

符号の説明

１ 走査線
２ スリット
２ａ 突起状構造物
３，２３ 画素電極
３ａ サブ画素電極
３ｂ 接続電極
４ 柱状スペーサ
５ 信号線
６ 液晶分子
７ 共通電極
８，９ 突起状構造物
１０，１０ａ，１０ｂ ＋１の特異点
１１，１１ａ −１の特異点
１２ 垂直配向膜
１３ 凹凸膜
１４ 反射電極
１５ ソース／ドレイン電極
１６ 補助容量電極
１７ 電極不在部
１８ 段差
２０ 下基板
２１ 上基板
２２ 畝状突起部
２４ 柱状スペーサ
３０，３０ａ ＴＦＴ基板
４０，４０ａ 対向基板
５０，６０ 透明絶縁基板
５１ 絶縁層
６１ オーバーコート層
５２ ゲート絶縁膜
５３ 透明絶縁膜
１００ 反射領域
２００ 透過領域

Claims (16)

1. 第１基板と、前記第１基板に対向するように配置された第２基板と、前記第１基板と前記第２基板間に挟持された負の誘電異方性を有する液晶層と、を備え、前記第１基板には互いに交差する複数の信号線および複数の走査線からなる配線部と、前記信号線および走査線によって区画化された各領域に設けられた画素電極と、前記画素電極ごとに設けられたスイッチング素子と、を備え、前記第２基板には共通電極を備えた垂直配向型の液晶表示装置において、前記画素電極は、サブ画素電極を複数連ねた構造を有し、前記共通電極上には、前記画素電極と前記共通電極間に電圧印加時に前記液晶層の液晶分子の配向を規制する十字型の第１の配向規制物が前記サブ画素電極に対向して複数設けられており、前記配線部には、柱状スペーサが配置されているとともに、前記柱状スペーサが設けられている前記配線部上の位置は、隣り合う２つの前記第１の配向規制物の先端部の中間であることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記画素電極は対称的な形状であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記柱状スペーサは、前記配線部の前記信号線と重なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
4. 前記柱状スペーサは、前記配線部の前記走査線と重なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
5. 前記柱状スペーサは前記第２基板上に設けられたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
6. 前記柱状スペーサは前記第１基板上に設けられたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
7. 前記柱状スペーサの形状は四角柱、六角柱または八角柱であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
8. 前記共通電極に設けられている前記第１の配向規制物は、前記共通電極の電極不在部であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
9. 前記電極不在部の幅は６μｍ以上、１２μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の液晶表示装置。
10. 前記共通電極上に設けられている第１の配向規制物は、突起状構造物であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
11. 前記信号線または前記走査線と重なる位置でかつ前記柱状スペーサと重ならない位置の前記共通電極上にさらに前記液晶分子の配向を規制する突起状構造物の第２の配向規制物が形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の液晶表示装置。
12. 前記柱状スペーサと重ならない位置の前記信号線または前記走査線上に前記液晶分子の配向を規制する突起状構造物の第２の配向規制物が形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の液晶表示装置。
13. 前記柱状スペーサは感光性アクリル樹脂を用いて形成されたものであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
14. 前記第１の配向規制物は、感光性アクリル樹脂を用いて形成されたものである請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
15. 前記第２の配向規制物は、感光性アクリル樹脂を用いて形成されたものである請求項１１または１２に記載の液晶表示装置。
16. 前記画素電極を備える画素領域の前記第１基板上に前記第２基板側から入射する光を反射する反射部を備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の液晶表示装置。

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