CN1201063A - 液晶层内双重畴的形成方法、液晶显示装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种液晶多重畴的形成方法、采用多重畴的液晶显示装置制造方法及液晶显示装置。本发明中的在液晶内形成多重畴的方法是,将第一电极形成在衬底表面上;第二电极形成在衬底表面上,该第二电极同第一电极一起形成电场;液晶层形成在形成有第一电极和第二电极的衬底上,并通过形成于第一电极和第二电极之间的电场起作用。

Description

液晶层内双重畴的形成方法、 液晶显示装置及其制造方法
本发明涉及一种液晶显示装置及其制造方法，更具体地说，涉及一种在液晶层内形成双重畴的方法，以及应用该方法的液晶显示装置制造方法及液晶显示装置。
扭转向列(TN)液晶显示元件(LCDs)尽管视角小，仍一直广泛应用于笔记本电脑。但是，为了在监视器及电视市场上用LCDs取代阴极射线管(CRT)显示元件，必须先解决扩大视角的问题。
因此，为了提高TN方式的视角，最近有人提出了关于LCDs的各种新概念。例如，R.Kiether等人的报告中(《第一2届国际展览会文集》日本信息展示与电视工程师学会，广岛，P.547，1992年)所讲的使用IPS模式(in-Plane Switching mode，平面开关模式)的向列液晶。又如，K.Ohmuro等人(《1997年国际信息展示大会技术文件摘要》，波士顿，信息展示协会P.845，1997年)提出的具有负双折射率相位补偿板的VA模式(Verticalalignment mode)。
IPS模式表示只排列在CRT显示元件上的广视角特性，但这种模式存在着下述问题，即单元间隔界限窄，其响应时间甚至比TN模式的还要慢。此外，从斜向看画面时，IPS模式多少会产生一些颜色变化现象(colour shift)。
具有负双折射率的相位补偿板(negative birefrigent film)且具有电容率异向性为负的液晶的VA模式，相对于各个方位角均具有极限值为70°以上的大视角，并具有25ms以下的非常快的响应时间。但是，为了获得大视角，这种VA模式的LCDs必须在液晶层内形成双重畴或多重畴。关于在VA模式的LCDs的液晶层内形成双重畴或多重畴的技术，K.Ohmuro等人的报告已登载在1997年信息展示会文集第845页上。
在液晶层内形成双重畴的技术包括：(1)多重重叠法(multiple rubbingmethod)；(2)多重取向膜法(multiple alignment layer method)；(3)边缘干扰带电场法(edge fringe field method)；(4)平行干扰带电场法(parallel fringe field method)等。由灰色标度VGA水平仪(Gray scale VGA levele)而引导出多重重叠法、多重取向膜法及平行干扰带电场法。
但是，这些方法需要很麻烦的工序。例如，在采用多重重叠法时，各板要对一个或两个衬底进行一次以上的重叠及光刻工序。在采用多重取向膜法时，要对一个或两个衬底编制一个取向膜配置图案并进行蚀刻。在采用平行干扰带电场法时，需要对位于滤色板层上部的ITO层编制配置图像。这三种方法的工序包括涂层、烘烤、制作配置图案、显影以及去除光致抗蚀剂等工序。此外，多重重叠法需要追加一个重叠层、多重取向膜法需要追加一个涂层，平行干扰带电场法需要在滤色板一侧进行ITO蚀刻。因此，双重畴的形成工序存在着下述问题：它比现有的一重畴的形成工序复杂，而且费用贵。另外，多重重叠法存在着视角不对称的缺点。
为了解决TN模式视角小的问题，在《亚洲展览文集》第95页中所提出的IPS模式的LCDs中，在不形成电场时，液晶分子是与衬底平行地排列的，形成电场时，则根据电场的形态而歪斜。因此，现有的IPS模式不能充分显示响应时间短的动态画面。所以，缩短对高性能LCDs的响应时间是十分重要的。
此外，由于使用在IPS模式的LCDs中的液晶分子具有光学异向性，所以，根据视角会使画面显示出不同色相，这就叫作颜色变换现象。这种颜色变换现象会降低LCDs的显示特性。(96′欧洲展览会上，有人提出通过单向重叠法所得到的多重畴结构可完全消除平面开关模式LCDs中的颜色变换现象)
本发明是为了解决上述课题而提出的。
本发明的目的在于，简化在液晶层内形成双重畴的技术。
本发明的另一目的在于，提供一种使用简化了的在液晶层内形成至少两个畴的技术的液晶显示装置的制造方法。
本发明还有一个目的在是，加大液晶显示装置的视角。
本发明再有一个目的是，用液晶显示装置获得高响应速度(responsetime)。
为了解决上述的本发明的课题，本发明的发明者们开发了在液晶层内形成双重畴的方法，在具有相互间隔的两个电极的衬底上形成垂直取向的液晶层，在所述两个电极之间施加电压，从而在所述两个电极之间形成抛物线状的干扰带电场。
根据一种观点的实施例，本发明的液晶层内双重畴的形成方法包括如下工序：提供具有表面的衬底的工序；在所述衬底的表面上形成相互间隔规定距离的第一电极和第二电极的工序；在形成有第一电极和第二电极的所述衬底表面上，形成相对于所述衬底表面垂直取向的液晶层的工序；在第一电极与第二电极之间形成电场的工序；并且，在所述液晶层内，畴的界面形成在电极之间的中间部分。
根据另一观点的实施例，本发明的液晶显示装置制作方法包括如下工序：提供具有表面的第一衬底的工序；在所述第一衬底的表面上形成第一电极和第二电极的工序；在形成有所述第一电极和第二电极的第一衬底的表面上形成垂直取向膜的工序；提供具有表面的第二衬底的工序；在所述第二衬底的表面上形成垂直取向膜的工序；配置所述第一衬底和第二衬底像的工序，使所述两个衬底的所述垂直取向膜相互对置，并使两个衬底间隔规定距离；在所述两个衬底的所述垂直取向膜之间的空间形成液晶的工序。
根据另一观点的实施例，本发明液晶显示装置的制造方法包括如下工序：提供具有内侧面及外侧面的第一衬底的工序；在所述第一衬底的内侧面上形成第一电极和第二电极的工序；在形成有第一电极和第二电极的第一衬底的内侧面上形成垂直取向膜的工序；提供具有内侧面及外侧面的第二衬底的工序；在所述第二衬底的内侧面上形成垂直取向膜的工序；使所述两个衬底的内侧面以规定距离相互对置地配置所述两个衬底的工序；在所述两个衬底之间的空间形成液晶层的工序；在所述两个衬底的至少任一个衬底的外部表面上形成相位补偿板的工序。
根据另一观点的实施例，本发明的液晶显示装置包括：具有表面的基体衬底；在所述基体衬底表面上形成的第一电极；形成在所述基体衬底的同一表面上且为了形成电场而与所述第一电极间隔的第二电极；在形成有所述第一电极和第二电极的所述基体衬板的表面上形成的含有液晶分子的液晶层，当所述电极之间未形成电场时，所述液晶分子与基体衬底表面相垂直地取向；并且，在所述两个电极之间形成电场时，液晶分子向所述两个电极之间的中央区域倾斜。
根据另一观点的实施例，本发明的液晶显示装置包括：衬底；在所述衬底的表面上形成的第一电极；在所述衬底的表面上同第一电极相互分开地形成的第二电极，用于同所述第一电极一起形成电场；在所述衬底的表面上形成且含有液晶分子的液晶层；在所述液晶层的上部部分及下部部分中的至少一个部分形成的垂直取向膜；在液晶层的上部部分及下部部分中的至少一个部分形成的相位补偿板；并且，当在所述两个电极之间形成电场时，所述液晶分子向所述两个电极之间的中央区域倾斜。
根据另一观点的实施例，本发明的液晶显示装置包括：第一衬底，具有内侧面和位于所述内侧面的相反一侧的外侧面；第二衬底，同所述第一衬底相对置地配置，具有内侧面和位于所述内侧面的相反一侧的外侧面；位于所述两个衬底之间且含有液晶分子的液晶层；第一电极和第二电极，形成于所述第一衬底的内侧面上，为了形成电场而相互间隔地配置；在所述第一衬底的内侧面和所述第二衬底的内侧面上分别形成的垂直取向膜；配置在所述第一衬底及第二衬底的外侧表面中的至少任一个表面上的相位补偿板；并且，当所述两个电极之间形成电场时，所述液晶分子向所述两个电极之间的中央区域倾斜。
根据另一观点的实施例，本发明的液晶显示装置包括：第一衬底，具有内侧面和位于所述内侧面的相反一侧的外侧面；同所述第一衬底相对置地配置的第二衬底，具有内侧面和位于该内侧面的相反一侧的外侧面；位于所述两个衬底的内侧面之间且含有液晶分子的液晶层；所述象素电极和对置电极，形成于所述第一衬底的内侧面上，且相互间隔地配置，用于在所述两个电极之间形成电场后沿电场排列所述液晶分子；在所述第一衬底的内侧面和第二衬底的内侧面上分别形成的垂直取向膜；配置在所述第一衬底的外侧面上的起偏镜；配置在所述第二衬底的外侧面上的相位补偿板；配置在所述相位补偿板上的检偏镜；并且，当在所述象素电极与所述对置电极之间形成电场时，相对于所述两个电极之间的内侧面垂直取向的液晶分子，沿着所述电场向所述两个电极之间的中央区域倾斜。
根据另一观点的实施例，本发明的液晶显示装置包括：第一衬底，具有内侧面和位于所述内侧面的相反一侧的外侧面；第二衬底，同所述第一衬底相对置地配置，并具有内侧面和位于所述内侧面的相反一侧的外侧面；多个门总线和同所述门总线交叉的多个数据总线，呈矩阵状配置在所述第一衬底的表面上，并分别限定由所述多个门总线中的一对和多个数据总线中的一对所围成的象素领域；位于所述两个衬底的内侧面之间且含有液晶分子的液晶层；象素电极和对置电极，形成于所述第一衬底的内侧面上，并相互间隔地配置，所述象素电极和对置电极用于在所述两个电极之间形成电场，以使所述液晶分子沿着电场排列；多个多个开关元件，分别对应于所述多个象素区域，分别将所述多个数据总线中的对应的线与所述多个象素电极中的对应的线连接起来；垂直取向膜，分别形成在所述第一衬底的内侧面和所述第二衬底的内侧面上；起偏镜，配置在所述第一衬底的外侧面上；相位补偿板，配置在所述第二衬底的外侧面上；检偏镜，配置在所述相位补偿板上；并且，当未形成所述电场时，所述液晶分子相对于所述两个衬底的内侧面垂直取向，当在所述象素电极与所述对置电极之间形成电场时，相对于所述两个衬底的内侧面垂直取向的所述液晶分子，沿着电场向所述两个电极之间的中央区域倾斜。
根据本发明，在形成电场时，产生抛物线状的电场，液晶分子相对于电极之间的中间部分对称地排列。从而，液晶层被分割成两个畴，所以可获得具有对称性的广视角。此外，不需要复杂工序便可容易地得到双重畴。
此外，在未形成电场时，通过相位补偿板可防止光泄漏，画面可成为完全的暗区。因此，较大地增加对比度。
附图的简要说明：
图1A是本发明第一实施例的液晶显示装置在未形成电场时的概略例示图；
图1B是本发明第一实施例的液晶显示装置在形成电场时的概略例示图；
图2是本发明第二实施例的液晶显示装置的第一衬底或基体衬底的剖面图；
图3是本发明第二实施例的液晶显示装置的第二衬底的剖面图；
图4A是本发明第二实施例的液晶显示装置在不形成电场时的剖面图；
图4B是本发明第二实施例的液晶显示装置在形成电场时的剖面图；
图5A是本发明第三实施例的液晶显示装置在未形成电场时的轴测图；
图5B表示本发明第三实施例的液晶显示装置在形成电场时的液晶驱动的轴测图；
图6A是表示构成普通液晶层的液晶分子形状的示意图；
图6B是构成本发明第三实施例的相位补偿板的液晶分子的示意图；
图7是本发明第四实施例的液晶显示器的下部衬底的平面图；
图8是沿图7的VIII-VIII′线剖开后表示的本发明第四实施例的液晶显示装置的剖面图，是未形成电场时的状态示意图；
图9是沿图7的VIII-VIII′线剖开后表示的本发明第四实施例的液晶显示装置的剖面图，是形成电场时的状态示意图；
图10是本发明涉及的液晶显示装置的电压-透过率曲线；
图11A是向本发明涉及的液晶显示装置外加15V电压时的透过状态示意图；
图11A是向本发明涉及的液晶显示装置外加55V电压时的透过状态示意图；
图12是本发明涉及的液晶显示装置的亮度的视角依赖度示意图；
图13是用于表示本发明液晶显示装置的液晶分子排列状态的模拟结果图；
图14是本发明涉及的具有相位补偿板的液晶显示装置的等对比度曲线。
下面，参照附图详细说明本发明的优选实施例。
第一实施例：液晶层内的双重畴形成方法
如图1A所示，在下部或第一衬底10上形成用于形成电场的第一电极12和第二电极14。两个电极由导电材料制成。这两个电极在光学上最好是透明的，可采用该技术领域中人们熟知的现有材料制造。可利用真空蒸镀、印刷以及其他可适用技术来制成提供理想的光学特性和电特性的电极。典型的电极材料包括铟锡氧化物、锡氧化物以及掺有锑的锡氧化物。电极最好较薄，例如约200A厚，并且是对液晶显示装置的光特性没什么大影响的透明物。电极12、14之间的间隔，分别与电极12、14的宽度相等或大一些，间隔例如为3～20μm，更理想的是4～5μm。
此外，电极12、14的形态可改变成例如相互交叉的指状组合形等多种形态。可同时形成两个电极，也可先形成两个电极中的任一个，然后形成另一个。最好是通过对电极边缘部分进行最佳设计，而防止辨别线(disclinationlines)的歪曲。此外，最好将第一电极和第二电极设置在同一层上。在这里，第一电极12和第二电极14是相互电气绝缘的。
然后，在形成有第一电极12和第二电极14的第一衬底10的结果物的表面上，涂覆由聚酰亚胺(JALS-204，日本合成橡胶公司制造)构成的下部或第一取向膜16。该第一取向膜16是用公知技术进行垂直取向而获得的取向膜。
此外，在上部或第二衬底18上形成由聚酰亚胺(JALS-204，日本合成橡胶公司制造)构成的上部或第二垂直取向膜20。在这里，第一取向膜16和第二取向膜20分别具有80°～92°的前倾角。前倾角表示液晶分子的长轴与衬底表面之间的夹角。
为了形成液晶单元，要进行如下组合，即使下部或第一衬底10与上部或第二衬底18相隔规定距离，例如具有4.2μm左右的单元间隙d。向下部衬底1与上部衬底5之间的空间内注入向列型液晶(韩国英克公司制造)形成液晶层22，所述向列型液晶具有很高的自身纯度及可靠性且电容率异向性为正。该液晶层22具有约0.065至0.07的双折射率Δn。因此，Δnd值被设定为约0.2～0.6。
液晶层22内的液晶分子24是这样排列的，即在第一电极12与第二电极14之间未形成电场时，通过垂直取向膜16、20，这些液晶分子的长轴实际上是垂直于衬底的。
然后，让我们看一看在液晶层内形成双重畴的原理，当施加低于阈值电压Vth的电压时，如图1A所示，液晶层的分子24与衬底10、18的表面垂直地排列。
在形成电场的情况下，即V＞Vth时，在第一电极12与第二电极14之间形成抛物线形干扰带电场E(fringe field)E。因此，液晶层22内的液晶分子24以上述电场形式如图1B所示地排列，存在于两个电极12及14之间区域内的液晶分子以边界(border)为中心形成两个畴D1、D2。即，第一畴D1内的液晶分子24a沿顺时针方向转动、排列，第二畴D2内的液晶分子24b沿逆时针方向转动、排列。与此相反，位于两个畴D1与D2之间的交界面上的液晶分子24c，由于相接邻的液晶分子24a、24b的影响而维持初期状态。
因此，本实施例与现有技术相反，取向膜即使不通过多道工序，也可通过简单工序，按双重畴或多重畴形成液晶层。
第二实施例：采用了液晶层内双重畴形成方法的液晶显示装置制造方法。
如图2所示，在第一衬底或基体衬底30上形成用于产生电场的象素电极32和对置电极34。电极32、34之间的间隔同电极12、14之间的间隔相等或稍大一点，例如是3～20μm，最好是4～5μm。此时，可以同时形成象素电极32和对置电极34，也可以先形成这两个电极32、34中的任一个，然后再形成另一个。象素电极32与对置电极34之间是电绝缘的。在本实施例中，在形成有象素电极32与对置电极34的第一衬底30的结果物的表面上，涂覆由聚酰亚胺(JALS-204，日本合成橡胶公司制造)构成的下部垂直取向膜36。下部取向膜36，是利用公知的技术进行垂直取向而获得的。下部取向膜36的前倾角为88°～92°。然后，用脱离子水(deionized water)将结果物洗净。
此外，如图3所示，在上部或第二衬底38的内侧面上，利用公知技术形成具有黑底(black matrix，图中未示出)的滤色板39。第二衬底38，不具有由铟氧化物构成的任何对置电极。
为了使液晶层内的分子垂直排列，在形成有滤色板39的第二衬底38的表面上，形成垂直排列的聚酰亚胺(JALS-204，日本合成橡胶公司制造)上部取向膜40。取向膜40具有约80°～92°范围的前倾角。然后，用脱离子水将结果物洗净。
接着，如图4A所示，为形成液晶单元，将第一衬底30和第二衬底38组装成具有规定距离、例如约3.0～8.5μm的单元间距。然后，向第一衬底30和第二衬底38之间的空间注入具有优良的自身纯度和可靠性且电容率异向性为正的向列液晶(韩国合成橡胶公司：manufactured by Merck korea)而形成液晶层42。该液晶层42具有约0.065～0.07的双折射率Δn。因此，本实施例的Δnd值约为0.2～0.6。
在此，液晶层42内的液晶分子44具有正的电容率异向性。其结果，在象素电极32和对置电极34之间未形成电场时，液晶层42内的液晶分子44通过下部及上部垂直取向膜36、40被排列成其长轴实际上垂直于衬底。以下将结果物称为LCD板。
然后，如图4A所示，将相位补偿板46安装在LCD板的第二衬底38的外侧面。将起偏镜48安装在LCD板的第一衬底30的外侧面，将检偏镜49安装在LCD板的相位补偿板46的露出表面上。
相位补偿板46也可以配置在LCD板的某一侧，这时，相位补偿板46位于起偏镜48和检偏镜49之间。换句话说，在图4A中，虽然相位补偿板46位于第二衬底38和检偏镜49之间，但相位补偿板46可以配置在第一衬底30和起偏镜48之间，另外，也可以配置在LCD板的两面上。更进一步说，相位补偿板46可以形成在液晶层的上部部分及下部部分中的至少任意一个部分上，如果不直接安装在液晶层上，也可以在与液晶层之间放置任何其它层和衬底而在液晶层的上部和下部部分中的至少任意一个部分上形成。
下面，看一下在液晶层内形成双重畴的工作原理，如图4A所示，未形成电场时，即在电极上加V＜Vth的电压时，液晶层42的分子44被排列成其长轴与两衬底30、38的表面垂直。
在象素电极32与对置电极34之间形成电场时，在象素电极32与对置电极34之间形成抛物线状的干扰带电场E。这时，抛物线状的平面电场具有以象素电极32和对置电极34之间的中心线为基准的对称形态。因此，如图4B所示，以中心线为基准对称地排列地形成双重畴d1、d2。第一畴d1上的液晶分子44a向顺时针方向转动后排列，第二畴d2上的液晶分子44b向逆时针方向转动地排列。此时，处于两个畴d1、d2之间的交界面上的液晶分子44c继续维持原来的排列状态。在此，由于受到与分子44c相邻的分子44a、44b的影响，液晶分子44c被排列成垂直于两衬底30、38的表面。因此，分子44具有以电极32、34间的交界作为基准的对称排列。
根据本实施例，由于形成多重畴，因此可以省略几个重迭工序及光刻工序。这样，不经过复杂的工序阶段，可容易地在各个单位象素内的液晶层中形成双重畴结构。
第三实施例：具有多重畴的液晶显示装置。
如图5A所示，第一衬底30和第二衬底38以例如约3.0～8.5μm的单元间隔d而相对配置。在此，例如将第一衬底30作为下部衬底，第二衬底38作为上部衬底。下部衬底30和上部衬底38是透明玻璃衬底。这时，单元间距是考虑液晶显示装置的响应时间、驱动电压、光效率等后决定的。最好将单元间隔设定成使Δnd(≈λ/2)约为0.2～0.6μm。通常，Δnd大时透过率增大，但视角反而变小。并且，增大d(单元间距)时，可减小驱动电压，但响应时间反而增加。将在后面进行说明相位补偿板。
液晶层42位于第一衬底30和第二衬底38之间。液晶层42内的液晶是电容率异向性为正(positive dielectric anisotropy)的向列液晶。由于在形成电场时液晶具有成弯曲结构的特性，最好选择弹性系数小的液晶而降低驱动电压。
具有正的电容率异向性的液晶，由于具有优良的纯度和可靠性，因此，在本实施例中使用具有正的电容率异向性的液晶。
另外，为了促使液晶层42恢复到原来状态，可使用添加剂。将典型的添加剂、即胆甾手性添加剂(cholesteric chiral additive)溶解在液晶内。
为了在IPS模式下形成驱动液晶层42的电场，将象素电极32和对置电极34形成在第一衬底30或第二衬底38中所选择的一个衬底的内侧面上，而不形成于另一个衬底。象素电极32和对置电极34是电绝缘的。在本实施例中，象素电极32和对置电极34都形成在第一衬底30的内侧面上。在此，象素电极32和对置电极34以规定距离隔离配置。象素电极32与对置电极34之间的间隔同电极32与34之间的宽度相同或比其稍大，间隔例如为3～20μm、最好为4～5μm。另外，使电极32、34的形态变更为例如相互交叉的指状组合状等多种形态。象素电极32和对置电极34由ITO物质之类的透明金属膜制成。
在此，向象素电极32输入数据总线信号，向对置电极34输入共同信号。在这里，虽未在图中表示，但是，在形成有象素电极32和对置电极34的衬底、例如下部衬底30的内侧面上，以矩阵形式形成门总线和数据总线、以及开关元件。另外，在未形成有电极32、34的衬底、例如上部衬底38的内侧面上形成滤色板(未图示)。
在本实施例中，为了使液晶分子排列成初期的排列方向而提供取向膜。取向膜(alignment layers)36、40分别形成于形成有象素电极32、对置电极34的第一衬底30的内侧面和第二衬底38的内侧面上。在向象素电极32和对置电极34外加电压之前，取向膜36、40使液晶层42内的液晶分子44排列成规定方向。在本实施例中的取向膜36、40是与衬底之间的前倾角为88°～92°的垂直取向膜。
垂直取向膜36、40引导可以使液晶分子的长轴实际上垂直于衬底地排列的垂直取向。因此，从液晶分子的排列可知，由垂直取向膜产生的前倾角同衬底表面之间的角度约为90°。
起偏镜(polorizor)48安装在第一衬底30的外侧面上。安装后的起偏镜48的偏光轴同形成于象素电极32与对置电极34之间的电场之间的夹角为40°～50°、最好是约45°。在此，起偏镜48的偏光轴同形成于象素电极32与对置电极34之间的电场所构成的角为45°，其原因如下。即，如下式1所示，透过率是在形成电场时液晶分子与偏光轴构成的角度的函数。
T＝sin2(2x)·sin2(π·Δnd/λ)……(式1)
其中，T：透过率
      x：液晶分子的光轴与起偏镜的偏光轴所构成的角度
      Δn：折射率异向性
      d：有效单元间距(液晶层的厚度)
      λ：入射光的波长
因此，为了获得最大的透过率，应使起偏镜48的偏光轴与液晶分子构成的角度x约为45°(π/4)。检偏镜(analyzer)49安装在上部衬底38的外侧面上。此时，将检偏镜49安装在上部衬底38的外侧面上，并使检偏镜49的轴与起偏镜48的轴垂直。
在本实施例中，为了大大提高对比度，使用具有与向列液晶的延迟(retardation)Δnd基本相等的延迟值的相位补偿板。在图5A中，相位补偿板46配置在第二衬底38与检偏镜49之间，但相位补偿板46也可以配置在第一衬底30与起偏镜48之间，还可以配置在LCD板的两面上。进一步地，相位补偿板46可形成在液晶层的上部部分和下部部分中的至少任一个部分上，如果不直接安装在液晶层上，也可以在与液晶层之间设置任何其它层和衬底，形成在液晶层的上部和下部部分中的至少任意一个部分上。
相位补偿板46由具有与液晶层44的Δnd基本相同的Δnd值的向列液晶单元构成。
如图6A所示，液晶层42通常由其高度nz比半径nx、ny大一些且具有正的双折射率(positive birefringence)棒状液晶分子44(nx＝ny＜nz)构成。由此，液晶分子44如上所述地具有长轴和短轴，所以具有折射率异向性的特性。因此，例如液晶分子44都垂直于衬底排列时，当使用者从前面看画面的情况下，只能看到液晶分子的短轴，画面成为黑暗状态。另一方面，当使用者从偏离起偏镜轴的方向看画面时，可以看到液晶分子的斜线轴，产生光泄漏现象。这种光泄漏降低液晶显示装置的对比度。
因此，如图6B所示，相位补偿板46由高度nz比半径nx、ny相对短一些而具有负的双折射率的液晶分子46a(nx＝ny＞nz)构成。在此，具有负的双折射率的液晶分子46a，是例如盘形液晶分子或二轴延伸液晶分子。相位补偿板46是具有负的折射率的液晶分子46a硬化后的液晶薄膜。因此，若设置相位补偿板46，则由相位补偿板46补偿液晶分子44(nx＝ny＜nz)的折射率异向性，可以看成是同向性。
具有这种结构的液晶显示装置的工作如下。
首先，在将电压加在象素电极32和对置电极34上之前，如图5A所示，由于垂直取向膜36、40的影响，液晶分子44被排列成其长轴与衬底表面相垂直。因此，从起偏镜48下部射入的光通过起偏镜48后被线偏光，经过线偏光的光通过液晶层42时，偏光状态不变化。这样，通过液晶层42的光不能通过检偏镜49，画面成黑暗状态。此时，由相位补偿板46补偿液晶层42的折射率异向性，不仅从前面、而且从各个面看完全为黑暗状态。因此，改善了液晶显示装置的对比度(contrastratio)。
另一方面，若将规定电压加在象素电极32和对置电极34上，则如图5B所示，在象素电极32和对置电极34之间形成电场。更详细地说，形成邻接于下部衬底30且几乎平行于衬底表面的平面(in-plane)电场E1，并形成抛向上部衬底38的抛物线状的干扰带电场E2。液晶分子被排列成其长轴与电场平行。
此时，存在于象素电极32与对置电极34之间的中部的液晶分子44c维持形成电场之前的排列状态，该液晶分子44c两侧的液晶分子44a、44b沿着电场而左右对称地倾斜。因此，在象素电极32与和对置电极34之间以中心线为界形成两个畴。其中，位于中心线上的液晶分子44c成为分割两个畴的界线。此时，由于以电场的形式形成双重畴，液晶显示装置的画面可以实现完美的左右对称。
在此，如上所述，位于下部的电场E1与起偏镜48的偏光轴之间的夹角约为45°。另外，当把抛物线状的平面电场E2也投影到下部衬底10上时，投影体与起偏镜48的偏光轴之间夹角约为45°。因此，通过起偏镜48被直线偏光后的光，在液晶层42内改变偏光状态，进行抛物线偏光，能通过检偏镜49，画面呈明亮状态。这样，透过率适用于上述(式1)而成为最大值。
在此，由于垂直取向膜36、40与液晶分子之间的力的作用，同两衬底30、38直接接触的液晶分子维持形成电场前的状态。
第四实施例：具有多重畴的有效矩阵方式的液晶显示装置。
如图7所示，在液晶显示装置中，多个门总线51-1、51-2和数据总线55-1、52-2以有效的矩阵状排列在透明的下部衬底50上。在门总线51-1、51-2与数据总线55-1、55-2之间具有门绝缘膜(未图示)，在进行电绝缘。单位象素区域P1-P4是由一对门总线和一对数据总线围成的空间。例如，如图7所示，象素P1是由两种总线51-1、51-2及55-1、55-2围成的区域形成的。以类似的方式形成象素P2、P3及P4。对置电极52-1、52-2、52-3、52-4分别形成在下部衬底50的单位象素领域P1-P4空间内，具有例如四方形的形状，同在行(row)方向上邻接的其它单位象素内的对置电极52-1、52-2、52-3、52-4电气连接。因此，在对置电极52-1、52-2、52-3、52-4上都传递相同的共用信号。
象素电极56-1分别形成在形成有对置电极52-1的下部衬底50的单位象素空间P1-P4内。在此，象素电极56-1可以按多种形态形成，在本实施例中是以文字“I”字形的形态形成。在这里，象素电极56-1的第一突缘(flange)部分56-1a和第二突缘部分56-1c相互平行，与对置电极52重迭。象素电极的腹板(web)部分56-1b将第一突缘部分56-1a和第二突缘部分56-1c连接起来，同时分割由对置电极52包围的空间。在本实施例中，第一突缘部分56-1a和第二突缘部分56-1c，同平行于门总线51-1、51-2的对置电极52-1部分重迭，腹板部分56-1b被设置在同数据总线55-1、55-2平行的对置电极52-1部分中。
开关元件、例如薄膜晶体管TFT1-TFT2被设置在门总线51-2与数据总线55-1、55-2的交叉部分。该薄膜晶体管TFT1-TFT2包括门总线51-2、配置在门总线上的信道层54、从象素电极56-1延伸的源电极56d，以及数据总线(漏电极)55-1、55-2。在此，液晶显示装置的单位单元的开口空间AP是由对置电极52-1和象素电极56-1围成的空间，从对置电极52-1与象素电极56-1相重迭的空间产生辅助容量电容。在图7中省略了上部衬底或第二衬底的结构。
含有信息的信号波(signal waves)被提供给例如数据总线55-1，扫描波(scanning waves)被同步地提供给例如门总线51-2。在此，虽然在图中未表示，但各自的门总线51-1、51-2和数据总线55-1、55-2分别与扫描驱动LSI和信号驱动LSI相连接。信息信号从数据总线55-1通过薄膜晶体管TFT1而传送到象素电极56-1上。因此，在对置电极52-1和象素电极56-1之间产生电场。
图8和图9是沿图7的VIII-VIII′线剖开的剖面图，门总线(门电极)51-1和对置电极52-1形成在下部衬底50的表面上，门绝缘膜53形成在形成有门总线51-1和对置电极52的下部衬底50的表面上。蒸镀非晶质硅层并制成布线图案，从而在门总线51-1上方的门绝缘膜53上形成信道层54。数据总线(漏电极)55-1与信道层54的一侧重迭，并形成在门绝缘膜53上部，象素电极56-1与信道层54的另一侧重迭，并形成在门绝缘膜53上部，由此形成薄膜晶体管TFT1。在此，门绝缘膜53所起的作用是使门总线(门电极)51-1和数据总线(漏电极)55-1之间绝缘，并使对置电极52-1和象素电极56-1之间绝缘。
垂直取向的下部取向膜57形成在已形成有薄膜晶体管TFT1的下部衬底50的结果物上。黑色矩阵61被设置在与下部衬底50相对置的上部衬底60的内侧面上，其与薄膜晶体管TFT1相对应。滤色板62被设置在黑色矩阵61的侧面上的上部衬底60的表面上，并与单位象素相对应。垂直取向的上部取向膜63形成在设有黑色矩阵61和滤色板62的上部衬底60的表面上。电容率异向性为正的液晶70介于上、下部衬底50和60之间。
在门总线51-1和数据总线55-1上未施加信号时，如图8所示，因上、下垂直取向膜57、63的影响，液晶内的分子70-1被排列成其长轴垂直于衬底。
若将规定信号加在门总线51-1和数据总线55-1上，则如图9所示，在对置电极52-1和象素电极56-1之间形成抛物线状的干扰带电场71。液晶分子70-1以抛物线状的干扰带电场的形态排列，形成双重畴。
这时，在该实施例中，也如上述的那样，存在于对置电极52和象素电极56之间中央部分的液晶分子70c，维持形成电场前的排列状态，该液晶分子70c两侧的液晶分子70a、70b沿电场左右对称地倾斜。
在此，对置电极52和象素电极56可变更为多种形式，例如轮状、十字状、“I”、“T”、“II”形等。
然后，为了测定电气光学特性，使用碘钨灯作为光源，并将电源(functiongenerator)发出的60Hz的方波电压加在样品单元上。用光电倍增管(photomultiplier tube)测定通过该单元的光。
图10表示电压-透过率曲线。加载电压7V后引起光透过。然后，当外加电压为40V时透过率几乎达到饱和状态。垂直方向上的透过特性为sin2(δ/2)的函数。这里，δ＝πdΔn/λ表示相位延迟(phase retardation)。因此，对于dΔn＝λ/2的单元来说，随着以追加方式增加电压，透过率也继续增加。透过率-饱和电压取决于电极间的距离、单元间隔及液晶材料。因此，根据Vth＝πl/d(k3ε0Δε)1/2的最佳设计，Vth可减小为约5V左右。
对本发明的液晶显示装置进行驱动及显微镜观察。当外加电压为40V时，上升时间(rising time)为11ms，衰减时间为9ms。该速度与具有VA模式的单元速度几乎相同。使用偏振光显微镜观察透过图形。在外加小于阈值电压的电压时，在靠近球形空间(sphere spacers)区域之外的区域，显示出完全黑暗状态。电压增加到阈值电压以上时，如图11A及图11B所示，在靠近电极的区域产生透过，透过区域扩大到整个空间。在电极间的中央存在辨别线(disclination lines)。其原因是，液晶层在该中央区域的整个单元间隙中不发生移动。即，方向子从两个侧被推向中央。该辨别线非常稳定，甚至加55V电压也不产生混乱。由于该辨别线不移向其它区域，因此，对显示元件的性能没有影响。
图12是表示视角与透过率之间关系的示意图，是在垂直方向上加40V电压时的光强度。如图所示，在亮度面上的均匀度同K.Ohmuro、S.Kataoka、T.Kasaki、Y.Keike在(美国)信息显示学会97摘要、845(1997)上发表的具有一个畴的VA模式相比，得到很大改善。另外，在各个方向上的60°极角以内透过30％以上的光。这样的结果取决于由抛物线状的干扰带电场引起的具有双重畴的液晶方向子的形态。
图13是模拟具有上述结构的液晶显示装置的结构图，位于象素电极32和对置电极34之间的液晶分子按电场形态排列。由于电极32、34上部带有等电位，所以，位于象素电极32和对置电极34上部的液晶分子维持初始状态。这种液晶显示装置如图所示地约用30ms达到饱和状态，因此用30ms即可获得最大透过率。从该结果可知，同用50～60ms以上获得最大透过率的现有的IPS(平面内切换：In Plane Switching)模式的液晶显示装置相比，其响应速度快。因此，可以适用于要求动态图像的画面。
图14是具有相位补偿板46的本实施例液晶显示装置的等对比度曲线(iso-contrast curve)图。如图所示，液晶显示装置以等对比度曲线形式成镜面对称。另外，同具有一般的TN模式或相位补偿板的VA模式(K.Ohmuro、S.Kataoka、T.Sasaki、Y.Koikwe、信息显示学会97摘要、845(1997))相比，对比度大于10的区域较大。特别是对角线方向上的视角特性更好。
如上详细说明的那样，根据本发明，在形成电场时，产生抛物线状电场，液晶分子相对于电极之间的中间部分对称地排列。这样，液晶层被分割成两个畴，所以可得到具有对称性的大视角。另外，不需复杂的工艺就能容易地得到双重畴。
另外，在未形成电场时，通过相位补偿板可防止光泄漏，从而使画面成为完全黑暗状态。因此，对比度大大提高。
而且，在本实施例中，在未形成电场时，液晶分子的长轴垂直于衬底表面，形成电场时，液晶分子沿着电场方向按电场形态排列。因此，同在未形成电场时液晶分子平行于衬底表面而排列而在形成电场时液晶分子按电场形态被扭转的现有的IPS模式液晶显示装置相比，本发明的液晶显示装置的响应时间大大缩短。
另外，由于使用具有很高的自身纯度和可靠性的正的电容率异向性的液晶，因此大大提高了液晶显示元件的质量。
还有，由于在液晶层内形成双重畴，因此，形成电场时从斜向观看画面的侧面时，可以看到几乎同样数量的液晶分子的长轴和短轴。这样，可以防止现有液晶显示装置中的、在只看液晶分子的一个轴的情况下所产生的颜色变化(color shift)现象。
本发明不限于上述的实施例。
在本实施例中，虽然只在下部衬底上形成象素电极和对置电极，但是，与此不同地，在下部衬底上不形成电极，而只在上部衬底上形成象素电极和对置电极，也可以获得同样的效果。
另外，在本实施例中，虽然将具有负的双折射率的相位补偿板设在上部衬底和检偏镜之间，但也可以设在下部衬底和起偏镜之间、液晶层和下部衬底之间、液晶层和下部衬底之间等处。
在不违反本发明的原理和宗旨的范围内，本领域工作人员不仅明白各种变形实施例属于本技术，而且也能够容易地发明。因此，附在该说明书中的权利要求不限于上述的说明，上述权利要求包括本发明范围内的具有专利性质的一切新内容，同时还包括本发明技术领域的具有一般知识的人员能够进行均等处理的所有特征。

Claims (44)

1.一种液晶层内双重畴的形成方法，其特征在于，在具有相互间隔的两个电极的衬底上形成垂直取向的液晶层，并在所述两个电极之间施加电压，从而在所述两个电极之间形成抛物线状的干扰带电场。
2.一种液晶层内双重畴的形成方法，其特征在于，包括如下工序：提供具有表面的衬底的工序；在所述衬底的表面上形成相互间隔规定距离的第一电极和第二电极的工序；在形成有第一电极和第二电极的所述衬底表面上，形成相对于所述衬底表面垂直取向的液晶层的工序；在所述第一电极与第二电极之间形成电场的工序；并且，在所述液晶层内，畴的界面形成在所述电极之间的中间部分。
3.如权利要求2所述的液晶层内双重畴的形成方法，其特征在于，形成所述垂直取向的液晶层的工序包括：在形成有第一电极和第二电极的衬底上形成垂直取向膜的工序；在所述垂直取向膜上形成所述液晶层的工序。
4.一种液晶显示装置制造方法，其特征在于，包括如下工序：提供具有表面的第一衬底的工序；在所述第一衬底的表面上形成第一电极和第二电极的工序；在形成有所述第一电极和第二电极的第一衬底的表面上形成垂直取向膜的工序；提供具有表面的第二衬底的工序；在所述第二衬底的表面上形成垂直取向膜的工序；配置所述第一衬底和第二衬底像的工序，使所述两个衬底的所述垂直取向膜相互对置，并使两个衬底间隔规定距离；在所述两个衬底的所述垂直取向膜之间的空间形成液晶的工序。
5.一种液晶显示装置制造方法，其特征在于，包括如下工序：提供具有内侧面及外侧面的第一衬底的工序；在所述第一衬底的内侧面上形成第一电极和第二电极的工序；在形成有第一电极和第二电极的第一衬底的内侧面上形成垂直取向膜的工序；提供具有内侧面及外侧面的第二衬底的工序；在所述第二衬底的内侧面上形成垂直取向膜的工序；使所述两个衬底的内侧面以规定距离相互对置地配置所述两个衬底的工序；在所述两个衬底之间的空间形成液晶层的工序；在所述两个衬底的至少任一个衬底的外部表面上形成相位补偿板的工序。
6.如权利要求5所述的液晶显示装置制造方法，其特征在于，在形成所述相位补偿板的工序之后，还包括在所述第一衬底的外侧安装起偏镜并在第二衬底的外侧配置检偏镜的工序。
7.一种液晶显示装置，其特征在于，包括：具有表面的基体衬底；在所述基体衬底表面上形成的第一电极；形成在所述基体衬底的同一表面上且为了形成电场而与所述第一电极间隔的第二电极；在形成有所述第一电极和第二电极的所述基体衬板的表面上形成的含有液晶分子的液晶层，当所述电极之间未形成电场时，所述液晶分子与基体衬底表面相垂直地取向；并且，在所述两个电极之间形成电场时，液晶分子向所述两个电极之间的中央区域倾斜。
8.如权利要求7所述的液晶显示装置，其特征在于，包括：在所述液晶层的上部表面及下部表面中的至少一个表面上形成的垂直取向膜。
9.如权利要求7所述的液晶显示装置，其特征在于，所述液晶层是电容率异向性为正的物质。
10.如权利要求7所述的液晶显示装置，其特征在于，还形成同所述基体衬底和液晶层一起构成板的第二衬底，在所述板上还设有相位补偿板。
11.如权利要求10所述的液晶显示装置，其特征在于，所述相位补偿板由含有许多负双折射率的液晶分子的液晶薄膜构成。
12.如权利要求7所述的液晶显示装置，其特征在于，所述第一电极是象素电极，所述第二电极是对置电极。
13.如权利要求12所述的液晶显示装置，其特征在于，所述象素电极和对置电极分别由透明金属薄膜制成。
14.如权利要求8所述的液晶显示装置，其特征在于，所述液晶层是电容率各向异性为正的物质。
15.如权利要求8所述的液晶显示装置，其特征在于，还形成同所述基体衬底和液晶层一起构成板的第二衬底，在所述板上还设有相位补偿板。
16.如权利要求15所述的液晶显示装置，其特征在于，所述相位补偿板由含有许多负双折射率的液晶分子的液晶薄膜构成。
17.如权利要求8所述的液晶显示装置，其特征在于，所述第一电极是象素电极，所述第二电极是对置电极。
18.如权利要求17所述的液晶显示装置，其特征在于，所述象素电极和对置电极分别由透明金属薄膜构成。
19.一种液晶显示装置，其特征在于，包括：衬底；在所述衬底的表面上形成的第一电极；在所述衬底的表面上同第一电极相互分开地形成的第二电极，用于同所述第一电极一起形成电场；在所述衬底的表面上形成且含有液晶分子的液晶层；在所述液晶层的上部部分及下部部分中的至少一个部分形成的垂直取向膜；在液晶层的上部部分及下部部分中的至少一个部分形成的相位补偿板；并且，当在所述两个电极之间形成电场时，所述液晶分子向所述两个电极之间的中央区域倾斜。
20.如权利要求19所述的液晶显示装置，其特征在于，所述相位补偿板由含有许多负双折射率的液晶分子的液晶薄膜构成。
21.如权利要求19所述的液晶显示装置，其特征在于，所述液晶层是电容率异向性为正的物质。
22.如权利要求19所述的液晶显示装置，其特征在于，所述第一电极是象素电极，所述第二电极是对置电极。
23.如权利要求22所述的液晶显示装置，其特征在于，所述象素电极和对置电极分别由透明金属薄膜制成。
24.一种液晶显示装置，其特征在于，包括：第一衬底，具有内侧面和位于所述内侧面的相反一侧的外侧面；第二衬底，同所述第一衬底相对置地配置，具有内侧面和位于所述内侧面的相反一侧的外侧面；位于所述两个衬底之间且含有液晶分子的液晶层；第一电极和第二电极，形成于所述第一衬底的内侧面上，为了形成电场而相互间隔地配置；在所述第一衬底的内侧面和所述第二衬底的内侧面上分别形成的垂直取向膜，；配置在所述第一衬底及第二衬底的外侧表面中的至少任一个表面上的相位补偿板；并且，当所述两个电极之间形成电场时，所述液晶分子向所述两个电极之间的中央区域倾斜。
25.如权利要求24所述的液晶显示装置，其特征在于，还包括：在所述第一衬底的外侧配置的起偏镜。
26.如权利要求25所述的液晶显示装置，其特征在于，还包括：在所述第二衬底的外侧配置的检偏镜。
27.如权利要求24所述的液晶显示装置，其特征在于，所述相位补偿板由含有许多负双折射率的液晶分子的液晶薄膜构成。
28.如权利要求25所述的液晶显示装置，其特征在于，所述起偏镜的轴与电场方向之间的夹角约为45°。
29.如权利要求26所述的液晶显示装置，其特征在于，所述起偏镜的轴与所述检偏镜的轴之间的夹角约为90°。
30.如权利要求24所述的液晶显示装置，其特征在于，所述液晶层是电容率异向性为正的物质。
31.如权利要求24所述的液晶显示装置，其特征在于，所述第一电极是象素电极，所述第二电极是对置电极。
32如权利要求31所述的液晶显示装置，其特征在于，所述象素电极和对置电极分别由透明金属薄膜构成。
33.一种液晶显示装置，其特征在于，包括：第一衬底，具有内侧面和位于所述内侧面的相反一侧的外侧面；同所述第一衬底相对置地配置的第二衬底，具有内侧面和位于该内侧面的相反一侧的外侧面；位于所述两个衬底的内侧面之间且含有液晶分子的液晶层；所述象素电极和对置电极，形成于所述第一衬底的内侧面上，且相互间隔地配置，用于在所述两个电极之间形成电场后沿电场排列所述液晶分子；在所述第一衬底的内侧面和第二衬底的内侧面上分别形成的垂直取向膜；配置在所述第一衬底的外侧面上的起偏镜；配置在所述第二衬底的外侧面上的相位补偿板；配置在所述相位补偿板上的检偏镜；并且，当在所述象素电极与所述对置电极之间形成电场时，相对于所述两个电极之间的内侧面垂直取向的液晶分子，沿着所述电场向所述两个电极之间的中央区域倾斜。
34.如权利要求33所述的液晶显示装置，其特征在于，所述液晶层是电容率异向性为正的物质。
35.如权利要求33所述的液晶显示装置，其特征在于，所述起偏镜的轴与电场方向的夹角约为45°。
36.如权利要求33所述的液晶显示装置，其特征在于，所述起偏镜的轴与所述检偏镜的轴之间的夹角约为90°。
37.如权利要求33所述的液晶显示装置，其特征在于，所述相位补偿板由含有许多负双折射率的液晶分子的液晶薄膜构成。
38.如权利要求33所述的液晶显示装置，其特征在于，所述象素电极和对置电极分别由透明金属薄膜构成。
39.一种液晶显示装置，其特征在于，包括：第一衬底，具有内侧面和位于所述内侧面的相反一侧的外侧面；第二衬底，同所述第一衬底相对置地配置，并具有内侧面和位于所述内侧面的相反一侧的外侧面；多个门总线和同所述门总线交叉的多个数据总线，呈矩阵状配置在所述第一衬底的表面上，并分别限定由所述多个门总线中的一对和多个数据总线中的一对所围成的象素领域；位于所述两个衬底的内侧面之间且含有液晶分子的液晶层；象素电极和对置电极，形成于所述第一衬底的内侧面上，并相互间隔地配置，所述象素电极和对置电极用于在所述两个电极之间形成电场，以使所述液晶分子沿着电场排列；多个多个开关元件，分别对应于所述多个象素区域，分别将所述多个数据总线中的对应的线与所述多个象素电极中的对应的线连接起来；垂直取向膜，分别形成在所述第一衬底的内侧面和所述第二衬底的内侧面上；起偏镜，配置在所述第一衬底的外侧面上；相位补偿板，配置在所述第二衬底的外侧面上；检偏镜，配置在所述相位补偿板上；并且，当未形成所述电场时，所述液晶分子相对于所述两个衬底的内侧面垂直取向，当在所述象素电极与所述对置电极之间形成电场时，相对于所述两个衬底的内侧面垂直取向的所述液晶分子，沿着电场向所述两个电极之间的中央区域倾斜。
40.如权利要求39所述的液晶显示装置，其特征在于，所述液晶层是电容率各向异性为正的物质。
41.如权利要求39所述的液晶显示装置，其特征在于，所述起偏镜的轴与电场方向的夹角约为45°。
42.如权利要求39所述的液晶显示装置，其特征在于，所述起偏镜的轴与所述检偏镜的轴之间的夹角约为90°。
43.如权利要求39所述的液晶显示装置，其特征在于，所述相位补偿板由含有许多负双折射率的液晶分子的液晶薄膜构成。
44.如权利要求39所述的液晶显示装置，其特征在于，所述象素电极和对置电极分别由透明金属薄膜构成。
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