CN1201160A - 液晶显示装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

目的在于,获得高亮度的液晶显示装置及其制造方法。把形成了由折射率不同的材料构成的聚焦透镜6及平坦化层7的下部透明绝缘性基板1,与形成了象素电极4、5的上部透明绝缘性基板2对置起来,在其间夹持液晶层3而形成IPS方式液晶显示装置,把通过对聚焦透镜层9进行锥形蚀刻所形成的聚焦透镜6的锥形部6b相对于形成了象素电极4、5的区配置。

Description

液晶显示装置及其制造方法
本发明涉及液晶显示装置及其制造方法。
在现有的有源矩阵型液晶显示装置中，采用扭转向列(twistednematics)显示方式(下面，称为TN显示方式)的装置是熟知的，但是，在采用了这种显示方式的液晶显示装置中，把驱动液晶的一对透明电极分别配置在对置的两块透明绝缘性基板的相对的面上，使施加到液晶上的电场方向对基板面基本垂直，对液晶的取向进行控制。
在采用了TN显示方式的液晶显示装置中，利用垂直于透明绝缘性基板的纵向电场驱动液晶分子，因此，在液晶分子在倾斜方向上增多起来的状态下，光学特性具有随着视觉方向的不同而不同的视觉依存性。结果是，在改变了视觉方向的情况下，对比度的变化显著，存在着难以显示中间色调的问题。
提出了不少改善这样的视觉依存性的方法的提案，但是，使施加到液晶上的电场方向基本平行于基板方向(下面称为横向)的显示方式(下面，把这种显示方式称为IPS(面内转换，In-Plane Switching)方式)，因其能够大幅度地改善视觉依存性、而且，几乎能够原原本本地充分利用TN显示方式的制造技术，而受到注意。例如，在1992年，广岛，日本显示器会议论文集第547～550页中，R.Kiefer等人提出了题为“向列液晶的面内转换”的IPS方式的报告。此后，提出了不少使用IPS方式的电极结构的提案。
图9为IPS方式液晶显示装置的液晶显示元件的概略剖面图，该图例如发表在1995年，滨松、亚洲显示器会议论文集第577～580页，M.Oh-e等人题为“面内转换方式中光电效应的原理及特性”的报告中。图9中，1为光入射侧的下部透明绝缘性基板；2为上部透明绝缘性基板；3为在对置的下部透明绝缘性基板1与上部透明绝缘性基板2之间夹持的液晶层；3a为构成液晶层3的液晶分子；4及5为第1象素电极及第2象素电极，它们在下部透明绝缘性基板1上与上部透明绝缘性基板2相对的面上形成。在第一象素电极4及第二象素电极5上，分别施加给定的电压，借助于在第一象素电极4与第二象素电极5之间产生的横向电场改变液晶分子3a的扭转量，控制液晶层3上的透射光强。
还有，在液晶显示装置中，显示亮度是确定液晶显示装置性能的重要因素，近年来，提高了对液晶显示装置低耗电化的要求，有限制背照灯的光量的趋势，因此，提高液晶显示元件中的光透射率成为液晶显示装置高亮度化中不可缺少的重要技术。
但是，在图9所示的IPS方式液晶显示装置中，作为构成第一象素电极4及第二象素电极5等的电极材料，使用不透过通常可见光的金属，因此，亮度显著降低。液晶显示装置的光透射率与开口部的比例(光透射部分对整个象素面积之比)即与数值孔径成正比，因此，借助于增大开口部的比例能够提高光透射率，但是，根据下述观点，在增大开口部的比例方面受到了限制。
1.根据使电场强度保持为一定值以上，以便良好地控制液晶分子3a的观点，第一象素电极4与第二象素电极5的间隔具有上限值。
2.根据防止断开的观点，第一象素电极4及第二象素电极5的电极宽度具有下限值。
当考虑到上述情况时，第一象素电极4与第二象素电极5的间隔最好为20μm以下，而且，第一象素电极4及第二象素电极5的电极宽度最好为10μm以上。在把这些条件应用于象素尺寸为长300微米、宽100微米的液晶显示装置(最近，已商品化的个人计算机用液晶显示装置)的电极上的情况下，概算的开口率为25％左右，与现有的TN显示方式的液晶显示装置的开口率(50％以上)相比，显著低劣。结果是，存在着液晶显示装置的光透射率降低，显示亮度降低的问题。
作为提高IPS方式液晶显示装置的显示亮度的方法，例如在特开平7-306399号公报中，提出了把微透镜阵列配置到夹持液晶层的一对透明基板的外侧上，利用微透镜使从背照灯射出的光折射、聚焦到开口部上，谋求液晶显示装置的高亮度化的方法。
现有的IPS方式液晶显示装置如上构成，作为谋求高亮度化的方法，在特开平7-306399号公报中提出了把微透镜阵列配置到夹持液晶层的一对透明基板的外侧的方法，但是，存在着下述问题。
1.微透镜阵列的制造方法是复杂的，把熔化了的丙烯树脂注入成形模中，缓慢冷却形成微透镜阵列，因此，需要特殊的工序，存在着成本变高的问题。
2.把微透镜阵列配置到夹持液晶层的一对透明基板的外侧，暴露在空气中，因此，存在着因尘埃附着等引起的不良问题。
3.调整微透镜阵列的焦距是不容易的，利用微透镜折射率与空气折射率(约为1.0)之差来调整焦距，空气折射率是一定的，因此，为了调整焦距，就必须改变微透镜的折射率。还有，借助于改变微透镜的曲率半径能够变更焦距，但是，为了形成曲率半径不同的微透镜，就需要制作不同的成形模，因此，在成本及操作性方面存在着问题。特别是，在以焦距为参数，进行使亮度特性为最佳的设计的情况下，采用特开平7-306399号公报中所示的微透镜是不实用的。
本发明是为了消除上述那样的问题而完成的，其目的在于，在IPS方式的液晶显示装置中，借助于备有能够简单地制造、而且能够容易地进行焦距的调整、且不引起因尘埃附着等所引起的成品率降低的微透镜，而获得高亮度的液晶显示装置。又一个目的在于，提供适合于这种装置的制造方法。
与本发明有关的液晶显示装置包括：对置的一对透明绝缘性基板；在一对透明绝缘性基板之间夹持的液晶层；与液晶层相对配置的多个电极；以及在一对透明绝缘性基板中任一块基板上形成的，同时配置在这块基板与多个电极之间的光学构件。
还有，光学构件具有使光折射的功能。
还有，与本发明有关的液晶显示装置包括：第一基板、第二基板、液晶层；第一基板具有：透明绝缘性基板、在透明绝缘性基板上形成的透镜、在透镜上形成的平坦化层；第二基板，在另一透明绝缘性基板上形成了多个电极；把液晶层夹持在第一基板与第二基板之间；第一基板具有借助于透镜折射率与平坦化层折射率之差，使光折射的功能。
或者，与本发明有关的液晶显示装置包括：第一基板、第二基板、液晶层；第一基板具有：透明绝缘性基板、在透明绝缘性基板上形成的透镜、在透镜上形成的平坦化层、在平坦化层上形成的多个电极；第二基板由另一透明绝缘性基板构成；把液晶层夹持在第一基板与第二基板之间；第一基板具有借助于透镜折射率与平坦化层折射率之差，使光折射的功能。
还有，借助于透镜及平坦化层折射、聚焦的光的焦距大于形成透镜的面与形成电极的面的距离。
还有，透镜具有从透明绝缘性基板伸出来的凸形的剖面形状。
另外，具有凸形剖面形状的透镜具有锥形部。
还有，透镜具有由两个锥形部构成的三角形的剖面形状。
另外，具有三角形剖面形状的透镜具有小于平坦化层的折射率，同时把它不连续地配置起来，使之与电极的形成位置一致。
或者，透镜具有由扁平部、及与该扁平部两端相接的两个锥形部构成的梯形的剖面形状。
另外，具有梯形剖面形状的透镜具有大于平坦化层的折射率，同时把它连续地配置起来，使相邻透镜的锥形部与电极的形成位置一致。
还有，透镜的材质为氮化硅或氧化钽。
或者，透镜的材质为氧化硅或氟化镁。
还有，平坦化层的材质为丙烯系列树脂或聚酰亚胺系列树脂。
还有，电极由分别施加电压的第一电极及第二电极构成，形成其方向平行于透明绝缘性基板面的电场。
另外，与本发明有关的液晶显示装置的制造方法包含：在透明绝缘性基板上形成透镜层的工序；对透镜层进行蚀刻，形成多个透镜的工序；在形成了透镜的透明绝缘性基板上形成平坦化层的工序；在另一透明绝缘性基板上的给定位置上形成电极的工序。
或者，与本发明有关的液晶显示装置的制造方法包含：在透明绝缘性基板上形成透镜层的工序；对透镜层进行蚀刻，形成多个透镜的工序；在形成了透镜的透明绝缘性基板上形成平坦化层的工序；在平坦化层上的给定位置上形成电极的工序。
还有，透镜层的蚀刻端面为施行锥形蚀刻的面。
还有，在透镜层的蚀刻中，使用等离子体蚀刻法。
图1为表示本发明实施例1的液晶显示装置的液晶显示元件的斜视图；
图2为表示本发明实施例1的液晶显示装置的液晶显示元件的剖面图；
图3为表示本发明实施例1的液晶显示元件的制造工序的剖面图；
图4为用于说明本发明实施例1中的光折射的示意图；
图5为表示本发明实施例2的液晶显示装置的液晶显示元件的剖面图；
图6为用于说明本发明实施例2中的光折射的示意图；
图7为表示本发明实施例3的液晶显示装置的液晶显示元件的剖面图；
图8为表示本发明实施例3的液晶显示装置的液晶显示元件的剖面图；
图9为表示现有的这种IPS方式液晶显示装置的液晶显示元件的剖面图。
实施例1
下面，就图说明本发明之一实施例的液晶显示装置。图1为本发明实施例1的液晶显示装置的液晶显示元件的斜视图，图2为沿着图1中A-A线的剖面图。图中，1为光入射侧的下部透明绝缘性基板；2为上部透明绝缘性基板；3为在对置的下部透明绝缘性基板1与上部透明绝缘性基板2之间夹持的液晶层；3a为构成液晶层3的液晶分子；4及5为在上部透明绝缘性基板2上形面的第一象素电极及第二象素电极，在第一象素电极4及第二象素电极5上分别施加给定的电压，借助于在第一象素电极4与第二象素电极5之间产生的横向电场改变液晶分子3a的扭转量，控制液晶层3上的透射光强。6为在下部透明绝缘性基板1上形成的聚焦透镜，聚焦透镜6的剖面形状由平行于下部透明绝缘性基板1的扁平部6a、及带有倾斜的锥形部6b构成。7为在聚焦透镜6上形成的平坦化层，它是为了产生与聚焦透镜6的折射率之差、而且，为了使液晶层3的取向稳定而形成的。8为在下部透明绝缘性基板1上形成聚焦透镜6及平坦化层7的聚焦板。
其次，说明本实施例的液晶显示装置的制造方法。
图3为表示具有聚焦透镜6的聚焦板8的制造工序的剖面图。首先，如图3-a所示，例如借助于CVD法在下部透明绝缘性基板1上形成聚焦透镜层9。其次，形成保护图形(未图示)，借助于干刻法或湿刻法进行蚀刻形成锥形部6b，如图3-b所示，形成具有扁平部6a及锥形部6b的多个聚焦透镜。
作为聚焦透镜层9的蚀刻方法之一例，说明有关使用等离子体蚀刻法的锥形部6b的形成方法。把氟化碳、氧及氟化硫中的任一种作为蚀刻气体使用，进行等离子体蚀刻。再者，在蚀刻条件(气体压力等)中，不需要特殊的条件，可以使用现有的等离子体蚀刻装置。但是，作为蚀刻掩模形成的抗蚀层，由于形成得厚实(例如，4μm左右)，有利于形成锥形形状。还有，在使用氟化碳及氧的混合气体进行蚀刻的情况下，借助于调整氟化碳及氧的气体浓度，能够获得所需的锥形形状。再者，蚀刻气体等条件，并不局限于此。
还有，这样形成的锥形部6b的形状基本上为直线状的锥形，但是，如果具有给定的聚焦效果，也可以是平缓曲线状的锥形形状。
其次，如图3-c所示，形成平坦化层7，以便把形成了聚焦透镜6的下部透明绝缘性基板1盖住。平坦化层7例如能够使用丙烯系列树脂或聚酰亚胺系列树脂，其厚度最好是15～20μm左右。再者，利用旋转涂敷法，能够高精度、而且，很容易地形成平坦化层7，进而，借助于对平坦化层施行给定的表面处理，还能够使之具有作为取向膜的功能。与利用滚筒复制法形成的现有取向膜(聚酰亚胺膜)相比，本实施例在膜精度及制造简易性方面是有利的。
借助于上述工序，形成了聚焦透镜6及平坦化层7的聚焦板8形成在下部透明绝缘性基板1上。
还有，在上部透明绝缘性基板2上，在借助于溅射法等沉积了钛、铬、铝、铜、钼等低电阻金属的金属膜以后，利用湿蚀刻法进行制图形成第一象素电极4及第二象素电极5(下面，称为象素电极4、5)。借助于把这样形成的下部透明绝缘性基板1与上部透明绝缘性基板2对置起来，在其间设置液晶层3，而构成液晶显示元件。
在液晶显示元件中，形成下部透明绝缘性基板1上的聚焦透镜6，使它对应于上部透明绝缘性基板2上的象素电极4、5的形成区及未形成区具有不同的形状。即，未形成象素电极4、5的区与聚焦透镜6的扁平部6a相对，聚焦透镜6的厚度是均匀的；还有，形成了象素电极4、5的区与聚焦透镜6的锥形部6b相对，聚焦透镜6的厚度随锥形形状而变化。
具体地讲，在与形成了象素电极4、5的区相对的聚焦透镜6上的区中，在从象素电极4、5的边缘部4e、5e到象素电极4、5的中心部4c、5c的方向上，对聚焦透镜6施行锥形切割，以使聚焦透镜6的厚度减小。结果是，聚焦透镜6的剖面形状成为由平行于与下部透明绝缘性基板1相连的边的扁平部6a及两个锥形部6b围成的梯形。
由上述可知，在液晶显示元件中，在下部透明绝缘性基板1上形成的多个聚焦透镜6具有把梯形形状连续地连接起来的剖面形状，同时，把它们配置起来，使呈梯形形状的锥形部6b的形成周期与象素电极4、5的形成周期一致。
再者，聚焦透镜6的扁平部6a的厚度为4μm左右。
还有，作为构成聚焦透镜6的材质，使聚焦透镜6的折射率大于平坦化层7的折射率(1.5左右)，为了对入射光10形成凸透镜，例如，使用氮化硅(折射率为1.9)或氧化钽(折射率为2.0)。
如果采用本发明，则具有下述效果。
1.借助于使通过聚焦透镜6的锥形部6b的光折射，能使被象素电极4、5遮挡的光仍以平行光状态向液晶层3传播，提高了光的利用效率，能够谋求亮度的提高。
即，借助于构成聚焦透镜6及平坦化层7的材质的折射率之差，能够使通过在下部透明绝缘性基板1上形成的聚焦透镜6的锥形部6b的入射光10从平行光稍有曲折。图4示出通过聚焦透镜6的锥形部6b的入射光10的光折射示意图。
再者，借助于锥形部6b的形状、以及构成聚焦透镜6及平坦层7的材质，能够改变聚焦透镜6的焦距。但是，为了使光的利用率为最高，最好使光的焦点在象素电板4、5之间开口部的中心处成像。
2.包含聚焦透镜6的聚焦板8，由于结构简单、制造工序数也少，所以在成本方面有利。进而，在聚焦板8的制造中，能够运用溅射法、旋转涂敷法及蚀刻法等在现有液晶显示装置的大量生产中所使用的装置，不需要特殊的装置及工序。
3.能够很容易地进行焦距的调整
即，因为焦距依存于聚焦透镜6的折射率、平坦化层7的折射率、锥形部6b的形状，所以通过变更聚焦透镜6的材质、变更平坦化层7的材质、或者变更平坦化层7的厚度，能够很容易地进行焦距的调整。
实施例2
图5为表示本发明实施例2的液晶显示装置的液晶显示元件的剖面图。
再者，有关与图2相同的部分，标以同一符号，省略其说明。还有，具有聚焦透镜6的聚焦板8的制造方法，与实施例1中所示的聚焦板8是同样的，所以省略其说明。
在本实施例的液晶显示元件中，在下部透明绝缘性基板1上的聚焦透镜6的剖面形状，为具有由与下部透明绝缘性基板1相接的边即底边及两个锥形部6b围成的呈三角形状伸出来的伸出部的形状，把它们配置起来，使其伸出部的顶点6c与象素电极4、5的中心部4c、5c相对，而且，使其伸出部的两端部与象素电极4、5的边缘部4e、5e相对。即，把它们配置起来，使聚焦透镜6的形成周期与象素电极4、5的形成周期一致。
再者，聚焦透镜6的厚度在中心部即顶点6c处为最大；在两端部为最小，聚焦透镜6的顶点6c的厚度为5μm左右。
还有，锥形部6b的形状并不需要为直线状，如果具有给定的聚焦效果，也可以是平缓曲线状的锥形形状。
还有，作为构成聚焦透镜6的材质，使聚焦透镜6的折射率小于平坦化层7的折射率(1.5左右)，为了对入射光10形成凹透镜，例如使用氧化硅(折射率为1.4)或氟化镁(折射率为1.4)。
这样，借助于构成聚焦透镜6及平坦化层7的材质的折射率之差，使通过在下部透明绝缘性基板1上形成的聚焦透镜6的锥形部6b的入射光10从平行光稍有曲折。结果是，能使被象素电极4、5遮挡的光仍以平行光状态向液晶层3传播。图6示出了通过聚焦透镜6的锥形部6b的入射光10的光折射示意图。
如果采用本实施例，则能同样获得实施例1所示的通过提高光的利用效率而使亮度提高、制造方面的效果、以及易于调整焦距的效果。
实施例3
图7及图8为表示本发明实施例3的液晶显示装置的液晶显示元件的剖面图。在本实施例中，在通过聚焦透镜6在下部透明绝缘性基板1上形成的平坦化层7上形成第一象素电极4及第二象素电极5。
再者，有关与图2及图4相同的部分，标以同一符号，省略其说明。
如果采用本实施例，可以得到与实施例1同样的效果，同时因为在下部透明绝缘性基板1上形成象素电极4、5，所以提高了象素电极4、5与聚焦透镜6的配置位置精度。
再者，在实施例1～3中，虽然把聚焦板8应用于IPS方式液晶显示装置中，但是对TN显示方式及其它显示方式的液晶显示装置也可以应用。
如上所述，如果采用本发明，则开创了IPS方式的液晶显示装置，在TN显示方式及其它显示方式的液晶显示装置中，可以得到下述的效是。
1.在透明绝缘性基板上重叠折射率不同的透镜及平坦化层使之具有使光折射的功能，通过使设置在透镜上的锥形部的形成区与电极的形成区一致，使通过透镜锥形部的光折射，避免电极对光的遮挡，能够谋求提高亮度。
2.通过在平坦化层上形成电极，能够提高电极及透镜的位置精度。
3.通过变更透镜的材质或平坦化层的材质，能够很容易地调整焦距。
4.透镜及平坦化层的制造工序是简易的，在制造成本方面有利。还有，在液晶显示元件形成后，透镜及平坦化层不与空气接连，所以，不产生尘埃附着等所引起的成品率降低。

Claims (19)

1.一种液晶显示装置，其特征在于，包括：
对置的一对透明绝缘性基板；
在所述一对透明绝缘性基板之间夹持的液晶层；
与所述液晶层相对配置的多个电极；
在所述一对透明绝缘性基板中任一块基板上形成的，同时配置在这块基板与所述电极之间的光学构件。
2.根据权利要求1中所述的液晶显示装置，其特征在于，光学构件具有使光折射的功能。
3.一种液晶显示装置，其特征在于，包括：第一基板、第二基板、液晶层；
第一基板具有：透明绝缘性基板、在所述透明绝缘性基板上形成的透镜、在所述透镜上形成的平坦化层；
第二基板，在另一透明绝缘性基板上形成了多个电极；
把液晶层夹持在所述第一基板与所述第二基板之间；
所述第一基板具有借助于所述透镜折射率与所述平坦化层折射率之差使光折射的功能。
4.一种液晶显示装置，其特征在于，包括：第一基板、第二基板、液晶层；
第一基板具有：透明绝缘性基板、在所述透明绝缘性基板上形成的透镜、在所述透镜上形成的平坦化层、在所述平坦化层上形成的多个电极；
第二基板由另一透明绝缘性基板构成；
把液晶层夹持在所述第一基板与所述第二基板之间；
所述第一基板具有借助于所述透镜折射率与所述平坦化层折射率之差，使光折射的功能。
5.根据权利要求3或4中所述的液晶显示装置，其特征在于，借助于透镜及平坦化层折射、聚焦的光的焦距大于形成所述透镜的面与形成电极的面的距离。
6.根据权利要求3～5任一项中所述的液晶显示装置，其特征在于，透镜具有从透明绝缘性基板伸出来的凸形的剖面形状。
7.根据权利要求6中所述的液晶显示装置，其特征在于，具有凸形剖面形状的透镜具有锥形部。
8.根据权利要求7中所述的液晶显示装置，其特征在于，透镜具有由两个锥形部构成的三角形的剖面形状。
9.根据权利要求8中所述的液晶显示装置，其特征在于，具有三角形剖面形状的透镜具有小于平坦化层的折射率，同时把它不连续地配置起来，使之与电极的形成位置一致。
10.根据权利要求7中所述的液晶显示装置，其特征在于，透镜具有由扁平部及与该扁平部两端相接的两个锥形部构成的梯形的剖面形状。
11.根据权利要求10中所述的液晶显示装置，其特征在于，具有梯形剖面形状的透镜具有大于平坦化层的折射率，同时把它连续地配置起来，使相邻的所述透镜的锥形部与电极的形成位置一致。
12.根据权利要求9中所述的液晶显示装置，其特征在于，透镜的材质为氮化硅或氧化钽。
13.根据权利要求11中所述的液晶显示装置，其特征在于，透镜的材质为氧化硅或氟化镁。
14.根据权利要求12或13中所述的液晶显示装置，其特征在于，平坦化层的材质为丙烯系列树脂或聚酰亚胺系列树脂。
15.根据权利要求1～14任一项中所述的液晶显示装置，其特征在于，电极由分别施加电压的第一电极及第二电极构成，形成其方向平行于透明绝缘性基板面的电场。
16.一种液晶显示装置的制造方法，其特征在于，包含：
在透明绝缘性基板上形成透镜层的工序；
对所述透镜层进行蚀刻，形成多个透镜的工序；
在形成了所述透镜的所述透明绝缘性基板上形成平坦化层的工序；
在另一透明绝缘性基板上的给定位置上形成电极的工序。
17.一种液晶显示装置的制造方法，其特征在于，包含：
在透明绝缘性基板上形成透镜层的工序；
对所述透镜层进行蚀刻，形成多个透镜的工序；
在形成了所述透镜的所述透明绝缘性基板上形成平坦化层的工序；
在所述平坦化层上的给定位置上形成电极的工序。
18.根据权利要求16或17中所述的液晶显示装置的制造方法，其特征在于，对透镜层的蚀刻端面施行锥形蚀刻。
19.根据权利要求18中所述的液晶显示装置的制造方法，其特征在于，在透镜层的蚀刻中，使用等离子体蚀刻法。
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