CN1224210A - 液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明的液晶显示器,包括一对衬底和插入所述衬底对之间的包括具有负介质各向异性的液晶分子的液晶层,在与所述液晶层相接触的所述衬底对的表面上形成垂直对准层,由在所述衬底对上形成的电压施加装置在整个所述液晶层上施加电压,当不施加电压时,所述液晶分子与所述衬底对基本上垂直地取向,其中设置多个列结构,使之至少部分与所述衬底对相接触,而且所述液晶层沿着所述衬底平面方向具有多个液晶区域,当施加电压时,在每个所述液晶区域中所述液晶分子的定向是连续的,而在所述液晶区域之间液晶分子的定向是随机的。

Description

液晶显示器
本发明涉及用作计算机、音频和视频装置等显示装置的液晶显示器(LCD)。
近年来，通过使屏幕尺寸加大以及容量加大，对于将利用液晶材料电光学特性的液晶板应用于办公室自动化装置等正蓬勃发展。当今，一般在市场上可售得的液晶显示板采用扭转向列(twisted nematic)(TN)型操作模式，其中在两块玻璃衬底之间，把液晶层中液晶分子的定向扭转90°。在这种TN型操作模式下，当施加电压时，光透射强度随着视向(viewing direction)的不同而变化，从而导致视角特性的不对称性。特别是，在灰色显示器的情况下，视角特性的不对称性会引起一个问题。即，随着视向的不同，对比度大幅度减小，或者对比度颠倒(例如，正变成负)，从而导致显示质量的下降。
为了克服上述问题，近年来，集中致力于增大TN型液晶显示板的视角。例如，在SID Digest第622页(1993)中揭示的技术试图通过下列方法增大可视角：不摩擦用于控制液晶分子取向的对准薄膜以使得液晶分子随机地取向，从而形成具有不同定向的多个区域。这种技术称为“随机取向TN”。根据这种技术，在等于或高于向列各相同性(nemaic-isotropic)相跃迁温度的温度下，把液晶材料密封在一对衬底之间，把未经摩擦的聚酰亚胺对准薄膜加在它的内表面。然后，冷却液晶材料，以允许液晶分子随机取向。通过这种方法，形成其中液晶分子的定向不同的多个区域(微型区域)，从而增大视角。
下面，参照图10，描述具有不经摩擦随机取向的液晶分子的液晶显示板的显示方法。
图10是示出当不施加电场时，所观察的液晶显示板未经摩擦随机取向液晶分子的取向状态的示意图。这个液晶显示板包括上玻璃衬底201和下玻璃衬底202，它们具有相对的未经摩擦聚酰亚胺对准薄膜(未图示)，在它们之间有一预定的空间。在等于或高于向列各相同性相转移温度下，把在玻璃衬底201和202之间具有大约90°自发扭转角(spontaneous twisting angle)和正介质各向异性(p型)的手性向列(chiral nematic)液晶材料207密封在这些衬底之间的空间中，然后，冷却至室温以形成液晶层220。通过这种方法，分别位于玻璃衬底201和202界面的液晶分子217和227，以相等的概率在玻璃衬底201和202的界面处的各个液晶区域(微型区域)210之间完全随机地取向。然而，在每个液晶区域210中，位于上玻璃衬底201界面处的液晶分子217以及位于下玻璃衬底202的界面处的液晶分子227在相互扭转90°的状态下取向。
在这种液晶显示板中，当不施加电压时，位于中间平面的液晶分子237基本上相对于衬底201和202水平取向，其中由假设位于介于衬底201和202之间的液晶层220的中心处的平面(其厚度方向与衬底平行)限定上述中间平面。当施加电压时，液晶分子237逐渐倾斜，从而减小介质自由能，即，如果液晶材料具有正介质各向异性，那么液晶分子237的主轴与电场的方向成直线(一般，垂直于衬底表面的方向)。当增加所施加的电压时，液晶分子237在垂直方向逐渐增加。在液晶材料具有90°扭转角的情况下，由于在中间平面的液晶分子237位于上下玻璃衬底201和202的中间，所以在中间平面中的液晶分子237的扭转角只是整个扭转角的一半，即，45°，它是由位于上玻璃衬底201界面处的液晶分子207和位于下玻璃衬底202界面处的液晶分子227形成的扭转角的一半。
当施加电压时，在中间平面中的液晶分子237的倾斜方向决定视角特性的方向。于是，虽然一个液晶区域210具有一定的视角特性，但是由于在一个像素区中存在许多具有随机取向的液晶分子的液晶区域210，所以宏观平均液晶区域的视角特性。结果，多个视向的光透射实质上是对称的，从而导致显示质量视角相依性下降(包括对比度的减小或颠倒)。
在日本公开公报第7-84260号中揭示了通过把上述随机取向方法施于垂直取向模式来进一步增加对比的技术，在这种技术中，将具有负介质各向异性(N型)的液晶材料用于液晶层，而且在两个衬底上形成垂直对准薄膜，从而实现了常黑(normally-black)模式，其中当施加电压时，在液晶层中的液晶分子基本上与衬底表面平行取向。图11是示出在用这种技术实现的一个像素中液晶分子的微观取向状态的透视图。
参照图11，标号253表示液晶分子的定向(定向器)。在一个象素区中，在衬底表面上，随后在中间平面上形成具有不同定向器的多个微型区域254、255、256和257。由此可见，“在微型区域或液晶区域中液晶分子的定向不同”的表达意味着，在各个液晶区域中多个液晶分子的平均定向(即，在各个液晶区域中液晶分子的主轴的平均方位角方向)在中间平面中的液晶区域中是不同的，其中所述中间平面平行于夹有液晶层的衬底的表面。由于邻近微型区域具有不同的定向，所以在邻近微型区域的边界上观察出外转线258。
在日本公开公报第9-73084号中揭示了进一步改进在上述随机取向方法中获得的对比和显示质量的技术。图12A是采用该技术的液晶显示器的剖面图，而图12B是液晶板的部分放大透视图，它示意地示出了在液晶区域(微型区域)中液晶分子的取向状态。
如图12A所示的液晶显示器包括相互平行并在其中插入预定间隔的上玻璃衬底101和下玻璃衬底102。每个玻璃衬底101和102包括在一个表面上的透明电极103和在相对表面上的偏振板106，透明电极103位于相对玻璃衬底中玻璃衬底的内表面，而偏振板106位于玻璃衬底的外表面上。两个偏振板106位于面板的玻璃衬底101和102的外表面上，从而它们的偏振轴以90°交叉。
在玻璃衬底101和102之间形成微观单元液晶单元(即，液晶区域)110。液晶区域110由基本上与衬底垂直的聚合物墙108包围，从而互相隔开。把具有正介质各向异性的向列液晶材料107(下面，有时简称为液晶材料)密封在各个液晶区域110中。标号104和105分别表示密封部件和隔离珠(spacer bead)。
参照图12B，液晶区域110a包括具有定向(定向器)117、127和137的液晶分子。在图12A和12B所示的例子中，沿着垂直于衬底的方向，液晶分子具有90°的扭转方向。在一个液晶区域110a内，在与衬底平行的相应平面(例如，中间平面111)中，液晶分子的定向117、127和137实质上是一致的。然而，在不同的液晶区域(例如，液晶区域11a、110b和110c)之间，它们是随机的。因此，通过在一个象素区中提供大量液晶区域110，通过整个液晶板，宏观地平均了液晶分子的定向。这使在各个观察方向中的透射强度基本上呈对称，从而改进了视角相依性(dependency)。
已发展了一种等离子体寻址液晶显示器(plasma addressed liquid crystaldisplay device)(PALC)作为超过20英寸的大型液晶显示器，来代替TFT-LCD，以供将来壁式电视机等之用。在日本公开公报第1-217396号和第4-285931号中揭示了用于实现PALC的技术。作为增大TN型液晶显示板视角的技术，日本公开公报第7-120728号揭示了轴对称对准的微单元模式(ASM模式)，其中在每个象素区中，液晶分子轴对称地取向。作为增大液晶单元可视角的另一种技术，日本公开公报第9-197384号揭示了一种技术，其中将上述ASM模式应用于上述等离子体寻址液晶显示器。
图13A是在ASM模式下操作的典型等离子体寻址液晶显示器300的剖面图，而图13B是示出等离子体寻址液晶显示器的一个象素区的平面图。
参照图13A，等离子体寻址液晶显示器300具有包括显示单元301和等离子体单元302的平板结构。显示单元301通过根据象素信号调制入射光以输出光来显示图像。等离子体单元302扫描(寻址)显示单元301。显示单元301和等离子体单元302共享中间薄片303。
等离子体单元302包括行向排列的条状放电沟道305，用于连续放出等离子体以线连续方法扫描显示单元301。放电沟道305包括用于限定放电沟道305的各个空间的隔离物307、位于隔离物307底部的阳极电极A和位于相邻阳极电极A中间的阴极电极K。阳极电极A和阴极电极K相互之间电极性相反，并且相互隔开。由不发光的材料制成的阳极和阴极电极限定它们之间的物理孔径(physical aperture)以允许液晶显示器上入射的光只通过这些物理孔径。
显示单元301包括列向排列的条形信号电极310，从而与其中使放电沟道305排成一行的行方向交叉。在放电沟道305和信号电极310的空间交叉区形成象素区。信号电极310与线连续扫描同步地把图像信号施于显示媒体层309，以调制每个象素的入射光。显示单元301还包括以晶格状形成的区段墙317。区段墙317用于在由区段墙317限定的液晶区域中调整液晶分子的取向，从而使其轴对称。
等离子体单元302包括玻璃衬底304，而且附着在中间薄片303的背面，同时显示单元301包括玻璃衬底308并附着在中间薄片303的顶面。例如，液晶材料包含在玻璃衬底308和中间薄片303之间的空间中，以形成显示媒体层309。在玻璃衬底308的内表面上形成滤色器313。
参照图13B，把显示媒体层309分成液晶区315，它由以晶格状形成的区段墙317包围。相对于它的位置和尺寸，区段墙317限定各个液晶区315。由区段墙317表面的对准力(alignment force)把各个液晶区315中的液晶分子控制成轴对称取向。在图13B中，示出位于放电沟道305中间的阴极电极K和位于其两侧的阳极电极A。因此，在一个象素区311中，形成相互隔开的两个物理孔径。等离子体单元302的每个物理孔径和每个液晶区315相互重叠的部分限定了用于显示的孔径。在图13B中，在一个象素区311中形成两个液晶区315，从而与两个物理孔径相对应。
上述现有技术具有如下所述的各个问题。
在如图10所示的在SID93Digest中揭示的技术中，当不施加电压时，在液晶层中的液晶分子基本上与衬底表面平行地取向。当施加的电压等于或高于阈值时，显示装置在常白(normally-white)模式下操作，此时液晶分子以基本上与衬底表面垂直的方向取向。在施加的电压等于或高于阈值的情况下，在具有不同初始取向状态的液晶区域的边界处生成外转线。因此，根据这种技术，虽然可视角增大了，但是当沿着倾斜的方向观察图像时，把外转线作为亮线显示，产生漏光，从而不能获得相当高的对比度。此外，由于外转线从而需要高驱动电压。
如图11所示的在日本公开公报第7-84260号中揭示的技术中，不限制微型区域254、256和257的尺寸。如果在一个象素区中的微型区域的数量不很大，那么不能保证有大量的微型区域，其中液晶分子的定向是不同的，从而提供液晶分子在整个象素区内随机取向的状态。如果液晶分子的定向不能在整个象素区中随机地取向，那么仍然有视角相依性。此外，如果微型区域的尺寸不是很小，那么观察到不均匀显示的微型区域之间的透射强度差，从而大大降低了显示质量。
在如图12A和12B所示的日本公开公报9-73084号中揭示的技术中，在各个微型区域周围形成基本上与衬底表面垂直的聚合物墙，以控制微型区域的尺寸。在每个象素区中形成多个聚合物墙。如果这种聚合物墙是不能透射光的光阻塞墙，那么它们在白色显示期间不用作显示的区域，从而减小了显示装置的孔径比(aperture ratio)。如果聚合物墙是透明的，那么由于在黑色显示期间在整个聚合物墙而生成亮班(bright spot)。此外，由于这种技术采用常白(NW)模式，所以发生与在SID93Digest中所述的技术相关的问题。即，当施加的电压等于或高于阈值时，在具有不同初始取向状态的液晶区域的边界处生成外转线。因此，虽然可视角增大了，但是当沿着倾斜方向观察图像时，观察到的外转线在NW模式下作为亮线，从而生成漏光，不能获得非常高的对比度。此外，由于外转线使得要求高驱动电压。
在如图13A和13B所示的在日本公开公报第9-197384号中所述的等离子体寻址液晶显示器中，在等离子体单元的阳极电极A和阴极电极K之间形成的每个物理孔径和显示单元的每个液晶区相互重叠的部分限定了用于显示的孔径。在这种等离子体寻址液晶显示器中，分别构成等离子体单元和显示单元，然后附着的一起构成整个装置。因此，为了保证具有指定区域的孔径，当它们附着时，必须使等离子体单元和显示单元精确地相互对准。然而，由于由印刷工艺形成阴极电极K和阳极电极A以及隔离物307，所以构图精度只有±10μm那么低。因此，为了保证指定的孔径区域，需要大量的对准边缘。这增加了不用于显示的区域面积，并减小了显示装置的孔径比。此外，由于需要精确的对准，所以降低了生产量并提高了生产成本。
本发明的液晶显示器包括一对衬底和包含插入衬底对之间的具有负介质各向异性的液晶分子的液晶层，在与液晶层相接触的衬底对的表面上形成垂直对准层，由在衬底对上形成的电压施加装置在整个液晶层上施加电压，当不施加电压时，液晶分子与衬底对基本上垂直地取向，其中设置多个列结构，以至少部分与衬底对相接触，而且液晶层沿着衬底平面方向具有多个液晶区域，当施加电压时，在每个液晶区域中液晶分子的定向是连续的，而在各液晶区域之间液晶分子的定向是随机的。
在本发明的一个实施例中，规则地排列多个列结构。
在本发明的另一个实施例中，在每个正方形晶格的四个角或者在每个正方形晶格的四个角和每个正方形的中心处，排列多个列结构。
在本发明的另一个实施例中，规则地移位排列有多个列结构的每个正方形晶格的角。
在本发明的又一个实施例中，排列有多个列结构的间距在10μm至300μm包括在内的范围内。
在本发明的又一个实施例中，多个列结构的尺寸在5μm至100μm包含在内的范围内。
在本发明的又一个实施例中，在与液晶层相对的衬底对中至少一个衬底的表面上形成由聚合物材料制成的对准固定层。
在本发明的又一个实施例中，至少对在其上形成多个列结构的衬底对的一个表面进行表面处理。
作为替代，本发明的液晶显示器包括一对衬底和包含插入衬底对之间的具有负介质各向异性的液晶分子的液晶层，在与液晶层相对的衬底对的表面上形成垂直对准层，由在衬底对上形成的电压施加装置把电压施加在液晶层上，当不施加电压时，液晶分子与衬底对基本上垂直地取向，其中电压施加装置包括具有用于释放等离子体的多个等离子体沟道的等离子体单元，设置多个列结构，以与衬底对至少部分接触，而且液晶层沿着衬底平面的方向具有多个液晶区域，当施加电压时，在每个液晶区域中液晶分子的定向基本上是一致的，而在各液晶区域之间液晶分子的定向是随机的。
在本发明的一个实施例中，规则地排列多个列结构。
在本发明的另一个实施例中，在每个正方形晶格的四个角或者在每个正方形晶格的四个角和每个正方形的中心处，排列多个列结构。
在本发明的又一个实施例中，规则地移位排列有多个列结构的每个正方形晶格的角。
在本发明又一个实施例中，排列有所述多个列结构的间距在10μm至300μm包括在内的范围内。
在本发明的又一个实施例中，多个列结构的尺寸在5μm至100μm包括在内的范围内。
在本发明的又一个实施例中，在与液晶层相对的衬底对中至少一个衬底的表面上形成由聚合物材料构成的对准固定层。
在本发明的又一个实施例中，至少对其上形成多个列结构的衬底对的一个表面进行表面磨光。
作为替代，本发明的液晶显示器包括：一对衬底；包括插入衬底对之间的具有负介质各向异性的液晶分子的液晶层；和用于将电压施加在液晶层上的电压施加装置，当不施加电压时，在液晶层中的液晶分子基本上垂直于衬底对的表面取向，液晶显示器还包括：在衬底对中至少一个衬底上形成的多个列结构；和在多个列结构的表面上和在其上形成多个列结构的衬底的表面上形成的垂直对准薄膜；其中，由于在多个列结构的表面上形成的垂直对准薄膜的取向调整力，从而在多个列结构的每个列结构周围形成具有不同定向的多个液晶区域。
于是，根据本发明，液晶层包括沿着衬底表面方向的多个微型区域(液晶区域)，而且当施加电压时，液晶分子基本上平行于衬底取向。由于至少与上下衬底部分接触而形成的列结构用作液晶分子的取向调整元件以控制液晶区域的尺寸和位置，所以可以在每个象素区中形成大量液晶区域。通过这种方法，在整个液晶板中，对液晶分子的定向进行宏观平均。沿着各种观察方向的透射率强度基本上是对称的，从而消除了视角相依性，并提高了液晶显示器的显示质量。此外，由于每个液晶区域的尺寸可以做得很小以至于肉眼不能看见，所以可以获得没有不平整显示的显示，从而可以提高液晶显示器的显示质量。
当作为取向调整元件的列结构形成与上下衬底相接触时，它们还可以作为隔离装置用于控制液晶单元液晶层的厚度。这提高了生产量并降低生产成本。
在规则排列列结构的配置中，可以形成基本上具有相同尺寸和形状的液晶区域，结果，可以在整个液晶板上对液晶分子的定向进行宏观平均，从而使沿着各种观察方向的透射率强度基本上对称，消除视角相依性。于是，可以进一步提高液晶显示器的显示质量。
由于用列结构调整液晶分子的取向，所以可以减小不用作显示(即，相对于象素或孔径，在一个象素或孔径中不包括液晶材料)的区域面积。因此，可以实现具有高对比度和良好的视角特性的液晶显示器，而不减小孔径比。
在与液晶层相对的衬底对中一个衬底的表面上形成对准固定层的情况下，当施加电压时，可以预先调整液晶分子以某一方向倾斜，即使液晶分子从垂直于表面的方向倾斜。因此，缩短了移至不施加电压状态的上升时间，提高了响应速度。
在形成列结构的衬底对中至少一个衬底表面上进行表面处理的情况下，可以形成良好附着的垂直对准薄膜。
通过把液晶显示器用于等离子体寻址液晶显示器，相对于象素或孔径的面积，可以减小存在于一个象素或孔径中的列结构的面积。此外，通过适当地选择列结构的排列间距，可以形成大大小于象素区的液晶区域。这使得可以将形成透明信号电极的大多数区域用作液晶单元的有效孔径。结果，与传统的等离子体寻址液晶显示器不同，在将等离子体单元与显示单元附着在一起时，不需要精确地定位，从而尽量精确地把等离子体单元的物理开孔与液晶单元的液晶区对准，以获得如设计的孔径面积。作为替代，可以把等离子体单元与显示单元附着在一起，而无需对准。这提高了生产量并大大降低了生产成本。
于是，所述的本发明的优点是能具有提供具有良好的全向视角特性、在显示中没有不均匀显示并可以显示高对比度的液晶显示器。
对熟悉本技术领域的人员而言，在参照附图阅读和理解下列详细描述后，本发明的这种和其它优点是显而易见的。
图1A是根据本发明的液晶显示器的剖面图。图1B是图1A的液晶显示器的平面图。图1C是示出液晶分子定向的平面图。
图2A至2D是示出作为本发明的主要元件的列结构排列的示意平面图。
图3A和3B分别是示出根据本发明的液晶显示器的液晶分子ON和OFF状态的示意剖面图，图3C是示出液晶分子取向的例子。
图4是根据本发明的等离子体寻址液晶显示器的示范单元结构的剖面图。
图5A是示意地示出根据本发明例子1的液晶显示器的剖面图。图5B是图5A的液晶显示器的平面图。
图6是示出例子1液晶显示器的对比视角特性的示图。
图7A是示意地示出根据本发明例子2的液晶显示器的剖面图。图7B是图7A的液晶显示器的平面图。
图8是作为可用于本发明的驱动元件的TFT的示意图。
图9是示出根据本发明例子3的等离子体寻址液晶显示器的剖面图。
图10是示出传统液晶显示板的透视图。
图11是示出在另一种传统液晶显示板的一个象素中液晶分子宏观取向状态的透视图。
图12A是示出另一种传统液晶显示器的剖视图。图12B是示出图12A的液晶显示器液晶单元的透视图。
图13A是示出传统的等离子体寻址液晶显示器的平面图。图13B是示出图13A的液晶显示器的一个象素的平面图。
下面，参照附图，具体描述本发明。
图1A和1B是根据本发明的液晶显示器的示意图，其中图1A是沿着图1B的线Ⅹ-Ⅹ截取的剖面图，而图1B是它的平面图。
参照图1A和1B，液晶显示器包括一对衬底，例如，相对且具有预定空间的下玻璃衬底1和上玻璃衬底2，而且在衬底对之间形成液晶层9。在衬底1和衬底2的边缘周围设有密封部件(未图示)，以密封液晶层9。在下玻璃衬底1和上玻璃衬底2之间的空间中，在预定位置上设有作为调整液晶层9中液晶分子取向的元件的多个列结构7，从而它们达到衬底1和2。
在面对液晶层9的上玻璃衬底2的内表面上，以条状形成由透明导电薄膜(诸如，ITO薄膜)构成的信号电极4。在覆盖信号电极4的玻璃衬底2的基本上整个内表面上形成由聚酰亚胺等构成的垂直对准层5a。
在面对液晶层9的下玻璃衬底1的内表面上形成滤色器(未图示)和黑色矩阵(未图示)。在所得的衬底上，以条状形成由透明导电薄膜(诸如，ITO薄膜)构成的信号电极3，从而与条状信号电极4交叉。在信号电极3和信号电极4之间的交叉点限定了象素区6。滤色器(未图示)包括着上R、G和B颜色的部分，着色部分连续形成以与各个象素区相对应(例如，RGBRGB)。形成黑色矩阵(未图示)，从而填满滤色器着色部分之间的间隙。在下玻璃衬底2上规则地排列列结构7。
例如，在如图1B所示的每个正方形晶格的四个角上排列列结构7。由四个邻近列结构7作为它的四个角限定的正方形区构成液晶区8。一个象素区6包括多个这样的液晶区8。如图1C所示，每个液晶区8包括多个液晶区域8a。作为由列结构7对每个液晶区8中的液晶分子的取向调整的结果，形成液晶区域8a。在如图1A、1B和1C所示的实施例中，由以晶格状排列的列结构7的取向调整力确定液晶区域8a的位置和尺寸，从而在液晶区8中，如图1C所示定位四个液晶区域8a。
这里，“液晶区域”指液晶分子的取向是连续的最小区。在每个液晶区域中不存在任何因液晶分子取向的不连续变化所生成的外转线。任何邻近液晶区域形成外转线。外转线把多个液晶区域互相隔开。当液晶分子轴对称取向时，所获得的中心轴不认为是外转线。
只要列结构7规则排列，可以任何形状排列列结构7。列结构7的规则排列还改进了液晶分子在液晶区中的定向平均，下面将对此作详细描述。例如，如图2A所示，列结构7沿着垂直方向规则排列的间距与它沿着水平方向规则排列的间距不同。如图2B所示，在每个正方形晶格以及正方形的四个角的中心，可以排列列结构7。如图2C所示，邻近四个列结构7可以形成菱形或平行四边形形状作为晶格单元。如图2D所示，在每个菱形或平行四边形晶格的中心以及它的四个角，可以排列列结构7。作为替代，可以规则地移位晶格形状的交叉点，其中在所示交叉点处形成列结构。作为替代，邻近列结构7可以形成三角形作为晶格单元。列结构部分并不局限于正方形，而可以是多边形(诸如，矩形、圆形或椭圆形)。图2A至2D还示出在各种列结构8排列中形成的液晶区域8a。
再参照图1A，在下玻璃衬底1的所得内表面上(具体地说，在列结构了的侧面上)形成由聚酰亚胺等形成的垂直对准层5b，作为取向调整元件和没有形成列结构7的下玻璃衬底1的内表面部分。还在列结构7的顶面(与垂直对准层5a接触的面)上形成垂直对准层5b。
排列列结构7的规则间距要求十分严格，因为它确定作为最后成品的液晶显示器的液晶层取向状态。在本发明中采用的显示模式中，根据列结构7的间距(在邻近列结构7之间沿着垂直和水平方向的距离)，调整液晶区域8a的尺寸。如果间距超过300μm，那么在液晶区域8a之间的透射率之差可见，从而生成不均匀显示。相反，如果间距小于10μm，那么，存在于每个象素区6中列结构7的总面积相对于象素区6的面积之比率增加，从而导致孔径比减小。因此，列结构7的间距最好在10μm至300μm包含在内的范围内。此外，为了在一个象素区中充分实现液晶分子的随机取向，对于每个象素区，最好形成至少四个列结构7。
列结构7基本上形成与衬底1和2至少部分接触，从而列结构7还用作限定液晶层9厚度(单元间隔)的隔离装置。为此，例如，列结构7的高度最好为大约6μm。这消除了分散隔离珠限定液晶层的单元间隔的步骤。此外，形成列结构7的部分不包括任何液晶材料，因而不对单元的亮度作出贡献。因此，每个列结构7的尺寸(底面积)要尽量小。如果列结构7的正方形底部的边(或者如果底部是圆形的，那么是直径)小于5μm，很难处理这种窄列结构。此外，窄结构很可能变形，从而很难用作保证单元厚度的隔离装置。相反，如果尺寸超过100μm，那么孔径比减至对于显示来说是不理想的程度。因此，列结构7的尺寸最好在5μm至100μm包含在内的范围内。
由于根据本发明的液晶显示器不采用液晶分子必须单向取向的显示模式，所以可以省略摩擦步骤。在本发明中采用的显示模式下，由于所施加的材料对表面的排斥性，可能没有将垂直对准薄膜5b成功地加在列结构7的顶面或侧面上。通过对在其上形成列结构7的所得衬底的表面进行表面处理，可以克服这个问题。这种表面处理包括硅烷耦合和干燥蚀刻。
在有源矩阵液晶显示器中，其中通过将TFT等用作开关元件，对各个象素执行ON/OFF控制。在其上形成列结构7的下衬底1可以是具有象素电极、薄膜晶体管(TFT)、互连线等的衬底。需要的话，还可将与具有对电极和滤色器的上述衬底相对的对衬底用作其上形成列结构7的衬底。当把本发明用于等离子体寻址液晶显示器时，可以使用构成与液晶层相接触形成的等离子体单元的薄玻璃衬底。
(液晶材料和它的取向状态)
在本发明的液晶显示器中所采用的显示模式是常黑模式。因此，使用n型液晶材料，其中当施加电压时液晶分子与衬底平行，即，具有负介质各向异性的液晶材料。
图3A和3B示出本发明的液晶显示器在上述显示模式下的操作。在图3A和3B中，如在图1A中，液晶显示器包括在其上形成第一电极53的下衬底50和在其上形成第二电极63的上衬底60，其中在衬底50和60之间插入液晶层69。在下衬底50上规则地排列列结构51，形成垂直对准薄膜52以覆盖列结构51和第一电极53。在覆盖第二电极63的上衬底60上形成垂直对准层61。
当不施加电压时，如图3B所示，利用垂直对准薄膜52和61的取向调整力，液晶分子基本上与衬底50和60垂直地取向。当施加电压时，如图3A所示，由列结构51作为取向调整元件控制液晶分子的定向，从而它们趋于与衬底50和60平行取向，即，它们靠近于与列结构51的侧面垂直的方向。由于可以排列列结构51(列结构51形成至少与上下衬底50和60部分接触)以控制液晶区域的尺寸和位置，所以可以在与列结构51的排列相对应的每个象素中形成大量液晶区域。由于液晶分子在以每个列结构51作为中心沿着径向所有方位角方向取向，所以特别是在规则排列列结构51的情况下，在所有方位角方向上对每个象素区中液晶分子的定向求平均。结果，在每个象素区中获得充分的随机取向。通过这种方法，在根据本发明的液晶显示器中，在每个液晶区域中，液晶分子的定向是连续的，而在液晶区域之间，液晶分子的定向是随机的。
如这里所用到的词组“液晶分子在多个液晶区域之间是随机取向的”，意味着这样取向多个液晶区域中的液晶分子，从而对于多个液晶区域，沿着液晶分子的方位角方向的平均取向矢量和趋于零。
当在每个正方形晶格的四个角排列列结构51时(如图3C中示意所示)，在由四个列结构51限定的液晶区8的每个液晶区域8a中，通过列结构51的取向调整力，液晶分子55沿着从列结构51到中心点8c的方向连续取向。虽然图3c示出仅仅在左上角液晶区中的液晶分子的详细取向状态，但是其它液晶区也具有基本上相同的取向状态。在液晶区域8a之间，液晶分子55沿着不同的方向取向，从而实现了在液晶区8中的随机取向。在各个液晶区域中典型的定向，即，在各个液晶区域中的平均取向矢量，如箭头a1至a4所示。于是，在整个液晶板中，对液晶分子的定向宏观求平均。沿着各个观察方向的透射率强度基本上是对称的。换句话说，对折射率各向异性求平均。消除了视角相依性。于是，可以提高所得液晶显示器的显示质量。此外，由于每个液晶区域的尺寸可以做得很小以至于人眼不能看见，所以可以获得没有不平均显示的显示，于是可以提高液晶显示器的显示质量。
如上所述，在本发明的液晶显示器中，液晶分子以每个列结构51作为中心，径向地取向。在某一列结构周围的液晶分子还接收来自靠近该中心列结构的列结构的取向调整力。结果，形成液晶区域。在上述结构中，当集中于一个列结构时，在列结构周围形成具有不同定向的多个液晶区域。例如，在图3C中，在一个列结构周围的区51R中形成四个液晶区域。因此，可以表示成，构成在本发明的液晶显示器中形成的多个列结构，从而在每个列结构周围形成具有不同定向的多个液晶区域。
为了稳定液晶分子的取向状态，可以把固化(curable)单体加到液晶材料。总之，在使用n型液晶材料并不执行任何摩擦的显示模式下，不确定液晶分子所指的方向，于是趋于延迟响应速度。通过把固化单体加到液晶材料并当施加电压时通过发射光(紫外光)来固化单体(即，在十分稳定的条件下固化单体)可以克服这个问题，即，可以确定液晶分子所指的方向，从而可以提高响应速度。通过这种方法，可用固化单体来确定液晶分子的定向。
(与电压施加装置(voltage application means)相结合)
在本发明的液晶显示器中，没有指定将电压施于液晶层的装置。然而，如果本发明与等离子体放电单元相结合，那么可以获得特别大的效果。
图4是将等离子体放电单元作为电压应用装置的等离子体寻址液晶显示器的剖面图。
参照图4，等离子体寻址液晶显示器包括具有等离子体生成电极82(一般是阳极和阴极)的等离子体放电单元80和具有列结构71作为取向调整元件以及构成显示单元的垂直对准层72的对衬底70。等离子体放电单元80还包括肋83，它把在衬底81和面对衬底81的薄玻璃衬底34之间的空间分成条状的多个等离子体空间88(等离子体放电沟道)。在多个等离子体空间88中的每个空间中，密封用于生成等离子体的气体(诸如，氦、氖或氩)。肋83还用于支持薄玻璃衬底34，以与衬底81保持预定距离。如需要的话，在薄玻璃衬底34上形成垂直对准薄膜85。
在这个示范例子中，列结构71由于很难在等离子体放电单元80的薄玻璃衬底34上形成，所以在衬底70上形成。在这种等离子体寻址液晶显示器中，由于由用作驱动电极等离子体放电单元80的肋83条状等离子体空间88相互分开，所以沿着与条状等离子体空间交叉的方向，在对衬底70上仅设有用于驱动液晶层的互连线(未图示)。
如上面相对于现有技术所述的，由于用适于大型屏幕显示装置的方法(如印刷)形成等离子体放电单元80的等离子体生成电极82和肋83，所以不能精确地给它们定位。因此，一般很难把等离子体放电单元80和衬底70附着在一起，其中衬底70具有用于控制每个象素的液晶分子取向的列结构71和考虑到定位精度的垂直对准层72。
根据本发明，以小于象素尺寸的间距设置列结构71作为取向调整元件，而且相对于象素区或孔面积，投射到列结构的显示平面的总面积之比很小。于是，作为信号电极的每个透明电极的大多数区域可以有效地用于显示。这就不需要在把它们附着在一起的步骤中，精确地控制等离子体单元和显示单元之间的对准，而在现有技术中通常需要这样做，以便等离子体单元的每个物理孔径与液晶单元的液晶区域相对应。换句话说，根据本发明，可以把等离子体放电单元和对衬底附着在一起而无需对准。这提高了生产量并大量降低了生产成本。此外，由于通过适当地选择列结构的排列间距可以形成大大小于每个象素的液晶区域，所以改进了视角相依性。
下面，参照附图，通过举例的方法描述本发明。
(例子1)
图5A和5B示意地示出根据本发明例子1的液晶显示器，其中图5A是沿着图5B的线Ⅹ-Ⅹ所截取的剖面图，而图5B是它的平面图。
在玻璃衬底2上形成由ITO构成的透明信号电极4，然后通过旋转涂敷把JALS-945(由Japan Synthetic Rubber Co.,Ltd.制造)施于所得的衬底以形成垂直对准层5a。还在玻璃衬底1上形成由ITO构成的透明信号电极3。然后，把感光树脂施于玻璃衬底1，并运用光掩膜制图以形成具有间距为50μm的大约6μm高的列结构7。然后，通过旋转涂敷把JALS-945(由Japan Synthetic Rubber Co.,Ltd.制造)施于所得衬底以形成垂直对准层5b。把所得的两个衬底附着在一起，而且把n型液晶材料注入衬底之间的空间，以形成液晶层9(设定液晶材料特定的扭转角，以在Δε=-2.7,Δn=0.079和6μm的单元间隔下，获得90°扭转角)。于是，获得具有列结构7的液晶单元。如图5b所示，构成每个象素区6以包括多个液晶区域8a和8b(非阴影部分)。在这些液晶区域8a和8b，液晶分子的定向互予相同。
列结构7可由感光丙烯酸、甲基丙烯酸脂、聚酰亚胺或橡胶材料构成。可以使用任何一种坚硬得使所得的列结构7能忍受机械加工力(tool force)(大约400g/φ)的感光材料。
在所得液晶单元的相对表面上设置偏振板(未图示)，从而处于正交偏振状态下，来完成例子1的液晶显示器。
图6示出例子1的液晶显示器的对比视角特性。在图6中，ψ表示方位角(在显示平面中的角度)，θ表示视角(偏离显示平面的法线)，阴影线(hatching)表示对比度是10∶1或更高的区。
从图6可见，当在所有方位角ψ中右左视角(2×θ)是120°时，本例子的液晶显示器获得的对比度为10∶1或更大。
(例子2)
在例子2中，在至少一个衬底上形成对准固定层，以当施加电压时，稳定液晶分子的取向状态。
图7A和7B示出例子2的液晶显示器，它具有与例子1的液晶显示器相同的结构，但是在垂直对准层5a和5b中的每个层上形成了轴对称对准固定层10。用下列方法构成这个例子的液晶显示器。
在玻璃衬底2上形成由ITO构成的透明信号电极4，然后通过旋转涂敷把JALS-945(由Japan Synthetic Rubber Co.,Ltd.制造)施于所得的衬底以形成垂直对准层5a。在玻璃衬底1上形成由ITO构成的透明信号电极3。然后，把感光聚酰亚胺施于玻璃衬底1，并运用光掩膜制图以形成具有间距为50μm的大约6μm高的列结构7。然后，通过旋转涂敷把JALS-945(由Japan Synthetic Rubber Co.,Ltd.制造)施于所得衬底以形成垂直对准层5b。
把所得衬底附着在一起，然后，在这个例子中，把下列公式(1)所表示的0.3wt.％的复合物A与0.1wt.％的Irgacur651的混合物作为光固化(photocurable)材料注入液晶单元以及n型液晶材料(在Δε=-2.7,Δn=0.079和6μm的单元间隔下设定为90°的扭转角)。
Figure A9812608200191
在注入之后，在室温(25℃)下，用紫外光(在365nm波长下强度：6mW/cm2)照射所得的液晶单元达10分钟以固化混合物的光固化材料。结果，如图7A所示，在衬底上形成对准固定层10以覆盖垂直对准层5a和5b。通过形成对准固定层10，在液晶层9的象素区6中形成液晶区8，在每个液晶区8中，把轴固定在预定位置上以允许轴对称地对准液晶分子。
在所得液晶单元的相对表面上设有偏振板(未图示)，使之处于正交偏振状态下，来完成例子2的液晶显示器。所得的液晶显示器的视角特性与在例子1中所获得的相同。虽然在例子2中使用光固化材料，但是还可以采用热固化材料。
例子1和2的液晶显示器是无源矩阵型，其中在衬底对中的每个衬底上形成互相交叉的信号电极。本发明还可用于有源矩阵型。有源矩阵型液晶显示器具有能实现如图8所示的等效电路的结构。即，在相互相对且其中插入显示媒体的衬底对中的第一个衬底上以矩阵形式形成象素电极90，而且在另一块衬底的几乎整个表面上形成对电极91。在下衬底上形成相互交叉的信号电极线92和93，而且在其中有绝缘薄膜。在信号电极线的交叉点附近形成三端元件，诸如薄膜晶体管(TFT)94作为开关元件。
(例子3)
在例子3中，本发明应用于等离子体寻址液晶显示器。图9是例子3的等离子体寻址液晶显示器的剖面图。
参照图9，等离子体寻址液晶显示器具有包括显示单元20a和等离子体单元20b的平板结构。通过根据象素信号调制入射光以输出光，显示单元20a显示图像。等离子体单元没20b扫描(寻址)显示单元20a。显示单元20a和等离子体单元20b共享中间薄片。等离子体单元20b包括沿着行方向排列的条状释放沟道26用于放电等离子体以线连续方法扫描显示单元20a。各个放电沟道26包括用于限定沿着行方向排列的放电沟道26的空间的隔离物27、位于隔离物27底部的阳极电极24和位于邻近阳极电极24中间的空间的阴极电极25。阳极电极24和阴极电极25的极性相反并相互隔开。这些电极由不透射光的材料制成，而且限定它们之间的物理孔径，以允许入射在液晶显示器上的光仅通过这些物理孔径。
显示单元20a包括沿着列方向排列的条状信号电极13，它与排列放电沟道26的行方向交叉。在放电沟道26和信号电极13的交叉点上形成液晶区。信号电极13与线连续扫描同步地把图象信号施于显示媒体层16，以调制每个像素的入射光。由中间薄片23把显示单元20a和等离子体单元20b相互隔开。等离子体单元20b包括附着在中间薄片23的背面的玻璃衬底21，而显示单元20a包括附着在中间薄片23的顶面的玻璃衬底11。形成液晶层16作为在玻璃衬底11和中间薄片23之间的显示媒体层16。在玻璃衬底11的内表面上依次形成由透明材料构成的信号电极13和滤色器12。以预定间距，在所得衬底上形成列结构17，而且形成垂直对准层15a以覆盖列结构17的表面和衬底11的表面在面对显示媒体层16的中间薄片的表面上形成另一个垂直对准层15b。
把作为显示媒体层的液晶层16分成由列结构17限定的多个液晶区域，它们具有预定尺寸并在预定位置上形成。每个象素区构成包括多个液晶区域，而且用由放电沟道26和信号电极13构成的等离子体寻址元件驱动具有参照图13B所述的两个物理孔径的象素区。
于是，在例子3中，由于以小于象素尺寸的间距形成列结构17，而且相对于象素区或孔径的面积，反射到列结构的显示平面的总面积之比很小，此外，通过适当地选择列结构的排列间距，可以形成其尺寸大大小于象素区的尺寸的多个液晶区域。这样可以改进液晶显示器的视角相依性而不用提供区段墙，以允许液晶分子轴对称取向，如同在传统ASM模式等离子体寻址显示装置中的那样。当形成传统区段墙时，孔径比减小，除非精确排列区段墙以围绕象素区。然而，根据本发明，可以在象素区内排列列结构17，这样可以将每个透明电极中的大多数区域用作用于显示的液晶单元的有效孔径。当把它们附着在一起的时候，这不需要精确地对准等离子体单元和显示单元，从而可能尽量精确地对准等离子体单元的每个物理孔径和液晶单元的相应液晶区域，以获得设计的孔径面积。作为替代，可以把等离子体放电单元和显示单元附着在一起而不用对准。这提高了生产量并大大降低生产成本。
于是，本发明的液晶显示器具有多个列结构，它与插入液晶层的衬底对至少部分接触。通过这些列结构，在衬底平面方向，把液晶层分成多个液晶区域。当施加电压时，在每个液晶区域中，液晶分子的定向是连续的，而在液晶区域之间的定向是随机的。因此，通过在适当位置上提供列结构，可以改善视角特性，而不降低液晶显示器的孔径比。由于通过在液晶层中规则地排列列结构，可以调整液晶区域的尺寸和位置，所以可以获得能够在任何方向观看而没有不均匀显示的显示，从而提高了液晶显示器的显示质量。由于列结构与上下衬底至少部分接触，所以它们还作为控制液晶层厚度的隔离装置。这消除了分散隔离珠的步骤，从而提高生产量并降低生产成本。
在根据本发明的等离子体寻址液晶显示器中，每个列结构的面积可以比每个象素尺寸小。因此，即使在象素内形成多个列结构时，也可以使孔径比的减小减至最小。这允许在每个象素中形成多个液晶区域。由于能以小于象素尺寸的间距形成多个列结构，所以不需要任何对准边缘，从而允许把等离子体单元与显示单元附着在一起而不用对准。因此，根据本发明，可以提高象素孔径比，而且与在邻近象素之间形成墙结构的传统技术相比，增加了生产量。
对于那些熟悉本技术领域的人员而言，但不偏离本发明的构思和范围，各种其它变更都是显而易见的，而且很容易做到。因此，所附的权利要求书并不局限于这里所描述的说明，而是以最广的限度解释本权利要求书。

Claims (17)

1．一种液晶显示器，它包括一对衬底和插入所述衬底对之间的包括具有负介质各向异性的液晶分子的液晶层，在与所述液晶层相接触的所述衬底对的表面上形成垂直对准层，由在所述衬底对上形成的电压施加装置在整个所述液晶层上施加电压，当不施加电压时，所述液晶分子与所述衬底对基本上垂直地取向，其特征在于，
设置多个列结构，使之至少部分地与所述衬底对相接触，和
所述液晶层沿着所述衬底平面方向具有多个液晶区域，而且当施加电压时，在每个所述液晶区域中所述液晶分子的定向是连续的，而在所述液晶区域之间液晶分子的定向是随机的。
2．如权利要求1所述的液晶显示器，其特征在于，规则地排列所述多个列结构。
3．如权利要求2所述的液晶显示器，其特征在于，在每个正方形晶格的四个角或者在每个正方形晶格的四个角和所述每个正方形的中心，排列所述多个列结构。
4．如权利要求3所述的液晶显示器，其特征在于，规则地移位排列有多个列结构的所述每个正方形晶格的所述角。
5．如权利要求1所述的液晶显示器，其特征在于，排列有所述多个列结构的间距在10μm至300μm包括在内的范围内。
6．如权利要求1所述的液晶显示器，其特征在于，所述多个列结构的尺寸在5μm至100μm包含在内的范围内。
7．如权利要求1所述的液晶显示器，其特征在于，在与所述液晶层相对的所述衬底对中至少一个衬底的表面上形成由聚合物材料制成的对准固定层。
8．如权利要求1所述的液晶显示器，其特征在于，至少对在其上形成所述多个列结构的所述衬底对的一个表面进行表面处理。
9．一种液晶显示器，它包括一对衬底和插入所述衬底对之间的包含具有负介质各向异性的液晶分子的液晶层，在与所述液晶层相对的所述衬底对的表面上形成垂直对准层，由在所述衬底对上形成的电压施加装置把电压施加在所述液晶层上，当不施加电压时，所述液晶分子与所述衬底对基本上垂直地取向，其特征在于，
所述电压施加装置包括具有释放等离子体的多个等离子体沟道的等离子体单元，
设置多个列结构，使之与所述衬底对至少部分接触，和
所述液晶层沿着所述衬底平面的方向具有多个液晶区域，而且当施加电压时，在每个所述液晶区域中液晶分子的定向基本上是一致的，而在所述液晶区域之间液晶分子的所述定向是随机的。
10．如权利要求9所述的液晶显示器，其特征在于，规则地排列所述多个列结构。
11．如权利要求10所述的液晶显示器，其特征在于，在每个正方形晶格的四个角或者在每个正方形晶格的四个角和每个正方形的中心排列所述多个列结构。
12．如权利要求11所述的液晶显示器，其特征在于，规则地移位排列有所述多个列结构的所述每个正方形晶格的所述角。
13．如权利要求9所述的液晶显示器，其特征在于，排列有所述多个列结构的间距在10μm至300μm包括在内的范围内。
14．如权利要求9所述的液晶显示器，其特征在于，所述多个列结构的尺寸在5μm至100μm包括在内的范围内。
15．如权利要求9所述的液晶显示器，其特征在于，在与所述液晶层相对的所述衬底对至少一个衬底的表面上形成由聚合物材料构成的对准固定层。
16．如权利要求9所述的液晶显示器，其特征在于，至少对其上形成所述多个列结构的所述衬底对的一个表面进行表面磨光。
17．一种液晶显示器，它包括：一对衬底；包括插入所述衬底对之间的具有负介质各向异性的液晶分子的液晶层；和用于将电压施加在所述液晶层上的电压施加装置，当不施加电压时，在所述液晶层中的所述液晶分子与所述衬底对的所述表面基本上垂直地取向，其特征在于，所述液晶显示器还包括：
在所述衬底对中至少一个衬底上形成的多个列结构；和
在所述多个列结构的表面上和在其上形成所述多个列结构的所述衬底的表面上形成的垂直对准薄膜；
其中，由于在所述多个列结构的所述表面上形成的所述垂直对准薄膜的取向调整力，使得在所述多个列结构的每个列结构周围形成具有不同定向的多个液晶区域。
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