JP3549177B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばテレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサまたはＯＡ機器等に用いられる液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述の液晶表示装置として、図８に示すようなマトリクス型のものが知られている。この液晶表示装置は、マトリクス基板２８と対向基板２９との間に液晶層２７を挟み、両側に偏光板３０を貼り付けた構造となっており、この液晶表示装置の背面に光源、いわゆるバックライト３１を配置して光シャッターとして使用する。
【０００３】
図９にマトリクス基板２８の平面図を示し、図１０に対向基板２９の平面図を示す。このマトリクス基板２８は、ゲートライン３２とソースライン３３とが互いに交差して設けられ、各ラインの交差部近傍にスイッチング素子としての薄膜トランジスタ３４が設けられている。マトリクス状に設けられた画素電極３５は、各薄膜トランジスタ３４を介してゲートライン３２とソースライン３３とに接続されている。対向基板２９は、画素電極３５に対応した開口部３６を有する遮光膜３７とカラーフィルタ（図示せず）とが設けられ、その上に全面に対向電極３８が設けられている。なお、図１０は、対向基板２９を基板側から見たものである。このマトリクス基板２８と対向基板２９との上には配向膜（図示せず）が形成され、これをラビング処理することにより液晶分子を任意の方向に配向させることができる。
【０００４】
この構造の液晶表示装置によれば、薄膜トランジスタ３４を介して画素電極３５に画像信号を入力することにより、各画素毎に液晶層２７に与える電圧を制御することができる。液晶層２７に電圧が印加されると、液晶層２７内の液晶分子の誘電率異方性に依存して液晶分子の配向方向が変化する。
【０００５】
例えば、垂直配向モードにおいては、電圧無印加時に液晶分子をほぼ垂直に配向させ、負の誘電率異方性を有する材料を用いて電圧印加時に液晶分子を水平方向に傾斜させる。このとき、液晶分子の傾斜方向を一様にするために、配向膜にラビング処理を行う。これにより、電圧印加時には液晶分子がラビング方向４０に沿う方向に傾斜する。また、一対の偏光板は、互いの吸収軸方向が９０゜で上記ラビング方向に対して４５゜の角度になるように配置する。
【０００６】
この液晶表示装置の光制御の原理は、以下の通りである。
【０００７】
電圧無印加時には、液晶分子が垂直配向して位相差が無い。このため、バックライト３１から液晶層２７に入射する前に背面側（入射側）の偏光板３０により直線偏光とされた光は、直線偏光のまま液晶層２７を透過し、前面側（出射側）の偏光板３０に入射する。入射した光は直交配置された前面側の偏光板で３０で吸収され、黒表示が得られる。
【０００８】
また、電圧印加時には、液晶層に入射される直線偏光に対して４５°の角度で液晶分子が傾斜して複屈折が生じる。このため、液晶層２７に入射し直線偏光は楕円偏光、円偏光または９０゜シフトした直線偏光となり、偏光板３０に入射した光の吸収軸成分が吸収されて光の透過率が変化する。このときの透過率は、
Ｔ＝ｓｉｎ２（δ／２）
δ＝（２π／λ）×Δｎｄ
で表わされ、中間調から白表示が得られる。ここで、Δｎは見かけ上の液晶の屈折率異方性、ｄはセルギャップである。
【０００９】
この見かけ上の液晶の屈折率異方性は、光透過方向の垂直断面に等しい基板面に対して水平な面内における液晶分子の屈折率異方性であり、印加電圧の増加により液晶分子が傾斜して水平方向になるに従って増加する。従って、印加電圧値によって光の透過率を連続的に変化させることができる。
【００１０】
上記垂直配向モードは、広く実用化されているＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）方式やＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）方式と比較して、液晶層にツイスト構造を用いないために応答速度が速い。また、電圧無印加時の複屈折の無い状態では位相差が無く、偏光板を互いに直交させた状態で光を透過させて黒表示を行うため、高いコントラストを容易に得ることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述の液晶表示装置は、応答速度とコントラストについては優れているが、電圧印加時における液晶分子の配向方向を均一に制御することが非常に難しいという問題を有している。
【００１２】
本発明者らが従来の液晶表示装置について画像表示を確認したところ、画面全体の観察ではざらついたように認識され、画質が非常に悪いものであった。また、各画素をルーペにより観察すると、図１１に示すようなムラが確認できた。この図１１は、電圧印加時に液晶分子が図１１中のＡ点を中心にして広がるように傾斜している様子を示す。このようなムラが見られる原因は、画素の周辺において画素電極とゲートラインとの間または画素電極とソースラインとの間に横方向の電界（基板面に沿う方向の成分を有する電界）が生じるためと考えられる。以下、このことについて説明する。
【００１３】
上述の液晶表示装置は、電圧無印加時には、図１２に示すように液晶分子４１が基板面に対してほぼ垂直に配向しており、ラビング処理により液晶分子４１がラビング方向４０にわずかに傾いている。この初期の傾き角度は数゜以下であるため、発生する位相差は表示特性に対して殆ど影響を与えず、無視できる程度である。
【００１４】
また、電圧印加時には、例えば基板面に対して完全に垂直な電界が形成される場合を想定すると、液晶分子４１は予め傾いていた方向、（図中の矢印の方向：この図１２では左回り）に傾斜していく。
【００１５】
しかしながら、実際の液晶表示装置においては、図１３に示すように画素電極３５の周辺がゲートラインやソースライン等の周辺電極部材４２により囲まれているため、それらの周辺電極部材４２と画素電極３５との間に基板面に対して垂直ではない横方向電界４３が生じる。液晶分子４１には電界方向に直交するように回転させるモーメントが働くので、画素電極３５の内側のＡ領域では初期の傾き角に応じて左回りに回転させるモーメントが働き、画素電極３５の周辺部のＢ領域では横方向電界４３の影響により右回りに回転させるモーメントが働く。液晶分子４１が傾斜する方向は、各液晶分子４１が受けるモーメントと、隣接する液晶分子間の弾性の作用とにより決定される。実際の液晶表示装置においては、画素電極３５の周辺部のＢ領域では液晶分子４１が電界方向と交差する角度が大きく、画素電極３５の内側のＡ領域では液晶分子４１が電界方向と交差する角度が小さいので、Ｂ領域の液晶分子４１に働くモーメントが支配的になり、Ａ領域およびＢ領域の液晶分子４１は右回りに回転することになる。
【００１６】
ここで、画素電極はそれを取り囲む４辺の外側の各々の部分で横方向電界を生じているので、上記理由により液晶分子は画素電極の内側に向かって傾斜し、その結果、画素電極内部の点を中心として広がるように傾斜方向の分布が生じてムラが見られる。さらに、各画素電極で中心となる点の位置が一定ではないので、画面全体を観察するとざらついた画質になる。
【００１７】
本発明はこのような従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、電圧印加時における液晶分子の傾斜方向を一定にして、ざらつきのない良好な表示品位を有する液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶表示装置は、電極を各々有する一対の基板の間隙に液晶層が挟持されて複数の画素がマトリクス状に構成され、電圧を印加しないときには該液晶層内の液晶分子が基板面に対してほぼ垂直に配向する液晶表示装置であって、該一対の基板のうちの一方の基板上の電極が、各画素の周縁部の少なくとも一部に電極が形成されていない隙間部を有し、該隙間部よりも外側に存在する電極部分が、その外側から隙間部よりも内側の電極部分に対して電界が及ぶのをシールドする機能を有し、そのことにより上記目的が達成される。
【００１９】
前記一対の基板のうちの他方の基板上の電極が、前記一方の基板上の電極の隙間部と対向する部分に電極が形成されていない隙間部を有していてもよい。
【００２０】
以下、本発明の作用について説明する。
【００２１】
本発明にあっては、一方の基板上の電極が各画素の周縁部の少なくとも一部に隙間部を有し、隙間部よりも外側に延在する電極部分が、その外側から隙間部の内側の電極部分に電界（横電界）が及ぶのをシールドする機能を有する。両基板の間に挟持されている液晶層内の液晶分子は、電圧を印加しないときには基板面に対してほぼ垂直に配向しており、ゲートラインやソースライン等の周辺電極部材と電極との間に横電界があるとその影響を受けて傾斜するが、隙間部の外側の電極部分により横電界がシールドされるので、隙間部の内側にある各画素内の電極部分上において、液晶分子をラビングにより予め決定された方向に一様に傾斜させて、ざらつきの無い良好な表示品位が得られる。
【００２２】
また、請求項２に記載の本発明にあっては、他方の基板上の電極が、一方の基板上の隙間部と対向する部分に隙間部を有しているので、両基板上の電極の隙間部が対向する部分に挟まれた液晶層部分では液晶分子が垂直配向したままであり、隙間部の外側の電極部分上の液晶分子から隙間部の内側にある各画素内の電極部分上の液晶分子に伝わる弾性の作用が遮断される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
（実施形態１）
本実施形態１の液晶表示装置は、図８に示した従来の液晶表示装置と同様に、マトリクス基板と対向基板との間に液晶層を挟み、両側に偏光板を貼り付けた構造となっており、この液晶表示装置の背面に光源、いわゆるバックライトを配置して光シャッターとして使用するものである。
【００２５】
図１に本実施形態１におけるマトリクス基板の平面図を示し、図２に対向基板の平面図を示し、図３に図１のＡ−Ａ’線部分の断面図を示す。
【００２６】
このマトリクス基板は、ゲートライン１とソースライン７とが互いに交差して設けられ、各ラインの交差部近傍にスイッチング素子としての薄膜トランジスタ４が設けられている。マトリクス状に設けられた画素電極１０は各画素の周縁部の一部（ここではゲートライン１と平行な辺に沿う部分）に隙間部１６を有しており、隙間部１６よりも外側に延在する電極部分１５が、隙間部よりも内側の電極部分１７に隣接するゲートライン１から横電界が及ぶのをシールドする。この画素電極１０は各薄膜トランジスタ４を介してゲートライン１とソースライン７とに接続されている。対向基板は、隙間部１６の内側の電極部分１７に対応した開口部１２を有する遮光膜１３とカラーフィルタ（図示せず）とが設けられ、その上に全面に対向電極１４が設けられている。なお、図２は、対向基板を基板側から見たものであり、ドット部は対向電極１４を示し、斜線部は遮光膜１３で覆われている部分を示す。このマトリクス基板と対向基板との上には電圧無印加時に液晶分子を垂直配向させるための配向膜（図示せず）が形成され、この配向膜には液晶分子の傾斜方向を一様にするためにラビング処理が施されている。
【００２７】
薄膜トランジスタ４は、図３に示すように、ゲートライン１から分岐したゲート電極２が設けられ、その上を覆うようにゲート絶縁膜３が設けられている。ゲート絶縁膜３の上にはゲート電極２に重畳するようにａ−Ｓｉ層５が設けられ、ａ−Ｓｉ層５の上には２つに分断されたｎ＋−ａ−Ｓｉ層６ａ、６ｂが設けられている。ｎ＋−ａ−Ｓｉ層６ａの上にはソースライン７から分岐したソース電極８が設けられ、ｎ＋−ａ−Ｓｉ層６ｂの上にはドレイン電極８が設けられている。ドレイン電極８の上に一部重畳して画素電極１０が設けられ、その上を覆うように保護膜１１が設けられている。
【００２８】
この液晶表示装置は、例えば以下のようにして製造することができる。
【００２９】
まず、マトリクス基板は、スパッタリング法によりＴａ膜を成膜してフォトリソグラフィ法によりパターニングしてゲートライン１とゲートライン１から分岐したゲート電極２を形成する。
【００３０】
その上に、ＰＥ−ＣＶＤ法によりＳｉＮｘからなるゲート絶縁膜４とａ−Ｓｉ膜とＰをドープしたｎ＋−ａ−Ｓｉ膜とを連続して成膜し、ａ−Ｓｉ層５とｎ＋−ａ−Ｓｉ６ａ、６ｂとを薄膜トランジスタ４の形成部に残してパターニングする。
【００３１】
次に、スパッタリング法によりＴｉ膜を成膜してフォトリソグラフィ法によりパターニングしてソースライン７、ソースライン７から分岐したソース電極８およびドレイン電極９を形成する。このとき、同じレジストパターンを用いてｎ＋−ａ−Ｓｉ層６ａ、６ｂのエッチングを行うことにより、ソース電極８およびドレイン電極９からはみ出したｎ＋−ａ−Ｓｉ層６ａ、６ｂを除去する。
【００３２】
続いて、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、これをパターニングして各画素の周縁部の少なくとも一部に隙間部を有し、その内側に電極部分１７、外側に電極部分１５を有する画素電極１０を形成する。この実施形態では、画素の周縁のうち、ゲートライン１と隣接する辺に沿って隙間部１６を幅３μｍで形成し、隙間部１６の外側に幅３μｍの電極部分１５を幅３μｍで残した。ここで、隙間部１６をゲートライン１と平行な辺に沿って設けてその外側に電極部分１５を残した理由は以下の通りである。液晶表示装置の駆動電圧は、ソース電圧については液晶の飽和電圧により決定され、ゲート電圧については薄膜トランジスタの動作電圧で決定される。本実施形態では、ソース電圧を最大±５Ｖの矩形波、ゲート電圧を−１５Ｖを基準として走査期間に＋１０Ｖとなるパルス波としているので、特にゲートライン１側に電界が強く生じる。これを考慮してゲートライン１と隣接する辺に沿って電極部分１５を設けているのである。
【００３３】
その後、ＰＥ−ＣＶＤ法によりＳｉＮｘからなる保護膜１１を形成してマトリクス基板を完成する。
【００３４】
次に、対向基板は、開口部１２を設けたＣｒからなる遮光膜１３の上にカラーフィルタ（図示せず）を形成し、その上に各画素内にＩＴＯからなる対向電極１４を形成した。この実施形態では対向電極１４に隙間部を設けず、基板全面に形成した。なお、この対向基板は、上述したマトリクス基板よりも先に作製してもよい。
【００３５】
以上のようにして作製したマトリクス基板と対向基板との双方に配向膜（図示せず）を印刷塗布により形成し、ラビング処理した後で両基板を貼り合わせる。この実施形態では、マトリクス基板と対向基板との間にスペーサーを挟んで、画素電極１０と対向電極１４との間隔を４μｍとなるように設定した。また、ラビング方向１８はゲートライン１と直交する方向に設定した。
【００３６】
最後に、両基板の間隙に負の誘電率異方性を有する液晶を注入して注入口を封止し、両面に偏光板を貼り合わせることにより、本実施形態の液晶表示装置が完成する。このとき、一対の偏光板の吸収軸を互いに直交させてゲートラインに対して４５゜、すなわち画面に対して４５゜の角度で配置することにより、電圧無印加状態の垂直配向時に光が遮断されるノーマリブラックの表示が得られる。これにより、電圧無印加時の複屈折の無い状態で黒表示を行うことができるので、画面の法線方向におけるコントラストを高くすることができる。また、液晶層にはツイスト構造を用いていないので応答速度を速くすることができる。
【００３７】
得られた液晶表示装置に電圧を印加したときの液晶分子の傾斜方向について、図１のＢ−Ｂ’線に相当する部分の断面図である図４を参照しながら説明する。
【００３８】
この液晶表示装置は、隙間部１６よりも外側の電極部分１５の端では横方向電界１９が生じているので、図４中、電極部分１５上のＡの領域では液晶分子４３が右回りに回転し、電極部分１５上のＢの領域では液晶分子４３が左回りに回転する。また、画素電極１０の隙間部１６上のＣの領域では縦方向および横方向とも電界が弱く、液晶分子４３は垂直配向した状態から殆ど傾斜しない。その結果、各画素内の電極部分１７上のＤの領域ではゲートライン１からの横電界が及ばず、液晶分子４３を予めラビング方向により決定されている方向である左回りの方向に一様に傾斜させることができた。ここで、隙間部１６よりも外側の電極部分１５上のＡの領域、Ｂの領域および隙間部１６上のＣの領域は、対向基板側に形成されている遮光膜１３により隠されているので、表示に影響を与えない。
【００３９】
本実施形態の液晶表示装置をルーペで観察したところ、従来の液晶表示装置で観察されたような不均一なムラは確認されなかった。また、画面全体を観察した場合についてもざらつきは感じられず、良好な画質が得られた。
【００４０】
（実施形態２）
本実施形態２の液晶表示装置は、マトリクス基板に図５に示すような隙間部２３、電極部分２２および電極部分２４を有する画素電極２０を設け、対向基板に図６に示すような隙間部２５を有する対向電極２１を設けた以外は実施形態１と同様の液晶表示装置を作製した。隙間部２３は、ソースライン７側の一部を電極部分２４と電極部分２２との接続のために残して画素の周縁の各辺に沿って幅３μｍで形成し、隙間部２３の外側に幅３μｍの電極部分２２を幅３μｍで残した。また、画素電極２０の隙間部２３と対向する対向電極２１部分に隙間部２５を形成した。なお、図６は、対向基板を基板側から見たものであり、ドット部は対向電極２１を示し、斜線部は遮光膜１３で覆われている部分を示す。さらに、ラビング方向２６は実施形態１と同様にゲートライン１と直交する方向に設定した。
【００４１】
得られた液晶表示装置に電圧を印加したときの液晶分子の傾斜方向について、図５のＣ−Ｃ’線に相当する部分の断面図である図７を参照しながら説明する。
【００４２】
この液晶表示装置は、画素電極２０の隙間部２３に対向して対向電極２１の隙間部２５が形成されているので、画素電極２０の隙間部２３上のＣの領域では電界が生じず、液晶分子４４は垂直配向した状態から変化しない。その結果、隙間部２３よりも外側の電極部分２２上のＡの領域およびＢの領域の液晶分子４４から伝わる弾性によるモーメントも完全に遮断することができるので、隙間部２３よりも内側の各画素内の電極部分２４上のＤの領域では、液晶分子４４を予めラビング方向により決定されている方向である左回りの方向に一様に傾斜させることができる。
【００４３】
本実施形態の液晶表示装置においても、従来の液晶表示装置で観察されたような不均一なムラは確認されなかった。また、画面全体を観察した場合についてもざらつきは感じられず、良好な画質が得られた。
【００４４】
なお、上記実施形態１および２においては、いずれも従来の液晶表示装置で観察されたような不均一なムラを改善できたが、液晶の配向は配向膜材料や液晶材料さらには配向膜の印刷状態や焼成温度等のプロセス条件の相互関係で変動するので、各電極の隙間部を設ける位置や形状は上記実施形態に示したものに限らず、画素電極や対向電極の形状は不均一なムラを改善できる形状であればどのような形状であってもよく、画素電極の隙間部や対向電極の隙間部が曲線的な形状であっても良い。また、上記実施形態ではスイッチング素子として薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置について説明しているが、複数の画素がマトリクス状に形成されている構造であれば、ＭＩＭ等の２端子素子を用いた液晶表示装置や、単純マトリクス型の液晶表示装置に本発明を適用することも可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、応答速度やコントラストに優れた垂直配向モードにおいて、画素電極や対向電極のパターニング時に隙間部を設けることにより、容易に電圧印加時に液晶分子が傾斜する方向を画素内で一様にすることができる。
【００４６】
従って、画像表示においてざらつきの無いなめらかな画質の液晶表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１におけるマトリクス基板の平面図である。
【図２】実施形態１における対向基板の平面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ’線部分の断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ’線に相当する部分の断面図である。
【図５】実施形態２におけるマトリクス基板の平面図である。
【図６】実施形態２における対向基板の平面図である。
【図７】図５のＣ−Ｃ’線部分の断面図である。
【図８】従来の液晶表示装置を示す断面図である。
【図９】従来のマトリクス基板の平面図である。
【図１０】従来の対向基板の平面図である。
【図１１】従来の液晶表示装置において観察されるムラを示す図である。
【図１２】従来の液晶表示装置における液晶分子の配向方向を説明するための断面図である。
【図１３】従来の液晶表示装置における液晶分子の配向方向を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１ ゲートライン
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ 薄膜トランジスタ
５ ａ−Ｓｉ層
６ａ、６ｂ ｎ＋−ａ−Ｓｉ層
７ ソースライン
８ ソース電極
９ ドレイン電極
１０、２０ 画素電極
１１ 保護膜
１２ 開口部
１３ 遮光膜
１４、２１ 対向電極
１５、２２ シールド電極部分
１６、２３、２５ 隙間部
１７、２４ 表示電極部分
１８、２６ ラビング方向
４３、４４ 液晶分子
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばテレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサまたはＯＡ機器等に用いられる液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述の液晶表示装置として、図８に示すようなマトリクス型のものが知られている。この液晶表示装置は、マトリクス基板２８と対向基板２９との間に液晶層２７を挟み、両側に偏光板３０を貼り付けた構造となっており、この液晶表示装置の背面に光源、いわゆるバックライト３１を配置して光シャッターとして使用する。
【０００３】
図９にマトリクス基板２８の平面図を示し、図１０に対向基板２９の平面図を示す。このマトリクス基板２８は、ゲートライン３２とソースライン３３とが互いに交差して設けられ、各ラインの交差部近傍にスイッチング素子としての薄膜トランジスタ３４が設けられている。マトリクス状に設けられた画素電極３５は、各薄膜トランジスタ３４を介してゲートライン３２とソースライン３３とに接続されている。対向基板２９は、画素電極３５に対応した開口部３６を有する遮光膜３７とカラーフィルタ（図示せず）とが設けられ、その上に全面に対向電極３８が設けられている。なお、図１０は、対向基板２９を基板側から見たものである。このマトリクス基板２８と対向基板２９との上には配向膜（図示せず）が形成され、これをラビング処理することにより液晶分子を任意の方向に配向させることができる。
【０００４】
この構造の液晶表示装置によれば、薄膜トランジスタ３４を介して画素電極３５に画像信号を入力することにより、各画素毎に液晶層２７に与える電圧を制御することができる。液晶層２７に電圧が印加されると、液晶層２７内の液晶分子の誘電率異方性に依存して液晶分子の配向方向が変化する。
【０００５】
例えば、垂直配向モードにおいては、電圧無印加時に液晶分子をほぼ垂直に配向させ、負の誘電率異方性を有する材料を用いて電圧印加時に液晶分子を水平方向に傾斜させる。このとき、液晶分子の傾斜方向を一様にするために、配向膜にラビング処理を行う。これにより、電圧印加時には液晶分子がラビング方向４０に沿う方向に傾斜する。また、一対の偏光板は、互いの吸収軸方向が９０゜で上記ラビング方向に対して４５゜の角度になるように配置する。
【０００６】
この液晶表示装置の光制御の原理は、以下の通りである。
【０００７】
電圧無印加時には、液晶分子が垂直配向して位相差が無い。このため、バックライト３１から液晶層２７に入射する前に背面側（入射側）の偏光板３０により直線偏光とされた光は、直線偏光のまま液晶層２７を透過し、前面側（出射側）の偏光板３０に入射する。入射した光は直交配置された前面側の偏光板で３０で吸収され、黒表示が得られる。
【０００８】
また、電圧印加時には、液晶層に入射される直線偏光に対して４５°の角度で液晶分子が傾斜して複屈折が生じる。このため、液晶層２７に入射し直線偏光は楕円偏光、円偏光または９０゜シフトした直線偏光となり、偏光板３０に入射した光の吸収軸成分が吸収されて光の透過率が変化する。このときの透過率は、
Ｔ＝ｓｉｎ２（δ／２）
δ＝（２π／λ）×Δｎｄ
で表わされ、中間調から白表示が得られる。ここで、Δｎは見かけ上の液晶の屈折率異方性、ｄはセルギャップである。
【０００９】
この見かけ上の液晶の屈折率異方性は、光透過方向の垂直断面に等しい基板面に対して水平な面内における液晶分子の屈折率異方性であり、印加電圧の増加により液晶分子が傾斜して水平方向になるに従って増加する。従って、印加電圧値によって光の透過率を連続的に変化させることができる。
【００１０】
上記垂直配向モードは、広く実用化されているＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）方式やＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）方式と比較して、液晶層にツイスト構造を用いないために応答速度が速い。また、電圧無印加時の複屈折の無い状態では位相差が無く、偏光板を互いに直交させた状態で光を透過させて黒表示を行うため、高いコントラストを容易に得ることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述の液晶表示装置は、応答速度とコントラストについては優れているが、電圧印加時における液晶分子の配向方向を均一に制御することが非常に難しいという問題を有している。
【００１２】
本発明者らが従来の液晶表示装置について画像表示を確認したところ、画面全体の観察ではざらついたように認識され、画質が非常に悪いものであった。また、各画素をルーペにより観察すると、図１１に示すようなムラが確認できた。この図１１は、電圧印加時に液晶分子が図１１中のＡ点を中心にして広がるように傾斜している様子を示す。このようなムラが見られる原因は、画素の周辺において画素電極とゲートラインとの間または画素電極とソースラインとの間に横方向の電界（基板面に沿う方向の成分を有する電界）が生じるためと考えられる。以下、このことについて説明する。
【００１３】
上述の液晶表示装置は、電圧無印加時には、図１２に示すように液晶分子４１が基板面に対してほぼ垂直に配向しており、ラビング処理により液晶分子４１がラビング方向４０にわずかに傾いている。この初期の傾き角度は数゜以下であるため、発生する位相差は表示特性に対して殆ど影響を与えず、無視できる程度である。
【００１４】
また、電圧印加時には、例えば基板面に対して完全に垂直な電界が形成される場合を想定すると、液晶分子４１は予め傾いていた方向、（図中の矢印の方向：この図１２では左回り）に傾斜していく。
【００１５】
しかしながら、実際の液晶表示装置においては、図１３に示すように画素電極３５の周辺がゲートラインやソースライン等の周辺電極部材４２により囲まれているため、それらの周辺電極部材４２と画素電極３５との間に基板面に対して垂直ではない横方向電界４３が生じる。液晶分子４１には電界方向に直交するように回転させるモーメントが働くので、画素電極３５の内側のＡ領域では初期の傾き角に応じて左回りに回転させるモーメントが働き、画素電極３５の周辺部のＢ領域では横方向電界４３の影響により右回りに回転させるモーメントが働く。液晶分子４１が傾斜する方向は、各液晶分子４１が受けるモーメントと、隣接する液晶分子間の弾性の作用とにより決定される。実際の液晶表示装置においては、画素電極３５の周辺部のＢ領域では液晶分子４１が電界方向と交差する角度が大きく、画素電極３５の内側のＡ領域では液晶分子４１が電界方向と交差する角度が小さいので、Ｂ領域の液晶分子４１に働くモーメントが支配的になり、Ａ領域およびＢ領域の液晶分子４１は右回りに回転することになる。
【００１６】
ここで、画素電極はそれを取り囲む４辺の外側の各々の部分で横方向電界を生じているので、上記理由により液晶分子は画素電極の内側に向かって傾斜し、その結果、画素電極内部の点を中心として広がるように傾斜方向の分布が生じてムラが見られる。さらに、各画素電極で中心となる点の位置が一定ではないので、画面全体を観察するとざらついた画質になる。
【００１７】
本発明はこのような従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、電圧印加時における液晶分子の傾斜方向を一定にして、ざらつきのない良好な表示品位を有する液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶表示装置は、電極を各々有する一対の基板の間隙に液晶層が挟持されて複数の画素がマトリクス状に構成され、電圧を印加しないときには該液晶層内の液晶分子が基板面に対してほぼ垂直に配向する液晶表示装置であって、該一対の基板のうちの一方の基板上の電極が、各画素の周縁部の少なくとも一部に電極が形成されていない隙間部を有し、該隙間部よりも外側に存在する電極部分が、その外側から隙間部よりも内側の電極部分に対して電界が及ぶのをシールドする機能を有し、そのことにより上記目的が達成される。
【００１９】
前記一対の基板のうちの他方の基板上の電極が、前記一方の基板上の電極の隙間部と対向する部分に電極が形成されていない隙間部を有していてもよい。
【００２０】
以下、本発明の作用について説明する。
【００２１】
本発明にあっては、一方の基板上の電極が各画素の周縁部の少なくとも一部に隙間部を有し、隙間部よりも外側に延在する電極部分が、その外側から隙間部の内側の電極部分に電界（横電界）が及ぶのをシールドする機能を有する。両基板の間に挟持されている液晶層内の液晶分子は、電圧を印加しないときには基板面に対してほぼ垂直に配向しており、ゲートラインやソースライン等の周辺電極部材と電極との間に横電界があるとその影響を受けて傾斜するが、隙間部の外側の電極部分により横電界がシールドされるので、隙間部の内側にある各画素内の電極部分上において、液晶分子をラビングにより予め決定された方向に一様に傾斜させて、ざらつきの無い良好な表示品位が得られる。
【００２２】
また、請求項２に記載の本発明にあっては、他方の基板上の電極が、一方の基板上の隙間部と対向する部分に隙間部を有しているので、両基板上の電極の隙間部が対向する部分に挟まれた液晶層部分では液晶分子が垂直配向したままであり、隙間部の外側の電極部分上の液晶分子から隙間部の内側にある各画素内の電極部分上の液晶分子に伝わる弾性の作用が遮断される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
（実施形態１）
本実施形態１の液晶表示装置は、図８に示した従来の液晶表示装置と同様に、マトリクス基板と対向基板との間に液晶層を挟み、両側に偏光板を貼り付けた構造となっており、この液晶表示装置の背面に光源、いわゆるバックライトを配置して光シャッターとして使用するものである。
【００２５】
図１に本実施形態１におけるマトリクス基板の平面図を示し、図２に対向基板の平面図を示し、図３に図１のＡ−Ａ’線部分の断面図を示す。
【００２６】
このマトリクス基板は、ゲートライン１とソースライン７とが互いに交差して設けられ、各ラインの交差部近傍にスイッチング素子としての薄膜トランジスタ４が設けられている。マトリクス状に設けられた画素電極１０は各画素の周縁部の一部（ここではゲートライン１と平行な辺に沿う部分）に隙間部１６を有しており、隙間部１６よりも外側に延在する電極部分１５が、隙間部よりも内側の電極部分１７に隣接するゲートライン１から横電界が及ぶのをシールドする。この画素電極１０は各薄膜トランジスタ４を介してゲートライン１とソースライン７とに接続されている。対向基板は、隙間部１６の内側の電極部分１７に対応した開口部１２を有する遮光膜１３とカラーフィルタ（図示せず）とが設けられ、その上に全面に対向電極１４が設けられている。なお、図２は、対向基板を基板側から見たものであり、ドット部は対向電極１４を示し、斜線部は遮光膜１３で覆われている部分を示す。このマトリクス基板と対向基板との上には電圧無印加時に液晶分子を垂直配向させるための配向膜（図示せず）が形成され、この配向膜には液晶分子の傾斜方向を一様にするためにラビング処理が施されている。
【００２７】
薄膜トランジスタ４は、図３に示すように、ゲートライン１から分岐したゲート電極２が設けられ、その上を覆うようにゲート絶縁膜３が設けられている。ゲート絶縁膜３の上にはゲート電極２に重畳するようにａ−Ｓｉ層５が設けられ、ａ−Ｓｉ層５の上には２つに分断されたｎ＋−ａ−Ｓｉ層６ａ、６ｂが設けられている。ｎ＋−ａ−Ｓｉ層６ａの上にはソースライン７から分岐したソース電極８が設けられ、ｎ＋−ａ−Ｓｉ層６ｂの上にはドレイン電極８が設けられている。ドレイン電極８の上に一部重畳して画素電極１０が設けられ、その上を覆うように保護膜１１が設けられている。
【００２８】
この液晶表示装置は、例えば以下のようにして製造することができる。
【００２９】
まず、マトリクス基板は、スパッタリング法によりＴａ膜を成膜してフォトリソグラフィ法によりパターニングしてゲートライン１とゲートライン１から分岐したゲート電極２を形成する。
【００３０】
その上に、ＰＥ−ＣＶＤ法によりＳｉＮｘからなるゲート絶縁膜４とａ−Ｓｉ膜とＰをドープしたｎ＋−ａ−Ｓｉ膜とを連続して成膜し、ａ−Ｓｉ層５とｎ＋−ａ−Ｓｉ６ａ、６ｂとを薄膜トランジスタ４の形成部に残してパターニングする。
【００３１】
次に、スパッタリング法によりＴｉ膜を成膜してフォトリソグラフィ法によりパターニングしてソースライン７、ソースライン７から分岐したソース電極８およびドレイン電極９を形成する。このとき、同じレジストパターンを用いてｎ＋−ａ−Ｓｉ層６ａ、６ｂのエッチングを行うことにより、ソース電極８およびドレイン電極９からはみ出したｎ＋−ａ−Ｓｉ層６ａ、６ｂを除去する。
【００３２】
続いて、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、これをパターニングして各画素の周縁部の少なくとも一部に隙間部を有し、その内側に電極部分１７、外側に電極部分１５を有する画素電極１０を形成する。この実施形態では、画素の周縁のうち、ゲートライン１と隣接する辺に沿って隙間部１６を幅３μｍで形成し、隙間部１６の外側に幅３μｍの電極部分１５を幅３μｍで残した。ここで、隙間部１６をゲートライン１と平行な辺に沿って設けてその外側に電極部分１５を残した理由は以下の通りである。液晶表示装置の駆動電圧は、ソース電圧については液晶の飽和電圧により決定され、ゲート電圧については薄膜トランジスタの動作電圧で決定される。本実施形態では、ソース電圧を最大±５Ｖの矩形波、ゲート電圧を−１５Ｖを基準として走査期間に＋１０Ｖとなるパルス波としているので、特にゲートライン１側に電界が強く生じる。これを考慮してゲートライン１と隣接する辺に沿って電極部分１５を設けているのである。
【００３３】
その後、ＰＥ−ＣＶＤ法によりＳｉＮｘからなる保護膜１１を形成してマトリクス基板を完成する。
【００３４】
次に、対向基板は、開口部１２を設けたＣｒからなる遮光膜１３の上にカラーフィルタ（図示せず）を形成し、その上に各画素内にＩＴＯからなる対向電極１４を形成した。この実施形態では対向電極１４に隙間部を設けず、基板全面に形成した。なお、この対向基板は、上述したマトリクス基板よりも先に作製してもよい。
【００３５】
以上のようにして作製したマトリクス基板と対向基板との双方に配向膜（図示せず）を印刷塗布により形成し、ラビング処理した後で両基板を貼り合わせる。この実施形態では、マトリクス基板と対向基板との間にスペーサーを挟んで、画素電極１０と対向電極１４との間隔を４μｍとなるように設定した。また、ラビング方向１８はゲートライン１と直交する方向に設定した。
【００３６】
最後に、両基板の間隙に負の誘電率異方性を有する液晶を注入して注入口を封止し、両面に偏光板を貼り合わせることにより、本実施形態の液晶表示装置が完成する。このとき、一対の偏光板の吸収軸を互いに直交させてゲートラインに対して４５゜、すなわち画面に対して４５゜の角度で配置することにより、電圧無印加状態の垂直配向時に光が遮断されるノーマリブラックの表示が得られる。これにより、電圧無印加時の複屈折の無い状態で黒表示を行うことができるので、画面の法線方向におけるコントラストを高くすることができる。また、液晶層にはツイスト構造を用いていないので応答速度を速くすることができる。
【００３７】
得られた液晶表示装置に電圧を印加したときの液晶分子の傾斜方向について、図１のＢ−Ｂ’線に相当する部分の断面図である図４を参照しながら説明する。
【００３８】
この液晶表示装置は、隙間部１６よりも外側の電極部分１５の端では横方向電界１９が生じているので、図４中、電極部分１５上のＡの領域では液晶分子４３が右回りに回転し、電極部分１５上のＢの領域では液晶分子４３が左回りに回転する。また、画素電極１０の隙間部１６上のＣの領域では縦方向および横方向とも電界が弱く、液晶分子４３は垂直配向した状態から殆ど傾斜しない。その結果、各画素内の電極部分１７上のＤの領域ではゲートライン１からの横電界が及ばず、液晶分子４３を予めラビング方向により決定されている方向である左回りの方向に一様に傾斜させることができた。ここで、隙間部１６よりも外側の電極部分１５上のＡの領域、Ｂの領域および隙間部１６上のＣの領域は、対向基板側に形成されている遮光膜１３により隠されているので、表示に影響を与えない。
【００３９】
本実施形態の液晶表示装置をルーペで観察したところ、従来の液晶表示装置で観察されたような不均一なムラは確認されなかった。また、画面全体を観察した場合についてもざらつきは感じられず、良好な画質が得られた。
【００４０】
（実施形態２）
本実施形態２の液晶表示装置は、マトリクス基板に図５に示すような隙間部２３、電極部分２２および電極部分２４を有する画素電極２０を設け、対向基板に図６に示すような隙間部２５を有する対向電極２１を設けた以外は実施形態１と同様の液晶表示装置を作製した。隙間部２３は、ソースライン７側の一部を電極部分２４と電極部分２２との接続のために残して画素の周縁の各辺に沿って幅３μｍで形成し、隙間部２３の外側に幅３μｍの電極部分２２を幅３μｍで残した。また、画素電極２０の隙間部２３と対向する対向電極２１部分に隙間部２５を形成した。なお、図６は、対向基板を基板側から見たものであり、ドット部は対向電極２１を示し、斜線部は遮光膜１３で覆われている部分を示す。さらに、ラビング方向２６は実施形態１と同様にゲートライン１と直交する方向に設定した。
【００４１】
得られた液晶表示装置に電圧を印加したときの液晶分子の傾斜方向について、図５のＣ−Ｃ’線に相当する部分の断面図である図７を参照しながら説明する。
【００４２】
この液晶表示装置は、画素電極２０の隙間部２３に対向して対向電極２１の隙間部２５が形成されているので、画素電極２０の隙間部２３上のＣの領域では電界が生じず、液晶分子４４は垂直配向した状態から変化しない。その結果、隙間部２３よりも外側の電極部分２２上のＡの領域およびＢの領域の液晶分子４４から伝わる弾性によるモーメントも完全に遮断することができるので、隙間部２３よりも内側の各画素内の電極部分２４上のＤの領域では、液晶分子４４を予めラビング方向により決定されている方向である左回りの方向に一様に傾斜させることができる。
【００４３】
本実施形態の液晶表示装置においても、従来の液晶表示装置で観察されたような不均一なムラは確認されなかった。また、画面全体を観察した場合についてもざらつきは感じられず、良好な画質が得られた。
【００４４】
なお、上記実施形態１および２においては、いずれも従来の液晶表示装置で観察されたような不均一なムラを改善できたが、液晶の配向は配向膜材料や液晶材料さらには配向膜の印刷状態や焼成温度等のプロセス条件の相互関係で変動するので、各電極の隙間部を設ける位置や形状は上記実施形態に示したものに限らず、画素電極や対向電極の形状は不均一なムラを改善できる形状であればどのような形状であってもよく、画素電極の隙間部や対向電極の隙間部が曲線的な形状であっても良い。また、上記実施形態ではスイッチング素子として薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置について説明しているが、複数の画素がマトリクス状に形成されている構造であれば、ＭＩＭ等の２端子素子を用いた液晶表示装置や、単純マトリクス型の液晶表示装置に本発明を適用することも可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、応答速度やコントラストに優れた垂直配向モードにおいて、画素電極や対向電極のパターニング時に隙間部を設けることにより、容易に電圧印加時に液晶分子が傾斜する方向を画素内で一様にすることができる。
【００４６】
従って、画像表示においてざらつきの無いなめらかな画質の液晶表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１におけるマトリクス基板の平面図である。
【図２】実施形態１における対向基板の平面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ’線部分の断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ’線に相当する部分の断面図である。
【図５】実施形態２におけるマトリクス基板の平面図である。
【図６】実施形態２における対向基板の平面図である。
【図７】図５のＣ−Ｃ’線部分の断面図である。
【図８】従来の液晶表示装置を示す断面図である。
【図９】従来のマトリクス基板の平面図である。
【図１０】従来の対向基板の平面図である。
【図１１】従来の液晶表示装置において観察されるムラを示す図である。
【図１２】従来の液晶表示装置における液晶分子の配向方向を説明するための断面図である。
【図１３】従来の液晶表示装置における液晶分子の配向方向を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１ ゲートライン
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ 薄膜トランジスタ
５ ａ−Ｓｉ層
６ａ、６ｂ ｎ＋−ａ−Ｓｉ層
７ ソースライン
８ ソース電極
９ ドレイン電極
１０、２０ 画素電極
１１ 保護膜
１２ 開口部
１３ 遮光膜
１４、２１ 対向電極
１５、２２ シールド電極部分
１６、２３、２５ 隙間部
１７、２４ 表示電極部分
１８、２６ ラビング方向
４３、４４ 液晶分子
Claims (1)
- 電極を各々有する一対の基板の間隙に液晶層が挟持されて複数の画素がマトリクス状に構成され、電圧を印加しないときには該液晶層内の液晶分子が基板面に対してほぼ垂直に配向する液晶表示装置であって、
該一対の基板のうちの一方の基板上に画素電極がマトリクス状に設けられており、各画素電極が、各画素の周縁部の少なくとも一部に電極が形成されていない隙間部を有し、該隙間部よりも外側に存在する電極部分が、その外側から隙間部よりも内側の電極部分に対して電界が及ぶのをシールドする機能を有しており、さらに、前記一対の基板のうちの他方の基板上に対向電極が設けられており、該対向電極には、前記一方の基板上の電極の隙間部と対向する部分に電極が形成されていない隙間部を有する、液晶表示装置。
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