KR20020033586A - 액정 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

액정 표시 장치는 제1 기판, 제2 기판, 및 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 구비되는 수직 배향형 액정층을 포함하고, 제1 기판의 액정층 쪽 측면 상에 구비되는 제1 전극과 상기 액정층을 개재하여 제1 전극에 대향하도록 제2 기판 상에 구비되는 제2 전극에 의해 각각 획정되는 복수의 화소 영역을 포함한다. 제1 기판은 복수의 화소 영역 각각에 제1 배향 규제 구조를 포함하며, 제1 배향 규제 구조는 액정층 내에 복수의 액정 도메인을 형성하도록 배향 규제력을 발휘하고, 전압 인가시 각 액정 도메인은 방사상 경사 배향을 나타낸다. 제2 기판은 복수의 액정 도메인의 적어도 하나에 대응하는 영역에 제2 배향 규제 구조를 포함하고, 제2 배향 규제 구조는 적어도 전압 인가시 적어도 하나의 액정 도메인내의 액정 분자를 방사상 경사 배향으로 배향시키기 위한 배향 규제력을 발휘한다.

Description

액정 표시 장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 특히 넓은 시야각 특성을 가지고 있고 고화질의 표시를 생성할 수 있는 액정 표시 장치에 관한 것이다.
최근, 얇고 가벼운 액정 표시 장치가 퍼스널 컴퓨터 디스플레이 및 PDA(Personal Digital Assistance) 디스플레이로서 이용되고 있다. 그러나, 종래 트위스트 네마틱(TN)형 및 슈퍼 트위스트 네마틱(STN)형 액정 표시 장치는 좁은 시야각을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 다양한 기술 개발이 진행되어 왔다.
TN 또는 STN 액정 표시 장치의 시야각 특성을 개선하기 위한 전형적인 기술은 광학 보상판을 부가하는 것이다. 다른 접근법은 기판 평면에 대해 수평인 전계를 액정층에 인가하는 횡방향(transverse) 전계 모드를 채용하는 것이다. 횡방향 전계 모드의 액정 표시 장치가 많은 사람들의 관심을 끌고 있으며, 최근 대량 생산되고 있다. 또 다른 기술은 음의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정 재료를 액정 재료로 이용하고 수직 배향막을 배향막으로 이용하는 DAP(Deformation of verticalAligned Phase) 모드를 채용하는 것이다. 이것은 ECB(Electrically Controlled birefringence) 모드의 한 형태로서, 액정 분자의 복굴절을 이용하여 투과율을 제어한다.
횡방향 전계 모드가 시야각을 개선하는 데는 효과적인 접근법이지만, 그 제조 공정에서 정상적인 TN형 장치보다 그 제조 마진이 너무 낮다. 따라서, 장치를 안정적으로 제조하는 것이 어렵다. 이것은, 표시 휘도 또는 컨트러스트 비가 기판간의 갭의 변동 또는 액정 분자의 배향축에 대한 편광판의 투과축(편광축) 방향으로의 시프트에 의해 크게 영향을 받기 때문이다. 이들 인자들을 정확하게 제어할 수 있고, 따라서 장치의 안정적인 제조를 실현할 수 있는 추가적인 기술 개발이 필요하다.
DAP 모드 액정 표시 장치로 표시 불균일이 없는 균일 표시를 실현하기 위해서는, 배향 제어가 필요하다. 배향 제어는 예를 들면 배향막의 표면에 러빙(rubbing)에 의한 배향 처리를 함으로써 제공될 수 있다. 그러나, 수직 배향막이 러빙 처리를 받는 경우, 표시된 화상에 러빙 줄무늬(streak)가 나타날 가능성이 있으며, 따라서 대량 생산에 적합하지 않다.
러빙 처리 없이 배향 제어를 수행하기 위해 종래 기술에서 제안된 다른 접근법은 경사 전계를 생성하도록 전극에 슬릿(개구부)을 형성하고 경사 전계에 의해 액정 분자의 배향 방향을 제어하는 것이다(예를 들면, 일본 특허 공개 공보 제6-301036호 및 제2000-47217호). 그러나, 본 발명자들이 이들 공보를 검토한 결과, 개시된 방법으로는 전극의 개구부에 대응하는 액정층 영역내의 배향은 정의되지 않아, 액정 분자의 배향이 충분하게 연속적이지 않다는 것을 발견했다. 따라서, 각 화소간에 안정적인 배향을 달성하기 어려우므로, 불균일한 표시가 나타나게 된다.
본 발명은 종래 기술의 이들 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 넓은 시야각 특성과 고화질 표시를 갖는 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 액정 표시 장치는 제1 기판, 제2 기판, 및 제1 기판과 제2 기판 사이에 구비되는 수직 배향형 액정층; 및 제1 기판의 액정층 쪽 측면 상에 구비되는 제1 전극과 액정층을 개재하여 제1 전극에 대향하도록 제2 기판 상에 구비되는 제2 전극에 의해 각각 획정되는 복수의 화소 영역을 포함하고, 제1 기판은 복수의 화소 영역 각각에 제1 배향 규제 구조를 포함하며, 제1 배향 규제 구조는 액정층내에 복수의 액정 도메인을 형성하도록 배향 규제력을 발휘하고, 전압 인가시 각 액정 도메인은 방사상 경사 배향을 나타내며, 제2 기판은 복수의 액정 도메인의 적어도 하나에 대응하는 영역에 제2 배향 규제 구조를 포함하고, 제2 배향 규제 구조는 적어도 전압 인가시 적어도 하나의 액정 도메인내의 액정 분자를 방사상 경사 배향으로 배향시키기 위한 배향 규제력을 발휘한다. 따라서, 언급한 목적이 달성된다.
양호하게는, 제2 배향 규제 구조는 적어도 하나의 액정 도메인의 중심 주위의 영역에 대응하는 영역에 제공된다.
양호하게는, 적어도 하나의 액정 도메인에서, 제2 배향 규제 구조에 의한 배향 규제 방향은 제1 배향 규제 구조에 의한 방사상 경사 배향의 방향과 일치한다.
제1 전극은 복수의 단위 고체부를 포함하고, 제1 배향 규제 구조는 복수의단위 고체부를 포함하여, 제1 전극과 제2 전극 사이에 전압이 인가되는 경우, 복수의 단위 고체부 각각의 주변부를 따라 경사 전계가 생성됨으로써, 복수의 단위 고체부에 각각 대응하는 영역에 복수의 액정 도메인을 형성한다.
양호하게는 복수의 단위 고체부 각각의 형태는 회전 대칭성을 가지고 있다. 양호하게는 복수의 단위 고체부가 각 화소 영역에서 회전 대칭성을 갖도록 배열된다.
양호하게는, 복수의 단위 고체부 각각은 모서리가 예각인 형상을 갖는다.
제1 전극은 적어도 하나의 개구부 및 고체부를 포함하고,
제1 배향 규제 구조는 제1 전극의 적어도 하나의 개구부 및 고체부를 포함하여, 제1 전극과 제2 전극 사이에 전압이 인가되는 경우, 제1 전극의 적어도 하나의 개구부의 에지부에서 경사 전계가 생성됨으로써, 적어도 하나의 개구부 및 고체부에 각각 대응하는 영역 내에 복수의 액정 도메인을 형성한다.
제1 기판은 제1 전극의 액정층 반대쪽 측면 상에 제공되는 유전체층을 더 포함하고, 제3 전극은 유전체층을 개재하여 제1 전극의 적어도 하나의 개구부의 적어도 일부를 대향한다.
양호하게는, 적어도 하나의 개구부는 실질적으로 동일한 형태 및 동일한 크기를 갖는 복수의 개구부를 포함하고, 복수의 개구부 중 적어도 일부는 회전 대칭성을 갖도록 배열된 적어도 하나의 단위 래티스를 형성한다. 양호하게는, 복수의 개구부의 적어도 일부 각각의 형태는 회전 대칭성을 갖는다.
제2 배향 규제 구조는 복수의 액정 도메인의 각각에 대응하는 영역 내에 제공된다. 다른 방법으로는, 제2 배향 규제 구조는 제1 전극의 고체부에 대응하는 영역 내에 형성되는 복수의 액정 도메인의 하나 이상에 대응하는 영역 내에만 제공된다.
제2 배향 규제 구조는 전압 미인가시에도 액정 분자를 방사상 경사 배향으로 배향시키도록 하기 위한 배향 규제력을 발휘한다. 예를 들면, 제2 배향 규제 구조는 제2 기판으로부터 액정층으로 돌출하는 돌출부이다. 액정층의 두께는 제2 기판으로부터 액정층으로 돌출하는 돌출부에 의해 정의된다. 양호하게는, 돌출부는 제2 기판의 기판면에 대해 90°미만의 각도를 갖는 측면을 포함한다. 다른 방법으로는, 제2 배향 규제 구조는 제2 기판의 액정층 쪽 측면 상에 제공되는 수평 배향력을 갖는 표면을 포함한다.
제2 배향 규제 구조는 전압 인가시에만 액정 분자를 방사상 경사 배향으로 배향시키기 위한 배향 규제력을 발휘한다. 예를 들면, 제2 배향 규제 구조는 제2 전극 내에 제공된 개구부를 포함한다.
본 발명의 다른 액정 표시 장치는 제1 기판, 제2 기판, 및 제1 기판과 제2 기판 사이에 구비되는 수직 배향형 액정층; 및 제1 기판의 액정층 쪽 측면 상에 구비되는 제1 전극과 액정층을 개재하여 제1 전극에 대향하도록 제2 기판 상에 구비되는 제2 전극에 의해 각각 획정되는 복수의 화소 영역을 포함하고, 제1 기판은 복수의 화소 영역 각각에, 복수의 개구부 및 복수의 단위 고체부를 포함하며, 단위 고체부 각각은 복수의 개구부의 적어도 일부에 의해 둘러싸여지고, 제2 기판은 복수의 단위 고체부 및 복수의 개구부 중에서 적어도 하나의 단위 고체부에 대응하는영역내에 배향 규제 구조를 포함한다. 따라서, 목적이 달성된다.
양호하게는, 복수의 단위 고체부 각각의 형태는 회전 대칭성을 갖는다. 양호하게는, 복수의 단위 고체부들이 각 화소 영역에서 회전 대칭성을 갖도록 배열된다.
양호하게는 배향 규제 구조는 복수의 단위 고체부 및 복수의 개구부들 중 적어도 하나의 중심 부근의 영역에 대응하는 영역에 제공된다.
배향 규제 구조는 제2 기판으로부터 액정층으로 돌출하는 돌출부이다. 액정층의 두께는 제2 기판으로부터 액정층으로 돌출하는 돌출부에 의해 정의된다. 양호하게는, 돌출부는 제2 기판의 기판면에 대해 90°미만의 각도를 갖는 측면을 포함한다.
배향 규제 구조는 제2 기판의 액정층 쪽 측면 상에 제공되는 수평 배향력을 갖는 표면을 포함한다.
배향 규제 구조는 제2 전극 내에 제공된 개구부를 포함한다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 제1 배향 규제 구조(orientation-regulating structure)를 갖는 액정 표시 장치(100)의 하나의 화소 영역의 구조를 모식적으로 도시한 도면으로서, 도 1a는 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 라인 1B-1B'에 따른 단면도.
도 2a 및 2b는 전압이 인가된 상태에서 액정 표시 장치(100)의 액정층(30)을 도시한 도면으로서, 도 2a는 배향이 막 변하기 시작하는 경우의 상태(초기 ON 상태)를 모식적으로 도시한 도면이고, 도 2b는 정상 상태를 모식적으로 도시한 도면.
도 3a 내지 3d는 전기력선과 액정 분자의 배향간의 관계를 모식적으로 도시한 도면.
도 4a 내지 4c는 기판의 법선 방향에서 봤을 때 액정 표시 장치(100)의 액정 분자의 방향을 모식적으로 도시한 도면.
도 5a 내지 5c는 액정 분자의 방사상 경사 배향 예를 모식적으로 도시한 도면.
도 6a 및 6b는 본 발명의 액정 표시 장치에 이용되는 다른 화소 전극을 모식적으로 도시한 평면도.
도 7a 및 7b는 본 발명의 액정 표시 장치에 이용되는 또 다른 화소 전극을모식적으로 도시한 평면도.
도 8a 및 8b는 본 발명의 액정 표시 장치에 이용되는 또 다른 화소 전극을 모식적으로 도시한 평면도.
도 9a 및 9b는 본 발명의 액정 표시 장치에 이용되는 또 다른 화소 전극을 모식적으로 도시한 평면도.
도 10a 및 10b는 본 발명의 액정 표시 장치에 이용되는 화소 전극의 단위 고체부(solid portion)의 코너를 모식적으로 도시한 도면.
도 11a는 도 8b에 도시된 화소 전극을 갖는 액정 표시 장치 및 도 9b에 도시된 화소 전극을 갖는 액정 표시 장치에서 편광판의 편광축의 각도에 대한 투과율 변화를 도시한 그래프이고, 도 11b는 0°에 대응하는 편광축의 배열을 모식적으로 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 액정 표시 장치에 이용되는 또 다른 화소 전극을 모식적으로 도시한 평면도.
도 13a 및 13b는 본 발명의 액정 표시 장치에 이용되는 또 다른 화소 전극을 모식적으로 도시한 평면도.
도 14a는 도 1a에 도시된 패턴의 단위 래티스(lattice)를 모식적으로 도시한 도면이고, 도 14b는 도 12에 도시된 패턴의 단위 래티스를 모식적으로 도시한 도면이며, 도 14c는 피치 p와 고체부 면적 비와의 관계를 도시한 그래프.
도 15a 및 15b는 본 발명의 제1 배향 규제 구조를 갖는 액정 표시 장치(200)의 한 화소 영역의 구조를 모식적으로 도시한 도면으로서, 도 15a는 평면도이고,도 15b는 도 15a의 라인 15B-15B'에 따른 단면도.
도 16a 내지 16d는 액정 분자(30a)의 배향과 수직 배향성을 갖는 표면 구조와의 관계를 모식적으로 도시한 도면.
도 17a 및 17b는 액정 표시 장치(200)의 액정층(30)에 전압이 인가된 상태를 도시한 도면으로서, 도 17a는 배향이 변하기 시작하는 상태(초기 ON 상태)를 모식적으로 도시한 도면이고, 도 17b는 정상 상태를 모식적으로 도시한 도면.
도 18a 내지 18c는 개구부와 돌출부 사이에서 상이한 위치 관계를 갖는 액정 표시 장치(200A, 200B, 200C) 각각을 모식적으로 도시한 도면.
도 19는 도 15a의 라인 19A-19A'에 따른 액정 표시 장치(200)를 모식적으로 도시한 단면도.
도 20a 및 20b는 액정 표시 장치(200D)의 한 화소 영역의 구조를 모식적으로 도시한 도면으로서, 도 20a는 평면도이고, 도 20b는 도 20a의 라인 20B-20B'에 따른 단면도.
도 21a 내지 21c는 2층 전극을 갖는 액정 표시 장치(300)의 하나의 화소 영역을 모식적으로 도시한 단면도로서, 도 21a는 전압이 인가되지 않은 상태를 도시한 도면이고, 도 21b는 배향이 막 변하기 시작하는 상태(초기 ON 상태)를 도시한 도면이며, 도 21c는 정상 상태를 도시한 도면.
도 22a 내지 22c는 2층 전극을 갖는 다른 액정 표시 장치(400)의 하나의 화소 영역을 모식적으로 도시한 단면도로서, 도 22a는 전압이 인가되지 않은 상태를 도시한 도면이고, 도 22b는 배향이 막 변하기 시작하는 상태(초기 ON 상태)를 도시한 도면이며, 도 22c는 정상 상태를 도시한 도면.
도 23은 2층 전극을 갖는 또 다른 액정 표시 장치(500)의 하나의 화소 영역을 모식적으로 도시한 단면도.
도 24a 내지 24e는 제2 배향 규제 구조(28)를 포함하는 대향 기판(600b)을 모식적으로 도시한 도면.
도 25a 및 25b는 제1 배향 규제 구조 및 제2 배향 규제 구조를 포함하는 액정 표시 장치(600)를 모식적으로 도시한 도면으로서, 도 25a는 평면도이고, 도 25b는 도 25a의 라인 25B-25B'를 따른 단면도.
도 26a 내지 26c는 액정 표시 장치(600)의 하나의 화소 영역을 모식적으로 도시한 단면도로서, 도 26a는 전압이 인가되지 않은 상태를 도시한 도면이고, 도 26b는 배향이 막 변하기 시작하는 상태(초기 ON 상태)를 도시한 도면이며, 도 26c는 정상 상태를 도시한 도면.
도 27a 및 27b는 제1 배향 규제 구조 및 제2 배향 규제 구조를 포함하는 액정 표시 장치(700)를 모식적으로 도시한 도면으로서, 도 27a는 평면도이고, 도 27b는 도 27a의 라인 25B-25B'를 따른 단면도.
도 28a 내지 28c는 액정 표시 장치(700)의 하나의 화소 영역을 모식적으로 도시한 단면도로서, 도 28a는 전압이 인가되지 않은 상태를 도시한 도면이고, 도 28b는 배향이 막 변하기 시작하는 상태(초기 ON 상태)를 도시한 도면이며, 도 28c는 정상 상태를 도시한 도면.
도 29a 및 29b는 제1 배향 규제 구조 및 제2 배향 규제 구조를 포함하는 또다른 액정 표시 장치(800)의 하나의 화소 영역을 모식적으로 도시한 도면으로서, 도 29a는 전압이 인가되지 않은 상태를 도시한 도면이고, 도 29b는 배향이 막 변하기 시작하는 상태(초기 ON 상태)를 도시한 도면이며, 도 29c는 정상 상태를 도시한 도면.
도 30a 및 30b는 스페이서로서 기능하는 돌출부를 포함하는 액정 표시 장치(900)를 모식적으로 도시한 도면으로서, 도 30a는 평면도이고, 도 30b는 도 30a의 라인 30B-30B'를 따른 단면도.
도 31a 내지 31c는 액정 표시 장치(900)의 하나의 화소 영역을 모식적으로 도시한 단면도로서, 도 31a는 전압이 인가되지 않은 상태를 도시한 도면이고, 도 31b는 배향이 막 변하기 시작하는 상태(초기 ON 상태)를 도시한 도면이며, 도 31c는 정상 상태를 도시한 도면.
도 32는 기판 면에 대한 경사각이 90°이상인 측면을 갖는 돌출부를 모식적으로 도시한 단면도.
도 33은 스페이서로서 기능하는 돌출부의 변형 예를 모식적으로 도시한 단면도.
<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>
11 : 투명 절연성 기판
14 : 화소 전극
21 : 투명 절연성 기판
22 : 대향 전극
28 : 제2 배향 규제 구조
30 : 액정층
30a : 액정 분자
100a : TFT 기판
우선, 본 발명의 액정 표시 장치의 각 구성 요소의 기본 기능을 설명한다.
본 발명의 액정 표시 장치는 수직 배향형 액정층이 그 사이에 개재되는 한 쌍의 기판을 포함한다. 기판 쌍 중 하나는, 전압 인가시 각 화소 영역에 방사상 경사 배향(축대칭 배향이라고도 칭함)을 갖는 복수의 액정 도메인이 형성되도록, 배향 규제력을 발휘할 수 있는 제1 배향 규제 구조를 가지고 있다. 나머지 기판은, 적어도 전압 인가시 액정 도메인들 중 적어도 하나에 대응하는 영역내의 액정분자가 방사상 경사 배향으로 배열되도록 배향 규제력을 발휘할 수 있는 제2 배향 규제 구조를 가지고 있다. 따라서, 제1 배향 규제 구조 및 제2 배향 규제 구조로부터의 배향 규제력이 적어도 전압 인가시 액정 분자에 작용함으로써, 액정층에 형성된 각 액정 도메인의 방사상 경사 배향이 제1 배향 규제 구조만이 제공되는 경우에 비해 더 안정적이게 된다.
본 발명의 액정 표시 장치의 양호한 제1 배향 규제 구조는 각 화소 영역내의 액정층에 전압을 인가하기 위한 한 쌍의 전극들 중 하나를 포함한다. 전극은, 전극 쌍 사이에 전압이 인가되는 경우 각 단위 고체부의 주변부를 따라 경사 전계가 생성되도록 복수의 단위 고체부를 포함함으로써, 단위 고체부에 대응하는 영역에 복수의 액정 도메인을 각각 형성한다. 전극의 외형은 전극 쌍 사이에 전압이 인가되는 경우, 경사 전계가 전극 주위에 형성되어 각각이 방사상 경사 배향을 갖는 복수의 액정 도메인을 형성하도록 정의된다.
여기에서, 도전막이 존재하는 전극 부분을 "고체부"로서 지칭하고, 단일 액정 도메인을 형성하기 위한 전계를 생성하는 고체부의 일부를 "단위 고체부"로서 지칭한다. 각 고체부는 통상 연속적인 도전막으로 만들어진다.
각 단위 고체부의 형태는 회전 대칭성을 갖는 것이 바람직하다. 단위 고체부의 형태가 회전 대칭성을 갖는 경우, 결과적인 액정 도메인도 또한 회전 대칭성을 갖는 방사상 경사 배향, 즉 축대칭 배향 상태가 되므로, 시야각 특성을 개선시킨다.
본 발명의 액정 표시 장치의 다른 양호한 제1 배향 규제 구조는 각 화소 영역내의 액정층에 전압을 인가하기 위한 한 쌍의 전극 중 하나가 적어도 하나의 개구부(도전막이 존재하지 않는 전극 부분)와 하나의 고체부(개구부 이외의 전극 부분, 즉 도전막이 존재하는 부분)를 갖는 전극 구조이다. 고체부는 통상 상기 설명한 바와 같은 적어도 하나의 단위 고체부를 포함한다. 전극들 중 하나에 개구부를 제공함으로써, 하나의 화소 영역에 2차원적으로 배열되는 복수(예를 들면, 4개)의 단위 고체부를 형성할 수 있다. 이와 같이, 전극에 개구부를 형성하지 않고 전극의 외형을 소정 형태로 정의함으로써 복수(예를 들면, 2개)의 단위 고체부가 형성되는 경우보다, 더 많은 개수의 액정 도메인을 형성할 수 있다.
유의할 점은, 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인이 전극 개구부에 대응하는 영역에 형성되도록 개구부를 형성할 수 있지만, 후술하는 바와 같이, 이것이 필요하지 않을 수도 있다는 점이다. 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인이 고체부(단위 고체부)에 대응하도록 형성되는 한, 각 화소 영역내의 액정 분자의 배향의 연속성은 보장된다. 따라서, 개구부에 대응하도록 형성된 액정 도메인이 방사상 경사 배향을 갖지 않는 경우라도, 고체부에 대응하도록 형성된 액정 도메인의 방사상 경사 배향을 안정화시킨다. 특히, 개구부의 면적이 작은 경우, 개구부는 표시에 아주 적은 영향을 미치므로, 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인이 개구부에 대응하는 영역에 형성되지 않는다 하더라도 표시 품질은 현저하게 악화되지 않을 것이다.
복수의 액정 도메인이 액정층에 형성된다. 각 액정 도메인은 전압 미인가시에는 수직 배향을 나타내고, 전압 인가시에는 전극 개구부의 에지부에서 생성된 경사 전계로 인해 방사상 경사 배향을 나타낸다. 수직 배향형 액정층은 전압 미인가시 액정 분자가 기판 표면과 거의 수직인 방향으로 배향되는 액정층이다. 통상, 수직 배향형 액정층은 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 재료로 형성되고, 반대측 상에 제공된 수직 배향막에 의해 배향이 조절된다.
전압이 한 쌍의 전극 사이에 인가되는 경우, 수직 배향형 액정층에 경사 전계가 형성되어, 전극의 개구부 및 고체부에 대응하는 영역에 액정 도메인을 형성한다. 인가 전압에 따라 액정 도메인의 배향을 변경시킴으로써 화상을 표시한다. 각 액정 도메인은 방사상 경사 배향(축대칭 배향)을 나타내므로, 표시 화질의 시야각 의존성이 거의 나타나지 않고, 넓은 시야각 특성을 갖는다.
또한, 개구부에 대응하는 액정 도메인 및 고체부에 대응하는 액정 도메인이 둘 다 개구부의 에지부에서 생성된 경사 전계에 의해 형성되므로, 이들 액정 도메인은 교대 패턴으로 서로 인접하여 형성되고, 하나의 액정 도메인 내의 액정 분자의 배향 및 다른 인접 액정 도메인의 배향은 서로 본질적으로 연속적이다. 따라서, 하나의 개구부에 형성된 액정 도메인과 고체부에 형성된 또 다른 인접 액정 도메인의 사이에 디스클리네이션(disclination) 라인이 형성되지 않으므로, 표시 화질이 악화되지 않으며, 액정 분자의 배향이 매우 안정적이다.
액정 표시 장치가 상기 설명한 전극 구조를 채용한 경우, 액정 분자는 전극 고체부에 대응하는 영역뿐만 아니라 개구부에 대응하는 영역에서도 방사상 경사 배향을 갖는다. 그러한 액정 표시 장치는, 상기 설명한 종래 액정 표시 장치와 비교할 때, 액정 분자의 배향의 연속성이 더 높으면서도, 안정된 배향이 실현되고 표시불균일이 없는 균일 표시가 얻어질 수 있다. 특히, 바람직한 응답 특성(높은 응답 속도)을 실현하기 위해, 액정 분자의 배향을 제어하기 위한 경사 전계가 다수의 액정 분자에 작용할 필요가 있다. 이러한 목적을 위해서는, 다수의 개구부(에지부)를 형성하는 것이 필요하다. 본 발명의 액정 표시 장치에서, 안정된 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인이 개구부에 대응하여 형성된다. 따라서, 응답 특성을 개선하기 위해 다수의 개구부가 형성되더라도, 표시 화질의 저하(표시 불균일의 발생)가 억제될 수 있다.
개구부의 적어도 일부가 거의 동일한 형태 및 거의 동일한 크기를 갖고, 회전 대칭성을 갖도록 배열된 적어도 하나의 단위 격자를 형성하도록 제공되는 경우, 복수의 액정 도메인이 각 단위 격자에 대해 높은 대칭성으로 배열될 수 있으므로, 표시 화질의 시야각 의존성을 개선할 수 있다. 그러나, 전체 화소 영역을 단위 격자로 분할함으로써, 전체 화소 영역에 걸쳐 액정층의 배향을 안정화시킬 수 있다. 예를 들면, 개구부의 중심이 사각 격자를 형성하도록 개구부들을 배열할 수도 있다. 유의할 점은, 각 화소 영역이 저장 캐패시턴스 라인과 같은 불투명한 구성 요소에 의해 분할되는 경우, 표시에 기여하는 각 영역마다 단위 격자가 배열될 수 있다.
개구부(통상, 단위 격자를 형성하는 것들) 중 적어도 일부의 각각이 회전 대칭성을 갖는 경우, 개구부에 형성된 액정 도메인의 방사상 경사 배향의 안정성을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 각 개구부의 모양(기판 법선 방향에서 봤을 때)은 원형 또는 다각형(예를 들면, 정사각형)이 될 수 있다. 유의할 점은 회전 대칭성을 갖지 않는 형태(예를 들면, 타원형)는 화소의 형태(어스펙트 비) 등에 따라 채용될 수도 있다는 점이다. 또한, 개구부(단위 고체부)에 의해 실질적으로 둘러싸인 고체부의 영역의 형태가 회전 대칭성을 갖는 경우, 고체부에 형성된 액정 도메인의 방사상 경사 배향의 안정성을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 개구부들이 사각 격자 패턴으로 배열되는 경우, 개구부의 형태는 거의 성형(星形) 또는 십자 형태이며, 고체부의 형태는 거의 원형, 거의 정사각형 등이 가능하다. 물론, 개구부들에 의해 실질적으로 둘러싸여지는 개구부 및 고체부는 모두 거의 정사각형이 될 수 있다.
전극 개구부에 형성된 액정 도메인의 방사상 경사 배향을 안정화시키기 위해서는, 개구부에 형성된 액정 도메인이 거의 원형을 가지고 있는 것이 바람직하다. 환언하면, 개구부의 형태는 개구부에 형성된 액정 도메인이 거의 원형을 가지도록 설계된다.
물론, 전극 고체부에 형성된 액정 도메인의 방사상 경사 배향을 안정화시키기 위해서는, 개구부에 의해 실질적으로 둘러싸여지는 고체부 영역이 거의 원형을 가지는 것이 바람직하다. 연속적인 도전막으로 형성되고, 고체부에 형성되는 액정 도메인은 복수의 개구부에 의해 실질적으로 둘러싸여지는 고체부(단위 고체부) 영역에 대응하여 형성된다. 따라서, 개구부의 형태 및 배열은 고체부(단위 고체부)의 영역이 거의 원형을 가지도록 결정될 수 있다.
상기 설명한 것의 임의의 대안으로서, 전극에 형성된 개구부의 전체 면적은 각 화소 영역내의 고체부 면적보다 작은 것이 바람직하다. 고체부 면적이 증가함에 따라, 전극에 의해 생성된 전계에 의해 직접적으로 영향을 받는 액정층의 면적(기판 법선 방향에서 봤을 때 액정층의 평면 내에 정의됨)이 증가되므로, 액정층에 인가된 전압에 대해 광학 특성(예를 들면, 투과율)을 개선시킨다.
각 개구부가 거의 원형을 갖는 배열 또는 각 단위 고체부가 거의 원형을 갖는 배열을 채용하는 것은 어느 배열을 통해 고체부의 면적이 더 크게 될 수 있는 냐를 결정함으로써 결정되는 것이 바람직하다. 어느 배열이 더 바람직한 지는 화소의 피치에 좌우되어 적절하게 선택된다. 통상, 피치가 약 25㎛보다 큰 경우, 개구부는 각 고체부가 거의 원형을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 피치가 25㎛보다 작거나 같은 경우에는, 각 개구부가 거의 원형인 것이 바람직하다.
한 쌍의 전극 중 하나에 개구부가 제공되는 전극 배열에 있어서, 개구부에 대응하는 영역내의 액정층에 충분한 전압이 인가되지 않아, 충분한 지연 변화가 얻어질 수 없으므로, 광 효율을 저하시킨다. 이것을 감안하여, 개구부를 구비한 전극의 액정층과는 반대쪽에 유전체층이 제공되고, 전극 개구부를 적어도 부분적으로 대향하도록 추가 전극이 유전체층을 개재하여 제공된다(즉, 2층 전극이 채용될 수 있다). 이와 같이 하여, 개구부에 대응하는 액정층에 충분한 전압을 인가할 수 있고, 따라서 광 효율 및/또는 응답 특성을 개선할 수 있다.
상기 설명한 전극 구조(즉, 제1 배향 규제 구조)가 기판의 하나에만 제공된 경우, 방사상 경사 배향이 액정층에 작용하는 응력에 의해 교란된다면, 교란된 배향은 전계 효과에 의해 유지되어 잔상 현상으로서 관찰된다. 그러나, 본 발명의 액정 표시 장치는 제1 배향 규제 구조뿐만 아니라, 나머지 기판에 제2 배향 규제구조도 포함함으로써, 제1 배향 규제 구조로부터의 배향 규제력 및 제2 배향 규제 구조로부터의 배향 규제력이, 적어도 전압 인가시 각 액정 도메인의 액정 분자에 작용한다. 따라서, 액정 도메인의 방사상 경사 배향이 안정화되고, 제1 배향 규제 구조만을 갖는 배열과 비교할 때, 응력으로 인한 표시 화질의 저하가 억제된다.
제2 배향 규제 구조가 제1 배향 규제 구조에 의해 형성되는 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인의 중심 근처의 영역에 제공되는 경우, 방사상 경사 배향의 중심축의 위치를 고정할 수 있으므로, 응력에 대한 방사상 경사 배향의 저항력을 효율적으로 개선할 수 있다.
제2 배향 규제 구조의 배향 규제 방향은 제1 배향 규제 구조에 의한 방사상 경사 배향 방향과 일치하여 설정될 수 있다. 이와 같이, 배향의 연속성 및 안정성이 증가되므로, 표시 화질 및 응답 특성을 개선한다.
제2 배향 규제 구조는 적어도 전압 인가시 배향 규제력을 발휘하는 한, 배향을 안정화시키는 효과를 제공하지만, 전압 미인가시에도 배향 규제력을 발휘하는 배열이 채용된다면, 인가 전압의 레벨에 관계없이 배향이 안정화될 수 있다. 그러나, 전압 미인가시 액정 분자가 기판 면과 거의 수직으로 배향되는 수직 배향형 액정층이 채용되므로, 전압 미인가시에도 배향 규제력을 발휘하는 제2 배향 규제 구조가 채용된 경우, 표시 화질이 저하된다. 그러나, 후술되는 바와 같이, 제2 배향 규제 구조의 배향 규제력은 비교적 약하지만 효과적이므로, 각 화소의 크기에 대해 작은 구조에서도 배향이 충분히 안정화될 수 있고, 전압 미인가시의 표시 화질의 감소도 일부 경우에는 심각하지 않다. 액정 표시 장치(예를 들면, 외부에서 인가된 응력의 크기) 및/또는 전극 배열(제1 배향 규제 구조에 의해 제공되는 배향 규제력의 세기)의 어플리케이션에 좌우되어, 비교적 강한 배향 규제력을 발휘하는 제2 배향 규제 구조가 제공될 수 있다. 그러한 경우에, 제2 배향 규제 구조로 인한 표시 화질의 저하를 억제하기 위해 차광층이 제공될 수 있다.
또한, 제2 배향 규제 구조에 의한 배향 규제력이 제1 배향 규제 구조에 의해 형성된 방사상 경사 배향을 갖는 각 액정 도메인 내의 액정 분자들에게 작용하는 한, 각 액정 도메인의 방사상 경사 배향이 안정화될 수 있다. 특히, 제2 배향 규제 구조가 액정 도메인의 중심 부근 영역에 제공되는 경우, 방사상 경사 배향의 중심 축의 위치를 고정하는 효과도 얻어진다. 제2 배향 규제 구조는 제1 배향 규제 구조에 의해 발휘되는 배향 규제력보다 약하게 발휘되는 것만이 필요하므로, 임의의 여러 가지 구조를 이용하여 제2 배향 규제 구조를 실현할 수도 있다.
상기 설명한 개구부를 구비한 전극 구조가 제1 배향 규제 구조로서 채용되는 경우, 액정 도메인은 개구부 및 고체부 모두에 형성된다. 제2 배향 규제 구조를 형성될 각 액정 도메인에 제공함으로써, 각 액정 도메인의 방사상 경사 배향을 안정화시킬 수 있다. 그러나, 실제적으로 충분한 안정성(응력 저항성)은 고체부에 대응하여 형성되는 액정 도메인들에만 제2 배향 규제 구조를 제공함으로써 얻어질 수 있다.
특히, 전극 고체부에 형성된 방사상 경사 배향과 일치하여 배향 규제력을 발휘하는 제2 배향 규제 구조는, 전극 개구부에 형성된 방사상 경사 배향에 일치하여 배향 규제력을 발휘하는 제2 배향 규제 구조와 비교할 때, 더 단순한 공정에 의해제공될 수 있으므로, 제조 효율 측면에서 더 바람직하다. 또한, 단위 고체부 각각마다 제2 배향 규제 구조가 제공되는 것이 바람직하지만, 전극 구조(개구부의 개수 및 배열)에 따라 단위 고체부의 일부에 대해서만 제2 배향 규제 구조를 제공함으로써 실제적인 배향 안정성이 얻어질 수 있다. 이것은, 본 발명의 액정 표시 장치에서, 액정층에 형성된 방사상 경사 배향은 서로 본질적으로 연속적이기 때문이다.
또한, 응력에 대한 저항력을 개선하기 위해, 액정층의 액정 분자에 상기 설명한 경사 전계의 배향 규제 방향과 동일한 방향의 배향 규제력을 가하는 측면을 포함하는 돌출부는 전극 개구부 내부에 제공될 수 있다. 기판 면 방향으로의 돌출부의 단면 형태는 개구부의 형태와 동일하고, 상기 설명한 개구부의 형태와 같이 회전 대칭성을 가지고 있는 것이 바람직하다. 그러나, 그 배향이 돌출부의 측면의 배향 규제력에 의해 조절되는 액정 분자는 인가된 전압에 대한 응답이 불충분하므로(인가 전압에 응답하여 작은 지연 변화), 돌출부는 표시의 컨트러스트 비를 감소시킬 수도 있다. 따라서, 돌출부의 크기, 높이 및 개수는 표시 화질을 감소시키지 않도록 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 액정 표시 장치의 제1 배향 규제 구조로서 기능하는 전극 구조들 중에서, 상기 설명한 개구부를 구비하는 전극은, 예를 들면, 각 화소 영역에 TFT와 같은 스위칭 소자를 포함하는 액티브 매트릭스형 액정 표시 장치내의 스위칭 소자에 접속되는 화소 전극이고, 나머지 전극은 복수의 화소 전극에 대향하는 적어도 하나의 대향 전극이다. 따라서, 액정층을 개재하여 서로 대향하도록 제공된 한 쌍의 전극들 중 하나에만 개구부를 제공함으로써, 안정된 방사상 경사 배향을 실현할수 있다. 특히, 주지의 제조 방법을 이용하는 경우에는, 의도한 형태를 갖는 개구부가 의도된 배열로 형성되도록 도전막을 패터닝하는 공정에 이용된 포토마스크를 화소 전극의 형태로 단지 변형하는 것으로 제1 배향 규제 구조를 갖는 액정 표시 장치를 제조할 수 있다. 물론, 복수의 개구부는 대향 전극에 제공될 수 있다. 또한, 상기 설명한 2층 전극들은 주지의 방법을 이용하여 제조될 수도 있다.
또한, 본 발명의 액정 표시 장치의 제2 배향 규제 구조는 예를 들면 대향 기판으로부터 액정층으로 돌출하는 돌출부이다. 또한, 제2 배향 규제 구조는 대향 기판의 액정층 쪽 측면 상에 제공되는 수평 배향형 표면을 갖는 구조일 수도 있다. 또한, 제2 배향 규제 구조는 대향 전극에 제공되는 개구부일 수도 있다. 이들 구조들은 주지의 방법에 의해 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 액정 표시 장치는 수직 배향형 액정층이 그 사이에 개재되도록 배열되는 한 쌍의 기판들 중 하나("제1 기판")가 각 화소 영역에 복수의 단위 고체부 및 복수의 개구부를 구비하는 전극을 포함하고, 나머지 기판("제2 기판")은 복수의 단위 고체부 및 복수의 개구부 중에서 단위 고체부에 대응하는 적어도 하나의 영역에 배향 규제 구조를 포함하도록 하는 배열을 가지고 있을 수 있다.
제1 기판의 전극은 제1 기판의 전극과 제2 기판의 전극 사이에 전압이 인가되는 경우, 각 단위 고체부의 주변부를 따라 경사 전계가 형성되도록 함으로써, 단위 고체부에 대응하는 영역에서 각각이 방사상 경사 배향을 갖는 복수의 액정 도메인을 각각 형성하는 것이다. 물론, 전극은 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인이 전극 개구부에 대응하는 각 영역에도 형성되도록 구성될 수 있다. 이 전극 구조는 상기 설명한 제1 배향 규제 구조와 유사하게 기능한다. 이러한 전극 구조의 바람직한 배열은 상기 설명한 제1 배향 규제 구조와 실질적으로 동일하다. 예를 들면, 각 단위 고체부의 형태는 회전 대칭성을 갖는 것이 바람직하고, 단위 고체부들은 각 화소 영역 내에서 회전 대칭성을 갖도록 배열되는 것이 바람직하다.
기판들 중 하나가 상기 설명한 바와 같은 구조를 갖는 전극을 포함하고, 나머지 기판이 배향 규제 구조를 포함하는 액정 표시 장치에서, 상기 설명한 전극 구조 및 배향 규제 구조로부터의 배향 규제력은 전압 인가시 각 액정 도메인의 액정 분자에 작용한다. 따라서, 액정 도메인의 방사상 경사 배향이 안정화되고, 응력에 의한 표시 화질의 저하가 억제된다.
배향 규제 구조는 상기 설명한 바와 같은 제2 배향 규제 구조와 실질적으로 동일하게 기능한다. 이러한 배향 규제 구조의 바람직한 배열은 상기 설명한 제2 배향 규제 구조와 실질적으로 동일하다. 예를 들면, 전극의 단위 고체부 또는 개구부에 형성되는 방사상 경사 배향을 갖는 각 액정 도메인의 중심 근처 영역에 배향 규제 구조를 제공함으로써, 방사상 경사 배향의 중심축의 위치를 고정시킬 수 있으므로, 응력에 대한 방사상 경사 배향의 저항력을 효과적으로 개선할 수 있다. 배향 규제 구조는 제2 기판으로부터 액정층으로 돌출하는 돌출부가 될 수 있다. 또한, 배향 규제 구조는 액정층에 더 인접한 제2 기판의 한쪽에 제공된 수평 배향층을 갖는 구조가 될 수도 있다. 또한, 배향 규제 구조는 제2 기판의 전극에 제공되는 개구부일 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치를 도면을 참조하여 설명한다.
제1 배향 규제 구조
우선, 본 발명의 액정 표시 장치에서의 양호한 전극 구조인 제1 배향 규제 구조 및 그 기능을 설명한다.
본 발명의 액정 표시 장치는 양호한 표시 특성을 가지고 있고, 따라서 액티브 매트릭스형 액정 표시 장치로서 적합하게 이용될 수 있다. 박막 트랜지스터(TFT)를 이용하는 액티브 매트릭스형 액정 표시 장치를 통해 본 발명의 실시예를 설명한다. 그러나, 유의할 점은 본 발명은 이것에 한정되지 않고, MIM 액티브 매트릭스형 액정 표시 장치 또는 패시브 매트릭스형 액정 표시 장치와 함께 이용될 수 있다는 점이다. 더구나, 본 발명의 실시예를 투과형 액정 표시 장치를 참조하여 설명하지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 반사형 액정 표시 장치 또는 심지어 후술하는 투과-반사형 액정 표시 장치와 함께 이용될 수도 있다.
본 명세서에서, 표시의 최소 단위인 "화소"에 대응하는 액정 표시 장치의 영역을 "화소 영역"이라 지칭한다. 컬러 액정 표시 장치에서, R, G, 및 B "화소"는 하나의 "픽셀"에 대응한다. 액티브 매트릭스형 액정 표시 장치에서, 화소 영역은 화소 전극 및 이 화소 전극을 대향하는 대향 전극에 의해 정의된다. 패시브 매트릭스형 액정 표시 장치에서, 화소 영역은 스트라이프(stripe) 패턴으로 배열된 세로 전극들 중 하나가 세로 전극에 수직인 스트라이프 패턴으로 배열된 가로 전극들 중 하나와 교차하는 영역으로서 정의된다. 블랙 매트릭스의 배열에서는, 엄격하게 말하면, 화소 영역은 블랙 매트릭스의 개구부에 대응하여 의도한 표시 상태에 따라 전압이 인가되는 각 영역의 일부이다.
본 발명의 제1 배향 규제 구조를 구비한 액정 표시 장치(100)의 하나의 화소 영역의 구조를 도 1a 및 1b를 참조하여 설명한다. 이하의 설명에서, 설명을 간략화하기 위해 컬러 필터와 블랙 매트릭스는 생략한다. 또한, 후속 도면에서, 액정 표시 장치(100)의 대응하는 구성 요소와 실질적으로 동일한 기능을 갖는 각 구성 요소는 동일한 참조 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다. 도 1a는 기판 법선 방향에서 본 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 1B-1B' 라인을 따른 단면도이다. 도 1b는 액정층에 전압이 인가되지 않은 상태를 도시하고 있다.
액정 표시 장치(100)는 액티브 매트릭스 기판(100a, 이하에서는 "TFT 기판"으로 지칭함), 대향 기판(100b, "컬러 필터 기판"이라고도 지칭함), TFT 기판(100a)과 대향 기판(100b)의 사이에 제공된 액정층(30)을 포함한다. 액정층(30)의 액정 분자(30a)는 음의 유전율 이방성을 가지고 있고, TFT 기판(100a)과 대향 기판(100b) 각각의 액정층(30) 쪽 표면 상에 제공되는 수직 배향층(도시되지 않음)에 의해, 전압이 액정층(30)에 인가되지 않는 경우, 도 1b에 도시된 바와 같이 수직 배향막의 표면과 수직으로 배향된다. 이 상태는 수직 배향 상태인 액정층(30)으로서도 기술된다. 그러나, 유의할 점은, 수직 배향인 액정층(30)의 액정 분자(30a)는 이용되는 수직 배향막의 형태 또는 액정 재료의 형태에 따라 수직 배향막의 표면(기판 표면)의 법선으로부터 약간 경사질 수도 있다는 점이다. 일반적으로는, 수직 배향은 액정 분자의 축("축 방위"라고도 지칭함)은 수직 배향막의 표면에 대해 약 85°이상의 각도로 배향된 상태로서 정의된다.
액정 표시 장치(100)의 TFT 기판(100a)은 투명 기판(11, 예를 들면, 유리 기판), 및 투명 기판(11)의 표면 상에 제공되는 화소 전극(14)을 포함한다. 대향 기판(100b)은 투명 기판(21, 예를 들면, 유리 기판) 및 투명 기판(21)의 표면에 제공되는 대향 전극(22)을 포함한다. 액정층(30)의 배향은 액정층(30)을 개재하여 서로 대향하도록 배열된 화소 전극(14)과 대향 전극(22)간에 인가된 전압에 따라 각 화소 영역마다 변경된다. 편광 또는 액정층(30)을 통과하는 광량이 액정층(30)의 배향 변화에 따라 변경되는 현상을 이용함으로써, 표시가 생성된다.
액정 표시 장치(100)의 화소 전극(14)은 복수의 개구부(14a) 및 고체부(14b)를 포함한다. 개구부(14a)는 도전막이 제거된 도전막(예를 들면, ITO 막)으로 이루어진 화소 전극(14) 부분을 지칭하고, 고체부(14b)는 도전막이 존재하는 부분(개구부(14a) 이외의 부분)을 지칭한다. 복수의 개구부(14a)가 각 화소 전극마다 형성되지만, 고체부(14b)는 기본적으로 단일 연속 도전막으로 형성된다.
개구부(14a)는 각각의 그 중심부가 사각 격자를 형성하도록 배열되고, 단위 고체부(14b', 각각의 그 중심부가 하나의 단위 격자를 형성하는 4개의 격자 지점에 배치된 4개의 개구부(14a)에 의해 실질적으로 둘러싸여지는 고체부(14b) 부분으로서 정의됨)는 거의 원형을 갖는다. 각 개구부(14a)는 4개의 측변 중 중심에서 4회 회전축을 갖는 4개의 4분의 1 원호형 측변(에지)을 구비한 거의 성(星)형이다. 전체 화소 영역의 배향을 안정화시키기 위해, 단위 격자들이 화소 전극(14)의 주변부까지 존재하는 것이 바람직하다. 따라서, 화소 전극(14)의 주변부는 도면에 도시된 바와 같이, 개구부(14a, 그 측면을 따른 화소 전극(14)의 주변부에서)의 거의 절반에 대응하는 형태 또는 개구부(14a, 그 코너에서의 화소 전극(14)의 주변부에서)의 거의 1/4에 대응하는 형태로 패터닝되는 것이 바람직하다. 도 1a의 실선으로 도시된 정사각형(정사각형 격자의 집합)은 단일 도전층으로 형성되는 종래 화소 전극에 대응하는 영역(외부 형태)을 나타낸다.
화소 영역의 중심부에 위치한 개구부(14a)는 거의 동일한 형태와 크기를 가지고 있다. 개구부(14a)에 의해 형성되는 단위 격자에 각각 위치한 단위 고체부(14b')는 거의 원형이고, 거의 동일한 형태와 크기를 갖는다. 각 단위 고체부(14b')는 인접하는 단위 고체부(14b')에 접속됨으로써, 단일 도전막으로 실질적으로 기능하는 고체부(14b)를 형성한다.
상기 설명한 바와 같은 구조를 갖는 화소 전극(14)과 대향 전극(22)과의 사이에 전압이 인가된 경우, 각 개구부(14a)의 에지부에서 경사 전계가 생성됨으로써, 각각이 방사상 경사 배향을 갖는 복수의 액정 도메인이 생성된다. 액정 도메인은 개구부(14a)에 대응하는 각 영역 및 단위 격자내의 단위 고체부(14b')에 대응하는 각 영역에 생성된다.
여기에서는 각 화소 영역 내에 복수의 개구부(14a)를 갖는 배열을 도시하고 있지만, 그 내부에 하나의 개구부를 제공함으로써도 각 화소 영역 내에 복수의 액정 도메인을 형성할 수 있다. 예를 들면, 도 1a에서 파선에 의해 4개의 단위 격자로 분할되는 정사각형 영역을 하나의 화소 전극으로 가정하면, 화소 전극은 단일 개구부(14a) 및 개구부(14a) 주위의 4개의 단위 고체부(14b')로 구성되지만, 전압 인가시 방사상 경사 배향을 갖는 5개의 액정 도메인을 형성한다.
또한, 복수의 액정 도메인은 개구부(14a)를 제공하지 않고서도 각 화소 영역에 형성될 수 있다. 예를 들면, 2개의 인접하는 단위 격자를 하나의 화소 전극으로서 가정하면, 화소 전극은 2개의 단위 고체부(14b')로 구성되고, 개구부(14a)를 포함하지 않는다. 그러나, 그러한 화소 전극은 전압 인가시 각각이 방사상 경사 배향을 갖는 2개의 액정 도메인을 형성한다. 따라서, 화소 전극이 적어도 전압 인가시 복수의 액정 도메인 각각이 방사상 경사 배향을 갖도록 하는 단위 고체부를 구비하는 한(환언하면, 화소 전극이 그러한 외형을 가지는 한), 각 화소 영역에서의 액정 분자의 배향 연속성이 얻어질 수 있고, 단위 고체부(14b')에 대응하여 형성된 각 액정 도메인의 방사상 경사 배향이 안정화된다.
또한, 여기에서는 정사각형을 갖는 화소 전극(14)이 도시되었지만, 화소 전극(14)의 형태는 이것으로 한정되지는 않는다. 화소 전극(14)의 전형적인 형태는 대략 직사각형(정사각형 및 길게 늘여진 직사각형)이 가능하므로, 개구부(14a)는 정사각형 격자 패턴 내에서 규칙적으로 배열될 수 있다. 화소 전극(14)이 직사각형 이외의 형태를 가지고 있는 경우라도, 개구부가 규칙적인 형태로(예를 들면, 여기에 도시된 정사각형 격자 패턴으로) 배열되어 액정 도메인이 화소 영역내의 모든 영역에서 형성되는 한, 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.
상기 설명한 바와 같은 경사 전계에 의해 액정 도메인이 형성되는 메카니즘을 도 2a 및 2b를 참조하여 설명한다. 도 2a 및 2b의 각각은 도 1b에 도시된 액정층(30)에 전압이 인가된 상태를 도시하고 있다. 도 2a는 액정층(30)에 전압이 인가됨에 따라 액정 분자(30a)의 배향이 막 변하기 시작하는 상태(초기 ON 상태)를 모식적으로 도시하고 있다. 도 2b는 액정 분자(30a)의 배향이 변경되어 인가 전압에 따라 정상 상태가 된 상태를 모식적으로 도시하고 있다. 도 2a 및 2b의 곡선(EQ)는 등전위선을 나타낸다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 화소 전극(14) 및 대향 전극(22)이 동일 전위인 경우(액정층(30)에 전압이 인가되지 않는 상태), 각 화소 영역내의 액정 분자(31a)는 기판(11, 21)의 표면에 수직으로 배향된다.
액정층(30)에 전압이 인가된 경우, 도 2a에 도시된 등전위선(EQ)에 의해 표시되는 전위 구배(전기력선에 수직임)가 생성된다. 등전위선(EQ)는 화소 전극(14)의 고체부(14b)와 대향 전극(22) 사이에 위치한 액정층(30)내에서는 고체부(14b)의 표면 및 대향 전극(22)에 평행하고, 화소 전극(14)의 개구부(14a)에 대응하는 영역에서 강하한다. 등전위선(EQ)의 경사부에 의해 표시되는 경사 전계가 개구부(14a)의 에지부(EG)(경계를 포함한 개구부(14a)의 그 내측 주변) 상부의 액정층(30)에 생성된다.
토크가 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자(30a)에 작용하여 액정 분자(30a)의 축 방위를 등전위선(EQ)와 평행하도록(전기력선에 수직으로) 배향시킨다. 따라서, 도 2a의 화살표로 나타낸 바와 같이, 도 2a의 우측 에지부(EG) 상의 액정 분자(30a)는 시계 방향으로 경사지고(회전하고), 좌측 에지부(EG) 상의 액정 분자(30a)는 반시계 방향으로 경사진다(회전한다). 그 결과, 에지부(EG) 상의 액정층(30a)은 등전위선(EQ)의 대응부에 평행하도록 배향된다.
도 3a 내지 3d를 참조하면, 액정 분자(30a)의 배향 변화를 더 상세하게 설명한다.
액정층(30)에 전계가 생성되는 경우, 그 축 방위가 등전위선(EQ)에 평행하게 배향되도록 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자(30a)에 토크가 작용한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 액정 분자(30a)의 축 방위에 수직인 등전위선(EQ)에 의해 표시되는 전계가 생성되는 경우, 액정 분자(30a)가 시계 방향으로 경사지도록 작용하는 토크 또는 액정 분자(30a)가 반시계 방향으로 경사지도록 작용하는 토크는 동일한 확률로 발생한다. 따라서, 서로 대향하는 한 쌍의 평행한 평면형 전극 사이의 액정층(30)은 시계 방향 토크를 받는 일부 액정 분자(30a)와 반시계 방향 토크를 받는 다른 액정 분자(30a)를 가지고 있다. 따라서, 액정층(30)에 인가된 전압에 따른 의도한 배향 변화가 원활하게 진행되지 않을 수 있다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 액정 분자(30a)의 축 방위에 대해 경사진 등전위선(EQ)의 일부에 의해 나타나는 전계(경사 전계)가 본 발명의 액정 표시 장치(100)의 개구부(14a)의 에지부(EG)에서 생성되는 경우, 도 3b에 도시한 바와 같이 액정 분자(30a)가 등전위선(EQ)와 평행하게 되는데 더 적은 회전량이 요구되는 방향으로(본 예에서는 반시계 방향) 액정 분자(30a)가 기울어진다. 액정 분자(30a)의 축 방위에 수직인 등전위선(EQ)에 의해 표시되는 전계가 생성되는 영역내의 액정 분자(30a)는 등전위선(EQ)의 경사부 상에 위치한 액정 분자(30a)와 동일한 방향으로 기울어지므로, 도 3c에 도시한 바와 같이, 그 배향이 등전위선(EQ)의 경사부 상에 위치한 액정 분자(30a)의 배향과(에 일치하여) 연속적이다. 도 3d에 도시한 바와 같이, 등전위선(EQ)가 연속적인 오목/볼록 패턴을 형성하도록 하는 전계가 인가된 경우, 등전위선(EQ)의 편평한 부분 상에 위치한 액정 분자(30a)는등전위선(EQ)의 인접한 경사 부분 상에 위치한 액정 분자(30a)에 의해 정의되는 배향 방향과 일치하도록 배향된다. 여기에서 사용되는 "등전위선(EQ) 상에 위치한"의 구절은 "등전위선(EQ)에 의해 표시되는 전계 내에 위치한"을 의미한다.
액정 분자(30a)의 배향 변화는 등전위선(EQ)의 경사부 상에 위치한 것들로부터 시작하여, 상기 설명한 바와 같이 진행한 후, 도 2b에 모식적으로 도시한 정상 상태에 도달한다. 개구부(14a)의 중심부 주위에 위치한 액정 분자(30a)는 개구부(14a)의 대향하는 에지부들(EG)에서의 액정 분자(30a)의 각 배향에 의해 실질적으로 동일하게 영향을 받고, 따라서 그들의 배향은 등전위선(EQ)에 수직으로 유지된다. 개구부(14a)의 중심으로부터 이격된 액정 분자(30a)는 더 인접한 에지부(EG)에서의 다른 액정 분자(30a)의 배향의 영향에 의해 기울어짐으로써, 개구부(14a)의 중심 SA를 기준으로 대칭인 경사 배향을 형성한다. 액정 표시 장치(100)의 표시 면에 수직인 방향(기판(11, 21)의 표면에 수직인 방향)에서 본 배향은 액정 분자(30a)가 개구부(14a)의 중심 주위에서 방사상 축 배향(도시되지 않음)을 가지고 있는 상태이다. 본 명세서에서, 그러한 배향을 "방사상 경사 배향"이라고 지칭한다. 또한, 단일 축에 대해 방사상 경사 배향을 갖는 액정층의 영역을 "액정 도메인"이라 지칭한다.
액정 분자(30a)가 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인은 개구부(14a)에 의해 실질적으로 둘러싸여지는 단위 고체부(14b')에 대응하는 영역에도 또한 형성된다. 단위 고체부(14b')에 대응하는 영역내의 액정 분자(30a)는 개구부(14a)의 각 에지부(EG)에서의 액정 분자(30a)의 배향에 의해 영향을 받아, 단위 고체부(14b')의 중심 SA(개구부(14a)에 의해 형성되는 단위 격자의 중심에 대응함)에 대해 대칭인 방사상 경사 배향을 갖는다.
단위 고체부(14b')에 형성된 액정 도메인의 방사상 경사 배향 및 개구부(14a)에 형성된 방사상 경사 배향이 서로 연속적이고, 개구부(14a)의 에지부 (EG)에서의 액정 분자(30a)의 배향과 둘 다 정합한다. 개구부(14a)에 형성된 액정 도메인내의 액정 분자(30a)는 위쪽으로(기판(100b) 쪽으로) 확산되는 원뿔 형태로 배향되고, 단위 고체부(14b')에 형성된 액정 도메인내의 액정 분자(30a)는 아래쪽으로(기판(100a)을 향하여) 확산되는 원뿔 형태로 배향된다. 상기 설명한 바와 같이, 개구부(14a)에 형성된 액정 도메인 및 단위 고체부(14b')에 형성된 액정 도메인내의 방사상 경사 배향이 서로 연속적이다. 따라서, 어떠한 디스클리네이션 라인(배향 결함)도 그 사이의 경계를 따라 형성되지 않으며, 따라서 디스클리네이션 라인의 발생에 의한 표시 화질의 저하를 방지할 수 있다.
액정 표시 장치의 표시 화질인, 모든 방위각에서의 시야각 의존성을 개선하기 위해서는 여러 가지 방위각 방향으로 배향된 액정 분자(30a)의 존재 확률이 각 화소 영역에서 회전 대칭성을 가지는 것이 바람직하고, 축 대칭성을 갖는 것이 더욱 더 바람직하다. 환언하면, 전체 화소 영역에 걸쳐 형성된 액정 도메인은 회전 대칭성을 갖는 것이 바람직하고, 축 대칭성을 갖는 것이 더욱 더 바람직하다. 그러나, 유의할 점은, 회전 대칭성이 전체 화소 영역에 걸쳐 반드시 필요한 것은 아니며, 액정층내의 각 화소 영역이 각 그룹이 회전 대칭성(또는 축 대칭성)을 갖도록 배열되는 복수 그룹의 액정 도메인의 집합(예를 들면, 각 액정 도메인의 그룹이정사각형 격자 패턴으로 배열되는 복수의 액정 도메인 그룹)으로서 형성되는 것으로 충분하다는 점이다. 따라서, 화소 영역에 형성된 개구부(14a)의 배열은 전체 화소 영역에 걸쳐 회전 대칭성을 가질 필요는 없으며, 각 그룹이 회전 대칭성(또는 축 대칭성)을 갖도록 배열되는 복수 그룹의 액정 도메인의 집합(예를 들면, 각 액정 도메인의 그룹이 정사각형 격자 패턴으로 배열되는 복수의 액정 도메인 그룹)으로서 배열이 표시될 수 있는 것으로 충분하다. 물론, 이것은 개구부(14a)에 의해 실질적으로 둘러싸여지는 단위 고체부(14b')의 배열에 동일하게 적용된다. 또한, 각 액정 도메인의 형태가 바람직하게는 회전 대칭성, 더 바람직하게는 축 대칭성을 가지므로, 각 개구부(14a) 및 각 단위 고체부(14b')의 형태는 바람직하게는 회전 대칭성, 더욱 더 바람직하게는 축 대칭성을 갖는다.
유의할 점은, 개구부(14a)의 중심부 근처 주위의 액정층(30)에 충분한 전압이 인가되지 않아, 개구부(14a)의 중심부 주위의 액정층(30)이 표시에 기여하지 못한다는 점이다. 환언하면, 개구부(14a)의 중심부 주위의 액정층(30)의 방사상 경사 배향이 어느 정도 분산되더라도(예를 들면, 중심 축이 개구부(14a)의 중심으로부터 시프트되더라도), 표시 화질은 저하되지 않는다. 따라서, 단위 고체부(14b')에 대응하여 형성된 적어도 액정 도메인은 회전 대칭성, 더 바람직하게는 축 대칭성을 갖도록 배열되는 것으로 충분하다.
도 2a 및 2b를 참조하여 상기 설명한 바와 같이, 본 발명의 액정 표시 장치(100)의 화소 전극(14)은 복수의 개구부(14a)를 포함하고, 화소 영역내의 액정층(30)에서, 경사부를 구비하는 등전위선(EQ)에 의해 표시되는 전계를 생성한다.전압 미인가시 수직 배향을 갖고, 액정층(30)내에서 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자(30a)는 트리거(trigger)로서 기능하는 등전위선(EQ)의 경사부 상에 위치한 액정 분자(30a)의 배향 변화에 따라 그 배향 방향이 변화된다. 따라서, 안정된 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인이 개구부(14a) 및 고체부(14b)에 형성된다. 액정층에 인가된 전압에 따라 액정 도메인내의 액정 분자의 배향 변화에 의해 표시가 생성된다.
액정 표시 장치(100)의 화소 전극(14)의 개구부(14a)의 형태(기판 법선 방향에서 본 경우) 및 배열을 설명한다.
액정 표시 장치의 표시 특성은 액정 분자의 배향(광학 이방성)으로 인해 방위각 의존성을 나타낸다. 표시 특성의 방위각 의존성을 줄이기 위해서는, 액정 분자가 실질적으로 동일한 확률로 모든 방위각으로 배향되는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 각 화소 영역내의 액정 분자들이 실질적으로 동일한 확률로 모든 방위각으로 배향되는 것이다. 따라서, 개구부(14a)는 화소 영역내의 액정 분자(30a)가 실질적으로 동일한 확률로 모든 방위각으로 배향되도록, 각 화소 영역 내에 액정 도메인이 형성되도록 하는 형태를 가지는 것이 바람직하다. 더 구체적으로는, 개구부(14a)의 형태는 각 개구부의 중심을 통해 (법선 방향으로) 연장하는 대칭축에 대해 바람직하게는 회전 대칭성(더 바람직하게는 적어도 2회 회전축에서 대칭성을 가짐)을 갖는다. 복수의 개구부(14a)들이 회전 대칭성을 가지도록 배열되는 것도 또한 바람직하다. 더구나, 이들 개구부들에 의해 실질적으로 둘러싸여지는 단위 고체부(14b')의 형태도 회전 대칭성을 갖는 것이 바람직하다. 또한 단위 고체부(14b')도 회전 대칭성을 갖도록 배열되는 것이 바람직하다.
그러나, 개구부(14a)나 단위 고체부(14b')를 전체 화소 영역에 걸쳐 회전 대칭성을 가지도록 배열할 필요는 없다. 예를 들면, 정사각형 격자(4회 회전축의 대칭성을 가짐)가 최소 단위로 이용되고, 도 1a에 도시한 바와 같이 화소 영역이 그러한 정사각형 격자에 의해 형성되는 경우에, 액정 분자는 전체 화소 영역에 걸쳐 모든 방위각에서 실질적으로 동일한 확률로 배향될 수 있다.
회전 대칭성을 갖는 거의 성형 개구부(14a) 및 거의 원형 단위 고체부(14b')가 도 1a에 도시한 바와 같이, 정사각형 격자 패턴으로 배열되는 경우의 액정 분자(30a)의 배향을 도 4a 내지 4c를 참조하여 설명한다.
도 4a 내지 4c 각각은 기판 법선 방향에서 바라 본 액정 분자(30a)의 배향을 모식적으로 도시하고 있다. 기판 법선 방향에서 본 액정 분자(30a)의 배향을 도시한 도 4b 및 4c와 같은 도면에서, 타원으로서 그려진 액정 분자(30a)의 흑색점 단부는 그 단부가 개구부(14a)를 갖는 화소 전극(14)이 제공되는 기판에 나머지 단부보다 더 근접하도록 액정 분자(30a)가 기울어진 것을 나타낸다. 이것은 모든 후속 도면에도 마찬가지로 적용된다. 도 1a에 도시된 화소 영역내의 단일 단위 격자(4개의 개구부(14a)에 의해 형성됨)를 이하에 설명한다. 도 4a 내지 4c의 각 대각선을 따른 단면도는 도 1b, 2a, 및 2b에 각각 대응하고, 도 1b, 2a, 및 2b도 또한 이하의 설명에서 참조될 것이다.
화소 전극(14) 및 대향 전극(22)이 동일한 전위, 즉 액정층(30)에 전압이 인가되지 않은 상태인 경우, TFT 기판(100a) 및 대향 기판(100b)의 각각의액정층(30)쪽 측면 상에 제공되는 수직 배향층(도시되지 않음)에 의해 그 배향 방향이 규제되는 액정 분자(30a)는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 수직 배향을 갖는다.
도 2a에 도시된 등전위선(EQ)로 나타나는 전계를 생성하도록 액정층(30)에 전계가 인가된 경우, 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자(30a)에 토크가 작용하여 그 축 방위를 등전위선(EQ)와 평행하도록 배향시킨다. 도 3a 및 3b를 참조하여 상기 설명한 바와 같이, 그 분자 축에 수직인 등전위선(EQ)로 표시되는 전계하의 액정 분자(30a)에 대해서는, 액정 분자(30a)가 기울어지는(회전하는) 방향은 유일하게 정의되지 않으며(도 3a), 따라서 배향 변화(경사 또는 회전)가 용이하게 발생하지는 않는다. 반면에, 액정 분자(30a)의 분자 축에 대해 경사진 등전위선(EQ)하에 배치된 액정 분자(30a)에 대해서는, 경사(회전) 방향이 유일하게 정의되고, 따라서 배향 변화가 용이하게 발생한다. 따라서, 도 4b에 도시한 바와 같이, 등전위선(EQ)에 대해 액정 분자(30a)의 분자축이 기울어져 있는 개구부(14a)의 에지부로부터 액정 분자(30a)가 기울어지기 시작한다. 그리고 나서, 도 3c를 참조하여 상기 설명한 바와 같이, 주위의 액정 분자(30a)들이 개구부(14a)의 에지부에서 이미 기울어진 액정 분자(30a)의 배향과 일치하도록 기울어진다. 그리고 나서, 액정 분자(30a)의 축 방위가 도 4c에 도시한 바와 같이 안정화된다(방사상 경사 배향).
상기 설명한 바와 같이, 개구부(14a)의 형태가 회전 대칭성을 갖는 경우, 화소 영역내의 액정 분자(30a)는 전압 인가시 개구부(14a)의 에지부로부터 시작하여 개구부(14a)의 중심 방향으로 연속적으로 기울어진다. 그 결과, 에지부에서의 액정 분자(30a)로부터의 각 배향 규제력이 평행 상태인 개구부(14a)의 중심 주위의액정 분자(30a)들은 기판 면에 대해 수직 배향으로 유지되고, 그 주위 액정 분자(30a)는 개구부(14a)의 중심의 액정 분자(30a)를 중심으로, 개구부(14a)의 중심에서 멀어질수록 경사도가 점점 증가하면서, 방사상 패턴으로 경사지도록 하는 배향이 얻어진다.
정사각형 격자 패턴으로 배열된 4개의 거의 성형 개구부(14a)에 의해 둘러싸여지는 거의 원형 단위 고체부(14b')에 대응하는 영역내의 액정 분자(30a)도 각 개구부(14a)의 에지부에서 생성된 경사 전계에 의해 기울어진 액정 분자(30a)의 배향과 일치하도록 경사진다. 그 결과, 에지부에서의 액정 분자(30a)로부터의 각 배향 규제력이 평행 상태인 단위 고체부(14b')의 중심 주위의 액정 분자(30a)들은 기판 면에 대해 수직 배향으로 유지되고, 주위 액정 분자(30a)는 단위 고체부(14b')의 중심 주위의 액정 분자(30a)를 중심으로, 단위 고체부(14b')의 중심에서 멀어질수록 경사도가 점점 증가하면서, 방사상 패턴으로 경사지도록 하는 배향이 얻어진다.
상기 설명한 바와 같이, 각 액정 분자(30a)가 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인이 전체 화소 영역에 걸쳐 정사각형 격자 패턴으로 배열된 경우, 각 축 방위의 액정 분자(30a)의 존재 확률은 회전 대칭성을 갖고, 따라서 임의의 시야각에 대한 불균일성이 없는 고화질 표시를 실현할 수 있다. 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인의 시야각 의존성을 줄이기 위해서는, 액정 도메인은 높은 수준의 회전 대칭성(양호하게는 적어도 2회 회전축으로, 더 바람직하게는 적어도 4회 회전축으로)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 전체 화소 영역에 걸친 시야각 의존성을 줄이기 위해서는, 화소 영역에 제공된 복수의 액정 도메인이 각각이 높은 회전 대칭성(바람직하게는 적어도 2회 회전축으로, 더 바람직하게는 적어도 4회 회전축으로)을 갖는 복수의 단위 패턴들(예를 들면, 단위 격자 패턴)의 조합인 패턴(예를 들면, 정사각형 격자 패턴)으로 배열되는 것이 바람직하다.
액정 분자(30a)의 방사상 경사 배향에 있어서, 도 5b 또는 5c에 각각 도시한 바와 같은 반시계 방향 또는 시계 방향 나선형(spiral) 패턴을 갖는 방사상 경사 배향이 도 5a에 도시한 바와 같은 단순 방사상 경사 배향보다 더 안정적이다. 나선형 배향은 노멀 트위스트 배향(액정 분자(30a)의 배향 방향이 액정층(30)의 두께에 따라 나선형으로 변화됨)과는 다르다. 나선형 배향에 있어서, 액정 분자(30a)의 배향 방향은 미소 영역에 대해서는 액정층(30)의 두께를 따라 거의 변화되지 않는다. 환언하면, 액정층(30)의 임의의 두께에서의 단면(층면과 평행인 면)의 배향은 도 5b 또는 5c에 도시한 바와 같고, 액정층(30)의 두께를 따른 트위스트 변형이 거의 없다. 그러나, 전체적인 액정 도메인에 대해서는, 어느 정도의 트위스트 변형이 존재할 수도 있다.
카이럴(chiral) 에이전트를 음의 유전율 이방성을 갖는 네마틱(nematic) 액정 재료에 부가함으로써 얻어지는 재료를 이용하는 경우, 도 5b 또는 5c에 도시한 바와 같이, 액정 분자(30a)는 전압 인가시, 개구부(14a) 및 단위 고체부(14b') 주위에서 각각 반시계 또는 시계방향 나선형 패턴의 방사상 경사 배향을 갖는다. 나선형 패턴이 반시계 방향 또는 시계 방향인지 여부는 이용되는 카이럴 에이전트의 종류에 의해 결정된다. 따라서, 전압 인가시 개구부(14a)의 액정층(30)을 나선형 패턴의 방사상 경사 배향으로 제어함으로써, 기판면에 수직으로 서있는 다른 액정분자(30a) 주위의 방사상으로 경사진 액정 분자(30a)의 나선형 패턴 방향을 모든 액정 도메인에서 항상 일정하게 할 수 있으므로, 표시 불균일이 없는 균일 표시를 실현할 수 있다. 기판면에 수직으로 서있는 액정 분자(30a) 주위의 나선형 패턴의 방향이 명확하므로, 액정층(30)으로의 전압 인가시 응답 속도가 개선된다.
또한, 카이럴 에이전트가 부가되는 경우, 노멀 트위스트 배향에서와 같이, 액정 분자(30a)의 배향이 액정층(30)의 두께에 따라 나선형 패턴으로 변화된다. 액정 분자(30a)의 배향이 액정층(30)의 두께에 따라 나선형 패턴으로 변화되지 않는 배향에서는, 편광판의 편광축에 수직 또는 평행하게 배향된 액정 분자(30a)는 입사광에 위상차를 부여하지 않으므로, 그러한 배향 영역을 통과하는 입사광은 투과율에 기여하지 않는다. 반면에, 액정 분자(30a)의 배향이 액정층(30)의 두께에 따라 나선형 패턴으로 변하는 배향에서는, 편광판의 편광축에 수직 또는 평행하게 배향된 액정 분자(30a)는 입사광에 위상차를 부여하고, 광학 회전력을 이용할 수 있으므로, 그러한 배향 영역을 통과하는 입사광은 투과율에 기여한다. 따라서, 밝은 표시를 생성할 수 있는 액정 표시 장치를 얻을 수 있다.
도 1a는 각 개구부(14a)가 거의 성형이고 각 단위 고체부(14b')가 거의 원형이며, 이들 개구부(14a) 및 단위 고체부(14b')가 정사각형 격자 패턴으로 배열되는 예를 도시하고 있다. 그러나, 개구부(14a)의 형태, 단위 고체부(14b')의 형태, 및 그 배열은 상기 예로 든 것으로만 제한되지는 않는다.
도 6a 및 6b는 다른 형태의 개구부(14a) 및 단위 고체부(14b')를 각각 구비하는 화소 전극(14A, 14B)을 각각 도시한 평면도이다.
도 6a 및 6b에 각각 도시된 화소 전극(14A, 14B)의 개구부(14a) 및 단위 고체부(14b')는 도 1a에 도시된 화소 전극보다 약간 변형되어 있다. 화소 전극(14A, 14B)의 개구부(14a) 및 단위 고체부(14b')는 2회 회전축(4회 회전축은 아님)을 가지고 있고, 장변 직사각형 단위 격자를 형성하도록 규칙적으로 배열된다. 화소 전극(14A, 14B)에서, 개구부(14a)는 변형된 성형이고, 단위 고체부(14b')는 거의 타원형(변형된 원형)이다. 화소 전극(14A, 14B)으로도, 고화질 표시 및 바람직한 시야각 특성을 갖는 액정 표시 장치를 얻을 수 있다.
또한, 도 7a 및 7b에 도시된 화소 전극(14C, 14D)도 또한 이용될 수 있다.
화소 전극(14C, 14D)에서, 거의 십자형 개구부(14a)는 각 단위 고체부(14b')가 거의 정사각형을 가지도록 정사각형 격자 패턴으로 배열된다. 물론, 화소 전극(14C, 14D)의 패턴은 장변 직사각형 단위 격자가 되도록 변형될 수도 있다. 상기 설명한 바와 같이, 거의 사각형(정사각형 및 장변 직사각형을 포함함) 단위 고체부(14b')를 규칙적으로 배열함으로써 고화질 표시 및 바람직한 시야각 특성을 갖는 액정 표시 장치를 얻을 수 있다.
그러나, 개구부(14a) 및/또는 단위 고체부(14b')의 형태는 방사상 경사 배향이 더 안정적이도록 사각형보다는 원형 또는 타원형인 것이 바람직하다. 개구부(14a)의 에지가 더 연속적(원활함)이므로, 액정 분자(30a)의 배향 방향이 더 연속적으로(원활하게) 변하기 때문에, 원형 또는 타원형 개구부 및/또는 단위 고체부의 방사상 경사 배향이 더 안정적이라고 생각된다.
상기 설명한 액정 분자(30a)의 배향 방향의 연속성의 측면에서 볼 때, 도 8a및 8b에 각각 도시된 화소 전극(14E, 14F)이 또한 바람직하다. 도 8a에 도시된 화소 전극(14E)은 도 1a에 도시된 화소 전극(14)의 변형예로서, 각 개구부(14a)는 4개의 원호로 형성된다. 도 8b에 도시된 화소 전극(14F)은 도 7b에 도시된 화소 전극(14D)의 변형예로서, 단위 고체부(14b')의 개구부(14a)의 각 측변이 원호이다. 화소 전극(14E, 14F)에서, 개구부(14a) 및 단위 고체부(14b')는 4회 회전축을 가지고 있고, 정사각형 격자 패턴(4회 회전축을 가짐)으로 배열된다. 다른 방법으로는, 개구부(14a)의 단위 고체부(14b')의 형태는 2회 회전축을 갖는 형태로 변형될 수 있고, 그러한 단위 고체부(14b')는 도 6a 및 6b에 도시한 바와 같이, 장변 직사각형 격자(2회 회전축을 가짐)를 형성하도록 배열될 수도 있다.
응답 속도의 측면에서, 도 9a 및 9b에 각각 도시된 화소 전극(14G, 14H)이 이용된다. 도 9a에 도시된 화소 전극(14G)은 도 7a에 도시된 거의 정사각형 단위 고체부(14b')를 갖는 화소 전극(14C)의 변형예로서, 화소 전극(14G)의 고체부(14b')의 형태는 예리한 코너각을 갖는 변형된 정사각형이다. 또한, 도 9b에 도시된 화소 전극(14H)의 단위 고체부(14b')의 형태는 8개의 에지를 갖고 각 코너가 예리한 각도를 가지면서 그 중심에서 4회 회전축을 갖는 거의 성형이다. 유의할 점은 여기에서 이용되는 예리한 각도는 90°미만의 각도를 갖는 코너 또는 라운딩된 코너를 지칭한다.
개구부(14a)의 에지부에서 생성된 경사 전계에 의해 액정 분자(30a)의 배향이 제어되는 액정 표시 장치에서 액정층(30)에 전압이 인가된 경우, 에지부 상부의 액정 분자(30a)가 처음으로 기울어지고, 이어서 주위 액정 분자(30a)가 기울어지며, 결국은 방사상 경사 배향이 된다. 따라서, 액정층에 전압 인가시 화소 전극상의 액정 분자가 한번에 기울어지는 표시 모드의 액정 표시 장치의 응답 속도보다는 더 낮다.
단위 고체부(14b')가 도 9a 및 9b에 도시된 바와 같이 모서리가 예각인 형상을 갖는 형태를 가지고 있는 경우, 경사 전계를 생성하는 에지부의 전체량 또는 길이가 증가되어, 더 많은 액정 분자(30a)에 경사 전계가 작용할 수 있다. 따라서, 인가 전계에 응답하여 처음으로 기울어지기 시작하는 액정 분자(30a)의 개수가 증가됨으로써, 전체 화소 영역에 걸쳐 방사상 경사 배향을 달성하는데 필요한 시간의 양을 줄이고, 따라서 액정층(30)으로의 전압 인가에 대한 응답 속도를 개선시킨다.
예를 들면, 단위 고체부(14b')의 각 측변이 약 40㎛의 길이를 갖는 액정 표시 장치에 있어서, 단위 고체부(14b')의 형태가 도 9a에 도시한 바와 같이 변형된 정사각형이고 코너를 형성하는 2개의 에지간의 각도 θ가 도 10a에 도시한 바와 같이 90°미만인 경우는 단위 고체부(14b')의 형태가 도 8b에 도시한 바와 같이 거의 정사각형이고 코너를 형성하는 2개의 에지간의 각도 θ가 도 10b에 도시한 바와 같이 90°인 경우와 비교할 때, 액정층(30)으로의 전압 인가에 대한 응답 속도가 약 60% 정도 단축될 수 있다. 물론, 도 9b에 도시된 거의 성형이 단위 고체부(14b')의 형태로 채용되는 경우, 응답 속도는 마찬가지로 단축될 수 있다.
또한, 단위 고체부(14b')가 모서리가 예각인 형상을 갖는 형태를 가지고 있는 경우, 특정 방위각 방향으로 배향된 액정 분자(30a)의 존재 확률은 단위 고체부(14b')의 형태가 거의 원형 또는 거의 사각형인 경우와 비교할 때, 증가(또는 감소)될 수 있다. 환언하면, 여러 가지 방위각 방향으로 배향된 액정 분자(30a)의 존재 확률에 높은 지향성을 갖게 할 수 있다. 따라서, 선형 편광된 광이 액정층(30)에 입사되는 편광판을 구비한 액정 표시 장치에서, 모서리가 예각인 형상을 갖는 단위 고체부(14b')에 채용된 경우, 편광판의 편광축에 수직 또는 수평으로 배향된 액정 분자(30a), 즉 입사광에 위상차를 부여하지 않는 액정 분자(30a)의 존재 확률을 감소시킬 수 있다. 따라서, 광 투과율을 개선시키고 더 밝은 표시를 실현할 수 있다.
도 11a는 거의 정사각형인 단위 고체부(14b')를 갖는 도 8b에 도시된 화소 전극(14F)을 구비한 액정 표시 장치 및 거의 성형인 단위 고체부(14b')를 갖는 도 9b에 도시된 화소 전극(14H)을 구비한 액정 표시 장치에서 편광판의 편광축 변화에 따른 투과율 변화를 도시하고 있다. 도 11a에서, 실선(51)은 전압 인가시 도 8b에 도시된 화소 전극(14F)을 구비한 액정 표시 장치의 투과율을 나타내고, 파선(52)은 전압 인가시 도 9b에 도시된 화소 전극(14H)을 구비한 액정 표시 장치의 투과율을 나타낸다. 유의할 점은, 도 11a에서, 도 11b에 도시한 바와 같이, 각도 0°는 뷰어측(실선 화살표(61)로 표시됨) 상의 편광판의 편광축이 표시면의 상하 방향으로(도면의 상하 방향에 대응함) 연장되고, 반대쪽(파선 화살표(62)로 표시됨) 상의 편광판의 편광축이 표시면의 좌우 방향으로(도면의 좌우 방향에 대응함) 연장되는 상태에 대응하며, 양의 값 및 음의 값의 각도는 편광축을 반시계 방향 및 시계 방향으로 각각 회전함으로써 얻어지는 각도를 나타낸다는 점이다.
도 11a에 도시한 바와 같이, 단위 고체부(14b')가 모서리가 예각인 형상(파선 52)을 갖는 화소 전극(14H)을 구비한 액정 표시 장치의 투과율의 최대치는 단위 고체부(14b')가 거의 성형(실선(51))을 갖는 화소 전극(14F)을 구비한 액정 표시 장치의 투과율의 최대치보다 크다. 따라서, 단위 고체부(14b')에 모서리가 예각인 형상을 채용함으로써, 투과율을 개선할 수 있고 더 밝은 표시를 생성할 수 있다.
유의할 점은, 단위 고체부(14b')가 상기 설명한 바와 같은 모서리가 예각인 형상을 갖는 경우, 응답 속도 및 투과율은 개선될 수 있지만, 방사상 경사 배향의 안정성은 저하될 수 있다는 점이다. 모서리가 예각인 형상이 채용되는 경우, 단위 고체부(14b')의 형태가 거의 원형인 경우와 비교할 때, 예를 들면, 개구부(14a)의 에지가 단위 고체부(14b')의 형태가 거의 원형인 경우만큼 원활하지 않으므로, 액정 분자(30a)의 배향 방향 변화의 연속성이 저하된다. 따라서, 방사상 경사 배향의 안정성이 악화된다. 그러나, 후술하는 제2 배향 규제 구조가 조합되어 채용된다면, 실제적으로 충분한 배향 안정성을 얻을 수 있다.
하나의 화소 영역에 복수의 개구부(14a)가 제공되는 예들을 도 6a 내지 9b에 도시하였지만, 도 1a 및 1b를 참조하여 상기 설명한 바와 같이 하나의 화소 영역에 단지 하나의 개구부를 제공하는 것만으로도 복수의 액정 도메인을 형성할 수 있다. 또한, 개구부(14a)가 하나도 형성되지 않는 경우에도, 각 화소 영역에 복수의 액정 도메인을 형성할 수 있다. 또한, 화소 전극의 개구부(14a)에 대응하는 영역에 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인을 반드시 형성해야 되는 것은 아니다. 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인이 고체부(14b, 단위 고체부(14b'))에 대응하도록 형성되는 한, 개구부(14a)에 대응하도록 형성된 액정 도메인이 방사상 경사 배향을갖지 않는 경우에도, 각 화소 영역내의 액정 분자의 배향 연속성이 보장되므로, 고체부(14b)에 대응하도록 형성된 액정 도메인의 방사상 경사 배향을 안정화시킬 수 있다. 특히, 도 7a 및 7b에 도시한 바와 같이, 개구부(14a)의 면적이 작은 경우, 개구부는 표시에 아주 작은 기여를 하므로, 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인이 개구부에 대응하는 영역에 형성되지 않더라도 표시 화질이 크게 저하되지 않는다.
상기 설명한 예에서, 개구부(14a)는 거의 성형 또는 거의 십자형이고, 단위 고체부(14b')는 거의 원형, 거의 타원형, 거의 정사각형(사각형), 및 라운딩된 코너를 갖는 거의 사각형이다. 다른 방법으로는, 개구부(14a)와 단위 고체부(14b')간의 음-양 관계가 전환될 수도 있다(이하에서는, 개구부(14a)와 단위 고체부(14b')간의 음양 관계의 전환을 단지 "전환"이라고 지칭함). 예를 들면, 도 12는 도 1a에 도시된 화소 전극(14)의 개구부(14a)와 단위 고체부(14b')간의 음-양 관계를 전환함으로써 얻어지는 패턴을 갖는 화소 전극(14I)을 도시하고 있다. 전환된 패턴을 갖는 화소 전극(14I)은 도 1a에 도시된 화소 전극(14)과 실질적으로 동일한 기능을 가지고 있다. 개구부(14a) 및 단위 고체부(14b')가 모두 거의 정사각형인 경우, 도 13a 및 13b에 각각 도시된 화소 전극(14J, 14K)과 같이, 전환된 패턴은 원래 패턴과 실질적으로 동일하다.
도 12에 도시된 패턴과 같이 도 1a에 도시된 패턴이 전환된 경우에도, 화소 전극(14)의 에지부에서 회전 대칭성을 갖는 단위 고체부(14b')를 형성하도록 개구부(14a)의 일부(거의 절반 또는 1/4)를 형성하는 것이 바람직하다. 그러한 패턴을채용함으로써, 경사 전계의 효과가 화소 영역의 중심부와 같이 화소 영역의 에지부에서도 얻어질 수 있으므로, 전체 화소 영역에 걸쳐 안정된 방사상 경사 배향을 실현할 수 있다.
다음으로, 2개의 전환된 패턴들 중 어느 하나를 채용할 지 여부를, 화소 전극(14)의 개구부(14a) 및 단위 고체부(14b')의 패턴을 전환함으로써 얻어지는 패턴을 갖는 도 12에 도시된 화소 전극(14I) 및 도 1a의 화소 전극(14)을 참조하여 설명한다.
어느 패턴이든, 각 개구부(14a)의 주위 길이는 동일하다. 따라서, 경사 전계를 생성하는 기능에 대해, 2개의 패턴들 사이에는 차이가 없다. 그러나, (화소 전극(14)의 전체 면적에 대한) 단위 고체부(14b')의 면적비는 2개의 패턴들 사이에서 다르다. 환언하면, 액정층의 액정 분자에 작용하는 전계를 생성하기 위한 고체부(14b, 도전막이 존재하는 부분)의 면적은 서로 상이하다.
개구부(14a)에 형성된 액정 도메인에 인가되는 전압은 고체부(14b)에 형성된 다른 액정 도메인에 인가되는 전압보다 낮다. 그 결과, 노멀리 블랙 모드 표시에서, 예를 들면, 개구부(14a)에 형성된 액정 도메인은 더 어둡게 나타난다. 따라서, 개구부(14a)의 면적비가 증가함에 따라, 표시 휘도가 감소한다. 따라서, 고체부(14b)의 면적비가 높은 것이 바람직하다. 고체부(14b)의 면적비가 도 1a의 패턴 또는 도 12의 패턴에서 어느 것이 더 높은지 여부는 단위 격자의 피치(크기)에 좌우된다.
도 14a는 도 1a에 도시된 패턴의 단위 격자를 도시하고 있고, 도 14b는 도12에 도시된 패턴의 단위 격자를 도시하고 있다(개구부(14a)는 각 격자의 중심이 됨). 인접하는 단위 고체부(14b')를 함께 연결하는 기능을 하는 도 12에 도시된 부분(원형부로부터 4개 방향으로 연장되는 브랜치 부분)은 도 14b에 생략되어 있다. 정사각형 단위 격자의 한변의 길이(피치)는 "p"로 나타내고, 개구부(14a) 또는 단위 고체부(14b')와 단위 격자의 측면간의 거리(측면 공간 폭)는 "s"로 나타낸다.
다른 피치 p 및 측면 공간 s를 갖는 여러 가지 샘플의 화소 전극(14)이 생성되어 방사상 경사 배향 등의 안정성을 조사하였다. 그 결과, 도 14a에 도시된 패턴(이하에서는 "양의 패턴"으로 지칭함)을 갖는 화소 전극(14)에서, 측면 공간 s는 방사상 경사 배향을 얻는데 필요한 경사 전계를 생성하는데 약 2.75㎛ 이상이 될 필요가 있다는 것이 발견되었다. 도 14b에 도시된 패턴(이하에서는 "음의 패턴"으로 지칭함)을 갖는 화소 전극(14)에서, 측면 공간 s는 방사상 경사 배향을 얻는데 필요한 경사 전계를 생성하는데 약 2.25㎛ 이상이 될 필요가 있다는 것이 발견되었다. 각 패턴에 대해, 측면 공간 s를 상기 낮은 하한값으로 고정시킨 상태에서 피치 p의 값을 변경시키면서, 고체부(14b)의 면적비를 조사하였다. 그 결과는 이하의 표 1 및 도 14c에 도시되어 있다.
피치 p (㎛) 고체부 면적비(%)
양의 패턴(도 14a) 음의 패턴(도 14b)
20 41.3 52.9
25 47.8 47.2
30 52.4 43.3
35 55.8 40.4
40 58.4 38.2
45 60.5 36.4
50 62.2 35.0
표 1 및 도 14c에서 알 수 있는 바와 같이, 피치 p가 약 25㎛ 이상인 경우, 양의 패턴(도 14a)이 더 높은 면적비의 고체부(14b)를 가지고 있고, 피치 p가 약 25㎛ 이하인 경우에는 음의 패턴(도 14b)이 더 높은 면적비의 고체부(14b)를 가지고 있다. 따라서, 표시 휘도 및 배향 안정성의 측면에서, 채용되어야 되는 패턴은 약 25㎛의 임계 피치 p에서 변화된다. 예를 들면, 3개 이하의 단위 격자들이 폭이 75㎛인 화소 전극(14)의 폭 방향으로 제공된 경우, 도 14a에 도시된 양의 패턴이 바람직하고, 4개 이상의 단위 격자들이 제공되는 경우에는 도 14b에 도시된 음의 패턴이 바람직하다. 여기에 도시된 것 이외의 패턴에 대해서는, 더 큰 면적비의 고체부(14b)를 얻도록 하는 양의 패턴과 음의 패턴간의 선택이 유사하게 행해질 수 있다.
단위 격자들의 개수는 이하와 같이 결정될 수 있다. 각 단위 격자의 크기는 하나 이상(정수)의 단위 격자들이 화소 전극(14)의 폭(수평 또는 수직)을 따라 배열되도록 계산되고, 고체부의 면적비는 각 계산된 단위 격자 크기마다 계산된다. 그리고 나서, 고체부의 면적비가 최대가 되는 단위 격자 크기가 선택된다. 유의할 점은, 단위 고체부(14b')(양의 패턴인 경우) 또는 개구부(14a)(음의 패턴인 경우)의 직경이 15㎛ 미만인 경우, 경사 전계로부터의 배향 규제력이 감소하므로, 안정된 방사상 경사 배향이 쉽게 얻어지지 않는다는 점이다. 직경의 하한치는 액정층(30)의 두께가 약 3㎛인 경우이다. 액정층(30)의 두께가 약 3㎛ 이하인 경우, 단위 고체부(14b') 및 개구부(14a)의 직경이 하한치 이하인 경우에도 안정된 방사상 경사 배향을 얻을 수 있다. 액정층(30)의 두께가 약 3㎛보다 큰 경우, 안정된 방사상 경사 배향을 얻기 위한 단위 고체부(14b') 및 개구부(14a)의 직경 하한치는 상기 하한치보다는 크다.
유의할 점은, 후술하는 바와 같이 방사상 경사 배향의 안정성은 개구부(14a)내에 돌출부를 형성함으로써 증가될 수 있다는 점이다. 상기 도시한 조건들은 모두 돌출부가 형성되지 않은 경우에 대해 주어진 것이다.
화소 전극(14)이 개구부(14a)를 갖는 전극인 경우를 제외하고는, 상기 설명한 액정 표시 장치(100)는 주지의 수직 배향형 액정 표시 장치와 동일한 구조를 채용할 수 있고, 주지의 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
통상, 수직 배향층(도시되지 않음)은 각 화소 전극(14) 및 대향 전극(22)의 액정층(30)에 더 근접한 한쪽면 상에 제공되어, 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자를 수직으로 배향시킨다.
액정 재료는 음의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정 재료일 수 있다. 게스트-호스트 모드(guest-host mode) 액정 표시 장치는 2색성 색소(dychroic dye)를 음의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정 재료에 첨가함으로써 얻어질 수 있다. 게스트-호스트 모드 액정 표시 장치는 편광판을 필요로 하지 않는다.
본 발명의 제1 배향 규제 구조를 갖는 다른 액정 표시 장치(200)의 하나의화소 영역의 구조를 도 15a 및 15b를 참조하여 설명한다. 이하의 도면에서, 액정 표시 장치(100)와 실질적으로 동일한 기능을 갖는 각 구성 요소는 동일한 참조 부호를 붙였고, 그 설명은 생략한다. 도 15a는 기판 법선 방향에서 본 평면도이고, 도 15b는 도 15a의 라인 15B-15B'에 따른 단면도이다. 도 15b는 액정층에 전압이 인가되지 않은 상태를 도시하고 있다.
도 15a 및 15b에 도시한 바와 같이, 액정 표시 장치(200)는 TFT 기판(200a)이 화소 전극(14)의 개구부(14a)에 돌출부(40)를 가지고 있다는 점에서 도 1a 및 1b에 도시된 액정 표시 장치(100)와 상이하다. 돌출부(40)의 표면 상에 수직 배향막(도시되지 않음)이 제공된다.
기판(11)의 면을 따른 돌출부(40)의 단면은 도 15a에 도시한 바와 같이, 거의 성형 단면, 즉 개구부(14a)와 동일한 형태이다. 유의할 점은, 인접하는 돌출부(40)들은 거의 원형 패턴으로 각 단위 고체부(14b')를 완전히 둘러싸도록 서로 연결된다는 점이다. 기판(11)의 수직인 면을 따른 돌출부(40)의 단면은 도 15b에 도시한 바와 같이, 사다리꼴 형태이다. 특히, 단면은 기판면에 평행인 상부면(40t)과 기판면에 대해 테이퍼각 θ(<90°)만큼 기울어진 측면(40s)을 구비하고 있다. 수직 배향막(도시되지 않음)이 돌출부(40)를 덮도록 제공되므로, 돌출부(40)의 측면(40s)은 액정층(30)의 액정 분자(30a)에 대한 경사 전계와 동일한 방향의 배향 규제력을 가지고 있고, 따라서 방사상 경사 배향을 안정화하는 기능을 한다.
돌출부(40)의 기능을 도 16a 내지 16d, 도 17a 및 17b를 참조하여 설명한다.
우선, 액정 분자(30a)의 배향과 수직 배향력을 갖는 표면의 구성간의 관계를 도 16a 내지 16d를 참조하여 설명한다.
도 16a에 도시한 바와 같이, 수평 표면 상의 액정 분자(30a)는 수직 배향력을 갖는 표면(통상, 수직 배향막의 표면)의 배향 규제력으로 인해, 표면에 수직으로 배향된다. 액정 분자(30a)의 축 방위에 수직인 등전위선(EQ)로 표시되는 전계가 수직 배향 상태인 액정 분자(30a)에 인가되는 경우, 액정 분자(30a)를 시계 방향으로 기울이도록 작용하는 토크 및 액정 분자(30a)를 반시계 방향으로 기울이도록 작용하는 토크가 동일한 확률로 액정 분자(30a)에 작용한다. 따라서, 평행판 배열의 대향하는 한 쌍의 전극 사이의 액정층(30)에는, 시계 방향 토크를 받는 일부 액정 분자(30a)와 반시계 방향 토크를 받는 다른 액정층(30a)이 존재한다. 그 결과, 액정층(30)에 인가된 전압에 따른 배향의 변화가 원활하게 진행하지 못한다.
도 16b에 도시된 바와 같이, 수평 등전위선(EQ)로 표시되는 전계가 경사면에 수직 배향된 액정 분자(30a)에 인가되는 경우, 액정 분자(30a)가 등전위선(EQ)에 평행하게 되는데 더 적은 경사량을 필요로 하는 어느 방향어로든지 기울어진다(도시된 예에서는 시계 방향). 그리고 나서, 도 16c에 도시한 바와 같이, 수평 표면에 수직으로 배향된 다른 인접 액정 분자(30a)는 경사진 표면 상에 위치한 액정 분자(30a)와 동일한 방향(시계 방향)으로 기울어져, 그 배향이 경사면에 수직으로 배향된 액정 분자(30a)의 배향과(에 일치하여) 연속적이게 된다.
도 16d에 도시한 바와 같이, 단면이 사다리꼴 형의 열을 포함하는 돌출/오목부를 구비한 표면에 대해서는, 그 상부 표면 상 및 그 기저 표면 상의 액정분자(30a)들은 표면의 경사부 상의 다른 액정 분자(30a)에 의해 규제되는 배향 방향에 일치하도록 배향된다.
액정 표시 장치(200)에서, 표면의 구조(돌출부)에 의해 발휘되는 배향 규제력의 방향은 경사 전계에 의해 발휘되는 배향 규제력의 방향으로 정렬됨으로써, 방사상 경사 배향을 안정화시킨다.
도 17a 및 17b는 도 15b에 도시된 액정층(30)에 전압이 인가된 상태를 도시하고 있다. 도 17a는 액정층(30)으로의 전압 인가에 따라 액정 분자(30a)의 배향이 막 변하기 시작하는 상태(초기 ON 상태)를 모식적으로 도시하고 있다. 도 17b는 액정 분자(30a)의 배향이 변화되어 인가된 전압에 따라 안정화된 상태를 모식적으로 도시하고 있다. 도 17a 및 17b에서, 곡선(EQ)는 등전위선을 나타낸다.
화소 전극(14)과 대향 전극(22)이 동일한 전위(즉, 액정층(30)에 전압이 인가되지 않은 상태)인 경우, 각 화소 영역내의 액정 분자(30a)가 도 15b에 도시한 바와 같이 기판(11, 21)의 표면에 수직으로 배향된다. 돌출부(40)의 측면(40s) 상의 수직 배향막(도시되지 않음)과 접촉하고 있는 액정 분자(30a)는 측면(40s)에 수직으로 배향되고, 측면(40s)의 주위의 액정 분자(30a)는 주위 액정 분자(30a)와의 상호 작용(탄성체로서의 성질)으로 인해 도시된 바와 같이 경사진 배향을 갖는다.
액정층(30)에 전압이 인가되면, 도 17a에 도시된 등전위선(EQ)로 표시되는 전위 구배가 생성된다. 등전위선(EQ)는 화소 전극(14)의 고체부(14b)와 대향 전극(22)의 사이에 위치한 액정층(30)의 영역에서는 고체부(14b)와 대향 전극(22)의 표면에 평행하고, 화소 전극(14)의 개구부(14a)에 대응하는 영역에서 낮아짐으로써, 개구부(14a)의 에지부(개구부(14a)의 경계를 포함한 그 내부의 주변부)(EG) 상부의 액정층(30)의 각 영역에서 등전위선(EQ)의 경사부로 표시되는 경사 전계를 생성한다.
상기 설명한 바와 같이, 경사 전계로 인해, 도 17a의 화살표로 나타낸 바와 같이, 등전위선(EQ)에 평행하게 되도록, 도 17a의 우측 에지부(EG) 상부의 액정 분자(30a)가 시계 방향으로 기울어지고(회전하고), 좌측 에지부(EG) 상부의 액정 분자(30a)는 반시계 방향으로 기울어진다(회전한다). 경사 전계에 의해 발휘되는 배향 규제력의 방향은 각 에지부(EG)에 위치한 측면(40s)에 의해 발휘되는 배향 규제력의 방향과 동일하다.
상기 설명한 바와 같이, 배향 변화는 등전위선(EQ)의 경사부에 위치한 액정 분자(30a)로부터 시작하여, 도 17b에 모식적으로 도시한 배향의 안정 상태에 도달한다. 개구부(14a)의 중심부, 즉 돌출부(40)의 상부면(40t)의 중심부 주위의 액정 분자(30a)는 개구부(14a)의 대향 에지부(EG)에서의 액정 분자(30a)의 각 배향에 의해 실질적으로 동일하게 영향을 받고, 따라서, 그 배향은 등전위선(EQ)에 수직으로 유지된다. 개구부(14a)의 중심(돌출부(40)의 상부면(40t))에서 이격된 액정 분자(30a)는 더 인접한 에지부(EG)에서의 다른 액정 분자(30a)의 배향 영향에 의해 기울어짐으로써, 개구부(14a)의 중심 SA(돌출부(40)의 상부면(40t))에 대해 대칭인 경사 배향을 형성한다. 단위 고체부(14b')의 중심 SA에 대해 대칭인 경사 배향이 개구부(14a) 및 돌출부(40)에 의해 실질적으로 둘러싸여지는 단위 고체부(14b')에 대응하는 영역에도 형성된다.
상기 설명한 바와 같이, 액정 표시 장치(200)에서는, 액정 표시 장치(100)와 같이, 각각이 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인들이 개구부(14a) 및 단위 고체부(14b')에 대응하여 형성된다. 돌출부(40)가 거의 원형 패턴으로 각 단위 고체부(14b')를 완전히 둘러싸도록 제공되므로, 각 액정 도메인은 돌출부(40)에 의해 둘러싸인 거의 원형 영역에 대응하여 형성된다. 또한, 개구부(14a)에 제공된 돌출부(40)의 측면은 개구부(14a)의 에지부(EG)의 주위의 액정 분자(30a)를 경사 전계에 의해 발휘되는 배향 규제력의 방향과 동일한 방향으로 경사지도록 하는 기능을 함으로써, 방사상 경사 배향을 안정화시킨다.
물론, 경사 전계에 의해 발휘되는 배향 규제력은 전압이 인가된 경우에만 작용하고, 그 세기는 전계의 세기(인가 전압의 레벨)에 좌우된다. 따라서, 전계 세기가 작은 경우(즉, 인가 전압이 낮은 경우), 경사 전계에 의해 발휘되는 배향 규제력이 약하고, 그 경우에 액정 패널에 응력이 인가되는 경우, 액정 재료의 플로팅(floating)으로 인해 방사상 경사 배향이 무너질 수도 있다. 한번 방사상 경사 배향이 무너지면, 충분하게 강한 배향 규제력을 발휘하는 경사 전계를 생성하는데 충분한 전압이 인가될 때까지는 복원되지 않는다. 반면에, 돌출부(40)의 측면(40s)으로부터의 배향 규제력은 인가 전압에 관계없이 발휘되고, 배향막의 "앵커 효과"로서 주지된 바와 같이 매우 강하다. 따라서, 액정 재료의 플로팅이 발생하고 방사상 경사 배향이 한번 무너진 경우에도, 돌출부(40)의 측면(40s) 주위의 액정 분자(30a)는 방사상 경사 배향과 동일한 배향 방향을 유지한다. 따라서, 액정 재료의 플로팅이 중지되면, 방사상 경사 배향을 용이하게 복원할 수 있다.
따라서, 액정 표시 장치(200)는 액정 표시 장치(100)의 장점 뿐만 아니라 응력에 강하다고 하는 추가 장점을 가지고 있다. 따라서, 액정 표시 장치(200)는 자주 이동되는 PC나 PDA와 같은 응력을 받기 쉬운 장치에 적절하게 이용될 수 있다.
돌출부(40)가 높은 투명도를 갖는 유전체 재료로 형성되는 경우, 개구부(14a)에 대응하는 영역에 형성되는 액정 도메인이 표시에 기여하는 것을 개선한다는 장점이 얻어진다. 돌출부(40)가 불투명 유전체 재료로 형성되는 경우, 돌출부(40)의 측면(40s)으로 인해 경사 배향을 갖는 액정 분자(30a)의 지연으로 인해 야기되는 광 누설을 방지할 수 있다고 하는 장점이 얻어진다. 투명 유전체 재료 또는 불투명 유전체 재료를 채용하는지 여부는 예를 들면 액정 표시 장치의 애플리케이션 측면에 따라 결정될 수 있다. 어느 경우든, 감광성 수지를 이용함으로써, 개구부(14a)에 대응하는 돌출부(40)를 형성하는 공정이 단순화될 수 있다는 장점을 제공한다.
상기 설명한 바와 같이, 액정 표시 장치(200)는 화소 전극(14)의 개구부(14a)에 돌출부(40)를 포함하고, 돌출부(40)의 측면(40s)은 액정층(30)의 액정 분자(30a)에 대해 경사 전계에 의해 발휘되는 배향 규제력과 동일한 방향으로 배향 규제력을 발휘한다. 경사 전계에 의해 발휘되는 배향 규제력과 동일한 방향의 배향 규제력을 발휘하는 측면(40s)에 대한 양호한 조건들을 도 18a 내지 18c를 참조하여 설명한다.
도 18a 내지 18c는 액정 표시 장치(200A, 200B, 200C)의 단면도를 각각 모식적으로 도시하고 있다. 도 18a 내지 18c는 도 17a와 대응한다. 액정 표시장치(200A, 200B, 200C) 모두는 개구부(14a)에 돌출부를 가지고 있지만, 단일 구조인 전체 돌출부(40)와 대응하는 개구부(14a)와의 위치 관계의 측면에서 액정 표시 장치(200)와 상이하다.
상기 설명한 액정 표시 장치(200)에서는, 도 17a에 도시한 바와 같이, 하나의 구조인 전체 돌출부(40)가 개구부(14a)에 형성되고, 돌출부(40)의 기저면이 개구부(14a)보다 작다. 도 18a에 도시된 액정 표시 장치(200A)에서는, 돌출부(40A)의 기저면이 개구부(14a)와 정렬된다. 도 18b에 도시된 액정 표시 장치(200B)에서는, 돌출부(40B)의 기저면이 개구부(14a)를 둘러싸는 고체부(도전막, 14b)의 일부를 덮도록 개구부(14a)보다 크다. 고체부(14b)는 어느 돌출부(40, 40A, 40B)의 측면(40s) 상에도 형성되지 않는다. 그 결과, 등전위선(EQ)는 각 도면에 도시된 바와 같이, 고체부(14b)에 걸쳐 거의 편평하고 개구부(14a)에서 강하한다. 따라서, 액정 표시 장치(200)의 돌출부(40)로서, 액정 표시 장치(200A)의 돌출부(40A) 및 액정 표시 장치(200B)의 돌출부(40B)의 측면(40s)은 모두 경사 전계에 의해 발휘되는 배향 규제력과 동일한 방향의 배향 규제력을 발휘함으로써, 방사상 경사 배향을 안정화시킨다.
반면에, 도 18c에 도시된 액정 표시 장치(200C)에서, 돌출부(40C)의 기저면은 개구부(14a)보다 더 크고, 개구부(14a)의 상부 영역으로 연장되는 고체부(14b)의 부분은 돌출부(14C)의 측면(40s) 상에 형성된다. 측면(40s) 상에 형성된 고체부(14b)의 부분의 영향으로 인해, 등전위선(EQ)에 산마루(ridge) 부분이 생성된다. 등전위선(EQ)의 산마루 부분은 개구부(14a)로 강하하는 등전위선(EQ)의 나머지 부분과는 반대인 구배를 갖는다. 이것은 액정 분자(30a)를 방사상 경사 배향으로 배향시키기 위한 경사 전계와 그 방향이 반대인 경사 전계가 생성된다는 것을 나타낸다. 따라서, 측면(40s)이 경사 전계에 의해 발휘되는 배향 규제력과 동일한 방향의 배향 규제력을 갖기 위해서는, 고체부(도전막, 14b)가 측면(40s)에 형성되지 않는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 15의 라인 19A-19A'에 따른 돌출부(40)의 단면 구조를 도 19를 참조하여 설명한다.
도 15a에 도시된 돌출부(40)는 거의 원형 패턴으로 각 단위 고체부(14b')를 완전히 둘러싸도록 형성되므로, 상기 설명한 바와 같이, 인접하는 단위 고체부(14b')를 함께 연결하는 기능을 하는 부분(원형부로부터 4개의 방향으로 연장되는 브랜치 부분)은 도 19에 도시된 바와 같이, 돌출부(40) 상에 형성된다. 따라서, 도전막을 화소 전극(14)의 고체부(14b)에 피착하는 공정에서, 돌출부(40) 상에서 단선이 발생하거나 제조 공정의 후처리에서 박리가 발생할 가능성이 높다.
이러한 측면에서 볼 때, 도 20a 및 20b에 도시된 액정 표시 장치(200D)에서는, 서로 독립적인 돌출부(40D) 각각이 개구부(14a)내에 완전히 포함되도록 형성되어, 고체부(14b)가 되는 도전막이 기판(11)의 편평한 표면에 형성됨으로써, 단선 또는 박리의 가능성을 제거한다. 돌출부(40D)가 거의 원형 패턴으로 각 단위 고체부(14b')를 완전히 둘러싸지 않지만, 각 단위 고체부(14b')에 대응하는 거의 원형 액정 도메인이 형성되고, 단위 고체부(14b')의 방사상 경사 배향이 상기 설명한 예들과 같이 안정화된다.
개구부(14a)에 돌출부(40)를 형성함으로써 얻어지는 방사상 경사 배향의 안정화 효과는 상기 설명한 개구부(14a)의 패턴으로 한정되지 않고, 상기 설명한 바와 같은 효과를 얻는 상기 설명한 개구부(14a)의 패턴 중 어느 것이라도 적용할 수 있다. 돌출부(40)가 응력에 대해 배향 안정화 효과를 충분히 발휘하기 위해서는, 돌출부(40)의 패턴(기판 법선 방향에서 본 패턴)이 액정층(30)의 가능한 한 많은 면적을 덮는 것이 바람직하다. 따라서, 예를 들면, 원형 개구부(14a)를 갖는 음의 패턴보다는 원형 단위 고체부(14b')를 갖는 양의 패턴의 경우에, 돌출부(40)의 배향 안정화 효과가 더 크게 나타난다.
후술하는 제2 배향 규제 구조를 제공하지 않고 돌출부(40)를 제공함으로써, 액정 패널에 응력이 가해진 경우에도 응력에 의한 잔상이 나타나지 않도록 충분한 배향 규제력을 얻기 위해서는, 액정층(30)의 두께가 약 3㎛인 경우에, 돌출부(40)의 높이는 약 0.5㎛ 내지 약 2㎛의 범위인 것이 바람직하다. 통상, 돌출부(40)의 높이는 액정층(30)의 두께의 약 1/6 내지 약 2/3의 범위인 것이 바람직하다. 그러나, 돌출부(40)의 측면의 배향 규제력에 의해 그 배향이 규제되는 액정 분자는 인가 전압에 대한 낮은 응답성(인가 전압에 응답하여 작은 지연 변화)을 가지고 있으므로, 돌출부는 표시의 컨트러스트 비를 감소시킬 수 있다. 따라서, 돌출부의 크기, 높이 및 개수는 표시 화질을 저하시키지 않도록 설정되는 것이 바람직하다.
개구부가 한 쌍의 전극들 중 하나에 제공되는 상기 기술한 전극 배열에서, 개구부에 대응하는 영역내의 액정층에 충분한 전압이 인가되지 않으며, 충분한 지연 변화가 얻어지지 않으므로, 광 효율을 저하시킨다. 이것을 감안하여, 액정층으로부터 이격된 개구부(상부 전극)를 구비한 전극의 한쪽 상에 유전체층이 제공되고, 부가 전극(하부 전극)은 전극 개구부를 적어도 부분적으로 대향하도록 유전체층을 개재하여 제공된다(즉, 2층 전극이 채용될 수 있다). 이와 같이, 개구부에 대응하는 액정층에 충분한 전압을 인가할 수 있으므로, 광 효율 및/또는 응답 특성을 개선시킨다.
도 21a 내지 21c는 하부 전극(12), 상부 전극(14), 및 그 사이에 개재된 유전체층(13)을 포함하는 화소 전극(15, 2층 전극)을 구비하는 액정 표시 장치(300)의 하나의 화소 전극 영역의 단면 구조를 모식적으로 도시하고 있다. 화소 전극(15)의 상부 전극(14)은 상기 설명한 화소 전극(14)과 실질적으로 등가이고, 상기 설명한 여러 가지 형태 중 임의의 하나이고 상기 설명한 여러 가지 패턴 중 임의의 하나로 배열되는 개구부를 포함한다. 2층 구조를 갖는 화소 전극(15)의 기능을 이하에 설명한다.
액정 표시 장치(300)의 화소 전극(15)은 복수의 개구부(14a, 14a1 및 14a2를 포함함)를 포함한다. 도 21a는 전압 미인가시(OFF 상태) 액정층(30)의 액정 분자(30a)의 배향을 모식적으로 도시하고 있다. 도 21b는 액정층에 인가되는 전압에 따라 액정 분자(30a)의 배향이 막 변하기 시작하는 상태(초기 ON 상태)를 모식적으로 도시하고 있다. 도 21c는 인가 전압에 따라 액정 분자(30a)의 배향이 변경되어 안정된 상태를 모식적으로 도시한다. 도 21a 내지 21c에서, 유전체층(13)을 개재하여 개구부(14a1, 14a2)를 대향하도록 제공되는 하부 전극(12)은 개구부(14a1, 14a2)에 모두 중첩되고, 개구부(14a1, 14a2) 사이의 영역(상부전극(14)이 존재하는 영역)으로도 연장된다. 그러나, 하부 전극(12)의 배열은 이것으로 제한되지 않고, 다른 방법으로는, 각 개구부(14a1, 14a2)에 대해, 하부 전극(12)의 면적=개구부(14a)의 면적 또는 하부 전극(12)의 면적<개구부(14a)의 면적이 되도록 배열될 수 있다. 따라서, 하부 전극(12)의 구조는 하부 전극(12)이 유전체층(13)을 개재하여 개구부(14a)의 적어도 일부를 대향하도록 하는 한 임의의 특정 구조로 제한되지 않는다. 그러나, 하부 전극(12)이 개구부(14a)내에 제공되는 경우, 기판의 법선 방향에서 봤을 때의 평면에 하부 전극(12) 또는 상부 전극(14)에도 존재하지 않는 영역(갭 영역)이 있다. 갭 영역에 대향하는 영역내의 액정층(30)에는 충분한 전압이 인가될 수 없다. 따라서, 액정층(30)의 배향을 안정화시키기 위해서는, 갭 영역의 폭이 충분히 감축되는 것이 바람직하다. 통상, 갭 영역의 폭은 약 4㎛를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 유전체층(13)을 개재하여 상부 전극(14)의 도전층이 존재하는 영역을 대향하도록 하는 위치에 제공되는 하부 전극(12)은 액정층(30)에 인가되는 전계에 실질적으로 전혀 영향을 주지 않는다. 따라서, 그러한 하부 전극(12)은 패터닝되거나 또는 패터닝되지 않을 수도 있다.
도 21a에 도시한 바와 같이, 화소 전극(15)과 대향 전극(22)이 동일한 전위인 경우(액정층(30)에 전압이 인가되지 않은 상태), 화소 영역내의 액정 분자(30a)는 기판(11, 21)의 표면과 수직으로 배향된다. 여기에서, 화소 전극(15)의 상부 전극(14) 및 하부 전극(12)은 간략화하기 위해 동일한 전위인 것으로 가정된다.
액정층(30)에 전압이 인가되는 경우, 도 21b에 도시한 등전위선(EQ)로 표시되는 전위 구배가 생성된다. 상부 전극(14) 및 대향 전극(22)의 표면에 평행한 등전위선(EQ)로 표시되는 균일한 전위 구배가 화소 전극(15)의 상부 전극(44)과 대향 전극(22)의 사이 영역내의 액정층(30)에 형성된다. 하부 전극(12)과 대향 전극(22) 사이의 전위차에 따른 전위 구배는 상부 전극(14)의 개구부(14a1, 14a2)의 상부에 위치한 액정층(30)의 영역에 생성된다. 액정층(30)에 생성된 전위 구배는 유전체층(13)으로 인한 전압 강하에 의해 영향을 받으므로, 액정층(30)의 등전위선(EQ)가 개구부(14a1, 14a2)에 대응하는 영역에서 강하한다(등전위선(EQ)에서 복수의 "파곡(trough)"을 생성함). 하부 전극(12)이 유전체층(13)을 개재하여 개구부(14a1, 14a2)에 대향하는 영역에 제공되므로, 개구부(14a1, 14a2)의 각 중심부 주위의 액정층(30)도 또한 상부 전극(14)과 대향 전극(22)의 평면에 평행인 등전위선(EQ)의 부분에 의해 표시되는 전위 구배를 갖는다(등전위선(EQ)의 "파곡 기저"). 등전위선(EQ)의 경사부로 표시되는 경사 전계는 각 개구부(14a1, 14a2)의 에지부(EG) 상부(개구부 경계를 포함한 그 내측 주변부)의 액정층(30)에 생성된다.
도 21b 및 2a와의 비교로부터 명백한 바와 같이, 액정 표시 장치(300)는 하부 전극(12)을 가지고 있으므로, 개구부(14a)에 대응하는 영역에 형성된 액정 도메인내의 액정 분자에 충분한 전계가 작용할 수 있다.
음의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자(30a)에 토크가 작용하여 액정 분자(30a)의 축 방위가 등전위선(EQ)에 평행하도록 지향한다. 따라서, 도 21b에 도시한 바와 같이, 도 21b의 우측 에지부(EG) 상부의 액정 분자(30a)는 시계 방향으로 기울어지고(회전하고), 좌측 에지부(EG) 상부의 액정 분자(30a)는 반시계 방향으로 기울어진다(회전한다). 그 결과, 에지부(EG) 상부의 액정 분자(30a)는 등전위선 (EQ)의 대응부분에 평행하도록 배향된다.
도 21b에 도시한 바와 같이, 액정 분자(30a)의 축 방위에 대해 기울어지는 등전위선(EQ)의 부분에 의해 표시되는 전계(경사 전계)는 액정 표시 장치(300)의 개구부(14a1, 14a2)의 에지부(EG)에서 생성되므로, 도 3b에 도시한 바와 같이, 액정 분자(30a)는 등전위선(EQ)에 평행하게 되는데 액정 분자(30a)에 대한 회전량이 더 적게 요구되는 방향으로(본 예에서는 반시계 방향) 경사진다. 액정 분자(30a)의 축 방위에 수직인 등전위선(EQ)로 표시되는 전계가 생성되는 영역내의 액정 분자(30a)는 등전위선(EQ)의 경사부 상에 위치한 액정 분자(30a)와 동일한 방향으로 기울어지므로, 도 3c에 도시한 바와 같이, 그 배향은 등전위선(EQ)의 경사부 상에 위치한 액정 분자(30a)의 배향에(과 일치하여) 연속적이게 된다.
액정 분자(30a)의 배향 변화는 등전위선(EQ)의 경사부에 위치한 것들로부터 시작하여 상기 설명한 바와 같이 진행한 후, 정상 상태, 즉 도 21c에 도시한 바와 같이 각 개구부(14a1, 14a2)의 중심 SA를 중심으로 대칭인 경사 배향(방사상 경사 배향)에 도달한다. 2개의 인접 개구부(14a1, 14a2) 사이에 위치한 상부 전극(14)의 영역내의 액정층(30a)도 또한 경사 배향을 가지므로, 그 배향은 개구부(14a1, 14a2)의 에지부에서의 액정 분자(30a)의 배향에(과 일치하여) 연속적이게 된다. 개구부(14a1)의 에지 및 개구부(14a2)의 에지와의 중간의 액정 분자(30a)는 각 에지부에서 액정 분자(30a)로부터 실질적으로 동일한 영향을 받고, 따라서 각 개구부(14a1, 14a2)의 중심부 근처에 위치한 액정 분자(30a)와 같이 수직 배향으로유지된다. 그 결과, 인접하는 2개의 개구부(14a1, 14a2) 사이의 상부 전극(14) 상부의 액정층도 또한 방사상 경사 배향을 갖는다. 유의할 점은, 액정 분자의 경사 방향은 각 개구부(14a1, 14a2)내의 액정층의 방사상 경사 배향과 개구부(14a1, 14a2) 사이의 액정층의 방사상 경사 배향과는 서로 다르다는 점이다. 도 21c에 도시된 방사상 경사 배향을 갖는 각 영역의 중심에서의 액정 분자(30a) 주위의 배향을 관찰해 보면, 개구부(14a1, 14a2)의 영역내의 액정 분자(30a)는 대향 전극을 향하여 분산되는 원뿔을 형성하도록 경사지는데 반해, 개구부 사이 영역의 액정 분자(30a)는 상부 기판(14)를 향하여 분산되는 원뿔을 형성하도록 경사진다는 것을 알 수 있다. 이들 방사상 경사 배향은 둘 다 에지부에서 액정 분자(30a)의 경사 배향에 일치하도록 형성되므로, 2개의 방사상 경사 배향이 서로 연속적이다.
상기 설명한 바와 같이, 액정층(30)에 전압이 인가되는 경우, 액정 분자(30a)는 상부 전극(14)에 제공된 개구부(14a1, 14a2)의 각 에지부(EG) 상부의 것들로부터 시작하여 기울어진다. 그리고 나서, 주위 영역의 액정 분자(30a)가 에지부(EG) 상부의 액정 분자(30a)의 경사 배향과 일치하도록 기울어진다. 따라서, 방사상 경사 배향이 형성된다. 따라서, 각 화소 영역 내에 제공된 개구부(14a)의 개수가 증가됨에 따라, 인가 전계에 응답하여 처음 기울어지기 시작하는 액정 분자(30a)의 개수가 증가함으로써, 전체 화소 영역에 걸쳐 방사상 경사 배향을 달성하는데 필요한 시간을 감소시킨다. 따라서, 각 화소 영역에 대한 화소 전극(15)내에 제공된 개구부(14a)의 개수를 증가시킴으로써, 액정 표시 장치의 응답 속도를 개선할 수 있다. 또한, 화소 전극(15)으로서 상부 전극(14)과 하부 전극(12)을 포함하는 2층 전극을 채용함으로써, 개구부(14a)에 대응하는 영역내의 액정 분자에 충분한 전계가 작용할 수 있으므로, 액정 표시 장치의 응답 특성을 개선할 수 있다.
화소 전극(15)의 상부 전극(14)과 하부 전극(12) 사이에 제공되는 유전체층(13)은 상부 전극(14)의 개구부(14a) 내에 개구(구멍) 또는 오목부를 포함할 수도 있다. 환언하면, 2층 화소 전극(15)에서, 상부 전극(14)의 개구부(14a)에 위치한 유전체층(13)의 전체 영역이 제거되거나(그럼으로써, 그 내부에 개구를 형성함), 그러한 영역의 일부가 제거될 수 있다(그럼으로써, 오목부를 형성함).
우선, 유전체층(13)내에 개구를 포함하는 그러한 화소 전극(14)을 갖는 액정 표시 장치(400)의 구조와 동작은 도 22a 내지 22c를 참조하여 설명한다. 간략하게 설명하기 위해, 상부 전극(14) 내에 제공된 단일 개구부(14a)만을 설명한다.
액정 표시 장치(400)에서, 화소 전극(15)의 상부 전극(14)은 개구부(14a)를 포함하고, 하부 전극(12)과 상부 전극(14)과의 사이에 제공된 유전체층(13)은 상부 전극(14)의 개구부(14a)에 대응하도록 형성되는 개구부(13a)를 포함하고, 하부 전극(12)은 개구부(13a)를 통해 노출된다. 유전체층(13)의 개구부(13a)의 측벽은 통상 테이퍼링(tapering)된다. 액정 표시 장치(400)는 유전체층(13)이 개구부(13a)를 포함하고 있다는 점을 제외하고는 액정 표시 장치(300)와 실질적으로 동일한 구조를 가지며, 2층 화소 전극(15)은 액정 표시 장치(300)의 화소 전극(15)과 실질적으로 동일한 방식으로 기능하므로, 전압 인가시 액정층(30) 내에 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인을 형성한다.
액정 표시 장치(400)의 동작을 도 22a 내지 22c를 참조하여 설명한다. 도 22a 내지 22c는 액정 표시 장치(100)를 도시한 도 1a 내지 1c에 대응한다.
도 22a에 도시한 바와 같이, 각 화소 영역내의 액정 분자(30a)는 전압 미인가시(OFF 상태) 기판(11, 21)의 표면에 수직으로 배향된다. 이하의 설명에서는, 설명을 단순화하기 위해, 개구부(13a)의 측벽으로부터의 배향 규제력은 무시한다.
액정층(30)에 전압이 인가된 경우, 도 22b에 도시된 등전위선(EQ)로 표시되는 전위 구배가 생성된다. 상부 전극(14)의 개구부(14a)에 대응하는 영역내의 등전위선(EQ)의 강하(그 내부에 "파곡"을 생성함)로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 21b에 도시된 전위 구배에서와 같이 액정 표시 장치(400)의 액정층(30)내에 경사 전계가 생성된다. 그러나, 화소 전극(15)의 유전체층(30)이 상부 전극(14)의 개구부(14a)에 대응하는 영역 내에 개구부(13a)를 포함하고 있으므로, 개구부(14a)(개구부(13a))에 대응하는 액정층(30)의 영역에 인가된 전압은 정확하게 하부 전극(12)과 대향 전극 사이의 전위차이고, 유전체층(13)으로 인한 전압 강하(용량 분할)가 발생하지 않는다. 환언하면, 상부 전극(14)과 대향 전극(22) 사이의 도 22b에 도시된 7개의 등전위선(EQ) 모두는 전체 액정층(30)에 걸쳐 상부 전극(14)과 대향 전극(22) 사이에 존재하므로(도 21b에서는 5개의 등전위선(EQ) 중 하나가 유전체층(13) 내부에 도시됨), 전체 화소 영역에 걸쳐 일정한 전압을 인가할 수 있다.
따라서, 유전체층(13)에 개구부(13a)를 제공함으로써, 개구부(13a)에 대응하는 액정층(30)의 영역에 액정층(30)의 다른 영역에 인가된 것과 동일한 전압을 인가할 수 있다. 그러나, 전압이 인가되는 액정층(30)의 두께는 각 화소 영역내의 위치에 따라 가변되므로, 전압 인가시 지연 변화도 위치에 따라 가변된다. 변동량이 큰 경우, 표시 화질이 악화될 수 있다.
도 22a 내지 22c에 도시된 구조에서, 상부 전극(개구부(14a)를 포함하는 고체부, 14) 상의 액정층(30)의 두께 d1 및 개구부(14a)(및, 개구부(13a))를 통해 노출된 하부 전극(12) 상의 액정층(30)의 두께 d2는 유전체층(13)의 두께만큼 서로 차이가 난다. 두께 d1인 액정층(30) 부분과 두께 d2인 액정층(30)의 다른 부분이 동일한 전압 범위로 구동되는 경우, 액정층(30)에서의 배향 변화에 기인한 지연 변화량은 액정층(30)의 각 부분간의 두께 차이의 영향에 의해 가변된다. 인가된 전압과 액정층(30)의 지연량간의 관계는 위치에 좌우되어 크게 가변되는 경우, 이하의 문제가 발생한다. 즉, 표시 화질에 최고의 우선권이 주어진 설계에서는 투과율이 희생되고, 투과율에 최고의 우선권이 주어진 경우에는 백색 표시의 컬러 온도가 시프트하여 표시 화질을 희생시킨다. 따라서, 액정 표시 장치(400)가 투과형 액정 표시 장치로서 이용되는 경우, 유전체층(13)의 두께는 작은 것이 바람직하다.
다음으로, 화소 전극의 유전체층이 오목부를 포함하는 액정 표시 장치(500)의 하나의 화소 영역의 단면 구조를 도 23을 참조하여 설명한다.
액정 표시 장치(500)의 화소 전극(15)의 유전체층(13)은 상부 전극(14)의 개구부(14a)에 대응하는 오목부(13b)를 포함한다. 이것 이외에, 액정 표시 장치(500)의 구조는 도 22a 내지 22c에 도시된 액정 표시 장치(400)와 실질적으로 동일하다.
액정 표시 장치(500)에서, 화소 전극(15)의 상부 전극(14)의 개구부(14a)에 위치한 유전체층(13)의 부분이 완전히 제거되지 않음으로써, 개구부(14a)에 위치한 액정층(30) 부분의 두께 d3은 오목부(13b)내의 유전체층(13)의 두께만큼 액정 표시 장치(400)의 개구부(14a)에 위치한 액정 표시 장치(30)의 대응하는 부분의 두께 d2보다 작다. 또한, 개구부(14a)내의 액정층(30)의 영역에 인가된 전압은 오목부(13b)의 유전체층(13)으로 인해 전압 강하(용량 분할)를 받으므로, 상부 전극(개구부(14a)를 제외한 영역)(14) 상의 액정층(30)의 영역에 인가된 전압보다 낮다. 따라서, 오목부(13b)내의 유전체층(13)의 두께를 조절함으로써, 액정층(30)의 두께 차이에 기인하는 지연량의 변동과 위치에 따라 액정층(30)에 인가되는 인가 전압의 변동(개구부(14a)내의 액정층에 인가되는 전압 감소량) 사이의 관계를 제어할 수 있으므로, 인가 전압과 지연간의 관계는 화소 영역의 위치에 좌우되지 않는다는 것을 보장한다. 더 엄격하게 말하면, 인가 전압과 지연간의 관계를 화소 영역에 걸쳐 일정하게 제어될 수 있고, 따라서 액정층의 복굴절, 액정층의 두께, 유전체층의 유전 상수 및 두께, 및 유전체층의 오목부의 두께(또는 깊이)를 조절함으로써, 높은 화질의 표시를 실현할 수 있다. 특히, 편평한 표면 유전체층을 구비한 투과형 액정 표시 장치와 비교할 때, 상부 전극(14)의 개구부(14a)에 대응하는 액정층(30)에 인가되는 전압의 감소로 인한 투과율의 감소(광 효율의 감소)가 억제된다고 하는 장점이 있다.
상기 설명에서, 화소 전극(15)의 상부 전극(14) 및 하부 전극(12)에 동일한 전압이 인가된다. 하부 전극(12)과 상부 전극(14)에 다른 전압이 인가되는 경우,표시 불균일이 없는 화상을 표시할 수 있는 액정 표시 장치의 구조의 다양성을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 유전체층(13)이 상부 전극(14)의 개구부(14a) 내에 제공되는 구조에서, 유전체층(13)으로 인한 전압 강하만큼 상부 전극(14)에 인가된 전압보다 높은 전압이 하부 전극(12)에 인가되므로, 액정층(30)에 인가된 전압이 화소 영역의 위치에 따라 가변되는 것을 방지할 수 있다.
2층 구조의 화소 전극(15)을 갖는 액정 표시 장치는 투과형 또는 반사형 액정 표시 장치뿐만 아니라 투과-반사형 액정 표시 장치(예를 들면, 일본 특허 공개 공보 제11-101992호를 참조할 것)일 수도 있다.
투과-반사형 액정 표시 장치(이하에서는, "양용형 액정 표시 장치"(two-way liquid crystal display device)라 지칭함)는 각 화소 영역에서 투과 모드로 화상을 표시하는 투과 영역 T와 반사 모드로 화상을 표시하는 반사 영역 R을 포함하는 액정 표시 장치를 지칭한다(도 21a 참조). 통상, 투과 영역 T 및 반사 영역 R은 투명 전극 및 반사 전극에 의해 각각 정의된다. 반사 영역은 반사 전극 대신에 반사층과 투명 전극의 조합을 이용하는 구조에 의해 정의될 수도 있다.
양용형 액정 표시 장치에서, 화상은 서로 스위칭될 수 있는 반사 모드 또는 투과 모드 어느 쪽으로도 표시될 수 있거나, 화상이 두 개의 표시 모드로 동시에 표시될 수도 있다. 따라서, 예를 들면 반사 모드 표시는 밝은 주위 광을 갖는 환경하에서 이용될 수 있고, 투과 모드 표시는 어두운 환경하에서 이용될 수 있다. 이들 2개의 표시 모드가 동시에 이용되는 경우, 투과 모드 액정 표시 장치가 밝은 주변광 하에서 이용되는 경우(형광 램프나 태양광으로부터의 광이 표시면에 소정각도로 직접 입사하는 상태)에 관찰되는 컨트러스트 비의 감소를 억제할 수 있다. 따라서, 양용형 액정 표시 장치는 투과형 액정 표시 장치의 단점을 보상할 수 있다. 투과 영역 T의 면적과 반사 영역 R의 면적 사이의 비율은 액정 표시 장치의 애플리케이션에 따라 적절하게 결정될 수 있다. 투과형 표시 장치로서만 이용되는 액정 표시 장치에 대해서는, 투과 영역의 면적 비율은 반사 모드로 화상이 표시될 수 없는 정도로 감소될 수 있고, 상기 설명한 투과형 액정 표시 장치의 단점을 여전히 보상할 수 있다.
양용형 액정 표시 장치는 예를 들면 도 21a에 도시한 바와 같이 액정 표시 장치(300)의 상부 전극(14) 및 하부 전극(12)으로서 반사 전극과 투명 전극을 각각 채용함으로써 얻어질 수 있다. 양용형 액정 표시 장치는 이러한 예로 한정되지 않으며, 또한 액정 표시 장치의 상부 전극(14) 및 하부 전극(12) 중 하나를 투명 도전층으로 채용하고 나머지를 반사 도전층으로 채용함으로써 얻어질 수도 있다. 유의할 점은, 반사 모드의 표시와 투과 모드의 표시의 전압-투과율 특성이 서로 일치하기 위해서는, 반사 영역 R내의 액정층(30)의 두께(예를 들면, 도 22a에서 d1)는 투과 영역 T내의 액정층(30)의 두께(예를 들면, 도 22b에서 d2)의 약 1/2이어야 한다는 점이다. 물론, 액정층의 두께를 조절하는 것 대신에, 상부 전극(14)에 인가되는 전압 및 하부 전극(12)에 인가되는 전압을 조절할 수도 있다.
제2 배향 규제 구조
다음으로, 제2 배향 규제 구조의 구체적인 구조 및 작용을 설명한다. 제1 배향 규제 구조가 TFT 기판에 설치되고, 제2 배향 규제 구조가 대향 기판에 설치되어 있는 경우를 상기 설명한 예들에 따라 이하에 설명한다. 기판면에 수직으로 액정 분자를 배향하기 위한 구조(예를 들면, 액정층에 인접한 한 쌍의 기판 각각의 한쪽 측면에 제공되는 수직 배향막)뿐만 아니라, 본 발명의 액정 표시 장치는 액정 분자를 방사상 경사 배향으로 배향시키기 위한 상기 설명한 바와 같은 제1 배향 규제 구조 및 후술하는 바와 같이 제1 배향 규제 구조와 조합하여 액정 분자를 방사상 경사 배향으로 배향시키기 위한 제2 배향 규제 구조(방사상 경사 배향을 안정화시킴)를 포함한다.
도 24a 내지 24e는 제2 배향 규제 구조(28)를 구비한 대향 기판(600b)을 모식적으로 도시하고 있다. 상기 설명한 액정 표시 장치와 실질적으로 동일한 기능을 갖는 각 구성 요소는 동일한 참조 부호를 붙이고, 더 이상 설명하지는 않는다.
도 24a 내지 24e에 도시된 제2 배향 규제 구조(28)는 액정층(30)의 액정 분자(30a)를 방사상 경사 배향으로 배향되도록 하는 기능을 한다. 유의할 점은, 도 24a 내지 24d에 도시된 제2 배향 규제 구조와 도 24e에 도시된 제2 배향 규제 구조는 액정 분자(30a)가 기울어지는 방향에서 서로 상이하다는 점이다.
도 24a 내지 24d에 도시된 제2 배향 규제 구조(28)에 의해 액정 분자가 기울어지는 방향은 화소 전극(14)의 단위 고체부(14b')(예를 들면, 도 1a 및 1b를 참조)에 대응하는 영역 내에서 제1 배향 규제 구조에 의해 형성되는 각 액정 도메인의 방사상 경사 배향의 배향 방향으로 정렬된다. 반면에, 도 24e에 도시된 제2 배향 규제 구조(28)에 의해 액정 분자가 기울어지는 방향은 화소 전극(14)의 개구부(14a, 도 1a 및 1b 참조)에 대응하는 영역에서 제1 배향 규제 구조에 의해형성되는 각 액정 도메인의 방사상 경사 배향의 배향 방향으로 정렬된다.
도 24a에 도시된 제2 배향 규제 구조(28)는 대향 전극(22)의 개구부(22a) 및, 개구부(22a)를 대향하도록 제공되는 화소 전극(14, 또는 상부 전극, 도 24a에는 도시되지 않음, 예를 들면 도 1a 참조)의 고체부(14b)에 의해 형성된다. 수직 배향막(도시되지 않음)은 대향 기판(600b)의 액정층(30)쪽 표면 상에 제공된다.
상기 설명한 제1 배향 규제 구조와 같이, 제2 배향 규제 구조(28)도 전압 인가시에만 배향 규제력을 발휘한다. 제2 배향 규제 구조(28)는 각 액정 도메인내의 액정 분자에 제1 배향 규제 구조에 의해 형성된 방사상 경사 배향으로 배향 규제력을 발휘하는 데에만 필요하므로, 개구부(22a)의 크기는 화소 전극(14)내에 제공되는 개구부(14a)보다 작고, 개구부(14a)에 의해 둘러싸여지는 단위 고체부(14b', 예를 들면 도 1a 참조)보다 작다. 예를 들면, 개구부(14a) 또는 단위 고체부(14b')의 면적보다 1/2 또는 그 이하의 면적으로만 충분한 효과를 얻을 수 있다. 대향 전극(22)의 개구부(22a)가 화소 전극(14)의 단위 고체부(14b')의 중심부에 대향하도록 제공되는 경우, 액정 분자의 배향 연속성이 증가하고, 방사상 경사 배향의 중심 축 위치를 고정할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 전압 인가시에만 배향 규제력을 발휘하는 구조가 제2 배향 규제 구조로서 채용되는 경우, 액정층(30)의 거의 모든 액정 분자(30a)는 전압 미인가시 수직 배향 상태이다. 따라서, 노멀리 블랙 모드를 채용하는 경우, 블랙 표시에서 어떠한 광 누설도 발생하지 않으므로, 바람직한 컨트러스트 비를 갖는 표시를 실현할 수 있다.
그러나, 전압 미인가시, 배향 규제력이 발휘되지 않고, 따라서 방사상 경사 배향이 형성되지 않는다. 또한, 인가 전압이 낮은 경우, 약한 배향 규제력만이 존재하므로, 액정 패널에 상당한 응력이 가해진 경우 잔상이 관찰될 수도 있다.
도 24b 내지 24d에 도시된 제2 배향 규제 구조(28) 각각은 전압 인가/미인가에 관계없이 배향 규제력을 발휘하므로, 임의의 표시 그레이(gray) 레벨에서도 안정된 방사상 경사 배향을 얻을 수 있고, 응력에 대한 높은 저항력이 제공된다.
우선, 도 24b에 도시된 제2 배향 규제 구조(28)는 액정층(30)을 돌출시키도록 대향 전극(22) 상에 제공되는 돌출부(22b)를 포함한다. 돌출부(22b)의 재료에 특정 제한이 없으므로, 수지와 같은 유전체 재료를 이용하여 용이하게 돌출부(22b)를 제공할 수 있다. 수직 배향막(도시되지 않음)은 대향 기판(600b)의 액정층(30)쪽 표면 상에 제공된다. 돌출부(22b)는 그 표면의 구성(수직 배향력)을 통해 액정 분자(30a)를 방사상 경사 배향으로 배향시킨다. 열에 의해 변형되는 수지 재료를 이용하는 것이 바람직하고, 이 경우에 패터닝 이후의 열 처리를 통해 도 24b에 도시한 바와 같이 약간 부풀어오른 단면을 갖는 돌출부(22b)를 용이하게 형성할 수 있다. 도면에 도시한 바와 같이 정점를 갖는 약간 부풀어오른 단면(예를 들면, 구의 일부)을 갖는 돌출부(22b) 또는 원뿔형 돌출부는 방사상 경사 배향의 중심 위치를 고정하는 상당한 효과를 제공한다.
도 24c에 도시한 제2 배향 규제 구조(28)는 대향 전극(22)의 아래(즉, 대향 전극(22)의 기판(21)쪽 측면 상에)에 형성된 유전체층(23)내의 개구부(23a, 또는 오목부)에 제공되는 액정층(30)에 접하는 수평 배향력을 갖는 표면으로서 제공된다. 대향 기판(600b)의 액정층(30)측에 수직 배향막(24)이 제공되고, 개구부(23a)에 대응하는 영역을 덮지 않음으로써, 개구부(23a)내의 표면을 수평 배향 표면으로 기능하게 한다. 다른 방법으로는, 도 24d에 도시한 바와 같이, 개구부(23a)내에만 수평 배향막(25)을 제공할 수도 있다.
도 24d에 도시한 수평 배향막은, 예를 들면 일단 대향 기판(600b)의 전면에 수직 배향막(24)을 제공하고, 개구부(23a) 내의 수직 배향막(24)의 일부에 선택적으로 자외선을 조사함으로써, 수직 배향력을 저하시켜 제공될 수도 있다. 제2 배향 규제 구조(28)에 필요한 수평 배향력은 TN형 액정 표시 장치에 이용되고 있는 배향막만큼 결과적인 프리틸트(pretilt) 각도가 작을 정도로 높을 필요가 없다. 예를 들면 프리틸트 각도가 45°이하이면 충분하다.
도 24c 및 24d에 도시한 바와 같이, 개구부(23a)내의 수평 배향 표면 상에서는, 액정 분자(30a)가 기판면에 대해 수평으로 배향하도록 유도된다. 그 결과, 액정 분자(30a)는 수직 배향막(24) 상의 주위의 수직 배향하고 있는 액정 분자(30a)의 배향과 연속적인 배향을 형성하고, 도면에 도시한 바와 같은 방사상 경사 배향을 얻을 수 있다.
대향 전극(22)의 표면에 오목부(유전체층(23)의 개구부에 의해 형성됨)를 설치하지 않고, 대향 전극(22)의 평탄한 표면상에, 수평 배향 표면(예를 들면, 전극의 표면 또는 수평 배향막 등)을 선택적으로 제공하는 것만으로도 방사상 경사 배향을 얻을 수 있다. 그러나, 오목부의 표면 구성에 의해 방사상 경사 배향이 더욱 안정화될 수 있다.
대향 기판(600b)의 액정층(30) 측의 표면에 오목부를 형성하기 위해, 예를 들면, 유전체층(23)으로서, 컬러 펄터층 또는 컬러 필터층의 오버 코팅층을 이용하는 것이 프로세스를 증가시키지 않으므로 바람직하다. 또한, 도 24c 및 24d에 도시한 구조에서는 도 24a에 도시한 구조와 같이 오목부(22b)를 통해 액정층(30)에 전압이 인가되는 영역이 존재하지 않으므로 광의 이용 효율이 저하되는 것이 적다.
도 24e에 도시한 제2 배향 규제 구조(28)는 도 24d에 도시한 제2 배향 규제 구조(28)와 마찬가지로, 유전체층(23)의 개구부(23a)를 이용하여, 대향 기판(600b)의 액정층(30)측에 오목부를 형성하고, 그 오목부의 기저부에만, 수평 배향막(26)을 형성하고 있다. 수평 배향막(26)을 형성하는 대신에, 도 24c에 도시한 바와 같이, 대향 전극(22)의 표면을 노출시킬 수도 있다.
상기 설명한 바와 같은 제1 배향 규제 구조 및 제2 배향 규제 구조를 구비한 액정 표시 장치(600)를 도 25a 및 25b에 도시하고 있다. 도 25a는 평면도이고, 도 25b는 도 25a의 라인 25B-25B'에 따른 단면도이다.
액정 표시 장치(600)는 제1 배향 규제 구조인 개구부(14a)를 구비하는 화소 전극(14)을 갖는 TFT 기판(100a), 및 제2 배향 규제 구조(28)를 포함하는 대향 기판(600b)을 포함한다. 제1 배향 규제 구조는 여기에서 예시하는 구성으로 한정되지 않고, 상기 설명한 임의의 다른 구성도 가능하다. 또한, 제2 배향 규제 구조(28)로서, 전압 미인가시에도 배향 규제력을 발휘하는 것(도 24b 내지 24d, 및 도 24e)을 예시하고 있지만, 도 24b 내지 24d에 도시한 제1 배향 규제 구조 대신에, 도 24a에 도시한 것을 이용할 수 있다.
액정 표시 장치(600)의 대향 기판(600b)에 제공되어 있는 제2 배향 규제 구조(28) 중, 화소 전극(14)의 고체부(14b)에 대향하는 영역의 중심 부근에 제공되어 있는 제2 배향 규제 구조(28)는, 도 24b 내지 24d에 도시한 것 중 어느 하나이고, 화소 전극(14)의 개구부(14a)에 대향하는 영역의 중심 부근에 제공되어 있는 제2 배향 규제 구조(28)는 도 24e에 도시한 것이다.
이와 같이 배치함으로써, 액정층(30)에 전압을 인가한 상태, 즉 화소 전극(14)과 대향 전극(22)과의 사이에 전압을 인가한 상태에서, 제1 배향 규제 구조에 따라 형성된 방사상 경사 배향의 방향이, 제2 배향 규제 구조(28)에 따라 형성되는 방사상 경사 배향의 방향과 정렬되어, 방사상 경사 배향을 안정화시킨다. 이것을 도 26a 내지 26c에 모식적으로 도시하고 있다. 도 26a는 전압 미인가 상태를 도시하고 있고, 도 26b는 전압 인가 후에 배향이 막 변화하기 시작한 상태(초기 ON 상태)를 도시하고 있으며, 도 26c는 전압 인가동안의 정상 상태를 모식적으로 도시하고 있다.
도 26a에 도시한 바와 같이, 제2 배향 규제 구조(도 24b 내지 24d)에 의해 발휘되는 배향 규제력은, 전압 미인가 상태에서도 그 주위의 액정 분자(30a)에 작용함으로써 방사상 경사 배향을 형성한다.
전압을 인가하기 시작하면, 도 26b에 도시한 바와 같은 등전위선(EQ)로 표시된 전계가 발생하고(제1 배향 규제 구조에 의함), 개구부(14a)에 대응하는 영역 및 고체부(14b)에 대응하는 영역에 액정 분자(30a)가 방사상 경사 배향한 액정 도메인이 형성되고, 액정층(30)은 도 26c에 도시한 바와 같이 정상 상태에 도달한다. 각액정 도메인내의 액정 분자(30a)의 경사 방향은, 대응하는 영역에 제공된 제2 배향 규제 구조(28)에 의해 발휘되는 배향 규제력에 의해 액정 분자(30a)가 경사지는 방향과 일치한다.
정상 상태에 있는 액정 표시 장치(600)에 응력이 가해지면, 액정층(30)의 방사상 경사 배향은 일단 붕괴되지만, 응력이 제거되면, 제1 배향 규제 구조로부터의 배향 규제력 및 제2 배향 규제 구조에 의한 배향 규제력이 액정 분자(30a)에 작용하고 있으므로, 방사상 경사 배향 상태가 복원된다. 따라서, 응력에 의한 잔상의 발생이 억제된다. 제2 배향 규제 구조(28)에 의한 배향 규제력이 너무 강하면, 전압 미인가시에도 방사상 경사 배향에 의한 지연이 발생함으로써, 표시의 컨트러스트 비가 저하될 수 있다. 그러나, 제2 배향 규제 구조(28)에 의한 배향 규제력은, 제1 배향 규제 구조에 의해 형성되는 방사상 경사 배향의 안정화 및 중심축 위치를 고정하는 효과만이 필요하므로, 강할 필요가 없다. 따라서, 표시 화질을 저하시키는 정도의 지연이 발생하지 않는 정도의 배향 규제력으로 충분하다.
예를 들면, 도 24b에 도시한 오목부(22b)를 채용하는 경우, 직경이 약 30㎛ 내지 약 35㎛의 단위 고체부(14b')에 대해, 오목부(22)가 그 직경이 약 15㎛이고 높이(두께)가 약 1㎛로 형성됨으로써, 충분한 배향 규제력이 얻어지고, 지연에 의한 컨트러스트 비의 저하도 실용상 문제가 없을 정도로 억제된다.
도 27a 및 27b에 제1 배향 규제 구조 및 제2 배향 규제 구조를 구비한 다른 액정 표시 장치(700)를 도시하고 있다.
액정 표시 장치(700)는 TFT 기판(100a)의 화소 전극(14)의 개구부(14a)에 대향하는 영역에는 제2 배향 규제 구조를 구비하고 있지 않다. 개구부(14a)에 대향하는 영역에 형성되어야 할 도 24e에 도시한 제2 배향 규제 구조(28)를 형성하는 것은 프로세스 상의 곤란을 동반한다. 따라서, 생산성의 관점에서는, 도 24a 내지 24d에 도시한 제2 배향 규제 구조(28) 중 어느 하나 만을 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 도 24b에 도시한 제2 배향 규제 구조(28)는 간편한 프로세스로 제조할 수 있으므로 바람직하다.
액정 표시 장치(700)와 같이, 개구부(14a)에 대응하는 영역에 제2 배향 규제 구조를 설치하지 않더라도, 도 28a 내지 28c에 모식적으로 도시한 바와 같이, 액정 표시 장치(600)와 마찬가지의 방사상 경사 배향이 얻어지고, 그 응력 저항력도 실용상 문제가 없다.
도 29a 내지 29c에, 제1 배향 규제 구조 및 제2 배향 규제 구조를 구비한 액정 표시 장치의 한 예를 도시하고 있다. 도 29a 내지 29c는 제1 배향 규제 구조 및 제2 배향 규제 구조를 구비한 액정 표시 장치(800)를 모식적으로 도시한 단면도이다. 도 29a는 전압 미인가 상태를 도시하고 있고, 도 29b는 전압 인가 후에 배향이 막 변하기 시작하는 상태(초기 ON 상태)를 도시하고 있으며, 도 29c는 전압 인가동안의 정상 상태를 모식적으로 도시하고 있다.
액정 표시 장치(800)는 화소 전극(14)의 개구부(14a) 내에, 도 17a 및 17b에 도시한 돌출부(40)를 구비하고 있다. 액정 표시 장치(800)는 화소 전극(14)의 고체부(14b)에 대향하는 영역의 중심 부근에 제공되어 있는 제2 배향 규제 구조(28)로서, 도 24b에 도시한 돌출부(22b)를 구비하고 있다.
액정 표시 장치(800)에서는, 돌출부(40)의 측면(40s)에 의해 발휘되는 배향 규제력과, 돌출부(22b)의 표면에 의해 발휘되는 배향 규제력에 의해, 방사상 경사 배향이 안정화된다. 상기 설명한 돌출부(40) 및 돌출부(22b)의 표면 구성에 의한 배향 규제력은, 인가 전압에 관계없이 방사상 경사 배향을 안정화시키므로, 액정 표시 장치(800)는 양호한 응력 저항성을 가지고 있다.
또한, 제2 배향 규제 구조(28)로서, 도 24b에 도시한 바와 같은, 대향 전극(22)으로부터 액정층(30)측으로 돌출한 돌출부(22b)를 채용하는 경우에는, 돌출부(22b)에 의해 액정층(30)의 두께가 정의될 수 있다. 즉, 돌출부(22b)가 셀 갭(액정층(30)의 두께)을 제어하는 스페이서로서도 기능할 수 있다.
도 30a 및 30b는 스페이서로서도 기능하는 돌출부(22b)를 구비한 액정 표시 장치(900)를 도시하고 있다. 도 30a는 기판 법선 방향에서 본 평면도이고, 도 30b는 도 30a의 라인 30B-30B'에 따른 단면도이다.
도 30a 및 30b에 도시한 바와 같이, 액정 표시 장치(900)에서 제2 배향 규제 구조(28)로서 화소 전극(14)의 고체부(14b')에 대향하는 영역의 중심 부근에 제공된 돌출부(22b)에 의해, 액정층(30)의 두께가 정의된다. 이와 같은 배열은 액정층(30)의 두께를 정의하는 스페이서를 별도로 제공할 필요가 없어, 제조 프로세스를 간략화할 수 있다는 장점이 있다.
도시된 예에서, 돌출부(22b)는 도 30b에 도시한 바와 같이 원뿔대형이고, 그 측면(22b1)은 기판(21)의 기판면에 대해 90°미만의 테이퍼 각도 θ로 기울어져 있다. 측면(22b1)이 기판면에 대해 90°미만의 각도로 경사지고 있으면,돌출부(22b)의 측면(22b1)은 액정층(30)의 액정 분자(30a)에 대해 경사 전계에 의해 발휘되는 배향 규제 방향과 동일한 방향의 배향 규제력을 갖게 되므로, 방사상 경사 배향을 안정화시키는 기능을 한다.
스페이서로서도 기능하는 돌출부(22b)를 구비한 액정 표시 장치(900)에서도, 도 31a 내지 31c에 모식적으로 도시한 바와 같이, 액정 표시 장치(600, 700)와 동일한 방사상 경사 배향을 얻을 수 있다.
도 30b에 도시된 예에서, 돌출부(22b)는 기판면에 대해 90° 미만의 각도로 경사진 측면(22b1)을 구비하고 있지만, 돌출부(22b)는 기판면에 대해 90°이상의 각도로 경사진 측면(22b1)을 구비할 수도 있다. 방사상 경사 배향의 안정화의 관점에서는, 측면(22b1)의 경사 각도가 90°를 크게 넘지 않는 것이 바람직하고, 경사 각도가 90°미만인 것이 더욱 바람직하다. 경사 각도가 90°를 넘는 경우에라도, 90°에 가까우면(90°를 크게 넘지 않으면), 돌출부(22b)의 측면(22b1) 근방의 액정 분자(30a)는, 기판면에 대해 거의 수평인 방향으로 기울어져 있으므로, 약간의 트위스트가 있지만, 에지부의 액정 분자(30a)의 경사 방향에 정렬되면서 방사상 경사 배향을 가진다. 그러나, 도 32에 도시한 바와 같이, 볼록부(22b)의 측면(22b1)의 경사각이 90°를 크게 초과하면, 돌출부(22b)의 측면(22b1)은 액정층(30)의 액정 분자(30)에 대해, 경사 전계에 의해 발휘되는 배향 규제력의 반대 방향의 배향 규제력을 갖게 되므로, 방사상 경사 배향이 불안정하게 되는 경우가 있다.
또한, 스페이서로서도 기능하는 돌출부(22b)로서는, 도 30a 및 30b에 도시한원뿔대형의 것으로만 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 33에 도시한 바와 같이, 돌출부(22b)는 기판 면에 수직인 면내 방향의 단면 형상이 타원의 일부인 것과 같은(즉, 타원구의 일부와 같은 형태를 가짐) 형태를 가질 수 있다. 도 33에 도시한 돌출부(22b)에서는, 기판면에 대한 측면(22b1)의 경사각(테이퍼 각)이 액정층(30)의 두께 방향에 따라 변화하지만, 액정층(30)의 두께 방향의 위치에 관계없이 측면(22b1)의 경사각은 90°미만이다. 따라서, 이와 같은 형태의 돌출부(22b)는 방사상 경사 배향을 안정시키는 돌출부로서 적절하게 이용될 수 있다.
또한, 상기 설명한 바와 같이 상하 기판(TFT 기판 및 대향 기판)에 접하고, 액정층(30)의 두께를 정의하는 스페이서로서도 기능하는 돌출부(22b)는 액정 표시 장치의 제조 프로세스에서, 상하 어느 기판에 형성해도 좋다. 어느 기판에 형성되더라도, 상기 기판이 점착되면, 돌출부(22b)는 양쪽 기판에 접하여, 스페이서로서 기능함과 함께, 제2 배향 규제 구조로서도 기능한다.
편광판 및 위상차판의 배열
음의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자가 전압 미인가시에 수직 배향하는 액정층을 포함하는, 소위 수직 배향형 액정 표시 장치는, 각종 표시 모드로 화상을 표시할 수 있다. 예를 들면, 액정층의 복굴절율을 전계에 의해 제어함으로써 표시하는 복굴절 모드 이외에, 광 회전 모드 또는 광 회전 모드와 복굴절 모드를 조합한 표시 모드에 수직 배향형 액정 표시 장치를 이용할 수 있다. 상기 설명한 임의의 액정 표시 장치의 한 쌍의 기판(예를 들면, TFT 기판과 대향 기판)의 외측(액정층(30)과 반대측)에 한 쌍의 편광판을 설치함으로써, 복굴절 모드의 액정 표시 장치를 얻을 수 있다. 또한, 필요에 따라, 위상차 보상기(전형적으로는 위상차 판)를 제공할 수도 있다. 또한, 일반적인 원편광을 이용해도 높은 휘도의 액정 표시 장치를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 방사상 경사 배향을 갖는 액정 도메인이 높은 연속성으로 안정적이 된다. 따라서, 넓은 시야각 특성을 갖는 종래 액정 표시 장치의 표시 화질을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 제1 배향 규제 구조와 제2 배향 규제 구조를 이용함으로써, 방사상 경사 배향을 안정화시키고, 또한 방사상 경사 배향의 중심축의 위치를 고정할 수 있다. 따라서, 액정 패널에 인가된 응력으로 인한 잔상의 발생이 억제된다.
본 발명을 양호한 실시예를 참조하여 설명했지만, 개시된 발명이 여러 가지 방법으로 변형될 수 있다는 것과 상기 설명된 실시예 이외의 다수의 변형예들이 가능하다는 것은 당업자에게는 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상과 범주에 드는 본 발명의 모든 변형들은 첨부된 특허 청구 범위에 의해 포함될 것이다.

Claims (34)

  1. 액정 표시 장치에 있어서,
    제1 기판, 제2 기판, 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 구비되는 수직 배향형 액정층; 및
    상기 제1 기판의 상기 액정층 쪽 측면 상에 구비되는 제1 전극과 상기 액정층을 개재하여 상기 제1 전극에 대향하도록 상기 제2 기판 상에 구비되는 제2 전극에 의해 각각 획정되는 복수의 화소 영역
    을 포함하고,
    상기 제1 기판은 상기 복수의 화소 영역 각각에 제1 배향 규제 구조(orientation-regulating struature)를 포함하며, 상기 제1 배향 규제 구조는 상기 액정층 내에 복수의 액정 도메인을 형성하도록 배향 규제력을 발휘하고, 전압 인가시 상기 각 액정 도메인은 방사상 경사 배향을 나타내며,
    상기 제2 기판은 상기 복수의 액정 도메인의 적어도 하나에 대응하는 영역에 제2 배향 규제 구조를 포함하고, 상기 제2 배향 규제 구조는 적어도 전압 인가시 적어도 하나의 상기 액정 도메인내의 액정 분자를 방사상 경사 배향으로 배향시키도록 하기 위한 배향 규제력을 발휘하는
    것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 상기 적어도 하나의 액정 도메인의 중심 주위의 영역에 대응하는 영역에 구비되는 액정 표시 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액정 도메인에서, 상기 제2 배향 규제 구조에 의한 배향 규제 방향은 상기 제1 배향 규제 구조에 의한 상기 방사상 경사 배향의 방향과 일치하는 액정 표시 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 복수의 단위 고체부(unit solid portion)를 포함하고, 상기 제1 배향 규제 구조는 상기 복수의 단위 고체부를 포함하여, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전압이 인가되는 경우, 상기 복수의 단위 고체부 각각의 주변부를 따라 경사 전계가 생성됨으로써, 상기 복수의 단위 고체부에 각각 대응하는 영역에 상기 복수의 액정 도메인을 형성하는 액정 표시 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 단위 고체부 각각의 형태는 회전 대칭성을 가지는 액정 표시 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 단위 고체부 각각은 모서리가 예각인 형상을 갖는 형태인 액정 표시 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 상기 복수의 액정 도메인 각각에 대응하는 영역에 구비되는 액정 표시 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 전압 미인가시에도 상기 액정 분자를 방사상 경사 배향으로 배향시키기 위한 배향 규제력을 발휘하는 액정 표시 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 상기 제2 기판으로부터 상기 액정층으로 돌출하는 돌출부인 액정 표시 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 액정층의 두께는 상기 제2 기판으로부터 상기 액정층으로 돌출하는 상기 돌출부에 의해 정의되는 액정 표시 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 제2 기판의 기판면에 대해 90°미만의 각도를 갖는 측면을 포함하는 액정 표시 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 상기 제2 기판의 상기 액정층 쪽 측면 상에 구비되는 수평 배향력을 갖는 표면을 포함하는 액정 표시 장치.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 전압 인가시에만 상기 액정 분자를 방사상 경사 배향으로 배향시키기 위한 배향 규제력을 발휘하는 액정 표시 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 상기 제2 전극 내에 제공된 개구부를 포함하는 액정 표시 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 적어도 하나의 개구부 및 고체부를 포함하고,
    상기 제1 배향 규제 구조는 상기 제1 전극의 상기 적어도 하나의 개구부 및 상기 고체부를 포함하여, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전압이 인가되는 경우, 상기 제1 전극의 상기 적어도 하나의 개구부의 에지부에서 경사 전계가 생성됨으로써, 상기 적어도 하나의 개구부 및 상기 고체부에 각각 대응하는 영역 내에 상기 복수의 액정 도메인을 형성하는 액정 표시 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 기판은 상기 제1 전극의 상기 액정층 반대쪽 측면 상에 구비되는 유전체층을 더 포함하고, 제3 전극은 상기 유전체층을 개재하여 상기 제1 전극의 상기 적어도 하나의 개구부의 적어도 일부를 대향하는 액정 표시 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 개구부는 실질적으로 동일한 형태 및 실질적으로 동일한 크기를 갖는 복수의 개구부를 포함하고, 상기 복수의 개구부 중 적어도 일부는 회전 대칭성을 갖도록 배치된 적어도 하나의 단위 격자를 형성하는 액정 표시 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 개구부의 상기 적어도 일부 각각의 형태는 회전 대칭성을 갖는 액정 표시 장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 상기 복수의 액정 도메인의 각각에 대응하는 영역 내에 구비되는 액정 표시 장치.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 상기 제1 전극의 상기 고체부에 대응하는 영역 내에 형성되는 상기 복수의 액정 도메인의 하나 이상에 대응하는 영역 내에만 구비되는 액정 표시 장치.
  21. 제15항에 있어서,
    제2 배향 규제 구조는 전압 미인가시에도 상기 액정 분자를 방사상 경사 배향으로 배향시키기 위한 배향 규제력을 발휘하는 액정 표시 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 상기 제2 기판으로부터 상기 액정층으로 돌출하는 돌출부인 액정 표시 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 액정층의 두께는 상기 제2 기판으로부터 상기 액정층으로 돌출하는 상기 돌출부에 의해 정의되는 액정 표시 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 제2 기판의 기판면에 대해 90°미만의 각도를 갖는 측면을 포함하는 액정 표시 장치.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 상기 제2 기판의 상기 액정층 쪽 측면 상에 구비되는 수평 배향력을 갖는 표면을 포함하는 액정 표시 장치.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 전압 인가시에만 상기 액정 분자를 방사상 경사 배향으로 배향시키기 위한 배향 규제력을 발휘하는 액정 표시 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제2 배향 규제 구조는 상기 제2 전극 내에 구비된 개구부를 포함하는 액정 표시 장치.
  28. 액정 표시 장치에 있어서,
    제1 기판, 제2 기판, 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 제공되는 수직 배향형 액정층; 및
    상기 제1 기판의 상기 액정층 쪽 측면 상에 제공되는 제1 전극과 상기 액정층을 개재하여 상기 제1 전극에 대향하도록 상기 제2 기판 상에 제공되는 제2 전극에 의해 각각이 정의되는 복수의 화소 영역
    을 포함하고,
    상기 제1 기판은 상기 복수의 화소 영역 각각에, 복수의 개구부 및 복수의 단위 고체부를 포함하며, 상기 단위 고체부 각각은 상기 복수의 개구부의 적어도 일부에 의해 둘러싸여지고,
    상기 제2 기판은 상기 복수의 단위 고체부 및 상기 복수의 개구부 중에서 적어도 하나의 단위 고체부에 대응하는 영역 내에 배향 규제 구조를 포함하는
    것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 복수의 단위 고체부 각각의 형태는 회전 대칭성을 갖는 액정 표시 장치.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 배향 규제 구조는 상기 제2 기판으로부터 상기 액정층으로 돌출하는 돌출부인 액정 표시 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 액정층의 두께는 상기 제2 기판으로부터 상기 액정층으로 돌출하는 상기 돌출부에 의해 정의되는 액정 표시 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 제2 기판의 기판면에 대해 90°미만의 각도를 갖는 측면을 포함하는 액정 표시 장치.
  33. 제28항에 있어서,
    상기 배향 규제 구조는 상기 제2 기판의 상기 액정층 쪽 측면 상에 구비되는 수평 배향력을 갖는 표면을 포함하는 액정 표시 장치.
  34. 제28항에 있어서,
    상기 배향 규제 구조는 상기 제2 전극 내에 구비된 개구부를 포함하는 액정 표시 장치.
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