液晶显示装置的制作方法

专利名称：液晶显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液晶显示装置，特别涉及具有宽视角特性、能够生成高质量显示的液晶显示装置。
背景技术：
近年来，将薄且重量轻的液晶显示装置用作个人电脑的显示器和PDA(个人数字助理)的显示器。但是，常规的扭曲向列(TN)型和超扭曲向列(STN)型液晶显示装置视角窄。已进行了多种技术开发来解决这个问题。
用于改善TN或STN型液晶显示装置视角特性的典型技术是向其增加一个光学补偿板。另一个方法是使用横向电场模式，其中跨越液晶层施加一相对于衬底平面的水平电场。横向电场模式液晶显示装置引起了大众的注意，近年来已大量生产。还有其它的技术是使用DAP(垂直对准相位变形)模式，其中将具有负电介质各向异性的向列液晶材料用作液晶材料，将垂直对准膜用作对准膜。这是一种ECB(电控双折射)模式，其中利用液晶分子的双折射来控制透光度。
虽然横向电场模式是一种改善视角的有效方法，但是其生产过程使生产容差比普通的TN型装置低得多，因此很难实现装置的稳定生产。这是因为显示亮度或对比度受衬底间缝隙的变化或与液晶分子取向轴有关的偏振板传输轴(偏振轴)方向上的变化影响很大。需要进一步技术开发以能够精确地控制这些因素，以此实现装置的稳定生产。
为了在用DAP模式的液晶显示装置中实现没有非均匀性显示的均匀显示，就需要控制取向。为了控制取向，通过打磨对准膜的表面来进行对准处理。但是，当垂直对准膜受到打磨处理时，打磨斑纹很可能出现在所显示的图像中，因此不适于大量生产。
考虑到这一点，一些本发明者与其他人一起，在技术方面提出了另一种不需打磨处理用来控制取向的方法，其中经由其间的液晶层彼此相对的一对电极中的一个用作双层电极，该双层电极包括下层电极、其中包含开口的上层电极和位于其间的电介质层，以便通过在上层电极中开口边缘部分产生的倾斜电场控制取向方向(例如见日本公开的专利公开号为No.2002-55343的专利申请)。用这种方法，横跨每个图像元素的整体能够在液晶分子取向中获得足够程度连续性的稳定取向，因此改善了视角，实现了高质量显示。
但是，最近，有进一步增加孔径比来生产更明亮显示器的需求，此外还有增加视角和显示质量的需求。在利用倾斜电场进行取向控制的情况下，本领域中还没有得到一种特殊的方法来进一步提高孔径比。

发明内容
本发明旨在克服上述缺点，本发明的目的是提供一种液晶显示装置，该液晶显示装置具有宽视角特性、高显示质量和高孔径比，能够生成明亮的显示。
发明的液晶显示装置包括第一衬底；第二衬底；在第一衬底和第二衬底之间的液晶层，其中由第一电极和第二电极限定多个图像元素区域，该第一电极位于第一衬底较靠近液晶层的一侧上，该第二电极位于第二衬底上，使得经由其间的液晶层与第一电极相对；在多个图像元素区域的每一个区域中，第一电极包括排列在第一方向上的多个单元整体部分(unit solid portion)，由此在第一电极与第二电极之间没有施加电压的情况下液晶层获得垂直对准，并在第一电极的多个单元整体部分中由倾斜电场形成多个液晶域，该倾斜电场响应第一电极与第二电极之间施加的电压围绕多个单元整体部分产生，多个液晶域中的每一个都取辐射状倾斜的取向；多个图像元素区域排列为矩阵模式，该矩阵模式包括多个在与第一方向不同的第二方向上延伸的行和多个在第一方向上延伸的列；在每一帧中，多个图像元素区域中的第一图像元素区域中跨过液晶层施加的电压极性不同于多个图像元素区域中的第二图像元素区域中跨过液晶层施加的电压极性，该第二图像元素区域所属的行与第一图像元素区域所属的行相同，所属的列与第一图像元素区域所属的列相邻。
在一优选实施例中，多个图像元素区域中的每一个具有的形状为在第一方向上限定其长度方向，在第二方向上限定其宽度方向。
在一优选实施例中，每一帧内，多个图像元素区域中属于一列的多个图像元素区域里跨过液晶层施加的电压极性每n行(在此n为1或更大的整数)反转。
在一优选实施例中，每一帧内，第一图像元素区域中跨过液晶层施加的电压极性与第三图像元素区域中跨过液晶层施加的电压极性不同，该第三图像元素区域所属的列与第一图像元素区域所属的列相同，所属的行与第一图像元素区域所属的行相邻。
在一优选实施例中，多个单元整体部分中每一个的形状为旋转对称的。例如，多个单元整体部分中的每一个可为一般的圆形形状，或者多个单元整体部分中的每一个可为带有一般弧形角部分的一般矩形形状。或者，多个单元整体部分中的每一个可为具有锐角的形状。
在一优选实施例中，第二衬底包括，在对应于多个液晶域中至少一个域的区域中，施加一取向调节力的取向调节结构，用于至少在具有施加电压的情况下，在至少一个液晶域中将液晶分子取向为辐射状倾斜的取向。
在一优选实施例中，将该取向调节结构设置在对应于多个液晶域区域的每一区域中。
在一优选实施例中，将该取向调节结构设置在与至少一个液晶域的中心邻近的一区域中。
在一优选实施例中，至少一个液晶域内，由取向调节结构取向调节的方向与辐射状倾斜的取向方向对准，该辐射状倾斜的方向是由围绕第一电极的每一单元整体部分产生的倾斜电场形成的。
在一优选实施例中，取向调节结构施加一取向调节力，用于即使在没有施加电压的情况下，也可将液晶分子取向为辐射状倾斜的取向。例如，该取向调节结构可为从第二衬底伸入进液晶层的第一突起，液晶层的厚度可由从第二衬底伸入进液晶层的第一突起来限定。在优选实施例中，第一突起具有一侧表面，该侧表面以相对于第二衬底的衬底平面小于90°的角度倾斜。或者，该取向调节结构可包括一位于第二衬底的较靠近液晶层一侧上的水平取向表面。
在一优选实施例中，该取向调节结构施加一取向调节力，用于仅在具有施加电压的情况下将液晶分子取向为辐射状倾斜的取向。例如，该取向调节结构可包括一位于第二电极中的开口。
在一优选实施例中，第一衬底包括不与第一电极重叠的多个开口区域；当在第一电极与第二电极之间施加电压时，液晶层由倾斜电场在多个开口区域中形成多个附加液晶域，每一附加液晶域取辐射状倾斜的取向。
在一优选实施例中，多个开口区域中的至少一些具有大致相同的形状和大致相同的尺寸，形成多个单元格，排列这些单元格以便具有旋转对称性。在优选实施例中，多个开口区域中至少一些的每一个形状为旋转对称的。
在一优选实施例中，该多个开口区域中至少一些的每一个为一般的圆形形状。
在一优选实施例中，液晶显示装置进一步包括在第一衬底的多个开口区域的每一区域中的第二突起，其中该突起的侧表面对于液晶层的液晶分子施加取向调节力，该取向调节力的方向与由倾斜电场产生的取向调节方向相同。
在一优选实施例中，第一衬底进一步包括分别用于多个图像元素区域的多个开关元件；第一电极包括分别用于多个图像元素区域并分别由开关元件切换的多个图像元素电极，第二电极为与多个图像元素电极相对的至少一个反电极。通常，该反电极形成为跨过整个显示区域延伸的单电极。
现在描述本发明的功能。
在本发明的液晶显示装置中，用于跨过图像元素区域的液晶层施加电压的一对电极中的一个包括多个在预定方向上排列(以下称为“第一方向”)的单元整体部分。液晶层在没有施加电压的情况下取垂直对准，该液晶层由在施加电压的情况下围绕电极的多个单元整体部分产生的倾斜电场形成多个液晶域，多个液晶域中的每一个都取辐射状倾斜的取向。这样，限定了该对电极中一个的外部形状，以便围绕多个单元整体部分产生倾斜电场，形成多个液晶域，每一液晶域响应该对电极之间所施加电压取辐射状倾斜取向。通常液晶层由具有负电介质各向异性的液晶材料组成，液晶层的取向由位于其相对侧上的垂直对准膜控制。
液晶域由相应于单元整体部分的区域中的倾斜电场形成，每一液晶域的取向根据施加的电压变化，由此产生显示。因为每一液晶域取辐射状倾斜取向，轴向对称取向，所以视角几乎不依赖于显示质量，这样实现宽视角特性。
在此，具有导电膜的电极部分称为“整体部分”，整体部分中产生用于形成单一液晶域电场的部分称为“单元整体部分”。每一整体部分通常由连续导电膜构成。
在本发明的液晶显示装置中，每一图像元素电极包括多个作为子图像元素电极的单元整体部分，由此根据图像元素区域的形状和尺寸等，通过在图像元素区域中适当排列多个单元整体部分，在图像元素区域中能够实现稳定的辐射状倾斜取向，而不用受图像元素区域形状和尺寸等的限制。
另外，在每个图像元素区域中多个单元整体部分在预定的方向上排列(成一直线)，由此能够在图像元素区域中增加单元整体部分的面积比，因此与单元整体部分排列为两条或多条直线的情况相比，可提高孔径比。
多个图像元素区域排列为矩阵模式，该矩阵模式包括多个在不同于第一方向的第二方向上延伸的行和多个在第一方向上延伸的列。在本发明的液晶显示装置中，每一帧内，多个图像元素区域中第一图像元素里跨过液晶层施加的电压极性不同于多个图像元素区域中第二图像元素里跨过液晶层施加的电压极性，该第二图像元素所属的行与第一图像元素所属的行相同，所属的列与第一图像元素所属的列相邻。这样，在数据写入所有图像元素的一个周期(也就是一帧)内，在行方向上(第二方向)彼此相邻的图像元素由相反极性的电压驱动。
因此，与在行方向上彼此相邻的图像元素不是由相反极性的电压驱动的情况相比，在行方向上彼此相邻的图像元素之间能够产生一个具有急剧电势梯度的倾斜电场。这样，即使当采用在行方向上彼此相邻的图像元素之间的电极间距离短的排列时，也能够形成足够稳定的辐射状倾斜取向，并且孔径比也高。
图像元素区域通常具有的形状为在第一方向上(单元整体部分排列的方向)限定其长度方向，在第二方向上限定其宽度方向。当图像元素区域具有这样的形状时，就能够有效地提高孔径比。例如，图像元素区域为一般的矩形形状，其长边沿第一方向延伸，其短边沿第二方向延伸。
在每一帧内，通过在图像元素每n行(在此n为1或更大的整数)，也就是说，列方向中的每n个图像元素，反转施加电压的极性(换句话说，在同一列的图像元素区域中每n行反转跨过液晶层施加的电压的极性)，能够抑制闪烁，同时用相反极性的电压驱动在行方向上彼此相邻的图像元素。
特别是，当在每一帧内，列方向上彼此相邻的图像元素由相反极性的电压驱动时，也就是说，当多个图像元素区域中第一图像元素区域内跨过液晶层施加的电压极性不同于第三图像元素区域内跨过液晶层施加的电压极性时，该第三图像元素区域所属的列与第一图像元素区域所属的列相同，所属的行与第一图像元素所属的行相邻，有可能在列方向上彼此相邻的图像元素之间生成具有急剧电势梯度的倾斜电场，由此能够减少在列方向上彼此相邻的图像元素之间的电极间距离，这样进一步提高孔径比。
优选多个单元整体部分的每一个形状都为旋转对称的。当单元整体部分的形状为旋转对称的时，将形成的液晶域的辐射状倾斜取向也将为具有旋转对称的取向，即轴向对称取向，因此改善了视角特性。
当多个单元整体部分的每一个为一般的圆形形状或一般的椭圆形形状时，辐射状倾斜取向中的液晶分子取向的连续性会增加，因此改善了取向稳定性。
相反，当多个单元整体部分的每一个为一般的矩形形状时，图像元素区域中单元整体部分的面积比(有效孔径比)会增加，因此改善了响应跨过液晶层施加的电压所呈现的光学特性(如透光度)。
另外，当多个单元整体部分的每一个为具有一般弧形角部分的一般矩形形状时，能够改善取向稳定性和光学特性。
还有，当多个单元整体部分的每一个为具有锐角角部的形状时，沿其产生倾斜电场的电极侧总长度会增加，由此该倾斜电场能够作用于更多的液晶分子。这样，提高了响应速度。
优选另一衬底(即，与包含了具有单元整体部分的电极的衬底相对的衬底)，在相应于多个液晶域中的至少一个区域内，包括取向调节结构，该取向调节结构施加一个取向调节力，用于至少在具有施加电压的情况下，将至少一个液晶域内的液晶分子取向为辐射状倾斜的取向。然后，至少在具有施加电压的情况下，来自具有单元整体部分的电极的和来自取向调节结构的取向调节力都作用于液晶域中的液晶分子上，因此稳定了液晶域的辐射状倾斜取向，并抑制由于在液晶层上施加应力造成的显示质量的降低(例如，后图像现象的产生)。
当取向调节结构位于相应于多个液晶域的每一区域中时，能够稳定所有液晶域的辐射状倾斜取向。
当取向调节结构位于与液晶域中心邻近的一区域中时，该液晶域由取向调节结构形成并取辐射状倾斜取向，就可以固定辐射状倾斜取向中心轴的位置，因此有效地改善了辐射状倾斜取向的抗压力特性。
当由取向调节结构取向调节的取向方向与由围绕每一单元整体部分产生的倾斜电场形成的辐射状倾斜取向方向一致时，取向的连续性和稳定性会增加，因此提高了显示质量和响应特性。
虽然只要至少在具有施加电压的情况下施加取向调节力，就可获得稳定取向的效果，还可获得进一步的优点即使在没有施加电压情况下，当采用施加取向调节力的这种排列时，则不管施加电压的电平如何，也可稳定取向。但是要注意，因为本发明的液晶显示装置使用了垂直对准型液晶层，其中在没有施加电压的情况下，显示层中的液晶分子大致垂直于衬底平面对准，当采用即使在没有施加电压的情况下也能产生定位调节力的取向调节结构时，则显示质量可能会降低。然而如下面将要描述的，因为取向调节结构中即使相当弱的取向调节力也会产生有意的影响，所以即使相对于图像元素尺寸的小结构仍能够充分稳定取向。具有这样的小结构时，在没有施加电压的情况下显示质量的降低实际上就可忽略不计了。在一些依靠液晶显示装置的应用(例如，外部施加的应力程度)或电极的结构(来自具有单元整体部分的电极的取向调节力强度)的情况下，提供一个施加相当强的取向调节力的取向调节结构。在这样的情况下，可使用一光阻挡层来抑制由于取向调节结构造成的显示质量降低。可采用多种结构中的任一个来作为取向调节结构，因为取向调节结构只需要施加一取向调节力，该取向调节力比来自具有单元整体部分的电极的取向调节力弱。
位于另一衬底上的取向调节结构可为，例如，从第二衬底伸入进液晶层的突起，或者可包括位于衬底较靠近液晶层的一侧上的水平取向表面。或者，取向调节结构可为位于电极中的开口。这些结构能够由本领域中已知的方法产生。
通常，包含具有单元整体部分的电极的衬底包括多个不和电极重叠的开口区域(也就是说，作为电极的导电膜不形成在开口区域中)。本发明的液晶显示装置可采用这样一种排列使得取辐射状倾斜取向的液晶域也形成在开口区域中。
形成于开口区域中的液晶域和形成在单元整体部分中的液晶域都由在开口区域的边缘部分(即，沿着单元整体部分的外围)产生的倾斜电场形成，由此这些液晶域彼此相邻地交替形成，液晶分子的取向实质上在相邻液晶域之间是连续的。因此，沿着形成在开口区域中的液晶域与形成在单元整体部分中的液晶域之间的边界不会形成向错(disclination)线，显示质量不会因向错线而降低，液晶分子的取向稳定性高。
当液晶分子不仅在相应于电极的单元整体部分的区域中取辐射状倾斜取向，而且在相应于开口区域的区域中也取辐射状倾斜取向时，实现具有液晶分子高度取向连续性的稳定取向，因此获得没有显示非均匀性的均匀显示。特别是，为了实现理想的响应特性(即，高响应速度)，需要将控制液晶分子取向的倾斜电场作用在许多液晶分子上，这就需要开口区域的总面积(其边缘部分的总长度)大。当具有稳定辐射状倾斜取向的液晶域相应于开口区域形成时，为了改善响应特性即使将开口区域的总面积提高了，也能够抑制显示质量的降低(发生显示非均匀性)。
当多个开口中的至少一些具有大致相同的形状和大致相同的尺寸，并且形成至少一个排列以具有旋转对称性的单元格时，多个液晶域可排列为对于每个单元格具有高度对称性，由此能够改善显示质量对视角的依赖。
当多个开口区域中至少一些区域(典型的是那些形成单元格的区域)的每一个形状为旋转对称时，就能够增加形成于开口区域中的液晶域的辐射状倾斜取向的稳定性。例如，每一开口区域的形状(当在衬底法线方向上观察时)最好为圆形形状或多边形形状(如正方形)。应注意的是，可依据图像元素的形状(长宽比)使用不具有旋转对称的形状(如椭圆形)。
为了使形成于开口区域的液晶域辐射状的倾斜取向稳定，形成于开口区域中的液晶域最好为一般的圆形形状。换句话说，可设计开口区域的形状，使得形成于开口区域中的液晶域将为一般的圆形形状。
如上所述，当在开口区域中和在单元整体部分中都形成液晶域时，可通过在另一衬底上提供取向调节结构以便对应于将形成的液晶域，来稳定所有液晶域的辐射状倾斜取向。但是，通过仅为形成于单元整体部分中的液晶域提供取向调节结构，就能够获得实际上足够的稳定水平(压力抵抗)。
特别是考虑到生产率时，最好采用施加与形成于电极的单元整体部分中辐射状倾斜取向一致的取向调节力的取向调节结构，因为这样的取向调节结构能够由比施加与形成于开口区域中的辐射状倾斜取向一致的取向调节力的取向调节结构更简单的工艺过程制得。最好还为每一单元整体部分提供取向调节结构，在一些情况下，依据电极结构(例如，单元整体部分的数量和其排列)仅为一些单元整体部分提供取向调节结构，也可获得实际上足够的取向稳定水平。这是因为形成于本发明液晶显示装置的液晶层中的辐射状倾斜取向实质上是连续的。
另外，为了改善压力抵抗，在每一开口区域内可形成一具有侧表面的突起，对于液晶层的液晶分子，施加与由倾斜电场取向调节的方向相同的方向的取向调节力。最好该突起在衬底平面中具有与开口区域的形状相同的横截面形状，并且就象开口区域的形状一样具有旋转对称性。但是要注意，因为这些液晶分子的取向由来自突起侧表面的取向调节力进行了调节，所以它们对施加的电压不太敏感(这些液晶分子的延迟根据施加的电压变化较少)，因此会降低显示对比度。因此，最好确定突起的尺寸、高度和数量，以致不会降低显示质量。
例如，本发明的液晶显示装置为每一图像元素区域中包含如TFT的开关元件的有源矩阵型。如上所述其中包含开口的电极为连接到开关元件上的图像元素电极，另一电极为至少一个与多个图像元素电极相对的反电极。


图1A和图1B简要示出了根据本发明实施例1的液晶显示装置100的一个图像元素区域结构，其中图1A为平面图，图1B为沿图1A中1B-1B’线获得的横截面图。
图2简要示出了在液晶显示装置100的行方向上对彼此相邻的图像元素区域施加不同极性电压的状态。
图3A和图3B示出了具有跨过其施加电压的液晶显示装置100的液晶层30，其中图3A简要示出了取向刚开始变化(初始ON状态)的状态，图3B简要示出了稳定状态。
图4A至图4D的每一图简要示出了电力线和液晶分子取向之间的关系。
图5A至图5C的每一图简要示出了当在衬底法线方向上观察时的液晶显示装置100中液晶分子的取向。
图6A至图6C简要示出了示范性的液晶分子辐射状倾斜取向。
图7A和图7B为平面视图，简要示出了根据本发明实施例1的其它液晶显示装置100A和100B。
图8A和8B为平面视图，简要示出了根据本发明实施例1的另外其它液晶显示装置100C和100D。
图9为平面视图，简要示出了根据本发明实施例1的又一其它液晶显示装置100E。
图10为平面视图，简要示出了根据本发明实施例1的又一其它液晶显示装置100E。
图11为平面视图，简要示出了一比较示例的液晶显示装置1000。
图12为平面视图，简要示出了在本发明实施例1的液晶显示装置中使用的图像元素电极。
图13A简要示出了当相同极性的电压施加到在行方向上彼此相邻的两个图像元素区域时产生的等势线EQ。
图13B简要示出了当不同极性的电压施加到在行方向上彼此相邻的两个图像元素区域时产生的等势线EQ。
图14A、图14B和图14C的每一图示出了用于在本发明实施例1的液晶显示装置中使用的驱动方法。
图15为平面视图，简要示出了根据本发明实施例1的又一另外液晶显示装置100F。
图16A和图16B简要示出了根据本发明实施例2的液晶显示装置200中一图像元素区域的结构，其中图16A为平面视图，图16B为沿图16A中16B-16B’线获得的横截面视图。
图17A至图17D为示意图，示出了液晶分子30a的取向与具有垂直对准能力的表面结构之间的关系。
图18A和图18B示出了具有跨过其的施加电压时液晶显示装置200的液晶层30，其中图18A简要示出了取向刚开始变化(初始ON状态)的状态，图18B简要示出了稳定状态。
图19A至图19C为横截面视图，分别简要示出了实施例2的在开口和突起之间具有不同位置关系的液晶显示装置200A、200B和200C。
图20为横截面视图，简要示出了沿图16A中20A-20A’线的液晶显示装置200。
图21A和图21B简要示出了液晶显示装置200D的一个图像元素区域的结构，其中图21A为平面视图，图21B为沿图21A中21B-21B’的横截面视图。
图22A至图22E的每一图简要示出了包含取向调节结构28的反向衬底300b。
图23A和图23B简要示出了根据本发明实施例3的液晶显示装置300的一图像元素区域的结构，其中图23A为平面视图，图23B为沿图23A中23B-23B’线的横截面视图。
图24A至图24C为横截面视图，简要示出了液晶显示装置300的一个图像元素区域，其中图24A示出了没有施加电压情况下的状态，图24B示出了取向刚开始变化(初始ON状态)的状态，图24C示出了稳定状态。
图25A和图25B简要示出了根据本发明实施例3的另一液晶显示装置400的一图像元素区域的结构，其中图25A为平面视图，图25B为沿图25A中25B-25B’线的横截面视图。
图26A至图26C为横截面视图，简要示出了液晶显示装置400的一图像元素区域，其中图26A示出了没有施加电压情况下的状态，图26B示出了取向刚开始变化(初始ON状态)的状态，图26C示出了稳定状态。
图27A至图27C为横截面视图，简要示出了根据本发明实施例3的又一液晶显示装置500的一图像元素区域，其中图27A示出了没有施加电压情况下的状态，图27B示出了取向刚开始变化(初始ON状态)的状态，图27C示出了稳定状态。
图28A和图28B简要示出了包含用作间隔物的突起的液晶显示装置600，其中图28A为平面视图，图28B为沿图28A中28B-28B’线的横截面视图。
图29A至图29C为横截面视图，简要示出了液晶显示装置600的一个图像元素区域，其中图29A示出了没有施加电压情况下的状态，图29B示出了取向刚开始变化(初始ON状态)的状态，图29C示出了稳定状态。
图30为横截面视图，简要示出了具有侧表面的突起，其相对于衬底平面的倾角基本上超过了90°。
图31为横截面视图，简要示出了用作间隔物的突起的变化。
图32为平面视图，简要示出了根据本发明实施例3的另一液晶显示装置600A。
图33为平面视图，简要示出了根据本发明实施例3的另一液晶显示装置600B。
图34为平面视图，简要示出了根据本发明实施例3的另一个液晶显示装置600C。
具体实施例方式
现在，参考附图描述本发明的优选实施例。
实施例1首先，描述本发明液晶显示装置的电极结构和其功能。本发明的液晶显示装置具有理想的显示特性，这样能够作为有源矩阵型液晶显示装置来恰当地使用。现在描述本发明关于使用薄膜晶体管(TFTs)的有源矩阵型液晶显示装置的实施例。但是本发明不限于此，也可另外与MIM结构的有源矩阵型液晶显示装置一起使用。另外，根据透射型液晶显示装置描述本发明的实施例时，本发明也不限于此，可另外与反射型液晶显示装置一起使用，甚至可另外与后面描述的透射—反射型液晶显示装置一起使用。
注意在本说明书中，相应于最小显示单元的“图像元素”的液晶显示装置区域称为“图像元素区域”。在彩色液晶显示装置中，R、G和B“图像元素”对应于一个“像素”。在有源矩阵型液晶显示装置中，由图像元素电极和与图像元素电极相对的反向电极限定出图像元素区域。在无源矩阵型液晶显示装置中，图像元素区域限定为一区域，其中排列为条纹图案的列电极中的一列与也排列为条纹图案并垂直于列电极的行电极中的一行交叉。严格来说，在用黑色基质(black matrix)排列时，图像元素区域为电压跨过其施加的每一区域的一部分，根据对应于黑色基质开口的预定显示状态来施加电压。
参考图1A和图1B描述根据本发明实施例1的液晶显示装置100的三个图像元素区域P1、P2和P3的每一个的结构。在下面的描述中，为了简单起见省略了滤色器和黑色基质。另外，在下面的附图中，具有与液晶显示装置100中相应元件的功能基本相同的每个元件将用相同的参考数字表示，并且下面不再进一步描述。图1A为当从衬底法线方向上所视时的平面视图，图1B为沿图1A中1B-1B’线的横截面视图。图1B示出了没有电压跨过液晶层施加的状态。
液晶显示装置100包括有源矩阵衬底(以下称为“TFT衬底”)100a，反向衬底(也称为“滤色器衬底”)100b和位于TFT衬底100a与反向衬底100b之间的液晶层30。如图1B所示，液晶层30的液晶分子30a为负电介质各向异性的，当在较靠近液晶层30的TFT衬底100a和反向衬底100b的每一个表面上具有垂直对准层时，在没有跨过液晶层30施加电压的情况下，凭借垂直对准膜，液晶分子垂直于垂直对准膜(未示出)的表面对准。这一状态称作为处于垂直对准的液晶层30。但是要注意，根据垂直对准膜的类型或所使用液晶材料的类型，垂直对准时液晶层30的液晶分子30a可略微偏离垂直对准膜表面(衬底表面)的法线。一般将垂直对准定义为这样的状态液晶分子的轴(也称为“轴方向”)被调整到与垂直对准膜的表面角度约为85°或更大的状态。
液晶显示装置100的TFT衬底100a包括透明衬底(如，玻璃衬底)11和位于透明衬底11表面上的图像元素电极14。反向衬底100b包括透明衬底(如，玻璃衬底)21和位于透明衬底21表面上的反向电极22。液晶层30的取向对于每一图像元素区域，根据在图像元素电极14与反向电极22之间施加的电压变化，排列该图像元素电极和反向电极使它们经由液晶层30彼此相对。通过利用穿过液晶层30的光线的极化强度或数量同液晶层30取向的变化一起变化这一现象来产生显示。
TFT衬底100a中包括多个开口区域15，该开口区域不与由导电膜(如ITO膜)制成的图像元素电极14重叠(图像元素电极14不在开口区域15中)。
各开口区域15排列为使其各自的中心形成一方形格，图像元素电极14的部分14a主要由四个开口区域15围绕，各个开口区域的中心位于形成一个单元格的四个格点上。由开口区域15围绕的图像元素电极14的部分14a称为“单元整体部分”。图像元素电极14的每一整体部分(具有导电膜的部分)包括许多单元整体部分14a。换句话说，图像元素电极14包括多个作为子图像元素电极的单元整体部分14a。多个单元整体部分14a基本上由单个连续导电膜构成。
多个图像元素区域排列为矩阵模式。这样，图像元素区域在行方向和垂直于行方向的列方向上为周期排列。行方向和列方向称为图像元素(图像元素区域)的“周期排列方向”。通常行方向和列方向彼此垂直。另外，在本实施例中，每个图像元素区域(图像元素)为具有长边和短边的一般长方形的矩形形状。因此，图像元素区域在行方向和列方向上按不同的节距(称为“图像元素节距”)排列。
在一个图像元素区域中，图像元素电极14的大量单元整体部分14a在任一周期排列方向上都排列为一条直线。在图示示例中，如图1A所示单元整体部分14a在列方向D1上排列，图1A中示出了在行方向D2上彼此相邻的三个图像元素区域P1、P2和P3。
在图示示例中，单元整体部分14a为一般的圆形形状。每一开口区域15为一般的星形形状，具有四个四分之一弧形的边(边缘)，在四边之间的中心处有一个四重次旋转轴。每一开口区域15通常与相邻的开口区域15中的至少一些连续。
开口区域15具有大致相同的形状和大致相同的尺寸。位于由开口区域15形成的单元格中的每一单元整体部分14a为一般的圆形形状。单元整体部分14a具有大致相同的形状和大致相同的尺寸。在一个图像元素区域中彼此相邻的单元整体部分14a连接在一起形成整体部分(图像元素电极14)，主要用作单一导电膜。
当在具有上述这种结构的图像元素电极14与反向电极22之间施加电压时，围绕(在边缘附近)单元整体部分14a，即在开口区域15的边缘部分，产生倾斜电场，因此产生了多个液晶域，每一液晶域具有辐射状倾斜的取向。在对应于开口区域15的每一区域中和对应于单元整体部分14a的每一区域中都产生了液晶域。
注意在本实施例中，如图2所示，在数据被写入所有图像元素的一个周期内(即，一帧)，行方向D2上彼此相邻的图像元素由相反极性的电压驱动。参考图2，在图像元素区域P1和P3中跨过液晶层30施加一个极性的电压(图像元素区域用“+”号标记)，同时在图像元素区域P2中跨过液晶层30施加不同(相反)极性的电压(图像元素区域用“-”号标记)。换句话说，在每一帧内，在一个图像元素区域中跨过液晶层30施加的电压极性与另一图像元素区域中跨过液晶层30施加的电压极性不同，该另一图像元素区域在与单元整体部分14a排列的方向(列方向D1)相垂直的方向(行方向D2)上与第一图像元素区域相邻。
参考图3A和图3B描述如上所述的液晶域由倾斜电场形成的原理。图3A和图3B中的每一图示出了图1B中所示的液晶层30，带有跨过其施加的电压。图3A简要示出了液晶分子30a的取向根据跨过液晶层30所施加电压刚开始变化(初始ON状态)的状态。图3B简要示出了液晶分子30a的取向根据施加电压已变化并变为稳定的状态。图3A和图3B中的曲线EQ表示等势线。
如图1B所示，当图像元素电极14和反向电极22为相同电位(没有电压跨过液晶层30施加的状态)时，在每一个图像元素区域中的液晶分子30a垂直于衬底11和21表面对准。
当跨过液晶层30施加电压时，会产生一由图3A中所示的等势线EQ(垂直于电力线)表示的电势梯度。等势线EQ平行于单元整体部分14a和液晶层30中的反向电极22的表面，该液晶层位于图像元素电极14的单元整体部分14a和反向电极22之间，并且该等势线在相应于图像元素电极14的开口区域15的区域中下降。由等势线EQ的倾斜部分表示的倾斜电场产生于开口区域15的边缘部分EG(包括其边界的开口区域15周边部分及内部)上的液晶层30中。注意在本实施例中，在行方向D2上彼此相邻的两个图像元素由相反极性的电压驱动，这样等势线EQ在位于这些图像元素之间的开口区域15中急剧下降，由此等势线EQ不连续穿过这些图像元素。
一扭矩作用在具有负电介质各向异性的液晶分子30a上，使得液晶分子30a的轴向指向平行于等势线EQ(垂直于电力线)。因此，如图3A中箭头所示，在图3A中右边缘部分EG上的液晶分子30a顺时针倾斜(旋转)，左边缘部分EG上的液晶分子30a逆时针倾斜(旋转)。结果，在边缘部分EG上的液晶分子30a指向平行于等势线EQ相应的部分。
参考图4A至图4D，现在更详细地描述液晶分子30a在取向中的变化。
当在液晶层30中生成电场时，一扭矩作用于具有负电介质各向异性的液晶分子30a上，使得其轴向指向平行于等势线EQ。如图4A中所示，当产生由垂直于液晶分子30a轴向的等势线EQ表示的电场时，使液晶分子30a顺时针倾斜的扭矩或者使液晶分子逆时针倾斜的扭矩产生的几率相同。因此，在彼此相对的一对平行板形状的电极之间的液晶层30有一些液晶分子30a受到顺时针的扭矩，另一些液晶分子30a受到逆时针的扭矩。结果，根据跨过液晶层30所施加电压向预定方向的转换不能平稳地进行。
如图3A所示，当在本发明液晶显示装置100开口区域15的边缘部分EG上产生一电场时，该电场由相对于液晶分子30a的轴向倾斜的等势线EQ的一部分表示(倾斜电场)，如图4B所示，液晶分子30a在任一方向上(图示示例中为逆时针方向)倾斜，该方向使液晶分子30a只需较少旋转就可平行于等势线EQ。如图4C所示，在一区域中产生由垂直于液晶分子30a的轴向的等势线EQ所代表的电场，该区域中的液晶分子30a的倾斜方向与位于等势线EQ倾斜部分的液晶分子30a的方向相同，使得其取向与位于等势线EQ倾斜部分上的液晶分子30a的取向连续(一致)。如图4D所示，当电场使得等势线EQ形成连续凹凸模式时，位于等势线EQ平坦部分的液晶分子30a被取向为与由位于邻近等势线EQ倾斜部分的液晶分子30a定义的取向方向一致。在此使用的短语“位于等势线EQ上”意思是“位于由等势线EQ表示的电场内部”。
液晶分子30a取向的变化，从那些位于等势线EQ倾斜部分的液晶分子开始，如上所述地进行，达到图3B中简要示出的稳定状态。位于开口区域15中心部分周围的液晶分子30a受到开口区域15相对边缘部分EG处液晶分子30a各自取向的影响大致相等，因此维持它们垂直于等势线EQ的取向。远离开口区域15中心的液晶分子30a因受到靠近边缘部分EG处的其它液晶分子30a取向的影响而倾斜，由此形成相对于开口区域15中心SA对称的倾斜取向。在垂直于液晶显示装置100显示平面的方向上(垂直于衬底11和21表面的方向)观察的取向，为液晶分子30a的轴向相对于开口区域15(未视出)中心辐射状取向的状态。在本说明书中，这样的取向称为“辐射状倾斜取向”。另外，相对于单轴辐射状倾斜取向的液晶层30的区域称为“液晶域”。
在其中液晶分子30a带有辐射状倾斜取向的液晶域还形成于相应于大致由开口区域15环绕的单元整体部分14a的区域中。在相应于单元整体部分14a的区域中的液晶分子30a受到在开口区域15每个边缘部分EG处液晶分子30a取向的影响，从而引起相对于单元整体部分14a的中心SA(对应于由开口区域15形成的单元格中心)对称的辐射状倾斜取向。
在单元整体部分14a中形成的液晶域中的辐射状倾斜取向与在开口区域15中形成的辐射状倾斜取向是彼此连续的，并且都与开口区域15边缘部分EG处的液晶分子30a的取向一致。在开口区域15中形成的液晶域中的液晶分子30a以向上伸展(向衬底100b)的锥形取向，在单元整体部分14a中形成的液晶域中的液晶分子30a以向下伸展(向衬底100a)的锥形取向。如上所述，在开口区域15中形成的液晶域中的辐射状倾斜取向与在单元整体部分14a中形成的液晶域中的辐射状倾斜取向是彼此连续的。因此，沿着其之间的边界没有形成向错线(取向缺陷)，由此防止了由于向错线的产生造成的显示质量降低。
应注意的是围绕开口区域15的中心部分可能不能提供跨过液晶层30的足够电压，因此围绕开口区域15中心部分的液晶层30对显示不起作用。换句话说，即使围绕开口区域15中心部分的液晶层30的辐射状倾斜取向被扰乱到某种程度(如，即使中心轴偏移了开口区域15的中心)，显示质量也不会降低。因此，只要至少相应于单元整体部分14a形成了液晶域，就能够在每个图像元素区域中获得液晶分子的连续性，实现宽视角特性和高显示质量。
为了在所有的方位角中改善液晶显示装置显示质量的视角依赖性，在每个图像元素区域中，取向在各种方位角方向上的液晶分子30a的存在几率最好为旋转对称的，更好地为轴对称的。因此，在每个图像元素区域中液晶域最好排列为高度对称的。在本实施例中，单元整体部分14a在预定的方向上(列方向D1)排列为一直线，使它们具有旋转对称性，甚至具有轴对称性。因此，每个相应于单元整体部分14a的液晶域也排列为旋转对称的，甚至轴对称的。
如上参考图3A和图3B所述，本发明液晶显示装置100的图像元素电极14包括多个单元整体部分14a，每一单元整体部分由多个开口区域15围绕，在图像元素区域中的液晶层30内，产生一个由具有倾斜部分的等势线EQ表示的电场。在液晶层30中具有负电介质各向异性的液晶分子30a改变其取向方向，这些液晶分子在没有施加电压的情况下垂直对准，这些液晶分子随位于等势线EQ倾斜部分上的作为触发的那些液晶分子30a的取向变化而变化。这样，在开口区域15和单元整体部分14a中形成具有稳定辐射状倾斜取向的液晶域。根据跨过液晶层施加的电压，通过改变液晶域中的液晶分子取向产生显示。
下面将对本实施例中液晶显示装置100的图像元素电极14的单元整体部分14a的形状(在衬底法线方向上观察)和排列，以及液晶显示装置100的TFT衬底100a的开口区域15的形状和排列进行描述。
液晶显示装置的显示特性展示出由于液晶分子取向(光学各向异性)造成的方位角依赖性。为了减少显示特性中的方位角依赖性，液晶分子最好在所有的方位角中以大致相同的几率取向。每一图像元素区域中的液晶分子在所有的方位角中最好以大致相同的几率取向。
因此，单元整体部分14a的形状最好使得在每个图像元素区域中形成液晶域，使得相应于单元整体部分14a的每个液晶域中的液晶分子30a在所有方位角中以大致相同的几率取向。特别是单位整体部分14a的形状最好为相对于穿过每个单元整体部分中心延伸(在法线方向上)的对称轴旋转对称(至少对称于一二重次旋转轴更好)。
另外，因为只有相应于开口区域15形成的液晶域中的一部分包含在图像元素区域中，对显示起作用，所以最好包含在一个包含于图像元素区域中的液晶域部分(段)集合中的液晶分子在所有的方位角中以大致相同的几率取向。这样，最好开口区域15的形状和排列使得液晶域段以互补的方式共同形成液晶域。特别是，最好开口区域15的形状为旋转对称的，开口区域15排列为具有旋转对称性。应注意的是，因为形成于开口区域15中的液晶域其一部分位于图像元素区域外部，所以很难排列开口区域15使得液晶域段以互补的方式共同形成液晶域。然而，只要液晶分子在各种方位角中取向的几率对于各个液晶域段集合具有旋转对称性(更好为轴对称性)，就能够充分地减少显示特性的方位角依赖性。
下面参考图5A至图5C描述图1A所示的当围绕一般的圆形单元整体部分14a的一般星形开口区域15排列为方格图案时液晶分子30a的取向。
图5A至图5C每一图简要示出了在衬底法线方向上观察的液晶分子30a的取向。在图5B和图5C的图中示出了从衬底法线方向上观察的液晶分子30a的取向，画为椭圆的液晶分子30a的黑点端表示液晶分子倾斜30a，使得该端比其他端更接近上面设有图像元素电极14的衬底。这种表示同样适用于后面所有的图中。下面描述图1A所示的图像元素区域中单个单元格(由四个开口区域15形成)。沿着图5A至图5C的各自对角获得的横截面图分别对应于图1B、图3A和图3B，在下面的描述中也将参考图1B、图3A和图3B。
如图5A所示，当图像元素电极14和反向电极22为相同的电位时，也就是说，处于没有电压跨过液晶层30施加的状态，液晶分子30a的取向方向由垂直对准层(未示出)调节，该垂直对准层位于靠近液晶层30的TFT衬底100a和反向衬底100b的每一侧上，液晶分子30a垂直对准。
当跨过液晶层30施加电场使得产生一由图3A中所示的等势线EQ表示的电场时，一扭矩作用在具有负电介质各向异性的液晶分子30a上，使得其轴向指向平行于等势线EQ。如上参考图4A和图4B所述，对于在由垂直于其分子轴的等势线EQ所代表的电场下的液晶分子30a来讲，液晶分子30a倾斜(旋转)的方向不是唯一限定的(图4A)，由此取向变化(倾斜或旋转)不容易产生。相反，对于位于相对于液晶分子30a的分子轴倾斜的等势线EQ下的液晶分子30a来讲，倾斜(旋转)方向是唯一限定的，由此取向变化容易产生。因此，如图5B所示，液晶分子30a从液晶分子30a的分子轴相对于等势线EQ倾斜的开口区域15的边缘部分开始倾斜。接着，如上参考图4C所述，周围的液晶分子30a倾斜使得与在开口区域15边缘部分的已倾斜液晶分子30a的取向一致。然后，如图5C所示液晶分子30a的轴方向变得稳定(辐射状倾斜取向)。
如上所述，当开口区域15的形状为旋转对称时，施加电压后，在图像元素区域中的液晶分子30a从开口区域15边缘部分开始向开口区域15的中心连续倾斜。结果，在围绕开口区域15中心的那些液晶分子30a中获得取向，其中来自边缘部分的液晶分子30a的各个取向调节力是平衡的，且相对于衬底平面保持垂直对准，同时周围的液晶分子30a相对于那些围绕开口区域15中心的液晶分子30a呈辐射状模式倾斜，其倾斜程度远离开口区域15的中心逐渐增加。
在相应于由排列为方格图案的四个一般星形开口区域15所围绕的一般圆形单元整体部分14a的区域中，液晶分子30a也倾斜，使得与由每一开口区域15的边缘部分产生的倾斜电场倾斜的液晶分子30a的取向一致。结果，在围绕单元整体部分14a中心的液晶分子30a中获得取向，其中来自边缘部分的液晶分子30a的各个取向调节力是平衡的，且相对于衬底平面保持垂直对准，同时周围的液晶分子30a相对于那些围绕单元整体部分14a中心的液晶分子30a呈辐射状模式倾斜，其倾斜程度远离单元整体部分14a的中心逐渐增加。
如上所述，当每个其中液晶分子30a均为辐射状倾斜取向的液晶域排列为方格图案时，各个轴向的液晶分子30a存在的几率为旋转对称的，由此能够实现对于任一视角都没有非均匀性的高质量显示。为了减少具有辐射状倾斜取向液晶域的视角依赖性，液晶域最好具有高度的旋转对称性(最好至少有一二重次旋转轴，至少有一四重次旋转轴时更好)。
对于液晶分子30a的辐射状倾斜取向，具有分别如图6B或图6C所示的逆时针或顺时针螺旋模式的辐射状倾斜取向比图6A中所示的简单辐射状倾斜取向更稳定。螺旋取向不同于普通的扭曲取向(其中液晶分子30a的取向方向沿着液晶层30的厚度呈螺旋形变化)。在螺旋取向中，对于一微小区域，液晶分子30a的取向方向沿着液晶层30的厚度基本不变化。换句话说，在液晶层30任一厚度处的横截面中(平行于层平面的平面中)的取向如图6B或图6C所示，沿着液晶层30的厚度基本不扭曲变形。但是，对于作为整体的液晶域，可能会有一定程度的扭曲变形。
当使用通过将一种手性剂添加到一种具有负电介质各向异性的向列型液晶材料中所获得的材料时，在施加电压的情况下，如图6B或图6C中所示，液晶分子30a分别为相对于开口区域15和单元整体部分14a逆时针或顺时针螺旋模式的辐射状倾斜取向。旋转模式为逆时针或顺时针是由使用的手性剂决定的。这样，通过在施加电压的情况下将开口区域15中的液晶层30控制为螺旋模式的辐射状倾斜取向，相对于其它处于与衬底平面垂直的液晶分子30a辐射状倾斜的液晶分子30a的螺旋模式方向可在所有液晶域中保持不变，由此能够实现无非均匀性显示的均匀显示。因为在保持与衬底平面垂直的液晶分子30a的周围的螺旋模式方向是确定的，所以在跨过液晶层30施加电压时响应速度也提高了。
另外，当加入多个手性剂时，如同在普通扭曲取向中一样，液晶分子30a的取向沿着液晶层30的厚度以螺旋模式变化。在液晶分子的取向沿着液晶层30的厚度不以螺旋模式变化的取向中，取向垂直于或平行于极化板的极化轴的液晶分子30a不会产生与入射光的相位差，由此经过这种取向区域的入射光对透光度不起作用。相反，在液晶分子30a的取向沿着液晶层30的厚度以螺旋模式变化的取向中，取向垂直于或平行于极化板的极化轴的液晶分子30a会产生与入射光的相位差，还可利用旋光强度，由此经过这种取向区域的入射光就会对透光度起作用。这样，就能够获得可以产生明亮显示的液晶显示装置。
图1A示出了一个例子，其中每个单元整体部分14a为一般的圆形，每个开口区域15为一般的星形，其中这种单元整体部分14a和这种开口区域15排列为方格图案。但是，单元整体部分14a的形状和开口区域15的形状与排列不限于上述那些示例。
图7A和图7B为平面视图，分别示出了具有不同形状的各自开口区域15和单元整体部分14a的液晶显示装置100A和100B。
图7A和图7B中所示的液晶显示装置100A和100B的开口区域15和单元整体部分14a，分别对图1A所示的液晶显示装置100中的那些开口区域和单元整体部分稍微进行了扭曲。液晶显示装置100A和100B的开口区域15和单元整体部分14a具有一二重次旋转轴(不是四重次旋转轴)，并规则排列以便形成长方形的矩形单元格。在两种液晶显示装置100A和100B中，开口区域15为扭曲的星形，单元整体部分14a为一般的椭圆形(扭曲的圆形)。图7A和图7B中所示的液晶显示装置100A和100B也具有高显示质量和理想的视角特性。
另外，图8A和图8B中所示的液晶显示装置100C和100D也分别具有高显示质量和理想的视角特性。
在液晶显示装置100C和100D中，一般的十字形开口区域15以方格图案排列，使得每个单元整体部分14a为一般的正方形。当然，这些模式也可被扭曲以便成为长方形的矩形单元格。如上所述，也可以通过规则地排列一般矩形(包括正方形和长方形的矩形)的单元整体部分14a获得具有高显示质量和理想视角特性的液晶显示装置。
但是，开口区域15和/或单元整体部分14a的形状与其为矩形不如最好为圆形或椭圆形，这样可使辐射状倾斜取向更稳定。人们认为具有圆形或椭圆形开口区域和/或单元整体部分的辐射状倾斜取向更稳定，因为开口区域15的边缘更连续(平滑)，由此液晶分子30a的取向方向变化更连续(平滑)。
考虑到上述液晶分子30a取向方向的连续性，图9中所示的液晶显示装置100E也是理想的。图9中所示的液晶显示装置100E是图8B中所示的液晶显示装置100D的变化，其中单元整体部分14a上的开口区域15的每一边都为弧形。在液晶显示装置100E中，开口区域15和单元整体部分14a具有一四重次旋转轴，并排列为方格图案(具有一四重次旋转轴)。如图7A和图7B中所示，或者，开口区域15的单元整体部分14a的形状可扭曲成具有二重旋转轴的形状，并可对这样的单元整体部分14a排列，从而形成长方形的矩形格(具有一二重次旋转轴)。
跨过在开口区域15中形成的液晶域施加的电压比跨过在单元整体部分14a中形成的另一液晶域施加的电压低。结果例如在普通的黑色模式显示中，形成在开口区域15中的液晶域呈现较暗的色彩。因此，最好在图像元素区域中单元整体部分14a的面积比高，而开口区域15的面积比低。
在本发明的液晶显示装置中，图像元素电极14包括多个单元整体部分14a，由此能够不受图像元素区域的形状和尺寸等的限制，通过根据图像元素区域形状和尺寸等适当排列多个单元整体部分14a，在图像元素区域中实现稳定的辐射状倾斜取向。相反，如果图像元素电极仅包括一个单元整体部分，就不能根据图像元素区域的形状和尺寸等实现稳定的辐射状倾斜取向。如果图像元素区域为圆形或正方形时，仅包括一个单元整体部分的图像元素电极是不成问题的。但是举例来说，如果象在能够产生彩色显示的液晶显示装置中那样，图像元素区域为带有大孔径比的长方形的矩形，则单元整体部分需要具有大孔径比的形状，就不可能实现稳定的辐射状倾斜取向。另外再举个例子，当图像元素区域为大尺寸时，单元整体部分就需要大尺寸，在这种情况下，仅通过围绕单元整体部分产生的倾斜电场是不能获得稳定取向的。
另外，在本发明的液晶显示装置中，例如如图1A所示，在每一图像元素区域中多个单元整体部分14a以预定的方向排列(成一直线)，与单元整体部分排列成两条或更多条直线的情况相比，由此能够增加单元整体部分14a的面积比，增加相对于图像元素区域的总面积中对显示起作用的面积比例(有效孔径比)。这个原因将参考图10进行描述。
如图10所示，液晶显示装置100E包括在行方向D2上彼此平行延伸的栅总线(扫描线)41，在列方向D1上彼此平行延伸的源总线(信号线)42。将每一栅总线(扫描线)41电连接到为每一图像元素区域所提供的TFT栅电极(未示出)上，将每一源总线(信号线)42电连接到TFT源电极上。而且，将TFT漏电极电连接到图像元素电极14上。液晶显示装置100E还包括存储电容线43。
在液晶显示装置100E中，在每一图像元素区域中许多单元整体部分14a排列为一条直线，围绕单元整体部分14a的开口区域15的部分重叠栅总线41或源总线42，这样的部分位于图像元素区域外部。这样，多个开口区域15中的每一个具有其至少位于图像元素区域外部的一部分当多个单元整体部分14a排列为两条或更多的直线时，在每一图像元素区域中，存在一由单元整体部分14a围绕的开口区域15，这样的开口区域15整个都位于图像元素区域内部。例如，如图11中所示，在比较例子的液晶显示装置1000中单元整体部分14a排列为两条直线，在每一图像元素区域中存在一由单元整体部分14a围绕的开口区域15，这样的开口区域15整个位于图像元素区域内部。于是，图像元素区域中开口区域15的面积比增加了，这样就减少了单元整体部分14a的面积比。
相反，如图10中所示，当在每一图像元素区域中多个单元整体部分14a排列为一条直线时，多个开口区域15中的每一个具有其至少位于图像元素区域外部的一部分，由此能够减少图像元素区域中开口区域15的面积比，增加单元整体部分14a的面积比，这样改善了孔径比。
现在参考使用详细说明的液晶显示装置获得的数据，更详细地描述怎样能够改善孔径比。液晶显示装置的说明如下显示面积为对角长15英寸，单元整体部分14a为带有一般弧形角部分的一般正方形(如图9和图10中所示)，栅总线的宽度和源总线上光阻挡层的宽度为12μm，单元整体部分14a之间的间隔为8.5μm。当单元整体部分14a排列为一条直线时，液晶显示装置的透光度与单元整体部分14a排列为两条直线时进行比较。与当单元整体部分14a排列为两条直线时相比，当单元整体部分14a排列为一条直线时透光度有所提高，SXGA(1280×1024像素)提高6％、UXGA(1600×1200像素)提高9％、QXGA(2048×1536像素)提高11％。这样，通过在每一图像元素区域中将多个单元整体部分14a排列为一条直线改善孔径比的作用对于高清晰型液晶显示装置是非常重要的。
注意如图10所示，在图像元素电极14与栅总线41或源总线42重叠的结构中，最好在总线上形成尽可能厚的绝缘膜(如，有机绝缘膜)，图像元素电极14形成在其上，以便减少来自这些总线的影响。
参考图12，“S”表示由开口区域15和单元整体部分14a形成的正方形单元格之间的间隙长度(以下称为“边间隔S”)。边间隔S需等于或大于预定长度，以产生用于获得稳定的辐射状倾斜取向所需的倾斜电场。
如图2所示，在每一帧中，当在行方向D2和列方向D1上都限定边间隔S时，在本实施中，沿着行方向D2彼此相邻的图像元素用相反极性的电压驱动。这样，与沿着行方向D2彼此相邻的图像元素不用相反极性的电压驱动的情况相比，即使行方向D2上的边间隔S减少了，也能够获得足够的取向调节力。这是因为当沿行方向D2彼此相邻的图像元素用相反极性的电压驱动时，能够产生相当强的倾斜电场。这个原因将参考图13A和图13B进行描述。
图13A简要示出了当在行方向D2上彼此相邻的两个图像元素区域中都跨过液晶层施加+5V电压时产生的等势线EQ，图13B简要示出了当在行方向D2上彼此相邻的两个图像元素区域的一个中跨过液晶层施加+5V的电压，而在两个图像元素区域的另一个中跨过液晶层施加-5V的电压时产生的等势线EQ。
如图13A所示，当相同极性的电压跨过液晶层施加到两个相邻的图像元素区域中时，产生的电场使得等势线EQ形成连续凹/凸的图案。
相反，如图13B所示，当相反极性的电压跨过液晶层施加到两个相邻的图像元素区域中时，代表在两个图像元素区域中产生的电场的等势线EQ不是连续的，而是等势线EQ在开口区域15中急剧下降。因此，在开口区域15的边缘部分，即围绕单元整体部分14a，形成了急剧的电势梯度，由此产生了比图13A中所示情况强度大的倾斜电场。
如上所述，当在行方向D2上彼此相邻的图像元素用相反极性的电压驱动时，即使行方向D2上的边间隔S减少，也能够获得足够的取向调节力。这样，即使当在行方向D2上彼此相邻的两个图像元素电极14之间的距离减小以增加孔径比时，也能够形成足够稳定的辐射状倾斜取向。
用具有上述特别说明的液晶显示装置进行进一步的实验(液晶显示装置中的显示面积为对角长15英寸，单元整体部分14a为带有一般弧形角部分的一般正方形，栅总线的宽度和源总线上光阻挡层的宽度为12μm，单元整体部分14a之间的间隔为8.5μm)。具体地说，在行方向D2上彼此相邻的图像元素用相反极性的电压驱动的情况，与它们不用相反极性的电压驱动的情况之间进行比较。在行方向D2上彼此相邻的图像元素不用相反极性的电压驱动的情况中，用于实现稳定的辐射状倾斜取向所需的图像元素电极14之间最小间距为8.5μm，即，等于每一图像元素区域中单元整体部分14a之间的间距。相反，在行方向D2上彼此相邻的图像元素用相反极性的电压驱动的情况中，即使在行方向D2上彼此相邻的图像元素电极14之间的距离减少到3μm，也能够获得稳定的辐射状倾斜取向。
在本实施例中，如图14A中所示，当在行方向D2上彼此相邻的图像元素用相反极性的电压驱动，而在列方向D1上彼此相邻的图像元素不用相反极性的电压驱动时(所谓的“源线反转驱动方案”)时，孔径比能够有效地提高。然而，为了得到如抑制闪烁效果等其它的有利效果，施加电压的极性最好在图像元素的每n行，即列方向D1上每n个图像元素反转(在此n为1或更大的整数)，同时用相反极性的电压驱动在行方向D2上彼此相邻的图像元素。换句话说，最好在每一帧内，相同列的图像元素区域中跨过液晶层施加的电压极性为每n行反转。
例如，如图14B中所示，施加电压的极性可以是每2行图像元素，即列方向D1上每2个图像元素反转(所谓的“2H点反转驱动方案”)。另外，如图14C所示，施加电压的极性可以是每行图像元素，即列方向D1上每个图像元素反转(所谓的“点反转驱动方案”)。如图14C中所示，如果在列方向D1上彼此相邻的图像元素用相反极性的电压驱动，而在行方向D2上彼此相邻的图像元素也用相反极性的电压驱动，就能够减少在列方向D1上彼此相邻的图像元素电极14之间的间隔，这样进一步改善孔径比。
现在将描述单元整体部分14a的形状与辐射状倾斜取向的稳定性之间的关系，以及单元整体部分14a的形状与透光度值之间的关系。
本发明人的研究揭示，单元整体部分14a的间距(边间隔S)不变时，随着单元整体部分14a的形状越接近于圆形或椭圆形，取向的稳定性也就越高。这是因为随着单元整体部分14a的形状越接近于圆形或椭圆形，辐射状倾斜取向中液晶分子30a取向方向的连续性越高。
同时还揭示出，随着单元整体部分14a的形状越接近于如正方形或长方形等的矩形，透光度越高。这是因为在边间隔S的值不变时，随着单元整体部分14a的形状越接近于矩形，整体部分的面积比增加，由此增加了由电极产生的电场直接影响的液晶层面积(垂直于衬底法线方向的平面中定义的面积)，就增加了有效的孔径比。
因此，考虑到想要的取向稳定性和想要的透光度，可以确定单元整体部分14a的形状。
如图9和图10所示，例如，当单元整体部分14a为带有一般弧形角部分的一般正方形形状时，能够实现相当高的取向稳定性和相当高的透光度。当然，当单元整体部分14a为带有一般弧形角部分的一般长方形形状时，也可获得相似的效果。应注意由于受到生产工艺的限制，由导电膜形成的单元整体部分14a的角部分严格地说可能不为弧形，而替代的是钝角多边形的形状(由多个超过90°的角构成的形状)，角部分还可能为稍微扭曲的弧形(如，椭圆的一部分)或扭曲的多边形形状，而不是四分之一弧形或规则的多边形形状(如，规则多边形的一部分)。另外，角部分可能会是曲线与钝角组合的形状。在此使用的术语“一般的弧形”可为这些形状中的任一种。注意由于相关工艺的相似原因，如图1A中所示，一般圆形单元整体部分14a的形状可为多边形或扭曲的形状，而不是严格的圆形。
考虑到响应速度，单元整体部分14a可制成如图15中所示的液晶显示装置100F的形状。在图15所示的液晶显示装置100F中，图像元素电极14的单元整体部分14a的形状为带有锐角角部分的扭曲方形。注意在此使用的锐角指的是角度小于90°的角或圆角。
如图15所示，当单元整体部分14a为带有锐角角部分的形状时，沿其产生倾斜电场的边缘部分的总长度增加，由此该倾斜电场可作用于更多的液晶分子30a上。这样，最初响应于电场开始倾斜的液晶分子30a的数量增加，因此减少了用于整体跨过图像元素区域形成辐射状倾斜取向所需的时间量。结果，对跨过液晶层30施加电压的响应速度提高了。
另外，当单元整体部分14a为带有锐角的形状时，与单元整体部分14a的形状为一般的圆形或一般的长方形形状相比，在特定方位角方向上取向的液晶分子30a的存在几率能够增加(或降低)。换句话说，在各种方位角方向中取向的液晶分子30a的存在几率中能够获得高取向性。因此，当在具有线性极化光入射到液晶层30上的极化板的液晶显示装置中，单元整体部分14a采用锐角时，能够降低与极化板的极化轴垂直或水平取向的液晶分子30a的存在几率，也就是说，液晶分子30a相对于入射光没有产生相位差。这样，能够提高光线透光度，实现更明亮的显示。
如上所述，实施例1的液晶显示装置可采用与本领域中已知的垂直对准型液晶显示装置相同的排列，并可用已知的生产方法生产，除了图像元素电极14包括在两个周期排列方向的一个中排列为一条直线的多个单元整体部分14a，在两个周期排列方向中图像元素周期排列，还除了在另一周期排列方向上彼此相邻的图像元素用相反电极的电压驱动。
通常，作为垂直对准层的垂直对准膜(未示出)位于图像元素电极14其中一个的一侧以及距离液晶层30较近的反向电极22上，因而使得具有负电介质各向异性的液晶分子垂直对准。
液晶材料可为具有负电介质各向异性的向列型液晶材料。通过在具有负电介质各向异性的向列型液晶材料中加入手性染料，能够获得宾一主方式的液晶显示装置。宾一主方式的液晶显示装置不需极化板。
实施例2现在参考图16A和图16B描述根据本发明实施例2的液晶显示装置200的一个图像元素区域的结构。而且，在后面的附图中，具有与液晶显示装置100中相应元件功能大致相同的每一元件将用同样的参考数字表示，并在后面不作进一步的描述。图16A为从衬底法线方向观察的平面视图，图16B沿着图16A中16B-16B’线获得的横截面视图。图16B示出了没有跨过液晶层施加电压的状态。
如图16A和图16B中所示，液晶显示装置200与图1A和图1B所示实施例1中的液晶显示装置100的不同之处在于TFT衬底200a包括图像元素电极14的开口区域15中的突起40。垂直对准膜(未示出)位于突起40的表面。
如图16A所示，突起40沿衬底11平面的横截面为一般的星形横截面，即与开口区域15横截面的形状相同。应注意的是相邻的突起40彼此连接，从而以一般的圆形图案完全围绕每一个单元整体部分14a。如图16B中所示，突起40沿垂直于衬底11的平面的横截面为梯形形状。具体地说，横截面具有平行于衬底平面的上表面40t和以相对于衬底平面以锥形角θ(＜90°)倾斜的侧表面40s。因为有垂直对准膜(未示出)来覆盖突起40，所以突起40的侧表面40s具有与用于液晶层30的液晶分子30a的倾斜电场方向相同方向的取向调节力，由此具有稳定辐射状倾斜取向的功能。
现在参考图17A至图17D、图18A和图18B来描述突起40的功能。
首先，参考图17A至图17D描述液晶分子30a的取向与具有垂直对准能力的表面结构之间的关系。
如图17A所示，由于具有垂直对准能力的表面(通常是垂直对准膜的表面)的取向调节力，因此在水平表面的液晶分子30a垂直于表面对准。当由垂直于液晶分子30a轴向的等势线EQ所表示的电场在垂直对准中跨过液晶分子30a施加时，迫使液晶分子30a顺时针倾斜的扭矩和迫使液晶分子30a逆时针倾斜的扭矩以相同的几率作用于液晶分子30a上。因此，在平行板排列中的一对相对电极之间的液晶层30中，包括一些受到顺时针扭矩的液晶分子30a和另一些受到逆时针扭矩的液晶分子30a。结果，根据跨过液晶层30施加电压的取向转变不能平稳地进行。
如图17B所示，当由水平等势线EQ表示的电场穿过垂直对准于倾斜表面液晶分子30a施加时，液晶分子30a在任一方向倾斜(图示示例中为顺时针方向)，该方向对于液晶分子来说只需较少的倾斜就可平行于等势线EQ。接着，如图17C所示，垂直于水平表面对准的其余相邻液晶分子30a与位于倾斜表面上的液晶分子30a以相同的方向(顺时针方向)倾斜，使得其取向与垂直于倾斜表面对准的液晶分子30a的取向连续(相一致)。
如图17D所示，对于其横截面包括一系列梯形的具有凹/凸部分的表面来讲，使上表面上的液晶分子30a和下表面上的那些液晶分子30a取向，从而与由表面倾斜部分上的其他液晶分子30a调节的取向方向相一致。
在本实施例的液晶显示装置中，由表面结构(突起)产生的取向调节力方向与由倾斜电场产生的取向调节力方向一致，由此稳定了辐射状倾斜取向。
图18A和图18B中，每一图示出了图16B中所示具有跨过液晶层30施加电压的情况下的状态。图18A简要示出了液晶分子30a根据跨过液晶层30施加的电压刚开始变化(初始ON状态)的状态。图18B简要示出了液晶分子30a已根据施加电压变化并变得稳定的状态。在图18A和图18B中，曲线EQ表示等势线。
如图16B所示，当图像元素电极14和反向电极22为相同电位(即，处于没有跨过液晶层30施加电压的状态中)时，每一图像元素区域中的液晶分子30a垂直于衬底11和21的表面对准。在突起40的侧表面40s上与垂直对准膜(未示出)相接触的液晶分子30a垂直于侧表面40s对准，邻近侧表面40s的液晶分子30a如图所示由于与周围液晶分子30a的相互作用(作为弹性连续体的本性)而得到倾斜取向。
当跨过液晶层30施加电压时，产生由图18A所示的等势线EQ所表示的电势梯度。等势线EQ平行于液晶层30某一区域中整体部分和反向电极22的表面，该区域位于图像元素电极14的整体部分和反向电极22之间，并在一个相应于图像元素电极14开口区域15的区域中下降，由此产生了由开口区域15的边缘部分(包括其边界的开口区域15的周边部分及内部)EG上的液晶层30的每一区域中的等势线EQ的倾斜部分所表示的倾斜电场。
如上所述，如图18A中箭头所示，由于倾斜电场，图18A中的右边缘部分EG上的液晶分子30a按顺时针倾斜(旋转)，左边缘部分EG上的液晶分子30a按逆时针倾斜(旋转)，从而平行于等势线EQ。由倾斜电场产生的取向调节力的方向与由位于每个边缘部分EG侧表面40s产生的取向调节力方向相同。
如上所述，取向中的变化从位于等势线EQ倾斜部分上的液晶分子30a开始，达到图18B中简要示出的取向稳定状态。围绕开口区域15中心部分，即围绕突起40的上表面40t中心部分的液晶分子30a受到开口区域15的相对边缘部分EG处的液晶分子30a的各个取向的影响基本相等，因此保持它们垂直于等势线EQ的取向。远离开口区域15(突起40的上表面40t)中心的液晶分子30a受到靠近边缘部分EG处的其他液晶分子30a取向的影响而倾斜，由此形成关于开口区域15(突起40的上表面40t)中心SA对称的倾斜取向。关于单元整体部分14a对称的倾斜取向也形成于相应于单元整体部分14a的区域中，该单元整体部分基本上由开口区域15和突起40围绕。
如上所述，在实施例2的液晶显示装置200中，如同在实施例1的液晶显示装置100中一样，每一具有辐射状倾斜取向的液晶域均相应于开口区域15和单元整体部分14a形成。因为提供了突起40使得以一般圆形图案完全围绕每一单元整体部分14a，所以每一液晶域相应于由突起40围绕的一般圆形区域形成。另外，位于开口区域15中的突起40的侧表面的作用是，使相邻于开口区域15的边缘部分EG的液晶分子30a在与由倾斜电场产生的取向调节力方向相同的方向上倾斜，由此稳定辐射状倾斜取向。
当然，由倾斜电场产生的取向调节力仅在具有施加电压的情况下起作用，其强度取决于电场强度(施加电压的电平)。因此，当电场强度小时(也就是说，当施加电压低时)，由倾斜电场产生的取向调节力弱，在这样的情况下，当应力施加到液晶板上时，由于液晶材料的浮动，辐射状倾斜取向可能会被破坏。一旦辐射状倾斜取向破坏，除非电压的施加足够生成产生足够强取向调节力的倾斜电场，否则辐射状倾斜不会恢复。另一方面，不考虑施加电压都会产生来自突起40的侧表面40s的取向调节力，并且如本领域中已知的对准膜“固定效果”那样很强。因此，即使当产生液晶材料浮动，辐射状倾斜取向一旦被破坏时，相邻于突起40的侧表面40s的液晶分子30a也保持与辐射状倾斜取向方向相同的取向方向。因此，一旦液晶材料停止浮动，辐射状倾斜取向就容易恢复。
这样，实施例2的液晶显示装置200除了具有实施例1的液晶显示装置100的优点之外，还具有强抗压的另一优点。因此，液晶显示装置200可适于在经常受到压力的装置中使用，如经常四处携带的PCs和PDAs。
当突起40由具有高透明度的电介质材料构成时，可获得提高液晶域显示作用的优点，该液晶域形成于一个相应于开口区域15的区域中。当突起40由不透明电介质材料构成时，可获得的优点为能够防止由倾斜取向中的液晶分子30a迟延造成的漏光，该倾斜取向是由于突起40的侧表面40s引起的。例如，无论采用透明电介质材料还是不透明电介质材料都是通过考虑液晶显示装置的应用来决定的。在任一情况中，感光树脂的使用都提供了这一优点，可简化对相应于开口区域15的突起40制作图案的步骤。为了获得足够的取向调节力，当液晶层30的厚度约为3μm时，突起40的高度最好在约0.5μm至约2μm的范围内。通常，突起40的高度最好在液晶层30厚度的约1/6至约2/3的范围内。
如上所述，液晶显示装置200包括图像元素电极14的开口区域15中的突起40，突起40的侧表面40s在与由用于液晶层30的液晶分子30a的倾斜电场产生的取向调节力方向相同的方向上，产生取向调节力。现在参考图19A至图19C，描述侧表面40s的优选情况，该侧表面产生一个与由倾斜电场产生的取向调节力方向相同的方向上的取向调节力。
图19A至图19C分别简要示出了液晶显示装置200A、200B和200C的横截面视图。图19A至图19C相应于图18A。液晶显示装置200A、200B和200C的开口区域15中都具有突起，但是在作为单一结构的整个突起40与相应的开口区域15之间的位置关系方面不同于液晶显示装置200。
如图18A所示，在上述的液晶显示装置200中，作为结构的整个突起40形成于开口区域15中，突起40的下表面比开口区域15小。在图19A所示的液晶显示装置200A中，突起40A的下表面与开口区域15一致。在图19B所示的液晶显示装置200B中，突起40B的下表面比开口区域15大，以致覆盖围绕开口区域15的整体部分(导电膜)中的一部分。整体部分不形成于任一突起40、40A和40B的侧表面40s上。结果，如各图中所示，等势线EQ在整体部分上基本平坦，在开口区域15中下降。因此，象液晶显示装置200中的突起40一样，液晶显示装置200A中的突起40A的侧表面40s和液晶显示装置200B中的突起40B的侧表面都产生与由倾斜电场产生的取向调节力方向相同方向的取向调节力，由此稳定了辐射状倾斜取向。
相反，在图19C所示的液晶显示装置200C中，突起40C的下表面大于开口区域15，延伸进开口区域15上的一个区域中的整体部分中的一部分形成在突起40C的侧表面40s上。由于形成在侧表面40s上的整体部分中的该部分的影响，在等势线EQ中产生了突脊部分。等势线EQ中的突脊部分具有与下降到开口区域15中的等势线EQ的其它部分相反的梯度。这表示倾斜电场已产生，其方向与用于将液晶分子30a取向为辐射状倾斜取向的倾斜电场方向相反。因此，为了使侧表面40s具有方向与由倾斜电场产生的取向调节力方向相同的取向调节力，最好使整体部分(导电膜)不形成在侧表面40s上。
接着，参考图20描述沿图16A中20A-20A’线获得的突起40的横截面结构。
如上所述，因为形成了图16A所示的突起40，因而以一般的圆形图案完全围绕每一单元整体部分14a，如图20所示，用于将相邻单元整体部分14a连接在一起的部分(从圆形部分沿四个方向延伸的分支部分)形成在突起40上。因此，在沉积导电膜作为图像元素电极14的整体部分的步骤中，有相当大的可能性会在突起40上产生断开或者在生产过程的后处理中产生分层。
考虑到这点，在图21A和图21B所示的液晶显示装置200D中，形成彼此独立的突起40D，使得每一突起40D完全包含在开口区域15中，以致作为整体部分的导电膜形成在衬底11的平坦表面上，由此消除了断开或者分层的可能性。虽然突起40D以一般圆形的模式不完全围绕每一单元整体部分14a，但是也形成了相应于每一单元整体部分14a的一般圆形液晶域，并且单元整体部分14a的辐射状倾斜取向如同上述实施例中一样稳定。
通过在开口区域中形成突起40获得的稳定辐射状倾斜取向的效果不限于上述开口区域15的模式，而是同样可以应用于实施例1中描述的任一开口区域15的模式中，获得如上所述的那些效果。为了使突起40足以产生抗压稳定取向的效果，最好突起40的模式尽可能覆盖液晶层30的面积。因此，作为举例，圆形单元整体部分14a的正模式比圆形开口区域15的负模式能够获得更大的取向稳定性效果。
实施例3根据本发明实施例3的液晶显示装置与图1A和图1B所示实施例1中的液晶显示装置100不同之处在于，反向衬底包括取向调节结构。
图22A至图22E简要示出了具有取向调节结构28的反向衬底300b。具有与上述液晶显示装置元件功能大致相同的每一元件将用相同的参考数字表示，并且不做进一步描述。
图22A至图22E所示取向调节结构28的功能为将液晶层30的液晶分子30a取向为辐射状倾斜取向。应注意的是，图22A至图22D中所示的取向调节结构28和图22E中所示的取向调节结构在液晶分子30a倾斜的方向上是不同的。
由图22A至图22D所示的取向调节结构28使液晶分子倾斜的方向与每一液晶域辐射状倾斜取向的取向方向一致，该液晶域形成在一个对应于图像元素电极14的单元整体部分14a(例如见图1A和图1B)的区域中。相反，由图22E所示的取向调节结构28使液晶分子倾斜的方向与每一液晶域辐射状倾斜取向的取向方向一致，该液晶域形成在一个对应于图像元素电极14的开口区域15(见，例如，图1A和图1B)的区域中。
图22A中所示的取向调节结构28由反向电极22的开口22a和相对于开口22a的图像元素电极(图22A中未示出；例如见图1A)14的单元整体部分14a形成。垂直对准膜(未示出)位于一个靠近液晶层30的反向衬底300b的表面上。
取向调节结构28仅在具有施加电压的情况下产生取向调节力。因为取向调节结构28仅需在每一液晶域中的液晶分子上产生取向调节力，该液晶域处于由TFT衬底100a的电极结构形成的辐射状倾斜取向中，开口22a的尺寸比位于TFT衬底100a中的开口区域15小，也比由开口区域15围绕的单元整体部分14a(例如见图1A)小。例如，仅在一个面积小于或等于开口区域15或单元整体部分14a的一半面积时就能够获得足够的效果。当提供反向电极22的开口22a，使得其与图像元素电极14的单元整体部分14a的中心部分相对时，液晶分子取向的连续性增强，能够固定辐射状倾斜取向中心轴的位置。
如上所述，采用仅在具有施加电压的情况下产生取向调节力的结构作为取向调节结构时，基本上液晶层30的所有液晶分子30a在没有施加电压的情况下都得到垂直对准。因此，当采用普通的黑色模式时，在黑色显示中基本上没有漏光产生，由此实现了具有理想对比度的显示。
但是，在没有施加电压的情况下，不产生取向调节力，这样不形成辐射状倾斜取向。另外，当施加电压低时，仅有弱的取向调节力，由此当相当大的压力施加到液晶板上时，可能会看到后面的图像。
不管具有/没有施加电压，图22B至图22D所示的每一取向调节结构28均产生取向调节力，由此能够在任一显示灰度级别下获得稳定的辐射状倾斜取向，并对压力具有高抵抗性。
首先，图22B中所示的取向调节结构28包括突起22b，该突起位于反向电极22上，以致伸入到液晶层30中。虽然对于突起22b的材料没有特别的限制，但是使用如树脂等电介质材料能够容易形成突起22b。垂直对准膜(未示出)位于靠近液晶层30的反向衬底300b的一个表面上。突起22b依靠其表面结构(具有垂直对准能力)的特性，将液晶分子30a取向为辐射状倾斜取向。最好使用通过加热变形的树脂材料，在这种情况下通过图案制作之后的热处理，能够容易地形成如图22B中所示具有稍微隆起的横截面突起22b。具有带有如图所示顶点(如，球面部分)的稍微隆起横截面的突起22b或者圆锥形突起，可提供固定辐射状倾斜取向中心位置的理想效果。
所提供的图22C所示的取向调节结构28作为具有面对液晶层30的水平对准能力的表面，该液晶层位于在反向电极22下面(即，在反向电极22的靠近衬底21的一侧上)形成的电介质层23的开口(或者凹陷部分)23a中。提供一个垂直对准膜24，以便覆盖反向衬底300b的靠近液晶层30的一侧，而留下的区域对应于开口23a的未被覆盖的区域，由此开口23a中的表面起到水平对准表面的作用。也可如图22D所示的那样，水平对准膜25可仅在开口区域23a中形成。
例如，一旦跨过反向衬底300b的整个表面形成垂直对准膜24，就用UV光有选择地照射开口23a中的垂直对准膜24的一部分，以降低其垂直对准能力，从而形成如图22D所示的水平对准膜。取向调节结构28所需的水平取向能力不用高到使形成的预倾角与在TN型液晶显示装置中使用对准膜所得到的角一样小。例如，45°或再小些的预倾角就足够了。
如图22C和图22D中所示，在开口23a的水平取向表面上，迫使液晶分子30a相对于衬底平面水平。结果，液晶分子30a形成的取向与垂直对准膜24上环绕的垂直对准的液晶分子30a的取向连续，由此获得如图中所示的辐射状倾斜取向。
通过仅在反向电极22的平坦表面上有选择地形成水平取向表面(例如，电极表面，或水平对准膜)，而不在反向电极22的表面上形成凹陷部分(由电介质层23中的开口形成)，就可获得辐射状倾斜取向。但是，可依靠凹陷部分的表面结构特性来进一步稳定辐射状倾斜取向。
例如，最好使用彩色滤光片层或彩色滤光片层的保护层作为电介质层23，在反向衬底300b的靠近液晶层30的表面中形成凹陷部分，因为它不会增加生产步骤。在图22C和图22D所示的结构中，光效会有些降低，这是因为没有如图22A所示结构中经由突起22b跨过液晶层30施加电压的区域所致。
在图22E所示的取向调节结构28中，如图22D中所示取向调节结构28一样，在反向衬底300b的靠近液晶层30的一侧上，通过使用电介质层23的开口23a形成凹陷部分，水平对准膜26仅形成在凹陷部分的底部中。如果不形成水平对准膜26，则反向电极22的表面可如图22C所示暴露出来。
在图23A和图23B中示出了具有如上所述取向调节结构的液晶显示装置300。图23A为平面视图，图23B为沿图23A中23B-23B’线获得的横截面视图。
液晶显示装置300包括TFT衬底100a和反向衬底300b，该TFT衬底100a具有包含单元整体部分14a和开口区域15的图像元素电极14，该反向衬底300b具有取向调节结构28。TFT衬底100a的结构不限于其图示的结构，而是可为上述其它任一结构。而且，当使用即使在没有施加电压的情况下也可产生取向调节力的结构(图22B至图22D以及图22E)作为取向调节结构28时，图22B至图22D中所示的取向调节结构28可由图22A中所示的取向调节结构代替。
在形成于液晶显示装置300反向衬底300b中的各取向调节结构28中，与图像元素电极14的单元整体部分14a相对的区域的中心周围形成的取向调节结构28为图22B至图22D中所示那些结构之一，与图像元素电极14的开口区域15相对的区域的中心周围形成的取向调节结构28为图22E中所示的一种。
由于这样的排列，在具有跨过液晶层30施加电压的情况下，即，在图像元素电极14和反向电极22之间具有施加电压的情况下，由图像元素电极14的单元整体部分14a形成的辐射状倾斜取向的方向，与由取向调节结构28形成的辐射状倾斜取向的方向一致，由此稳定了辐射状倾斜取向。这点简要地在图24A至图24C中示出。图24A示出了没有施加电压情况下的状态，图24B示出了施加电压后取向刚开始变化(初始ON状态)的状态，图24C简要示出了电压施加期间的稳定状态。
如图24A所示，即使在没有施加电压的情况下，由取向调节结构(图22B至图22D)28产生的取向调节力也作用在与其相邻的液晶分子30a上，由此形成辐射状倾斜取向。
当电压施加开始时，由图24B中所示等势线EQ代表的电场产生(由TFT衬底100a的电极结构产生)，在相应于开口区域15的每一区域中和在相应于单元整体部分14a的每一区域中形成液晶域，在该液晶域中液晶分子30a为辐射状倾斜取向，并如图24C所示，液晶层30达到稳定状态。每一液晶域中液晶分子30a的倾斜方向与由取向调节力使液晶分子30a倾斜的方向一致，该取向调节力由形成于相应区域中的取向调节结构28产生。
当在稳定状态中在液晶显示装置300上施加压力时，液晶层30中的辐射状倾斜取向一次被破坏，但是当除去压力时，因为来自单元整体部分14a和作用于液晶分子30a上的取向调节结构28的取向调节力，所以辐射状倾斜取向可恢复。因此，抑制了由于压力使后图像的出现。当来自取向调节结构28的取向调节力过于强时，即使在没有施加电压的情况下也会由于辐射状倾斜取向造成迟延产生，由此显示对比度会下降。但是，来自取向调节结构28的取向调节力不需很强，因为只需具有将由单元整体部分14a形成的辐射状倾斜取向稳定的效果和固定其中心轴位置的效果即可。因此，取向调节力只要不造成一定程度的延迟使显示质量降低就足够了。
例如，当采用图22B中所示的突起22b时，对于直径约为30μm至约35μm的单元整体部分14a来讲，每一突起22b可为直径约15μm，高(厚度)约1μm，由此获得足够的取向调节力，抑制由于对实际水平的延迟造成的对比度降低。
图25A和图25B示出了包括取向调节结构的另一液晶显示装置400。
液晶显示装置400在相对于TFT衬底100a开口区域15的区域中没有取向调节结构。图22E中所示的应在相对于开口区域15的区域中形成的取向调节结构28的构造在生产中造成了很多困难。因此，考虑到生产率，最好仅使用图22A至图22D中所示的一个取向调节结构28。特别是最好采用图22B中所示的取向调节结构28，因为它能够通过简单的工艺生产。
如图26A至图26C中简要示出的，即使如在液晶显示装置400中那样，在相应于开口区域15的区域中不形成取向调节结构，也可获得与液晶显示装置300大致相同的辐射状倾斜的取向，其抗压力性也在实际水平中。
图27A、图27B和图27C示出了具有取向调节结构的液晶显示装置的例子。图27A、图27B和图27C为横截面视图，每一视图简要示出了具有取向调节结构的液晶显示装置500。图27A示出了没有施加电压的状态，图27B示出了在电压施加后取向刚开始变化(初始ON状态)的状态，图27C简要示出了电压施加期间的稳定状态。
液晶显示装置500包括在TFT衬底200a的开口区域15中如图16B所示的突起40。液晶显示装置500进一步包括突起22b，该突起如图22B所示，作为相对于图像元素电极14的单元整体部分14a的区域中心周围提供的取向调节结构28。
在液晶显示装置500中，由突起40侧表面40s产生的取向调节力和由突起22b表面产生的取向调节力来稳定辐射状倾斜取向。因为不管施加的电压如何，依靠上述突起40和突起22b的表面结构特性产生的取向调节力来稳定辐射状倾斜取向，液晶显示装置500就具有理想的抗压力性。
如图22B所示，在采用从反向电极22伸入到液晶层30中的突起22b作为取向调节结构28的情况下，液晶层30的厚度可由突起22b限定。换句话说，突起22b也可起到控制单元间隙(液晶层30的厚度)的间隔物作用。
图28A和图28B示出了具有也起间隔物作用的突起22b的液晶显示装置600。图28A为从衬底法线方向观察的平面视图，图28B为图28A中沿28B-28B’线获得的横截面视图。
如图28A和图28B所示，在液晶显示装置600中，液晶层30的厚度由突起22b限定，该突起在相对于图像元素电极14的单元整体部分14a的区域中心的周围形成，将它作为取向调节结构28。这样排列的优点为不需单独提供间隔物来限定液晶显示层30的厚度，由此简化了生产过程。
在图示的实施例中，如图28B所示，突起22b具有截去尖角的圆锥形形状，该突起的侧表面22b1相对于衬底21的衬底平面以小于90°的锥形角θ倾斜。当侧表面22b1相对于衬底平面以小于90°的角倾斜时，突起22b的侧表面22b1具有与由用于液晶层30的液晶分子30a的倾斜电场产生的取向调节力方向相同的取向调节力，由此起到稳定辐射状倾斜取向的作用。
如图29A至图29C简要示出的，在具有也起到间隔物作用的突起22b的液晶显示装置600中，如同在液晶显示装置300和400中一样，也能够获得辐射状倾斜取向。
当如图28B所示示例，突起22b具有相对于衬底平面以小于90°的角倾斜的侧表面22b1时，突起22b可替换地具有相对于衬底平面以90°或更大的角度倾斜的侧表面22b1。考虑到辐射状倾斜取向的稳定性，最好侧表面22b1的倾斜角基本不超过90°，该倾斜角小于90°更好。即使该倾斜角超过90°，只要它接近90°(只要它不远超过90°)，则相邻于突起22b侧表面22b1的液晶分子30a以大致平行于衬底平面的方向倾斜，这样获得了与边缘部分的液晶分子30a倾斜方向一致的辐射状倾斜取向，仅有稍微的扭曲。但是，如图30所示，如果突起22b侧表面22b1的倾斜角基本超过了90°，突起22b侧表面22b1将具有与用于液晶层30的液晶分子30a的倾斜电场产生的取向调节力方向相反的取向调节力，由此辐射状倾斜取向就不稳定了。
也起间隔物作用的突起22b不限于如图28A和图28B中所示具有截去尖角的圆锥形形状的突起。例如，突起22b可为如图31中所示的形状，使得其在垂直于衬底平面的平面中的横截面为椭圆的一部分(即像椭圆形球面一部分的形状)。在图31所示的突起22b中，当侧表面22b1相对于衬底平面的倾斜角(锥形角)沿着液晶层30的厚度变化时，则不管沿着液晶层30的厚度的位置如何，侧表面22b1的倾斜角均小于90°。这样，具有这样形状的突起22b可适用于稳定辐射状倾斜取向的突起。
如上所述的突起22b接触到上衬底和下衬底(TFT衬底和反向衬底)，也起到限定液晶层30厚度的间隔物作用，突起22b在生产液晶显示装置的过程中或者可以形成在上衬底上、或者可以形成在下衬底上。无论它形成在上衬底上还是形成在下衬底上，突起22b都可接触到两个衬底，一旦上下衬底彼此连接在一起，就可起到间隔物和取向调节结构的作用。
不需所有在相对于单元整体部分14a区域中形成的突起22b都起间隔物的作用。通过形成一些比用作间隔物的其他突起22b低的突起22b，能够抑制漏光的产生。
图32、图33和图34分别示出了另一些包含取向调节结构的液晶显示装置600A、600B和600C。图32、图33和图34示出的每一液晶显示装置600A、600B和600C都包含了突起22b，作为在与图像元素电极14的单元整体部分14a相对的区域中的取向调节结构。
在图32所示的液晶显示装置600A中，位于存储电容线43上的每个单元整体部分14a比其它的单元整体部分14a稍微小一些。在图33所示的液晶显示装置600B中，位于存储电容线43上的每个单元整体部分14a比其它的单元整体部分稍微大一些。在每一图像元素区域中，图像元素电极14的多个单元整体部分14a不一定是相同的尺寸。因为在透射型液晶显示装置中，在位于如存储电容线43等不透明元件上的单元整体部分14a中形成的液晶域对显示不起作用，所以不需在位于不透明元件上的单元整体部分14a中形成足够稳定的辐射状倾斜取向，并且这样的单元整体部分14a可具有不同于那些其他单元整体部分14a的形状和/或尺寸。例如，在图34所示的液晶显示装置600C中，位于存储电容线43上的每一单元整体部分14a像桶的形状(带有一般弧形角部分的一般矩形形状)，而其它的单元整体部分14a为一般星形形状。
尽管上面示出了一些单元整体部分14a位于存储电容线43上的例子，但也可以增加对显示做出贡献的面积相对于图像元素区域总面积的面积比例，这样通过采用在如存储电容线43等不透明元件上的区域尽可能由开口区域15占据的排列来改善亮度。
极化板和相位板的排列所谓的“垂直对准型液晶显示装置”包括在其中具有负电介质各向异性的液晶分子在没有施加电压的情况下垂直对准的液晶层，能够在各种显示模式中显示图像。例如，垂直对准型液晶显示装置除了在通过电场控制的液晶层的双折射显示图像的双折射模式中使用之外，还可在旋光模式或旋光模式与双折射模式组合的显示模式中使用。通过在上述任一液晶显示装置的一对衬底(如，TFT衬底和反向衬底)的外侧(远离液晶层30的侧)上提供一对极化板，就能够获得双折射模式的液晶显示装置。另外，需要的话还可提供相位差补偿器(典型的为相位板)。此外，通过使用一般的圆偏振光能够获得高亮度的液晶显示装置。
根据本发明，可高度连续性地稳定形成具有辐射状倾斜取向的液晶域。因此，能够进一步改善具有宽视角特性的常规液晶显示装置的显示质量。
另外，在每一图像元素区域中，多个单元整体部分在第一预定方向上排列为一条直线，由此能够增加图像元素区域中单元整体部分的面积比，以此提高孔径比。
另外，每一帧中，在与单元整体部分沿其排列的第一预定方向不同的第二预定方向上彼此相邻的图像元素用相反极性的电压驱动。因此，能够在第二预定方向上彼此相邻的图像元素之间产生具有急剧电势梯度的倾斜电场。这样，即使在采用电极间距短和高孔径比的排列时，也能够形成足够稳定的辐射状倾斜取向。
如上所述，本发明提供了一种液晶显示装置，具有宽视角特性、高显示质量和高孔径比，能够产生明亮的显示。
当在优选实施例中描述本发明时，对本领域中的技术人员来说，很明显所披露的发明可以很多形式进行修改，并可假设不同于上述那些特别陈述的许多实施例。因此，意图用所附的权利要求来覆盖落在本发明实质精神和范围内的所有修改变型。
权利要求
1.一种液晶显示装置，包括第一衬底；第二衬底；和一提供在第一衬底与第二衬底之间的液晶层，其中由第一电极和第二电极限定多个图像元素区域中的每一图像元素区域，该第一电极位于第一衬底的离液晶层较近的一侧上，该第二电极位于第二衬底上，以便经由其间的液晶层与第一电极相对；该第一电极包括，在多个图像元素区域的每一图像元素区域中，在第一方向上排列的多个单元整体部分，由此在第一电极与第二电极之间没有施加电压的情况下液晶层取垂直对准，并由倾斜电场在第一电极的多个单元整体部分中形成多个液晶域，该倾斜电场响应第一电极与第二电极之间施加的电压，在多个单元整体部分周围产生，多个液晶域中的每一个取辐射状倾斜取向；多个图像元素区域排列为矩阵模式，该矩阵模式包括在不同于第一方向的第二方向上延伸的多个行，并包括在第一方向上延伸的多个列；和每一帧中，在多个图像元素区域内的第一图像元素区域中跨过液晶层施加的电压的极性不同于多个图像元素区域内的第二图像元素区域中跨过液晶层施加的电压的极性，该第二图像元素区域所属的行与第一图像元素区域所属的行相同，所属的列与第一图像元素区域所属的列相邻。
2.如权利要求1所述的液晶显示装置，其中多个图像元素区域中的每一个具有在第一方向上限定其长度方向并在第二方向上限定其宽度方向的形状。
3.如权利要求1所述的液晶显示装置，其中每一帧内，在多个图像元素区域中属于一个列的多个图像元素区域里跨过液晶层施加的电压的极性为每n行(在此n为1或更大的整数)反向。
4.如权利要求1所述的液晶显示装置，其中每一帧内，在第一图像元素区域中跨过液晶层施加的电压的极性不同于在第三图像元素区域中跨过液晶层施加的电压的极性，该第三图像元素区域所属的列与第一图像元素区域所属的列相同，所属的行与第一图像元素区域所属的行相邻。
5.如权利要求1所述的液晶显示装置，其中多个单元整体部分中的每一个的形状具有旋转对称性。
6.如权利要求5所述的液晶显示装置，其中多个单元整体部分中的每一个为一般的圆形形状。
7.如权利要求5所述的液晶显示装置，其中多个单元整体部分中的每一个为带有一般弧形角部分的一般矩形形状。
8.如权利要求5所述的液晶显示装置，其中多个单元整体部分中的每一个为带有锐角角的形状。
9.如权利要求1所述的液晶显示装置，其中第二衬底包括，在对应于多个液晶域中的至少一个液晶域的区域中，一取向调节结构，该取向调节结构施加取向调节力，用于至少在具有施加的电压的情况下将在至少一个液晶域中的液晶分子取向为辐射状倾斜取向。
10.如权利要求9所述的液晶显示装置，其中取向调节结构提供在至少一个液晶域的中心附近的区域内。
11.如权利要求9所述的液晶显示装置，其中取向调节结构施加取向调节力，用于即使在不存在施加的电压的情况下将液晶分子取向为辐射状倾斜取向。
12.如权利要求11所述的液晶显示装置，其中取向调节结构为从第二衬底突出进入液晶层中的第一突起。
13.如权利要求12所述的液晶显示装置，其中液晶层的厚度由第一突起限定，该第一突起从第二衬底突出进入液晶层中。
14.如权利要求1所述的液晶显示装置，其中第一衬底包括不与第一电极重叠的多个开口区域；和当在第一电极与第二电极之间施加电压时，液晶层由倾斜电场在多个开口区域中形成多个附加液晶域，每一附加液晶域取辐射状倾斜取向。
15.如权利要求14所述的液晶显示装置，其中多个开口区域中的至少一些具有大致相同的形状和大致相同的尺寸，并形成多个被排列以便具有旋转对称性的单元格。
16.如权利要求15所述的液晶显示装置，其中多个开口区域中的该至少一些开口区域的每一个的形状具有旋转对称对称性。
17.如权利要求15所述的液晶显示装置，其中多个开口区域中的该至少一些开口区域的每一个为一般的圆形形状。
18.如权利要求14所述的液晶显示装置，进一步包括在第一衬底的多个开口区域的每一个中的第二突起，其中该突起的侧表面对于液晶层的液晶分子施加取向调节力，该取向调节力的方向与由倾斜电场的取向调节方向相同。
19.如权利要求1所述的液晶显示装置，其中第一衬底进一步包括分别为多个图像元素区域提供的多个开关元件；和第一电极包括分别为多个图像元素区域提供的并分别由开关元件开关的多个图像元素电极，第二电极是与多个图像元素电极相对的至少一个反电极。
全文摘要
一种液晶显示装置包括图像元素区域，每一图像元素区域由第一电极和经由其间的液晶层与第一电极相对的第二电极限定。第一电极包括在每一图像元素区域中，在第一方向上排列的多个单元整体部分，由此在没有施加的电压的情况下，液晶层取垂直对准，并由倾斜电场在每个单元整体部分中形成带有辐射状倾斜取向的液晶域，该倾斜电场响应施加的电压在单元整体部分周围产生。图像元素区域排列为矩阵模式，该矩阵模式包括在不同于第一方向的第二方向上延伸的行和在第一方向上延伸的列，每一帧中，在第二方向上彼此相邻的图像元素用相反极性的电压驱动。
文档编号G02F1/1337GK1477428SQ03143889
公开日2004年2月25日 申请日期2003年6月24日 优先权日2002年6月24日
发明者久保真澄, 荻岛清志, 志 申请人:夏普公司