液晶显示器件及使用其的终端器件的制作方法

专利名称：液晶显示器件及使用其的终端器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液晶显示器件及终端器件，尤其涉及一种通过简单电极结构获得高透射率的面内切换(IPS)液晶显示器件及使用该液晶显示器件的终端器件。
背景技术：
由于薄外形、轻重量、小尺寸、低能耗及其他优点，利用液晶的显示器件已得到广泛发展并用于多种器件中，包括监视器、电视(TV)和其他大型终端器件；笔记本型个人计算机、自动柜员机、自动贩卖机和其他中型终端器件；以及个人TV、PDA(个人数字助理)、移动电话、移动游戏机和其他小型终端器件。在作为液晶显示器件基本组件的液晶面板中，通过使用电场控制液晶分子的取向来显示信息，根据液晶分子的最初取向和类型的结合、电场方向以及其他特性，已经提出了几种模式。在这些模式中，在常规终端器件中最常使用的模式包括使用简单矩阵结构的STN(超扭曲向列)模式、和使用有源矩阵结构的TN(扭曲向列)模式。然而，使用这些模式的液晶面板具有可正确区分对比度但较窄范围的角度，且在最佳观察位置之外发生灰度反转。
当显示内容主要由电话号码和其他符号组成时，灰度反转的问题在移动电话和其他终端器件中相对不明显。然而，随着最近技术的发展，终端器件已经不仅可以显示文本信息，而且还显示大量的图像信息。因此灰度反转使图像可视性急剧下降。因此在终端器件中逐渐装配使用下列模式的液晶面板，该模式具有较宽范围的可正确区分对比度的角度，而没有发生灰度反转。具有这种模式的液晶面板一般称作宽视角液晶面板，其中使用IPS系统和其他水平场模式、以及多畴垂直对准模式、膜补偿TN模式等。
在这些宽视角液晶面板中使用的宽视角模式中的膜补偿TN模式中，通过给TN模式液晶面板接合视角补偿膜来改善视角。首先，在TN模式液晶面板中，没有施加电压时液晶分子预先平行于基板对准。在TN模式中，使用具有单轴正折射率各向异性的液晶，其中液晶分子具有较大折射率的方向如此对准，即其平行于基板。当在该状态中施加电压时，液晶分子在垂直于基板的方向上竖起。然而，由于确定最初取向的取向膜的取向力的影响，在接近基板边界甚至施加高电压时，液晶分子也不能完全垂直竖起，液晶分子在相对于基板倾斜的方向上取向。具体地说，其中液晶分子的折射率大的方向相对于基板具有角度。在该排列中，当从折射率大的方向上观察液晶分子时，当该方向变化即使变化较小的量时，液晶分子的表观折射率也会显著变化，表观折射率的这一变化使视角变窄。因此，在膜补偿TN模式中的视角补偿膜用于将在前述倾斜方向上取向的液晶分子的表观折射率变化最小化。该膜的一个例子是如此设置的补偿膜，使得碟状化合物与在倾斜方向上取向的液晶分子对应。当使用该补偿膜时，可减小当施加电压时靠近基板边界的液晶分子的影响。因此，可抑制灰度反转，提高视角特性。
在前述宽视角模式中的多畴垂直对准模式是具有下述畴的一种系统，在畴中倾斜方向在当不施加电压时具有垂直对准状态的垂直对准模式液晶面板中彼此补偿，且畴中通过施加电压液晶分子在平行于基板边界的方向上倾斜。当液晶分子仅在一个方向上倾斜时，例如在不是多畴的垂直对准模式中，视角由在倾斜方向上取向的液晶分子的影响而变窄，当施加电压时与前述TN模式中一样。因此在多畴垂直对准模式中采取像给基板提供不规则表面这样的措施，以产生其中倾斜方向彼此不同的多个畴。具体地说，在特定方向上倾斜的液晶分子可由在不同方向上倾斜的另一个畴的液晶分子进行光学补偿，改善了视角。
尽管当施加电压时液晶分子倾斜取向，但膜补偿TN模式和多畴垂直对准模式具有共有的特性，即倾斜液晶分子的影响可被光学补偿，改善视角。
相反，即使当在IPS或其他横向电场模式中施加电压时，液晶分子也不相对于基板成角度取向，因此这些模式产生了根本的宽视角。
图1是在日本待审专利申请第2002-296611号中所述的在第一常规液晶显示器件中使用的IPS液晶面板的示意性截面图。如图1中所示，在第一常规液晶面板1300中，在一对基板1200，1201之间设置有液晶分子1202，在基板1201面对液晶分子的表面上设置有一对电极1203，1204。该对电极1203，1204形成在相同的层上，并具有平行电极型结构。常规IPS系统中的尺寸d，w和L满足关系L/d＞1，L/w＞1，其中d是单元间隙，即该对基板1200，1201之间的距离；w是电极宽度；L是该对电极之间的距离。具体地说，电极之间的距离大于单元间隙且大于电极宽度。如图中所示，电极1203，1204取向的方向定义为Y方向，基板1200，1201层叠的方向定义为Z方向。X方向定义为与Y方向和Z方向正交的方向，图中示出了每个方向的正方向。
在如日本待审专利申请第2002-296611号中所述构造的第一常规液晶面板中，通过给该对电极1203，1204施加不同的电压而在该对电极1203，1204之间产生横向电场E。位于该对电极1203，1204之间的液晶分子由该横向电场E驱动。因为液晶分子不在XY平面内旋转且不在Z方向上竖起，所以使用者不会从液晶分子具有相当大折射率各向异性的方向上观察液晶分子。具体地说，前述的膜补偿TN模式和多畴垂直对准模式通过减小在倾斜方向上竖起的液晶分子的影响而改善视角特性，而IPS系统由于液晶分子不在倾斜方向上竖起而具有显著优越的视角特性。
图2是显示在日本待审专利申请第2002-296611号中所述的第二常规液晶显示器件中使用的液晶面板的示意性横截面图。该第二常规液晶面板根据边缘场/切换(FFS)系统而工作，该边缘场/切换(FFS)系统是IPS系统的修改形式。如图2中所示，在第二常规液晶面板2300中，在一对基板2200，2201之间设置有液晶分子2202，在基板2201面对液晶分子的表面上形成有作为第一电极的电极2204，在电极2204面对液晶的表面上层叠有绝缘膜2205，在绝缘膜2205上形成有第二电极2203。该电极2203是梳状的，与参照第一常规液晶面板中所述的电极一样，而电极2204没有构图成梳状。与前述的第一常规液晶面板中一样，FFS系统中的尺寸d，w和L满足关系L/d＝0，L/w＝0，其中d是单元间隙，即基板2200，2201之间的距离；w是电极2203的宽度；L是电极2203和电极2204之间的距离。换句话说，该两种电极形成在不同的层中，即梳状电极2203通过绝缘膜2205层叠在电极2204上，因此电极间距离L基本上为零。
在如日本待审专利申请第2002-296611号中所述构造的第二常规液晶面板中，通过给电极2203，2204施加不同的电压而在电极2203，2204之间产生横向电场E。然而，由于不同的电极结构，该电场的方向与前述第一液晶面板的不同。具体地说，依照IPS系统的前述第一液晶面板中的电极1203，1204具有平行的电极结构，其中当从Z方向观察时电极1203，1204平行于Y方向设置，因此电场指向Y方向。然而，因为FFS系统中的电极2203，2204具有层叠结构，其中电极2203，2204层叠在Z方向上，所以在Y方向上以及在垂直于基板平面的Z方向上存在较强的电场分量，尤其是接近电极2203的边缘。
结果，甚至当驱动位于电极1203，1204之间的液晶分子1202时，也几乎不驱动位于IPS系统中电极之上的液晶分子，而在FFS系统中，位于电极2203之间的液晶分子和位于电极2203上的液晶分子2202受到驱动。因此，当电极由氧化铟锡(之后简写为ITO)等组成的透明导电膜形成时，FFS系统具有下述优点，即电极部也可助于显示，相对于在相同条件下操作的IPS型液晶面板来说提高了透射率。
已经披露了，除如图2中所示的层叠电极结构之外，通过采取其中如图1中所示电极形成在相同层中的平行电极结构，作为依照FFS系统的另一电极结构，可获得相同的效果。尤其是，通过设定关系L/d＜1，L/w＜1，即保持电极间的距离小于单元间隙和电极宽度，可获得所述效果。
然而，前述常规的液晶显示器件具有下面的问题。具体地说，因为在如上所述常规的IPS系统中不能驱动位于电极之上的液晶分子，所以液晶面板的透射率下降。尽管常规的电极层叠型FFS系统与常规的IPS系统不同之处在于，位于电极之上的液晶分子也可被驱动，但电极结构很复杂且需要增加制造工序的数量，因而增加了成本。这些问题，即透射率减小和由于制造工序数增加导致的成本增加，在涉及小尺寸和中尺寸的终端器件应用中是尤其显著的。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种尤其在面内切换(IPS)液晶显示器件中通过简单的电极结构获得高度透射率的液晶显示器件，并提供一种利用该液晶显示器件的终端器件。
依照本发明的液晶显示器件包括至少具有平行电极对的基板、设置在基板上的液晶层、和在所述液晶层中受所述平行电极对产生的电场驱动的液晶分子，其中所述平行电极对的电极宽度小于所述液晶层的厚度，在所述电极之间的液晶分子的取向被所述平行电极对产生的电场改变，设置于电极之上的液晶分子的取向根据在所述电极之间的液晶分子的取向变化而在与所述电极之间的液晶分子相同的方向上变化，设置于电极之上的液晶分子取向矢与电极之上的电场的方向不同。
在本发明中，当施加电压时，电极之上的液晶分子的取向在与电极之间的液晶分子取向相同的方向上变化。因此，可提高透射率，尤其是电极之上的透射率，并可提高液晶显示器件的透射率，包括电极之间的透射率。不仅在电极之上而且还在电极之间可提高电极附近的透射率。与其中电极宽度大于液晶层厚度的常规平行电极IPS系统相比，该效果尤其显著。因此可获得具有高透射率的横向电场模式液晶显示器件。此外，因为在本发明的液晶显示器件中，设置于电极之上的液晶的取向根据电极之间的液晶的取向的变化而变化，所以可抑止液晶分子的升起。结果，可改善视角特性。
组成平行电极对的电极之间的距离优选等于或大于电极的宽度。由此可提高由平行电极对产生的电场覆盖的电极排列方向的比率，因此可以较低的电压驱动器件。液晶分子的扭曲弹性常数优选小于液晶分子的弯曲弹性常数。因而设置于电极之上的液晶分子很容易根据由电场引起的电极之间液晶分子的取向变化而改变取向。因此可有效提高设置于电极之上和电极附近的液晶层的透射率。
液晶层的液晶分子优选具有正介电各向异性，设置于组成平行电极对的电极之上的液晶层优选具有下述液晶分子，即其中当在平行电极对中产生电场时液晶分子呈现的取向矢是组成平行电极对的电极的排列方向。由此可更加有效地提高设置于电极之上的液晶层的透射率。
液晶层的液晶分子还可具有负介电各向异性。因为具有负介电各向异性的负型液晶分子在与电场正交的方向上改变取向，所以可比当使用正型液晶分子时更加有效地阻止液晶分子遵循纵向电场，并更有利于XY平面内的旋转。由此与正型液晶相比可有效地提高电极之上的透射率。结果，可提高液晶显示器件的透射率，包括电极之间的透射率。因为可抑止液晶分子的升起，所以还可改善视角特性。
设置于组成平行电极对的电极之上的液晶层优选具有下述液晶分子，即其中当在平行电极对中产生电场时液晶分子呈现的取向矢是组成平行电极对的电极的纵向方向。由此在使用具有负介电各向异性的液晶的液晶显示器件中，可提高透射率，尤其是电极之上的透射率。
组成平行电极对的电极的宽度以及电极之间的间隙的组合值优选等于或小于所述液晶层的厚度。尤其是，电极之上的液晶取向与电极之间的液晶取向更加一致，可进一步提高透射率。因为加强了电极排列方向上的电场，所以可降低操作电压，减小功率消耗。
平行电极对形成在相同的层中。该结构不需要层叠电极的制造工序，因此减小了液晶显示器件的成本。
液晶显示器件还包括形成在平行电极对面对液晶层的一侧上并在组成平行电极对的电极之间的涂层。因为可减小由电极导致的表面不规则性，所以在不损害取向特性的情况下可减小电极间距，并获得了较高的对比度。
液晶显示器件在组成平行电极对的电极之间还具有平坦化层。因此电极之间的间隙由平坦化层填充，形成平坦的表面。因此，不仅可以与设置上述涂层情形相同的方式改善取向特性，而且因为平坦化层不设置在电极之上，所以还可减小驱动电压。
平行电极对也可由透明导体形成。该结构可获得本发明的一些效果，由此提高了透射率，尤其是电极之上的透射率。
平行电极对还可由金属组成。由此很容易减小电极的厚度，并可提高电极附近区域的透射率。因此可提高液晶显示器件的透射率。
在面对液晶层的表面上还给平行电极对的表面设置反射减小装置。因此可解决由金属表面处外部光的反射导致的显示质量下降的问题。
平行电极对的电极宽度优选为1μm或更小。由此设置于电极之上的液晶分子以与电极之间的液晶分子相同的取向放置，因此可进一步提高透射率。
液晶显示器件还可以常白模式操作。在本发明中，因为液晶层用作具有均匀取向的延迟膜，所以可抑止在黑色显示过程中的光泄漏，可显著提高显示的对比度。
平行电极对还具有像素放大装置，用于在电极排列的方向上放大像素图像。在本发明中，因为液晶层具有均匀取向并抑制了平面内的透射率波动，所以由像素放大装置放大的像素图像可获得均匀的亮度，高图像质量变为可能。因此可获得高图像质量立体图像显示器件或多画面图像显示器件，或光利用效率提高的明亮液晶显示器件。
依照本发明的液晶显示器件的一个特征是，通过由平行电极对产生的电场使在所述电极之间的所述基板附近设置的液晶分子经历取向变化；在所述电极之间液晶层厚度方向上远离基板附近而设置的区域中的液晶分子根据该取向变化在相同的方向上经历取向变化；电极之上的液晶分子根据电极之间液晶分子的取向变化在相同的方向上经历取向变化；在电极之间远离基板附近而设置的区域中的液晶分子的取向矢的方向与电场的方向不同；且电极之上的液晶分子的取向矢的方向与电场的方向不同。
在本发明中，与过去的格式相比，更多的液晶分子经历扭曲变形，尤其是远离基板的区域中的液晶能够经历扭曲变形，与现有技术相比，可获得较高的透射率。
在厚度方向上离基板最远的区域中的液晶层中存在下述电场区域，其中电极之间的电场强度等于或小于电极之上的电场强度。通过使用平行电极对结构产生依照本发明的电场结构，可在厚度方向上离基板最远的液晶中的区域中，即对向基板附近产生弱电场层。通过这样产生的弱电场层，对向基板附近设置的液晶层很容易经历扭曲变形。
此外，组成平行电极对的电极的宽度以及电极之间的间隙的组合值优选等于或小于所述液晶层的厚度。因此在设置于平行电极对附近的液晶层中的位置可限制比弱电场电场强度大的强电场，并在液晶层中离基板最远的区域中产生弱电场。
依照本发明的液晶显示器件的一个特征是，通过由平行电极对产生的电场使在电极之间的基板附近设置的液晶分子经历取向变化；在电极之间的液晶层厚度方向上的中心区域中的液晶分子在相同的方向上经历取向变化；电极之上的液晶分子在与电极之间液晶分子的取向变化相关的相同方向上经历取向变化；在电极之间的液晶层厚度方向上的中心区域中的液晶分子的取向矢的方向与电场的方向不同；且电极之上的液晶分子的取向矢的方向与电场的方向不同。
在本发明中，因为电场在液晶层取向装置的锚定力最弱的液晶层厚度方向上的中心区域中弱，所以液晶分子可更自由地移动，液晶可更有效地经历扭曲变形，并获得较高的透射率。此外，因为可抑制液晶分子在垂直于基板的方向上升起，所以可改善视角特性。此外，因为液晶层以均匀的方式经历扭曲变形，所以可获得在平面内具有均匀相位延迟分布的延迟膜。
在厚度方向上离基板最远的区域中的液晶层中存在下述电场区域，其中电极之间的电场方向垂直于所述基板面。通过使用平行电极对结构产生依照本发明的电场结构，不仅可在电极上而且可在电极之间产生垂直电场。结果，等位线与最初存在于电极之上的垂直电场相交，产生横跨多个电极的等位线。因此，可在厚度方向上液晶层的中心附近感应弱电场，在位于朝向对向基板的一半液晶层中可更加容易发生扭曲变形。
此外，组成平行电极对的电极的宽度以及电极之间的间隙的组合值等于或小于所述液晶层的厚度。因此可在从大致中心起位于靠近对向基板一侧的液晶中产生弱电场。
此外，液晶分子优选具有小于弯曲弹性常数的扭曲弹性常数。因此可抑制液晶分子向着垂直于基板平面的方向升起，并可使其他区域中的液晶分子根据通过电场的方式已经经历扭曲变形的液晶分子而经历扭曲变形，提高了液晶层的透射率。
液晶层的液晶具有正介电各向异性；在组成平行电极对的电极之上的液晶层中，优选具有下述液晶分子，即当在平行电极对上产生电场时其取向矢的方向与组成平行电极对的电极的排列方向一致。尤其是当与本发明的电场结构组合使用时，可允许使用一般不昂贵且具有出色特性的正型液晶，并可提高透射率。
可选择地，液晶层的液晶具有负介电各向异性；在组成平行电极对的电极之上的液晶层中，优选具有下述液晶分子，即当在平行电极对上产生电场时其取向矢的方向与组成平行电极对的电极的长度方向一致。因为具有负介电各向异性的负型液晶分子以与电场成直角的方式经历取向变化，所以与使用正型液晶分子相比，可更大程度地阻止液晶分子遵循垂直电场，有利于XY平面内的旋转。这样，与正型液晶分子相比，可显著提高电极上的透射率，结果液晶显示器件可获得较高的透射率，包括电极之间的透射率。此外，可抑制液晶分子的升起，并可改善视角特性。
此外，平行电极对形成在相同的层中。这样，不需要层叠电极的工序，因此可降低液晶显示器件的成本。
可在平行电极对的液晶层一侧上和组成该平行电极对的电极之间设置涂层。这样可减小由电极导致的不规则性，因此即使电极间距较小，也不会负面地影响取向，并可获得较高的对比度。
可在组成平行电极对的电极之间设置平坦化层。因为电极之间的间隙可由平坦化层填充并平坦化，所以不仅可以与设置前述涂层类似的方式改善取向，而且还可减小驱动电压，因为在电极之上没有设置平坦化层。
平行电极对还可由透明电介质组成。这样尤其可享受到本发明的优点，即在电极之上的较高透射率。
平行电极对还可由金属组成。这样很容易将电极做细，并可提高电极附近区域的透射率，从而改善液晶显示器件和透射率。
平行电极对还可在其面向液晶层的表面上设置反射减小装置。因此可解决由金属表面处外部光的反射造成的显示质量下降的问题。
平行电极对的电极宽度优选为0.5μm或更小。由此可将本发明中的液晶层厚度设在大约5μm范围内，并可使取向装置的锚定能量有效地作用在取向变形上，从而可改善响应时间，尤其是关断时的响应时间。
此外，优选在平行电极对上形成反旋转畴阻止结构。由此可抑制由平行电极对端部导致的、液晶分子不希望的取向变形现象的出现并作为整体产生向着平行电极对传播，并可获得一致的扭曲变形。
液晶显示器件也可以常白模式操作。在本发明中，因为液晶层用作具有均匀取向的延迟膜，所以可抑制黑色显示过程中的光泄漏，可显著提高显示的对比度。
平行电极对还可具有像素放大装置，用于在电极排列的方向上光学放大像素图像。在本发明中，因为液晶层具有均匀取向并抑制了平面内的透射率波动，所以由像素放大装置放大的像素图像可获得均匀的亮度，高图像质量变为可能。因此可获得高图像质量立体图像显示器件或多画面图像显示器件，或光利用效率提高的明亮液晶显示器件。
依照本发明的终端器件包括前述的液晶显示器件。
终端器件包括移动电话、个人信息终端、游戏机、数码照相机、摄像机、视频播放器、笔记本型个人计算机、自动柜员机、或自动贩卖机。
本发明提供一种具有平行电极对的IPS液晶显示器件，其中该平行电极对的电极宽度比液晶层的厚度小，电极之间液晶分子的取向通过由平行电极对产生的电场改变，设置在电极之上的液晶分子的取向根据电极间液晶分子取向的变化以与电极间液晶分子相同的方向变化，并且设置在电极之上的液晶分子的指向矢的方向不同于电极之上电场的方向，由此可以增加电极之上的透射率和电极附近的透射率，并因此可借助简单的电极结构增加液晶显示器件的透射率。


图1是显示在日本待审专利申请第2002-296611号中所述的第一常规液晶显示器件中使用的IPS型液晶面板的示意性截面图；图2是显示在日本待审专利申请第2002-296611号中所述的第二常规液晶显示器件中使用的FFS型液晶面板的示意性截面图；图3是显示其中在依照本发明第一个实施方案的液晶显示器件中施加电压的状态的截面图；图4是显示当在作为本实施方案组件的共享电极和像素电极之间没有施加电压时液晶分子取向状态的截面图；图5是显示装备有依照本实施方案的液晶显示器件的终端器件的透视图；图6是显示当在共享电极和像素电极之间没有施加电压时液晶显示器件的透射率分布的显微图；图7是显示当在共享电极和像素电极之间施加±5V/60Hz矩形波电压时液晶显示器件的透射率分布的显微图；图8是通过在电极之间的中心部分中具有1μm直径的区域内测量电压-透射率特性而获得的曲线；图9是通过在电极之上具有1μm直径的区域内测量电压-透射率特性而获得的曲线；图10显示了模拟本实施方案的液晶取向、电场分布和透射率分布的结果；图11是显示在图10中所示模拟结果中在电极之上的液晶取向的放大图；图12是通过在具有100μm直径且包括电极之上和电极间区域的区域中测量电压-透射率特性而获得的曲线；图13是显示其中在依照本发明第一个对比例的液晶显示器件中施加电压的状态的截面图；图14是显示当在共享电极和像素电极之间施加±5V/60Hz矩形波电压时液晶显示器件的透射率分布的显微图；图15是通过在电极之间的中心部分中具有1μm直径的区域内测量电压-透射率特性而获得的曲线；图16是通过在电极之上具有1μm直径的区域内测量电压-透射率特性而获得的曲线；图17显示了模拟本实施方案的液晶取向、电场分布和透射率分布的结果；图18是显示在图17中所示模拟结果中在电极之上的液晶取向的放大图；图19是通过在具有100μm直径且包括电极之上和电极间区域的区域中测量电压-透射率特性而获得的曲线；图20是在依照本发明第二个对比例的液晶显示器件中，通过在具有100μm直径且包括电极之上和电极间区域的区域中测量电压-透射率特性而获得的曲线；图21是显示其中在依照本发明第二个实施方案的液晶显示器件中施加电压的状态的截面图；图22显示当在作为本实施方案组件的共享电极和像素电极之间没有施加电压时液晶分子取向状态的截面图；图23是通过在具有100μm直径且包括电极之上和电极间区域的区域中测量电压-透射率特性而获得的曲线；图24显示了模拟本实施方案的液晶取向、电场分布和透射率分布的结果；图25是显示在图24中所示模拟结果中在电极之上的液晶取向的放大图；图26是在依照本发明第三个实施方案的液晶显示器件中，通过在具有100μm直径且包括电极之上和电极间区域的区域中测量电压-透射率特性而获得的曲线；图27是显示依照本发明第四个实施方案的液晶显示器件结构、和在作为液晶显示器件组件的像素电极和共享电极上不存在施加电压时液晶分子取向状态的截面图；图28是描述当给依照本实施方案的液晶显示器件施加电压时的电场结构和液晶取向的截面图，尤其是描述电场结构和液晶取向与透射率分布之间关系的模拟的截面图；图29是显示依照本发明第五个实施方案的液晶显示器件结构、和在作为液晶显示器件组件的像素电极和共享电极上不存在施加电压时液晶分子取向状态的截面图；图30是描述当给依照本实施方案的液晶显示器件施加电压时的电场结构和液晶取向的截面图，尤其是描述电场结构和液晶取向与透射率分布之间关系的模拟的截面图；图31是在依照本实施方案液晶显示器件中的反转畴阻止结构的俯视图；图32是依照本发明第六个实施方案的液晶显示器件结构的截面图；图33是依照本发明第七个实施方案的液晶显示器件结构的截面图；图34是依照本发明第八个实施方案的液晶显示器件结构的截面图；图35是依照本发明实施方案的作为液晶显示器件组件并组成光线调制元件的隔栅的透视图。
具体实施例方式
之后将参照附图详细描述依照本发明实施方案的液晶显示器件及使用该液晶显示器件的终端器件。首先将描述依照本发明第一个实施方案的液晶显示器件及使用该液晶显示器件的终端器件。图3是显示其中在依照本实施方案的液晶显示器件中施加电压的状态的截面图，图4是显示当在作为本实施方案组件的共享电极和像素电极之间没有施加电压时液晶分子取向状态的截面图，图5是显示装备有依照本实施方案的液晶显示器件的终端器件的透视图。
在依照图3中所示本实施方案的液晶显示器件1中，主基板2a和对向基板2b设置成跨过非常小的间隙而彼此面对，在面对对向基板2b的主基板2a的表面上形成有包括像素电极3a和共享电极3b的两种电极。这两种电极形成梳状，像素电极3a和共享电极3b设置成在与梳的纵向方向正交的方向(图3中的横向方向)上彼此交替。这些电极由ITO(氧化铟锡)或另一种透明导体组成。在面对对向基板2b的表面上还形成有用于提供液晶分子最初取向的取向膜4。在面对主基板2a的对向基板2b的表面上也以相同方式形成有取向膜4。在主基板2a和对向基板2b之间设置有由具有正介电各向异性的正型液晶分子51组成的层。主基板2a和对向基板2b之间的间隙，即由正型液晶分子51组成的层的厚度例如设为3μm。液晶分子的层厚度在本实施方案中称作单元间隙。在实际的液晶显示器件中，在液晶显示器件1的两侧设置有光导板，但是在图3中没有示出光导板。
在本说明书中为了方便起见，在下面的描述中建立了XYZ正交坐标系统。从主基板2a到对向基板2b的方向为+Z方向，相反方向为-Z方向。+Z方向和-Z方向共同地称作Z轴方向。图3中的横向方向为Y轴方向，其中右手方向为+Y方向，相反方向为-Y方向。+X方向是其中建立了右手坐标系统的方向。具体地说，当人的右拇指在+X方向上时，食指在+Y方向上，中指在+Z方向上。
当如上所述建立XYZ正交坐标系统时，其中以交替的方式设置像素电极3a和共享电极3b的方向为Y轴方向。其中像素电极3a或共享电极3b延伸的方向，即梳状电极的纵向方向为X轴方向。液晶显示器件1的显示表面为XY平面。
像素电极3a和共享电极3b形成为具有例如1μm的宽度，即电极宽度。像素电极3a和共享电极3b之间的间隙，即电极间距离例如设为6μm。如上所述，因为本实施方案中的单元间隙设为3μm，所以在本实施方案中电极宽度设为比单元间隙小。
如前面所述，在日本待审专利申请第2002-296611号中所述的第一常规液晶显示器件中使用的IPS系统中，电极具有平行结构，其中L/d＞1，L/w＞1。具体地说，如此确定该结构，即电极间距离大于单元间隙，且大于电极宽度。然而，在本实施方案中满足关系w/d＜1。具体地说，电极宽度小于单元间隙。
本实施方案具有平行电极结构，因此尤其是相对于在日本待审专利申请第2002-296611号中所述的第二常规液晶显示器件中使用的FFS系统中的层叠电极结构来说，其具有不同的电极结构。本实施方案还尤其不同于依照FFS系统的具有平行电极结构的系统。差别是电极间距离大于单元间隙和电极宽度，而前述的平行电极型FFS系统如此确定，即L/d＜1，L/w＜1(即电极间距离小于单元间隙和电极宽度)。
当液晶分子集团根据电场改变形状时，对于分别包括张开、扭曲和弯曲的每种应变来说，根据张开弹性常数(splay elastic constant)K11、扭曲弹性常数K22、和弯曲弹性常数K33来产生弹性力。
在一个实施例中，正型液晶分子51具有下述物理特性，其包括在500nm波长为0.1的折射率各向异性Δn、14的介电各向异性Δε、在平行于液晶取向矢的方向上为18.4的介电常数、和其中K11＝11.3[pN](picoNewtons，皮可牛顿)，K22＝6.9[pN]，K33＝11.6[pN]的弹性常数。在该这些液晶分子中扭曲弹性常数K22小于弯曲弹性常数K33，很容易产生扭曲。
在如图4中所示的正型液晶分子51的取向状态中，在其中像素电极3a和共享电极3b之间没有施加电压的最初状态中，液晶分子的纵向方向大致在X轴方向上取向。设置在液晶显示器件1两侧上的前述光导板之一如此设置，即其吸收轴在液晶分子的纵向方向上，另一个光导板如此设置，即其吸收轴与第一光导板的吸收轴正交。
当在正型液晶分子51的取向状态中在共享电极3b和像素电极3a之间施加±5V/60Hz矩形波电压时，取向工序在电极之间的主基板2a和对向基板2b的边界附近具有锚定效果。这些区域中的正型液晶分子51大致在X轴方向上取向，但是随着距基板边界的距离增加，液晶分子根据由平行电极产生的横向电场方向，与Y轴方向对齐。在设置于电极之上的液晶的取向状态中，在对向基板2b边界附近最初取向保持作用，与电极之间的相同，但是随着距对向基板2b的距离增加，液晶分子以与电极之间相同的方式变为在Y轴方向上取向。尽管在主基板2a中的像素电极3a或共享电极3b的附近看到向着Z轴方向的一些升起，但是该部分的液晶层的厚度小于1μm。
具体地说，如前面所述，在日本待审专利申请第2002-296611号中所述的第一常规液晶显示器件中使用的IPS系统中的电极之上设置的液晶分子几乎没有驱动。然而在本实施方案中，设置于电极之上的液晶分子变为在Y轴方向上取向，其是电极之间的液晶分子的取向方向。
在日本待审专利申请第2002-296611号中所述的第二常规液晶显示器件中使用的FFS系统中的平行电极结构和层叠电极结构中，通过由于较小电极间距离而产生的较强Z方向电场分量来改变设置于电极之上的液晶分子的取向。然而，在本实施方案中大部分设置于电极之上的液晶分子根据电极之间液晶分子取向的变化而变为Y轴方向上的取向。
如图5中所示，该液晶显示器件1例如装配在移动电话9中。
接下来将描述依照本实施方案的如上所述构造的液晶显示器件的操作。具体地说，将描述依照本实施方案的液晶显示器件的光学调制操作。图6是显示当在共享电极和像素电极之间没有施加电压时液晶显示器件的透射率分布的显微图。图7是显示当在共享电极和像素电极之间施加±5V/60Hz矩形波电压时液晶显示器件的透射率分布的显微图。图8是通过在电极之间的中心部分中具有1μm直径的区域内测量电压-透射率特性而获得的曲线。图9是通过在电极之上具有1μm直径的区域内测量电压-透射率特性而获得的曲线。图10显示了模拟液晶取向、电场分布和透射率分布的结果，以分析当在液晶显示器件中施加电压时的操作原理。图11是显示在图10中所示模拟结果中在电极之上的液晶取向的放大图。图12是通过在具有100μm直径且包括电极之上和电极间区域的区域中测量电压-透射率特性而获得的曲线。
如图6中所示，当在共享电极和像素电极之间没有施加电压时，液晶分子的纵向方向与光导板吸收轴的方向匹配，且因为两个光导板设置成吸收轴彼此正交，所以透射率极低，产生了所谓的黑态。
如图7中所示，当在共享电极和像素电极之间施加电压时，产生了其中透射率较高的白态。在本实施方案中，不仅在电极之间的区域中，而且还尤其在电极之上的区域中提高了透射率。图8是通过在电极之间的中心部分中具有1μm直径的区域内测量电压-透射率特性的结果的曲线，以分析透射率值。图9是显示在电极之上具有1μm直径的区域中以相同的方式测量电压-透射率特性的结果的曲线。忽略光导板的光学特性的影响，当两个光导板设置成吸收轴彼此平行时透射率的值确定为100％。施加从0V到5V的电压。在4.5V电压时在电极之间的中心部分中获得64％的最大透射率。在4.5V时在电极之上以相同的方式获得47％的最大透射率。电极之上的透射率值大于其中电极宽度相当大的常规IPS系统的透射率值。
为了作为施加电压的结果增加电极之上的透射率，设置于电极之上的液晶分子的取向方向必须如此变化，使得透射率作为施加电压的结果增加。具体地说，液晶分子的取向矢必须根据电极之间的液晶分子而变为Y轴方向。因此使用商业上可获得的液晶取向模拟器来研究液晶分子的场分布和行为，以分析设置于电极之上的液晶分子的取向变化。图10中显示了该模拟的结果，但这些结果主要是对于YZ平面的。在相等的电位处用等位线表示电场分布。如图10中所示，尤其在电极之间的中心部分附近电场在Y轴方向上取向，因此液晶分子显著在Y轴方向上旋转。在电极之间区域的靠近基板部分中，由于由取向过程导致的锚定效果，一些液晶分子不会旋转到Y轴方向，但是其相对于Z轴方向的比率极小。然而在电极之上的区域中，电场大致在+Z方向上取向，因此由于在Z轴方向上产生的纵向电场，观察到极其靠近电极的液晶分子稍微上升(见图1)，但是其相对于Z轴方向角度的比率较小。很清楚，大部分液晶分子不会遵照电场的方向，而是以与电极之间的液晶分子相同的方式显著在Y轴方向上旋转。具体地说，在电极附近之外的电极之上的区域中，液晶分子根据电极之间液晶分子的取向而旋转到Y轴方向，而不是将取向变为在Z轴方向上取向的纵向电场的方向。结果，电极之上的透射率增加了。
电极宽度小于单元间隙的事实作为原因导致设置于电极之上的液晶分子违背纵向电场并服从电极之间的液晶分子取向。因为靠近电极之间液晶分子的区域大于靠近基板边界的区域，所以很容易使设置于电极之上的液晶分子遵照电极之间的液晶分子取向，而不限制到基板边界的最初取向。在日本待审专利申请第2002-296611号中所述的常规IPS系统中，当施加电压时设置于电极之上的液晶分子的取向几乎没有从初始状态变化，该原因被认为是基板边界出的限制效果较大。在本实施方案中，因为电极宽度小于单元间隙，所以在电极边界处的限制效果相对降低，很容易使液晶分子遵照电极之间的液晶取向。
具体地说，设置于电极之上的液晶分子显示出，其对与电场相反而依照电极之间的液晶取向而扭曲比对与电场相反而保持在原始取向能量上更加稳定。
设置于电极之上的液晶分子遵照电极之间的液晶取向还使靠近电极的液晶分子比在常规IPS系统中更加容易地扭曲，因此获得了电极之间的透射率提高的效果。
如在本实施方案中的正型液晶分子51中，将扭曲弹性常数K22减小到小于液晶分子的弯曲弹性常数K33可使扭曲时的自由能降低，使得设置于电极之上的液晶分子更加容易地根据电极之间的液晶分子来扭曲。由此更有效地提高了设置于电极之上的液晶层的透射率。
如图12中所示，本实施方案中的最大透射率为56％，其是本发明下述第一对比例中的常规IPS系统中的透射率的1.3倍。
在本发明的液晶显示器件中，当在具有梳状平行电极的横向电场模式液晶显示器件中施加电压时，可使设置于电极之上的液晶分子在与电极之间的液晶分子相同的方向上取向其自己。因此尤其可提高电极之上的透射率，并可提高液晶显示器件的透射率，包括电极之间的透射率。此外，不但在电极之上而且还在电极之间可提高靠近电极的区域的透射率。因为与其中电极宽度等于或大于单元宽度的常规平行电极型IPS系统相比这些效果尤其显著，所以获得了具有高透射率的横向场模式液晶显示器件。
特别是当与常规的层叠电极型FFS系统相比时，在本发明的液晶显示器件中通过其中电极没有层叠的平行电极型结构可提高透射率。因为不需要使用复杂的层叠工序就可获得液晶显示器件，所以减小了液晶显示器件的成本。
特别是当与常规的平行电极型FFS系统相比时，在本发明的液晶显示器件中可在像素电极和共享电极之间设置较大的空间。因此可降低电极之间短路的可能性，可高产率地制造液晶显示器件。
此外，在层叠电极型或平行电极型FFS系统的任意一种中，可通过由于电极之间的较小距离而产生的较强Z方向电场分量来改变设置于电极之上的液晶分子的取向，而在本发明的液晶显示器件中，设置于电极之上的液晶取向如此变化，以便与电极之间的液晶取向的变化一致。因此抑制了液晶分子在Z轴方向上的升起。结果，因为与FFS系统相比抑制了液晶分子在倾斜方向上的升起，所以改善了视角特性。
在本发明的液晶显示器件中，电极之间的液晶分子和设置于电极之上的液晶分子的取向方向还彼此对准。因此可减小Y轴方向上的折射率分布，这可抑制衍射。因为通过在倾斜方向上的衍射而传播的光减小了对比度，所以抑制该衍射导致了对比度提高，并改善了其他视角特性。
液晶显示器件的透射率在装配有本发明的液晶显示器件的移动终端器件中较高，因此有可能进行亮显示。当在大约常规亮度水平使用该显示器时，还可减小背光的强度，由此能减小功率消耗。如果在大约常规亮度水平使用通常量的功率时，可应用提高的透射率来增加像素数，由此能显示更多信息。该效果尤其适用于屏幕尺寸受限的移动终端器件。
在本实施方案的液晶显示器件中，描述了其中像素电极和共享电极由ITO或另一种透明导体组成的例子，但是本发明并不限于该结构，像素电极和共享电极可由光学非透明的金属组成。一般铝和其他金属比ITO使用更多，因此便于减小电极厚度。尽管使电极变为非透明稍微减小了电极之上的取向对于提高透射率贡献的比率，但是如前面所述，还通过减小靠近电极的区域中的厚度获得了提高透射率的效果。因此可提高整体透射率。当电极以这种方式由金属形成时，优选将电极宽度最小化，尤其优选小于1μm的电极宽度。
本实施例的液晶显示器件还描述为在液晶分子和基板的边界处具有取向膜，但是本发明并不限于该结构。当液晶分子处理成在预定方向上排列时，可不需要取向膜，其不是本发明的基本组件。
在本实施方案的液晶显示器件中，还描述了其中像素电极和共享电极形成在相同层中的情形，但是本发明并不限于该结构。像素电极和共享电极可形成在不同的层中，在这种情况下存在平行电极结构，并可在不同的电极层之间形成绝缘层。尤其是当本发明用于有源矩阵型显示器件时，可使用形成像素薄膜晶体管的栅极电极以及源极电极或漏极电极形成像素电极和共享电极，因为在平行电极中不必使用新的层，所以可降低成本。
像素电极和共享电极的纵向方向描述为X轴方向，但是本发明并不限于该结构。像素电极和共享电极可相对于X轴方向倾斜，该倾斜具有根据X轴上的坐标而变化的值，从而产生多畴结构。
如前面所述，本发明的液晶显示器件适宜用在移动电话或其他移动终端器件中。适合的移动终端器件不仅包括移动电话，而且还包括PDA(个人数字助理)、游戏机、数码照相机、数码摄像机、以及其他各种类型的移动终端器件。本发明的液晶显示器件不仅适用于移动终端器件，而且还适用于笔记本型个人计算机、自动柜员机、自动贩卖机、以及其他各种终端器件。
接下来将描述依照本发明液晶显示器件的第一对比例。图13是显示其中在依照本对比例的液晶显示器件中施加电压的状态的截面图。图14是显示当在共享电极和像素电极之间施加±5V/6Hz矩形波电压时本对比例的液晶显示器件的透射率分布的显微图。图15是通过在电极之间的中心部分中具有1μm直径的区域内测量电压-透射率特性而获得的曲线。图16是通过在电极之上具有1μm直径的区域内测量电压-透射率特性而获得的曲线。图17显示了当在液晶显示器件中施加电压时，模拟液晶取向、电场分布和透射率分布的结果，以分析工作原理。图18是显示在图17中所示模拟结果中在电极之上的液晶取向的放大图。图19是通过在具有100μm直径且包括电极之上区域和电极间区域的区域中测量电压-透射率特性而获得的曲线。
如图13中所示，依照第一对比例的液晶显示器件11与第一实施方案的液晶显示器件1区别在于电极宽度设为大的值。具体地说，像素电极3a和共享电极3b的电极宽度在第一个实施方案中为1μm，而第一个对比例中的像素电极31a和共享电极31b形成为具有3μm的电极宽度。因为单元间隙的值如在第一个实施方案中设为3μm，所以电极宽度和单元间隙在本对比例中相同。
此外，施加电压时正型液晶分子51取向状态中的取向过程在电极之间的主基板2a和对向基板2b的边界附近具有锚定效果。因此这些区域中的正型液晶分子51大致在X轴方向上取向，但是随着离基板边界的距离增加，其与由平行电极产生的横向电场方向一致，与Y轴方向对齐。这方面与第一实施方案中的相同。在设置于电极之上的液晶的取向状态中，最初取向在对向基板2b边界附近保持作用，与电极之间的相同，但是随着离对向基板2b的距离增加，液晶分子不在Y轴方向上对齐，保持最初取向状态。具体地说，在第一实施方案中，在远离对向基板2b的部分中，设置于电极之上的液晶分子在Y轴方向上对齐，而在本对比例中液晶分子不在Y轴方向上对齐。本对比例的其他方面与第一实施方案中的相同。
第一对比例与在日本待审专利申请第2002-296611号中所述的第一常规液晶显示器件中使用的IPS系统相同。具体地说，第一对比例是下述情形，即其中电极宽度等于或大于单元间隙，几乎没有驱动位于电极之上的液晶分子。
接下来将描述依照如上所述构造的本对比例的液晶显示器件的操作。如图14中所示，当在共享电极和像素电极之间施加电压时，透射率增加，从而产生白态。然而，在本对比例中，电极之间区域中的透射率增加，在照片中观察到的区域表现较亮，但电极之上的区域表现较暗并具有显著减小的透射率。图15显示在电极之间的中心部分中具有1μm直径的区域内测量电压-透射率特性的结果的曲线，以分析透射率值，图16是显示以相同的方式在电极之上具有1μm直径的区域内测量电压-透射率特性的结果的曲线。施加从0V到5V的电压。在电极之间中心部分中施加4.1V电压时获得了59％的最大透射率。然而在电极之上，在施加4.1V电压时以相同的方式获得的透射率达到了24％的最大透射率。具体地说，在电极之间的透射率值方面来说很显然与第一实施方案的效果相同，而电极之上的透射率值显著减小。
然后使用商业上可获得的液晶取向模拟器来分析电场分布、透射率分布、和液晶分子的取向，以研究电极之上透射率的降低。图17中显示了模拟的结果。图18是尤其显示在图17中所示结果中在电极之上的液晶取向的放大图。如图17中所示，尤其是在电极之间的中心部分附近，电场在Y轴方向上取向，因此液晶分子显著在Y轴方向上旋转。这导致了透射率增加。因为设置于电极之上的液晶分子很难与电极之间的取向变化相一致，而保持最初取向，如图18中所示，所以透射率在电极之上的区域中减小。具体地说，很显然在常规IPS系统中，几乎没有驱动设置于电极之上的液晶分子。结果，电极之上的透射率不会增加。
如图19中所示，电极之上和电极之间的最大透射率为44％，其比第一个实施方案低1.3倍。因而证实，因为在常规PS系统中设置于电极之上的液晶分子对增加透射率没有贡献，所以液晶显示器件的透射率减小。
接下来将描述依照本发明液晶显示器件的第二对比例。图20是在依照本对比例的液晶显示器件中，通过在具有100μm直径且包括电极之上和电极间区域的区域中测量电压-透射率特性而获得的曲线。
本对比例与第一对比例的区别在于电极宽度设为更大的值。具体地说，第一对比例中的电极宽度为3μm，而本对比例中的电极宽度为6μm。本对比例的其他方面与第一个对比例的相同。
如图20中所示，本对比例中的最大透射率下降到39％。具体地说，当电极宽度相对于单元间隙增加时，透射率下降，这是很显然的。
接下来将描述依照本发明第二个实施方案的液晶显示器件。图21是显示其中在依照本实施方案的液晶显示器件中施加电压的状态的截面图。图22显示当在作为本实施方案组件的共享电极和像素电极之间没有施加电压时液晶分子取向状态的截面图。图23是通过在具有100μm直径且包括电极之上和电极间区域的区域中测量电压-透射率特性而获得的曲线。
如图21中所示，依照本实施方案的液晶显示器件12与第一实施方案的液晶显示器件1的区别在于，用具有1.5μm宽度的像素电极32a和共享电极32b代替具有1μm宽度的像素电极3a和共享电极3b。像素电极32a和共享电极32b之间的间隙，即电极间距离设为3.8μm。在主基板2a和对向基板2b之间设置有由具有负介电各向异性的负型液晶分子52组成的层。主基板2a和对向基板2b之间的间隙，即由负型液晶分子52组成的层的厚度设为3.5μm。具体地说，尽管本实施方案中电极宽度、电极间距离和单元间隙的值与第一实施方案的不同，但在两个实施方案中电极宽度都小于单元间隙。
在一个例子中，负型液晶分子52具有下述物理特性，其包括在550nm波长时为0.1的折射率各向异性Δn、-6.2的介电各向异性Δε、在平行于液晶取向矢的方向上为4.1的介电常数、和其中K11＝14.6[pN]，K22＝6.7[pN]，K33＝15.7[pN]的弹性常数。负型液晶具有负的介电各向异性，在平行于液晶取向矢的方向上的透射率小于在垂直于取向矢的方向上的透射率。因为高透射率的方向与取向矢的方向正交，所以液晶变为垂直于电场的取向。在这些液晶分子中，扭曲弹性常数K22小于弯曲弹性常数K33，因此很容易发生扭曲，如第一实施方案中所述。也有效地提高设置于电极之上的液晶层的透射率。
在如图22中所示的负型液晶分子52的取向状态中，在像素电极32a和共享电极32b之间没有施加电压的最初状态中，液晶分子的纵向方向大致在Y轴方向上取向。
当在负型液晶分子52的取向状态中在共享电极32b和像素电极32a之间施加±6V/60Hz矩形波电压时，取向过程在电极之间的主基板2a和对向基板2b的边界附近具有锚定效果，如图21中所示。因此这些区域中的负型液晶分子52大致在Y轴方向上取向，但随着离基板边界距离增加，这些分子与X轴方向对齐，该X轴方向与由平行电极产生的横向电场的方向正交。在设置于电极之上的液晶的取向状态中，最初取向在对向基板2b边界附近保持作用，与电极之间的相同，但是随着离对向基板2b的距离增加，液晶分子以与电极之间相同的方式变为在X轴方向上取向。尽管在主基板2a的像素电极32a或共享电极32b附近观察到了向着Z轴方向的一些升起，但该部分中液晶层的厚度小于1μm且小于第一实施方案中的。本实施方案的其他方面与第一实施方案中的相同。
接下来将描述依照如上所述构造的本实施方案的液晶显示器件的操作。如图21中所示，当在共享电极和像素电极之间施加电压时，产生了其中透射率较高的白态，但是在本实施方案中，在电极之间的区域中透射率增加。在电极之上的区域中，可获得比第一实施方案高的透射率。结果，电极之上的和电极之间的最大透射率为77％，如图23中所示，其是第一个实施方案的1.37倍。获得的透射率还是第一对比例中的常规IPS系统的1.75倍。
因此使用商业上可获得的液晶取向模拟器来分析电场分布、透射率分布、和液晶分子的取向，以研究当使用负型液晶时电极之上透射率和液晶取向。图24中显示了模拟的结果。图25是尤其显示在图24中所示模拟结果中在电极之上的液晶取向的放大图。如图24和25中所示，尤其在电极之间的中心部分附近，电场在Y轴方向上取向，因此液晶分子显著在与电场的方向正交的X轴方向上旋转。这导致透射率增加。在电极之间区域的近基板部分中，一些液晶分子由于由取向过程导致的锚定效果而不旋转到X轴方向，但是其相对于Z轴方向的比率极小。然而在电极之上的区域中，在基板之间中心附近的液晶分子根据电极之间的液晶分子取向的变化而显著向着X轴方向旋转，结果提高了透射率。电极附近产生了Z轴方向上的纵向电场，但是因为负型液晶如此改变取向，使得取向矢的方向与电场正交，所以电场不会阻止X轴方向上的旋转。因此，不像第一个实施方案中的正型液晶分子，设置于电极之上的液晶分子可更自由地旋转到X轴方向，因此进一步提高了电极之上的透射率。因为液晶分子根据纵向电场也不会旋转到Z方向，所以用来阻止电极附近的液晶分子升起的能力尤其有助于用来提高电极之上的透射率的能力。
在本实施方案的液晶显示器件中，电极形成为具有比单元间隙小的宽度，使用负型液晶分子，且当施加电压时，使设置于电极之上的液晶分子本身在与电极之间的液晶分子相同的方向上取向。因此可提高电极之上的透射率，并可增加液晶显示器件的透射率，包括电极之间的透射率。因为负型液晶分子尤其在与电场正交的方向上对齐，所以与正型液晶分子相比，可更有效地阻止负型液晶分子与纵向电场一致，并可在XY平面内更容易地旋转。结果，与正型液晶的相比，显著地提高了电极之上的透射率，进而可增加液晶显示器件的透射率，包括电极之间的透射率。因为可抑制液晶分子向着Z轴方向升起，所以还可提高视角特性。本实施方案的其他操作和效果与第一实施方案的相同。
接下来将描述依照本发明第三实施方案的液晶显示器件。图26是在依照本发明第三实施方案的液晶显示器件中，通过在具有100μm直径且包括电极之上和电极间区域的区域中测量电压-透射率特性而获得的曲线。
依照本实施方案的液晶显示器件与第二实施方案的液晶显示器件12的区别在于使用具有1μm宽度的像素电极和共享电极代替具有1.5μm宽度的像素电极32a和共享电极32b。在本实施方案中像素电极和共享电极之间的间隙，即电极间距离设为1μm，而在第二实施方案中该距离设为3.8μm。单元间隙为3.5μm，与第二实施方案中一样。具体地说，本实施方案与前面实施方案的区别在于电极宽度和电极间距离设为相等的值，电极宽度小于该间隙。本实施方案尤其不同在于，作为电极宽度和电极间距离组合值的电极间距设为等于或小于单元间隙。由此本实施方案满足条件L/w≥1，w/d＜1，(L+w)/d≤1。具体地说，电极间距离等于或大于电极宽度，电极宽度小于单元间隙，电极间距小于单元间隙。因为在本实施方案中电极间距等于或小于单元间隙，所以电场在Y轴方向上比第二个实施方案中的强。由此当在本实施方案中施加电压时，在液晶取向中，设置于电极之上的更多数量的液晶分子与X轴方向对齐。本实施方案的其他方面与第二实施方案中的相同。
接下来将描述如上构造的依照本实施方案的液晶显示器件的操作。与第二实施方案的液晶显示器件中一样，当在共享电极和像素电极之间施加电压时发生高透射率的白态。如前面所述的，此时在设置于电极之上的液晶取向中，与第二个实施方案相比，更多的液晶分子与X轴方向对齐，因此可获得更高的透射率。如图26中所示，电极之上和电极之间的最大透射率为79％，其是第一个实施方案的1.4倍。获得的透射率也是第一对比例中的常规IPS系统的1.8倍。此外，尽管在第二个实施方案中用来获得最大透射率的电压为5.5V，但在本实施方案中该电压减小到5.0V，由此能以较低功率操作。
为了在面对液晶层的像素电极和共享电极的一侧上的平坦化目的，本实施方案的液晶显示器件具有涂层。如上所述，当使用负型液晶分子时，液晶分子必须设置在最初取向，从而液晶分子的指向矢大致平行于共享电极和像素电极的布置方向而对齐。然而，特别是当电极间距小于单元间隙时，液晶分子与电极的表面不规则性对齐。因为设置涂层可减小电极导致的表面不规则性，可减小电极的间距，而没有损害取向特性，并可获得较高的对比度。
还采用了下述结构，即其中仅在共享电极和像素电极之间设置平坦化层，不在共享电极和像素电极上设置平坦化层。由此可通过平坦化层填充并平坦共享电极和像素电极之间的间隙，因此可以与好象提供前述涂层一样的方式改善取向特性。此外，因为在共享电极之上没有设置平坦化层，所以可减小驱动电压。本实施方案中的其他操作和效果与第二实施方案中的相同。
接下来，描述依照本发明第四实施方案的液晶显示器件。图27是显示依照本发明该实施方案的液晶显示器件结构、和在作为液晶显示器件组件的像素电极和共享电极上不存在施加电压时液晶分子取向状态的截面图。图28是描述当给依照第四实施方案的液晶显示器件施加电压时的电场结构和液晶取向的截面图，尤其是描述电场结构和液晶取向与透射率分布之间模拟关系的截面图。
如图27中所示，与第一个实施方案的液晶显示器件1相比，第四实施方案的液晶显示器件13具有0.5μm宽度的像素电极33a和共享电极33b，而不是具有1μm宽度的像素电极3a和共享电极3b。像素电极33a和共享电极33b之间的间隙，即电极间距离设为2.5μm。在主基板2a和对向基板2b之间夹有由与第一实施方案中相同的正型液晶分子51组成的层。主基板2a和对向基板2b之间的间隙，即由正型液晶分子51组成的层的厚度设为4μm。如此执行取向工序，使得在像素电极33a和共享电极33b上不存在施加电压时，即在最初状态时，正型液晶分子51的取向状态，与第一实施方案中的取向状态相同，是下述一种状态，其中液晶分子的纵向轴方向大致与X轴方向对齐。这样，第四实施方案的第一个结构特征在于，电极宽度和电极间距离之和等于或小于液晶层的厚度。
为了显示当给依照第四实施方案的液晶显示器件施加电压时的电场结构和液晶取向，图28尤其是使用商业上可获得的液晶取向模拟器描述电场结构和液晶取向与透射率分布之间关系的截面图。在像素电极33a和共享电极33b上施加±5V/60Hz矩形波的电压。
如图28中所示，第四个实施方案中结构的第二个特征涉及电场结构，特征在于具有下述一种电场区域，其中电极之上的电场强度等于或小于电极之间的对向基板附近的电场强度。第四实施方案中结构的第三个特征涉及液晶取向结构，特征在于具有下述一种区域，其中电极之上的液晶分子经历了与电极之间的液晶分子相同方向上的取向变化；尤其是液晶分子的指向矢方向与电场方向不同，不仅电极之上的不同，而且电极之间的也不同。本实施方案的其他构成与第一实施方案中的相同。
接下来描述以上面的方式组成的第四发明的液晶显示器件的操作，首先描述构成本实施方案第二个特征的电场结构。注意的是，本发明的电场结构特征在于具有下述一种区域，其中电极之上的电场强度等于或小于电极之间的对向基板附近的电场强度。这里，从图28中所述的透射率模拟结果可以清楚看出，透射率，包括电极之上的和电极之间的，为83％，即使当与本发明的第一到第三实施方案相比时，透射率仍是极高的。针对于该结果本发明人进行的彻底研究导致了电场结构的发明，由此即使使用正型液晶时也可获得高的透射率。注意的是，本发明的电场结构特征在于具有下述一种区域，其中电极之上的电场强度等于或小于电极之间的对向基板附近的电场强度。然而，在与本发明中的电极结构相似的梳状电极的情形中，在靠近对向基板的液晶层内，通过引入这种电场结构可产生具有非常弱电场的弱电场层。在本实施方案中引入弱电场是重要的观念，提出了与常规IPS格式和前面所述的第一实施方案显著不同的特征。借助该实施方案，通过发明具有其中引入该弱电场的电场结构，现在可获得高的透射率。
这里，为了描述弱电场层，将给出与图28和图15的对比，图28给出了第四实施方案中的模拟结果，图15给出了先前描述的第一个对比例的电场结构的模拟结果，且图15给出了先前描述的第一个实施方案的电场结构的模拟结果。在图15中所示的常规电场结构中，电极之间的等位线在与基板平面垂直的方向，即Z轴方向上延伸。电极之上的等位线在大致平行于基板平面的方向上，即在图15横截面的Y轴方向上延伸。在常规电场结构中，在电极之间产生横向电场，在液晶取向中产生扭曲变形，而在电极之上产生在垂直方向上相对较强的电场，阻止液晶取向中的扭曲变形。结果，电极之上的透射率较低。另一方面，在图8中所示的本发明的第一实施方案中，尽管由于电极之上的液晶取向遵照电极之间的液晶取向的事实，提高了电极之上的透射率，但电场结构仍然大致与第一对比例的相同。与此相对，在第四实施方案的电场结构中，尽管在主基板一侧上在电极之间产生横向电场，但在对向基板一侧上，电场仍在下述方向上延伸，该方向不能完全地定义为横向电场。此外，靠近该对向基板的电场强度比第一对比例或前面所述本发明第一实施方案的电场强度弱，形成了弱电场层。此外，对于电极之上的电场结构，尽管与第一对比例或前面所述本发明的第一实施方案相同的方式，电场在垂直于基板平面的方向上延伸，但其电场强度相对较弱，也形成了弱电场层。当将靠近对向基板的电极之上的和电极之间的电场强度相比时，电极之间的电场强度看起来等于或小于电极之上的电场强度。就是说，在本实施方案中，弱电场层意是指在对向基板附近形成比常规电场结构更加弱的电场层。该弱电场层的电场强度也比电极附近的电场强度小的多。
接下来，将讨论构成本实施方案中第三特征的液晶取向。借助前面所述的电场结构，电极之间主基板附近的液晶分子由于横向电场而经历扭曲变形，与现有技术中一样。同时，在靠近对向基板形成的弱电场层内的液晶分子独立于电场相对自由地移动，因为电场强度比现有技术中的弱。结果，弱电场层内的液晶分子趋向于根据电极之间主基板附近的液晶分子的取向变化而经历扭曲变形，而不是本身相对于电场定向。这是因为与围绕液晶分子的取向状态相关的扭曲变形在能量上比在弱电场中液晶分子保持现有取向的状态，或者与弱垂直电场相关的垂直对准状态更加稳定。当主基板一侧上电极之上的液晶分子由于在垂直于基板平面方向上的电场作用而升起一定程度时，由于电极本身的小宽度，且由于周围扭曲取向的推动，该升起保持在窄的范围内。由此液晶取向中的有效扭曲变形是可能的。
现在与前面所述本发明的第一实施方案对比，第一实施方案的特征是，借助由平行电极对产生的电场，电极之间的液晶分子经历扭曲变形；且与该变形相关，电极之上的液晶分子经历与电极之间液晶分子相同方向上的取向变化，与电场相对。相反，该第四实施方案的特征是，借助由平行电极对产生的电场，设置于电极之间并向着具有平行电极对的基板的液晶分子经历扭曲变形；与该变形相关，设置于电极之间并位于远离基板位置处的液晶分子也经历了扭曲变形；与电极之间的扭曲变形相关，电极之上的液晶分子也经历扭曲变形；在远离具有平行电极对的基板的位置处，不仅是在电极之上而且在电极之间，取向与电场相反变化。组成本实施方案第三特征的液晶取向结构通过电场结构，即组成前面所述本实施方案的第二个特征的弱电场层的方式来获得。
接下来描述用于获得本发明第二个特征的电极结构，即弱电场层，及其操作，即本实施方案中结构的第一个特征。如前面所述，本实施方案电极结构的特征是电极宽度和电极间距离的和等于或小于液晶层的厚度。为了产生弱电场层，将较大电场强度的强电场层限制在电极附近。当电场分布的细节需要液晶分子取向模拟时，如图28简要所示的模拟结果，强电场区域存在于液晶层的厚度方向上，在电极之上高度W+S的范围内，即在等于电极宽度和电极间距离之和的范围内。因此，为了形成弱电场区域，需要将液晶层的厚度设为大于W+S的值。就是说，d≥W+S。在本实施方案中，如前面提到的，电极宽度为0.5μm，电极间距离为2.5μm，液晶层的厚度为4μm，其满足条件d≥W+S。
在本实施方案中，通过引入弱电场，对于液晶层的主要部分可经历扭曲变形。具体地说，借助由平行电极对产生的电场，在向着具有平行电极对的基板一侧上的电极之间的液晶分子经历扭曲变形；与该变形相关，设置于电极之间且位于远离基板位置处的液晶分子也经历了扭曲变形；与电极之间的扭曲变形相关，电极之上的液晶分子也经历了扭曲变形；在远离具有平行电极对的基板的位置处，取向与电场相反而变化，不仅是在电极之上而且在电极之间与电场相反变化。因而，与现有技术相比，更多的液晶分子将取向变为Y轴方向，从而可比现有技术获得更高的透射率。
依照本实施方案的液晶显示器件，通过引入弱电场层和由其提供的扭曲变形机制，可获得非常高的透射率，即使是当使用正型液晶时。此外，因为可抑制液晶分子向着Z轴方向升起，所以也可改善视角特性。
本实施方案中的液晶分子优选具有比弯曲弹性常数K33小的液晶扭曲弹性常数K22。由此可将扭曲变形过程中的自由能最小化，使得可以很容易将液晶层作为一个整体来经历扭曲变形，并可更加有效地提高透射率。
尽管作为正型液晶描述了本实施方案的液晶，但也可使用本发明第二和第三实施方案中所述的负型液晶分子。在正型液晶分子中，折射率各向异性的方向和电介质各向异性的方向一致，因此很容易在优选的方向上改善液晶分子的物理特性。结果，可降低电压和提高速度。
此外，在本实施方案中，可以与前面所述本发明的第一实施方案相同的方式设置光导板。然而，如在前面第一实施方案中，光导板不是本发明的必要元件，其是可接受的替代方式，在一个例子中，代替使用线性偏振光，如在入射侧上的激光，于使用这种显示器件的观察者要佩戴偏振眼镜。
此外，在本实施方案中，电极间距离描述为等于或大于电极宽度，这是至关重要的一点。当电极间距离等于或大于电极宽度时，扭曲变形在液晶层中占主导地位，可提高透射率。然而，相反，考虑到电极宽度大于电极间距离的情形，如果关注于主基板一侧上液晶层取向的变化，则电极之间扭曲变形的区域相对较小。结果，不仅对向基板一侧上液晶层扭曲变形效果减小，从而扭曲变形变得困难，而且液晶分子会向着+Z轴方向升起，视角特性显著削弱。就是说，电极间距离等于或大于电极宽度是至关重要的。
此外，在本实施方案中，尽管像素电极和共享电极描述为具有相同的电极宽度，但本发明并不限于此，可使用不同的电极宽度代替。然而，通过使电极宽度相同，像素电极和共享电极上的电场可更加均匀，可减小由电场不均匀性导致的显示缺陷。
此外，类似于本发明第一实施方案，本实施方案不排除在不同的层中形成像素电极和共享电极；可使用形成薄膜晶体管的栅极电极或源极电极或漏极电极形成像素电极或共享电极。在该情形中，即使当像素电极和共享电极形成在不同的层中时工序步骤数也不会增加。一般地，栅极电极或源极电极或漏极电极需要低电阻率，从而大部分是由光学不透明的金属形成。此外，因为铝和其他金属一般比ITO具有较好的加工性，所以带来的好处是，可很容易地制造细微的电极。另一方面，因为金属表面反射外部光，所以显示质量下降。然而，因为本发明使用非常细微的电极，所以可将显示质量的下降最小化。可给面对观察者设置的金属电极的表面赋予减小外部光反射的结构。在一个例子中，在金属电极上形成多层低反射膜，或施加黑色材料。为了减小金属电极导致的镜面反射，可给电极设置细微的不规则结构。
此外，在本实施方案中，尽管在其上形成有平行电极对的主基板和对向基板描述为组成元件，但对向基板不是必要的组成元件。作为一个例子，可代替使用UV固化树脂等覆盖液晶层的上面部分。因为这减小了液晶层上对向基板的锚定效果，所以优点是取向变形变得更加容易，当接通时更低的电压和更快速度成为可能。
本实施方案中的主基板不限于玻璃基板，也可使用硅基板或石英基板。尤其是当使用硅基板时，可很容易地制造细微的平行电极对。第四个实施方案的其他操作和效果与第一个实施方案的相同。
接下来，将描述依照本发明第五实施方案的液晶显示器件。图29是显示依照本发明该实施方案的液晶显示器件结构、和在作为液晶显示器件组件的像素电极和共享电极上不存在施加电压时液晶分子取向状态的截面图。图30是描述当给依照第五实施方案的液晶显示器件施加电压时的电场结构和液晶取向的截面图，尤其是描述电场结构和液晶取向与透射率分布之间关系模拟的截面图。
如图29中所示，与第四实施方案的液晶显示器件13相比，第五实施方案的液晶显示器件具有0.2μm宽度的像素电极34a和共享电极34b，而不是具有0.5μm宽度的像素电极33a和共享电极33b。像素电极34a和共享电极34b之间的间隙，即电极间距离设为0.9μm。类似于第四实施方案，在主基板2a和对向基板2b之间夹有由正型液晶分子组成的层。主基板2a和对向基板2b之间的间隙，即由正型液晶分子51组成的层的厚度设为3.5μm。第五实施方案中结构的第一个特征是，电极宽度和电极间距离之和等于或小于液晶层厚度的一半，即满足条件d≥2(W+S)。
为了显示当给依照第五个实施方案的液晶显示器件施加电压时的电场结构和液晶取向，图30尤其是使用商业上可获得的液晶取向模拟器来描述电场结构和液晶取向与透射率分布之间关系的截面图。像素电极34a和共享电极34b上施加±5V/60Hz矩形波的电压。
如图30中所示，第五实施方案中结构的第二特征涉及电场结构，特征在于在电极之间的对向基板附近具有垂直电场。第五实施方案中结构的第三特征涉及液晶取向结构，特征在于具有下述一种区域，其中电极之上的液晶分子在与电极之间的液晶分子相同的方向上经历取向变化，尤其是液晶的指向矢方向与电场方向不同，不仅电极之上的不同而且在电极之间的也不同，该区域占据了液晶层厚度的一半或更多。除此之外该实施方案的构成与第四实施方案中的相同。
接下来描述以上面的方式构造的第五发明的液晶显示器件的操作，首先讨论组成本实施方案的第二个特征的电场结构。如提到的，本发明的电场结构特征在于在电极之间的对向基板附近具有垂直电场。这里，从图30中所述的透射率模拟结果可清楚看出，透射率，包含电极之上的和电极之间的，为85％，即使当与本发明第四个实施方案相比时，透射率也是很高的。针对于该结果本发明人进行的彻底研究导致了电场结构的发明，获得了比前面第四实施方案中高的透射率。如提到的，本发明的电场结构特征在于在电极之间的对向基板附近具有垂直电场。然而，在类似于本发明电极结构的梳状电极的情形中，通过引入这种电场结构，可在靠近对向基板的液晶层中产生垂直电场，不仅是在电极之上产生垂直电场，而且在电极之间也产生垂直电场。与常规的IPS模式对比，并与前面所述的第一个实施方案对比，在电极之间的对向基板附近产生了强的横向电场，或者在前面的第四实施方案中，产生了不能明确称作横向电场的电极；而在本实施方案中显著不同的是，作为在电极之间的对向基板附近引入垂直电场的结果，等位线与最初存在于电极之上的垂直电场结合，产生横跨在多个电极之上的等位线。该特征在本实施方案中是一个重要的观念。在本实施方案中，通过这样设置垂直电场的等位线，可在液晶层厚度的中心附近引入弱电场层。结果，在位于朝向对向基板的一半或更多的液晶层中产生扭曲变形取向结构，可获得更高的透射率。
具体地说，为了将本实施方案与前面第四实施方案中所述的弱电场层的存在区域对比，在如图28中所示的第四实施方案中，弱电场层形成在液晶层中，靠近对向基板。相反，如图30中所示，在本实施方案中，弱电场层从液晶层厚度的中心附近向着对向基板侧形成。弱电场层在大致垂直于基板平面的方向上具有电场，电场的强度比前面第四实施方案中的弱。具体地说，本实施方案中的弱电场层称作比用现有技术电场结构获得的电场层更弱的垂直电场层。该垂直电场层从液晶层厚度的中心附近向着对向基板侧形成。
接下来，将讨论本实施方案中组成第三特征的液晶取向。在电极之间主基板附近设置的液晶分子以与前面第四实施方案中相同的方式，借助横向电场经历了扭曲变形。然而，本实施方案的特征是，因为靠近液晶层中心厚度的电场是弱电场，此处锚定最弱，所以液晶分子可更自由地移动。结果，当在电极之间主基板附近设置的液晶分子经历扭曲变形时，设置在位于向着对向基板侧的一半或更多的液晶层中的液晶分子与该变形相关类似地经历了扭曲变形。这是因为与周围液晶分子的取向状态相关的扭曲变形比其中液晶分子在弱电场中保持先前取向的状态能量上更加稳定，或者比与弱垂直电场相关的垂直对准状态能量上更加稳定。当主基板侧上的电极之上的液晶分子由于在垂直于基板平面的方向上的电场作用而升起一定程度时，由于电极本身的较小宽度且被周围的扭曲取向推动，该升起保持在较窄的范围内。由此液晶取向中的有效扭曲变形是可能的。通过上述本实施方案的第二个特征，即在电极之间的对向基板附近具有垂直电场的电场结构，获得了组成本实施方案第三特征的液晶取向结构。
下面描述本实施方案中结构的第一个特征，就是说用于获得本实施方案第二个特征，即弱电场层，的电极结构及其操作。如前面所述，本实施方案电极结构的特征是，电极宽度和电极间距离之和等于或小于液晶层厚度的一半。如提到的，相对较高的电场强度的强电场层位于其上形成有电极的主基板之上高度W+S的范围内，即在等于电极宽度和电极间距离之和的范围内。因此，通过将液晶层的厚度设为两倍于W+S值的值，在向着+Z方向从液晶层中心附近开始的部分中，可在液晶层中产生弱电场层。即d≥(W+S)。在该实施方案中，如前面提到的，电极宽度为0.2μm，电极间距离为0.9μm，液晶层的厚度为3.5μm，其满足条件d≥2(W+S)。
在该实施方案中，借助在延伸穿过一半或更多液晶层的区域中引入弱电场层，便于液晶的扭曲变形。具体地说，借助由平行电极对产生的电场，设置于电极之间并向着具有平行电极对的基板的液晶分子经历扭曲变形；与该变形相关，设置于电极之间并位于液晶层中心附近的位置处的液晶分子也经历扭曲变形；与电极之间的扭曲变形相关，电极之上的液晶分子也经历扭曲变形。结果，在延伸穿过一半或更多液晶层的区域中很容易产生扭曲变形。此外，在距离具有平行电极对的基板等于液晶层的一半或更多的位置处，很容易以类似的与电场方向相反的方式产生扭曲变形，不仅在电极之上而且电极之间。因此，与现有技术中相比，更多的液晶将取向变为Y轴方向，因而获得比现有技术中更高的透射率。
依照本实施方案的液晶显示器件，通过在延伸穿过一半或更多液晶层的区域中引入弱电场层，并使用由此产生的液晶扭曲变形机制，可获得非常高的透射率，即使当使用正型液晶时。此外，因为抑制了液晶分子在Z轴方向升起，可改善视角特性。
考虑到液晶分子的变形时间，本实施方案中液晶层的厚度优选在常规液晶层厚度，即大约5μm范围内。这是因为如果液晶层较厚，则取向手段的锚定作用就较弱，当电压消失时液晶取向的返回较差，关的响应时间较长。具体地说，电极宽度和电极间距离之和优选设在2.5μm内。如前面所述，必须使电极宽度W小于电极间距离S。在本实施方案中，宽度优选建立在W≤S/4的范围内。就是说，电极的宽度优选为0.5μm或更小。
如图31中所示，在像素电极和共享电极的端部上优选设置用于阻止液晶分子在不希望的方向上取向变形的反旋转畴阻止结构。在本发明的第四和第五实施方案中，该结构的引入尤其重要。这是因为在本发明的模式中，与常规的IPS模式相比横向电场的比例小，在施加电场过程中的取向变形依赖于在电极之间的主基板附近设置的液晶的扭曲变形，从而如果由在梳状电极端部中产生的不正常电场导致不想要的扭曲变形，则该扭曲变形很容易传播，使正常的扭曲变形变得困难。这种反旋转畴阻止结构的一个例子是下述一种方法，即在组成平行电极对的像素电极和共享电极的端部中形成垂直于摩擦方向的电极部，如图31中所述。
此外，尽管在本实施方案中描述了使用取向膜作为取向装置，但取向装置并不限于此；尤其是当使用正型液晶时，可使用平行电极对的不规则结构作为取向装置。通过这样做，避免了对取向工序的需要，如形成取向膜或摩擦工序，因而可降低器件的成本。此外，可在平行电极对在侧向方向，即图31中的Y轴方向上引入稍微弯曲。通过这样做，液晶的最初取向方向与平行电极对延伸的方向一致，因为由于弯曲而使基板平面内的横向电场的方向与Y轴不同的事实，所以液晶分子和电场之间的角度设为除90°之外的角度。因此当施加电压时可使液晶的扭曲方向在整个平面上均匀对齐。随着稍微弯曲的间距变大，液晶和横向电场之间的角度趋于正交，因而稍微弯曲的间距优选等于或小于平行电极对的间距。第五个实施方案的其他操作和效果与第四实施方案的相同。
接下来，将描述依照本发明第六实施方案的液晶显示器件。图32是显示依照本实施方案的液晶显示器件结构的截面图。
如图32中所示，第六实施方案的液晶显示器件15与前面所述本发明第五实施方案的区别在于，在主基板2a上形成有反射板5。尽管在朝向观察者的液晶显示器件15的表面上设置光导板是可接受的，但图32中将其省略掉了。在一个例子中，该光导板的吸收轴与液晶的次轴方向对齐设置。具体地说，本实施方案中的液晶显示器件15以常白模式反射型显示器件来操作。第六个实施方案的其他操作和效果与前面所述的第五实施方案的相同。
下面描述依照如上所述构造的第六实施方案的液晶显示器件的操作。首先，将讨论没有给像素电极和共享电极施加电压的情形。从光导板向着液晶层出射的线性偏振光入射到液晶层上，但是因为不存在外加电压，线性偏振光的偏振方向与液晶的主轴一致，所以线性偏振光以原始状态到达反射板。从反射板反射的光在反射板处或在液晶层中偏振方向没有经历任何变化，并以原始状态离开光导板。就是说，不存在外加电压时，产生白色显示。
如本发明第五实施方案中所述，因为当给像素电极和共享电极施加电压时液晶层在显示平面内经历了大致均匀的扭曲变形，所以可实现延迟膜用于赋予均匀相位延迟。尤其是该相位延迟等于1/4波长时，从光导板向着液晶层出射的线性偏振光以圆偏振光的形式离开反射板。因为反射板将圆偏振光的偏振方向旋转了180°，所以反射光以相反方向旋转的圆偏振光的形式入射到液晶层上，被转换为与入射时正交的线性偏振光，并向着光导板传播。因为该光不能离开光导板，所以通过施加电压可产生黑色显示。
如在本发明第一对比例中所述，当施加电压时在液晶层中液晶取向在电极之上和电极之间相当不同，液晶层不能用作均匀的延迟膜。因而，尤其是用在常白模式中时，在黑色显示过程中会发生光泄漏，大大削弱了显示的对比度。
另一方面，如在本实施方案中所述在液晶层中可获得均匀的扭曲变形，可获得较高的对比度。
当本实施方案中的反射板使用铝、银、或对于光来说具有高反射率的其他金属时，在该情形中优选在反射板与像素电极和共享电极之间设置绝缘层，以阻止像素电极和共享电极之间的电连续。
在本实施方案中，尽管液晶显示器件描述为反射型显示器件，但本发明并不限于此，其也可以实现在透射型显示器件中，尤其在半透射型显示器中可实现良好的效果。在半透射型显示器中，考虑到透射区域和反射区域共享像素电极的情形，给透射区域和反射区域的共享电极施加不同的电压，且不使用延迟膜。在该情形中，反射区域表现出常黑特性，透射区域表现出常白特性。透射区域的光学操作提供高的透射率，如本发明第五实施方案中所述，而反射区域的光学操作提供较高对比度的反射显示，与第六实施方案中一样。第六实施方案的其他操作和效果与前面所述的第五实施方案的相同。
接下来，将描述依照本发明第七实施方案的液晶显示器件。图33是依照本实施方案的液晶显示器件结构的截面图。
如图33中所示，依照第七实施方案的液晶显示器件16是装备有双凸透镜103的立体图像显示器件。在液晶显示器件16中，组成包括左眼像素104L和右眼像素104R的显示单元的像素对设置在矩阵阵列中。双凸透镜103是以一维排列的大量柱面透镜103a的透镜阵列，其排列方向与左眼像素104L和右眼像素104R的重复顺序方向，即图33中的Y轴方向一致。柱面透镜103a的延伸方向，即它们的纵向方向与显示平面内的对齐方向正交，即在图33中的X轴方向上。Y轴方向上的每个单个像素对对应于单个柱面透镜3a。左眼像素104L和右眼像素104R具有与本发明第五实施方案中所述的液晶显示器件中使用的相同的结构。像素电极和共享电极在图33中的Y轴方向上以重复的顺序设置。本实施方案的其他元件与前面所述的第五实施方案的相同。
下面描述依照如上所述构造的第七实施方案的液晶显示器件的操作。首先，将讨论双凸透镜103的像素放大操作。如图33中所示，双凸透镜103的主点(principal point)，即顶点到像素的距离由H表示，双凸透镜103的折射率由n表示，透镜间距由L表示。每个单个左眼像素104L和单个右眼像素104R的间距由P表示。这里，包括一个左眼像素104L和一个右眼像素104R的显示像素对齐的间距为2P。
双凸透镜103和观察者之间的距离由最佳的观察距离OD表示，在平行于透镜且离透镜距离OD设置的假想平面内，将e作为该距离OD处像素的放大投影图像的周期，即将e作为左眼像素104L和右眼像素104R的投影图像宽度的周期。将WL作为从设置于双凸透镜103中心处的柱面透镜103a中心距设置于在X轴方向上双凸透镜103端部处的柱面透镜103a中心的距离；将WP作为从设置于液晶显示器件的显示屏幕中心处的包含左眼像素104L和右眼像素104R的显示像素距X轴方向上设置于显示屏幕边缘处的显示像素中心的距离。设置于双凸透镜103中心处的柱面透镜103a中光的入射角和出射角分别由α和β表示；设置于X轴方向上显示屏幕边缘处的柱面透镜103a中光的入射角和出射角分别由γ和δ表示。C表示距离WL和距离WP之间的差；包含在距离WP区域中的像素数为2m个。
因为柱面透镜103a的排列间距L和像素的排列间距P彼此相关，所以它们中的一个参照另一个来确定，因为在大多数情形中通常参照显示面板来设计双凸透镜，所以像素排列间距P应作为一个常数来处理。通过选择双凸透镜103a的材料来确定折射率n。相反，将透镜和观察者之间的观察距离OD、以及观察距离OD处放大的像素图像的周期e可设为所需的值。使用这些值，可确定透镜顶点与像素之间的距离H、和透镜间距L。依照斯涅耳定律和几何关系，下面的等式1到9成立。下面的等式10和11也成立。
n×sinα＝sinβ[EQ2]OD×tanβ＝e[EQ3]H×tanα＝P[EQ4]n×sinγ＝sinδ[EQ5]
H×tanγ＝C[EQ6]OD×tanδ＝WL[EQ7]WP-WL＝C[EQ8]WP＝2×m×P[EQ9]WL＝m×L在本实施方案中，双凸透镜顶点与像素之间的距离H设立为等于双凸透镜的焦距f。因而，下面的方程16成立；其中透镜的曲率半径由r表示，使用下面的方程11得出曲率半径r。
f＝H[EQ11]r＝H×(n-1)/n这里，双凸透镜的横向放大率考虑为等于放大像素投影图像的周期除以像素周期即像素间距的值，即e/P。例如，当使用具有65μm像素排列间距的显示面板时，放大的像素投影图像的周期e设为65mm，双凸透镜103具有1000X的横向放大率。具体地说，形成在像素中的像素电极和共享电极也被放大1000X并投影到观察屏幕上。在一个例子中，如果在像素电极或共享电极部分中产生透射率减小区域在宽度上为5μm，则在观察屏幕上将观察到透射率减小区域在宽度上为5mm。
如本发明第一对比例中所述的，其中在施加电压过程中，电极之上液晶层中的液晶取向与电极之间的明显不同，在X轴方向上产生明显的透射率分布，该透射率分布被双凸透镜放大并被观察者注意到。就是说，因为观察者与显示器件之间角度的变化会导致显著的叠加到显示图像上的亮暗交迭的不规则性，所以观察者会具有下述印象，即显示图像具有较低的质量。
另一方面，在本实施方案中所述获得液晶层内均匀的扭曲变形的情况下，由电极结构导致的并叠加到显示图像上的透射率分布对于观察者不显著，因此不会感觉到显示质量较差。就是说，在本发明中可提高显示质量。
在本实施方案中，描述了具有左眼像素和右眼像素的双视(dual-view)立体图像显示器件。然而，本发明并不限于此，可以以类似的方式应用于N视(其中N为自然数)模式的显示器件。在该情形中，在前面所述距离WP的定义中，在距离WP的区域中包含的像素2m的数量应处理为N×m。对于N还可以为1，就是说，像素和透镜是一一对应。在该情形中，可减小栅极线、数据线和对显示没有贡献的其他区域的影响，并可提高光的利用效率。
本发明并不限于立体图像显示器件，可以以类似的方式应用于设置有双凸透镜的所有方式的显示器件。在一个例子中，本发明可以在不同方向上显示多个平面图像的多图像显示器件中来实现。
本发明的图像分离装置并不限于双凸透镜，可以类似地实现为具有二维阵列透镜元件的蝇眼透镜；具有一维阵列狭缝的视差栅栏(parallax barrier)；或者具有二维阵列针孔的视差栅栏(parallax barrier)。就是说，在设置有用于像素的放大显示的光学装置的器件中，使用本实施方案可获得较好的优点，并可获得较高的图像质量。
本发明不仅适用于透射型液晶显示器件，而且还适用于反射型液晶显示器件、半透射型液晶显示器件和微反射型液晶显示器件。
本实施方案中的像素电极和共享电极优选由ITO或另一种透明导体制造，但是即使使用金属也可获得改善。这是因为通过改善靠近金属电极的液晶取向而提高了平面内液晶层透射率的均匀性。第七实施方案的操作和效果与第五个实施方案的相同。
接下来，将描述依照本发明第八实施方案的液晶显示器件。图34是依照本实施方案的液晶显示器件结构的截面图。图35是显示作为用作光线调节元件组件的隔栅(louver)的透视图。
如图34中所示，与前面所述第五实施方案的液晶显示器件相比，依照本发明第八实施方案的液晶显示器件17特征在于隔栅212，该隔栅组成了光线调节元件并向着+Z轴方向设置于液晶显示器件14上。
如图35中所示，隔栅212包括以与隔栅表面平行的方式交替设置的透射光的透明区域212a和吸收光的吸收区域212b。在图34和35中，以交替方式阵列设置的透明区域和吸收区域的方向为Y轴方向。本实施方案中的其他设置与前面所述的第五实施方案类似。
在本实施方案中，在入射到隔栅212上的光线中相对于出射面的法线具有较大角度的分量通过吸收而消除，从而离开液晶显示器件17的光线具有改善的方向性。这样，可阻止斜向的偷看，这提供了，阻止了私密信息的不经意公开的优点。
如在本发明第一对比例中所述的，在施加电压过程中，电极之上液晶层中的液晶取向明显与电极之间的不同，在X轴方向上产生明显的透射率分布，透射率分布和吸收区域212b干涉，观察者会注意到图像显示质量的下降。
另一方面，在本实施方案中所述获得液晶层内均匀的扭曲变形的情况下，可阻止由隔栅的吸收区域与电极结构导致的透射率分布之间的干涉所导致的图像质量的下降，因此观察者不会感觉到显示质量较差。就是说，在本发明中可提高显示质量。
尽管在本发明中用作光线调节元件的隔栅描述为具有在X轴方向上以交替的方式阵列的透明区域和吸收区域，但可替换地这些区域可被旋转设置在XY平面内。
尽管在本实施方案中光线调节元件描述为隔栅，但本发明并不限于此，可类似地实现为用于控制出射光方向性的光学元件。作为一个例子，在组成背光的棱镜片的情形中可类似地实现本发明。第八实施方案的其他操作和效果与前面所述第五实施方案的相同。
可独立地使用这里列出的实施方案，或者以一些适合的组合来使用。
本发明适宜用作移动电话、PDA、游戏机、数码照相机、摄像机、视频播放器以及其他移动终端器件中的显示器件、或者用作笔记本型个人计算机、自动柜员机、自动贩卖机、以及其他各种终端器件中的显示器件。
权利要求
1.一种液晶显示器件，包括至少具有平行电极对的基板；设置在基板上的液晶层；和在所述液晶层中被由所述平行电极对产生的电场驱动的液晶分子，其中所述平行电极对的电极宽度小于所述液晶层的厚度；在所述电极之间的液晶分子的取向被由所述平行电极对产生的电场改变；设置于电极之上的液晶分子的取向根据在所述电极之间的液晶分子的取向变化而在与所述电极之间的液晶分子相同的方向上变化；以及设置于电极之上的液晶分子的指向矢与电极之上的电场的方向不同。
2.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其中组成所述平行电极对的电极之间的距离等于或大于电极的宽度。
3.根据权利要求2所述的液晶显示器件，其中通过由所述平行电极对产生的电场使在所述电极之间的所述基板附近设置的液晶分子经历取向变化；在所述电极之间液晶层厚度方向上远离所述基板附近而设置的区域中的液晶分子根据取向变化在相同的方向上经历取向变化；电极之上的液晶分子根据电极之间液晶分子的取向变化在相同的方向上经历取向变化；在远离所述电极之间的所述基板附近而设置的区域中的液晶分子的指向矢的方向与电场的方向不同；且所述电极之上的液晶分子的指向矢的方向与电场的方向不同。
4.根据权利要求3所述的液晶显示器件，其中所述液晶层在厚度方向上离所述基板最远的区域中存在电场区域，在该电场中电极之间的电场强度等于或小于电极之上的电场强度。
5.根据权利要求4所述的液晶显示器件，其中组成所述平行电极对的电极的宽度以及电极之间的间隙的组合值等于或小于所述液晶层的厚度。
6.根据权利要求5所述的液晶显示器件，其中通过由所述平行电极对产生的电场使在电极之间的所述基板附近设置的液晶分子经历取向变化；在所述电极之间的液晶层厚度方向上的中心区域中的液晶分子在相同的方向上经历取向变化；电极之上的液晶分子根据电极之间液晶分子的取向变化在相同的方向上经历取向变化；在所述电极之间的液晶层厚度方向上的中心区域中的液晶分子的指向矢的方向与电场的方向不同；且所述电极之上的液晶分子的指向矢的方向与电场的方向不同。
7.根据权利要求6所述的液晶显示器件，其中所述液晶层在厚度方向上离所述基板最远的区域中存在电场区域，该电场区域中电极之间的电场方向垂直于所述基板表面。
8.根据权利要求7所述的液晶显示器件，其中组成所述平行电极对的电极的宽度以及电极之间的间隙的组合值等于所述液晶层厚度的一半或更小。
9.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其中所述液晶分子的扭曲弹性常数小于弯曲弹性常数。
10.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其中所述液晶层的液晶具有正介电各向异性。
11.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其中所述液晶层的液晶具有负介电各向异性。
12.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其中所述平行电极对形成在相同的层中。
13.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其中在所述平行电极对的液晶层一侧上以及在组成该平行电极对的电极之间设置有涂层。
14.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其中所述平行电极对由透明电介质组成。
15.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其中所述平行电极对由金属组成，并其在面对所述液晶层的表面上设置有反射减小装置。
16.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其中所述平行电极对的电极宽度优选为0.5μm或更小。
17.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其中在所述平行电极对上形成有反旋转畴阻止结构。
18.根据权利要求1所述的液晶显示器件，以常白模式操作。
19.一种终端器件，其包括根据权利要求1所述的液晶显示器件。
20.根据权利要求19所述的终端器件，包括移动电话、个人信息终端、游戏机、数码照相机、摄像机、视频播放器、笔记本型个人计算机、自动柜员机或自动贩卖机。
全文摘要
在液晶显示器件中，在彼此面对设置的主基板和对向基板之间设置有液晶层，在面对对向基板的主基板表面上形成有共享电极和像素电极，其是以梳状形成的平行电极对。在主基板和对向基板的相对表面上还形成有取向膜。形成平行电极对的电极，使得它们的宽度小于液晶层的厚度。由此通过由平行电极对产生的电场改变电极之间的液晶分子的取向，且根据电极之间液晶分子的取向变化，设置于电极之上的液晶分子的取向在与电极之间的液晶分子相同的方向上变化。由此在面内切换液晶显示器件中通过简单的电极结构实现了高度的透射率。
文档编号G02F1/13GK101055394SQ20061013098
公开日2007年10月17日 申请日期2006年12月22日 优先权日2005年12月22日
发明者上原伸一, 新冈真也 申请人:日本电气株式会社, 日本电气液晶显示技术株式会社