液晶显示装置及其生产方法

专利名称：液晶显示装置及其生产方法
技术领域：
本发明涉及液晶显示装置及其生产方法，更具体地，本发明涉及具有宽视角特性的液晶显示装置及其生产方法。
过去，扭转向列(TN)模式的液晶显示装置(以下也称之为“LCD”)已经是为人所知。TN模式的液晶显示装置的视角特性差(即视角窄)。如图30A所示，当TN-LCD 200在灰度等级显示时，液晶分子202向一个方向倾斜。结果，在以图30A所示的视角方向A和B观看TN-LCD 200的情况中，表观光透射比会随方向而变化。因此，TN-LCD200的显示质量(例如，对比度)在很大程度上依赖于视角。
为了通过控制液晶分子的排列状态以提高液晶显示装置的视角特性，需要使每个象素中的液晶分子至少以两个方向排列。这种液晶显示装置的例子有轴对称排列微单元(ASM)模式的液晶显示装置，在这种液晶显示装置中，每个象素中的液晶分子轴对称地排列。例如，参考图30B，液晶区214被聚合物区212所包围，当这种ASM模式的液晶显示装置210处于灰度等级显示时，液晶分子以两个不同方向排列。在以箭头A和B表示的视角方向上观看液晶显示装置210的情况中，表观光透射比被平均了。结果，在视角方向A和B上的光透射比基本是相同等的，与TN模式的液晶显示装置相比，视角特性得到了改善。
以下将描述改善视角特性的ASM模式(以下称为“宽视角模式”)的液晶显示装置的例子。
(1)有一种技术，它通过利用液晶显示装置中液晶材料的双折射，以电学方式控制透明状态或不透明状态，液晶显示装置没有起偏振光片，在液晶元包中有一些聚合物壁，它不需要进行任何排列处理。根据这种技术，液晶分子的寻常折射率与支撑介质的折射率匹配。在施加电压下，液晶分子排列整齐，因此显示透明状态。当不施加电压时，液晶分子排列混乱，因此显示光散射状态。
例如，进入日本国家阶段公开公布号为61-502128的PCT专利公开了一种将液晶与可光固化的或可热固化的树脂相混合的技术，使树脂固化形成相分离液晶，因此在树脂中形成液晶球粒。此外，日本公开公布号为4-338923和4-212928的专利公开了一种宽视角模式的液晶显示装置，它是通过以偏振轴相互正交的方式将进入日本国家阶段公开公布号为61-502128的PCT专利所公开的液晶显示装置与起偏振光片相组合而获得的。
(2)作为利用起偏振光片改善非散射型液晶元包视角特性的一种技术，日本公开公布号为5-27242的专利公开了一种通过相分离从液晶与光固化树脂混合物产生的聚合物材料和液晶的复合材料的技术。根据这种技术，液晶畴中的液晶分子被产生的聚合物随机排列，在施加电压下，每个畴中的液晶分子向不同的方向竖立。因此，从每个方向观看的表观光透射比是基本相等的(因为迟滞dΔn被平均了，这里d是液晶层的厚度，Δn是液晶材料的双折射率)，所以，在灰度等级中的视角特性得到改善。
(3)最近，在日本公开公布号为7-120728的专利中，本发明的发明人已经提出一种液晶显示装置，在光聚合化期间利用光掩膜或类似装置控制光，使象素区中的液晶分子全向地排列(例如，在螺旋状态中)。这种装置通过利用从液晶与光固化树脂混合物的相分离，采用一种使液晶分子轴对称排列的技术。当没有施加电压时，液晶分子轴对称地排列。在施加电压下液晶分子变得靠近同回归线排列(垂直基板排列对齐)，因此，视角特性得到明显改善。这种技术就是利用p型液晶材料(即具有正介电各向异性Δε的材料)的p型显示模式。
作为产生上述装置一种方法的一个例子，日本公开公布号为8-95012的专利公开了一种方法，形成厚度小于每个象素区中单元厚度的晶格形状聚合物壁，将液晶与光固化树脂混合物注入到所产生的单元中，利用存在一种液晶相和一种均匀相的两相区使液晶分子轴对称地排列。这种生产方法不使用排列对齐的薄膜。
(4)此外，日本公开公布号为6-308496的专利公开了一种宽视角模式的液晶显示装置，包括由结晶聚合物制成的在基板表面上具有球粒结构的轴对称排列薄膜。
(5)日本公开公布号为6-194655的专利公开了一种在基板上涂覆排列薄膜并使液晶分子以随机方向排列的技术，无需进行摩擦一类的排列处理。
将象素划分成多个区域，以各个区域中视角特性相互补偿的方式使每个区域中的液晶分子排列的技术有几种，以下将介绍这种方法的例子。
(6)日本公开公布号为63-106624的专利公开了一种方法，将每个象素划分成多个区域并在各个区域中以不同摩擦方向进行摩擦的这类排列处理。
图31和32示出用上述方法获得的具有宽视角特性的能够获得满意对比度显示的液晶显示装置。图31是该液晶显示装置的示意平面图，图32是沿图31E-E’线的截面图。
在液晶显示装置的一块玻璃基板522上设置一个象素电极(透明电极)(每个象素上设置一个)520、一个排列整齐的薄膜510、以及一个驱动象素电极520的薄膜晶体管513。在另一块玻璃基板521上设置一个对电极(透明电极)519和一个排列整齐的薄膜509。排列整齐的薄膜509和510是由聚酰亚胺制成的。由相对的透明电极519和520所限定的象素B可取为200微米见方，使多个象素B排列成矩阵形式。在象素电极520的中心部分设置一个由聚酰亚胺制成的带状隔离体523，结果，用带状隔离体523将每个象素B划分成区域I和区域II。
按图33所示形成区域I和II。玻璃基板521和522分别按图33箭头方向经过摩擦处理。过去，在给区域I提供排列调整力的情况中，用光阻材料覆盖区域II，使基板521经过摩擦处理，同样，在给区域II提供排列调整力的情况中，用光阻材料覆盖区域I，使基板521经过摩擦处理。
根据以上技术，在各个区域中的液晶分子的排列方向皆为螺旋型扭转方向，但是相对基板的表面形成不同的角度。由于相对基板表面的角度不同，在施加电压时，液晶分子向不同的方向竖立。因此，在光束以偏离基板法向的斜角方向入射在基板上的情况中，各个区域中的光学特性相互补偿。结果，在基板之间各个象素中，具有不同取向的区域在施加电压下的视角依赖性可以被消除。因此，可以获得很少有视角依赖的光学特性。具体说，即使在灰度等级中改变视角时，也不会有灰度等级反转的现象。
(7)作为使排列整齐薄膜的排列方向不同的一种技术，日本公开公布号为7-199193和7-333612的专利揭示了一种技术，在每个象素中形成具有一定倾度的不平整度，因此，液晶分子的倾斜方向在每个象素的区域中是不同的。根据这一技术，由于每个象素中的倾斜方向不同，预倾角随区域而变化，因而使液晶分子的倾斜方向不同。因此，改善了液晶显示装置的视角特性。日本公开公布号为7-199193的专利还公开了一种采用n型(Δε＜0)液晶材料和垂直排列薄膜的垂直排列液晶显示装置，其中液晶分子在没有施加电压时在垂直基板的方向上排列，在有外加电压时向平行基板的方向倾斜。
(8)此外，日本公开公布号为6-301036的专利已经提出一种具有宽视角特性的能够获得满意显示质量的液晶显示装置。图34是这种液晶显示装置的外表的透视图，图35是其截面图。显示装置包括夹在一对电极基板之间的具有垂直排列液晶分子612A的液晶层612。在一个基板610上设置象素电极611，在另一个基板(未示出)上设置对电极613。每个对电极613有一个与每个象素中心部分对应的开口614。
在与开口614相对应的液晶层区域中，液晶分子612A是稳定的，在施加驱动电压时垂直排列。在与开口614相对应的区域的周围，液晶分子612A由于与开口614相对应区域中液晶分子612A的相互作用，其排列也是稳定的。结果，每个象素中的液晶分子612A排列成面向开口614的象素中心部分。因此，如果在相同位置(例如，每个象素的中心部分)上设置每个象素的开口614，那么，每个象素中液晶分子的排列是相似的。正因如此，即使在每个象素中同样产生一条外转线，也能够防止显示粗糙。在图35中，参考标号615和616表示栅极总线，617和618表示垂直排列薄膜。
液晶显示装置(例如TFT-LCD)已经被广泛地用于平面显示。然而，一直期望能够安装在墙壁上的屏幕对角为20英寸或更大的大型TFT-LCD还不能提供商业应用。近几年中，作为实现这种大型显示装置的一种候选装置，日本公开公布号为1-217396的专利中所揭示的一种等离子体寻址LCD(PALC)已经受到人们的注意。
图36示出PALC的截面结构。PALC700包括夹在一对基板701和711之间的液晶层702。在基板711与液晶层702之间设置多个等离子腔体713。每个等离子腔体713是由基板711、与基板711相对的介电层716、以及设置在基板711与介电层716之间的分割壁限定的。通过将电压施加在等离子腔体713中基板711表面上形成的一个阳极714和一个阴极715上，使密封在等离子腔体713中的气体(例如，氦、氖等)电离，因此发生等离子放电。
以与液晶层702一侧基板701表面上设置的透明电极705正交的方式，多个等离子腔体713在垂直图36图纸表面的方向上延伸为条状的形状。与简单矩阵型液晶显示装置相对比，透明电极705对应于显示电极(信号电极)，等离子腔体713对应于扫描电极。基板711、介电层716、等离子腔体713等统称等离子体基板710。
参考图37，将描述PALC 700的基本原理。通过连续地接通等离子腔体713，使所选等离子腔体713中的气体电离。如图37所示，在等离子腔体713被电离的条件下，由于从信号线提供并施加在透明电极705上电压，电荷积累并维持在等离子腔体713一侧介电层716的反向表面上。因此，从信号线提供的信号电压被施加在位于电离等离子腔体713上方的液晶层702的区域中。当等离子腔体713未电离时，电荷不提供到介电层716的反向表面。因此，不将电压提供到位于等离子腔体713上方的液晶层702的区域中。等离子腔体713与简单矩阵型液晶显示装置中扫描电极的功能相同。
作为一种产生大屏幕显示的技术，日本公开公布号为4-265931的专利揭示了一种利用玻璃膏体通过印刷方法在玻璃基板上形成等离子腔体结构的方法。
日本公开公布号为4-313788的专利揭示了一种在等离子腔体方向形成透明电极图案的结构。在这种结构中，即使为了增强介电层的强度，将厚的介电层插入在等离子腔体与液晶层之间，也能阻止电荷分散在液晶层侧上，引起显示渗色。
以上的技术各自存在问题。下面将说明这些问题。
在ASM模式的传统液晶显示装置中，采用具有正的介电各向异性Δε的液晶材料。在这种显示模式中，如上所述，液晶分子是轴对称排列的，所以在全方向上获得极好的显示特性。然而，这种液晶显示装置存在下列问题(1)这种显示模式是一种一般白色(NW)模式，在施加电压时需要用相对较高的驱动电压以降低光的透射比，获得高的对比度；(2)在没有施加电压时为了防止光漏泄，需要使每个光阻部分(例如，黑矩阵(BM))的面积定为较大；(3)ASM模式的液晶显示装置难以生产，因为形成ASM模式的相分离步骤需要采用复杂的温度控制；(4)由于ASM模式的液晶显示装置难以生产，便难以控制液晶分子对称排列的每个中心轴的位置，中心轴的位置随象素而变化，中心轴几乎不在象素区的中心位置上；结果，当从一个倾斜方向观看液晶显示装置时，获得的显示粗糙，质量不能令人满意。
此外，在利用正介电各向异性Δε材料的液晶显示装置中，如以上(6)和(7)部分所述，在施加电压时，液晶分子的排列方向在分界线上变为不连续的，即产生外转线，引起对比度下降。此外，在这种液晶显示装置中，为了产生多个分割区域，在排列薄膜上涂覆一层光阻材料，接着在一个区域上进行摩擦。根据这种方法，排列薄膜暴露于光阻材料、显影溶液、防粘剂等材料。因此，在剥离光阻材料后，显影溶液、防粘剂和光阻材料等中所含的离子仍保留在排列薄膜上。在液晶显示装置工作期间，留下的离子的运动对显示特性产生不利作用，会使液晶材料的电荷维持特性退化以及引起图象烧灼这类现象。另外，根据被组合的排列薄膜与光阻材料的种类，失去排列调整力对排列薄膜造成损伤。因此，这种液晶显示装置的生产效率和生产稳定性都低。
另外，在以上(8)部分所述的液晶显示装置中，只有在相对电极的开口中液晶分子才轴对称排列。更具体地说，在离开开口的象素周围上的液晶分子不是轴对称排列的。因此，液晶分子是随机排列的，这会引起显示粗糙。此外，不能限定液晶畴(液晶分子的排列方向是连续的、不产生外转线的区域)的位置或尺寸，因而不能阻止在象素中产生外转线，特别会引起灰度等级显示粗糙。
PALC存在下列问题。PALC主要采用TN模式。显示质量有赖于视角的TN模式被用于大屏幕显示装置时，即使观察者的位置固定，视角(a和b)也随显示屏幕的被观察位置而变化，如图38所示。因此，在显示屏上，显示质量是难以令人满意的。
在TN模式的PALC的情况中，考虑到TN模式的视角相关性，将起偏振光片的偏振轴设定为斜向十字交叉在显示表面45°处，从而调节观察者以满意的方向观看的侧面视角特性。在这种情况中，在存在折射率差的等离子体基板与薄的玻璃层之间的附着表面部分，由于附着表面上偏振光的双折射和折射率差，附着部分变为可见的，因此在交叉方向中出现对显示至关重要的光漏泄。
PALC采用利用p型液晶材料的显示模式，如NW模式和TN模式。在这些显示模式的PALC中，不能获得足够高的对比度。这是因为由于非均匀等离子电荷的缘故使电压(电场)被不均匀地施加在液晶层。特别是，在利用p型液晶(Δε＞0)的NW模式中，在施加电压时，黑色等级水平降低，导致对比度大大降低。
本发明的液晶显示装置包括一对基板和设置在这对基板之间的液晶层，这里，液晶层中的液晶分子具有负的介电各向异性，当未施加电压时液晶分子以大致垂直基板的方向排列，当施加电压时每个象素区中的液晶分子轴对称排列。
在本发明的一个实施例中，象素区内的液晶层的厚度(din)大于象素区外的液晶层的厚度(dout)，至少一个基板在其向液晶层这一侧的表面上，在与象素区相对应的区域中，所述的器件包括一层垂直排列层。
在本发明的另一个实施例中，至少一个基板在其向液晶层这一侧的表面上具有限定象素区域的凸出部分。
在本发明的另一个实施例中，液晶层在象素区中的厚度在象素区中心部分最大，向象素区边缘部分逐步减小。
在本发明的另一个实施例中，液晶层在象素区域中的厚度是围绕象素区中心部分轴对称变化的。
在本发明的另一个实施例中，上述的液晶显示装置在象素区域的中心部分上进一步包括一个凸部，这里，在施加电压时，液晶分子围绕该凸部轴对称排列。
在本发明的另一个实施例中，液晶层的迟滞dΔn约在300nm至500nm范围内。
在本发明的另一个实施例中，液晶层的扭转角约在45°至110°范围内。
在本发明的另一个实施例中，上述的液晶显示装置包括一对设置在液晶层两个侧面上正交尼科耳棱镜中的起偏振光片，以及至少在一个起偏振光片上设置的具有平面内方向折射率nx，y大于垂直平面方向折射率nz关系的一个相位差片。
在本发明的另一个实施例中，至少一个基板在其向液晶层这一侧的表面上进一步形成一个轴对称排列的固定层，该固定层的液晶分子具有轴对称预倾角。
在本发明的另一个实施例中，所述的轴对称排列的固定层包含可光固化的树脂。
本发明的产生液晶显示装置的方法包括以下步骤在一对基板上分别形成一个垂直排列层；在基板上的垂直排列层之间形成含有负介电各向异性液晶材料和光固化树脂的混合物；以及给所述混合物施加高于液晶材料阈值电压的电压时使可光固化的树脂固化，从而形成轴对称排列的固定层，所述固定层的液晶分子具有轴对称预倾角。
在本发明的另一个实施例中，在基板上形成垂直排列层的步骤前，上述方法进一步包括在至少一个基板的表面上形成限定象素区的凸出部分的步骤。
本发明的一种液晶显示装置包括具有产生等离子体放电的等离子腔体的等离子体基板；有信号电极的相对基板；以及设置在等离子体基板与相对基板之间的液晶层，所述的装置由信号电极和等离子腔体驱动，这里，液晶层中的液晶分子具有负的介电各向异性，当没有施加电压时液晶分子以大致垂直基板的方向排列，当施加电压时每个象素区中的液晶分子以轴对称排列。
在本发明的另一个实施例中，在象素区内的液晶层的厚度(din)大于在象素区外的液晶层的厚度(dout)，至少一个基板在其向液晶层这一侧的表面上，在与象素区相对应的区域中，所述的装置包括一层垂直排列层。
在本发明的另一个实施例中，对基板和等离子体基板中至少一个在液晶层这一侧表面上具有限定象素区的凸出部分。
在本发明的另一个实施例中，液晶层在象素区中的厚度在象素区中心部分最大，向象素区边缘部分逐步减小。
在本发明的另一个实施例中，液晶层在象素区中的厚度是围绕象素区中心部分轴对称变化的。
在本发明的另一个实施例中，上述的液晶显示装置包括一对设置在液晶层两个侧面上正交尼科耳棱镜中的起偏振光片，一个起偏振光片的偏振轴与信号电极或等离子腔体的延伸方向平行。
在本发明的另一个实施例中，等离子基板和对基板中至少有一个在液晶层一侧的表面上进一步形成一个轴对称排列的固定层，该固定层的液晶分子具有轴对称的预倾角。
在本发明的另一个实施例中，所述的轴对称排列固定层包含可光固化的树脂。
本发明的一种液晶显示装置包括一对基板和设置在这对基板之间的液晶层，这里，液晶层中的液晶分子具有负的介电各向异性，当没有施加电压时液晶分子以大致垂直基板的方向排列，当施加驱动电压时每个象素区中的液晶分子围绕轴对称排列中心轴轴对称排列，以及至少有一个基板在其向液晶层这一侧的表面上设置限定象素区的凸出部分，并进行处理以控制轴对称排列中心轴的位置。
在本发明的另一个实施例中，上述的液晶显示装置包括一个区域，在所述区域中，在多个象素区的每个预定位置上施加轴对称排列中心轴的形成电压时液晶分子保持垂直排列状态。
在本发明的另一个实施例中，Sa为在施加轴对称排列中心轴的形成电压时液晶分子保持垂直排列状态的区域的面积，A为象素区的面积，那么Sa/A满足0＜Sa/A＜4％的关系。
在本发明的另一个实施例中，上述的液晶显示装置在每个象素区的预定位置上包括一个轴对称排列中心轴形成部分，对应于所述的轴对称排列中心轴形成部分，形成液晶分子的轴对称排列中心轴。
在本发明的另一个实施例中，Sb为轴对称排列中心轴形成部分的面积，A为象素区的面积，那么Sb/A满足0＜Sb/A＜4％的关系。
在本发明的另一个实施例中，象素区内的液晶层的厚度大于象素区外的液晶层的厚度。
在本发明的另一个实施例中，液晶层在象素区中的厚度在象素区中心部分最大，从象素区的中心部分到边缘部分逐步减小。
在本发明的另一个实施例中，液晶层在象素区中的厚度是围绕象素区中心部分轴对称变化的。
在本发明的另一个实施例中，至少有一个基板在其向液晶层这一侧的表面上设置一个轴对称排列固定层。
在本发明的另一个实施例中，所述的轴对称排列的固定层包括可光固化的树脂。
提供一种产生液晶显示装置的方法，所述的液晶显示装置包括一对基板和设置在这对基板之间的液晶层，液晶层中的液晶分子具有负的介电各向异性，当没有施加电压时液晶分子以大致垂直基板的方向排列，当施加驱动电压时每个象素区中的液晶分子围绕轴对称排列中心轴轴对称排列；所述的方法包括形成轴对称排列中心轴过程的步骤。
在本发明的另一个实施例中，所述的形成轴对称排列中心轴的过程包括以下步骤在所述基板之间形成包含液晶材料与可光固化材料的原始混合物；以及给所述原始混合物施加轴对称排列中心轴形成电压，使可光固化材料固化。
在本发明的另一个实施例中，所述的轴对称排列中心轴的形成电压是液晶材料阈值电压的1/2或更高。
在本发明的另一个实施例中，所述的轴对称排列中心轴的形成电压为交流电压。
在本发明的另一个实施例中，所述的交流电压的频率为1Hz或更大。
因此，这里所述的发明具有以下可能优点(1)提供一种液晶显示装置，在其液晶区中，液晶分子在每个象素区中是轴对称排列的，在全方向上具有优良的视角特性，对比度高，没有粗糙度；(2)提供一种具有良好视角特性和高对比度的等离子体寻址LCD；(3)提供一种简便地产生上述液晶显示装置的方法。
专业人员参照附图，在阅读和理解下列详细描述的基础上，将会清楚本发明的这些及其它优点。


图1A至1D是说明本发明液晶显示装置在一个实施例中的工作原理的示意图。
图2是图1A至1D所示液晶显示装置的电压-透射比曲线图。
图3A至3D是说明轴对称排列区域的中心轴位置与显示质量关系的示意图。
图4A和4B是表明本发明一个实施例液晶显示装置中液晶层的厚度din(x)的示意图。
图5A至5C是表明本发明这个实施例液晶显示装置中一个象素区的截面图。
图6是液晶层为dΔn＝450nm的液晶显示装置的电压与透射比曲线。
图7是本发明PALC一个实施例的截面图。
图8A是表明TN模式液晶显示装置视角特性的雷达图，图8B是TN模式液晶显示装置中起偏振光片安排的示意图。
图9是本发明PALC视角特性的雷达图。
图10A至10D是说明本发明另一个实施例液晶显示装置的基本结构和工作原理的示意图。
图11A是给本发明这个实施例液晶显示装置施加电压时电场分布状态的示意图，图11B给图11A所示液晶显示装置施加电压时液晶分子的排列状态的示意图。
图12A是本发明例1液晶显示装置所用基板的部分截面图，图12B是其平面图。
图13是本发明例1液晶显示装置的电-光特性。
图14是本发明例1液晶显示装置的视角特性雷达图。
图15是本发明例2液晶显示装置所用基板的部分截面图。
图16是本发明例7液晶显示装置的视角特性雷达图。
图17是本发明例8液晶显示装置的部分截面图。
图18是本发明例8液晶显示装置所用基板的部分截面图。
图19A是本发明例11PALC所用基板的部分截面图，图19B是其平面图。
图20是本发明例12PALC的部分截面图。
图21是本发明例12PALC所用的基板的部分截面图。
图22A是本发明例13液晶显示装置的部分截面图，图22B是其中一个象素的平面图。
图23是用正交尼科耳棱镜偏振显微镜观看本发明例13中产生的液晶元包所获得的结果。
图24是本发明例13液晶显示装置视角特性的雷达图。
图25A是本发明例14液晶显示装置的部分截面图，图25B是其中一个象素的平面图。
图26是本发明例16液晶显示装置的部分截面图。
图27是本发明例18液晶显示装置视角特性的雷达图。
图28是本发明例19液晶显示装置视角特性的雷达图。
图29是比较例10液晶显示装置的部分截面图。
图30A和30B是表明传统液晶显示装置视角特性关系的示意图。
图31是传统的宽视角模式液晶显示装置的平面图。
图32是沿图31E-E’线的截面图。
图33是表明产生图31所示传统液晶显示装置的方法的示意图。
图34是表明传统的宽视角模式液晶显示装置工作原理的示意图。
图35是传统的宽视角模式液晶显示装置的截面图。
图36是传统的PALC的截面图。
图37是表明传统PALC工作原理的示意图。
图38是表明大型显示装置中视角差的示意图。
以下将参照附图描述本发明的较佳实施例。应当注意本发明并不限于这些实施例。
实施例1.
基本工作原理参考图1A至1D，将描述本发明一个实施例中液晶显示装置100的工作原理。图1A是未施加电压时液晶显示装置100的截面图，图1C是在施加电压时的截面图。图1B示出用正交尼科耳棱镜偏振显微镜观看液晶显示装置100的上表面在未施加电压时的观察结果，图1D是用正交尼科耳棱镜偏振显微镜观察液晶显示装置在施加电压时的观察结果。
液晶显示装置100包括夹在一对基板32和34之间的液晶层40，该层采用负介电各向异性Δε的n型液晶材料(液晶分子)42。在基板32和34与液晶层40接触的表面上形成垂直排列层38a和38b。基板32和34中至少有一个在液晶层40这一侧的表面上形成凸出部分36。由于凸出部分36，液晶层40具有两个不同的厚度dout和din。因此，在施加电压时，将展现轴对称排列的液晶区定义为一个由凸出部分36环绕的区域，如下所述。在图1A至1D中，省略了在基板32和34上形成的给液晶层40施加电压的电极。
如图1A所示，在没有施加电压时，受垂直排列层38a和38b的排列调整力作用，液晶分子在垂直于基板32和34的方向上排列。在用正交尼科耳棱镜偏振显微镜观看未施加电压时的象素区时，如图1B所示，显示黑的视场(通常称为黑的模式)。在施加电压时，具有负介电各向异性Δε的液晶分子42受力作用，使液晶分子42的主轴在垂直电场方向的方向上排列。因此，液晶分子42从垂直于基板32和34的方向倾斜(灰度等级显示状态)，如图1C所示。当用正交尼科耳棱镜偏振显微镜观看这个状态中的象素区时，在偏振轴的方向中观察到消光图案，如图1D所示。
图2是本发明液晶显示装置100的电压-透射比曲线。横坐标轴代表施加到液晶层40的电压，纵坐标轴代表相对透射比。当电压从未施加电压时的通常黑状态开始增大时，透射比逐步增大。将相对透射比为对应饱和透射比10％的电压称为Vth(阈值电压)。当电压进一步增大时，透射比进一步增大，达到饱和。将透射比饱和时的电压称为Vst(饱和电压)。在施加在液晶层40的电压在1/2Vth与Vst之间的情况中，在图2所示的工作范围内，透射比的变化是可逆的。在施加接近1/2Vth的电压时，液晶分子在大致垂直基板的方向上排列，同时相对轴对称排列的中心轴记忆对称性。因此，在施加高于1/2Vth的电压时，液晶分子会逆向返回到“记忆”的轴对排列状态。然而，当施加的电压低于1/2Vth时，液晶分子在大致垂直基板的方向上排列，不会记忆相对轴对称排列中中心轴的对称性。因此，即使在再次施加高于1/2Vth的电压时，不能唯一地确定液晶分子的倾斜方向。因此，由于存在多个轴对称排列的中心轴，透射比变得不稳定。更具体地说，在由凸出部分36限定的区域(即象素区)中一次可以形成多个中心轴。例如，在将n型液晶材料注入液晶元包中的阶段，液晶分子的特性与施加低于1/2Vth电压时的情况相同。
因此，在初始显示中通过施加电压实现轴对称排列，在开始显示后在排列是稳定的电压范围中利用本液晶显示装置，本实施例的显示模式实际上是很有用的。
限定象素区的凸出部分如图1A所示，本发明的液晶显示装置具有环绕象素区的凸出部分36。在没有凸出部分36时液晶层40的厚度(晶胞间隙)是均匀的情况中，不能限定液晶畴(连续排列的区域没有外转线的区域)的位置和尺寸。因此，液晶分子以随机方向排列，导致灰度等级显示粗糙。
根据本发明，凸出部分36限定了显示轴对称排列的液晶区域的位置和尺寸。形成凸出部分36是为了控制液晶层40的厚度，削弱象素区之间液晶分子的相互作用。至于液晶层40的厚度，在象素区边缘的液晶层40的厚度dout小于象素区中液晶层40的厚度din，即din＞dout,满足0.2×din≤dout≤0.8×din的关系。更具体地说，0.2×din＞dout的情况下，削弱由凸出部分36限定象素区之间液晶分子的相互作用的作用是不足的，在每个象素区中难以形成一个单一的轴对称排列区。在dout＞0.8×din的情况下，可能难以将液晶材料注入到液晶元包中。
注意“象素”通常定义为显示的最小单位。这里所用的术语“象素区”是指与“象素”相对应的显示装置的部分区域。在象素的纵横比大(即长的象素)的情况中，相对一个长的象素可以形成多个象素区。只要稳定地形成轴对称排列，形成的与象素相对应的象素区的数目较佳地应尽可能少。术语“轴对称排列”指径向排列、切向排列等。
控制轴对称排列的中心轴的位置在施加电压时产生的轴对称排列区中中心轴的位置对于显示质量影响很大。参考图3A至3D，将描述中心轴的位置与显示质量间的关系。如图3A所示，在中心轴44位于每个象素区的中心位置的情况下，即使在观看显示表面时，有一个倾斜的晶元包，所看到的所有象素区与图3C所示的相同。如图3B所示，在中心轴44偏离象素区中心的位置的情况中，观看到的偏移中心轴的象素区不同于图3D所示的其它象素区，这导致显示粗糙。在灰度等级中，这个问题是特别要注意的。
通过调节液晶层在象素区中的厚度din(x)能够控制轴对称排列中中心轴的位置。如图4A和4B所示，液晶层的厚度din(x)是连续变化的，在位于象素区中心(x＝0)和位于象素区一边(x＝r)时，液晶层的厚度din(x＝0)变为最大或厚度din(x＝r)变为最小。较佳地，对于从x＝0到x＝r，din(x)的微分系数总是负的和连续变化的。从视角特性的对称性看，液晶层的厚度尽可能相对每个象素区的中心对称是较佳的。
通过如上所述控制液晶层的厚度，形成的轴对称性具有良好的重复产生能力。参照图5A至5C将说明这一机制。图5A至5C是本发明液晶显示装置的一个象素区的截面图。
如图5A所示，在一个基板32表面的象素区中形成显示电极52，并形成一个垂直排列层58a，覆盖显示电极52。垂直排列层58a具有如图4A和4B所示的液晶层40厚度din变化的截面。垂直排列层58a相对位置x的厚度df的变化与液晶层40的厚度的变化是相反的。因此，垂直排列层58a的df(x)的差分系数较佳地应为正。在另一个基板34的液晶层40这一侧的表面上形成一个相对电极54，形成垂直排列58b，覆盖相对电极54。垂直排列层58b具有平的截面。
在垂直排列层58a附近的液晶分子42在垂直于垂直排列层58a的方向上排列，因此，它们从基板表面倾斜。当在电极52和54之间施加电压时，液晶分子42的主轴从电场方向E发生倾斜。结果，液晶分子42受电场E作用只向图5A箭头所表示的方向倾斜。液晶分子从基板表面法向的倾斜角9‘较佳地满足0＜9‘≤3°的关系。当θ′超过约3°时，则很可能由液晶分子引起一个相位差，于是光可能漏泄而降低对比度。
如上所述，参考图4A和4B，改变垂直排列层的截面形状，便可改变液晶层40的厚度，因而能够控制轴对称排列中心轴的位置，并能实现具有良好重复产生能力的轴对称排列。
在图5A所示的例子中，尽管通过垂直排列层58a的截面形状控制液晶层40的厚度，但是，控制液晶层40的厚度的方法并不限于此。例如，如图5B所示，可以单独形成具有所需截面的固体介电层59，可以在其上形成厚度均匀的垂直排列层58a。利用常用的涂饰剂，更具体地是指环氧树脂型涂层剂、丙烯酸环氧树脂等，可形成固体介电层59。在本实施例中，固体介电层59最厚部分的厚度在500至10000nm范围内，最薄部分的厚度在0至5000nm范围内。
在利用固体介电层59控制液晶层40厚度的情况中，固体介电层59较佳地是在显示电极52上形成的。如图5C所示，当显示电极52是在固体介电层59上形成时，电场方向E从基板表面倾斜，所以，在大多数情况下，不能唯一地确定液晶分子倾斜的方向。
液晶材料本发明所用的液晶材料是具有负介电各向异性(Δε＜0)的n型材料。根据用途可以恰当地确定Δε的绝对值。通常，考虑到驱动电压下降，Δε绝对值大是较佳的。
在外加电压下的迟滞dΔn是影响装置透射比和视角特性等关键特性的一个重要因数。在本发明的显示模式中，用液晶材料所特有的Δn与液晶层的厚度d的乘积确定液晶元包所特有的迟滞，无需将其限定为最佳值。根据本发明，在最大驱动电压下的迟滞是重要的，以下将对此进行描述。
图6是迟滞值大于最佳迟滞值(在第一最小条件下透射比变为最大dΔn＝450 nm)的液晶显示装置的电压-透射比曲线。在这种液晶显示装置中，不需要采用使透射比超过相对透射比最大值点的电压，可以在相对透射比单调地增大的区域中驱动液晶显示装置。更具体地说，在图6中，可以将相对透射比变为最大时的电压设定为最大驱动电压Vmax。
至于迟滞的范围，产生液晶元包时液晶分子的表观Δn(折射率的各向异性在最大驱动电压下的值)与液晶层的平均厚度d的乘积dΔn在300nm至500nm范围内是较佳的。对于透射比变为局部最大，存在一个次最小条件(迟滞约1000nm至1400nm)。然而，由于在不施加电压时视角特性下降，因此，次最小条件不是较佳的。此外，外加电压的电平与透射比间的关系根据视角可以变为反转，也就是在次最小条件下出现的灰度等级反转(对比度反转)现象，这不是较佳的。
液晶层中液晶分子的扭转角也是决定液晶显示装置透射比的一个重要因数。根据本发明，在最大电压下的扭转角与迟滞是一样重要的。原则上，在扭转角为90°和270°的情况中，液晶显示装置的透射比最大。然而，在扭转角为270°的情况中，难以稳定地产生轴对称排列，所以扭转角在90°附近是较佳的，在电压-透射比曲线中透射比变为最大。在施加最大驱动电压时，扭转角在45°至110°的范围内是较佳的。根据本发明，由于采用n型液晶分子，液晶分子的表观扭转角与电压有关。当不施加电压时，扭转角几乎为0°，扭转角随外加电压的增大而增大，在施加足够高的电压时，扭转角接近液晶材料所特有的角度。
在施加最大驱动电压时，在上述范围内的扭转角与迟滞的组合是更佳的，因为，它允许透射比更有效地接近最大值。
光固化的树脂如上所述，参考图2，将1/2Vth或更高的电压施加在本发明液晶显示装置上是较佳的。如果将电压施加在垂直于基板方向排列的液晶分子上，不能唯一地确定液晶分子倾斜的方向。结果，瞬时形成多个中心轴。如果连续地施加电压，在由凸出部分限定的每个区域中形成一个中心轴，只要施加的电压为1/2Vth或更高，可以稳定地维持这一状态。
为了稳定轴对称排列，在施加1/2Vth或更高电压作用下，通过使混合在液晶材料中的光固化树脂固化，形成轴对称排列的固定层。轴对称排列固定层能够稳定轴对称排列。在可光固化的树脂被固化后，即使去除1/2Vth或更高的电压，也不会形成多个中心轴。因此，形成具有良好重复产生能力的轴对称排列。下面将详细描述轴对称的固定层。
作为本发明所用的可光固化的树脂，可以采用丙烯酸酯型树脂、甲基丙烯酸酯型树脂、苯乙烯型树脂、及其衍生物。通过将光聚合化引发剂添加到这些树脂中，能够更有效地对可光固化的树脂固化。也可以采用热固化树脂。
在本发明中没有对可固化的树脂(可光固化的或可热固化的树脂)的添加量作特别的限制，根据材料可以改变最佳添加量。然而，树脂的含量(根据总重量的％，包括液晶材料的重量)约在0.1％至5％是较佳的。当含量低于0.1％时，固化后的树脂不能稳定轴对称排列状态。当含量超过5％时，降低了垂直排列层的作用，以致在不施加电压时，液晶分子的排列大大偏离垂直排列这会引起光的透射比(光漏泄)增大，退化不施加电压时的黑状态。
相位差片在两个光轴相互正交的起偏振光片中形成垂直排列的液晶分子，在这种情况中，在正表面方向上可获得满意的高对比度的黑状态。然而，从不同的视角观看显示装置时，由于光的漏泄对比度降低，这有赖于(1)起偏振光片的特性与视角的关系；(2)液晶层的迟滞(垂直排列的液晶分子的迟滞变化与方向有关)与视角的关系。在离开偏振轴(方位角，即基板内的角度)45°方向中尤其会出现这个现象。为了阻止这一现象，需要有效地降低垂直排列的液晶分子的迟滞。另一方面，较佳地在液晶元包与起偏振光片之间设置一个具有负单轴Frisbee型折射率椭球体的相位差片。可以采用一个具有在显示表面方向内的折射率nx，y大于垂直显示表面方向的折射率nz关系的双轴相位差薄片。这种相位差片的相位差较佳地应小于由液晶材料Δn与液晶层厚度d乘积所确定的液晶元包所特有的迟滞。液晶元包的迟滞在30％至80％的范围内则更好。当迟滞小于30％时，相位差片的作用很小，当迟滞大于80％时，在宽视角方向中，着色斑变大，这是不好的。
垂直排列层可以采用具有使液晶分子垂直排列的表面的任何材料层作垂直排列层。垂直排列层可以由无机材料或有机材料制成。例如，可以采用聚酰亚胺型材料(JALS-204，由日本合成橡胶有限公司生产；1211，由日本化学工业有限公司生产)、无机材料(EXP-OA003，由日本化学工业有限公司生产)等材料。
实施例2本发明还可应用于PALC。图7是本实施例中PALC 400的截面图。PALC400包括一个对基板120、一个等离子体基板110和设置在它们之间的液晶层102。用密封剂106密封液晶层102。等离子体基板110包括一块基板111、一块与基板111相对的介电板116、以及在基板111与介电板116之间形成的由分割壁限定的多个等离腔体113。等离子腔体113面对着液晶层102，其间则插入以介电层116。在等离子腔体113一侧的基板111表面上形成阳极114和阴极115，通过在阳极114和阴极115上施加电压，使密封在每个等离子腔体113中气体电离，产生等离子体放电。对基板120在液晶层102这一侧的表面上形成透明电极105，以与该透明电极105正交的方式使多个腔体113在垂直于图纸表面的方向延伸，形成条形形状。等离子腔体113与透明电极105的交会处限定象素区。与简单矩阵型液晶显示装置相比，对基板120上的透明电极105对应于显示电极(信号电极)，等离子腔体113对应于扫描电极。
在对基板120的液晶层102这一侧面上形成晶格形的凸出部分132，对应于非象素区。凸出部分132允许形成轴对称排列的区域，与象素区相对应。此外，在等离子基板110和对基板120在液晶层102这一侧的表面上形成垂直排列层134a和134b。
其基本工作原理、限定象素区的凸出部分、控制轴对称排列的中心轴位置、液晶材料、可光固化的树脂、相位差片以及垂直排列层基本上与实施例1中所述的相同。因此，省略其详述，以下将描述PALC的独特特性。
在本发明PALC的情况中，对于液晶材料的Δε，由于能够方便地将电压施加在液晶层上，因此ε‖应尽可能小，ε‖在2.5至3.3的范围内是较佳的。(这里，Δε定义为ε‖与ε⊥的差，ε‖是介电常数在平行液晶分子取向矢量方向上的分量，ε⊥是介电常数的垂直分量)。
至于固体介电层，施加在液晶层102上的电压按电容分在液晶层102和介电板116之间(见图7)，在PALC的情况中，介电板116的厚度通常大于液晶层102的厚度，因此，施加在液晶层102上的电压小于施加在介电板116上的电压。由于在介电板116的液晶层102这一侧的表面上形成一固体介电层，该层所引起的电压降是相对较小的，因此，形成厚度约为几微米的固体介电层不会引起任何实际问题。
起偏振光片的配置当等离子体基板与薄的玻璃板(即介电板)之间的附着表面存在折射率差时，由于对偏振光的双折射以及折射率差，从附着表面产生光漏泄，因而附着部分变为可见的。在起偏振光片的偏振轴与有折射率差的表面之间存在45°角的情况中，这种现象最为明显。在该角度为0°或90°的情况中，这种现象变为最小。在TN模式显示装置的情况中，为了扩宽观察者从侧面方向观看的视角，需要考虑其视角特性(图8A)，如图8B所示，通常在显示表面上以使偏振轴从十字方向倾斜45°的方式设置起偏振光片。当以这种方式设置TN模式PALC的起偏振光片时，由于在显示表面沿纵坐标或横坐标方向延伸的等离子腔体结构引起折射率差，能够方便地看到等离子腔体结构。然而，本发明采用的轴对称排列模式(垂直ASM模式)的视角特性具有高度的对称性，如图9所示。因此，可以在显示表面的十字方向中设置起偏振光片的偏振轴，使等离子腔体的结构不可见。在这方面，将轴对称排列应用于PALC是有利的。
实施例3基本结构和工作原理在本实施例中，至少在一块基板的电极的预定位置(较佳地，大致在象素区的中心部分)上形成轴对称排列的液晶分子的凹部或通孔(以下称为轴对称排列中心轴形成部分)，以下将对此进行描述。
参照图10A至10D，介绍本发明的液晶显示装置100的基本结构和工作原理。图10A是液晶显示装置100在未施加电压时的截面图，图10C是在施加电压时的截面图。图10B示出用正交尼科耳棱镜偏振显微镜观看图10A所示液晶显示装置100上表面的观察结果，图10D是用正交尼科耳棱镜偏振显微镜观看图10B所示液晶显示装置100的上表面的观察结果。
液晶显示装置100包括位于一对基板32和34之间的液晶层40，其液晶材料(液晶分子)42具有负的介电各向异性(Δε)。在基板32和34的液晶层40这一侧的表面上分布形成透明电极31和33。在透明电极31和33上分布形成垂直排列层38a和38b。此外，至少在一块基板的每个电极(图10A中为电极31)的预定位置(较佳地，基本为每个象素区的中心部分)上形成轴对称排列中心轴形成部分35。在基板32和34中至少在一块(图10A中为基板32)的液晶层40这一侧的表面上形成凸出部分。
由于凸出部分36，液晶层40具有两个不同的厚度dout和din。结果，在施加了形成轴对称排列中心轴的电压后，显示轴对称排列的液晶区域是由凸出部分36限定的。形成的凸出部分36限定了轴对称排列液晶区域的位置和大小。有关凸出部分36的详细情况与实施例1中所述的相同。此外，每个轴对称排列中心轴的位置是由其形成部分35控制的。因此，如图10C所示，液晶分子42围绕轴对称排列中心轴44轴对称排列，轴对称排列中心轴44是在凸出部分36限定的象素区中轴对称排列中心轴形成部分35上形成的。
如图10A所示，在未施加电压时，由于垂直排列层38a和38b的排列调整力的作用，液晶分子42在垂直基板32和34的方向上排列。在未施加电压时，用正交尼科耳棱镜偏振显微镜观看象素区时，如图10B所示，视场显示为暗(通常为黑模式)。在施加电压时，给具有负介电各向异性Δε的液晶分子42施加一作用力，使液晶分子42的主轴对准垂直电场方向的方向。因此，液晶分子从垂直基板的方向倾斜(灰度等级显示状态)，如图10B所示。当用正交尼科耳棱镜偏振显微镜观察这一状态中的象素区时，在偏振轴的方向上观看到消光图案。
图2示出本发明液晶显示装置的电压-透射比曲线。横坐标代表电压，纵坐标代表相对透射比。如图2所示，当电压增大时，透射比逐步增大。当电压进一步增大时，透射比进一步增大，并达到饱和。
当电压从未加状态开始增加时，液晶分子42从垂直基板32和34的方向开始倾斜。然而，液晶分子42的倾斜方向不能被唯一地确定。根据本发明，由于有凸出部分，在由凸出部分36限定的轴对称排列的液晶区域中，形成多个轴对称排列的中心轴(以下仅称为“中心轴”)。在存在这些多个中心轴时，排列和透射都是不稳定的。
在继续施加1/2Vth或更高的电压时，在由凸出部分36限定的每个液晶区域中，多个中心轴变为一个中心轴。在施加在液晶层40上的电压介于1/2Vth与Vst之间时，在工作范围内，透射比是可逆地变化的，如图2所示。在施加接近1/2Vth电压的情况下，液晶分子在几乎垂直于基板的方向上排列，同时记忆了在施加1/2Vth或更高电压时的轴对称排列状态，即相对中心轴对称。在取消电压或电压降低到1/2Vth以下时，液晶分子在几乎垂直于基板的方向上排列，并返回到不记忆轴对称排列状态的状态。因此，即使在再次施加高于1/2Vth的电压时，会再一次形成多个中心轴。例如，在将n型液晶材料注入液晶元包的阶段，液晶分子的特性与施加1/2Vth以下电压的情况相同。
如上所述，本发明的液晶显示装置是以通常的黑模式工作的，在这种工作模式中，未施加电压时，液晶分子在垂直基板的方向排列，执行黑显示；在施加电压时，液晶分子围绕每个象素区形成的中心轴轴对称地排列，执行白显示。然而，在施加电压后，形成多个中心轴，所以工作变为是不稳定的，在不施加电压时执行黑显示。为了在本发明的显示模式中获得稳定的工作，在显示工作前，需要在每个象素区中形成一个中心轴。
为了在显示工作前，在每个象素区中形成一个中心轴，应施加一预定电压，即1/2Vth或高于此值的电压。因而，在每个象素区中形成一个中心轴，在白显示期间能够实现稳定的轴对称排列状态。然而，电压取消后，象在初始非稳定状态中一样允许形成多个中心轴。因此，显示装置应当在施加一预定电压(即1/2Vth附近的电压)下使用，在出现显示后，即使是在黑显示期间也不取消电压。在本发明的显示模式下，较佳地应在获得稳定轴对称排列状态的电压范围，即1/2Vth至Vst的范围中使用显示装置。
为获得稳定工作状态在显示工作前在每个象素区中形成一个中心轴的过程被称为“轴对称排列中心轴形成过程”。为形成中心轴而施加的电压被称为“轴对称排列中心轴形成电压”中心轴位置的控制如上所述，根据本发明，在不施加电压时，液晶分子在垂直基板的方向上排列。在连续施加电压时，液晶分子围绕凸出部分限定的每个液晶区域中的一个中心轴轴对称地排列。因此，能够实现具有高对比度和宽视角的液晶显示装置。
然而，由于不能唯一地确定在施加电压时液晶分子倾斜的方向，可以在任意位置上形成中心轴，这与象素区有关。例如，存在这种可能性，每一次施加电压时，即使在同一个象素区中也会在不同位置上形成中心轴。另一方面，存在这种可能性，即使同时施加相同电压，也可能以不同的方式(与象素区有关)将轴对称排列中心轴形成电压施加到液晶分子上，因此，在不同的位置上形成中心轴，与象素区有关。
当形成中心轴的位置随象素区而变化时，对显示质量产生较大影响。参考图3A至3D，说明中心轴位置与显示质量间的关系。更具体地说，如图3A所示，在象素区的每个中心位置上形成中心轴44的情况中，即使在观看显示表面时有一个倾斜的元晶包，所有象素区都如图3C所示那样是相似的。但如图3B所示，某些中心轴在偏离象素区中心部分处形成的情况中，则如图3D所示，观看中心轴偏移的象素区时就不同于其它象素区。从而得到非均匀(粗糙)的显示。在灰度等级显示中，这个问题尤其严重。
为了获得无粗糙度的显示，较佳地在进行显示前通过执行轴对称排列中心轴的形成过程，可控制中心轴的位置。经过轴对称排列中心轴形成过程，在象素区中提供即使在施加电压时液晶分子也保持垂直排列状态的区域，因而能够控制中心轴的位置。通过在象素区的电极中形成轴对称排列中心轴形成部分，能够提供即使在施加电压时液晶分子也保持垂直排列状态的区域。在这种情况下，由于以下原因，Sa较佳地满足0％＜Sa/A＜4％的关系，这里Sa为在每个象素区中在施加轴对称排列中心轴的形成电压时液晶分子在垂直基板方向上排列的区域的面积，A为每个象素区的面积。当Sa为0时，没有产生控制中心轴位置的作用。当Sa约为4％或更高时，对显示不起作用的轴对称排列中心轴形成部分的比率太大，这部分变为黑的缺陷，在多数情况下会降低对比度。
在轴对称排列中心轴形成部分中，液晶分子是稳定的，电场没有影响其排列状态。此外，象素区中有一些位置上的液晶分子即使在施加电压时也保持垂直排列状态，当中心轴是在这些位置以外的象素位置中形成的时，通过连续施加轴对称排列中心轴形成电压，中心轴会从原始的形成位置移动到液晶分子保持垂直排列状态的位置。因此，中心轴是在象素区中液晶分子即使在施加电压下也保持垂直排列状态的位置上形成的。允许中心轴移动到预定位置(即，即使施加电压时液晶分子仍保持垂直排到状态的部分)所需的时间应定为数十秒或更长。此外，在施加轴对称排列中心轴形成电压的同时加热液晶元包，这将便于中心轴从原始形成位置到液晶分子保持垂直排列状态位置的移动，结果，更进一步地提高了中心轴位置的控制能力。
另一方面，通过把轴对称排列中心轴的形成位置设定在象素区中每个电极的预定位置(较佳地，基本为每个象素区的中心部分)上，能够控制中心轴的位置。图11A和11B示出电力线和液晶分子在电压作用在液晶元包中排列的状态，在液晶元包中，在一个象素区中设置一个轴对称排列中心形成位置。在图11中，参考标号1表示基板，2表示电极，2a表示轴对称排列中心轴的形成位置，13表示电场，14表示液晶分子。
在轴对称排列中心轴形成位置2a与电极2之间的边界附近，电场被设置的轴对称排列中心轴形成部分2a变形，如图11A所示，产生了具有平行与基板分量的电力线13。因此，如图11B所示，象素区中的液晶分子受到变形电力线的影响，即使中心轴是在不与轴对称排列中心轴形成部分2a相对应的象素区的位置上形成的，中心轴也会从原始形成的地方移动到与轴对称排列中心轴形成部分2a相对应的地方。因此，轴对称排列中心轴是在与轴对称排列中心轴形成部分2a相对应的象素区位置上形成的。
另一方面，通过调节象素区中液晶层的厚度，能够控制中心轴的位置。象素区中液晶层厚度的调节与实施例1并参照图4A和4B的描述是一样的。
在施加轴对称排列中心轴形成电压时，液晶分子轴对称排列状态的稳定为了在本发明的显示模式中进行稳定的显示操作，需要在显示操作前通过在每个象素区中形成一个中心轴，稳定轴对称排列状态。为此，如上所述，应当进行轴对称排列中心轴的形成过程，其中，在显示操作前施加一预定电压。此外，在出现显示后，即使在黑显示期间，最好也施加预定电压，采用的工作电压，例如在1/2Vth至Vst范围内，能够获得稳定的轴对称排列状态。即使在黑显示期间也施加预定电压的原因是，使液晶分子记住在施加1/2Vth或更高电压所形成的轴对称排列状态(即相对中心轴的对称性)，因而不会返回到初始状态。在完成液晶显示装置后，每一次在出现显示操作前，可进行轴对称排列中心轴的形成过程。或者可以被包含在液晶显示装置的生产过程中。
轴对称排列固定层根据本发明，在不施加电压时，可以假设液晶分子是轴对称排列状态，与在施加1/2Vth上下的电压下的状态相似。为了实现这一点，至少在一块基板的液晶层这一侧的表面上能够形成轴对称排列固定层。通过形成这一轴对称排列固定层，能够给在不施加1/2Vth或更高电压的条件下显示轴对称排列的每个液晶区中的液晶分子提供一个轴对称的预倾角。尽管在不施加电压时轴对称排列固定层提供有预倾角的液晶分子，但液晶分子偏离基板法向的倾斜角是较小的，黑的等级程度与没有轴对称排列固定层的情况一基本相等的。
可以采用包括以下步骤方法形成轴对称排列固定层在一对基板之间配置至少含有液晶材料和可光固化材料的原始混合物，使混合物中的可光固化材料固化。例如，在施加轴对称排列中心轴形成电压下，使基板之间的原始混合物暴露于光照下，使光可固化的材料固化。可采用任何合适的曝光条件。也可用热固化的材料代替光固化的材料。在利用热固化的材料的情况中，可采用任何合适的固化条件(加热条件)。原始混合物中固化材料的含量与实施例1中所述相同。
由于以下原因，采用光固化的材料是较佳的。利用光掩膜或类似物能够有选择地使所需区域中的光固化材料固化，因此，以空间规则分布的方式形成液晶区(聚合物区)。如果采用具有所需波长的透光材料作为液晶显示装置中的透明电极和彩色滤光片，用这些构件能够取代光掩膜。利用液晶显示装置的这些构件作为光掩膜具有以自匹配的方式形成液晶区的好处。
为了在未施加1/2Vth或更高电压时，轴对称排列固定层使显示轴对称排列的每个液晶区中的液晶分子产生轴对称预倾角，在轴对称排列固定层的形成过程中，要求液晶分子在偏离基板法向一定角度上倾斜(即，要求液晶分子有倾斜角)。为了使液晶分子在偏离基板法向的一定角度上倾斜，应当施加电压。例如，所施加的电压在1/2Vth至Vst的范围内，能够稳定轴对称排列。
利用给液晶层40施加电压、产生显示的电极(在图10A中为31和33)，也能够施加轴对称排列中心轴的形成电压。轴对称排列中心轴的形成电压较佳地应是频率为1Hz或更高的交流电。采用交流电的原因在于采用直流电会削弱原始混合物。当电压的频率低于1Hz时，液晶分子未必会随电压而变化，因而不可能使液晶分子轴对称排列。为了使液晶分子在偏离基板法向一特定角度上倾斜，可以用磁场代替轴对称排列中心轴的形成电压。
例子以下将通过举例的方式来描述本发明。然而，本发明并不受此限制。
例1参考图12A和12B，介绍产生本例1液晶显示装置的方法。在其表面上有透明电极63(厚度约为100nm，由ITO制成)的基板62的象素区以外的区域中，用光阻材料(OMR83；由Tokyo Ohka-sha生产)形成高度约为3μm的凸出部分66。然后，用光敏聚酰亚胺在凸出部分66上形成高度约为5μm的隔离体65。由凸出部分66限定的区域(即象素区)的尺寸定为100μm×100μm。在产生的基板上旋涂聚酰亚胺(JALS-204；由日本合成橡胶有限公司生产)，形成垂直排列层68。此外，用同样的材料在另一块基板(未示出)的透明电极上也形成垂直排列层。将这些基板相互附着在一起，组成一个液晶元包。
将n型液晶材料(Δε＝-4.0；Δn＝0.08；在5μm元包间隙中，液晶材料的固有扭转角＝90°)注入上述的液晶元包中，在液晶元包上施加约7伏的电压。在施加电压后立即产生初始状态中的多个中心轴。当继续施加电压时，每个象素区中形成一个轴对称排列区(单畴)。
在液晶元包的两个侧面设置正交尼科耳棱镜起偏振光片。因此，所获得的液晶显示装置的结构基本上与图1A至1D所示的液晶显示装置100的结构相同，差别只是垂直排列层68的截面为图12A所示的臼形(未示出起偏振光片)。由于垂直排列层68的截面为臼形，厚度相对位置变化(从象素中心到其边缘)曲线的微分系数为正，在象素中液晶层厚度变化的曲线的微分系数为负。
在施加1/2Vth或以上电压时，例1中的液晶元包的轴对称排列是稳定的，在电压降低到1/2Vth以下时，液晶元包的轴对称排列分布返回到初始状态。当再次给液晶元包施加电压时，获得多个中心轴的轴对称排列的初始状态。此后，获得每个象素区中形成一个中心轴的轴对称排列状态。即使在进行20次相同试验时，也得到这一现象。在施加1/2Vth或以上电压形成轴对称排列状态后，测量例1的液晶元包在轴对称排列稳定的电压范围(1/2Vth或以上)上的电光特性。
图13示出了如此获得的电光特性。由图13可见，本发明的液晶显示器具有令人满意的对比度(CR＝300∶1，5伏)，当不加电压时，透射比很低。关于视角特性，如图14所示，在较宽的视角范围内可以获得较高的对比度。在图14中，φ表示方位角(即，显示面内的角度)，θ表示视角(即，从显示面法线开始算起的倾角)，而阴影部分表示对比度为10∶1或更大的区域。
比较例1在比较例1中，直接在透明电极63上形成垂直排列层68，而透明电极63形成于图12A所示的基板62的表面上。然后，以例1中相同方法，用光敏的聚酰亚胺制成隔离体(spacer)65。在比较例1中，不形成如图12A和12B所示的凸出部分66。将所得的基板与用例1的相同方式获得的对基板(counter substrate)固定，从而制成液晶元包(cell)。元包中象素区内液晶层的厚度是不变的。
当把例1中的相同材料注入元包内时，液晶分子随机排列，并以随机的方式形成外转(disclination)线。在加电压下观察元包，在灰度等级中观察到粗糙显示。
例2如图15所示，用一种光阻材料(OMR83)在具有凸出部分(projection)66的基板62上一象素区的中心部分形成一个例一的突出部分69。突出部分69的宽度最好约为象素区宽度的1/10或更小。当突出部分69的宽度超过象素区宽度的1/10时，开口比(opening ratio)下降，造成显示器的透射比下降这是不受欢迎的。除了提供突出部分69之外，用与例1相同的方式制造液晶元包。
作为观察元包的结果，在每个突出部分69的某一位置上形成一个中心轴，
由此获得了这样的液晶显示器，在该显示器中，在几乎所有象素区的中心部分形成中心轴。当沿各种视角方向观察该液晶显示器时，可以获得不粗糙的显示。
例3和例4以及比较例2和比较例3除了如表1所示调节元包间距(液晶层的厚度)之外，用与例1相同的方法制造例3和例4以及比较例2和比较例3中的液晶显示器。用这样的方式调节手性试剂(chiral agent)(由Merck股份有限公司生产的S-811)在每个液晶显示器中所用液晶材料内的添加量，使液晶材料特有的扭转角变成90°。
表1
*与平行Nicol棱镜中透射比100％的相对值**在最大透射比处测得。
当用520纳米迟滞(retardation)向比较例3中的液晶元包施加一增长电压直至获得最大透射比时，透射比下降，并且在灰度测试显示中观察到反衬逆转的现象(即，当图6中电压超过Vmax时发生的现象)。在迟滞不大于300纳米的比较例2的液晶显示器中，透射比是很低的。从表1所示的实验结果可以理解，液晶材料之Δn(最大驱动电压处的双折射)与液晶层之平均厚度d的乘积d·Δn(迟滞)最好在约300纳米至500纳米的范围内。
例5和例6以及比较例4和比较例5通过调节手性试剂(由Merck股份有限公司生产的S-811)在例1液晶显示器中所用液晶材料内的添加量，制造具有如表2所示不同扭转角的液晶显示器。在使每个器件的透射比为最大的电压下测量液晶显示器的电光特性。
表2
*与平行Nicol棱镜中透射比100％的相对值**当施加的电压超过使透射比最大的值时，发生反衬逆转现象。
从表2所示的结果可以理解，在最大驱动电压下的扭转角最好在45°-110°范围内。
例7在例1液晶显示器的一侧放置一块具有“Frisbee型”折射椭球体的相差片(因nx＝ny，nx＞nz，所以迟滞为1 50纳米)。图16示出了通过测量液晶显示器的视角特性而获得的结果。从图16可以理解，例7液晶显示器的视角比例1液晶显示器的视角宽(见图14)。
例8在该例中，将描述一种通过使混合在液晶材料中的光固性树脂固化而使液晶分子的轴对称排列稳定的方法(即形成一个轴对称排列固定层)。
图17是一部分剖面示意图，示出了例8中的液晶显示器。液晶显示器200在一对基板82和84之间包括一液晶层80，液晶层80包含一种具有负介电各向异性Δε的n-型液晶材料(液晶分子)92。垂直排列层88a和88b位于基板82和84靠液晶层80一侧的表面上。至少在基板82和84中一个基板靠液晶层80的表面上提供凸出部分86。由于存在凸出部分86，所以液晶层80具有两个不同的厚度。因此，如上所述，在施加电压时，凸出部分86确定了呈现轴对称排列的液晶区。在图17中，省略了位于基板82和84上的对液晶层80施加电压的电极。液晶显示器200与例1中液晶显示器100的不同之处在于，在垂直排列层88a和88b上形成轴对称排列固定层90a和90b。即使不加电压，轴对称排列固定层90a和90b也可使象素区中的液晶分子保持轴对称排列。因此，即使为驱动液晶显示器200而施加小于1/2Vth的电动(或不加电压)，也能获得如图2所示的电光特性，并具有良好的再生产能力。通过在施加1/2Vth电压或更大电压的条件下使混合于液晶材料中的可固化树脂固化成液晶层，便形成了使液晶分子保持轴对称排列(预倾)的轴对称排列固定层90a和90b。
以下参照图18，详细描述制造液晶显示器200的方法。用光阻材料(东京Ohka-sha生产的OMR83)在基板62非象素区的区域上形成高度约为2.5微米的凸出部分66，而基板在其表面上具有由ITO(厚度约为100纳米)制成的透明电极63。然后，用光敏的聚酰亚胺在凸出部分66上形成在大约为5微米的隔离体65。规定由凸出部分66确定的区域(即，一个象素区)的大小为100微米×100微米。将聚酰亚胺(日本合成橡胶股份有限公司生产的JALS-204)旋转涂覆到所得的基板上，以形成垂直排列层68。另外，还用相同的材料在另一基板的透明电极上形成一垂直排列层(未示出)。将这些基板相互固定，完成一个液晶元包。
在本例中，向元包内注入一种混合物，它含有n-型液晶材料(Δε＝-4.0；Δn＝0.08；在5微米的元包间距内手征角chiral angle＝90°)用以下分子式I表示的约0.3 wt％的化合物A(光固性树脂)，以及约0.1wt％的聚合引发剂(Irgacure 651)。然后，对元包施加5伏电压以形成轴对称排列。在凸出部分66确定的每个象素区内形成一个轴对称排列区，并在每个象素区的中心部分形成一个中心轴。然后，在施加较2.0伏阈值电压高约0.5伏的电压的条件下，在室温(25°)下用紫外线(365纳米处的光强约为6毫瓦/厘米2)对元包辐射10分钟，从而使混合物内的光固性树脂固化。结果，形成轴对称排列固定层90a，复盖住垂直排列层68。还在对基板上形成轴对称排列层90b(见图17)。
即使施加在液晶层上的电压变小至低于1/2Vth，图8中元包的轴对称排列也不会返回液晶分子的垂直排列状态。可以认为，轴对称排列固定层90a和90b保持了轴对称排列中的预倾状态。因此，在形成轴对称排列固定层90a和90b之后，即使在取消了施加在液晶层上的电压之后施加1/2Vth或更大电压，也不会出现每个象素区中存在多个中心轴的现象，并且可以用一种可逆手段以电气方式控制垂直排列状态(黑色状态)和轴对称排列状态(白色状态)。当不加电压时，轴对称排列固定层90a使图8中液晶显示器之液晶层所含的液晶分子具有一个预倾角。但是，偏离垂直排列的移位很小，因此当不加电压时黑色程度基本上与例1中液晶显示器的黑色程度相等。电光特性和视角特性与图13和图14的相同。尽管在本例中使用了光固性树脂，但也可使用热固性树脂。
通过用与图7相同的方式提供具有“Frisbee-型”折射椭球体的相差片，可以获得如图16所示的视角特性。相差片尤其改善了沿偏离起偏振片之偏振轴45°角度方向的视角特性。
例9和例10以及比较例6和比较例7用与例8相同的方式，通过注入上述化合物A含量改变的混合物，生产例9和例10以及比较例6和比较例7的液晶显示器。由比较例6的结果可见，当光固性树脂的含量小于约0.1wt％时，不能有效地固定轴对称排列。当该含量大于约6wt％时，在不加电压时会干扰液晶分子的垂直排列，并且光漏变大。因此，可以理解，光固性树脂的含量最好在约0.1wt％至约6wt％的范围内。
表3
例11图7是本例中PALC 400的剖面图。PALC 400包括对基板120、等离子基板110和位于其间的液晶层102。用密封剂106将液晶层102密封。等离子基板110包括基板111、与基板111相对的介电片116，以及由基板111和介电片116之间的分隔墙112确定的多个等离子腔113。等离子腔113与液晶层102相对，介电层116位于两者之间。通过在阳极114和阴极115(形成于基板111靠等离子腔113一侧的表面上)上加一电压，使封闭在每个等离子腔113内的气体电离，从而等离子体发生放电。多个等离子腔113沿垂直于图7所画表面的方向呈带状延伸，从而与形成于对基板120靠液晶层102一侧表面上的透明电极正交。等离子腔113与透明电极105的交叉点确定了象素区。
在对基板120靠液晶层102一侧的表面上形成格子形凸出部分132，以便对应于非象素区。凸出部分132可形成轴对称排列区，对应于象素区。另外，在等离子基板110和对基板120靠液晶层102一侧的表面上提供垂直排列层134a和134b。
生产PALC 400的过程如下。
用玻璃膏形成多个电极(每个电极包括一对阳极114和阴极115)和高度约为200微米的分隔墙112，从而在相邻电极之间作一隔墙。接着，用光固性密封剂将厚度约为50微米的薄膜玻璃基板116固定在分隔墙112上。然后，将氩气密封在等离子腔113内。用JALS-204(由日本合成橡胶股份有限公司生产)旋转涂覆薄膜玻璃基板116的表面，以形成垂直排列层134a，从而获得等离子基板110。
现参照图19A和19B，描述生产对基板120的方法。用OMR83(由东京Ohka-sha生产)，在具有透明电极105的玻璃基板101上非象素区的区域内，形成高度约2.7微米的凸出部分132，其中透明电极105由ITO制成(厚度约150微米)，凸出部分呈条状。规定每个象素区的大小为100微米×100微米。另外，用光敏的聚酰亚胺形成高度约6微米的隔离体135。用JALS-204(由日本合成橡胶股份有限公司生产)旋转涂覆所得的基板，以形成垂直排列层134b，从而获得对基板120。将等离子基板110与对基板120固定，制成一个液晶元包。
将一种n-型液晶材料(Δε＝-4.0；Δn＝0.077；在6微米的元包间距内该液晶材料的扭转角＝90°)注入元包内。对元包加约7伏的电压。施加电压后，在初始状态下存在多个中心轴。当继续加电压时，在每个象素区内形成一个轴对称排列区(单畴)。
在元包两侧的正交Nicol棱镜中放置起偏振片，从而生产出液晶显示器。由此获得的液晶显示器之液晶层的剖面结构与图4A和4B所示液晶显示器之液晶层的剖面结构基本相同，除了垂直排列层134b具有如图19A所示的臼形剖面外(起偏振片未示出)。由于垂直排列层134b具有臼形剖面，所以表示厚度相对位置(从一个象素的中心部分至其周边部分)变化的曲线微分系数为正，而表示象素区内液晶层厚度变化的曲线微分系数为负。
在施加1/2Vth电压或更大电压的情况下，例11中元包的轴对称排列是稳定的，而当电压下降至小于1/2Vth时，轴对称排列会受干扰，返回初始状态。当再次对元包施加电压时，初始轴对称排列会具有多个中心轴。随后，获得每个象素区内形成一个中心轴的轴对称排列状态。即使进行20次相同的实验，也会获得该现象。在通过施加1/2Vth电压或更大电压形成轴对称排列状态后，对例11中的元包测量轴对称排列稳定的电压范围(1/2Vth或更大)内的电光特性。
图13示出了如此获得的电光特性。由图13可见，本发明的液晶显示器具有令人满意的对比度(CR＝300∶1，5伏)，在不加电压时透射比很低。其阈值电压约为2伏，如图9所示，在一较宽的视角范围内获得较高的对比度。在图9中，φ表示方位角(即，显示面内的角度)，θ表示视角(即，从显示面法线开始算起的倾角)，而阴影部分表示对比度为10∶1或更大的区域。
比较例8在比较例8中，直接在透明电极105上形成垂直排列层134b，而透明电极105形成于图19A所示的基板101的表面上。然后，以例11中相同方法，用光敏的聚酰亚胺制成隔离体135。在比较例11中，不形成如图19A所示的凸出部分132。将所得的基板120与用例11的相同方式获得的等离子基板110固定，从而制成液晶元包。元包中象素区内液晶层的厚度是不变的。
当把与例11中的相同材料注入元包内时，液晶分子随机排列，并以随机的方式形成外转线。在加压情况下观察元包，在灰度等级中观察到粗糙显示。
例12在该例中，将描述一种通过使混合在液晶材料中的光固性树脂固化而使液晶分子的轴对称排列稳定的方法。图20是例12中液晶显示器的部分剖面示意图。
液晶显示器500在一对基板82和84之间包括一液晶层80，液晶层80包含一种具有负介电各向异性Δε的n-型液晶材料(液晶分子)92。将等离子基板用作基板82或84。垂直排列层88a和88b位于基板82和84靠液晶层80一侧的表面上。至少在基板82和84中一个基板靠液晶层80的表面上形成凸出部分86。由于等离子基板靠液晶层80—侧表面上的介电片很薄，所以鉴于介电片强度不够最好在对基板(滤色基板)上形成凸出部分。
由于存在凸出部分86，所以液晶层80具有两个不同的厚度。因此，如上所述，凸出部分86确定了在施加电压时呈现轴对称排列的液晶区。在图20中，省略了位于基板82和84上的对液晶层80施加电压的电极以及等离子腔。除了在垂直排列层88a和88b上提供轴对称排列固定层90a的90b之外，液晶显示器500的结构与例11中液晶显示器400的结构相同。即使不加电压，轴对称排列固定层90a和90b也可使象素区中的液晶分子保持轴对称排列。因此，即使为驱动液晶显示器500而施加小于1/2Vth的电压(或不加电压)，也能获得如图2所示的电光特性，并具有良好的再生产能力。通过在施加1/2Vth电压或更大电压的条件下使混合于液晶材料中的可固化树脂固化成液晶层，便形成了使液晶分子保持轴对称排列(预倾)的轴对称排列固定层90a和90b。
以下将详细描述制造液晶显示器500的方法。参照图21，用光阻材料(东京Ohka-sha生产的OMR83)在基板101非象素区的区域上形成高度约为2.7微米的凸出部分132，而基板在其表面上具有由ITO(厚度约为150纳米)制成的透明电极105。然后，用光敏的聚酰亚胺在凸出部分132上形成大约为6微米的隔离体135。规定由凸出部分132确定的区域(即，一个象素区)的大小为100微米×100微米。将聚酰亚胺(日本合成橡胶股份有限公司生产的JALS-204)旋转涂覆到所得的基板上，以形成垂直排列层134b，从而获得对基板。另外，还用相同的材料在另一基板(等离子基板)的透明电极上形成一垂直排列层(未示出)。将这些基板相互固定，完成一个液晶元包。该元包基本上与例11中的相同。
在本例中，向元包内注入一种混合物，它含有n-型液晶材料(Δε＝-4.0；Δn＝0.077；在6微米的元包间距内手征角chiral angle＝90°)、用以下分子式I表示的约0.4wt％的化合物A(光固性树脂)，以及约0.1wt％的Irgacure 651。然后，对元包施加5伏电压，形成轴对称排列。在凸出部分132确定的每个象素区内形成一个轴对称排列区，并在每个象素区的中心部分形成一个中心轴。然后，在施加较2.0伏阈值电压高约0.5伏的电压的条件下，在室温(25°)下用紫外线(365纳米处的光强约为6毫瓦/厘米2)对元包辐射10分钟，从而使混合物内的光固性树脂固化。结果，形成轴对称排列固定层142a，复盖住垂直排列134b。还在等离子基板上形成对应于轴对称排列层90b(图21中未示出)的轴对称排列层。在本例中，尽管作用了光固性树脂，但还可使用热固性树脂。
即使施加在液晶层上的电压变小至低于1/2Vth，例12中元包的轴对称排列也不会返回液晶分子的垂直排列状态。可以认为，轴对称排列固定层142a保持了轴对称排列中的预倾状态。因此，在形成轴对称排列固定层142a之后，即使在取消了施加在液晶层上的电压之后施加1/2Vth或更大电压，也不会出现象素区中存在多个中心轴的现象，并且可以可逆地以电气方式控制垂直排列状态(黑色状态)和轴对称排列状态(白色状态)。当不加电压时，轴对称排列固定层142a使图12中液晶显示器之液晶层所含的液晶分子具有一个预倾角。但是，偏离垂直排列的移位很小，因此当不加电压时黑色程度基本上与例11中液晶显示器的黑色程度相等。电光特性和视角特性与图13和图9的相同。尽管在本例中使用了光固性树脂，但也可使用热固性树脂。
在本发明的液晶显示器中，用这样的方式固定两块起偏振片，使偏振轴位于显示表面上的十字方向。如图9所示，获得了轴对称宽视角的特性。由于等离子腔的方向与起偏振片之偏振轴的方向相同，所以漏光较少。
通过在元包和起偏振片之间提供具有负“Frisbee-型”折射椭球体的相差片(Δn·d＝300纳米)，可以进一步改善沿偏离起偏振片之偏振轴45°角度方向的视角特性。表4列出了结果。
表4<
>
比较例9除了不在对基板上形成格子形的凸出部分之外，用与例1相同的方式生产液晶元包。在基板靠液晶层一侧的表面上形成水平排列膜，并对水平排列膜进行摩擦处理，从而制成TN模式的液晶材料。将液晶材料注入元包中，并对元包加热，然后逐渐冷却以制成TN-PALC。用这样的方式将起偏振片与元包固定，使偏振角偏离显示表面上的十字方向45°。由此获得的液晶显示器的视角特性如图8A所示。由该图可见，与例11和12中的视角相比，该视角非常窄。另外，可以观察到从固定表面漏出的线形光。因此，降低了反衬度。
例13图22A是例13中液晶显示器一个象素的剖面示意图。图22B是其俯视图。图22A是图22B中沿A-A线截取的剖面图。现描述液晶显示器的结构和生产工艺。
在玻璃基板60上形成由ITO制成的透明电极61(厚度约100纳米)，并将JALS-204(由日本合成橡胶股份有限公司生产)旋转涂覆到透明电极61上从而形成垂直排列层67。
在玻璃基板62上形成由ITO制成的透明电极63(厚度约100纳米)。用光刻法和蚀刻法除去透明电极63中每个象素区的中心部分，以形成轴对称排列中心轴形成部分64。另外，用丙烯酸的负光阻材料在透明电极63上非象素区的区域上形成高度约3微米的凸出部分66。然后，用光敏的聚酰亚胺形成高度约2微米的隔离体65。规定由隔离体65和凸出部分66确定的每个象素区的大小为190微米×325微米。并将JALS-204(由日本合成橡胶股份有限公司生产)旋转涂覆到所得的基板上，以形成垂直排列层68。
使两块基板60和62相互固定，并注入n-型液晶材料(Δε＝-4.0；Δn＝0.08；在5微米的元包间距内液晶材料特有的扭转角＝90°)，以形成液晶层70，从而完成一个液晶元包。
对于凸出部分66和隔离体65，可以使用光敏的丙烯酸脂型、丙烯酸甲脂型、聚酰亚胺型和橡胶型材料。只要凸出部分66和隔离体65具有抗大约400g/Φ压力的强度，便能使用任何光敏材料。
为了进行轴对称排列中心轴形成工艺，需对如此制成的元包施加大约为7伏的轴对称排列中心轴形成电压。施加电压后，在初始状态下形成多个中心轴。当继续施加轴对称排列中心轴形成电压时，在每个象素区内形成一个中心轴，从而形成一个轴对称区(单畴)。
在对元包施加驱动电压的情况下，用正交Nicol棱镜的一个偏振显微镜，在透射模式下观察每个象素。在开始施加电压一段时间后，观察到在施加电压后的初始状态下形成的多个中心轴变成一个中心轴。这时，在液晶元包大约10％的象素区内，在偏离象素区中心部分的地方形成中心轴。通过继续施加轴对称排列中心轴形成电压，使液晶分子在如图23所示的白色显示期间绕每个象素区中的中心轴成轴对称排列。并且在对应于象素区之大致中心部分内的轴对称排列中心轴形成部分64的地方，形成了中心轴。
将起偏振片放在元包两侧的正交Nicol棱镜内，从而生产出液晶显示器。
图13示出了例13中液晶显示器的电光特性。图24示出了反衬度的视角特性。图13对应于图2。在图24中，φ表示方位角(即，显示面内的角度)，θ表示视角(即，从显示面法线开始算起的倾角)，而阴影部分表示对比度为10∶1或更大的区域。
例14图25A是例14中液晶显示器的剖面示意图。图25B是其俯视图。图25A是沿图25B中A-A线截取的剖面图。
在例14中，在基板62上形成垂直排列层68，从而使象素区的剖面满足如图4A和4B所示的关系。也就是说，用这样的方式垂直排列层68，使表示垂直排列层68之厚度相对位置(从一个象素的中心部分至其周边部分)变化的曲线的微分系数为正，而表示象素区内液晶层厚度变化的曲线微分系数为负。具体地说，象素区内垂直排列层68的剖面为臼形，并且轴对称排列中心轴形成部分64位于垂直排列层68剖面最深处的象素电极63中。用与例13相同的方式生产出液晶元包。
为了进行轴对称排列中心轴形成工艺，需对如此制成的元包施加大约为7伏的轴对称排列中心轴形成电压。施加电压后，在初始状态下形成多个中心轴。当继续施加轴对称排列中心轴形成电压时，在每个象素区内形成一个中心轴，从而形成一个轴对称区(单畴)。
在对元包施加驱动电压的情况下，用正交Nicol棱镜的一个偏振显微镜，在透射模式下观察每个象素。在开始施加电压一段时间后，观察到在施加电压后的初始状态下形成的多个中心轴变成一个中心轴。如此形成的每个中心轴位于象素区内对应于臼形剖面最深部分的大致中心部分内。通过继续施加轴对称排列中心轴形成电压，使液晶分子在如图23所示的白色显示期间绕每个象素区中的中心轴成轴对称排列。并且观察到在对应于象素区之大致中心部分内的轴对称排列中心轴形成部分64的地方，形成了中心轴。
将起偏振片放在元包两侧的正交Nicol棱镜内，从而生产出液晶显示器。
例14中液晶显示器的电光特性和反衬度视角特性几乎与例13中的相同。
例15除了规定每个象素的大小为100微米×100微米，且规定轴对称排列中心轴形成部分64在象素区中心部分处的面积为0微米2、25微米2、100微米2、400微米2和900微米2之外，用与例13相同的方法制造液晶元包。
在对元包施加驱动电压的情况下，用正交Nicol棱镜的一个偏振显微镜，在透射模式下观察每个象素。下表5示出了通过评价显示粗糙度而获得的结果，其中每个元包在施加了提供灰度等级的电压情况下倾斜。在表5中，○表示几乎没有粗糙度的优质显示；△表示粗糙度可以忽略的显示；×表示有粗糙度的显示；Sb表示轴对称排列中心轴形成部分的面积；以及A表示象素区的面积。
表5
由表5可见，最好能提供轴对称排列中心轴形成部分，使Sb满足0＜Sb/A＜4％。
例16现将描述一种通过在任何一个基板的一个表面上形成轴对称排列固定层而使液晶分子的轴对称排列状态稳定的方法，该方法在生产液晶显示器过程中包括一个轴对称排列中心轴形成工艺。
图26是例16中液晶显示器的剖面示意图。除了分别在垂直排列层68和67上提供轴对称排列固定层90a的90b之外，例16的液晶显示器具有与例13相同的结构。
用与例13相同的方法生产具有图26所示剖面结构的基板。在玻璃基板60上形成由ITO制成的透明电极61(厚度约100纳米)。旋转涂覆JALS-204(由日本合成橡胶股份有限公司生产)，从而形成垂直排列层67。
在玻璃基板62上形成由ITO制成的透明电极63(厚度约100纳米)，并用光刻法和蚀刻法除去象素区的中心部分，从而形成轴对称排列中心轴形成部分64。另外，用丙烯酸的负光阻材料在透明电极63上的象素区之外形成高度约3微米的凸出部分66。然后，用光敏的聚酰亚胺形成高度约2微米的隔离体65。规定由隔离体65和凸出部分66确定的象素区的大小为100微米×100微米。将JALS-204(由日本合成橡胶股份有限公司生产)旋转涂覆到所得的基板上，以形成垂直排列层68。
使两块基板60和62相互固定，以完成液晶元包。如此获得的元包结构与例13中液晶显示器的相同。
在本例中，将以下原始混合物注入如此生产的元包中。原始混合物包括n-型液晶材料(Δε＝-4.0；Δn＝0.08；在5微米的元包间距内手征角＝90°)、用以下分子式I表示的约0.3wt％的化合物A(光固性树脂)，以及约0.1wt％的Irgacure651。注入后，通过对元包施加大约5伏的轴对称排列中心轴形成电压，执行轴对称排列中心轴形成工艺。另外，在施加轴对称排列中心轴形成电压的条件下，在室温(25°)下用紫外线(365纳米处的光强约为6毫瓦/厘米2)对元包辐射10分钟，从而使原始混合物内的光固性树脂固化。结果，在轴对称排列中心轴形成工艺期间，形成轴对称排列固定层90a和90b，复盖住基板上的垂直排列层68和67。轴对称排列固定层90a和90b包含固化的光固性或热固性聚合材料，诸如原始混合物中所含的丙烯酸脂型材料、丙烯酸甲脂型材料、苯乙烯型材料及其衍生物。
将起偏振片固定于元包的两侧，完成液晶显示器。
在对例16中的元包施加驱动电压的情况下，用正交Nicol棱镜的一个偏振显微镜，在透射模式下观察每个象素。即使在刚施加电压时，每个象素区内也只形成一个中心轴，不会形成多个中心轴。然后，去除施加在元包上的电压，并再次对元包施加1/2Vth或更大的电压。但是，不发生每个象素区中出现多个中心轴的现象，并且形成单个中心轴。其原因被认为是即使对液晶层所加电压下降至小于1/2Vth，液晶分子也不会返回到垂直排列状态；轴对称排列固定层90a保持了轴对称排列的预倾状态。因此，在本例中，当不加电压时，能实现黑色显示。另外，在显示操作之前，不要求进行轴对称排列中心轴形成过程。尽管轴对称排列固定层90a使液晶分子具有一个预倾角，但是，偏离垂直排列的移位很小。当不加电压时黑色程度基本上与例13中液晶显示器的黑色程度相等。电光特性和视角特性与图13和图24的相同。在本例中，尽管使用了光固性树脂，但也可使用热固性树脂。
例17通过将含有不同份量化合物A的原始混合物注入例16的元包中，用与例15相同的方法生产液晶显示器。
化合物A的含量从0.05wt％变化至6wt％。测量当不加电压时液晶显示器的透光比，并观察器件是否形成了稳定的轴对称排列状态。
结果，当光固性材料的含量小于约0.1wt％时，不能有效进行轴对称排列固定工艺。当光固性材料的含量大于约6wt％时，当不加电压时，液晶分子的垂直排列受到干扰，从而增大光漏。因此，光固性材料的含量最好在大约0.1wt％至6wt％范围内。
例18在本例中，将下述相差片放在一对起偏振片和例13中液晶显示器的液晶元包之间，使每个相差片的延迟轴与每个起偏振片的吸收轴正交。
相差片具有光学上为负的双折射，并且满足nx＝ny，nx＞nz，ny＞nz，其中nx和ny是沿折射椭球体平面内方向的主折射率，而nz是沿其厚度方向的主折射率。
假设相差片的厚度为df，则沿厚度方向的迟滞为(nx-nz)df＝160纳米。
图27示出了在例18中测量液晶显示器视角特性而获得的结果。在图27中，φ表示方位角(即，显示面内的角度)，θ表示视角(即，从显示面法线开始算起的倾角)，而阴影部分表示对比度为10∶1或更大的区域。
由图27可见，本例中液晶显示器的视角大于图24所示例13之液晶显示器的视角，并且显示质量均匀。
例19在本例中，将下述相差薄膜放在一对起偏振片和例13中液晶显示器的液晶元包之间，使每个相差薄膜的延迟轴与每个起偏振片的吸收轴正交。
相差薄膜具有光学上为负的双折射，并且满足nx＞ny＞nz，其中nx和ny是沿折射椭球体平面内方向的主折射率，而nz是沿其厚度方向的主折射率。
假设相差片的厚度为df，则沿厚度方向的迟滞为(nz-ny)df＝170纳米。而沿平面内方向的迟滞则为(nx-ny)df＝42纳米。
图28示出了在例19中测量液晶显示器视角特性而获得的结果。在图28中，φ表示方位角(即，显示面内的角度)，θ表示视角(即，从显示面法线开始算起的倾角)，而阴影部分表示对比度为10∶1或更大的区域。
由图28可见，本例中液晶显示器的视角大于图24所示例13之液晶显示器的视角，并且显示质量均匀。
比较例10在比较例10中，如图29所示，在位于基板62之表面上的透明电极63上直接形成垂直排列层68，并以例13的相同方式用光敏的聚酰亚胺形成隔离体65。具体地说，在比较例10中，不形成凸出部分66。也不形成轴对称排列中心轴形成部分64。
将如此获得的下方基板与用例13的相同方式获得的上方的对基板固定，以生产出液晶元包。将例13中的相同材料注入元包中并将起偏振片放在元包两侧的正交Nicol棱镜中。
在比较例10的液晶显示器中，使液晶分子随机排列，并且随机形成外转线。在施加电压的情况下观察液晶显示器，在灰度等级中观察到粗糙显示。
比较例11在比较例11中，在位于图22A所示基板62之表面上的透明电极63上直接形成垂直排列层68。然后以例13的相同方式用光敏的聚酰亚胺形成隔离体65。更具体地说，在比较例11中，不形成如图22A所示的凸出部分66，并在象素电极63上形成轴对称排列中心轴形成部分64。
将如此获得的下方基板与用例13的相同方式获得的上方的对基板固定，以生产出液晶元包。将例13中的相同材料注入元包中并将起偏振片放在元包两侧的正交Nicol棱镜中。
在比较例11的液晶显示器中，用与比较例10相同的方法，使液晶分子随机排列，并且随机形成外转线。在施加轴对称排列中心轴形成电压的情况下，观察液晶显示器，按灰度等级观察粗糙显示。
如上所述，依照本发明，提供了一种具有优良视角特性和较高反衬度的液晶显示器(包括等离子寻址LCD)，和一种用于生产该液晶显示器的方法。该器件包括一个液晶区，当不加电压时液晶分子垂直排列，而在施加电压的情况下液晶分子轴对称排列。
由于存在一个能在垂直排列和轴对称排列之间切换的液晶区，所以本发明的液晶显示器具有优良的视角特性。另外，器件使用负介电各向异性的液晶材料，在正常黑色模式(即当不加电压时获得垂直排列状态)下进行显示。因此，可以提供反衬度较高的显示。特别是，通过在施加电压情况下控制液晶分子中轴对称排列中心轴的位置，来消除灰度等级下显示的粗糙度，从而明显改善显示质量。
具体地说，由于在至少一块基板靠液晶层一侧的表面上形成了确定象素区凸出部分，所以凸出部分确定了每个呈现轴对称排列的象素区。另外，进行用于控制轴对称排列中心轴位置的处理，以便确定轴对称排列中心轴在每个呈现轴对称排列的象素区内的位置。
用于控制轴对称排列中心轴位置的处理的举例包括(i)进行轴对称排列中心轴形成工艺，在工艺中，施加所需电压一段所需的时间或更长；(ii)规定Sa，以满足0＜Sa/A＜4％，其中Sa表示一个区域的面积，在该区域中，在施加轴对称排列中心轴形成电压情况下，液晶分子保持垂直排列状态，而A表示一个象素区的面积；(iii)在多个象素区之每个区域中的基本上为中心的位置或一预定位置上形成轴对称排列中心轴；(iv)规定象素区中液晶层的厚度，使其在象素区的中心部分处最大，并从该中心部分开始向象素的周边部分连续变薄；并且(v)在至少一块基板靠液晶层一侧的表面上形成一个轴对称排列固定层。
例如，最好将本发明的液晶显示器用于许多人使用的便携式信息终端，个人计算机、文字处理机、娱乐设备、教育设施、TV设备中使用的平面型显示，以及采用快门作用的显示板、窗、门和墙。本发明的液晶显示器还宜用作诸如高清晰度TV(HDTV)和CAD显示器等大显示设备。
不脱离本发明的范围和精神，各种其它的变化对于本领域的技术人员来说是显而易见的且容易进行。因此，不打算将所附的权利要求书的范围局限于这里提供的描述，宁愿在较宽的意义上解释权利要求书。
权利要求
1.一种液晶显示装置，包括一对基板和设置在这对基板之间的液晶层，其特征在于液晶层中的液晶分子具有负的介电各向异性，当没有施加电压时液晶分子以大致垂直基板的方向排列，当施加电压时每个象素区中的液晶分子以轴对称排列。
2.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于在象素区内的液晶层的厚度(din)大于在象素区外的液晶层的厚度(dout)，至少一个基板在液晶层这一侧的表面上，在与象素区相对应的区域中，所述的器件包括一层垂直排列层。
3.如权利要求2所述的液晶显示装置，其特征在于至少一个基板在液晶层这一侧表面上具有限定象素区域的凸出部分。
4.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于液晶层在象素区中的厚度在象素区中心部分最大，向象素区边缘部分逐步减小。
5.如权利要求4所述的液晶显示装置，其特征在于液晶层在象素区域中的厚度是围绕象素区中心部分轴对称变化的。
6.如权利要求1所述的液晶显示装置，在象素区域的中心部分上进一步包括一个凸部，其特征在于在施加电压时，液晶分子围绕该凸部轴对称排列。
7.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于液晶层的迟滞dΔn约在300nm至500nm范围内。
8.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于液晶层的扭转角约在45°至110°范围内。
9.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于包括一对设置在液晶层两个侧面上正交尼科耳棱镜中的起偏振光片，以及至少在一个起偏振光片上设置的具有平面内方’向折射率nx，y大于垂直平面方向折射率nz关系的一个相位差片。
10．如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于在液晶层这侧的至少一个基板的表面上进一步形成一个轴对称排列的固定层，该层的液晶分子具有轴对称预倾角。
11．如权利要求10所述的液晶显示装置，其特征在于所述的轴对称排列的固定层包含可光固化的树脂。
12．一种生产液晶显示装置的方法，其特征在于，它包括以下步骤在一对基板上分别形成一个垂直排列层；在基板上垂直排列层之间注入以含有负介电各向异性液晶材料和光固化树脂的混合物；以及在各所述混合物施加高于液晶材料阈值电压的电压的同时使可光固化的树脂固化，从而形成轴对称排列的固定层，所述固定层的液晶分子具有轴对称预倾角。
13.如权利要求12所述的生产液晶显示装置的方法，其特征在于在基板上形成垂直排列层的步骤前，进一步包括在至少一个基板的表面上形成限定象素区的凸出部分的步骤。
14.一种液晶显示装置，包括具有产生等离子体放电的等离子腔体的等离子体基板；有信号电极的对基板；以及设置在等离子体基板与对基板之间的液晶层，所述的装置由信号电极和等离子腔体驱动，其特征在于液晶层中的液晶分子具有负的介电各向异性，当没有施加电压时液晶分子以大致垂直基板的方向排列，当施加电压时每个象素区中的液晶分子以轴对称排列。
15.如权利要求14所述的液晶显示装置，其特征在于在象素区内的液晶层的厚度(din)大于在象素区外的液晶层的厚度(dout)，至少一个基板在液晶层这一侧的表面上，在与象素区相对应的区域中，所述的器件包括一层垂直排列层。
16.如权利要求15所述的液晶显示装置，其特征在于对基板和等离子体基板中至少一个在液晶层这一侧表面上具有限定象素区的凸出部分。
17.如权利要求14所述的液晶显示装置，其特征在于液晶层在象素区中的厚度在象素区中心部分最大，向象素区边缘部分逐步减小。
18.如权利要求17所述的液晶显示装置，其特征在于液晶层在象素区中的厚度是围绕象素区中心部分轴对称变化的。
19.如权利要求14所述的液晶显示装置，其特征在于包括一对设置在液晶层两个侧面上正交尼科耳棱镜中的起偏振光片，一个起偏振光片的偏振轴与信号电极或等离子腔体的延伸方向平行。
20.如权利要求14所述的液晶显示装置，其特征在于等离子基板和相对基板中至少有一个在液晶层这一侧的表面上进一步形成一个轴对称排列的固定层，该固定层的液晶分子具有轴对称预倾角。
21.如权利要求20所述的液晶显示装置，其特征在于所述的轴对称排列固定层包含可光固化的树脂。
22.一种液晶显示装置，包括一对基板和设置在这对基板之间的液晶层，其特征在于液晶层中的液晶分子具有负的介电各向异性，当没有施加电压时液晶分子以大致垂直基板的方向排列，当施加驱动电压时每个象素区中的液晶分子围绕轴对称排列中心轴轴对称排列，以及至少有一个基板在液晶层这一侧的表面上设置限定象素区的凸出部分，并进行处理，控制轴对称排列中心轴的位置。
23.如权利要求22所述的液晶显示装置，其特征在于包括一个区域，在所述区域中，在多个象素区的每个预定位置上施加轴对称排列中心轴的形成电压时液晶分子保持垂直排列状态。
24.如权利要求23所述的液晶显示装置，其特征在于Sa为在施加轴对称排列中心轴的形成电压时液晶分子保持垂直排列状态的区域的面积，A为象素区的面积，那么Sa/A满足0＜Sa/A＜4％的关系。
25.如权利要求22所述的液晶显示装置，其特征在于在每个象素区的预定位置上包括一个轴对称排列中心轴形成部分，对应于所述的轴对称排列中心轴形成部分，形成液晶分子的轴对称排列中心轴。
26.如权利要求25所述的液晶显示装置，其特征在于Sb为轴对称排列中心轴形成部分的面积，A为象素区的面积，那么Sb/A满足0＜Sb/A＜4％的关系。
27.如权利要求22所述的液晶显示装置，其特征在于象素区内的液晶层的厚度大于象素区外的液晶层的厚度。
28.如权利要求27所述的液晶显示装置，其特征在于液晶层在象素区中的厚度在象素区中心部分最大，从象素区的中心部分到边缘部分逐步减小。
29.如权利要求28所述的液晶显示装置，其特征在于液晶层在象素区中的厚度是围绕象素区中心部分轴对称变化的。
30.如权利要求22所述的液晶显示装置，其特征在于至少有一个基板在液晶层这一侧的表面上设置一个轴对称排列固定层。
31.如权利要求30所述的液晶显示装置，其特征在于所述的轴对称排列的固定层包括可光固化的树脂。
32.一种产生液晶显示装置的方法，其特征在于所述的液晶显示装置包括一对基板和设置在这对基板之间的液晶层，液晶层中的液晶分子具有负的介电各向异性，当没有施加电压时液晶分子以大致垂直基板的方向排列，当施加驱动电压时每个象素区中的液晶分子围绕轴对称排列中心轴轴对称排列，所述的方法包括形成轴对称排列中心轴过程的步骤。
33.如权利要求32所述的生产液晶显示装置的方法，其特征在于所述的形成轴对称排列中心轴的过程包括以下步骤在所述基板之间注入以包含液晶材料与可光固化材料的原始混合物；以及给所述原始混合物施加轴对称排列中心轴形成电压，使可光固化材料固化。
34.如权利要求33所述的生产液晶显示装置的方法，其特征在于所述的轴对称排列中心轴的形成电压是液晶材料阈值电压的1/2或更高。
35.如权利要求33所述的生产液晶显示装置的方法，其特征在于所述的轴对称排列中心轴的形成电压为交流电压。
36.如权利要求35所述的生产液晶显示装置的方法，其特征在于所述的交流电压的频率为1Hz或更大。
全文摘要
本发明的液晶显示装置包括一对基板和设置在这对基板之间的液晶层,液晶层中的液晶分子具有负的介电各向异性,当没有施加电压时液晶分子以大致垂直基板的方向排列,当施加电压时每个象素区中的液晶分子轴对称排列。
文档编号G02F1/1335GK1188245SQ9712609
公开日1998年7月22日 申请日期1997年12月22日 优先权日1996年12月20日
发明者山田信明, 下敷领文一, 久米康仁, 神崎修一, 足立贵子, 寺下慎一, 粟原直 申请人:夏普株式会社