以斜向电场控制液晶分子倾倒方向的液晶显示器及其制造方法

摘要

一种以斜向电场控制液晶分子倾倒方向的液晶显示器及其制造方法，利用在下基板上形成复数个具高介电系数的非对称凸块(asymmetrical bumps)，不但可改善暗态漏光的情形，在施加电压后，亦可产生斜向电场，以控制液晶分子的倒向。其中，下基板的电极层可形成于具高介电系数的非对称凸块的上方，或者是凸块与基板之间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以斜向电场控制液晶分子倾倒方向的液晶显示器及其制造方法，且特别涉及一种在液晶显示器的下基板上形成具高介电系数的非对称凸块，以产生斜向电场的结构及其制造方法。

背景技术

由于可携式产品(portable product)如个人数字助理(PDA)、便携式电话(cellular phone)、投影仪乃至于大尺寸的投影电视的消费市场成长快速，液晶显示面板(Liqiuid Crystal Display，LCD)的需求量也越来越大。越来越多消费者要求这些可携式产品的影像显示屏或投影电视能呈现完美的显示效果。

液晶显示屏幕依反射方式可区分为穿透式(transmissive)、反射式(reflective)和半反射式(tranflective)三种基本类型。穿透式液晶显示屏幕系以背光光源达到穿透式显示，其优点是在正常光线及暗光线下，显示效果良好，但在户外日光下，则不易辨识显示内容。反射式液晶显示屏幕不需要外加光源，而是使用周围环境的光线，因此在户外或光线充足的室内有良好的显示效果，且耗电量较穿透式液晶显示屏幕的低。半反射式液晶显示屏幕则结合了两者的优点，目前已应用于便携式电话或个人数字助理等产品。

不论是上述何种类型的液晶显示屏幕，其主要结构都是在上板结构和下板结构之间填充液晶分子，利用施加于画素电极的电压大小而使液晶分子的排列方向有所变化，进而改变通过液晶层的光线的偏振方向。因此，光的穿透率则随着液晶分子排列方式的不同而改变，通过控制对液晶面板所施加的电压大小，液晶面板可显示出不同灰阶的亮度(gray scale)。液晶层中的液晶分子又可分成扭转向列型(Twisted Nematic mode，TN)和垂直配向型(Vertical Alignment mode，VA)。在未供给电压时，扭转向列型液晶分子自下板结构到上板结构共扭转了90度；当供给足够大的电压时，液晶分子则旋转成与电场方向平行。至于垂直配向型液晶分子，在未供给电压时，液晶分子系垂直于上下板结构；当供给足够大的电压时，液晶分子则旋转90度而与上下板结构成平行排列。

对于一般大面积使用的液晶显示面板，如笔记型计算机的显示屏幕，其液晶面板的单一画素里面，需要形成多显示域(multi-domain)，以达到广视角的效果。图1A、1B分别绘示使用垂直配向型液晶分子的多显示域液晶显示面板在未供给电压时与供给电压后的简单示意图。液晶面板由上板结构10与下板结构20对组而成，中间填充液晶分子302以形成液晶层30于上板结构10与下板结构20之间。下板结构20部分主要在下基板202处形成可控制画素动作的薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)、金属层和绝缘层(均未显示)，而绝缘层上形成有画素电极204，上方则覆盖配向膜206。其中，画素电极204系以沟槽(spacing)208相分隔。沟槽208底部亦覆盖着配向膜206。上板结构10部分则具有上基板(如玻璃基板)102，透明电极(如ITO电极)104和配向膜106。另外，上基板处更形成突起物(protrusion)108，其表面更覆盖着配向膜106。

如图1A所示，当未供给电压时，大部分的液晶分子302系与画素电极204垂直。而邻近突起物108的液晶分子302将会以垂直于突起物108表面的方式排列，突起物108两侧的液晶分子302亦略朝向突起物108的两侧倾斜。因此，在未供给电压时，突起物108提供液晶分子302预倾角。

如图1B所示，当供给电压时，由于突起物108左右两斜面上的液晶分子302的预倾角不同，受到电场影响，位于突起物108左半边的液晶分子302向右方倾倒，而位于突起物108右半边的液晶分子302向左方倾倒，使得单一画素中形成两个显示域。通过改变突起物108的形状，可形成多显示域而达到广视角的效果。然而，突起物108存在虽然可达到广视角的效果，但容易造成暗态漏光的缺点。

请参照图2A，其绘示未供给电压于传统液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的示意图。请同时参照图2B，其绘示对应至图2A的液晶层位置与光穿透率的关系图。其中，系以一个画素204和两侧的沟槽208做说明。在未加电压时，理想的透光率状态应保持0％(直线)。但在使用突起物108以提供预倾角给液晶分子的传统结构中，靠近突起物108的液晶分子在未加电压时已大幅倾倒，而非完全站直，因此会产生严重的漏光现象，造成暗态偏亮。另外，需要在上板工艺中多增一道工艺以形成突起物108，会使制造成本(包括时间和金钱方面)提高。

请参照图3A，其绘示供给电压于传统液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的示意图。请同时参照图3B，其绘示对应至图3A的液晶层位置与光穿透率的关系图。当画素电极204被施以+5.5V的电压而产生电场，液晶分子302将会旋转。图2A中的虚线乃施加电压于画素电极204之后所产生的等位线分布的情形。由等位线的分布情形，可以看出电场分布的状况。从图3B可看出，除了突起物108位置(a点)的穿透率为0％外，画素电极204上方的穿透率并不稳定，如b点和c点位置，穿透率略低。而画素电极204的边缘则有电力线分布不均的问题，自d点和e点之后反射率开始下降，因而在画素电极204的边缘处呈现小块灰暗地带，这种亮度降低的问题会使画素显示品质大受影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种以斜向电场控制液晶分子倾倒方向的液晶显示器及其制造方法，利用在下基板上形成复数个具高介电系数的非对称凸块，不但可改善暗态漏光的情形，在施加电压后，亦可产生斜向电场，使液晶分子迅速倾倒，达到广视角的要求。

根据本发明的目的，系提出一种液晶显示器，包括：上板结构；下板结构，包括下基板，和形成于下基板上方的复数个具高介电系数的非对称凸块(asymmetrical bumps)；及液晶层，具有复数个垂直配向型(VA mode)的液晶分子填充于该上板结构与该下板结构之间。施加电压于所述具高介电系数的非对称凸块后，可产生斜向电场以控制液晶分子的倒向。

根据本发明的目的，再提出一种液晶显示器下板结构的制造方法，其中该下板结构系与上板结构对组而形成该液晶显示器。下板结构的制造方法至少包括步骤如下：

提供下基板；

形成高介电层于该下基板上；及

图案化该高介电层，以形成复数个具高介电系数的非对称凸块。

根据本发明，电极层可形成于具高介电系数的非对称凸块的上方，或者是非对称凸块与基板之间。另外，也可形成透明低介电层于不平坦的电极层或非对称凸块上方以平坦化。

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1A、1B分别表示使用垂直配向型液晶分子的多显示域液晶显示面板在未供给电压时与供给电压后的简单示意图；

图2A表示未供给电压于传统液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的示意图；

图2B表示对应至图2A的液晶层位置与光穿透率的关系图；

图3A表示供给电压于传统液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的示意图；

图3B表示对应至图3A的液晶层位置与光穿透率的关系图；

图4表示依照本发明较佳实施例的凸块结构形成于下基板上的示意图；

图5A为依照本发明较佳实施例的显示面板的单一画素内液晶分子的排列方向示意图；

图5B为依照本发明另一较佳实施例的显示面板的单一画素内液晶分子的排列方向示意图；

图6A～6D表示依照本发明第一实施例的具有凸块结构的下板结构的制造步骤；

图7A～7D表示依照本发明第二实施例的具有凸块结构的下板结构的制造步骤；

图8A表示本发明模拟一的液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的排列示意图；

图8B表示对应至图8A的液晶层位置与光穿透率的关系图；

图9A表示本发明模拟二的液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的排列示意图；

图9B为对应至图9A的液晶层位置与光穿透率的关系图；

图10A表示本发明模拟三的液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的排列示意图；

图10B为对应至图10A的液晶层位置与光穿透率的关系图；

图11A表示本发明模拟四的液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的排列示意图；

图11B为对应至图11A的液晶层位置与光穿透率的关系图；

图12A表示本发明模拟五的液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的排列示意图；及

图12B为对应至图12A的液晶层位置与光穿透率的关系图。

图式标号说明

10：上板结构

20：下板结构

30：液晶层

102、508：上基板

104：透明电极

106、206：配向膜

108：突起物

202、402、502、602、702、902、1002：下基板

204：画素电极

208：沟槽

302、506、810、910、1010、1110、1210：液晶分子

404、504、505、507、604、704、804、904、1004、1104、1204：非对称的凸块

404a、404b：凸块的第一弧面、第二弧面

51、52：非对称的凸块群

600、700：高介电系数层

601、701：灰阶掩模

606、706、906、1006、1106、1206：电极层

608、708：低介电系数层

具体实施例

本发明系提出一种以斜向电场控制液晶分子倾倒方向的液晶显示器及其制造方法，利用高介电系数的介质在显示面板的下基板上形成复数个非对称凸块，且每一凸块系由非对称的表面例如曲率不同的弧面或斜率不同的斜面所组合而成，当应用电压于该些非对称凸块后可形成斜向电场，进而改善暗态漏光的情形。

请参照图4，其绘示依照本发明较佳实施例的凸块结构形成于下基板上的示意图。利用高介电介质，在下基板402上方制作成非对称的凸块结构。制作过程之后会有更详细的叙述。这些凸块404例如是利用圆弧形、半椭圆球面，或非相同曲率半径的圆弧形，甚至锯齿状表面所制成的非对称凸块结构。如图4中所示，单一凸块404的第一弧面404a和第二弧面404b分别具有不同的曲率半径，因而形成不对称结构。若将电极铺设于高介电凸块404的上方或下方，都会造成斜向电场，来控制液晶分子的倒向。至于该些凸块404可以是周期性地形成于下基板，也可以是非周期性的，只要在施加电压后可以产生斜向电场即可。

图5A为依照本发明一较佳实施例的显示面板的单一画素内液晶分子的排列方向示意图。图5B为依照本发明另一较佳实施例的显示面板的单一画素内液晶分子的排列方向示意图。

图5A中，系在单一画素内的下基板502处形成复数个凸块504，虽然每一个凸块504的大小不一定相同，但都是左边的第一弧面较右边的第二弧面为陡峭，因而产生单一电场方向(如箭号所示)。当施加电压于画素电极时，所产生的斜向电场可令其间的液晶分子506向左倾倒。

图5B则是在单一画素的下基板502处形成两群非对称凸块结构51、52，以产生两个电场方向。位于左边的非对称凸块群51，每一非对称凸块505的左边的第一弧面较右边的第二弧面为陡峭，换句话说，凸块505的第一弧面和第二弧面的曲率半径相异。另外，每一凸块505亦可由第一倾斜面和第二倾斜面所组成，第一倾斜面的第一倾斜角和第二倾斜面的第二倾斜角不同(亦即左边的倾斜面其倾斜角小于右边的倾斜面的倾斜角)。因此当施加电压于非对称凸块群51时，产生向左的电场方向(如箭号所示)，因此液晶分子向左倾倒。位于右边的非对称凸块群52则刚好相反，因此当施加电压于右边凸块群52的凸块507时，所产生的电场方向可使液晶分子向右倾倒。

虽然图5B中系以两群凸块结构各具有相同数目(各三个)的凸块做说明，但本发明并不限于此。一个画素内可有多群凸块组，每组的凸块数目可以相同或不同；也可以是无规地形成多个不对称凸块。凸块之间的尺寸可以相同也可以不同。

经过模拟实验，其结果显示：本发明的凸块结构(如图5A、5B)在未施加电场时，液晶方子呈现整齐近垂直的排列，且不对称凸块如图5A、5B中的锯齿状结构使交界处液晶分子微幅倾斜的程度并不大，因此不至于造成暗态漏光。当施加电压后，由于斜向电场的产生，束缚力方向十分明确使得液晶分子应答迅速。由此可知，本发明的结构，更可明确定义液晶分子随着电场的分布，会产生多显示域的排列方式而达到广视角的效果。

值得注意的是，利用本发明在下基板形成的凸块结构，上基板508可省略如传统的突起物结构，即可提供斜向电场，达到令液晶分子迅速倾倒，又不会产生暗态漏光的情形。

以下两实施例来说明制作本发明的具凸块结构的下板结构的其中两种工艺，其中凸块结构系可产生斜向电场以控制液晶分子倾倒方向。

第一实施例

图6A～6D，其图示依照本发明第一实施例的具有凸块结构的下板结构的制造步骤。首先，如图6A所示，提供下基板602，然后形成高介电系数层(ex：高介电有机层)600于下基板602上。其中，高介电系数层600系以具有高介电系数的材质形成，例如介电系数约6.7～7.0的氮化硅(SiN)。接着，提供灰阶掩模601，并利用曝光、显影工艺以图案化该高介电系数层600。图案化步骤后，将有复数个具高介电系数的凸块604形成于下基板602上，如图6B所示。

其中，除了使用灰阶掩模601，利用光罩图形来决定曝光量到达高介电系数层600的强弱外，也可使用步阶式光刻工艺以图案化该高介电系数层600。步阶式光刻工艺是利用具有单一开口的掩模，进行多次曝光(multi-stepexposure)。例如，以曝光强度L₁、曝光时间t₁对高介电系数层600进行曝光，形成曝光区域A；接着移动掩模，再以曝光强度L₂及曝光时间t₂对高介电系数层600进行曝光，形成曝光区域B；然后再移动掩模，进行曝光，如此重复下去。其中，利用曝光时间相等但曝光强度L₁＞L₂＞..。或是利用曝光强度相等但曝光时间t₁＞t₂＞..，而使形成的曝光区域A＞B＞..。接着，进行显影使高介电系数层600呈自高至低的阶梯状而形成凸块604。

接着，如图6C所示，形成电极层606于该些高介电系数凸块604的上方。对穿透式液晶显示屏幕而言，可使用透明电极，材料如铟锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)，作为电极层606。对反射式或半反射式液晶显示屏幕，则可使用反射金属(如铝)作为电极层606。

然后，可在电极层606上方形成透明的低介电系数层608，以平坦化电极层606，如图6D所示。而配向膜(未显示)可形成于电极层606或低介电系数层608的上方。另外，此下基板602更包括了薄膜晶体管(TFT)与显示器所需的其它化学层和组件(未显示)。

完成具有凸块结构的下基板后，如图6D所示的下板结构，可与另一上板结构(未显示)对组，并填充液晶分子于上下两板结构之间。其中，上板结构包括具有彩色滤光镜(CF)和电极层的上基板，且上基板不需形成传统的突起物结构，在施加电压后仍可因斜向电场产生而使液晶分子迅速倾倒。

第二实施例

图7A～7D，其绘示依照本发明第二实施例的具有凸块结构的下板结构的制造步骤。与第一实施例不同的是电极层的位置。另外，第一实施例中系以形成大小一致的凸块做说明，而第二实施例则以大小相异的凸块做说明。

首先，提供下基板702，然后形成电极层706于下基板702的上方，如图7A所示。电极层706的材料，例如是铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)(应用于穿透式液晶显示屏幕)，或是反射金属(如铝)(应用于反射式和半反射式液晶显示屏幕)。

接着，形成高介电系数层(ex：高介电有机层)700于电极层706上。之后，提供灰阶掩模701，利用曝光、显影工艺以图案化该高介电系数层700，如图7B所示。除了使用灰阶掩模701外，也可使用步阶式光刻工艺以图案化该高介电系数层700。

图案化步骤后，将有复数个具高介电系数的凸块704形成于电极层706上方，如图7C所示。然后，可在凸块704上方形成透明的低介电系数层708，以达到平坦化，如图7D所示。

完成具有凸块结构的下基板后，如图7D所示的下板结构，可与另一上板结构(未显示)对组，并填充液晶分子于上下两板结构之间。其中，上板结构包括具有彩色滤光镜(CF)和电极层的上基板，且上基板不需形成传统的突起物结构，在施加电压后仍可因斜向电场产生而使液晶分子迅速倾倒。

不论是电极层在凸块上方(第一实施例)或是下方(第二实施例)，在施加电压于电极层后，均可产生斜向电场而使液晶分子迅速倾斜。另外，两种制造方法都可产生大小相同(如第一实施例中凸块高度相同)或不同的凸块(如第二实施例中凸块高度渐增)，视实际的光刻操作条件而定。

以下系利用2-Dmos模拟本发明的几组凸块结构对液晶分子排列的影响，并观察漏光情形。

另外，在以下模拟实验中，系令上板结构与下板结构之间的间距(gap)范围约4μm±2μm，凸块的平均高度范围约0.6μm±0.12μm进行模拟。

模拟一

请参照图8A，其图示本发明模拟的液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的排列示意图。请同时参照图8B，其图示对应至图8A的液晶层位置与光穿透率的关系图。其中，系以一个画素为单位，且以第二实施例的下板结构(如图7C所示)做说明。

模拟结果显示：在未加电压时(V＝0 volt)，凸块804使交界处液晶分子810微幅倾斜的程度并不大，因此不至于造成暗态漏光，透光率系保持在0％。

模拟二

请参照图9A，其图示本发明模拟二的液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的排列示意图。图9B为对应至图9A的液晶层位置与光穿透率的关系图。

其中，系使用本发明第一实施例的下板结构进行仿真。下基板902上的凸块904，系以逐渐增大的高度排列于一画素单元内，且凸块904上方覆盖电极层906。

模拟结果显示：在施加电压V＝5.5volt后，液晶分子910可在15.00ms内迅速应答，沿着电场方向完成倾倒。图9A中虚线乃施加电压于画素电极之后所产生的等位线分布的情形。由等位线的分布情形，可以看出电场分布的状况。

模拟三

请参照图10A，其绘示本发明模拟三的液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的排列示意图。图10B为对应至图10A的液晶层位置与光穿透率的关系图。

仿真三与仿真二相同，也是使用本发明第一实施例的下板结构进行仿真，但观察了对应于画素之间的沟槽(spacing)的液晶分子排列情形，且下基板1002上的凸块1004，系以相同的高度排列于画素单元内，凸块1004上方覆盖电极层1006。且右边凸块群所造成的电场方向(图10A中虚线)和左边凸块群所造成的电场方向相反。

模拟结果显示：在施加电压V＝5.5volt后，液晶分子1010可在15.00ms内迅速应答，沿着电场方向完成倾倒。画素上方的穿透率稳定，边缘效应(对照图3B)亦有改善。

模拟四

请参照图11A，其绘示本发明模拟四的液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的排列示意图。图11B为对应至图11A的液晶层位置与光穿透率的关系图。

其中，系使用本发明第二实施例的下板结构进行仿真。下基板1102上先形成电极层1106，再形成大小一致的凸块1104。

模拟结果显示：在施加电压V＝5.5volt后，液晶分子1110可在15.00ms内迅速应答，沿着电场方向完成倾倒，且穿透率大致良好。穿透率曲线的右端呈下降趋势是因为对应的该处下基板上并没有凸块。

模拟五

请参照图12A，其图示本发明模拟五的液晶显示面板时垂直配向型液晶分子的排列示意图。图12B为对应至图12A的液晶层位置与光穿透率的关系图。

仿真五与仿真四相同，也是使用本发明第二实施例的下板结构进行仿真。其中，下基板1202上先形成电极层1206，再形成高度渐增的凸块1204。

模拟结果显示：在施加电压V＝5.5volt后，液晶分子1210可在15.00ms内迅速应答，沿着电场方向完成倾倒，且穿透率大致良好。与模拟四相同，穿透率曲线在右端呈下降趋势是因为下基板右端的上方处并没有凸块。

根据上述模拟结果可知：本发明的具凸块结构的下板结构，在未加电压时，并没有暗态漏光的情形，而施加电压后，亦可使液晶分子迅速倾倒，达到显示屏幕的广视角要求。

另外，本领域普通技术人员应当理解，本发明并不限于较佳实施例的图中所表示的凸块形状，任何非对称凸块结构，不论是由斜率不同的斜面组合而成、或是由曲率不同的弧面所组成，只要所形成的高介电系数的非对称凸块结构在施加电压后可产生斜向电场，以控制液晶分子的倒向，即为本发明的技术特征。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，对于所属领域的技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围视所附的权利要求书所限定的范围为准。