CN100343733C - 液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能改善灰阶反转现象的液晶显示装置，具有多个像素区，每一像素区包括第一与第二衬底，其间夹有一个液晶层。第一像素电极与电性连接第一像素电极的第一像素驱动元件，形成于部分第一衬底上。第二像素电极与电性连接第二像素电极的第二像素驱动元件，形成于部分第一衬底上。一个共同电极，形成于第二衬底内侧表面上。其中，第一与第二像素驱动元件具有不同的开电流(Ion)，使得第一与第二像素电极具有不同的电压值。

Description

液晶显示装置

技术领域

本发明涉及一种液晶显示装置(LCD)，特别是涉及一种具有能够改善灰阶反转(或视角特性)的液晶显示装置。

背景技术

传统的TN(Twist Nematic)模式LCD(以下简称：TN-LCD)，其下视角方向有严重的灰阶反转(gray-scale inversion)现象，因而有视角特性差的问题。请参阅第1图，其显示操作模式为平常白(normally white)的传统TN-LCD在各下视角角度的各灰阶的相对辉度差(relativeluminance difference)。曲线12代表第一与第二灰阶之间的辉度差，曲线23代表第二与第三灰阶之间的辉度差，曲线34代表第三与第四灰阶之间的辉度差，曲线45代表第四与第五灰阶之间的辉度差。由第1图可知，传统TN-LCD在下视角约20度左右即发生灰阶反转现象(gray-scale inversion)GS。

在美国专利第6342939号中，Hirata揭示一种改善视角特性的TN-LCD。该专利藉由在像素电极上形成一个介电层图案而形成具有不同的液晶胞厚度(cell gap)，因而改善视角特性。尽管该方法能够增加视角范围，然而该专利并未教导本案的LCD结构。

在美国专利早期公开第2002/0105614号中，Nakayama揭示一种改善视角特性的TN-LCD。该专利系形成不同平面的两层像素电极，藉以改善视角特性。尽管该方法能够增加视角范围，然而该专利并未教导本案的LCD结构。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有改善灰阶反转现象(即视角特性)的液晶显示装置。

为达上述目的，本发明提供一种液晶显示装置，该液晶显示装置具有多个像素区，每一像素区包括：第一与第二衬底，其间夹有一个液晶层；第一像素电极与电性连接该第一像素电极的第一像素驱动元件，形成于部分该第一衬底上；第二像素电极与电性连接该第二像素电极的第二像素驱动元件，形成于部分该第一衬底上；以及一个共同电极，形成于该第二衬底内侧表面上；其中，该第一与第二像素驱动元件具有不同的开电流(Ion)，使得该第一与第二像素电极具有不同的电压值，其中所述薄膜晶体管元件包含有一栅极、一通道层以及一源极，其中该栅极电性连接该栅极线，而该源极电性连接该源极线，所述第一漏极具有第一宽度(W1)，所述第一漏极与所述源极之间具有第一间距(L1)，所述第二漏极具有第二宽度(W2)，所述第二漏极与所述源极之间具有第二间距(L2)，且符合下列关系式：W1/L1≠W2/L2。

本发明还提供一种液晶显示装置，具有多个像素区，每一像素区包括：一个横向延伸的栅极线与一个纵向延伸的源极线，形成在第一衬底上；一个薄膜晶体管元件，位于该栅极线与该源极线的交叉点，其中该薄膜晶体管元件具有第一漏极与第二漏极；第一像素电极，具有第一面积(A1)，且经由该第一漏极而电性连接该源极线，而使得该第一像素电极具有第一电压值；第二像素电极，具有第二面积(A2)，且经由该第二漏极而电性连接该源极线，而使得该第二像素电极具有第二电压值，其中该第一与第二电压值具有一电压差(ΔV)；第二衬底，对向于所述第一衬底；一个共同电极，形成在该第二衬底的内侧表面上；以及一个液晶层，夹于所述第一衬底与该第二衬底之间，其中所述薄膜晶体管元件包含有一栅极、一通道层以及一源极，其中该栅极电性连接该栅极线，而该源极电性连接该源极线，所述第一漏极具有第一宽度(W1)，所述第一漏极与所述源极之间具有第一间距(L1)，所述第二漏极具有第二宽度(W2)，所述第二漏极与所述源极之间具有第二间距(L2)，且符合下列关系式：W1/L1≠W2/L2

与传统液晶显示装置相比较，由于本发明液晶显示装置中的每一像素中的第一与第二像素电极具有不同的电压值，因而能提高灰阶反转角度而达到改善视角特性的效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1是传统TN-LCD在下视角方向的视角特性图，其显示其灰阶反转角度约是20度；

图2是显示根据本发明第一实施例的LCD中的单一像素区P的阵列衬底的上视图；

图3是沿着图2中的3-3线段的剖面图；

图4是显示本发明第一实施例中的薄膜晶体管元件TFT1与TFT2的局部放大图；

图5是显示根据本发明的薄膜晶体管元件TFT1与TFT2的操作示意图；

图6是显示根据本发明第一实施例的LCD的部分结构剖面图；

图7是根据本发明而在各种不同电压差(ΔV)条件下，第一像素电极面积比例对下视角灰阶反转角度的曲线图；

图8是本发明在计算各像素电极的电压值时所采用的RC电路图；以及

图9是显示根据本发明第二实施例的LCD中的单一像素区P的阵列衬底的上视图。

具体实施方式

以下提供实施例来说明本发明的具有改善灰阶反转现象(即视角特性)的液晶显示装置。

第一实施例

图2是显示根据本发明第一实施例的LCD中的单一像素区P的阵列衬底的上视图。图3是沿着图2中的3-3线段的剖面图。图6是显示根据本发明第一实施例的LCD的部分结构剖面图。这里要特别强调的是，虽然上述图式仅显示单一像素区P，实际上本发明的LCD可以包含多个像素区P。该种像素区P由互相交错的栅极线(gate lines)与源极线(source lines，或称数据线)定义。

请参阅图2与图3，在例如玻璃或石英的第一衬底200上形成一个横向延伸的栅极线210与一个横向延伸的储存电容电极线212(storage capacitance electrode line，简称Cs线)，该栅极线210还包括一个栅极215。该栅极线210与该Cs线212的材料例如是Al，Cr，Mo或其合金。接着，形成栅极绝缘层220全面覆盖该第一衬底200，该栅极绝缘层220例如是SiO₂层。

然后，形成当作是通道层(channel layer)230的半导体层230于部分该栅极绝缘层220上。该通道层230的材料例如是硅。

接着，形成纵向延伸的源极线240于该栅极绝缘层220上，该源极线240包含源极242延伸至部分该通道层230上，并且同时形成第一漏极244与第二漏极245于部分该通道层230与该栅极绝缘层220上，该第一漏极244具有第一延伸部244’而重叠部分该Cs线212，而该第二漏极245具有第二延伸部245’而重叠部分该Cs线212。其中，该源极线240、该源极242、该漏极244与245的材料例如是Al、Cr、Mo或其合金。如此，该栅极215、该栅极绝缘层220、该通道层230、该源极242与该第一漏极244构成当作是第一像素驱动元件的第一薄膜晶体管元件TFT1，以及该栅极215、该栅极绝缘层220、该通道层230、该源极242与该第二漏极245构成第二像素驱动元件的第二薄膜晶体管元件TFT2。该种薄膜晶体管元件TFT1与TFT2的作用在于当作是开关元件而用来控制充放电的电荷流至下述像素电极中。

虽然本实施例中的该等薄膜晶体管元件TFT1与TFT2以包含有相同的栅极215、通道层230与源极242为例，然而实际上该等薄膜晶体管元件TFT1与TFT2可以是各自独立的元件。重点是，该第一薄膜晶体管元件TFT1与该第二薄膜晶体管元件TFT2必须具有不同的开电流(Ion，ON current of TFT)。

然后，形成一绝缘层250覆盖整个该第一衬底200，该绝缘层250的材料例如是有机材料或无机材料。然后藉由微影蚀刻程序，形成露出该第一延伸部244’的第一穿孔252与露出该第二延伸部245’的第二穿孔254。然后，再形成具有第一面积(A1)的第一像素电极260与具有第二面积(A2)的第二像素电极265于该绝缘层250上，并且使该第一像素电极260填入该第一穿孔252而电性连接该第一漏极244，以及使该第二像素电极265填入该第二穿孔254而电性连接该第二漏极245。该等像素电极260与265例如是经由沉积法形成的(铟锡氧化物)ITO或(铟锌氧化物)IZO层。由于该第一薄膜晶体管元件TFT1与该第二薄膜晶体管元件TFT2具有不同的开电流(Ion)，因此使得该第一像素电极260具有第一电压值(V1)，该第二像素电极265具有第二电压值(V2)，该第一电压值(V1)与该第二电压值(V2)具有一电压差(ΔV)。

请参阅图4与图5，用以说明本实施例使该等像素电极260与265具有不同电压值的设计方式。图4是显示本实施例中该等薄膜晶体管元件TFT1与TFT2的局部放大图。图5是显示该等薄膜晶体管元件TFT1与TFT2的操作示意图。在图4中，该第一漏极244具有第一宽度(W1)，该第一漏极244与该源极242之间具有第一间距(L1)，该第二漏极245具有第二宽度(W2)，该第二漏极245与该源极242之间具有第二间距(L2)，且符合关系式：W1/L1≠W2/L2，因而使得该等薄膜晶体管元件TFT1与TFT2具有不同的开电流(Ion)。请参阅图5，当源极线240提供驱动电压Vs时，以及该栅极215的开时间(gate turnon time)设定为ton(例如是10～30μsec)时，由于该等薄膜晶体管元件TFT1与TFT2具有不同的开电流(Ion)，使得充电后的该等像素电极260与265之间具有电压差(ΔV)。

接着请参阅图6，在该等像素电极260与265以及该绝缘层250上形成配向膜(alignment film)270。提供例如是包含有彩色滤光片610的玻璃衬底，用以当作是对向于该第一衬底200的第二衬底600。共同电极(common electrode)620形成于该彩色滤光片610的内侧表面上，该共同电极620例如是经由沉积法形成的ITO或IZO层。然后，形成另一配向膜630于该共同电极620上。

接着，将TN型液晶分子635填充于该第一衬底200与该第二衬底600之间，而形成液晶层640，该液晶层640的厚度例如是2～10μm，优选是5μm。

请参阅图6，由于该第一像素电极260的电压(V1)不同于该第二像素电极265的电压(V2)，使得位于该第一像素电极260与该第二像素电极265上方的液晶分子635具有不同的方位(orientation)，因而改善灰阶反转现象(视角特性)。

请参阅图7，是根据本发明而在各种不同的电压差(ΔV)条件下，该第一像素电极260面积(A1)相对于该等第一与第二像素电极260、265总面积(A1+A2)的比例对下视角灰阶反转角度的影响。由图7可知，与传统TN-LCD(即ΔV＝0)相比较，本发明LCD在0＜电压差(ΔV)＜0.6Vs的条件下，当该第一面积(A1)比例范围为0＜A1/(A1+A2)＜0.8时，其下视角灰阶反转角度皆大于已知的20度，故证明本发明有改善下视角灰阶反转的效果。还有，本发明LCD在电压差(ΔV)＝0.6Vs时，当该第一面积(A1)比例范围为0.45＜A1/(A1+A2)＜0.8时，其下视角灰阶反转角度皆大于已知的20度，故证明本发明有改善下视角灰阶反转的效果。

在此举一例，用以说明本发明LCD的一个设计范例。譬如以一个扫描频率为75Hz以及分辨率为1024*768的LCD为例，请参阅图4与图5，首先将该第一薄膜晶体管元件TFT1的W1/L1定义为3，将该第二薄膜晶体管元件TFT2的W2/L2定义为0.889，将栅极215的开时间t_on设定为10μsec，以及将该源极线240所提供的驱动电压(Vs)设定为5V。如此可使电性连接TFT1的第一像素电极260的充电率(charging ratio)CR1达99.36％，以及使电性连接TFT2的第二像素电极265的充电率CR2达76.71％。而其计算过程如下：

首先将LCD的驱动操作看作是一个RC电路，如图8所示，Ron表示TFT开启时的等效阻抗，CLC表示液晶电容，CCS表示储存电容。在栅极开时间t_on后的像素电极的电压Vp为：

$\mathrm{Vp}=\mathrm{Vs}(1-e^{\frac{{-t}_{\mathrm{on}}}{R_{\mathrm{on}}(C_{\mathrm{LC}}+C_{\mathrm{CS}})}})$

而像素电极的充电率CR为：

$\mathrm{CR}=\mathrm{Vp}/\mathrm{Vs}=(1-e^{\frac{-t_{\mathrm{on}}}{R_{\mathrm{on}}(C_{\mathrm{LC}}+C_{\mathrm{CS}})}})$

而TFT开启时的等效阻抗

$R_{\mathrm{on}}=V_{\mathrm{SD}}/\mathrm{Ion}=\frac{V_{\mathrm{SD}}}{\frac{1}{2}\frac{W}{L}\mathrm{\μCox}{(\mathrm{Vgh}-\mathrm{Vth})}^2}$

在此以下述参数为计算基础：

1、液晶电容C_LC＝0.4298E-12(F)

2、储存电容C_CS＝0.1896E-12(F)

3、源极和漏极之间的电压差V_SD＝10(V)，即源极和漏极之间的极性反转电压是±5(V)

4、电荷载体的迁移率μ＝0.35E-4(m2/V)

5、栅极绝缘层的单位面积的电容量Cox＝1.49E-4(F/m2)

6、栅极在TFT ON时的最高电压Vgh＝22(V)

7、TFT的启动电压Vth＝2(V)

针对该第一薄膜晶体管元件TFT1而言，由于W/L＝3，所以Ron＝3.2E6(Ω)，其充电率CR1＝99.36％。

针对该第二薄膜晶体管元件TFT2而言，由于W/L＝0.889，所以Ron＝11.08E6(Ω)，其充电率CR2＝76.71％。

因此，该第一像素电极260与该第二像素电极265之间的电压差(ΔV)＝(CR1-CR2)*Vs＝22.65％*5＝1.1(V)。

从图7可知，当电压差(ΔV)＝0.2Vs时，其下视角的灰阶反转角度皆为25度以上。

第二实施例

图9是显示根据本发明第二实施例的LCD中的单一像素区P的阵列衬底的上视图。第二实施例与第一实施例的差别在于：第二实施例将该等像素电极260、265部分重叠该栅极线210，而取代该Cs线212。由于第二实施例的其他部分与第一实施例类似，在此不再赘述。

[本发明的特征与优点]

本发明的液晶显示装置，藉由每一像素中的薄膜晶体管元件TFT1与TFT2具有不同的开电流(Ion)，使得充电后的该等像素电极260与265之间具有电压差(ΔV)而造成每一像素中的液晶层640内的液晶分子具有两种不同的方位(orientation)，因而能提高灰阶反转角度而达到改善视角特性的效果。

本发明虽以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可做些许的变动与修改，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1、一种液晶显示装置，具有多个像素区，每一像素区包括：

第一与第二衬底，其间夹有一个液晶层；

第一像素电极和电性连接该第一像素电极的第一像素驱动元件，形成在部分该第一衬底上；

第二像素电极和电性连接该第二像素电极的第二像素驱动元件，形成在部分该第一衬底上；以及

一个共同电极，形成在该第二衬底内侧表面上；

其中，该第一与第二像素驱动元件具有不同的开启电流，使得该第一与第二像素电极具有不同的电压值，

所述第一像素驱动元件是第一薄膜晶体管元件，所述第二像素驱动元件是第二薄膜晶体管元件，所述第一薄膜晶体管元件与所述第二薄膜晶体管元件包含有相同的栅极、通道层以及源极，所述第一薄膜晶体管元件具有与所述第一像素电极电性连接的第一漏极，所述第二薄膜晶体管元件具有与所述第二像素电极电性连接的第二漏极，该第一漏极具有第一宽度W1，该第一漏极与所述源极之间具有第一间距L1，该第二漏极具有第二宽度W2，该第二漏极与所述源极之间具有第二间距L2，且符合下列关系式：W1/L1≠W2/L2。

2、如权利要求1所述的液晶显示装置，其中所述液晶层包含具有不同方位的两个液晶方位区域。

3、如权利要求1所述的液晶显示装置，其中所述液晶层包含扭曲向列型液晶分子。

4、如权利要求1所述的液晶显示装置，其中所述第一像素电极与所述第二像素电极是铟锡氧化物或铟锌氧化物层。

5、如权利要求1所述的液晶显示装置，其中所述共同电极是铟锡氧化物或铟锌氧化物层。

6、如权利要求1所述的液晶显示装置，还包括：

一个横向延伸的储存电容电极线，位于所述第一衬底上。

7、一种液晶显示装置，具有多个像素区，每一像素区包括：

一个横向延伸的栅极线与一个纵向延伸的源极线，形成在第一衬底上；

一个薄膜晶体管元件，位于该栅极线与该源极线的交叉点，其中该薄膜晶体管元件具有第一漏极与第二漏极；

第一像素电极，具有第一面积A1，且经由该第一漏极而电性连接该源极线，而使得该第一像素电极具有第一电压值；

第二像素电极，具有第二面积A2，且经由该第二漏极而电性连接该源极线，而使得该第二像素电极具有第二电压值，其中该第一与第二电压值具有一电压差ΔV；

第二衬底，对向于所述第一衬底；

一个共同电极，形成在该第二衬底的内侧表面上；以及

一个液晶层，夹于所述第一衬底与该第二衬底之间，

其中所述薄膜晶体管元件包含有一栅极、一通道层以及一源极，其中该栅极电性连接该栅极线，而该源极电性连接该源极线，所述第一漏极具有第一宽度W1，所述第一漏极与所述源极之间具有第一间距L1，所述第二漏极具有第二宽度W2，所述第二漏极与所述源极之间具有第二间距L2，且符合下列关系式：W1/L1≠W2/L2。

8、如权利要求7所述的液晶显示装置，其中所述液晶层包含具有不同方位的两个液晶方位区域。

9、如权利要求7所述的液晶显示装置，其中所述液晶层包含扭曲向列型液晶分子。

10、如权利要求7所述的液晶显示装置，其中所述第一像素电极与所述第二像素电极是铟锡氧化物或铟锌氧化物层。

11、如权利要求7所述的液晶显示装置，其中所述共同电极是铟锡氧化物或铟锌氧化物层。

12、如权利要求7所述的液晶显示装置，还包括：

一个横向延伸的储存电容电极线，位于所述第一衬底上。

13、如权利要求7所述的液晶显示装置，其中所述源极线提供一驱动电压Vs，当0＜该电压差ΔV＜0.6Vs时，所述第一面积A1与所述第一与第二面积总和A1+A2符合下列关系式：

0＜A1/(A1+A2)＜0.8。

14、如权利要求7所述的液晶显示装置，其中所述源极线提供一驱动电压Vs，当该电压差ΔV＝0.6Vs时，所述第一面积A1与所述第一与第二面积总和A1+A2符合下列关系式：

0.45＜A1/(A1+A2)＜0.8。

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