CN100440015C - 共平面开关模式液晶显示器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IPS模式LCD器件，其中液晶分子在一个单位像素区域中以多个角度取向以在不降低孔径比的情况下提高响应速度并且改善透射比一电压特性。该IPS模式LCD器件包括：在第一基板上彼此交叉从而限定多个单位像素区域的多条栅线和多条数据线，其中各单位像素区域被划分为第一、第二和第三子区域。薄膜晶体管设置在各交叉处。公共线与所述栅线平行，公共电极从所述公共线分支并且在第一、第二和第三子区域中分别以第一、第二和第三角度弯曲，其中第一角度、第二角度和第三角度彼此不相同。各像素电极连接到各薄膜晶体管的漏极并且与所述公共电极平行设置。在所述第一基板和与所述第一基板相对的第二基板之间设置液晶层。

Description

共平面开关模式液晶显示器件
本申请要求享有2005年6月30日递交的韩国专利申请P2005-57631号的权益，在此引用其全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及一种液晶显示(LCD)器件，尤其涉及一种共平面开关(IPS)模式LCD器件，其中在一个单位像素区域中液晶分子以多角度取向以在不降低孔径比的情况下提高响应速度。
背景技术
近来，一直在积极研发包括LCD器件的平板显示器。LCD器件通过向具有流动性和光学特性的液晶施加电场改变该液晶的光学各向异性。LCD器件由于与阴极射线管(CRT)相比较具有重量轻、屏幕尺寸大、分辨率高和功耗低的特征和优点而被广泛使用。
LCD器件根据液晶和电极结构的特征而具有各种工作模式。LCD器件的一些示例性模式包括扭曲向列(TN)模式LCD器件、多畴模式LCD器件、光学补偿双折射(OCB)模式LCD器件、垂直对准(VA)模式LCD器件以及IPS模式LCD器件。
在TN模式LCD器件中，液晶指向矢以90°的扭曲角度排列并且施加电压以控制液晶指向矢。在多畴模式LCD器件中，将一个像素划分为多个畴并且各畴的主视角彼此不同以在整体上获得该器件的宽视角。在OCB模式LCD器件中，在基板的外表面粘附有补偿膜以根据光的行进方向补偿光的相位变化。在VA模式LCD器件中，采用负液晶和垂直定向膜在定向膜上垂直排列液晶分子。在IPS模式LCD器件中，在一个基板上形成两个电极并且液晶指向矢按照与定向膜平行的方向扭曲。
其中，IPS模式LCD器件包括彼此相对设置的滤色片阵列基板和薄膜晶体管阵列基板，并且在二者之间夹有液晶层。滤色片阵列基板设置有防止漏光的黑矩阵层和在黑矩阵层上形成的显示色彩的R/G/B滤色片层。薄膜晶体管阵列基板设置有限定单位像素的栅线和数据线，在栅线和数据线的各交叉处形成的薄膜晶体管，以及交替设置以产生横向电场的公共电极和像素电极。
下面参照附图说明现有技术的IPS模式LCD器件。图1示出了现有技术IPS模式LCD器件的单位像素的平面图，图2示出了第二现有技术IPS模式LCD器件的单位像素的平面图，以及图3示出了现有技术器件的电压-透射比关系图。
如图1所示，第一现有技术IPS模式LCD器件的薄膜晶体管阵列基板包括栅线12和与栅线12垂直交叉以限定单位像素的数据线15、薄膜晶体管20和公共线25。单位像素包括多个公共电极24和多个像素电极17。薄膜晶体管20形成在单位像素中并且用作开关元件。公共线25与栅线12平行形成。公共电极24从单体形式的公共线25延伸形成并且在单位像素中沿着栅线12设置。像素电极17在公共电极24之间交替形成并且与公共电极24平行。
通过像素电极17和公共电极24将一个单位像素区域划分为多个区块30。从有源区的外围向公共线25和公共电极24提供信号Vcom。各像素电极17连接到各薄膜晶体管20的漏极15b以接收像素信号，从而使得区块30中的液晶分子通过在公共电极24和像素电极17之间形成的横向电场重新排列。
在图1中，像素电极17和公共电极24沿着栅线以相对于栅线(0°)10°的角度α设置。液晶分子初始沿着栅线12的方向取向并且然后通过沿垂直于像素电极17和公共电极24的方向的横向电场重新排列以确定光的透射比。在通常的IPS模式器件中，由于液晶分子相对于研磨方向的最大透射角度是45°，所以当将电压施加到初始排列的液晶分子时，该液晶分子旋转45°-α，即35°。
在如图1所示的第一现有技术IPS模式LCD器件中，单位像素区域被划分为十六个区块30。
然而，第一现有技术IPS模式LCD器件存在关于响应速度的问题。即，第一现有技术器件的响应时间很慢。为了解决该问题，如图2所示，在第二现有技术器件中，像素电极117和公共电极124沿着栅线112以相对于栅线112(0°)20°的角度β设置。
在第二现有技术器件中，液晶分子初始沿着栅线112的方向取向并且然后通过沿垂直于像素电极117和公共电极124的方向的横向电场重新排列。如上所述，液晶分子相对于研磨方向的最大透射角度是45°。这样，在该示例中，在第二现有技术器件中，当将电压施加到初始取向的液晶分子时，该液晶分子旋转45°-β，即25°。由于将液晶分子旋转25°比将其旋转35°会更快发生，所以第二现有技术IPS模式LCD器件与第一现有技术器件相比，响应速度得到了提高。
另一方面，由于在第二现有技术器件中，各像素电极117和各公共电极124以相对于栅线112具有20°的弯曲角度设置，而不是第一现有技术器件中的10°，因此像素电极和公共电极的区块130数目减少到十四个，其比第一现有技术器件中的区块30的数目少。
换句话说，在现有技术中，如果像素电极和公共电极的排列角度增加，则在具有固定尺寸的单位像素区域中形成的电极数目就相应的减少，从而减少了区块数目。当区块的数目，即像素电极和公共电极的数目减少时，亮度也降低。因此，现有技术器件的折中是响应时间的改善以亮度的减少为代价。
换句话说，现有技术IPS模式LCD器件具有下面的问题。
在公共电极和像素电极沿着栅线设置的IPS模式LCD器件中，如果公共电极和像素电极相对于栅线以具有10°的弯曲角度设置，则由于区块数目的增加而提高了该器件的亮度。然而，由于液晶分子的旋转角度很大，降低了响应速度。
另一方面，如果公共电极和像素电极相对于栅线以具有20°的弯曲角度设置，则液晶分子的响应速度会增加。然而，由于电极增加的角度，在固定尺寸的单位像素区域中形成的区块数目会减少，从而降低器件的开口区域。
图1和图2的现有技术器件还存在其它问题。图3示出了现有技术IPS模式LCD器件的电压-透射比特性，其中饱和电压Vsat1和Vsat2在宽度上都很小。
发明内容
因此，本发明涉及一种IPS模式LCD器件，其基本上克服了由于现有技术的限制和缺点而产生的一个或者多个问题。
本发明的一个目的是提供一种IPS模式LCD器件，其中在一个单位像素区域中液晶分子以多个角度取向以在不降低孔径比的情况下提高响应速度并且改善透射比-电压特性。
本发明的附加优点、目的和特征将在后面的描述中得以阐明，通过以下描述，将使其对本领域技术人员来说显而易见，或者可通过实践本发明来认识。本发明的这些目的和其它优点可通过说明书及其权利要求以及附图中具体指出的结构来实现和得到。
为了实现这些目的和其它优点，按照本发明的目的，作为具体和广义的描述，按照本发明实施方式的一种共平面开关模式液晶显示器件包括：在第一基板上彼此交叉从而限定多个单位像素区域的多条栅线和多条数据线，其中各单位像素区域被划分为第一、第二和第三子区域。该器件还包括设置在栅线与数据线的多个交叉处的用于各单位像素的多个薄膜晶体管以及与所述多条栅线平行设置的多条公共线。在各单位像素中，多个公共电极从所述公共线分支并且在所述第一子区域中相对于所述栅线以第一角度弯曲，在所述第二子区域中相对于所述栅线以第二角度弯曲，并且在所述第三子区域中相对于所述栅线以第三角度弯曲，其中第一角度、第二角度和第三角度彼此不相同。该器件还包括在单位像素中连接到各薄膜晶体管漏极并且与所述多个公共电极平行设置的多个像素电极。在所述第一基板和与所述第一基板相对的第二基板之间设置液晶层。
在所述单位像素中的电极可以在不同的子区域中以不同的角度弯曲。例如，在所述第一子区域中所述公共电极和像素电极以20°的角度弯曲，在所述第二子区域中以15°的角度弯曲并且在所述第三子区域中以10°的角度弯曲，从而初始沿所述栅线(0°)取向的液晶分子沿多个方向重新取向以提高响应速度。
在第一子区域中设置所述薄膜晶体管以在所述单位像素区域获得优化数目的区块，从而提高所述器件的亮度。
应该理解，本发明上面的概述和下面的详细说明都是示例性和解释性的，意欲对所要求保护的本发明提供进一步解释。
附图说明
所包括的用于提供对本发明进一步解释并引入构成本申请一部分的附图说明了本发明的实施方式，并与说明书一起用于说明本发明的原理。在附图中：
图1示出了第一现有技术IPS模式LCD器件的单位像素的平面图；
图2示出了第二现有技术IPS模式LCD器件的单位像素的平面图；
图3示出了现有技术器件的电压-透射比关系曲线图；
图4示出了按照本发明实施方式的IPS模式LCD器件的单位像素的平面图；
图5A到5C示出了图4中的子区域I、II和III的放大平面图；
图6示出了按照本发明实施方式的器件的电压-透射比关系曲线图；以及
图7示出了按照本发明实施方式的示例性薄膜晶体管。
具体实施方式
以下将参照附图所示的实施例来详细描述本发明的优选实施方式。尽可能的，在整个附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图4示出了按照本发明实施方式的IPS模式LCD器件的单位像素的平面图，图5A到5C示出了图4中的子区域I、II和III的放大平面图，图6示出了按照本发明实施方式的器件的电压-透射比关系曲线图，并且图7示出了按照本发明实施方式的示例性薄膜晶体管。
如图4所示，按照本发明的IPS模式LCD器件的薄膜晶体管阵列基板包括沿一方向设置的多条栅线512以及与栅线交叉的多条数据线515以限定单位像素区域。该单位像素区域分别被划分为子区域I、II和III。
对于各单位像素，包括薄膜晶体管520以用作开关元件。该单位像素还包括从公共线525分支出来以向其提供信号Vcom的公共电极524。公共电极在子区域I、II和III中以不同角度弯曲。
该单位像素包括与公共电极524对应的像素电极517。各像素电极517通过接触孔518连接到薄膜晶体管520的漏极515b以与公共电极524形成横向电场。
尽管示出了三个子区域，但是这只是示例性的并且本发明并不局限于此。子区域的数目可以是两个或者多个。
再参照图4，在各子区域中，公共电极524和像素电极517彼此相对于栅线512以基本上相同的角度弯曲设置。而且在子区域I、II和III中像素电极517和公共电极524的弯曲角度不同。如图5A到5C所示，在子区域I中公共电极524于像素电极517以20°的角度弯曲，在子区域II中以15°的角度弯曲，而在子区域III中以10°的角度弯曲。初始沿栅线方向取向的液晶分子550具有与以不同的恒定角度弯曲的电极的弯曲角度相同的研磨效果。
因此，初始沿栅线研磨取向(0°)的液晶分子550通过在像素电极517和公共电极524之间形成的横向电场以相对于研磨方向45°的旋转角度重新排列以确定光的透射比。当将电压施加到液晶分子以驱动白屏幕时，由于在子区域I中电极角度是20°，液晶分子550旋转25°。由于在子区域II中电极角度是15°，液晶分子550旋转30°。由于在子区域III中电极角度是10°，液晶分子550旋转35°。当施加电场时，在子区域I、II和III中的液晶分子550由于其粘性而导致的相互作用(mutualn action)而一起旋转。因此，液晶分子的响应速度变得很快。此外，可以降低驱动液晶分子的驱动电压。
再次强调，这里所示的实施方式只是示例。子区域的数目并不局限于三个。而且，像素电极517和公共电极524的弯曲角度并不局限于图5所示的特定值。优选地，子区域中电极-像素电极或者公共电极的弯曲角度不同于相邻子区域中相同电极的弯曲角度。并且优选地，电极横跨所有的子区域以实现提高响应速度和增加亮度的优点。
参照图6，其示出了本实施方式的电压-透射比曲线，应该注意，按照具有多角度电极的IPS模式LCD器件的饱和电压Vsat3具有比现有技术的IPS模式LCD器件更大的宽度。
作为一个实施例，假设将以相对于电极15°角度研磨的液晶分子旋转45°的角度所需的饱和电压是15V(7V的公共电极)。然后，由于按照本实施方式以20°的角度研磨的液晶分子需要25°的不同值以旋转45°的角度，所以可以由14V的电压驱动。根据本发明实施方式以10°角度研磨的液晶分子由于由于其粘性在以20°的角度研磨的液晶分子的作用下具有快的响应速度。因此，在多研磨角度模式中，饱和电压可以在14V-15V的范围内。这在驱动电压的容限中是相当可观的增加。
进而，当公共电极524和像素电极517在子区域I、II和III中以不同的弯曲角度设置时，位于各像素电极517和各公共电极524之间的区块530保持宽度d，并且设置像素电极517和公共电极524具有相同的宽度d。
公共线525可以设置在像素区域的中间。当这样设置时，处于像素区域的上下部分处的像素电极517和公共电极524相对于公共线525对称设置。像素电极517和公共电极524之间的宽度d对应于两电极之间的垂直宽度。如果各自电极的长度变化，在常黑模式中，当驱动白屏幕时驱动电压发生变化。因此，优选地，各自电极之间的长度保持均匀。
如上所述，由于处于像素区域的上下部分处的像素电极和公共电极以多个弯曲角度对称设置，在电极以20°角度弯曲的子区域I中栅线与数据线交叉的部分处发生冗余容限(redundant margin)。换句话说，在电极以大弯曲角度设置的子区域中，获得了使电极的纵横比最大化的冗余空间。可以在该冗余空间内设置薄膜晶体管520以获得薄膜晶体管设计区域(W/L)的足够容限。
通常，在具有多个子区域的单位像素区域，优选地，在邻近于栅线和数据线交叉处的子区域中(在设置开关元件的区域中)的电极的弯曲角度最大。如上所述，这提供了冗余空间以使纵横比最大化。沿着相似的线，优选地，在更靠近栅线和数据线的交叉处的子区域中电极的弯曲角度大于远离同一交叉处的子区域中的弯曲角度。
当公共线置于单位像素的中间时，优选地，像素电极和公共电极关于公共线对称设置。当这样设置时，对于任一特定的像素电极或者公共电极，对应于栅线应该具有以基本上相同的弯曲角度设置的另一电极以及以基本上对称的弯曲角度设置的另一电极。
像素电极和公共电极以多弯曲角度设置，可以对该单位像素区域进行优化设计。因此，可以增加区块530的数目以提高孔径比。
按照本实施方式的像素电极和公共电极的设置图案具有电极以大的弯曲角度设置的器件的优点以及电极以小的弯曲角度设置的器件的优点。
再参照图4，栅线512、公共线525和公共电极524由诸如Cu、Al、AlNd(钕化铝)、Mo、Cr、Ti、Ta和MoW等不透明金属形成并且彼此平齐。公共线525和公共电极524可以由相同的材料一体形成。各像素电极517由诸如氧化铟锡(ITO)或者氧化铟锌(IZO)的透明导电层形成。
图7示出了按照本发明实施方式的示例性薄膜晶体管520。该薄膜晶体管520包括设置在基板702上方的栅极712和公共电极714。在栅极712和公共电极714以及基板702上方设置栅绝缘层710。在栅绝缘层710和栅极712上方设置半导体层716以用作TFT 520的沟道。在半导体层716的一侧形成漏极720并且在另一侧形成源极718。在该TFT结构上方设置有钝化层722。通过接触孔724设置像素电极726。可以通过采用等离子体增强型化学汽相沉积(PECVD)方法沉积诸如SiNx和SiOx的无机绝缘材料形成栅绝缘层710和钝化层722。
栅极712可以连接到图4的栅线512。实际上，栅极712可以与栅线512一体形成。漏极720可以连接到数据线515或者与数据线515一体形成。图7中的漏极720、接触孔724、像素电极726和公共电极714可以对应于图4中的漏极515b、接触孔518、像素电极517和公共线/公共电极525、524。
在施加有信号Vcom的公共线525和公共电极524与施加有像素电压的像素电极517重叠的部分形成存储电容。在图7中，这对应于与公共电极714重叠的像素电极726。该存储电容用于在薄膜晶体管的截止期间维持施加到液晶层的电压以防止由于寄生电容引起的图像质量恶化。
通过在薄膜晶体管阵列基板和滤色片阵列基板之间设置液晶层而将二者粘结到一起。该滤色片阵列基板包括黑矩阵层、滤色片层和涂布层。该薄膜晶体管阵列基板和滤色片阵列基板还进一步在其内侧设置有定向膜以沿栅线(0°)初始取向液晶层。
在本发明的实施方式中，在多个子区域中以多个弯曲角度设置公共电极和像素电极。例如，公共电极和像素电极在子区域I中以20°的角度弯曲，在子区域II中以15°的角度弯曲，并且在子区域III中以10°的角度弯曲。然而，可以设计像素电极和公共电极为优化的不同角度而并不局限于上述角度。
如上所述，按照本发明的IPS模式LCD器件具有下述优点。
首先，由于公共电极和像素电极以多弯曲角度设置以在一个单位像素区域中获得液晶的多个取向角度，所以可以获得优化数目的区块，从而提高该器件的亮度。
第二，由于饱和电压具有增加的宽度，所以可以改善透射比-电压特性。
第三，由于在公共电极和像素电极以大的弯曲角度设置的子区域中获得了冗余容限，所以可以获得薄膜晶体管的足够容限。
最后，由于公共电极和像素电极以多个弯曲角度设置，在以大的弯曲角度设置电极的子区域中液晶分子的响应速度快。由于相邻子区域中的液晶分子与液晶分子响应速度快的子区域中的液晶分子相互作用，整个响应速度变快。这样，可以降低驱动液晶分子的驱动电压。
很显然，本领域的熟练技术人员可以在不脱离本发明的精神或者范围内对本发明进行不同的修改和改进。因此，本发明旨在覆盖所有落入所附权利要求及其等同物范围内的对本发明进行的修改和改进。

Claims (25)

1、一种共平面开关模式液晶显示器件，包括：
设置在第一基板上彼此交叉从而限定多个单位像素区域的多条栅线和多条数据线，其中各单位像素区域被划分为第一、第二和第三子区域；
设置在栅线与数据线的多个交叉处各处的用于各单位像素的多个薄膜晶体管；
与所述多条栅线平行设置的多条公共线；
从所述各公共线分支的多个公共电极，其中各公共电极在所述第一子区域中相对于所述栅线以第一角度弯曲，在所述第二子区域中相对于所述栅线以第二角度弯曲，并且在所述第三子区域中相对于所述栅线以第三角度弯曲；
连接到各薄膜晶体管并且与所述多个公共电极平行设置的多个像素电极；以及
设置在所述第一基板和与所述第一基板相对的第二基板之间的液晶层，其中第一角度、第二角度和第三角度彼此不相同。
2、按照权利要求1所述的共平面开关模式液晶显示器件，其特征在于，还包括设置在所述第一基板和第二基板内侧的定向膜。
3、按照权利要求2所述的共平面开关模式液晶显示器件，其特征在于，所述定向膜沿着所述栅线初始排列。
4、按照权利要求1所述的共平面开关模式液晶显示器件，其特征在于，所述第一子区域的第一角度大于所述第二子区域的第二角度并且所述第二子区域的第二角度大于所述第三子区域的第三角度。
5、按照权利要求4所述的共平面开关模式液晶显示器件，其特征在于，所述各薄膜晶体管设置在相应单位像素的所述第一子区域中并且在所述第一子区域中所述栅线和数据线彼此交叉。
6、按照权利要求1所述的共平面开关模式液晶显示器件，其特征在于，所述各单位像素区域的公共电极和像素电极在所述第一子区域中以大致20°的角度弯曲，在所述第二子区域中以大致15°的角度弯曲，并且在所述第三子区域中以大致10°的角度弯曲。
7、按照权利要求6所述的共平面开关模式液晶显示器件，其特征在于，所述各薄膜晶体管设置在相应单位像素的所述第一子区域中并且所述栅线和数据线在所述第一子区域中彼此交叉。
8、按照权利要求1所述的共平面开关模式液晶显示器件，其特征在于，对于所述各单位像素的各公共电极和相应的像素电极，所述公共电极和相应的像素电极之间的距离基本恒定。
9、按照权利要求1所述的共平面开关模式液晶显示器件，其特征在于，所述公共线设置在所述像素区域的基本中间区域中。
10、按照权利要求9所述的共平面开关模式液晶显示器件，其特征在于，关于所述公共线，所述位于各像素区域的上下部分处的像素电极和公共电极相对于所述公共线对称设置。
11、按照权利要求1所述的共平面开关模式液晶显示器件，其特征在于，所述各单位像素的公共电极与所述公共线以单体设置。
12、按照权利要求1所述的共平面开关模式液晶显示器件，其特征在于，所述各薄膜晶体管包括栅极、半导体层和源极以及漏极。
13、一种共平面开关模式液晶显示器件的单位像素，其中所述单位像素设置在由两条栅线和两条数据线交叉限定的单位像素区域中，该单位像素包括：
设置在所述单位像素区域中的多个像素电极，其中各像素电极设计为施加来自所述数据线的像素电压；以及
在所述单位像素区域中相应设置的多个公共电极，其中各公共电极设计为施加公共电压从而与相应的像素电极一起形成电场；
其中所述单位像素区域被划分为多个子区域，每个单位像素区域被划分为第一子区域、第二子区域和第三子区域，
其中至少一个像素电极横跨所有子区域，并且
其中，各像素电极在所述第一子区域中相对于所述栅线以第一角度弯曲，在所述第二子区域中相对于所述栅线以第二角度弯曲，并且在所述第三子区域中相对于所述栅线以第三角度弯曲，其中第一角度、第二角度和第三角度彼此不相同。
14、按照权利要求13所述的单位像素，其特征在于，与所述至少一个像素电极相对应的公共电极横跨所有子区域。
15、按照权利要求13所述的单位像素，其特征在于，所述第一子区域的第一角度大于所述第二子区域的第二角度并且所述第二子区域的第二角度大于所述第三子区域的第三角度。
16、按照权利要求13所述的单位像素，其特征在于，在至少一个子区域中与所述至少一个像素电极相对应的所述公共电极的弯曲角度与所述至少一个像素电极的弯曲角度基本上相同。
17、按照权利要求16所述的单位像素，其特征在于，在所有子区域中与所述至少一个像素电极相对应的所述公共电极的弯曲角度与所述至少一个像素电极的弯曲角度基本上相同。
18、按照权利要求13所述的单位像素，其特征在于，在所有子区域中所述至少一个像素电极的弯曲角度与至少一个另一像素电极的弯曲角度基本上相同。
19、按照权利要求13所述的单位像素，其特征在于，所有像素电极和所有公共电极横跨所有子区域，使得在所有子区域中各对像素电极和相应的公共电极具有基本上相同的弯曲角度。
20、按照权利要求13所述的单位像素，其特征在于，还进一步包括公共线，其中所有的公共电极从所述公共线分支。
21、按照权利要求20所述的单位像素，其特征在于，所述所有的公共电极与所述公共线由相同的材料一体形成。
22、按照权利要求20所述的单位像素，其特征在于，在所述单位像素区域的基本上中央部分设置所述公共线以横跨所有多个子区域。
23、按照权利要求22所述的单位像素，其特征在于，所述像素电极和公共电极设置为相对于所述公共线基本上对称。
24、按照权利要求13所述的单位像素，其特征在于，还包括用于基于所述栅线上的控制电压向所述像素电极提供所述像素电压的开关器件。
25、按照权利要求24所述的单位像素，其特征在于，所述开关器件是薄膜晶体管。
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