JP2004086226A - 液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の液晶表示装置は、共通電極、複数の画素電極および半導体スイッチ素子が配された画素の複数と、走査信号線と、画素電極に信号を出力する映像信号線と、複数の画素、走査信号線および映像信号線が表面に配されたアレイ基板と、アレイ基板と対向して配された対向基板と、アレイ基板および対向基板に挟持された液晶層とを具備し、一組の共通電極と画素電極で構成される電極対の少なくとも一つまたは電極の少なくとも一つは、それぞれ他の電極対または電極とは形状が異なる。本発明では、共通電極と画素電極が同一基板上に整列して交互に配されたIPS型の液晶表示装置において、他の電極対と形状が異なる電極対または他の電極と形状が異なる電極を併用する。
【選択図】 図1
Description
1つは、従来より用いられている方式であって、ツイステッドネマチック表示方式(以下、TN型とする)に代表されるように、互いに異なる基板上にそれぞれ形成された一対の透明電極を対向して配置し、両電極間に電圧を印加することにより、両者の間に充填された液晶を動作させる方式である。
IPS型の画素の一例を、図20(a)に示す。
アレイ基板1aは、その上面に画素電極4および共通電極3を備える。TFTからなる半導体スイッチ素子7は走査信号線6からの信号により、映像信号線5と画素電極4の接続をオン−オフ制御する。ゲート絶縁膜11は、共通電極3と映像信号線5とのショートを防ぐ。保護絶縁膜12は、TFTからなる半導体スイッチ素子7を保護する。アレイ基板1aおよび対向基板1bの間の空間部には液晶層2が形成されている。半導体スイッチ素子7がオンになると、画素電極4と共通電極3の間に電圧が印加される。これにより互いに隣接する画素電極4と共通電極3の間に電界が発生して、液晶層2の液晶が動作する。
しかしながら、IPS型は、以下のような問題点を有する。
IPS型では、広い視野角が実現できるものの、一方で視角方向によって色調が変化するという問題、すなわち液晶分子の長軸方向の角度から見た場合は青く見え、短軸方向から見ると赤く見えるという色付きの問題がある。これは、液晶の屈折率異方性に起因したもので、特に明状態表示時(ノーマリーブラックモードでは電圧印加時)に問題になることが多い。
また、IPS型では、表示装置の透過率―電圧曲線(以下、T−V曲線とする)が従来のTN型のそれに比べて急峻であり、階調を制御するのが困難である。
本発明は、同一画素中に互いに形状が異なる電極または電極対が併在する場合と、電極または電極対の構成が互いに異なる画素が併在する場合の双方を含む。
本発明における電極対の形状は、電極対を構成する両電極間の間隙を含む。
同一画素内に幅や厚さが互いに異なる共通電極および画素電極を組み合わせて用いると、両電極間に両電極の中心線を軸にして対称な電界分布を形成することができ、残像の発生を抑制することが可能になる。
図22に示すように、共通電極3および画素電極4に、屈曲した電極(以下、屈曲型電極とする)を用いる場合には、図中θで示す屈曲角が互いに異なる電極を組み合わせて用いる。この屈曲型電極は、互いに結合された一対の直線電極部を有する。したがって、図中領域Aと領域Bとでは形状の異なる電界分布が形成されることから、両領域間で色付きが相殺される。
本発明は、いわゆる透過型の液晶表示装置に限定されず、外部からの入射光を反射するための反射部を備えたいわゆる反射型の液晶表示装置にも用いることができる。
本実施例の液晶表示装置の要部を図1の(a)および(b)に示す。
同装置の作製手順と動作について述べる。
まず、透明基板1上にアルミニウム等の導電材からなる膜を形成し、さらに得られた膜をパターニングして走査信号線6を形成する。次いで、その上に絶縁膜(図示せず)を形成する。さらにa−Si等からなる半導体スイッチ素子7と、映像信号線5とを形成して、アレイ基板1aが得られる。映像信号線5は、走査信号線6と同様にアルミニウム等の導電材からなる膜をパターニングして形成する。
他方の透明基板1の表面には、赤色カラーフィルタ8r、緑色カラーフィルタ8g、青色カラーフィルタ8bおよびブラックマトリックス10が所定のパターンに形成され、対向基板1bが得られる。
このように加工されたアレイ基板1aおよび対向基板1bは、所定の間隙を挟んで、それぞれ配向膜9aおよび9bが形成された面を互いに対向するように配される。
半導体スイッチ素子7は、走査信号線6からの信号によってオン−オフ制御される。半導体スイッチ素子7がオンになると、画素電極4と映像信号線6が電気的に接続され、互いに隣接し電極対を形成する画素電極4と共通電極3との間に電圧が印加される。これにより両電極間に形成された電界によって、液晶層2の液晶分子の配向が変化し、各画素の輝度が制御され、画像が表示される。
すなわち、電極対Aのように電極間隙および電極幅が図中dで示すセルギャップよりも大きいと、両電極間には主としてベクトルが基板1aおよび1bの表面に平行な横電界が形成される。しかし、セルギャップに対して電極間隙および電極幅を小さくするにつれ、基板面に垂直な縦方向成分が相対的に大きくなる。特に、電極対Bのように電極間隙および電極幅がともにセルギャップよりも小さいと、縦方向の成分が大きな比率を占めることになる。
なお、電極対にITO等の透明導電体を使えば、電極の占める領域も表示領域になるので、色付きの相殺により効果的である。
なお、画素のサイズに応じて電極対Aと電極対Bの数の割合を最適化することにより、従来構成に比べて開口率を大きく設計することが可能になる。
本実施例の液晶表示装置の要部を図3(a)に示す。アレイ基板1aは、実施例1のそれと同様である。一方、対向基板1bのアレイ基板1aに対向する側の面には対向電極14が設けられている。対向電極14の電位は、共通電極3の電位と等しい。対向電極14は、映像信号線5および共通電極3にそれぞれ対向する位置に配されている。
本実施例では、実施例1と同様の手法を用いて、カラー表示により適した電極対の改良について説明する。
図1と同様の構成の画素において、表2に示すように電極3および4の幅および電極間隙が互いに異なる電極対C、DおよびEをそれぞれ用いて画素を作製し、そのT−V特性を調べた。
したがって、形状の異なる複数の電極対が併存する画素構成によって、各色毎の光強度およびγ特性を補正でき、明るく、色再現性が高い液晶表示装置が実現できる。
また、上記のような画素は、いわゆる反射型液晶表示装置に用いると、より効果的である。一般に反射型液晶表示装置の場合、光が2度カラーフィルタを通過することから、カラーフィルタの色純度や透過率の設定が難しい。本実施例のように、同一画素内に電極間隙や電極幅が他と異なる部位を併存させると、各色毎でT−V特性を設計できる。したがって、本実施例によるとフィルタの色純度および透過率を設定するための自由度は大きくなる。
なお、画素電極4および共通電極3は光を反射する機能を有する電極であってもよい。
反射部の形態および配置は特に限定されるものではなく、公知の技術を応用することができる。
本実施例では、互いに形状が異なる共通電極と画素電極とからなる電極対を用いる方法の一例について説明する。この方法は、特に残像発生の抑制に有用である。
本実施例では、共通電極と画素電極で電極幅を変えることで、両電極間に形成される電気力線の対称性を改善する。
本装置では、共通電極3と画素電極4が異なる層から形成されているため、共通電極3から液晶層2までの距離は画素電極4から液晶層2までの距離と異なる。したがって、画素電極4と共通電極3の間に形成される電界は、周囲の構成、たとえばゲート絶縁膜11の厚さ、膜質、誘電率、膜構成の差等の影響を受ける。したがって、図20(a)に示す従来の液晶表示装置(これを比較例1とする)のように、画素電極4の幅が共通電極3のそれと同じであれば、図20(b)に示すように画素電極4と共通電極3の間に形成される電界の分布は、図中一点鎖線で示す両電極の中心線を軸にして非対称になる。これは絶縁膜11および12による電気力線の屈折と電圧損失による。共通電極3近傍と画素電極4近傍の絶縁層/液晶界面では、形成される電界の分布が非対称で電気力線密度(すなわち電界の大きさ)が異なる。したがって、画素電極4と共通電極3の間は、直流電圧がかかったような状態になり、液晶層2内でイオン分極が起こって、残像が発生する。
すなわち、図8(a)に示すような電極配置をとれば、共通電極3の近傍と画素電極4の近傍の絶縁層/液晶界面では電気力線の形状が対称になる。また、共通電極3の近傍と画素電極4の近傍の絶縁層/液晶界面での電気力線密度(電界の強さ)もほぼ等しくなり、液晶層2においてイオン分極がおこりにくくなる。したがって、互いの幅が等しい電極対を用いた場合と比較して残像を抑制することが可能になる。
無論、絶縁膜の構成、画素内の電極構成等により最適の電極幅は異なるので、どちらを太くするかは限定されない。
本実施例では、実施例4と同様に残像発生の抑制を目的とし、同一画素内に互いに幅の異なる共通電極を設けることにより、電極対に形成される電界の対称性を改善する例について説明する。
電極対に形成される電界の分布の非対称性は、実施例4で示した以外の要因に起因しても発生する。
さらに、画素電極4と共通電極3のペア数が多くなると、画素中央部の電極間には画素周辺部(映像信号線5近傍)の電極間に比較して効果的に電界が形成されるため、画素中央部の電極間の電界が強くなる。
本実施例の液晶表示装置の画素を図9の(a)および(b)に示す。本液晶表示装置では、映像信号線5に近い電極を太くすることで映像信号線5が液晶層2に及ぼす影響を抑制する。また、相対的に電極間の電界強度が強くなる画素中央部の電極を細くすることにより、電極対間での電界強度のばらつきを是正する。
なお、配置、材料、電位等によって電極の最適幅は異なる。したがって、これらは特に限定されない。
本実施例では、実施例5と同様の、画素電極と共通電極のペア数の多さに起因した電界の非対称性の改善に関する他の例について説明する。
本実施例の液晶表示装置の画素を図10の(a)および(b)に示す。
本実施例では、同一画素内に電極間隙が他の電極対とは異なる電極対を配する。すなわち、画素中央部の電極対の電極間隙を画素周辺部(ソース配線近傍)の電極対の電極間隙より広くすることで各電極対に形成される電界の分布をより均一に近づける。
本実施例では、上記の実施例4〜6の手法を組み合わせた液晶表示装置の一例について説明する。
本実施例の液晶表示装置の画素を図11に示す。本液晶表示装置では、幅が異なる複数の共通電極3を用いかつ中央部の電極間隙が端部の電極間隙よりも小さい。このように、実施例4〜6の手法を互いに組み合わせることにより、より効果的に残像の発生を抑制することができる。
本実施例では、実施例4〜6の手法に加え、さらにいわゆる屈曲型電極を用いた液晶表示装置について説明する。上記いずれの実施例においても、共通電極3および画素電極4に直線状の電極を用いている。
本実施例の液晶表示装置の画素を図12に示す。この液晶表示装置では、ともに屈曲部を有する共通電極3および画素電極4を用いている。このように屈曲型電極と組み合わせることによって、より視野角による色づきを低減した、残像が少ない液晶表示装置を実現することができる。
本実施例では、共通電極の厚さおよび画素電極の厚さが互いに異なる電極対を用いた一例について説明する。
本実施例の液晶表示装置の要部を図13の(a)および(b)に示す。
本実施例では、共通電極3aまたは3bと画素電極4aまたは4bとで構成される電極対(以下、電極対Fとする)および共通電極3cまたは3dと画素電極4dとで構成される電極対(以下、電極対Gとする)を以下の表3に示すように設定した。
電極対Fの液晶分子は、高速応答する電極対Gの液晶分子に追従するような挙動をとるため、電極対FおよびGが併存する画素は、例えば電極対FおよびGの中間的な構成、例えば全ての電極が5000Åの電極対のみから構成される画素に比べて高速応答が可能となる。
したがって、動画表示しても高品質を維持できる高速応答の液晶表示装置を得ることができる。
本実施例では、いわゆる屈曲形の電極を用いた例について説明する。
本実施例の液晶表示装置の画素を図14の(a)および(b)に示す。
共通電極3および画素電極4はともに、一部が折れ曲がった構造を有するいわゆる屈曲型電極である。共通電極3の屈曲角θ1は、画素電極4の屈曲角θ2と異なる。例えば、共通電極3の屈曲角θ1を15°とし、画素電極4の屈曲角θ2を20°とする。両電極間で屈曲角が異なると、電極間隙は場所ごとに異なる。したがって、図中Aで示すサブ領域に形成される電界の形状は、サブ領域Bに形成されるそれとは異なる。同様に、サブ領域A、B、CおよびDにおける電界分布特性は互いに異なる。したがって、各サブ領域の液晶分子は、互いに異なるダイレクタを示し、各サブ領域は互いに異なる波長分散特性(すなわち、色付きの特性を意味する)を示す。
ただし、屈曲角の差Δθ(=θ1−θ2)を大きくし過ぎると、電極間隙が極端に大きい箇所と極端に小さい箇所が発生してしまう。電極間隙の極端な差は、光学応答特性に大きな差をまねき、フリッカー発生の原因となる可能性がある。したがって、屈曲角差Δθは±10°以下にするのが望ましい。
また、映像信号線5に近い電極(本実施例では共通電極3)の屈曲角が大きいほど、液晶分子が変調しない領域の面積が増加し、実質開口率が低下してしまう。したがって、映像信号線5に近い電極の屈曲角をできるだけ小さくし、もう一方の電極の屈曲角を大きくする構成がより望ましい。
本実施例では、波長分散特性を制御することでRGB各色を調整する方法の例について説明する。
本実施例の液晶表示装置の要部を図15の(a)および(b)に示す。
上記実施例で説明したように、電極間隙、電極幅または電極厚が異なると、電極対に形成される電界分布は異なり、その結果として波長分散特性は異なる。
RGB各色のカラーフィルタは、図19に示すように、それぞれ波長特性を有し、一般的にRが700nm近傍に、Gが550nm近傍に、Bが440nm近傍にそれぞれピーク透過率が得られるようになっている。
したがって、緑色カラーフィルタ8gの画素には、電極対Aと同じような構成の電極対を用い、青色カラーフィルタ8bの画素には、電極対Bと同じような構成の電極対を用いれば、光利用効率を最高にすることができる。同様に、赤色カラーフィルタ8rの画素にも、同一条件下でピーク透過率が700nmになるような構成の電極対を用いればよい。
本実施例に屈曲形電極を用いれば、色付きの問題に対して、より効果的である。
本実施例では、屈曲型電極を用い、RGBの各画素ごとにその屈曲角θが異なる電極対を用いることにより、RGB各色を調整する方法の例について説明する。
本実施例の液晶表示装置の要部を図16の(a)および(b)に示す。
本実施例のような電極構成においては、視野角による色度変化量は赤色(R)が最も大きい。屈曲角θが大きいほど、液晶分子が変調しない画素部の面積が増加し、実質開口率が低下してしまう。したがって、赤色画素における電極3r0および4r0の屈曲角θrは、緑における電極3g0および4g0の屈曲角θgおよび青におけるにおける電極3b0および4b0の屈曲角θbよりも大きくする。
本実施例では、RGBの各画素毎に電極の厚さを変えることにより、RGB各色を調整する方法の例について説明する。
本実施例の液晶表示装置の要部を図17に示す。この画素の画素電極は、線状の透明絶縁層とその上面および側面を被覆した透明導電層からなる。青画素の画素電極4b0は、透明導電層16bおよび透明絶縁層17bからなる。緑画素の画素電極4g0は、透明導電層16gおよび透明絶縁層17gからなる。赤画素の画素電極4r0は、透明導電層16rおよび透明絶縁層17rからなる。画素電極4b0、4g0および4r0の厚さは、それぞれ透明絶縁層17b、17gおよび17rの厚さにより制御される。
さらに本実施例では、液晶セルギャップdを一定に保つために、従来のスペーサに代えて、アレイ基板1a表面に設けられた厚み制御部材13を用いている。この厚み制御部材13は、例えば透明絶縁層17b、17gおよび17rと同じ材料からなり、透明絶縁層17b、17gおよび17rを形成するプロセスにおいて、同時にアレイ基板1a側に形成される。
上記のような厚み制御部材は、図18に示すように、対向基板1bに形成してもよい。その場合、例えば、ブラックマトリクス10と同じ材料からなり、ブラックマトリクス10と一体に形成する。
1a アレイ基板
1b 対向基板
2 液晶層
3、3a、3b、3c、3d、3r0、3g0、3b0 共通電極
4、4a、4b、4c、4r0、4g0、4b0 画素電極
5 映像信号線
6 走査信号線
7 半導体スイッチ素子
8 カラーフィルタ
8r 赤色カラーフィルタ
8g 緑色カラーフィルタ
8b 青色カラーフィルタ
9、9a、9b 配向膜
10 ブラックマトリクス
11 ゲート絶縁膜
12 保護絶縁膜
13 厚み制御部材
14 対向電極
15 反射部
15a 凸部
15b 反射膜
16b、16g、16r 透明導電層
17b、17g、17r 透明絶縁層
Claims (5)
- 共通電極、画素電極および半導体スイッチ素子が配された画素の複数と、走査信号線と、前記画素電極に信号を出力する映像信号線とが表面に配されたアレイ基板と、
前記アレイ基板と対向して配された対向基板と、
前記アレイ基板と前記対向基板との間に挟持された液晶層と、を具備し、
前記共通電極および前記画素電極がいずれも屈曲部を有し、少なくとも一つの電極は、同一画素内の他の電極とは前記屈曲部の屈曲角の大きさが異なり、前記屈曲角の差が10度以内である液晶表示装置。 - 前記映像信号線に近接した電極の屈曲角は、他の電極の屈曲角より小さい請求項1記載の液晶表示装置。
- 前記屈曲角は、前記屈曲部をとおり前記映像信号線に平行な直線と前記共通電極または前記画素電極とがなす角度である請求項1または2記載の液晶表示装置。
- 共通電極、画素電極および半導体スイッチ素子が配された画素の複数と、走査信号線と、前記画素電極に信号を出力する映像信号線とが表面に配されたアレイ基板と、
前記アレイ基板と対向して配され、赤、緑及び青色のカラーフィルタが設けられた対向基板と、
前記アレイ基板と前記対向基板との間に挟持された液晶層と、を具備し、
前記共通電極および前記画素電極は、いずれも屈曲部を有し、
前記赤色のカラーフィルタに対応する前記画素に配された前記共通電極及び前記画素電極の屈曲角は、前記緑色及び青色のカラーフィルタに対応する前記画素に配された前記共通電極及び前記画素電極の屈曲角より大きい液晶表示装置。 - 前記屈曲角は、前記屈曲部をとおり前記映像信号線に平行な直線と前記共通電極または前記画素電極とがなす角度である請求項4記載の液晶表示装置。
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