JP2005196162A - 横電界方式の液晶表示素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】ジグザグ状の電極が折れ曲がっている部分でディスクリネーションが防止され、併せてストレージキャパシタンスが増加される横電界方式の液晶表示素子を提供する。
【解決手段】本発明による横電界方式の液晶表示素子は、基板上で一側に形成されたゲート配線と、前記基板上で折れ曲がっている構造を有する共通電極と、前記共通電極が折れ曲がっている部分から一側に延長形成された第1ディスクリネーションの防止パターンと、前記ゲート配線に垂直交差するデータ配線と、前記ゲート配線およびデータ配線の交差地点に形成された薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタのドレイン電極に連結して前記共通電極に平行して折れ曲がっている構造を有する画素電極と、前記画素電極が折れ曲がっている部分から一側に延長形成される第2ディスクリネーションの防止パターンとを含んで構成される。
【選択図】図4

Description

本発明は液晶表示素子(LCD;Liquid Crystal Display Device)に関し、特に横電界方式の液晶表示素子に関する。
平板表示素子として、最近、脚光を浴びいている液晶表示素子は、コントラスト比が大きく、階調表示や動画表示に適合し電力消費が小さいという長所のため、盛んに研究が行われている。
特に、薄い厚さで製作できるため、将来、壁掛けテレビのような超薄型表示装置として使用できるだけでなく、重さが軽く、電力消費もCRTブラウン管に比べて非常に小さいため、バッテリーで動作するノートパソコンのディスプレイとして用いられるなど、次世代表示装置として脚光を浴びている。また、小型パネルとして製作されて携帯電話のディスプレイにも用いられるなど、その活用は様々である。
このような液晶表示素子は、液晶の性質とパターンの構造により様々なモードがある。
具体的に、液晶方向子を90°ねじれるように配列された後、電圧を加えて液晶方向子を制御するTNモード(Twisted Nematic Mode)と、一画素をいくつかのドメインで分けて、それぞれのドメインの主視野角の方向を別にして広視野角を得るマルチドメインモード(Multi−Domain Mode)と、補償フィルムを基板の外周面に取り付けて光の進行方向にともなう光の位相変化を補償するOCBモード(Optically Compensated Birefringence Mode)と、一基板上に二つの電極を形成して液晶の方向子が配向膜の並んだ平面でねじれるようにする横電界方式(In−Plane Switching Mode)と、ネガティブ型液晶と垂直配向膜を用いて液晶分子の長軸が配向膜の平面に垂直配列になるようにするVAモード(Vertical Alignment)など、多様である。
この中で、前記横電界方式の液晶表示素子は、通常、互いに対向配置されてその間に液晶層を具備したカラーフィルター基板と薄膜アレイ基板とで構成されている。すなわち、前記カラーフィルター基板には光漏れを防止するためのブラックマトリクスと前記ブラックマトリクス上に色相を表すためのR、G、Vのカラーフィルター層が形成される。
そして、前記薄膜アレイ基板には、単位画素を定義するゲート配線およびデータ配線と、前記ゲート配線およびデータ配線の交差地点に形成されたスイッチング素子と、互いにずれて交差し横電界を発生させる共通電極および画素電極が形成される。
以下、図面を参照して従来技術による横電界方式の液晶表示素子を具体的に説明すれば次の通りである。
図1は、従来技術による2−ドメインIPS構造を示す平面図であり、図2は、図1のI−I`線上における横電界方式の液晶表示素子の電圧分布図であり、図3Aおよび図3Bは、電圧無印加時および印加時における横電界方式の液晶表示素子の平面図である。
以下では、主に横電界方式の液晶表示素子の薄膜アレイ基板について述べる。 具体的に、前記薄膜アレイ基板上には、図1に示したように、基板上に一方向に配列されるゲート配線12と、画素領域を定義するために前記ゲート配線12に垂直な方向に配列されて折れ曲がっている構造に形成されるデータ配線15と、前記ゲート配線12およびデータ配線15の交差部に配置された薄膜トランジスタ(TFT)と、前記ゲート配線12と平行するように画素内に配置された共通配線25と、前記共通配線25から分岐されて折れ曲がっている構造を有する多数個の共通電極24と、前記薄膜トランジスタに連結して前記共通電極24の間で前記共通電極に平行して折れ曲がっている構造を有する多数個の画素電極17と、前記画素電極27から延びて前記共通配線25の上部にオーバーラップされるキャパシタ電極26が具備されている。
前記ゲート配線12を含んだ全面にはゲート絶縁膜(図示せず)がさらに具備され、前記データ配線15を含んだ全面には保護膜(図示せず)がさらに具備される。
この時、前記共通配線25および共通電極24は一体型に形成され、前記ゲート配線12および薄膜トランジスタのゲート電極も一体に形成されて、このような共通配線25、共通電極24、ゲート配線12およびゲート電極は低抵抗金属を使用して同一層に一括して形成する。ただし、前記共通電極の中、画素の周縁にある共通電極は前記データ配線にオーバーラップされるように形成させて、データ配線部で発生する光漏れを遮断できる。
そして、前記画素電極17は、インジウム−スズ−オキサイド(indium−tin−oxide:ITO)のように、光の透過率が比較的優れた透明導電性の金属を材料として使用して、前記共通電極24とずれて交差できるように多数個の分岐状に形成して、前記薄膜トランジスタのドレイン電極に接続して電圧が印加される。
ここで、前記共通電極24および画素電極17は一直線状に交差形成されても差支えはないが、図1に示したように、ジグザグ状に形成されて液晶が2方向に配列されるようにすることができる。このように、各画素内のドメインを2領域に分割することによって視野角を向上させるが、2−ドメインを形成するIPS構造をS−IPS(Super−IPS)構造という。
また、前記共通配線25の上部にオーバーラップされたキャパシタ電極26は、その間に介在するゲート絶縁膜および保護膜と共にストレージキャパシタを構成して薄膜トランジスタのターンオフ区間で液晶層に充電された電圧を維持させて寄生容量による画質低下を防止する役割をする。
このように構成された横電界方式の液晶表示素子は、図2に示したように、共通電極24に5Vを加え、画素電極17に0Vを加えれば、電極の真上の部分では等電位面が電極に平行するように分布し、両電極間の領域では却って等電位面が垂直に近くなるように分布する。
したがって、電場の方向は等電位面に垂直なので、共通電極24と画素電極17間では垂直電場よりは水平電場が、各電極上では水平電場よりは垂直電場が、また電極の角部分では水平および垂直電場が複合的に形成される。
横電界方式の液晶表示素子は、このような電場を用いて液晶分子の配列を調節する。一例として、図3Aに示したように、ある一偏光板の透過軸と同じ方向に、初期配向された液晶分子32に充分な電圧をかければ、図3Bに示したように、液晶分子32の長軸が電場に並ぶように配列される。もし、液晶の誘電率異方性が陰であれば液晶分子の短軸が電場に並ぶいるように配列される。
具体的に、対向して貼り合わされた薄膜アレイ基板およびカラーフィルター基板の外周面に取り付けられた第1、第2偏光板は、その透過軸が互いに直交するように配置し、下部の基板上に形成された配向膜のラビング方向はある一偏光板の透過軸に並ぶようにすることにより、黒色ベースモード(normally black mode)になるようにする。
すなわち、素子に電圧を印加しなければ、液晶分子32が、図3Aに示したように配列されてブラック状態を示し、素子に電圧を印加すれば、図3Bに示したように液晶分子32が電場と並ぶように配列されてホワイト状態を示す。
この時、共通電極24および画素電極17が折れ曲がっている構造に形成されるので、液晶分子32が2方向に配向されて視野角が向上する。
しかし、電極が折れ曲がっている部分Aで液晶分子32が相違する方向に配向されるが、前記境界部分で光漏れが発生するディスクリネーションライン(Disclination Line)が生じて画質が低下するという問題点があった。
本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、ジグザグ状の電極の折れ曲がっている部分でディスクリネーションが防止され、併せてストレージキャパシタンスが増加される横電界方式の液晶表示素子を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る横電界方式の液晶表示素子は、基板上で一側に形成されたゲート配線と、前記基板上で折れ曲がっている構造を有する共通電極と、前記共通電極が折れ曲がっている部分から一側に延長形成された第1ディスクリネーションの防止パターンと、前記ゲート配線に垂直交差するデータ配線と、前記ゲート配線およびデータ配線の交差地点に形成された薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタのドレイン電極に連結して前記共通電極に平行して折れ曲がっている構造を有する画素電極と、前記画素電極が折れ曲がっている部分から一側に延長形成される第2ディスクリネーションの防止パターンとを含んで構成されることを特徴とする。
ここで、本発明は、前記ディスクリネーションの防止パターンにキャパシタの付加電極をさらにオーバーラップさせることにより、ストレージキャパシタンスの余裕分を確保することを特徴とする。
本発明の横電界方式の液晶表示素子には次のような効果がある。
第一に、画素電極と一体型であるディスクリネーションの防止パターンに共通電極と一体型であるキャパシタの付加電極をさらに具備してオーバーラップさせることにより、ストレージキャパシタンスを増加させる。
または、共通電極と一体型であるディスクネーション防止パターンに画素電極と一体型であるキャパシタンス付加電極をさらに具備してオーバーラップさせることにより、ストレージキャパシタンスを増加させる。
第二に、画素電極および共通電極の折れ曲がっている部分に前記第1、第2ディスクリネーションの防止パターンを具備して液晶分子の配列を望む方向に制御することにより、ディスクリネーションが防止される2−ドメインの横電界方式の液晶表示素子を得ることができる。
以下、本発明に係る横電界方式の液晶表示素子の好適な実施の形態について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図4は、本発明に係る横電界方式の液晶表示素子の平面図であり、図5は、前記図4のII−II´線上における横電界方式の液晶表示素子の断面図である。そして、図6A(I)および図6A(II)は本発明に係る共通電極の構造を示す平面図であり、図6B(I)および図6B(II)は本発明に係る画素電極の構造を示す平面図である。
本発明に係る横電界方式の液晶表示素子の薄膜アレイ基板は、図4に示したように、基板上で一方向に配列されるゲート配線112と、画素領域を定義するために前記ゲート配線112に垂直な方向に配列されて折れ曲がっている構造に形成されるデータ配線115と、前記ゲート配線112およびデータ配線115が交差する部位でスイッチング動作されて該当画素に電圧を印加する薄膜トランジスタ(TFT)と、前記ゲート配線112に平行しアクティブ領域の外部で共通電極の信号が印加される共通配線125と、前記共通配線125から分岐され折れ曲がっている構造を有する複数の共通電極124と、前記薄膜トランジスタのドレイン電極115bに連結して前記共通電極124に平行し折れ曲がっている構造を有する画素電極117と、前記画素電極117から延長されて前記共通配線125の上部にオーバーラップされるキャパシタ電極126が具備される。
この時、前記共通電極124および画素電極117が折れ曲がっている部分には、ディスクリネーションラインを防止するために、ディスクリネーションの防止パターンがさらに具備されるが、前記折れ曲がっている部分で前記共通電極124から一側に延長形成された第1ディスクリネーションの防止パターン131と、前記折れ曲がっている部分で前記画素電極117から一側に延長形成された第2ディスクリネーションの防止パターン132で構成される。
前記第1、第2ディスクリネーションの防止パターン131,132は隣接する電極の角にオーバーラップされる位置まで延長形成される。
このような第1、第2ディスクリネーションの防止パターン131,132には電圧が印加されるため、隣接する電極との間に電場が形成されて液晶分子の方向を制御できるようになる。
即ち、電極が折れ曲がっている部分に形成される液晶分子は、第1ディスクリネーションの防止パターン131と隣接する画素電極117との間に形成された電場、および第2ディスクリネーションの防止パターン132と隣接する共通電極124との間に形成された電場により一定方向に配列される。
したがって、電極が折れ曲がっている部分におけるディスクリネーションラインの発生を防止することができる。
一方、図5に示したように、前記キャパシタ電極126は、下部にオーバーラップされた共通配線125と、その間に介在する絶縁膜と共にストレージキャパシタCstを構成するが、ストレージキャパシタは寄生容量Cgsによる画質低下を防止するために、対応する薄膜トランジスタのターンオフ区間で液晶キャパシタに充電された電圧を維持させる役割をする。
前記寄生容量は、液晶に印加される交流電圧について、直流電圧オフセット(voltage offset)、即ち△Vを誘発させるが、このような直流電圧オフセットは、液晶表示素子において、画面のフリッカー、イメージ固着(image sticking)、画面の明るさの不均一などの好ましくない結果をもたらすため、ストレージキャパシタを設計して△Vの変化を減らす必要がある。
特に、キャパシタが有するキャパシタンスを増加させれば、画質が非常に向上されるため、本発明では、ストレージキャパシタンスを増加させるために、前記第2ディスクリネーションの防止パターン132の下部に第1キャパシタの付加電極150をさらに具備して第1付加キャパシタCst´を構成する。そして、前記第1ディスクリネーションの防止パターン131の上部に第2キャパシタの付加電極151をさらに具備して第2付加キャパシタCst´を構成する。
このような前記第1キャパシタの付加電極150は、前記共通電極124が折れ曲がっている部分で前記共通電極から延長形成されて前記第2ディスクリネーションの防止パターン132にオーバーラップされる。
結局、前記共通電極124は、図6A(I)に示したように、共通配線125から分岐されて、その折れ曲がっている部分で一側では第1ディスクリネーションの防止パターン131を有し、他側では第1キャパシタの付加電極150を有するようになる。ここで、前記共通電極124、第1ディスクリネーションの防止パターン131、第1キャパシタの付加電極150は一体型として互いに連結される。
ただし、前記第1キャパシタの付加電極150は、低抵抗金属層で形成されて光を遮光し、また前記第2ディスクリネーションの防止パターン132と共通電極124との間に形成される電場を妨げなければならないため、前記第1キャパシタの付加電極150は、前記第2ディスクリネーションの防止パターン132に比べてその大きさが小さくなければならない。
一方、前記ゲート配線112を含んだ全面には、ゲート絶縁膜113がさらに具備されており、ゲート配線層とデータ配線層を絶縁させ、前記データ配線115を含んだ全面には、保護膜116がさらに具備されてデータ配線層と画素電極を絶縁させる。
このとき、前記ゲート絶縁膜113は、シリコン窒化物(SiNx)、シリコン酸化物(SiOx)などの無機絶縁物質をPECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)方法で蒸着して形成し、前記保護膜116は、シリコン窒化物(SiNx)、シリコン酸化物(SiOx)などの無機絶縁物質を蒸着したり、またはBCB(Benzocyclobutene)、アクリル系物質のような有機絶縁物質を塗布して形成する。
したがって、前記薄膜トランジスタは、図4に示したように、前記ゲート配線112から分岐されるゲート電極112aと、前記ゲート電極112aを含んだ全面に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート電極の上部のゲート絶縁膜上に非晶質シリコン(a−Si)および非晶質シリコンに不純物をイオン注入したn+a−Siを順次蒸着して形成された半導体層114と、前記データ配線115から分岐されて前記半導体層114の両端に各々形成されるソース電極115aおよびドレイン電極115bとで構成されて、単位画素に印加される電圧のオン・オフを制御する。
そして、図5に示したように、ストレージキャパシタCstのキャパシタ電極126と共通配線125との間に介在する絶縁膜は、ゲート絶縁膜113および保護膜116の積層膜になり、第1付加キャパシタCst´の第2ディスクリネーションの防止パターン132と、第1キャパシタの付加電極150との間に介在する絶縁膜もゲート絶縁膜113および保護膜116の積層膜になる。
以上で、前記の薄膜アレイ基板のゲート配線112、ゲート電極112a、共通配線125、共通電極124、第1ディスクリネーションの防止パターン131および第1キャパシタの付加電極150は、図6A(I)に示したように、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、アルミニウムネオジム(AlNd)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、チタニウム(Ti)、タンタル(Ta)、モリブデン−タングステン(MoW)などの低抵抗金属をスパッタリング方法により蒸着し、パターニングして同一層に一括して形成する。
この時、前記共通配線125、共通電極124、第1ディスクリネーションの防止パターン131および第1キャパシタの付加電極150が互いに一体型に形成され、前記ゲート配線112およびゲート電極112aが互いに一体型に形成される。ただし、図6A(II)に示したように、前記第1キャパシタの付加電極150を形成せず、共通配線125、共通電極24、第1ディスクリネーションの防止パターン131だけを形成することもできる。
そして、前記の画素電極117、キャパシタ電極126および第2ディスクリネーションの防止パターン132は、図6B(I)に示したように、インジウム−スズ−オキサイド(indium−tin−oxide:ITO)またはインジウム−亜鉛−オキサイド(indium−zinc−oxide:IZO)のように、光の透過率が比較的優れた透明導電性金属をスパッタリング方法により蒸着してパターニングして同一層に一括して形成し、前記画素電極117、キャパシタ電極126および第2ディスクリネーションの防止パターン132は互いに一体型に形成される。ただし、図6B(II)に示したように、第2キャパシタの付加電極151をさらに具備して前記画素電極117、キャパシタ電極126および第2ディスクリネーションの防止パターン132と一体型に形成することもできる。

前記共通電極124および画素電極117はジグザグ状に互いに平行するように形成され、単位画素内で数回折れ曲がっている構造を有することもでき、単位画素中間で一回折れ曲がっている構造を有することもできる。
以上で、前記の薄膜アレイ基板はストレージキャパシタンスも増加され、且つディスクリネーションも防止される2−ドメインのS−IPS構造になる。
図示はしないが、前記の薄膜アレイ基板には一定の順序で配列されて色相を表す赤色、緑色、青色のカラーフィルター層と、R、G、Bセル間の区分と光遮断の役割をするブラックマトリクスが具備されたカラーフィルター基板が対向して貼り合わされて、前記二つの基板の間に誘電異方性を有する液晶層が形成されて横電界方式の液晶表示素子になる。
前記横電界方式の液晶表示素子は、複数個の薄膜トランジスタに駆動電圧を与えて同一の個数の画素電極を活性させて、画素電極と共通電極との間に形成される横電界により液晶を配列させて光透過率を調節することにより、画像を表現できる。
一方、以上で説明した本発明は、上述した実施の形態および添付された図面に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形および変更が可能であるということが本発明の属す技術分野で通常の知識を有する者において明らかである。
即ち、前記実施の形態においては、データ配線が折れ曲がっている構造を有する場合に限定して説明したが、データ配線に交差するゲート配線が折れ曲がっている構造を有する時にも本発明の適用が可能である。この時、共通電極と画素電極はゲート配線側に折れ曲がって平行して形成される。
一方、折れ曲がっている構造を有するデータ配線に交差するゲート配線も折れ曲がっている構造を有することができるが、この場合にも本発明の適用が可能である。この時、共通電極と画素電極はゲート配線またはデータ配線のうち何れか一配線側に折れ曲がって平行し形成される。
従来技術に係る2−ドメインIPS構造を示す平面図である。 図1のI−I´線上における横電界方式の液晶表示素子の電圧分布図である。 電圧無印加時および印加時における横電界方式の液晶表示素子の平面図である。 電圧無印加時および印加時における横電界方式の液晶表示素子の平面図である。 本発明に係る横電界方式の液晶表示素子の平面図である。 前記図4のII−II´線上における横電界方式の液晶表示素子の断面図である。 本発明に係る共通電極の構造を示す平面図である。 本発明に係る画素電極の構造を示す平面図である。
符号の説明
112 ゲート配線、112a ゲート電極、114 半導体層、115 データ配線、115a ソース電極、115b ドレイン電極、117 画素電極、124 共通電極、125 共通配線、126 キャパシタ電極、131、132 第1、第2ディスクリネーションの防止パターン、150、151 第1、第2キャパシタの付加電極。

Claims (18)

  1. 基板上で一側に形成されたゲート配線と、
    前記基板上で折れ曲がっている構造を有する共通電極と、
    前記共通電極が折れ曲がっている部分から一側に延長形成された第1ディスクリネーションの防止パターンと、
    前記ゲート配線に垂直交差するデータ配線と、
    前記ゲート配線およびデータ配線の交差地点に形成された薄膜トランジスタと、
    前記薄膜トランジスタのドレイン電極に連結して前記共通電極に平行して折れ曲がっている構造を有する画素電極と、
    前記画素電極が折れ曲がっている部分から一側に延長形成される第2ディスクリネーションの防止パターンと
    を含んで構成されることを特徴とする横電界方式の液晶表示素子。
  2. 前記共通電極の折れ曲がっている部分から一側に延長形成される第1キャパシタの付加電極をさらに含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  3. 前記第1キャパシタの付加電極は、前記第2ディスクリネーションの防止パターンにオーバーラップされる
    ことを特徴とする請求項2に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  4. 前記画素電極の折れ曲がっている部分から一側に延長形成される第2キャパシタの付加電極をさらに含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  5. 前記第2キャパシタの付加電極は、前記第1ディスクリネーションの防止パターンにオーバーラップされる
    ことを特徴とする請求項4に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  6. 前記データ配線は折れ曲がっている構造を有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  7. 前記共通電極と画素電極は、前記データ配線側に折れ曲がっている
    ことを特徴とする請求項6に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  8. 前記ゲート配線は折れ曲がっている構造を有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  9. 前記共通電極と画素電極は、前記ゲート配線側に折れ曲がっている
    ことを特徴とする請求項8に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  10. 前記ゲート配線およびデータ配線は折れ曲がっている構造を有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  11. 前記共通電極と画素電極は、前記ゲート配線またはデータ配線のうち何れか一配線側に折れ曲がっている
    ことを特徴とする請求項10に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  12. 前記共通電極と一体型である共通配線がさらに具備されて、前記共通電極および共通配線は前記ゲート配線と同一層に具備される
    ことを特徴とする請求項1に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  13. 前記画素電極は前記共通配線の上部から一体型に連結してストレージキャパシタを構成する
    ことを特徴とする請求項1に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  14. 前記第1キャパシタの付加電極と第2ディスクリネーション防止パターンと、その間に介在する絶縁膜により第1付加キャパシタが構成される
    ことを特徴とする請求項2に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  15. 前記第2キャパシタの付加電極と第1ディスクリネーション防止パターンと、その間に介在する絶縁膜により第2付加キャパシタが構成される
    ことを特徴とする請求項4に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  16. 前記第1キャパシタの付加電極は、前記第2ディスクリネーションの防止パターンよりその大きさが小さい
    ことを特徴とする請求項2に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  17. 前記第2キャパシタの付加電極は、前記第1ディスクリネーションの防止パターンよりその大きさが小さい
    ことを特徴とする請求項4に記載の横電界方式の液晶表示素子。
  18. 前記ゲート配線を含んだ全面にゲート絶縁膜がさらに具備され、前記データ配線を含んだ全面に保護膜がさらに具備されることを特徴とする請求項1に記載の横電界方式の液晶表示素子。
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