JP2005517992A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は液晶表示装置の解像度を向上させることを目的とする。
【解決手段】
下部基板及び上部基板がセルギャップ（g）を維持し、対向するように配設されている。上部基板にはブラックマトリクスとカラーフィルターが形成されており、下部基板にはゲート配線及びデータ配線を含む金属配線と画素電極が形成されている。上部基板と下部基板の間には液晶層が配設されている。また、上部基板の上面には散乱シートが配設されており、散乱シート上には上部偏光板が配設されている。下部基板の下面には下部偏光板が配設されており、下部偏光板の下には散乱シートやプリズムシートなどの下部補償フィルムが配設されている。下部補償フィルムの下にはバックライトユニットの導光板が配設されている。ここで、上部基板の厚さがＬ、画素ピッチがｐ、ブラックマトリクスの幅がｗであれば、下記式（１）を満足する。
【数１】

Description

本発明は液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、一般に基準電極とカラーフィルターなどが形成されている上部基板と薄膜トランジスタ及び画素電極などが形成されている下部基板との間に液晶物質を注入し、画素電極と基準電極に互いに異なる電位を印加することによって電界を形成し液晶分子の配列を変更させ、これによって光の透過率を調節することによって画像を表現する装置である。

ところが、液晶表示装置は視野角が狭いのが大きな短所である。このような短所を克服するために、視野角を広くする様々な方案が開発されており、その代表的な方法は次の通りである。

まず、液晶分子を上下基板に対して垂直に配向し、画素電極とその対向電極である基準電極に一定の切除パターンを形成したり突起を形成することによって、液晶の傾斜方向を制御する方法が提案されている。

また、電界を形成する２つの電極を全て同じ基板上に形成して水平電界を形成することによって、液晶を基板面に対し平行な平面上で回転させる方法が提案されている。

さらに、従来のツイステッドネマチック（ＴＮ）モードなどにスキャタリング型補償フィルムや屈折型補償フィルムを加えて視野角を広くする方法が提案されている。

このうち補償フィルムを加えることで視野角を広くする方法は、従来の構造に単にフィルムを付け加えて視野角を広くするという点で活用度が高い。しかし、この技術は、隣り合う画素間の色が互いに混合されて解像度が低下する問題点がある。

本発明が目的とする技術的課題は、液晶表示装置の解像度を向上させることである。

このような課題を解決するために本発明では、画素の大きさに応じてガラス基板の厚さやブラックマトリクスの幅を調節する。

具体的には、絶縁第１基板、前記第１基板の内面上に形成されている複数の第１配線、前記第１基板の内面上に形成され、前記第１配線と絶縁されて交差している複数の第２配線、前記第１配線と前記第２配線が交差して定義する画素領域ごとに形成されている複数の画素電極、前記第１基板の内面と対向する内面を有する絶縁第２基板、前記第２基板の内面に形成され、前記第２基板を前記画素領域別に区画するブラックマトリクス、前記第１基板と前記第２基板のうちのいずれか一方に形成され前記画素電極間で駆動電界を形成する基準電極、前記第１基板と前記第２基板の間に注入されている液晶物質を含み、前記第２基板の厚さがＬ、画素領域のピッチがｐ、ブラックマトリクスの幅がｗである時、下記式（１）を満足する液晶表示装置を用意する。

この時、液晶表示装置は、前記第１基板の外面側に配置されている第１偏光板、前記第１偏光板の外面側に配置されている第１補償フィルム、前記第１補償フィルムの外面側に配置されている導光板、前記第２基板の外面側に付着され、プリズムシートを含む第２補償フィルム、及び前記第２補償フィルムの外面側に付着されている第２偏光板をさらに含むことができる。

一方、本発明による液晶表示装置で、第２補償フィルムとして散乱シートを用いる場合は、下記式（２）を満足するのが好ましい。

前記基準電極は、前記第２基板の内面上に透明導電物質で形成でき、前記ブラックマトリクスが区画する画素領域の各々には赤、緑、青のカラーフィルターが形成されることができる。

または、絶縁第１基板、前記第１基板の内面上に形成されている複数の第１配線、前記第１基板の内面上に形成され、前記第１配線と絶縁されて交差している複数の第２配線、前記第１配線と前記第２配線が交差して定義する画素領域ごとに形成されている複数の画素電極、前記第１基板の内面と対向する内面を有する絶縁第２基板、前記絶縁第２基板の内面に前記画素領域ごとに各々形成されている赤、緑、青のカラーフィルター、前記第２基板の内面に形成され、前記第２基板を前記赤、緑、青のカラーフィルターを各々分離しているブラックマトリクス、前記第１基板と前記第２基板のうちのいずれか一方に形成され、前記画素電極間で駆動電界を形成する基準電極、前記第１基板と前記第２基板の間に注入されている液晶物質を含み、連続する前記赤、緑、青のカラーフィルターを１つのカラーフィルター組と定義する時、前記ブラックマトリクスは、前記カラーフィルター組間を区画する第１部分と、前記１つのカラーフィルター組内に含まれるカラーフィルター間を区画する第２部分とを含み、前記ブラックマトリクスの第１部分の幅がｗ、前記第２基板の厚さがＬ、画素領域のピッチがｐである時、下記式（３）を満足する液晶表示装置を用意する。

この時、前記第１基板の外面側に配置されている第１偏光板、前記第１偏光板の外面側に配置されている第１補償フィルム、前記第１補償フィルムの外面側に配置されている導光板、前記第２基板の外面側に付着され、プリズムシートを含む第２補償フィルム、及び前記第２補償フィルムの外面側に付着されている第２偏光板をさらに含むことができる。

一方、本発明による液晶表示装置で、第２補償フィルムとして散乱シートを用いる場合は、下記式（４）を満足するのが好ましい。

データ線上部の基準電極を除去してデータ線に開口部を形成することによって配線の負荷が減少し、配線にかかる液晶容量の変化量が縮少され、側面クロストークによる光漏れが減少し、開口率が増大する。配線の負荷が減少すれば、データ線をクロム単一膜で形成する構造の大きさ及び解像度面における限界を克服し、より広く高解像度の液晶表示装置を実現することができる。配線にかかる液晶容量の変化量が縮少されれば、充電率が低い時に起こる縦線クロストーク問題が改善されるため、充電率に対する限界を上げることができる。その他、側面クロストークによる光漏れの減少及び開口率の増大によって優れた画質の液晶表示装置を得ることができる。

以下、図面を参考にして本発明の好ましい実施例を説明する。

図１は本発明の第１実施例による液晶表示装置の概略的な断面図である。

下部基板１０と上部基板１００とがセルギャップ（g）を維持し、対向するように配置されている。上部基板１００にはブラックマトリクス２００とカラーフィルター３１０、３２０、３３０が形成されており、下部基板１０にはゲート配線及びデータ配線を含む金属配線、画素電極（図示せず）が形成されている。上部基板１００と下部基板１０の間には、ネマチック液晶（図示せず）が捩れ配向されている液晶層９００が配設されている。そして、上部基板１００の上面には散乱シートや屈折フィルムなどの上部補償フィルム１０２が配設されており、上部補償フィルム１０２の上には上部偏光板１０１が配設されている。下部基板１０の下面には下部偏光板１１が配設されており、下部偏光板１１の下には散乱シートやプリズムシートなどの下部補償フィルム１２が配設されている。下部補償フィルム１２下にはバックライトユニットの導光板１３が配設されている。この時、下部補償フィルム１２は、バックライトユニット内に導光板１３と共に配設されるのが一般的である。

ここで、上部基板１００の厚さがＬ、画素ピッチがｐ、ブラックマトリクスの幅がｗである時、下部補償フィルム１２としてプリズムシートが用いられた場合には、下記式（１）を満足する。

下部補償フィルム１２としてプリズムシートが用いられず散乱シートが用いられた場合には、下記式（２）を満足する。

このようにすれば、隣接する画素間で色が混合されて区別できない現象を防止することができる。このような効果が得られる理由について後に説明する。以下では、本発明の第１実施例による液晶表示装置の構造について詳細に説明する。

図２は、本発明の第１実施例による液晶表示装置の具体的な断面図である。

まず、下部の薄膜トランジスタ基板について説明する。

ガラスなどの透明な絶縁基板１０上に横方向にのびている複数のゲート線（図示せず）が形成されており、複数の保持容量線３１、３４がゲート線と同一の層に同一物質で形成されている。ゲート線にはゲート電極（図示せず）が突起状に形成されている。ゲート配線及び保持容量線３１、３４の上にはゲート絶縁膜４０が形成されており、ゲート電極上部のゲート絶縁膜４０上には非晶質シリコンからなる半導体層（図示せず）が形成されている。半導体層の上にはリン（P）などのＮ型不純物が高濃度にドーピングされている非晶質シリコンからなる接触層（図示せず）が形成されている。両側の接触層上には各々、ソース電極（図示せず）及びドレーン電極（図示せず）が形成されており、ソース電極は、ゲート絶縁膜４０上に縦方向にのびているデータ線７０に連結されている。データ線７０の上にはドレーン電極を露出する接触孔（図示せず）を有する保護膜８０が形成されており、保護膜８０の上には接触孔を通じてドレーン電極と連結されている画素電極９１が形成されている。画素電極９１は、ＩＴＯ（indium tin oxide）またはＩＺＯ（indium zinc oxide）などの透明な導電物質からなる。

この時、保持容量線３１、３４には後述するカラーフィルター基板の基準電極に印加される電位が印加されるのが一般的である。

次に、上部のカラーフィルター基板について説明する。

ガラスなどからなる透明な基板１００上に、クロム/酸化クロムの二重層からなるブラックマトリクス２００が形成され画素領域を定義している。各画素領域には赤（R）、緑（G）、青（B）のカラーフィルター３１０、３２０、３３０が形成されている。カラーフィルター３１０、３２０、３３０の上にはオーバーコート膜６００がカラーフィルター３１０、３２０、３３０を覆い保護しており、オーバーコート膜６００の上にはＩＴＯなどの透明な導電体からなる基準電極４００が形成されている。基準電極４００は、画素電極９１と共に液晶を駆動して配向を変更させるための電界を形成する。

一方、ブラックマトリクス２００は、クロムなどの金属物質を用いて形成する代わり、黒色顔料が添加された有機絶縁物質で形成することもできる。

以上で説明した薄膜トランジスタ基板とカラーフィルター基板を整列して結合し、両基板間に液晶物質９００を注入してそこに含まれている液晶分子を捩じれ配向し、２つの偏光板１１、１０１を両基板１０、１００の外部にその偏光軸が互いに直交、あるいは平行するように配設する。なお、視野角を実現するために、上部偏光板１１と上部基板１０の間に散乱シートなどの補償フィルム１２を配設すれば、第１実施例による液晶表示装置が備えられる。

本発明の効果について説明する。

まず、図１、図３を参考にして隣接する画素間で色が混合する原因について検討する。

図３は、液晶表示装置で光の散乱及び屈折によって画像が拡散する現象を示すものである。

補償フィルムを用いて広視野角を実現する液晶表示装置では、液晶層９００を通過した光が上部補償フィルム１０２で散乱されて四方に分散されることによって、全方向から類似した視認性を実現させるものである。ところが、カラーフィルター３１０、３２０、３３０を通過した光が散乱シート１０２に到着するまで上部基板１００を通過しなければならない。しかし、光が一定角度の傾斜を有する場合には、散乱シート１０２に到達するまで自己画素領域を離れて隣り合う画素領域に位置する。その結果、図３のように、隣接する画素間の色が混合して見える。

次に、バックライトから放出される光が液晶パネルを通過する角度について検討する。

図４は、バックライトと下部偏光板の間に位置する下部補償フィルムの種類に応じたビームプロファイルであり、図５は、液晶表示装置パネル内部と外部における光の屈折経路を示すものである。

図４を見れば、バックライトの光がプリズムシートを通って液晶パネル内部に入射される場合、光は入射角度０〜２５°の間に集中され、散乱フィルムが１枚である場合には、入射角度０〜４０°の間に集中される。３枚の場合には、１枚の時に比べて光が中心部に一層密集するが、大概は０〜４０°の間の光が有効な範囲と考えられる。ところが、図５を見れば、光がパネル内部に入射する過程で屈折され、パネル外部の入射角度とパネル内部の進行角度は互いに異なる。

図６は、液晶表示装置のパネル外部の入射角度によるパネル内部における屈折角度の対応関係を示すグラフである。

図６によれば、プリズムシートを用いた場合の光の主要経路である０〜２５°はパネル内部では０〜１７°となる。また、散乱フィルムを用いた場合の光の主要経路である０〜４０°はパネル内部では０〜２５°となる。プリズムシートを用いる液晶表示装置は主にノート型パソコンに採用され、散乱フィルムを用いる液晶表示装置は主にモニターやＴＶに採用される。

次に、隣り合う画素に侵入する距離を計算する。

図７は、液晶表示装置で光の経路によって隣り合う画素に侵入する幅を計算するための概念図である。

隣り合う画素に侵入する距離がｘであれば、下記式（５）である。

この時、画素間の色混合を完全に排除するためには、ｘが０、即ち隣接する画素に全く侵入してはならない。隣接画素間の色混合が一部生じた時にも、観察者の目に隣接する２つの画素が分別できるためには、侵入幅ｘが画素の幅ｐの１/２を超えてはならない。即ち、下記式（６）を満足する必要がある。

上記式（６）をＬに関して整理すれば、下記式（７）である。

ところが、前記したように、下部補償フィルムとしてプリズムシートを用いる場合には、光の経路が０〜１７°の間に集中し、下部補償フィルムとして散乱シートを用いる場合には、光の経路が０〜２５°の間に集中するので、隣接する２つの画素を分別できる条件は、各々式１及び式２である。

次に、実際に適用されるガラス基板の厚さに応じてどれくらいの画素の大きさであれば隣接する２つの画素を分別できるかを計算する。

式５でブラックマトリクスの幅ｗは、略画素の幅の１/１０程度である。即ち、下記式（８）である。

この上記式（８）を上記式（７）に代入すると下記式（９）である。

ガラス基板の厚さが各々７００μm、５００μm、３００μmである時、プリズムシートを用いた場合と散乱フィルムを用いた場合とで隣接する２つの画素が分別できるための最少の画素ピッチを式６で計算すると、次の表１の通りである。

液晶表示装置の用途や等級に応じて上記表１に示す画素ピッチよりも小さい大きさに形成することもできるが、解像度の優れたものとは言えない。

図９は、本発明の第２実施例による液晶表示装置用カラーフィルター基板の配置図である。

第２実施例は、ブラックマトリクスとカラーフィルターの配置間隔を除いて第１実施例と同様である。第２実施例では、赤、緑、青の３画素を一組にして画素組間を区画するブラックマトリクスの幅を他の部分（画素組内で赤、緑、青の画素間を区画するブラックマトリクス）よりも広く形成する。その画素組間を区画するブラックマトリクスの幅Ｗは、下部補償フィルムとしてプリズムシートが用いられた場合は、下記式（４）を満足する。

下部補償フィルム１２としてプリズムシートが用いられず散乱シートが用いられた場合は、その画素組間を区画するブラックマトリクスの幅Ｗは、下記式（１０）を満足する。

例えば、画素ピッチが３００μmに固定され、上部基板の厚さが各々７００μm、５００μm、３００μmである場合、下部補償フィルムとしてプリズムシートを用いる場合と散乱シートを用いる場合の隣接する２つの画素が分別できるためのブラックマトリクスの最少幅を計算すると、次の表２の通りである。

表２を満足するようにブラックマトリクスを形成すれば、隣接する２つの画素組間の分別が可能になる。このブラックマトリクスで、表２の条件を満足すべきなのは、赤、緑、青の３つのカラーフィルターを１つに纏めた画素組と画素組の間の部分のみであり、１組をなす赤、緑、青の画素を区画するブラックマトリクスは前記条件を満足する必要がない。これは、赤、緑、青の３画素が１つの点画像を表示するので、それらの間では色が混合されても支障がないためである。

以上のようにデータ線上部の基準電極を除去してデータ線に開口部を形成することによって配線の負荷が減少し、配線にかかる液晶容量の変化量が縮少され、側面クロストークによる光漏れが減少し、開口率が増大する。配線の負荷が減少すれば、データ線をクロム単一膜で形成する構造の大きさ及び解像度面における限界を克服し、より広く高解像度の液晶表示装置を実現することができる。配線にかかる液晶容量の変化量が縮少されれば、充電率が低い時に起こる縦線クロストーク問題が改善されるため、充電率に対する限界を上げることができる。その他、側面クロストークによる光漏れの減少及び開口率の増大によって優れた画質の液晶表示装置を得ることができる。

以上、画素電極と基準電極が下部基板及び上部基板に各々形成されている構造を例にして説明したが、画素電極と基準電極が同一の基板に形成され、基板に対して平行に電界を形成する液晶表示装置にも本発明を適用できる。

前記で、本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更できることが理解できるであろう。

本発明の第１実施例による液晶表示装置の概略的な断面図である。 本発明の第１実施例による液晶表示装置の具体的な断面図である。 液晶表示装置における光の散乱及び屈折によって画像が拡散する現象を示すものである。 バックライトのフィルムの種類に応じたビームプロファイルである。 液晶表示装置パネル内部及び外部における光の屈折経路を示すものである。 液晶表示装置のパネル外部の入射角度によるパネル内部の屈折角度の対応関係を示すグラフである。 液晶表示装置で光の経路に沿って隣り合う画素に侵入する幅を計算するための概念図である。 隣接画素間の散乱による侵入距離による画素の視認性を示す概念図である。 本発明の第２実施例による液晶表示装置用カラーフィルター基板の配置図である。

Claims (11)

1. 絶縁第１基板と、
   前記第１基板の内面上に形成されている複数の第１配線と、
   前記第１基板の内面上に形成され、前記第１配線と絶縁されて交差している複数の第２配線と、
   前記第１配線と前記第２配線が交差して定義する画素領域毎に形成されている複数の画素電極と、
   前記第１基板の内面と対向する内面を有する絶縁第２基板と、
   前記第２基板の内面に形成され、前記第２基板を前記画素領域毎に区画するブラックマトリクスと、
   前記第１基板と上基第２基板のうちのいずれか一方に形成され、前記画素電極との間に駆動電界を形成する基準電極と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に注入されている液晶物質とを含み、
   前記第２基板の厚さがＬ、画素領域のピッチがｐ、ブラックマトリクスの幅がｗである時、下記式（１）を満足する液晶表示装置。
   

   

   
   
2. 前記第１基板の外面側に配置されている第１偏光板と、
   前記第１偏光板の外面側に配置されている第１補償フィルムと、
   前記第１補償フィルムの外面側に配置されている導光板と、
   前記第２基板の外面側に付着され、プリズムシートを含む第２補償フィルムと、及び
   前記第２補償フィルムの外面側に付着されている第２偏光板と、
   をさらに含む、請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 下記式（２）を満足する請求項１に記載の液晶表示装置。
   

   

   
   
4. 前記第１基板の外面側に配置されている第１偏光板と、
   前記第１偏光板の外面側に配置されている第１補償フィルムと、
   前記第１補償フィルムの外面側に配置されている導光板と、
   前記第２基板の外面側に付着され、散乱シートからなる第２補償フィルムと、
   前記第２補償フィルムの外面側に付着されている第２偏光板と、
   をさらに含む、請求項３に記載の液晶表示装置。
5. 前記基準電極は、前記第２基板の内面上に透明導電物質で形成されている、請求項１乃至請求項４に記載の液晶表示装置。
6. 前記ブラックマトリクスが区画する画素領域各々に形成されている赤、緑、青のカラーフィルターをさらに含む、請求項１乃至請求項４に記載の液晶表示装置。
7. 連続する赤、緑、青の３つのカラーフィルターを１つのカラーフィルター組と定義する時、
   前記ブラックマトリクスは、前記カラーフィルター組間を区画する第１部分と、前記１つのカラーフィルター組内に含まれるカラーフィルター間を区画する第２部分を含み、前記第１部分の幅は前記第２部分の幅よりも広い、請求項６に記載の液晶表示装置。
8. 絶縁第１基板と、
   前記第１基板の内面上に形成されている第１配線と、
   前記第１基板の内面上に形成され、前記第１配線と絶縁されて交差している第２配線と、
   前記第１配線と前記第２配線が交差して定義する画素領域毎に形成されている画素電極と、
   前記第１基板の内面と対向する内面を有する絶縁第２基板と、
   前記絶縁第２基板の内面に前記画素領域毎に各々形成されている赤、緑、青のカラーフィルターと、
   前記第２基板の内面に形成され、前記第２基板の前記赤、緑、青のカラーフィルターを各々分離しているブラックマトリクとス、
   前記第１基板と前記第２基板のうちのいずれか一方に形成され、前記画素電極との間に駆動電界を形成する基準電極と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に注入されている液晶物質とを含み、
   連続する前記赤、緑、青の３つのカラーフィルターを１つのカラーフィルター組として定義する時、前記ブラックマトリクスは、前記カラーフィルター組間を区画する第１部分と、前記１つのカラーフィルター組内に含まれるカラーフィルター間を区画する第２部分を含み、前記ブラックマトリクスの第１部分の幅がｗ、前記第２基板の厚さがＬ、画素領域のピッチがｐである時、下記式（３）を満足する液晶表示装置。
   

   

   
   
9. 前記第１基板の外面側に配置されている第１偏光板、
   前記第１偏光板の外面側に配置されている第１補償フィルム、
   前記第１補償フィルムの外面側に配置されている導光板、
   前記第２基板の外面側に付着され、プリズムシートを含む第２補償フィルム、及び
   前記第２補償フィルムの外面側に付着されている第２偏光板をさらに含む、請求項８に記載の液晶表示装置。
10. 下記式（４）を満足する、請求項８に記載の液晶表示装置。
    

    

    
    
11. 前記第１基板の外面側に配置されている第１偏光板、
    前記第１偏光板の外面側に配置されている第１補償フィルム、
    前記第１補償フィルムの外面側に配置されている導光板、
    前記第２基板の外面側に付着され、散乱シートからなる第２補償フィルム、及び
    前記第２補償フィルムの外面側に付着されている第２偏光板をさらに含む、請求項１０に記載の液晶表示装置。

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