JP2005535916A - 基板及びこれを含む液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】階調反転を最小化することができる液晶表示装置を提供することにある。
【解決手段】液晶表示装置は、互いに対向する下部及び上部基板及び２つの基板の間に注入されている液晶物質層からなる。２つの基板のうちの上部基板は、上部絶縁基板の内側上の画素領域に対応する部分に開口部を有し、画素領域の間から漏洩する光を遮断するブラックマトリックス、各々の画素領域に順次に配列されている赤、緑、青のカラーフィルター、赤、緑、青のカラーフィルターの上部に形成されている平坦化膜、及び平坦化膜の上部に形成されており、下部基板の画素電極と共に液晶分子を駆動するための対向電圧が印加され、透明導電膜のＩＴＯまたはＩＺＯからなる共通電極を含む。また、ブラックマトリックスと赤、緑、青のカラーフィルターとの間にはＩＴＯまたはＩＺＯなどのように透明な導電物質または窒化ケイ素または酸化ケイ素などのように透明な絶縁物質からなり、スリットパターンまたは回折格子パターンの微細構造を有する光回折層が形成されている。ここで、光回折層のスリットパターン間隔または幅は７μｍ以下の範囲で形成するのが好ましく、７μｍ以下の範囲で少なくとも２つ以上の様々な幅及び間隔を有することもできる。

Description

本発明は基板及びこれを含む液晶表示装置に関し、より詳しくは、光回折層を有する基板及びこれを含む液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、薄膜トランジスタなどが形成されている下部基板とカラーフィルター及びブラックマトリックスなどが形成されている上部基板との間に液晶物質を注入して、上部及び下部基板または１つの基板に各々形成されている画素電極及び共通電極の間に印加する電圧を変化することによって液晶分子の配列を変更して光の透過率を調節する方式により画像を表示する装置である。

このような液晶表示装置において、液晶物質は、分子の長軸方向及び短軸方向への屈折率が互いに異なる複屈折性を有し、このような複屈折性によって液晶表示装置を見る位置に応じて光が感じる屈折率に差が生じるため、線偏光された光が液晶物質を通過しながら偏光状態が変化する比率に差が生じるので、正面でない位置から見る時の光の量及び色特性が正面から見る場合とは異なる。特に、捩じれたネマチック構造を有する液晶表示装置は、このような光の遅延の差によって視野角によるコントラスト比の変化、色相変異、階調反転などの現象が著しく発生する。

このように液晶セルで生じる問題を解決するための１つの方法として、特定の方向から位相差を補償するが、このために位相差補償フィルムを使用する技術が開発された。これは、液晶セルの内部での光の位相の変化を位相差補償フィルムで反対方向に補償することによって視野角の問題を解決するものである。しかし、この方法によって位相差補償フィルムを使用した捩じれたネマチック方式の液晶表示装置の場合の視野角を確保することはできるが、特に下側視野角で発生する階調反転などの問題が依然として残っている。

本発明の課題は、階調反転を最小化することができる液晶表示装置を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明の液晶表示装置用基板には、スリットパターンまたは回折格子パターンを有する光回折層が形成されている。
この時、基板は、画素領域に開口部を有するブラックマトリックス、及び前記画素領域に順次形成されている赤、緑、青のカラーフィルターを有することができ、光回折層はブラックマトリックスと赤、緑、青のカラーフィルターとの間に形成されているのが好ましい。

また、スリットパターンの幅及び間隔は７μｍ以下であるのが好ましく、スリットパターンの幅及び間隔は画素領域で一定とすることができ、画素領域で少なくとも２つ以上とすることもでき、光回折層は透明な導電物質または透明な絶縁物質からなるのが好ましい。

本発明による液晶表示装置は、前記基板、これに対向する他の基板、及び２つの基板の間に注入されている液晶物質層を含む。

本発明による液晶表示装置は、スリットパターンまたは回折格子パターンの光回折層を適用することによって、階調反転を最小化して表示装置の特性を向上させることができる。

以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施例について、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様な相異した形態で実現でき、ここで説明する実施例に限定されない。

図面では、各層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。明細書全体を通じて類似した部分については同一の図面符号を付けた。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の“上に”あるとする時、これは他の部分の“すぐ上に”ある場合だけでなく、その中間に他の部分がある場合も意味する。逆に、ある部分が他の部分の“すぐ上に”あるとする時、これはその中間に他の部分がない場合を意味する。

本発明の実施例による薄膜トランジスタアレイ基板及びこれを含む液晶表示装置について、図面を参考にして詳細に説明する。
図１は本発明の実施例による液晶表示装置の構造を示した配置図であり、図２は図１のII−II'線による断面図である。

図１のように、本発明の実施例による液晶表示装置は、互いに対向する下部基板１００及び上部基板２００、及び２つの基板１００、２００の間に注入されている液晶物質層３００からなる。この時、液晶物質層３００の誘電率異方性Δεは０より大きく、電場が印加されない時には、液晶物質層３００の液晶分子は、その長軸方向が２つの基板１００、２００面に対して平行に配列されていて、１つの基板から他の基板に達するまで螺旋状に捩じれたネマチック構造を有し、液晶物質層３００に十分な大きさの電場が印加された時には、液晶分子は、その長軸が電場の方向と平行に基板１００、２００面に対して垂直に配列される。

２つの基板１００、２００のうちの下部基板１００は、表示動作を行い、マトリックス形態に配列されている画素領域に形成された複数の画素電極、互いに交差して単位画素領域を定義する、走査信号及び画像信号を各々伝達するゲート線及びデータ線、ゲート線及びデータ線と電気的に連結されていて、ゲート線からの走査信号に応じて画素電極に伝達されるデータ線からの画像信号を制御する薄膜トランジスタなどを含み、これを薄膜トランジスタアレイ基板という。

また、２つの基板１００、２００のうちの上部基板２００は、上部絶縁基板２１０の内側上の画素領域に対応する部分に開口部を有し、画素領域の間から漏洩する光を遮断するブラックマトリックス２２０、各々の画素領域に順次に配列されている赤、緑、青のカラーフィルター２３０、赤、緑、青のカラーフィルター２３０の上部に形成されている平坦化膜２５０、及び平坦化膜２５０の上部に形成されており、下部基板１００の画素電極と共に液晶分子を駆動するための対向電圧が印加され、透明導電膜のＩＴＯ（indium tin oxide）またはＩＺＯ（indium zinc oxide）からなる共通電極２７０を含む。また、ブラックマトリックス２２０と赤、緑、青のカラーフィルター２３０との間にはＩＴＯまたはＩＺＯなどのように透明な導電物質または窒化ケイ素または酸化ケイ素などのように透明な絶縁物質からなり、スリットパターンまたは回折格子パターンの微細構造を有する光回折層２６０が形成されている。ここで、光回折層２６０のスリットパターンの間隔または幅は７μｍ以下の範囲で形成するのが好ましく、７μｍ以下の範囲で少なくとも２つ以上の様々な幅及び間隔を有することもできる。また、光回折層２６０のスリットパターンは横方向に形成されているが、視野角によって階調反転を最小化しようとする方向に応じてスリットパターンは縦方向に形成することもでき、対角線方向に形成することもできる。この時、光回折層２６０を横方向のスリットパターンに形成し、液晶物質層３００を通過した光を上下方向に回折して光を平均化する機能を有し、これによって下側方向の階調反転を改善することができる。これについては実験例及び図面を参照して具体的に説明する。

この時、光回折層２６０は、高分子分散型液晶物質層または凹凸パターンの屈曲面が形成されている有機膜から形成することができ、光を回折させるための微粒子を含むことができる。

ここで、赤、緑、青のカラーフィルター２３０は、ブラックマトリックス２２０の上部で分離されているが、少なくとも２つ以上のカラーフィルター２３０が重なっている構成とすることもでき、２つの基板１００、２００の外側には液晶セル１００、２００、３００を通過する光を偏光させることができる偏光板を付着した構成とすることもでき、２つの基板１００、２００の外側面に付着されている偏光板の透過軸は互いに平行または垂直に配置することが好ましい。

この時、液晶物質層３００は、ＶＡ（vertical aligned）モード液晶で、負の誘電率異方性を有し、電圧が十分に印加される場合には、基板１００、２００にほぼ垂直に配列されている液晶分子が、２つの基板１００、２００の中心面に達するまで基板にほぼ水平に配列することができる。この時、ドメイン分割手段として開口部を形成するＰＶＡ（patterned vertically aligned）モードの液晶表示装置の場合には、画素電極は複数の開口部を有するように構成でき、これに対向する共通電極も複数の開口部を有する構成とすることができ、画素電極の開口部及び共通電極の開口部は画素領域を左右ドメイン及び上下ドメインに分割することができる。

また、液晶物質層３００は、ＨＡＮ（hybrid aligned nematic）方式またはＯＣＢ（optically compensated bend）方式などの配列構造を有することができる。ＯＣＢ方式は液晶分子を同一な方向に基板１００、２００の平面に対してほぼ水平に配向するための配向膜を含み、２つの基板１００、２００面の中心面に対して対称でありつつ、基板から２つの基板の中心面に達するまで水平配列から垂直配列の構造を有する。

次に、前述のような本発明の実験例について、図面を参照して具体的に説明する。
実験例
本発明の実験例では、前述のように、捩れたネマチック方式の液晶セルを利用し、光回折層２６０は、ＩＴＯまたは窒化ケイ素を１２００Å及び３０００Å程度の厚さに各々カラーフィルターとブラックマトリックスとの間に形成して、下側視野角に対して階調に応じた輝度及び上下方向での視野角を測定した。ここで、ａを含む図面番号の図面はＩＴＯを利用して光回折層２６０を形成した場合であり、ｂを含む図面番号の図面は窒化ケイ素を利用して光回折層２６０を形成した場合である。Ａスリットパターンはスリットパターンの幅及び間隔を６．５μｍ及び４．５μｍに形成した場合であり、Ｂスリットパターンはスリットパターンの幅及び間隔を５．０μｍ及び３．２５μｍに形成した場合であり、Ｃスリットパターンはスリットパターンの幅及び間隔を５．０μｍ及び３．０μｍ、６．０μｍ及び４．０μｍ、７．０μｍ及び５．０μｍに形成して画素領域を各々同一面積に配分した場合であり、Ｄスリットパターンはスリットパターンの幅及び間隔を５．０μｍ及び３．０μｍと７．０μｍ及び５．０μｍに形成して画素領域を同一面積に配分した場合である。

図３は光回折層を適用しない液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフであり、図４Ａ及び図４ＢはＡスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフであり、図５Ａ及び図５ＢはＢスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフであり、図６Ａ及び図６ＢはＣスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフであり、図７Ａ及び図７ＢはＤスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフである。ここで、１Gary、１０Gary、１９Gary、２８Gary、３７Gary、４６Gary、５５Gary、６４Garyは階調を意味し、−１０、−２０、−３０、−４０、−５０、−６０、−７０、−８０は下側方向に対する視野角を意味し、低い階調の輝度が高い階調の輝度より大きく現れる階調反転は斜線を引いて表示した。

図３のように、光回折層を適用しない場合には、下側視野角４０度から７０度までの範囲で階調反転が著しく現れることが分かる。Ａ〜Ｄスリットパターンを適用する場合には、光回折層を適用しない場合と比較して、図４Ａ〜図７Ｂのように、階調反転が発生する視野角にはほとんど変化がないが、階調反転は急激に減少することが分かった。

次に、同一条件を適用した時の視野角の測定結果について説明する。
図８Ａ及び図８ＢはＡスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフであり、図９Ａ及び図９ＢはＢスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフであり、図１０Ａ及び図１０ＢはＣスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフであり、図１１Ａ及び図１１ＢはＤスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフである。

光回折層を適用しない場合、コントラスト比１０以上である上側視野角は５５度であり下側視野角は５８度であったが、図８Ａ〜図１１Ｂのように、Ａ−Ｄスリットパターンを有する光回折層を適用する場合、上側視野角は６０程度であり下側視野角は６２度程度であった。したがって、スリットパターンを有する光回折層を適用する場合には視野角も増加することが分かる。

本発明の実施例による液晶表示装置の構造を示した配置図である。 図１のII−II'線による断面図である。 光回折層を適用しない液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフである。 Ａスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフである。 Ａスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフである。 Ｂスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフである。 Ｂスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフである。 Ｃスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフである。 Ｃスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフである。 Ｄスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフである。 Ｄスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について下側垂直方向での視野角の変化による各階調の輝度を測定したグラフである。 Ａスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフである。 Ａスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフである。 Ｂスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフである。 Ｂスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフである。 Ｃスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフである。 Ｃスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフである。 Ｄスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフである。 Ｄスリットパターンの光回折層を適用した液晶表示装置について垂直方向での視野角の変化によるコントラスト比を測定したグラフである。

Claims (8)

1. 絶縁基板と、
   前記基板の内側または外側面に形成されており、スリットパターンまたは回折格子パターンを有し、液晶物質層を通過した光を回折させる光回折層と、
   を含む液晶表示装置用第１基板。
2. 画素領域に開口部を有するブラックマトリックス、及び前記画素領域に順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に記載の液晶表示装置用第１基板。
3. 前記光回折層は前記ブラックマトリックスと前記赤、緑、青のカラーフィルターとの間に位置する、請求項２に記載の液晶表示装置用第１基板。
4. 前記光回折層のスリットパターンの幅及び間隔は各々前記画素領域内で一定である、請求項１に記載の液晶表示装置用第１基板。
5. 前記光回折層のスリットパターンの幅及び間隔は各々前記画素領域内で少なくとも２つ以上である、請求項１に記載の液晶表示装置用第１基板。
6. 前記光回折層は透明な導電物質または透明な絶縁物質からなる、請求項１に記載の液晶表示装置用第１基板。
7. 前記光回折層のスリットパターンの幅及び間隔は７μｍ以下である、請求項１に記載の液晶表示装置用第１基板。
8. 請求項１〜請求項７のうちの１項の前記第１基板、
   前記第１基板に対向する第２基板、及び
   前記第１基板と前記第２基板との間に注入されている液晶物質層を含む、液晶表示装置。
   
   

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