JP2007086198A - 液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラビング擦り下げ部での液晶の配向不良発生を低減し、良好な表示品位を有する半透過型の液晶表示装置を提供する。
【解決手段】対極基板側の突起の平面形状を改善し、突起の透過領域との境界部分を配向膜のラビング方向に近い方向に設定することにより、ラビング擦り下げ部での液晶の配向不良発生を低減し、良好な表示品位を有する半透過型の液晶表示装置を提供することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に各画素に反射領域と透過領域の両方が設けられた半透過型の液晶表示装置及びその製造方法に関する。

液晶表示装置（以下ＬＣＤと呼ぶこともある）は、薄型で低消費電力であるという特徴を備え、現在コンピュータのモニタや、テレビ、携帯電話等の携帯情報機器のモニタとして広く用いられている。このようなＬＣＤは、一対の基板間に液晶が封入され、それぞれの基板に形成された電極によって、間に位置する液晶の配向を制御することで表示を行うものであり、ＣＲＴ（陰極線管）ディスプレイや、エレクトロルミネッセンス（以下、ＥＬ）ディスプレイ等と異なり、原理上自ら発光しないため、観察者に対して画像を表示するには光源を必要とする。

このＬＣＤには、透過型ＬＣＤと反射型ＬＣＤとがある。透過型ＬＣＤでは、各基板に形成する電極として透明電極を採用し、液晶表示パネルの後方や側方に光源を配置し、この光源光の透過量を液晶パネルで制御することで周囲が暗くても明るい表示ができる。しかし、常に光源を点灯させて表示を行うため、光源による電力消費が避けられないこと、また昼間の屋外のように外光が非常に強い環境下では、十分なコントラストが確保できないという特性がある。

一方、反射型ＬＣＤでは、太陽や室内灯等の外光を光源として採用し、液晶パネルに入射するこれらの周囲光を、非観察面側の基板に形成した反射電極によって反射する。そして、液晶層に入射し反射電極で反射された光の液晶パネルからの射出光量を画素ごとに制御することで表示を行う。このように反射型ＬＣＤは、光源として外光を採用するため、外光がないと表示が見えないが、透過型ＬＣＤと異なり光源による電力消費がなく非常に低消費電力であり、また屋外など周囲が明るいと十分なコントラストが得られる。

近年、透過機能と反射機能の両方を併せ持ち、周囲が明るい環境でも暗い環境でも見やすいＬＣＤとして半透過型ＬＣＤが開発されている。この半透過型ＬＣＤでは、透過機能を実現するため透過型ＬＣＤと同様のＩＴＯなどの透明電極を用い、反射機能を実現するためにＡｌなど反射特性の良い反射電極を用いる。

半透過型ＬＣＤにおいて、透過領域においては、光源からの光が液晶を一度だけ通って表示されるのに対し、反射領域においては、外光が液晶を二度通って表示される。そこで、透過領域と反射領域の光路差を揃える方法として、対極基板側に突起を設ける構造を採用している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１７２９２３号公報

一般にＴＦＴ基板及び対極基板には配向膜が設けられ、この配向膜をラビング布で所定方向にラビング処理することにより、液晶分子の配向を制御する。しかし、特許文献１のような突起が設けられた対極基板において、突起のある場所をラビングした場合、突起のラビング擦り下げ部において、ラビング強度が低下し、配向規制力が低下し、配向不良（ドメイン）が発生する。ラビング擦り下げ部が透過領域に存在する場合、この配向不良による残像、コントラスト低下等の画質劣化を引き起こす。

本発明は、ラビング擦り下げ部での液晶の配向不良発生を低減し、良好な表示品位を有する半透過型の液晶表示装置である。

本発明は、表面に配向膜が形成された第１基板および第２基板の間に液晶を封入し、マトリクス状に配置した画素毎に液晶に印加する電圧を制御して表示を行う液晶表示装置であって、各画素は、反射膜が設けられた反射領域と、反射膜が設けられていない透過領域とを有し、前記反射膜は第１基板上に設けられ、前記第２基板の反射領域には、突起部が設けられ、液晶層の厚みが前記透過領域より小さく設定され、前記突起部の平面形状における透過領域との境界部分は、前記配向膜のラビング方向に近い方向に設定されている。

また、前記液晶表示装置において、前記突起部の透過領域との境界部分の方向はラビング方向と平行、またはその境界部分の段差面がラビングの際に擦り上げられるように角度がずれていることが好ましい。

また、前記液晶表示装置において、前記反射膜の平面形状は、前記突起部の平面形状と同一であることが好ましい。

また、本発明は、表面に配向膜が形成された第１基板および第２基板の間に液晶を封入し、マトリクス状に配置した画素毎に液晶に印加する電圧を制御して表示を行う液晶表示装置の製造方法であって、各画素は、反射膜が設けられた反射領域と、反射膜が設けられていない透過領域とを有し、前記反射膜は第１基板上に設けられ、前記第２基板の反射領域には、突起部が設けられ、液晶層の厚みが前記透過領域より小さく設定され、前記突起部の透過領域との境界部分と近い方向に沿って、前記配向膜のラビングを行う。

本発明では、対極基板側の突起の平面形状を改善し、突起の透過領域との境界部分を配向膜のラビング方向に近い方向に設定することにより、ラビング擦り下げ部での液晶の配向不良発生を低減し、良好な表示品位を有する半透過型の液晶表示装置を提供することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。

本発明の実施形態に係る半透過型の液晶表示装置として半透過型アクティブマトリクスＬＣＤを用いた場合の一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。本方式の半透過型ＬＣＤは、反射領域の一部のカラーフィルタにピンホールを設ける方式である。図１は、液晶表示装置の断面を１画素について示したものである。液晶表示装置１は、第１基板であるＴＦＴ基板１０と、反射層（反射膜）１１と、画素電極１５と、配向膜１６と、第２基板である対極基板２０と、カラーフィルタ２２と、ピンホール２３と、対極突起（突起部）２４と、共通電極２５と、配向膜２６と、液晶層３０とを備える。

図１の液晶表示装置１は、アクティブマトリクス型の半透過型液晶表示装置である。液晶表示装置１において、所定ギャップを隔てて貼り合わされたＴＦＴ基板１０と対極基板２０との間に液晶層３０が封入されて構成されている。ＴＦＴ基板１０及び対極基板２０としてはガラス基板やプラスチック基板などの透明基板が採用される。ＴＦＴ基板には、例えば低温ポリシリコン等を能動層としたＴＦＴを含むＴＦＴ層（図示せず）が形成されている。

ＴＦＴ基板１０の液晶側の面には、各画素ごとに薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin film Transistor）が形成されている。ＴＦＴ基板１０上の反射領域には、反射機能を備えたＡｌ、Ａｇ等の反射層１１が形成されている。反射領域の反射層１１及び透過領域のＴＦＴ基板１０上には第１電極として、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）等の透明導電材料が用いられた画素電極１５が形成されている。この画素電極１５上に液晶層３０の初期配向を制御するためのポリイミドなどからなる配向膜１６が形成されている。

ＴＦＴ基板１０と対向配置される対極基板２０の液晶側にはカラーフィルタ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）２２が形成され、反射領域のカラーフィルタ２２の一部にピンホール２３が設けられている。反射領域のカラーフィルタ２２の上には対極突起２４が形成され、対極突起２４及び透過領域のカラーフィルタ２２の上に第２電極として、ＩＴＯ，ＩＺＯ等の透明導電材料が用いられた共通電極２５が形成されている。なお、アクティブマトリクス型において、この共通電極２５は複数画素（通常は全画素）に対する共通電極として形成されている。またこの共通電極２５の上には、ＴＦＴ基板側と同様の配向膜２６が形成されている。

対極突起２４は、反射領域の液晶層３０の厚さを調整して、反射領域と透過領域の光路差を揃えるために設けられるもので、透明のアクリル系の樹脂等により形成される。

共通電極２５の上に形成された配向膜２６をラビングすることにより、液晶層３０の液晶を一定方向に配向させる。しかし、ラビングしたときに、充分ラビングできない箇所が生じ、そのため、液晶の配向が乱れて残像、コントラスト低下等の画質劣化が生じる。

本発明者らは、ラビング不良の発生場所を詳細に検討したところ、図２のように対極突起２４のラビングの進行方向に対して後側に位置するラビング擦り下げ部位の角度分布がラビング方向に直角（図２（ａ））あるいは直角の成分を多く含む（図２（ｂ））ときに、対極突起２４のある場所をラビングした場合、対極突起２４のラビング擦り下げ部においてラビング強度が低下し、配向規制力が低下し、配向不良（ドメイン）が発生することがわかった。そして、ラビング擦り下げ部が透過領域に存在する場合、この配向不良による残像、コントラスト低下等の画質劣化を引き起こす。

そこで、本実施形態では、対極突起２４の平面形状における、対極突起２４の透過領域との境界部分を配向膜２６のラビング方向に近い方向に設定した。すなわち、対極突起２４の平面形状における対極突起２４の透過領域との境界部分を配向膜２６のラビング方向になるべく沿うように設定し、ラビング擦り下げ部とならないようにした。図３（ａ）に改良した対極突起２４の形状の例を示す。対極突起２４の透過領域との境界部分をラビング方向に沿うようにしているため、ラビング方向と直角な成分を減少することができる。これにより、対極突起２４のラビング擦り下げにより生じる配向不良による残像、コントラスト低下等の画質劣化を対極突起２４の透過領域との境界部分において抑制することができた。

従来の対極突起２４の平面形状は、長方形であったが、本実施形態においては、三角形、四角形等の多角形（長方形を除く）や、平行四辺形や、台形等が好ましい。

ここで、上記「ラビング方向に近い方向」としては、この対極突起２４の透過領域との境界部分の方向はラビング方向と平行であること、あるいは対極突起２４のラビングの擦り下げにあたる部位の角度分布がラビング方向に平行な成分を多く含むことが好ましい。すなわち、対極突起２４の透過領域との境界部分の方向は、その境界部分の段差面がラビングの際に擦り上げられるように、すなわちラビングの進行方向に対して前側に位置するように角度がずれていることが好ましい。

半透過ＬＣＤパネルのラビング方向は、パネル仕様の視野角等により決定される。したがって、そのラビング方向に応じて、対極突起２４の形状を最適化すればよい。ラビング方向は画素の短辺に対して０度から９０度の範囲の何れかであればよい。液晶としてＴＮ（ツイスト・ネマティック）タイプの液晶を使用する場合には、ラビング方向は一般的には４５度の場合が多い。これに伴い、偏光板の吸収軸も４５度の場合が多い。これは、優先視野角を上下のどちらかに設定し、左右の視野角依存性を均質にするためである。同様にＥＣＢタイプの場合には、ラビング方向は一般的に４５度に設定する。これは優先視野角をＴＮタイプのように上下方向に設計する制限がないためである。

また、本実施形態において、ＴＦＴ基板１０側の反射層１１の平面形状を対極突起２４の平面形状に合わせて変更することが好ましい。この場合、図３（ｂ）に示すように、反射層１１の平面形状は、対極突起２４の平面形状と同一であることが好ましい（ＴＦＴ基板１０と対極基板２０とを張り合わせるため、反射層１１の平面形状は、対極突起２４の平面形状とは左右対称となっている。）。なお、この時、反射層１１の平面形状は、対極突起２４の平面形状と完全に同一である必要はない。

このように、対極基板側の突起の平面形状を改善し、対極突起の透過領域との境界部分を配向膜のラビング方向に近い方向に設定することにより、ラビング擦り下げ部での配向規制力が向上し、配向不良発生を低減し、表示品位の改善が可能である。

ＴＦＴ基板１０に形成されるＴＦＴ層は、各画素電極１５への電圧供給を制御する画素回路や、この画素回路にデータ電圧、ゲート電圧などを供給する各種配線などを有している。なお、反射領域の画素電極１５をアルミなどの金属で形成することにより、反射層１１を省略してもよい。この時は、反射領域の画素電極１５の平面形状は、対極突起２４の平面形状と同一であることが好ましい。

カラーフィルタ２２は、画素毎に設けられ、ＲＧＢのいずれかの光のみを透過する。従って、これらのカラーフィルタによって、画素の表示色が限定される。カラーフィルタ２２は、各画素に対応して設けられており、画素同士の間隙には、ブラックマトリクスが配置されている。なお、カラーフィルタ２２を設けないＷ（ホワイト）の画素を設けてもよいし、ＲＧＢ以外の色、例えばＣ（シアン）のカラーフィルタの画素を設けてもよい。

そして、各画素電極１５の電位を個別に制御することで、各画素電極１５と共通電極２５間の液晶に画素毎に異なる電位を印加して、液晶の光学特性を変化させて表示を行うことができる。

本実施形態においては、カラーフィルタ２２として、通常の透過型液晶表示装置に用いられる透過用カラーフィルタを採用することができる。反射領域のカラーフィルタ２２の一部にピンホール２３を設けて、ピンホール２３の形状やサイズを最適化することにより、反射領域の明るさを確保し、透過領域と反射領域の表示色の差を小さくすることができる。また、ピンホール２３は着色層のパターニングの際に一括して形成できるので、塗布形成の工程が増えることもなく安価なカラーフィルタを得ることができる。

本実施形態において、図４に示すように、このピンホール２３の形状を対極突起２４の平面形状に合わせて変更することが好ましい。

反射領域においては、画素電極１５の下方に反射層１１を設けるかまたは画素電極１５を反射膜として機能させることによって、対極基板２０側から入射してくる光を反射する。従って、カラーフィルタ２２を２度通過し、各画素の液晶によって変調された反射光が観察側に得られる。

透過領域においては、ＴＦＴ基板１０側から入射してくるバックライトからの光を透過する。従って、カラーフィルタ２２を通過し、各画素の液晶によって変調された透過光が観察側に得られる。

本実施形態において液晶表示装置は図５に示すような、透過領域と反射領域とにそれぞれ独立のカラーフィルタを形成する方式であってもよい。図５は、液晶表示装置の断面を１画素について示したものである。液晶表示装置３は、第１基板であるＴＦＴ基板１０と、反射層１１と、画素電極１５と、配向膜１６と、第２基板である対極基板２０と、反射領域用カラーフィルタ２７と、透過領域用カラーフィルタ２８と、対極突起２４と、共通電極２５と、配向膜２６と、液晶層３０とを備える。

ＴＦＴ基板１０と対向配置される対極基板２０の液晶側の反射領域には、反射領域用カラーフィルタ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）２７が形成され、透過領域には、透過領域用カラーフィルタ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）２８が形成され、反射領域用カラーフィルタ２７の上には対極突起２４が形成され、対極突起２４及び透過領域用カラーフィルタ２８の上に第２電極として、ＩＴＯ，ＩＺＯ等の透明導電材料が用いられた共通電極２５が形成されている。また、この共通電極２５の上には、ＴＦＴ基板側と同様の配向膜２６が形成されている。

反射領域用カラーフィルタ２７及び透過領域用カラーフィルタ２８は、画素毎に設けられ、ＲＧＢのいずれかの光のみを透過する。従って、これらのカラーフィルタによって、画素の表示色が限定される。反射領域用カラーフィルタ２７及び透過領域用カラーフィルタ２８は、各画素に対応して設けられており、画素同士の間隙には、ブラックマトリクスが配置されている。

本実施形態においては、反射領域用カラーフィルタ２７として、通常の反射型液晶表示装置に用いられる反射用カラーフィルタを採用することができ、透過領域用カラーフィルタ２８として、通常の透過型液晶表示装置に用いられる透過用カラーフィルタを採用することができる。これにより、透過領域と反射領域の表示色の差を小さくすることができる。

本実施形態においても、上記の場合と同様に対極突起２４の平面形状における、対極突起２４の透過領域との境界部分を配向膜２６のラビング方向に近い方向に設定する。これにより、ラビング擦り下げ部での配向規制力が向上し、配向不良発生を低減し、表示品位の改善が可能である。

反射領域においては、画素電極１５の下方に反射層１１を設けるかまたは画素電極１５を反射膜として機能させることによって、対極基板２０側から入射してくる光を反射する。従って、反射領域用カラーフィルタ２７を２度通過し、各画素の液晶によって変調された反射光が観察側に得られる。

透過領域においては、ＴＦＴ基板１０側から入射してくるバックライトからの光を透過する。従って、透過領域用カラーフィルタ２８を通過し、各画素の液晶によって変調された透過光が観察側に得られる。

次に、ＴＦＴ基板１０の構成を説明する。図６は、本実施形態に係る半透過型の液晶表示装置１として半透過型アクティブマトリクスＬＣＤを用いた場合の第１基板側の平面構成の一部、図７は、図６のＡ−Ａ線に沿った位置における１画素のＴＦＴ付近の概略断面構成を示している。アクティブマトリクス型ＬＣＤでは、表示領域内にマトリクス状に複数の画素が設けられ、各画素に対してここでは、スイッチ素子としてＴＦＴ４０が設けられている。

このＴＦＴ４０は、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜５０を有し、このＰｏｌｙ−Ｓｉ膜５０によりドレイン領域、チャネル領域、ソース領域が形成される。Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜５０を覆って、ゲート絶縁膜５４が形成され、このゲート絶縁膜５４上であって、チャネル領域の上方に当たる部位にゲート電極５６が形成されている。そして、ゲート絶縁膜５４、ゲート電極５６を覆って、層間絶縁膜５８が形成される。層間絶縁膜５８上にはソース電極５２ｓ、ドレイン電極５２ｄが配置され、このソース電極５２ｓ、ドレイン電極５２ｄが層間絶縁膜５８を貫通するコンタクトを介してそれぞれソース領域及びドレイン領域に接続されている。また、ソース領域のソース電極５２ｓ上の平坦化膜６２にはコンタクトホールが形成され、ここに画素電極１５及び反射層１１がコンタクトメタル層６０により電気的に接続されている。コンタクトメタル層６０は、画素電極１５及び反射層１１とソース電極５２ｓとを安定に接続するためのものであり、画素電極１５及び反射層１１がソース電極５２ｓと直接接続してもよい。

なお、ＴＦＴ４０は、ＴＦＴ基板１０側に画素ごとに形成され、このＴＦＴ４０に個別パターンに形成された画素電極１５がそれぞれ接続されている。この画素電極１５を覆ってＴＦＴ基板１０の表面には配向膜１６が形成される。

画素電極１５として用いる材料は、図１の共通電極２５の材料と同一とすることにより、液晶層３０に対して、同一の仕事関数の電極が、間に配向膜１６，２６を介して配置されることになるため、画素電極１５と共通電極２５とにより液晶層３０を非常に対称性よく交流駆動することが可能となる。但し、画素電極１５と共通電極２５とはその仕事関数が完全に同一でなくても、液晶層３０を対称性よく駆動可能な限り近似していればよい。例えば、両電極の仕事関数の差を０．５ｅＶ程度以下とすれば、液晶の駆動周波数をＣＦＦ（臨界ちらつき頻度）以下とした場合であっても、フリッカや液晶の焼き付きなく、高品質な表示が可能となる。

このような条件を満たす画素電極１５及び共通電極２５としては、例えば、画素電極１５にＩＺＯ（仕事関数４．７ｅＶ〜５．２ｅＶ）、共通電極２５にＩＴＯ（仕事関数４．７ｅＶ〜５．０ｅＶ）、あるいはその逆などが可能であり、材料の選択にあたっては、透過率、パターニング精度などプロセス上の特性や、製造コストなどを考慮して各電極に用いる材料をそれぞれ選択してもよい。

反射層１１としては、Ａｌ、Ａｇ、これらの合金（例えば、Ａｌ−Ｎｄ合金）など、反射特性に優れた材料を少なくともその表面側（液晶層側）に用いる。また、反射層１１はＡｌ等の金属材料の単独層であってもよいが、コンタクトメタル層６０としてＭｏ、Ｃｒ等の高融点金属層を設けてもよい。このようなコンタクトメタル層６０を形成すれば、反射層１１とソース電極５２ｓとの電気的接続が向上するため、素子の信頼性向上を図ることができる。

なお、図７に示すように、反射層１１に凹凸を形成することで、反射光をある程度散乱させることが好適である。反射層１１の下方の平坦化膜６２の表面に適切な凹凸を形成しその上に反射層１１を形成することで、反射層１１に凹凸を容易に形成することができる。この場合、平坦化膜６２の表面の凹凸を形成する領域の平面形状は、反射層１１と同様に対極突起２４の平面形状に合わせて変更することが好ましく、対極突起２４の平面形状と同一であることが好ましい。

本実施形態に係る液晶表示装置について、アクティブマトリクス型の半透過型ＬＣＤを例に説明したが、パッシブマトリクス型の半透過型ＬＣＤであってもよい。

本実施形態に係る液晶表示装置において、使用される液晶は特に制限はないが、例えば、ＴＮ（ツイスト・ネマティック）タイプ、ＳＴＮ（スーパー・ツイスト・ネマティック）タイプ、ＥＣＢ（電界制御複屈折：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）タイプ等、ラビング処理が必要な液晶が挙げられる。

本発明の実施形態に係る液晶表示装置の構成の一例を示す概略図である。 従来の液晶表示装置における対極突起の一例を示す平面図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る液晶表示装置における対極突起の一例を示す平面図である。（ｂ）本発明の実施形態に係る液晶表示装置における反射層の一例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示装置におけるピンホールの平面形状の一例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示装置の構成の他の例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る半透過型液晶表示装置の構成を示す平面図である。 図６におけるＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１，３ 液晶表示装置、１０ ＴＦＴ基板（第１基板）、１１ 反射層、１５ 画素電極、１６，２６ 配向膜、２０ 対極基板（第２基板）、２２ カラーフィルタ、２３ ピンホール、２４ 対極突起、２５ 共通電極、２７ 反射領域用カラーフィルタ、２８ 透過領域用カラーフィルタ、３０ 液晶層、４０ ＴＦＴ、５０ Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜、５２ ソースドレイン電極、５４ ゲート絶縁膜、５６ ゲート電極、５８ 層間絶縁膜、６０ コンタクトメタル層、６２ 平坦化膜。

Claims (4)

1. 表面に配向膜が形成された第１基板および第２基板の間に液晶を封入し、マトリクス状に配置した画素毎に液晶に印加する電圧を制御して表示を行う液晶表示装置であって、
   各画素は、反射膜が設けられた反射領域と、反射膜が設けられていない透過領域とを有し、
   前記反射膜は第１基板上に設けられ、
   前記第２基板の反射領域には、突起部が設けられ、液晶層の厚みが前記透過領域より小さく設定され、
   前記突起部の平面形状における透過領域との境界部分は、前記配向膜のラビング方向に近い方向に設定されていることを特徴とする液晶表示装置。
2. 請求項１に記載の液晶表示装置において、
   前記突起部の透過領域との境界部分の方向はラビング方向と平行、またはその境界部分の段差面がラビングの際に擦り上げられるように角度がずれていることを特徴とする液晶表示装置。
3. 請求項１または２に記載の液晶表示装置において、
   前記反射膜の平面形状は、前記突起部の平面形状と同一であることを特徴とする液晶表示装置。
4. 表面に配向膜が形成された第１基板および第２基板の間に液晶を封入し、マトリクス状に配置した画素毎に液晶に印加する電圧を制御して表示を行う液晶表示装置の製造方法であって、
   各画素は、反射膜が設けられた反射領域と、反射膜が設けられていない透過領域とを有し、
   前記反射膜は第１基板上に設けられ、
   前記第２基板の反射領域には、突起部が設けられ、液晶層の厚みが前記透過領域より小さく設定され、
   前記突起部の透過領域との境界部分と近い方向に沿って、前記配向膜のラビングを行うことを特徴とする液晶表示装置の製造方法。

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