JP2008039806A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＰＳ方式の液晶表示装置において、高階調での視野角特性を改善する。
【解決手段】コモン電極を第１コモン電極２１と第２コモン電極２２に分割する。画素電極１０には信号電圧を印加する。第１コモンコモン電極に一定電圧を印加すると、第２コモン電極２２には容量電極７を介して容量分割された電圧が印加される。1画素中で液晶分子１２１に作用する２つの電界領域ＥｐとＥｃが存在することになり、その結果高階調での視野角特性が改善される。
【選択図】図２

Description

本発明はアクティブマトリクス型液晶表示装置に関連する。

薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）をスイッチング素子としたアクティブマトリクス型液晶表示装置では、各画素は一フレーム期間所定の信号電圧を保持するため、画面を明るく出来るため、コンピュータモニター、ＴＶ等に需要が拡大している。液晶の弱点であった視野角についても、ＩＰＳ（Ｉｎ Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈ）方式、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式等の開発により、改善されているが、中でもＩＰＳ方式は優れた視野角特性を有している。ＩＰＳ方式も色々な改良が加えられているが、現在、ＴＶ等に用いられている代表的なＩＰＳ方式の画素構造の例を図２５に示す。また図２５のＡ−Ａ断面構造を図２６に示す。

図２６において、信号線からの信号はＴＦＴを介して画素電極１０に加えられ、保持される。一方、図２６に示すように、ガラス基板上に一定電圧が印加されるコモン電極が形成されている。コモン電極の上にはゲート絶縁膜４、層間絶縁膜８が形成され、画素電極１０は層間絶縁膜８の上に形成されている。画素電極１０に特定の電圧が印加されると、図２６に示すような電気力線が発生し、液晶分子１２１を回転等させることによって、バックライトからの光Ｌを制御することにより、画像を形成する。このような構成を記載したものとして、「特許文献１」が上げられる。

以上のような構成を有する液晶表示装置は優れた視野角特性を有しているが、高階調側において、視野角をさらに改善したいという要望がある。一方、ＩＰＳ方式ほど視野角特性が優れていないＴＮ方式、ＶＡ方式等においては視野角特性を改善するための技術が開発されている。これらの方式における視野角特性の改善を記載したものとして、「特許文献２」を上げることができる。

特開２００５−３００８２１号公報 特開平８−１４６３８３号公報

ＩＰＳ方式は他の方式に比べ優れた視野角特性を有しているが、高階調（高電圧）側領域において斜め方向から画像を見た場合の視野角特性の問題が指摘されている。図２７は、図２５および図２６に示すＩＰＳ方式の液晶表示特性における視野角特性である。図２７において、曲線ａは液晶パネルの主面に対して正面方向から見た場合の電圧と相対輝度の特性である。輝度は電圧に対して単純に増加している。図３１における曲線ｂは液晶パネルの主面に対する直角方向から左あるいは右７０度の角度から見た場合の電圧と輝度の特性である。曲線ｂは曲線ａに比して電圧を高くするとより明るくなる特性を示している。したがって、液晶に対するドライブ特性を曲線ａに合わせると、同じ画面を７０度方向から見ると階調を十分に再現しない画像となる。

ＩＰＳは低電圧が印加された場合、液晶分子１２１は平面上で回転するだけであるので、非常に優れた視野角特性を示すが、高電圧が印加されるにしたがって、液晶分子１２１がわずかに立ち上がるようになるため、高電圧の範囲で視野角の特性が劣化するものと考えられる。一方ＶＡ方式では、低階調において液晶分子１２１が垂直方向に回転するため、特に低階調付近において視野角特性が悪いという特徴がある。

本発明は、上記のようなＩＰＳ方式の液晶表示において、特に高階調における視野角特性をさらに改善し、ＴＶ等、高い視野角特性を要求される用途に対しても十分な特性を持つ液晶表示パネルを提供することである。

本発明は、ＩＰＳ方式の液晶表示装置において、特に高階調領域において視野角特性を改善するために、コモン電極を分割し、コモン電極の一部には一定電圧を印加し、画素電極との間に所定のドライブ電圧を印加する。コモン電極の他の部分は前記コモン電極の一部と容量結合によって結合し、結果的に画素電極とコモン電極の他の部分との間には本来のドライブ電圧よりも小さい電圧がかかるようにする。その結果、高階調においても、画素全体としては、液晶分子の平面での回転成分を多くすることによって、高階調においても優れた視野角を保持するものである。具体的には次のような手段をとる。

（１）第１の基板と第２の基板の間に液晶が挟持され、前記液晶に電界を作用させることによって画像を形成する液晶表示装置であって、前記第１の基板上には第１のコモン電極と第２のコモン電極が形成され、前記第１のコモン電極と前記第２のコモン電極を覆って第１の絶縁膜が形成され、前記第１の絶縁膜上には、前記第１のコモン電極と前記第２のコモン電極と平面的にオーバーラップして容量電極が形成され、前記容量電極を覆って第２の絶縁膜が形成され、前記第２の絶縁膜の上には画素電極が形成されており、前記第１のコモン電極には一定の電位が供給され、前記画素電極には画素信号が供給されることを特徴とする液晶表示装置。
（２）前記第１のコモン電極、前記第２のコモン電極、および前記画素電極は透明電極であることを特徴とする（１）に記載の液晶表示装置。
（３）前記画素電極は透明導電膜で形成され、外形が略々長方形であり、内側は櫛歯状電極とスリットが形成されていることを特徴とする（１）に記載の液晶表示装置。
（４）前記画素電極の両側で、前記第１の絶縁膜上に信号配線が形成され、前記容量電極は前記信号配線と同一の材料で形成されていることを特徴とする（１）に記載の液晶表示装置。
（５）前記容量電極は平面的には前記櫛歯電極に略々沿って形成されていることを特徴とする（３）に記載の液晶表示装置。
（６）前記容量電極は透明導電膜で形成されていることを特徴とする（１）に記載の液晶表示装置。
（７）前記第２のコモン電極は画素のほぼ中央付近に形成されていることを特徴とする（１）に記載の液晶表示装置。

（８）第１の基板と第２の基板の間に液晶が挟持され、前記液晶に電界を作用させることによって画像を形成する液晶表示装置であって、前記第１の基板上にはコモン電極が形成され、前記コモン電極を覆って第１の絶縁膜が形成され、前記第１の絶縁膜上には、第２の絶縁膜が形成され、前記第２の絶縁膜上に画素電極が形成され、前記第２の絶縁膜には凹部が形成され、前記凹部には前記画素電極の一部が形成されており、前記コモン電極には一定の電位が供給され、前記画素電極には画素信号が供給されることを特徴とする液晶表示装置。
（９）前記コモン電極と前記画素電極は透明導電膜で形成されていることを特徴とする（８）に記載の液晶表示装置。
（１０）前記画素電極は透明導電膜で形成され、外形が略々長方形であり、内側は櫛歯状電極とスリットが形成されていることを特徴とする（８）に記載の液晶表示装置。
（１１）前記第２の絶縁膜に形成された凹部の深さは１００ｎｍ以上で６００ｎｍより小さいことを特徴とする（８）に記載の液晶表示装置。
（１２）前記第２の絶縁膜はＳｉＮ膜であることを特徴とする（８）に記載の液晶表示装置。
（１３）前記層間絶縁膜の凹部に形成された前記画素電極と前記コモン電極との距離は前記層間絶縁膜の凹部以外に形成された前記画素電極と前記コモン電極との距離よりも小さいことを特徴とする（８）に記載の液晶表示装置。

（１４）第１の基板と第２の基板の間に液晶が挟持され、前記液晶に電界を作用させることによって画像を形成する液晶表示装置であって、前記第１の基板上には下地膜が形成され、前記下地膜の上にはコモン電極が形成され、前記下地膜には凹部が形成され、前記コモン電極の一部は前記下地膜の凹部に形成されており、前記コモン電極を覆って第１の絶縁膜が形成され、前記第１の絶縁膜上には、第２の絶縁膜が形成され、前記第２の絶縁膜上に画素電極が形成され、前記コモン電極には一定の電位が供給され、前記画素電極には画素信号が供給されることを特徴とする液晶表示装置。
（１５）前記コモン電極と前記画素電極は透明導電膜で形成されていることを特徴とする（１４）に記載の液晶表示装置。
（１６）前記画素電極は透明導電膜で形成され、外形が略々長方形であり、内側は櫛歯状電極とスリットが形成されていることを特徴とする（１４）に記載の液晶表示装置。
（１７）前記下地膜に形成された凹部の深さは１００ｎｍ以上であることを特徴とする（１４）に記載の液晶表示装置。
（１８）前記第２の絶縁膜は有機材料であることを特徴とする（１４）に記載の液晶表示装置。
（１９）前記下地膜の凹部に形成された前記コモン電極と前記画素電極との距離は、前記下地膜の凹部以外に形成された前記コモン電極と前記画素電極との距離よりも大きいことを特徴とする（１４）に記載の液晶表示装置。

（２０）第１の基板と第２の基板の間に液晶が挟持され、前記液晶に電界を作用させることによって画像を形成する液晶表示装置であって、前記第１の基板上には下地膜が島状に形成され、コモン電極は前記島状の下地膜上と前記島状の下地膜が存在しない部分とにまたがって形成され、前記コモン電極を覆って第１の絶縁膜が形成され、前記第１の絶縁膜上には、第２の絶縁膜が形成され、前記第２の絶縁膜上に画素電極が形成され、前記コモン電極には一定の電位が供給され、前記画素電極には画素信号が供給されることを特徴とする液晶表示装置。
（２１）前記画素電極と前記島状の下地膜上に形成された前記コモン電極との距離は、前記画素電極と前記島状の下地膜が存在しない部分に形成された前記コモン電極との距離よりも小さいことを特徴とする（２０）に記載の液晶表示装置。

手段（１）から（７）によれば、コモン電極を第１のコモン電極と第２のコモン電極に分割し、第１のコモン電極にコモン電圧を印加する。コモン電極を覆う第１の絶縁膜上に第１のコモン電極と第２のコモン電極とオーバーラップして容量電極を形成して、第１のコモン電極と第２のコモン電極との間に容量を形成する。これによって、第１のコモン電極と画素電極との間に印加される電圧と、第２のコモン電極と画素電極との間に形成される電圧とを異ならしめ、これによって、１画素中に２つの電圧―輝度特性を持つ領域を形成することができる。第２のコモン電極上の液晶の透過特性は高階調領域でも優れた視野角特性をもつため、液晶表示装置全体として高階調における視野角特性が改善される。

手段（８）から（１３）によれば、画素電極が形成される第２の絶縁膜に凹部を形成し、画素電極の一部を凹部内に形成することにより、コモン電極と画素電極との距離を、凹部に形成された画素電極の場合とそれ以外の部分に形成された画素電極の場合とで異ならしめる。その結果、第２の絶縁膜の凹部上とそれ以外とで、電圧―輝度特性が異なることになる。画素電極とコモン電極との距離が大きいほうの領域が高階調領域での視野角特性がよい。その結果表示装置全体として高階調での視野角を改善することができる。

手段（１４）から（１９）によれば、ＴＦＴ基板上に下地膜を形成し、その上にコモン電極を形成する。下地膜に凹部を形成し、コモン電極の一部を凹部内に形成する。これによって、コモン電極と画素電極との距離を、下地膜に凹部が形成された部分とそれ以外の部分とで異ならしめる。その結果、下地膜に凹部が形成された部分の領域にある液晶にかかる電界と、それ以外の部分の領域にある液晶にかかる電界を異ならしめる。このような構成とすることにより、１画素中に異なる電圧―輝度特性を有する領域を形成することができ、高階調での視野角を改善することができる。

手段（２０）および（２１）によれば、ＴＦＴ基板上に下地膜が存在する部分と下地膜が存在しない部分を設け、コモン電極をこの２つの部分にまたがって形成する。画素電極とコモン電極の距離は、下地膜の存在する部分と存在しない部分とで異なることになるので、液晶に対する電界も下地膜が存在する部分と存在しない部分とで異なることになる。その結果、１画素中に電圧―輝度特性が異なる領域が存在することになり、高階調での視野角特性が改善される。

実施例にしたがって、本発明の詳細な内容を開示する。

図１は本発明の第１の実施例を示す画素部の平面図である。図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。図１において、２本のゲート配線３と２本の信号配線６にかこまれた部分が画素である。ゲート配線３にゲート電圧が印加されると、ＴＦＴがＯＮし、信号線からの信号電圧が画素電極１０に印加される。画素電極１０に電圧が印加されると下層に形成されているコモン電極との間に電気力線が発生し、この電界によって液晶分子１２１が回転することによって、バックライトからの光を制御して画像を形成する。この様子を図２に示す。

画素電極１０は透明電極で形成されており、長方形である。画素電極１０の内側にスリット１０１と櫛歯電極１０２が形成されており、この櫛歯電極１０２の上面からスリット１０１を通って下層のコモン電極に達する電気力線が液晶層１２にも浸透して液晶分子１２１を動作させる。下層に形成されたコモン電極も透明電極で形成されているが、第１コモン電極２１と第２コモン電極２２に分割されている。平面図的には、図１における点線部分で第１コモン電極２１と第２コモン電極２２に分離されている。第１コモン電極２１はコモン配線２３に接続され、コモン配線２３から一定電圧であるコモン電圧が印加される。コモン配線２３は電気抵抗を下げるために、ゲート配線３と同様、金属であるＡｌあるいはＣｕ、または他の金属との積層膜によって形成されている。

第２コモン電極２２はフロートになっているが、第１コモン電極２１とは容量電極７を介して容量結合している。容量電極７は図１の斜線で示すように、先の開いたコの字状であり、第１コモン電極２１と第２コモン電極２２と平面的にはオーバーラップして形成されるが、コモン電極とは別の層に形成されているため、第１コモン電極２１および第２コモン電極２２とそれぞれ容量を形成する。

本実施例では容量電極７は信号配線６と同層で同一材料であるＡｌあるいはＣｕ、または他の金属との積層膜を用いている。Ａｌは遮光性であるから、画素電極１０のスリット１０１とオーバーラップする部分はバックライトからの光の透過率を減少させる。バックライトからの光は主として画素電極１０のスリット１０１を通過するからである。したがって、本実施例では容量電極７の配置を画素電極１０のスリット１０１とスリット１０１の間の櫛歯電極１０２に沿わせている。このために、容量電極７の形状は先の開いたコの字状になっている。

図２において、第１コモン電極２１と第２コモン電極２２を覆って、ゲート絶縁膜４が形成される。ゲート絶縁膜４はＳｉＮで形成され、膜厚は４００ｎｍ程度である。ゲート絶縁膜４上に第１コモン電極２１、第２コモン電極２２と平面的にオーバーラップして容量電極７が形成される。容量電極７はフロート電位である。容量電極７と第１コモン電極２１との間に容量Ｃｂ１が、容量電極７と第２コモン電極２２との間に容量Ｃｂ２が形成される。ゲート絶縁膜４を形成するＳｉＮは比誘電率が約７であり、容量Ｃｂ１、Ｃｂ２等の容量形成には都合がよい。

容量電極７は信号配線６と同層で形成される。すなわち、信号配線６と同一材料で同一フォトプロセスによって形成される。したがって、容量電極７が追加されても従来プロセスに対して追加工程が生ずるわけではない。容量電極７を覆って、層間絶縁膜８がＳｉＮによって６００ｎｍの厚さに形成される。

層間絶縁膜８上には画素電極１０が透明導電膜であるＩＴＯによって形成される。画素電極１０は図１に示すように、外形は長方形であるが、内部にはスリット１０１と櫛歯電極１０２が形成されている。画素電極１０を覆って、配向膜１１がポリイミドによって、約１００ｎｍの厚さに形成される。配向膜１１は液晶層１２と接し、液晶分子１２１を特定の方向に配向させる役割をもつ。
液晶層１２は下側配向膜１１と上側配向膜１１の間に挟持されている。上側配向膜１１も下側配向膜１１と同様の材料で同様の膜厚に形成される。上側配向膜１１とカラーフィルタ基板１３との間にはカラーフィルタ１４が形成される。カラーフィルタは赤、緑、青の３色のカラーフィルタが用いられ、各カラーフィルタ間には図示していないブラックマトリクスが形成されてコントラストを向上させる。

図３は図１のＢ−Ｂ断面図であり、ＴＦＴ近傍の断面構造を示す。ガラス基板上には走査電圧を供給するためのゲート配線３が形成されるが、ＴＦＴはこのゲート配線３上に形成される。そして、ゲート配線３がゲート電極を兼用する。なお、ゲート電極とＴＦＴ基板１との間に、基板からの不純物等を阻止するための、ＳｉＮあるいはＳｉＯ_２等の下地膜を形成することもある。

ゲート電極を覆ってゲート絶縁膜４が形成され、ゲート絶縁膜４上に半導体膜であるａ−Ｓｉ膜５が形成される。ａ−Ｓｉ膜５のチャンネル部を挟んでソース電極５２とドレイン電極５１がＡｌあるいはＣｕ、または他の金属との積層膜によって形成される。ａ−Ｓｉ膜５とソース電極５２、ドレイン電極５１との接触部にはオーミックコンタクトを取るために、ｎ^＋層が形成される。ソース電極５２は信号配線６と一体で形成される。

ソース／ドレイン電極を覆って層間絶縁膜８がＳｉＮによって形成される。層間絶縁膜８の厚さは例えば、６００ｎｍである。層間絶縁膜８の上に透明電極によって画素電極１０が形成される。層間絶縁膜８にスルーホール９が形成され、このスルーホール９によって、ドレイン電極５１と画素電極１０が接続し、信号電圧が画素電極１０に供給される。そしてゲート電極がゼロになってＴＦＴがオフすると画素電極１０は所定の電圧を保持することになる。

図４に第１コモン電極２１、第２コモン電極２２の平面図を示す。本実施例では第１コモン電極２１のほうが第２コモン電極２２よりも面積が大きい。第２コモン電極２２は画素の中央付近に形成される。図５に容量電極７の形状を示す。容量電極７は画素電極１０内の櫛歯電極１０２のパターンに沿って形成するために、外側に開いたコの字状となっている。図５の第１コモン電極２１と第２コモン電極２２の境界はこの容量電極７の形状に合わせたものである。第２コモン電極２２は全体のコモン電極の面積の５０％以下が望ましい。

図６に画素電極１０と容量電極７が合わさった状態での平面図を示す。図６のＡ−Ａ断面図が図７である。図７は図２の一部を取り出した形となっている。第１コモン電極２１と容量電極７間の容量Ｃｂ１は第１コモン電極２１と容量電極７のオーバーラップ量ｒｐ１によって決められ、第２コモン電極２２と容量電極７間の容量Ｃｂ２は第２コモン電極２２と容量電極７のオーバーラップ量ｒｐ２によって決められる。

本実施例では容量電極７は信号配線６と同一の材料である、ＡｌあるいはＣｕ、または他の金属との積層膜によって形成される。信号配線６と同一の材料であれば、信号配線６の形成と同一のプロセスで形成することが出来、製造コストの増加はない。ただし、この容量電極７の形成された部分は光が透過しないため、液晶表示パネルの透過率の低下を生ずる。本実施例では、容量電極７を画素電極１０内の櫛歯電極１０２に沿わせるようにして容量電極７による透過率の低下を抑えている。バックライトからの光は主として画素電極１０内に形成されたスリット１０１を通過するからである。

ただし、画素電極１０は透明電極で形成されており、スリット１０１以外の画素電極１０も画像形成のための透過光として寄与する。このような透過光も利用して、画面の輝度低下を避けたい場合は、容量電極７として透明電極、例えば、ＩＴＯを使用してもよい。この場合は、容量電極７を信号配線６と同一のプロセスで形成することは出来ず、別途のプロセスとなる。

図２において、画素電極１０の櫛歯電極１０２上面からの電気力線は液晶層１２に浸透してコモン電極２に向かう。第１コモン電極２１にはコモン電位が印加され、第２コモン電極２２はフロート電位となっている。液晶を動作させる第２コモン電極２２の画素電位は、液晶を介した第２コモン電極２２と画素電極１０間の容量と、容量電極７を介した第２コモン電極２２と第１コモン電極２１の容量によって画素電極１０の電位とコモン電位とが容量分割された電位となる。

この状況を示す画素部の透過回路を図８に示す。図８において、２本の信号線ＤｎｙとＤｎｙ＋１、および、２本のゲート配線Ｇｎｘ−１とＧｎｘによって囲まれた部分が画素である。走査線ＧｎｘにＶｇ電圧が与えられて、走査線Ｇｎｘが選択されると、ＴＦＴを介して信号線Ｄｎｙから信号電圧が供給され、画素電位はＶｐｘとなる。この画素電位Ｐｘとコモン電極の電位Ｖｃｏｍとの電位差が液晶を駆動することになる。

信号線ＤｎｙおよびＤｎｙ＋１と画素電極との容量はそれぞれＣｄｓ１およびＣｄｓ２である。画素電極とコモン電極との間に液晶を介さずに形成される保持容量がＣｓｔである。コモン電極にはコモン配線Ｃｓｔｎを介してコモン電圧Ｖｃｏｍが供給される。Ｖｃｏｍは一般的にはアース電位である。

コモン電極は第１コモン電極２１と第２コモン電極２２とに分離されているが、第１コモン電極２１と画素電極１０との液晶を介した容量がＣｌｃ１である。Ｃｌｃ１に印加されるＶｐｘが第１コモン電極２１上の液晶を駆動する電圧となる。第２コモン電極２２と画素電極１０との間に印加される電圧Ｖｐｘ２は、画素電圧Ｖｐｘが画素電極１０と液晶を介した第２コモン電極２２との容量Ｃｌｃ２と、第２コモン電極２２と容量電極７を介した第１コモン電極２１との容量Ｃｂｎとによって、容量分割された電位となる。当然Ｖｐｘ＞Ｖｐｘ２である。

したがって、同一画素内において、液晶を駆動する２つの電界が存在することになる。図２でいえば、画素中央付近の第２コモン電極２２上の液晶に作用する電界Ｅｃと、その両側に存在する第１コモン電極２１上の液晶に作用する、より大きな電界Ｅｐが存在するということになる。したがって、画素を通過するバックライトからの光は、高い電界を受けた液晶の特性（高階調）とより低い電界を受けた液晶の特性の混合された特性を示すことになる。

従来例に示すような、ＩＰＳ方式の液晶を高階調において視野角特性を改善したいという課題は本構成によって解決することができる。図９はこの改善例を示すものである。図９のａは正面から見たときのパネルの相対輝度と電圧の関係である。図９のｂは正面に対し、左あるいは右７０度の角度から見た相対輝度と電圧の関係である。特に、正面に対し、左あるいは右７０度の角度から見た相対輝度と電圧の特性は、図２７に示す従来の特性に比較して高階調側での輝度上昇がおさえられており、視角特性が改善されていることがわかる。

これは以下のような動作によるものである。すなわち、第１コモン電極２１の領域の透過光は従来の特性をもつ。しかし、第２コモン電極２２の透過領域はコモン電極の電圧が容量分圧効果で低下しており、電界が弱い。そのため、液晶分子は低電圧を印加したのと同じ特性をもち、液晶分子は水平に回転する成分のみか画像形成に寄与する。この効果が高階調の動作に加わることで、画素全体での液晶分子の立ち上がりはコモン電極の面積配分比に従い改善される。輝度も分配比によって影響をうけるので、分配比は輝度と視角特性を勘案して決めることになる。

高階調領域での視野角特性をどの程度改善するかの一つの方法は、コモン電極の分割方法である。すなわち、第２コモン電極２２の面積を大きくすれば視野角特性をより改善することができる。しかし、第２コモン電極２２の面積を大きくすると図９に示すように全体として輝度が低下する。したがって、液晶表示装置の用途によって第２コモン電極２２の面積の割合を決め、輝度と視野角とのバランスをとることになる。

高階調領域での視野角特性をどの程度改善するかの他の方法は、容量電極７と第１コモン電極２１との容量Ｃｂｎ１、および容量電極７と第２コモン電極２２との容量Ｃｂｎ２の大きさによって制御することができる。すなわち、Ｃｂｎ１またはＣｂｎ２が大きいほど第２コモン電極２２の電位は第１コモン電極２１の電位に近くなる。Ｃｂｎ１またはＣｂｎ２の値は図７に示すように第１コモン電極２１と容量電極７とのオーバーラップ量ｒｐ１およびｒｐ２によって決めることができる。この場合、結合容量Ｃｂｎ１、Ｃｂｎ２を大きくすると第２コモン電極２２の電位は第１コモン電極２１の電位に近づくことになり、高階調における視野角の改善は限定的となるかわりに輝度の低下は少ない。一方、結合容量Ｃｂｎ１、Ｃｂｎ２を小さくすると第２コモン電極２２の電位は第１コモン電極２１の電位から離れることになり、高階調における視野角は大きく改善されるが、輝度の低下が生ずる。

以上述べた輝度と視野角の関係を決める２つの方法のいずれも従来のプロセスを変更することなしに実施することができる。すなわち、コモン電極の分割の割合を変える方法はコモン電極のマクスパターンを変更するだけで実施でき、プロセスを変更する必要はない。また、結合容量Ｃｂｎ１、Ｃｂｎ２を変える方法は容量電極７の幅を変えるだけであり、この場合も信号配線層のマスクパターを変えるだけで、プロセスを変更する必要はない。

本発明の第２の実施例を図１０に示す。実施例２の特徴は容量電極７が単純なコの字形状であり、分割されたコモン電極も容量電極７の形状に沿うようにコの字状に分割されている。図１０のＡ−Ａ断面を図１１に示す。コモン電極の分割状況を示す平面図を図１２に、容量電極７の形状を示す平面図を図１３に示す。また、図１４はコモン電極と容量電極７が組み合わさった状態を示す平面図である。

本実施例では、画素電極１０における櫛歯電極１０２と容量電極７とが沿った形とはなっていないため、画素電極１０におけるスリット１０１と容量電極７とが重なる部分が生ずる。図１０のＡ−Ａ断面図である図１１がこの様子を示している。容量電極７が信号配線６と同じ、金属で出来ている場合はバックライトからの光は容量電極７で遮蔽され、明るさをロスすることになる。ただし、これは一部の断面であり、全体としてはスリット１０１と容量電極７とのオーバーラップは大きくないため、明るさのロスは小さいものである。

しかし、本実施例では、容量電極７に透明電極であるＩＴＯを用いることによって、画素電極１０のスリット１０１と容量電極７がオーバーラップした部分も画像形成に寄与させるものである。図１１において、第２コモン電極２２は結合容量Ｃｂｎ１およびＣｂｎ２と、液晶を介した画素電極１０と第２コモン電極２２との容量によって分割された電位となる。一方容量電極７も同様に、第１コモン電極２１と第２コモン電極２２との中間の電位となる。

すなわち、中央付近の液晶分子１２１は、図２における第１コモン電極２１上の電界Ｅｐとも、第２コモン電極２２上の電界Ｅｃとも異なった第３の電界Ｅｃｃを受けることになる。本実施例においては、容量電極７は透明電極であるから、容量電極７上の液晶層１２も画像形成に寄与する。従って、本実施例においては１画素内に３つの電圧―輝度特性を持つ領域が存在することになる。

容量電極が第３のコモン電極として働くことにより、画素電極との間で最も電圧が高くなるコモン電極の領域の面積が少なくなり、画素電極との間の電圧がそれよりも小さくなる領域、および、画素電極との間の電圧がさらに小さくなる領域の２つの領域が存在することになるので、視角特性はさらに改善される。

本実施例においては、容量電極７を透明電極とすることにより、容量電極７を液晶駆動のための電極として積極的に用いることができるので、液晶表示装置の明るさと視野角特性の設計に大きな自由度をもつことができる。

この１例を図１５に示す。図１５はコモン配線２３と第１コモン電極２１、容量電極７、第２コモン電極２２が合わさった状態の平面図である。図１５はコモン配線２３のみが金属であり、他の電極はすべて透明電極であるＩＴＯで形成されている。第１コモン電極２１のみにコモン配線２３からコモン電圧が印加され、容量電極７、第２コモン電極は画素電極１０との間で容量分割された電位となっている。電位は第１コモン電極２１が一定のアース電位であり、容量電極７、第２コモン電極２２の順に高くなり、各電極の電位に反比例して液晶分子１２１に作用する電界は小さくなる。図１５に示す実施例では１画素内に電圧―輝度特性の異なる領域が３個存在することとなる。

ただし、容量電極７に透明電極であるＩＴＯを用いる場合は、容量電極７を信号配線と同時に形成することは出来ず、容量電極７用のＩＴＯは別途のフォト工程になる。

以上の実施例１および実施例２においては、コモン電極は２つに分割されているが、これに限る必要はなく３個以上に分割してもよい。本発明においては、コモン電極を３個以上の多数個に分解しても、コモン電極部のマスクおよび信号配線層のマスクを変えるだけで、プロセスを変更する必要はない。また、容量電極７を信号配線と同じ材料で形成すれば従来プロセスと全く同一のプロセスで本発明を実施することができる。

図１６に本発明の第３の実施例の平面図を示す。図１６のＡ−Ａ断面図を図１７に示す。実施例１および実施例２と異なるところは、コモン電極は分割せず、画素電極１０が形成されている層間絶縁膜８の一部に凹部８１を形成し、画素電極１０の一部をこの凹部８１に形成する。図１６において、層間絶縁膜８に凹部８１が形成されている部分は破線によって台形状に囲まれた部分である。図１６のＡ−Ａで断面図である図１７に示すように、画素電極１０の中央付近の櫛歯電極１０２が層間絶縁膜８の凹部８１に形成されている。

層間絶縁膜８の凹部８１に形成された櫛歯電極１０２は他の櫛歯電極１０２よりもコモン電極に近い。したがって、櫛歯電極１０２から液晶に作用する電気力線も強いものとなる。つまり、図１７において、層間絶縁膜８の凹部８１上方で液晶に作用する電界Ｅｃはそれ以外の部分で液晶に作用する電界Ｅｐよりも強い。図１７に示すように、層間絶縁膜８に凹部８１を形成すれば、凹部８１の部分で液晶層１２も若干厚くなる。しかし、ＩＰＳ方式では、液晶による光のスイッチングについては、ＴＦＴ基板１の配向膜側の液晶の動作が支配的になるため、液晶層１２が若干変動する問題は他の方式ほど顕著ではない。凹部８１が形成された部分の領域の電圧―輝度特性は液晶に低電界が加わる領域となり、この領域においては他の領域とは印加電圧に対する液晶分子の立ち上がり特性が異なることになり、結果的に視角特性が改善される。

つまり、図１６および図１７のような構成をとった場合も１画素に異なる電圧―輝度特性を持つ領域が存在することになる。図１６において、破線の台形で囲まれた部分の上に存在する液晶分子１２１にはそれ以外の領域の液晶分子１２１よりも大きな電界がかかることになる。本発明によれば、コモン電極を分割したり、容量電極７を設置したりしなくとも１画素に２つの液晶の電圧―輝度特性を持つ領域を形成することができる。

２つの領域の電圧―輝度特性をどの程度変えるかは層間絶縁膜８に形成された凹部８１の深さをどの程度とするかによってきまる。層間絶縁膜８の膜厚は６００ｎｍであり、ゲート絶縁膜４の膜厚は４００ｎｍである。したがって、層間絶縁膜８に形成された凹部８１の深さが１００ｎｍ程度あれば電圧―輝度特性に対する効果が期待できる。

さらに顕著な効果を期待するならば、凹部８１の深さをさらに深くすればよいが、理論的には層間絶縁膜８の厚さ程度まで深くすることが出来る。凹部８１の深さを深くしても、凹部８１の形成された領域では配線がオーバーラップしていないため、絶縁特性は問題にならない。実施例３の場合も凹部８１を形成することによって、高階調における視野角特性を改善することができるが、同時に、凹部８１が形成された部分では低輝度領域を使用することになるため、表示装置全体としての輝度特性は低下する。

実施例３においては、視野角の改善と輝度特性のバランスを層間絶縁膜８の凹部８１の深さ、および凹部８１の１画素内で占める面積の割合によって決めることができる。

ここで、層間絶縁膜８の凹部８１を形成する例を図１８から図２１によって説明する。形成する膜は実際の層間絶縁膜８と同じ材料であるＳｉＮ膜であるとして説明する。図１８において、ＳｉＮ膜がガラス基板１６０上に形成されている。ＳｉＮ膜上にレジスト１５０をコートする。このレジスト膜に対して露光マスク１４０を用いて露光し、露光マスク１４０のパターンに従ってレジストパターンを形成する。

露光マスク１４０のパターンには露光の光を完全に遮蔽する完全なパターン１４１と、露光の光を半透過する半透過パターン１４２とが形成されている。このような露光マスク１４０を用いると、図１８に示すように、ＳｉＮ膜１６１上に形成されるレジストパターンとして、レジストが完全に除去された部分１５２、レジストが完全に残っている部分１５０、レジストが薄く残っている部分１５１を形成することができる。

次に図１９に示すように、ＳｉＮ膜１６１のエッチング液を用いてレジストのない部分のＳｉＮ膜を除去する。その後、レジスト除去液によって薄く残ったレジスト部１５１を除去する。この状態でＳｉＮ膜１６１をエッチングによって除去するが、エッチング時間を調整することによって、図２０に示すようにＳｉＮ膜１６１を完全に除去せずに、一部残す。その後レジストを除去することにより、図２１に示すように膜厚の異なるＳｉＮ膜１６１を得ることができる。図１８から図２１で説明したプロセスをハーフ露光法と称する。

実際の製品においては、図３に示すように、画素電極１０を形成する前に層間絶縁膜８であるＳｉＮ膜に対してスルーホール９を形成する。このスルーホール９はＳｉＮ膜を貫通する。このスルーホール９を形成すると同じプロセスにおいて図１８から図２１において説明したハーフ露光方法を用いることにより、図１７に示す層間絶縁膜８の凹部８１を形成することができる。凹部８１の深さはエッチング条件によって制御することができる。

配向膜１１の膜厚は１００ｎｍであり、層間絶縁膜８に凹部８１が形成されると配向膜１１表面の凹凸が問題になりうる。これに対しては配向膜１１の形成方法を工夫することによって対処することができる。図２２は配向膜１１の形成方法を示す模式図である。図２２において、画素電極まで形成されたＴＦＴ基板１のわずか上方に配向膜１１をインクジェット法で形成するためのインラインノズル１７０が設置されている。このインラインノズル１７０には液状の配向膜材料をインクジェット法によって吹き付けるための複数のノズルがインライン状にとりつけられている。図２２における斜線を施した矢印がインクジェット法によって射出される配向膜材料である。液状配向膜材料を複数のノズルから同時に吐出するとともに、ＴＦＴ基板１上を走査することによりＴＦＴ基板１の全面に配向膜１１を形成することができる。

このような配向膜１１の形成方法であれば、液状配向膜はインクジェットによってＴＦＴ基板１に射突するため、層間絶縁膜８に形成された凹部８１を容易に液状配向膜材料によって埋めることができる。液状配向膜がＴＦＴ基板１全面に形成されたあと、ＴＦＴ基板１を揺動することにより、液状配向膜の表面を均一にする。その後ベーキングによって、配向膜材料を固化し、配向膜１１を形成する。インクジェット法を用い、条件を適正化すれば、層間絶縁膜８に凹部８１が形成された場合でも、配向膜表面を実用的な凹凸の範囲内に保つことができる。

本実施例によれば、電極パターン１４２等を変える必要はなく、すなわち、露光マスク１４０は従来のものを使用しつつ、ハーフ露光プロセスの条件を変えるだけで、１画素中に複数の電圧―輝度特性を有する領域を形成することが出来る。そして高階調における視野角特性と明るさの関係を設定することが出来る。

図２３に本発明の第４の実施例を示す。図２３に対応する平面図は図１６と同じである。すなわち、図１６のＡ−Ａ断面図が図２３に示す断面図である。しかし、破線で示された台形で囲まれた部分は層間絶縁膜８に形成された凹部８１ではなくコモン電極の下に形成された下地膜１５の凹部１５５である。

実施例１から実施例３においては、下地膜１５は形成されていないが、本実施例ではＳｉＮによって下地膜１５を形成している。下地膜１５の役割はガラスからの不純物が半導体、絶縁膜等に進入するのを防ぐストッパーの役割をもつ。下地膜１５はＳｉＮのほかにＳｉＯ_２膜が使用される場合もあるし、ＳｉＮ膜とＳｉＯ_２膜の２層が使用されることもある。

本実施例では、下地膜１５の膜厚を画素の中央部において、他の部分よりも薄くし、この上にコモン電極を形成する。下地膜１５の薄い部分に形成されたコモン電極は下地膜１５の他の部分に形成されたコモン電極よりも画素電極１０との距離が大きい。したがって、下地膜１５の薄い部分の上に存在する液晶分子１２１は他の部分の液晶分子１２１よりも弱い電界を受けることになる。これによって、１画素内に電圧―輝度特性の異なる２つの領域が形成されることになる。

本実施例の下地膜１５の厚さは３００ｎｍであり、凹部１５５の深さは１５０ｎｍである。本実施例ではゲート絶縁膜４が４００ｎｍ程度、層間絶縁膜８が６００ｎｍ程度であるので、下地膜１５の凹部１５５が１００ｎｍ程度の深さであれば、１画素中に、電圧―輝度特性の異なる領域を形成することは可能である。

図２４の層間絶縁膜８は、下側は凹凸となっているが、上側は平坦になっている。層間絶縁膜８として有機膜を使用すれば、このような形状とすることは容易である。例えば、実施例３で説明したインクジェット法によって有機膜の層間絶縁膜８を形成すれば、下地に凹凸があっても上面は平坦な面とすることは容易である。

このような構成により、高階調領域における視野角の特性を改善することができる。高階調での視野角を改善すると輝度が若干低下することは実施例１から３と同様である。また、視野角の輝度のバランスは、下地膜１５の厚い部分と薄い部分との膜厚差で変えることができる。また、下地膜１５の薄い部分の面積を変えることによっても視野角と輝度のバランスを変えることができる。下地膜１５の薄い部分を形成する方法は実施例３で述べたハーフ露光法を用いることによって実施することができる。

以上の実施例４の説明においては下地膜１５の膜厚を変えることによって高階調における視野角特性を改善する構成を開示した。しかし、下地膜を必要としない製品においては、下地膜の薄い部分を形成する必要はない。この場合は図２４に示すように、下地膜１５は島状に形成し、下地膜１５の存在しない部分と、下地膜１５の存在する部分とで、画素電極１０との距離を異ならしめればよい。すなわち、下地膜１５の存在しない部分に対応する液晶分子１２１は、下地膜１５の存在する部分に対応する液晶分子１２１よりも弱い電界を受けることになる。これによって１画素内に電圧―輝度特性の異なる２つの領域が形成されることになる。

このように、島状に下地膜１５を形成するのであれば、ハーフ露光のような技術を用いる必要は無く、通常のフォト工程で形成することができる。

本発明の第１実施例の平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 コモン電極の平面図である。 容量電極の平面図である。 容量電極とコモン電極が組み合わさった平面図である。 容量電極とコモン電極が組み合わさった断面図である。 画素電極部分の等価回路である。 本発明における視野角特性の例である。 本発明の第２実施例の平面図である。 図１０のＡ−Ａ断面図である。 コモン電極の平面図である。 容量電極の平面図である。 容量電極とコモン電極が組み合わさった平面図である。 容量電極とコモン電極が組み合わさった他の例の平面図である。 本発明の第３実施例の平面図である。 図１６のＡ−Ａ断面図である。 ハーフ露光のマスクとレジストの関係を示す模式図である。 ハーフ露光の途中工程を示す模式図である。 ハーフエッチング状態を示す模式図である。 ハーフ露光工程による膜形成結果を示す断面模式図である。 インクジェットによる配向膜形成の模式図である。 本発明の第４実施例の断面図である。 本発明の第４実施例の他の形態の断面図である。 従来例を示す平面図である。 図２５のＡ−Ａ断面図である。 従来例の視野角特性の例である。

符号の説明

１…ＴＦＴ基板、２…コモン電極、 ３…ゲート配線、 ４…ゲート絶縁膜、 ５…ａ−Ｓｉ膜、 ６…信号配線、 ７…容量電極、８…層間絶縁膜、 ９…スルーホール、 １０…画素電極、 １１…配向膜、 １２…液晶層、 １３…カラーフィルタ基板、 １４…カラーフィルタ、１５…下地膜カラーフィルタ、 ２１…第１コモン電極、 ２２…第２コモン電極、 ２３…コモン配線、５１…ドレイン電極、 ５２…ソース電極、 ８１…層間絶縁膜凹部、 １０１…スリット、１０２…櫛歯電極。

Claims (21)

1. 第１の基板と第２の基板の間に液晶が挟持され、前記液晶に電界を作用させることによって画像を形成する液晶表示装置であって、前記第１の基板上には第１のコモン電極と第２のコモン電極が形成され、前記第１のコモン電極と前記第２のコモン電極を覆って第１の絶縁膜が形成され、前記第１の絶縁膜上には、前記第１のコモン電極と前記第２のコモン電極と平面的にオーバーラップして容量電極が形成され、前記容量電極を覆って第２の絶縁膜が形成され、前記第２の絶縁膜の上には画素電極が形成されており、前記第１のコモン電極には一定の電位が供給され、前記画素電極には画素信号が供給されることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記第１のコモン電極、前記第２のコモン電極、および前記画素電極は透明電極であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記画素電極は透明導電膜で形成され、外形が略々長方形であり、内側は櫛歯状電極とスリットが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
4. 前記画素電極の両側で、前記第１の絶縁膜上に信号配線が形成され、前記容量電極は前記信号配線と同一の材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
5. 前記容量電極は平面的には前記櫛歯電極に略々沿って形成されていることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
6. 前記容量電極は透明導電膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
7. 前記第２のコモン電極は画素のほぼ中央付近に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
8. 第１の基板と第２の基板の間に液晶が挟持され、前記液晶に電界を作用させることによって画像を形成する液晶表示装置であって、前記第１の基板上にはコモン電極が形成され、前記コモン電極を覆って第１の絶縁膜が形成され、前記第１の絶縁膜上には、第２の絶縁膜が形成され、前記第２の絶縁膜上に画素電極が形成され、前記第２の絶縁膜には凹部が形成され、前記凹部には前記画素電極の一部が形成されており、前記コモン電極には一定の電位が供給され、前記画素電極には画素信号が供給されることを特徴とする液晶表示装置。
9. 前記コモン電極と前記画素電極は透明導電膜で形成されていることを特徴とする請求項８に記載の液晶表示装置。
10. 前記画素電極は透明導電膜で形成され、外形が略々長方形であり、内側は櫛歯状電極とスリットが形成されていることを特徴とする請求項８に記載の液晶表示装置。
11. 前記第２の絶縁膜に形成された凹部の深さは１００ｎｍ以上で６００ｎｍより小さいことを特徴とする請求項８に記載の液晶表示装置。
12. 前記第２の絶縁膜はＳｉＮ膜であることを特徴とする請求項８に記載の液晶表示装置。
13. 前記層間絶縁膜の凹部に形成された前記画素電極と前記コモン電極との距離は前記層間絶縁膜の凹部以外に形成された前記画素電極と前記コモン電極との距離よりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の液晶表示装置。
14. 第１の基板と第２の基板の間に液晶が挟持され、前記液晶に電界を作用させることによって画像を形成する液晶表示装置であって、前記第１の基板上には下地膜が形成され、前記下地膜の上にはコモン電極が形成され、前記下地膜には凹部が形成され、前記コモン電極の一部は前記下地膜の凹部に形成されており、前記コモン電極を覆って第１の絶縁膜が形成され、前記第１の絶縁膜上には、第２の絶縁膜が形成され、前記第２の絶縁膜上に画素電極が形成され、前記コモン電極には一定の電位が供給され、前記画素電極には画素信号が供給されることを特徴とする液晶表示装置。
15. 前記コモン電極と前記画素電極は透明導電膜で形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示装置。
16. 前記画素電極は透明導電膜で形成され、外形が略々長方形であり、内側は櫛歯状電極とスリットが形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示装置。
17. 前記下地膜に形成された凹部の深さは１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示装置。
18. 前記第２の絶縁膜は有機材料であることを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示装置。
19. 前記下地膜の凹部に形成された前記コモン電極と前記画素電極との距離は、前記下地膜の凹部以外に形成された前記コモン電極と前記画素電極との距離よりも大きいことを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示装置。
20. 第１の基板と第２の基板の間に液晶が挟持され、前記液晶に電界を作用させることによって画像を形成する液晶表示装置であって、前記第１の基板上には下地膜が島状に形成され、コモン電極は前記島状の下地膜上と前記島状の下地膜が存在しない部分とにまたがって形成され、前記コモン電極を覆って第１の絶縁膜が形成され、前記第１の絶縁膜上には、第２の絶縁膜が形成され、前記第２の絶縁膜上に画素電極が形成され、前記コモン電極には一定の電位が供給され、前記画素電極には画素信号が供給されることを特徴とする液晶表示装置。
21. 前記画素電極と前記島状の下地膜上に形成された前記コモン電極との距離は、前記画素電極と前記島状の下地膜が存在しない部分に形成された前記コモン電極との距離よりも小さいことを特徴とする請求項２０に記載の液晶表示装置。

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