JP2011013618A

JP2011013618A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2011013618A
Application number: JP2009159823A
Authority: JP
Inventors: Jun Fujiyoshi; 純藤吉; Taiichi Kimura; 泰一木村; Daisuke Sonoda; 大介園田
Original assignee: Hitachi Displays Ltd
Current assignee: Japan Display Inc
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2011-01-20
Also published as: US8212975B2; US20110001910A1

Abstract

【課題】工程数が少なく低コストで高さの制御が可能なポストスペーサを有する液晶表示装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係る液晶表示装置は、黒色でない色彩を有し、その一部分が第１の画素を構成する第１の色膜１３と、その一部分が前記第１の画素に隣接する第２の画素を構成する第２の色膜１４と、その少なくとも一部分が第３の画素を構成する第３の色膜１５と、第４の色膜１８と、が表面に形成された第１の基板２と、第２の基板２６と、第１の基板２と第２の基板２６に挟まれた液晶層２８と、を有し、第１の色膜１３と第２の色膜１４は、第１の画素と第２の画素の境界において互いに重なり合う第１の重畳部１６を有し、第４の色膜１８は、第１の重畳部１６の上に形成され、第１の基板２と第２の基板２６との間隔を規定するポストスペーサ２９を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、２枚のガラス等の透明基板で液晶層を挟み、かかる基板の一方に格子状に形成された電極（画素電極と呼ばれる）に電圧を加え、同じ基板若しくは他の基板に形成された電極（共通電極と呼ばれる）との間に電気力線を生じさせることにより、液晶の配向方向を変化させ、光線の透過率を制御している。一般にアクティブマトリックス型と呼ばれる液晶表示装置では、画素電極ごとに設けられたＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子により画素電極への導通を許可したり遮断したりすることで、画素電極と共通電極の間に所定の電圧を印加し、一定期間液晶の配向方向を保持する。

かかる液晶表示装置では、２枚の基板間の距離を一定に保つ必要があり、そのためにスペーサと呼ばれる部材が２枚の基板間に挿入される。古くは、このスペーサとして透明のビーズが用いられていたが、近年では、感光性樹脂を用いて、ポストスペーサ、フォトスペーサ、あるいは柱状スペーサと呼ばれる柱状の構造物を基板上に構築することが行われている。

ところで、液晶表示装置を製作する上で、製造工程数を減らしたり、使用する材料の種類を減らしたりすることができれば、その製造コストを削減することができる。そのため、前述のポストスペーサを、専用の工程及び材料を用いることなく作成する試みがなされている。

特許文献１には、カラーフィルタ層を形成する赤、青、緑の三種の材料をブラックマトリクス上に積層することによりポストスペーサを形成した液晶表示装置が記載されている。

特許文献２には、カラーフィルタ層を形成する赤、青、緑の三種の材料を積層することによりポストスペーサを形成した液晶表示装置が記載されている。同文献記載の発明においては、ポストスペーサの高さは、赤色膜の厚さを画素として機能する部分とポストスペーサとして機能する部分とで異ならしめることにより制御される。

特開２００２−６１３２号公報特開２００６−１１３２０４号公報

上記引用文献のように、カラーフィルタ層を形成する色膜を利用してポストスペーサを形成出来れば工程数、材料の種類を減らすことができるため有益であると考えられる。しかしながら、引用文献１記載の発明では、ポストスペーサの高さがカラーフィルタ層を形成する赤、青、緑の各色膜の厚さによって定まってしまうため、基板間の距離を任意に設定できない。また、引用文献２記載の発明では、赤色膜の厚さを膜中で異ならしめるために、露光を２度行う必要があり、工程数が増大し、またフォトマスクも余分に必要になる。

本発明はかかる観点に鑑みてなされたものであって、その目的は、工程数が少なく低コストで高さの制御が可能なポストスペーサを有する液晶表示装置を提供することである。

本出願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

（１）黒色でない色彩を有し、その一部分が第１の画素を構成する第１の色膜と、前記第１の色膜と異なる黒色でない色彩を有し、その一部分が前記第１の画素に隣接する第２の画素を構成する第２の色膜と、前記第１の色膜及び前記第２の色膜と異なる黒色でない色彩を有し、その少なくとも一部分が第３の画素を構成する第３の色膜と、前記第１の色膜及び前記第２の色膜と異なる黒色でない色彩を有する第４の色膜と、が表面に形成された第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板に挟まれた液晶層と、を有し、前記第１の色膜と前記第２の色膜は、前記第１の画素と前記第２の画素の境界において互いに重なり合う重畳部を有し、前記第４の色膜は、前記重畳部の上に形成され、前記第１の基板と前記第２の基板との間隔を規定するスペーサを構成する、液晶表示装置。

（２）（１）において、前記重畳部における前記第１の色膜と前記第２の色膜の厚さの和は、前記第１の画素における第１の色膜と前記第２の画素における第２の色膜の厚さの和より小さい液晶表示装置。

（３）（１）において、前記第４の色膜は、前記第３の色膜と同色である液晶表示装置。

（４）（１）において、前記第１の画素、前記第２の画素及び前記３の画素の上面には導電膜及び絶縁膜が形成され、前記第４の色膜の上面は前記第４の色膜が露出している液晶表示装置。

（５）（１）において、前記第１の基板上には、複数の走査信号線、複数の映像信号線及び各画素毎に設けられたスイッチング素子が形成されている液晶表示装置。

（６）（５）において、前記重畳部は、前記走査信号線又は前記映像信号線の上に重なるように設けられている液晶表示装置。

以上の本出願において開示される発明によれば、工程数が少なく低コストで高さの制御が可能なポストスペーサを有する液晶表示装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る液晶表示装置の回路配置を示す全体図である。第１の実施形態に係る液晶表示装置の画素部分の拡大図である。図２のＡ−Ａ線における断面図である。第２の実施形態に係る液晶表示装置の拡大断面図である。第３の実施形態に係る液晶表示装置の拡大断面図である。

以下本発明の第１の実施形態を図１〜３を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態に係る液晶表示装置１の回路配置を示す全体図である。本実施形態に係る液晶表示装置１は、格子状に多数の画素を有しており、ガラス等の透明基板である第１の基板２上に、同図に示す回路が形成されている。画素の数は、液晶表示装置１の解像度により異なるが、いわゆるＶＧＡの解像度を有するフルカラー表示の液晶表示装置１の場合、横方向に６４０ピクセル×３色の１９２０列、縦方向に４８０行の画素が配置されることになる。走査回路３からは、横方向に走査信号線４が、画素の各行に対応して設けられている。コモン信号線５は共通電極に与える電位を供給する信号線である。なお、コモン信号線５をどのように配置するかは、共通電極にどのような電位を与えるかに関連する。たとえば、画素の列毎に異なる電位を与える、いわゆるライン反転駆動と呼ばれる方式では、コモン信号線５も走査信号線４と同様に、画素の各行に対応して設けられる。また、全画素に共通の電位を与える面反転駆動と呼ばれる方式では、全ての共通電極を単に接続すればよいし、その他の方式ではコモン信号線をより複雑な配線とすることもありうる。本実施形態では、ライン反転駆動方式を採用したものとして図示したが、共通電極に電位を与える方式はいかなるものであってもよい。

一方、画素の縦方向には、分配回路６から延びる映像信号線７が画素の各列に対応して設けられている。分配回路６は、駆動回路８から入力される映像信号を各画素の色に応じて振り分ける回路である。より具体的には、駆動回路８から赤色に対応する映像信号が入力されているときは、分配回路６は赤色の画素に対応する映像信号線７のみを駆動回路８に接続し、他の映像信号線７は切断する。緑色、青色についても同様である。

駆動回路８は、外部機器から入力された映像の信号を基に、走査回路３及び分配回路６に入力すべき信号を生成する回路である。一般には、駆動回路８を形成したＩＣが用いられることが多いが、第１の基板２上に駆動回路８を直接形成してもかまわない。

走査信号線４と映像信号線７に囲まれた矩形の領域が各画素となっており、各画素には画素電極が形成され、各画素電極は対向する共通電極との間に形成される電気力線が液晶層を貫くように配置されている。従って、図１において、画素電極のそれぞれと共通電極との間には等価的に容量９（液晶容量、画素容量）が形成される。また、各画素にはＴＦＴ等のスイッチング素子１０が形成されており、そのゲートには走査信号線４が、またそのソースまたはドレインには映像信号線７が接続されている。映像信号線７をソースに接続するかドレインに接続するかは、スイッチング素子の種類に依存している。なお、容量９及びスイッチング素子１０については、煩雑となるのを避けるため、その参照符号を図中１か所のみ示した。

図２は、本実施形態に係る液晶表示装置１の画素部分の拡大図である。第１の基板２上に形成された走査信号線４及び映像信号線７に囲まれた画素内には、同図に示されたように櫛歯形状の画素電極１１が形成されており、同じく第１の基板２上に形成される図示されない共通電極と対向している。画素電極１１がこのような形状をしているのは、本実施形態に係る液晶表示装置１が液晶の駆動方式にＩＰＳ（Ｉｎ−ＰｌａｎｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ）と呼ばれる、横電界方式を採用しているためである。ＶＡ（ＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）やＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）と呼ばれる縦電界方式の液晶表示装置では、後述するように、画素電極が形成される基板を第１の基板とすると、共通電極は第２の基板に形成されるため、画素電極の形状は画素を覆う矩形でよい。

画素電極１１と映像信号線７は、コンタクトホール１２によりスイッチング素子１０に接続される。走査信号線４に所定の電圧が加えられると、スイッチング素子１０は画素電極１１と映像信号線７を導通させる。尚、図２において、スイッチング素子１０は半導体層３０を有する薄膜トランジスタで構成されている。半導体層３０は、例えばアモルファスシリコンや多結晶シリコン、微結晶シリコンで形成されている。

同図中破線で示した、縦方向に並ぶ複数の画素を覆っている領域は、カラーフィルタ層を形成する色膜である。本図では、左から、赤色膜である第１の色膜１３、緑色膜である第２の色膜１４及び青色膜である第３の色膜１５が形成されている。第１の色膜１３は、その端が映像信号線７の上にかかるように形成されている。また、第２の色膜１４もまた、その端が映像信号線７の上にかかるように形成されており、映像信号線７の上で、第１の色膜１３と第２の色膜１４が重なり合う第１の重畳部１６が形成される。第２の色膜１４と第３の色膜１５についても同様に、映像信号線７の上で互いに重なり合う第２の重畳部１７が形成される。言い換えるならば、第１の色膜１３はその一部分が赤色画素である第１の画素を形成し、他の一部分が映像信号線７の上に配置される。また、第２の色膜１４についても同様に、その一部分が緑色画素である第２の画素を形成し、他の一部分が映像信号線７の上に配置される。第３の色膜１５についても同様であり、その少なくとも一部分は青色画素である第３の画素を形成する。なお、ここで各色膜は映像信号線７に平行な方向に長く伸びるストライプ状の形状をしているが、これに限定されるものではない。さらに、第１の色膜１３と第２の色膜１４が重なり合う第１の重畳部１６には、とぎれとぎれにさらに第４の色膜１８が設けられている。第４の色膜１８は、第３の色膜１５と同色、すなわち、本実施形態では青である。

図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。第１の基板２上には、下地層１９が形成され、その上にスイッチング素子１０が形成される。走査信号線４の下層には、ゲート絶縁層２０が形成される。走査信号線４上層には、絶縁層２１、映像信号線７が形成されさらに絶縁層２２が形成される。なお、絶縁層２２や下地層１９は不要であれば省略してもよい。

本実施形態では、以上のスイッチング素子１０を含む層の上に、カラーフィルタ層が形成される、いわゆるＣＯＡ（ＣｏｌｏｒｆｉｌｔｅｒＯｎＡｒｒａｙ）の構造を採用している。すなわち、絶縁層２２の上に第１の色膜１３、第２の色膜１４及び第３の色膜１５が形成される。図中には第１の重畳部１６及び第２の重畳部１７も示されている。カラーフィルタ層の上には、共通電極２３、絶縁層２４、画素電極１１及び配向膜２５が形成される。また、第１の重畳部１６上には第４の色膜１８が示されている。カラーフィルタ層上には、共通電極２３、絶縁層２４及び配向膜２５が形成される。第１の基板２と対向する第２の基板２６の表面には、配向膜２７が形成され、第１の基板２との間に液晶層２８を挟んでいる。共通電極２３及び画素電極１１は、好ましくはＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）等の透明導電性薄膜により形成される。

第１の基板２と第２の基板２６とは、第１の重畳部１６上に形成された第４の色膜１８によってたがいに接触しており、その間隔が一定に保たれる。すなわち、第１の重畳部１６及び第４の色膜１８がポストスペーサ２９を形成しており、かかるポストスペーサ２９により第１の基板２と第２の基板２６との間隔ｄが規定される。

ところで、本実施形態では、赤色の第１の色膜１３、緑色の第２の色膜１４、そして青色の第３の色膜１５の順にカラーフィルタ層を形成しているため、図示したように、第２の色膜１４の一部は第１の色膜１３の上に重なり、第３の色膜１５の一部は第２の色膜１４の上に重なる。第４の色膜１８は、第３の色膜１５とつながってはいないが、第３の色膜１５を形成する際のフォトリソグラフィー工程において同時に形成される。したがって、第４の色膜１８は、第１の色膜１３及び第２の色膜１４の上に重なるように形成される。このとき、第４の色膜１８の厚さは、第３の色膜１５の厚さに略等しいため、ポストスペーサ２９の高さを制御するためには、第１の重畳部１６の厚さを制御しなければならない。そして、本願の発明者は、第１の重畳部１６の厚さは、第１の色膜１３及び第２の色膜１４を形成する際の条件を変えることによって制御可能であることを見出した。より具体的には、第１の色膜１３と第２の色膜１４が重なり合う幅、第１の色膜１３と第２の色膜１４をフォトリソグラフィーにより形成する際の露光時間や強度、現像液の濃度や温度、現像時間を変更することにより、第１の重畳部１６の厚みは変化する。すなわち、第１の色膜１３の画素部分の厚さをｔ_１、第２の色膜１４の画素部分の厚さをｔ_２とすると、第１の重畳部１６の厚みｔ_１２は単純なｔ_１とｔ_２の和ではない。なお、ｔ_１２をｔ_１とｔ_２の和より大きくすることはできないので、ｔ_１２はｔ_１とｔ_２の和以下もしくはそれより小さい値となる。以上のように、本実施形態では、第１の色膜１３の端と第２の色膜１４の端が重なり合う第１の重畳部１６上に第４の色膜１８を形成することにより、ポストスペーサ２９の高さを制御しているのである。なお、第１の重畳部１６の厚みｔ_１２は、平面視した際のポストスペーサ２９の中心点における厚みを意味するものとする。本実施形態の例では、ｔ_１、ｔ_２、第３の色膜１５の厚みｔ_３及び第４の色膜１８の厚みｔ_４はいずれもほぼ３μｍ程度であり、また、間隔ｄは液晶分子の動作特性を鑑み、ほぼ４μｍにする必要があることから、ｔ_１２はおおよそ４μｍとなるように制御されている。

なお、第４の色膜１８と第３の色膜１５の色を同色としているのは、第４の色膜１８を形成するための専用の工程を不要とするためである。また、第１〜４の色膜の色は一例であって、各色膜が黒色でなければどの色に対応していてもかまわない。

また、ポストスペーサ２９の頂部、すなわち、第４の色膜１８はその上面が露出しており、第２の基板２６側に直接接触している。これは、ポストスペーサ２９の頂部に共通電極２３、絶縁層２４や配向膜２５が形成されていると、液晶表示装置１に振動など外力が作用したときにかかる層が割れて剥離し、液晶層中に放出されてしまう恐れがあるためである。そのため、ポストスペーサ２９の頂部には共通電極２３、絶縁層２４や配向膜２５は形成されない。このような構造を作成するためには、例えば、画素電極１１と映像信号線７を接続するコンタクトホール１２（図２参照）をフォトリソグラフィーにより作成する際に、ポストスペーサ２９の頂部に形成された層を除去するようにすればよい。このようにすれば、特段工程を増やすことなく第４の色膜１８を露出させることができる。

ところで、第１の重畳部１６及び第２の重畳部１７では、異なる色の色膜が重なり合っているため光線の透過率が低く、それ自体ある程度の遮光性を有する。そこで、かかる第１の重畳部１６及び第２の重畳部１７をいわゆるブラックマトリクスの代用として用いることが可能である。本実施形態では、さらに、第１の重畳部１６及び第２の重畳部１７を、映像信号線７の上に重なるように配置している。映像信号線７は、アルミニウムなどの金属配線であるので、それ自体遮光性を有しているから、映像信号線７の上に第１の重畳部１６及び第２の重畳部１７を重ねるように配置することにより、実用上十分な遮光性が得られる。このようにすれば、当該箇所に別途ブラックマトリクスを形成せずに済み、製造工程が削減される。

続いて本発明の第２の実施形態を図４を参照して説明する。本実施形態は、第１の実施形態と異なり、いわゆるＣＯＡでなく、第１の基板上２にカラーフィルタ層が形成され、第２の基板上２６にスイッチング素子１０が形成される形式である。本実施形態に係る液晶表示装置１もまた、ＩＰＳ方式を採用している。なお、第１の実施形態で説明したと同様の対象には、同符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図４は、第２の実施形態に係る液晶表示装置１の拡大断面図である。同図は図３に対応した図となっている。本実施形態では、第１の基板２上にはカラーフィルタ層である第１の色膜１３、第２の色膜１４及び第３の色膜１５が形成されるとともに、第１の重畳部１６上に第４の色膜１８が形成されてポストスペーサ２９が作成されている。

第２の基板２６は、先の実施形態における第１の基板２上のカラーフィルタ層及びポストスペーサ２９が存在しない他は、第１の実施形態における第１の基板２と概ね同様である。すなわち、基板表面に走査信号線４及び映像信号線７が格子状に設けられ、各画素に対応してスイッチング素子１０が配置される。各層間には、適宜下地層１９、ゲート絶縁層２０、絶縁層２１，２２及び２４、共通電極２３及び配向膜２５が設けられる。

第１の基板２には、カラーフィルタ層である第１の色膜１３、第２の色膜１４及び第３の色膜１５、ポストスペーサ２９を形成する第４の色膜１８及び配向膜２７が設けられる。本実施形態においても、先の実施形態同様、第４の色膜１８は配向膜２７に覆われることなく露出している。

また、第１の重畳部１６及び第２の重畳部１７は、映像信号線７に対応した位置に設けられており、画素の境界における遮光性を確保している。

さらに、本発明の第３の実施形態を図５を参照して説明する。本実施形態は、第２の実施形態において液晶の駆動方式にＩＰＳでなく、ＶＡやＴＮなどの縦電界方式を用いたものである。本実施形態の説明においても、第１の実施形態で説明したと同様の対象には、同符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図５は、第３の実施形態に係る液晶表示装置１の拡大断面図である。同図に示すように、共通電極２３は第１の基板２のカラーフィルタ層上に設けられている。また、画素電極１１は第２の基板２６上に設けられるが、第１、第２の実施形態と異なり、その平面形状は櫛歯状でなく、画素のほぼ全面を覆う概ね矩形の形状となる。本実施形態においても、ポストスペーサ２９を形成する第４の色膜１８は、共通電極２３及び配向膜２７に覆われることなく露出している。その他の点については、第２の実施形態と同様である。

１液晶表示装置、２第１の基板、３走査回路、４走査信号線、５コモン信号線、６分配回路、７映像信号線、８駆動回路、９容量、１０スイッチング素子、１１画素電極、１２コンタクトホール、１３第１の色膜、１４第２の色膜、１５第３の色膜、１６第１の重畳部、１７第２の重畳部、１８第４の色膜、１９下地層、２０ゲート絶縁層、２１絶縁層、２２絶縁層、２３共通電極、２４絶縁層、２５配向膜、２６第２の基板、２７配向膜、２８液晶層、２９ポストスペーサ、３０半導体層。

Claims

黒色でない色彩を有し、その一部分が第１の画素を構成する第１の色膜と、
前記第１の色膜と異なる黒色でない色彩を有し、その一部分が前記第１の画素に隣接する第２の画素を構成する第２の色膜と、
前記第１の色膜及び前記第２の色膜と異なる黒色でない色彩を有し、その少なくとも一部分が第３の画素を構成する第３の色膜と、
前記第１の色膜及び前記第２の色膜と異なる黒色でない色彩を有する第４の色膜と、
が表面に形成された第１の基板と、
第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板に挟まれた液晶層と、
を有し、
前記第１の色膜と前記第２の色膜は、前記第１の画素と前記第２の画素の境界において互いに重なり合う重畳部を有し、
前記第４の色膜は、前記重畳部の上に形成され、前記第１の基板と前記第２の基板との間隔を規定するスペーサを構成する、
液晶表示装置。
前記重畳部における前記第１の色膜と前記第２の色膜の厚さの和は、前記第１の画素における第１の色膜と前記第２の画素における第２の色膜の厚さの和より小さいことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記第４の色膜は、前記第３の色膜と同色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。
前記第１の画素、前記第２の画素及び前記３の画素の上面には導電膜及び絶縁膜が形成され、前記第４の色膜の上面は前記第４の色膜が露出し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。
前記第１の基板上には、複数の走査信号線、複数の映像信号線及び各画素毎に設けられたスイッチング素子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。
前記重畳部は、前記走査信号線又は前記映像信号線の上に重なるように設けられていることを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。