JP2019184638A - 液晶表示装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】フリッカおよび最適Ｖｃｏｍのシフトが抑制されたＦＦＳモードの液晶表示装置を提供する。【解決手段】液晶表示装置（１００）は、アクティブマトリクス基板（１０）、対向基板（２０）および液晶層（３０）を備える。アクティブマトリクス基板は、初期配向方位を規定する配向膜（１３）と、フリンジ電界を生成する第１電極（１１）および第２電極（１２）とを有する。対向基板は、透明基板（２０ａ）と、透明基板の液晶層側に設けられた第３電極（２１）とを有する。第１電極は画素電極であり、第２電極は共通電極である。第３電極には、共通電極に印加される共通電圧Ｖｃｏｍとは異なる直流電圧Ｖｄが印加される。【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、ＦＦＳモードで表示を行う液晶表示装置に関する。また、本発明は、そのような液晶表示装置を備えた電子機器にも関する。

近年、スマートフォン用やタブレット用の液晶表示装置の表示モードとして、Fringe Field Switching（ＦＦＳ）モードが多く採用されている。ＦＦＳモードの液晶表示装置は、例えば特許文献１に開示されている。

ＦＦＳモードの液晶表示装置では、水平配向型の液晶層を挟持する一対の基板の一方に、フリンジ電界を生成するための一対の電極が設けられる。この一対の電極は、典型的には、複数のスリットが形成された画素電極と、絶縁層を介して画素電極の下に配置された共通電極である。画素電極と共通電極との間に電圧を印加すると、フリンジ電界が生成され、このフリンジ電界の配向規制力により、液晶分子の配向方向が変化する。

このように、ＦＦＳモードの液晶表示装置では、フリンジ電界を用いて液晶分子の配向状態が制御される。ＦＦＳモードでは、液晶分子が表示面に平行な面内で回転するので、高い視野角特性が得られる。

これまで、ＦＦＳモードの液晶表示装置の配向膜には、ラビング処理が行われることが多かったが、最近では、配向ムラの低減等のために光配向処理を行う（つまり配向膜として光配向膜を用いる）ことが提案されている。

また、液晶表示装置のアクティブマトリクス基板は、画素ごとにスイッチング素子として薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor；以下、「ＴＦＴ」）を備えている。このようなＴＦＴとして、酸化物半導体層を活性層として用いるＴＦＴ（以下、「酸化物半導体ＴＦＴ」と称する）が知られている。特許文献２には、ＩｎＧａＺｎＯ（インジウム、ガリウム、亜鉛から構成される酸化物）をＴＦＴの活性層に用いた液晶表示装置が開示されている。

酸化物半導体ＴＦＴは、アモルファスシリコンＴＦＴよりも高速で動作させることが可能である。また、酸化物半導体膜は、多結晶シリコン膜よりも簡便なプロセスで形成されるので、大面積が必要とされる装置にも適用できる。このため、酸化物半導体ＴＦＴは、製造工程数や製造コストを抑えつつ作製できる高性能なアクティブ素子として期待されている。

さらに、酸化物半導体ＴＦＴはオフリーク特性に優れているので、画像の書き換え頻度を低下させて表示を行う駆動方式を利用することもできる。例えば、静止画表示時などには、１秒に１回の頻度で画像データを書き換えるように動作させることができる。このような駆動方式は、休止駆動または低周波駆動などと呼ばれ、液晶表示装置の消費電力を大幅に削減することが可能である。

特開２００２−１８２２３０号公報 特開２０１２−１３４４７５号公報

ＦＦＳモードの液晶表示装置において、駆動周波数が低くなるほど（つまり１フレーム期間が長くなるほど）、フリッカが視認されやすくなるという問題がある。

また、本願発明者は、ＦＦＳモードの液晶表示装置用の光配向膜材料として、従来よりも比抵抗の高い材料の採用を検討した。検討した光配向膜材料は、コントラスト比や耐焼付き性、長期信頼性の向上の点で優れている。本願発明者の検討によれば、上述した光配向膜材料を用いると、液晶表示装置の使用中に最適な共通電圧Ｖｃｏｍ（以下では「最適Ｖｃｏｍ」とも呼ぶ）が大きくシフトするという新たな問題が発生することがわかった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、フリッカおよび最適Ｖｃｏｍのシフトが抑制されたＦＦＳモードの液晶表示装置を提供することにある。

本発明の実施形態による液晶表示装置は、アクティブマトリクス基板と、前記アクティブマトリクス基板に対向する対向基板と、前記アクティブマトリクス基板および前記対向基板の間に設けられた液晶層と、を備え、マトリクス状に配列された複数の画素を有する液晶表示装置であって、前記アクティブマトリクス基板は、前記液晶層に接するように設けられた配向膜であって、前記液晶層に電界が印加されていないときの液晶分子の配向方位である初期配向方位を規定する配向膜と、前記液晶分子を前記初期配向方位とは異なる方位に配向させるフリンジ電界を生成する第１電極および第２電極と、を有し、前記対向基板は、透明基板と、前記透明基板の前記液晶層側に設けられ、前記第１電極および前記第２電極に対向する第３電極と、を有し、前記第１電極は、前記複数の画素のそれぞれに設けられた画素電極であり、前記第２電極は、前記複数の画素に共通に設けられた共通電極であり、前記第３電極には、前記共通電極に印加される共通電圧Ｖｃｏｍとは異なる直流電圧Ｖｄが印加される。

ある実施形態において、前記直流電圧Ｖｄは、前記第３電極が前記直流電圧Ｖｄを印加されずに接地電位とされたときの最適共通電圧±０．５Ｖの範囲内に設定されている。

ある実施形態において、前記直流電圧Ｖｄは、前記第３電極が前記直流電圧Ｖｄを印加されずに接地電位とされたときの最適共通電圧と０Ｖとの間に設定されている。

ある実施形態において、前記直流電圧Ｖｄは、前記第３電極が前記直流電圧Ｖｄを印加されずに接地電位とされたときの最適共通電圧＋０．１５Ｖ以上で、且つ、前記第３電極が前記直流電圧Ｖｄを印加されずに接地電位とされたときの最適共通電圧＋０．３Ｖ以下の範囲内に設定されている。

ある実施形態において、前記直流電圧Ｖｄは、２５５階調の点灯画面で２４時間点灯後の最適共通電圧の変化量が５０ｍV以内となるように設定されている。

ある実施形態において、前記直流電圧Ｖｄは、駆動周波数が２４Ｈｚのときの１２８階調の点灯画面におけるフリッカレベルが−６０ｄＢ以下となるように設定されている。

ある実施形態において、前記液晶分子は、負の誘電異方性を有する。

ある実施形態において、前記配向膜は、光配向膜である。

ある実施形態において、前記光配向膜は、光異性化型、光分解型または光二量化型の光配向膜である。

ある実施形態において、前記液晶表示装置は、バックライトをさらに備え、前記バックライトが点灯しているときの前記光配向膜の比抵抗は、１×１０^１３Ω・ｃｍ以上である。

ある実施形態において、４０Ｈｚ以下の駆動周波数で駆動され得る。

ある実施形態において、前記画素電極は、絶縁層を介して前記共通電極上に設けられている。

ある実施形態において、前記絶縁層は、窒化シリコン層、酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を含む。

ある実施形態において、前記絶縁層は、前記窒化シリコン層、前記酸化シリコン層および前記酸化窒化シリコン層のうちの２層を含む積層構造を有する。

ある実施形態において、前記対向基板は、前記透明基板の前記液晶層側に設けられたカラーフィルタ層と、前記カラーフィルタ層を覆うオーバーコート層と、をさらに有し、前記第３電極は、前記オーバーコート層上に設けられており、前記透明基板側から前記カラーフィルタ層、前記オーバーコート層および前記第３電極がこの順に配置されている。

ある実施形態において、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極のそれぞれは、ＩＴＯまたはＩＺＯから形成されている。

ある実施形態において、前記アクティブマトリクス基板は、前記画素電極に電気的に接続されたＴＦＴをさらに有し、前記ＴＦＴは、酸化物半導体層を含む。

ある実施形態において、前記酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の半導体を含む。

ある実施形態において、前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の半導体は、結晶質部分を含む。

本発明の実施形態による電子機器は、上述したいずれかの構成を有する液晶表示装置を備える。

本発明の実施形態によると、フリッカおよび最適Ｖｃｏｍのシフトが抑制されたＦＦＳモードの液晶表示装置が提供される。

本発明の実施形態による液晶表示装置１００を模式的に示す断面図である。 試作例１の液晶表示装置８００を模式的に示す断面図である。 試作例２の液晶表示装置９００を模式的に示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ試作例１および２について、駆動周波数２４Ｈｚ、１２８階調の点灯画面における共通電圧Ｖｃｏｍとフリッカレベルとの関係を示すグラフ（最適Vｃｏｍを基準としている）である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ試作例１および２について、駆動周波数２４Ｈｚの場合の最適Vｃｏｍにおける１２８階調の点灯画面でのフリッカ波形を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ試作例１および２について、駆動周波数２Ｈｚの場合の最適Vｃｏｍにおける１２８階調の点灯画面でのフリッカ波形を示すグラフである。 （ａ）は、試作例３について、直流電圧Ｖｄの値を−1Ｖ、−０．5Ｖ、−０．３Ｖ、０Ｖ、＋０．5Ｖとした場合の駆動周波数２４Ｈｚ、１２８階調の点灯画面における共通電圧Ｖｃｏｍとフリッカレベルとの関係を示すグラフ（Ｖｄ＝０Ｖのときの最適Vｃｏｍを基準としている）であり、（ｂ）は、試作例３について、（各Ｖｄに対する）最適ＶｃｏｍにおけるフリッカレベルのＶｄ依存性を示すグラフである。 （ａ）〜（ｅ）は、試作例３について、駆動周波数２４Ｈｚの場合の各Ｖｄに対する最適Vｃｏｍにおける１２８階調の点灯画面でのフリッカ波形を示すグラフである。 （ａ）〜（ｅ）は、試作例３について、駆動周波数２Ｈｚの場合の各Ｖｄに対する最適Vｃｏｍにおける１２８階調の点灯画面でのフリッカ波形を示すグラフである。 Ｖｃｏｍシフト評価時に用いる２つの表示画面（１２８階調フレーム反転画面および２５５階調点灯画面）を示す図である。 試作例１、２、３Ａおよび３Ｂについて、Ｖｃｏｍシフトの評価結果を示すグラフである。 横軸を第３電極２１への印加電圧、縦軸をＶｃｏｍシフト量としたグラフである。 酸化物半導体ＴＦＴ５０を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１を参照しながら、本実施形態における液晶表示装置１００を説明する。図１は、液晶表示装置１００を模式的に示す断面図である。液晶表示装置１００は、ＦＦＳモードで表示を行う。

液晶表示装置１００は、図１に示すように、アクティブマトリクス基板１０と、アクティブマトリクス基板１０に対向する対向基板２０と、アクティブマトリクス基板１０および対向基板２０の間に設けられた液晶層３０と、アクティブマトリクス基板１０の背面側（観察者側とは反対側）に配置されたバックライト４０とを備える。また、液晶表示装置１００は、マトリクス状に配列された複数の画素を有する。図１には、１つの画素に対応する断面構造が示されている。

アクティブマトリクス基板（「ＴＦＴ基板」と呼ばれることもある）１０は、透明基板１０ａ、第１電極１１、第２電極１２および配向膜１３を有する。

透明基板１０ａは、例えばガラス基板やプラスチック基板である。第１電極１１、第２電極１２および配向膜１３は、透明基板１０ａの液晶層３０側に設けられており、透明基板１０ａによって支持されている。

配向膜１３は、液晶層３０に接するように設けられている（つまりアクティブマトリクス基板１０の液晶層３０側の最表面に位置している）。配向膜１３は、液晶分子の初期配向方位を規定する。初期配向方位は、液晶層３０に電界が印加されていないときの液晶分子の配向方位である。

第１電極１１および第２電極１２は、液晶分子を初期配向方位とは異なる方位に配向させるフリンジ電界を生成する。第１電極１１および第２電極１２は、それぞれ透明導電材料（例えばＩＴＯまたはＩＺＯ）から形成されている。

第１電極１１は、複数の画素のそれぞれに設けられた画素電極である。これに対し、第２電極１２は、複数の画素に共通に設けられた共通電極である。画素電極１１は、絶縁層１４を介して共通電極１２上に設けられている。絶縁層１４は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）層、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層または酸化窒化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ）層である。あるいは、絶縁層１４は、これらのうちの２層を含む積層構造を有してもよい。画素電極１１は、少なくとも１つ（ここでは２つ）のスリット１１ａを有する。画素電極１１および共通電極１２によって生成されるフリンジ電界の方向は、スリット１１ａが延びる方向に直交する方向である。

ここでは図示していないが、アクティブマトリクス基板１０は、さらに、画素ごとに設けられた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、ＴＦＴに走査信号（ゲート信号）を供給する走査配線（ゲート配線）およびＴＦＴに表示信号（ソース信号）を供給する信号配線（ソース配線）を有している。ＴＦＴのゲート電極、ソース電極およびドレイン電極に、走査配線、信号配線および画素電極１１がそれぞれ電気的に接続されている。ＴＦＴとして、酸化物半導体ＴＦＴを好適に用いることができる。酸化物半導体ＴＦＴ以外のＴＦＴを用いてもよい。

画素電極１１には、表示信号に対応した電圧（表示電圧）がＴＦＴを介して印加される。共通電極１２には、すべての画素に共通の電圧（共通電圧）Ｖｃｏｍが印加される。共通電圧Ｖｃｏｍは、フリッカの低減の観点から最適な値（最適Ｖｃｏｍ）に設定される。

対向基板（「カラーフィルタ基板」と呼ばれることもある）２０は、透明基板２０ａ、第３電極２１および配向膜２３を有する。

透明基板２０ａは、例えばガラス基板やプラスチック基板である。第３電極２１および配向膜２３は、透明基板２０ａの液晶層３０側に設けられており、透明基板２０ａによって支持されている。

配向膜２３は、液晶層３０に接するように設けられている（つまり対向基板２０の液晶層３０側の最表面に位置している）。配向膜２３は、アクティブマトリクス基板１０の配向膜１３と同様、液晶分子の初期配向方位を規定する。配向膜２３によって規定される液晶分子の配向方位は、配向膜１３によって規定される液晶分子の配向方位と平行または反平行である。

第３電極２１は、第１電極１１および第２電極１２に対向する。第３電極２１は、透明導電材料（例えばＩＴＯまたはＩＺＯ）から形成されている。第３電極２１は、表示領域全体にわたって形成された単一の（連続した）導電膜であってよい。

図示している例では、対向基板２０は、遮光層（ブラックマトリクス）２４、カラーフィルタ層２５、オーバーコート層２６および透明導電層２７をさらに有する。

遮光層２４およびカラーフィルタ層２５は、透明基板２０ａの液晶層３０側に設けられている。カラーフィルタ層２５は、例えば赤カラーフィルタ、緑カラーフィルタおよび青カラーフィルタを含む。

オーバーコート層２６は、遮光層２４およびカラーフィルタ層２５を覆っている。オーバーコート層２６は、例えば透明な樹脂材料から形成されている。オーバーコート層２６上に、第３電極２１が設けられている。

透明導電層２７は、透明基板２０ａの液晶層３０とは反対側に（観察者側に）設けられている。透明導電層２７は、透明導電材料（例えばＩＴＯまたはＩＺＯ）から形成されている。透明導電層２７により、静電気による帯電を防止することができる。透明導電層２７は、省略されてもよい。

液晶層３０は、本実施形態では、負の誘電異方性を有する液晶分子を含む。つまり、液晶層３０は、ネガ型の液晶材料から形成されている。液晶分子が負の誘電異方性を有する場合、フリンジ電界による配向規制力は、液晶分子の配向方向を、フリンジ電界の方向に直交する方位に近付くように変化させる。

液晶層３０の両側に配置された配向膜１３および２３は、それぞれ水平配向膜である。従って、液晶分子は、アクティブマトリクス基板１０および対向基板２０の表面に略平行に配向する。本実施形態では、配向膜１３および２３には、光配向処理が施されている。つまり、配向膜１３および２３は、光配向膜である。光配向膜は、異性化型、分解型、二量化型のいずれであってもよい。異性化型、分解型および二量化型の光配向膜は、それぞれ光照射により異性化反応、分解反応および二量化反応を生じる材料（そのような官能基を含む高分子）から形成されている。

バックライト４０は、表示に用いられる光を出射する。バックライト４０としては、公知の種々の照明装置を用いることができる。

なお、ここでは図示していないが、液晶表示装置１００は、少なくとも液晶層３０を介して互いに対向する一対の偏光板をさらに備える。一対の偏光板は、クロスニコルに配置されている。一対の偏光板の一方の透過軸は、液晶分子の初期配向方位に略平行であり、他方の透過軸は、初期配向方位に略直交する。

本実施形態の液晶表示装置１００では、第３電極２１には、共通電極１２に印加される共通電圧Ｖｃｏｍとは異なる直流電圧Ｖｄが印加される。図示している例では、第３電極２１および透明導電層２７に直流電源４０が接続されており、第３電極２１および透明導電層２７は直流電源４０から直流電圧を印加される。なお、本願明細書において「直流電圧を印加される」は、接地電位（０Ｖ）を与えられることを含意しない。

上述したように、液晶表示装置１００では、第３電極２１に共通電圧Ｖｃｏｍとは異なる直流電圧Ｖｄが印加される。これにより、フリッカや最適Ｖｃｏｍのシフト（以下では単に「Ｖｃｏｍシフト」と呼ぶこともある）を抑制することができる。以下、この理由を説明する。

ＦＦＳモードの一般的な液晶表示装置においては、アクティブマトリクス基板側のみに電極が設けられ、対向基板側には電極が存在しない。そのため、アクティブマトリクス基板と、対向基板とは、電気的に非対称であるといえる。また、画素電極と共通電極とは、その配置・形状が異なっており、電極間（画素電極と共通電極との間）でも電気的な非対称性が大きい。そのため、駆動に伴って極性が偏りやすく、そのことがＶｃｏｍシフトの要因となっている。さらに、ＦＦＳモードの電極構造の上述したような複雑性により、構造や材料のわずかな変更によっても電気的なバランスが崩れ、フリッカレベルが変わってしまう。

また、フリッカが視認されやすくなる要因として、電気的なバランスの崩れや信頼性の悪化（電圧保持率の低下）、フレクソエレクトリック効果等、いくつかの要因があるが、液晶層における縦電界の存在も１つの要因であると考えられる。ＦＦＳモードの一般的な液晶表示装置においては、対向基板側には電極が存在しないので、縦電界の大きさを制御することができず、対向基板の帯電等に対して不安定である。

本実施形態の液晶表示装置１００では、対向基板２０が透明基板２０ａの液晶層３０側に設けられた第３電極２１を有している。そのため、第３電極２１に直流電圧Ｖｄを印加することによって液晶層３０における縦電界の大きさを制御することができ、それによってフリッカを抑制することができる。また、後に詳述するように、第３電極２１に直流電圧Ｖｄを印加して縦電界の大きさを制御することにより、Ｖｃｏｍシフトも抑制することができる。

ここで、縦電界の制御によりフリッカおよびＶｃｏｍシフトが抑制されることを検証した結果を説明する。

まず、図２および図３に示す試作例１および２の液晶表示装置８００および９００を作製し、フリッカの評価を行った。

試作例１の液晶表示装置８００は、対向基板２０が第３電極２１を有していない点において、本実施形態の液晶表示装置１００と異なっている。また、試作例２の液晶表示装置９００は、直流電源４０を備えておらず、第３電極２１が接地電位を与えられる（ＧＮＤ接続されている）点において、液晶表示装置１００と異なっている。

試作例１および２の液晶表示装置８００および９００について、共通電圧Ｖｃｏｍを変化させながらフリッカレベル（ＪＥＩＴＡ値）を測定した。測定に際しては、全画素を１２８階調で点灯させ、駆動周波数を２４Ｈｚとした。なお、本願明細書における「Ｎ階調」は、０階調〜２５５階調で表示を行う場合（つまり２５６階調表示の場合）のＮ階調を指す。従って、「１２８階調」は、２５６階調表示における１２８階調を指し、「２５５階調」は、２５６階調表示における２５５階調（最高階調）を指す。フリッカレベルの測定は、コニカミノルタ株式会社製の光学特性評価装置ＣＡ−３１０を用いて行った。測定の際、試作例１および２の液晶表示装置８００および９００の対向基板２０の透明導電層２７には、図２および図３に示すように、接地電位を与えた。なお、試作例１および２の最適Ｖｃｏｍは、約−０．３４Ｖである。また、試作例１および２では、液晶層３０は、誘電率異方性Δεが−３．４のネガ型液晶材料から形成されており、配向膜１３および２３は、バックライト４０を点灯させたときの比抵抗が１×１０^１５Ω・ｃｍ以上の光配向膜である（後述する試作例３も同様）。

図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ試作例１および２について、横軸を共通電圧Ｖｃｏｍとし、縦軸をフリッカレベルの２４Ｈｚ成分としたグラフである。共通電圧Ｖｃｏｍとフリッカレベルの２４Ｈｚ成分との関係を示す曲線は、図４（ａ）に示すようなＷ字状（極小値をとる箇所が２箇所）か、または、図４（ｂ）に示すようなＶ字状（極小値をとる箇所が１箇所）である。Ｖ字状の場合、極小値をとる箇所の共通電圧Ｖｃｏｍが最適Ｖｃｏｍであり、Ｗ字状の場合、極小値をとる２箇所の間に存在する極大値をとる箇所の共通電圧Ｖｃｏｍが最適Ｖｃｏｍである。なお、図４（ａ）および（ｂ）では、最適Ｖｃｏｍを横軸の０としている（つまり最適Ｖｃｏｍを基準としたグラフである）。本願明細書では、最適Ｖｃｏｍにおけるフリッカレベルの２４Ｈｚ成分を、その液晶表示装置のフリッカレベルとみなす。

試作例１では、最適Ｖｃｏｍでのフリッカレベルが−６１．７９ｄＢであった。これに対し、試作例２では、最適Ｖｃｏｍでのフリッカレベルは−７１．６４ｄＢであった。つまり、試作例２では試作例１よりもフリッカレベルが１０ｄＢ程度改善している。このように、対向基板２０が第３電極２１を有することにより、フリッカレベルが改善され得ることが確認された。

次に、試作例１および２の液晶表示装置８００および９００について、全画素を１２８階調で点灯させ、フォトダイオードおよびオシロスコープを用いて、最適Ｖｃｏｍにおけるフリッカ波形を測定した。フリッカ波形の測定は、駆動周波数２４Ｈｚおよび２Ｈｚにおいて行った。

図５（ａ）および（ｂ）は、試作例１および２について、駆動周波数２４Ｈｚの場合の最適Ｖｃｏｍにおけるフリッカ波形を示すグラフである。また、図６（ａ）および（ｂ）は、試作例１および２について、駆動周波数２Ｈｚの場合の最適Ｖｃｏｍにおけるフリッカ波形を示すグラフである。

図５（ａ）と図５（ｂ）との比較、および、図６（ａ）と図６（ｂ）との比較から、試作例２では、試作例１よりもフリッカが改善していることがわかる。特に、試作例１の２Ｈｚ駆動時に見られる、極性反転直後の角状の輝度変化（図６（ａ）参照）が、比較例２では大幅に小さくなっていることがわかる（図６（ｂ）参照）。

次に、本実施形態の液晶表示装置１００を実際に作製し（試作例３）、フリッカの評価を行った。具体的には、第３電極２１に印加される直流電圧Ｖｄの値を−１Ｖ〜＋０．５Ｖの間で変化させ、各電圧値において、試作例１および２と同様にしてフリッカレベルおよびフリッカ波形を測定した。なお、第３電極２１に電圧を印加していないときの最適Ｖｃｏｍは、約−０．３４Ｖである。

図７（ａ）は、試作例３について、横軸を共通電圧Ｖｃｏｍとし、縦軸をフリッカレベル（２４Ｈｚ成分）としたグラフ（Ｖｄ＝０Ｖの場合の最適Vｃｏｍを基準としている）であり、直流電圧Ｖｄの値が−１Ｖ、−０．５Ｖ、−０．３Ｖ、＋０．５Ｖの場合を示している。なお、参考のために、第３電極２１が接地電位にある（つまりＶｄ＝０Ｖの）場合も併せて示している（図７（ｂ）についても同様である）。

図７（ａ）から、第３電極２１に印加される直流電圧Ｖｄを変化させることにより、フリッカレベルが系統的に変化することがわかる。

図７（ｂ）は、試作例３について、横軸を直流電圧Ｖｄとし、縦軸をフリッカレベル（２４Ｈｚ成分）としたグラフであり、各Ｖｄに対する最適ＶｃｏｍにおけるフリッカレベルのＶｄ依存性を示している。

図７（ｂ）からわかるように、フリッカレベルのＶｄ依存性を示す曲線は、Ｖｄが、第３電極２１に直流電圧Ｖｄを印加せずに接地電位としたときの最適Ｖｃｏｍ（約−０．３４Ｖ）である箇所を中心とした、Ｗ字状である。また、図７（ｂ）からわかるように、第３電極２１に印加される直流電圧Ｖｄを、第３電極２１に直流電圧Ｖｄを印加せずに接地電位としたときの最適Ｖｃｏｍ±０．５Ｖの範囲内に設定することにより、フリッカレベル（２４Ｈｚ駆動時の１２８階調の点灯画面におけるフリッカレベル）を−６０ｄＢ以下の良好なレベルにすることができる。

図８（ａ）〜（ｅ）は、試作例３について、駆動周波数２４Ｈｚの場合の各Ｖｄに対する最適Vｃｏｍにおけるフリッカ波形を示すグラフである。図９（ａ）〜（ｅ）は、試作例３について、駆動周波数２Ｈｚの場合の各Ｖｄに対する最適Vｃｏｍにおけるフリッカ波形を示すグラフである。図８（ｄ）および図９（ｄ）は、第３電極２１が接地電位にある（つまりＶｄ＝０Ｖの）場合であるが参考のために示している。

図８（ａ）〜（ｅ）および図９（ａ）〜（ｅ）から、第３電極２１に印加される直流電圧Ｖｄを変化させることにより、極性反転直後の角状の輝度変化の大きさが変わることがわかる。これは、縦電界の大きさに応じて生じている現象であると考えられる。そのため、第３電極２１への直流電圧Ｖｄの印加によって角状の輝度変化の大きさを制御することにより、フリッカレベルを小さく（好ましくは最小化）することが可能であると考えられる。

続いて、試作例１、２および３について、Ｖｃｏｍシフトの評価を行った。試作例３については、第３電極２１に印加される直流電圧Ｖｄを−０．３４Ｖ、−０．１３Ｖの２つの値に設定して評価を行った（以下ではそれぞれ試作例３Ａ、３Ｂと呼ぶ）。

Ｖｃｏｍシフトの評価は、以下の手順により行う。
（１）モジュール（液晶表示装置）を点灯させ、試作例３Ａ、３Ｂについては、直流電源４０の電圧設定値を所望の値に設定し、第３電極２１への直流電圧Ｖｄの印加を行う。
（２）モジュールの表示画面を、図１０の左側に示すような、駆動周波数６０Ｈｚ、１２８階調のフレーム反転画面に切り替える。
（３）光学特性評価装置ＣＡ−３１０を用いて、モジュールの表示画面中央のフリッカレベルを、共通電圧Ｖｃｏｍの設定値（Ｖｃｏｍ設定値）を変化させながら測定する。フリッカレベルが最小となったときのＶｃｏｍ設定値を、最適Ｖｃｏｍとみなす。
（４）モジュールの表示画面を、駆動周波数６０Ｈｚ、２５５階調の点灯画面に切り替え、一定時間放置（エージング）する。このとき、Ｖｃｏｍ設定値は、エージング開始直前の最適Ｖｃｏｍに合わせておく。
（５）点灯画面で一定時間経過後、（２）および（３）を行い、その時間における最適Ｖｃｏｍを決定する。
（６）以降、（４）および（５）を繰り返す。

図１１に、Ｖｃｏｍシフト量（エージング開始直前の最適Ｖｃｏｍを基準としたときの、最適Ｖｃｏｍの変化量）の評価結果を示す。図１１からわかるように、試作例１では、２４時間点灯後に８０ｍＶ程度、９６時間点灯後に９０ｍＶ程度のＶｃｏｍシフトが生じている。これに対し、第３電極２１を有する試作例２、３Ａおよび３ＢのＶｃｏｍシフトの挙動は、試作例１とは異なっており、第３電極２１に印加されている電圧に応じてＶｃｏｍシフトの挙動が変化している。特に、第３電極２１に印加される直流電圧Ｖｄが−０．１３Ｖの場合（試作例３Ｂ）、１６８時間までのＶｃｏｍシフト量は２０ｍＶ程度に抑えられており、第３電極２１への直流電圧Ｖｄの印加によってＶｃｏｍシフトの挙動を制御し得ることがわかる。また、試作例２、３Ａおよび３Ｂの比較から、Ｖｃｏｍシフトの抑制の観点からは、第３電極２１に印加される直流電圧Ｖｄは、０Ｖと第３電極２１に直流電圧Ｖｄを印加せずに接地電位としたときの最適Ｖｃｏｍ（ここでは約−０．３４Ｖ）との間に設定されていることが好ましいことがわかる。

図１２は、横軸を第３電極２１への印加電圧、縦軸をＶｃｏｍシフト量としたグラフである。図１２には、第３電極２１への印加電圧が−０．３４Ｖ、−０．１３Ｖ、０Ｖの場合のＶｃｏｍシフト量のうち、２４時間後および９６時間後の値がプロットされている。また、Ｖｃｏｍシフト量は、第３電極２１への印加電圧に対して概ね線形性を有しており、図１２には、２４時間後および９６時間後のそれぞれのデータを線形近似したものも点線で示されている。

Ｖｃｏｍシフトは、フリッカの悪化や焼付きの悪化等の原因となるが、Ｖｃｏｍシフト量が±５０ｍＶ以内に収まっていれば（図１２中の「Ｖｃｏｍシフト許容領域」内であれば）、その懸念は小さいと考えられる。図１２では、２４時間後および９６時間後のＶｃｏｍシフト量がともに±５０ｍＶ以内に収まるような電圧範囲は、−０．１９Ｖ以上−０．０４Ｖ以下の範囲（図１２中の「Ｖｃｏｍシフト抑制範囲」）である。ここで、評価に用いたモジュールでは、第３電極２１に電圧が印加されていないときの最適Ｖｃｏｍが約−０．３４Ｖであるので、Ｖｃｏｍシフト量が±５０ｍＶ以内に収まる電圧範囲は、［最適Ｖｃｏｍ＋０．１５Ｖ］以上［最適Ｖｃｏｍ＋０．３Ｖ］以下の範囲である。そのため、Ｖｃｏｍシフトの抑制の観点からは、第３電極２１に印加される直流電圧Ｖｄは、第３電極２１に直流電圧Ｖｄを印加せずに接地電位としたときの最適Ｖｃｏｍ＋０．１５Ｖ以上で、且つ、第３電極２１に直流電圧Ｖｄを印加せずに接地電位としたときの最適Ｖｃｏｍ＋０．３Ｖ以下の範囲内に設定されていることが好ましいといえる。

上述したように、本発明の実施形態によれば、フリッカおよび最適Ｖｃｏｍのシフトが抑制されたＦＦＳモードの液晶表示装置を提供することができる。

なお、ここでは、液晶層３０の液晶分子が負の誘電異方性を有する（つまり液晶層３０がネガ型の液晶材料から形成されている）場合を例示したが、液晶層３０の液晶分子が正の誘電異方性を有していても（つまり液晶層３０がポジ型の液晶材料から形成されていても）よい。

本発明の実施形態は、配向膜として光配向膜を備えた液晶表示装置に用いる意義が大きく、特に、比抵抗が大きい光配向膜を備えた液晶表示装置に用いる意義が大きい。比抵抗が大きい光配向膜を用いた場合に、Ｖｃｏｍシフトが顕著になりやすいからである。具体的には、バックライトが点灯しているときの光配向膜の比抵抗が１×１０^１３Ω・ｃｍ以上である場合に、本発明の実施形態を用いる意義が大きい。

また、本発明の実施形態は、フリッカ悪化の抑制という観点から、比較的低い駆動周波数で駆動される場合に用いる意義が大きく、具体的には、駆動周波数４０Ｈｚ以下で駆動される場合に用いる意義が大きい。

本発明の実施形態による液晶表示装置は、スマートフォンやタブレット等の種々の電子機器に好適に用いられる。

＜酸化物半導体＞
酸化物半導体ＴＦＴは、活性層として酸化物半導体層を含む。酸化物半導体層に含まれる酸化物半導体は、アモルファス酸化物半導体であってもよいし、結晶質部分を有する結晶質酸化物半導体であってもよい。結晶質酸化物半導体としては、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、ｃ軸が層面に概ね垂直に配向した結晶質酸化物半導体などが挙げられる。

酸化物半導体層は、２層以上の積層構造を有していてもよい。酸化物半導体層が積層構造を有する場合には、酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層と結晶質酸化物半導体層とを含んでいてもよい。あるいは、結晶構造の異なる複数の結晶質酸化物半導体層を含んでいてもよい。また、複数の非晶質酸化物半導体層を含んでいてもよい。酸化物半導体層が上層と下層とを含む２層構造を有する場合、上層に含まれる酸化物半導体のエネルギーギャップは、下層に含まれる酸化物半導体のエネルギーギャップよりも大きいことが好ましい。ただし、これらの層のエネルギーギャップの差が比較的小さい場合には、下層の酸化物半導体のエネルギーギャップが上層の酸化物半導体のエネルギーギャップよりも大きくてもよい。

非晶質酸化物半導体および上記の各結晶質酸化物半導体の材料、構造、成膜方法、積層構造を有する酸化物半導体層の構成などは、例えば特開２０１４−００７３９９号公報に記載されている。参考のために、特開２０１４−００７３９９号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。

酸化物半導体層は、例えば、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎのうち少なくとも１種の金属元素を含んでもよい。本実施形態では、酸化物半導体層１８は、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の半導体（例えば酸化インジウムガリウム亜鉛）を含む。ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の半導体は、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｚｎ（亜鉛）の三元系酸化物であって、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎの割合（組成比）は特に限定されず、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２等を含む。このような酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の半導体を含む酸化物半導体膜から形成され得る。

Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の半導体は、アモルファスでもよいし、結晶質でもよい。結晶質Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の半導体としては、ｃ軸が層面に概ね垂直に配向した結晶質Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の半導体が好ましい。

なお、結晶質Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の半導体の結晶構造は、例えば、上述した特開２０１４−００７３９９号公報、特開２０１２−１３４４７５号公報、特開２０１４−２０９７２７号公報などに開示されている。参考のために、特開２０１２−１３４４７５号公報および特開２０１４−２０９７２７号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体層を有するＴＦＴは、高い移動度（ａ−ＳｉＴＦＴに比べ２０倍超）および低いリーク電流（ａ−ＳｉＴＦＴに比べ１００分の１未満）を有しているので、駆動ＴＦＴ（例えば、複数の画素を含む表示領域の周辺に、表示領域と同じ基板上に設けられる駆動回路に含まれるＴＦＴ）および画素ＴＦＴ（画素に設けられるＴＦＴ）として好適に用いられる。

酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体の代わりに、他の酸化物半導体を含んでいてもよい。例えばＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系半導体（例えばＩｎ_２Ｏ_３−ＳｎＯ_２−ＺｎＯ；ＩｎＳｎＺｎＯ）を含んでもよい。Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系半導体は、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）およびＺｎ（亜鉛）の三元系酸化物である。あるいは、酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｚｎ−Ｔｉ−Ｏ系半導体、Ｃｄ−Ｇｅ−Ｏ系半導体、Ｃｄ−Ｐｂ−Ｏ系半導体、ＣｄＯ（酸化カドミウム）、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｎ−Ｏ系半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系半導体、Ｚｒ−Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｈｆ−Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ系半導体などを含んでいてもよい。

酸化物半導体ＴＦＴの構成の一例を図１３に示す。図１３に示す酸化物半導体ＴＦＴ５０は、ゲート電極５１、ゲート絶縁層５２、酸化物半導体層５３、ソース電極５４およびドレイン電極５５を有する。なお、図１３に示す酸化物半導体ＴＦＴ５０は、「チャネルエッチ型」であるが、酸化物半導体ＴＦＴは「エッチストップ型」であってもよい。

＜チャネルエッチ＞
「チャネルエッチ型のＴＦＴ」では、例えば図１３に示されるように、チャネル領域上にエッチストップ層が形成されておらず、ソースおよびドレイン電極のチャネル側の端部下面は、酸化物半導体層の上面と接するように配置されている。チャネルエッチ型のＴＦＴは、例えば酸化物半導体層上にソース・ドレイン電極用の導電膜を形成し、ソース・ドレイン分離を行うことによって形成される。ソース・ドレイン分離工程において、チャネル領域の表面部分がエッチングされる場合がある。

＜エッチストップ＞
一方、チャネル領域上にエッチストップ層が形成されたＴＦＴ（エッチストップ型ＴＦＴ）では、ソースおよびドレイン電極のチャネル側の端部下面は、例えばエッチストップ層上に位置する。エッチストップ型のＴＦＴは、例えば酸化物半導体層のうちチャネル領域となる部分を覆うエッチストップ層を形成した後、酸化物半導体層およびエッチストップ層上にソース・ドレイン電極用の導電膜を形成し、ソース・ドレイン分離を行うことによって形成される。

本発明の実施形態によると、フリッカおよび最適Ｖｃｏｍのシフトが抑制されたＦＦＳモードの液晶表示装置が提供される。

１０ アクティブマトリクス基板（ＴＦＴ基板）
１０ａ 透明基板
１１ 第1電極（画素電極）
１２ 第2電極（共通電極）
１３ 配向膜
１４ 絶縁層
２０ 対向基板（カラーフィルタ基板）
２０ａ 透明基板
２１ 第3電極
２３ 配向膜
２４ 遮光層
２５ カラーフィルタ層
２６ オーバーコート層
２７ 透明導電層
３０ 液晶層
４０ 直流電源
５０ 酸化物半導体ＴＦＴ
５１ ゲート電極
５２ ゲート絶縁層
５３ 酸化物半導体層
５４ ソース電極
５５ ドレイン電極
１００ 液晶表示装置

Claims (20)

1. アクティブマトリクス基板と、
   前記アクティブマトリクス基板に対向する対向基板と、
   前記アクティブマトリクス基板および前記対向基板の間に設けられた液晶層と、
   を備え、
   マトリクス状に配列された複数の画素を有する液晶表示装置であって、
   前記アクティブマトリクス基板は、
   前記液晶層に接するように設けられた配向膜であって、前記液晶層に電界が印加されていないときの液晶分子の配向方位である初期配向方位を規定する配向膜と、
   前記液晶分子を前記初期配向方位とは異なる方位に配向させるフリンジ電界を生成する第１電極および第２電極と、
   を有し、
   前記対向基板は、
   透明基板と、
   前記透明基板の前記液晶層側に設けられ、前記第１電極および前記第２電極に対向する第３電極と、
   を有し、
   前記第１電極は、前記複数の画素のそれぞれに設けられた画素電極であり、
   前記第２電極は、前記複数の画素に共通に設けられた共通電極であり、
   前記第３電極には、前記共通電極に印加される共通電圧Ｖｃｏｍとは異なる直流電圧Ｖｄが印加される液晶表示装置。
2. 前記直流電圧Ｖｄは、前記第３電極が前記直流電圧Ｖｄを印加されずに接地電位とされたときの最適共通電圧±０．５Ｖの範囲内に設定されている請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記直流電圧Ｖｄは、前記第３電極が前記直流電圧Ｖｄを印加されずに接地電位とされたときの最適共通電圧と０Ｖとの間に設定されている請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 前記直流電圧Ｖｄは、前記第３電極が前記直流電圧Ｖｄを印加されずに接地電位とされたときの最適共通電圧＋０．１５Ｖ以上で、且つ、前記第３電極が前記直流電圧Ｖｄを印加されずに接地電位とされたときの最適共通電圧＋０．３Ｖ以下の範囲内に設定されている請求項１から３のいずれかに記載の液晶表示装置。
5. 前記直流電圧Ｖｄは、２５５階調の点灯画面で２４時間点灯後の最適共通電圧の変化量が５０ｍV以内となるように設定されている請求項１から４のいずれかに記載の液晶表示装置。
6. 前記直流電圧Ｖｄは、駆動周波数が２４Ｈｚのときの１２８階調の点灯画面におけるフリッカレベルが−６０ｄＢ以下となるように設定されている請求項１から５のいずれかに記載の液晶表示装置。
7. 前記液晶分子は、負の誘電異方性を有する請求項１から６のいずれかに記載の液晶表示装置。
8. 前記配向膜は、光配向膜である請求項１から７のいずれかに記載の液晶表示装置。
9. 前記光配向膜は、異性化型、分解型または二量化型の光配向膜である請求項８に記載の液晶表示装置。
10. バックライトをさらに備え、
    前記バックライトが点灯しているときの前記光配向膜の比抵抗は、１×１０^１３Ω・ｃｍ以上である請求項８または９に記載の液晶表示装置。
11. ４０Ｈｚ以下の駆動周波数で駆動され得る請求項１から１０のいずれかに記載の液晶表示装置。
12. 前記画素電極は、絶縁層を介して前記共通電極上に設けられている請求項１から１１のいずれかに記載の液晶表示装置。
13. 前記絶縁層は、窒化シリコン層、酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層を含む請求項１２に記載の液晶表示装置。
14. 前記絶縁層は、前記窒化シリコン層、前記酸化シリコン層および前記酸化窒化シリコン層のうちの２層を含む積層構造を有する請求項１３に記載の液晶表示装置。
15. 前記対向基板は、
    前記透明基板の前記液晶層側に設けられたカラーフィルタ層と、
    前記カラーフィルタ層を覆うオーバーコート層と、
    をさらに有し、
    前記第３電極は、前記オーバーコート層上に設けられており、
    前記透明基板側から前記カラーフィルタ層、前記オーバーコート層および前記第３電極がこの順に配置されている請求項１から１４のいずれかに記載の液晶表示装置。
16. 前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極のそれぞれは、ＩＴＯまたはＩＺＯから形成されている請求項１から１５のいずれかに記載の液晶表示装置。
17. 前記アクティブマトリクス基板は、前記画素電極に電気的に接続されたＴＦＴをさらに有し、
    前記ＴＦＴは、酸化物半導体層を含む請求項１から１６のいずれかに記載の液晶表示装置。
18. 前記酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の半導体を含む請求項１７に記載の液晶表示装置。
19. 前記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の半導体は、結晶質部分を含む、請求項１８に記載の液晶表示装置。
20. 請求項１から１９のいずれかに記載の液晶表示装置を備えた電子機器。

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