JP2586195C

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Publication number: JP2586195C
Authority: JP
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Publication date: 1999-04-12

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、カラー画像表示、カラーグラフィック表示に適したカラー液晶表示
体に関するものである。従来液晶表示体の多色カラー表示化は、次の点で実現が不可能であった。１つは液晶パネル自体の構成ドット数、又はライン数が上げられなかった。通
常行なわれているダイナミック駆動は１／１６デューティが限界であり、せいぜ
い１６ラインを実現することがせい一杯である。一方カラー表示はその性質上少
なくとも１００ラインないと、意味がなく、このためには１／１００デューティ
での液晶駆動が実現しなければならない。２つには、液晶の多色カラー表示手段自体優れたものがなかった。ゲストホス
ト液晶の如くの色素を混入させて発色させる方式があるが、これは一つの基板内
に多色を発生させることは非常にむずかしい。又何色かのパネルを重ね合わせる
方法があるが、これは構成上高価なものになるし、又何層にもなり彩やかな色を
出すこと自体不可能である。又、光のにじみはシャッタが開いて光が透過すると
きに生じる。例えば、赤のフィルタに対応するシャッタのみが開いているとき、
その両側にある青、緑のフィルタのはしに光がまわり込んで赤のフィルタのシャ
ッタから光が漏れるという問題があり、色再現性を低下させるという問題を有し
ていた。以上のような理由で、液晶の多色カラー表示パネルは実現がむずかしかった。従って本発明の目的は、以上の欠点を改善することにより容易に多色カラー表
示パネルを実現する手段を提供することにあり、主な目的は、隣接するシャッタ
からの光漏れを防止することを目的とする。本発明の液晶表示装置は、一対の基板間に液晶物質が封入され、一方の該基板
上にはマトリクス状に配列されてなる画素電極が配置されてなり、他方の該基板
上には該画素電極の各々に対応して配列されてなるカラーフィルタを有してなる
液晶表示装置において、前記画素電極側から入射され、前記画素電極によって制御された光が、当該画
素電極に対応するカラーフィルタを透過するように、該画素電極の一画素あたり
の面積より該画素電極に対応する該カラーフィルタの面積が大きく、かつ前記カ
ラーフィルタは前記画素電極を包含するように配置されてなることを特徴とする
。第１図は本発明の基本的な構成例である。まずガラス基板１上にカラーフィル
タを形成する。例えば赤フィルタ８と緑フィルタ９と青フィルタ１０がモザイク
状又はストライプ状に形成されている。この上部にＳｉＯ₂等の保護膜６を形成して、その上部に液晶駆動電極となる
透明電極５を形成する。反対側の対向電極はガラス基板２上に、アクティブマト
リックス用のスイッチング素子や、非線形素子の配列されている素子層３（図面
は簡略化して示している。）を形成し、その上部に、カラーフィルタの各ドット
に対応した透明駆動電極層４を形成する。次にこの２つのガラス基板１，２を向い合わせて、周辺をシールして液晶７を
封入する。この表示パネルを透過型で用いる場合はガラス基板１の下に偏光板を
介して下方から光を導入し、液晶体としては黒色系のネガ型のゲストホスト液晶
を用いる。各色のフィルタ部８，９，１０に対応した駆動電極４が開閉し、所定
の色に応じた波長の光を透過させる。又駆動電極４のすき間は光を透過させないようにするためにネガ型のゲストホ
ストを用いて黒色を常に保持させておく。この結果液晶の黒色を呈する部分（液
晶がＯＦＦしている部分）は光が透過せず、又液晶が透明となった部分（ＯＮし
ている部分）に対応する光フィルタにあった波長の光が透過し、三原色の組み合せにより、グラフィック表示として７色が表示できる。又液晶の駆動を完全にＯ
Ｎ−ＯＦＦでなく、中間調、即ち液晶体が半透明になる状態をコントロールして
階調表示機能を付加すると、全ての色が様々な輝度で実現でき、カラー画像表示
を実現できる。以上が本発明の１つの例であるが、次に他の構成例を示すために各部の構造を
説明する。第２図は光カラーフィルタの構成例を示す。透明ガラス基板２０上にポリビニ
ルアルコールやゼラチン等の水溶性有機樹脂層を形成し、この上に所定のフィル
タ配列になるようなパターンに黒、赤、青、緑の色素を印刷して、前記有機樹脂
層に染色させる。この結果液晶のシャッタ部分に対応して赤部２２、青部２３、緑部２４の各色
フィルタが形成されると同時に、透過光に対するフィルタの境界での色のにじみ
を防止する意味で、各色フィルタの境界は黒色の色系により染色し、黒色枠２１
を形成する。この黒色枠２１は、液晶がポジタイプの時は、シャッタのすき間を
光が透過しないようにする意味で不可欠である。又ネガタイプの液晶の場合も黒色枠があると光のにじみを減少させる働きをす
る。又ネガタイプの液晶の場合色素の横方向の染色度が強い場合、この黒色枠２
１は黒色素でなく、染色を防止する物質を混入させることもできる。更に上部に
透明保護被膜２５をつけて、その上に液晶駆動電極となる導電性透明膜２６を形
成し、必要なパターンにフォトエッチングして下方電極ができ上がる。又フィルタに用いる色素が透明性導電膜の形成時に減色したり、ダメージを受
ける場合もある。この時は第３図の如くガラス基板３０上のフィルタ膜３１に保
護膜３４をつける。又薄板ガラスかプラスチックフィルム３２上に別に透明導電膜３３を形成し、
ガラス基板３０と接着してもよい。第４図は本発明に用いる上方基板に作成するアクテイブマトリックスの構造例
である。この方式の特徴は駆動デューティが１００以上は簡単に達成できること
と、階調表示が簡単に達成できることにある。この例はバイレックスや石英等の
比較的融点の高い透明ガラス基板上にＳｉの薄膜トランジスタを作成するものであり、通常のＳｉ単結晶ウエハ上のアクテイブマトリックスに比し透明性基板上
に比較的簡単に構成できることが特徴である。第４図（イ）はマトリックスの１画素（１ドット）のセル４１を示す平面図で
ある。ゲートライン（Ｙ選択線）４４はトランジスタ４９のゲートに、データ線
（Ｘライン）４３はコンタクトホール４７を介してトランジスタ４９のソースに
、又液晶駆動電極４２はコンタクトホール４６を介してトランジスタ４７のドレ
インに接続されている。又グランドライン４５は液晶駆動電極４２との間で電荷
保持用の容量４８を構成する。第４図（ロ）はこのセル４１の等価回路であり、トランジスタ４９がＯＮした
時、データ線４３を介して入力された電圧が、電荷保持容量４８又は液晶駆動電
極４２と対向電極間の容量により電荷として保持される。従ってトランジスタや
液晶のリーク電流が少ないので、かなり長い間電荷が保持されるので原理的にデ
ューティは（保持時間）／（電荷の書き込みに必要な時間）となり実際には１０
０００以上となる。又液晶駆動電極の面積が大きいと保持容量４８は不要となる
。第４図（ハ）は（イ）におけるＡ−Ｂ間の断面図である。透明基板４０上にチ
ャネルとなる第１層目のＳｉ薄膜を減圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等により形
成し、パターニングの後に表面にＳｉ層を酸化した酸化膜を形成しその後第２層
目のＳｉ層を形成しゲートライン、ＧＮＤラインのパターニングをして、前記パ
ターンをマスクに更に酸化膜をエッチングして、ゲート絶縁膜５１、ゲート電極
５０をなす。その後ゲート電極５０をマスクに全体にＰイオンを打込みＮ型層を
形成し、トランジスタのリース５３、チャネル５５、ドレイン５４ができる。そ
の後酸化膜５２を形成し、コンタクトホールをあけてから透明導電性膜をつけて
、パターニングして、データ線４３と駆動電極４２が形成される。この結果液晶駆動電極が光シャッタの役割をし、この電極位置に対応するフィ
ルタの色が透過したり、遮ぎられたりする。又データ線に入力する電圧のレベル
により、液晶の光の透過率を連続的に変化させられるので、いわゆる階調表示が
可能になり、３原色に重みをつけて加色混合できるので、全ての色を再現できる
という大きな利点がある。又駆動デューティは点順次方式でも可能な位に非常に
高くできるので、５００×５００のドットによる完全カラー画像が実現できる。本発明における液晶の駆動デューティを改善する手段として、更に非線形素子
を介して液晶を駆動することにある。第５図、第６図は非線形素子の構成例であ
る。第５図は金属−絶縁物−金属（ＭＩＭ）素子の構成例である。マトリックスセ
ル６１はＸ駆動ライン５８からＭＩＭ素子６２を介して駆動電極５７を駆動する
構成である。（ロ）は（イ）の断面であり例えばＴａ膜をスパッタ後パターニン
グしてＴａ膜５８を形成し、その表面を３００Å〜５００Å陽極酸化する。その
後上部電極となるＴａ膜をスパッタ後パターニングしてＴａ層６０を形成、更に
透明駆動電極５７を形成する。第６図は２つのダイオードを向い合わせて、直列に接続した例であり、Ｘ駆動
ライン６６よりＮ（Ｐ）型域６７，Ｐ（Ｎ）型域６８，Ｎ（Ｐ）型域６９を介し
て液晶駆動電極６５に接続される。（ロ）は（イ）の断面図であり、透明基板６
３上にＳ１層の島を形成後、イオン打込みによりＮ型（Ｐ）域６７，６９とＰ型
（Ｎ）域６８を形成し更に透明導電性膜を形成し、Ｘ駆動ライン６６と液晶駆動
電極６５をなす。このようにして形成された非線形素子は第７図に示すようなＶ−Ｉ特性となり
、ある電圧から急に電流が増加する。この非線形素子を介して液晶のセルを駆動すると第８図の如くの等価回路とな
る。非線形素子８０は非線形抵抗ＲＭと容量ＣＭで又液晶８１は等価抵抗ＲＬと
容量ＣＬにより表現できる。液晶を点灯させる時はＶＴＨより高い電圧を印加す
るとＲＭは低抵抗となりＶＭはほとんどＶＤと等しくなり、印加された電圧は殆
んど液晶にかかる。その後電圧がＶＴＨより下がるとＲＭは非常に高くなり、Ｖ
Ｍは容量ＣＬにより印加されたＯＮ電圧が保持されてＣＬとＲＬの時定数で放電
する。又液晶非点灯時はＶＴＨ以下の電位しかかからないのでＶＭはほとんど０
電位となる。従って第４図のアクティブマトリックス同様に点灯させる電圧がＶＭとして容
量ＣＬに保持されるのでデューティを大きくすることができる。この場合も同様
に第５図５７、第６図６５の液晶駆動電極が、カラーフィルタに対応して、光に
対するシャッタの役割をする。又この非線形素子の特徴は構造が簡単なことにあり、駆動の方法は従来の単純
な１／８や１／１６のダイナミック駆動方式と同じでよい。又この方式はグラフ
ィック表示に適しているが、階調表示も可能である。１つはアクティブマトリッ
クス同様にＸラインから印加する電圧レベルを連続的になるように設定する方法
であり、もう１つは時間的に分割して駆動する方式である。本発明に使用されるスイッチング素子や非線形素子はガラス基板上に構成され
て、上部の液晶駆動電極となり、又フィルタが構成されたもう一方のガラス基板
は下部の液晶駆動電極を構成する。これは第２図の如く、フィルタ上に直接素子
を形成することは、フィルタの特性を劣化させるのみでなく、歩留りを低下させ
る要因となるからである。これを逃れるためには、第３図の如く薄板ガラス３２
上の素子を構成して、下のフィルタ部と接着して下方電極となす方法と、ガラス
基板上に先にスイッチング素子又は非線形素子を構成してその後にフィルタ層を
形成する方法がある。第９図は本発明の表示パネルの構成例である。（イ）は断面図であり上方電極
としてガラス基板９０上にスイッチング素子又は非線形素子を構成し駆動電極９
７を形成する。又下方電極としてガラス基板９１上にカラーフィルタ９２，９３
，９４を構成し保護膜９５を介して液晶駆動電極９６を形成する。その後この２枚のガラス基板９０，９１で液晶層９８をサンドイッチして、更
に上方又下方に偏光板９９を装着し、光を上方又は下方より照射する。この時、
間題となるのはフィルタとフィルタ、又は駆動電極と駆動電極のすき間であり、
この部分に光がまわり込むときれいな色の再現性が乏しくなる。例えば光が下方
から透過する場合、もし液晶シャッタが閉じている時フィルタのすき間を通過し
た光が、駆動電極のすき間からもれてくる。これを防ぐ１つの手段はネガ型の液
晶（電圧が印加されていない時光が透過しないタイプ）を用いることである。従
ってこの方法では駆動電極９７のすき間は常に光が遮断されることになる。もう１つの手段は第２図に示したようにフィルタのすき間に黒色枠を設けるこ
とである。又両者を並用すると更に効果は倍増される。光のにじみはシャッタが
開いて、光が通過する時に生じる。これは例えば赤フィルタ９２上のシャッタの
み開いている時、その両側にある青フィルタ９４と緑フィルタ９３のはじの光がまわり込んで赤フィルタ上のシャッタからもれることにあり、やはり色の再現性
を低下させる。これを防止するためには液晶の実効シャッタ部より色フィルタを大きく形成す
ることがよい。例えば第９図（ロ）に示すようなモザイク状のフィルタに対し、
例えばアクティブマトリックスの駆動電極９７を小さくしておく。又（ハ）の如
く非線形素子の例では下方の液晶駆動電極９６と上方の液晶駆動電極９７の交叉
部が実効シャッタ部となるが、この実効シャッタ部の大きさをストライプ型の色
フィルタより小さくしておく。これはモザイク状のフィルタでも同じである。このようなカラー液晶表示体の表示方式としては、液晶のシャッタの開いてい
る時と閉じている時の透過率の比が大きい事が要求される。通常のＴＮ表示体の
場合は表示パネルの上下に偏光板を２枚配列し、ポジ型になるように偏光面をあ
わせる。この場合のシャッタの透過率比は、２枚の偏光板の偏光方向が平行の時
と垂直時との比になり偏光板により決定される。実際にはこの偏光板ではこの比がせいぜい１０程度であり、偏光板に工夫を要
する。一方ゲストホスト液晶を用いると偏光板は一枚でよいので、まずＴＮ液晶
に対し明るさが２倍になると同時に、透過率比が液晶材料によって決められるの
で、大きくとれる。例えば黒色の色素を含むゲストホスト液晶は、通常光をよく
遮断し、又電圧が印加された時はかなり透明となり透過率比は５０を越える。更
にゲストホスト液晶はネガ型に対しポジ型の方が安定性、信頼性に優れており、
又駆動電圧も低く、同時に本発明に必要な透過率比もポジ型の方がよい。一方前述のように光のまわり込み、にじみ、もれをなくすのはポジ型液晶の方
がよく、この点ゲストホストのポジ型液晶は本発明のカラー表示用に最適である
。特に色素が黒いパネルは三原色の再現性では最も優れている。第１０図は本発明のカラー液晶表示体のフィルタの配列及びその駆動方法の一
例を示す。三原色フィルタ１０６はＹ方向にストライプ状に配列されており、又
フィルタ側の駆動電極はフィルタと同方向にライン状もしくはべたに存在する。
又上部電極１０５はＸ方向に画素毎に区切れて（図面は簡略化してつなげてある
。）存在する。シフトレジスタ１０１はクロック入力φ₅によりＳ₁からＳ_nを出力し、トランジスタ１０４を順次ＯＮさてビデオ信号ＶＳをＸ₁〜Ｘ_nに順次送り込む点順次
方式である。又シフトレジスタ１０２はＹ₁〜Ｙ_mをクロックφ₄により順次選択
してゆく。３つの色信号ＶＳＲ，ＶＳＢ，ＶＳＧは、クロックφ₁〜φ₃によりＹ
の１ライン毎に切換えられてゆき、φ₁，φ₂，φ₃はφ₄と同じパルス幅で、パル
ス周期はφ₄の３倍である。この方式の特徴はカラーフィルタがＹ方向のストライプになっており色信号の
切換え周波数が遅くてもよいのでＹ方向のライン数を大きくでき、表示分解能が
よく、良質のカラー画像が再生できることにある。第１１図はＹ方向にストライプ状のカラーフィルタ１１６を配列した例であり
、横方向のライン数を大きくとるのに役立つと共に、ドットが正方形に近いサイ
ズとなり画像が自然な感じとなる。シフトレジスタ１１２はＹ₁〜Ｙ_mの信号によ
り駆動電極１１５を順次選択してゆく。駆動電極１１５のいずれか１つが選択さ
れている間にシフトレジスタ１１１はフィルタ群Ｒ，Ｇ，Ｂを１単位として順次
選択する。更にＲ，Ｇ，Ｂ選択クロックφ₁，φ₂，φ₃はクロックφ₅を更に３相
に分割した信号であり、この選択クロックに同期して各色信号ＶＳＲ，ＶＳＧ，
ＶＳＢが１つずつ選択されてＸ駆動ラインに導かれる。この方式ではビデオシグナルラインを各色に応じて３信号並列でサンプルホー
ルドスイッチ１１３に接続するので、シフトレジスタ１１１の転送クロックφ₅
の周波数は同一のドット数に対して１／３の周波数でよく、シフトレジスタの消
費電力を低減できると共にシフトレジスタの動作スピードの余裕のある範囲内で
使えるというメリットがある。第１２図はフィルタをモザイク状に配置した例である。赤フィルタ１２１、緑
フィルタ１２２、青フィルタ１２３に対し更に白フィルタ１２４を加えて１ブロ
ックとし、これをマトリック状にリピートして構成する。この白部はフィルタに対する光の透過率が低い時に、３つのフィルタを全て光
が透過した状態、即ち白色がきれいに出ない。これを解決するために、更に透明
な部分を白フィルタとして形成して、映像信号の輝度信号ＶＳＷで制御すると、
明度が向上して、白色の再現性もよく、全体の明度が改善される。この場合の駆
動方式はＸ方向はフィルタブロック単位で、シフトレジスタにより選択され第１１図と同様に動作する。又Ｙ方向はシフトレジスタ１２６により選択され、クロ
ックφ₃に同期した半分の周波数φ₁とφ₂によりＶＳＲとＶＳＢ，ＶＳＧとＶＳ
Ｗが交互に接続される。以上のような構成にすることによって、以下のような効果が得られる。すなわち、画素電極の一画素あたりの面積より該画素電極に対応するカラーフ
ィルタの面積が大きく、カラーフィルタは画素電極を包含するように配置されて
いるため、画素電極によって制御された光は画素電極に対応するカラーフィルタ
のみを透過し、隣接するカラーフィルタへの光漏れはなくなる。従って、隣接す
るカラーフィルタからの色のにじみ、混色等がなくなる。また、画素電極によって制御された光は対応するカラーフィルタのみを透過す
るため、カラーフィルタを透過する光の色純度が高くなり、色再現性の高い表示
が得られる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の構成例を示す図。１，２……基板３……素子部４，５……液晶駆動電極６……保護膜７……液晶体８，９，１０……カラーフィルタ第２図、第３図は本発明に用いるカラーフィルタの構成例を示す図。２０，３０……基板２２，２３，２４，３１……フィルタ部２１……黒色枠２５，３４……保護膜２６，３３……透明導電性膜３２……薄い基板第４図（イ）、（ロ）、（ハ）は本発明に用いるアクティブマトリックス基板
の構成例を示す図。４９……Ｓｉ薄膜トランジスタ第５図（イ）、（ロ）、第６図（イ）、（ロ）は本発明に用いる非線形素子の
実例を示す図。６２……ＭＩＭ素子６７，６８，６９……Ｓｉ薄膜ダイオード第７図は非線形素子のＶ−Ｉ特性図。第８図はその駆動等価回路図。第９図（イ）、（ロ）、（ハ）は本発明のカラー表示装置の構成例を示す図。９０，９１……基板９２，９３，９４……フィルタ９５……保護膜９６，９７……液晶駆動電極９８……液晶９９……偏光板第１０図、第１１図、第１２図は本発明のカラー表示装置の色フィルタの配列
と駆動例を示す図。１０１，１０２，１１１，１１２，１２６……シフトレジスタＶＳＲ，ＶＳＢ，ＶＳＧ……ビデオ色信号ＶＳＷ……輝度信号

Claims

【特許請求の範囲】（１）一対の基板間に液晶物質が封入され、一方の該基板上にはマトリクス状に
配列されてなる画素電極が配置されてなり、他方の該基板上には該画素電極の各
々に対応して配列されてなるカラーフィルタを有してなる液晶表示装置において
、前記画素電極側から入射され、前記画素電極によって制御された光が、当該画
素電極に対応するカラーフィルタを透過するように、該画素電極の一画素あたり
の面積より該画素電極に対応する該カラーフィルタの面積が大きく、かつ前記カ
ラーフィルタは前記画素電極を包含するように配置されてなることを特徴とする
液晶表示装置。