JP3378678B2

JP3378678B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP3378678B2
Application number: JP30655094A
Authority: JP
Inventors: 龍司西川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 2003-02-17
Anticipated expiration: 2018-02-17
Also published as: JPH08160459A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マスク枚数の削減プロ
セスを可能にした液晶表示装置に関し、特に、透明導電
性の補助容量電極を用い、画素電極の全面に電荷保持用
の補助容量を形成した液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置は小型、薄型、低消費電力
などの利点があり、ＯＡ機器、ＡＶ機器などの分野で実
用化が進んでいる。特に、スイッチング素子として、薄
膜電界効果型トランジスタ（以下、ＴＦＴと略す）を用
い、線順次走査駆動を可能としたアクティブマトリクス
型は、原理的にデューティ比１００％のスタティック駆
動をマルチプレクス的に行うことができ、大画面、高コ
ントラスト比の動画表示が可能となる。

【０００３】アクティブマトリクス型液晶表示装置は、
液晶駆動用の画素電極がマトリクス状に配置形成され、
各画素電極にＴＦＴが接続形成されたアレイ基板と、共
通電極が一面に形成された対向基板が、液晶を挟んで貼
り合わせされた構成となっている。画素電極と共通電極
の対向部分は、液晶を誘電層とした画素容量となってい
る。共通電極は所定の電圧に設定され、各画素電極はＴ
ＦＴのＯＮ中に選択された信号電圧が印加されて、各画
素容量が駆動される。画素容量に印加された電圧は、次
フィールドでの書き換えまでの間、ＴＦＴのＯＦＦ抵抗
により保持される。液晶は、このように各画素容量に形
成された電界により配向状態が微調整されて、光が変調
され、これらの合成光を巨視的に視認することにより、
表示画像として観察される。更に、ＴＦＴのアレイ基板
側に、画素電極を共通として画素容量に並列結合された
電荷保持用の補助容量を内蔵することにより、画素容量
の印加電圧の保持特性を高めている。補助容量は、画素
電極に重畳して補助容量電極を配置することにより形成
されるが、遮光性材料からなる補助容量電極は、有効表
示領域を縮小し、開口率低下の原因となっている。更
に、補助容量は、最低でも画素容量と同じ程度必要であ
るが、補助容量電極の拡大は、直ちに、開口率の低下に
結びつくので、電圧保持率の向上と開口率の向上は両立
できない。

【０００４】このような問題を解決するものとして、例
えば、図３に示すような表示画素の単位構造を有する液
晶表示装置がある。（ａ）は平面図であり、（ｂ）はそ
のＡ−Ａ線に沿った断面図である。走査線であるゲート
ライン（１７Ｌ）と信号線であるドレインライン（１４
Ｌ）が交差して配置され、これら両ライン（１４Ｌ，１
７Ｌ）に囲まれた領域には画素電極（１４Ｐ）が形成さ
れている。画素電極（１４Ｐ）とドレインライン（１４
Ｌ）はＩＴＯ、即ち、酸化インジウムと酸化スズの合金
からなる透明導電物により形成されている。画素電極
（１４Ｐ）とドレインライン（１４Ｌ）の近接部は、そ
れぞれソース電極（１４Ｓ）及びドレイン電極（１４
Ｄ）となっている。ゲートライン（１７Ｌ）は、下層に
半導体層（１５）とゲート絶縁層（１６）を配し、一部
がゲート電極（１７Ｇ）としてソース及びドレイン電極
（１４Ｓ，１４Ｄ）上に積層されてＴＦＴを成してい
る。補助容量電極（１１）はＩＴＯにより基板（１０）
上に全面的に形成されており、層間絶縁層（１３）を挟
んで画素電極（１４Ｐ）の全面に重畳され、大きな補助
容量を形成している。更に、補助容量電極（１１）上に
は、遮光層（１２）が形成され、画素電極（１４Ｐ）間
の光漏れ及びＴＦＴ部への光入射を防いでいる。層間絶
縁層（１３）は、補助容量電極（１１）及び遮光層（１
２）を覆って全面に積層されており、ＴＦＴと画素電極
（１４Ｐ）は層間絶縁層（１３）上に形成されている。
一方、液晶層（３０）を挟んで対向配置された基板（２
０）上には、遮光層（２１）及び共通電極（２２）が形
成されている。

【０００５】図４は、従来の液晶表示装置の駆動方法を
示す波形図である。ＶｇＬとＶｇＨはゲート電圧、Ｖｄ
はドレイン電圧、Ｖｓはソース電圧、Ｖｃｏｍは共通電
極電圧、Ｖｓｔは補助容量電極電圧である。ゲート電圧
がＶｇＨに立ち上がると、ＴＦＴはＯＮになり、ソース
電圧（Ｖｓ）がドレイン電圧（Ｖｄ）と同じレベルにな
る。そして、ゲート電圧がＶｇＬに立ち下がると、ＴＦ
ＴはＯＦＦになり、保持状態に入るが、ゲート・ソース
間の寄生容量部でソース電圧（Ｖｓ）がゲート電圧（Ｖ
ｇ）の立ち下がりの影響を受けて、ΔＶｓだけ下へシフ
トする。このため、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）は、その
中心レベル（Ｖｃ）をドレイン電圧（Ｖｄ）の正負反転
の中心レベルよりも、ΔＶｓだけ下へシフトさせてい
る。ここで挙げたライン反転駆動では、共通電極電圧
（Ｖｃｏｍ）は一走査期間毎に正負が反転し、ゲート電
圧がＶｇＬの期間中は保持期間となり、ソース電圧（Ｖ
ｓ）は、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）の反転に従って振ら
れ、画素容量へ印加された保持電圧（Ｖｌｃ）が一定に
保たれる。ドレイン電圧（Ｖｄ）の正負反転は、共通電
極電圧（Ｖｃｏｍ）の正負反転と一走査期間毎に逆にな
っているとともに、ドレイン電圧（Ｖｄ）と共通電極電
圧（Ｖｃｏｍ）の正負関係は、フィールド毎に逆転し、
液晶層（３０）へ印加される電界もフィールド毎に正負
が反転され、液晶の劣化が防止されている。また、補助
容量電極電圧（Ｖｓｔ）は、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）
と同じにされている。

【０００６】図５は液晶表示装置の等価回路図である。
ゲート電圧（Ｖｇ）が印加されるゲートライン（Ｇ）
と、ドレイン電圧（Ｖｄ）が印加されるドレインライン
（Ｄ）が交差して配置されており、これらの交点には、
ＴＦＴ（Ｓ）が形成されている。ＴＦＴ（Ｓ）のソース
は、画素容量（ＬＣ）及び補助容量（ＳＣ）の一方の電
極となっている。画素容量（ＬＣ）及び補助容量（Ｓ
Ｃ）の他方の電極は、それぞれ共通電極及び補助容量電
極であり、いずれも共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）（補助容
量電極電圧（Ｖｓｔ））が印加される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図３に示す如く、補助
容量電極（１１）が全面的に形成された構造では、補助
容量電極（１１）の電界効果により、ＴＦＴのリーク電
流が生じ、画素容量（ＬＣ）の電圧保持率が低下し、コ
ントラスト比が低下するなどの問題を招いていた。即
ち、図４に示すようなライン反転駆動において、ソース
電圧（Ｖｓ）とドレイン電圧（Ｖｄ）の正負が互いに逆
となる期間（Ａ１，Ａ２，・・・）では、ソース・ドレ
イン間電圧（Ｖｓｄ）が大きくなると同時に、補助容量
電極・ドレイン電極間電圧（Ｖｓｔｄ）は正となる。こ
のため、補助容量電極・ドレイン電極間電圧（Ｖｓｔ
ｄ）が閾値を越えると、図５に示す寄生ＴＦＴ（Ｓ’）
がＯＮされて、ソース・ドレイン間で電流が生じ、各期
間（Ａ１，Ａ２，・・・）が進むにつれてソース電圧
（Ｖｓ）がドレイン電圧（Ｖｄ）のレベルへ向かって変
化し、画素容量の保持電圧（Ｖｌｃ）が減少していく。

【０００８】また、図４で示した波形と正負が逆のフィ
ールドでも、ソース電圧（Ｖｓ）とドレイン電圧（Ｖ
ｄ）の正負が互いに逆となる期間では、ドレイン・ソー
ス間電圧が大きくなるとともに、補助容量電極・ソース
電極間電圧は正となるため、補助容量電極・ソース電極
間電圧が閾値を越えると、寄生ＴＦＴ（Ｓ’）によりリ
ーク電流が生じ、ソース電圧（Ｖｓ）が変化する。

【０００９】このような、リーク電流の生じ得る期間
は、全期間の１／２に当るため、表示画像によっては、
ソース電圧（Ｖｓ）の変化が起こって、電圧保持率が下
がり、コントラスト比の低下が顕著になっていた。特
に、表示画面の中央部では、光源光や周囲光などが半導
体層（１５）に回り込みやすく、ＴＦＴの抵抗が下がる
ため、いよいよリーク電流が生じやすくなっており、
黒、あるいは、白が十分に得られず灰色になる、いわゆ
る光抜けが生じ、表示品位を悪化させていた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１に、第１の基板上に
形成され液晶駆動用の画素容量の一方を構成する複数の
画素電極、該各画素電極に接続する複数の薄膜トランジ
スタ、前記各画素電極に共通に重畳配置されて前記各画
素容量に並列関係をもって配置された補助容量を構成す
る補助容量電極、及び、前記第１の基板の液晶層を挟ん
だ対向位置に固定された第２の基板上に全面的に形成さ
れ前記各画素電極により規格されて前記各画素容量の他
方を構成する共通電極が設けられた液晶表示装置におい
て、前記補助容量電極は、前記薄膜トランジスタのドレ
イン電極及びソース電極に対する電圧が前記薄膜トラン
ジスタの閾値以下となる電圧が印加されている構成とし
た。

【００１１】第２に、第１の構成において、前記補助容
量電極は、前記共通電極の電圧をレベルシフトさせた電
圧が印加されている構成とした。

【００１２】

【作用】前記第１の構成で、補助容量電極のドレイン電
極及びソース電極に対する電圧差が薄膜トランジスタの
閾値以下となるように設定することにより、補助容量電
極の電圧により電界が形成されても、薄膜トランジスタ
にリーク電流は生じず、電圧保持率の低下が防がれる。

【００１３】前記第２の構成で、共通電極信号をレベル
シフトさせて、薄膜トランジスタの閾値よりも低くした
電圧を補助容量電極に印加することにより、薄膜トラン
ジスタのリーク電流が防がれるとともに、コストの増大
も低く抑えられる。

【００１４】

【実施例】続いて、本発明の実施例を説明する。図１
は、図３で示した構造の液晶表示装置において、各電極
に印加するべき電圧、及び、各電極の電気的振舞を示し
た波形図である。図４で用いたと同様、ＶｇＬとＶｇＨ
はゲート電圧、Ｖｄはドレイン電圧、Ｖｓはソース電
圧、Ｖｃｏｍは共通電極電圧、Ｖｓｔは補助容量電極電
圧である。本実施例では、補助容量電極電圧（Ｖｓｔ）
は、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）からレベルシフトさせ、
Ｈレベル時においても、ＴＦＴの閾値を超えないように
設定している。

【００１５】回路的には、共通電極信号の一部を周知の
レベルシフト回路へ入力し、その出力を補助容量電極
（１１）へ印加する設計とする。ゲート電圧がＶｇＨ期
間中、ＴＦＴはＯＮになり、ソース電圧（Ｖｓ）がドレ
イン電圧（Ｖｄ）と同じレベルにされた後、ゲート電圧
がＶｇＬに立ち下がると、ＴＦＴはＯＦＦになり、保持
状態に入る。この時、ゲート・ソース間の寄生容量部で
ソース電圧（Ｖｓ）がゲート電圧（Ｖｇ）の立ち下がり
の影響を受けて、ΔＶｓだけ下へシフトする。このた
め、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）は、その中心レベル（Ｖ
ｃ）をドレイン電圧（Ｖｄ）の正負反転の中心レベルよ
りも、ΔＶｓだけ下へシフトさせている。ここで挙げた
ライン反転駆動では、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）は一走
査期間毎に正負が反転し、ゲート電圧ＶｇＬ期間中は保
持期間となり、ソース電圧（Ｖｓ）は、共通電極電圧
（Ｖｃｏｍ）の反転に従って上下に振られ、画素容量の
保持電圧（Ｖｌｃ）を一定に保っている。ドレイン電圧
（Ｖｄ）の正負反転は、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）の正
負反転と一走査期間毎に逆になっているとともに、ドレ
イン電圧（Ｖｄ）と共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）の正負関
係は、フィールド毎に逆転し、液晶層（３０）へ印加さ
れる電界もフィールド毎に正負が反転され、液晶の劣化
が防止されている。

【００１６】本発明では、補助容量電極電圧（Ｖｓｔ）
は、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）より一定幅（Ｖｓｆ）引
き下げられたレベルに設定されており、ドレイン電圧
（Ｖｄ）との電圧差Ｖｓｔｄ、及び、ソース電圧（Ｖ
ｓ）との電圧差が最大でもＴＦＴの閾値以下となるよう
に構成し、寄生ＴＦＴを消滅している。なお、図１で示
したフィールドでは、補助容量電極・ドレイン電極間電
圧（Ｖｓｔ）を小さくすることが要され、図示は省いた
が、図１に示したフィールドと正負が逆のフィールドで
は、補助容量電極・ソース電極間電圧を小さくすること
が要されている。

【００１７】このため本実施例では、補助容量電極電圧
（Ｖｓｔ）の中心レベルをゲートＬ電圧（ＶｇＬ）と同
じに設定することにより、全期間において、ソース及び
ドレイン電極に対する補助容量電極（１１）の電圧差を
ＴＦＴの閾値以下に抑えている。これにより、補助容量
電極（１１）の電界効果によりＴＦＴのＯＦＦ抵抗が低
下することがなくなり、リーク電流によるソース電圧
（Ｖｓ）の変化が防がれ、保持電圧（Ｖｌｃ）の減少が
抑えられて電圧保持率が向上される。

【００１８】図２に、このように構成された液晶表示装
置の電圧と透過光強度の関係を調べた実験結果を示す。
（ａ）は本発明の液晶表示装置について行った実験結果
を示した特性図であり、（ｂ）は比較例として従来通り
の駆動を行った液晶表示装置についての特性図である。
実験では、ライン反転駆動において、補助容量電極電圧
（Ｖｓｔ）を、それぞれ、図１に示した波形、及び、図
４に示した波形に設定し、ドレイン電圧（Ｖｄ）の振幅
を実用範囲内の最大幅１０［Ｖ］にした状態で、ゲート
電圧（Ｖｇ）の振幅を１５［Ｖ］に保ったまま、ゲート
Ｌ電圧（ＶｇＬ）をＶ＝−２５［Ｖ］から０［Ｖ］まで
変化させた時の透過光強度（Ｔ）を調べグラフを作成し
た。ここで、白点で示したグラフは初期状態の装置につ
いての実験結果であり、黒点で示したグラフは４００万
ｌｘ、６０℃の条件で３０分間の負荷を加えて、信頼性
を調べた実験結果である。なお、透過光強度（Ｔ）の値
は変化分率に基づいて任意に設定している。また、実験
は、ノーマリ・ホワイト・モードで行い、特に、ＴＦＴ
のＯＦＦ特性を透過光強度（Ｔ）により査定することを
目的とした。

【００１９】（ａ）のグラフより、電圧（Ｖ）が−７
［Ｖ］の時、透過光強度（Ｔ）が急激に変化しており、
ここから閾値（Ｖth）が存在し始めるのがわかる。即
ち、ドレイン電圧（Ｖｄ）のレベルによっては、補助容
量電極・ドレイン電極間電圧（Ｖｓｔｄ）が閾値を越
え、リーク電流が生じて透過光強度（Ｔ）が変化し、特
性が不安定になることが分かる。一方、閾値（Ｖth）以
下の域では、透過光強度（Ｔ）は十分に低いレベルで一
定に保たれており、特性が非常に安定している。これよ
り、ゲートＬ電圧（ＶｇＬ）を、この閾値（Ｖth）以下
に設定することにより、ＴＦＴのＯＦＦ抵抗が十分に高
まり、ソース電圧（Ｖｓ）が一定レベルに保たれ、高い
電圧保持率が得られることが分かる。また、信頼性試験
後にも特性の変化はほとんど見られない。

【００２０】これに対して（ｂ）では、透過光強度
（Ｔ）の変化が緩やかで、全体的に電圧（Ｖ）の変化に
伴って透過光強度（Ｔ）も変化しているとともに、十分
に低いレベルが得られていない。即ち、補助容量電極
（１１）の電界効果によるＴＦＴのリークのため電圧保
持率が低下するので、透過光強度（Ｔ）を一定に保つこ
とができなくなっている。またこの場合、最大のコント
ラスト比を得るには、ゲートＬ電圧（ＶｇＬ）を−２５
［Ｖ］以下にとる必要があり、全体として、ゲート電圧
（Ｖｇ）の振幅が大きくなるので、消費電力の増大、あ
るいは、ドライバー素子の耐久性などにも問題がでてく
る。また、信頼性試験によっても、特性が大きく変化し
ている。即ち、光照射あるいは高温状態下でＴＦＴのリ
ーク電流が更に増大するため、電圧保持率が低下し、十
分に低いレベルを維持できていないことが分かる。

【００２１】本発明では、補助容量電極の電界効果を無
くして、ＴＦＴのリーク電流を抑えて電圧保持率を向上
したことにより、（ａ）に示したように、閾値（Ｖth）
以下の域において透過光強度（Ｔ）が安定する特性が得
られるとともに、信頼性が向上された。即ち、ＴＦＴの
ＯＦＦ時の透過光強度（Ｔ）を一定に、かつ、高い信頼
性をもって保つことができた。また、閾値（Ｖth）での
透過光強度（Ｔ）の変化が急峻であるため、ゲートＬ電
圧を、閾値（Ｖth）を越えない高めの値に設定すること
ができる。これにより、ゲート電圧に要されるＯＮ／Ｏ
ＦＦ電圧比が小さくなるので、ゲート信号振幅を小さく
設定することにより、消費電力の低減、ドライバー素子
の劣化防止がなされる。

【００２２】また、層間絶縁層（１３）にピンホールな
どあった場合、画素電極（１４Ｐ）と補助容量電極（１
１）間でショートが発生しても、表示へ悪影響が出るの
が防がれ、歩留まりが向上する。即ち、ショートによっ
て十分に低く下げられた補助容量電極電圧（Ｖｓｔ）が
画素電極（１３Ｐ）に印加されるため、共通電極電圧
（Ｖｃｏｍ）からレベルシフトさせた分の電圧（Ｖｓ
ｆ）が画素容量へ印加されるため、点欠陥が例えばノー
マリ・ホワイト・モードにおいて白となり、目立たなく
される。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかな如く、補助容量
電極・ソース電極間電圧及び補助容量電極・ドレイン電
極間電圧がＴＦＴの閾値以下となるように、補助容量電
極の電圧信号を設定することにより、補助容量電極をゲ
ートとしたＴＦＴのＯＦＦ電流を抑え、電圧保持率を向
上するとともに、高い信頼性を得ることができた。ま
た、急峻な閾値特性を持った電圧−透過光強度特性が得
られるので、ゲート電圧のＯＮ／ＯＦＦ比の拡がりが抑
えられ、ゲート信号振幅を小さくして消費電力を低下す
ることができる。また、これにより、駆動部の素子特性
の劣化が防がれ、寿命が延長された。

【００２４】また、補助容量電極の電圧を十分に低く下
げたことにより、画素電極と補助容量電極が短絡を起こ
しても、画素容量が駆動状態となって点欠陥が目立たな
くなるので、歩留まりが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る液晶表示装置の電気的振
舞を示した波形図である。

【図２】本発明及び従来の液晶表示装置の特性を比較し
た電圧−透過光強度の特性曲線である。

【図３】液晶表示装置の平面図と断面図である。

【図４】従来の液晶表示装置の電気的振舞を示した波形
図である。

【図５】従来の液晶表示装置の等価回路図である

【符号の説明】

１０，２０基板１１補助容量電極１２，２１遮光層１３層間絶縁層１４ソース・ドレイン電極配線１５半導体層１６ゲート絶縁層１７ゲート電極配線２２共通電極３０液晶層Ｖｇゲート電圧Ｖｄドレイン電圧Ｖｓソース電圧Ｖｃｏｍ共通電極電圧Ｖｓｔ補助容量電極電圧Ｖｓｄソース・ドレイン間電圧Ｖｓｔｄ補助容量電極・ドレイン電極間電圧Ｖｌｃ保持電圧

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の基板上に形成され液晶駆動用の画
素容量の一方を成す複数の画素電極、該各画素電極に接
続する複数の薄膜トランジスタ、前記各画素電極に共通
に重畳配置され前記各画素容量に並列関係をもって配置
された補助容量を構成する補助容量電極、及び、前記第
１の基板の液晶層を挟んだ対向位置に固定された第２の
基板上に全面的に形成され前記各画素容量の他方を成す
共通電極が設けられた液晶表示装置において、前記補助容量電極は、前記薄膜トランジスタのドレイン
電極及びソース電極に対する電圧が前記薄膜トランジス
タの閾値以下となる電圧が印可されていることを特徴と
する液晶表示装置。
【請求項２】前記補助容量電極は、前記共通電極の電
圧をレベルシフトさせた電圧が印加されていることを特
徴とする請求項１記載の液晶表示装置。