JP3822833B2 - 二分域横電界方式液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二分域横電界方式液晶表示装置（ＩＰＳ-ＬＣＤ）に関し、特に画素電極と共通電極の間に勾配電場を発生させるＩＰＳ−ＬＣＤの電極アレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
横電界方式液晶表示装置（ＩＰＳ-ＬＣＤ）は、従来のねじれネマティック（ＴＮ）ＬＣＤを改善するために、広視野角表示技術において使用あるいは提案がなされてきた。ＩＰＳ−ＬＣＤは下ガラス基板（ＴＦＴ基板）上に形成された共通電極と画素電極を有し、その間に横電界を発生させて、ＬＣ分子を電場にそって再配向させる。そのため、ＩＰＳ−ＬＣＤデバイスは視野角、コントラスト比および発光効率を向上させることができた。
【０００３】
共通電極と画素電極の電極アレイにより、ＩＰＳ−ＬＣＤは単一分域型と二分域（two-domain）型に分類される。図１において、従来の単一分域ＩＰＳ−ＬＣＤ１０の電極アレイの平面図を示す。２本の平行ゲートライン２は、２本の平行データライン４と直交して矩形状画素領域を定義し、その中にＴＦＴデバイス５、櫛形状画素電極６および杉綾模様の共通電極８が形成される。共通電極８のセンターワイヤー８ａが画素領域の中心に沿って横に伸び、共通電極８の骨８ｂが縦に伸びてセンターワイヤー８ａを形成する。画素電極６の歯６ａを骨８ｂの間に設ける。アウター電圧がＩＰＳ−ＬＣＤに印加されると、横電界が隣接する骨８ｂと歯６ａの間に発生する。
【０００４】
帯状歯６ａが帯状骨８ｂと平行なため、隣接する骨８ｂと歯６ａの間に横電界が形成される。均一電界とは、対応する平面空間の各点での電場の強さ（方向を含む）の相違（あるいは勾配）がゼロであることを示す。これは同時にＬＣ分子に均一な駆動状態を持たせるが、これにはより高い駆動電圧が必要となる。この問題を解決するために、画素領域中の歯６ａと骨８ｂの数を増加して、ＩＰＳ−ＬＣＤ１０の駆動電圧を下げて、隣接する骨８ｂと歯６ａの距離を減少させる。しかしながら、歯６ａと骨８ｂの線幅は４ミクロンより小さくできないため、歯６ａと骨８ｂの数が増加するにつれて、画素領域の開口率が低下することとなった。そのため、上で述べた均一電場のアレイ設計を有する単一分域ＩＰＳ−ＬＣＤ１０では、高開口率と低駆動電圧の要求を同時に達成することができなかった。
【０００５】
二分域型ＩＰＳ−ＬＣＤは、単一分域ＩＰＳ−ＬＣＤ１０の色ずれ問題を解決するために開発された。図２において、従来の二分域型ＩＰＳ−ＬＣＤ２０の電極アレイの平面図を示す。２本の横伸ゲートライン１２と２本の縦伸データライン１４は画素領域１１を定義して、その中にＴＦＴデバイス１５、櫛形状画素電極１６および杉綾模様の共通電極１８が形成される。画素電極１６の歯１６ａと共通電極１８の骨１８ｂはそれぞれ山型形状を有して、山型の傾斜部分は隣接する電極と平行である。アウター電圧がＩＰＳ−ＬＣＤ２０に印加される時、センターワイヤー１８ａの２側面において電場の方向が異なり、ＬＣ分子の一部分を反時計回りの方向へ回転させて、ＬＣ分子のその他の部分を時計回りの方向に回転させる。そのため、センターワイヤー１８ａは画素領域１１を上単分域領域１１ａおよび下単分域領域１１ｂとして画定する。それぞれの単分域領域１１ａあるいは単分域領域１１ｂの中においては、歯１６ａの傾斜部分が骨１８ｂの傾斜部分と平行であるため、その間に均一な横電界を発生させることができる。しかし、これにも高駆動電圧および低開口率の問題があった。
【０００６】
図３は、従来のマルチドメインＩＰＳ−ＬＣＤ３０における、均一電場中の液晶（ＬＣ）分子２８の回転を示す平面図である。画素領域中において、３本の画素電極２４ａ，２４ｂ，２４ｃが、２本の隣接するデータライン２２間で、４本の共通電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの間に設けられる。それぞれのデータライン２２、画素電極２４および共通電極２６は、２個の「＜」形を縦に接続して形成した特定形状を有する。そして、配向膜を形成して画素領域を被覆し、矢印Ａの方向へラビングする。バルブ電界を達成せずにアウター電圧がマルチドメインＩＰＳ−ＬＣＤ３０へ印加される時、ＬＣ分子２８は矢印Ａの方向へ配向される。
【０００７】
次に、画素電極２４ｂと共通電極２６ｂの間の単分域領域を例として、「＜」形の先端に隣接した第１ＬＣ分子２８Ｉと、「＜」形の先端から離れた第２ＬＣ分子２８IIがどのように回転するかを述べる。アウター電圧が印加されて、バルブ電界より大きい横電界が発生する時、第１ＬＣ分子２８Ｉおよび第２ＬＣ分子２８IIの軸が均一に回転して、それぞれＬＣ分子２８Ｉ’およびＬＣ分子２８II’となる。印加する電圧の角度により決まる、第１ＬＣ分子２８Ｉおよび第２ＬＣ分子２８IIの回転角度が同じであるため、回転したＬＣ分子２８Ｉ’およびＬＣ分子２８II’は互いに平行となる。つまり、第１ＬＣ分子２８Ｉおよび第２ＬＣ分子２８IIは同時に回転を始めて、回転を同時に停止するため同じ回転角度を有するということである。第１ＬＣ分子２８Ｉと第２ＬＣ分子２８IIの間には、回転モーメントが発生しないため、第１ＬＣ分子２８Ｉと第２ＬＣ分子２８IIの間には弾性歪みエネルギーが存在しない。そして、もし印加される電圧がバルブ電界より小さい場合、単分域領域中に位置する全てのＬＣ分子２８は、同じバルブ電界を有するために回転しない。しかしながら、これにもまだ高駆動電圧および低開口率の問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、開口率を低下させずに低い駆動電圧を有するＩＰＳ−ＬＣＤを提供することである。本発明の第２の目的は、単分域領域中に勾配電場を有するＩＰＳ−ＬＣＤを提供することである。本発明の第３の目的は、ターンオン時間を増加させるＩＰＳ−ＬＣＤを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従来の技術で発生していた問題を解決するために、本発明の一態様では、二分域ＩＰＳ−ＬＣＤの電極アレイが提供される。ＩＰＳ−ＬＣＤにおいて、複数の共通電極が各画素領域中に形成される。各共通電極は曲線形状を有する。複数の画素電極が各画素領域中に形成される。各画素電極は曲線形状を有する。その画素電極が共通電極の間に設けられて、２本の隣接する画素電極と共通電極がサブ画素領域を形成する。液晶分子が、各サブ画素領域中に位置する。ゲートライン、データライン、共通電極、および画素電極は、それぞれＴＦＴ基板上における三層導電構造に属しており、ゲートラインは第１導電層を用いて形成され、データラインは第２導電層を用いて形成され、共通電極は第１導電層と第３導電層を用いて形成され、第３導電層によって共通電極が広げられ、画素電極は第２導電層と第３導電層を用いて形成されており、これによって、各サブ画素領域中の２本の隣接する画素電極と共通電極がお互いに平行でなく、勾配横電界がその間に形成される。
【００１０】
横電界方式液晶表示装置はアクティブマトリックス型であることが好ましい。共通電極の曲線は少なくともくさび形の部分を有し、前記くさび形の部分が前記第１導電層を用いて形成されており、前記第３導電層は前記くさび形の部分の窪み側または突起側を広げるのに用いられることが好ましい。画素電極の曲線は少なくともくさび形の部分を有することが好ましい。共通電極の曲線は２個のくさび形を縦に接続した形状であり、前記くさび形の部分が前記第１導電層を用いて形成されており、前記第３導電層は前記くさび形の部分の窪み側または突起側を広げるのに用いられることが好ましい。画素電極の曲線は２個のくさび形を縦に接続した形状であることが好ましい。データラインは少なくとも屈曲部を有することが好ましい。液晶分子の配向方向と前記横電界の回転角度が不均一であることが好ましい。液晶分子が正の誘電率異方性材料である場合、回転角度の係数は約８９度から６０度であることが好ましい。液晶分子が負の誘電率異方性材料である場合、回転角度の係数は約１度から３度であることが好ましい。前記第１および第２導電層が不透明材料からなり、前記第３導電層が透明材料からなることが好ましい。一例では、前記第１導電層がＭｏＷからなり、前記第２導電層がＭｏ／Ａｌ／Ｍｏからなり、前記第３導電層がＩＴＯからなる。前記第３導電層は前記共通電極の幅が徐々に変化するように前記くさび形の部分の窪み側または突起側を広げるのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、「＜」形の先端近くの線幅を増大させて、「＜」形の隣接する先端間の距離を調整する、「＜」形を少なくとも有した特定形状を製作するなどして、画素電極と共通電極の形状と幅を改良することにより、画素電極と共通電極の間に勾配電場を発生させる二分域ＩＰＳ−ＬＣＤの電極アレイを提供する。これは単分域中に、隣接する画素電極と共通電極の間に比較的大きい距離と比較的小さい距離を形成して、アウター電圧を印加すると勾配電場が発生する。この勾配電場は、平面領域に対応する横電界の各点の強さ（方向を含む）の相違がゼロであることを示す。そのため、隣接する画素電極と共通電極の間の距離が小さい第１領域上に、比較的大きい電場を発生させて、隣接する画素電極と共通電極の間の距離が大きい第２領域上に比較的小さい電場を発生させる。比較的大きい電場が発生する第１領域上にバルブ電場の効果が定義されるために、印加された電圧がバルブ電場より大きい場合、第１領域上に位置する第１ＬＣ分子は回転を開始する。時間が経過するにしたがい、第１ＬＣ分子の回転角度は増大して、弾性歪みエネルギーを第１領域から遠く離れて位置する隣接したＬＣ分子へ伝え、隣接するＬＣ分子を駆動して回転させる。そして、ＬＣ分子の配向方向と横電界の間の角度θは均一でない。ＬＣ分子が正の誘電率異方性材料からなる時、角度θの係数は８９度〜６０度である。ＬＣ分子が負の誘電率異方性材料からなる時、角度θの係数は１度〜３度である。さらに、ＩＰＳ−ＬＣＤ中の均一電界の従来設計と比較した場合、本発明中では第１領域から遠く離れて位置するＬＣ分子がより効果が低いバルブ電場を有する。そのため、本発明の二分域ＩＰＳ−ＬＣＤは、開口率を低下させずに低い駆動電圧を得ることができる。
【００１２】
次に、２個の好適な電極アレイを示して、画素電極と共通電極の形状がどのように改良されて、単分域中の勾配電場が形成されるかを述べる。サブ画素領域中の電極側壁上に曲線が何個製作されても、ある単分域領域中の画素電極と共通電極の間の最小距離Ｗは、もう一つの単分域領域中のそれと同じである。また、サブ画素領域のある単分域領域中の最小距離Ｗは、隣接するサブ画素領域の単分域領域中のそれと同じである。
【００１３】
（第１実施形態）
図４は、本発明の第１実施形態における、二分域ＩＰＳ-ＬＣＤ４０の電極アレイを示す平面図である。２本の横伸ゲートライン３１と２本の縦伸データライン３２が画素領域４２を定義して、その中にＴＦＴデバイス３３、２本の縦伸画素電極３４ａ，３４ｂ、３本の縦伸共通電極３６ａ，３６ｂ、３６ｃが形成される。画素電極３４ａ，３４ｂは共通電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃの間に形成される。それぞれのデータライン３２、画素電極３４ａ，３４ｂ、共通電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、２個の「＜（くさび）」形を縦に接続した曲線形状を有するのが好ましい。特に、データライン３２、画素電極３４ａ，３４ｂ、共通電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃの各々が、２つの端部と、両端部間に少なくとも３つの屈曲部とを有する折れ曲がり形状であることが好ましい。言い換えると、２つのくさび形の端部を縦に連結することにより形成される屈曲形であることが好ましい。
【００１４】
そして、配向膜を形成して画素領域４２を被覆し、矢印Ａの方向へラビングする。アウター電圧がＩＰＳ-ＬＣＤ４０に印加される前、ＬＣ分子３８は矢印Ａの方向に配向されている。データライン３２と共通電極３６の間の光リーク領域は、カラーフィルター基板上に形成されたブラックマトリックスにより被覆される。
【００１５】
図３に示すように、従来の技術においては共通電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃが同じ形状を有していたが、本発明においては３本の共通電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃが異なる形状を有する。第１共通電極３６ａは、共通電極２６ａの＜形状の窪みを広げて改良したものであるため、最小距離Ｗが第１共通電極３６ａの平坦部と、＜形状の画素電極３４ａの先端の間に形成される。第２共通電極３６ｂは、共通電極２６ｂの＜形状の窪みを広げて、共通電極２６ｂの＜形状の突起を広げて改良する。そして最小距離Ｗが、＜形状の画素電極３４ａの窪みと第２共通電極３６ｂの突起の間に形成される。また、最小距離Ｗが＜形状の画素電極３４ｂの突起と、第２共通電極３６ｂの平坦部の間に形成される。第３共通電極３６ｃは、共通電極２６ｃの＜形状の突起を広げて改良されるため、最小距離Ｗが画素電極３４ｂの窪みと第３共通電極３６ｃの突起の間に形成される。
【００１６】
次に、画素電極３４ｂと第２共通電極３６ｂの間の単分域領域を例として、最小距離Ｗが形成された第１領域中に位置する第１ＬＣ分子３８Iと、第１領域から遠く離れた第２領域中に位置する第２ＬＣ分子３８IIの回転を述べる。アウター電圧がＩＰＳ-ＬＣＤ４０に印加された後、最大電場が＜形状の画素電極３４ｂの先端に発生して、最小電場が＜形状の画素電極３４ｂの上部あるいは下部に発生する。これにより勾配電場が画素電極３４ｂと共通電極３６ｂの間に形成される。印加する電圧を増大させて、バルブ電場より大きい電場が発生する時、第１領域中の第１ＬＣ分子３８Iは回転を開始するが、第２領域中のローカル電場が低いため、第２ＬＣ分子３８IIは静止状態を維持する。駆動時間が長くなるにしたがい、第１ＬＣ分子３８Iの回転角度θ₁は増大して、弾性歪みエネルギーを第２ＬＣ分子３８IIへ伝える。その一方、弾性歪みエネルギーとローカル電場の組み合わせが第２ＬＣ分子３８IIを駆動して回転させるが、第２ＬＣ分子３８IIの回転角度θ₂は回転角度θ₁より小さい。
【００１７】
単分域中の勾配電場が発生する状態においては、第１ＬＣ分子３８Iおよび第２ＬＣ分子３８IIが同時に回転を開始することがなく、同じ回転角度を有することもない。回転モーメントが第１ＬＣ分子３８Iと第２ＬＣ分子３８IIの間に発生して、弾性歪みエネルギーを提供して、印加電圧が充分でなくとも第２ＬＣ分子３８IIを回転させることができる。そのため、第２ＬＣ分子３８IIのバルブ電場の効果は、均一電場中において勾配電場より小さい。これにより、ＩＰＳ-ＬＣＤ４０の開口率を下げずに低い駆動電圧を達成することができる。また、従来の駆動電圧がＩＰＳ-ＬＣＤ４０に印加されると、ターンオン時間は従来のデバイスにおけるものよりも速くなる。
【００１８】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態における、二分域ＩＰＳ−ＬＣＤ５０の電極アレイを示す平面図である。この第２実施形態は、第１実施形態で述べられた第１画素電極３４ａと第２共通電極３６ｂをさらに改良したものである。図４に示した第１実施形態と較べると、第１画素電極３４ａは＜形状の窪みが広げられて改良されてあり、第２共通電極３６ｂは＜形状の突起上の広げられた部分を除去して改良されてある。そのため、第１画素電極３４ａの平坦部と第２共通電極３６ｂの先端の間に最小距離Ｗが形成される。
【００１９】
次に、図４に示した電極アレイに関し、三層導電構造をＴＦＴ基板上に形成する３通りの製造方法を説明する。
第１の方法は、ＭｏＷからなる第１導電層を利用して、ゲートラインと共通電極のパターンを形成してから、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏからなる第２導電層を利用してデータラインと画素電極のパターンを形成する。
【００２０】
第２の方法は、ＭｏＷからなる第１導電層を利用して、ゲートラインと共通電極のパターンを形成してから、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏからなる第２導電層を利用してデータラインを形成し、最後にＩＴＯからなる第３導電層を利用して画素電極のパターンを形成する。
【００２１】
第３の方法は、ＭｏＷからなる第１導電層を利用して、図３に示すダブル＜形状を有するゲートラインと共通電極のパターンを形成する。それから、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏからなる第２導電層を利用して、図３に示すようなダブル＜形を有するデータラインと画素電極のパターンを形成する。最後に、ＩＴＯからなる第３導電層を利用して、図４に示すような共通電極と画素電極の形状を完成させて、第３導電層を電気的に各パターン中の第２導電層と接続する。
【００２２】
以上のごとく、この発明を好適な実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、同業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
【００２３】
【発明の効果】
上記の構成を有する本発明は、下記のような長所を有する。
本発明は二分域横電界方式ＬＣＤを提供することにより、開口率を低下させずに低い駆動電圧を達成することができる。さらに、単分域領域中に勾配電場を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の技術にかかる、単分域ＩＰＳ−ＬＣＤの電極アレイを示す平面図である。
【図２】 従来の技術にかかる、二分域ＩＰＳ−ＬＣＤの電極アレイを示す平面図である。
【図３】 従来の技術にかかる、マルチドメインＩＰＳ−ＬＣＤの均一電界中における、ＬＣ分子の回転を示す平面図である。
【図４】 本発明の第１実施形態にかかる、二分域ＩＰＳ−ＬＣＤの電極アレイを示す平面図である。
【図５】 本発明の第２実施形態にかかる、二分域ＩＰＳ−ＬＣＤの電極アレイを示す平面図である。
【符号の説明】
３１…横伸ゲートライン、３２…縦伸データライン、３３…ＴＦＴデバイス、３４ａ…第１画素電極、３４ｂ…第２画素電極、３６ａ…第１共通電極、３６ｂ…第２共通電極、３６ｃ…第３共通電極、３８Ｉ…第１ＬＣ分子、３８II…第２ＬＣ分子、４０…二分域ＩＰＳ-ＬＣＤ、４２…画素領域、５０…二分域ＩＰＳ−ＬＣＤ。

Claims (13)

1. 横電界方式液晶表示装置であって、
   複数の横伸ゲートラインと縦伸データラインが、マトリックス配列された複数の画素領域を定義することと、
   複数の共通電極が各画素領域中に形成されて、各共通電極が曲線形状であることと、
   複数の画素電極が各画素領域中に形成されて、前記共通電極の間に設けられて、前記各画素電極が曲線形状であり、前記した２本の隣接する画素電極と共通電極がサブ画素領域を形成することと、
   複数の液晶分子が、各サブ画素領域中に位置することと、
   前記ゲートライン、前記データライン、前記共通電極、および前記画素電極は、それぞれＴＦＴ基板上における三層導電構造に属しており、前記ゲートラインは第１導電層を用いて形成され、前記データラインは第２導電層を用いて形成され、前記共通電極は前記第１導電層と第３導電層を用いて形成され、前記第３導電層によって前記共通電極が広げられ、前記画素電極は前記第２導電層と前記第３導電層を用いて形成されており、これによって、各サブ画素領域中の前記した２本の隣接する画素電極と共通電極が互いに平行でなく、勾配横電界がその間に形成されるものであることと
   を含むことを特徴とする横電界方式液晶表示装置。
2. アクティブマトリックス型であることを特徴とする請求項１記載の横電界方式液晶表示装置。
3. 前記共通電極の前記曲線が、少なくともくさび形の部分を有し、前記くさび形の部分が前記第１導電層を用いて形成されており、前記第３導電層は前記くさび形の部分の窪み側または突起側を広げるのに用いられることを特徴とする請求項１記載の横電界方式液晶表示装置。
4. 前記画素電極の前記曲線が、少なくともくさび形の部分を有することを特徴とする請求項１記載の横電界方式液晶表示装置。
5. 前記共通電極の前記曲線が、２個のくさび形を縦に接続した形状であり、前記くさび形の部分が前記第１導電層を用いて形成されており、前記第３導電層は前記くさび形の部分の窪み側または突起側を広げるのに用いられることを特徴とする請求項１記載の横電界方式液晶表示装置。
6. 前記画素電極の前記曲線が、２個のくさび形を縦に接続した形状であることを特徴とする請求項１記載の横電界方式液晶表示装置。
7. 前記データラインが、少なくとも屈曲部を有することを特徴とする請求項１記載の横電界方式液晶表示装置。
8. 前記液晶分子の配向方向と前記横電界の回転角度が不均一であることを特徴とする請求項１記載の横電界方式液晶表示装置。
9. 前記液晶分子が、正の誘電率異方性材料からなり、回転角度の係数が約８９度から６０度であることを特徴とする請求項８記載の横電界方式液晶表示装置。
10. 前記液晶分子が、負の誘電率異方性材料からなり、回転角度の係数が約１度から３度であることを特徴とする請求項８記載の横電界方式液晶表示装置。
11. 前記第１および第２導電層が不透明材料からなり、前記第３導電層が透明材料からなることを特徴とする請求項１記載の横電界方式液晶表示装置。
12. 前記第１導電層がＭｏＷからなり、前記第２導電層がＭｏ／Ａｌ／Ｍｏからなり、前記第３導電層がＩＴＯからなることを特徴とする請求項１記載の横電界方式液晶表示装置。
13. 前記第３導電層は前記共通電極の幅が徐々に変化するように前記くさび形の部分の窪み側または突起側を広げることを特徴とする請求項３または５記載の横電界方式液晶表示装置。

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