JP3901715B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、ＡＶ機器やＯＡ機器等の平面ディスプレイとして用いられる液晶表示素子、特にアクティブマトリックス型液晶表示素子に関する。

液晶を用いた表示素子は、ビデオカメラのビューファインダーやポケットＴＶ、高精細投写型ＴＶ、パソコン、ワープロ等の情報表示端末等の種々の分野で応用されている。特に、スイッチング素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いたアクティブマトリックス型方式のＴＮ（Twisted Nematic）液晶表示装置は、大容量の表示を行っても高いコントラストが保たれるという大きな特徴を有するため、近年市場要望の極めて高いラップトップパソコン、ノートパソコン、エンジニアリングワークステーション用の大型・大容量フルカラーディスプレイとして期待されている。

アクティブマトリックス方式の液晶表示素子において、液晶表示モードとして、ＴＮ（Twisted Nematic）方式のＮＷ（Normally White）モードが広く用いられている。ＴＮ方式とは、２つの透明電極間に挟持された液晶層の液晶分子が９０゜捻れた構造を有し、その液晶層及び透明電極を含むパネルを２枚の偏光板で挟んだものである。ＮＷモードにおいては、２枚の偏光板の偏光軸方向が互いに直交し、一方の偏光板の偏光軸は一方の基板に接している液晶分子の長軸方向と平行か又は垂直になるように配置されている。この場合、電圧無印加又は所定のしきい値電圧以下の電圧を印加した場合に白表示となり、所定のしきい値よりも高い電圧を印加していくと徐々に光透過率が低下し、黒表示となる。このような表示特性が得られるのは、パネル上の透明電極間に電圧を印加すると、液晶分子が捻れ構造をほどきながら電界の向きに配列しようとし、この分子の配列状態により、パネルを透過してくる光の偏光状態が変わり、光の透過率が変調されるからである。

しかし、同じ分子配列状態でも、液晶パネルに入射する光の入射方向によって透過光の偏光状態が変化するので、入射方向に対応して光の透過率が異なる。すなわち、液晶パネルの特性は視角依存性を持つ。この視角特性は、主視角方向（液晶層の中間層における液晶分子の長軸方向）に対し視点を斜めに傾けると、輝度の逆転現象を引き起こす。この表示モードの場合、ある電圧を印加した時の表示輝度が、それより低い電圧を印加した時の輝度よりも明るくなる現象をいう。特に、黒表示のために高電圧を印加した時の輝度逆転現象は、液晶パネルの画質上、重要な課題となっている。

この課題を解決するために、ＴＮ型液晶表示方式のように基板垂直方向に電界を印加するのではなく、例えば、特許文献１〜２に示されているように、液晶に印加する方向を基板に対してほぼ平行な方向とする方式（横電界方式）が提案されている。従来の横電界方式の液晶表示素子の薄膜トランジスタ基板の構成を図６に示す。図６に示すように、複数の走査配線１及び信号配線３が直交するように形成されている。１つの画素を形成する隣接する２つの信号配線３の間には、複数、例えば２つの画素電極４が形成されている。信号配線３と画素電極４の間及び隣接する画素電極４の間には、複数、例えば３つの共通電極２が形成されている。蓄積容量部５は画素電極４の間で、かつ走査配線１の上部に形成されている。画素電極４及び共通電極２は信号配線３に平行である。そのため、画素電極４と共通電極２の間に形成され、共通電極２の中央の配線部２ａの両側に配置された表示領域２０及び２１における液晶分子６の配向方向は同じである。
特公昭６３−２１９０７号公報 特開平６−１６０８７８号公報

上記の横電界方式は輝度逆転現象の視野角特性は優れているものの、図７に示す様に櫛形電極２又は４に対して斜め方向、４５゜、１３５゜の方向に傾けて画面を見ると、各々青色、黄色に色付く欠点があり、画像品質上の課題となっている。

本発明は上記従来例の課題を解決するためになされたものであり、広い視角で良好な多階調表示を実現しうるとともに、簡易な構成かつ従来と同じ作製工程により、色付きの発生を防止することができ、高品質の画像を表示することができる横電界駆動方式のアクティブマトリックス型液晶表示素子を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明の液晶表示素子は、互いに交差する複数の信号配線及び走査配線、前記信号配線と前記走査配線の各交差点に対応して設けられたスイッチング素子、前記スイッチング素子に接続された画素電極、及び、共通電極を有するアレイ基板と、前記アレイ基板に対向して配置された対向基板と、前記アレイ基板と前記対向基板との間に挟持された液晶層とを具備し、前記対向基板には電極が設けられていない横電界方式の液晶表示素子であって、隣接する２つの前記信号配線及び隣接する２つの前記走査配線により規定される画素は、前記画素電極と前記共通電極との間に電界を発生させたとき、液晶分子の配列の変化する方向が異なる、面積がそれぞれほぼ等しい複数の領域を有し、前記画素内において、前記画素電極及び前記共通電極は略「く」の字状となる部分を有する。

前記画素電極及び前記共通電極は互いに略平行で、かつ前記信号配線及び走査配線のいずれにも平行でない部分を有しても良い。

本発明のアクティブマトリックス型液晶表示素子によれば、図５に示すように黄色の変色方向と青色の変色方向が重なり、視角に対する色変化を互いに補償し合い、色変わりの少ない画像を得ることができる。また、画素電極及び共通電極は略「く」の字状に形成することにより、略「く」の字の変曲点を境としてその上下で傾斜方向が反対になるため、視角に対する色変化をほぼ完全に補償することができる。

さらに、液晶分子の配列の変化する方向が異なる領域の面積をほぼ等しくすることにより、視角に対する色変化を互いに完全に補償し合い、色変わりの無い画像を得ることができる。さらに、画素電極及び共通電極を互いに略平行で、かつ信号配線及び走査配線のいずれにも平行でない部分を有するように構成することにより、画素電極と共通電極の間に電圧を印加したとき、信号配線及び走査配線のいずれにも平行でない部分で、液晶分子が回転する。それにより、上記視角に対する色変化を補償することができる。

また、信号配線及び走査配線のいずれか一方を画素電極及び共通電極と略平行とし、略平行でない他方に対して傾斜した部分を有するように構成しても、同様の視角に対する色変化を補償することができる。この場合も、信号配線及び走査配線のいずれか一方、画素電極及び共通電極を、それぞれ略「く」の字状に形成することが好ましい。

また、液晶分子の誘電率異方性が正であり、液晶分子の配向方向が画素電極と共通電極の長手方向に対して成す角度θが、０゜＜θ≦３０゜を満たすことにより、偏光板の偏光軸と液晶分子の方向の角度ずれを小さくすることができ、変調効率８０％以上を達成することができる。また、液晶分子の誘電率異方性が負であり、液晶分子の配向方向が画素電極と共通電極の長手方向に対して成す角度θが、６０゜≦θ＜９０゜を満たすことによっても、同様の効果を得ることができる。

上記のように、本発明のアクティブマトリックス型液晶表示装置は、薄膜トランジスタアレイ基板（以下、アレイ基板と略称する）と、アレイ基板に対向する対向基板と、アレイ基板と対向基板の間に設けられた液晶層と、アレイ基板と対向基板の外側に設けられた２つの偏光板を具備する。アレイ基板上には、複数の平行な信号配線と、複数の平行な走査配線が画素マトリックスを形成するように配列されている。１つの画素に関して、少なくとも１つのスイッチング素子が信号配線と走査配線の交差点部分に形成されている。１つの画素を規定する隣接する２つの信号配線又は隣接する２つの走査配線の間には、スイッチング素子に接続された複数の画素電極と複数の共通電極が、相互に平行に形成されている。

２つの隣接する信号配線及び２つの隣接する走査配線により規定される１つの画素は、複数の表示領域に分割される。１つの表示領域は隣接する共通電極と画素電極により規定される。アレイ基板及び対向基板にほぼ平行な電界を印加すると、液晶分子の配向は電界の方向に揃うように移動する。本発明の場合、１組の（第１の）表示領域における液晶分子の配向が、他の１組の（第２の）表示領域における液晶分子の配向方向と異なる。

各表示領域は、視野角に依存して画像が色づくという表示特性を有する。しかしながら、１つの画素は表示特性の異なった複数の表示領域を有する。例えば、図５に示すように、黄色に色づく方向と青色に色づく方向とが相互に重なりあうと、黄色の色づきは青色の色づきにより補償される。その結果、視野角に依存した色づきの無い画像が得られる。特に、第１の表示領域と第２の表示領域の面積を等しくすることにより、画像の色づきをほぼ完全に補償することができる。

電界を発生させるための電圧は共通電極と画素電極との間に印加される。液晶分子の配向方向は、印加された電界の方向に揃うように動く。画素電極及び共通電極を、信号配線及び走査配線とは平行でない傾斜した部分を有するように形成することにより、傾斜した部分に発生する電界の方向は、その傾斜部分の傾斜に従う。画素電極と共通電極の形状を適宜選択することにより、画素電極と共通電極の間に形成される表示領域における液晶分子の配向方向を任意に制御することができる。より好ましくは、画素電極と共通電極を略「く」の字状又はヘリングボーン（Herringbone：魚の背骨の意味）形状に形成する。このような構成により、各電極の傾斜は略「く」の字状又はヘリングボーン形状の屈曲点に対して略対称となる。上記第１の表示領域を屈曲点の一方の側に配置されたものと規定し、第２の表示領域を他方の側に配置されたものと規定すると、視野角に依存する画像の色づきをほぼ完全に補償することができる。

また、信号配線及び走査配線のいずれか一方を、画素電極及び共通電極とほぼ平行に形成し、これらの配線及び電極を、画素電極及び共通電極と平行でない他方の配線に対して傾斜した部分を有するように構成してもよい。このような構成によっても上記の場合と同様の効果を得ることができる。さらに、隣接する信号配線又は走査配線と共通電極との間の非表示領域の面積を小さくすることができる。さらに、上記信号配線及び走査配線のいずれか一方、共通電極及び画素電極を略「く」の字状又はヘリングボーン形状に形成することが好ましい。

使用する液晶分子の誘電率異方性が正の場合、液晶分子の配向方向が画素電極及び共通電極の長手方向に対して成す角度をθとして、０゜＜θ≦３０゜の条件を満たすことにより、液晶分子の配向方向と偏光板の偏光軸のずれを小さくすることができる。その結果、変調効率を８０％以上にすることができる。また、液晶分子の誘電率異方性が負の場合、液晶分子の配向方向が画素電極及び共通電極の長手方向に対して成す角度θが、６０゜≦θ＜９０゜を満たすことによっても同様の効果が得られる。

（第１の実施形態）
以下、本発明のアクティブマトリックス型液晶表示素子の好適な第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の液晶表示素子の各実施形態に共通する構成を示す斜視図であり、図２は本発明の第１の実施形態の液晶表示素子における薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ基板のＴＦＴ画素部の平面構成を概略的に示したものである。また、図５は液晶表示素子の視角依存の色付きの防止する原理を示す図である。

図１に示すように、本発明のアクティブマトリックス型液晶表示素子は、アレイ基板１０と、アレイ基板１０に対向して配置された対向基板１１と、アレイ基板１０と対向基板１１に挟持された液晶層１２と、アレイ基板１０及び対向基板１１の外部に配置された二枚の偏光板１３及び１４とを具備する。偏光板１３及び１４は、それぞれの偏光軸Ｘ及びＹが互いに直交するように配置されている。

図２に示すアレイ基板１０は、マトリックス状に配置された複数の平行な信号配線３及び複数の平行な走査配線１と、１つの画素について信号配線３と走査配線１の各交差点に対応して設けられた少なくとも一つのスイッチング素子７と、スイッチング素子に接続された櫛形状の画素電極４と、画素電極４と咬合するように形成された櫛形状の共通電極２とを有する。

図２に示すように、複数の走査配線１は、例えばクロムを用いて、フォトリソグラフィ法によってアレイ基板１０上に、それぞれ所定の間隔を隔てて、略平行にパターン形成されている。隣接する２つの走査配線１の間には、略平行で、かつ、略「く」の字状又はヘリングボーン形状を有する共通電極２がパターン形成されている。共通電極２の幅は４μｍであり、材料はクロムのほか、アルミニウム、アルミニウムを主成分とする金属等の導電性単層膜又は多層膜を用いても良い。

走査配線１及び共通電極２の上には、スイッチング素子７として機能するＴＦＴのゲート絶縁膜として働く、例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）等の第１絶縁体層が積層されている（図示せず）。さらに、第１絶縁体層上にはＴＦＴのスイッチ機能を司る、例えばアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）等の半導体層がプラズマＣＶＤ法によりを積層されている（図示せず）。半導体上には、複数の信号配線３が走査配線１に対して略直交するように、かつ、それぞれ略平行にパターン形成されている。信号配線３は、半導体層の上にスパッタリング法によりチタン／アルミニウム（Ｔｉ／Ａｌ）の二層を堆積させ、その後ドライエッチングによりパターン形成される。

相互に隣接する２つの共通電極２の間には、共通電極２と略平行となるように、複数の画素電極４が略「く」の字状又はヘリングボーン形状に形成されている。画素電極４の幅は４μｍであり、材料はチタン／アルミニウム（Ｔｉ／Ａｌ）のほか、導電性金属の単層膜又は多層膜を用いても良い。第１絶縁膜層と半導体層を挟んで走査配線１上には、２つの画素電極４を接続するように、蓄積容量部５がオーバーラップして形成されている。蓄積容量部５は、画素に供給された電圧を保持するために設けられている。なお、共通電極２と画素電極４との間隔を１２μｍとした。

以上のように構成された薄膜トランジスタアレイ基板１０及び対向基板１１には配向膜が塗布され、図２において矢印Ａで示す方向にラビング処理が行われている。薄膜トランジスタアレイ基板と対向基板とは３μｍのギャップ隔てて貼り合わされており、その間には、誘電率異方性が正の液晶が注入され、液晶層１２を形成している。さらに、薄膜トランジスタアレイ基板１０及び対向基板１１の外側には２枚の偏光板１３及び１４が、それぞれの偏光軸Ｘ及びＹが直交するように配置されている。

図２に示すように、共通電極２及び画素電極４は、それぞれ中央部（屈曲点）で信号配線３に平行な方向に対して約５゜略「く」の字状に曲がるように形成されている。そのため、共通電極２と画素電極４間に電圧を印加すると、共通電極２及び画素電極４の長手方向に対して略直交する方向に電界が発生する。共通電極２の中央配線部２ａの両側にそれぞれ位置する第１及び第２の表示領域２０及び２１における液晶分子６ａ及び６ｂは、それらの配向方向がそれぞれ電界の方向に揃うように動く。第１の表示領域２０における液晶分子６ａの配向方向と、第２の表示領域２１における液晶分子６ｂの配向方向とは互いに逆である。さらに、第１の表示領域２０の面積と第２の表示領域２１の面積はほぼ等しい。そのため、図５に示すように、黄色の変色方向と青色の変色方向が重なり、視角に対する色変化を互いに補償し合い、色変わりの無い画像を得ることができる。

次に、共通電極２及び画素電極４の略「く」の字の曲がり角度、すなわち両電極に対する液晶分子６の配向角度（θ）を変化させた場合を説明する。この角度を大きくすると、しきい値が小さくなる反面、偏光板の偏光軸と液晶分子６の方向に角度のズレが生じ、変調効率が低下する。θ＝３０゜を越えると急激に変調効率が低下する。θ＝３０゜以内であれば変調効率８０％以上で実用レベルである。しかしθ＝０゜の場合電圧が印加された時の液晶分子６の回転方向が定まらないので、配向角度（θ）は、０゜＜θ≦３０゜が好ましい。また誘電異方性が負の液晶を使用したところ、６０゜≦θ＜９０゜の範囲で同様の結果が得られた。この液晶表示素子の点灯画像検査を行ったところ、広い視角特性を有し、かつ、色付きが無く、優れた画像の液晶表示素子が得られることが確認された。

（第２の実施形態）
次に、本発明のアクティブマトリックス型液晶表示素子の好適な第２の実施形態について、図３を参照しつつ説明する。図３は、本発明の第２の実施形態の液晶表示素子における薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ基板のＴＦＴ画素部の平面構成を概略的に示したものである。なお、上記第１の実施形態の場合と共通する部分についてはその説明を省略し、異なる部分について述べる。

第２の実施形態では、信号配線３が共通電極２及び画素電極４と平行で、かつ、略「く」の字状又はヘリングボーン形状に形成されている。この構成により、第１の実施形態の場合と比較して、信号配線３と共通電極２の間の非表示領域２２を大幅に減少させることができ、開口率（１画素に占める表示領域の面積比）を向上させることができる。この液晶表示素子の点灯画像検査を行ったところ、広い視角特性を有し、かつ、色付きが無く、明るく優れた画像の液晶表示素子が得られることが確認された。

（第３の実施形態）
次に、本発明のアクティブマトリックス型液晶表示素子の好適な第３の実施形態について、図４を参照しつつ説明する。図４は、本発明の第３の実施形態の液晶表示素子における薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ基板のＴＦＴ画素部の平面構成を概略的に示したものである。なお、上記第１又は第２の実施形態の場合と共通する部分についてはその説明を省略し、異なる部分について述べる。

第３の実施形態では、液晶分子の配列の変化する方向が異なる領域が、複数設けられている。すなわち、図４に示すように、共通電極２と画素電極４とを２回略「く」の字状に形成することにより、第１の実施形態の場合と比較して、信号配線３と共通電極２の間の非表示領域２２を大幅に減少させることができ、開口率（１画素に占める表示領域の面積比）を向上させることができる。この液晶表示素子の点灯画像検査を行ったところ、広い視角特性を有し、かつ、色付きが無く、明るく優れた画像の液晶表示素子が得られることが確認された。

本発明の液晶表示素子の各実施形態に共通する構成を示す斜視図 本発明の第１の実施形態の液晶表示素子における薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ基板のＴＦＴ画素部の平面構成を概略的に示す平面図 本発明の第２の実施形態の液晶表示素子における薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ基板のＴＦＴ画素部の平面構成を概略的に示す平面図 本発明の第３の実施形態の液晶表示素子における薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ基板のＴＦＴ画素部の平面構成を概略的に示す平面図 液晶表示素子の視角依存の色付きの防止する原理を示す図 従来の液晶表示素子における薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ基板のＴＦＴ画素部の平面構成を概略的に示す平面図 従来の液晶表示素子の色付き方向を示す液晶表示素子の平面図

符号の説明

１ 走査配線
２ 共通電極
３ 信号配線
４ 画素電極
５ 蓄積容量部
６ 液晶分子
７ スイッチング素子
１０ アレイ基板
１１ 対向基板
１２ 液晶層
１３ 偏光板
１４ 偏光板
２０ 液晶分子の配列の変化する方向が異なる領域
２１ 液晶分子の配列の変化する方向が異なる領域
２２ 非表示領域

Claims (2)

1. 互いに交差する複数の信号配線及び走査配線、前記信号配線と前記走査配線の各交差点に対応して設けられたスイッチング素子、前記スイッチング素子に接続された画素電極、及び、共通電極を有するアレイ基板と、
   前記アレイ基板に対向して配置された対向基板と、
   前記アレイ基板と前記対向基板との間に挟持された液晶層とを具備し、前記対向基板には電極が設けられていない横電界方式の液晶表示素子であって、
   隣接する２つの前記信号配線及び隣接する２つの前記走査配線により規定される画素は、前記画素電極と前記共通電極との間に電界を発生させたとき、液晶分子の配列の変化する方向が異なる、面積がそれぞれほぼ等しい複数の領域を有し、
   前記画素内において、前記画素電極及び前記共通電極は略「く」の字状となる部分を有する液晶表示素子。
2. 前記画素電極及び前記共通電極は互いに略平行で、かつ前記信号配線及び走査配線のいずれにも平行でない部分を有する請求項１に記載の液晶表示素子。

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