JP3922883B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
本発明は液晶表示装置に係り、特に、横電界方式を用いた液晶表示装置に関する。
背景技術
液晶表示装置は薄い、軽量という特徴からノートパソコンに代表される携帯機器の表示装置として広く普及している。特に薄膜トランジスタ素子(TFT)に代表される能動素子を用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置は、ブラウン管に匹敵する高画質という点から、最近では、デスクトップパソコンのモニターおよびOA機器等の表示端末として広く普及し始めている。
しかしながら、液晶表示装置には、視野角が狭いという特有の欠点が存在する。
これを抜本的に解決する手段として提案されているのが、インプレーンスイッチングモード(IPS)と呼ばれる表示モードである。
このインプレーンスイッチングモードに関しては、例えば、「R.Kiefer,B.Weber,F.Windcheid and G.Baur,Proceedings of the Twelfth International Display Research Conference(Japan Display’92)pp.547−550」に開示されている。
また、この他に、「SID 97 DIGEST p184〜187」、特開平10−62788号公報、特開平10−62802号公報等にも記載されている。
上述の文献から明らかなように、上記インプレーンスイッチングモードを利用する液晶表示装置は、一方の透明基板の液晶側の面の各画素領域に少なくとも一対(必ずしも整数というわけではなく、たとえば3本の電極で1.5対でもよい)の電極が形成され、これらの電極の間に該透明基板面と水平方向に発生する電界によって該電極の間を透過する光の量を制御する構成となっている。
しかしながら、このように構成された液晶表示装置は、その各画素において、各電極に印加する電圧(電圧差)に対する光透過率(輝度と同等)の特性を調べてみると、中間調領域(輝度0〜20%)で急俊に変化することが認められることが確認されるに到った。
このことは、電極間の電圧のわずかな変化によっても光透過量が大きく変化し、中間調領域の場合においてそれが極めて容易に人間の目で判別しやすいことを意味する。
このため、中間調領域あたりの前記特性を該中間調領域以外の他の領域の特性と均衡を図ることによって表示品質を向上させることが必要とされるに到った。
また、前記各電極はそれらの間隔を均一にすることによって、所定の光透過率を得ることができるが、それら各電極を形成するときのホトリソグラフィーやエッチングのばらつきで各画素毎における電極の間隔がばらつくことが免れない。
これに対し、電極を形成するときのホトリソグラフィーやエッチングのばらつきを最大限抑えられるように、ホトレジスト材やエッチング液等を改良し対策していたが、液晶表示装置の大画面化に伴いばらつきも大きくなり、この対策では対処できなくなった。
本発明は上記の課題を解決するもので、その目的は、ブラウン管並の広い視野角を有するIPS方式のアクティブマトリクス型液晶表示装置において、輝度むらのなく、輝度均一性の高い良好な画質を有するものを提供することにある。
発明の開示
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
すなわち、液晶を介して対向配置される一対の透明基板と、前記液晶の初期配向方向を規制する手段と、前記透明基板の液晶側の面の各画素領域に互いに離間されて形成された画素電極と対向電極とを備え、
前記画素電極と対向電極との間の電界によって、これら電極間を透過する液晶内の光量を制御する液晶表示装置であって、
前記画素領域中の光透過領域に、前記画素電極と対向電極との間の電界方向と前記初期配向方向とのなす角度が設定された一方の領域に対して、前記角度が異なる電界方向と初期配向方向を有する他の領域が設けられていることを特徴とするものである。
このように構成された液晶表示装置は、画素電極と対向電極との間の電界方向と前記初期配向方向とのなす角度を所定の値に設定することにより、液晶を透過させる光の透過率の向上を図ることができるようになるが、その電圧(画素電極と対向電極との間の)−輝度特性において、特に中間調領域のあたりで、電圧変化に対して光透過(輝度)変化が大きくなる部分(特性カーブが急になる部分)が生じていることが確認される。
このことから、各画素領域中の光透過領域において、画素電極と対向電極との間の電界方向と前記初期配向方向とのなす角度が設定された一方の領域に対して、前記角度が異なる電界方向と前記初期配向方向を有する他の領域を設けることによって、これら各画素領域の電圧−輝度特性のカーブを緩やかにでき、上述したような電圧変化に対して輝度変化が大きくなる部分をなくすことができるようになる。
すなわち、画素電極と対向電極との間に印加される電圧に対して、輝度の変化をほぼ一様にすることができ、表示品質の向上を図ることができるようになる。
また、異なる画素領域において、画素電極と対向電極との間の距離にバラツキが生じていると輝度のバラツキが輝度むらとして容易に認識されやすくなるが、上述のような構成とすることによって、画素電極と対向電極との間のバラツキに対して、輝度の変化を鈍くすることができるようになる。
このため、画素電極と対向電極との間の距離のバラツキが生じていたとしても、表示面における輝度むらを大幅に低減でき、表示の品質を向上させることができるようになる。
そして、この場合、他方の領域を一方の領域の存在を前提として設けることによって、画素電極と対向電極との間に印加する所望電圧の上昇をほぼ抑制させた状態で、画素領域の電圧−輝度特性のカーブを緩やかにすることができる。
このため、画素電極および対向電極に供給する信号を形成する駆動回路系をほとんど変更させることなく、輝度むらの発生を大幅に低減できるようになる。
発明を実施するための最良の形態
本発明、本発明の更に他の目的及び本発明の更に他の特徴は図面を参照した以下の説明から明らかとなるであろう。また、本発明の主な目的は、電極の形状を工夫し、電極の寸法ばらつきに対する輝度変化を抑制することであり、すなわち、
電圧−輝度特性の傾きを、最大駆動電圧Vmaxを上げることなく、緩やかにすることである。
(実施例1)
《アクティブ・マトリクス液晶表示装置》
以下、アクティブ・マトリクス方式のカラー液晶表示装置に本発明を適用した実施例を説明する。なお、以下説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
《マトリクス部(画素部)の平面構成》
第1図は本発明のアクティブ・マトリクス方式カラー液晶表示装置の一画素とその周辺を示す平面図である。
第1図に示すように、各画素は走査信号線(ゲート信号線または水平信号線)GLと、対向電圧信号線(対向電極配線)CLと、隣接する2本の映像信号線(ドレイン信号線または垂直信号線)DLとの交差領域内(4本の信号線で囲まれた領域内)に配置されている。各画素は薄膜トランジスタTFT、蓄積容量Cstg、画素電極PXおよび対向電極CTを含む。走査信号線GL、対向電圧信号線CLは図では左右方向に延在し、上下方向に複数本配置されている。映像信号線DLは上下方向に延在し、左右方向に複数本配置されている。画素電極PXはソース電極SD1を介して薄膜トランジスタTFTと電気的に接続され、対向電極CTも対向電圧信号線CLと電気的に接続されている。ここで、走査信号線GLは各画素の薄膜トランジスタ素子に走査信号を伝搬するためのものであり、映像信号線DLは、各画素の画素電極PXに薄膜トランジスタ素子を介して映像信号電圧を供給するためのものであり、対向電圧信号線CLは各画素の対向電極CTに対向電圧を供給するためのものである。
画素電極PXと対向電極CTは互いに対向し、各画素電極PXと対向電極CTとの間で発生させられる基板面に略平行な電界により液晶組成物LCの光学的な状態を制御し、表示を制御する。画素電極PXと対向電極CTは櫛歯状に構成され、それぞれ、図の上下方向に長細い電極となっている。
本実施例では、1画素内の対向電極CTは3本、画素電極PXの本数は2本とした。但し、これに限らず、1画素内の対向電極CTの本数O(櫛歯の本数)、画素電極PXの本数(櫛歯の本数)Pは、O=P+1の関係を持つように構成すれば良い。
ここで、画素電極PXと対向電極CTの間を2つの領域に分割する(第1図のA,B)。第1図A領域は、本実施例の画素の主な光学スイッチング領域であり、第1図B領域は、電極寸法バラツキに対する輝度変動を緩慢にするための補助的な光学スイッチング領域である。本実施例では、A領域とB領域の面積比率(A領域:B領域)を約1:0.15とした。本実施例では、A領域の電極間隔L1は4分割された各領域で約10μmとした(領域毎に±2μm程度の誤差は生じる)。また、B領域の電極間隔L2は4分割された各領域で約5μmとした(領域毎に±2μm程度の誤差は生じる)。さらに、B領域は電界印加方向EDRを、水平方向(走査線の延在方向)と平行な方向から約15°傾く様に電極形状を構成した。これにより、後述の初期配向方向RDRと電界方向EDRのなす角φLCは、約60°となる。一方、A領域では、電界印加方向EDRは水平方向と平行であるので、後述の初期配向方向RDRと電界方向EDRのなす角φLCは、約75°となる。すなわち、本実施例では、A領域とB領域の電界印加方向EDRを約15°変え、後述の初期配向方向RDRと電界方向EDRのなす角φLCを約15°変えている。
ここで、上述した実施例では、A領域での電極間隔L1に対してB領域での電極間隔L2を狭く(この値は一定である必要はなく、変化するものであってもよい)しているものであるが、必ずしもこのような構成としなくても、L1=L2の関係にあっても本発明の目的を達成することができる。
A領域における画素電極PXと対向電極CTがB領域へ延在する個所でその延在方向を変化させる構成のみにすることによって、各領域の電界方向が異なり、ひいては、各領域における電界方向と前記初期配向方向とのなす角度をそれぞれ異ならしめることができるからである。
このような領域Bを設けることによって、各画素領域の全体としての電圧−輝度特性のカーブを緩やかにすることができ、画素電極と対向電極との間の距離のバラツキに起因する電圧変化に対して輝度変化が大きくなることがなくなる。
すなわち、第22図の模式グラフに示すように、A領域の特性を示すグラフとB領域の特性を示すグラフがある。この場合、A領域の特性は、本発明を適用しない場合の特性であり、その一部において、電圧変化に対して輝度変化の急な個所が存在することが明らかになる。
しかし、B領域を設け、その部分の特性を図示のように設定することにより、画素全体の特性はA領域の特性とB領域の特性とを合成した特性となり、その特性は、電圧変化に対して輝度変化が緩やかにすることができる。
このため、各画素領域における画素電極PXと対向電極CTとの間の距離のバラツキが生じていたとしても、表示面における輝度むらを大幅に低減でき、表示の品質を向上させることができるようになる。
そして、この実施例において、特に、B領域においてA領域よりも画素電極PXと対向電極CTの距離を小さくしているのは次の理由からである。
すなわち、B領域における電界方向を変化させることは、その領域における新たな電圧−輝度特性を形成することを意味するが、画素電極PXと対向電極CTとの間の距離を変化させることによって、電圧−輝度特性をその電圧方向(第22図の矢印Q方向)に微妙にシフトさせることができ、該画素領域において所定の電圧−輝度特性を得る場合に極めてその制御がしやすくなるからである。
また、上述した実施例では、A領域とB領域の面積比率を約1:0.15としたものであるが、必ずしもこれに限定されることはない。B領域を設ける趣旨は、画素領域において、A領域のみの場合と比較して、その電圧−輝度特性を緩やかにするためであり、これが満足できればよいからである。
しかし、この実施例においては、後述するように、B領域の面積は、A領域の面積の0.05倍から0.3倍の範囲内にあることが好適であることが確かめられている。
この理由は、輝度むらは中間調領域(輝度0〜20%)において最も大きいことが判明し、そのあたりの寸法バラツキに対する感度を鈍くするには、上述した面積比で充分であることが確認されているからである。
また、上述した実施例では、画素電極PXと対向電極CTのそれぞれを、A領域からB領域にかけてそれらの延在方向を変化させることによって、各領域において電界方向を異ならしめたものである。
しかし、これに限定されることなく、たとえば、第23図に示すように、画素電極PXと対向電極CTのうちその一方の電極のみ(図では画素電極PX)をパターン変更させるようにしてもよいことはもちろんである。
この場合においても、同図の矢印Pに示すように、A領域に対してB領域における電界方向を異ならしめることができるようになるからである。
同様の趣旨から、画素電極PXと対向電極CTの双方においてパターン変更してもよいことはいうまでもない。
また、第23図では、第1図と比較して、画素領域におけるB領域の場所が異なっている。B領域の場所は特に限定される必要はなく、また、1ヶ所に限定されることはなく、分散されて形成されていても同様の効果を奏するようになる。
尚、画素電極PXと対向電極CTの間の電極間隔は、用いる液晶材料によって変える。これは、液晶材料によって最大透過率を達成する電界強度か異なるため、電極間隔を液晶材料に応じて設定し、用いる映像信号駆動回路(信号側ドライバ)の耐圧で設定される信号電圧の最大振幅の範囲で、最大透過率が得られるようにするためである。
《マトリクス部(画素部)の断面構成》
第2図は第1図の6−6切断線における断面を示す図、第3図は第1図の7−7切断線における薄膜トランジスタTFTの断面図、第4図は第1図の8−8切断線における蓄積容量Cstgの断面を示す図である。第2図〜第4図に示すように、液晶組成物層LCを基準にして下部透明ガラス基板SUB1側には薄膜トランジスタTFT、蓄積容量Cstgおよび電極群が形成され、上部透明ガラス基板SUB2側にはカラーフィルタFIL、遮光用ブラックマトリクスパターンBMが形成されている。
また、透明ガラス基板SUB1、SUB2のそれぞれの内側(液晶LC側)の表面には、液晶の初期配向を制御する配向膜ORI1、ORI2が設けられており、透明ガラス基板SUB1、SUB2のそれぞれの外側の表面には、偏光板POL1、POL2が設けられている。
《TFT基板》
まず、下側透明ガラス基板SUB1側(TFT基板)の構成を詳しく説明する。
《薄膜トランジスタTFT》
薄膜トランジスタTFTは、ゲート電極GTに正のバイアスを印加すると、ソース−ドレイン間のチャネル抵抗が小さくなり、バイアスを零にすると、チャネル抵抗は大きくなるように動作する。
薄膜トランジスタTFTは、第3図に示すように、ゲート電極GT、絶縁膜GI、i型(真性、intrinsic、導電型決定不純物がドープされていない)非晶質シリコン(Si)からなるi型半導体層AS、一対のソース電極SD1、ドレイン電極SD2を有す。なお、ソース、ドレインは本来その間のバイアス極性によって決まるもので、この液晶表示装置の回路ではその極性は動作中反転するので、ソース、ドレインは動作中入れ替わると理解されたい。しかし、以下の説明では、便宜上一方をソース、他方をドレインと固定して表現する。
《ゲート電極GT》
ゲート電極GTは走査信号線GLと連続して形成されており、走査信号線GLの一部の領域がゲート電極GTとなるように構成されている。ゲート電極GTは薄膜トランジスタTFTの能動領域を超える部分である。本例では、ゲート電極GTは、単層の導電膜g3で形成されている。導電膜g3としては例えばスパッタで形成されたクロムーモリブデン合金(Cr−Mo)膜が用いられるがそれに限ったものではない。また、異種の金属を2層形成しても良い。
《走査信号線GL》
走査信号線GLは導電膜g3で構成されている。この走査信号線GLの導電膜g3はゲート電極GTの導電膜g3と同一製造工程で形成され、かつ一体に構成されている。この走査信号線GLにより、外部回路からゲート電圧(走査電圧)Vgをゲート電極GTに供給する。本例では、導電膜g3としては例えばスパッタで形成されたクロムーモリブデン合金(Cr−Mo)膜が用いられる。また、走査信号線GLおよびはゲート電極GTは、クロムーモリブデン合金のみに限られたものではなく、たとえば、低抵抗化のためにアルミニウムまたはアルミニウム合金をクロムーモリブデンで包み込んだ2層構造としてもよい。さらに、映像信号線DLと交差する部分は映像信号線DLとの短絡の確率を小さくするため細くし、また、短絡しても、レーザートリミングで切り離すことができるように二股にしても良い。
《対向電圧信号線CL》
対向電圧信号線CLは導電膜g3で構成されている。この対向電圧信号線CLの導電膜g3はゲート電極GT、走査信号線GLおよび対向電極CTの導電膜g3と同一製造工程で形成され、かつ対向電極CTと一体形成されている。この対向電圧信号線CLにより、外部回路から対向電圧Vcomを対向電極CTに供給する。また、対向電圧信号線CLは、クロムーモリブデン合金のみに限られたものではなく、たとえば、低抵抗化のためにアルミニウムまたはアルミニウム合金をクロムーモリブデンで包み込んだ2層構造としてもよい。さらに、映像信号線DLと交差する部分は映像信号線DLとの短絡の確率を小さくするため細くし、また、短絡しても、レーザートリミングで切り離すことができるように二股にしても良い。
《絶縁膜GI》
絶縁膜GIは、薄膜トランジスタTFTにおいて、ゲート電極GTと共に半導体層ASに電界を与えるためのゲート絶縁膜として使用される。絶縁膜GIはゲート電極GTおよび走査信号線GLの上層に形成されている。絶縁膜GIとしては例えばプラズマCVDで形成された窒化シリコン膜が選ばれ、2000〜4500Åの厚さに(本実施例では、3500Å程度)形成される。また、絶縁膜GIは走査信号線GLおよび対向電圧信号線CLと映像信号線DLの層間絶縁膜としても働き、それらの電気的絶縁にも寄与している。
《i型半導体層AS》
i型半導体層ASは、非晶質シリコンで、150〜2500Åの厚さに(本実施例では、1200Å程度の膜厚)で形成される。層d0はオーミックコンタクト用のリン(P)をドープしたN(+)型非晶質シリコン半導体層であり、下側にi型半導体層ASが存在し、上側に導電層d3が存在するところのみに残されている。
i型半導体層ASおよび層d0は、走査信号線GLおよび対向電圧信号線CLと映像信号線DLとの交差部(クロスオーバ部)の両者間にも設けられている。この交差部のi型半導体層ASは交差部における走査信号線GLおよび対向電圧信号線CLと映像信号線DLとの短絡を低減する。
《ソース電極SD1、ドレイン電極SD2》
ソース電極SD1、ドレイン電極SD2のそれぞれは、N(+)型半導体層d0に接触する導電膜d3から構成されている。
導電膜d3はスパッタで形成したクロム−モリブデン合金(Cr−Mo)膜を用い、500〜3000Åの厚さに(本実施例では、2500Å程度)で形成される。Cr−Mo膜は低応力であるので、比較的膜厚を厚く形成することができ配線の低抵抗化に寄与する。また、Cr−Mo膜はN(+)型半導体層d0との接着性も良好である。導電膜d3として、Cr−Mo膜の他に高融点金属(Mo、Ti、Ta、W)膜、高融点金属シリサイド(MoSi2、TiSi2、TaSi2、WSi2)膜を用いてもよく、また、アルミニウム等との積層構造にしてもよい。
《映像信号線DL》
映像信号線DLはソース電極SD1、ドレイン電極SD2と同層の導電膜d3で構成されている。また、映像信号線DLはドレイン電極SD2と一体に形成されている。本例では、導電膜d3はスパッタで形成したクロムーモリブデン合金(Cr−Mo)膜を用い、500〜3000Åの厚さに(本実施例では、2500Å程度)で形成される。Cr−Mo膜は低応力であるので、比較的膜厚を厚く形成することができ配線の低抵抗化に寄与する。また、Cr−Mo膜はN(+)型半導体層d0との接着性も良好である。導電膜d3として、Cr−Mo膜の他に高融点金属(Mo、Ti、Ta、W)膜、高融点金属シリサイド(MoSi2、TiSi2、TaSi2、WSi2)膜を用いてもよく、また、アルミニウム等との積層構造にしてもよい。
《蓄積容量Cstg》
導電膜d3は、薄膜トランジスタTFTのソース電極SD1部分において、対向電圧信号線CLと重なるように形成されている。この重ね合わせは、第5図からも明らかなように、ソース電極SD1(d3)を一方の電極とし、対向電圧信号CLを他方の電極とする蓄積容量(静電容量素子)Cstgを構成する。この蓄積容量Cstgの誘電体膜は、薄膜トランジスタTFTのゲート絶縁膜として使用される絶縁膜GIで構成されている。
第1図に示すように平面的には蓄積容量Cstgは対向電圧信号線CLの一部分に形成されている。
《保護膜PSV1》
薄膜トランジスタTFT上には保護膜PSV1が設けられている。保護膜PSV1は主に薄膜トランジスタTFTを湿気等から保護するために形成されており、透明性が高くしかも耐湿性の良いものを使用する。保護膜PSV1はたとえばプラズマCVD装置で形成した酸化シリコン膜や窒化シリコン膜で形成されており、0.1〜1μm程度の膜厚で形成する。
保護膜PSV1は、外部接続端子DTM、GTMを露出するよう除去されている。保護膜PSV1と絶縁膜GIの厚さ関係に関しては、前者は保護効果を考え厚くされ、後者はトランジスタの相互コンダクタンスgmを薄くされる。
また、保護膜PSV1は、ポリイミド等の有機膜を厚く構成したものとの積層構造としても良い。
《画素電極PX》
画素電極PXは、ソース電極SD1と一体で形成されている。ここで、前述のようにA領域とB領域で、電界印加方向EDRを異ならせるため、電極とくの字型に湾曲させている。
《対向電極CT》
対向電極CTは対向電極信号線CLと一体で形成されている。ここで、画素電極と同様に、前述のようにA領域とB領域で、電界印加方向EDRを異ならせるため、電極をくの字型に湾曲させている。
対向電極CTには対向電圧Vcomが印加されるように構成されている。本実施例では、対向電圧Vcomは映像信号線DLに印加される最小レベルの駆動電圧Vdminと最大レベルの駆動電圧Vdmaxとの中間直流電位から、薄膜トランジスタ素子TFTをオフ状態にするときに発生するフィードスルー電圧ΔVs分だけ低い電位に設定されるが、映像信号駆動回路で使用される集積回路の電源電圧を約半分に低減したい場合は、交流電圧を印加すれば良い。
《カラーフィルタ基板》
次に、第1図、第2図に戻り、上側透明ガラス基板SUB2側(カラーフィルタ基板)の構成を詳しく説明する。
《遮光膜BM》
上部透明ガラス基板SUB2側には、第1図に示すBM境界線の様に、不要な間隙部(画素電極PXと対向電極CTの間以外の隙間)からの透過光が表示面側に出射して、コントラスト比等を低下させないように遮光膜BM(いわゆるブラックマトリクス)を形成している。遮光膜BMは、外部光またはバックライト光がi型半導体層ASに入射しないようにする役割も果たしている。すなわち、薄膜トランジスタTFTのi型半導体層ASは上下にある遮光膜BMおよび大き目のゲート電極GTによってサンドイッチにされ、外部の自然光やバックライト光が当たらなくなる。
これにより、各画素領域は、この遮光膜BMによって画される光透過領域を有し、この光透過領域が実質上の画素領域として機能するようになる。
第1図に示す遮光膜BMは、1つの画素についてしか示していないが、すべての画素毎に内側が開口になるように形成されている。また、このパターンは、1例である。櫛歯電極端部等の電界方向が乱れる部分においては、その部分の表示は、画素内の映像情報に1対1で対応し、かつ、黒の場合には黒、白の場合には白になるため、表示の一部として利用することが可能である。
但し、遮光膜BMは光に対する遮蔽性を有しなければならない。特に画素電極PXと対向電極CTの間の隙間は、映像信号線方向のクロストーク(縦スミア)を抑制するために、光学濃度3以上が必要である。また、Cr等の導電性を有する金属で形成してもよいが、画素電極PXと対向電極CTの間の電界に影響を与えないように絶縁性の高い膜で形成したほうが好ましい。本実施例では黒色の有機顔料をレジスト材に混入し、1.2μm程度の厚さで形成している。また、光に対する遮蔽性を向上させるためにカーボン、チタン酸化物(TixOy)を、絶縁性が液晶組成物層内の電界に影響を与えない108Ωcm以上を維持できる範囲で、混入させても良い。
また、遮光膜BMは各行の有効表示領域が仕切っているため、各行の画素の輪郭をはっきりとさせる役割も持つ。
第1図の上下方向の境界線において、特に上部分は、画素内の映像情報に1対1で対応し、かつ、黒の場合には黒、白の場合には白になるため、表示の一部として利用することが可能である。また、図の左右方向の境界線は上下基板の合わせ精度によって決まり、合わせ精度が映像信号線DLに隣接する対向電極CTの電極幅よりも良い場合には、対向電極の幅の間に設定すれば、より開口部を拡大することができる。即ち、上下方向の境界線は少なくとも薄膜トランジスタTFTの部分を遮光すれば充分であり、左右方向の境界線は映像信号線の両側の対向電極の幅の間に設定すれば最も開口率を向上できる。
遮光膜BMは周辺部にも額縁状に形成され、そのパターンは第1図に示すマトリクス部のパターンと連続して形成されている。周辺部の遮光膜BMは、シール部SLの外側に延長され、パソコン等の実装機に起因する反射光等の漏れ光がマトリクス部に入り込むのを防いぐと共に、バックライト等の光が表示エリア外に漏れるのも防いでいる。他方、この遮光膜BMは基板SUB2の縁よりも約0.3〜1.0mm程内側に留められ、基板SUB2の切断領域を避けて形成されている。
《カラーフィルタFIL》
カラーフィルタFILは画素に対向する位置に赤、緑、青の繰り返しでストライプ状に形成される。カラーフィルタFILは遮光膜BM部分と重なるように形成されている。
カラーフィルタFILは次のように形成することができる。まず、上部透明ガラス基板SUB2の表面にアクリル系樹脂等の染色基材を形成し、フォトリソグラフィ技術で赤色フィルタ形成領域以外の染色基材を除去する。この後、染色基材を赤色顔料で染め、固着処理を施し、赤色フィルタRを形成する。つぎに、同様な工程を施すことによって、緑色フィルタG、青色フィルタBを順次形成する。なお、染色には染料を用いてもよい。
《オーバーコート膜OC》
オーバーコート膜OCはカラーフィルタFILの染料の液晶組成物層LCへの漏洩の防止、および、カラーフィルタFIL、遮光膜BMによる段差の平坦化のために設けられている。オーバーコート膜OCはたとえばアクリル樹脂、エポキシ樹脂等の透明樹脂材料で形成されている。また、オーバーコート膜オCとして、流動性の良いポリイミド等の有機膜を使用しても良い。
《液晶層および偏向板》
次に、液晶層、配向膜、偏光板等について説明する。
《液晶層》
液晶組成物LCとしては、誘電率異方性Δεが正でその値が13.2、屈折率異方性Δnが0.081(589nm、20℃)のネマテイック液晶を用いる。液晶組成物層の厚み(ギャップ)は、3.8μmとし、リタデーションΔn・dは0.31μmとする。このリタデーションΔn・dの値は、0.25μm以上から0.35μmの間、好ましくは、0.28μm以上から0.32μmの間に設定し、後述の配向膜と偏光板と組み合わせ、液晶分子が初期配向方向から電界方向に45°回転したとき最大透過率を得ることができ、可視光の範囲ないで波長依存性がほとんどない透過光を得ることができるようにする。
また、液晶組成物層の厚み(ギャップ)は、垂直配向処理を施したポリマビーズで制御している。これにより、黒表示時のビーズ周辺の液晶分子の配向を安定化し、良好な黒レベルを得、コントラスト比を向上している。
なお、液晶材料LCは、特に限定したものではなく、誘電率異方性Δεは負でも良い。誘電率異方性Δεは、その値が大きいほうが、駆動電圧が低減でき、屈折率異方性Δnは小さいほうが、液晶層の厚み(ギャップ)を厚くでき、液晶の封入時間が短縮され、かつギャップばらつきを少なくすることができる。
また、液晶組成物の比抵抗としては、109Ωcm以上1014Ωcm以下、好ましくは1011Ωcm以上1013Ωcm以下のものを用いる。本方式では、液晶組成物の抵抗が低くても、画素電極と対向電極間に充電された電圧を十分保持することができ、その下限は109Ωcm、好ましくは1011Ωcmである。これは、画素電極と対向電極を、同一基板上に構成していることによる。また、抵抗が高すぎると、製造工程上に入った静電気を緩和しにくいため、1014Ωcm以下、好ましくは1013Ωcm以下が良い。
《配向膜》
配向膜ORIとしては、ポリイミドを用いる。初期配向方向RDRは上下基板で互いに平行にする。初期配向方向を付与する方法としては、ラビングが最も一般的であるが、その他に斜方蒸着がある。初期配向方向RDRと印加電界方向EDRとの関係は第18図に示す。
本実施例では、初期配向方向RDRは、水平方向に対して約75°とした。これにより、第1図のA領域では、初期配向方向RDRと印加電界方向EDRのなす角が75°となり、B領域では、初期配向方向RDRと印加電界方向EDRのなす角が60°となる。
しかし、画素領域の電圧−輝度特性の最大透過率を得る電圧は低く、かつ相対透過率10%付近の特性を緩やかにするという本発明の目的からすると、必ずしも上述した値に限定されることはなく、A領域は最大透過率を得る電圧を低くするために電界方向と初期配向方向のなす角度は70°以上、B領域は相対透過率10%付近の特性を緩やかにするために電界方向と初期配向方向のなす角度は30°を超え75°未満の範囲内にあれば充分であることが確認されている。
なお、初期配向方向RDRと印加電界方向EDRとのなす角度は、液晶材料の誘電率異方性Δεが正であれば、90°未満、誘電率異方性Δεが負であれば、0°を超えていなければならない。
ここで、この実施例では、第1図に示すように、各画素領域において、領域A内で延在する画素電極PXと対向電極CTを屈曲させることによって領域Bを形成したものであるが、このように構成することなく、配向膜ORIの一部加工によっても同様な効果を得るようにすることができる。
すなわち、透明基板SUB1上の画素領域の構成において、第24図(a)に示すように、画素電極PXと対向電極CTになんらの工夫がされておらず、同図(b)に示すように、該画素領域のB領域に相当する部分の配向膜ORIにおいてその初期配向方向がA領域におけるそれと異なるようになっている。
このようにした場合においても、A領域の電界方向と初期配向方向とのなす角度はB領域の電界方向と初期配向方向とのなす角度が異なることから、該画素領域の電圧−輝度特性が緩やかになり、画素電極PXと対向電極CTの間隔のバラツキによる輝度むらを減少させることができるようになる。
このようなB領域における配向膜の形成としては、たとえば次のような方法がある。
まず、ポリイミドの被膜を形成した後に、その全域にA領域において設定される初期配向方向にラビングを行う。そして、このようにラビングされた表面にフォトレジスト膜を全面に形成し、周知のフォトリソグラフィ技術によってB領域に相当する部分を孔開けする。さらに、このフォトレジスト膜の表面に所定方向(前記初期配向方向と異なる方向)にラビングを行うことにより、孔開けされたフォトレジスト膜から露出している部分(B領域)の前記ポリイミドにラビングを行う。そして、前記フォトレジスト膜を除去する。
なお、このようにした場合においても、たとえばB領域における画素電極PXと対向電極CTのそれぞれの電極幅をA領域におけるそれよりも大きくし、これらの電極幅の制御に伴う画素電極PXと対向電極CTとの間隔の制御によって、所定の電圧−輝度特性を容易に得るよう構成してもよいことはいうまでもない。
《偏光板》
偏光板POLとしては、導電性を有する偏光板を用い、下側の偏光板POL1の偏光透過軸MAX1を初期配向方向RDRと一致させ、上側の偏向板POL2の偏光透過軸MAX2を、それに直交させる。第18図にその関係を示す。これにより、本発明の画素に印加される電圧(画素電極PXと対向電極CTの間の電圧)を増加させるに伴い、透過率が上昇するノーマリクローズ特性を得ることができ、また、電圧無印加時には、良質な黒表示ができる。
なお、本実施例では、偏光板に導電性を持たせることにより、外部からの静電気による表示不良およびEMI対策を施している。導電性に関しては、静電気による影響を対策するためだけであれば、シート抵抗が108Ω/ロ以下、EMIに対しても対策するのであれば、104Ω/ロ以下とするのが望ましい。また、ガラス基板の液晶組成物の挟持面の裏面(偏光板を粘着させる面)に導電層を設けてもよい。
《マトリクス周辺の構成》
第5図は上下のガラス基板SUB1、SUB2を含む表示パネルPNLのマトリクス(AR)周辺の要部平面を示す図である。また、第6図は、左側に走査回路が接続されるべき外部接続端子GTM付近の断面を、右側に外部接続端子が無いところのシール部付近の断面を示す図である。
このパネルの製造では、小さいサイズであればスループット向上のため1枚のガラス基板で複数個分のデバイスを同時に加工してから分割し、大きいサイズであれば製造設備の共用のためどの品種でも標準化された大きさのガラス基板を加工してから各品種に合ったサイズに小さくし、いずれの場合も一通りの工程を経てからガラスを切断する。第5図、第6図は後者の例を示すもので、第5図、第6図の両図とも上下基板SUB1、SUB2の切断後を表しており、LNは両基板の切断前の縁を示す。いずれの場合も、完成状態では外部接続端子群Tg、Tdおよび端子COT(添字略)が存在する(図で上辺と左辺の)部分はそれらを露出するように上側基板SUB2の大きさが下側基板SUB1よりも内側に制限されている。端子群Tg,Tdはそれぞれ後述する走査回路接続用端子GTM、映像信号回路接続用端子DTMとそれらの引出配線部を集積回路チップCHIが搭載されたテープキャリアパッケージTCPの単位に複数本まとめて名付けたものである。各群のマトリクス部から外部接続端子部に至るまでの引出配線は、両端に近づくにつれ傾斜している。これは、パッケージTCPの配列ピッチ及び各パッケージTCPにおける接続端子ピッチに表示パネルPNLの端子DTM,GTMを合わせるためである。また、対向電極端子COTは、対向電極CTに対向電圧を外部回路から与えるための端子である。マトリクス部の対向電圧信号線CLは、走査回路用端子GTMの反対側(図では右側)に引き出し、各対向電圧信号線を共通バスラインCBで一纏めにして、対向電極端子COTに接続している。
透明ガラス基板SUB1、SUB2の間にはその縁に沿って、液晶封入口INJを除き、液晶LCを.封止するようにシールパターンSLが形成される。シール材は例えばエポキシ樹脂から成る。
配向膜ORI1、ORI2の層は、シールパターンSLの内側に形成される。偏光板POL1、POL2はそれぞれ下部透明ガラス基板SUB1、上部透明ガラス基板SUB2の外側の表面に構成されている。液晶LCは液晶分子の向きを設定する下部配向膜ORI1と上部配向膜ORI2との間でシールパターンSLで仕切られた領域に封入されている。下部配向膜ORI1は下部透明ガラス基板SUB1側の保護膜PSV1の上部に形成される。
この液晶表示装置は、下部透明ガラス基板SUB1側、上部透明ガラス基板SUB2側で別個に種々の層を積み重ね、シールパターンSLを基板SUB2側に形成し、下部透明ガラス基板SUB1と上部透明ガラス基板SUB2とを重ね合わせ、シール材SLの開口部INJから液晶LCを注入し、注入口INJをエポキシ樹脂などで封止し、上下基板を切断することによって組み立てられる。
《ゲート端子部》
第7図は表示マトリクスの走査信号線GLからその外部接続端子GTMまでの接続構造を示す図であり、(A)は平面であり(B)は(A)のB−B切断線における断面を示している。なお、同図は第5図下方付近に対応し、斜め配線の部分は便宜状一直線状で表した。
図中Cr−Mo層g3は、判り易くするためハッチを施してある。
ゲート端子GTMはCr−Mo層g3と、更にその表面を保護し、かつ、TCP(Tape Carrier Packege)との接続の信頼性を向上させるための透明導電層i1とで構成されている。この透明導電層i1は透明導電膜ITOを用いている。
平面図において、絶縁膜GIおよび保護膜PSV1はその境界線よりも右側に形成されており、左端に位置する端子部GTMはそれらから露出し外部回路との電気的接触ができるようになっている。図では、ゲート線GLとゲート端子の一つの対のみが示されているが、実際はこのような対が上下に複数本並べられ端子群Tg(第5図)が構成され、ゲート端子の左端は、製造過程では、基板の切断領域を越えて延長され配線SHg(図示せず)によって短絡される。製造過程における配向膜ORI1のラビング時等の静電破壊防止に役立つ。
《ドレイン端子DTM》
第8図は映像信号線DLからその外部接続端子DTMまでの接続を示す図であり、(A)はその平面を示し、(B)は(A)のB−B切断線における断面を示す。なお、同図は第5図右上付近に対応し、図面の向きは便宜上変えてあるが右端方向が基板SUB1の上端部に該当する。
TSTdは検査端子でありここには外部回路は接続されないが、プローブ針等を接触できるよう配線部より幅が広げられている。同様に、ドレイン端子DTMも外部回路との接続ができるよう配線部より幅が広げられている。外部接続ドレイン端子DTMは上下方向にに配列され、ドレイン端子DTMは、第5図に示すように端子群Td(添字省略)を構成し基板SUB1の切断線を越えて更に延長され、製造過程中は静電破壊防止のためその全てが互いに配線SHd(図示せず)によって短絡される。検査端子TSTdは第8図に示すように一本置きの映像信号線DLに形成される。
ドレイン接続端子DTMは透明導電層i1で形成されており、保護膜PSV1を除去した部分で映像信号線DLと接続されている。この透明導電膜i1はゲート端子GTMの時と同様に透明導電膜ITOを用いている。
マトリクス部からドレイン端子部DTMまでの引出配線は、映像信号線DLと同じレベルの層d3が構成されている。
《対向電極端子CTM》
第9図は対向電圧信号線CLからその外部接続端子CTMまでの接続を示す図であり、(A)はその平面を示し、(B)は(A)のB−B切断線における断面を示す。なお、同図は第5図左上付近に対応する。
各対向電圧信号線CLは共通バスラインCB1で一纏めして対向電極端子CTMに引き出されている。共通バスラインCB1は導電層g3の上に導電層3を積層し,透明導電層i1でそれらを電気的に接続した構造となっている。これは、共通バスラインCBの抵抗を低減し、対向電圧が外部回路から各対向電圧信号線CLに十分に供給されるようにするためである。本構造では、特に新たに導電層を負荷することなく、共通バスラインの抵抗を下げられるのが特徴である。
対向電極端子CTMは、導電層g3の上に透明導電層i1が積層された構造になっている。この透明導電膜i1は他の端子の時と同様に透明導電膜ITOを用いている。透明導電層i1により、その表面を保護し、電食等を防ぐために耐久性のよい透明導電層i1で、導電層g3を覆っている。また透明導電層i1と導電層g3および導電層d3との接続は保護膜PSV1および絶縁膜GIにうスルーホールを形成し導通を取っている。
一方、第10図は対向電圧信号線CLのもう一方の端からその外部接続端子CTM2までの接続を示す図であり、(A)はその平面を示し、(B)は(A)のB−B切断線における断面を示す。なお、同図は第5図右上付近に対応する。ここで、共通バスラインCB2では各対向電圧信号線CLのもう一方の端(ゲート端子GTM側)をで一纏めして対向電極端子CTM2に引き出されている。共通バスラインCB1と異なる点は、走査信号線GLとは絶縁されるように、導電層d3と透明導電層i1で形成していることである。また、走査信号線GLとの絶縁は絶縁膜GIで行っている。
《表示装置全体等価回路》
表示マトリクス部の等価回路とその周辺回路の結線図を第11図に示す。同図は回路図ではあるが、実際の幾何学的配置に対応して描かれている。ARは複数の画素を二次元状に配列したマトリクス・アレイである。
図中、Xは映像信号線DLを意味し、添字G、BおよびRがそれぞれ緑、青および赤画素に対応して付加されている。Yは走査信号線GLを意味し、添字1,2,3,…,endは走査タイミングの順序に従って付加されている。
走査信号線Y(添字省略)は垂直走査回路Vに接続されており、映像信号線X(添字省略)は映像信号駆動回路Hに接続されている。
SUPは1つの電圧源から複数の分圧した安定化された電圧源を得るための電源回路やホスト(上位演算処理装置)からのCRT(陰極線管)用の情報をTFT液晶表示装置用の情報に交換する回路を含む回路である。
《駆動方法》
第12図に本実施例の液晶表示装置の駆動波形を示す。対向電圧Vchは一定電圧とする。走査信号Vgは1走査期間ごとに、オンレベルをとり、その他はオフレベルをとる。映像信号電圧は、液晶層に印加したい電圧の2倍の振幅で正極と負極を1フレーム毎に反転して1つの画素に伝えるように印加する。ここで、映像信号電圧Vdは1列毎に極性を反転し、2行毎にも極性を反転する。これにより、極性が反転した画素が上下左右にとなりあう構成となり、フリッカ、クロストーク(スミア)を発生しにくくすることができる。また、対向電圧Vcは映像信号電圧の極性反転のセンター電圧から、一定量さげた電圧に設定する。これは、薄膜トランジスタ素子がオンからオフに変わるときに発生するフィードスルー電圧を補正するものであり、液晶に直流成分の少ない交流電圧を印加するために行う(液晶は直流が印加されると、残像、劣化等が激しくなるため)。
また、この他に、対向電圧は交流化することで映像信号電圧の最大振幅を低減でき、映像信号駆動回路(信号側ドライバ)に耐圧の低いものを用いることも可能である。
《製造方法》
つぎに、上述した液晶表示装置の基板SUB1側の製造方法について第13図〜第15図を参照して説明する。なお同図において、中央の文字は工程名の略称であり、左側は第3図に示す薄膜トランジスタTFT部分、右側は第7図に示すゲート端子付近の断面形状でみた加工の流れを示す。工程B、工程Dを除き工程A〜工程Iは各写真処理に対応して区分けしたもので、各工程のいずれの断面図も写真処理後の加工が終わりフォトレジストを除去した段階を示している。なお、写真処理とは本説明ではフォトレジストの塗布からマスクを使用した選択露光を経てそれを現像するまでの一連の作業を示すものとし、繰返しの説明は避ける。
以下区分けした工程に従って、説明する。
工程A、第13図
AN635ガラス(商品名)からなる下部透明ガラス基板SUB1上に膜厚が2000ÅのCr−Mo等からなる導電膜g3をスパッタリングにより設ける。写真処理後、硝酸第2セリウムアンモンで導電膜g3を選択的にエッチングする。それによって、ゲート電極GT、走査信号線GL、対向電圧信号線CL、対向電極CT、ゲート端子GTM、共通バスラインCB1の第1導電層、対向電極端子CTM1の第1導電層、ゲート端子GTMを接続するバスラインSHg(図示せず)を形成する。
工程B、第13図
プラズマCVD装置にアンモニアガス、シランガス、窒素ガスを導入して、膜厚が3500Åの窒化Si膜を設け、プラズマCVD装置にシランガス、水素ガスを導入して、膜厚が1200Åのi型非晶質Si膜を設けたのち、プラズマCVD装置に水素ガス、ホスフィンガスを導入して、膜厚が300ÅのN(+)型非晶質Si膜を設ける。
工程C、第13図
写真処理後、ドライエッチングガスとしてSF6、CC14を使用してN(+)型非晶質Si膜、i型非晶質Si膜を選択的にエッチングすることにより、i型半導体層ASの島を形成する。
工程D、第14図
膜厚が300ÅのCrからなる導電膜d3をスパッタリングにより設ける。写真処理後、導電膜d3を工程Aと同様な液でエッチングし、映像信号線DL、ソース電極SD1、画素電極PX、ドレイン電極SD2、共通バスラインCB2の第1導電層、およびドレイン端子DTMを短絡するバスラインSHd(図示せず)を形成する。つぎに、ドライエッチング装置にCC14、SF6を導入して、N(+)型非晶質Si膜をエッチングすることにより、ソースとドレイン間のN(+)型半導体層d0を選択的に除去する。導電膜d3をマスクパターンでパターニングした後、導電膜d3をマスクとして、N(+)型半導体層d0が除去される。つまり、i型半導体層AS上に残っていたN(+)型半導体層d0は導電膜d1、導電膜d2以外の部分がセルフアラインで除去される。このとき、N(+)型半導体層d0はその厚さ分は全て除去されるようエッチングされるので、i型半導体層ASも若干その表面部分がエッチングされるが、その程度はエッチング時間で制御すればよい。
工程E、第14図
プラズマCVD装置にアンモニアガス、シランガス、窒素ガスを導入して、膜厚が0.4μmの窒化Si膜を設ける。写真処理後、ドライエッチングガスとしてSF6を使用して窒化Si膜を選択的にエッチングすることによって、保護膜PSV1および絶縁膜GIをパターニングする。ここで、保護膜PSV1と絶縁膜GIは同一ホトマスクでパターニングされ、一括で加工される。
工程F、第15図
膜厚が1400ÅのITO膜からなる透明導電膜i1をスパッタリングにより設ける。写真処理後、エッチング液として塩酸と硝酸との混酸液で透明導電膜i1を選択的にエッチングすることにより、ゲート端子GTMの最上層、ドレイン端子DTMおよび対向電極端子CTM1およびCTM2の第2導電層を形成する。
《表示パネルPNLと駆動回路基板PCB1》
第16図は、第5図等に示した表示パネルPNLに映像信号駆動回路Hと垂直走査回路Vを接続した状態を示す上面図である。
CHIは表示パネルPNLを駆動させる駆動ICチップ(下側の5個は垂直走査回路側の駆動ICチップ、左の10個ずつは映像信号駆動回路側の駆動ICチップ)である。TCPは駆動用ICチップCHIがテープ・オートメイティド・ボンディング法(TAB)により実装されたテープキャリアパッケージ、PCB1は上記TCPやコンデンサ等が実装された駆動回路基板で、映像信号駆動回路用と走査信号駆動回路用の2つに分割されている。FGPはフレームグランドパッドであり、シールドケースSHDに切り込んで設けられたバネ状の破片が半田付けされる。FCは下側の駆動回路基板PCB1と左側の駆動回路基板PCB1を電気的に接続するフラットケーブルである。フラットケーブルFCとしては図に示すように、複数のリード線(りん青銅の素材にSn鍍金を施したもの)をストライプ状のポリエチレン層とポリビニルアルコール層とでサンドイッチして支持したものを使用する。
《液晶表示モジュールの全体構成》
第17図は、液晶表示モジュールMDLの各構成部品を示す分解斜視図である。
SHDは金属板から成る枠状のシールドケース(メタルフレーム)、LCWその表示窓、PNLは液晶表示パネル、SPBは光拡散板、LCBは導光体、RMは反射板、BLはバックライト蛍光管、LCAはバックライトケースであり、図に示すような上下の配置関係で各部材が積み重ねられてモジュールMDLが組み立てられる。
モジュールMDLは、シールドケースSHDに設けられた爪とフックによって全体が固定されるようになっている。
バックライトケースLCAはバックライト蛍光管BL、光拡散板SPB光拡散板、導光体LCB、反射板RMを収納する形状になっており、導光体LCBの側面に配置されたバックライト蛍光管BLの光を、導光体LCB、反射板RM、光拡散板SPBにより表示面で一様なバックライトにし、液晶表示パネルPNL側に出射する。
バックライト蛍光管BLにはインバータ回路基板PCB3が接続されており、バックライト蛍光管BLの電源となっている。
《本実施例の特性》
第21図は、このように構成した液晶表示装置の電気光学特性(電圧−輝度特性)を示すグラフである。
ここで、このグラフでは、A領域のみの電圧−輝度特性A、およびB領域のみの電圧−輝度特性Bをも示され、本実施例による液晶表示装置の電圧−輝度特性はそれらの合成として示され、図中A+Bで示している。
なお、B領域の電圧−輝度特性Bは、第1図に示すように、そのB領域において画素電極PXと対向電極の間隔を、A領域のそれよりも狭くした場合のもので、該B領域における画素電極PXと対向電極の間隔を変化させることによって、電圧方向にシフトする(電極の間隔を狭くするとグラフ左側へシフトする)特性が得られるようになる。
このため、A領域の電圧−輝度特性Aを微妙に変化させて所望の特性にするためには、該B領域における画素電極PXと対向電極の間隔を制御することが好ましくなる。
このグラフから明らかとなるように、A領域のみの電圧−輝度特性Aは、電圧に対する輝度の変化が急な部分が存在するが、電圧−輝度特性Bを有するB領域を設けることによって該部分を緩やかな部分とすることができるようになる。
この実施例の場合、電圧に対する輝度の変化の急な部分は、暗い方の中間調領域(透過率が0〜20%)のうち透過率が10の近傍において顕著に存在するが、その部分において緩やかになっており、この場合、B領域の面積は、A領域の面積の0.05倍から0.3倍の範囲にある場合において効果的であることが判明している。
このようにした場合、画素電極PXと対向電極CTの間隔の寸法バラツキに対する輝度バラツキは従来よりも約50%に抑えることができ、表示の品質の向上を図ることができた。
そして、同図のグラフから明らかなように、上述した効果は、画素電極PXと対向電圧CTの間の最大駆動電圧Vmaxの上昇なく行い得ることができるようになる。
すなわち、画素領域における電圧−輝度特性を緩やかなカーブにするだけの目的からすれば、各画素領域における電界方向と初期配向方向とのなす角度φLCを小さくすればよいことになる(換言すれば、画素領域の全てをB領域とする)。
しかし、このようにした場合、画素の最大透過率を得るための画素電極PXと対向電極CTとの間の電圧(Vmax)を大幅に上昇させなければならず、低消費電力を長所とする液晶表示装置としては不適当となってしまう。
この観点からすると、第20図に示すようにA領域における電界方向と初期配向方向とのなす角度φLCを75°以上(φLC≧75°)とすることによって、最大駆動電圧Vmaxの上昇を抑制し、B領域において、その電界方向と初期配向方向とのなす角度φLCを30°を超え75°未満の範囲にあるようにする(好ましくは45°から60°にする)ことによって、輝度の立上りを最も低電圧にすることができるようになる。
また、A領域は、上述したように、画素電極PXと対向電極CTとの間に印加する電圧の上昇を抑制させるためにあり、このことから、A領域はB領域よりも主たる領域として把握することが好ましい。換言すれば、A領域はB領域よりも大きな面積をもつ領域とし、画素電極PXと対向電極CTとの間に印加する電圧を従来の場合のそれとほぼ等しい状態とした上で、各画素領域の電圧−輝度特性を緩やかなカーブにするようにすることが好ましい。
しかし、このようなA領域とB領域の面積比は、この発明において特に限定されることはない。画素電極PXと対向電極CTとの間に印加する電圧は、どうしても所定の値以下としなければならないという技術的理由はなく、得ようとする印加電圧と特性の緩やかカーブとの兼ね合いで適宜に定めることができるからである。
要は、画素電極PXと対向電極CTとの間の電界方向と初期配向方向とのなす角度が設定されたA領域に対して、前記角度が異なる電界方向と初期配向方向を有するB領域が設けられていればよい。B領域を設けることによって、A領域のみの画素領域よりも電圧−輝度特性を緩やかなカーブにすることができ、前記各電極の間隔のバラツキによる輝度バラツキを減少させることができるからである。
このような本発明の効果は、液晶の初期配向方向を規制する手段のみ、すなわち、配向膜ORIのみにおいて上述のような改良を施す場合においても同様に得られる。
本発明は、画素領域にA領域とB領域とがあり、B領域において電界方向と初期配向方向とのなす角度がA領域におけるそれと異なっていることにあり、画素領域内のA領域およびB領域において電界方向を一定とした場合、B領域において初期配向方向をA領域と異ならしめればよいからである。
また、同様の理由から、B領域において電界方向および初期配向方向のそれぞれをA領域のそれと異ならしめ、結果として、B領域において電界方向と初期配向方向とのなす角度がA領域におけるそれと異ならしめる構成としても同様の効果が得られることはもちろんである。
なお、上述した実施例では、特に、各画素における対向電極CTと画素電極PXの間隔のばらつきによる輝度むらの防止の観点で説明をしたものである。
しかし、本発明は、画素領域の電圧−輝度特性の一部が急俊になっている場合、その部分を緩和させて表示の品質の向上を図るという観点でも適用できることから、必ずしも対向電極CTと画素電極PXの間隔のばらつきがあることを前提とするものではない。
そして、画素領域の電圧−輝度特性が急俊になる部分の一つとして、いわゆる中間調領域(光透過率が0〜20%の領域)があり、この部分において本発明を適用させることにより、人間の目において認識され易い中間調領域の輝度変化を滑らかにすることができる。
(実施例2)
第25図は、本発明による液晶表示装置の他の実施例を示す構成図である。なお、同図の7−7線における断面図は第3図と同様になっている。
同図はマトリックス部(画素部)の平面構成を示す図で、これ以外の部分においては実施例1の場合とほぼ同様となっている。
本実施例では、各画素領域を分断するようにしてそのほぼ中央に走行する対向電圧信号線CLが形成されているとともに、画素電極PXと対向電極CTとの間隔をA領域とB領域に相当する部分で異ならしめていることに相違を有するものである。
第25図において、透明基板SUB1の主表面に、その左右方向に延在する走査信号線GLが上下にそれぞれ形成され、これら各走査信号線GLの間にやはり左右方向に延在する対向電圧信号線CLが形成されている。
この場合、走査信号線GLと対向電圧信号線CLはたとえば同一の材料で構成されているともに、同時に形成されるようになっている。
画素領域は、前記各走査信号線GLと後述の互いに隣接する映像信号線DLとで囲まれた領域で構成され、これにより、各画素領域のほぼ中央に対向電圧信号線CLが形成されるようになっている。
このような構成としたのは、該対向電圧信号線CLを走査信号線GLからできるだけ離間させることによって、製造の際にそれらが接続されて形成されるのを回避するためである。
ここで、この実施例では、前記画素領域のうちの各上下部分、すなわち各走査信号線GLに近接する部分をB領域として構成し、他の残りの領域をA領域として構成している。これらの各領域における構成の相違は後に明らかとなるであろう。
そして、対向電圧信号線CLには各画素領域内にて延在する対向電極CTが一体になって形成されている。
この対向電極CTは、たとえば、対向電圧信号線CLを間にしてその上下方向にそれぞれ延在し、一方の映像信号線DLに隣接するようにして1本、他方の映像信号線DLに隣接して1本、そして、その間に1本というように、合計3本の対向電極CTから構成されている。
なお、この実施例では、各対向電極CTの走査信号線GLに近接する部分(画素領域中のB領域)において、特別の形状をなしている。
すなわち、対向電圧信号線CLを間してその上方向に延在する3本のうちたとえば左側2本は右側へ突出する部分を有し、これにより右側に位置づけられる後述の画素電極PXとの電極間幅がA領域よりも小さく形成されるようになっている。
同様に、対向電圧信号線CLを間してその下方向に延在する3本のうちたとえば右側2本は左側へ突出する部分を有し、これにより左側に位置づけられる後述の画素電極PXとの電極間幅がA領域よりも小さく形成されるようになっている。
このように形成された透明基板SUB1上には、走査信号線GL、対向電圧信号線CL(対向電極CT)をも被って絶縁膜GI(第3図参照)が形成されている。
この絶縁膜GIは、後述する映像信号線DLに対しては走査信号線GLおよび対向電圧信号線CTに対してはゲート絶縁膜として、薄膜トランジスタTFTの形成領域に対してはゲート絶縁膜として、蓄積容量Cstgの形成領域に対しては誘電体膜として機能するようになっている。
この絶縁膜GIの表面には、まず、その薄膜トランジスタTFTの形成領域において非晶質シリコンASが形成されている。この非晶質シリコンASは走査信号線GL上において映像信号線DLに近接された部分に重畳して形成されている。
これにより、走査信号線GLの一部が薄膜トランジスタTFTのゲート電極GTを兼ねた構成となっている。
また、絶縁膜GIの表面には、その上下方向に延在し左右方向に並設される映像信号線DLが形成されている。
そして、この映像信号線DLは、薄膜トランジスタTFTの前記非晶質シリコンASの表面の一部にまで延在されて形成されたドレイン電極SD2が一体となって備えられている。
さらに、画素領域における絶縁膜GIの表面には、映像信号線DLとたとえば同一材料からなりかつ同時に形成される画素電極PXが形成されている。
この画素電極PXは、対向電極CTの間を走行するようにして形成されている。
すなわち、対向電圧信号線CTの一部に重畳するようにして画素電極PXの共通接続部PXCが形成され、図中左側に隣接して配置される2本の対向電極CTの間を走行するようにして1本、図中右側に隣接して配置される2本の対向電極CTの間を走行するようにして1本というように、合計2本の画素電極PTから構成されている。
このように構成される画素電極PTは前記共通接続部をも含めてほぼ’H’状に形成され、その各端の一つは薄膜トランジスタTFTの形成領域にまで延在され、該薄膜トランジスタTFTのソース電極SD1を構成するようになっている。
ここで、この実施例では、各画素電極PTの走査信号線GLに近接する部分(画素領域中のB領域)において、特別の形状をなしている。
すなわち、前記共通接続部PXCを間してその上方向に延在する2本は右側へ突出する部分を有し、これにより右側に位置づけられる前記対向電極CTとの電極間幅がA領域よりも小さく形成されるようになっている。
同様に、該共通接続部PXCを間してその下方向に延在する2本のうちたとえば右側1本は左側へ突出する部分を有し、これにより左側に位置づけられる前記対向電極CTとの電極間幅がA領域よりも小さく形成されるようになっている。
これにより、この実施例では、前記対向電極CTの説明の部分と合わせ考えて、画素領域のB領域において、対向電極CTと画素電極PXとの離間距離がA領域のそれと比較して小さく形成されていることが明らかになる。
この場合、このB領域において、対向電極CTと画素電極PXとの間に発生する電界を考察すると、一方の電極に対する他方の電極の突起のうち互いに平行になっている部分の間の電界はそれらと直交する方向に発生することから、A領域における電界方向と変わりはない。
しかし、該突起が形成されている部分とそうでない部分とのほぼ境界に相当する部分の近傍においては、そこに発生する電界の方向はA領域における電界方向に対してある角度を有しており、この部分において実質的なB領域を構成することになる。
第25図においては、各電極の突起が形成されている部分とそうでない部分との境界は斜線によって連続された形状となっているが、たとえ段差的に接続された(突起が形成されている部分とそうでない部分との間が90°の角度を有する)形状であっても、上述した理由からB領域が形成されることはいうまでもない。
このようにして形成されるB領域の技術上の効果は後に実験データによって明らかになるであろう。
なお、画素電極PXの共通接続部PXCであって対向電圧信号線CTに重畳される部分は、該対向電圧信号線CTとの間に誘電体膜としての前記絶縁膜を備える蓄積容量Cstgを構成している。この蓄積容量Cstgによってたとえば薄膜トランジスタTFTがオフした際に画素電極PXに映像情報を長く蓄積させる効果を奏するようにしている。
また、前述した薄膜トランジスタTFTのドレイン電極SD2とソース電極SD1との界面に相当する非晶質シリコンASの表面にはリン(P)がドープされて高濃度層となっており、これにより前記各電極におけるオーミックコンタクトを図っている。この場合、非晶質シリコンASの表面の全域には前記高濃度層が形成されており、前記各電極を形成した後に、該電極をマスクとして該電極形成領域以外の高濃度層をエッチングするようにして上記の構成とすることができる。
そして、このように薄膜トランジスタTFT、映像信号線DL、画素電極PX、および蓄積容量Cstgが形成された絶縁膜GIの上面にはたとえばシリコン窒化膜からなる保護膜PSV(第3図参照)が形成され、この保護膜PSVの上面には配向膜が形成されている。
そして、このように構成された透明基板SUB1と液晶を介して対向配置される他の基板である透明基板SUB2の液晶側の面にはブラックマトリックスBMおよびカラーフィルタFIL等が形成されている。
この場合、ブラックマトリックスBMは、少なくとも、薄膜トランジスタTFTの形成領域、および映像信号線DLとそれに隣接する対向電極CTとの間の隙間を被うようにして形成すれば足りる。薄膜トランジスタTFTは光の照射があることによりその特性が変化し、映像信号線DLと対向電極CTとの隙間は光漏れが生じるからである。このような事情は実施例1の場合においても同様に言える。
第26図は、上述した構成からなる液晶表示装置の各画素におけるB(透過率:輝度)−V(対向電極と画素電極との間の電圧)特性を示したグラフである。
同図において、本発明を適用していない場合の特性(リファレンス)、副画素領域(B領域)においてその電極間隔と開口面積比率をそれぞれ、(6μm、10%)、(5μm、5%)、(4μm、5%)、(3μm、5%)とした場合の各特性を順次示している。
ここで、副画素の開口面積比率とは、一画素における面積に対する副画素の面積比率をいう。
同図から明らかなように、中間調において(特に透過率が4の近傍において)急俊なカーブが副画素領域の存在によって滑らかになっていることが判明している。
また、第27図は、上述した構成の液晶表示装置において、その画素の副画素部(B領域)における対向電極と画素電極の間隔を変化させた場合のB−V特性を示したグラフである。
ここで、副画素部の開口面積比率を5%とし、対向電極と画素電極の間隔をリファレンス状態の3μmから±1.0μmだけそれぞれ変化させた場合を示している。
一方、第28図は、本発明を適用させていない場合の対向電極と画素電極の間隔を変化させた場合のB−V特性を示したグラフであり、対向電極と画素電極の間隔を±1.0μmだけそれぞれ変化させた場合を示している。
これらの図から明らかなように、相対透過率10%(V10)での電極間隔変化による輝度変動ΔB10(図中矢印の幅で示している)が狭ギャップ副画素を設けることによって大幅に減少していることが判明する。
なお、同図のグラフ(前述した各グラフにおいても同じであるが)において、透過率Bは、人間の目で認識する場合、logBによって認識されることから、図面矢印で示す変化幅は実際よりも大きな差を有して感知されるようになる。
(実施例3)
上述した各実施例では、それらのいずれも、対向電極CTおよび画素電極PXが、映像信号線DLと平行に形成されたものである。
しかし、これに限定されることはなく、たとえば第29図に示すように、対向電極CTおよび画素電極PXが映像信号線DLに対して平行である必要はないことはもちろんである。
同様に、対向電極CTおよび画素電極PXのパターンが第29図のようになっていなくてもよい。本発明は、画素領域中の光透過領域に主画素領域(A領域)と副画素領域(B領域)が存在し、主画素領域のパターンに対して副画素領域のパターンが本明細書で詳述してきた各条件のもとに定められていればよいからである。
また、上述した各実施例では、A領域とB領域とが画素領域を2分するようにして設けたが、必ずしもこれに限定されることはなく、複数のA領域と複数のB領域とがあり、これらの領域が混在するように配置された状態として形成しても同様の効果が得られることはいうまでもない。
(実施例4)
第30図は、画素領域中の光透過領域のほぼ中央にB領域を設けた構成とした他の実施例で、たとえば第23図に対応した図となっている。
第30図において、その画素電極PXのほぼ中央に比較的線幅の広い領域を形成することによってB領域を形成している。
このようにすることによって、画素電極PXは隣接する対向電極CTとの間において、それらの距離が狭い部分が形成され、その近傍に、電界方向が他の領域であるA領域の電界方向と異なる部分が形成されることになる。
第32図は、この部分を拡大した図で、電界の方向を画素電極PXと対向電極CTとの間の矢印で示している。
同図から明らかなように、画素電極PXの幅の広い部分を形成することによって、電界方向が異なる領域が形成され、この領域がB領域として機能するようになる。
この実施例では画素電極PXに比較的線幅の広い領域を形成したものであるが、対向電極CTに同様の構成を施すようにしても同様の効果が得られることはいうまでもない。
なお、この実施例の構成を基に、たとえば第23図に示す構成を合わせて採用するようにしてもよいことはいうまでもない。この場合、B領域は画素領域中の光透過領域にそれぞれ分割された状態で存在することになる。
(実施例5)
第31図は、さらに他の実施例を示す構成図である。
第30図の構成で画素電極PXに線幅の広い部分(突起)を形成することにより、第32図(a)に示すように、画素電極PXと突起の角部にいわゆるドメインDMが発生してしまう領域が形成される場合がある。
このドメインDMとは、たとえば初期配向された液晶分子の軸方向と一致する方向に電界が発生してしまう領域で、たとえ電界がかかっても該液晶分子が捻じれず光透過率の制御ができなくなってしまう領域となっている。
第31図は、このような不都合を解消するための実施例を示す図で、該ドメインDMの発生する領域を対向電圧信号線CLによってマスクするようにしている。
すなわち、同図は、第25図あるいは第29図と対応する図であり、対向電圧信号線CLに絶縁膜を介して交差するようにして形成される画素電極PXにおいて、その交差部に線幅の広い部分(突起)を形成するようにしている。
このようにすることによって、第32図(b)に示すように、対向電圧信号線CLによって、B領域をマスクすることなく、ドメインDMが発生してしまう領域のみをマスクすることができるようになる。
この場合、蓄積容量Cstgは前記画素電極PXの線幅の広い部分の領域において確保され、また、複数の各画素電極PXは走査信号線GL(図中上側)に近接する部分で共通接続されている。この結果、画素電極はコ字状の形状をなして形成されている。
ドメインDMをマスクする方法としては、ブラックマトリックスBMでマスクする方法もあることから、このように構成してもよい。
しかし、上述のように、対向電圧信号線CLによってマスクする場合、合わせ精度がブラックマスクBMよりも高いことから、高精度にドメインDMが発生してしまう領域のみをマスクできる(B領域の一部をマスクしてしまうことがない)効果を奏するようになる。
なお、この実施例の構成を基に、たとえば第25図あるいは第29図に示す構成を合わせて採用するようにしてもよいことはいうまでもない。この場合、B領域は画素領域中の光透過領域にそれぞれ分割された状態で存在することになる。
以上詳述したように、本発明によれば、ブラウン管並の視野角を実現できる横電界方式の液晶表示装置において、電極を形成するときのホトリソグラフィーやエッチングのばらつきで電極間隔がばらついた時でも輝度むらが発生しにくく、輝度均一性の高い良好な画質を有する液晶表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の実施例1のアクティブ・マトリックス型カラー液晶表示装置の液晶表示部の一画素とその周辺を示す要部平面図である。
第2図は、第1図の6−6切断線における画素の断面図である。
第3図は、第1図の7−7切断線における薄膜トランジスタ素子TFTの断面図である。
第4図は、第1図の8−8切断線における蓄積容量Cstgの断面図である。
第5図は、表示パネルのマトリクス周辺部の構成を説明するための平面図である。
第6図は、左側に走査信号端子、右側に外部接続端子の無いパネル縁部分を示す断面図である。
第7図は、ゲート端子GTMとゲート配線GLの接続部近辺を示す平面と断面の図である。
第8図は、ドレイン端子DTMと映像信号線DLとの接続部付近を示す平面と断面の図である。
第9図は、共通電極端子CTM1、共通バスラインCB1および共通電圧信号線CLの接続部付近を示す平面と断面の図である。
第10図は、共通電極端子CTM2、共通バスラインCB2および共通電圧信号線CLの接続部付近を示す平面と断面の図である。
第11図は、本発明のアクティブ・マトリックス型カラー液晶表示装置のマトリクス部とその周辺を含む回路図である。
第12図は、本発明のアクティブ・マトリックス型カラー液晶表示装置の駆動波形を示す図である。
第13図は、基板SUB1側の工程A〜Cの製造工程を示す画素部とゲート端子部の断面図のフローチャートである。
第14図は、基板SUB1側の工程D〜Fの製造工程を示す画素部とゲート端子部の断面図のフローチャートである。
第15図は、基板SUB1側の工程Gの製造工程を示す画素部とゲート端子部の断面図のフローチャートである。
第16図は、液晶表示パネルに周辺の駆動回路を実装した状態を示す上面図である。
第17図は、液晶表示モジュールの分解斜視図である。
第18図は、印加電界方向、ラビング方向、偏光板透過軸の関係を示す図である。
第19図は、従来の電圧−輝度特性(対数表示)を示す図である。
第20図は、従来の電圧−輝度特性を示す図である。
第21図は、本発明の電圧−輝度特性を示す図である。
第22図は、本発明の効果を説明する模式グラフである。
第23図は、本発明による他の実施例を示す構成図である。
第24図は、本発明による他の実施例を示す構成図である。
第25図は、本発明による他の実施例を示す構成図ある。
第26図は、第25図に示した液晶表示装置の構成における画素のB−V特性を示したグラフである。
第27図は、第25図に示した液晶表示装置の構成における画素のB−V特性を示したグラフである。
第28図は、第25図に示した液晶表示装置の構成における画素のB−V特性を示したグラフである。
第29図は、本発明による他の実施例を示す構成図である。
第30図は、本発明による他の実施例を示す構成図である。
第31図は、本発明による他の実施例を示す構成図である。
第32図は、第31図および第32図の構成による効果を説明する説明図である。
Claims (7)
- 液晶を介して対向配置される一対の透明基板と、前記液晶の初期配向方向を規制する手段と、前記透明基板の液晶側の面の各画素領域に互いに離間されて形成された画素電極と対向電極とを備え、
前記画素電極と対向電極との間の電界によって、これら電極間を透過する液晶内の光量を制御する液晶表示装置であって、
前記画素領域中の光透過領域に、一対の画素電極と対向電極との間の領域であってその長手方向に分割された領域を備え、それら各領域は、電界方向が設定された一方の領域と、前記方向が異なる電界方向を有する他方の領域からなり、
前記他方の領域の画素電極と対向電極との間隔は、前記一方の領域の画素電極と対向電極との間隔の0.3倍から0.7倍の範囲にあることを特徴とする液晶表示装置。 - 液晶を介して対向配置される一対の透明基板と、前記液晶の初期配向方向を規制する手段と、前記透明基板の液晶側の面の各画素領域に互いに離間されて形成された画素電極と対向電極とを備え、
前記画素電極と対向電極との間の電界によって、これら電極間を透過する液晶内の光量を制御する液晶表示装置であって、
前記画素領域中の光透過領域に、前記画素電極と対向電極との間の電界方向と前記初期配向方向とのなす角度が設定された一方の領域に対して、前記角度が異なる電界方向と初期配向方向を有する他の領域が設けられており、
前記初期配向方向の異なる各領域において、画素電極と対向電極との間隔が異なっていることを特徴とする液晶表示装置。 - 液晶を介して対向配置される一対の透明基板と、前記液晶の初期配向方向を規制する手段と、前記透明基板の液晶側の面の各画素領域に互いに離間されて形成された画素電極と対向電極とを備え、
前記画素電極と対向電極との間の電界によって、これら電極間を透過する液晶内の光量を制御する液晶表示装置であって、
前記画素領域中の光透過領域に、前記画素電極と対向電極との間の電界方向と前記初期配向方向とのなす角度が設定された一方の領域に対して、前記角度が異なる電界方向と初期配向方向を有する他の領域が設けられ、かつ、一方の領域の電界方向と初期配向方向とのなす角度は70°以上であるとともに、他方の領域の電界方向と初期配向方向とのなす角度は30°を超え75°未満の範囲内にあり、
前記初期配向方向の異なる各領域において、画素電極と対向電極との間隔が異なっていることを特徴とする液晶表示装置。 - 液晶を介して対向配置される一対の透明基板と、前記液晶の初期配向方向を規制する手段と、前記透明基板の液晶側の面の各画素領域に互いに離間されて形成された画素電極と対向電極とを備え、
前記画素電極と対向電極との間の電界によって、これら電極間を透過する液晶内の光量を制御する液晶表示装置であって、
前記画素領域中の光透過領域に、前記画素電極と対向電極との間の電界方向と前記初期配向方向とのなす角度が設定された一方の領域に対して、前記角度が異なる電界方向と初期配向方向を有する他の領域が設けられ、かつ、他方の領域の面積は、一方の領域の面積よりも小さく、
前記初期配向方向の異なる各領域において、画素電極と対向電極との間隔が異なっていることを特徴とする液晶表示装置。 - 前記電界方向と初期配向方向とのなす角度は、一方の領域に対して他方の領域の初期配向方向が違っていることによって、それぞれ異なっていることを特徴とする請求の範囲第2項ないし第4項のうちいずれか記載の液晶表示装置。
- 前記初期配向方向は、配向膜のラビング方向が違っていることによって、それぞれ異なっていることを特徴とする請求の範囲第2項ないし第4項のうちいずれか記載の液晶表示装置。
- 前記他方の領域の画素電極と対向電極との間隔は、一方の領域の画素電極と対向電極との間隔の0.3倍から0.7倍の範囲にあることを特徴とする請求の範囲第2項ないし第4項のうちいずれか記載の液晶表示装置。
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