JP4107047B2 - 半透過型液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバックライトからの光を通す透明電極を備える透過部と外光を反射する反射電極を備える反射部からなる半透過型の液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信機器のみならず一般の電気機器においても液晶表示装置の適用が急速に普及している。特に、携帯型のものについては消費電力を低減させるためにバックライトを必要とせず外光を反射させて画像を表示させる反射型の液晶表示装置が多く用いられているが、この反射型液晶表示装置は、外光を光源とするために、暗い室内などでは見えにくくなってしまう。そこで、近年に至り特に透過型と反射型の性質を併せ持つ半透過型液晶表示装置の開発が進められてきている。
【０００３】
この半透過型液晶表示装置の特徴は、一つの画素内に透明電極を備えた透過部と反射電極を備えた反射部を有しており、暗い場所ではバックライトを点灯し、その光を透過する透過部を利用して画像表示し、明るい室外などではバックライトを点灯することなく反射部で外光を利用して画像を表示させるため、消費電力を大幅に減少することができるという利点を有している。
【０００４】
従来例として特許文献１に記載されている半透過型液晶表示装置のアレイ基板の画素断面図を図５に示す。
【０００５】
ガラス基板１上には、それぞれの画素ごとにゲート電極Ｇ、補助容量電極Ｃｓが配置され、その表面を含むガラス基板１全体は窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜２で被われ、次いでゲート電極Ｇの周囲にアモルファスシリコン層３、ソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄ１が順次形成されてスイッチング素子であるＭＯＳ型の薄膜トランジスタ素子４（以下、ＴＦＴ素子４という）が形成されている。
【０００６】
そして、ＴＦＴ素子４を被うように酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜からなる保護膜５が形成され、保護膜５上にスキャタリング層又は平坦化膜からなる層間膜６が形成される。この保護膜５と層間膜６には、ＴＦＴ素子４のドレイン電極Ｄ１の上方にコンタクトホール７が設けられ、ＴＦＴ素子４から離れた場所には層間膜６が取除かれた溝部が設けられる。そして、この溝部が透過部９に該当する。
保護膜５や層間膜６の上には透明電極１１Ａが積層される。この透明電極１１Ａの材料としてＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide）を一画素全体に積層し、その透明電極１１Ａ上の透過部９を除いた部分に反射電極１０Ａ用の材料を積層させる。この反射電極１０Ａを積層させた部分が反射部１２である。特許文献１では、反射電極１０Ａの材料に、一般的に広く用いられているＡｌに換えて高価なＡｇを用いている。その理由として、ＩＴＯとＡｌとはその間にＴｉを介在させないとオーミックな接触を形成しないためＴｉ膜形成の工程を要するが、ＩＴＯとＡｇは良好なオーミックな接触を形成するので、工程が少なくてすむからである。透明電極１１Ａはコンタクトホール７部分でドレイン電極Ｄ１と電気的に接続されている。
【０００７】
アレイ基板２０と対向してカラーフィルター基板３１が配置され、アレイ基板２０とカラーフィルター３１との間に液晶材料が挟持されている。カラーフィルタ基板３１にはカラーフィルタや共通電極が形成されている。このアレイ基板２０、カラーフィルタ基板３１、液晶材料などにより液晶パネル３０が構成されている。
【０００８】
アレイ基板２０の下方には図示していないが、周知の光源、導光板、拡散シート等を有するバックライト装置が配置され、このバックライト装置から透過した透過光は透過部９を通過し、外光は反射部１２で反射される。この透過部９と反射部１２を同一画素内に有するアレイ基板２０と液晶材料、カラーフィルタ基板３１、バックライト装置等が組み合わされて半透過型液晶表示装置となる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−３５０１５８号公報（２〜３頁、図４）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半透過型液晶装置では、コンタクトホール７に反射電極１０Ａが存在するため、この領域が反射部１２として作用する。しかし、コンタクトホール７には層間膜６などが存在しないため、その他の反射部１２と比べてカラーフィルター基板３１までのセルギャップが広くなり、コンタクトホール７とその他の反射部１２とで表示状態が異なってしまう。また、層間膜６の表面に凹凸をつけて反射効率を上げる場合があるが、コンタクトホール７ではそのような凹凸も形成できないため、反射部１２としては十分に機能していなかった。
【００１１】
本出願人は、コンタクトホールに反射電極を形成しない形態を別途出願している（例えば、特願２００２−２７５０６０参照）。これは、透明電極１１にＩＴＯの換わりにＩＺＯ（Indium-Zinc-Oxide）を使用してフリッカ及び焼き付きを防止し得る半透過型液晶表示装置である。この形態を図４に基づき説明する。なお、図４と図５で同じ構造のものには同一の符号をつけ、説明を省略する。
【００１２】
図４の半透過型液晶表示装置では、層間膜６上に反射電極１０が積層され、反射電極１０及び保護膜５上に透明電極１１が積層される。この反射電極１０と透明電極１１により画素電極を成し、反射部では反射電極１０と透明電極１１の二重構造となり、透過部では透明電極１１のみが存在する。コンタクトホール７には透明電極１１がドレイン電極Ｄ１と接続し、反射電極１０は取除かれている。この形態のように、コンタクトホール７には透明電極１１のみで反射電極１０が存しない場合でも、そのコンタクトホール７には不透明なドレイン電極Ｄ１上に存在するため、バックライトからの光はドレイン電極Ｄ１で遮られ、結果としてコンタクトホール７は反射部になる。しかしコンタクトホール７は反射部としてほとんど寄与していなかった。
【００１３】
そこで本発明は、コンタクトホールを透過部として利用することができる半透過型液晶表示装置を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、画素電極に透過部と反射部を有する半透過型液晶表示装置において、スイッチング素子と画素電極の接続部分に透過部を形成したことを特徴とする。スイッチング素子の画素電極との接続部分を透過部として利用することにより、画素電極全体を有効に表示に利用できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の液晶パネルの断面図であり、図２は、本発明の液晶パネルを構成するアレイ基板２０内の一画素を示す平面図である。尚、図１は図２のＡ−Ａ´線部分の断面図に相当する。
【００１６】
本発明では、図１に示すように、コンタクトホール１５に沿って下方に突出した画素電極１８の下部に対向する不透明なドレイン電極Ｄに開口８を形成したことにより、バックライトからの光が開口８を通してコンタクトホール１５側へ導出される。開口８を設けることにより、一画素内における反射部１２と透過部９の面積比率が変わり、バックライトを点灯して透過光を用いる時の透過率も向上する。尚、画素電極１８は液晶に接する透明電極１７とこの透明電極１７と重層を成す反射電極１６とから成っているが、コンタクトホール１５の下部には、透明電極１７のみが存する形態となっている。ただし、コンタクトホール１５の下部に透明電極１７も存在しないようにしてもよい。
【００１７】
透明な絶縁性のガラス基板１上に、ＡｌやＣｒ等の金属からなる複数の走査線３２が略等間隔で平行に形成されており、隣り合う走査線３２間の略中央には走査線３２と同時に補助容量電極Ｃｓが平行して形成される。そして、走査線３２からはゲート電極Ｇが延設されている。
【００１８】
ガラス基板１上には、走査線３２、補助容量電極Ｃｓ、ゲート電極Ｇを被うようにして窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜２が積層され、このゲート電極Ｇ上にはゲート絶縁膜２を間に挟むようにして島状のアモルファスシリコン層３が形成され、またゲート絶縁膜２上には複数の映像線３４が走査線３２と直交するように形成されている。この映像線３４からはソース電極Ｓが延設され、ソース電極Ｓはアモルファスシリコン層３の一部分に重複して接続している。
【００１９】
さらに、映像線３４、ソース電極Ｓと同一の材料で且つ同時形成されたドレイン電極Ｄがゲート絶縁膜２上に設けられており、アモルファスシリコン層３と接続している。ここで、走査線３２と映像線３４に囲まれた領域が一画素に相当する。このゲート電極Ｇ、ゲート絶縁膜２、アモルファスシリコン層３、ソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄによってスイッチング素子となるＭＯＳ型のＴＦＴ素子４が構成され、それぞれの画素にこのＴＦＴ素子４が形成される。そして、ＴＦＴ素子４のドレイン電極Ｄと補助容量の電極Ｃｓによって各画素の補助容量を形成することになる。
【００２０】
映像線３４、ＴＦＴ素子４、ゲート絶縁膜２を被うようにして例えば無機絶縁膜からなる保護膜１３が積層され、この保護膜１３上には有機絶縁膜からなる層間膜１４が積層されている。そして保護膜１３と層間膜１４には、ＴＦＴ素子４のドレイン電極Ｄの一部を露出させるコンタクトホール１５が形成されている。この実施形態では、保護膜１３のコンタクトホール１５は層間膜１４のコンタクトホール１５よりも若干小さくなっており、両膜１３、１４のコンタクトホール１５はともに四角形状をしている。保護膜１３と層間膜１４でコンタクトホール１５の大きさを変えることにより、反射電極１６がＴＦＴ素子４のドレイン電極Ｄに接触しないようにできる。ＴＦＴ素子４から離れた位置に長方形状に透過部９が形成されている。透過部９では層間膜１４が取除かれている。なお、本発明の透過部９とは画素電極１８の背面側のバックライトからの光を通過する部分であり、反射部１２とは画素電極１８の前面側からの光を反射する部分を示す。
【００２１】
ドレイン電極Ｄの形成時には、コンタクトホール１５の中心部に開口８ができるように設計したフォトマスクパターンを用いる。この開口８は保護膜１３のコンタクトホール１５よりも小さく形成され、コンタクトホール１５内では開口８の周囲に透明電極１７が重なり合うことで、ＴＦＴ素子４と画素電極１８が接続できるようになっている。この開口８には反射電極１６が配置されないため、開口８を透過部として利用することができる。コンタクトホール１５では、ＴＦＴ素子４のドレイン電極Ｄと画素電極１８を直接重ね合わせて接続し、映像線３４に流れる映像信号をＴＦＴ素子４を介して画素電極１８に供給する。したがって、ＴＦＴ素子４と画素電極１８とを確実に接続するためには、画素電極１８とドレイン電極Ｄの重合部分を多くする必要がある。しかし、ドレイン電極Ｄがコンタクトホール１５内に占める割合を多くすると、それだけ開口８が小さくなり、コンタクトホール１５内の透過部の割合が小さくなる。そこでコンタクトホール１５が四角形状のときに、開口８を円形にすることで、限られた領域内で画素電極１８とＴＦＴ素子４の接続を確実に取りながら、開口面積を広く確保することができる。本実施形態では、この開口８は、形成時に確実にコンタクト部内にできるように円形としたが、透過する面積を大きくとるために四角形としてもよい。
【００２２】
それぞれの画素において、層間膜１４上及びコンタクトホール１５の内壁にはＡｌからなる反射電極１６が形成され、保護膜１３とは接触しているがＴＦＴ素子４のドレイン電極Ｄには接触しないようなっている。この構造は以下の工程により形成できる。開口８を有するドレイン電極Ｄを形成した後、ドレイン電極Ｄ上に保護膜１３、層間膜１４を順次積層する。その後、層間膜１４にコンタクトホール１５を形成し、保護膜１３にはコンタクトホール１５を形成しない。そして層間膜１４上にＡｌ層を積層し、パターニングして反射電極１６を形成する。このときコンタクトホール１５内の保護膜１３上に積層されたＡｌも取除く。そしてコンタクトホール１５内でＡｌをマスクにして保護膜１３のエッチングを行い、保護膜１３にコンタクトホール１５を形成する。こうすることで、反射層１６は保護膜１３上で留まり、ドレイン電極Ｄに接触しない。Ａｌは反射率が高く低抵抗であるため、反射電極の一部として一般的に用いられている。反射電極１６の材料としてＡｌを含む合金を用いてもよい。反射電極１６は隣接する画素の反射電極１６と接しないで、且つ走査線３２、映像線３４と若干重なり、透過部９の周囲を囲むように形成されている。
【００２３】
画素内の画素電極１８が形成される領域の全体に透明電極１７が設けられている。つまり透明電極１７はコンタクトホール１５及び透過部９に配置され、さらに反射部１２では反射電極１６の上に積層されている。この透明電極１７はコンタクトホール１５でドレイン電極Ｄに形成された開口８に重合し、そのドレイン電極Ｄと電気的に接触している。透明電極１７の材料としては、本実施形態では透明電極１７をエッチングして反射電極１６を露出させる必要がないように、反射電極材料であるＡｌと同じエッチング液を使用する透明電極材料のＩＺＯを使用している。
【００２４】
液晶パネル３０の下方には、図示していないが、バックライト装置が配置されている。また、アレイ基板の前面側には、アレイ基板と対向してカラーフィルタ基板３１が配置されている。カラーフィルタ基板３１には、図示していないが、ＲＧＢの３色のカラーフィルタ、共通電極等が設けられている。アレイ基板２０とカラーフィルタ基板３１を対向させて両基板を貼り合わせ、両基板間に液晶を注入することにより半透過型の液晶パネル３０となる。
【００２５】
この液晶パネル３０において、バックライト装置から出射された光を通過させる部分が透明電極１７を備えた透過部９であり、反射電極１６が積層され、外光をこの反射電極１１で反射させる部分が反射部１２である。この反射部１２の外光の反射量を増加させる方法としては、層間膜１４表面をパターニング等により凹凸を設け、その上に積層する反射膜１０表面を凹凸にする方法がある。層間膜１４は有機絶縁膜であるため、凹凸形成を容易に行うことができる。
【００２６】
本実施例では、透過部９は透明電極１７を設ける際に層間膜１４を取除いている。このような構造では、透過部９の透明電極１７の部分と共通電極との距離（透過部９のセルギャップ）と、反射部１２の透明電極１７と共通電極との距離（反射部１２のセルギャップ）が異なり、１つの画素内で２つのセルギャップ差が生じてしまう。そのセルギャップ差により駆動電圧に差を生じるフリッカ現象が起こる。
【００２７】
図示はしないが、この現象を解消する方法として以下の方法が用いられている。透過部９に透明電極１７を形成する際に層間膜１４を残すことである。このことにより、セルギャップ差が生じず、フリッカ現象は解消される。また、反射部１２と透過部９において、境界部に段差が無くなることにより、この段差に起因する液晶配向の乱れによって生じる表示ムラも低減される。
【００２８】
この層間膜１４は、エッチングの際にわずかに着色されることがあり、この着色が透過率の低下及び透過光の品質劣化につながるため、層間膜１４が劣化しない程度に加熱しながら紫外線を照射することにより、着色を容易に除去することができる。
【００２９】
次に、コンタクトホール１５の部分の他の実施形態を図３に基づき説明する。この形態は、コンタクトホール１５や開口８の構成は図１の実施形態と同じであるが、透明電極１９がドレイン電極Ｄの開口８内に存在しないところが異なっている。
【００３０】
本発明はスイッチング素子と画素電極のコンタクト部分を透過部として利用するものであり、本発明は上記の実施形態に限定するものではなく、本発明の趣旨に沿った各種変更が可能である。
【００３１】
例えば、この実施形態ではコンタクトホールの形状を四角形にしたが、コンタクトホールを円形にしてもよい。この実施形態では、保護膜と反射電極のコンタクトホールの形状及び大きさが同じになるが、反射電極のコンタクトホールが多角形である場合、保護膜のコンタクトホールを形成する際にコンタクトホールの角部分でエッチング液のまわり込みが生じ、保護層のコンタクトホールのエッジが反射層のコンタクトホールのエッジよりも外側になるケースがある。その後に透明電極をコンタクトホールに積層すると、保護膜のコンタクトホールのエッジ部分と透明電極との間に隙間が生じるため、透明電極が断線する可能性がある。従って、コンタクトホールを円形にすることにより、コンタクトホール内の透明電極の断線を防ぐことができる。
【００３２】
また、この実施形態ではドレイン電極の開口を円形にし、コンタクトホールを四角形にしたが、開口を四角形にしてコンタクトホールを円形にしてもよく、開口とコンタクトホールをともに同じ形状にして、円形又は多角形にしてもよい。開口とコンタクトホールを同じ形状にしたとき、開口のエッジとコンタクトホールのエッジとの間隔が開口の周囲にわたってほぼ均等になり、ドレイン電極が開口の周囲に均等に露出することになる。それに対して、開口とコンタクトホールを異なる形状にしたとき、開口のエッジとコンタクトホールのエッジの間隔が不均一になる。従ってドレイン電極が部分的に広く露出する部分ができ、画素電極とは主にその広く露出した部分で接続することになる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、スイッチング素子の不透明な電極であるドレイン電極に開口を設けることにより、これまで反射部に存在していてバックライトの光の透過にはほとんど寄与していなかったコンタクトホールを透過部として利用することができるようになり、画素全体を表示に有効且つ効率良く利用することができる。そして画素内における反射部と透過部の面積比率が変わり、透過光を使用できる割合が増えることにより、透過率の向上した半透過型液晶装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の半透過液晶表示装置の断面図である。
【図２】本発明の実施形態の半透過型液晶表示装置の一画素における平面図である。
【図３】本発明の他の実施形態であるコンタクトホール部分の断面図である。
【図４】従来の半透過型液晶装置の一画素における断面図である。
【図５】特許文献１に記載されている半透過型液晶装置の一画素における断面図である。
【符号の説明】
４ ＴＦＴ素子
８ 開口
９ 透過部
１２ 反射部
１３ 保護膜
１４ 層間膜
１５ コンタクトホール
１６ 反射電極
１７ 透明電極
Ｄ ドレイン電極

Claims (6)

1. 液晶を挟んで対向する一対の電極のうち一方の電極を各画素に対応した画素電極とし、前記画素電極の背面側にバックライトを配置し、前記画素電極に前記バックライトの光を通過させ、スイッチング素子から離れた位置に形成された透過部と前面側からの光を反射させる反射部とを設けた半透過型液晶表示装置において、反射部には、前記画素電極と電気的に接続する前記スイッチング素子が各画素ごとに設けられ、前記スイッチング素子と前記画素電極の間に絶縁膜が介在し、前記絶縁膜には前記スイッチング素子の不透明な電極の一部を露出させるコンタクトホールが形成され、前記スイッチング素子の不透明な電極の前記コンタクトホールに対応する部分には前記コンタクトホールよりも小さい開口が形成されており、前記画素電極は、透過部に透明電極を、反射部に反射電極を配置され、前記画素電極の透明電極が前記コンタクトホールを介して前記スイッチング素子の不透明な電極に重合接続されていることを特徴とする半透過型液晶表示装置。
2. 前記スイッチング素子の不透明な電極に形成された前記開口が円形状であることを特徴とする請求項１に記載の半透過型液晶表示装置。
3. 前記絶縁膜に形成されたコンタクトホールが円形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半透過型液晶表示装置。
4. 前記スイッチング素子の電極に形成された開口の形状と前記絶縁膜に形成されたコンタクトホールの形状が異なる形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半透過型液晶表示装置。
5. 前記透明電極はＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半透過型液晶表示装置。
6. 前記スイッチング素子はＭＯＳ型の薄膜トランジスタであり、前記画素電極と接続する電極は前記薄膜トランジスタのドレイン電極であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半透過型液晶表示装置。

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