JP4326058B2 - 垂直配向型液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置(Liquid Crystal Display;LCD)に関し、さらに詳しくは、補助容量(Storage Capacitor、以下SCと表記する場合がある。)を有する液晶表示装置の画像表示の改善に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、負の誘電率異方性を有した液晶と、垂直配向膜とを用いた垂直配向型の液晶表示装置が開発されており、このようなタイプの装置は、大別して2種類存在する。
【0003】
まず、第1のタイプは、ラビング処理を施した垂直配向膜を用いるもので、図6(a)はその平面図、図6(b)はそのA−A’断面図である。第1の基板50上に、ゲート線51が形成され、これを覆ってゲート絶縁膜52が形成されている。ゲート線51は、画素の一部にゲート電極51aを有する。この上には、ポリシリコン膜53が、ゲート電極51aの上方を通過するように、島状に形成されている。ポリシリコン膜53には、不純物がドーピングされ、その一部はゲート電極51aと共に薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor;TFT)53aを形成している。これらを覆って層間絶縁膜54aが形成され、データ線57が形成されている。この上に層間絶縁膜54bを介してITO(indium tin oxide)よりなる画素電極55が形成され、層間絶縁膜54に開口されたコンタクトホールを介してポリシリコン膜53に接続されている。断面図(b)では、理解のため、本来この断面にはないコンタクトをあえて描いている。この上には、ポリイミド等よりなる垂直配向膜56が形成されている。垂直配向膜56には、ラビング処理が施されている。データ線57はTFT53aのソース領域に接続され、ゲート電極51aがオンしたときに画素電極55に電荷を供給する。データ線57に印加される電圧によって、液晶が直接傾斜される事を防止するため、データ線57は、画素電極55の下に重畳して形成されている。
【0004】
第1の基板50に対向して配置された第2の基板60には、ITO等よりなる共通電極61が複数の画素電極55を覆って形成されている。共通電極61上には、第1の基板50側と同じ垂直配向膜62が設けられ、ラビング処理が施されている。
【0005】
これら第1の基板50および第2の基板60の間には、液晶70が封入され、画素電極55と共通電極61間に印加された電圧によって形成された電界強度に応じて、液晶分子の向き即ち配向が制御される。第1の基板50および第2の基板60の外側には、図示しない偏光板が、偏光軸を直交させて配置されている。これら偏光板間を通過する直線偏光は、各表示画素毎に異なる配向に制御された液晶70を通過する際に変調され、所望の透過率に制御される。
【0006】
液晶70は負の誘電率異方性を有しており、即ち、電界方向に対して倒れるように配向する性質を有している。垂直配向膜56,62は、液晶70の初期配向を垂直方向に制御する。この場合、電圧無印加時には、液晶分子は垂直配向膜56,62に垂直になっており、一方の偏光板を抜けた直線偏光は、液晶層70を通過して他方の偏光板により遮断されて表示は黒として認識される。電圧印加時には、液晶70はラビング方向に傾き、一方の偏光板を抜けた直線偏光は、液晶層70にて複屈折を受け、楕円偏光に変化して他方の偏光板を通過し、表示は白に近づいていく。画素電極55は、ゲート線51とデータ線57が両方オンするとTFT53aを介して電圧が印加され、その直上の液晶を駆動する。それぞれの画素電極55に、それぞれの電圧を印加することによってLCDの表示を行う。つまり、画素電極55が形成されている領域が画素となる。
【0007】
画素ではない領域、即ち、画素電極55同士の間隙及びTFT53aの領域には、図示しない遮光性のブラックマトリクスが形成されている。ブラックマトリクスは、画素間の、電圧が印加されない領域において、プレチルトが付与された液晶により複屈折が生じて不要な光が抜けて、画素間が白く見え、コントラスト比を低下させることを防ぐ目的で設けられている。
【0008】
ポリシリコン膜53の一部は補助容量(SC)電極53bとなっている。上述したように、LCDは、画素電極55と共通電極61との間に電圧を印加し、ここに発生する電界によって液晶を配向して透過率を制御するが、液晶は、完全な絶縁体ではないため、画素電極に電圧を印加すると微弱な電流が流れてしまう。これにより、画素電極に蓄積された電荷が放出され、画素電極55と共通電極61との間の電圧を維持できなくなってしまう。そこで、SC電極53bの下には、例えばクロム等からなる補助容量(SC)線58が形成され、SC電極53bとの重畳部分で補助容量を形成し、画素電極55に電荷を供給している。SC線58は、SC電極53bに対向する領域58aが太く形成され、SC電極53bとの容量を大きくしている。画素と、補助容量、及びデータ線、ゲート線の等価回路を図7に示す。画素電極55と共通電極61に挟まれた液晶70によって構成される容量と、SC電極53bとSC線58によって構成される補助容量がゲート電極51aを有するTFTを介してデータ線57に接続されている。画素電極55の電荷を保持する意味から、補助容量は、大きい方がよい。
【0009】
垂直配向型LCDのもう一つのタイプは、垂直配向膜にラビング処理を施さず、別途液晶の配向方向を制御する配向制御手段を有する垂直配向型LCDである。例えば特願平5−84696などに、配向方向を制御する、配向制御窓を有する垂直配向型LCDが提案されている。図8(a)はこのような配向制御窓を有するLCDの構造を示す平面図、図8(b)はそのA−A’断面図である。図6のLCDとは、第1の基板50上にTFT53aSC電極53bとこれに接続された画素電極55が形成されており、基板60とともに液晶70を封入し、その外側に偏光層が形成されているなどの点では共通である。図6のLCDと共通の構造については同じ番号を付し、説明を省略する。図6のLCDとは、共通電極61が開口されて、配向制御窓63が形成されている点と、垂直配向膜56,62にラビング処理がなされていない点で大きく異なっている。配向制御窓63は、共通電極が開口された電極不在の領域であり、例えば図示したように「Y」の文字を上下逆に連結した形状を有する。
【0010】
この構成で、画素電極55と共通電極61間に電圧を印加すると、電界64,65が形成され、液晶分子59は傾斜する。画素電極55の端部では、電界64は、画素電極55から共通電極61側へ向かって斜めに傾いた形状になる。同様に、配向制御窓63の端部も電極が不在であるため、電界65は画素電極55に向かって傾いた形状になる。この傾いた電界によって、液晶の配向方向が制御されるため、液晶分子は、プレチルト角に依ることなく画素電極55の内側方向、配向制御窓63に向かって傾斜する。
【0011】
また、配向制御窓63直下では、共通電極61が不在であるので電圧印加によっても電界が形成されず、液晶分子は初期配向状態、即ち垂直方向に固定される。これによって、液晶の連続体性によって配向制御窓63を挟んで液晶の配向方向が対向し、図6に示したLCDよりも広い視野角が得られる。
【0012】
また、ラビングを施さない垂直配向型のLCDは、電圧無印加時に黒に表示されるノーマリーブラック方式であるので、必ずしもブラックマトリックスは必要なく、これを形成しないことは、例えば特願平9−317169等に記載されている。
図9は、第2のタイプのLCDの別の例である。この例では、データ線59は、配向制御窓63に重畳して形成されている。データ線59を透過する光は一定の割合で減衰し、また、配向制御窓63下の液晶は初期配向を保つので、電圧印加時でも光を透過しない。このため、それぞれの領域で光の透過率が落ち、画素全体の透過率が大きく落ちる。そこで、これを重畳して形成することによって、透過率の低下を防止しているのである。より詳しくは、特願平10−337840に記載されている。
【0013】
第2のタイプ、即ち配向膜にラビングを施さないタイプの垂直配向型LCDに関しては、液晶の配向方向を制御する手段は、配向制御窓63に限るものではなく、液晶70に面する垂直配向膜56,62に傾斜部を設けるなどしても良い。これに関しては、特願平6−104044に記載されている。
【0014】
次にLCDの電圧印加方式について述べる。図10は、ゲート線及びデータ線に印加する電圧と、それによって駆動される画素電極の電圧を示すタイミングチャートである。図10(a)は第1のゲート線51に、(b)は第1のゲート線に隣接する第2のゲート線51に、(c)はデータ線57に、印加する電圧をそれぞれ示し、(d)は第1のゲート線とデータ線によって制御される画素電極55、(e)は第2のゲート線とデータ線によって制御される画素電極55の電圧を示している。1水平同期期間(以降1Hと表記する)第1のゲート線51に電圧を印加し、これをオンする。第1のゲート線51がオンすることで、これに対応した列の画素電極55のTFTがオンする。1Hの間それぞれのデータ線57には、表示する画像に応じた電圧が印加され、この列の画素電極55はその電圧を保持する。次の1Hで、第1のゲート電極51はオフし、第2のゲート電極51がオンする。これによって、第2のゲート線に対応した画素電極55のTFTがオンし、同様にデータ線57の電圧を、この列の画素電極55が保持する。以下同様に、1H毎に各行の画素電極55に電圧を与え、これに対応する液晶を駆動し、画像を表示する。ここで、液晶の劣化を防止するため、隣接する行毎に電界の方向を反転させる。即ち、第1のゲート線が制御する列の画素電極55は、共通電極61の電位Vc(例えば6V)よりも所定電位(例えば4V)高い電圧Vhigh(10V)を印加し、隣接する行の画素電極55には、共通電極61の電位Vcよりも所定電位低い電圧Vlow(2V)を印加する。再び第1のゲート線の列の画素電極55に電圧を印加する際は、先ほどとは逆のVlowを印加する。このような電圧の印加方式をライン反転方式と呼ぶ。ライン反転によると、共通電極61の電位Vcを中心に画素電極の印加電圧が反転しているので、電界は形状が同様で、方向が行毎に逆となる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、第2のタイプ、即ち配向膜にラビングを施さず、配向制御窓のような配向制御手段を有するタイプの垂直配向型LCDは、一般的に、ラビングを施す第1のタイプのLCDに比較して液晶の配向方向を制御する力が弱く、例えば液晶層70の厚さを規定しているスペーサの分布の偏りによって液晶層70の厚さが変化したり、外界から電界がかかったりするなど、配向方向を乱す要因(以下では外乱と呼ぶ)があると、液晶の配向方向が乱れ、画素の視角特性が変化する。また、外乱による配向方向の乱れは、画素毎に異なって生じるため、画面がざらついて見え、LCDの表示品質が低下する。
【0016】
上述のように、データ線57は、画素電極55の下に重畳して形成されているが、これによって、画素電極とデータ線との間に寄生容量が生じる。この寄生容量に比較して、補助容量が十分に大きくないと、画素電極に適切な電圧が印加されず、画面のコントラストが低下する。ところが、補助容量を形成するSC線58は、金属なので、光を遮断し、単に面積を拡大して補助容量を大きくしようとするとLCDの開口率が低下する。
【0017】
また、ガラス基板が外的要因によって例えばプラスに帯電すると、対向する領域は逆電荷、即ちマイナスに帯電する。画素電極は、一定周期によって新たな電圧が印加され、帯電の影響は少ないが、画素電極間は電圧印加されないので、帯電したままとなる。画素電極間が帯電すると、これによって発生する電界によって液晶分子が傾斜し、光を透過するようになって、画素間が光る、いわゆる白抜けが生じ、画面のコントラストが低下する。帯電も上記外乱となりうる。
【0018】
本発明は、配向膜にラビングを施さず、配向制御窓のような配向制御手段を有するタイプの垂直配向型LCDの表示品質を向上することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するためになされたもので、画素電極の各行に形成されたゲート電極、画素電極に接続された補助容量電極、各行の画素電極にわたって延在し補助容量電極と対向して補助容量を形成する補助容量線が形成された第1の基板と、第1の基板に対向し、複数の画素電極に対向する共通電極が形成された第2の基板と、第1及び第2の基板間に封入された負の誘電率異方性を有する液晶とを備えた液晶表示装置において、液晶の配向方向を制御する配向制御手段を備え、画素電極の間に、液晶の配向方向を制御する配向制御補助電極が形成されている垂直配向型液晶表示装置である。
【0020】
また、補助容量線は、行方向に隣接する画素の間に延在し、配向制御補助電極は、画素電極に接続された補助容量電極が該画素電極の列方向に隣接する画素電極に沿って形成されてなる。
【0021】
また、液晶表示装置の駆動方法は、ライン反転方式である。
【0022】
また、配向制御手段は、共通電極の画素電極それぞれに対応する領域に、共通電極を開口してなる配向制御窓を有することである。
【0023】
また、第1及び第2の基板それぞれに液晶と接触する垂直配向制御膜を有し、配向制御手段は、第1もしくは第2の基板に形成された垂直配向制御膜に、液晶との接触表面が隆起または陥没されてなる配向制御傾斜部を有することである。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1(a)は本発明の第1の実施形態を示す平面図、図1(b)はそのA−A’断面図である。従来のLCDと同様の構成については同じ番号を付し、説明を省略する。第1の基板50上に、ゲート線51が形成され、その一部がゲート電極51aとなっている。その上に絶縁膜52を介してポリシリコン膜53が形成され、その一部がゲート電極51aと共にTFT53aを形成している。ポリシリコン膜53は、画素電極55に接続されている。この上には、ラビング処理が施されていない垂直配向膜56が形成されている。ポリシリコン膜53の一部はSC電極53bであり、SC線58とともに補助容量を形成している。データ線59は2層の層間絶縁膜54の間に形成されている。第1の基板50に対向して配置された第2の基板60上には、共通電極61と、ラビング処理が施されていない垂直配向膜62が設けらている。共通電極61には、液晶の配向方向を制御する配向制御窓63が形成されている。これら第1の基板50および第2の基板60の間には、負の誘電率異方性を有する液晶70が装填され、画素電極55と共通電極61間に印加された電圧によって形成された電界強度に応じて配向が制御される。
【0025】
従来との大きな違いは、画素間に配向制御補助電極1が形成されている点である。配向制御補助電極1は画素電極55とそれに隣接する画素電極55の間の領域に画素電極55の長さと同程度形成されており、断面で見ると、画素電極55の下、例えばSC電極53bと同じ層に形成された導電膜で、ポリシリコン膜53及び画素電極55とは絶縁されている。配線2は、コンタクトを介して配向補助電極1に接続され、これに電圧を印加する。配向制御補助電極1は、図示したように行方向の画素間に延在するのみでなく、列方向に隣接する画素間にも形成してもよい。
【0026】
今、画素電極55に共通電極61よりも高い電圧が印加され、画素電極55から共通電極61に向かう電気力線が矢印のように形成されているとする。このとき、配向制御補助電極1に共通電極61よりも低い電圧を印加すると、矢印で図示したように、共通電極61から配向制御補助電極1に向かう電気力線が形成される。これは、画素電極55から共通電極61へ向かう電気力線とは逆方向である。
【0027】
逆に、画素電極55に共通電極61よりも低い電圧を印加するときは、配向制御補助電極には、共通電極61よりも高い電圧を印加する。つまり、配向制御補助電極には、共通電極を中央として、画素電極と反対の電圧を印加する。
【0028】
従来のLCDの画素間は、電極がないので電界が形成されておらず、図面上向きを「正」と表現すれば、画素電極55端部からその隣の画素電極の端部までの電界強度は、正→0→正と変化していた。これに対し、本実施形態は、画素間に画素電極の極性とは逆の極性の電圧が印加されているので、画素間の電界強度は正→0→負→0→正と変化する。従って、画素間の電界強度の変化率は従来に比較して急になる。換言すれば、等電位線を描けば、その密度が密になる。負の誘電率異方性を有する液晶は、電界に垂直、電界強度の勾配方向に配向される。従って、配向制御補助電極1によって電界強度の変化率が急になると、より強く液晶の配向方向を制御することができる。配向制御が強くなると、液晶分子が初期配向から駆動状態へ移行する時間(応答時間)が短くなる。また、もし外乱によって、例えば画素間の液晶があらぬ方向に傾斜したとしても、画素電極端部の液晶は強く配向制御されているので、画素間の液晶の配向方向が画素内に影響しにくくなり、LCDの表示品質が向上する。
【0029】
また、上述のように配向制御補助電極には電圧が印加されるので、ガラス基板が帯電しても、誘起された電荷がそこにたまることがなく、帯電の影響は受けにくい。
【0030】
図2は、本発明の第2の実施形態の平面図であり、図3はその断面図である。図1の実施形態と同様の構成については同じ番号を付し説明を省略する。ゲート線51が行方向に、データ線59は列方向にそれぞれ複数延在しており、それらの上に絶縁膜を介して各画素毎に画素電極10が形成されている。TFT11はデータ線59と画素電極10にコンタクトを介して接続され、ゲート線51をまたがって延在している。対向電極には配向制御窓63が形成されており、データ線59は、配向制御窓に重畳して形成されている。駆動方法は、行毎に印加電圧を反転させるライン反転方式で駆動されている。
【0031】
SC線12は、行方向に延在し、画素間で、列方向に分岐して、画素の長さ程度延在している。SC電極13は、TFT11からは独立して形成されており、SC線12の画素間に延在した部分に対向し、補助容量を形成している。本発明の第1のポイントは、ここにあり、SC線13とSC電極12が対向する領域が十分な面積を有するため、補助容量の値が大きい。しかも、SC線13は主に画素間に形成されているので、開口率の低下も小さい。
【0032】
本実施形態の第2のポイントは、各構成の接続にある。各構成には説明の便宜上、a,b,cを付与し、区別して説明する。左上の画素電極10aaに注目して説明する。画素電極10baは、ゲート線51bによって制御されたTFT11baを介して、データ線59aに接続されている。画素電極10baは、図面左下で、次の行のゲート線51cにまたがって延在し、ゲート線51cを越えた領域でSC電極13baに接続されている。そして、画素電極10baのとなりには、前の行の画素電極10aaに接続されたSC電極13aaが配置されている。同様に、画素電極10abのSC電極13abは画素電極10bbの隣、画素電極10bbのSC電極13bbは画素電極10cbの隣にそれぞれ形成されている。以下同様に、SC電極13は、接続されている画素電極10の次の行の画素間に形成される。
【0033】
図4は図2の動作を説明するために、これを簡略化して描いた平面図である。今、画素電極10aaに、共通電極61に対して高い電圧Vhighが印加されていたとする。図中、Vhighが印加されている電極にはプラスを表示している。SC電極13aaは画素電極10aaに接続されているため、同じ電位Vhighとなる。ライン反転であるので、同じ行にある画素電極10ab、それに接続されたSC電極13abもVhighとなる。画素電極10aaに列方向に隣接する画素電極10baには、共通電極61に対して低い電圧Vlowが印加される。従って、これに接続されたSC電極13ba、13bbにも、Vlowが印加される。
【0034】
このように、ライン反転によって、電圧が印加され、各画素に隣接するSC電極13は、列方向に隣接する画素に接続されているので、常にその画素とは逆の電圧が印加されている。従って、SC電極13は、第1の実施形態で説明した配向制御補助電極1の働きをし、ここには、特に特別な方法によって電圧を印加する必要はなく、図1で示した配線2は不要である。
【0035】
図5(a)は、本発明の第3の実施形態の平面図、図5(b)はその断面図である。本実施形態は、配向制御を行う手段が、垂直配向膜に設けられた配向制御傾斜部であるLCDに本発明を適用したものである。平面図(a)において、配向制御窓63が形成されておらず、データ線が屈曲していない点が第2の実施形態と異なっている。断面図(b)において、画素電極6の端部が隆起し、それを覆う配向制御膜には、配向制御傾斜部7a、7bが形成されている。配向制御傾斜部7aによって、液晶分子の初期配向は、図面右に傾き、配向制御傾斜部7bによって図面左に傾く。画素中央の液晶分子は、傾斜部周辺の液晶分子からの連続体効果によって電圧印加時にも配向方向が制御される。本実施形態においても、ライン反転によって電圧が印加されており、各画素に隣接するSC電極13は、行方向に隣接する画素に接続されているため、常にその画素とは逆の電圧が印加されている。
【0036】
尚、上記実施形態では、画素電極をゲート線にまたがって形成し、SC電極に接続したが、この逆でも良い。即ち、SC電極をゲート線にまたがって(図面上方向に延在して)形成し、画素電極に接続してもよい。さらに、コンタクトを介して別の層、例えばアルミニウムなどの金属層に接続し、金属層によってゲート線をまたがっても良い。ただし、またがるゲート線は、隣接する画素を制御するゲート線であって、その画素を制御するゲート線ではない方が望ましい。電圧印加時のクロストークを防止するためである。
【0037】
また、本発明は、上述した実施形態に縛られるものではなく、特に配向制御手段は、配向制御窓、配向傾斜部以外のいかなる手段でもよい。
【0038】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、画素電極の間に、液晶の配向方向を制御する配向制御補助電極が形成されているので、液晶の配向方向をより強く制御することができるので、液晶の配向方向が安定し、外部電界などの外乱に対して影響を受けにくくなり、表示品質が向上する。
【0039】
また、請求項2に記載の発明によれば、補助容量が画素間に形成され、面積が大きいので、画素電極に十分な電圧を印加することができ、液晶を完全に駆動することができるので、コントラストが向上し、表示品質が向上する。
【0040】
また、ライン反転方式によって駆動するので、補助容量電極には、隣接する画素電極とは逆の電圧が印加され、補助容量電極を配向制御補助電極として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す平面図及び断面図である。
【図2】本発明の実施形態を示す平面図である。
【図3】本発明の実施形態を示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態を説明するための平面図である。
【図5】本発明の実施形態を示す平面図及び断面図である。
【図6】従来の液晶表示装置の平面図及び断面図である。
【図7】液晶表示装置の等価回路図である。
【図8】従来の配向制御窓を有する液晶表示装置の平面図及び断面図である。
【図9】従来の配向制御窓を有する液晶表示装置の平面図及び断面図である。
【図10】ライン反転方式による電圧印加のタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 配向制御補助電極、2 配線、7 配向制御傾斜部、10 画素電極、12補助容量線、13 補助容量電極、51 ゲート線、52 ゲート電極、53補助容量電極、55 画素電極、61 共通電極、63 配向制御窓
Claims (4)
- 液晶を駆動する互いに離間されて複数行形成された複数の画素電極、前記画素電極に電気的にそれぞれ接続された複数の補助容量電極、行方向に延在して各行の前記補助容量電極とそれぞれ対向して補助容量を形成する複数の補助容量線が形成された第1の基板と、
前記第1の基板に対向し、前記複数の画素電極に対向する共通電極が形成された第2の基板と、
前記第1及び第2の基板間に封入された負の誘電率異方性を有する液晶とを備えた液晶表示装置において、
前記画素電極上もしくは共通電極上に設けられ、前記液晶の配向方向を制御する配向制御手段を有し、
前記補助容量線は、行方向に隣接する画素の間に、列方向に分岐して延在し、前記画素電極に接続された前記補助容量電極は、前記画素電極の列方向に隣接する画素電極に沿って形成されてなり、前記液晶の配向方向制御を補助することを特徴とする垂直配向型液晶表示装置。 - 前記配向制御手段は、前記共通電極の前記画素電極それぞれに対応する領域に、前記共通電極を開口してなる配向制御窓を有することを特徴とする請求項1に記載の垂直配向型液晶表示装置。
- さらに、前記第1及び第2の基板それぞれに前記液晶と接触する垂直配向制御膜を有し、前記配向制御手段は、前記第1もしくは第2の基板に形成された垂直配向制御膜に、前記液晶との接触表面が隆起または陥没されてなる配向制御傾斜部を有することを特徴とする請求項1に記載の垂直配向型液晶表示装置。
- 前記液晶表示装置の駆動方法は、行毎に印加電圧を反転させるライン反転方式であることを特徴とする請求項1から請求項3までの何れか一項に記載の垂直配向型液晶表示装置。
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