JP4452213B2 - 反射−透過型液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射−透過型液晶表示装置（ＳＥＭＩ−ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ ＬＣＤ）に関し、より詳細には、カラーフィルター層を平坦化するオーバーコート膜を設けることなく、表示品質が優秀な反射−透過型液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、薄膜トランジスター基板とカラーフィルター基板、その間に液晶層が位置している液晶パネルを含む。液晶パネルは、非発光素子であるため、薄膜トランジスター基板の後面には光を照射するためのバックライトユニットを配置する。バックライトユニットから照射された光は液晶層の配列状態により透過量が調整される。
この他に液晶パネルの各画素を駆動するために、駆動回路と、駆動回路から駆動信号を受けて、表示領域内のデータ線とゲート線に電圧を印加するデータドライバーと、ゲートドライバーが用意されている。

一般の液晶表示装置は、光源の形態により透過型と反射型で区分される。従来より、前述したような、液晶パネルの背面にバックライトユニットを配置して、バックライトユニットからの光が液晶パネルを通過するようにした透過型のものが存在する。しかし、透過型の場合、電力消費が多く、液晶表示装置の重量や厚さが大きくなるという問題がある。これに対して、外部からの光を反射する構造を備える反射型液晶表示装置を使用すると、消費電力の７０％を占めるバックライトユニットの使用を制限することができる。特に携帯用通信機器が発達すると共に、電力を節約しながらも軽くて薄い反射型が注目されている。

一方、反射−透過型液晶表示装置は、前述したような透過型と反射型の各々の長所を生かしたもので、周辺光度の変化に関係なく使用環境に合うように適切な輝度を確保できる。反射−透過型液晶表示装置は、室内や外部光源が存在しない暗いところでは自らのバックライトユニットを利用して、室外の高照度環境では外部の入射光を利用する。
反射−透過型液晶表示装置において、バックライトユニットからの光は、薄膜トランジスター基板に形成された透過領域を通過して、液晶層を照射し、その液晶層に照射された光は、カラーフィルター基板に形成されたカラーフィルター層を経て、出射する。これに対して、外部からの光はカラーフィルター層を経て入射して、薄膜トランジスター基板に形成された反射領域で反射した後、再びカラーフィルター層を経て出射する。ここで、透過領域を通過する光はカラーフィルター層を１度だけ通過する反面、反射領域を通過する光はカラーフィルター層を２度通過する。従って、反射領域を通過する光は、透過領域を通過する光に比べて、色再現性が２倍ほど高い。このような色再現性の差によって視認性が劣化する。

このような問題を解決するため、薄膜トランジスター基板の反射領域に対応するカラーフィルター基板のカラーフィルター層の一部を除去したり、厚さを薄くする２トーン方式が使われる。また２トーン方式では、カラーフィルター基板の表面が均一でないため、カラーフィルター層の上部をオーバーコート膜で平坦化する。しかし、カラーフィルター基板にオーバーコート膜を形成すると、続く配向膜のラビング過程で不良が発生しやすい。すなわち基板の隅付近に集まっているオーバーコート膜により、配向膜にしみが発生すると不具合が生じる。

本発明の目的は、カラーフィルター層を平坦化するオーバーコート膜を設けることなく、表示品質が優秀な反射−透過型液晶表示装置を提供することである。

前述の目的は、液晶パネルと、前記液晶パネルに光を照射するバックライトユニットと、前記液晶パネルのデータ線にデータ電圧を印加するためのデータドライバーを含む反射−透過型液晶表示装置において、前記液晶パネルは、前記バックライトユニットからの光を透過する透過領域と外部からの光を反射する反射領域が形成されている薄膜トランジスター基板と、前記反射領域に対応される領域に、第１部分と前記第１部分よりも厚みが薄い第２部分とを含む段差が形成されているカラーフィルター層を含むカラーフィルター基板と、前記薄膜トランジスター基板と前記カラーフィルター基板の間に位置して、前記カラーフィルター層の段差により厚さが変化する液晶層を含んで、前記データドライバーは、前記バックライトユニットがオンした時の透過電圧モードと前記バックライトユニットがオフした時の反射電圧モードに分けて、データ電圧を印加し、前記反射電圧モードで印 加されるデータ電圧の最高電圧は、最も反射率を高くする第１最高電圧に対して５％以内 の範囲であり、かつ、反射領域の全てでセルギャップが概ね均一である場合において最も 反射率を高くするデータ電圧の最高電圧である第２最高電圧よりも低く設定されていることによって達成される。

前記カラーフィルター基板は、カラーフィルター基板素材と、前記カラーフィルター基板素材上に形成されている前記カラーフィルター層と、前記カラーフィルター層の上部に順に形成されている共通電極と配向膜を含んで、前記共通電極と前記配向膜は前記カラーフィルター層の段差に対応する形状を有することが望ましい。
前記反射電圧モードで前記データ電圧の最高電圧は、前記データ電圧の変化にともなう反射率を測定して決定することが望ましい。

前記最高電圧は、最も高い反射率値を表すデータ電圧値の±５％範囲であることが望ましい。
前記液晶層は、ＶＡモードであることが望ましい。

本発明はカラーフィルター層の平坦化のためのオーバーコート膜を除去することによって、反射領域のセルギャップが増加することを防止する。すなわち、オーバーコート膜の使用によるラビングがしみの発生を防ぐと同時に、二重電圧モード方式を適用して、色再現性などの表示品質を向上させる効果がある。

以下添付図を参照にして、本発明をより一層詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例による液晶表示装置の断面図である。液晶表示装置は、液晶パネル３と、液晶パネル３に光を照射するバックライトユニット５を含む。バックライトユニット５は、サイド型またはエッジ型のいずれも採用することができる。
液晶パネル３は、大きい薄膜トランジスター基板１０と、これに対向して位置するカラーフィルター基板５０、そして薄膜トランジスター基板１０とカラーフィルター基板５０の間に位置する液晶層４１で構成される。

薄膜トランジスター基板１０は、第１基板素材１１の上部に薄膜トランジスター２０が形成されており、その上部に保護膜３１、画素電極３２、反射膜３３が位置する。そして第１基板素材１１の外部面には第１偏光板３４が位置する。
薄膜トランジスター２０は、第１基板素材１１上に位置するゲート電極２１、第１基板素材１１とゲート電極２１上に存在するゲート絶縁膜２２、ゲート電極２１を中心にゲート絶縁膜２２上に順に積層されている半導体層２３、オーミック接触層２４、そしてオーミック接触層２４上に互いに分離して形成されたソース電極２５、およびドレーン電極２６で形成される。半導体層２３は、通常非晶質シリコンで、オーミック接触層２４は、通常ｎ＋非晶質シリコンで形成されるものであり、ＰＥＣＶＤ法によって蒸着形成することができる。

薄膜トランジスター２０が形成された第１基板素材１１上には、感光性アクリル系樹脂のような有機絶縁物質で形成された保護膜３１が形成される。保護膜３１の表面には、光の散乱を誘発して、反射率を高めるための多数の凹凸部が形成されうる。この時、薄膜トランジスター２０の信頼性を確保するために、保護膜３１と薄膜トランジスター２０の間にシリコン窒化物のような無機絶縁膜がさらに形成され得る。

保護膜３１の上部には、各画素に電圧を印加するための画素電極３２が位置する。画素電極３２は、通常ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）乃至ＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）で形成されて、保護膜３１を貫通して、薄膜トランジスター２０のドレーン電極２６と連結されている。
反射膜３３は、画素電極３２の上部に存在して、透過領域‘Ｔ’と反射領域を区分する。すなわち、反射膜３３が除去されている透過領域‘Ｔ’では、バックライトユニット５の光が通過して、液晶パネル３の外に照射される。そして、反射膜３３が形成されている反射領域では外部からの光が反射して、また液晶パネル３の外に照射される。

カラーフィルター基板５０では、第２基板素材５１の上部に形成されたブラックマトリックス６２と、ブラックマトリックス６２を間にして、画素ごとにＲＧＢが交互に形成されたカラーフィルター層６１があって、カラーフィルター層６１上に共通電極６３と配向膜６４が位置する。カラーフィルター基板１０の外部面には第２偏光板６５が設けられている。

ブラックマトリックス６２は、クロムとクロム酸化物で形成されていて、薄膜トランジスター基板１０のソース電極２５に対応するように形成されている。
カラーフィルター層６１は、ブラックマトリックス６２を間にしてＲＧＢが交互に位置する。画素ごとにＲＧＢの中のいずれか１つのカラーフィルター層６１が形成される。カラーフィルター層６１の厚さはブラックマトリックス６２と隣接する部分が多少厚い。またカラーフィルター層６１の一部領域では、カラーフィルター層６１が形成されていない段差領域‘Ｃ’が存在するが、これは薄膜トランジスター基板１０の反射領域に対応するように形成されている。すなわち、反射領域で反射した光の中で、一部はカラーフィルター層６１を通過しないで外部に放出される。段差領域‘Ｃ’の大きさはＲＧＢにより変わることがあるが、Ｇ、Ｒ、Ｂの順序で大きさが小さくなることが望ましい。

カラーフィルター層６１の上部には、共通電極６３と配向膜６４が位置する。共通電極６３は、通常ＩＴＯまたはＩＺＯで形成される。共通電極６３と配向膜６４は、カラーフィルター層６１に形成された段差に対応するように形成される。すなわち、カラーフィルター層６１を平坦化させるオーバーコート膜が存在しないため、カラーフィルター層６１の段差による影響をそのまま受けることになる。

薄膜トランジスター基板１０とカラーフィルター基板５０の間には、液晶層４１が存在する。液晶層４１は、ドレーン電極２６に連結された画素電極３２と共通電極６３に印加された電圧の大きさにより、その配列方向を変化することにより、光の通過量を調節する。液晶層４１の種類は多様であるが、ＶＡモードであることが望ましい。ＶＡモードでは電圧が印加されない状態で、液晶層４１が薄膜トランジスター基板１０とカラーフィルター基板５０の間で垂直配列する。従って、第１偏光板３４と第２偏光板６５が直交している場合、正面では完全な黒状態を表す。液晶層４１は、このようなＶＡモードの中でも配向膜６４ラビングが必要なシングルドメインであることがより一層望ましい。

このような液晶パネル３において、液晶層４１の厚さ、すなわちセルギャップは位置によって変わる。特に反射領域において、カラーフィルター層６１の段差領域‘Ｃ’でのセルギャップｄ２と、その他の領域でのセルギャップｄ１との差ｄ３は、概略カラーフィルター層６１の厚さ程度になる。カラーフィルター層６１の厚さが１〜１．５μｍで、ｄ１が３〜４μｍ程度であるから、ｄ２は４〜５．５μｍ程度になる。これによって反射領域全体でのセルギャップは、透過領域でのセルギャップより大きくなる。

図２ａ〜図２ｄは、本発明の第１実施例によるカラーフィルター基板５０の製造方法を示した断面図である。
まず、図２ａのように、第２基板素材５１上にブラックマトリックス６２を形成する。ブラックマトリックス６２は、一般的にゲート線とデータ線の上部に位置する。ブラックマトリックス６２は、下部のクロム酸化物と上部のクロムで形成されるが、クロム酸化物の厚さは５００Å程度で、クロムの厚さは１５００Å程度である。製造過程ではクロム酸化物とクロムの連続蒸着、リソグラフィ、エッチングの各工程を経ることとなる。

第２基板素材５１上にブラックマトリックス６２が形成されると、図２ｂに示すように、ＲＧＢの中のいずれか１つのカラーフィルター層６１をブラックマトリックス６２と、ブラックマトリックス６２が形成されていない第２基板素材５１上にコーティングする。
カラーフィルター層６１のコーティングが完成すると、図２ｃのようにマスク７０を利用して露光を行う。この時カラーフィルター層６１がネガティブ感光物質である場合、カラーフィルター層６１の中の残される部分だけに紫外線ＵＶを照射する。マスク７０は、透明基板７１と紫外線を遮断するマスクパターン７２で形成されるが、カラーフィルター層６１の残される部分に対応する位置において、マスクパターン７２を除去する。このような露光により、カラーフィルター層６１の段差領域'Ｃ'には紫外線が照射されない。

マスク７０を利用した露光後、現像とベーク過程を経ると、図２ｄのようになる。紫外線が照射された部分のカラーフィルター層６１は残っていて、紫外線が照射されない部分のカラーフィルター層６１は除去される。１つの画素内のカラーフィルター層６１には、段差領域'Ｃ'が存在するようになり、これは後で薄膜トランジスター基板１０の反射領域に対応するように位置される。これでＲＧＢの中のいずれか１つのカラーフィルター層６１の形成が完了し、以後他の２種類のカラーフィルター層６１を形成するとカラーフィルター層６１が完成する。ＲＧＢにより段差領域'Ｃ'の大きさを違うようにする場合には、ＲＧＢにより互いに違うマスク７０を使用しなければならない。

ＲＧＢの全てのカラーフィルター層６１を形成した後、オーバーコート膜による平坦化作業なしに、共通電極６３を形成して配向膜６４を塗布およびラビングすると、カラーフィルター基板５０が完成する。この時オーバーコート膜がないため、配向膜６４のラビング過程でしみが発生しない。完成されたカラーフィルター基板５０は、カラーフィルター層６１に段差領域'Ｃ'が存在し、共通電極６３と配向膜６４も同一段差を有する。

図３は本発明の第１実施例による液晶表示装置の駆動を示す概念図である。
ゲートドライバー８２は、液晶パネル３に形成されている複数のゲート線８５に順次ゲート電圧を印加して、該当ゲート線８５に接続された薄膜トランジスター２０を駆動する。
データドライバー８１は、ゲート電圧が供給される１水平周期の間に１水平ライン分のデータ電圧を液晶パネル３に形成されているデータ線８６に供給する。

液晶表示装置は、データ電圧により液晶層４１の光透過率を調節して、画像を表示する。ところが液晶表示装置では、画像の階調が映像信号の電圧レベルにより線型的に変わらないで、非線型的に変わるガンマ特性が現れるようになる。これは液晶層４１の光透過率が電圧レベルにより線型的に変わらないと共に、液晶層４１の光透過率により画像の階調が線型的に変わらないことに起因する。ガンマ電圧発生部８３は、映像信号の電圧レベルにより、互いに違うレベルを有するように既設定されたガンマ電圧を映像信号の電圧レベルに付加させてガンマ特性を調節する。

データドライバー８１は、映像信号の電圧レベルをガンマ電圧発生部８３からのガンマ電圧を利用して、補正したデータ電圧をデータ線８６に供給する。
本発明でデータ電圧の印加は、反射電圧モードと透過電圧モードに分けられる。すなわち、二重電圧モード方式を使用するが、反射電圧モードと透過電圧モードによりガンマ電圧が異なるようにする。すなわち、バックライトユニット５がオフされる反射モードでは、反射電圧モードでデータ電圧が印加され、バックライトユニット５がオンされる透過モードでは透過電圧モードでデータ電圧が印加される。

本発明の液晶表示装置においては、透過領域を通過するか、または反射領域を通過するかにより光の液晶透過距離が変わるため、二重電圧モード方式を使用すると、反射モードや透過モードに関係なく、優れた色再現性を得ることができる。
第１実施例による液晶表示装置では、従来液晶表示装置とは違い、反射領域にセルギャップが相異なる２つの領域が存在する。従って、反射モードの場合に印加されるデータ電圧は、従来の液晶表示装置と異なることが望ましい。この時データ線８６に印加される最高電圧は次のように求められる。

図４ａ及び図４ｂは、従来にオーバーコート膜で平坦化された液晶表示装置と第１実施例による液晶表示装置のデータ電圧による反射率の例を各々示すグラフである。
２つの場合において、印加されたデータ電圧による反射率の形態が異なっている。最高の反射率を示すデータ電圧は、従来の液晶表示装置が３．４５Ｖであるのに対して、第１実施例による液晶表示装置は３．２Ｖで、差がある。従って、第１実施例の場合、最高電圧を３．２Ｖに近く、より望ましくは３．２Ｖを基準に±５％以内にすることが高い反射率がえらえる。このように最高電圧を形成した後、ガンマ電圧発生部８３で形成するガンマ電圧を調整する。

反射領域のセルギャップが増加することによって予想されることは、応答時間の遅延である。しかし、オーバーコート膜で平坦化された従来の液晶表示装置で応答時間（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）は約２５μｍになり、第１実施例では約３５μｍで問題になるほどではない。
図５は本発明の第２実施例による液晶表示装置の断面図である。第２実施例において第１実施例と異なる部分を説明すると次のようになる。

第２実施例でのカラーフィルター層６１にも薄膜トランジスター基板１０の反射領域に対応する部分中、一部に段差領域'Ｃ'が形成されている。ただし第１実施例の通り、段差領域'Ｃ'でカラーフィルター層６１が完全に除去されず、厚さがさらに薄くなっている。
第１実施例のように、段差が形成されない部分のセルギャップｄ１と段差が形成されている部分のセルギャップｄ４は、段差領域の厚さｄ５程度で差があるが、その差は第１実施例よりは少ない。

第２実施例においても、第１実施例のように、データ電圧の最高電圧決定と最高電圧決定によりガンマ電圧調整が同一に適用される。
本発明はカラーフィルター層６１の平坦化のためのオーバーコート膜の除去することによって、反射領域のセルギャップが増加する場合に適用される。すなわち、オーバーコート膜の使用によるラビングにより、しみの発生を防ぐと同時に、二重電圧モード方式を適用して、色再現性など表示品質を向上させた発明である。

本発明の第１実施例による液晶表示装置の断面図である。 本発明の第１実施例によるカラーフィルター基板の製造方法を示した断面図である。 本発明の第１実施例によるカラーフィルター基板の製造方法を示した断面図である。 本発明の第１実施例によるカラーフィルター基板の製造方法を示した断面図である。 本発明の第１実施例によるカラーフィルター基板の製造方法を示した断面図である。 本発明の第１実施例による液晶表示装置の駆動を示す概念図である。 従来の液晶表示装置と第１実施例による液晶表示装置のデータ電圧にともなう反射率を示すグラフィックである。 従来の液晶表示装置と第１実施例による液晶表示装置のデータ電圧にともなう反射率を示すグラフィックである。 本発明の第２実施例による液晶表示装置の断面図である。

符号の説明

３ 液晶パネル
５ バックライトユニット
１０ 薄膜トランジスター基板
１１ 第１基板素材
２０ 薄膜トランジスター
２１ ゲート電極
２２ ゲート絶縁膜
２３ 半導体層
２４ オーミック接触層
２５ ソース電極
２６ ドレーン電極
３１ 保護膜
３２ 画素電極
３３ 反射膜
３４ 第１偏光板
４１ 液晶層
５０ カラーフィルター基板
５１ 第２基板素材
６１ カラーフィルター層
６２ ブラックマトリックス
６３ 共通電極
６４ 配向膜
６５ 第２偏光板
７０ マスク
８１ データドライバー
８２ ゲートドライバー
８３ ガンマ電圧発生部
８５ ゲート線
８６ データ線

Claims (6)

1. 液晶パネルと、
   前記液晶パネルに光を照射するバックライトユニットと、
   前記液晶パネルのデータ線にデータ電圧を印加するためのデータドライバーを含む反射−透過型液晶表示装置において、
   前記液晶パネルは、
   前記バックライトユニットからの光を透過する透過領域と外部からの光を反射する反射領域が形成されている薄膜トランジスター基板と、
   前記反射領域に対応する領域に、第１部分と前記第１部分よりも厚みが薄い第２部分とを含む段差が形成されているカラーフィルター層を含むカラーフィルター基板と、
   前記薄膜トランジスター基板と前記カラーフィルター基板の間に位置して前記カラーフィルター層の段差により厚さが変化する液晶層と、
   を含み、前記データドライバーは、前記バックライトユニットがオンした時の透過電圧モードと前記バックライトユニットがオフした時の反射電圧モードに分けて、データ電圧を印加し、
   前記反射電圧モードで印加されるデータ電圧の最高電圧は、最も反射率を高くする第１ 最高電圧に対して５％以内の範囲であり、かつ、反射領域の全てでセルギャップが概ね均 一である場合において最も反射率を高くするデータ電圧の最高電圧である第２最高電圧よ りも低く設定されていることを特徴とする反射−透過型液晶表示装置。
2. 前記カラーフィルター基板は、
   カラーフィルター基板素材と、
   前記カラーフィルター基板素材上に形成されている前記カラーフィルター層と、
   前記カラーフィルター層の上部に順次形成されている共通電極層と配向膜と、
   を含み、前記共通電極層と前記配向膜は、前記カラーフィルター層の段差に対応する形状を持つことを特徴とする請求項１に記載の反射−透過型液晶表示装置。
3. 前記反射電圧モードにおいて、前記データ電圧の最高電圧は、
   前記データ電圧の変化に伴なう反射率を測定して決定することを特徴とする請求項１に記載の反射−透過型液晶表示装置。
4. 前記最高電圧は、
   最も高い反射率値を表すデータ電圧の±５％範囲であることを特徴とする請求項３に記載の反射−透過型液晶表示装置。
5. 前記データ電圧に付加されて、ガンマ特性を調節するガンマ電圧は、前記最高電圧を調整することを特徴とする請求項３に記載の反射−透過型液晶表示装置。
6. 前記液晶層は、ＶＡモードであることを特徴とする請求項１に記載の反射−透過型液晶表示装置。

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