JP4752266B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

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Description

この発明は、薄膜トランジスタ(以下、TFTと記す)をアクティブ素子とした垂直配向型のアクティブマトリックス液晶表示素子に関する。
垂直配向型のアクティブマトリックス液晶表示素子は、予め定めた間隙を存して対向する一対の基板と、前記一対の基板の互いに対向する内面のうち、一方の基板の内面に設けられ、行方向及び列方向にマトリックス状に配列する複数の画素電極と、前記一方の基板の内面に前記複数の画素電極にそれぞれ対応させて設けられ、対応する画素電極にそれぞれ接続された複数の薄膜トランジスタと、前記一方の基板の内面に各画素電極行の一側及び各画素電極列の一側にそれぞれ沿わせて設けられ、その行及び列の前記薄膜トランジスタにゲート信号及びデータ信号を供給する複数のゲート配線及びデータ配線と、他方の基板の内面に形成され、前記複数の画素電極とそれぞれ対向する領域により複数の画素を形成する対向電極と、前記前側基板と後側基板の内面にそれぞれ前記電極を覆って設けられた垂直配向膜と、前記前側基板と後側基板との間の間隙に封入された負の誘電異方性を有する液晶層とからなっている(特許文献1参照)。
特許第2565639号公報
垂直配向型の液晶表示素子は、複数の画素電極と対向電極とが互いに対向する領域からなる複数の画素毎に、前記電極間への電圧の印加により液晶分子を垂直配向状態から倒れ配向させて画像を表示するものであり、各画素の液晶分子は、前記電圧の印加により、画素の周縁部から画素中心に向かって倒れ込むように配向する。
ところで、液晶表示素子は、高精細化のために、複数の画素電極を細長形状に形成し、画素密度を高くすることが望まれている。
しかし、従来の垂直配向型液晶表示素子は、画素電極を細長形状に形成すると、電圧の印加による液晶分子の倒れ配向が不安定になり、各画素の液晶分子の倒れ配向状態がばらついて、表示にざらつき感を生じる。
この発明は、画素電極を細長形状に形成して高精細化をはかるとともに、各画素の液晶分子を電圧の印加により安定に倒れ配向させ、ざらつき感の無い良好な品質の画像を表示し、しかも充分な開口率を得ることができる垂直配向型のアクティブマトリックス液晶表示素子を提供することを目的としたものである。
この発明の液晶表示素子は、画素電極が第1の基板に設けられ、対向電極が第2の基板に設けられ、前記画素電極と前記対向電極との間に、誘電率異方性が負の液晶からなる液晶層が設けられ、データ配線とゲート配線の交差部に対応するように画素毎に前記画素電極が配置され、前記対向電極と等しい電位に設定される補助電極が前記液晶層との間に前記画素電極が部分的に介在するように前記第1の基板に設けられている液晶表示素子であって、前記第2の基板は、前記対向電極上に該対向電極表面から前記画素電極に向かって突出するドット状の突起が複数設けられ、前記画素電極は、前記データ配線に沿う方向に1列となるように配列された複数の電極部と、前記各電極部を電気的に接続する接続部と、を有し、前記画素毎に、前記突起と前記接続部とが1列に並ぶように配置されているとともに、前記突起は1つ前記電極部に対して1つが対応するように前記電極部の中心に重なる位置に設けられ、前記画素電極は、前記各電極部の少なくとも1つが矩形形状に形成されているとともに、前記矩形形状に形成された電極部の4つの角部が顕在するように前記接続部によって前記各電極部が電気的に接続され、前記補助電極は、隣接する2つの前記電極部間の間隙としてのスリットを塞ぐように且つ前記接続部の中心に重なる位置を避けるように且つ前記4つの角部に重なるようにして前記画素電極を囲む形状に形成されていることを特徴とする。
この液晶表示素子において、前記液晶層は、前記画素電極と前記対向電極との間に所定の電圧が印加されたときに、前記電極部が形成されている領域に放射状配向の中心位置が存在するように前記液晶が放射状に配向することが好ましい。
この液晶表示素子において、前記液晶層は、前記画素電極と前記対向電極との間に所定の電圧が印加されたときに、前記対向電極が形成されている領域に放射状配向の中心位置が存在するように前記液晶が放射状に配向することが好ましい。
この液晶表示素子において、前記液晶層との間に前記画素電極が介在するように前記第1の基板に設けられ、前記対向電極と等しい電位に設定される補助電極を有し、前記補助電極は、前記画素電極を囲む形状に形成されていることが好ましい。
この液晶表示素子において、前記突起は誘電体からなることが好ましい。
この発明によれば、画素電極を細長形状に形成して高精細化をはかるとともに、各画素の液晶分子を電圧の印加により安定に倒れ配向させ、ざらつき感の無い良好な品質の画像を表示し、しかも充分な開口率を得ることができる。
図1〜図6はこの発明の一実施例を示しており、図1は液晶表示素子の一方の基板の一部分の平面図、図2及び図3は図1のII−II線及びIII−III線に沿う液晶表示素子の断面図である。
この液晶表示素子は、TFTをアクティブ素子とした垂直配向型のアクティブマトリックス液晶表示素子であり、図1〜図3に示したように、予め定めた間隙を存して対向する一対の透明基板1,2と、前記一対の基板1,2の互いに対向する内面のうち、一方の基板、例えば表示の観察側とは反対側の基板(以下、後基板という)1の内面に設けられ、行方向(図1において左右方向)及び列方向(図1において上下方向)にマトリックス状に配列する複数の透明な画素電極3と、前記後基板1の内面に前記複数の画素電極3にそれぞれ対応させて設けられ、対応する画素電極3にそれぞれ接続された複数のTFT5と、前記後基板1の内面に各画素電極行の一側及び各画素電極列の一側にそれぞれ沿わせて設けられ、その行及び列の前記TFT5にゲート信号及びデータ信号を供給する複数のゲート配線11及びデータ配線12と、他方の基板、つまり観察側の基板(以下、前基板という)2の内面に形成され、前記複数の画素電極3とそれぞれ対向する領域により複数の画素を形成する透明な対向電極16と、前記一対の基板1,2の内面にそれぞれ前記電極3,16を覆って設けられた垂直配向膜15,20と、前記一対の基板1,2間の間隙に封入された負の誘電異方性を有する液晶層21とからなっている。
前記複数のTFT5は、前記後基板1の基板面に形成されたゲート電極6と、前記ゲート電極6を覆って前記画素電極3の配列領域の全域に形成された透明なゲート絶縁膜7と、前記ゲート絶縁膜7の上に前記ゲート電極6と対向させて形成されたi型半導体膜8と、前記i型半導体膜8の一側部と他側部の上に図示しないn型半導体膜を介して形成されたドレイン電極9及びソース電極10とからなっている。
なお、前記ゲート配線11は、前記後基板1の基板面に前記TFT5のゲート電極6と一体に形成されており、前記データ配線12は、前記ゲート絶縁膜7の上に前記TFT5のドレイン電極9と一体に形成されている。
また、前記複数の画素電極3は、前記ゲート絶縁膜7の上に、列方向(データ配線12に沿った方向)に長い細長形状に形成されており、前記TFT5は、前記細長形状の画素電極3の長手方向の一方の端側の一側部に対応させて設けられ、そのソース電極10を前記画素電極3の端縁部に接続されている。
そして、前記複数の画素電極3にはそれぞれ、前記画素電極3をその長手方向に並ぶ複数の電極部に区分するスリット4が設けられている。
この実施例では、前記画素電極3をその電極幅が電極長さの約1/3の細長形状に形成し、その長さを実質的に3等分する2箇所にそれぞれ行方向に沿うスリット4を設けて、画素電極3を、実質的に正方形の形状を有する3つの電極部3a,3b,3cを形成している。
また、この実施例では、前記スリット4を、画素電極3の幅方向の中間部を避けてその両側にスリット端を画素電極3の両側縁に開放させて設け、前記幅方向の中間部に、各電極部3a,3b,3cのつながり部4aを形成している。
さらに、前記後基板1の内面には、この後基板1の基板面と前記画素電極3の形成面との間に、前記複数の画素電極3の前記スリット4に対応させて、前記前基板2の対向電極16と対向し、前記対向電極16との間に予め定めた値の電界を形成する補助電極13が設けられている。
この実施例では、前記補助電極13を、前記画素電極3のスリット4により区分された各電極部3a,3b,3cの全ての縁部に沿わせて設けている。なお、図1では、図を見やすくするために、前記補助電極13に対応する部分に平行斜線を施している。
前記補助電極13は、前記画素電極3との間に補償容量を形成する容量電極を兼ねている。
すなわち、前記補助電極13は、前記後基板1の基板面に、前記画素電極3のTFT接続部を除く周縁部と前記スリット4とに対応させて、前記画素電極3の周縁部に対応する枠状部の内周縁部が前記画素電極3の周縁部に対向し、前記枠状部の外周縁部が画素電極3の外方に張出すとともに、前記スリット4とに対応する部分の両側縁部が前記画素電極3の各電極部3a,3b,3cの縁部に対向する幅に形成された金属膜からなっており、この金属膜の画素電極3に対向する部分が、前記画素電極3との間に前記ゲート絶縁膜7を誘電体層とする補償容量を形成する容量電極部とされ、前記画素電極3の外方に張出す部分及び前記スリット4内に対応する部分が、前記対向電極16との間に前記予め定めた値の電界を形成する補助電極部とされている。
前記複数の画素電極3にそれぞれ対応する補助電極13は、各画素電極行毎に、前記画素電極3のTFT接続側とは反対側において一体につながっており、さらに、各行の補助電極13は、前記複数の画素電極3の配列領域の外側の一端または両端に前記データ配線12と平行に設けられた図示しない補助電極接続配線に共通接続されている。
また、前記後基板1の内面には、前記複数の画素電極3に対応する部分を除いて、前記複数のTFT5及びデータ配線12を覆うオーバーコート絶縁膜14(図1には図示せず)が設けられており、その上に前記垂直配向膜15が形成されている。
一方、前基板2の内面には、前記後基板1の内面に設けられた複数の画素電極3と前基板2の内面に設けられた対向電極16とが互いに対向する領域からなる複数の画素の間の領域に対向する格子膜状のブラックマスク17と、各画素列にそれぞれ対応する赤、緑、青の3色のカラーフィルタ18R,18G,18Bが設けられており、前記カラーフィルタ18R,18G,18Bの上に前記対向電極16が形成されている。
さらに、この前基板2の内面には、前記後基板1の複数の画素電極3のスリット4により区分された各電極部3a,3b,3cの中心にそれぞれ対応する位置に誘電体からなる複数の突起19が設けられている。
前記複数の突起19は、前記対向電極16の上に、感光性樹脂等の誘電性材料により、例えば突出端に向かって径が小さくなる裁頭円錐状に形成されており、その上に、これらの突起19及び対向電極16を覆って垂直配向膜20が形成されている。
前記後基板1と前基板2は、前記複数の画素電極3の配列領域を囲む図示しない枠状のシール材を介して接合されている。
また、前記後基板1は、図示しないが、その行方向の一端と列方向の一端とにそれぞれ、前基板2の外方に突出する張出部を有しており、その行方向の張出部に複数のゲート側ドライバ接続端子が配列形成され、列方向の張出部に複数のデータ側ドライバ接続端子が配列形成されている。
そして、前記複数のゲート配線11は、前記行方向の張出部に導出されて前記複数のゲート側ドライバ接続端子にそれぞれ接続され、前記複数のデータ配線12は、前記列方向の張出部に導出されて前記複数のデータ側ドライバ接続端子にそれぞれ接続されており、前記補助電極接続配線は、前記行方向と列方向の張出部の一方または両方に導出され、その張出部の複数のドライバ接続端子と共に配列された対向電極端子に接続されている。
さらに、前記後基板1の内面には、前記シール材による基板接合部の角部付近から前記行方向と列方向の張出部の一方または両方に導出され、前記ドライバ接続端子と並べて配列された前記対向電極端子(補助電極接続配線が接続された端子と同じ端子でも別の端子でもよい)に接続された対向電極接続配線が設けられており、前記前基板2の内面に設けられた対向電極16は、前記基板接合部において前記対向電極接続配線に接続され、この対向電極接続配線を介して前記対向電極端子に接続されている。
すなわち、前記複数の補助電極13の電位は、前記対向電極16の電位と同じ値に設定されている。
そして、前記液晶層21は、前記後基板1と前基板2との間の前記シール材で囲まれた領域に封入されており、この液晶層21の液晶分子21aは、両基板1,2の内面にそれぞれ設けらた垂直配向膜15,20の垂直配向性により、前記突起19に対応する部分以外の領域において、基板1,2面に対して実質的に垂直に配向し、前記突起19に対応する部分においては、前基板2側の前記突起19の近傍の液晶分子21aが前記突起19の表面(裁頭円錐の頂面及び周面)に対して実質的に垂直な方向に分子長軸を向けて配向し、後基板1の近傍の液晶分子21aが前記後基板1面に対して実質的に垂直に配向した状態に配向している。
また、前記後基板1と前基板2の外面にはそれぞれ、偏光板22,23がその透過軸を予め定めた方向に向けて配置されている。なお、この実施例では、前記偏光板22,23をそれぞれの透過軸を実質的に互いに直交させて配置し、液晶表示素子にノーマリーブラックモードの表示を行なわせるようにしている。
この液晶表示素子は、複数の画素電極3を細長形状に形成しているため、画素密度を高くして高精細化をはかることができる。
そして、この液晶表示素子は、前記複数の画素電極3にそれぞれ、前記画素電極3をその長手方向に並ぶ複数の電極部3a,3b,3cに区分するスリット4を設け、前記複数の画素電極3を設けた後基板1の基板面と前記画素電極3の形成面との間に、前記複数の画素電極3の前記スリット4に対応させて、前基板2の対向電極16と対向し、前記対向電極16との間に予め定めた値の電界を形成する補助電極13を設けているため、各画素の液晶分子21aを、前記画素電極3と対向電極16との間への電圧の印加により、前記画素電極3のスリット4により区分された各電極部3a,3b,3cに対応する各領域毎に、その周縁部から前記領域の中心に向かって倒れ込むように安定に倒れ配向させ、ざらつき感の無い良好な品質の画像を表示し、しかも充分な開口率を得ることができる。
すなわち、垂直配向型の液晶表示素子は、各画素の液晶分子を電圧の印加により画素の周縁部から画素中心に向かって倒れ配向させて表示するが、高精細化のために画素電極を細長形状に形成すると、前記電圧の印加による液晶分子の倒れ配向が不安定になり、各画素の液晶分子の倒れ配向状態がばらついて、表示にざらつき感を生じる。
それに対して、上記実施例の液晶表示素子は、細長形状に形成された複数の画素電極3をそれぞれ前記スリット4により画素電極3の長手方向に並ぶ複数の電極部3a,3b,3cに区分しているため、各画素の液晶分子21aを、前記電圧の印加により、前記画素電極3のスリット4により区分された各電極部3a,3b,3cに対応する各領域毎に、その周縁部から前記領域の中心に向かって倒れ込むように安定に倒れ配向させ、ざらつき感の無い良好な品質の画像を表示することができる。
しかも、この液晶表示素子は、前記画素電極3のスリット4により区分された各電極部3a,3b,3cが、実質的に正方形の形状を有しているため、前記各電極部3a,3b,3cに対応する各領域の液晶分子21aを、前記各領域毎に、その周縁部から中心に向かってバランス良く倒れ配向させることができる。
さらに、この液晶表示素子は、対向電極16が設けられた前基板2の内面に、後基板1の複数の画素電極3のスリット4により区分された各電極部3a,3b,3cの中心にそれぞれ対応する複数の突起19を設けているため、前記各電極部3a,3b,3cに対応する各領域毎に、その周縁部から前記領域の中心に向かってより安定に倒れ配向させることができる。
図4及び図5は前記液晶表示素子の1つの画素の電圧印加時の液晶分子配向状態を模式的に示す平面図及び断面図であり、この液晶表示素子は、画素電極3と対向電極16との間に電圧を印加したときに、前記画素電極3の各電極部3a,3b,3cに対応する各領域の液晶分子21aがそれぞれ、前記突起19の近傍の分子配向により誘導され、図のように、前記突起19に向かって、つまり前記各領域の中心に向かって倒れ込むように配向するため、さらに良好な品質の画像を表示することができる。
また、この液晶表示素子は、前記複数の画素電極3のスリット4に対応させて、前基板2の対向電極16と対向し、前記対向電極16との間に予め定めた値の電界を形成する補助電極13を設けているため、前記スリット4の幅が小さくても、前記画素電極3の各電極部3a,3b,3cに対応する各領域の液晶分子21aを前記電圧の印加により安定に倒れ配向させることができる。
すなわち、図6は、画素電極3のスリット幅及び前記補助電極13の有無による電圧印加時の各電極部3a,3b,3cの境界部における液晶分子21aの倒れ配向状態を示しており、(a),(b)は、前記補助電極13が無い場合のスリット幅を大きくしたときと前記スリット幅を小さくしたときの配向状態、(c)は、画素電極3のスリット幅を小さくし、前記補助電極13を設けたときの配向状態を示している。
まず、画素電極3のスリット4の幅を大きくしたときの液晶分子21aの倒れ配向状態を説明すると、このときは、前記画素電極3の各電極部3a,3b,3cに対応する各領域毎に、電圧が印加され、図6(a)のように、各電極部3a,3bの間のスリット4に対応する部分の液晶層に電界が印加されない領域が生じ、液晶分子21aは、前記各領域毎に図に破線で示した等電位線に沿って倒れ配向する。
しかし、このように画素電極3のスリット4の幅を大きくすると、前記画素電極3のスリット4により区分された各電極部3a,3b,3cの面積が小さくなり、開口率が低下する。
一方、画素電極3のスリット4の幅を小さくすれば、充分な開口率を得ることができるが、前記補助電極13が無い場合は、前記スリット4の幅を小さくすると、前記画素電極3の各電極部3a,3b,3cに対応する各領域間の電気的な境界がはっきりしなくなり、液晶分子21aが図6(b)のように配向するため、画素電極3をスリット4により複数の電極部3a,3b,3cに区分した効果が失われ、画素全体の液晶分子21aの倒れ配向が不安定になる。
それに対し、画素電極3のスリット4に対応させて前記補助電極13を設けたときは、この補助電極13と対向電極16との間に予め定めた値の弱い電界が形成されるため、前記画素電極3のスリット4の幅が小さくても、前記画素電極3の各電極部3a,3b,3cに対応する各領域毎に、電圧が印加が形成され、図6(c)のように、液晶分子21aが、前記各領域毎に倒れ配向する。
したがって、上記実施例の液晶表示素子は、各画素の液晶分子21aを電圧の印加により安定に倒れ配向させ、ざらつき感の無い良好な品質の画像を表示し、しかも充分な開口率を得ることができる。
なお、前記画素電極3のスリット4の幅は4.0μm以下が好ましく、このようにすることにより、充分な開口率を得ることができる。
また、前記画素電極3のスリット4で区分された各電極部3a,3b,3cのつながり部4aの幅は、画素電極3の幅の13%程度以下で、且つ電気抵抗値が許容範囲を越えない寸法に設定するのが好ましく、このようにすることにより、各画素の液晶分子21aを、前記画素電極3の各電極部3a,3b,3cに対応する各領域毎に、その領域の周縁部から中心に向かって安定に倒れ配向させることができる。
さらに、この液晶表示素子は、前記補助電極13を、前記画素電極3のスリット4により区分された各電極部3a,3b,3cの全ての縁部に沿わせて設けているため、液晶分子21aを、前記画素電極3の各電極部3a,3b,3cに対応する各領域毎にさらに安定に倒れ配向させることができる。
また、この液晶表示素子は、前記補助電極13の電位を対向電極16の電位と実質的に同じ値に設定しているため、前記補助電極13と対向電極16との間を実質的に無電界状態にし、その部分の液晶分子21aを図4,5及び図6(c)のように実質的に垂直に配向させることができ、したがって、各画素の液晶分子21aを前記各領域毎にさらに安定に倒れ配向させることができる。
さらに、前記補助電極は、前記画素電極との間に補償容量を形成する容量電極と一体的に形成するのが好ましく、このようにすることにより、前記補助電極とは別に前記補償容量を形成するための電極を設ける場合に比べて液晶表示素子の製造を容易にすることができる。
なお、上記実施例では、画素電極3をその電極幅が電極長さの約1/3の細長形状に形成し、その長さを実質的に3等分する2箇所にスリット4を設けて、前記画素電極3を、その長手方向に並ぶ3つの電極部3a,3b,3cに区分しているが、前記画素電極3の幅と長さの比と、その区分数は任意でよい。
この発明の一実施例を示す液晶表示素子の一方の基板の一部分の平面図。 図1のII−II線に沿う液晶表示素子の断面図。 図1のIII−III線に沿う液晶表示素子の断面図。 前記液晶表示素子の1つの画素の電圧印加時の液晶分子配向状態の模式的に示す平面図。 前記1つの画素の電圧印加時の液晶分子配向状態を模式的に示す断面図。 画素電極のスリット幅及び補助電極の有無による電圧印加時の各電極部の境界部における液晶分子の倒れ配向状態を示す図。
符号の説明
1,2…基板、3…画素電極、3a,3b,3c…電極部、4…スリット、4a…つながり部、5…TFT、11…ゲート配線、12…データ配線、13…補助電極、15…垂直配向膜、16…対向電極、17…ブラックマスク、18R,18G,18B…カラーフィルタ、19…突起、20…垂直配向膜、21…液晶層、21a…液晶分子、22,23…偏光板。

Claims (5)

  1. 画素電極が第1の基板に設けられ、
    対向電極が第2の基板に設けられ、
    前記画素電極と前記対向電極との間に、誘電率異方性が負の液晶からなる液晶層が設けられ、
    データ配線とゲート配線の交差部に対応するように画素毎に前記画素電極が配置され、
    前記対向電極と等しい電位に設定される補助電極が前記液晶層との間に前記画素電極が部分的に介在するように前記第1の基板に設けられている液晶表示素子であって、
    前記第2の基板は、前記対向電極上に該対向電極表面から前記画素電極に向かって突出するドット状の突起が複数設けられ、
    前記画素電極は、前記データ配線に沿う方向に1列となるように配列された複数の電極部と、前記各電極部を電気的に接続する接続部と、を有し、
    前記画素毎に、前記突起と前記接続部とが1列に並ぶように配置されているとともに、前記突起は1つ前記電極部に対して1つが対応するように前記電極部の中心に重なる位置に設けられ、
    前記画素電極は、前記各電極部の少なくとも1つが矩形形状に形成されているとともに、前記矩形形状に形成された電極部の4つの角部が顕在するように前記接続部によって前記各電極部が電気的に接続され、
    前記補助電極は、隣接する2つの前記電極部間の間隙としてのスリットを塞ぐように且つ前記接続部の中心に重なる位置を避けるように且つ前記4つの角部に重なるようにして前記画素電極を囲む形状に形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
  2. 前記液晶層は、前記画素電極と前記対向電極との間に所定の電圧が印加されたときに、前記電極部が形成されている領域に放射状配向の中心位置が存在するように前記液晶が放射状に配向することを特徴とする請求項1に記載の液晶表示素子。
  3. 前記液晶層は、前記画素電極と前記対向電極との間に所定の電圧が印加されたときに、前記対向電極が形成されている領域に放射状配向の中心位置が存在するように前記液晶が放射状に配向することを特徴とする請求項2に記載の液晶表示素子。
  4. 前記補助電極は、薄膜トランジスタと前記画素電極とを接続する接続部を避けるようにして前記画素電極を囲む形状に形成されていることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の液晶表示素子。
  5. 前記突起は誘電体からなることを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の液晶表示素子。
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