JP4982189B2 - カラーフィルター基板及びこれを備えた液晶表示パネル - Google Patents

カラーフィルター基板及びこれを備えた液晶表示パネル Download PDF

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Description

本発明はカラーフィルター基板及びこれを備えた液晶表示パネルに係り、さらに詳しくは、導電性カラムスペーサーを有するカラーフィルター基板及びこれを備えた液晶表示パネルに関する。
液晶表示装置は、従来のCRT(Cathode Ray Tube)と比較して小型・軽量化及び大画面化が可能であるという長所を有することから、その開発が活発になされている。また、この種の液晶表示装置は、ノート型パソコンだけではなく、デスクトップ型パソコンのモニター、大型表示装置及び移動通信端末のディスプレイ装置にも用いられており、その使用範囲が急速に広がってきている。かかる液晶表示装置は、マトリックス状に配列された複数の制御用のスイッチに印加される映像信号に基づいて光の透過量が調節されて、液晶表示装置のパネルに所望の画像を表示する。
図1は、通常の液晶表示装置の単位画素の等価回路図である。前記液晶表示装置の単位画素は、スイッチ素子である薄膜トランジスター(TFT)13、液晶に電圧を印加する画素電極14、及び液晶電圧を1フレーム周期中に一定に維持するためのストレージキャパシターCを備える。
順次に選択されたゲート線11にゲート駆動電圧が印加されると、ゲート線11に接続されたTFT13がターンオンさせる。このとき、データ線12を介して供給されるデータ電圧VがTFTを通じて液晶セルキャパシターClcとストレージキャパシターCを充電させながら、画素電極14にデータ電圧Vdが印加され、次のフレームにおいてリフレッシュされるまで画素電極はデータ電圧を維持する。
図2Aは、従来の技術によるカラーフィルター基板の概略断面図であり、図2Bは、従来の技術による液晶表示装置の概略断面図である。
前記図2Aを参照すると、透明な絶縁基板21の上にブラックマトリックス22が形成される。前記ブラックマトリックス22の上に赤色R、青色B及び緑色Gのカラーフィルター23が形成され、その上部に平坦化層24が形成されている。前記平坦化層24の上に共通電極25が形成され、前記共通電極25の上に液晶のセルギャップを一定に維持するためのカラムスペーサー26が所定の間隔を隔てて形成されている。
前記図2Bは、前記図2Aに示すカラーフィルター基板と薄膜トランジスター基板が組み合わせられた液晶表示装置の概略断面図である。
前記薄膜トランジスター基板には薄膜トランジスター、ストレージ電極及び画素電極が形成され、前記カラーフィルター基板と薄膜トランジスター基板との間には前記カラムスペーサー26が配置されて、一定の液晶のセルギャップを維持する。
一方、カラーフィルター基板に印加される電圧(以下、「共通電圧」)は、通常、薄膜トランジスター基板のエッジ部に形成されたセルスペーサを介して共通電極に印加される。そして、薄膜トランジスター基板のストレージ電極に印加される電圧(以下、「ストレージキャパシター電圧」)も同様に、薄膜トランジスター基板の左右側においてストレージ電極に接続されたストレージ電極線を介して印加される。このように、共通電圧及びストレージキャパシター電圧は基板の周縁部から印加されるため、基板のエッジ部と中央部において前記共通電圧とストレージキャパシター電圧のバラツキが発生し、これにより、緑がかり(greenish)、フリッカー、及び水平信号歪みなどの問題点が発生する。
図3Aは、従来の技術による液晶表示装置の単位画素の反転駆動を示すディスプレイ表示例であり、図3Bは、液晶表示装置の中央部の緑がかりを示すディスプレイ表示例である。
前記図3Aには、2本のゲート線を選択する度に極性を反転させる2×1反転駆動が示してあり、前記図3Bには、このような2×1反転駆動により駆動された液晶表示装置における中央部の緑がかりが示してある。このような中央部の緑がかりは、基板の中央部における共通電圧とストレージキャパシター電圧のバラツキが大きいことに起因する。
米国特許第5,966,190号明細書
本発明は上述の如き従来の問題点を克服するためのものであり、その技術的な課題は、基板の上における共通電圧のバラツキ及びストレージキャパシター電圧のバラツキを極力抑えると共に、基板の中央部における共通電圧とストレージキャパシター電圧のバラツキを極力抑えるための導電性カラムスペーサーを有するカラーフィルター基板及びこれを備えた液晶表示パネルを提供するところにある。
前記本発明の目的を達成するために、本発明の側面によれば、第1の導電性カラムスペーサーを備える第1の基板と、前記第1の基板と対向する第2の基板と、前記第1の基板と第2の基板との間に注入された液晶と、を備え、前記第1の導電性カラムスペーサーは、前記第1の基板の表示領域内に配置されており、前記第2の基板は、透明な絶縁基板と、前記透明な絶縁基板の上に配置された複数のストレージ電極と、前記ストレージ電極の上に配置されていると共に、前記ストレージ電極の一部を露出させるコンタクトホールを有する絶縁膜と、前記コンタクトホールの上に配置されていると共に、隣設するストレージ電極同士を接続するためのコンタクトと、を備え、前記第1の導電性カラムスペーサーは、前記コンタクトと接触することを特徴とする液晶表示パネル。
本発明によれば、カラーフィルター基板の上に導電性を有するようにしたカラムスペーサーを形成し、このような導電性のカラムスペーサーを用いて共通電極とストレージ電極を電気的に接続することにより、基板の上における共通電圧のバラツキ及びストレージキャパシター電圧のバラツキを極力抑え、また、基板の中央部における共通電圧とストレージキャパシター電圧のバラツキを極力抑えることが可能になる。その結果、緑がかり、フリッカー及び水平信号歪みを改善することができる。
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
なお、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の上部または上にあると表現される場合には、各部分が他の部分の直ぐ上部または直ぐ上にある場合だけではなく、各部と他の部分との間にさらに他の部分が介在される場合も含む。
図4Aから図4Eは、本発明の一実施形態によるカラーフィルター基板の製造工程断面図である。
前記図4Aを参照すると、まず、基板110の上にブラックマトリックス120を形成する(図4A)。このとき、前記基板としては、透明な絶縁基板、通常、ガラス基板を用い、前記ブラックマトリックスは、クロムなどの金属薄膜やカーボン系の有機材料を用いて形成する。また、ブラックマトリックス120は各画素の境界付近に設けられてカラーフィルターを別々に分離すると共に、薄膜トランジスター基板の画素電極が制御できない領域の液晶セルを通って出射される光を遮断して液晶表示装置のコントラスト比を高める。
前記図4Bを参照すると、前記ブラックマトリックス120が形成された基板110の上に複数のカラーフィルター130、例えば、赤色R、青色B及び緑色Gのカラーフィルターが形成される。
かかるカラーフィルター130を形成する過程を説明すると、基板の上に赤色成分の顔料が分散されたネガティブのカラーフォトレジストを塗布した後、マスクを用いて露光を行う。このとき、マスクは、赤色カラーフィルターが形成されるべき領域を開放した後、これらの領域を露光させる。その後、現像液を用いてネガティブのカラーフォトレジストを現像すると、露光された領域の光重合開始剤が反応してポリマーが形成されるため、現像時に除去されずにパターンとして残留し、残りの未露光領域だけが除去される。その結果、基板の上には赤色カラーフィルターが形成され、これらの過程を繰り返し行うと、青色カラーフィルター及び緑色カラーフィルターが形成される。
前記図4Cを参照すると、前記複数のカラーフィルター130の上に平坦化層140が形成される。前記平坦化層140は、以下の共通電極の形成時に良好なステップカバレージを得るために形成され、アクリル樹脂などをカラーフィルターの上に塗布して形成することができる。
前記図4Dを参照すると、前記平坦化層140の上に一定の液晶のセルギャップを維持するためのカラムスペーサー150(第1のカラムスペーサー)が形成される。すなわち、カラムスペーサー150は、カラーフィルター基板に対向して設けられる薄膜トランジスター基板と間で一定の間隔(これを液晶のセルギャップをいう)を維持するための役割を果たす。
前記カラムスペーサー150は、前記ブラックマトリックス120領域に対応するカラーフィルター基板の上に一定の間隔を隔てて配置される。また、前記カラムスペーサー150の形状は、図示するようにその断面が台形で、その側壁がストレートな形状となっている。もちろんそのほかの断面四角形状などであってもよいし、側壁が階段状に形成されてもよい。
また、本発明の実施形態によれば、前記カラムスペーサー150は、液晶表示パネルの表示領域内に一定の間隔を隔てて形成されることが好ましい。ここで、前記液晶表示パネルの表示領域は、液晶表示パネルの駆動時に画面がディスプレイされる領域のことであり、以下、同様である。
かかるカラムスペーサー150を形成する過程を説明すると、前記平坦化層140の上にカラムスペーサーの形成のための有機絶縁膜を塗布した後、カラムスペーサーの形成のためにマスクを用いてフォトリソグラフィ工程を行うことによりカラムスペーサー150を形成する。
図4Eを参照すると、前記平坦化層140及びカラムスペーサー150の全面に共通電極160としての透明伝導層がスパッタリングなどの方法により形成される。このとき、前記共通電極160は、インジウム錫酸化物(ITO)またはインジウム亜鉛酸化物(IZO)から形成する。
このようなカラーフィルター基板の製造工程により、カラムスペーサー150の上に共通電極160が形成されるため、共通電極160を有するカラムスペーサー150は導電性を有することになる。
図5は、本発明の他の実施形態によるカラーフィルター基板の断面図である。
前記図5を参照すると、前記カラーフィルター基板は、透明な絶縁基板110、ブラックマトリックス120、複数のカラーフィルター130、平坦化層140、カラムスペーサー155(第1のカラムスペーサー)及び共通電極160を備える。
前記透明な絶縁基板110、例えば、ガラス基板の上にブラックマトリックス120が形成される。前記ブラックマトリックス120が形成された基板110の上に複数のカラーフィルター130、例えば、赤色R、青色B及び緑色Gのカラーフィルターが形成される。そして、前記複数のカラーフィルター130の上に平坦化層140が形成され、前記平坦化層140の全面に共通電極160としての透明伝導層がスパッタリングなどの方法により形成される。このとき、前記共通電極160は、インジウム錫酸化物(ITO)またはインジウム亜鉛酸化物(IZO)から形成する。
前記共通電極160の上に一定の液晶のセルギャップを維持するためのカラムスペーサー155が形成されるが、このとき、前記カラムスペーサー155は導電性材料により形成することで導電性を有するようにしている。
前記カラムスペーサー155は、前記ブラックマトリックス120領域に対応するカラーフィルター基板の上に一定の間隔を隔てて配置される。本発明の実施形態によれば、前記カラムスペーサー155は、液晶表示パネルの表示領域内に一定の間隔を隔てて形成されることが好ましい。
図6Aは、本発明による液晶表示パネルの薄膜トランジスター基板の概略平面図であり、図6B及び図6Cは、図6Aに示す液晶表示パネルのA−A’線概略矢視図である。
前記図6Aを参照すると、薄膜トランジスター基板は、透明な絶縁基板の上にゲート信号を伝え、第1の方向に延在すると共に、所定の間隔を隔てて配列された複数のゲート線220と、前記ゲート線220と絶縁されるように前記ゲート線220と交差して形成される複数のデータ線270と、前記ゲート線220とデータ線270により限定された画素領域に形成された画素電極290と、前記画素電極に接続されてゲート線220とデータ線270との交差点にマトリックス状に形成された複数の薄膜トランジスターと、前記ゲート線220に平行に延在するストレージ電極線230と、前記ストレージ電極線230に接続されて画素領域の内部に延在し、前記画素電極と重なり合うストレージ電極233と、を備える。
また、前記薄膜トランジスター基板は、前記ストレージ電極230と前記カラムスペーサー150、155を電気的に接続するためのコンタクト295を備える。前記コンタクト295は、画素の境界に形成されて隣設するストレージ電極を電気的に接続することができる。
前記ゲート線220は横方向に配置され、前記ゲート線220の一部が突出してゲート電極223が形成される。前記データ線270は縦方向に配置され、前記データ線270の一部が突出してソース電極273が形成される。前記薄膜トランジスターは、ゲート線220に供給される信号に応答して、データ線270から印加される画素信号であるデータ電圧を画素電極290に充電させる。前記薄膜トランジスターは、ゲート線220に接続されたゲート電極223と、データ線270に接続されたソース電極273と、画素電極290に接続されたドレイン電極275と、を備える。
前記図6Bを参照すると、前記薄膜トランジスター基板は、透明な絶縁基板210、ゲート線220、ストレージ電極233、ストレージ電極線230、ゲート絶縁膜240及びコンタクト295を備える。
そして、前記薄膜トランジスター基板と対向するように配置されたカラーフィルター基板は、前述した図4Eに示されたカラーフィルター基板である。すなわち、カラーフィルター基板は、透明な絶縁基板110、ブラックマトリックス120、複数のカラーフィルター130、平坦化層140、導電性を有するようにされたカラムスペーサー150、及び共通電極160を備える。
前記薄膜トランジスター基板の透明な絶縁基板210の上には、ゲート線220及び前記ゲート線220と所定の間隔を隔ててストレージ電極233またはストレージ電極線230が形成され、その上部にゲート絶縁膜240が形成される。前記ストレージ電極233またはストレージ電極線230の一部にはコンタクトホールが形成され、前記コンタクトホールが形成されたゲート絶縁膜の上にコンタクト295が形成されて、隣設するストレージ電極233またはストレージ電極線230を電気的に接続する。
一方、前記カラーフィルター基板の前記カラムスペーサー150は、前記コンタクト295と接触して配置されることにより、前記共通電極160と前記ストレージ電極233を電気的に接続する。また、前記カラムスペーサー150は、基板の表示領域内に所定の間隔を隔てて形成される。
このため、前記カラムスペーサー150とコンタクトを介してカラーフィルター基板の共通電極と薄膜トランジスター基板のストレージ電極が互いに電気的に接続されるため、基板の表示領域の全面に亘って略同じ共通電圧とストレージキャパシター電圧(すなわち、ストレージ電極とストレージ電極線に印加される電圧)が印加される。その結果、基板上の共通電圧のバラツキ及びストレージキャパシター電圧のバラツキはもちろん、基板の中央部における共通電圧とストレージキャパシター電圧のバラツキを極力抑えることが可能になる。結果として、共通電圧とストレージキャパシター電圧のバラツキにより発生する基板の中央部における緑がかりはもちろん、電圧のバラツキに起因する他の問題点、例えば、フリッカー及び水平信号歪みなどを改善することが可能になる。
前記図6Cに示す液晶表示パネルは、前記図6Bに示す液晶表示パネルとは、カラーフィルター基板のカラムスペーサー155だけが異なり、残りの構成要素はほとんど同じである。すなわち、図6Cに示す液晶表示パネルは、前述した図5に示されたカラーフィルター基板を用いたものである。その作用効果は、前記した図6Bに示された液晶表示パネルと同じである。
図7A及び図7Bは、従来の技術及び本発明によるカラーフィルター基板の共通電圧と薄膜トランジスター基板のストレージキャパシター電圧の分布をそれぞれ示す図面である。
前記図7Aは、従来の技術によるカラーフィルター基板の共通電極に印加される共通電圧の分布Aと薄膜トランジスター基板のストレージ電極に印加されるストレージキャパシター電圧の分布Bを示し、前記図7Bは、本発明によるカラーフィルター基板の共通電極に印加される共通電圧の分布A’と薄膜トランジスター基板のストレージ電極に印加されるストレージキャパシター電圧の分布B’を示している。
前記図7Aを参照すると、AとBのバラツキが極めて大きく、特に、それは中央部において一層激しくなることが分かる。これに対し、前記図7Bを参照すると、A’とB’のバラツキがほとんどなく、中央部においてもバラツキがほとんどないことが分かる。
図8Aは、従来の技術によるセルスペーサを有する液晶表示パネルの概略断面図であり、図8Bは、本発明による液晶表示パネルの概略断面図である。
前記図8Aを参照すると、前記液晶表示パネルは、薄膜トランジスター基板30、前記薄膜トランジスター基板30の一端に形成された共通電圧印加端子60、カラーフィルター基板20、前記カラーフィルター基板20の上に形成された共通電極25、前記薄膜トランジスター基板とカラーフィルター基板を貼り合わせるためのシールパターン40、前記液晶表示装置のセルギャップを維持するために前記薄膜トランジスター基板30とカラーフィルター基板20との間に配置されたスペーサー80、及び前記共通電圧印加端子60と共通電極25を電気的に接続するセルスペーサ50を備える。前記セルスペーサ50は、前記共通電極25に電圧を印加するための共通電圧印加端子60とカラーフィルター基板20の共通電極25とを電気的に接続して、前記薄膜トランジスター基板30を介して前記カラーフィルター基板20の共通電極25に電圧を印加可能にする。
一方、本発明によるカラムスペーサーを備えると、セルスペーサを形成するための工程を省くことができるため、材料コストを節減することが可能になる。以下、図8Bに基づき、カラムスペーサー157(第2のカラムスペーサー)を用いたカラーフィルター基板の共通電極に共通電圧を印加する液晶表示パネルを説明する。
前記図8Bを参照すると、前記液晶表示パネルのカラーフィルター基板は、透明な絶縁基板110の上に形成されたブラックマトリックス120、前記ブラックマトリックスの上に形成された複数のカラーフィルター130、前記複数のカラーフィルターの上に形成された平坦化層140、前記平坦化層140の上に形成されたカラムスペーサー157及び前記平坦化層140とカラムスペーサー157の上に形成された共通電極160を備える。このとき、前記カラムスペーサー157は前記基板の周縁部に形成され、好ましくは、基板の非表示領域に形成される。ここで、基板の非表示領域は、液晶表示パネルの駆動時に画面がディスプレイされない領域を意味し、以下、同様である。
前記カラムスペーサー157の形成は、前述したカラムスペーサー150と形成領域が異なるのみで同じように形成することができる。また、図示していないが、前記カラムスペーサー157は、前述したカラムスペーサー155と同様形態に、カラムスペーサー157自体が導電性材料を含むようにして形成してもよい。
前記薄膜トランジスター基板には、液晶に信号電圧を印加・遮断するスイッチング素子である薄膜トランジスターと、画素電極(図示せず)と、前記画素電極に印加された信号電圧を一定時間以上に維持するストレージキャパシター(図示せず)と、が形成され、シールパターン400は前記基板の周辺部に形成されて、前記カラーフィルター基板と薄膜トランジスター基板を貼り合わせる。前記薄膜トランジスターは、ゲート電極を有するゲート線220、ゲート絶縁膜240、活性層250、オーミック接触層260、ソース/ドレイン電極270及び絶縁膜280を備える。
前記薄膜トランジスター基板の周辺部には前記共通電極160に電圧を印加するための共通電圧印加端子235が形成され、前記共通電圧印加端子235と前記カラムスペーサー157は、コンタクト297を介して電気的に接続される。このとき、前記カラムスペーサー157は、前記共通電圧印加端子235と直接的に接続されてもよい。その結果、別途のセルスペーサを形成することなく、カラムスペーサー157を用いて共通電極160に共通電圧を印加することが可能になる。
なお、図8Bにおいては非表示領域にカラムスペーサー157を用いた例を説明したが、これに加えて表示領域内にはカラムスペーサー150または155を設けるようにしてもよい。
以上、本発明によるカラーフィルター基板及びこれを備えた液晶表示パネルについて説明したが、これは単なる例示的なものに過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、特許請求の範囲において請求するように、本発明の要旨を逸脱することなく、この技術分野における通常の知識を持った者であれば誰でも種々の変更実施が行える範囲まで本発明の技術的な精神があると言えるであろう。
通常の液晶表示装置の単位画素の等価回路図である。 従来の技術によるカラーフィルター基板の概略断面図である。 従来の技術による液晶表示装置の概略断面図である。 従来の技術による液晶表示装置の単位画素の反転駆動を示すディスプレイ表示例の図面代用写真である。 従来の技術による液晶表示装置の中央部の緑がかりを示すディスプレイ表示例の図面代用写真である。 本発明の一実施形態によるカラーフィルター基板の製造工程断面図である。 図4Aに続く本発明の一実施形態によるカラーフィルター基板の製造工程断面図である。 図4Bに続く本発明の一実施形態によるカラーフィルター基板の製造工程断面図である。 図4Cに続く本発明の一実施形態によるカラーフィルター基板の製造工程断面図である。 図4Dに続く本発明の一実施形態によるカラーフィルター基板の製造工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるカラーフィルター基板の断面図である。 本発明による液晶表示パネルの薄膜トランジスター基板の概略平面図である。 図6AのA−A’線概略矢視図である。 図6AのA−A’線概略矢視図である。 従来の技術及び本発明によるカラーフィルター基板の共通電圧と薄膜トランジスター基板のストレージキャパシター電圧の分布を示す図である。 本発明によるカラーフィルター基板の共通電圧と薄膜トランジスター基板のストレージキャパシター電圧の分布を示す図である。 従来の技術によるセルスペーサを有する液晶表示パネルの概略断面図である。 本発明による液晶表示パネルの概略断面図である。
符号の説明
110、210:透明な絶縁基板
120:ブラックマトリックス
130:カラーフィルター
140:平坦化層
150、155、157:カラムスペーサー
160:共通電極
220:ゲート線
230:ストレージ電極線
233:ストレージ電極
295:コンタクト

Claims (6)

  1. 第1の導電性カラムスペーサーを備える第1の基板と、
    前記第1の基板と対向する第2の基板と、
    前記第1の基板と第2の基板との間に注入された液晶と、を備え、
    前記第1の導電性カラムスペーサーは、前記第1の基板の表示領域内に配置されており、
    前記第2の基板は、
    透明な絶縁基板と、
    前記透明な絶縁基板の上に配置された複数のストレージ電極と、
    前記ストレージ電極の上に配置されていると共に、前記ストレージ電極の一部を露出させるコンタクトホールを有する絶縁膜と、
    前記コンタクトホールの上に配置されていると共に、隣設するストレージ電極同士を接続するためのコンタクトと、を備え、
    前記第1の導電性カラムスペーサーは、前記コンタクトと接触することを特徴とする液晶表示パネル。
  2. 前記第1の基板は、
    透明な絶縁基板と、
    前記透明な絶縁基板の上に配置されたブラックマトリックスと、
    前記透明な絶縁基板及び前記ブラックマトリックスの上に配置された複数のカラーフィルターと、
    前記複数のカラーフィルターの上に配置された平坦化層と、
    前記平坦化層の上に配置された共通電極と、を備え、
    前記共通電極は前記第1の導電性カラムスペーサーと前記平坦化層との間に配置され、前記第1の導電性カラムスペーサーは導電性材料を含むと共に、液晶のセルギャップを維持するために前記共通電極の上に配置されていることを特徴とする請求項に記載の液晶表示パネル。
  3. 前記第1の導電性カラムスペーサーは、前記ブラックマトリックスに対応する領域内に配置されていることを特徴とする請求項に記載の液晶表示パネル。
  4. 前記第1の基板は第2の導電性カラムスペーサーをさらに備え、前記第2の導電性カラムスペーサーは前記第1の基板の非表示領域内に配置されていることを特徴とする請求項またはに記載の液晶表示パネル。
  5. 前記第2の基板は、前記第1の基板の共通電極に電圧を印加するための共通電圧印加端子をさらに備えることを特徴とする請求項に記載の液晶表示パネル。
  6. 前記共通電圧印加端子は、前記第2の基板の周縁部に配置されていると共に、前記第2の導電性カラムスペーサーと電気的に接続されていることを特徴とする請求項に記載の液晶表示パネル。
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