JP5038883B2 - 液晶表示素子およびその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示素子およびその駆動方法に関し、特に電極パターンを工夫した液晶表示素子およびその駆動方法に関する。

薄膜トランジスタ（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＴＦＴ）を用いた液晶表示素子は、高画質なドットマトリクス表示が可能な液晶表示素子として知られている。その詳細については、特開２００６−２４５９２４号公報等で開示されている。

特開２００６−２４５９２４号公報

ＴＦＴを用いたドットマトリクス表示の液晶表示素子であっても、比較的解像度が低い場合、キャラクター表示を行おうとすると、曲線が滑らかに表示できず、意匠性が良く保てない。ドットのみによる文字等の表示では、少なくとも５００μｍ×５００μｍ以下、好ましくは３００μｍ×３００μｍ以下の画素サイズが求められる。現在、これ以上の画素サイズにおいても滑らかな曲線の表示を行いたい要求が存在する。

本発明の目的は、曲線の滑らかなキャラクター表示を行うドットマトリクス型の液晶表示素子を提供することである。

本発明の一観点によれば、対向する一対の基板と、前記一対の基板の一方に設けられ、表示面内に敷き詰められた多数のアクティブ素子を含む画素と、前記一対の基板の他方に設けられたコモン電極と、前記一対の基板間に挟持された液晶層とを有する液晶表示素子であって、前記画素と前記コモン電極とが前記一対の基板の対向面側に形成され、前記コモン電極は、表示パターンの輪郭の少なくとも一部を表すキャラクターパターンと、該キャラクターパターンと電気的に絶縁された反転パターンとを含み、前記画素の設けられた表示面が前記キャラクターパターンを内包する液晶表示素子が提供される。

本発明の他の観点によれば、対向する一対の基板と、前記一対の基板の一方に設けられ、表示面内に敷き詰められた多数のアクティブ素子を含む画素と、前記一対の基板の他方に設けられたコモン電極と、前記一対の基板間に挟持された液晶層と前記画素および前記コモン電極に電圧を印加する制御回路とを有し、前記画素と前記コモン電極とが前記一対の基板の対向面側に形成され、前記コモン電極は、表示パターンの輪郭の少なくとも一部を表すキャラクターパターンと、該キャラクターパターンと電気的に絶縁された反転パターンとを含み、前記画素の設けられた表示面が前記キャラクターパターンを内包する液晶表示素子の駆動方法であって、前記コモン電極を構成する前記キャラクターパターンおよび前記反転パターンが画定する領域の各々を表示させるか否かによって、該コモン電極を構成するパターンの各々とそれらと表示面内で重なる画素との間に、ＯＮ電圧またはＯＦＦ電圧を印加する液晶表示素子の駆動方法が提供される。

ドットマトリクス型の液晶表示素子において、曲線の滑らかなキャラクター表示を行うことが出来る。

図１は、液晶表示素子の概略断面図である。ここでは、ノーマリブラック型の液晶表示素子について説明する。実施例による液晶表示素子は、対向する一対の透明（例えばガラス製）基板１ａ、１ｂが液晶層２を挟持する構造である。上側基板１ａの液晶層側にコモン電極３ｃが形成され、下側基板１ｂの液晶層側にはそれぞれＴＦＴを備えた画素（構造）３ｔが形成される。電極３ｃ、３ｔをそれぞれ覆うように、機能性材料膜（配向膜、絶縁膜）４ａ、４ｂが形成される。ガラス基板１ａ、１ｂの液晶層と反対側に偏光板５ａ、５ｂが形成される。コモン電極３ｃとガラス基板１ａとの間もしくはコモン電極３ｃと機能性材料膜４ａとの間に、ブラックマスクＢＭが配置される。

この液晶表示素子の電極３ｃ、３ｔと外部の制御回路１０が接続され、電極３ｃ、３ｔに電圧を印加して素子の表示を制御する。

液晶表示素子の作製方法（ここではツイステッドネマチック「ＴＮ」モードの場合）について説明する。ガラス基板１ａの表面に透明であるインジウムスズオキサイド（ＩＴＯ）膜をＣＶＤ、蒸着、スパッタなどにより形成し、パターニングにてコモン電極３ｃを形成する。コモン電極３ｃのパターニングは、マスクレス露光機を用いてレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクとしたエッチングで行うことができる。マスクレス露光機は、レジストパターンをフォトマスク無しで形成出来る装置である。ここではオーク製作所の露光機を用いる。なお、フォトマスクを用いてレジストパターンを作製してコモン電極３ｃのパターニングをしても良い。なお、ここでのエッチャントは、例えば関東化学製ＩＴＯシリーズ（ＩＴＯ−０２、ＩＴＯ−０６Ｎ、ＩＴＯ−０７他）などの硝酸・塩酸系の溶液である。

図２のような画素３ｔガラス基板１ｂ表面に形成する。図２は、画素３ｔの一つ（図１の実線で囲った部分３ｔＡ）の拡大断面図である。図示のように、画素３ｔは、一つ一つがＴＦＴを有する。

図２を参照して、画素３ｔの構成要素であるＴＦＴの作製方法について説明する。まず、ガラス基板１ｂの上にゲート電極３ｇ（およびゲート電極ライン）を形成する。ゲート電極３ｇ（およびゲート電極ライン）の材料はＭｏ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ等の金属である。電極３ｇは、ガラス基板上にスパッタや真空蒸着で金属膜を形成した後、フォトリソグラフィーで形成したレジストパターンをマスクとしたウェットエッチングにてパターニングすることにより形成する。コモン電極３ｃ形成と同じマスクレス露光機でレジストパターンの形成が可能である。エッチャントは例えば関東化学製ＩＴＯシリーズ（ＩＴＯ−０２、ＩＴＯ−０６Ｎ、ＩＴＯ−０７他）などの硝酸・塩酸系の溶液である。

次に、ゲート絶縁膜６を形成し、ガラス基板表面およびゲート電極３ｇを覆う。ゲート絶縁膜６の形成は、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ_２、ＴａＯｘ等の材料をプラズマ（Ｐ−）ＣＶＤ、陽極酸化（Ｔａを酸化させる）、スパッタ等の方法を用いて行う。

次に、ａ（アモルファス）−Ｓｉ膜７、ｎ^＋ａ−Ｓｉ膜８を形成する。膜の形成は、Ｐ−ＣＶＤにより行う。なお、これらの膜をアニールしてｐ（ポリ）−Ｓｉ膜（ｎ^＋ｐ−Ｓｉ膜）を形成しても良い。その後、これらの膜をパターニング（フォトリソグラフィーで作成したレジストパターンをマスクとしたドライエッチング）してａ−Ｓｉ（ｐ−Ｓｉ）膜のアイランドを形成する。

次に、ソース電極３ｓ、ドレイン電極３ｄをゲート電極３ｇと同様の方法で形成する。ソース電極３ｓの形成と併せてソースライン３ｓｌを形成する。

続いて、インジウムスズオキサイドＩＴＯ導電膜等で表示を制御する電極３ｅを形成する。形成方法はスパッタ、真空蒸着等である。その後、パターニングを行う。パターニングのためのレジストパターンは先述のマスクレス露光機で形成可能である。エッチャントは例えば関東化学製ＩＴＯシリーズ（ＩＴＯ−０２、ＩＴＯ−０６Ｎ、ＩＴＯ−０７他）などの硝酸・塩酸系の溶液である。

次に、ｎ^＋ａ−Ｓｉ（ｐ−Ｓｉ）膜８の、外部に晒されている部分をドライエッチングで除去する。なお、ｎ^＋ａ−Ｓｉ（ｐ−Ｓｉ）膜８の下のａ−Ｓｉ（ｐ−Ｓｉ）膜７をエッチングしないように２つの膜７、８の間にエッチストッパを設けてもよい。

その後、パッシベーション膜９をＰ−ＣＶＤ、スパッタ、蒸着などにより形成する。パッシベーション膜９の材料はＳｉＮｘ、ＳｉＯ_２等の透明絶縁膜である。こうして、ＴＦＴ構造の画素３ｔを形成する。

なお、画素３ｔの電極３ｅの面内サイズは、４００μｍ×４００μｍ程度である。

図１に戻って液晶表示素子の作製方法を説明する。コモン電極３ｃ側に、先述のようにブラックマスクＢＭを設ける。材料は金属もしくはブラックカラーフィルムである。金属の場合はブラックマスクＢＭとコモン電極３ｃとの間に絶縁膜を形成する。

ブラックマスクＢＭ、画素３ｔがそれぞれ形成されたガラス基板１ａ、１ｂ上に配向膜４ａ、４ｂをスピンコートで形成する。ここでは、スピンナー回転数：２０００ｒｐｍで３０秒スピンコートを行い、厚さ７００Å程度の配向膜４ａ、４ｂを形成する。配向膜４ａ、４ｂの形成はフレキソ印刷、インクジェット印刷等でも良い。配向膜材料としてＳＥ−７９９２（日産化学製）などの可溶性ポリイミド配向膜を用いる。

なお、必要に応じて、配向膜形成の前に絶縁膜を形成しても良い。

次にラビング処理を施す。ラビングは布を巻いた円筒状のロールを高速に回転させ、配向膜上を擦る工程である。ラビングは、例えばＴＮ（ツイステッドネマチック）モードの場合、上下基板間の液晶２の捩れ角が９０°（左捩れ）になるよう処理を行う。なお、ＴＮモードの場合、液晶分子のプレチルト角が低い（基板平面に対して２°以下）ことが好ましい。

シール材を所定のパターンにスクリーン印刷する。シール材の形成にはスクリーン印刷の代わりにディスペンサを用いても良い。シール材には熱硬化性のＥＳ−７５００（三井化学製）を用いるが、光硬化性のものや、光・熱併用型シール材でも良い。このシール材には直径６μｍの大きさのグラスファイバーを数％含んでいる。

導通材を所定の位置に印刷する。ここではシール材ＥＳ−７５００に６．５μｍのＡｕ鍍金を施したスチレンボールを数％含んだものを導通材として所定の位置にスクリーン印刷する。

シール材パターン及び導通材パターンは上側の基板１ａにのみ形成し、下側の基板１ｂにはギャップコントロール材を乾式散布法にて散布する。ギャップコントロール材には６μｍのプラスチックボールを用いるが、シリカボールを用いても良い。

２つの基板１ａ、１ｂを、配向膜が内側になるよう所定の位置で重ね合わせセル化し、プレスした状態で熱処理によりシール材を硬化する。

次にスクライバー装置によりガラス基板に傷をつけ、ブレイキングにより所定の大きさ、形に分割して空セルを作成する。

上記の空セルに真空注入法で液晶を注入し、その後エンドシール材で注入口を封止する。その後ガラス基板の面取りと洗浄を行い、液晶セルを作成する。上下ガラス基板外側に偏光板５ａ、５ｂを配置すると液晶表示素子となる。

図３に、比較例として、ドットマトリクス型液晶表示素子の表示例を示す。図３では、数字の「８」をドットマトリクスで表示する。図中「ｃｕｒｖｅ」が示す、本来であれば滑らかな曲線が望ましい部分において、ジグザグパターンが形成されている。

通常のドットマトリクス表示では、視覚にとってジグザグに見えない程度まで解像度（単位面積当たりのドットの数）を上げることでこの問題に対応する。一方で、工程ないし構造の簡略化という理由から、解像度を低くして（結果として１画素のサイズが大きくなる）表示を行いたいというニーズがあり、この場合においても滑らかな曲線を表示したい。

発明者らは、コモン電極３ｃのパターンを工夫することによって、解像度の比較的低いドットマトリクスにおいても滑らかな曲線表示を行う液晶表示素子を発案した。

図４に、実施例による液晶表示素子のコモン電極３ｃのパターン例を示す。コモン電極３ｃは、表示させたいキャラクターパターン３ｃ１と、パターン３ｃ１と電気的に絶縁された反転パターン３ｃ２とで構成される。キャラクターパターン３ｃ１は、座した人と、エアコンの風向き（上下）を表す矢印と、それらをつなぐ引き回し線からなる。キャラクターパターン３ｃ１と反転パターン３ｃ２との絶縁距離は５μｍ〜２０μｍ程度であり、電気的絶縁を保ちつつ人間の目に識別できない程度の距離である。

先述のように、キャラクターパターン３ｃ１および反転パターン３ｃ２の描画は、マスクレス露光機を用いて行う。キャラクターパターンの最小露光精度は８μｍ程度であり、既存のマスクレス露光機で対応可能である。なお、フォトマスクを用いてレジストパターンを作製し、キャラクターのパターニングを行っても良い。但し、キャラクターパターン３ｃ１のカスタム性はマスクレス露光機を用いた方が良い。

図５は、画素３ｔを表す平面図である。画素３ｔは、図示のように、ドットマトリクス型に並べる。画素の占める範囲は、少なくともキャラクターパターン３ｃ１を面内で覆う範囲である。

図６は、ブラックマスクＢＭの配置を示す平面図である。ブラックマスクＢＭは、画素３ｔの走査線（ゲート電極ラインおよびソース電極ライン）およびコモン電極３ｃの引き回し線に面内で重なる部分に設ける。

図７に、版下を示す。実施例による版下は、図示のように座した人と矢印の輪郭のみである。

上記構造の液晶表示素子の表示のさせ方を説明する。ここでは、９０°ＴＮモードで、上下偏光板５ａ、５ｂがパラレルニコル配置のノーマリブラックモード液晶表示素子の例を説明する。

フルドット表示をさせる場合、所望の画素３ｔに駆動電圧（例えば矩形波）を印加し、コモン電極には駆動電圧に対応するアース電圧（アース電圧に限らず、画素３ｔへの駆動電圧との差によって液晶分子が基板に対して垂直に立つような電圧であれば良い）を印加する。すると、電圧が印加された画素３ｔが画定する部分の液晶分子が基板に対し垂直に立ち上がり、光を透過してドット表示される。この場合、コモン電極３ｃを分割している分割線は人間の目には認識されず、ドット表示だけが認識される。

キャラクター表示をさせたい場合は次のように表示を行う。

図８に、キャラクター表示をさせる場合の表示例を示す。図８では、人に向けて上向きの風が吹くエアコンの状態を示している。

図９に、画素３ｔに電圧を印加する範囲を示す。斜線が電圧印加範囲である。図示のように、画素３ｔにおいて、図８に示したパターンを面内で覆う範囲に駆動電圧を印加する。

図１０に、コモン電極３ｃに電圧を印加する範囲を示す。図示のように、図８の表示を行う場合、キャラクターパターン３ｃ１に駆動電圧（画素に印加される電圧との電位差により液晶分子が配向し、液晶表示素子を光が通過するような電圧）を印加する（図中斜線部分）と共に、反転パターン３ｃ２に画素３ｔに印加したのと同じ電圧を印加する。

図９と図１０に示した重なり部分の液晶分子が立ち上がって光を透過し、図８の表示となる。

なお、液晶表示素子を光が透過するような電極間の電位差をＯＮ電圧、光が透過しないような電極間の電位差をＯＦＦ電圧と呼ぶこととする。従って、非表示としたい部分のパターンは、ＯＦＦ電圧を維持していれば、若干の電圧が印加されても構わない。

なお、コモン電極３ｃにおいて、キャラクターパターン３ｃ１を複数設けてもよい。その場合の駆動は、コモン電極３ｃの分割数に対応したＤｕｔｙ駆動を行う。例えば、コモン電極３ｃが２つのキャラクターパターン３ｃ１と、それらの反転パターン３ｃ２の３つに分割されている場合、キャラクターパターン３ｃ１に面内で対応する画素３ｔに駆動電圧を印加しておき、２つのキャラクターパターン３ｃ１のそれぞれに、１／２Ｄｕｔｙの駆動電圧（画素に印加される電圧との電位差がＯＮ電圧となるような電圧）を印加する。また、２つのパターン３ｃ１がそれぞれ非表示のタイミングでは、画素３ｔとの電位差が生じないように３ｔと同じ大きさの電圧をパターン３ｃ１に印加する。また、反転パターン３ｃ２についても、画素３ｔと電位差が生じないように画素３ｔに印加したのと同じ電圧を印加する（ＯＦＦ電圧が維持できていれば良い）。

なお、カラー表示を行いたい場合、カラーフィールタを設けるか、キャラクターパターン３ｃ１へのＤｕｔｙ駆動に同期してバックライトの色を変化させるフィールドシーケンシャル（ＦＳ）駆動により表示を行えば良い。さらに、背景のカラー表示も行いたい場合は、反転パターン３ｃ２をキャラクターパターン３ｃ１の一つとみなしてＤｕｔｙ駆動すれば良い。

実施例のように、コモン電極にキャラクターパターンとその反転パターンを設けることにより、曲線の滑らかなキャラクター表示を行うことが出来る。なお、ドットのみの表示では、概ね１００μｍ×１００μｍ以上の画素サイズにおいてキャラクターの曲線に滑らかさが得られなくなる。この現象は特に３００μｍ×３００μｍ以上の画素サイズにおいて顕著である。実施例のように、画素３ｔの画素部３ｅの平面サイズが４００μｍ×４００μｍ程度のドットマトリクス型の液晶表示素子では、実施例を用いた場合とそうでない場合とで、人間の目に観察されるキャラクターの曲線の滑らかさに大きな違いが出るであろう。

また、駆動方法を工夫することにより、一つの液晶表示素子でフルドット表示（コモン電極が画定する面内においてドットで形を表示する）とキャラクター表示の両方を行うことが可能である。

上記実施例においては、ノーマリブラック液晶表示素子への本発明の適用について説明したが、本発明はノーマリホワイト液晶表示素子においても実施可能である。ＴＮ型のノーマリホワイト液晶表示素子においては、偏光板をクロス配置とし、表示のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う信号電圧の印加方法が逆である点が上記実施例と異なる。すなわち、画素３ｔとコモン電極３ｃとの間にＯＮ電圧が印加された場合は非表示となり、ＯＦＦ電圧が維持されている場合は表示となる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、液晶表示素子のモードはＴＮに限らない。スーパーツイステッドネマチック（ＳＴＮ）、ＭＶＡ（ｍｕｌｔｉ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ）、一軸配向されたＶＡ、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｅｎｄ）、ＩＰＳ（ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）等のモードであっても適用可能であろう。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１は、液晶表示素子の概略断面図である。 図２は、画素３ｔの一つ（図１の実線で囲った部分Ａ）の拡大断面図である。 図３は、比較例によるドットマトリクス型液晶表示素子の表示例である。 図４は、実施例による液晶表示素子のコモン電極３ｃのパターン例である。 図５は、画素を表す平面図である。 図６は、ブラックマスク（ＢＭ）の配置を示す平面図である。 図７は、版下である。 図８は、キャラクター表示をさせる場合の表示例である。 図９は、画素に電圧を印加する範囲である。 図１０は、コモン電極に電圧を印加する範囲である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 基板
２ 液晶層
３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｄ、３ｅ、３ｇ、３ｓ、３ｔ 電極
４ａ、４ｂ 機能性材料膜
５ａ、５ｂ 偏光板
６ ゲート絶縁膜
７ ａ−Ｓｉ（ｐ−Ｓｉ）膜
８ ｎ^＋ａ−Ｓｉ（ｎ^＋ｐ−Ｓｉ）
９ パッシベーション膜
１０ 制御回路
ＢＭ ブラックマスク

Claims (7)

1. 対向する一対の基板と、
   前記一対の基板の一方に設けられ、表示面内に敷き詰められた多数のアクティブ素子を含む画素と、
   前記一対の基板の他方に設けられたコモン電極と、
   前記一対の基板間に挟持された液晶層と
   を有する液晶表示素子であって、
   前記画素と前記コモン電極とが前記一対の基板の対向面側に形成され、
   前記コモン電極は、表示パターンの輪郭の少なくとも一部を表すキャラクターパターンと、該キャラクターパターンと電気的に絶縁された反転パターンとを含み、
   前記画素の設けられた表示面が前記キャラクターパターンを内包する
   液晶表示素子。
2. さらに、
   前記画素および前記コモン電極に電圧を印加する制御回路
   を有し、
   前記制御回路は、前記コモン電極を構成する前記キャラクターパターンおよび前記反転パターンが画定する領域の各々を表示させるか否かによって、前記コモン電極を構成するパターンの各々とそれらと表示面内で重なる前記画素との間に、ＯＮ電圧またはＯＦＦ電圧を印加する請求項１記載の液晶表示素子。
3. 前記コモン電極において、前記キャラクターパターンと前記反転パターンとの絶縁距離が２μｍ〜５０μｍである請求項１または２記載の液晶表示素子。
4. さらに、前記コモン電極の一部である引き回し線に面内で重なる位置に配置されたブラックマスクを有する請求項１〜３のいずれか１項記載の液晶表示素子。
5. 対向する一対の基板と、
   前記一対の基板の一方に設けられ、表示面内に敷き詰められた多数のアクティブ素子を含む画素と、
   前記一対の基板の他方に設けられたコモン電極と、
   前記一対の基板間に挟持された液晶層と
   前記画素および前記コモン電極に電圧を印加する制御回路と
   を有し、
   前記画素と前記コモン電極とが前記一対の基板の対向面側に形成され、
   前記コモン電極は、表示パターンの輪郭の少なくとも一部を表すキャラクターパターンと、該キャラクターパターンと電気的に絶縁された反転パターンとを含み、
   前記画素の設けられた表示面が前記キャラクターパターンを内包する
   液晶表示素子の駆動方法であって、
   前記コモン電極を構成する前記キャラクターパターンおよび前記反転パターンが画定する領域の各々を表示させるか否かによって、該コモン電極を構成するパターンの各々とそれらと表示面内で重なる画素との間に、ＯＮ電圧またはＯＦＦ電圧を印加する液晶表示素子の駆動方法。
6. 前記コモン電極において、前記キャラクターパターンと前記反転パターンとの絶縁距離が２μｍ〜５０μｍである請求項５記載の液晶表示素子の駆動方法。
7. さらに、前記コモン電極の一部である引き回し線に面内で重なる位置に配置されたブラックマスクを有する請求項５または６記載の液晶表示素子の駆動方法。

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