JP5371163B2 - 液晶表示装置及びそれに用いられる基板 - Google Patents

Description

本発明は液晶表示装置に係り、特に液晶表示装置用薄膜トランジスタ基板に関する。

液晶表示装置は一般に共通電極及びカラーフィルター（ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒ）などが形成されている上部基板と、薄膜トランジスタ及び画素電極などが形成されている下部基板との間に液晶物質を注入しておき、画素電極と共通電極とに互いに異なる電位を印加することによって電界を形成して液晶分子の配列を変更させ、これによって光の透過率を調節することによって画像を表現する装置である。

ところが、液晶表示装置は視野角の狭いことが大きな短所である。このような短所を克服しようと視野角を広くするための多様な方案が開発されているが、その中でも液晶分子を上下基板に対して垂直に配向して画素電極とその対向電極である共通電極とに一定の切除パターンまたは液晶層に突き出した絶縁突起を形成する方法、切除パターン及び突起を共に形成する方法などが有力視されている。このような方法についてはＡ Ｎｅｗ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｍｐｒｏｖｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ Ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｑｕａｌｉｔｙ ＭＶＡ ＴＦＴ−ＬＣＤ Ｐａｎｅｌｓ（Ｙ．Ｔａｎａｋａなど、１９９９ ＳＩＤ、１６．５Ｌ）とＲｉｄｇｅ ａｎｄ Ｆｒｉｎｇｅ−Ｆｉｅｌｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｈｏｍｅｏｔｒｏｐｉｃ ＬＣＤ（Ａ．Ｌｉｅｎなど、１９９９ ＳＩＤ、４４．１Ｌ）（以下“ＳＩＤ”という）、特開平１１−２５８６０６号などに記載されている。

ところが、切除パターンと突起を形成するために工程が追加される場合には生産性が低下する問題点がある。従って、工程の追加無しに突起を形成することができる方法を講じる必要がある。また、突起を形成する目的、即ち、広視野角の確保のために必要な機能を果たすことができる突起を形成することができなければならない。

一方、薄膜トランジスタ基板（下部基板）には走査信号を伝達するゲート線及び画像信号を伝達するデータ線が形成されており、これら配線は薄膜トランジスタ基板の製造過程で断線する場合がたびたび発生する。これを防止するために冗長配線を形成する。データ配線の場合には画素電極形成時にデータ線に沿って透明電極層パターンを形成することで冗長データ配線を形成する。冗長データ配線はドレーン電極と画素電極とを連結するための接触孔の形成時にデータ線の上部に共に形成された接触孔を通じてデータ線と連結される。

ところが、露出されている冗長データ配線と上部基板の共通電極との間に導電性物質が位置する場合、これらが互いに短絡される不良を誘発することがある。このような問題は広視野角を確保するために切除パターンを形成したり突起を形成する場合にも常に存在している。

発明が解決しようとする課題

本発明が目的とする技術的課題は上下基板間の短絡を防止することである。

課題を解決するための手段

このような課題を解決するために本発明ではブラックマトリックスを突起として用いる。

具体的には、絶縁基板上に透明電極を形成し、透明電極上にブラックマトリックスを突起としての機能も兼ねることができる模様に形成する。

この時、ブラックマトリックス上に感光膜からなる主突起をさらに形成することができる。

このような構造の液晶表示装置用基板は、透明電極を形成する段階、ブラックマトリックス層を積層する段階、ブラックマトリックス層の上に感光膜を積層する段階、感光膜をパターニングする段階、パターニングされた感光膜をエッチングマスクとしてブラックマトリックス層をエッチングする段階を含む工程によって製造する。

本発明の他の課題を解決するために本発明では下部基板の冗長データ配線と対応する共通電極上の位置に絶縁物質からなる突起を形成する。

具体的には、第１基板（下部基板）上に走査信号を伝達するゲート線が形成されており、画像信号を伝達するデータ線がゲート線と絶縁されて交差しており、画素電極がゲート線とデータ線とが交差してなす領域に形成されている。冗長データ線が画素電極と同じ層に形成されており、走査信号に応じて画像信号を画素電極に伝達するか遮断するスイッチング素子がゲート線、データ線及び画素電極に連結されている。絶縁第２基板（上部基板）が第１基板と対向しており、共通電極が第２基板上に形成されており、突起部の全体として、液晶とは異なる誘電率を有する絶縁物質からなる突起パターンが少なくとも共通電極上の冗長データ線に対応する領域に形成されている構造の液晶表示装置を用意する。

この時、突起パターンは有機ブラックマトリックスとすることができ、第２基板と共通電極との間に形成されているブラックマトリックスをさらに含む構成とすることができ、画素電極は切除部パターンを有する構成とすることができる。突起パターンと画素電極の切除部パターンとは画素電極を四つのドメインに分割するのが好ましい。また、ドメインが最も長い二つの辺が互いに平行な多角形であるのが好ましく、ドメインは最も長い二つの辺が第１方向である第１ドメインと第２方向である第２ドメインとに分類され、第１方向と第２方向とが８５°〜９５°の範囲の角度をなすことが好ましい。第１方向を画素電極の辺に対して斜め方向とすることができ、第１基板と第２基板との間に注入されている液晶物質を垂直配向されているか捩じれたネマチック液晶とすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例による液晶表示装置用薄膜トランジスタ基板の構造について説明する。

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。

液晶表示装置は上部基板２００、下部基板１００、液晶層３００を備えている。それ以外にも偏光板（図示せず）、補償板（図示せず）、導光板（図示せず）なども含まれるが、説明は省略する。

下部基板１００上にはゲート絶縁膜１３０、データ線１６２、保護絶縁膜１８０及び画素電極１７０のみが図示されているが、それ以外にもゲート線、薄膜トランジスタなどの薄膜トランジスタ基板に形成される各種の要素を含んでいる。ここで、画素電極１７０には一定のパターンの切除部１７１が形成されている。切除部１７１の模様は後述する上部基板２００の突起と共に画素領域を多様な種類の微小ドメインに分割することができる範囲で多様な形態にすることができる。例えば、シェブロン型、モーニンググローリー型、Ｔ型などがある。ここで微小ドメインの種類はその中に含まれた液晶分子の平均方向子の方向によって分類される。

上部基板２００は表面の各画素領域に赤、緑、青色の色フィルター２１０が形成されている。色フィルター２１０の上にはＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）などの透明な導電物質からなる共通電極２２０が形成されており、共通電極２２０の上には黒い色の色素（黒鉛粉など）を添加した感光剤などの有機ブラックマトリックス２３０からなる突起が形成されている。突起の平面的配置も前述の画素電極１７０の切除部１７１の模様と同様に多様な変化が可能である。ただし、切除部１７１の模様と調和をなして少なくとも４種類以上の微小ドメインを形成することができるように配置するのが好ましい。

このような構造の液晶表示装置用上部基板２００において、突起は光漏れを防止するためのブラックマトリックスを形成する工程で同時に形成されるので突起を形成するために別途の工程を必要とせず、下部基板１００の画素電極１７０に切除部１７１を形成する工程も画素電極１７０形成工程で同時に進行することができる。

図２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。

本発明の第２実施例による液晶表示装置の下部基板１００の構造は第１実施例と同一である。

上部基板２００は表面の各画素領域に赤、緑、青色の色フィルター２１０が形成されている。色フィルター２１０の上にはＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）などの透明な導電物質からなる共通電極２２０が形成されており、共通電極２２０の上には酸化クロム（ＣｒＯｘ）及びクロム（Ｃｒ）などの無機物または黒い色の色素を添加した感光剤などの有機物からなるブラックマトリックス２３０が形成されている。この時、ブラックマトリックス２３０をクロムなどの導体で形成すると共通電極２２０の面抵抗を減少させる付加的利点がある。また、クロムと酸化クロムとの二重層でブラックマトリックスを形成すると光の反射を減少させて画質を向上させることができる。ブラックマトリックス２３０を二重層で形成する時、クロムは厚さを０．０５μｍ〜０．３μｍの範囲内とし、酸化クロムは０．０３μｍ〜０．２μｍの範囲内とするのが好ましい。ブラックマトリックス２３０の上には感光膜２５０からなる突起パターンが形成されている。突起パターンは画素電極１７０の互いに隣接する切除パターン１７１の間に配置されている。

このように感光膜２５０で突起パターンを形成すると後述のように突起パターンをブラックマトリックス２３０形成工程で共に形成することができるので突起形成のために工程を追加しなくてもよい。また、感光膜２５０の絶縁性が優れているためドメイン分割のための突起としての機能を充実に発揮することができる。突起の絶縁性が低いと、即ち、突起が導電性を帯びると画素電極１７０及び共通電極２２０に電圧を印加する時に絶縁突起としての役割を正常に遂行することができず、その周囲に形成される電気場が歪曲されて液晶表示装置の画質特性を低下させる。参考に、感光剤の比抵抗は１０¹³Ωｃｍ以上である。

図３には突起が導体である場合と理想的な絶縁体である場合との等電位線及びそれによる液晶分子の配列をシミュレーションした結果が示されている。図３には電圧印加後の時間に従う光の透過率変化を示す曲線を図示した。図３においては、ページの右側から左側に行くほどさらに長い時間が経過した状態を示す。

図３に示されているように、絶縁突起（右側）では電圧印加後に一定の時間が経過すると突起部分でのみ光の透過率が低く、その他の部分では透過率が高く現れる。しかし、導電性突起（左側）では電圧印加後に一定の時間が経過した後にも突起部分以外にも突起周辺の広い地域で透過率の低い部分が現れる。つまり、テクスチャーが現れる。

このような構造の液晶表示装置において上部基板を製造する方法を図面に基づいて説明する。

図４ａ乃至図４ｃは本発明の第２実施例による液晶表示装置の上部基板を製造する工程を順序によって示す断面図である。

まず、図４ａに示したように、スクリーン印刷などの方法を用いてガラスなどの透明な絶縁基板２００上に色フィルター２１０を形成する。図面では色フィルター２１０が絶縁基板２００より下側に位置する。

その次に、図４ｂに示したように、色フィルター２１０上にＩＴＯなどの透明な導電物質を蒸着して共通電極２２０を形成する。図示しないが、色フィルター２１０上にオーバーコート（ｏｖｅｒｃｏａｔ）膜を形成した後、共通電極２２０をオーバーコート膜の上に形成することもできる。次いで、クロム単一層またはクロムと酸化クロムとの二重層を蒸着したりまたは黒い色素を添加した感光剤などを塗布してブラックマトリックス２３０を積層し、その上に感光膜２５０を塗布する。

その次に、図４ｃに示したように、感光膜２５０を露光し現像して必要なパターンを形成し、感光膜２５０パターンをエッチングマスクとしてその下部のブラックマトリックス２３０をエッチングする。従って、ブラックマトリックス２３０と感光膜２５０とからなる突起パターンは同一のレイアウトを有する。つまり、ブラックマトリックス２３０及び感光膜２５０は自己整列されている。

このように、本発明の第２実施例ではブラックマトリックス２３０を形成する過程で使用する感光膜２５０パターンを突起として使用するので突起形成のための別途の工程を必要としない。

図５は本発明の第３実施例による液晶表示装置の配置図であり、図６は図５のVI−VI'線の断面図である。

下部基板１００には横方向にゲート線１２２と維持電極線１２７とがのびている。ゲート線１２２及び維持電極線１２７の上にはゲート絶縁膜１３０が形成されている。ゲート絶縁膜１３０の上にはスイッチング素子である薄膜トランジスタの半導体層１４２が形成されており、半導体層１４２の上にはドープした半導体などの接触層（図示せず）が形成されている。また、ゲート絶縁膜１３０上には縦方向にデータ線１６２が形成されている。データ線１６２には分枝としてソース電極１６５が形成されており、ソース電極１６５と対向するドレーン電極１６６がソース電極１６５と同層ではあるが平面的に分離されて形成されている。ソース電極１６５及びドレーン電極１６６は接触層の上まで延長されており、接触層はソース電極とドレイン電極との間で切断されている。データ線１６２、ソース電極１６５、ドレーン電極１６６などの上にはドレーン電極１６６を露出させる接触孔１８１とデータ線１６２を露出させる接触孔１８２とを有する保護絶縁膜１８０が形成されている。保護絶縁膜１８０の上には切除パターン１７１を有する画素電極１７０と、データ線１６２に沿って形成されており接触孔１８２を通じてデータ線１６２と連結される冗長データ線１７２とが形成されている。冗長データ線１７２は画素電極１７０と同一物質で形成されている。画素電極１７０の切除パターン１７１は十字模様（＋）に形成されている。なお、後述のように切除パターン１７１は多様な模様に形成することもできる。

上部基板２００の上（図６では下）には赤、緑、青色の色フィルター２１０が形成されており、色フィルター２１０の上には基板２００の前面にかけて共通電極２２０が形成されている。共通電極２２０はＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）などの透明な導電物質からなっている。共通電極２２０の上にはブラックマトリックス２３０が形成されている。この時、ブラックマトリックス２３０は少なくとも冗長データ線１７２と対応する領域全てに形成されている。ブラックマトリックス２３０は絶縁膜として漏れる光を遮断する役割及び液晶分子の配向に影響を与える突起としての機能と共に冗長データ線１７２が共通電極２２０と短絡されることを防止する機能を遂行する。ブラックマトリックス２３０は絶縁物質により０．１μｍ〜３μｍの範囲内の厚さに形成する。

この時、色フィルター２１０は上部基板２００ではなく下部基板１００に形成することもできる。

上下基板１００、２００の間には液晶物質が注入されて液晶層３００を形成している。液晶層３００の液晶分子は電界が印加されていない状態で基板１００、２００に対して長軸が垂直をなすように配向されている。

このように液晶表示装置を製造すると下部基板１００の切除パターン１７１と上部基板２００のブラックマトリックス２３０とからなる突起によって上下基板１００、２００の間に形成される電気場が基板１００、２００に対して一定な方向性を有するようになる。この時、突起は液晶層３００との誘電率差異によって電気場を変形させることに寄与する。また、突起は液晶分子の初期配向状態にも影響を及ぼすため、突起附近の液晶分子は電界が印加されていない状態でも基板に対してある程度傾いている。

液晶分子が傾く方向は切除パターン１７１とブラックマトリックス２３０とが重畳して形成する各ドメイン内で一定の方向性を有するようになる。各ドメイン内の液晶分子の平均長軸方向を基準にしてドメインを分類するとドメインは４方向各１種類ずつ４種類に分類される。このようなドメイン内の液晶分子の方向性によって４方向全てで広い視野角が確保される。

また、絶縁物質であるブラックマトリックス２３０が冗長データ線１７２と対応する部分に形成されているため、導電性粒子Ｐが混入して冗長データ線１７２上に位置するようになっても、冗長データ線１７２と共通電極２２０との短絡をブラックマトリックス２３０により防止できる。

図７は本発明の第４実施例による液晶表示装置の配置図であり、図８は図７のVIII−VIII'線による断面図である。

下部基板１００の配置は本発明の第３実施例の下部基板１００と殆ど同一である。ただし、画素電極１７０に形成されている切除パターン１７１の模様が後述のように異なる。

上部基板２００は表面にブラックマトリックス２３０が形成されており、ブラックマトリックス２３０によって区画された画素領域には赤、緑、青色の色フィルター２１０が形成されている。ブラックマトリックス２３０と色フィルター２１０上（図８では下）にはＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）などの透明な導電物質からなる共通電極２２０が形成されており、共通電極２２０の上には絶縁物質からなる突起パターン２４０が形成されている。突起パターン２４０は冗長データ線１７２と対応する領域には全て形成されており、有機または無機絶縁物質で形成されている。

上部基板２００の突起パターン２４０は下部基板１００の画素電極１７０を上下に２分する位置に横方向に形成されている横部と２分された画素電極１７０の上下部分に各々斜め方向に形成されている斜め部を含む。この時、上下の斜め部は互いに垂直をなしている。これは電界の傾く方向を４方向に均一に分散させるためである。

画素電極１７０に形成されている切除パターン１７１は突起パターン２４０の斜線部を挟んでおり、これと平行な斜線切除部と画素電極１７０の左右辺と平行な縦切除部とを含んでいる。

突起パターン２４０と画素電極１７０の切除パターン１７１とは互いに重畳して画素電極１７０を多数のドメインに分割している。この時、各ドメインは最も長い二つの辺が互いに平行な多角形をなす。これは液晶分子の応答時間を短くするためである。つまり、突起パターン２４０と切除パターン１７１とによって基板に垂直な方向に対して傾いた電界が形成され、この電界により液晶分子が配列される方向が液晶分子相互間に平行な状態になるようにするのである。このようにすることで、１段階動作のみで液晶分子の動作が完了するため応答時間が短縮される。

絶縁物質である突起パターン２４０が冗長データ線１７２と対応する部分に形成されているため、導電性粒子Ｐが冗長データ線１７２上に位置するようになっても、冗長データ線１７２及び共通電極２２０が短絡されることを突起パターン２４０により防止する。。

以上の第２実施例では突起パターン２４０で別に絶縁膜を形成したが、第１実施例と同様にブラックマトリックス２３０を共通電極２２０上に形成することによって突起パターンに代えることができる。また、突起パターン２４０及び切除パターン１７１の模様は多様な変形が可能である。

第３及び第４実施例は液晶分子を上下基板に対して垂直に配向する垂直配向モード液晶表示装置について説明しているが、ブラックマトリックスまたは別途の絶縁物質を共通電極上の冗長データ線と対応する部分に沿って形成することによって冗長データ線と共通電極との間の短絡を防止するという本発明の内容は捩じれネマチック（ｔｗｉｓｔｅｄ ｎｅｍａｔｉｃ：ＴＮ）モード液晶表示装置にも適用することができる。

発明の効果

以上のように、ブラックマトリックスを形成する過程で使用する感光膜パターンを突起として使用するので突起形成のための別途の工程を必要としない。また、ブラックマトリックスまたは別途の絶縁物質からなる突起パターンを共通電極上の冗長データ線と対応する部分に沿って形成することによって広視野角を確保すると共に冗長データ線と共通電極との間の短絡を防止する。

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２実施例による液晶表示装置の断面図である。 突起が導電性を帯びる場合（左側）と理想的な絶縁体である場合（右側）との時間に従う液晶の配列変化を示す電気光学的シミュレーション結果である。 本発明の第２実施例による液晶表示装置の上部基板を製造する工程を順に示す断面図である。 本発明の第２実施例による液晶表示装置の上部基板を製造する工程を順に示す断面図である。 本発明の第２実施例による液晶表示装置の上部基板を製造する工程を順に示す断面図である。 本発明の第３実施例による液晶表示装置の配置図である。 図５のVI−VI'線の断面図である。 本発明の第４実施例による液晶表示装置の配置図である。 図７のVIlI−VIII'線の断面図である。

１００ 下部基板
１２２ ゲート線
１２７ 維持電極線
１３０ ゲート絶縁膜
１４２ 半導体層
１６２ データ線
１６５ ソース電極
１６６ ドレーン電極
１７０ 画素電極
１７１ 切除部（切除パターン）
１７２ 冗長データ線
１８０ 保護絶縁膜
１８１、１８２ 接触口
２００ 上部基板
２１０ 色フィルター
２２０ 共通電極
２３０ ブラックマトリックス
２４０ 突起パターン
２５０ 感光膜
３００ 液晶層

Claims (7)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に形成されている透明電極と、
   前記透明電極の上に形成されており、画素領域の光漏れを防止するためのクロムを含むブラックマトリックスと、
   前記ブラックマトリックスの全部分の上に形成されており、感光膜からなる突起と、
   を含み、
   前記ブラックマトリックスの全部分及び前記突起は、前記画素領域を微小ドメインに分割し、
   前記感光膜を露光し現像して必要なパターンを形成し、前記感光膜をマスクとしてブラックマトリックスをエッチングすることで、前記突起及び前記ブラックマトリックスは同一のレイアウトを有する液晶表示装置用基板。
   
2. 前記ブラックマトリックスはクロムと酸化クロムとの二重層からなることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置用基板。
   
3. 前記絶縁基板と透明電極との間に形成されている色フィルターをさらに含む請求項１に記載の液晶表示装置用基板。
   
4. 透明電極を形成する段階と、
   前記透明電極の上に画素領域の光漏れを防止するためのクロムを含むブラックマトリックス層を積層する段階と、
   前記ブラックマトリックス層の上に感光膜を積層する段階と、
   前記感光膜をパターニングして感光膜からなる突起を形成する段階と、
   前記感光膜をエッチングマスクとして前記ブラックマトリックス層をエッチングする段階と、
   を含み、
   前記突起と、前記突起の下の前記ブラックマトリックス層の全部分は、前記画素領域を微小ドメインに分割する液晶表示装置用基板の製造方法。
   
5. 前記ブラックマトリックス層は前記透明電極の上に積層されることを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置用基板の製造方法。
   
6. 前記透明電極を形成する段階の前に色フィルターを形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置用基板の製造方法。
   
7. 前記ブラックマトリックス層はクロムと酸化クロムとの二重層であることを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置用基板の製造方法。

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