JPH07234421A - アクティブマトリクス型液晶表示装置 - Google Patents

アクティブマトリクス型液晶表示装置

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JPH07234421A
JPH07234421A JP6298395A JP29839594A JPH07234421A JP H07234421 A JPH07234421 A JP H07234421A JP 6298395 A JP6298395 A JP 6298395A JP 29839594 A JP29839594 A JP 29839594A JP H07234421 A JPH07234421 A JP H07234421A
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    • G02F1/133512Light shielding layers, e.g. black matrix

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶表示装置の光利用効率を向上させ、残
像、フリッカを低減させる。 【構成】 データ信号配線もしくは、走査信号配線と画
素電極の間に遮光層を配置し、且つその遮光層に電圧を
印加するようにした液晶表示装置。 【効果】 開口率、光利用効率を低下させることなく、
蓄積容量付加により、残像・フリッカの低減、焼きつき
の防止、コントラストの向上が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、テレビ画像等の高解像
度が要求される映像表示に用いられるアクティブマトリ
クス型液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、液晶表示装置は、コンピューター
・ワープロ用表示パネルや計測器用表示パネル等、種々
の製品に適用されている。こうしたなか、それぞれがス
トライプ状電極を有する一対の基板を、互いに電極が交
差するように対向配置してなる単純マトリクス型の液晶
表示装置は、時刻や簡単な画像表示には十分である。と
ころが、時分割駆動には限界があり、テレビ画像等高解
像度の映像表示になると必要な画素数が膨大となるた
め、時分割駆動で制御することができなくなる。そこで
近年、単純マトリクス方式に変わって、アクティブマト
リクス方式が盛んに研究開発されてきている。
【0003】アクティブマトリクス方式の液晶表示装置
は、一方の基板に共通電極を設け、他方の電極に画素毎
の画素電極を設け、該画素電極毎にスイッチング素子と
して薄膜トランジスタ(以下「TFT」と記す)を配
し、制御する駆動方式である。TFTはソース電極及び
ドレイン電極と呼ばれる2つの主電極と、ゲート電極と
呼ばれる制御電極からなっているが、アクティブマトリ
クス方式では一方の主電極を信号線に、他方の主電極を
画素電極に、ゲート電極を走査線に接続している。尚、
トランジスタの主電極のどちらがソース電極であるかは
トランジスタの種類及び印加電圧の極性によって変わり
得るため、本明細書においては表示信号線に接続した側
をソース電極、画素電極に接続した側をドレイン電極と
する。
【0004】図15にアクティブマトリクス方式の液晶
表示装置の等価回路を示す。図15においては、2は走
査線、3は信号線、4は画素電極、18は共通蓄積容量
電極、19はTFTである。アクティブマトリクス型液
晶表示装置においては、本図に示した様に、走査線2及
び信号線3によりマトリクスが組まれ、各画素毎に設け
たTFT19の動作を制御することによって画素電極4
への電圧印加が制御され、所望の表示が得られる。
【0005】図14に画素の上面図及び断面図を示し
た。図14(b)は、図14(a)のA−A′断面図で
ある。図14において、1はゲート電極、5は半導体
層、6はソース電極、7はドレイン電極、9は遮光層を
それぞれ示す。
【0006】8は層間絶縁層、11は基板、12は配向
膜、13は液晶材、14は対向透明電極、15は層間
膜、16は対向透明基板、17はカラーフィルター層を
それぞれ示す。
【0007】図14に示した様に、絶縁性の透明基板1
1上に形成した半導体層5に層間絶縁層8を介してゲー
ト電極1が形成され、更に層間絶縁層8を被覆した後、
該層間絶縁層8にコンタクトホールを穿ってソース電極
6及びドレイン電極7が形成されている。通常、半導体
層5の素材としては、多結晶やアモルファスシリコン
(a−Si)、或は単結晶Siが用いられ、ゲート電極
1及び走査線2の素材としては多結晶Siや蒸着が容易
なa−Siが用いられる。また、ソース電極6及び信号
線3はA1等金属で、ドレイン電極6及び画素電極4は
透明なITO(Indium Tin Oxide)が
用いられている。ゲート電極1と同一の工程で蓄積容量
電極18が形成され、画素電極4との間に蓄積容量(以
下Cs)が構成される。
【0008】TFT基板と対向する、対向基板16上に
は遮光層9がクロム等の金属を用いて形成され、その上
にカラーフィルタ層が形成される。更に層間膜15の上
には対向透明電極14が形成される。対向透明電極には
ITOが一般に用いられている。
【0009】TFT基板及び対向基板の表面にはそれぞ
れ配向膜12が設けられている。配向膜としては、一般
にポリイミドなどが採用されている。配向膜12には配
向処理を施した後、両基板はギャップ材を介して貼り合
わされ、その間に液晶材13が封入されて、液晶表示パ
ネルが構成される。
【0010】図16は、このようなアクティブマトリク
ス液晶素子の従来の基本的駆動装置を示す。
【0011】この駆動装置は、対向電極14(電位V
COM とする)と各画素電極4の間に液晶材料を封入した
液晶セル701と画素TFT702と蓄積容量712か
らなる画素部、映像信号配線部(以下、信号配線とい
う)703、ラインバッファ部704、シフトパルスス
イッチ708、水平シフトレジスタ705、ゲート信号
配線(以下、ゲート配線という)711及び、垂直シフ
トレジスタ706から構成されており、記録信号は、信
号入力端707から、タイミングをずらして順次各画素
あるいは、各ラインに転送されていく。
【0012】図19は、この従来のアクティブマトリク
ス液晶素子の駆動パルスタイミングを示す。図19にお
いては、線順次駆動方法について示してある。すなわ
ち、液晶に記録されるべき映像信号VINは、その映像信
号の周波数に同期した出力を出す水平シフトレジスタ7
05によって駆動するシフトパルススイッチ708を介
して、バッファ部704に1ライン分が記録される。あ
るn行目のラインの全画素の映像信号がラインバッファ
部704に記録された後、信号S1によってオンされ
た、ラインバッファ部704の出力スイッチ710と、
垂直シフトレジスタ706からの信号S2によってオン
された画素スイッチ702とを通してそのラインの各液
晶セル701に画素映像信号VLCn が記録される。各液
晶セルへの信号転送は、一般には、水平走査期間中のブ
ランキング期間中に、あるラインに対して一括になされ
る。上述のタイミングにより、各ラインに、順次画素映
像信号VLCn、LCn+1 …が記録されていく。
【0013】このように転送される信号電圧に対して、
セルを構成する液晶分子が動くことで、別にクロスポラ
ライザの関係で設けた偏向板の方向により、液晶セルの
透過率が変化する。この様子を図17に示す。
【0014】図17の横軸に示した信号電圧値VSIG
は、用いる液晶によって、その意味が異なる。例えば、
上記TN液晶を用いた場合は、その値は、実効電圧値
(Vrms)として定義される。この値についての定性
的な説明を、以下に、図18を用いて行なう。液晶にD
C成分が印加されるのを防止するために、1フレーム毎
にその信号電圧の極性を変えて信号が印加されるが、液
晶自身は、図中の斜線部分で示したAC電圧成分に対応
して動作する。したがって、実効電圧Vrms は、2
フレーム分の時間をtF 、液晶に転送される信号電圧を
LC(t)とすると、次式(1)で表される。
【0015】
【外1】
【0016】
【発明が解決しようとする課題】TFTにはゲート・ソ
ース間の寄生容量(以下Cgs)が存在する。このCg
sを通してのゲート電極の変化が画素電極4の電位のシ
フトを引きおこす。画素電位がシフトすると液晶13に
直流電圧が印加される場合が生じ、残像やフリッカが発
生したり、液晶が焼きついての信頼性上問題となる。画
素ごとに容量Csを置くことで、寄生容量Cgsによる
電位のシフトを小さく抑えることができる。また、TF
Tのリークにより画素電位が低下するとコントラストが
悪くなる。この問題に対してもCsを設けて、画素容量
を大きくすることで、画素電位の低下を小さく抑えるこ
とができる。
【0017】しかしながら、上述に説明した様に、蓄積
容量電極は一般に不透明なゲート電極と同一材料で形成
するため、Csを設けた場合には画素の開口率が下がっ
てしまうという問題があった。例えば、20μm角の画
素において、上述した効果を得るため50fFのCsを
設けようとすると、層間膜として1000ÅのSi酸化
膜を用いた場合には、145μm2 の面積を必要とす
る。これは画素面積の36%を占め、開口率が大きく低
下する。更に実際には、配線領域等も開口に寄与しな
い。また配線の段差などにより、その周囲に液晶の配向
不良が生じる場合があり、一般にこの配向不良領域は、
遮光層で覆い隠すが、これをフィルタ基板の遮光層で行
なった場合、フィルタ基板とTFT基板の貼り合わせ精
度は±数μmのオーダーであるため、そのズレ分をマー
ジンに見込んで開口率を設定すると、真の開口率は15
〜20%にまで低下してしまう。
【0018】また、蓄積容量として透明なITOを用い
る方法も試みられているが、ITOによる反射により液
晶表示装置の光利用効率は低下する、といった解決すべ
き技術的課題があった。
【0019】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明の目的
は、開口率、光利用効率を低下させることなく優れた画
像表示を可能とする液晶表示装置を提供することにあ
る。
【0020】本発明は、上述の課題を解決するための鋭
意検討を行なってなされたものであり下述する構成のも
のである。
【0021】即ち、本発明のアクティブマトリクス型液
晶表示装置は、データ信号配線と走査信号配線とで定ま
る複数の位置に対応して複数のスイッチング素子と、該
スイッチング素子に接続された複数の画素電極と、を配
して構成した素子基板と、前記画素電極と対向する対向
電極を配して構成した対向基板との間に液晶層を挟持し
てなるアクティブマトリクス型液晶表示装置において、
前記素子基板には前記データ信号配線もしくは前記走査
信号配線上の絶縁層を介して少なくとも一部に導電性の
遮光層が配され、該遮光層上には第2の絶縁層を介し
て、前記画素電極が配されていて、前記遮光層に電圧を
印加するようにしたことを特徴とするものである。
【0022】本発明の液晶表示装置は、画素の表示領域
を素子基板に設けた遮光層の開口端にて規定したものを
包含する。
【0023】本発明の液晶表示装置においては、データ
信号配線もしくは走査信号配線と画素電極の間に遮光層
を配置し、かつその遮光層に電圧を印加することで、画
素電極と遮光層の間に蓄積容量が形成される。これによ
り開口率、光利用効率を低下させることなく、蓄積容量
付加により残像・フリッカの低減、焼きつきの防止、コ
ントラストの向上が図れる。
【0024】
【実施例】以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳細
に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。本発明は、本発明の目的が達成される範囲内で構成
要素を公知技術と変更、置換したものをも包含する。
【0025】(実施例1)図面を参照しながら本発明の
液晶表示装置の一例について説明する。
【0026】図1は例の液晶表示装置の模式図である。
図1(a)は、素子基板の平面図を示し、図1(b)は
図1(a)をA−A′の位置で切断した場合の液晶表示
装置の断面図。図1(c)は、図1(a)のB−B′の
位置で切断した場合の液晶表示装置の断面図である。
【0027】図1において、1はゲート電極、2は走査
線、3は信号線、4は画素電極である。5は半導体層、
6はソース電極、7はドレイン電極、9は遮光層であ
り、10は遮光層の電位を固定する共通電極線である。
また、8は層間絶縁層、11は基板であり、12は配向
膜、13は液晶材である。14は対向透明電極、15は
層間膜、16は対向透明基板であり、17はカラーフィ
ルタ層である。図2に本例の等価回路図を示す。
【0028】本例の液晶表示装置においては、図1に示
される如く、共通電極線10により、遮光層9の電位を
与え、該層の電位を固定することができる。本例の場
合、例えば、20μm角の画素となるように液晶表示装
置を構成すると画素電極面積は18μm角=324μm
2 程度となる。従来例で説明したように、遮光層との重
なり面積を145μm2 とし、Csとして50fF形成
しても本例の場合、開口面積は324−145=179
μm2 となる。これは開口率44%に相当するものであ
り、本例によれば、従来のものに比べて開口率の大幅な
改善がみられた。
【0029】遮光層材としては光透過率が低く、かつ低
抵抗の材料が望ましく、Al、TaN、TiN、これら
の積層材などが用いられるが、これに限るものではな
い。
【0030】図10は、本例の液晶表示装置を製造する
工程を説明するための模式図である。まずウェハ貼り合
わせ技術や、ガラス基板11上への多結晶層やa型Si
層1012の堆積によって形成されたSOI(Sili
con On Insulator)基板(同図
(a))を用意し、SOI基板上のSi層1012をフ
ォト・エッチング工程でパターニングし、TFT形成領
域をつくる。次にTFTのゲート酸化膜1013を熱酸
化により形成した後、ゲート電極材となる多結晶Si膜
を堆積し、この膜をフォト・エッチング工程でパターニ
ングして、ゲート電極1を形成する。ゲート電極の両側
にSOI基板上のSi層とは逆導電型の不純物をイオン
注入・アニールしてTFTのソース・ドレイン領域10
06、1007を形成する(同図(c))。TFTを形
成後、その上に層間絶縁膜8を堆積する。層間絶縁膜に
コンタクトホールを形成し、そこにAlなどの導電膜を
堆積・パターニングして、ソース・ドレインの引き出し
電極6、7及び配線を形成する。この時、同時に共通電
極配線10も形成される(同図(d))。
【0031】これら配線の形成後、第2の層間絶縁膜1
008を堆積する。ビアホールを形成した後、AlやT
aNなどの遮光膜9を堆積パターニングする。さらに、
第3の絶縁膜1018を堆積後、第2のビアホールを形
成し、その上にITOなどの透明導電膜を堆積・パター
ンニングして画素電極(不図示)を形成する。その上に
保護膜(不図示)を堆積する(同図(e))。
【0032】その上に配向処理を施し、別に用意した対
向基板とギャップ材を介して貼り合わされる。両基板の
間には液晶を封入する(図1(b)参照)。TN(ツイ
ストネマティック)液晶の場合はさらに貼り合わせた両
基板の外側に偏向板を配置し、先に述べたように液晶に
印加する電圧で光の偏向角を制御することで透過率を変
えることができる。
【0033】ここでは、液晶駆動用の素子としてTFT
を用いていたが、本発明はこれに限るものではなく、駆
動素子としてはMIM(Metal Insulato
rMetal)素子、ダイオードなどを使用することも
できる。
【0034】本発明は、透過型液晶表示装置に限るもの
ではなく、反射型の液晶表示装置としても適用できる。
【0035】また、本発明において、蓄積容量電極の電
位は固定に限るものではない。蓄積容量電極にパルス波
形を印加することで、画素電極電位をコントロールし、
液晶に印加される直流電圧をさらに低減し、残像、フリ
ッカ、焼きつきをなくす、という効果も得ることができ
る。
【0036】先に述べたように、走査線2の電位変化に
より画素電極4の電位はシフトを引き起こす。液晶セル
の容量をCLC、蓄積容量CADD 、TFTのゲート・ソー
ス寄生容量をCgs、ゲートの電位変化分(TFTをO
N−OFFするためのゲート電圧の振幅)をΔVG とす
ると、画素電極のふられΔVLC1 は次の式、式(2)で
表される。
【0037】
【外2】
【0038】液晶容量CLCと並列に蓄積容量CADD を設
けたことで、ふられΔVLC1 が低減されることがこの式
からわかる。図11にΔVLC1 による画素電極の電位変
化を示す。
【0039】蓄積容量電極にパルス波形を印加すること
で、逆方向のふられを生じさせ、上記ΔVLC1 を相殺す
ることができる。また、蓄積容量電極に印加するパルス
の振幅をΔVADD とすると、画素電極のふられΔVLC2
は次の式、式(3)で表される。
【0040】
【外3】
【0041】ΔVLC2 =−ΔLC1 となるようにΔVADD
の値を設定することで図19に示した様に画素電位のふ
られを相殺することができる。
【0042】蓄積容量電極へのパルスの印加は、表示装
置の駆動法により、一括駆動、線順次駆動が使い分けら
れる。
【0043】(実施例2)図3乃至図6を用いて説明す
る。図3(a)は、素子基板の平面図を示し、図3
(b)は、図3(a)をA−A′の位置で切断した場合
の液晶表示装置の断面図である。尚、図3(b)では配
向膜の形成以降に形成される層は簡略化のため省略し
た。実施例1では、画素ごとに遮光層9と共通電極配線
10とを接続して電位を固定していたのに対し、本例で
は画素内では遮光層の電位はとらず、画素領域の外周で
電位をとるようにしている。図4に本例の等価回路図を
示す。本例においては、実施例1と比べて、遮光層9と
低抵抗層10との接続領域が、画素内で不要になるた
め、その分、開口率が広げられる、といったメリットが
得られる。また、コンタクト部が減り、段差もゆるやか
になるため、配線のショートも減り歩留まりも向上す
る。更に段差に起因する液晶の配向不良も低減され白抜
けが減り、コントラストの向上が図れる。遮光層9の電
位制御については、遮光材を外部接続領域まで延長し、
そこに直接、ボンディングや圧着により外部で印加する
ようにすることができる。図5に示したように、一旦、
Alのような低抵抗の配線20を介して外部に引き出す
ことも可能である。図6は図5で示したものよりも製造
工程を簡略化したものである。21は画素電極4の形成
と同一工程でつくられるジャンパー層である。図5の例
では遮光層9と配線20との接続のために、専用の穴あ
け工程を必要としたが、図6の例では画素電極4の接続
のための穴あけ工程で、同時に遮光層9のための穴あけ
も行なえるため、工程を簡略化できる。
【0044】(実施例3)図7に本例の液晶表示装置の
構成を説明するための模式図を示す。本例は、絶縁膜を
介して画素電極をTFTと反対の面に設けた例である。
【0045】画素電極TFTと反対の面に配置すること
で、画素電極周囲の段差が軽減されて、より良好な配向
処理が行なえることが期待される。本構成の場合にも、
遮光層9を画素電極4の側に設け、その間に蓄積容量を
形成することで、同様の効果を得ることができる。遮光
層9及び遮光層9と画素電極4の間の層間膜8は、10
00Å前後の極薄膜であるので、画素電極4周囲の段差
を増大させることはない。
【0046】図9に、本例の構造を得るための製造工程
の説明図を示す。同図に示したように、Si基板801
上の絶縁膜810上にTFTを形成する(同図
(b))。この後、同図(c)に示すようにSi基板a
上部に接着層802を介して透明基板803を接着させ
る。さらにSi基板裏面を研磨、エッチングして絶縁膜
810を露出させる(同図(d))。この工程後、裏面
に遮光層及び画素電極を形成する(図7参照)。
【0047】(実施例4)図8に本例の液晶表示装置の
構成を説明するための模式図を示す。本例においては、
ゲート電極1を形成するのと同一の工程で、電極22を
形成した。電極22はドレイン電極7に接続されてい
る。電極22と低抵抗層10との間には、第2の蓄積容
量が、遮光層9と画素電極4との間に形成される第1の
蓄積容量と電気的に並列に形成されている。本例におい
ては、遮光領域を有効に使い、遮光層の下にも第2の蓄
積容量を設けることで、十分なCS を付加した上で、さ
らに開口率を向上させることが可能となる。
【0048】(実施例5)本例では、アクティブマトリ
クス基板と対向する対向電極に印加される電位を変化さ
せる例を示す。
【0049】本発明の液晶表示装置は、対向電極の電位
COM を一定として作動させるだけでなく図13に示し
たように、VCOM をフレームごとに反転させて作動させ
ても良い。本例のごとくVCOM を反転させて作動させる
ことにより信号電圧の振幅を低減でき、信号電圧を発生
する周辺回路の簡略化、低消費電力化が図れる。また、
液晶素子内で信号を転送するシフトパルススイッチの耐
圧条件が緩和され、信頼性が向上するといった新たな効
果が奏される。
【0050】例えば、液晶に印加する実効電圧として最
大5Vが必要であるとすると、VCOM を反転させない場
合には信号電圧として±5V=10Vの振幅が必要であ
るが、本例のようにVCOM を5V振幅でフレームごとに
反転させれば信号電圧として±2.5V=5V振幅の電
圧印加により、最大5Vの電圧を液晶に印加することが
できる。VCOM の電位を変える周期は、フレーム周期に
限るものではなく画素構造との組み合わせにより一水平
走査期間ごと等、他のタイミングをも採用することがで
きる。反転させるVCOM の値は、5V振幅のみならず、
適宜設定することができる。
【0051】
【発明の効果】以上の説明あるいは種々の実施例から理
解されるように、本発明の液晶表示装置においては、デ
ータ信号配線もしくは、走査信号配線と画素電極の間に
遮光層を配置し、かつその遮光層に電圧を印加すること
で画素電極と遮光層の間に蓄積容量が形成される。これ
により本発明によれば、開口率、光利用効率を低下させ
ることなく、蓄積容量付加により残像・フリッカの低
減、焼きつきの防止、コントラストの向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液晶表示装置の一例を示す模式図であ
る。
【図2】図1の液晶表示装置の等価回路図である。
【図3】本発明の液晶表示装置の一例を示す模式図であ
る。
【図4】図3の液晶表示装置の等価回路図である。
【図5】本発明の液晶表示装置の一例を示す模式図であ
る。
【図6】本発明の液晶表示装置の一例を示す模式図であ
る。
【図7】本発明の液晶表示装置の一例を示す模式図であ
る。
【図8】本発明の液晶表示装置の一例を示す模式図であ
る。
【図9】本発明の液晶表示装置の製造工程の一例を説明
するための模式図である。
【図10】本発明の液晶表示装置の製造工程の一例を説
明するための模式図である。
【図11】本発明の液晶表示装置の動作例を示すグラフ
である。
【図12】本発明の液晶表示装置の動作例を示すグラフ
である。
【図13】本発明の液晶表示装置に適用可能な駆動パル
スのタイミングを示す模式図である。
【図14】従来の液晶表示装置を示す模式図である。
【図15】従来の液晶表示装置の等価回路図である。
【図16】液晶表示装置の基本回路図である。
【図17】液晶セルの透過率の変化を示しグラフであ
る。
【図18】液晶セルの動作を説明するための模式図であ
る。
【図19】液晶表示装置の駆動パルスのタイミングを示
す模式図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/786

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 データ信号配線と走査信号配線とで定ま
    る複数の位置に対応して複数のスイッチング素子と、該
    スイッチング素子に接続された複数の画素電極と、を配
    して構成した素子基板と、前記画素電極と対向する対向
    電極を配して構成した対向基板との間に液晶層を挟持し
    てなるアクティブマトリクス型液晶表示装置において、
    前記素子基板には前記データ信号配線もしくは前記走査
    信号配線上の絶縁層を介して少なくとも一部に導電性の
    遮光層が配され、該遮光層上には第2の絶縁層を介し
    て、前記画素電極が配されていて、前記遮光層に電圧を
    印加するようにしたことを特徴とするアクティブマトリ
    クス型液晶表示装置。
  2. 【請求項2】 前記遮光層がAl、TaN、TiNから
    選択される材料を用いて構成される請求項1に記載のア
    クティブマトリクス型液晶表示装置。
  3. 【請求項3】 前記スイッチング素子が、薄膜トランジ
    スタで構成される請求項1に記載のアクティブマトリク
    ス型液晶表示装置。
  4. 【請求項4】 前記遮光層は、定電位に保持される請求
    項1に記載のアクティブマトリクス型液晶表示装置。
  5. 【請求項5】 前記遮光層には、前記複数の画素電極に
    対応して電圧が印加される請求項1に記載のアクティブ
    マトリクス型液晶表示装置。
  6. 【請求項6】 前記遮光層は、前記スイッチング素子を
    基準にして、前記画素電極側に設けられている請求項1
    に記載のアクティブマトリクス型液晶表示装置。
  7. 【請求項7】 前記対向電極に印加する電圧を周期的に
    変化させるようにした請求項1に記載のアクティブマト
    リクス型液晶表示装置。
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