JP2005258004A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】コントラスト特性に優れた液晶表示素子を提供する。
【解決手段】液晶表示素子は、カラーフィルタを有したアレイ基板１と、このアレイ基板に所定の隙間を保持して対向配置された対向基板２と、を備えている。対向基板２は、ガラス基板３１と、このガラス基板上に形成された中間層３３と、この中間層上に形成された共通電極３４と、を有している。可視光波長に対する中間層３３の屈折率は、可視光波長に対するガラス基板３１の屈折率を超え、可視光波長に対する共通電極３４の屈折率未満である。
【選択図】 図１

Description

この発明は、液晶表示素子に関する。

一般に、液晶表示素子は、薄型、低消費電力、高画質の画像表示装置として需要も活発化し、その技術進歩も著しい。上記した液晶表示素子は、アレイ基板と、このアレイ基板に所定の隙間を保持して対向配置された対向基板と、これら２つの基板間に狭持された液晶層と、を備えている。アレイ基板および対向基板の一方の基板は、赤色、緑色、青色の３色の着色層からなるカラーフィルタを設けている。

カラーフィルタを対向基板に設ける場合には、アレイ基板と対向基板との位置合わせを高精度に制御する必要があるため、近年では、カラーフィルタがアレイ基板に設けられたＣＯＡ（color filter on array）構造の液晶表示素子が開発されている。また、近年では画素の開口率向上を図るため、アレイ基板上の配線と画素電極とを別層構造に配置して両者の平面的な隙間をなくす構造も多く採用されている。この場合、アレイ基板上の配線上に絶縁層を形成する必要があるが、ＣＯＡ構造はこの絶縁層をカラーフィルタが兼ねることが可能であり、プロセス的にも有利なものである。

次に、ＣＯＡ構造の液晶表示素子について説明する。アレイ基板はガラス基板を備え、このガラス基板上には、複数のゲート配線と、これらゲート配線と交差した複数の信号配線と、が配設されている。

ガラス基板、ゲート配線、および信号配線上に赤色、緑色、青色の３色の着色層からなるカラーフィルタ、および複数の画素電極が順次形成されている。ゲート配線および信号配線は、画素電極間の隙間を覆うように配設され、ブラックマトリクス（ＢＭ）の機能を有している。このため、ゲート配線および信号配線は、画素電極間の光抜けの防止と、液晶表示素子のコントラスト特性の向上に寄与している（例えば、特許文献１参照）。

また、ゲート配線および信号配線は、画素電極間の隙間よりも十分に広い幅を有している。このため、着色層のパターン端部の膜厚がそのパターン中央の膜厚より厚くなったり、薄くなったりした場合や、画素電極間に横電界が生じる駆動方法を用いた場合、画素電極間上のみならず画素電極近傍の画素電極上で生じる光抜けも抑制することができる。ゲート配線および信号配線を形成する材料は、配線抵抗を抑える観点から金属が好ましいが、金属であるが故に光を反射してしまうという特性があり、これら十分に広い幅を有したゲート配線および信号配線に入射される外光の反射を十分に抑制することは困難である。

上記したことは、ゲート配線および信号配線の幅を狭くすることで解決するが、着色層のパターン端部の膜厚がそのパターン中央の膜厚より厚くなったり、薄くなったりした場合や、画素電極間に横電界が生じる駆動方法を用いた場合、光抜けは、画素電極間上のみならず画素電極近傍の画素電極上でも生じる。このため、ゲート配線および信号配線の幅を狭くすると、結果的にコントラスト特性が著しく低下する。

対向基板はガラス基板を備え、ガラス基板上には酸化錫やインジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと称する）からなる共通電極、およびポリイミドからなる配向膜が順次形成されている。共通電極を形成する材料の可視光波長に対する屈折率は略２．０程度ある。これに対し、ガラス基板の屈折率や液晶材料の屈折率は略１．５、配向膜材料であるポリイミドの屈折率は１．６５程度である。これより、共通電極−配向膜間、および配向膜−液晶層間の屈折率差は、共通電極−ガラス基板間の屈折率差と比較すると小さい。共通電極−ガラス基板間の屈折率は大きく、この界面にてフレネル反射が生じる。このため、液晶表示素子に外光が入射した際、対向基板の共通電極およびガラス基板間の界面で強い反射が生じ、コントラスト特性が低下する。

なお、対向基板にカラーフィルタを設けた液晶表示素子に外光が入射した場合、フレネル反射は、カラーフィルタの屈折率と共通電極の屈折率の差により生じる。しかしながら、カラーフィルタの屈折率が共通電極の屈折率と透明電極の屈折率の中間であることが多く、また、共通電極およびカラーフィルタ間の界面でのフレネル反射により、その界面で反射した外光はカラーフィルタを２度透過する。そのため、入射した外光は、カラーフィルタでかなり吸収され、実際は殆ど問題とはならない。

しかしながら、上述した液晶表示素子はアレイ基板側にカラーフィルタを設けたＣＯＡ構造のため、共通電極−ガラス基板間の界面でのフレネル反射は大きい上に、その反射した光は殆ど吸収されない。そのためＣＯＡ構造とした場合、コントラスト特性を著しく低下させている。

また、ゲート配線および信号配線の幅を狭くするとともに、対向基板側にこれらゲート配線および信号配線と重なったＢＭ層を設けたＣＯＡ構造の液晶表示素子の場合、ゲート配線および信号配線上での金属反射を防ぐことができるため、コントラストの低下はある程度軽減できる。しかしながら、共通電極−ガラス基板間の界面でのフレネル反射は防止できないため、十分なコントラスト特性を得ることはできていない。

更に、ＢＭ層が設けられたことにより対向基板の表面に段差が生じる。これにより、ＢＭ層端部近傍の領域において、共通電極に近い液晶層界面の液晶分子の傾き角は、これ以外の領域と異なる。このため、ＢＭ層端部近傍の領域で光抜けが生じ、コントラスト特性が低下してしまう。この問題は、ＢＭ層の膜厚が厚いほど生じやすい。

なお、対向基板側にＢＭ層を設ける場合、ＢＭ層は配線等、他の機能を有する必要が無いので遮光性が優れていればよい。そのため、反射率の低い金属などを材料にＢＭ層を形成すれば十分薄くすることができる。しかしながら、この場合、ＢＭ層のパターン形成のためにフォトレジストが必要となる。このため、レジスト材料を用いて直接ＢＭ層を形成することが多く、ＢＭ層の膜厚は必然的に厚くなり、コントラスト特性の低下を招いている。
特開２０００−１３７２４２号公報

上記したように、ＣＯＡ構造の液晶表示素子は以下の３つの問題がある。（１）ゲート配線および信号配線の幅を広くすると、入射した外光はこれらの配線での反射により、液晶表示素子のコントラスト特性が低下すること。（２）対向基板の、共通電極−ガラス基板間の界面でのフレネル反射が大きい上に反射した光は殆ど吸収されないため、コントラスト特性が著しく低下すること。（３）対向基板側にＢＭ層を設けた場合、ＢＭ層に起因した対向基板表面の段差により、共通電極に近い液晶層界面の液晶分子の傾き角は、ＢＭ層端部近傍の領域以外の領域と異なってしまうため、そのＢＭ層端部近傍の領域で光抜けが生じ、コントラスト特性が低下すること。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、コントラスト特性に優れた液晶表示素子を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の態様に係る液晶表示素子は、カラーフィルタを有したアレイ基板と、前記アレイ基板に所定の隙間を保持して対向配置された対向基板と、を備え、前記対向基板は、基板と、この基板上に形成された透明な中間層と、この中間層上に形成された共通電極と、を有し、可視光波長に対する前記中間層の屈折率は、可視光波長に対する前記基板の屈折率を超え、可視光波長に対する前記共通電極の屈折率未満であることを特徴としている。

この発明によれば、コントラスト特性に優れた液晶表示素子を提供することができる。

以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態に係る液晶表示素子について詳細に説明する。
図１および図２に示すように、液晶表示素子は、アレイ基板１と、このアレイ基板に所定の隙間を保持して対向配置された対向基板２と、アレイ基板および対向基板の間に狭持された液晶層３と、を備えている。

アレイ基板１は、透明な絶縁基板としてガラス基板１１を有している。このガラス基板１１上には、アンダーコート膜としての絶縁膜１２が成膜されている。絶縁膜１２上には、第１配線としてのゲート配線１５と、第２配線としての信号配線１７と、がそれぞれ複数本配設されている。複数のゲート配線１５と、複数の信号配線１７と、はマトリクス状に配設されている。ゲート配線１５および信号配線１７の各交差部にはスイッチング素子として薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと称する）２１が設けられている。

次に、ＴＦＴ２１の構成を説明する。絶縁膜１２が成膜されたガラス基板１１上にチャネル層（活性層）１３が形成され、ガラス基板およびチャネル層上にゲート絶縁膜１４が成膜されている。ゲート絶縁膜１４上には、チャネル層１３に重なったゲート配線１５が配設され、ゲート絶縁膜およびゲート配線上に層間絶縁膜１６が成膜されている。

層間絶縁膜１６上には、信号配線１７と、この信号配線の一部を延出したソース配線１８と、ドレイン配線１９と、が形成されている。ソース配線１８は、ゲート絶縁膜１４および層間絶縁膜１６に形成されたコンタクトホールを介してチャネル層１３のソース領域と接続されている。ドレイン配線１９は、ゲート絶縁膜１４および層間絶縁膜１６に形成されたコンタクトホールを介してチャネル層１３のドレイン領域と接続されている。

層間絶縁膜１６、信号配線１７、ソース配線１８、およびドレイン配線１９上にパシベーション膜２０が成膜されている。パシベーション膜２０上には、それぞれストライプ状の赤色の着色層２２Ｒ、緑色の着色層２２Ｇ、および青色の着色層２２Ｂが隣接し交互に並んで配設されている。これら着色層２２Ｒ、着色層２２Ｇ、および着色層２２Ｂは、カラーフィルタを構成している。ここで、着色層２２Ｒ、着色層２２Ｇ、および着色層２２Ｂの周縁は、例えば、ゲート配線１５および信号配線１７にそれぞれ重なって形成されている。

隣接した２本のゲート配線１５および２本の信号配線１７で囲まれた領域の着色層２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ上には、ＩＴＯ（インジウム・すず酸化物）等の透明な導電膜により画素電極２３がそれぞれ形成されている。各画素電極２３は、着色層およびパシベーション膜２０に形成されたコンタクトホールを介してドレイン配線１９に接続されている。画素電極２３の周縁部は、ゲート配線１５および信号配線１７に重ねて位置している。ゲート配線１５および信号配線１７はブラックマトリクス（ＢＭ）としての遮光機能を有している。着色層２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂおよび画素電極２３上には、配向膜２４が形成されている。

対向基板２は、透明な絶縁基板としてガラス基板３１を有している。このガラス基板３１上には、透明な絶縁層としての中間層３３、およびＩＴＯ等の透明な導電膜により共通電極３４が順次形成されている。ここで、中間層３３は、ガラス基板３１の表面に直接形成されている。同様に、共通電極３４は、中間層３３の表面に直接形成されている。共通電極３４上には、配向膜３５が形成されている。中間層３３は透明であればよく、ほぼ透明であっても完全に近い透明でもよい。

アレイ基板１および対向基板２間の隙間は、これら両基板の一方の基板上に配設された図示しない複数の柱状スペーサにより保持されている。アレイ基板１および対向基板２は、これら両基板の周縁部に配置された図示しないシール材により互いに接合されている。なお、配向膜２４、３５には、液晶層３内の液晶分子の捩れ角が９０°となるよう所定方向にラビング処理が施されている。アレイ基板１および対向基板２の外面には、図示しない偏光板がそれぞれ配置されている。

次に、上記液晶表示素子の一層詳しい構成を、その製造方法と併せて説明する。
まず、ガラス基板１１を用意する。ガラス基板１１上に絶縁膜１２を成膜した後、成膜およびパターニングを繰り返す等、通常の製造工程により、絶縁膜上にＴＦＴ２１を形成する。また、ガラス基板１１上には、ゲート配線１５、信号配線１７、およびパシベーション膜２０を形成する。

続いて、スピンナを用い、赤色レジストとして、例えば赤色の顔料を分散したネガ型の紫外線硬化型アクリル樹脂レジストをガラス基板１１上に塗布する。その後、赤色を着色したい領域に光が照射されるようなフォトマスクを用い、赤色レジストにパターンを露光する。露光する際、赤色レジストには、波長を３６５ｎｍ、露光量を１００ｍＪ／ｃｍ^２として紫外線を照射する。

次に、露光した赤色レジストを、水酸化カリウム（ＫＯＨ）の１％水溶液で１０秒間現像した後、２３０℃で１時間焼成することにより、膜厚２．０μｍの赤色の着色層２２Ｒを形成する。以後、着色層２２Ｒと同様の工程を繰り返し、膜厚２．０μｍの緑色の着色層２２Ｇおよび青色の着色層２２Ｂをガラス基板上に順次形成する。

続いて、フォトエッチング法を用い、ドレイン配線１９に重なったパッシベーション膜２０および着色層を除去してスルーホールを形成する。その後、スパッタリング法により、スルーホール、および着色層２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ上に、膜厚１５００ÅのＩＴＯを堆積する。次いで、フォトエッチング法を用い、ＩＴＯをパターニングすることにより、複数の画素電極２３を形成する。続いて、例えば、膜厚７００Åのポリイミド樹脂をガラス基板１１全面塗布した後、ラビング処理を行なうことにより配向膜２４を形成する。

一方、対向基板２は、ガラス基板３１を用いる。このガラス基板３１は、例えば、可視光波長に対する屈折率ｎｇが１．５である。転写方式によりＲＴＺ膜（触媒化成工業（株））をガラス基板３１上に印刷した後、このＲＴＺ膜を９０℃で５分間乾燥させる。その後、紫外線を照射し、ＲＴＺ膜を硬化させる。本実施の形態において、ＲＴＺ膜の材料は、膜厚１００００Åとなるよう溶媒濃度が調整されたものを用いている。ＲＴＺ膜を２００℃で２０分間焼成することにより、波長５５０ｎｍにおける屈折率ｎｍが１．７５である中間層３３が得られた。

その後、スパッタリング法を用いて、中間層３３上に膜厚１０００ÅのＩＴＯを堆積し、共通電極３４を形成する。この共通電極３４は、例えば、可視光波長に対する屈折率ｎｉが２．０である。続いて、共通電極３４ガラス基板３１全面に配向膜を形成した後、ラビング処理を行なうことにより配向膜３５を形成する。

上記のように形成されたアレイ基板１および対向基板２は、複数の柱状スペーサにより所定の隙間を保持して対向配置し、両基板をその周縁部に配置したシール材により貼り合せる。そして、シール材に形成された図示しない液晶注入口により両基板の間に正のネマティック液晶を注入した後、液晶注入口を紫外線硬化型樹脂等の封止材で封止する。これにより、アレイ基板１および対向基板２の間に液晶が封入され、液晶層３が形成される。上記した製造方法により、ＴＮ型の液晶表示素子が完成する。

上記のように構成された液晶表示素子および液晶表示素子の製造方法によれば、対向基板２において、中間層３３の屈折率ｎｍはガラス基板３１の屈折率ｎｇおよび共通電極３４の屈折率ｎｉの平均値とほぼ等しい。このため、ガラス基板３１および中間層３３、並びに中間層および共通電極３４の各界面における屈折率差は０．２５と小さい。これにより、対向基板２の外面側から外光が入射する場合でも、上記各界面で生じるフレネル反射を低減できる。上記したことからコントラストの向上を図ることができる。フレネル反射を低減する効果は上記各界面における屈折率差のうち、最も大きい屈折率差が小さいほど効果的である。このため、屈折率ｎｍが屈折率ｎｇと屈折率ｎｉの平均値となる中間層３３を用いるとフレネル反射を低減する効果は最大となる。

上記したことから、着色層のパターン端部の膜厚がそのパターン中央の膜厚より厚くなったり、薄くなったりした場合や、画素電極間に横電界が生じる駆動方法を用いた場合でも、コントラストの低下を招くことはない。更に、ゲート配線１５および信号配線１７を金属等いかなる材料を用いて形成する場合や、これら配線の幅を画素電極２３間の隙間より広く形成する場合でも、コントラストの低下を招くことはない。

屈折率ｎｍは、その膜厚を最適化することにより調節できる。これにより、液晶表示素子の光学的表示性能を向上させることができる。また、屈折率ｎｍは、屈折率ｎｇを超え、屈折率ｎｉ未満であれば（ｎｇ＜ｎｍ＜ｎｉ）、フレネル反射を低減することができる。

特定の屈折率ｎｍを有するための中間層３３の膜厚は、多重反射をジョーンズマトリクス法を用いて計算すれば得られる。例えば、屈折率ｎｇが１．５、屈折率ｎｉが２．０であり、屈折率ｎｍを１．６とする場合、中間層３３の膜厚は１０００Åとなる。この実施の形態によれば、照度５０００ルクス（ｌｘ）の環境で液晶表示素子のコントラスト特性を測定したところ、１５０：１と極めて良好な値が得られる。このため、中間層３３を設けない液晶表示素子のコントラスト特性１５：１を大幅に上回ることがわかる。

次に、この発明の他の実施の形態に係る液晶表示素子および液晶表示素子の製造方法について説明する。
図３に示すように、対向基板２は、ガラス基板３１を用いる。このガラス基板３１上に、遮光性を有する材料として、例えば、ＪＳＲ製の黒レジスト材料（以下、黒色レジストと称する）をスピンコートにより塗布する。次いで、フォトマスクを黒色レジスト層と対向して配置する。そして、フォトマスクを介して紫外線を照射し、黒色レジスト層を露光する。ここで、フォトマスクは階調パターンを有し、アレイ基板１のゲート配線１５および信号配線１７に重なる第１領域と、それ以外の第２領域と、を有し、第１領域のみ光が透過するよう構成されている。

続いて、露光された黒色レジスト層を現像し、不要な部分を除去することにより、クロスストライプ状の遮光層として、膜厚１．０μｍのＢＭ層３２が形成される。その後、上述した実施の形態と同様、ＢＭ層３２が形成されたガラス基板３１上に中間層３３、共通電極３４、および配向膜３５を順次形成する。また、屈折率ｎｍは、屈折率ｎｇを超え、屈折率ｎｉ未満に調節されている。

中間層３３は、ＢＭ層３２からなる段差を有した対向基板２の表面を平坦化する機能を有し、アレイ基板１と対向した中間層の表面は平坦に形成されている。アレイ基板１および対向基板２を貼り合わせる際、ゲート配線１５および信号配線１７、並びにＢＭ層３２を重ねて貼り合わせる。ここで、ＢＭ層３２は、ゲート配線１５および信号配線１７より広い幅を有している。

上記のように構成された、他の実施の形態に係る液晶表示素子および液晶表示素子の製造方法によれば、屈折率ｎｍは、屈折率ｎｇを超え、屈折率ｎｉ未満に調節されているため、フレネル反射を低減することができる。また、中間層３３の表面は平坦に形成され、液晶層に接した配向膜も平坦に形成されている。このため、対向基板２側にＢＭ層３２を形成した場合であっても、ＢＭ層の周縁部外側と重なった領域であり、画素電極２３の周縁部近傍で生じる光抜けを抑制することができる。上記したことにより、コントラストの向上を図ることができる。

この実施の形態によれば、照度５０００ｌｘの環境で液晶表示素子のコントラスト特性を測定したところ、２００：１と極めて良好な値が得られる。このため、中間層３３を設けない液晶表示素子のコントラスト特性２０：１を大幅に上回ることがわかる。上記液晶表示素子において、他の構成は上述した実施の形態と同一であり、その詳細な説明を省略した。

なお、この発明は、上述した実施の形態に限定されることなく、この発明の範囲内で種々変形可能である。例えば、上述した実施の形態では、第１配線をゲート配線１５として説明したが、この第１配線はゲート配線に平行に延びた図示しない補助容量線でも良い。この場合、着色層２３Ｒ、２４Ｇ、２５Ｂ、および各画素電極２３は補助容量線および信号配線１７によって囲まれた領域に配置され、これら周縁部は、補助容量線および信号配線の一部に重なって設けられている。

この発明の実施の形態に係る液晶表示素子の断面図。 図１に示したアレイ基板の平面図。 この発明の他の実施の形態に係る液晶表示素子の断面図。

符号の説明

１…アレイ基板、２…対向基板、１１…ガラス基板、３１…ガラス基板、３２…ＢＭ層、３３…中間層、３４…共通電極，ｎｇ…ガラス基板の屈折率、ｎｍ…中間層の屈折率、ｎｉ…共通電極の屈折率

Claims (5)

1. カラーフィルタを有したアレイ基板と、前記アレイ基板に所定の隙間を保持して対向配置された対向基板と、を備え、
   前記対向基板は、基板と、この基板上に形成された中間層と、この中間層上に形成された共通電極と、を有し、
   可視光波長に対する前記中間層の屈折率は、可視光波長に対する前記基板の屈折率を超え、可視光波長に対する前記共通電極の屈折率未満であることを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記アレイ基板を構成する基板と、この基板上に形成された複数の第１配線およびこれら複数の第１配線と交差した複数の第２配線と、
   前記対向基板の基板と中間層との間に配設されているとともに、前記複数の第１配線または複数の第２配線と対向した遮光層と、を有し、
   前記中間層の前記対向電極側の表面は平坦であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記カラーフィルタは、前記アレイ基板上に並べて形成された複数の着色層を有し、
   前記各着色層の周縁は、前記第１配線、または第２配線に重なって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子。
4. 前記アレイ基板は、それぞれ第１配線および第２配線に接続された複数のスイッチング素子と、前記各スイッチング素子と接続されているとともに、前記着色層上に形成された複数の画素電極と、を有していることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示素子。
5. 可視光波長に対する前記中間層の屈折率は、可視光波長に対する前記基板の屈折率と、可視光波長に対する前記共通電極の屈折率と、の平均値とほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。

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