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JP2015118193A - 液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】IPS方式の液晶表示装置において、画素周辺における透過率を向上させ、画面輝度を向上させる。【解決手段】コモン電極108の上に層間絶縁膜109を介してスリット40を有する画素電極110が形成されている。平面で見て画素電極110の端部より外側のコモン電極108に開口部30が形成されている。開口部30の存在により、画素電極110端部からの電気力線が液晶層のより上部まで到達し、かつ、画素電極110の端部からより遠くまで到達するので、画素周辺部における液晶の制御能力を向上させることが出来る。したがって、画素全体としての透過率を上げることが出来、画面輝度を向上させることが出来る。【選択図】図4

Description

本発明は表示装置に係り、特に視野角特性が優れ、かつ、輝度向上したIPS方式の液晶表示装置に関する。
液晶表示装置では画素電極および薄膜トランジスタ(TFT)等を有する画素がマトリクス状に形成されたTFT基板と、TFT基板に対向して、TFT基板の画素電極と対応する場所にカラーフィルタ等が形成された対向基板が配置され、TFT基板と対向基板の間に液晶が挟持されている。そして液晶分子による光の透過率を画素毎に制御することによって画像を形成している。
液晶表示装置はフラットで軽量であることから、色々な分野で用途が広がっている。携帯電話やDSC(Digital Still Camera)等には、小型の液晶表示装置が広く使用されている。液晶表示装置では視野角特性が問題である。視野角特性は、画面を正面から見た場合と、斜め方向から見た場合に、輝度が変化したり、色度が変化したりする現象である。視野角特性は、液晶分子を水平方向の電界によって動作させるIPS(In Plane Switching)方式が優れた特性を有している。
IPS方式も種々存在するが、例えば、コモン電極を平面ベタで形成し、その上に、絶縁膜を挟んで櫛歯状の画素電極を配置し、画素電極とコモン電極の間に発生する電界によって液晶分子を回転させる方式が透過率を大きくすることが出来るので、現在主流となっている。このような構成における液晶表示装置において、画素の透過率を向上させるために、コモン電極の断面形状を変えたものとして、特許文献1、特許文献2、特許文献3が挙げられる。また、画素電極とコモン電極の間の容量を調節するために、コモン電極に開口を設けた構成が特許文献4に記載されている。
特開2009−150952号公報 特開2007−86576号公報 特開2007−240911号公報 特開2009−116058号公報
図14は、IPS方式の液晶表示装置の画素の平面図である。図14において、走査線10と映像信号線20とで囲まれた領域に画素が形成されている。画素内にスリット40を有する矩形の画素電極110が形成され、画素電極110の下側には、層間絶縁膜を介して平面状にコモン電極108が形成されている。画素電極110に電圧が加わると、画素電極110から液晶層を通り、画素電極110のスリット40あるいは画素電極110の端部の外側を通ってコモン電極に向かう電気力線が発生する。
この電気力線の基板の平面と平行方向の成分によって液晶分子が回転し、液晶層の光の透過率を制御する。この電気力線の密度は、画素電極110のスリット40におけるよりも画素電極110の端部におけるほうが小さい。スリット40では、両側の画素電極110からの電気力線が通過するのに対し、画素電極110の端部の外側では、片方からのみの電気力線であり、映像信号線近くにおける電界強度は非常に小さくなる。
したがって、従来は、画素電極110周辺の液晶を十分に利用できておらず、透過率が十分でなかった。本発明の課題は、画素電極110周辺の液晶も十分に利用し、画素の透過率、したがって、画面輝度を向上させることである。
本発明は上記問題を克服するものであり、具体的な手段は次のとおりである。
(1)第1の方向に延在し、第2の方向に配列した走査線と、第2の方向に延在し、第1の方向に配列した映像信号線に囲まれた領域に画素電極が形成された画素がマトリクス状に形成されたTFT基板と、対向基板との間に液晶層が挟持された液晶表示装置であって、前記画素電極の下層には層間絶縁膜を介してコモン電極が形成され、前記画素電極の前記第1の方向の端部の両外側に、平面で見て、前記コモン電極に前記第2の方向に長軸を有する開口部が形成され、前記開口部は、前記画素電極の前記第1の方向の端部の両外側以外には形成されていないことを特徴とする液晶表示装置。
(2)前記開口部は、平面で見て、前記映像信号線とはオーバーラップしていないことを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(3)前記画素電極の前記第1の方向の端部と、前記コモン電極の前記開口部の、前記画素電極の前記第1の方向の端部から遠いほうの端部の距離は0.25μm乃至5μmであることを特徴とする(1)または(2)に記載の液晶表示装置。
前(4)記画素電極の前記第1の方向の端部と、前記コモン電極の前記開口部の、前記画素電極の前記第1の方向の端部から遠いほうの端部の距離は、0.5μm乃至3μmであることを特徴とする(3)に記載の液晶表示装置。
(5)前記画素電極はスリットを有しており、前記コモン電極の前記開口部は、平面で見て、前記画素電極の前記スリットとはオーバーラップしていないことを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(6)前記開口部は、平面で見て、前記映像信号線とはオーバーラップしていないことを特徴とする(5)に記載の液晶表示装置。
(7)前記画素電極の前記第1の方向の端部と、前記コモン電極の前記開口部の、前記画素電極の前記第1の方向の端部から遠いほうの端部の距離は0.25μm乃至5μmであることを特徴とする(5)または(6)に記載の液晶表示装置。
(8)前記画素電極の前記第1の方向の端部と、前記コモン電極の前記開口部の、前記画素電極の前記第1の方向の端部から遠いほうの端部の距離は、0.5μm乃至3μmであることを特徴とする(7)に記載の液晶表示装置。
本発明による液晶表示装置の画素の平面図である。 図1に示す画素の断面図である。 図1のA−A断面である。 本発明の原理を示す断面図である。 従来例の断面図である。 本発明と従来例の画素の透過率の比較である。 本発明における、画素とコモン電極の開口部の関係を示す平面図である。 本発明における画素電極への印加電圧と液晶透過率の関係を示すグラフである。 本発明の効果の例を示すグラフである。 本発明をデュアルドメイン画素に適用した例を示す平面図である。 本発明を擬似デュアルドメイン画素に適用した例を示す平面図である。 実施例2の画素の平面図である。 実施例2の動作を示す断面図である。 従来例の画素を示す平面図である。
以下に実施例によって本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明による画素構成の平面図であり、図2は、画素部分の断面図であり、図3は、図1のA−A断面図である。まず、図2の断面構造から説明する。図2において、ガラスで形成されたTFT基板100の上にゲート電極101が形成され、これを覆ってゲート絶縁膜102が形成されている。ゲート電極101の上方でゲート絶縁膜102の上に半導体層103が形成されている。
半導体層103はa−Siで形成されている。半導体層103の上には、図示しないn+a−Siを介してソース電極104とドレイン電極105が対向して形成されている。ドレイン電極とソース電極とは、その呼称が逆になっても差し支えない。半導体層103、ソース電極104、ドレイン電極105を覆って無機パッシベーション膜106が形成され、その上に平坦化膜を兼ねた有機パッシベーション膜107が形成されている。無機パッシベーション膜を形成しない構成であってよい。有機パッシベーション膜107は1乃至3μmと厚く形成される。
有機パッシベーション膜107の上には、平面状にITOによってコモン電極108が形成されている。コモン電極108を覆って層間絶縁膜109が形成され、その上にスリット40を有する画素電極110が形成されている。画素電極110はスルーホール130を介してドレイン電極105と接続している。画素電極110を覆って液晶を初期配向させる配向膜111が形成されている。図2において、画素電極110に映像信号が印加されると、コモン電極108との間に図に示すような電気力線が発生し、電気力線の横成分によって液晶分子301が回転し、バックライトからの光を制御する。
TFT基板100と液晶層300を挟んで対向基板200が配置している。対向基板200の内側で、画素電極110に対応する部分にはカラーフィルタ201が形成され、カラーフィルタ201とカラーフィルタ201の間にブラックマトリクス202が形成されている。カラーフィルタ201とブラックマトリクス202を覆ってオーバーコート膜203が形成され、オーバーコート膜203の上に配向膜111が形成されている。対向基板200側にはコモン電極が形成されていないので、外部からのノイズをシールドするために対向基板200の外側に外部導電膜210がITOによって形成されている。
図2はいわゆるボトムゲートタイプのTFTの場合であるが、半導体層103の上にゲート電極102が形成されたトップゲート型の場合もある。また、半導体層103はa−Siに限らず、poly−Siによって形成される場合もある。
図1は、本発明の画素構造を示す平面図である。図1において、走査線10が横方向に延在し、所定のピッチで縦方向に配列している。映像信号線20が縦方向に延在し、所定のピッチで横方向に配列している。2本の走査線と2本の映像信号線とによって区画されるそれぞれの画素内にはTFTと画素電極110、コモン電極108が存在している。
図1において、走査線10から分岐したゲート電極101の上にゲート絶縁膜を介して半導体層103が形成されている。半導体層103の上には映像信号線から分岐したソース電極104と、ソース電極104と対向してドレイン電極105とが形成されている。ソース電極104とドレイン電極105の間がTFTチャンネル部となっている。ドレイン電極105はスルーホール130を介して画素電極110と導通し、画素電極110に映像信号を供給する。
画素電極110の下には、図2で説明したように、平面状にコモン電極108が形成されている。画素電極110に信号電圧が印加されると、図2に示したように、電気力線が液晶層300をとおり、画素電極110のスリット40および画素電極110の外側(隣接する映像信号線側の画素電極の端部と前記隣接する映像信号線との間)を介してコモン電極108に到達する。電気力線の横成分によって液晶が回転し、液晶層の透過率を制御する。
本発明の特徴は、平面で見て、画素電極110の両側にコモン電極108のスリット状の開口部30(以後開口部ともいう)が形成されていることである。この開口部30が形成されていることによって、画素電極110端部からの電気力線がより遠くに到達し、液晶を制御する領域を拡大するので、画素周辺部における透過率を向上させることが出来、画面の輝度を向上させることが出来る。
図3は図1のA−A断面図である。図3において、TFT基板100の上にゲート絶縁膜102が形成され、その上に映像信号線20が紙面垂直方向に延在している。映像信号線20を覆って無機パッシベーション膜106が形成され、その上に有機パッシベーション膜107が形成されている。有機パッシベーション膜107の上にはコモン電極108が形成され、映像信号線20の両側に対応する部分にコモン電極108の開口部30がスリット状に形成されている。
コモン電極108を覆って層間絶縁膜109が形成され、層間絶縁膜109の上にスリット40を有する画素電極110が形成されている。本発明の特徴はコモン電極108において、映像信号線20の上側両脇に開口部30が形成されていることである。これによって、画素電極110の外側、言い換えると映像信号線20の両側における液晶の透過率を向上させることが出来る。図3において、映像信号線20の上のコモン電極108の幅は、映像信号線20の幅よりも大きい。言い換えると、コモン電極108の開口部30は平面で見て、映像信号線20とオーバーラップしないほうがよい。映像信号線20を通る映像信号をコモン電極108によってシールドするためである。
図5は、従来例において、画素内における画素電極110とコモン電極108との間の電気力線の状態を示す断面図である。図5において、画素電極110からの電気力線がコモン電極108に延びている。電気力線は、画素電極110のスリット40に対応する部分では、画素電極110の両側から形成されるが、画素電極110の端部では、片側のみである。したがって、従来例においは、画素電極110の外側では、液晶分子を十分に駆動させることが出来ない。
図4は本発明を示す断面図である。図4が図5と異なる点は、画素電極110の外側に対応する部分のコモン電極108にスリット状の開口部30が形成されていることである。この開口部30が形成されていることによって、画素電極110端部からの電気力線は、液晶層300のより上層をとおり、遠くのコモン電極108に到達する。これによって、画素電極110外側の液晶分子301を状来よりも効率的に駆動することが出来、その結果、画素の透過率を向上させることが出来る。
図6は、コモン電極108に開口30を形成する場合としない場合の画素における透過率部分を示すグラフである。図6において、画素電極にスリットが3個形成されている。図6において、実線で示す曲線が本発明の場合であり、画素電極110の外側にコモン電極108の開口部30が形成されている場合である。図6において、点線で示す曲線は従来の構造の場合であり、コモン電極108には開口部は形成されていない。図6に示すように、本発明においては、画素電極110の外側において、透過率が従来例に比較して増大している。この分、画素の透過率を上げることが出来る。
図7は、本発明における画素電極110とコモン電極108の関係の詳細を示す平面図である。なお、画素電極110とコモン電極108との間には層間絶縁膜が形成されている。平面で見て、画素電極110の外側には、画素電極110のスリット40と平行にコモン電極108の開口部30が形成されている。コモン電極108の開口部30の画素電極側端部は平面で見て、画素電極110の端部と一致することが好ましい。画素電極110の端部からコモン電極108の開口部30の画素電極110から遠い側の端部までの距離はx1である。x1は、0.25μm乃至5μmで設定されるが、より好ましい範囲は、0.5μm乃至3μmである。
しかし、フォトマスクの合わせずれのために、コモン電極108の開口部30がx2だけ画素電極110側にずれたり、x3だけ画素電極110から外側に離れるようにずれることはありうる。開口部30の端部が画素電極110の内側に存在すると、画素容量が小さくなる。一方、開口部30の画素電極110側の端部が画素電極110から外側に離れるようにずれると本発明の効果が小さくなる。マスクの合わせズレを考慮して、画素電極の外側端部間の距離よりも、スリットの画素電極側の端部間の距離を小さくすることもできる。
図7において、コモン電極108の開口部の端部が画素電極110の内側にずれることがあっても、平面で見て、画素電極110のスリット40とオーバーラップしないほうがよい。画素電極110のスリット40とオーバーラップするほどずれると画素容量が顕著に低下するからである。
図7において、画素電極110のスリット40の長さをc1とし、コモン電極108の開口部の長さをb1とすると、c1≧b1である。また、画素電極110の端部から、スリット40の長さ方向の端部までの距離をc2とし、画素電極110の端部から、コモン電極108の開口部30の長軸の方向の端部までの距離をb2とすると、b2≧c2である。
本願発明の特徴は、コモン電極108の開口部30を、平面で見て画素電極110の外側にのみ形成し、画素電極のスリット部分には形成しないことである。言い換えると、1個の画素電極110には、両脇に1個ずつの開口部30しか形成しない。平面で見て画素電極110の内側にコモン電極108に開口部30を形成しても、輝度向上の効果はほとんどないからである。一方、平面で見て画素電極110の内側にコモン電極108の開口部30を形成すると、画素容量を減少させることになる。
図8は、画素電極110の端部からコモン電極108の開口部30の画素電極110から遠い側の端部までの距離x1を変えた場合の液晶層の透過率の変化を示すグラフである。図8において、横軸は画素電極110とコモン電極108の間の電圧であり、縦軸は液晶層の透過率である。図8において、透過率の最大値は画素電極110の端部からコモン電極108の開口部30の画素電極110から遠い側の端部までの距離x1が大きいほど大きくなる。しかし、透過率を最大にする電圧はx1が大きいほど高電圧側にシフトする。
図9は、図7に示すような画素構造において、c1=50μm、b1=30μm、x1=1.5μmとした場合の透過率を従来例と比較したグラフである。図9において、横軸は本発明と従来例の仕様、すなわち、コモン電極の開口部の有無であり、縦軸は画素の透過率である。本発明は、従来例と比較して画素の透過率は7%上昇する。このように、本発明の効果は非常に大きい。
IPS方式の液晶表示装置は優れた視野角特性を有しているが、方位角、すなわち、画面を見る方向によって、視野角特性が異なる場合がある。これを対策するために、1画素中に配向膜の配向軸に対して画素電極のスリットのなす角度が異なる構成が存在する。この構成は1画素内に2つのドメインが形成されるので、デュアルドメインと呼ばれている。本発明は、このような構成の画素に対しても適用することが出来る。
図10は本発明をデュアルドメインの画素に適用した例である。図10において、画素電極110および内部に形成されたスリット40はy方向中央部において屈曲している。配向軸の方向はy方向である。画素の上側と下側とでは、スリット40の長軸方向が配向軸となす角度は逆の関係にある。したがって、視野角特性が画素のy方向の上と下とで逆特性となり、視野角特性を均一化する。映像信号線20は画素電極110に合わせて、画素のy方向中央部にて屈曲している。
本発明は、このような、デュアルドメイン画素に対しても適用することが出来る。図10において、画素電極110の両側にコモン電極108の開口部30が形成されている。コモン電極108の開口部も画素電極110の外形に沿って、y方向中央部において屈曲している。開口部30が屈曲している他は、図6乃至図9において説明したのと同様である。
図11は、IPS方式の液晶表示装置の視野角の方位角特性の均一化を2個の画素の組み合わせで行う方式に本発明を適用した例である。このような画素の構成を擬似デュアルドメイン画素と称する。図11に示す画素において、画素電極110およびスリット40はy軸方向に対して所定の角度傾いている。一方、この画素のy方向上下の画素における画素電極110およびスリット40は、y軸方向に対して逆方向に傾いている。これによって、画面全体として視野角の方位角特性を均一にしている。これを擬似デュアルドメイン方式とよんでいる。図11の利点は、画素内の液晶分子は同じ方向に回転するので、ドメインが1個であり、画素内において大きなディスクリネーションが発生しないことである。
本発明はこのような擬似デュアルドメインの方式の液晶表示装置に対しても適用することが出来る。図11において、画素電極110の両側にコモン電極108の開口部30が形成されている。コモン電極108の開口部30も画素電極110と同様に、y軸方向に対して所定の角度傾いている。その他は図6乃至図9において説明したのと同様である。
以上の例では、画素電極110内のスリット40が3個、つまり画素電極の櫛歯部分が4本の場合を例にとって説明したが、画素電極110内のスリット40が1個、つまり画素電極の櫛歯部分が2本の場合でも複数の場合でも本発明を適用することが出来る。尚、本明細書では、配向軸の方向がy軸方向であるとしたが、ポジ型液晶に代えてネガ型液晶を使用し、配向軸をx方向とすることも可能である。
図12は本発明の第2の実施例を示す画素の平面図である。図12の特徴は、画素電極110は櫛歯部分が1本であり、スリットを有していないことである。画面が高精細にあるにつれて、画素電極110にスリットを形成できないほど、画素電極の幅が小さくなる場合がある。本発明はこのような画素構成に対しても適用することが出来る。
図12において、走査線10と映像信号線20に囲まれた領域に画素が形成されている。画素のy方向下側にはTFTが形成され、スルーホール130を介して画素電極110がTFTと接続している。画素電極110はy軸方向にストライプ状に延在している。このような構成では、画素電極110の端部から下層のコモン電極108に伸びる電気力線のみによって液晶分子を制御するので、実施例1で説明したような、画素電極110のスリットを介してコモン電極に伸びる電気力線に比べて液晶層に対する制御能力が小さい。
本実施例は、このような、スリットを有さない画素電極110の両側にコモン電極108の開口部30を形成することによって、液晶層のより上層にまで電気力線を浸透させ、かつ、電気力線を画素電極110からより遠くまで到達させるようにするものである。これによって、液晶層に対する制御能力を向上させることが出来る。
図13はこの様子を示す断面図である。図13は図12のB−B断面図に相当する。図13において、従来のように、コモン電極108に開口部が存在しない場合の電気力線の状態を点線の矢印で示す。これに対して、本実施例のように、コモン電極108に開口部30が存在する場合の電気力線を実線の矢印で示す。図13に明示するように、コモン電極108に開口部30が存在することによって、電気力線が液晶層300のより上部にまで到達し、かつ、画素電極110の端部から、より遠くに到達する。したがって、液晶分子をより効率的に動作させることが出来、画素の透過率を向上させることが出来る。更に、画素電極110の下側にコモン電極108が形成されているので保持容量も確保できる。
スリットを有しない画素電極110の両側にコモン電極108の開口部30を形成することの詳細構成、および効果は図6乃至9で説明したのと同様である。尚、本明細書では、画素電極110とコモン電極108とを透明導電膜、例えばITOやIZOで形成されている。
以上のように、本発明によって、画素の透過率を向上させることが出来、したがって、画面の輝度を向上させることが出来る。
10…走査線、 20…映像信号線、 30…コモン電極の開口部、 40…画素電極のスリット、 100…TFT基板、 101…ゲート電極、 102…ゲート絶縁膜、 103…半導体層、 104…ソース電極、 105…ドレイン電極、 106…無機パッシベーション膜、 107…有機パッシベーション膜、 108…コモン電極、 109…層間絶縁膜、 110…画素電極、 111…配向膜、 130…スルーホール、 113…配向膜、 130…スルーホール、 200…対向基板、 201…カラーフィルタ、 202…ブラックマトリクス、 203…オーバーコート膜

Claims (8)

  1. 第1の方向に延在し、第2の方向に配列した走査線と、第2の方向に延在し、第1の方向に配列した映像信号線とに囲まれた領域に画素電極が形成された画素がマトリクス状に形成されたTFT基板と、対向基板との間に液晶層が挟持された液晶表示装置であって、
    前記画素電極と前記TFT基板との間には層間絶縁膜を介してコモン電極が形成され、前記画素電極の前記第1の方向の端部の両外側に、平面で見て、前記コモン電極に前記第2の方向に延在する開口部が形成され、
    前記コモン電極は、前記画素電極の櫛歯部分とスリット部分とには形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記開口部は、平面で見て、前記映像信号線とはオーバーラップしていないことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. 前記画素電極の前記第1の方向の端部と、前記コモン電極の前記開口部の、前記画素電極の前記第1の方向の端部から遠いほうの端部の距離は0.25μm乃至5μmであることを特徴とする請求項1または2に記載の液晶表示装置。
  4. 前記画素電極の前記第1の方向の端部と、前記コモン電極の前記開口部の、前記画素電極の前記第1の方向の端部から遠いほうの端部の距離は、0.5μm乃至3μmであることを特徴とする請求項3に記載の液晶表示装置。
  5. 前記画素電極はスリットを有しており、前記コモン電極の前記開口部は、平面で見て、前記画素電極の前記スリットとはオーバーラップしていないことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  6. 前記開口部は、平面で見て、前記映像信号線とはオーバーラップしていないことを特徴とする請求項5に記載の液晶表示装置。
  7. 前記画素電極の前記第1の方向の端部と、前記コモン電極の前記開口部の、前記画素電極の前記第1の方向の端部から遠いほうの端部の距離は0.25μm乃至5μmであることを特徴とする請求項5または6に記載の液晶表示装置。
  8. 前記画素電極の前記第1の方向の端部と、前記コモン電極の前記開口部の、前記画素電極の前記第1の方向の端部から遠いほうの端部の距離は、0.5μm乃至3μmであることを特徴とする請求項7に記載の液晶表示装置。
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