JP5427552B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関する。

従来、液晶表示装置においては、液晶を駆動するための薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が形成されたＴＦＴ基板と、カラーフィルタが形成されたカラーフィルタ基板と、を有し、両者間に液晶が挟まれていた。この液晶表示装置において、液晶への横電界を印加して表示する方式は、インプレーンスイッチング（ＩＰＳ）方式又は横電界駆動方式と呼ばれている。この表示装置は広視野角性能を有することが知られている。

液晶表示装置において、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる共通電極に金属配線を電気的に接続することが知られている（特許文献１）。ＩＴＯは抵抗値が高いため、抵抗値の低い金属配線を共通電極に接続することで、共通電極の電位の均一化を図ることができる。

また、液晶表示装置の開口率を上げて消費電力を減らすためには、透明な共通電極を金属配線に接続して低抵抗化する場合でも、金属配線を全画素には形成せずに必要に応じてその数を削減することが知られている。

特開２００９−１６８８７８号公報

金属配線は、ブラックマトリクスやトランジスタなどの元々光を通さない領域のみに形成することは難しいため、画素領域を通るように形成せざるを得ない。そのため、金属配線を形成することで開口率が低下し、これにより輝度が低下するが、輝度の低下はできるだけ小さくすることが望まれる。

本発明は、高開口率の性能を有する広視野角のＩＰＳ方式の液晶表示装置を実現するために、共通電極に接続される金属配線を形成するときの輝度の低下を抑えることを目的とする。

（１）本発明に係る液晶表示装置は、液晶と、薄膜トランジスタ及び複数の配線を含み、前記複数の配線は金属からなる回路層と、前記液晶を横電界駆動方式で駆動するために、前記液晶と前記回路層の間で絶縁膜を介して積層された、それぞれ透明導電膜からなる画素電極及び共通電極と、異なる色の複数の着色層を含み、各着色層の光透過率がそれぞれ異なるカラーフィルタと、接続配線と、を有し、前記複数の配線は、前記複数の着色層のうち前記光透過率が最も高い前記着色層と対向することを避けて他のいずれかの前記着色層と対向するように配置されている共通配線を含み、前記接続配線は、前記共通電極と前記共通配線を接続することを特徴とする。本発明によれば、金属配線が、輝度が最も高い着色層と対向することを避けているので、金属配線によって遮蔽される光の輝度が元々低いため、液晶表示装置の輝度の低下を抑えることができる。

（２）（１）に記載された液晶表示装置において、前記薄膜トランジスタは、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有し、前記共通電極の一部及び前記共通配線の一部は、それぞれ、前記ゲート電極の上方に位置し、前記接続配線の前記共通電極との接続部及び前記接続配線の前記共通配線との接続部は、それぞれ、前記ゲート電極の上方に位置することを特徴としてもよい。

（３）（２）に記載された液晶表示装置において、前記回路層は、半導体層を含み、前記ソース電極、前記ドレイン電極及び前記共通配線は、それぞれ、前記半導体層上に接触するように形成されていることを特徴としてもよい。

（４）（１）から（３）のいずれか１項に記載された液晶表示装置において、前記絶縁膜の前記液晶側に前記画素電極が配置され、前記接続配線は、前記透明電極膜からなり、前記絶縁膜上で前記画素電極と並ぶ部分と、前記絶縁膜を貫通して前記共通電極に接続する部分とを有することを特徴としてもよい。

（５）（１）から（４）のいずれか１項に記載された液晶表示装置において、前記複数の着色層は、赤色の着色層を含み、前記共通配線は、前記赤色の着色層に対向するように配置されていることを特徴としてもよい。

本発明の実施形態に係る液晶表示装置を示す分解斜視図である。 図１に示す液晶表示装置の画素電極、共通電極及び回路層を示す平面図である。 図２に示す液晶表示装置のIII−III線断面図である。 図２に示す液晶表示装置のIV−IV線断面図である。 図２に示す液晶表示装置のV−V線断面図である。 図２に示す液晶表示装置のVI−VI線断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置を示す分解斜視図である。液晶表示装置は、液晶表示パネル１０を有する。液晶表示パネル１０は、上フレーム１２及び下フレーム１４によって支持されている。

図２は、図１に示す液晶表示装置の画素電極、共通電極及び回路層を示す平面図である。図３は、図２に示す液晶表示装置のIII−III線断面図である。図４は、図２に示す液晶表示装置のIV−IV線断面図である。図５は、図２に示す液晶表示装置のV−V線断面図である。図６は、図２に示す液晶表示装置のVI−VI線断面図である。

液晶表示装置は、画素電極８０及び共通電極７０を有する。画素電極８０及び共通電極７０は、それぞれ透明導電膜からなる。画素電極８０及び共通電極７０は、液晶２０を横電界駆動方式で駆動するために層間絶縁膜４８を介して積層されている。層間絶縁膜４８の液晶２０側に画素電極８０が配置されている。

液晶表示装置は、カラーフィルタ１００を有する。カラーフィルタ１００は、異なる色の複数の着色層１０２，１０４，１０６を含む（図４参照）。各着色層１０２，１０４，１０６の光透過率がそれぞれ異なる。複数の着色層１０２，１０４，１０６は、赤着色層１０２を含む。

液晶表示装置は、回路層４０を有する。液晶２０並びに画素電極８０及び共通電極７０の下方に回路層４０が配置されている。回路層４０は、薄膜トランジスタを含む。薄膜トランジスタは、図３に示すように、ゲート電極３０、ソース電極５４及びドレイン電極５２並びに半導体層６０を有する。回路層４０は、ゲート電極３０を覆うゲート絶縁膜４２を含む。ソース電極５４及びドレイン電極５２は、それぞれ、半導体層６０上に接触するように形成されている。ゲート電極３０の上方に、共通電極７０の一部が位置している。

回路層４０は、金属からなる複数の配線を含む。複数の配線は、共通配線５６を含む（図４及び図５参照）。共通配線５６は、半導体層６０上に接触するように形成されている。共通配線５６の一部は、ゲート電極３０の上方に位置している。共通配線５６は、図４に示すように、複数の着色層１０２，１０４，１０６のうち光透過率が最も高い緑着色層１０４と対向することを避けて他のいずれかの着色層と対向するように（本実施形態では赤着色層１０２に対向するように）配置されている。

本実施の形態によれば、金属からなる共通配線５６が、輝度が最も高い緑着色層１０４と対向することを避けているので、金属配線によって遮蔽される光の輝度が元々低いため、液晶表示装置の輝度の低下を抑えることができる。

液晶表示装置は、図５に示すように、接続配線８２を有する。接続配線８２は、共通電極７０と共通配線５６を接続する。接続配線８２の共通電極７０との接続部は、ゲート電極３０の上方に位置する。接続配線８２の共通配線５６との接続部は、ゲート電極３０の上方に位置する。接続配線８２は、透明電極膜からなり、層間絶縁膜４８上で画素電極８０と並ぶ部分と、層間絶縁膜４８を貫通して共通電極７０に接続する部分とを有する。

以下、本発明の実施形態のさらに具体的な内容を説明する。

液晶表示パネル１０は、第１基板１６及び第２基板１８を有する。第１基板１６及び第２基板１８は、いずれも透明基板（例えばガラス基板）である。第１基板１６及び第２基板１８の間には、液晶２０が配置されている。第１基板１６及び第２基板１８には、それぞれ、液晶２０とは反対側の面に偏光板２２がクロスニコル状態で貼り付けられている。

第１基板１６の液晶２０を向く面には、薄膜トランジスタが形成されている。薄膜トランジスタは、液晶２０の駆動を制御するためのスイッチである。薄膜トランジスタは、制御用の走査電圧が印加されるゲート電極３０が下に配置されるボトムゲート型である。第１基板１６上にゲート電極３０が形成されている。ゲート電極３０を覆うように、無機材料（ＳｉＯ_２などの半導体酸化物又はＳｉＮなどの半導体窒化物）からなるゲート絶縁膜４２が、プラズマＣＶＤなどによって形成されている。ゲート絶縁膜４２の上には、例えばアモルファスシリコン又は微結晶シリコンからなる半導体層６０が形成されている。半導体層６０上には、画素電位が出力されるソース電極５４及び映像信号が印加されるドレイン電極５２が形成されている。ソース電極５４及びドレイン電極５２並びに半導体層６０を覆うように、無機材料（ＳｉＯ_２などの半導体酸化物又はＳｉＮなどの半導体窒化物）からなる保護絶縁層４４が形成されている。保護絶縁層４４によって半導体層６０の湿度汚染が防止される。

ゲート電圧がゲート電極３０に印加されると映像信号電圧が印加されたドレイン電極５２とソース電極５４の間の半導体層６０の抵抗が低下し、これによりソース電極５４に接続された第２の透明導電膜である画素電極８０と共通電圧の印加された第１の透明導電膜である共通電極７０の間の電界が発生し、これが液晶２０に加わり液晶２０の透過率が変化し表示を行う。

ゲート電極３０、ドレイン電極５２及びソース電極５４は配線材料として低抵抗が必要であるため、スパッタリング法により、Ｃｕ（銅）あるいはＣｕ及びその下のＭｏ（モリブデン）からなる導電膜を成膜する。

薄膜トランジスタの上方（保護絶縁層４４上）には有機絶縁膜４６が配置されている。この有機絶縁膜４６は比誘電率が４以下の低誘電率膜である。

有機絶縁膜４６上には共通電極７０が形成されている。共通電極７０上には層間絶縁膜４８が形成されている。層間絶縁膜４８はＳｉＮのような無機材料の絶縁膜で構成される。さらにその上部には第２の透明導電膜で構成された画素電極８０が形成されている。共通電極７０及び画素電極８０は、スパッタリング法などで、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）又は酸化インジウム亜鉛から形成されている。

画素領域における画素電極８０は層間絶縁膜４８、共通電極７０、有機絶縁膜４６、保護絶縁層４４の開口部と通じて、ソース電極５４に接続され、この接続により液晶２０に画素電位を供給する。この画素電極８０と層間絶縁膜４８を挟んで下部に存在する共通電極７０の共通電位との間の電界が液晶２０に加わることにより表示を行う。

液晶２０に対して第１基板１６の対向する位置にある第２基板１８には液晶２０の方向の面に、ブラックマトリクス１３０が配置されている。ブラックマトリクス１３０は、黒顔料やカーボンを含む樹脂からなる。ブラックマトリクス１３０は、半導体層６０のチャネル領域への光進行を防止する。そのため、ブラックマトリクス１３０の平面形状は島状あるいはストライプ状である。

液晶２０に向かってブラックマトリクス１３０上にはカラーフィルタ１００が形成されている。カラーフィルタ１００は、複数（例えば、赤、緑、青の三色）の着色層からなる。図３の断面構造におけるカラーフィルタ１００は赤色の顔料が分散された着色層である。

なお、第２基板１８の液晶２０を向く面には、その表面の傷を被覆する有機材料から構成されたオーバーコート膜１２０が形成されている。オーバーコート膜１２０は、顔料などのイオン化して液晶２０に溶け込むような汚染源を含まず、透明な材料で構成されている。

図４は、第２基板１８に縦ストライプで３色の着色層を配置した液晶表示パネルのゲート電極３０（図２参照）の延長方向に沿った３つの連続する画素の断面構造である。ゲート電極３０の延長方向に対して、第２基板１８には赤色の顔料を含む赤着色層１０２、緑色の顔料を含む緑着色層１０４、青の顔料を含む青着色層１０６が形成されている。各画素の境界は、液晶２０を挟んで第１基板１６上では、ドレイン電極５２であり、第２基板１８上はブラックマトリクス１３０である。

液晶２０はＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる第１の透明導電膜で構成された共通電極７０と、ＩＴＯからなる第２の透明導電膜で構成された画素電極８０の間に印加される電界で駆動される。その際に、ドレイン電極５２は該当する画素以外の映像信号が伝播され、ノイズ電界が発生するが、共通電極７０は常に共通電圧が印加され、この共通電極７０はドレイン電極５２を低誘電率の有機絶縁膜４６を介して上部よりシールド電極の役割を果たしている。これによりドレイン電極５２を挟むような隣り合う画素電極８０の間隔を短くでき、これにより各画素を区切るブラックマトリクス１３０の幅を短くできて高開口率となる。

共通電極７０はＩＴＯのような透明導電膜で構成されているので抵抗が高い。そのため液晶表示装置が大型すると、共通電極７０の電位の遅延が生じる。そのためには、従来は共通電極７０の後の工程でスパッタリング法により、例えば、Ｃｕ（銅）のような低抵抗の配線材料を連続して成膜し、これを透明な共通電極７０上でパターンニングして形成していた。

ただし、このＣｕのような低抵抗配線のスパッタリングは、ＩＴＯの共通電極７０の装置が異なるので新たに工程が増加する問題がある。

本実施例においては、図４の赤着色層１０２を有する画素に、画素領域である２つのドレイン電極５２の挟まれた位置にドレイン電極５２と同一工程で形成された共通配線５６が配置されている。共通配線５６は他の緑着色層１０４、青着色層１０６の画素領域には形成されていない。図２の平面図で分かるように３色のカラーフィルタ方式でカラー表示を実現する液晶表示装置において、１つの着色層の画素領域のみに形成されている。共通電極７０は図３に示すように画素領域のドレイン電極５２を覆うように配置されており、ＩＴＯのような比較的抵抗の高い導電材料でも全画素に共通配線５６を形成する必要はなく、着色層の最小単位に１本配置すれば良い。

従って、カラーフィルタが赤、緑、青の３色の着色層からなる場合は３つの画素領域の内で１つの画素領域、カラーフィルタが赤、緑、青、黄色の４色の着色層からなる場合あるいは赤、緑、黄色、白の４色の着色層からなる場合は４つの画素領域で１つの画素領域、カラーフィルタが赤、緑、青、黄色、シアンの５色の着色層からなる場合は５つの画素領域で１つの画素領域に共通配線５６を形成すれば良い。

赤、青、緑の３色のカラーフィルタ１００を有する本実施例においては、共通配線５６は図４に示すように赤着色層１０２の形成された画素領域に配置されている。これは高開口率を実現する以下の要因による。

まず第１は色毎の透過率の違いである。液晶表示装置において赤、緑、青の３色のカラーフィルタ１００を用いた場合、着色層に混入される顔料の透過率を含めて、緑、赤、青の順に透過率が高い。本実施例において、画面全体で白色を表示、すなわち、赤、緑、青の各画素の透過率を最大にした場合、５００ｃｄ/ｍ^２に設定される。この内、緑の画素は３４４ｃｄ/ｍ^２、赤の画素は９８ｃｄ/ｍ^２、青の画素は５８ｃｄ/ｍ^２である。これからわかるように、緑色の画素に共通配線５６を配置した場合、白輝度が最も低下し、液晶表示装置が暗くなり、これを補うためには消費電力が増加するので好ましくない。

一方、本実施例では着色層の厚さは色毎に異なっている。図４に示すように、青着色層１０６が他の色の着色層より厚く設定されている。これは液晶２０の副屈折性の透過率が波長依存性を示すからである。青色光は波長が短い。そのため各色の着色層の厚さを同一にした場合、同一駆動電圧では青色光の画素領域の透過率が小さくなる。これは液晶表示装置の輝度を低下させる。このため、青着色層１０６を厚くして、液晶材料のセルギャップを薄くなるように設定されている。第１基板１６と第２基板１８の間隙である液晶２０の厚さであるセルギャップを保つためには第２基板１８の各色の着色層を重ねている。その重ね領域は着色層の厚い青画素に位置する。カラーフィルタ１００の赤着色層１０２、緑着色層１０４及び青着色層１０６が重ねられた部分に対応して、第１基板１６には台座電極５８が形成されている。この台座電極５８は遮光領域であるゲート電極３０上に形成される。図６にその断面構造を示す。

青色の画素のゲート電極３０にはこの台座電極５８が形成されるため、共通配線５６がゲート電極３０上を横切る配線領域を形成することができない。したがって、共通配線５６は本実施例では赤着色層１０２が形成された画素領域に形成されている。

本実施例では以上のように、３色着色層の１つの色の画素領域に対して共通配線５６を配置し、さらにその配置されるカラーフィルタ１００の透過率が高い緑着色層１０４の画素領域ではなく、透過率の低い赤着色層１０２の画素に配置することで高開口率を達成することができ、白輝度が高くなり、さらに低消費電力を実現できる。

図５は図２のＶ−Ｖ線断面図である。この断面図は共通配線５６と共通電極７０の接続領域を示している。この接続領域は接続開口部を形成するため、画素の透過領域の共通配線５６より広い面積を占有する。そのためにブラックマトリクス１３０が形成され、遮光性のゲート電極３０上に形成されている。これにより開口率が高くなる。これが本実施例で高開口率を実現する特徴の１つである。

共通配線５６と共通電極７０は、次のように接続される。赤着色層１０２が形成された画素のゲート電極３０を横切る共通配線５６は、共通配線５６を被覆する保護絶縁層４４、有機絶縁膜４６及び層間絶縁膜４８の第１の開口部６４を通じて画素電極８０と同一工程で第２の透明導電膜から形成された接続配線８２に接続される。次に、この接続配線８２は、共通電極７０を被覆する層間絶縁膜４８の第２の開口部６６を通じて共通電極７０に接続される。これにより共通電極７０の配線遅延が低減され良好な画質が得られる。また、これらの接続領域は不透明のゲート電極３０上に形成され開口率を低下させることがなく、高開口率で明るく、低消費電力の液晶表示装置が提供できる。

図６は図２のVI−VI線断面図である。本断面図は第１基板１６及び第２基板１８との間の液晶２０の厚さを固定する構造を示す。青着色層１０６は、赤着色層１０２及び緑着色層１０４をパターニングしてその相対的な段差を高められている。また、第１基板１６には、ドレイン電極５２と同一工程で、台座電極５８が半導体層６０上に形成されており、これで液晶２０の厚さが決められている。

以上のように本実施例では、液晶表示パネル１０の透明な共通電極７０は、その低抵抗化を実現するため、低抵抗の共通配線５６と接続されている。この共通配線５６は光不透過であるため、赤、緑、青の着色層の画素領域において、最大の透過率である緑着色層１０４を避けて、赤着色層１０２の領域のみに配置されている。さらに、共通配線５６と共通電極７０の接続領域をゲート電極３０上に設けることにより、高開口率で低消費電力の液晶表示装置を提供することができる。本実施の形態では、周知の液晶表示装置の構成（例えば配向膜）をさらに有しているがその詳細説明は省略する。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。

１０ 液晶表示パネル、１２ 上フレーム、１４ 下フレーム、１６ 第１基板、１８ 第２基板、２０ 液晶、２２ 偏光板、３０ ゲート電極、４０ 回路層、４２ ゲート絶縁膜、４４ 保護絶縁層、４６ 有機絶縁膜、４８ 層間絶縁膜、５２ ドレイン電極、５４ ソース電極、５６ 共通配線、５８ 台座電極、６０ 半導体層、６４ 第１の開口部、６６ 第２の開口部、７０ 共通電極、８０ 画素電極、８２ 接続配線、１００ カラーフィルタ、１０２ 赤着色層、１０４ 緑着色層、１０６ 青着色層、１２０ オーバーコート膜、１３０ ブラックマトリクス。

Claims (8)

1. 液晶と、
   薄膜トランジスタ及び複数の配線を含み、前記複数の配線は金属からなる回路層と、
   前記液晶を横電界駆動方式で駆動するために、前記液晶と前記回路層の間で絶縁膜を介して積層された、それぞれ透明導電膜からなる画素電極及び共通電極と、
   異なる色の複数の着色層を含み、各着色層の光透過率がそれぞれ異なるカラーフィルタと、
   接続配線と、
   を有し、
   前記複数の配線は、前記複数の着色層のうち前記光透過率が最も高い前記着色層と対向することを避けて他のいずれかの前記着色層と対向するように配置されている共通配線を含み、
   前記接続配線は、前記共通電極と前記共通配線を接続することを特徴とする液晶表示装置。
2. 請求項１に記載された液晶表示装置において、
   前記薄膜トランジスタは、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有し、
   前記共通電極の一部及び前記共通配線の一部は、それぞれ、前記ゲート電極の上方に位置し、
   前記接続配線の前記共通電極との接続部及び前記接続配線の前記共通配線との接続部は、それぞれ、前記ゲート電極の上方に位置することを特徴とする液晶表示装置。
3. 請求項２に記載された液晶表示装置において、
   前記回路層は、半導体層を含み、
   前記ソース電極、前記ドレイン電極及び前記共通配線は、それぞれ、前記半導体層上に接触するように形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された液晶表示装置において、
   前記絶縁膜の前記液晶側に前記画素電極が配置され、
   前記接続配線は、前記透明電極膜からなり、前記絶縁膜上で前記画素電極と並ぶ部分と、前記絶縁膜を貫通して前記共通電極に接続する部分とを有することを特徴とする液晶表示装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された液晶表示装置において、
   前記複数の着色層は、赤色の着色層を含み、
   前記共通配線は、前記赤色の着色層に対向するように配置されていることを特徴とする液晶表示装置。
6. 請求項２に記載された液晶表示装置において、
   前記共通配線は、前記ゲート電極が形成される方向と直交する方向に沿って形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
7. 請求項１から４のいずれか１項に記載された液晶表示装置において、
   前記複数の着色層は、青色の着色層を含み、
   前記青色の着色層は、他の着色層よりも厚く形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
8. 請求項７に記載された液晶表示装置において、
   前記青色の着色層に対応するゲート電極の上方には、台座電極が形成されることを特徴とする液晶表示装置。

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