JP5858869B2

JP5858869B2 - 液晶表示装置

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Publication number: JP5858869B2
Application number: JP2012126081A
Authority: JP
Inventors: 真嗣川渕; 有輔山縣; 佐竹　徹也; 徹也佐竹; 慎吾永野; 武志島村; 耕治小田; 正美林; 一司山吉; 淳一土道
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2032-06-01
Also published as: JP2013250476A

Description

本発明は、液晶表示装置、特にフリンジフィールドスイッチングモードの液晶表示装置に関するものである。

従来のインプレーンスイッチング（In-Plane Switching：以下「ＩＰＳ」と言う）モードの液晶表示装置は、対向する基板間に挟持された液晶に横電界を印加して表示を行う表示方式であり、ＩＰＳモードは、ＴＮ（Twisted Nematic）モードと比較して視野角特性に優れており、高画質化への要求を満足することが可能な表示方式である。しかし、ＩＰＳモードの液晶表示装置では、金属膜からなる画素電極及び共通電極を、同一の基板上に対向配置する構成が一般的であるので、このような構造の液晶表示装置は、通常のＴＮモードと比べて画素開口率を大きくすることが困難であり、そのため光利用効率が低いという欠点があった。

そこで、ＩＰＳモードの液晶表示装置における開口率及び透過率を改善するために、フリンジフィールドスイッチング（Fringe Field Switching：以下「ＦＦＳ」と言う）モードが提案されている（例えば、特許文献１）。

ＦＦＳモードの液晶表示装置は、一方の基板に積層された上層電極及び下層電極に電界を印加することにより、当該一方の基板と対向する基板との間に狭持された液晶にフリンジ電界を印加して表示を行う表示方式である。即ち、この方式では上層に設けられたスリット状の上層電極と、絶縁膜を介して下層に設けられた下層電極との間に発生するフリンジ電界により液晶を駆動する構成となっている。ＦＦＳモードの液晶表示装置では、スリット状の上層電極と下層電極とを透明導電膜により形成しているため、ＩＰＳモードより開口率及び透過率が向上することになる。また、ＦＦＳモードの液晶表示装置では、これら透明導電膜間によって補助容量が形成されるため、補助容量形成部による透過率ロスを少なくすることができる。

その一方で、ＦＦＳモードの液晶表示装置はＩＰＳモードの液晶表示装置と比べて焼付きが大きいとされている。その低減方法としてはスリット状の上層電極の上に上層及び下層電極間に配置された絶縁膜より誘電率の大きい絶縁膜を配置する方法が提案されている（特許文献２）。絶縁膜を配置しない場合と比べて上層電極近傍の電界集中を緩和することができ、それにより焼付きが低減できるとしている。その他の方法としてはスリット状の上層電極同士の間に絶縁膜を埋め込み、上層電極上部と絶縁膜上部の高さを同じにする方法が提案されている（特許文献３）。この方法を用いることで同じように上層電極近傍の電界集中を緩和することができ、それにより焼付きが低減できるとしている。

特開２０００−８９２５５号公報特開２００３−２９２４７号公報特開２００９−１７５５６１号公報

従来のＦＦＳモードの液晶表示装置では焼付きを低減するためにスリット状の上層電極上に絶縁膜を追加することや、スリット状の上層電極を電極間に絶縁膜を埋め込む工程を追加する必要があるため、工程数が増えてしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、ＦＦＳモードの液晶表示装置において、焼付き表示不良を防止できる簡便な技術を提供することを目的とする。

本発明に係る液晶表示装置は、液晶を挟んで対向配置された一対の基板のうちの一方の基板から、当該液晶を駆動するフリンジ電界を発生するＦＦＳ（Fringe Field Switching）モードの液晶表示装置である。前記液晶表示装置は、前記一方の基板に形成された下層電極と、前記下層電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、前記下層電極と前記フリンジ電界を発生させるスリット状の上層電極とを備える。そして、前記絶縁膜の比誘電率は、前記液晶の比誘電率よりも低い。前記絶縁膜は、比誘電率が６〜７で膜厚が１００〜３００ｎｍである下層絶縁膜と、その上に積層された、比誘電率が２．５〜３．９で膜厚が２００〜４００ｎｍである上層絶縁膜とからなり、前記液晶への印加電圧が５．３〜８．５Ｖである。

本発明によれば、上層電極及び下層電極の間の絶縁膜の比誘電率が、液晶の比誘電率より低くなるように構成されている。これにより、特別な工程を追加しなくても、液晶表示装置における焼付きを小さくすることが可能となる。

実施の形態１に係る液晶表示装置の全体構成を示す平面図である。実施の形態１に係る液晶表示装置の画素構成を示す平面図である。実施の形態１に係る液晶表示装置の画素構成を示す断面図である。実施の形態１に係る液晶表示装置のシミュレーション結果を示す図である。実施の形態２に係る液晶表示装置の画素構成を示す断面図である。実施の形態２に係る液晶表示装置のシミュレーション結果を示す図である。実施の形態３に係る液晶表示装置の画素構成を示す断面図である。実施の形態３に係る液晶表示装置のシミュレーション結果を示す図である。実施の形態３に係る液晶表示装置の別の画素構成を示す断面図である。

＜実施の形態１＞
まず、本発明の実施の形態１に係る液晶表示装置の全体構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、実施の形態１に係る液晶表示装置に用いられる薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）アレイ基板の構成を示す平面図である。なお、特記する場合を除いて、この液晶表示装置の全体構成は全ての実施の形態において共通である。また、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。

図１に示す液晶表示装置は、液晶を挟んで対向配置された一対の基板（ＴＦＴアレイ基板及びＣＦ基板）のうちの一方の基板（ＴＦＴアレイ基板）から、当該液晶を駆動するフリンジ電界を発生するＦＦＳモードの液晶表示装置である。液晶表示装置は、複数の積層膜が形成された基板１０を備える。基板１０は、例えば、ＴＦＴアレイ基板等のアレイ基板である。基板１０には、表示領域４１と、表示領域４１を囲むように設けられた額縁領域４２とが設けられている。

まず、表示領域４１における構成について説明する。表示領域４１には、複数の走査線（ゲート配線）４３と複数の信号線（ソース配線）４４とが形成されている。この表示領域４１内において、複数の走査線４３は互いに平行に設けられており、複数の信号線４４も同様に互いに平行に設けられている。また、走査線４３と信号線４４とは、互いに交差するように形成されている。ここで、隣接する一組の走査線４３と、隣接する一組の信号線４４とで囲まれた領域が画素４７となる。そのため、平面視において基板１０の表示領域４１中には、画素４７がマトリクス状に配列されることとなる。また、共通電極７ｂが走査線４３と平行に配置されている。

次に基板１０の額縁領域４２における構成について説明する。額縁領域４２には、走査信号駆動回路４５と表示信号駆動回路４６とが設けられている。走査線４３は表示領域４１から額縁領域４２まで延設され、基板１０の端部で走査信号駆動回路４５に接続される。信号線４４も同様に、表示領域４１から額縁領域４２まで延設され、基板１０の端部で表示信号駆動回路４６と接続される。図面の煩雑さを避けるため図示していないが、走査信号駆動回路４５及び表示信号駆動回路４６の近傍には、外部配線が接続されている。また、共通電極７ｂも同様に基板１０の額縁まで延伸され外部配線と接続される（図示を省略）。

上記の回路構成を用いて回路駆動がなされる。具体的には、走査信号駆動回路４５、及び表示信号駆動回路４６に外部からの制御信号などの各種信号が供給される。走査信号駆動回路４５は外部からの制御信号に基づいて、走査信号を走査線４３に供給する。この走査信号によって、走査線４３が順次選択されていく。表示信号駆動回路４６は外部からの制御信号や、表示データに基づいて表示信号を信号線４４に供給する。これにより、表示データに応じた表示電圧を各画素４７に供給することができる。

画素４７内には、少なくとも１つのＴＦＴ５０が形成されている。ＴＦＴ５０は信号線４４と走査線４３の交差点近傍に配置される。例えば、このＴＦＴ５０がそのドレイン電極に接続された画素電極に表示電圧を供給する。即ち、走査線４３からの走査信号によって、スイッチング素子であるＴＦＴ５０がオンする。ＴＦＴ５０がオンすると、信号線４４から、ＴＦＴ５０のドレイン電極等を介して画素電極に表示電圧が印加可能となる。さらに、画素電極は、共通電極７ｂと絶縁膜を介して対向配置されており、画素電極と共通電極７ｂとの間には、表示電圧に応じたフリンジ電界、液晶容量４８及び補助容量４９が生じる。

また、基板１０の表面には、配向膜が形成されている。なおここではスリット状の共通電極を上層に配置し画素電極を下層に配置しているが、スリット状の画素電極を上層に配置し共通電極を下層に配置しても良い。以後の説明では共通電極をスリット状の上層電極７とし、画素電極を下層電極６として配置した構成であるものとして説明する。

つぎに、本実施の形態に係る画素構成（画素４７の構成）について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、ＴＦＴアレイ基板（基板１０）の画素構成を示した平面図である。図３は図２の断面図である。なお断面位置は図２のＡ−Ａ’線に沿った位置に対応している。図３では、ＴＦＴアレイ基板（基板１０）とＣＦ基板（対向基板２０）とを重ねあわせて図示している。ここでは、例示的にチャネルエッチ型のＴＦＴ５０が形成されている構成について説明をする。

図２及び図３に示されるように、ガラス等の透明な絶縁性の透明基板１０ａ上に上述の走査線４３が形成されている。走査線４３は、透明基板１０ａ上においてほぼ一方向に直線的に延在するように配設されている。走査線４３は、例えばＣｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇやこれらを主成分とする合金膜、またはこれらの積層膜によって形成されている。

また、走査線４３の一部は、ゲート電極１として用いられる。ゲート電極１を含む走査線４３を覆うように、ゲート絶縁膜１１が設けられている。ゲート絶縁膜１１は、窒化シリコン、酸化シリコン等の絶縁膜により形成されている。そして、ＴＦＴ５０の形成領域では、ゲート絶縁膜１１を介してゲート電極１上に半導体層２が設けられている。ここでは、平面視において半導体層２は走査線４３の一部と重なるようゲート絶縁膜１１の上に形成され、この半導体層２と重複する領域の走査線４３がゲート電極１となる。半導体層２は、例えば、非晶質シリコン、多結晶ポリシリコン等により形成されている。

また、半導体層２上の両端に互いに離隔する、導電性不純物がドーピングされたオーミックコンタクト膜３がそれぞれ形成されている。オーミックコンタクト膜３に対応する半導体層２の領域は、ソース・ドレイン領域となる。具体的には、図３中の左側のオーミックコンタクト膜３に対応する半導体層２の領域がソース領域となる。そして、図３中の右側のオーミックコンタクト膜３に対応する半導体層２の領域がドレイン領域となる。このように、半導体層２の両端にはソース・ドレイン領域が形成されている。そして、半導体層２のソース・ドレイン領域に挟まれた領域がチャネル領域となる。半導体層２のチャネル領域上には、オーミックコンタクト膜３は形成されていない。オーミックコンタクト膜３は、例えば、リン（Ｐ）等の不純物が高濃度にドーピングされた、ｎ型非晶質シリコンやｎ型多結晶シリコンなどにより形成されている。

オーミックコンタクト膜３の上に、ソース電極４及びドレイン電極５が形成されている。具体的には、ソース領域側のオーミックコンタクト膜３上に、ソース電極４が形成されている。そして、ドレイン領域側のオーミックコンタクト膜３の上に、ドレイン電極５が形成されている。このように、チャネルエッチ型のＴＦＴ５０が構成されている。そして、ソース電極４及びドレイン電極５は、半導体層２のチャネル領域の外側へ延在するように形成されている（図２）。即ち、ソース電極４及びドレイン電極５は、オーミックコンタクト膜３と同様、半導体層２のチャネル領域上には形成されない。

ソース電極４は、半導体層２のチャネル領域の外側へ延在し、信号線４４と繋がっている（図２）。信号線４４は、ゲート絶縁膜１１上に形成され、透明基板１０ａ上において走査線４３と交差する方向に直線的に延在するように配設されている。したがって、信号線（ソース配線）４４は、走査線４３との交差部において分岐されており、走査線４３に沿って延在する信号線４４の分岐部分が、ソース電極４となる。

ドレイン電極５は、半導体層２のチャネル領域の外側へ延在し、下層電極６と電気的に接続している（図２）。即ち、ドレイン電極５は、ＴＦＴ５０の外側へと延在する延在部を有している。そして、この延在部において、ドレイン電極５と下層電極６とが電気的に接続する。ソース電極４、ドレイン電極５、及び信号線（ソース配線）４４は、例えばＣｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇやこれらを主成分とする合金膜、またはこれらの積層膜によって形成されている。

下層電極６の上には絶縁膜である層間絶縁膜１２が形成されている。そして、層間絶縁膜１２の上には、下層電極６とフリンジ電界を発生させるスリット状の上層電極７が配置されている。下層電極６及びスリット状の上層電極７は例えばＩｎとＳｎとＯの化合物や、ＩｎとＺｎとＯの化合物などの導電性を持つ透明な膜で形成されている。層間絶縁膜１２は、窒化シリコン、酸化シリコン等の絶縁膜により形成されている。

そして、上層電極７上、及び、それが形成されていない層間絶縁膜１２上には、配向膜１３が形成されている。

液晶表示装置は、以上のように構成された基板１０に対向配置され、複数の積層膜が形成された対向基板２０を備える。対向基板２０は、例えば、カラーフィルター基板（ＣＦ基板）であり、基板１０よりも視認側に配置される。対向基板２０は、透明基板２０ａを有しており、透明基板２０ａ上には、カラーフィルター２１、ブラックマトリクス（ＢＭ）２２、オーバーコート層２３及び配向膜２４等が形成されている。基板１０の配向膜１３と対向基板２０の配向膜２４との間にはこれら膜により配向される液晶１９が狭持される。即ち、基板１０と対向基板２０との間には液晶１９が導入されている。さらに、基板１０と対向基板２０との外側の面には、偏光板、及び位相差板等が設けられる。また、液晶表示パネルの反視認側には、偏光板、位相差板及びバックライトユニット等が配設される。偏光板、位相差板、バックライトユニットについては図示を省略している。

つぎに、画素の駆動について説明する。下層電極６とスリット状の上層電極７とが発生するフリンジ電界によって液晶１９が駆動され、基板１０，２０間の液晶１９の配向方向が変化する。これにより、液晶１９を通過する光の偏光状態が変化する。液晶１９の偏光状態によって、対向基板２０側の偏光板を通過する光量は変化する。即ち、バックライトユニットから液晶表示パネルを透過する透過光のうち、視認側の偏光板を通過する光の光量が変化する。液晶１９の配向方向は、印加される表示電圧によって変化するので、表示電圧を制御することによって視認側の偏光板を通過する光量を変化させることができる。つまり、画素４７ごとに表示電圧を変えることによって、所望の画像を表示することができる。

一般に、フリンジ電界による液晶１９中の電界強度はスリット状の上層電極７のエッジ近傍で非常に強いことが知られている。ＦＦＳモードの液晶表示装置では非常に強い電界により配向膜の表面が塑性変形しやすいことから、焼付きが大きくなりやすいとされている。もしくは液晶に印加される電界が非対称になることで焼付きが生じやすくなるとされている。それ以外にも局所的に強い電界が発生した場合には、液晶ないしは液晶中に含まれる不純物が電気的に分解されて不純物イオンが多く発生することにより、焼付きが大きくなるとされている。焼付き発生メカニズムについては諸説あるが、局所的な電界強度が強いほど焼付きが大きくなるという点については共通している。

つぎに、本実施の形態に係る液晶表示装置を構成する層間絶縁膜１２、配向膜１３及び液晶１９について、想定されうる比誘電率の値の一例について説明する。ここでの液晶表示装置の透明基板１０ａ，２０ａなどの基本材料にガラス基板を用いる。ガラス基板には、屈折率が１．４〜１．８程度の物が用いられる。

ここでガラス基板に絶縁膜などのガラス基板とは異なる屈折率の材料が積層配置されている場合、ガラス基板に光が入射する際には屈折率の差に応じてフレネルの式により反射が生じる。具体的には、屈折率の差が大きいほど反射率が大きくなる。液晶表示装置内に積層配置された材料間での反射率が大きいと、液晶表示装置から取り出すことが可能な光量が下がるため液晶表示装置の性能低下につながり好ましくない。よって、液晶表示装置に用いる材料の屈折率の目安は１〜２．７程度と想定される。

屈折率と比誘電率の関係は、屈折率を２乗した値が比誘電率と等しくなることから、比誘電率に変換すると１〜７．３程度となる。ただし比誘電率がほぼ１となるのは大気や真空だけであり固体の材料として用いることができるのは概ね２より上のものだけである。よって液晶表示装置に適用される絶縁膜の比誘電率は、２〜７程度と想定される。

配向膜についてはＳｉＯの斜方蒸着膜やポリイミド系の材料を用いることを想定していることから、配向膜の比誘電率は４前後、広く見積もっても３〜５程度と想定される。液晶については電圧を印加した際に屈折率及び比誘電率が変化する必要があることから比誘電率が４〜１２程度の範囲で変化すると想定される。これら想定した範囲内で比誘電率を様々に変えたときの電界強度についてシミュレーションを実施する。

図４は本発明の実施の形態１における液晶表示装置の配向膜１３の直上の液晶１９中の電界強度分布のシミュレーション値を示す図である。電界の向きは図の左右方向とし、絶対値をとっている。図４（ａ）は配向膜の比誘電率が４のときの横方向の電界強度の分布を示す図であり、シミュレーションの対象となったＴＦＴアレイ基板（基板１０）の構成を、図４（ａ）と横方向を合わせて示した図である。なお図４（ａ）では層間絶縁膜１２の比誘電率が２であるときの結果（実線）と７であるときの結果（破線）のみを記載している。

図４（ｃ）は電界強度のピーク値を示す図である。液晶１９の比誘電率は印加される電圧によって４〜１２に変化するものとし厚みは３．３μｍとしている。配向膜の比誘電率は３、４、５の３条件とし厚みは０．１４μｍとしている。スリット状の上層電極７の電極幅は３μｍとし、その電極間隔は４μｍとしている。層間絶縁膜１２の厚みは０．５μｍとし、比誘電率を２〜７の範囲で変化させたときの電界強度のピーク値を図４（ｃ）に示している。なお、下層電極６とスリット状の上層電極７の間に印加する電圧は、層間絶縁膜１２の比誘電率を変化させたときに液晶表示装置の光量が最大となるように設定している。また、ＦＦＳモードの液晶表示装置では電圧を高くすると徐々に輝度が高くなるが、ある値を過ぎると輝度が低くなるため、このように設定することで最も高い表示性能が得られる。

この図４（ｃ）に示されるように、層間絶縁膜１２の比誘電率が高いときには電界強度のピーク値が大きく、比誘電率が低いときには電界強度のピーク値が小さくなる。特に、配向膜１３の比誘電率が３である場合に、層間絶縁膜１２の比誘電率が３より小さくなると電界強度のピーク値が急激に減少し、同様に、配向膜１３の比誘電率が４，５である場合に、層間絶縁膜１２の比誘電率が４，５より小さくなると電界強度のピーク値が急激に減少している。すなわち、層間絶縁膜１２の比誘電率が配向膜１３の比誘電率より小さい時に電界強度のピーク値が急激に減少している。また、層間絶縁膜１２の比誘電率が、液晶１９の比誘電率（例えば上記変化の下限の比誘電率）より小さい時に電界強度のピーク値が急激に減少している。

このようになる理由は、スリット状の上層電極７から、配向膜１３、液晶１９、配向膜１３及び層間絶縁膜１２を順に介して下層電極６に到達する電気力線について考えればよい。比誘電率の高い液晶１９及び配向膜１３から比誘電率がほぼ同等の層間絶縁膜１２に進む場合に比べて、比誘電率の高い液晶１９及び配向膜１３から比誘電率の低い層間絶縁膜１２に進む場合は電磁気学のマクスウェルの法則にしたがいスリット状の上層電極７近傍の液晶１９中の電気力線が広がるように変化する。電界強度は電気力線の間隔によって決まるので、層間絶縁膜１２の比誘電率が小さい時には電界強度が平均化されピークが小さくなる。したがって、層間絶縁膜１２の比誘電率が液晶１９及び配向膜１３の比誘電率より低くなるように構成された本実施の形態に係る液晶表示装置によれば、特別な工程を追加しなくても、焼付きを小さくすることが可能となる。

なおここでは液晶１９の比誘電率を４〜１２とし、配向膜１３の比誘電率を３、４、５としているが、それ以外の値をとってもよい。また、層間絶縁膜１２の膜厚も上記以外の値としてもよい。

＜実施の形態２＞
図２及び図５は、本発明の実施の形態２に係る液晶表示装置の画素構成を示す図である。本実施の形態においても、平面視における画素構成は、実施の形態１と同様である（図２）。図５は図２の断面図である。なお断面位置は図２のＡ−Ａ’線に沿った位置に対応している。図５では、ＴＦＴアレイ基板（基板１０）とＣＦ基板（対向基板２０）とを重ねあわせて図示している。

詳細な構成については実施の形態１と殆ど同じであるため説明は省略するが、実施の形態１の構成との相違点は配向膜１３及び配向膜２４が無く、スリット状の上層電極７と液晶１９とが接している点である。このような構成においては、下層電極６とスリット状の上層電極７の間に電圧が印加されない状態では液晶１９が等方性となり、液晶１９に電圧が印加されると液晶１９の偏光状態が変化することにより表示の制御を行うことができる。配向膜が無いような液晶を等方性液晶と呼ぶことがある。等方性液晶の具体的な例としては、室温付近でブルー相を示すブルー相液晶材料がある。ブルー相液晶材料にはアクリル樹脂前駆体と光重合開始剤を添加しており、ブルー相を示す温度において液晶表示素子に紫外線を照射してアクリル樹脂を重合させ、ブルー相を安定化させる。電圧無印加時には配向性を示さず、一方、下層電極６とスリット状の上層電極７との間に電圧を印加するとフリンジ電界により液晶配向性を発現する応答を示す。したがって、電圧無印加時には黒表示、電圧印加時には白（透過）表示をすることができる。

図６は液晶表示装置の層間絶縁膜１２から０．１４μｍ上の位置の液晶１９中の電界強度分布のシミュレーション値を示す図である。図６（ａ）〜図６（ｃ）は図４（ａ）〜図４（ｃ）と同様である。液晶１９の比誘電率は印加される電圧によって４〜１２に変化するものとし厚みは３．３μｍとしている。スリット状の上層電極７の電極幅は３μｍとし、その電極間隔は４μｍとしている。層間絶縁膜１２の厚みは０．５μｍとし、比誘電率を２〜７の範囲で変化させたときの電界強度のピーク値を図６（ｃ）に示している。なお、下層電極６とスリット状の上層電極７の間に印加する電圧は、層間絶縁膜１２の比誘電率を変化させたときに液晶表示装置の光量がある一定値となるように設定している。

図６（ｃ）に示されるように、層間絶縁膜１２の比誘電率が高いときには電界強度のピーク値が大きく、比誘電率が低いときには電界強度のピーク値が小さくなる。特に層間絶縁膜１２の比誘電率が、液晶１９の比誘電率（例えば上記変化の下限の比誘電率）より小さい時に電界強度のピーク値が急激に減少している。

このようになる理由は、スリット状の上層電極７から、液晶１９及び層間絶縁膜１２を順に介して下層電極６に到達する電気力線について考えればよい。比誘電率の高い液晶１９から比誘電率がほぼ同等の層間絶縁膜１２に進む場合に比べて、比誘電率の高い液晶１９から比誘電率の低い層間絶縁膜１２に進む場合は電磁気学のマクスウェルの法則にしたがいスリット状の上層電極７近傍の液晶１９中の電気力線が広がるように変化する。電界強度は電気力線の間隔によって決まるので、層間絶縁膜１２の比誘電率が小さい時には電界強度が平均化されピークが小さくなる。したがって、層間絶縁膜１２の比誘電率が液晶１９の比誘電率より低くなるように構成された本実施の形態に係る液晶表示装置によれば、特別な工程を追加しなくても、焼付きを小さくすることが可能となる。

なおここでは液晶１９の比誘電率を４〜１２としているが、それ以外の値をとってもよい。また、層間絶縁膜１２の膜厚も上記以外の値としてもよい。

＜実施の形態３＞
図２及び図７は、本発明の実施の形態３に係る液晶表示装置の画素構成を示す図である。本実施の形態においても、平面視における画素構成は、実施の形態１と同様である（図２）。図７は図２の断面図である。なお断面位置は図２のＡ−Ａ’線に沿った位置に対応している。図７では、ＴＦＴアレイ基板（基板１０）とＣＦ基板（対向基板２０）とを重ねあわせて図示している。

詳細な構成については実施の形態１と殆ど同じであるため説明は省略するが、実施の形態１の構成との相違点は層間絶縁膜１２が２層の下層層間絶縁膜１２ａと上層層間絶縁膜１２ｂとからなることである。つまり、層間絶縁膜１２が複数層からなることである。

図８は液晶表示装置の配向膜１３の直上の液晶１９中の電界強度分布のシミュレーション値を示す図である。図８（ａ）〜図８（ｃ）は図４（ａ）〜図４（ｃ）と同様である。液晶１９の比誘電率は印加される電圧によって４〜１２に変化するものとし厚みは３．３μｍとしている。配向膜の比誘電率は３、４、５の３条件とし厚みは０．１４μｍとしている。スリット状の上層電極７の電極幅は３μｍとし、その電極間隔は４μｍとしている。下層層間絶縁膜１２ａの厚みは０．２μｍで比誘電率は７と固定し、上層層間絶縁膜１２ｂの厚みは０．３μｍで、その比誘電率を２〜７の範囲で変化させたときの電界強度のピーク値を図８（ｃ）に示している。なお、下層電極６とスリット状の上層電極７の間に印加する電圧は、上層層間絶縁膜１２ｂの比誘電率を変化させたときに液晶表示装置の光量が最大となるように設定している。

図８（ｃ）に示されるように、上層層間絶縁膜１２ｂの比誘電率が高いときには電界強度のピーク値が大きく、比誘電率が低いときには電界強度のピーク値が小さくなっている。特に上層層間絶縁膜１２ｂの比誘電率が液晶１９及び配向膜１３より小さい時に電界強度のピーク値が急激に減少している。

このようになる理由は、スリット状の上層電極７から、配向膜１３、液晶１９、配向膜１３、上層層間絶縁膜１２ｂ及び下層層間絶縁膜１２ａを順に介して下層電極６に到達する電気力線について考えればよい。比誘電率の高い液晶１９及び配向膜１３から比誘電率がほぼ同等の上層層間絶縁膜１２ｂに進む場合に比べて、比誘電率の高い液晶１９及び配向膜１３から比誘電率の低い上層層間絶縁膜１２ｂに進む場合は電磁気学のマクスウェルの法則にしたがいスリット状の上層電極７近傍の液晶１９中の電気力線が広がるように変化する。電界強度は電気力線の間隔によって決まるので、上層層間絶縁膜１２ｂの比誘電率が小さい時には電界強度が平均化されピークが小さくなる。したがって、上層層間絶縁膜１２ｂの比誘電率が液晶１９及び配向膜１３の比誘電率より低くなるように構成された液晶表示装置によれば、焼付きを小さくすることが可能となる。

また、このように層間絶縁膜１２を２層から構成することにより、下層層間絶縁膜１２ａには絶縁性能の高い膜を用い、上層層間絶縁膜１２ｂには絶縁性能が多少低いが比誘電率の低い膜を用いることが可能となる。ここで、層間絶縁膜１２全体（下層層間絶縁膜１２ａ及び上層層間絶縁膜１２ｂ全体）の比誘電率が液晶１９及び配向膜１３の比誘電率より低くなっていればよく、これを満たす限りにおいて下層層間絶縁膜１２ａ単体の比誘電率は液晶１９及び配向膜１３の比誘電率よりも多少高くてもよい。したがって、層間絶縁膜１２を構成する絶縁膜の選択肢を広くとることができ、所望の性能を得ることが可能となる。

次に、図２及び図９に実施の形態３に係る液晶表示装置の別の画素構成を示す。この液晶表示装置においても、平面視における画素構成は、実施の形態１と同じである（図２）。図９は図２の断面図である。なお断面位置は図２のＡ−Ａ’線に沿った位置に対応している。図９では、ＴＦＴアレイ基板（基板１０）とＣＦ基板（対向基板２０）とを重ねあわせて図示している。

詳細な構成については実施の形態２と殆ど同じであるため説明は省略するが、実施の形態２の構成との相違点は層間絶縁膜１２が２層の下層層間絶縁膜１２ａと上層層間絶縁膜１２ｂとからなることである。つまり、層間絶縁膜１２が複数層からなることである。

シミュレーション結果は省略するが、これまでと同様に、スリット状の上層電極７から、液晶１９、上層層間絶縁膜１２ｂ及び下層層間絶縁膜１２ａを順に介して下層電極６に到達する電気力線について考えればよい。比誘電率の高い液晶１９から比誘電率がほぼ同等の上層層間絶縁膜１２ｂに進む場合に比べて、比誘電率の高い液晶１９から比誘電率の低い上層層間絶縁膜１２ｂに進む場合は電磁気学のマクスウェルの法則にしたがいスリット状の上層電極７近傍の液晶１９中の電気力線が広がるように変化する。電界強度は電気力線の間隔によって決まるので、上層層間絶縁膜１２ｂの比誘電率が小さい時には電界強度が平均化されピークが小さくなる。したがって、上層層間絶縁膜１２ｂの比誘電率が液晶１９の比誘電率より低くなるように構成された液晶表示装置によれば、焼付きを小さくすることが可能となる。

またこのように層間絶縁膜１２を２層から構成することにより、下層層間絶縁膜１２ａには絶縁性能の高い膜を用い、上層層間絶縁膜１２ｂには絶縁性能が多少低いが比誘電率の低い膜を用いることが可能となる。ここで、層間絶縁膜１２全体（下層層間絶縁膜１２ａ及び上層層間絶縁膜１２ｂ全体）の比誘電率が液晶１９及び配向膜１３の比誘電率より低くなっていればよく、これを満たす限りにおいて下層層間絶縁膜１２ａ単体の比誘電率は液晶１９及び配向膜１３の比誘電率よりも多少高くてもよい。したがって、層間絶縁膜１２を構成する絶縁膜の選択肢を広くとることができ、所望の性能を得ることが可能となる。

なお、以上の図７及び図９に示した構成についての説明では、液晶１９の比誘電率を４〜１２とし、配向膜１３の比誘電率を３、４、５としているが、それ以外の値をとってもよい。また、下層層間絶縁膜１２ａ及び上層層間絶縁膜１２ｂの膜厚も上記以外の値としてもよい。また、ここでは層間絶縁膜を２層として説明したが３層以上で最上層となる絶縁膜の誘電率が所望の値となるように形成してもよい。

＜実施の形態４＞
図７に示す断面構成を持つ液晶表示装置を、上層層間絶縁膜１２ｂの材質を様々に変えて試作し、各試作について焼付き量の評価を実施した。試作の液晶表示装置に共通する構成として、下層層間絶縁膜１２ａの材料に、比誘電率が６．７の窒化シリコン（ＳｉＮ）を用い、その膜厚は２００ｎｍとした。配向膜１３は比誘電率が４．０のポリイミドを含む膜で形成し、その膜厚は１４０ｎｍとした。液晶１９は比誘電率が４．０〜１２．０となる材料を用いた。上層層間絶縁膜１２ｂの膜厚は３００ｎｍとした。

そして、上層層間絶縁膜１２ｂの材質には、ＣＶＤ法で形成された比誘電率６．７の窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、ＣＶＤ法で形成された比誘電率３．９の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜、スピンコート法で形成された比誘電率３．１のシロキサン系の有機スピンオングラス（ＳＯＧ）膜（以後有機ＳＯＧ膜）、という３つの膜を試作ごとに変えて用いた。ここで用いた有機ＳＯＧ膜の主な組成はＳｉ、Ｏ、Ｃ、Ｈからなっている。

液晶表示装置の焼付きは、一般的には同時に高階調部と低階調部を表示し、次に中間調表示を行った際に中間調表示部の２つの領域での明るさの差で定義される。今回試作した液晶表示装置は全て軽度の焼付きしか示されず、実用上の問題点は見られなかった。

また、焼付きの定量値を求めて試作の液晶表示装置同士を比較した。その結果、上層層間絶縁膜１２ｂにＳｉＮ膜を用いた場合を基準とすると、ＳｉＯ_２膜を用いた場合の焼付き量は約２０％減少し、有機ＳＯＧ膜を用いた場合の焼付き量は約４０％減少した。液晶１９及び配向膜１３の比誘電率より僅かに低いＳｉＯ_２膜よりも、当該比誘電率より大幅に低い有機ＳＯＧ膜の方が、焼付き量が減少したことから、上層層間絶縁膜１２ｂの比誘電率が小さくなるほど焼付き量が小さくなるという傾向が確認された。

以上のように、焼付き量は小さいほど表示性能が高くなることから、比誘電率の低い絶縁膜を用いることが有効であることを確認できた。ただしＳｉＯ_２膜でも成膜方法を変更することにより例えば不純物量を変えることによって比誘電率を少し下げることは可能であるため、改善効果を高めることは可能である。

なおここで用いた液晶表示装置において、白色を表示するために十分な輝度が得られるように液晶１９に印加した電圧は上層層間絶縁膜１２ｂがＳｉＮの時に５．３Ｖで、ＳｉＯ_２の時に５．７Ｖで、有機ＳＯＧ膜の時に６．３Ｖとなっていた。また、上記とは別に有機ＳＯＧ膜の膜厚を上記のものより厚い７００ｎｍとしたものを試作した際には液晶に印加する電圧は８．５Ｖ必要となっていた。上層層間絶縁膜１２ｂ（層間絶縁膜１２）に比誘電率が低い材料を用いる、ないしは上層層間絶縁膜１２ｂ（層間絶縁膜１２）を厚くする、ないしはその両方を適用した場合、上層層間絶縁膜１２ｂ（層間絶縁膜１２）にかかる電界が大きくなる。その結果、液晶１９にかかる電界が小さくなってしまうためこのような現象が生じる。

液晶１９に印加する電圧を上げるためには、図１に示す表示信号駆動回路４６に高電圧を出力可能な回路を用いる必要がある。ただし、低電圧を出力可能な回路に比べて高電圧を出力可能な回路は高価になるため、好ましくない。有機ＳＯＧ膜からなる上層層間絶縁膜１２ｂの膜厚を３００ｎｍとし、下層層間絶縁膜１２ａを２００ｎｍとしたときの液晶１９への印加電圧が６．３Ｖ程度であれば問題無いレベルであるが、これより大幅に電圧が高くなると高価な回路が必要となるので好ましくない。目安としては、上層層間絶縁膜１２ｂは比誘電率２．５〜３．９で膜厚２００〜４００ｎｍ程度とし、下層層間絶縁膜１２ａは比誘電率６〜７で膜厚１００〜３００ｎｍ程度であることが好ましい。比誘電率が低い材料であっても膜厚を厚く形成することしかできない材料の場合は不適当であると言える。

なお、ここでは、有機ＳＯＧ膜をスピンコート法により形成したが、スリットコート法を用いて形成することも可能である。ここでは低誘電率材料として有機ＳＯＧ膜を適用したが、それ以外に比誘電率が低い膜としては比誘電率が３前後のハイドロジェンシルセスキオキサン（ＨＳＱ）や、ＳｉＯ_２膜のＳｉ−Ｏ結合の一部をＳｉ−Ｆ結合やＳｉ−Ｃ結合ないしはＳｉ−ＣＨｘ結合に置き換えたような膜でも比誘電率３前後の膜を得ることができる。有機ＳＯＧ膜についてもここでは比誘電率３．１のものを用いたが、更に比誘電率の低いものを適用することも可能である。主な組成としてはＳｉとＯに加えてＣとＨを含む化合物ないしはＳｉとＯに加えてＦを含む化合物を絶縁膜に用いることで比誘電率を低くすることが可能となり、かつ、所望の性能を得ることが可能となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

６下層電極、７上層電極、１０基板、１２層間絶縁膜、１２ａ下層層間絶縁膜、１２ｂ上層層間絶縁膜、１３配向膜、１９液晶、２０対向基板。

Claims

液晶を挟んで対向配置された一対の基板のうちの一方の基板から、当該液晶を駆動するフリンジ電界を発生するＦＦＳ（Fringe Field Switching）モードの液晶表示装置であって、
前記一方の基板に形成された下層電極と、
前記下層電極上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、前記下層電極と前記フリンジ電界を発生させるスリット状の上層電極と
を備え、
前記絶縁膜の比誘電率は、前記液晶の比誘電率よりも低く、
前記絶縁膜は、比誘電率が６〜７で膜厚が１００〜３００ｎｍである下層絶縁膜と、その上に積層された、比誘電率が２．５〜３．９で膜厚が２００〜４００ｎｍである上層絶縁膜とからなり、
前記液晶への印加電圧が５．３〜８．５Ｖである、液晶表示装置。
請求項１に記載の液晶表示装置であって、
前記上層電極上に形成された配向膜
をさらに備え、
前記絶縁膜の比誘電率は、前記液晶及び前記配向膜の比誘電率よりも低い、液晶表示装置。
請求項１または請求項２に記載の液晶表示装置であって、
前記上層絶縁膜の比誘電率は、前記液晶の比誘電率よりも低い、液晶表示装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の液晶表示装置であって、
前記上層絶縁膜は、Ｓｉ及びＯの２種類を主成分とする絶縁膜であり、
前記下層絶縁膜は、Ｓｉ及びＮの２種類を主成分とする絶縁膜である、液晶表示装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の液晶表示装置であって、
前記上層絶縁膜は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃ及びＨの４種類を主成分とする絶縁膜であり、
前記下層絶縁膜は、Ｓｉ及びＮの２種類を主成分とする絶縁膜である、液晶表示装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の液晶表示装置であって、
前記上層絶縁膜は、Ｓｉ、Ｏ及びＦの３種類を主成分とする絶縁膜であり、
前記下層絶縁膜は、Ｓｉ及びＮの２種類を主成分とする絶縁膜である、液晶表示装置。
請求項２に記載の液晶表示装置であって、
前記上層絶縁膜の比誘電率は、前記液晶及び配向膜の比誘電率よりも低い、液晶表示装置。