TW554304B

TW554304B - Two-domain In-plane switching mode LCD

Info

Publication number: TW554304B
Application number: TW090130794A
Authority: TW
Inventors: Jie-Shiung Yang; Sheng-Shian Lin
Original assignee: Hannstar Display Corp
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2003-09-21
Also published as: US6798484B2; JP2003195333A; US20030107697A1; JP3822833B2

Description

554304 發明說明（1) 一 β本發明係有關於一種雙疇型之橫向電場廣視角液晶顯示器’特別有關於其電極排列結構，可使晝素電極與共用電極之間產生不均勻的電場驅動。 .橫向電場廣視角之橫向電場液晶顯示器（In—Plane

Switching mode LCD，簡稱為 IPS 一 LCD)為主流廣視角 LCD 技術之’可有效改善傳統之扭轉向列性（t w i s t e d nematic ’ TN)液晶顯示器之不良視角。Ips — LCD之原理是將共用電極（common electr〇de)與晝素電極（pixel electrode)製作於玻璃基板（TFT基板）之同側，可利用橫向電場驅動共用電極與畫素電極，以使液晶分子在平面上轉動進而大幅增加視角，故具有廣視角、高光效率、高對依據共用電極與畫素電極之排列結構設計的不同，^ 將IPS-LCD區分成單疇型（single —d〇main)與雙疇型（tw〇一 domain)兩種。請參閱第1K所示之單疇型Ips-LCD “之^ 極排列結構的上視圖，兩條相鄰之閘極線2與兩條相鄰之 f料線4係各垂直相交而定義出一個近似矩形的畫素區，而每一個畫素區中設置有一 TFT社搂R , ^ 結構5、一梳子型（comb- shaped)之，素電極6以及一鰣魚型（herringb〇ne)之丘用

電極8。其中’共用電極8之中心脊骨線8a係橫設】於晝素區中，而且共用雷；^ .n ^ w去電桎8之魚月8b係與畫素電極δ之才齒6a父錯汉置。s外加電場於單疇型lps 會在畫素電極6與共用電極8 U又傻4 橫向電場。 1極8之間產生一平行於液晶分子：

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極置於共用電贫1來狀魚骨8 b之間，因士卜於械| β Λ . ra 女邱八品拉七a U此於梳齒6a與魚骨8b之間的大邛刀面積内會產生一均勻電場。均勻電的度（包括方向）在考量的大部分平面面積内，每^的^ 度對此平面空間的微分或梯度等於零，其優點:^ ί子在同一瞬間内產生均勻的驅動狀態，但其=點是^ ^ =的驅動電壓。有料橫向電場之驅動電壓正比 = Ξ二齒;:與共用電極8之魚骨8b的距離，因此為 = : f D 10的驅動電壓，必須縮短梳她與备

:8b的距離’不過這會增加畫素電極6之梳齒6a的線條數、 =及共用電極8之魚骨8b的線條數目，且礙於良率限使得梳齒6a與魚骨8b的線寬不得低於4微米，將導致晝素區之開口率（aperture rati〇)下降。由上述可知，在旦、型IPS-LCD 10中的均勻電場設計，無法同時兼顧高開口, 率、低驅動電壓之要求。

另外’為了改善上述之單疇型IPS-LCD 1〇的色差 (color shift)問題，習知技術發展出雙疇型Ips一LCD。浐參閱第2圖所示之雙疇sIPS-LCD 2〇之電極排列結構的上明視圖，由相鄰之閘極線1 2與資料線1 4所構成之畫素區i i 中，設置有一 TFT結構15、一梳子型之晝素電極16以及一鰣魚型之共用電極18。其中，畫素電極16之梳齒16a係呈〈狀’共用電極18之魚骨18b也呈〈狀，且梳齒Ua之〈狀與魚骨1 8b之〈狀平行排列。如此一來，當外加電場於雙嘴型IPS-LCD 20之後’位於共用電極18之中心脊骨線

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:側，電場方向不同而使液晶分子呈相反方向轉動，因此一、ΐ t線18a可將一個晝素區11分成一上單疇區lla以及 -了，嗜區lib。但是在任—個單•區中（上單•區Ua或下早嘴區lib)，由於晝素電極16之梳齒16a是平行設置於共用電極18之魚骨18b之間，因此於梳齒16a與魚骨18b之間的大部分面積内會產生一均勻電場，仍無法改善高驅動電壓的問題’因此雙疇型IPS —LCD 2〇亦無法同時兼顧高開口率、低驅動電壓之要求。

請參閱第3圖，其顯示液晶分子在習知雙疇型iPS_LCD 30之均勻電場中的轉動情形。在習知雙疇型Ips — LCD 3〇的一個畫素區中，兩相鄰之資料線22之間設置有三條畫素電極24a、24b、24c 與四條共用電極26a、26b、26c、26d，其中畫素電極24a、24b、24c是叉置在共用電極26a、26b 、2 6c、26d之間，且資料線22、畫素電極24與共用電極26 均呈雙卽〈字型π輪廓。此外，畫素區上覆蓋有一定向 (orientation)層，其摩擦（rub)方向如箭頭Α所示，因此於未外加電壓時，在閥值電場以下之液晶分子28會排列沿著箭頭A方向排列。以下以晝素電極24b與共用電極26b之間的一個單疇區為例，說明鄰近於〈字型尖端處之第一液晶分子2 8 I、遠離〈字型尖端處之第二液晶分子28 11的轉動情形。當外加電壓而使畫素電極24b與共用電極26b之間的橫向電場大於閥值電壓之後，第一液晶分子281與第二液晶分子2811之旋轉軸會呈一致的轉動，而轉成為28Γ 、28ΙΓ的方向，

0611-7038TWF;A01095;cherry.ptd 第7頁 554304 五、發明說明（4) 其轉動的角度取決於外加子如與第二液晶分子2川之大小，但由於第一液晶分 28ΙΓ的方向仍舊維持平行。相，，因此、均句電場的情況下，第十一丁液曰由八此H ’在單缚區内產生 2811是同時開始轉動、同時‘ ：·第二液晶分子所以第—液晶分子281盘第、_Tr曰轉動、以一致角度轉動，對不同的轉動，、第曰二液阳/刀子281 I之間並沒有相 (elastic disto t η 疋§兄沒有存在相對的彈性扭動能液晶分子28均且有相同之而且，在母一個位置上的值電場的情場’故在外加電壓低於閥。如此一 A下，任一個位置上的液晶分子28都不會轉動 A匕使所有的，雙疇型1PS_LCD 3〇需要較大的驅動電壓，才月b使所有的液S八王9 Q、去丨 ^ 電腦與/用電刀：：ft狀態’若要藉由縮短畫素到開口率降低驅動電壓，則會遭遇有鑑於此，本發明則提出一種雙疇型IPS_LCD之電極 =列、° 可以使畫素電極與共用電極之間產生不均勻的橫向電場驅動，以同時兼顧高開口率、低驅動電壓之要求。本發明之雙疇型橫向電場廣視角液晶顯示器（IPS—[a )包括有複數條橫向延伸之閘極線以及直向延伸之資料線，以構成複數個矩陣排列之晝素區。每一個晝素區中包含有複數條直向延伸之共用電極以及複數條直向延伸之晝素電極’且每一個晝素電極交又設置於每一個共用電極之間。其中’母一共用電極之輪廓為包含有至少一〈字型的弯

0611-7038TW; A01095; cherry. ptd 第8頁 554304 五發明說明（5) " '〜 ---—— 曲輪廓，且每一畫素電極之輪廓為包含有至小 ^ 彎曲輪廓。此外，複數個液晶分子係設置於夕〈予型的電極的〈字型輪廓與畫素電極的〈字型輪廓兩相鄰之共用分子之轉動方向可區分成兩個單疇區。位：之間，則液晶的任一個單疇區内，兩相鄰之共用電極鱼奎^晶分子轉動不均勾，可使兩相鄰之共用電極與畫素距場強度不均勻。之間的検向電 [圖式簡單說明] 圖。第1圖為習知單嘴型IPS_LCD之電極排列結構的上視第2圖為習知雙嘴型IPS_LCD之電極排列結構的上圖0 Ϊ3圖^示液晶分子*習知雙疇型1PS_LCD之均勻電場中的轉動情形。第4圖顯不本發明笛杳丨奴月第貫施例之晝素電極與共用電極之形狀設計圖。第二實施例之晝素電極與共用電極資料線〜4 ; 晝素電極〜6 ; 共用電極〜8 ; 魚骨〜8 b ;

第5圖顯示本發明之形狀設計圖。 [符號說明] 習知技術：閘極線〜2 ; TFT結構〜5 ; 梳齒〜6 a ; 中心脊骨線〜8 a

554304 五、發明說明（6) 畫素區〜11 ; 下單疇區〜1 lb 資料線〜1 4 ; 晝素電極〜1 6 ; 共用電極〜1 8 ; 魚骨〜1 8 b ; 單疇型IPS-LCD〜10 ; 上早_區〜1 1 a ; 閘極線〜12 ; TFT結構〜15 ; 梳齒〜1 6 a ; 資料線〜2 2 ; 畫素電極〜24a、24b ;共用電極〜26a、26b、26c ; 第一液晶分子〜281 ;第二液晶分子〜2811 ; 摩擦方向〜A。中心脊骨線〜18a ; 雙疇型IPS-LCD〜20 ; 雙疇型IPS-LCD〜30 ; 本發明技術：資料線〜3 2 ; 畫素電極〜34a 36c ；第二液晶分子〜3 8 11 晝素區〜4 2 ; 閘極線〜31 ; 34b TFT結構〜33 ; 共用電極〜36a、36b 第一液晶分子〜381 ; 雙疇型IPS-LCD〜40 ; 摩擦方向〜A。實施例說明：一種雙嘴型1PS-LCD之電極排列結構，传# 由調整畫素電極與共用電極之形稱係藉廓製作成至少一處彎曲哎多卢_二又"又σ ， σ •將輪 u〜田或多處考曲的流水型、择鉍轡从士的寬度、言周整相鄰彎曲處的間距等曰处内之畫素電極與共用電極之間產生：：：-個单嚼區較小間距，則外加電壓之後可在每一個單“ = 第10頁〇611-7038TWF;A01095;cherry.ptd 554304

向)在ΐ*電部動分平不面均面勻積電内場气指電場的強度(包括方

電極之較小；二等：：呈：f位於畫素電極與共用於晝素電極盥址用雷：刀Γ曰具有較高之電場強度，而位之電場強度。：於ί，較大間距的液晶分子會具有較低 (也就是接又斤曰；崎值效應只有在電場強度最大的區域最小間距的二小八間距的區域）才會出％，所以對於在接近值電俨日#屮=Β日分子而言，需等到外加電壓產生一大於閥而變!、隹!開始轉動，而且其轉動角度會隨著時間增加僖谈糾甘彈性扭動能（elaStic distorted energy) 轉動。：,位置的液晶分子’便可帶動相鄰之液晶分子的 & m ^★可知，在每一個單疇區内之液晶分子的配向方 ::Ϊ 場的方向所形成的角度0也是不均自，當液晶 •二i正；丨電異方係數時，角度0的絕對值介於8 9。〜6 0。 ^备液晶材料為負介電異方係數時，角度Θ的絕對值介於八 _如此一來’對於在接近最小間距以外區域的液晶 :子而σ ，其有效閥值電場要比均勻電場的情況下小得夕’也就是說本發明之雙疇型IPS_LCD所需之驅動電壓較低，並可以同時兼顧高開口率、低驅動電壓之要求。

以下舉出兩種較佳的電極排列結構，說明如何調整畫素電1與共用電極之形狀與寬度設計，以達到不均勻的橫向電場驅動的目的。本發明之要點是，在一條畫素電極與一條共用電極所構成之一個次畫素區中，每一個最小間距 W设计成相同，而且相鄰之次晝素區中的最小間距…也設計

0611-7038TWF;A01095;cherry.ptd 第11頁 554304 五、發明說明（8) 成相同。 [第一實施例] 請參閱第4圖，其顯示本發明第一實施例之晝素電極與共用電極之形狀設計圖。在本發明之雙疇型IPS-LCD 40 的一個晝素區42是由兩條閘極線31與兩條資料線32所構成’且包含有一TFT結構33。在兩相鄰之資料線32之間包含有兩條畫素電極34a、34b與三條共用電極36a、36b、 3 6c ’其中兩條畫素電極34a、34b是叉置在三條共用電極 3 6a、36b、3 6c之間，且資料線32、晝素電極34與共用電極36均呈”雙節 < 字型”輪廓。而且，畫素區42上覆蓋有一定向層，其摩擦方向如箭頭A所示，因此於未外加電壓時 ’在閥值電場以下之液晶分子38會排列沿著箭頭A方向排列。此外，在資料線32與共用電極36a、36c之間可能的漏光區域’可藉由上方之彩色渡光片（c〇l〇r 基板的黑光罩（black matrix)遮蓋住。值得注意的是，與第3圖所示之習知共用電極26a、 2 6b、2 6c不同之處，本發明所設計之三條共用電極36a、 3 6b、3 6c的形狀都不相同。第一條共用電極36a之輪廓是將原本共用電極26a之右側的〈字型凹入處相對加寬，則就一個單疇區而言，第一條共用電極Ma與畫素電極34a之〈字型尖端處與之間形成一最小間距，且隨著遠離畫素電極34a之〈字型尖端處，第一條共用電極“a與畫素電極 3 4 a與之間距也跟著增加。第二條共用電極3 6 b之輪廓是將原本共用電極2 6 b之右側的"〈字型”凹入處相對加寬，並

0611-7038TWF;A01095;cherry.ptd 第12頁 554304 五、發明說明（9) 將共用電極26b之左側的"〈字型”突出處相對加寬，則就一個單疇區而言，第二條共用電極36b與晝素電極34a之< 字型凹點處之間形成一最小間距，且隨著遠離晝素電極 34a之〈字型凹點處，第二條共用電極36b與晝素電極34a 與之間距也跟著增加。相同地，就一個單疇區而言，第二條共用電極3 6b與晝素電極3 4b之〈字型尖端處之間形成一最小間距，且隨著遠離畫素電極34b之〈字型尖端處，第二條共用電極36b與晝素電極34b與之間距也跟著增加。至於第三條共用電極36c之設計則相似於第一條共用電極 36a，可使一個單疇區内之第三條共用電極36c與畫素電極 34b之間形成一個最小間距。以為例距之第一個單場強度場強度梯度不產生不最大的鄰近最生一大液晶分隨著時下以晝素電極34b與共用電極36b之間的一個單嗜區說明鄰近於最小間距之第一液晶分子3 8 I、較大間二液晶分子3 8 11的轉動情形。當外加電壓之後，就疇區而言，由於在晝素電極34b之〈字型尖端的電最南，而在晝素電極3 4b之〈字型頭部與尾部的電最低，使得母點的電場強度對此平面空間的微分或等於零，因此在晝素電極34b與共用電極3 6b之間會均勻電場驅動。由於閥值效應只有在電場強度接近 ?=也二是最小間距的區域)才會出現，所以對於小間距的第_液晶分子381而言’等到外加電壓產時才會開t轉動’至於較大間距的第二間辦加，；’：?場強度較低而無法轉動。後續間曰加第—液晶分子381的轉動角度隨著變

554304 五、發明說明（ίο) 大，進而將彈性扭動能（elastic distorted energy)傳送到第二液晶分子3 8 I I，則結合第二液晶分子3 8 11所在位置的電場強度與彈性扭動能，便可帶動第二液晶分子3811之轉動，其轉動角度02會小於第一液晶分子381的轉動角度 θΐ 〇由此可知，在單嗜區内產生不均勻電場的情況下，第一液晶分子2 8 I與第二液晶分子2 8 I I不是同時開始轉動，也不是以一致角度轉動，所以第一液晶分子281與第二液晶分子2 8 I I之間會產生相對不同的轉動力矩，因此即使在外加電壓低於第二液晶分子28 11之閥值電場的情況下，第 _ 一液晶分子28 I之彈性扭動能可以補償不足之電場強度，以達到轉動第二液晶分子2811的目的。也就是說第二液晶分子3 8 I I之有效閥值電場要比均勻電場的情況下小得多。由上述可知，相較於雙疇型IPS-LCD之均勻電場驅動模式，本發明之雙疇型IPS-LCD之不均勻電場驅動模式所需之驅動電壓較低，亦可兼顧開口率之要求。反之，若本發明之雙疇型IPS-LCD維持採用習知驅動電壓值，則開啟時間（turn-on_t ime)可以加快許多。 [第二實施例] 依據本發明之設計要點，第二實施例係改良第一條畫 _ 素電極34a與第二條共用電極36b之形狀設計。請參閱第5 圖’其顯示本發明第二實施例之畫素電極與共用電極之形狀設計圖。與第4圖所示之不同之處，第一條畫素電極34a 之輪廓是將右側的〈字型凹入處相對加寬，第二條共用電

0611-7038TWF;A01095;cherry.ptd 第14頁 554304 五、發明說明（11) 極36b之輪廓僅將右側的〈字型凹入處相對加寬，則就一個單_區而言，第一條畫素電極34a與第二條共用電極36b 之〈字型尖端處之間形成一最小間距，且隨著遠離第二條共用電極3 6b之〈字型尖端處，第一條畫素電極34a與第二條共用電極3 6 b之間距也跟著增加。 [第三實施例] 針對第4圖所示之電極形狀設計而言，本發明第三實施例提出三種製作方法，可應用於一TFT基板上的三層導電層製程。第一種方法：先利用第一導電層（如：使用M〇w 材質）來定義閘極線與共用電極之圖形，然後利用第二導電層（如：使用Mo/A 1/Mo材質）來定義資料線與畫素電極之圖形。第二種方法：先利用第一導電層（如：使用M〇w材質）來疋義閘極線與共用電極之圖形，然後利用第二導電層（如··使用Mo/A 1/Mo材質）來定義資料線之圖形，最後利用第三導電層（如··使用ΙΤ0材質）來定義晝素電極之圖形。第三種方法：先利用第一導電層（如：使用M〇w材質）來定義閘極線圖形與第3圖所示之共用電極圖形（雙節〈字型）’然後利用第一導電層（如：使用Mo/Al/Mo材質）來定義 > 料線與第3圖所示之晝素電極的圖形，最後利用第三導電層（如：使用ΙΤ0材質）來定義第4圖所示之共用電極圖形（將雙節〈字型之凹點或尖端加寬的圖形）以及第4圖所示之晝素電極之圖形，且分別將每個圖形之第二導電層與第三導電層導通。雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用

第15頁 554304 五、發明說明（12) 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

0611-7038TWF;A01095;cherry.ptd 第16頁

Claims

I 一種橫向電場液晶顯示器（In — piane switching mode LCD，簡稱為IPS-LCD)，包括有·· m + ΐ f條橫向延伸之閘極線以及直向延伸之資料線，以構成稷數個矩陣排列之晝素區； ^，條直向延伸之共用電極，係形成於每一晝素區内八母共用電極之輪廓為包含有至少一〈字型的彎曲輪廓；複數條直向延伸之，其中係交叉設置於該極之輪廊為包含有至少複數個液晶分子，字型輪廓與該畫素電極之轉動方向可區分成至其中，位於該液晶鄰之該共用電極與該晝之該共用電極與該畫素 2·如申請專利範圍，其中該橫向電場液晶示裝置。吓夕风π母 ^ η 複數條共用電極之間，每一晝素電一〈字型的彎曲輪廓；以及係設置於兩相鄰之該共用電極的〈的〈字型輪廓之間，則該液晶分子少兩個單疇區；分子轉動的任一個單疇區内，兩相素電極之間距不均勻，可使兩相鄰電極之間的橫向電場強度不均勻。第1項所述之橫向電場液晶顯示器顯不器係為一主動式矩陣型液晶顯 3·如申請專利範圍第丨項所述之橫，其中該橫向電場液晶顯示器係由其電穷液日日”、、員不器少-基板為透明材f，且該=二其中至基板之間。日日刀子係夾故於該兩 4·如申請專利範圍第1項所述之橫向電場液晶顯示器

0611-7038TWF;A01095;cherry.ptd 第17頁 554304 六、申請專利範圍，其中該共用電極與該畫素電極之〈字型尖端處之間形成一最小間距，且隨/著遠二該 < 字逛尖端處可使該共用電極與5亥晝素電極之間距增加。 5·如申請專利範圍第丨項所述之橫向電場液晶顯示器，其中該共用電極之輪廓為包含有兩個連續〈字型的彎曲輪廊5。 6.如申請專利範圍第丨項所述之橫向電場液晶顯示器，其中該晝素電極之輪廓為包含有兩個連續〈字型的f曲輪廓。

7 ·如申請專利篇圖笛1道戶斤述之&向電场液日日顯不裔，其中該資料線之輪廓係為包含有至少一〈字型的彎曲輪廓0 8 ·如申請專利範圍第4項所述之橫向電場液晶顯示器 ’其中該橫向電場液晶顯示器包含有一黑光罩，其用來遮光之部分至少覆蓋住該資料線與該共用電極之漏光區域。 9 ·如申請專利範圍第1項所述之橫向電場液晶顯示器 ’其中在每一個單疇區内之液晶分子的配向方向與橫向電場的方向會形成一不均勻角度。 1 0 ·如申請專利範圍第9項所述之橫向電場液晶顯示器

，其中當該液晶分子為正介電異方係數材料時，該不均勻角度的絕對值介於8 9。〜6 〇。。器勻 11 ·如申請專利範圍第9項所述之橫向電場液晶，其中當該液晶分子為負介電異方係數材料時，角度的絕對值介於1◦〜3 〇。。顯示該不均

0611-7038TWF;AO1095;che r ry.p t d 第18頁