CN101359135B - 液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种宽视场角、颜色偏移小且高效的液晶显示装置。该液晶显示装置具有：第1基板、第2基板、夹在第1基板和第2基板之间的液晶层、由矩阵状地配置在上述第2基板上的扫描布线(10)和信号布线(11)包围的多个像素，对于第2基板在配置有液晶层的一侧的像素区域，配置有第1像素电极(12)和第2像素电极(13)、第1公共电极(14)和第2公共电极(15)，第1像素电极(12)和第1公共电极(14)配置在第1层，第2像素电极(13)和第2公共电极(15)配置在第2层，第1像素电极(12)和第2公共电极(15)在像素内重叠，第2像素电极(13)和第1公共电极(14)在像素内重叠。

Description

液晶显示装置
技术领域
本发明涉及液晶显示装置，特别涉及IPS方式的液晶显示装置的电极结构。
背景技术
液晶显示装置与以CRT(Cathode Ray Tube，阴极射线管)、PDP(Plasma Display Panel，等离子显示器)等为代表的自发光型的显示器不同，是通过调节光的透射光量来显示图像的非发光型的显示器。液晶显示器(LCD：Liquid Crystal Display)具有薄、轻、低功耗的特征。
当前，作为可以达成宽视场角的代表性的液晶显示方式，可以举出IPS(In Plane Switching，面内切换)方式和VA(VerticalAlignment，垂直取向)等。IPS方式是通过液晶分子在面内方向上旋转而使有效的延迟(retardation)在面内旋转来控制透射率的液晶驱动方式。因此，在IPS方式的LCD中，液晶的延迟随视场角的变化小。因此，已知IPS方式的LCD可以实现宽视场角。为了施加横向电场，提出了各种方法，最一般的方法为使用梳齿电极的方法。在利用梳齿电极施加横向电场的方法中，将像素电极和公共电极都设成梳齿状的方法、以及将像素电极和公共电极的某一方设为梳齿状并隔着绝缘层配置完整(实心)的公共电极或像素电极的方法等已得到了实用化。另外，还提出了各种电极结构。
IPS方式是施加横向电场而使液晶分子在面内旋转的方式。在液晶显示元件的所有像素中，为了使液晶分子在面内方向上均匀地旋转，需要施加方向与面内完全平行的电场。但是，这实际上难以实现；在现有技术中，通过在一侧的基板上配置被称为梳齿电极的电极，来近似地施加横向电场。为了进一步提高透射率，必需使液晶分子更均匀地在面内方向旋转。
为了解决上述问题，提出了如下述非专利文献1所示的电极结构。在该电极结构中，隔着绝缘层，当下侧电极的数量为1个时上侧的电极数量为2个，该电极的电位逐周期地的交替为公共电位和信号电位。但是，在该结构中，存在如下问题：在电极上部的液晶分子无法充分地在面内方向上旋转。
非专利文献1：J.Dis.Tech.Vol.2，No.2.2006，P114
发明内容
本发明的目的在于提供一种在横向电场方式的LCD中提高了透射率的液晶显示装置。
本发明的液晶显示装置的特征在于，具有：第1基板；第2基板；夹在上述第1基板和第2基板之间的液晶层、由以矩阵状配置在上述第2基板上的扫描布线和信号布线所包围的多个像素，对于上述第2基板，在配置有液晶层的一侧的像素区域中，配置有第1像素电极和第2像素电极、以及第1公共电极和第2公共电极，上述第1像素电极和上述第1公共电极配置在第1层，上述第2像素电极和上述第2公共电极配置在第2层，上述第1像素电极和上述第2公共电极在上述像素内重叠，上述第2像素电极和上述第1公共电极在上述像素内重叠。
以上，根据本发明，可以提供高透射率且颜色偏移小的液晶显示装置。
附图说明
图1是实施例1的液晶单元的平面结构的概略图。
图2是图1所示的A-A’间的剖面概略图。
图3是图1所示的B-B’间的剖面概略图。
图4是构成像素显示区域的呈矩阵状配置的像素的等效电路图。
图5是本发明的液晶显示装置的剖面概略图。
图6是用于确认实施例1的效果的仿真模型。
图7是图6所示的模型的仿真结果。
图8是其他液晶单元的平面结构的概略图。
图9是图8所示的C-C’间的剖面概略图。
图10是其他液晶单元的平面结构的概略图。
图11是其他液晶单元的平面结构的概略图。
图12是实施例2的液晶单元的平面结构的概略图。
图13是实施例3的液晶单元的平面结构的概略图。
图14是图13所示的D-D’间的剖面概略图。
图15是实施例4的液晶单元的平面结构的概略图。
图16是图15所示的E-E’间的剖面概略图。
图17是实施例5的液晶单元的平面结构的概略图。
图18是图17所示的F-F’间的剖面概略图。
附图标记说明
10：扫描布线；11：信号布线；12：第1像素电极；13：第2像素电极；14：第1公共电极；15：第2公共电极；16：源电极；17：接触孔；18：半导体层；19：第1基板；20：第2基板；21：滤色片；22：平坦化层；23：取向膜；24：绝缘层；25：液晶层；26：液晶单元；27：偏振片；28：背光源单元；29：积蓄电容；30：薄膜晶体管(TFT)；31：黑底；32：反射板；33：台阶部；34：内置相位差板；35：保护膜
具体实施方式
以下，使用附图来说明本发明的实施例。
(实施例1)
使用图1至图11来说明本实施例。本实施例的特征在于，在使用了梳齿状电极的IPS方式的液晶显示装置中，梳齿状电极隔着层间绝缘层配置为两层，该两层的电极被配置成具有公共电位和源电位的某一个，具有某一方的电位的电极和具有其相反的电位的电极隔着层间绝缘膜上下重叠，在该重叠的电极中，配置在上侧的一方的电极的宽度比配置在下侧的电极的宽度窄，公共电位和源电位针对梳齿电极的每一根上下交替。
首先，使用图5来说明本实施例。图5示出本发明的液晶显示装置的剖面概略图。在图5中，液晶显示装置由一对偏振片27、液晶单元26、背光源单元28构成。偏振片27由吸附碘(iodine)并拉伸了的聚乙烯醇(Poly Vinyl Alcohol)(以下称为“PVA”)层、和对其进行保护的保护膜构成。为了实现常闭(Normally Closed)，构成为第1偏振片27a的吸收轴和第2偏振片27b的吸收轴大致垂直配置。背光源单元28由光源、导光板、扩散板等构成。光源是可以从背面对液晶单元26进行照明的部件即可，光源和结构不限于此。例如，作为光源，可以使用CCFL、LED等。
接下来，图1示出图5所示的液晶单元26的平面结构的概略图，另外，图2和图3分别示出图1所示的A-A’间和B-B’间的剖面概略图。在图2和图3中，图5所示的液晶单元26由第1基板19、第2基板20、被这些基板夹着的液晶层25构成。
液晶层25由液晶分子的长轴方向的介电常数比短轴方向的介电常数小的、呈现正的介电常数各向异性的液晶组成物构成。液晶层25的液晶材料使用在包括室温域的宽范围内呈现向列(Nematic)相的材料。另外，在使用了薄膜晶体管(以下称为“TFT”)的驱动条件下，使用在保持期间中充分地保持透射率、并呈现不产生闪烁(flicker)的高电阻率的材料。即，液晶层25的电阻率优选为大于等于1012Ωcm2，特别优选为大于等于1013Ωcm2。液晶层的相位差优选为大于等于λ/2。此处，λ表示光的波长。
在第1基板19中，在液晶层侧的最表面配置有取向膜23。另外，在第1基板19的表面，配置有滤色片21；在滤色片21的液晶层侧，配置有平坦化层22。在像素间和TFT上部等，根据需要配置黑底31。
在第2基板20中，在液晶层的最表面配置有取向膜23。接下来，配置有第1像素电极12以及第1公共电极14。为了控制对各像素施加的电压，配置有TFT。如图1所示，为了实现该TFT的源电极16和各像素电极的接触，配置有接触孔17。在与源电极16的接触中，虽然像素电极成为两层结构，但例如可以通过图3所示那样配置来实现。在第1像素电极12和第2像素电极13之间、扫描布线10和源电极16之间、信号布线11和第2像素电极13之间等，配置有绝缘层24a、b、c。
第1基板19以及第2基板20为了使光透射而是透明的，例如可以使用玻璃或高分子膜。高分子膜特别优选为塑料(plastic)或聚醚砜树脂(以下称为“PES”)。但是，由于塑料或PES是透气的，所以需要在基板表面形成阻气层(gas barrier)。阻气层优选由氮化硅的膜形成。
取向膜23具有使基板表面的液晶分子水平地取向的功能。取向膜23优选为聚酰亚氨有机膜。
接下来，使用图4，对像素电极以及TFT进行说明。图4是构成像素显示区域的呈矩阵状配置的像素的等效电路图。在像素区域中，具有信号布线11和扫描布线10。由信号布线11和扫描布线10包围的区域为像素，其信号布线10和扫描布线11被大致正交地配置，在它们的交叉部具有至少1个TFT 30。该TFT 30与接触孔17相连接。对于该接触孔17，在通常的液晶显示装置中是1个接触孔与1个像素电极连接，但在本实施例中，如图3所示在1个接触孔17上连接了2个不同的像素电极12、13。另外，为了防止保持在像素中的图像信号的泄漏，也可以配置积蓄电容29。
另外，此处，以在1个像素内使用了TFT 30的有源矩阵驱动为例子进行了说明，但本实施例即使在无源驱动中也能够得到同样的效果。TFT 30是反交错(staggered)结构；如图3所示，在其沟道部具有半导体层18。
信号布线11被施加用于控制液晶层的电压信号，扫描布线10被施加用于控制TFT 30的信号。如图1所示，源电极16经由接触孔17与各像素电极12、13相连接。上述信号布线11、扫描布线10以及源电极15的材料优选为低电阻的导电性材料，例如优选为铬、钽-钼、钽、铝、铜等。
在图1至图3中，第1像素电极12以及第2像素电极13是为了对液晶层25施加电场而配置的。各像素电极12、13由透明的导电性材料构成，例如使用铟锡氧化物(ITO)或氧化锌(ZnO)。
滤色片21针对每个像素排列有使红、绿、蓝中的某一种光透射的红区域/绿区域/蓝区域。这样的配置例如有条纹排列或三角(Delta)排列等。
平坦化层22是为了将在滤色片制作时发生的凸凹进行平坦化而设置的。平坦化层22优选使用丙烯酸树脂等。
黑底31是为了切断来自邻接像素的光泄漏等而设置的。黑底31中使用的材料可以使用金属或树脂等不透明材料，优选为铬、钽-钼、钽、铝、铜等。
第1公共电极14以及第2公共电极15由透明的导电性材料构成，例如使用铟锡氧化物(ITO)或氧化锌(ZnO)。但是，为了降低布线电阻，也可以仅对配置在信号布线11上部和扫描布线10上部的各公共电极14、15的部分使用低电阻的材料，例如铬、钽-钼、钽、铝、铜等。另外，也可以在透明的导电性材料上叠加低电阻的材料来使用。
如果对各像素配置公共电极，则在各像素中必需要公共布线用的接触孔。这导致开口率的降低。因此，为了解决该问题，通过如图1所示与上下的相邻的像素连接，无需对各像素配置接触孔，而可以提高开口率。在本实施例中，将沿着与信号布线11平行的方向、并且信号布线11之上利用为布线区域。由此，可以消除来自信号布线11的泄漏电场的影响，并且可以提高开口率。
使用仿真对本实施例的效果进行讨论。在仿真中使用市售的仿真器(LCD-Master：Shintech公司生产)。图6以及图7示出仿真的条件以及结果。此处，与非专利文献1所示的HT-IPS方式进行比较。该HT-IPS方式的仿真参数使用非专利文献1中示出的数值。图6(c)中的Δε表示液晶的介电常数各向异性，Δn表示液晶的折射率各向异性，d表示液晶层的厚度，Δnd表示液晶层的延迟(retardation)，w1、w2、l1、l2、g表示图6(a)、(b)所示的长度，pre-twist表示基板界面附近的液晶在方位角方向上旋转的角度(其中，0度为与信号布线平行的方向)，pre-tilt表示基板界面附近的液晶在极角方向上旋转的角度(其中，0度为与基板水平的方向)，din表示层间绝缘膜的膜厚。该层间绝缘膜假设为SiN膜，其相对介电常数为6.5。
图7示出关于透射率的最大值的Δnd依赖性和Δε依赖性，进行了仿真的结果。在图7(a)中，一边使Δnd从340到420nm变化一边进行计算。在图7(b)中，一边使Δε从6到10变化一边进行计算。施加电压为呈现最大透射率的电压。根据结果，可知在所计算出的范围中，本实施例的透射率高于HT-IPS。另外，通过改变层间绝缘膜的膜厚din，可以进一步提高透射率。
在本实施例中，梳齿电极隔着层间绝缘膜成为两层结构，如果在下侧配置了1个公共电极，则在上侧配置1个像素电极；相反，如果在下侧配置了1个像素电极，则在上侧配置1个公共电极。并且，针对每组交替该关系。此时，配置在两层结构的下侧的电极的宽度在设配置在液晶层侧的电极的宽度为w1而配置在第2基板20侧的电极的宽度为w2时，w2/2＜w1≤w2的关系成立。在本次的仿真中，将w1设为3μm并将w1设为2μm来进行。
此处，在设第1像素电极12的宽度为w1而第2公共电极15的宽度为w2时，在像素内，w2/2＜w1≤w2的关系成立；在设第1公共电极14的宽度为w1’而第2像素电极13的宽度为w2’时，在像素内，w2’/2＜w1’≤w2’的关系成立。
在本实施例中，梳齿电极的方向与扫描布线10大致平行，并且，第1公共电极14以及第2公共电极15在信号布线11上与相邻的像素连接。此处相邻的像素是沿着信号布线11的方向。
使用图8至图11，对为了得到本实施例效果的其他结构进行说明。为了得到本实施例的效果，梳齿电极的方向也可以与信号布线11大致平行。另外，第1公共电极14以及第2公共电极15在扫描布线10上与相邻的上下的像素连接。或者，也可以在扫描布线10上和信号布线11这两者上连接。另外，此处相邻的像素也可以是沿着扫描方向10的方向。
在图8中，梳齿电极的方向与信号布线11大致平行，并且，公共电极14、15在信号布线11上与相邻的上下的像素连接。图9是图8中的C-C’间的剖面概略图。
在图10中，梳齿电极的方向与扫描布线10大致平行，并且，公共电极14、15在扫描布线10上与相邻的左右的像素连接。在图11中，梳齿电极的方向与信号布线11大致平行，并且，公共电极14、15在扫描布线10上与相邻的左右的像素连接。除此以外，只要是在扫描布线10或信号布线11上与相邻的像素连接的结构，则可以是任意的结构。
通过如上所述那样构成，本实施例可以提供高透射率并且颜色偏移小的液晶显示装置。
(实施例2)
本实施例通过对液晶取向进行多畴(multi-domain)化来减轻颜色偏移。该多畴化是指，如日本特开平11-30784号公报记载，在IPS方式的液晶显示装置中，为了减轻从斜向观察时的颜色偏移，将电极弯曲而将液晶的取向设为大于等于2个方向。
本实施例的基本结构与实施例1相同，使用图12，仅对与实施例1不同的点进行说明。为了进行多畴化，必须使梳齿电极弯曲。在图12中，梳齿电极的方向为与扫描布线10大致平行的方向，但不限于此。另外，弯曲次数也没有特别限定。
这样，第1像素电极12和第2公共电极15、以及第1公共电极14和第2像素电极13分别重叠，并且实现多畴化，据此，可以提供高透射率并且颜色偏移小的液晶显示装置。
(实施例3)
本实施例的基本结构与实施例1相同，使用图13以及14仅对与实施例1不同的点进行说明。
本实施例的特征在于，如图13所示，在夹着信号布线11的2个相邻的像素中，在最靠近信号布线11配置的第1像素电极12之下配置的第2公共电极15被共用化。此时，第2公共电极15也覆盖在信号布线11上。图14示出图13中的D-D’间的剖面概略图。
通过这样配置第2公共电极15，可以大致完全消除来自信号布线11的泄漏电场的影响，进而可以扩大公共电极15的面积，所以还可以降低电阻值。因此，不易引起像素的亮度倾斜等，而可以提供高开口率的液晶显示装置。
(实施例4)
本实施例的基本结构与实施例1相同，使用图15以及图16仅对与实施例1不同的点进行说明。
本实施例是如图15所示在像素的一部分设置了反射显示区域的半透射型液晶显示装置。图16示出图15中的E-E’间的剖面概略图。与实施例1不同的点在于，具有反射板32，还具有用于与其他层电绝缘的绝缘层24d。如图16所示，在第1基板19的平坦化层22的液晶层25侧，配置有内置相位板34和保护膜35。
反射板32是为了反射从第1基板19侧入射的外部光而设置的。反射板32为了使所入射来的外部光扩散而具有凹凸。也可以仅在反射板32上具有该凹凸，但在本实施例中，如图16所示，在绝缘膜24b上制作凹凸，由此对反射板32附加凹凸。反射板32优选为在可见光区域中反射率高的银、铝等。
内置相位差板34是为了使反射显示区域的光学特性接近于透射显示区域的光学特性而配置的。内置相位差板34由于由液晶高分子构成，所以与将有机高分子膜拉伸而制成的相位差板相比，分子的取向性高且具有与液晶层25相同程度的取向性。因此，如果内置相位差板34的Δn充分大于外置的相位差板，且适当调整分子结构以及制造条件，则内置相位差板34的Δn可以设为与液晶层25相同程度或更大。外置的相位差板的层厚为几十μm，接近液晶层厚的10倍，但如果使用液晶高分子，则可以大幅减小内置相位差板34的层厚。
内置相位差板34是对涂敷了取向膜的基板进行摩擦(rubbing)后，将二丙烯酸类液晶混合物和光反应开始剂一起溶于有机溶剂中，并通过旋转涂敷(spin coat)或印刷等手段来涂敷的。刚涂敷后为溶液状态，但一边使溶剂蒸发一边沿着相位差层取向膜的取向方向取向。对其照射紫外线而使分子末端的丙烯酸基彼此聚合。此时，虽然氧是妨碍聚合反应的主要因素，但如果光反应开始剂的浓度充分，则光反应会以充分快的速度进行。如果此处需要对内置相位差板34进行图案化，则利用掩模等不对希望图案化的部分照射光，而利用有机溶剂进行显影，从而可以仅在必要的位置配置内置相位差板34。据此，大概原样地保持液晶层的取向状态而进行固定化来形成相位差层。之后，相位差层通过保护膜形成、取向膜形成的各工艺而被加热。由于被置于高温状态，相位差值减小；但相位差值的现状是，为如果高温状态的温度一定，则相位差值与被置于高温状态的时间的长度大致成比例，所以对其估计来设定初始的相位差值即可。在本实施例中使用的内置相位差板34的相位差值优选为λ到λ/4的范围。
保护层35是为了保护液晶层25使内置相位差板34不侵入液晶层25而配置的。保护层35优选使用与平坦化层22同样的丙烯酸类树脂等。另外，仅对反射显示区域配置台阶部33。
通过这样配置，可以同时实现利用来自背光源单元的光的透射显示、和利用外部光并利用由反射板32反射的光的反射显示这两者。其结果，可以提供高透射率并且颜色偏移小的半透射型液晶显示装置。
另外，可以根据用途来变更反射显示区域的大小。另外，只要能够实现半透射型液晶显示装置即可，可以是任何方式；在本实施例中，记述了使用内置相位差板的方式，但不限于该方式。
通过如上所述的结构，可以提供可以同时实现透射显示和反射显示的半透射型液晶显示装置。
(实施例5)
本实施例的基本结构与实施例4相同，使用图17以及图18仅对与实施例4不同的点进行说明。
本实施例是如17所示在像素的一部分设置了反射显示区域的半透射型液晶显示装置。图18示出图17中的F-F’间的剖面概略图。在实施例4中，为了使反射板32电隔离而在两侧面配置有绝缘膜24b、d。本实施例的特征在于，使反射板32和第2公共电极15层叠，而兼用作反射板32和第2公共电极15的功能。
反射板32是为了反射从第1基板19侧入射的外部光而设置的。反射板32是与第2公共电极15层叠地配置的。在图18中，反射板32被配置在液晶层侧，但也可以是第2公共电极15被配置在液晶层侧。
第1公共电极14以及第2像素电极13仅配置在透射显示区域。另一方面，第1像素电极12配置在反射显示区域和透射显示区域，梳齿电极宽度的间距也可以在透射显示区域和反射显示区域中变化。
通过如上所述的结构，与实施例4相比，可以将绝缘层减少1层，所以可以提供低成本的半透射型液晶显示装置。

Claims (12)

1.一种液晶显示装置，其特征在于，
具有：第1基板；第2基板；夹在上述第1基板和第2基板之间的液晶层、由以矩阵状配置在上述第2基板上的扫描布线和信号布线所包围的多个像素，
对于上述第2基板，在配置有液晶层的一侧的像素区域中，配置有第1像素电极和第2像素电极、以及第1公共电极和第2公共电极，
上述第1像素电极和上述第1公共电极配置在第1层，
上述第2像素电极和上述第2公共电极配置在第2层，
上述第1层存在于上述第2层之上，
上述第1像素电极和上述第2公共电极在上述像素内重叠，
上述第2像素电极和上述第1公共电极在上述像素内重叠，
上述第1像素电极和上述第1公共电极、以及上述第2像素电极和上述第2公共电极在上述像素内成为梳齿状电极结构，
在设上述第1像素电极的宽度为w1且上述第2公共电极的宽度为w2时，在上述像素内，成为w2/2＜w1≤w2的关系，
在设上述第1公共电极的宽度为w1’且上述第2像素电极的宽度为w2’时，在上述像素内，成为w2’/2＜w1’≤w2’的关系，
在上述第1公共电极和上述第2像素电极之间夹着绝缘层，上述第1公共电极和上述第2像素电极重叠，
在上述第1像素电极和第2公共电极之间夹着绝缘层，上述第1像素电极和上述第2公共电极重叠。
2.根据权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，
在上述第1公共电极的梳齿电极间，配置有上述第1像素电极的梳齿电极，
在上述第2公共电极的梳齿电极间，配置有上述第2像素电极的梳齿电极。
3.根据权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，
在配置于上述像素内的各梳齿电极中，当从上述液晶层侧观察时，
上述第1公共电极配置在上述第2像素电极的大致中心，
上述第1像素电极配置在上述第2公共电极的大致中心。
4.根据权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，
上述第1公共电极在与上述信号布线平行的方向或垂直的方向或这两个方向上连接相邻的像素。
5.根据权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，
上述第2公共电极在与上述信号布线平行的方向或垂直的方向或这两个方向上连接相邻的像素。
6.根据权利要求4所述的液晶显示装置，其特征在于，
上述第1公共电极和上述第2公共电极的一部分重叠，并且重叠部分通过上述信号布线或上述扫描布线或这两者。
7.根据权利要求6所述的液晶显示装置，其特征在于，
上述第1公共电极和上述第2公共电极覆盖着上述像素间的上述信号布线的全部。
8.根据权利要求6所述的液晶显示装置，其特征在于，
上述第1公共电极和上述第2公共电极覆盖着上述像素间的上述扫描布线的全部。
9.根据权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，
在上述像素区域内，具有接触孔，
上述接触孔将上述第1像素电极和上述第2像素电极同时连接到薄膜晶体管的源电极。
10.根据权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，
上述像素区域包括透射显示区域和反射显示区域。
11.根据权利要求10所述的液晶显示装置，其特征在于，
在上述第2基板的一部分上配置有反射板，
上述反射板配置在上述第2层和上述第2基板之间，
在上述反射板与上述第2像素电极以及上述第2公共电极之间具有绝缘层。
12.根据权利要求10所述的液晶显示装置，其特征在于，
在上述第2基板的一部分上配置有反射板，
上述反射板配置在上述第2层和上述第2基板之间，
上述反射板和上述第2公共电极层叠地配置，
上述第2像素电极仅配置在上述透射显示区域中。
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