JP2004294913A - 液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】TFTアレイ基板10と、対向基板と、該TFTアレイ基板10と該対向基板との間に挟持された液晶層を有し、該TFTアレイ基板10上には少なくとも走査線14、映像線20、TFT素子22、画素電極24、が形成された液晶表示素子において、前記走査線14を絶縁層を介して金属製のシールド電極30で被覆すると共に、該シールド電極30に前記対向電極に印加されている電圧を基準にして一走査毎に極性を変える電圧を印加する。
【選択図】 図1
Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、アクティブマトリックス液晶表示装置に関し、特にこの液晶画素駆動用TFT(Thin Film Transistor)のゲートパルスを供給するための走査線と対向電極間に印加される直流成分による焼き付き現象の生成を防止したアクティブマトリックス液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に液晶表示装置には薄型軽量、低消費電力という特徴があり、特に、TFT方式のアクティブマトリクス型液晶表示装置は携帯端末から大型テレビに至るまで幅広く利用されている。
【0003】
アクティブマトリクス型液晶表示装置は、マトリクス状に配置された画素電極と各画素電極に接続されたTFTが設けられた基板と共通電極が設けられた基板とを所定間隔を隔てて配設し、両基板間に液晶を封入することにより構成される。TFTは画素電極へのデータ信号入力を選択するスイッチング素子であり、ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極、及び、非晶質半導体層より構成される電界効果トランジスタであり、それぞれの電極は走査線、映像線及び画素電極に接続されている。
【0004】
走査線群は線順次に走査選択されて1走査線上の全てのTFTをONとし、このON期間中にデータ信号が各映像線を介してそれぞれの画素電極に入力される。共通電極は走査信号に同期して電圧が設定され、対向する各画素電極との間で画素となる液晶容量が形成されて電圧が保持される。この保持電圧は間隙の液晶を駆動するとともに、次フィールドで正負反転して書き換えられるまで、液晶の駆動状態を1走査期間維持する。
【0005】
このアクティブマトリクス型液晶表示装置の数画素分の一般的な等価回路を図7を参照して簡単に説明する。個々の液晶画素LPは液晶パネル上の走査線Xn、Xn+1・・・と映像線Ym、Ym+1・・・の交点に設けられており、この液晶画素LPは等価的に液晶容量CLCで表わされている。通常液晶容量CLCには補助容量CSが並列に接続されている。液晶容量CLCの一端は駆動用画素トランジスタTrに接続されているとともに、他端は対向電極に接続されて所定の基準電圧Vcomが印加されている。
【0006】
画素トランジスタTrは絶縁ゲート電界効果型の薄膜トランジスタTFTからなり、そのドレイン電極Dは映像線Ym、Ym+1・・・に接続されて画像信号Vsigの供給を受け、また、ソース電極Sは液晶容量CLCの一端、すなわち画素電極に接続されている。さらに、画素トランジスタTrのゲート電極Gは走査線Xn、Xn+1・・・に接続されて所定のゲート電圧Vgateを有するゲートパルスGPが印加されるようになされている。液晶容量CLCとゲート電極Gとの間には結合容量CGSが形成される。この結合容量CGSは画素電極と走査線Xnとの間の浮遊容量成分と画素トランジスタTr内部のソース領域とゲート領域との間の寄生容量成分が合わさったものであり、後者の寄生容量成分が支配的であるとともにその値は個々の画素トランジスタTrによってかなりのばらつきが存在している。
【0007】
この一画素の各部分の電圧波形を図8を用いて説明する。まず、この画素の選択期間中に電圧VgateのゲートパルスGPがゲート電極Gに印加されると、画素トランジスタTrはオン状態になる。この時、映像線Ymから供給された画像信号Vsigが画素トランジスタTrを介して液晶画素に書き込まれて、いわゆるサンプリングが行なわれる。次にこの画素が非選択期間になるとゲートパルスGPの印加が停止されてローレベルゲート電圧が印加され、画素トランジスタTrはオフ状態となるが、書き込まれた画像信号は液晶容量CLCに保持されている。
【0008】
選択期間から非選択期間に移行するとき、矩形波ゲートパルスGPはハイレベルからローレベルに急激に立ち下がるので、このとき前述した結合容量CGSを介してカップリングにより液晶容量CLCに蓄えられた電荷が瞬間的に放電する。このため、液晶画素に書き込まれた画像信号Vsigに電圧シフトΔVが生じてしまう。したがって、液晶表示素子の個々の画素ごとに結合容量CGSの値にばらつきがあるため、前記電圧シフトΔVにもばらつきが生じるので、結果として液晶パネルの表示画面を周期的に変化させ、いわゆるフリッカ及び残像を生じて表示品位を著しく劣化させる。
【0009】
なお、液晶画素には選択期間中に画像信号Vsigを書き込み、続く非選択期間中書き込まれた画像信号を保持して一フィールドが構成されるが、一フィールドにおける液晶画素の透過率はその間に液晶に印加される実効電圧によって決定される。したがって、画素トランジスタTrは、選択期間内に書き込みを完了するために必要なオン電流が確保できるものでなければならず、また、一フィールド期間中に液晶画素を点灯し続けるのに十分な実効電圧が得られるようにするために、非選択期間中あるいは保持期間中のリーク電流はできるだけ小さくする必要がある。実効電圧としては選択期間より遥かに長い非選択期間時の影響が大きい。このため、画素容量CLCを充電した後、オフする時生じる前述の電圧シフトΔVは液晶に印加される実効電圧に大きく効いてくるため、表示品位が損なわれる。
【0010】
従来、電圧シフトΔVの絶対量及びばらつきを抑制するため、液晶容量CLCに並列接続されている補助容量CSを大きめに形成するという対策が講じられていた。すなわち結合容量CGSを介して放電される電荷量を補うに足る電荷を予め補助容量CSに蓄えるものである。そして、この補助容量CSは、他の電極から独立した電極を画素電極に重畳して配置し、その電極に共通の電圧を与えるいわゆるCS−on−common方式の蓄積容量型のものと、走査線の一部を延在形成して画素電極に重畳配置したいわゆるCS−on−gate方式の付加容量型のものとが存在している。上述の図7に示した等価回路はCS−on−common方式のものであり、CS−on−gate方式の等価回路は、Csの一方の電極がTrのソース電極Sに接続されている点では前者と同じであるが、Csの他方の電極は走査線Xn、Xn+1・・・に接続されている点で前者とは異なっている。
【0011】
そして、一般的なアクティブマトリクスLCDは、液晶層を挟み込むようにして一対の電極が対向配置されている。一方の電極がTFT基板上の画素電極、他方の電極がカラーフィルタ基板上の対向電極である。そして例えば、対向電極に+5V(=Vcom)の電圧がかかっている時、画素電極にかかる電圧(=Vsig)は0V又は+10Vが印加され、液晶層に印加される電圧は走査されるたびに極性を変え、直流成分が残らないようにしている。すなわち、ある走査時では液晶層には(画素電極:+10V)−(対向電極:+5V)=+5Vの電圧がかかり、その次の走査時は(画素電極:0V)−(対向電極:+5V)=−5Vの電圧がかかるため、液晶層に印加される電圧は結果として±0Vになる。
【0012】
ところが、通常の液晶表示素子においては、CS−on−common方式であれば画素電極と走査線とが重ならず、CS−on−gate方式でも走査線の全体を画素電極で覆わないため、走査線と対向電極が向かい合うことになる。走査線にかかる電圧は画像信号よりも大きく、例えば、ON時には+20V、OFF時には−5Vの電圧が印加され、そしてON時とOFF時の対向電極間電圧の電位差が相殺する関係にないため、結果として、対向電極と走査線との間に位置する液晶層に直流成分が印加されてしまうことになる。そのため、従来の液晶表示素子においては、上述のように走査線と対向電極との間に直流成分が存在するために液晶の焼き付き現象が生じるという問題点があった。
【0013】
一方、下記特許文献1には、実施例1及び3としてアクティブマトリクス型液晶表示素子において、走査線と対向電極との間に直流電圧が印加されて液晶が劣化するのを防止する目的で、走査線をシールド電極で被覆するようになしたものが開示されている。図9はこの下記特許文献1に実施例1として開示されているアクティブマトリクス型液晶表示素子の1画素分の具体例であり、図9(a)は上視図、図9(b)は図9(a)のA−A’線断面図、図9(c)は図9(a)のB−B’線断面図である。
【0014】
図9において、液晶表示素子50は、第1の絶縁基板51上に薄膜トランジスタのチャネル領域52、ドレイン領域53、ソース領域54が形成され、この半導体層を被覆するようにゲート絶縁膜55、ゲート電極を兼ねた走査線56が積層され、その表面に第1の絶縁体65が形成されている。ソース領域54はコンタクトホール63を経て画素電極58に接続され、また、第1の絶縁体65の表面にはシールド電極66が形成されている。
【0015】
シールド電極66は、走査線56を完全に覆っており、走査線56とは第1の絶縁体65で絶縁されている。このシールド電極66及びコンタクトホール63の表面は第2の絶縁体57で被覆され、また、この第2の絶縁体57にはコンタクトホール64を経てソース領域54と信号線59が接続されている。
【0016】
この第1の絶縁基板51と対向して、共通電極61を設けた第2の絶縁基板62が配置され、第1の絶縁基板51と第2の絶縁基板62の間に液晶層60を設けられて液晶表示素子50が構成されている。そして、液晶表示素子50の外部あるいは周辺部で、シールド電極66と共通電極61が接続され、この2つの電極が常に同電位となるようにされている。この結果、走査線56は、液晶層60に対してシールド電極66により完全に静電シールドされた状態となるので、液晶層60に直流電圧が印加されることはなく、長期にわたり信頼性が高く、良質の表示品質をもつ液晶表示装置が実現できるとされている。
【0017】
しかしながら、この図9に開示されている液晶表示素子50は、上述の電圧シフトΔV低減させるための補助容量CSを増大させるには不十分であり、そのため、特許文献1には別途補助容量CSを増大させる目的で実施例3として保持容量部を形成した図10に示すような液晶表示素子を開示している。図10において、図10(a)は上視図、図10(b)は図10(a)のA−A’線に沿う断面図、図10(c)は図10(a)のB−B’線に沿う断面図である。なお、図10においては図9示した構成と同じ部分には同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0018】
図10に示されている液晶表示素子50が図9に記載のものとの相違している点は、画素電極58が前段の走査線56をシールドするシールド電極66及びシールド電極66と第2の絶縁体57で絶縁を保ちながら重なり合うように構成されている点、薄膜トランジスタが走査線56と信号線59の交叉部に設けられている点、及び、保持容量部67がドレイン領域53、ゲート絶縁膜55、シールド電極66、第2の絶縁体57、画素電極58を積層することにより設けられている点である。
【0019】
図10(b)は走査線56と信号線59の交叉部の断面構造を示している。薄膜トランジスタの基本的な構造は、図9に記載のものと同様であるが、ドレイン領域53と信号線59が容量結合により信号線59の信号がドレイン領域53を通して画素電極58へ書き込まれるのを防ぐために、ドレイン領域53をシールド電極66により静電シールドし、容量結合を無くしている。この結果、薄膜トランジスタは走査線56と信号線59の下部に構成でき、液晶表示装置の開口率が向上する。
【0020】
図10(c)は保持容量部67の断面構造を示している。保持容量部67は、ドレイン領域53、ゲート絶縁膜55、シールド電極66、第2の絶縁体57、画素電極58の積層構造となっており、ドレイン領域53と画素電極58はコンタクトホール63を介して同電位となっている。この結果、保持容量は、シールド電極66を一方の電極として、ゲート絶縁膜55をドレイン領域53で挟んだ容量と、第2の絶縁体57を画素電極58で挟んだ容量が並列に構成されており、小さな専有面積で十分な大きさの保持容量が実現でき開口率が向上する。このように構成されたシールド電極66は3つの役目を有する。第1に、図9に記載のものと同様に、液晶層60へ直流電圧が印加されるのを防ぐ静電シールドとしての役目、第2に走査線56と画素電極58の隙間より漏れる光の光遮光層としての役目、第3に保持容量の一方の電極の電位を固定する保持容量線の役目があるとされている。
【0021】
【特許文献1】
特開平05−053135号公報(特許請求の範囲、段落[0007]〜[0015]、図1)
【特許文献2】
特開平11−052418号公報(段落[0008]、[0017]〜[0025]、図1、図2)
【特許文献3】
特許第2955277号公報(特許請求の範囲、段落[0020]〜[0044]、図1、図2)
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1に開示されている液晶表示素子においては、シールド電極を共通電極と同電位にするため、シールド電極と画素電極との間に電差が生じ、横電界が発生する。そのため画素電極の周縁付近の液晶分子に配向の乱れが発生し、表示ムラの原因となってしまう。
【0023】
また、シールド電極に共通電極と同電位の電圧を供給するためには、シールド電極を走査線に沿った配線形状にして、外部で共通電極と接続する必要がある。しかし、特許文献1のように配線形状のシールド電極を画素電極と同材料のITO形成した場合、ITO等の透明電極は配線抵抗が高いため、特に大型の液晶表示装置において、電圧供給端子側とその反対側でシールド電極に電圧差が発生しやすい。つまり、シールド電極の電圧にばらつきが発生しやすいため、大型の液晶表示装置には不向きであった。仮に、シールド電極を画素電極と異なる材質で形成した場合、特許文献1のシールド電極の構成では構造が複雑になり、製造工程が増えてしまう。
【0024】
なお、アクティブ液晶表示素子においては、光漏れ防止、開口率上昇及び補助容量の増加の目的で、走査線の一部と画素電極とが重なるようになしたものは、例えば上記特許文献2及び3にも開示されているように、多く知られているが、走査線上に生起する直流成分を抑制するという技術思想はなく、走査線の全体を画素電極で覆うことは行なわれてはいなかった。その理由は、例えば上記特許文献2及び3に開示されている発明の目的を達成するには、走査線の全てを画素電極で覆う必要はなく、逆に、単に画素電極で走査線全体を覆うと、隣接する画素電極との間隔が狭くなってしまい、それだけ隣接する画素電極と短絡を生じる可能性が増えるというリスクが発生するためである。
【0025】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、このような従来のアクティブ液晶表示素子に関する問題点を解決すべく種々検討を重ねた結果、走査線の表面全体を絶縁膜を介して金属製のシールド電極で被覆し、更にこのシールド電極に対向電極に印加されている電圧を基準にして一走査毎に極性を変える電圧を印加すれば、上述の半導体層形成による問題点を解決することができると共に、液晶層に直流電圧が印加されることがなくなるので液晶層の焼き付きを防止することができることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
【0026】
即ち、本発明は、TFTアレイ基板と、対向基板と、該TFTアレイ基板と該対向基板との間に挟持された液晶層を有し、該TFTアレイ基板上には少なくとも走査線、映像線、TFT及び画素電極が形成された液晶表示素子において、前記走査線を金属製のシールド電極で絶縁膜を介して被覆すると共に、該シールド電極に前記対向電極に印加されている電圧を基準にして一走査毎に極性を変える電圧を印加するようになしたことを特徴とする。かかる構成となすことにより走査電極に生じた直流電圧は、金属製のシールド電極により遮られるので、直接液晶層に印加されることが無くなり、従来例のように液晶層が焼き付きを起こすことがなくなる。
【0027】
この場合、前記シールド電極が画素電極の一部を延長することにより形成されたものであることが好ましい。このような構成となすことにより、補助容量CSを大きくすることができるだけでなく、別途シールド電極の形成工程を設けなくても、画素電極形成の際にこのシールド電極として作用する構成をも形成できるようになる。
【0028】
また、前記シールド電極が映像線の一部を延長することにより形成されたものとすることも可能である。この場合も別途シールド電極の形成工程を設けなくても、映像線形成の際にこのシールド電極として作用する構成をも形成できるようになる。
【0029】
また、TFTアレイ基板に補助容量線を設けることが好ましい。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【0031】
実施例1としては、CS−on−common方式のアクティブ液晶表示素子に適用した。図1は、この液晶表示素子のTFTアレイ基板の1画素分の拡大平面図であり、図2は図1のA−A’線に沿った概略断面拡大図である。
【0032】
このTFTアレイ基板10においては、透明な絶縁性を有するガラス基板12上に、アルミニウムやクロム等の金属からなる複数の走査線14が略等間隔で平行に形成されており、また、隣り合う走査線14間の略中央には走査線14と同時に補助容量線15が平行して形成されている。そして、走査線14からはゲート電極Gが延設されている。
【0033】
ガラス基板12上には、走査線14、補助容量線15及びゲート電極Gを覆うようにして窒化シリコンや酸化シリコンなとからなるゲート絶縁膜16が積層され、このゲート電極Gの上には、ゲート絶縁膜16を介して非晶質シリコンや多結晶シリコンなどからなる半導体層18が形成され、またゲート絶縁膜16上には複数の映像線20が走査線14と直交するようにして形成されている。なお、この映像線20は図示しないが下部をAlとし、上部をCrにより形成した2層構造をしている。また、映像線20からはソース電極Sが延設され、このソース電極Sは半導体層18と接続している。
【0034】
さらに、映像線20、ソース電極Sと同一の材料でかつ同時形成されたドレイン電極Dがゲート絶縁膜16上に設けられており、半導体層18と接続している。
【0035】
ここで、走査線14と映像線20とに囲まれた領域が1画素に相当する。そしてゲート電極G、ゲート絶縁膜16、半導体層18、ソース電極S、ドレイン電極Dによってスイッチング素子となるTFT素子22が構成され、それぞれの画素にこのTFT素子22が形成される。
【0036】
この実施例では、画素電極24が、ドレイン電極Dと電気的に接触しながら、ゲート絶縁膜16を介して補助容量線15の上部を経て図1における上部の隣り合う画素の走査線14を完全に被覆するように伸びている。
【0037】
そして、TFTアレイ基板10の下方には、図示しない周知の光源、導光板、拡散シート等を有するバックライト装置が配置されており、また、アレイ基板10の上方には総ての画素を覆うように配向膜(図示せず)が積層され、そして、画素に対応して形成されるR、G、B3色のカラーフィルタ、対向電極26等が設けられているカラーフィルタ基板(図示せず)をこのアレイ基板10と対向させ、両基板を貼り合せ、両基板間に液晶28を注入することによりアクティブマトリクス型液晶パネルとなる。
【0038】
この場合、ドレイン電極Dと補助容量線15によって各画素の補助容量Csを形成することになるが、走査線14と対向電極26との間にはゲート絶縁膜16を介して画素電極24の一部が被覆されており、この部分の画素電極24がシールド電極30を構成している。
【0039】
そして、このシールド電極30に印加される電圧は、画素電極24に印加される電圧に等しいから、対向電極に印加されている電圧を基準にして一走査毎に極性を変える電圧が印加されていることになるので、液晶層28には直流電圧が印加されることはなくなり、従来例のような走査線14上に生じる直流電圧による液晶層28の焼き付きが生じることはなくなる。
【0040】
実施例2としては、CS−on−gate方式のアクティブ液晶表示素子に適用した。図3は、この液晶表示素子のTFTアレイ基板の1画素分の拡大平面図であり、図4は図3のB−B’線に沿った概略断面拡大図である。なお、この図においては実施例1と同じ構成部分には同一の符号を付与することとして、その詳細な説明は省略する。
【0041】
実施例2のアレイ基板10が実施例1のものと相違している点は、補助容量線が存在しておらず、その代わりに走査線14の一部14’が太くされ、この部分14’をも含めて走査線14が絶縁膜を介して画素電極24により被覆されている点である。このような構成とすることにより、実質的に画素電極24が走査線14(その一部14’も含む)を被覆している部分によりシールド電極30が構成されると共に、走査線14と画素電極24との間で補助容量CSが形成される。そして、この走査線14上に画素電極24が存在していることにより、実施例1の場合と同様の作用・効果を奏するようになる。
【0042】
実施例3としては、CS?on−common方式のアクティブ液晶表示素子の変形例に適用した。図5は、この液晶表示素子のTFTアレイ基板の1画素分の拡大平面図であり、図6は図5のC−C’線に沿った概略断面拡大図である。なお、この図においても実施例1と同じ構成部分には同一の符号を付与することとして、その詳細な説明は省略する。
【0043】
実施例3のアレイ基板10が実施例1のものと相違している点は、その画素の隣の映像線20の一部20’が大きく延ばされて、絶縁膜を介して走査線14の大部分を被覆している点である。このような構成とすることにより、映像線の一部20’によりシールド電極が構成される。そして、映像線20の電圧は対向電極に印加されている電圧を基準にして一走査毎に極性を変える電圧であるから、液晶層28には直流電圧が印加されることはなくなり、従来例のような走査線14上に生じる直流電圧による液晶層28の焼き付きが生じることはなくなる。
【0044】
【発明の効果】
以上述べたとおり、本発明によれば、対向電極と走査線の間に金属製のシールド電極が設けられ、このシールド電極に対向電極に印加されている電圧を基準にして一走査毎に極性を変える電圧を印加するようにしたので、走査線に生じる直流電圧が液晶層に印加されることが無くなる。したがって、走査線に生じる直流電圧による液晶層の焼き付きが生じることがなくなるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、実施例1の液晶表示素子のアレイ基板の1画素分の拡大平面図である。
【図2】図2は図1のA−A’線に沿った概略断面拡大図である。
【図3】図3は、実施例2の液晶表示素子のアレイ基板の1画素分の拡大平面図である。
【図4】図4は図3のB−B’線に沿った概略断面拡大図である。
【図5】図5は、実施例3の液晶表示素子のアレイ基板の1画素分の拡大平面図である。
【図6】図6は、図5のC−C’線に沿った概略断面拡大図である。
【図7】アクティブマトリクス型液晶表示装置の数画素分の一般的な等価回路である。
【図8】アクティブマトリクス型液晶表示装置の一画素の各部分の電圧波形を表す図である。
【図9】図9は、従来例の特許文献1に実施例1として開示されているアクティブマトリクス型液晶表示素子の1画素分の具体例であり、図9(a)は上視図、図9(b)図9(a)のA−A’線断面図、図9(c)は図9(a)のB−B’線断面図である。
【図10】図10は、従来例の特許文献1に実施例3として開示されているアクティブマトリクス型液晶表示素子の1画素分の具体例であり、図10(a)は上視図、図10(b)はA−A’線に沿う断面図、図10(c)はB−B’線に沿う断面図である。
【符号の説明】
10 アレイ基板
12 ガラス基板
14 走査線
16 ゲート絶縁膜
18 半導体層
20 映像線
22 TFT素子
24 画素電極
26 対向電極
28 液晶層
30 シールド電極
Claims (4)
- TFTアレイ基板と、対向基板と、該TFTアレイ基板と該対向基板との間に挟持された液晶層を有し、該TFTアレイ基板上には少なくとも走査線、映像線、TFT及び画素電極が形成された液晶表示素子において、前記走査線を金属製のシールド電極で絶縁膜を介して被覆すると共に、該シールド電極に前記対向電極に印加されている電圧を基準にして一走査毎に極性を変える電圧を印加するようになしたことを特徴とする液晶表示素子。
- 前記シールド電極が画素電極の一部を延長することにより形成されたものであることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示素子。
- 前記シールド電極が映像線の一部を延長することにより形成されたものであることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示素子。
- 前記TFTアレイ基板に補助容量線を設けたことを特徴する請求項1〜請求項3の何れかに記載の液晶表示素子。
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Cited By (3)
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- 2003-03-27 JP JP2003089156A patent/JP2004294913A/ja active Pending
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