JP2010156805A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】開口率を向上した液晶表示素子を提供する。
【解決手段】液晶表示素子は、マトリックス状に設けた複数の薄膜トランジスタ１３と、それぞれが対応する薄膜トランジスタ１３に接続した複数の接続電極１７と、複数の薄膜トランジスタ１３および複数の接続電極１７上に設け画素毎の中央にコンタクトホール２２を有する絶縁層２０，２１と、絶縁層２１上に設けそれぞれが対応する接続電極１７にコンタクトホール２２を介して接続した複数の画素電極１２と、絶縁層２１および複数の画素電極１２に対向し液晶４１を挟んで配置し画素毎にコンタクトホール２２の位置にあわせて開口３３ａを有する共通電極３３と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、開口率を向上した液晶表示素子に関する。

液晶表示素子は、間隔を開けて対向する一対の基板のうち一方の基板に、マトリックス状に設けられた複数の画素電極と、これらの複数の画素電極にそれぞれ対応して設けられて接続される複数の薄膜トランジスタと、各薄膜トランジスタにゲート信号とデータ信号とをそれぞれ供給する複数の走査線および複数の信号線と、を設ける一方、他方の基板に複数の画素電極と対向する共通の共通電極（対向電極）を設け、一対の基板の対向面のそれぞれに配向膜を設け、液晶を封入して構成されている。液晶表示素子は、画素毎に画素電極に電圧を印加することで液晶の配向を制御している。

そのうち、配向膜を垂直配向膜として負の誘電異方性を有する液晶を用いた垂直配向型液晶表示素子がある。画素電極と共通電極との間に電界が生じていない場合には、液晶分子は配向膜に垂直となっているが、その間に電界が印加されると、液晶分子はその長軸が電界と直交するように傾斜する。そこで、共通電極側に突起を設け、その突起上にも垂直配向膜を形成する。画素電極と共通電極との間に電圧が印加されていない状態でも突起の領域にある液晶分子を共通基板に対してわずかに傾斜しておく。この状態で画素電極と共通電極との間に電圧を印加すると、液晶分子が突起に向かって倒れる、すなわち突起の頂点を境に液晶分子が逆方向に傾斜することにより、広い視野角が得られる（特許文献１参照）。

特開平１１−３５２４８９号公報

しかしながら、画素電極と共通電極との間に電界が生じていない状態であっても、突起の周囲では液晶分子が基板に対し垂直配向せず、一定の傾斜を有し配列される。よって、突起周りの液晶分子は垂直配向でないため、バックライトが透過する。そのため、ＴＦＴ基板すなわち薄膜トランジスタが構築されている基板側において突起の領域には、光漏れを防止するために、遮光メタルを設ける必要がある。遮光メタルを設けると、一つの画素の面積に対し、表示に寄与する領域の割合が低下し、開口率が低下する。

突起は共通基板（対向基板）側に設けられ、遮光メタルはＴＦＴ基板側に設けられるため、対向基板とＴＦＴ基板とを間隔を開けて貼り合わせる際、突起と遮光メタルとの位置合わせで生じ得るずれ分だけ遮光メタルの面積を大きくする必要があり、開口率はさらに低下する。特に、高精細液晶表示素子では開口率の低下が著しくなる。

本発明では、開口率を向上した液晶表示素子を提供することを目的とする。

本発明の一つの観点は、マトリックス状に設けられる複数の薄膜トランジスタと、それぞれが対応の薄膜トランジスタに接続される複数の接続電極と、複数の薄膜トランジスタおよび複数の接続電極上に設けられ、画素毎の中央にコンタクトホールを有する、絶縁層と、絶縁層上に設けられ、それぞれが対応の接続電極にコンタクトホールを介して接続される複数の画素電極と、絶縁層および複数の画素電極に対向し液晶を挟んで配置され、画素毎にコンタクトホールの位置にあわせて開口を有する共通電極と、を含むことを特徴とする。

特に、絶縁層に画素毎に形成されるコンタクトホールと共通電極に形成される開口とが同軸上に配置されるとよい。共通電極には、絶縁層に画素毎に形成されるコンタクトホールよりも径の大きい開口を有すると好ましい。画素電極を覆って形成された第１の垂直配向膜と共通電極を覆って形成された第２の垂直配向膜と、これら第１及び第２の垂直配向膜間に介在する負の誘電異方性を有する液晶と、を含むと好ましい。接続電極は透明導電物質で形成されているとよい。

本発明によれば、画素電極と接続電極とを接触させるコンタクトホールと共通電極の開口とが位置合わせされているので、画素電極と共通電極との間に電界が生じていない場合、コンタクトホール近辺の液晶分子の傾斜による光漏れが共通電極の開口による液晶分子により抑制される。従って、コンタクト比が向上し表示品質が優れた液晶表示素子が得られる。

以下、本発明の幾つかの実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る液晶表示素子１のうちＴＦＴ基板１０の平面図、図２は液晶表示素子１のうち共通基板３０の平面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図、図４は図１に示すＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図、図５は図１に示すＶ−Ｖ線に沿う断面図である。

本発明の実施形態に係る液晶表示素子１はアクティブマトリックス液晶表示素子であり、ＴＦＴ基板１０と対向基板（「共通基板」ともいう）３０とが予め所定の間隔を開けて対向して設けられ、ＴＦＴ基板１０と対向基板３０との間には液晶が封入され液晶層４０が形成されている。

ＴＦＴ基板１０は、透明基板１１と、透明基板面内にマトリックス状に配置するよう設けられた複数の画素電極１２と、複数の画素電極１２のそれぞれに対応するよう設けられる複数の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）１３と、これら複数の薄膜トランジスタ１３のそれぞれにゲート信号およびデータ信号を供給するよう行方向、列方向にそれぞれ設けられる複数のゲート線１４および複数の信号線１５と、複数の画素電極１２のそれぞれに対して設けられる複数の補助容量電極１６と、画素電極１２と薄膜トランジスタ１３とを接続する接続電極１７と、画素電極１２を含むＴＦＴ基板表面に設けられる配向膜１８と、を備えている。

一方、対向基板３０は、透明基板３１と、透明基板３１面に設けられるカラーフィルター３２と、このカラーフィルター３２上に設けられ、画素毎に開口３３ａを有する共通電極（対向電極）３３と、対向基板３０の表面、すなわち共通電極３３およびカラーフィルター３２面上に設けられる配向膜３４と、を含んでいる。図２に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂの各カラーフィルターが順に並んで設けられる。

ＴＦＴ基板１０の構成について詳細に説明する。
ガラス基板などの透明基板１１上に複数本のゲート線１４が列方向に間隔を空けて並んで配置され、それぞれのゲート線１４が行方向に配設されている。各ゲート線１４には画素領域毎にゲート電極１３ａを有している。ゲート線１４は、例えばＣｒなどの金属で形成されている。

透明基板１１、ゲート線１４を覆って第１の絶縁層１９が形成されている。
第１の絶縁層１９上には複数の信号線１５が行方向に間隔を空けて並んで設けられ、それぞれの信号線１５が列方向に配設されている。信号線１５は、図５に示すように、半導体層１５ａとオーミックコンタクト層１５ｂと金属層１５ｃとの積層で構成され、後述する薄膜トランジスタ１３の一部の積層と同一のプロセスで形成される。

隣り合うゲート線１４，１４および信号線１５，１５で囲まれる各領域は一つの画素領域を構成し、画素領域毎に薄膜トランジスタ１３が設けられる。この薄膜トランジスタ１３は、各画素領域の所定位置、図１に示す例では下側のゲート線１４の一部がゲート電極１３ａとなり、第１の絶縁層１９のうちこのゲート電極１３ａを覆う部分がゲート絶縁膜１３ｂとなり、このゲート絶縁膜１３ｂを覆うように半導体層１３ｃが設けられ、ゲート電極１３ａの領域で半導体層１３ｃ面にエッチングストッパー層１３ｄが設けられ、このエッチングストッパー層１３ｄ面を一部分覆うよう列方向に対向して延びる一対のオーミックコンタクト層１３ｅ，１３ｆと、この一対のオーミックコンタクト層１３ｅ，１３ｆをそれぞれ覆うようにドレイン電極１３ｇおよびソース電極１３ｈが設けられることにより、構成されている。

ソース電極１３ｈおよび第１の絶縁層１９上には接続電極１７が設けられている。
接続電極１７は、隣り合うゲート線１４，１４と隣り合う信号線１５，１５とのほぼ中間の領域に配置される矩形状の中央部１７ａと、中央部１７ａから列方向に細く延びてソース電極１３ｈ上に部分的に重なり合う細長部１７ｂとを有する。この細長部１７ｂの行方向幅は、ソース電極１３ｈの行方向幅よりも短い。

薄膜トランジスタ１３の半導体層１３ｃ，エッチングストッパー層１３ｄ，一対のオーミックコンタクト層１３ｅ，１３ｆ，ドレイン電極１３ｇおよびソース電極１３ｈの積層構造は第１の絶縁層１９面上に形成され、前述の信号線１５も第１の絶縁層１９面上に形成されるため、信号線１５も半導体層１５ａ，オーミックコンタクト層１５ｂ，金属層１５ｃの積層構造を有し、薄膜トランジスタ１３のプロセスと同時に形成される。

信号線１５、第１の絶縁層１９および各画素領域の薄膜トランジスタ１３上に第２の絶縁層２０が形成されている。
第２の絶縁層２０上において、各ゲート線１４および各信号線１５の領域には、それぞれ補助容量電極１６が設けられ、行方向および列方向で隣り合う補助容量電極１６で枠状をなしている。
補助容量電極１６および第２の絶縁層２０上には第３の絶縁層２１が設けられている。第２の絶縁層２０および第３の絶縁層２１には、各画素領域のほぼ中心部にコンタクトホール２２が貫通して形成され、接続電極１７の中央部１７ａの一部を露出している。コンタクトホール２２の中心は接続電極１７の中央部１７ａの中心とほぼ同軸上に形成されている。
第３の絶縁層２１上において、各画素領域全体に亙って、かつ、コンタクトホール２２の開口縁部２２ａおよび接続電極１７上に、画素電極１２が形成されている。

画素電極１２は、図４および図５に示す例では、画素電極１２における列方向の縁部１２ａ，１２ｂが信号線１５，１５と部分的に重ならず補助容量電極１６と部分的に重なり合い、画素電極１２における行方向の縁部１２ｃ，１２ｄがゲート線１４，１４と部分的に重ならず補助容量電極１６と部分的に重なり合っている。なお、画素電極１２における列方向の縁部１２ａ，１２ｂを信号線１５，１５と部分的に重なり合い、画素電極１２における行方向の縁部１２ｃ，１２ｄのうち一方又は双方をゲート線１４と部分的に重なり合うように形成されていてもよい。画素電極１２および接続電極１７は、ＩＴＯなどの透明導電物質で形成されている。

複数の画素電極１２および第３の絶縁層２１上には第１の配向膜としての垂直配向膜１８が設けられている。この垂直配向膜１８はラビング処理がされていても、されていなくてもよい。

対向基板３０、特にＣＦ基板の構造について説明する。
透明基板３１面にはＲＧＢの各カラーフィルター３２が設けられ、カラーフィルター３２上に共通電極３３が形成されている。共通電極３３には、画素領域毎に、画素電極１２の中央部でコンタクトホール２２を経由して接続電極１７に接続している底部２２ｂの中心軸上に、開口３３ａを有している。開口３３ａは、図２に示すように、例えば円形である。コンタクトホール２２の底部２２ｂ中心と開口３３ａの中心とはほぼ同軸上にある。ここで、開口３３ａの径は、コンタクトホール２２の寸法よりも大きい。この理由は後述する。

共通電極３３およびカラーフィルター３２上には、第２の配向膜としての垂直配向膜３４が形成されている。この垂直配向膜３４はラビング処理がされていてもされていなくてもよい。

ＴＦＴ基板１０と対向基板３０とは、前述のように、各画素領域において、コンタクトホール２２の中心軸と開口３３ａの中心軸とがほぼ同軸となるよう、所定の間隔をおいて配置され、垂直配向膜１８，３４の間に、負の誘電異方性を有する液晶分子が充填され、液晶層４０となっている。

この液晶表示素子１においては、図示を省略するが、ＴＦＴ基板１０の下側に偏光板が設けられ、共通基板３１の上側に偏光板が設けられ、両偏光板は互いに直交している。

図６は、画素電極１２と共通電極３３との間の液晶分子４１の様子を模式的に示し、（Ａ）は電界が生じていない場合を、（Ｂ）は電界が生じている場合を、それぞれ示す図である。
画素電極１２と共通電極３３との間に電位差が生じていない、すなわち電界が生じていない場合には、図６（Ａ）に示すように、画素電極１２側、共通電極３３側も、液晶分子４１の長軸が配向膜１８，３４に垂直となるように配向している。とくに、コンタクトホール２２側の縁では、液晶分子４１はコンタクトホール２２の中心軸に傾いている。その結果、ＴＦＴ基板１０の裏面側からのバックライトがわずかに漏れる可能性がある。しかし、共通基板３０側の液晶分子４１は共通基板３０の開口３３ａ内において垂直配向しており、開口３３ａの径はコンタクトホール２２の寸法（幅および長さ）よりも大きいので、その漏れも小さい。
この状態で、画素電極１２と共通電極３３との間に電位差が生じると、共通電極３３と画素電極１２との面上では、図６（Ｂ）に点線で示すように共通電極３３および画素電極１２の何れにも直交するように電界が生じるのに対し、共通電極３３の開口３３ａの端では画素電極１２に向かって湾曲した電界が生じる。液晶分子４１は負の誘電異方性を有するため、液晶分子４１はその長軸が電界と直交するように配向する。よって、液晶分子４１は、共通電極３３の開口３３ａの周りでは、その開口３３ａの中心軸に傾斜し、しかも、一つの画素領域内の液晶分子４１が開口３３ａを中心軸として対称となり、広い視野角が得られる。

本発明の実施形態では、列方向に隣り合うゲート線１４，１４と行方向に隣り合う信号線１５，１５とで一つの画素領域を画成し、画素電極１２を各画素領域全体に亙って形成し、かつ、コンタクトホール２２を各画素領域の対角線の略中心に形成し、そのコンタクトホール下で接続電極１７の中央部１７ａが形成されている。一方、共通電極３３の開口３３ａの中心がコンタクトホール２２の中心とほぼ同軸に配置されている。よって、画素電極１２と共通電極３３との間に電界が生じていない状態では黒表示となるが、コンタクトホール２２の開口縁部２２ａでは液晶分子４１が傾斜しても、バックライトが光漏れし難い。この状態から電界が生じると、開口３３ａを中心に液晶分子４１が傾斜し、白表示となる。その際、液晶分子４１が開口３３ａを取り囲むように傾斜して配向制御もできる。また、本実施形態では、各接続電極１７は、ＩＴＯなどの透明導電性物質で形成され、各画素領域の中心領域まで張り出しているため、接続電極１７によりコントラス比が低下しない。よって、開口率の低下も阻止することができ、高精細の液晶表示素子を提供することができる。

本発明の実施形態は上述したものに限定されることなく、本発明の趣旨の範囲内で種々変形して適用することができる。

例えば、前述した例では補助容量電極１６を画素領域毎に枠状に金属で構成しているが、内側の部分だけＩＴＯなどの透明電極材料で構成することで、開口率の低下を免れることができる。

図７は本発明の別の実施形態について、隣り合うゲート線と隣り合う信号線とで囲まれる一領域について、接続電極１７と画素電極５２と、共通電極の位置関係を示す平面図である。一つの画素電極５２が図１に示すように列方向に長い場合には、図７に示すように、画素電極５２を例えば３つの領域に分割されるように行方向にスリット５２ａを設け、すなわち、画素電極５２を３つの領域に分け、その細分化した領域毎に、その中心に共通電極の開口６３を設け、各開口６３と対峙するようにコンタクトホールをそれぞれ設け、接続電極１７と接続されるとよい。

また、薄膜トランジスタ１３のドレイン電極１３ｇおよびソース電極１３ｈをＩＴＯ等の透明導電性物質で形成してもよく、その場合には、接続電極１７をドレイン電極１３ｇおよびソース電極１３ｈと同プロセスで一体的に形成してもよい。

また、図示する例では、ＴＦＴ基板１０においてコンタクトホール２２の下側には遮光メタルを配置していないため、開口率がより向上するが、サイズ制限がない場合には、遮光メタルを配置しても構わない。また、共通電極３３の開口３３ａは、平面視で円形でなく多角形状としてもよく、コンタクトホール２２も平面視で円形や多角形状とすることもできる。また、コンタクトホール２２は、各画素領域の対角線の略中心に形成する場合で説明したが、視野角拡大等、液晶配向を制御可能であれば、各画素領域のどの位置に形成してもよく、その場合、画素領域毎に異なる位置に配置してもよい。さらに、本実施形態では、負の誘電異方性を有する垂直配向型液晶表示素子で説明したが、正の誘電異方性を有する垂直配向型液晶表示素子、あるいは、垂直配向型液晶表示素子とは異なる液晶表示素子に適用することが可能である。

本発明の実施形態に係る液晶表示素子のうちＴＦＴ基板の平面図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示素子のうち共通基板の平面図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示素子に関する、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示素子に関する、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示素子に関する、図１に示すＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 画素電極と共通電極との間の液晶分子の様子を模式的に示し、（Ａ）は電界が生じていない場合を、（Ｂ）は電界が生じている場合を、それぞれ示す図である。 本発明の別の実施形態について、隣り合うゲート線と隣り合う信号線とで囲まれる一領域について、接続電極と画素電極と共通電極の位置関係を示す平面図である。

符号の説明

１：液晶表示素子
１０：ＴＦＴ基板
１１：透明基板
１２，５２：画素電極
１２ｃ，１２ｄ：画素電極の縁部
１３：薄膜トランジスタ
１３ａ：ゲート電極
１３ｂ：ゲート絶縁膜
１３ｃ：半導体層
１３ｄ：エッチングストッパー層
１３ｅ，１３ｆ：オーミックコンタクト層
１３ｇ：ドレイン電極
１３ｈ：ソース電極
１４：ゲート線
１５：信号線
１５ａ：半導体層
１５ｂ：オーミックコンタクト層
１５ｃ：金属層
１６：補助容量電極
１７：接続電極
１７ａ：中央部
１７ｂ：細長部
１８，３４：配向膜
１９：第１の絶縁層
２０：第２の絶縁層
２１：第３の絶縁層
２２：コンタクトホール
２２ａ：開口縁部
２２ｂ：底部
３０：共通基板（対向基板）
３１：透明基板
３２：カラーフィルター
３３：共通電極
３３ａ，６３ａ：共通電極の開口
３４：配向膜
４０：液晶層
４１：液晶分子
５２ａ：スリット

Claims (5)

1. マトリックス状に設けられる複数の薄膜トランジスタと、
   それぞれが対応する前記薄膜トランジスタに接続される複数の接続電極と、
   前記複数の薄膜トランジスタおよび前記複数の接続電極上に設けられ、画素毎の中央にコンタクトホールを有する、絶縁層と、
   前記絶縁層上に設けられ、それぞれが対応する前記接続電極に前記コンタクトホールを介して接続される複数の画素電極と、
   前記絶縁層および前記複数の画素電極に対向し液晶を挟んで配置され、画素毎に前記コンタクトホールの位置にあわせて開口を有する共通電極と、
   を含む液晶表示素子。
2. 前記絶縁層に画素毎に形成されるコンタクトホールと前記共通電極に形成される開口とが同軸上に配置される、請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記共通電極は、前記絶縁層に画素毎に形成されるコンタクトホールよりも径の大きい前記開口を有する、請求項１に記載の液晶表示素子。
4. 前記画素電極を覆って形成された第１の垂直配向膜と、前記共通電極を覆って形成された第２の垂直配向膜と、前記第１及び第２の垂直配向膜間に介在する負の誘電異方性を有する前記液晶と、を含む、請求項１に記載の液晶表示素子。
5. 前記接続電極は透明導電物質で形成されている、請求項１に記載の液晶表示素子。

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