JP2586195B2

JP2586195B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2586195B2
Application number: JP2229161A
Authority: JP
Inventors: 伸治両角
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1997-02-26
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JPH03109525A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、カラー画像表示、カラーグラフィック表示
に適したカラー液晶表示体に関するものである。

従来液晶表示体の多色カラー表示化は、次の点で実現
が不可能であった。

１つは液晶パネル自体の構成ドット数、又はライン数
が上げられなかった。通常行なわれているダイナミック
駆動は1/16デューティが限界であり、せいぜい16ライン
を実現することがせい一杯である。一方カラー表示はそ
の性質上少なくとも100ラインないと、意味がなく、こ
のためには1/100デューティでの液晶駆動が実現しなけ
ればならない。

２つには、液晶の多色カラー表示手段自体優れたもの
がなかった。ゲストホスト液晶の如くの色素を混入させ
て発色させる方式があるが、これは一つの基板内に多色
を発生させることは非常にむずかしい。又何色かのパネ
ルを重ね合わせる方法があるが、これは構成上高価なも
のになるし、又何層にもなり彩やかな色を出すこと自体
不可能である。又、光のにじみはシャッタが開いて光が
透過するときに生じる。例えば、赤のフィルタに対応す
るシャッタのみが開いているとき、その両側にある青、
緑のフィルタのはしに光がまわり込んで赤のフィルタの
シャッタから光が漏れるという問題があり、色再現性を
低下させるという問題を有していた。

以上のような理由で、液晶の多色カラー表示パネルは
実現がむずかしかった。

従って本発明の目的は、以上の欠点を改善することに
より容易に多色カラー表示パネルを実現する手段を提供
することにあり、主な目的は、隣接するシャッタからの
光漏れを防止することを目的とする。

本発明の液晶表示装置は、一対の基板間に液晶物質が
封入され、一方の該基板上にはマトリクス状に配列され
てなる画素電極が配置されてなり、他方の該基板には該
画素電極の各々に対応して配列されてなるカラーフィル
タを有してなる液晶表示装置において、該画素電極の一画素あたりの面積より該画素電極に対
応する該カラーフィルタの面積が大きく、かつ前記カラ
ーフィルタは前記画素電極を包含するように配置されて
なることを特徴とする。

第１図は本発明の基本的な構成例である。まずガラス
基板１上にカラーフィルタを形成する。例えば赤フィル
タ８と緑フィルタ９と青フィルタ10がモザイク状又はス
トライプ状に形成されている。

この上部にSiO₂等の保護膜６を形成して、その上部に
液晶駆動電極となる透明電極５を形成する。反対側の対
向電極はガラス基板２上に、アクティブマトリックス用
のスイッチング素子や、非線形素子の配列されている素
子層３（図面は簡略化して示している。）を形成し、そ
の上部に、カラーフィルタの各ドットに対応した透明駆
動電極層４を形成する。

次にこの２つのガラス基板1,2を向い合わせて、周辺
をシールして液晶７を封入する。この表示パネルを透過
型で用いる場合はガラス基板１の下に偏光板を介して下
方から光を導入し、液晶体としては黒色系のネガ型のゲ
ストホスト液晶を用いる。各色のフィルタ部8,9,10に対
応した駆動電極４が開閉し、所定の色に応じた波長の光
を透過させる。

又駆動電極４のすき間は光を透過させないようにする
ためにネガ型のゲストホストを用いて黒色を常に保持さ
せておく。この結果液晶の黒色を呈する部分（液晶がOF
Fしている部分）は光が透過せず、又液晶が透明となっ
た部分（ONしている部分）に対応する光フィルタにあっ
た波長の光が透過し、三原色の組み合せにより、グラフ
ィック表示として７色が表示できる。又液晶の駆動を完
全にON−OFFでなく、中間調、即ち液晶体が半透明にな
る状態をコントロールして階調表示機能を付加すると、
全ての色が様々な輝度で実現でき、カラー画像表示を実
現できる。

以上が本発明の１つの例であるが、次に他の構成例を
示すために各部の構造を説明する。

第２図は光カラーフィルタの構成例を示す。透明ガラ
ス基板20上にポリビニルアルコールやゼラチン等の水溶
性有機樹脂層を形成し、この上に所定のフィルタ配列に
なるようなパターンに黒、赤、青、緑の色素を印刷し
て、前記有機樹脂層に染色させる。

この結果液晶のシャッタ部分に対応して赤部22、青部
23、緑部24の各色フィルタが形成されると同時に、透過
光に対するフィルタの境界での色のにじみを防止する意
味で、各色フィルタの境界は黒色の色系により染色し、
黒色枠21を形成する。この黒色枠21は、液晶がポジタイ
プの時は、シャッタのすき間を光が透過しないようにす
る意味で不可欠である。

又ネガタイプの液晶の場合も黒色枠があると光のにじ
みを減少させる働きをする。又ネガタイプの液晶の場合
色素の横方向の染色度が強い場合、この黒色枠21は黒色
素でなく、染色を防止する物質を混入させることもでき
る。更に上部に透明保護被膜25をつけて、その上に液晶
駆動電極となる導電性透明膜26を形成し、必要なパター
ンにフォトエッチングして下方電極ができ上がる。

又フィルタに用いる色素が透明性導電膜の形成時に減
色したり、ダメージを受ける場合もある。この時は第３
図の如くガラス基板30上のフィルタ膜31に保護膜34をつ
ける。

又薄板ガラスかプラスチックフィルム32上に別に透明
導電膜33を形成し、ガラス基板30と接着してもよい。

第４図は本発明に用いる上方基板に作成するアクティ
ブマトリックスの構造例である。この方式の特徴は駆動
デューティが100以上は簡単に達成できることと、階調
表示が簡単に達成できることにある。この例はバイレッ
クスや石英等の比較的融点の高い透明ガラス基板上にSi
の膜薄トランジスタを作成するものであり、通常のSi単
結晶ウエハ上のアクティブマトリックスに比し透明性基
板上に比較的簡単に構成できることが特徴である。

第４図（イ）はマトリックスの１画素（１ドット）の
セル41を示す平面図である。ゲートライン（Ｙ選択線）
44はトランジスタ49のゲートに、データ線（Ｘライン）
43はコンタクトホール47を介してトランジスタ49のソー
スに、又液晶駆動電極42はコンタクトホール46を介して
トランジスタ47のドレインに接続されている。又グラン
ドライン45は液晶駆動電極42との間で電荷保持用の容量
48を構成する。

第４図（ロ）はこのセル41の等価回路であり、トラン
ジスタ49がONした時、データ線43を介して入力された電
圧が、電荷保持容量48又は液晶駆動電極42と対向電極間
の容量により電荷として保持される。従ってトランジス
タや液晶のリーク電流が少ないので、かなり長い間電荷
が保持されるので原理的にデューティは（保持時間）／
（電荷の書き込みに必要な時間）となり実際には10000
以上となる。又液晶駆動電極の面積が大きいと保持容量
48は不要となる。

第４図（ハ）は（イ）におけるＡ−Ｂ間の断面図であ
る。透明基板40上にチャネルとなる第１層目のSi薄膜を
減圧CVD法、プラズマCVD法等により形成し、パターニン
グの後に表面にSi層を酸化した酸化膜を形成しその後第
２層目のSi層を形成しゲートライン、GNDラインのパタ
ーニングをして、前記パターンをマスクに更に酸化膜を
エッチングして、ゲート絶縁膜51、ゲート電極50をな
す。その後ゲート電極50をマスクに全体にＰイオンを打
込みＮ型層を形成し、トランジスタのリース53、チャネ
ル55、ドレイン54ができる。その後酸化膜52を形成し、
コンタクトホールをあけてから透明導電性膜をつけて、
パターニングして、データ線43と駆動電極42が形成され
る。

この結果液晶駆動電極が光シャッタの役割をし、この
電極位置に対応するフィルタの色が透過したり、遮ぎら
れたりする。又データ線に入力する電圧のレベルによ
り、液晶の光の透過率を連続的に変化させられるので、
いわゆる階調表示が可能になり、３原色に重みをつけて
加色混合できるので、全ての色を再現できるという大き
な利点がある。又駆動デューティは点順次方式でも可能
な位に非常に高くできるので、500×500のドットによる
完全カラー画像が実現できる。

本発明における液晶の駆動デューティを改善する手段
として、更に非線形素子を介して液晶を駆動することに
ある。第５図、第６図は非線形素子の構成例である。

第５図は金属−絶縁物−金属（MIM）素子の構成例で
ある。マトリックスセル61はＸ駆動ライン58からMIM素
子62を介して駆動電極57を駆動する構成である。（ロ）
は（イ）の断面であり例えばTa膜をスパッタ後パターニ
ングしてTa膜58を形成し、その表面を300Å〜500Å陽極
酸化する。そ後上部電極となるTa膜をスパッタ後パター
ニングしてTa層60を形成、更に透明駆動電極57を形成す
る。

第６図は２つのダイオードを向い合わせて、直列に接
続した例であり、Ｘ駆動ライン66よりＮ（Ｐ）型域67,P
（Ｎ）型域68,N（Ｐ）型域69を介して液晶駆動電極65に
接続される。（ロ）は（イ）の断面図であり、透明基板
63上にSi層の島を形成後、イオン打込みによりＮ型
（Ｐ）域67,69とＰ型（Ｎ）域68を形成し更に透明導電
性膜を形成し、Ｘ駆動ライン66と液晶駆動電極65をな
す。

このようにして形成された非線形素子は第７図に示す
ようなＶ−Ｉ特性となり、ある電圧から急に電流が増加
する。

この非線形素子を介して液晶のセルを駆動すると第８
図の如くの等価回路となる。非線形素子80は非線形抵抗
RMと容量CMで又液晶81は等価抵抗RLと容量CLにより表現
できる。液晶を点灯させる時はVTHより高い電圧を印加
するとRMは低抵抗となりVMはほとんどVDと等しくなり、
印加された電圧は殆んど液晶にかかる。その後電圧がVT
Hより下がるとRMは非常に高くなり、VMは容量CLにより
印加されたON電圧が保持されてCLとRLの時定数で放電す
る。又液晶非点灯時はVTH以下の電位しかかからないの
でVMはほとんど０電位となる。

従って第４図のアクティブマトリックス同様に点灯さ
せる電圧がVMとして容量CLに保持されるのでデューティ
を大きくすることができる。この場合も同様に第５図5
7、第６図65の液晶駆動電極が、カラーフィルタに対応
して、光に対するシャッタの役割をする。

又この非線形素子の特徴は構造が簡単なことにあり、
駆動の方法は従来の単純な1/8や1/16のダイナミック駆
動方式と同じでよい。又この方式はグラフィック表示に
適しているが、階調表示も可能である。１つはアクティ
ブマトリックス同様にＸラインから印加する電圧レベル
を連続的になるように設定する方法であり、もう１つは
時間的に分割して駆動する方式である。

本発明に使用されるスイッチング素子や非線形素子は
ガラス基板上に構成されて、上部の液晶駆動電極とな
り、又フィルタが構成されたもう一方のガラス基板は下
部の液晶駆動電極を構成する。これは第２図の如く、フ
ィルタ上に直接素子を形成することは、フィルタの特性
を劣化させるのみでなく、歩留りを低下させる要因とな
るからである。これを逃れるためには、第３図の如く薄
板ガラス32上の素子を構成して、下のフィルタ部と接着
して下方電極となす方法と、ガラス基板上に先にスイッ
チング素子又は非線形素子を構成してその後にフィルタ
層を形成する方法がある。

第９図は本発明の表示パネルの構成例である。（イ）
は断面図であり上方電極としてガラス基板90上にスイッ
チング素子又は非線形素子を構成し駆動電極97を形成す
る。又下方電極としてガラス基板91上にカラーフィルタ
92,93,94を構成し保護膜95を介して液晶駆動電極96を形
成する。

その後この２枚のガラス基板90,91で液晶層98をサン
ドイッチして、更に上方又下方に偏光板99を装着し、光
を上方又は下方より照射する。この時、問題となるのは
フィルタとフィルタ、又は駆動電極と駆動電極のすき間
であり、この部分に光がまわり込むときれいな色の再現
性が乏しくなる。例えば光が下方から透過する場合、も
し液晶シャッタが閉じている時フィルタのすき間を通過
した光が、駆動電極のすき間からもれてくる。これを防
ぐ１つの手段はネガ型の液晶（電圧が印加されていない
時光が透過しないタイプ）を用いることである。従って
この方法では駆動電極97のすき間は常に光が遮断される
ことになる。

もう１つの手段は第２図に示したようにフィルタのす
き間に黒色枠を設けることである。又両者を並用すると
更に効果は倍増される。光のにじみはシャッタが開い
て、光が通過する時に生じる。これは例えば赤フィルタ
92上のシャッタのみ開いている時、その両側にある青フ
ィルタ94と緑フィルタ93のはじの光がまわり込んで赤フ
ィルタ上のシャッタからもれることにあり、やはり色の
再現性を低下させる。

これを防止するためには液晶の実効シャッタ部より色
フィルタを大きく形成することがよい。例えば第９図
（ロ）に示すようなモザイク状のフィルタに対し、例え
ばアクティブマトリックスの駆動電極97を小さくしてお
く。又（ハ）の如く非線形素子の例では下方の液晶駆動
電極96と上方の液晶駆動電極97の交叉部が実効シャッタ
部となるが、この実効シャッタ部の大きさをストライプ
型の色フィルタより小さくしておく。これはモザイク状
のフィルタでも同じである。

このようなカラー液晶表示体の表示方式としては、液
晶のシャッタの開いている時と閉じている時の透過率の
比が大きい事が要求される。通常のTN表示体の場合は表
示パネルの上下に偏光板を２枚配列し、ポジ型になるよ
うに偏光面をあわせる。この場合のシャッタの透過率比
は、２枚の偏光板の偏光方向が平行の時と垂直時との比
になり偏光板により決定される。

実際にはこの偏光板ではこの比がせいぜい10程度であ
り、偏光板に工夫を要する。一方ゲストホスト液晶を用
いると偏光板は一枚でよいので、まずTN液晶に対し明る
さが２倍になると同時に、透過率比が液晶材料によって
決められるので、大きくとれる。例えば黒色の色素を含
むゲストホスト液晶は、通常光をよく遮断し、又電圧が
印加された時はかなり透明となり透過率比は50を越え
る。更にゲストホスト液晶はネガ型に対しポジ型の方が
安定性、信頼性に優れており、又駆動電圧も低く、同時
に本発明に必要な透過率比もポジ型の方がよい。

一方前述のように光のまわり込み、にじみ、もれをな
くすのはポジ型液晶の方がよく、この点ゲストホストの
ポジ型液晶は本発明のカラー表示用に最適である。特に
色素が黒いパネルは三原色の再現性では最も優れてい
る。

第10図は本発明のカラー液晶表示体のフィルタの配列
及びその駆動方法の一例を示す。三原色フィルタ106は
Ｙ方向にストライプ状に配列されており、又フィルタ側
の駆動電極はフィルタと同方向にライン状もしくはべた
に存在する。又上部電極105はＸ方向に画素毎に区切れ
て（図面は簡略化してつなげてある。）存在する。

シフトレジスタ101はクロック入力φ_５によりS₁からS
_nを出力し、トランジスタ104を順次ONさてビデオ信号VS
をX₁〜X_nに順次送り込む点順次方式である。又シフトレ
ジスタ102はY₁〜Y_mをクロックφ_４により順次選択して
ゆく。３つの色信号VSR,VSB,VSGは、クロックφ_１〜φ
_３によりＹの１ライン毎に切換えられてゆき、φ₁,φ₂,
φ_３はφ_４と同じパルス幅で、パルス周期はφ_４の３倍
である。

この方式の特徴はカラーフィルタがＹ方向のストライ
プになっており色信号の切換え周波数が遅くてもよいの
でＹ方向のライン数を大きくでき、表示分解能がよく、
良質のカラー画像が再生できることにある。

第11図はＹ方向にストライプ状のカラーフィルタ116
を配列した例であり、横方向のライン数を大きくとるの
に役立つと共に、ドットが正方形に近いサイズとなり画
像が自然な感じとなる。シフトレジスタ112はY₁〜Y_mの
信号により駆動電極115を順次選択してゆく。駆動電極1
15のいずれか１つが選択されている間にシフトレジスタ
111はフィルタ群R,G,Bを１単位として順次選択する。更
にR,G,B選択クロックφ₁,φ₂,φ_３はクロックφ_４を更
に３相に分割した信号であり、この選択クロックに同期
して各色信号VSR,VSG,VSBが１つずつ選択されてＸ駆動
ラインに導かれる。

この方式ではビデオシグナルラインを各色に応じて３
信号並列でサンプルホールドスイッチ113に接続するの
で、シフトレジスタ111の転送クロックφ_５の周波数は
同一のドット数に対して1/3の周波数でよく、シフトレ
ジスタの消費電力を低減できると共にシフトレジスタの
動作スピードの余裕のある範囲内で使えるというメリッ
トがある。

第12図はフィルタをモザイク状に配置した例である。
赤フィルタ121、緑フィルタ122、青フィルタ123に対し
更に白フィルタ124を加えて１ブロックとし、これをマ
トリック状にリピートして構成する。

この白部はフィルタに対する光の透過率が低い時に、
３つのフィルタを全て光が透過した状態、即ち白色がき
れいに出ない。これを解決するために、更に透明な部分
を白フィルタとして形成して、映像信号の輝度信号VSW
で制御すると、明度が向上して、白色の再現性もよく、
全体の明度が改善される。この場合の駆動方式はＸ方向
はフィルタブロック単位で、シフトレジスタにより選択
され第11図と同様に動作する。又Ｙ方向はシフトレジス
タ126により選択され、クロックφ_３に同期した半分の
周波数φ_１とφ_２によりVSRとVSB,VSGとVSWが交互に接
続される。

以上のような構成にすることによって、以下のような
効果が得られる。

すなわち、画素電極の一画素あたりの面積より該画素
電極に対応するカラーフィルタの面積が大きく、カラー
フィルタは画素電極を包含するように配置されているた
め、画素電極によって制御させた光は画素電極に対応す
るカラーフィルタのみを透過し、隣接するカラーフィル
タへの光漏れはなくなる。従って、隣接するカラーフィ
ルタからの色のにじみ、混色等がなくなる。

また、画素電極によって制御された光は対応するカラ
ーフィルタのみを透過するため、カラーフィルタを透過
する光の色純度が高くなり、色再現性の高い表示が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成例を示す図。 1,2……基板３……素子部 4,5……液晶駆動電極６……保護膜７……液晶体 8,9,10……カラーフィルタ第２図、第３図は本発明に用いるカラーフィルタの構成
例を示す図。 20,30……基板 22,23,24,31……フィルタ部 21……黒色枠 25,34……保護膜 26,33……透明導電性膜 32……薄い基板第４図（イ）、（ロ）、（ハ）は本発明に用いるアクテ
ィブマトリックス基板の構成例を示す図。 49……Si薄膜トランジスタ第５図（イ）、（ロ）、第６図（イ）、（ロ）は本発明
に用いる非線形素子の実例を示す図。 62……MIM素子 67,68,69……Si薄膜ダイオード第７図は非線形素子のＶ−Ｉ特性図。第８図はその駆動
等価回路図。第９図（イ）、（ロ）、（ハ）は本発明のカラー表示装
置の構成例を示す図。 90,91……基板 92,93,94……フィルタ 95……保護膜 96,97……液晶駆動電極 98……液晶 99……偏光板第10図、第11図、第12図は本発明のカラー表示装置の色
フィルタの配列と駆動例を示す図。 101,102,111,112,126……シフトレジスタ VSR,VSB,VSG……ビデオ色信号 VSW……輝度信号

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の基板間に液晶物質が封入され、一方
の該基板上にはマトリクス状に配列されてなる画素電極
が配置されてなり、他方の該基板には該画素電極の各々
に対応して配列されてなるカラーフィルタを有してなる
液晶表示装置において、該画素電極の一画素あたりの面積より該画素電極に対応
する該カラーフィルタの面積が大きく、かつ前記カラー
フィルタは前記画素電極を包含するように配置されてな
ることを特徴とする液晶表示装置。