JP3566989B2

JP3566989B2 - Active matrix type liquid crystal display device and driving method thereof

Info

Publication number: JP3566989B2
Application number: JP19924794A
Authority: JP
Inventors: 益幸太田; 正彦安藤; 克己近藤; 昌人大江
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-08-24
Filing date: 1994-08-24
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: JPH0862578A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、視野角が広くかつ低消費電力のアクティブマトリクス型液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶に印加する電界の方向を基板界面にほぼ平行な方向とする表示方式は、広視野角，低負荷容量等の特徴を持ち、アクティブマトリクス型液晶表示装置に関して有望な技術である。前者の特徴に関しては、特表平５−５０５２４７号公報に、後者の特徴に関しては特公昭６３−２１９０７号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特公昭６３−２１９０７号公報の提案の中で、次段の行電極に基準電極を兼用させた例がある。この構成は、寄生容量を低減でき、低負荷であり、低消費電力のアクティブマトリクス型液晶表示装置を得ることができ、かつ、配置電極数が少なく高歩留まりで製造でき、さらに画素領域を有効に開口領域に活用できる。しかし、提案の構成には、トランジスタ素子の特性及び液晶素子の光学特性に関する記述がなく、通常のトランジスタ素子の特性では、液晶に印加する電圧が常に片極性（基準電極電位に対して表示用電極電位が常に正極性）である直流駆動しか行うことができない。だが、液晶は直流駆動すると、劣化が激しく耐用時間が著しく低下する、また、残留電荷が蓄積され残像現象が生じ画質が劣化するという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、広視野角，低負荷で低消費電力を実現できる表示方式を用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置において、高歩留まり，高開口率、かつ、耐用時間が長く、高画質なアクティブマトリクス型液晶表示装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は以下を特徴とするアクティブマトリクス型液晶表示装置を構成したものである。
【０００６】
（１）第一および第二の基板間に液晶組成物が挿入され、前記第一の基板には、マトリクス状に配置された複数の走査電極と複数の信号電極により複数の画素部が構成されており、前記画素部には前記走査電極と前記信号電極に電気的に接続されたスイッチングトランジスタ素子が設けられており、前記液晶組成物の配向状態と偏光手段により入射光の透過率または反射率を変調することができるアクティブマトリクス型液晶表示装置において、前記スイッチングトランジスタ素子には画素電極が接続され、前記画素電極と、該スイッチングトランジスタ素子に接続された走査電極に隣接した走査電極は、前記第一の基板面と前記第二の基板面にほぼ平行な電界を印加するように配置され、前記両電極により液晶組成物層の液晶分子の長軸方向を基板面とほぼ平行を保ちながら動作でき、前記スイッチングトランジスタ素子のしきい値Ｖ _TH と、入射光の透過率または反射率を最大に変調するために液晶組成物に印加する電圧Ｖ _ON の関係がＶ _TH ＞｜Ｖ _ON ｜を満足するように構成し、信号電極電圧の平均値であるセンタ電圧を、走査電極電圧をオフ電圧にしたときに起こる画素電極電圧Ｖ _S の変動量ΔＶ _S （＋）とΔＶ _S （−）の平均値だけ走査電極電圧のオフ電圧Ｖ _GL より高く設定し、液晶駆動電圧Ｖ _LC を実質的に正負対称となるように設定したことを特徴とする。
【０００７】
（２）前記ゲート電極には、ドレイン電極の長手方向に伸びた突起が形成されており、前記突起と画素電極により液晶組成物層の液晶分子の長軸方向を基板面とほぼ平行を保ちながら動作でき、前記突起がドレイン電極と隣接するように
構成されている。
【０００９】
【作用】
次に本発明の作用を説明する。
【００１０】
アクティブマトリクス型液晶表示装置の駆動は液晶に印加する電圧をアクティブ素子をスイッチし、表示用電極（以下画素電極と称する）に電圧を充電，保持することによって駆動する。一画素の液晶素子から見るとデューティ比１で駆動されていることになるので、高コントラストで、高速応答の駆動ができる。液晶を交流駆動するために基準電極に対して画素電極に充電される電圧波形が交流波形となるようにドレイン電極から映像信号を充電する。
【００１１】
アクティブマトリクス型液晶表示装置に用いられている代表的なアクティブ素子として、アモルファスシリコン薄膜トランジスタ（ａ−ＳｉＴＦＴ），ポリシリコン薄膜トランジスタ（ｐ−ＳｉＴＦＴ）がある。これらのトランジスタ素子は、ゲート電圧が０Ｖ付近でドレイン電流が流れ始める特性を有する。すなわち、ゲートしきい値電圧Ｖ_ＴＨが０Ｖ付近である。しかし、ゲート電圧のオフレベルを基準電圧として用いると、トランジスタ素子では基準電圧に対して負の電圧は充電しても保持できない。なぜなら、ゲート電圧のオフレベルが画素電極電位よりも高いレベルにあるので、ゲートしきい値電圧Ｖ_ＴＨが０Ｖ付近のトランジスタ素子はオン状態になり、画素電極電位はゲート電圧のオフレベルまでリークしてしまうためである。したがって、液晶を交流駆動するためには、基準電極を別に設け、基準電圧はゲート電圧のオフレベルよりも高いレベルに設定しなければならない。しかし、図１に示されるようなドレイン電流−ゲート電圧特性を有する本発明のトランジスタを用いることによって、ゲート電極を基準電極，ゲート電圧のオフレベルを基準電圧として用いても負の電圧を充電，保持することができ交流駆動が可能となる。本発明のトランジスタはゲートしきい値電圧Ｖ_ＴＨが液晶に印加する最大電圧Ｖ_ＯＮ（入射光の透過率または反射率を最大にする画素電極とゲート電極の間の電圧、または、入射光の透過率または反射率を最小にする画素電極とゲート電極の間の電圧）を超えることが特徴である。これにより、ゲート電圧のオフレベルを基準にして、負の電圧Ｖ_ＯＮを充電した後、トランジスタはオフ状態になり負の電圧Ｖ_ＯＮを保持することができる。したがって、液晶を交流駆動することができ、基板面に平行な電界を印加する表示方式において、高歩留まり、高開口率、かつ耐用時間が長く、残留現象が発生しない高画質のアクティブマトリクス型液晶表示装置を得ることができる。
【００１２】
【実施例】
本発明を実施例により具体的に説明する。
【００１３】
〔実施例１〕
基板は厚みが１．１ｍｍで表面を研磨した透明なガラス基板を２枚用いる。これらの基板のうち一方の基板の上に薄膜トランジスタを形成し、更にその上の最表面に配向膜を形成した。本実施例では配向膜としてポリイミドを採用し、その上を液晶を配向させるためのラビング処理をした。他方の基板上にもポリイミドを塗布し同様のラビング処理をした。上下界面上のラビング方向は互いにほぼ平行で、かつ印加電界方向とのなす角度を８５度（φ_ＬＣ１＝φ_ＬＣ２＝８５°）とした。これらの基板間に誘電率異方性Δεが正でその値が１４．８（１ＫＨｚ）であり、屈折率異方性Δｎが０．０８６５（５８９ｎｍ，２０℃）のネマチック液晶組成物を挟んだ。ギャップｄは球形のポリマビーズを基板間に分散して挟持し、液晶封入状態で３．６μｍとした。よってΔｎ・ｄは０．３１１μｍである。２枚の偏光板〔日東電工社製Ｇ１２２０ＤＵ〕でパネルを挟み、一方の偏光板の偏光透過率をラビング方向より若干小さな角度、即ち、φ_Ｐ１＝８５°（即ち、φ_ＬＣ＝φ_Ｐ１）に設定し、他方をそれに直交、即ち、φ_Ｐ２＝−５°とした。これにより、液晶層に電界を印加し、光強度を変調する電極（後述の画素電極と隣接する走査電極の一部）間のギャップを１２μｍとしたとき、図２に示すような低電圧（Ｖ_ＯＦＦ＝０Ｖ）で暗状態、高電圧（Ｖ_ＯＮ＝５．２Ｖ）で明状態をとるノーマリクローズ特性を得た。なお、誘電率異方性Δεが正の液晶を用いたが、負の液晶を用いてもよく、本発明の液晶材料に関する条件を満足すればよい。
【００１４】
次に、薄膜トランジスタ及び各種電極の構造を図３に示す。図３（ａ）は基板面に垂直な方向から見た正面図、図３（ｂ），（ｃ）は側断面図を示す。薄膜トランジスタ素子１４は画素電極（ソース電極）３，信号電極（ドレイン電極）２，走査電極（ゲート電極）１、及びアモルファスシリコン１３から構成される。薄膜トランジスタは逆スタガ構造とし、走査電極１を最下層に形成し、ゲート絶縁膜５を介して信号電極２と画素電極３を同一の金属層をパターン化して構成した。蓄積容量素子１５は、画素電極３と前行の走査電極１１でゲート絶縁膜５を挟む構造として形成した。画素電極は正面図（図３（ａ））において、走査電極１から垂直方向に伸びた突起部分６の間に配置されている。液晶層の液晶分子の配向は、主に画素電極３と突起部分６の間の水平方向の電界Ｅによって制御される。光は、画素電極３と突起部分６の間を透過し、液晶層に入射され、変調される。なお、本実施例では、信号電極の長手方向を垂直方向，走査電極の長手方向を水平方向として定義している。また、本実施例では前行の走査電極から突起を出したが、後行の走査配線から出してもよい。
【００１５】
画素ピッチは水平方向（すなわち信号電極間）は１１０μｍ，垂直方向（すなわち走査電極間）は３３０μｍとした。電極幅は、走査電極，信号電極をそれぞれ１０μｍ，９μｍとした。一方、画素電極、及び前行の走査電極１１の突起部分６の幅はそれぞれ８μｍとした。また画素電極３と信号電極の間隔を６μｍとした。これらの電極幅は画素電極３と突起部分６の間隙部を４分割して設けたとき、画素電極３と突起部分６の電極ギャップｄ_ＳＧが１２μｍと成るように決定した。また、コントラストを向上するため、不要な間隙部（画素電極３と突起部分６の間以外の間隙部）には絶縁性のブラックマトリクスを形成した。
【００１６】
なお、本実施例では画素を４分割しているが、ギャップｄ_ＳＧに関する条件が本発明を満足するように構成されればよく、分割数は限定しない。
【００１７】
画素数は６４０×３本の信号電極と４８０本の走査電極とにより６４０×３×４８０個とし、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３色のカラーフィルタを薄膜トランジスタ素子群を有する基板と対向する基板上に垂直方向に縦長の縦ストライプ状に形成し、カラー化した。複数画素から構成されるパネルの部分を図１３に示す。カラーフィルタの上には表面を平坦化する透明樹脂を積層してある。
【００１８】
また、薄膜トランジスタのゲート電極（走査電極）にクロム（Ｃｒ），ゲート絶縁膜には窒化シリコン膜を用い、膜厚３５０ｎｍとし、アモルファスシリコン膜厚１５ｎｍで構成した。この構成で図１のようなドレイン電流Ｉ_Ｄ−ゲート電圧Ｖ_Ｇ特性を得た。ゲートしきい値電圧Ｖ_ＴＨは９．３Ｖである。ゲートしきい値電圧Ｖ_ＴＨの制御に関しては様々のパラメータがあるが、本実施例では、アモルファスシリコン膜厚を薄膜化することによって高電圧側にシフトさせ、ゲートしきい値電圧Ｖ_ＴＨを制御した。図４にゲートしきい値電圧Ｖ_ＴＨのアモルファスシリコン膜厚依存性を示す。ここで、ゲートしきい値電圧Ｖ_ＴＨが液晶に印加する最大電圧｜Ｖ_ＯＮ｜以上となるアモルファスシリコン膜厚は１００ｎｍ以下である。また、本実施例の薄膜トランジスタ素子では、サブスレショルド領域の傾きｓ＝ｄＶ_Ｇ／ｄｌｏｇ（Ｉ_Ｄ）は０．９であり、ドレイン電流Ｉ_Ｄ＝１×１０^−１３Ａ以下の非導通状態を維持できるゲート電圧Ｖ_Ｇの最大値は５．７Ｖである。したがって、本実施例のトランジスタ素子は液晶に印加する最大電圧Ｖ_ＯＮが５．７Ｖまで適用可能であり、前述のように、本実施例のセル構成（液晶材料）ではｄ_ＳＧ＝１２μｍの時、明状態にするために液晶層に印加する電圧Ｖ_ＯＮは５．２Ｖであるので、ゲートのオフレベルを基準にして負の電圧（−５．２Ｖ）を画素電極に充電しても十分保持動作できる。サブスレッショルド領域の傾きｓはトランジスタ特性により変化するが、Ｖ_ＴＨ＞｜Ｖ_ＯＮ｜の条件は、ｓ＞０としている。また、ゲートしきい値電圧Ｖ_ＴＨは、図１（ａ）においてＶ_ＴＨ＜Ｖ_Ｇ＜Ｖ_Ｄ＋Ｖ_ＴＨの範囲で、ドレイン電流の平方根√Ｉ_Ｄをゲート電圧Ｖ_Ｇに対してプロットし、直線近似した時に、その直線とゲート電圧Ｖ_Ｇ軸との交点のゲート電圧Ｖ_Ｇと定義している。なお、オーミックコンタクトをとるために信号電極２および画素電極３とアモルファスシリコン１３との間には、ｎ＋型アモルファスシリコンを形成している。また、本実施例では、半導体膜の薄膜化によってゲートしきい値電圧を制御したが、ゲート電極材料，ゲート絶縁膜，半導体膜等の材料選択，ドーピング，バックチャネル制御等による制御を行う方法もあり、それらの一つまたは組合せで制御しても良く、ゲートしきい値電圧に関する条件を満足していれば、本発明の範囲内である。また、本実施例では、逆スタガ構造で薄膜トランジスタを構成したが、トランジスタの断面構造は正スタガ構造，コプレーナ構造でも良く特に限定はしない。また、図５に示すように本発明の液晶表示パネル２０のＴＦＴ基板上に垂直走査回路１８，映像信号駆動回路１９を接続し、電源回路，コントローラ１７から走査信号電圧，映像信号電圧，タイミング信号を供給し、アクティブマトリクス駆動した。図６に本発明の駆動波形を示す。走査電極電圧を図６（ａ）に、信号電極電圧を図６（ｂ）に画素電極電圧（ソース電圧）を図６（ｃ）に示す。走査電極電圧Ｖ_Ｇは、パルス幅３４．５μｓで繰返し周期は１６．６ｍｓの矩形波で、パルスのオン電圧Ｖ_ＧＨ（ハイレベル）は２２Ｖ，オフ電圧Ｖ_ＧＬ（ローレベル）は０Ｖに設定した。液晶に印加する最大電圧は５．２Ｖであるので、信号電極電圧Ｖ_Ｄは、センタ電圧Ｖ_{Ｄ−ＣＥＮＴＥＲ}を中心に表示階調に従い±５．２Ｖまで印加する。センタ電圧Ｖ_{Ｄ−ＣＥＮＴＥＲ}は、走査電極電圧をオフ電圧したときに起こる画素電極電圧Ｖ_Ｓが変動量ΔＶ_Ｓ（＋）とΔＶ_Ｓ（−）の平均値だけ走査電極電圧のオフ電圧Ｖ_ＧＬより高く設定し、液晶駆動電圧Ｖ_ＬＣ（前行の走査電極と画素電極の間の電圧：≒Ｖ_Ｓ−Ｖ_ＧＬ）が実質的（実効的）に正負対称となるように設定した。画素電極電圧を観測した結果、Ｖ_{Ｄ−ＣＥＮＴＥＲ}＝２Ｖに設定した。画素電極電位の最低電位Ｖ_ＳＬは−５．２Ｖであり、薄膜トランジスタのゲート電圧（Ｖ_Ｇ−Ｖ_Ｓ）は５．２Ｖとなりドレイン電流Ｉ_Ｄ＝７×１０^−１４Ａであるので、画素電極電位を十分に保持することができる。また、画素電極電位の正極側の充電電圧Ｖ_ＳＨ＝Ｖ_ＤＨは７．２Ｖであり、走査電極電圧のオンレベルは２０Ｖであるので、ゲート電圧（Ｖ_Ｇ−Ｖ_Ｓ）＝１４．８Ｖとなりドレイン電流Ｉ_Ｄ＝４×１０^−７Ａであるので十分にオン状態になり充電動作できる。オン電流／オフ電流の比は約７桁あり、上記の条件で十分なスイッチング動作をしているといえる。
【００１９】
本実施例では、広視野角，低負荷といった特徴を持つ基板面に平行な電界を印加する表示方式で、基準電極を形成しないため、配線数が減少し、配線交差数も減少するので歩留まりが向上する。
【００２０】
特に、本発明では、Ｖ_ＴＨが９．３Ｖと｜Ｖ_ＯＮ｜＝５．２Ｖを超えるようにすることで、ゲート電圧のオフレベルを基準にして負の電圧を充電保持することができ、液晶を交流駆動することが可能になる。したがって、耐用時間が長くなり、また、残像現象が発生しない高画質のアクティブマトリクス型液晶表示装置を得ることができる。
【００２１】
〔実施例２〕
本実施例の構成は下記の要件を除けば、実施例１と同等である。
【００２２】
本実施例の薄膜トランジスタ及び各種電極の構造を図７に示す。図７（ａ）は基板面に垂直な方向から見た正面図、図７（ｂ），（ｃ）は側断面図を表す。本実施例では、走査電極１から垂直方向に突起部分を信号電極に隣接するように構成した。
【００２３】
本実施例では、信号電極２と画素電極３の間に走査電極の突起部分６を配置した。この時、電極幅は、走査電極，信号電極をそれぞれ１０μｍとし、画素電極、及び走査電極１１の突起部分６の幅はそれぞれ９μｍとした。また画素電極３と信号電極の間隔を３．５μｍとした。画素電極３と突起部分６の電極ギャップｄ_ＳＧは実施例１と同様に１２μｍと成る。
【００２４】
信号電極２と画素電極３の間に走査電極の突起部分６を配置したため、信号電極からの電気力線のほとんどが走査電極の突起部分に終端する。走査電極は自行を充電するための期間を除くほとんどの期間でオフ電圧で一定になるように走査回路ドライバから電位を付与されているので、信号電極の電圧変動を吸収し、信号電極の電圧変動が画素電極の電圧におよぼす影響は激減する。したがって、信号電極の電圧が映像信号によって変動しても、画素電極の電圧は変化しないので、信号電極と画素電極のクロストーク、特に垂直方向に発生するすじ状の画質不良（縦スミア）がなくなる。
【００２５】
以上、本実施例では実施例１と同等の効果が得られ、さらにクロストークのない高画質のアクティブマトリクス型液晶表示装置を得ることができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、広視野角，低負荷といった特徴を持つ基板面に平行な電界を液晶に印加し光を変調する表示方式において、配線数の減少により高い歩留まりで量産可能，高開口率、かつ、交流駆動することにより耐用時間が長く、残像減少が発生しない高画質のアクティブマトリクス型液晶表示装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のトランジスタ素子の電気特性図。
【図２】本発明の実施例１の液晶表示の電気光学特性図。
【図３】本発明の実施例１の画素部の構成を示す説明図。
【図４】アモルファスシリコン薄膜トランジスタ素子のゲートしきい値電圧のアモルファスシリコン膜厚依存性を示す特性図。
【図５】本発明の実施例１のシステムの回路図。
【図６】本発明の実施例１の駆動波形図。
【図７】本発明の実施例２の画素部の説明図。
【符号の説明】
１…走査電極、２…信号電極、３…画素電極、５…ゲート絶縁膜、６…突起部分、１３…アモルファスシリコン、１４…薄膜トランジスタ素子、１５…蓄積容量素子、１７…コントローラ、１８…垂直走査回路、１９…映像信号駆動回路、２０…液晶表示パネル。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an active matrix liquid crystal display device having a wide viewing angle and low power consumption.
[0002]
[Prior art]
The display method in which the direction of the electric field applied to the liquid crystal is substantially parallel to the interface between the substrates has characteristics such as a wide viewing angle and a low load capacitance, and is a promising technology for an active matrix liquid crystal display device. The former feature is described in JP-A-5-505247, and the latter feature is described in JP-B-63-21907.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the proposal of Japanese Patent Publication No. Sho 63-21907, there is an example in which a reference electrode is used also for the next row electrode. This configuration can reduce the parasitic capacitance, reduce the load, obtain an active matrix type liquid crystal display device with low power consumption, can be manufactured with a small number of electrodes, can be manufactured at a high yield, and can effectively use the pixel area. Can be used for open areas. However, the proposed configuration does not describe the characteristics of the transistor element and the optical characteristics of the liquid crystal element. In the characteristics of the normal transistor element, the voltage applied to the liquid crystal is always unipolar (the display electrode potential is higher than the reference electrode potential). Only a DC drive in which the potential is always positive) can be performed. However, when the liquid crystal is driven by direct current, there is a problem that the liquid crystal is greatly deteriorated and the service life is remarkably reduced, and furthermore, the residual charge is accumulated and an afterimage phenomenon occurs to deteriorate the image quality.
[0004]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an active matrix type liquid crystal display device using a display method capable of realizing low power consumption with a wide viewing angle and low load, a high yield, a high aperture ratio, a long life time, and a high image quality. It is to provide a matrix type liquid crystal display device.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides an active matrix type liquid crystal display device having the following features.
[0006]
(1) A liquid crystal composition is inserted between a first substrate and a second substrate, and a plurality of pixel portions are formed on the first substrate by a plurality of scanning electrodes and a plurality of signal electrodes arranged in a matrix. A switching transistor element electrically connected to the scanning electrode and the signal electrode in the pixel portion, and a transmittance or a reflectance of incident light depending on an alignment state of the liquid crystal composition and a polarizing means. In the active matrix type liquid crystal display device, a pixel electrode is connected to the switching transistor element, and the pixel electrode and a scanning electrode adjacent to a scanning electrode connected to the switching transistor element are connected to the second electrode. The two substrates are disposed so as to apply an electric field substantially parallel to one substrate surface and the second substrate surface, and the two electrodes form a long axis of liquid crystal molecules of the liquid crystal composition layer. The possible while remaining substantially parallel to the substrate surface, wherein the switching and the threshold V _TH of the transistor elements, the relationship between the voltage V _ON applied to the liquid crystal composition to modulate the maximum transmittance or reflectance of the incident light Satisfies V _TH > | V _ON |, and the pixel voltage V _S generated when the scan electrode voltage is turned off when the center voltage, which is the average value of the signal electrode voltage, is turned off. Is set to be higher than the off voltage _VGL of the scan electrode voltage by an average value of the variation amounts ΔV _S (+) and ΔV _S (−) of the scan electrode , and the liquid crystal drive voltage _VLC is set to be substantially symmetrical between positive and negative. Features.
[0007]
(2) The gate electrode has a projection extending in the longitudinal direction of the drain electrode, and the major axis of the liquid crystal molecules of the liquid crystal composition layer is kept substantially parallel to the substrate surface by the projection and the pixel electrode. Operable and configured such that the protrusion is adjacent to the drain electrode.
[0009]
[Action]
Next, the operation of the present invention will be described.
[0010]
The active matrix type liquid crystal display device is driven by switching the voltage applied to the liquid crystal to the active element, and charging and holding the voltage on the display electrode (hereinafter referred to as pixel electrode). When viewed from the liquid crystal element of one pixel, it is driven at a duty ratio of 1, so that high-contrast, high-speed response driving can be performed. The video signal is charged from the drain electrode so that the voltage waveform charged to the pixel electrode with respect to the reference electrode in order to drive the liquid crystal by AC is an AC waveform.
[0011]
Typical active elements used in an active matrix type liquid crystal display device include an amorphous silicon thin film transistor (a-SiTFT) and a polysilicon thin film transistor (p-SiTFT). These transistor elements have a characteristic that the drain current starts to flow when the gate voltage is around 0V. That is, the gate threshold voltage V _TH is around 0V. However, when the off-level of the gate voltage is used as the reference voltage, the transistor element cannot hold a negative voltage with respect to the reference voltage even when charged. Because the off level of the gate voltage is higher than the pixel electrode potential, the transistor element whose gate threshold voltage V _TH is around 0 V is turned on, and the pixel electrode potential leaks to the off level of the gate voltage. This is because Therefore, in order to drive the liquid crystal by AC, a reference electrode must be separately provided, and the reference voltage must be set to a level higher than the off level of the gate voltage. However, by using the transistor of the present invention having a drain current-gate voltage characteristic as shown in FIG. 1, even if the gate electrode is used as a reference electrode and the off-level of the gate voltage is used as a reference voltage, a negative voltage is charged. It can be held and AC drive is possible. In the transistor of the present invention, the gate threshold voltage V _TH is the maximum voltage V _ON applied to the liquid crystal (the voltage between the pixel electrode and the gate electrode that maximizes the transmittance or reflectance of incident light, or the transmission of incident light). (A voltage between the pixel electrode and the gate electrode) that minimizes the reflectance or the reflectance. Thus, after charging the negative voltage V _ON with reference to the off level of the gate voltage, the transistor is turned off and can maintain the negative voltage V _ON . Therefore, in a display method in which a liquid crystal can be AC-driven and an electric field parallel to the substrate surface is applied, a high-yield active-matrix liquid crystal display with high yield, a high aperture ratio, a long lifetime, and no residual phenomenon occurs. A device can be obtained.
[0012]
【Example】
The present invention will be specifically described with reference to examples.
[0013]
[Example 1]
As the substrate, two transparent glass substrates having a thickness of 1.1 mm and a polished surface are used. A thin film transistor was formed on one of these substrates, and an alignment film was further formed on the uppermost surface thereof. In this embodiment, polyimide is used as the alignment film, and a rubbing process is performed thereon to align the liquid crystal. The other substrate was also coated with polyimide and subjected to the same rubbing treatment. The rubbing directions on the upper and lower interfaces were substantially parallel to each other, and the angle between the rubbing directions and the direction of the applied electric field was 85 degrees (φ _LC1 = φ _LC2 = 85 °). A nematic liquid crystal composition having a positive dielectric anisotropy Δε of 14.8 (1 KHz) and a refractive index anisotropy Δn of 0.0865 (589 nm, 20 ° C.) is sandwiched between these substrates. . The gap d was formed by dispersing and holding spherical polymer beads between the substrates, and was 3.6 μm in a liquid crystal sealed state. Therefore, Δn · d is 0.311 μm. The panel is sandwiched between two polarizing plates [G1220DU manufactured by Nitto Denko Corporation], and the polarization transmittance of one of the polarizing plates is set to an angle slightly smaller than the rubbing direction, that is, φ _P1 = 85 ° (that is, φ _LC = φ _P1 ). And the other was orthogonal to it, ie, φ _P2 = -5 °. Accordingly, when an electric field is applied to the liquid crystal layer and a gap between electrodes for modulating light intensity (a part of a scanning electrode adjacent to a pixel electrode described later) is 12 μm, a low voltage (V) as shown in FIG. _OFF = 0V) and a normally closed characteristic which takes a dark state at a high voltage (V _ON = 5.2V). Although a liquid crystal having a positive dielectric anisotropy Δε is used, a negative liquid crystal may be used, as long as the condition regarding the liquid crystal material of the present invention is satisfied.
[0014]
Next, the structures of the thin film transistor and various electrodes are shown in FIG. FIG. 3A is a front view seen from a direction perpendicular to the substrate surface, and FIGS. 3B and 3C are side sectional views. The thin film transistor element 14 includes a pixel electrode (source electrode) 3, a signal electrode (drain electrode) 2, a scanning electrode (gate electrode) 1, and amorphous silicon 13. The thin film transistor had an inverted staggered structure, the scanning electrode 1 was formed in the lowermost layer, and the signal electrode 2 and the pixel electrode 3 were formed by patterning the same metal layer via the gate insulating film 5. The storage capacitor 15 was formed as a structure in which the gate insulating film 5 was sandwiched between the pixel electrode 3 and the scanning electrode 11 in the previous row. The pixel electrodes are arranged between the protruding portions 6 extending vertically from the scanning electrodes 1 in the front view (FIG. 3A). The orientation of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer is controlled mainly by the horizontal electric field E between the pixel electrode 3 and the projection 6. Light is transmitted between the pixel electrode 3 and the protruding portion 6, is incident on the liquid crystal layer, and is modulated. In this embodiment, the longitudinal direction of the signal electrode is defined as the vertical direction, and the longitudinal direction of the scanning electrode is defined as the horizontal direction. Further, in the present embodiment, the projection is provided from the scanning electrode in the preceding row, but may be provided from the scanning wiring in the following row.
[0015]
The pixel pitch was 110 μm in the horizontal direction (ie, between signal electrodes) and 330 μm in the vertical direction (ie, between scan electrodes). The electrode width was 10 μm and 9 μm for the scanning electrode and the signal electrode, respectively. On the other hand, the width of the pixel electrode and the width of the protruding portion 6 of the scanning electrode 11 in the previous row were each set to 8 μm. The distance between the pixel electrode 3 and the signal electrode was 6 μm. These electrode widths were determined so that the electrode gap d _SG between the pixel electrode 3 and the projection 6 was 12 μm when the gap between the pixel electrode 3 and the projection 6 was divided into four. Further, in order to improve the contrast, an insulating black matrix was formed in unnecessary gap portions (gap portions other than between the pixel electrode 3 and the protruding portion 6).
[0016]
In this embodiment, the pixel is divided into four, but the condition regarding the gap d _SG may be configured so as to satisfy the present invention, and the number of divisions is not limited.
[0017]
The number of pixels is 640 × 3 × 480 with 640 × 3 signal electrodes and 480 scanning electrodes, and three color filters of R (red), G (green), and B (blue) are used as a thin film transistor element group. It was formed in a vertically elongated vertical stripe shape on the substrate facing the substrate having the above, and was colored. FIG. 13 shows a part of a panel including a plurality of pixels. A transparent resin for flattening the surface is laminated on the color filter.
[0018]
In addition, chromium (Cr) was used for the gate electrode (scanning electrode) of the thin film transistor, and a silicon nitride film was used for the gate insulating film. To obtain a gate voltage V _G characteristics - drain current I _D as shown in FIG. 1 in this configuration. The gate threshold voltage V _TH is 9.3V. There are various parameters for controlling the gate threshold voltage V _TH , but in this embodiment, the amorphous silicon film thickness is shifted to a higher voltage side by reducing the film thickness, and the gate threshold voltage V _TH is controlled. . FIG. 4 shows the dependency of the gate threshold voltage V _{TH on} the thickness of the amorphous silicon film. Here, the amorphous silicon film thickness at which the gate threshold voltage V _TH is equal to or higher than the maximum voltage | V _ON | applied to the liquid crystal is 100 nm or less. Further, in the thin film transistor element of this embodiment, the inclination of the subthreshold region _{_{s = dV G / dlog (I}} D) is 0.9, maintaining the following non-conducting state drain current _I D = 1 × ^{10 -13} A the maximum value of the gate voltage _{V G} to be is 5.7 V. Therefore, the transistor element of the present embodiment can be applied up to the maximum voltage V _ON applied to the liquid crystal of 5.7 V. As described above, in the cell configuration (liquid crystal material) of the present embodiment, when d _SG = 12 μm, Since the voltage V _ON applied to the liquid crystal layer in order to bring the pixel into a bright state is 5.2 V, even if the pixel electrode is charged with a negative voltage (−5.2 V) based on the off level of the gate, a sufficient holding operation is performed. it can. Although the slope s of the subthreshold region changes depending on the transistor characteristics, the condition of V _TH > | V _ON | is s> 0. The gate threshold voltage _{V TH} is in the range of _{_{_{V TH <V G <V D}}} + V TH in FIG. 1 (a), the square root √I _D of the drain current is plotted against the gate voltage _{V G,} a straight line when approximating, it is defined as the gate voltage V _G of intersection of the straight line and the gate voltage V _G axis. Note that n + type amorphous silicon is formed between the signal electrode 2 and the pixel electrode 3 and the amorphous silicon 13 to make ohmic contact. In this embodiment, the gate threshold voltage is controlled by reducing the thickness of the semiconductor film. However, a method of controlling the material by selecting the material of the gate electrode material, the gate insulating film, the semiconductor film, and the like, doping, and controlling the back channel may be used. Yes, it may be controlled by one or a combination of them, and it is within the scope of the present invention if the condition regarding the gate threshold voltage is satisfied. Further, in this embodiment, the thin film transistor is configured with the inverted staggered structure, but the cross-sectional structure of the transistor may be a normal staggered structure or a coplanar structure, and is not particularly limited. As shown in FIG. 5, a vertical scanning circuit 18 and a video signal driving circuit 19 are connected on a TFT substrate of a liquid crystal display panel 20 of the present invention, and a scanning signal voltage, a video signal voltage, and a timing signal are supplied from a power supply circuit and a controller 17. And active matrix drive was performed. FIG. 6 shows a driving waveform of the present invention. FIG. 6A shows the scanning electrode voltage, FIG. 6B shows the signal electrode voltage, and FIG. 6C shows the pixel electrode voltage (source voltage). The scan electrode voltage V _G is a rectangular wave having a pulse width of 34.5 μs and a repetition period of 16.6 ms. The pulse ON voltage V _GH (high level) is set to 22 V, and the OFF voltage V _GL (low level) is set to 0 V. . Since the maximum voltage applied to the liquid crystal is a 5.2V, the signal electrode voltage _{V D} is applied to ± 5.2V in accordance with the display gradation around a center voltage _{V D-CENTER.} Center voltage _{V D-CENTER,} the pixel electrode voltage _{V S} that occurs when a scanning electrode voltage and turn-off voltage variation [Delta] V _S (+) and [Delta] V _S - than the off voltage _{V GL} of the average value only scan electrode voltage () set high, the liquid crystal drive voltage V _{LC (the} voltage between the front row of scan electrodes and the pixel electrode: ≒ V _S -V _GL) is set to be positive and negative symmetrical substantially (effective). As a result of observing the pixel electrode voltage, _VD-CENTER was set to 2V. Since the minimum potential _{V SL} of the pixel electrode potential is -5.2V, the gate voltage of the thin film transistor _(V G -V _S) is a 5.2V next drain current _{^{I D = 7 × 10 -14 A}} , the pixel electrode potential Can be held sufficiently. The charging voltage _V SH _{= V DH} of the positive electrode side of the pixel electrode potential is 7.2V, the on-level of the scanning electrode voltage is at 20V, the gate voltage _(V _G -V S) = 14.8V next drain Since the current _{ID is} 4 × 10 ⁻⁷ A, the current is sufficiently turned on and the charging operation can be performed. The ratio of on-current / off-current is about 7 digits, and it can be said that a sufficient switching operation is performed under the above conditions.
[0019]
In the present embodiment, a display method in which a parallel electric field is applied to the substrate surface having features such as a wide viewing angle and a low load is employed. Since no reference electrode is formed, the number of wirings is reduced, and the number of wiring intersections is also reduced. improves.
[0020]
In particular, in the present invention, by setting V _TH to exceed 9.3 V and | V _ON | = 5.2 V, it is possible to charge and hold a negative voltage based on the off level of the gate voltage, Can be AC-driven. Therefore, it is possible to obtain a high-quality active matrix type liquid crystal display device which has a long service life and does not cause an afterimage phenomenon.
[0021]
[Example 2]
The configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment except for the following requirements.
[0022]
FIG. 7 shows the structure of the thin film transistor and various electrodes of this embodiment. FIG. 7A is a front view seen from a direction perpendicular to the substrate surface, and FIGS. 7B and 7C are side sectional views. In this embodiment, the protruding portion is configured to be adjacent to the signal electrode in the vertical direction from the scanning electrode 1.
[0023]
In this embodiment, the projection 6 of the scanning electrode is arranged between the signal electrode 2 and the pixel electrode 3. At this time, the electrode width was 10 μm for each of the scanning electrode and the signal electrode, and the widths of the projections 6 of the pixel electrode and the scanning electrode 11 were each 9 μm. The distance between the pixel electrode 3 and the signal electrode was 3.5 μm. The electrode gap d _SG between the pixel electrode 3 and the projection 6 is 12 μm as in the first embodiment.
[0024]
Since the protruding portion 6 of the scanning electrode is arranged between the signal electrode 2 and the pixel electrode 3, most of the lines of electric force from the signal electrode terminate at the protruding portion of the scanning electrode. Since the scanning electrode is supplied with a potential from the scanning circuit driver so as to be constant at the off-voltage for most of the period except for the period for charging its own row, the voltage fluctuation of the signal electrode is absorbed, and the voltage fluctuation of the signal electrode is absorbed. Has a drastically reduced effect on the voltage of the pixel electrode. Therefore, even if the voltage of the signal electrode fluctuates due to the video signal, the voltage of the pixel electrode does not change, so that there is no crosstalk between the signal electrode and the pixel electrode, in particular, a striped image quality defect (vertical smear) occurring in the vertical direction. .
[0025]
As described above, in this embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and a high-quality active matrix liquid crystal display device without crosstalk can be obtained.
[0026]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a display system in which an electric field parallel to a substrate surface having characteristics such as a wide viewing angle and a low load is applied to a liquid crystal to modulate light, mass production can be performed at a high yield by reducing the number of wirings, a high aperture ratio, In addition, a high-quality active-matrix liquid crystal display device that has a long service life and does not cause a decrease in afterimages can be obtained by AC driving.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electrical characteristic diagram of a transistor element according to Example 1 of the present invention.
FIG. 2 is an electro-optical characteristic diagram of a liquid crystal display of Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a pixel unit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the dependence of the gate threshold voltage of an amorphous silicon thin film transistor element on the amorphous silicon film thickness.
FIG. 5 is a circuit diagram of a system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a driving waveform diagram according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a pixel portion according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Scan electrode, 2 ... Signal electrode, 3 ... Pixel electrode, 5 ... Gate insulating film, 6 ... Projection part, 13 ... Amorphous silicon, 14 ... Thin film transistor element, 15 ... Storage capacitance element, 17 ... Controller, 18 ... Vertical scanning Circuit, 19: video signal drive circuit, 20: liquid crystal display panel.

Claims

第一および第二の基板間に液晶組成物が挿入され、前記第一の基板には、マトリクス状に配置された複数の走査電極と複数の信号電極により複数の画素部が構成されており、前記画素部には前記走査電極と前記信号電極に電気的に接続されたスイッチングトランジスタ素子が設けられており、前記液晶組成物の配向状態と偏光手段により入射光の透過率または反射率を変調することができるアクティブマトリクス型液晶表示装置において、
前記スイッチングトランジスタ素子には画素電極が接続され、前記画素電極と、該スイッチングトランジスタ素子に接続された走査電極に隣接した走査電極は、前記第一の基板面と前記第二の基板面にほぼ平行な電界を印加するように配置され、前記両電極により液晶組成物層の液晶分子の長軸方向を基板面とほぼ平行を保ちながら動作でき、前記スイッチングトランジスタ素子のしきい値Ｖ_THと、入射光の透過率または反射率を最大に変調するために液晶組成物に印加する電圧Ｖ_ONの関係がＶ_TH＞｜Ｖ_ON｜を満足するように構成し、信号電極電圧の平均値であるセンタ電圧を、走査電極電圧をオフ電圧にしたときに起こる画素電極電圧Ｖ_S の変動量ΔＶ_S（＋）とΔＶ _S （−）の平均値だけ走査電極電圧のオフ電圧Ｖ_GLより高く設定し、液晶駆動電圧Ｖ_LCを実質的に正負対称となるように設定したことを特徴とするアクティブマトリクス型液晶表示装置。A liquid crystal composition is inserted between the first and second substrates, and the first substrate has a plurality of pixel portions formed by a plurality of scanning electrodes and a plurality of signal electrodes arranged in a matrix, The pixel portion is provided with a switching transistor element electrically connected to the scanning electrode and the signal electrode, and modulates an alignment state of the liquid crystal composition and a transmittance or a reflectance of incident light by a polarizing unit. Active matrix type liquid crystal display device,
A pixel electrode is connected to the switching transistor element, and the pixel electrode and a scanning electrode adjacent to a scanning electrode connected to the switching transistor element are substantially parallel to the first substrate surface and the second substrate surface. is arranged to apply a electric field, the long axis direction of liquid crystal molecules of the liquid crystal composition layer can while remaining substantially parallel to the substrate surface by the electrodes, and the threshold V _TH of the switching transistor element, the incident relationship between the voltage V _oN applied to the liquid crystal composition to modulate the transmittance or reflectance of light in maximum V _TH> | V _oN | configured to satisfy the center is the average value of the signal electrode voltage The voltage is set to be higher than the off voltage _VGL of the scan electrode voltage by an average value of the variation amounts ΔV _S (+) and ΔV _S (−) of the pixel electrode voltage V _S that occur when the scan electrode voltage is turned off. liquid Active matrix liquid crystal display device which is characterized in that set to be substantially symmetrical positive and negative drive voltage V _LC.

請求項１において、前記ゲート電極には、ドレイン電極の長手方向に伸びた突起が形成されており、前記突起と前記画素電極により液晶組成物層の液晶分子の長軸方向を基板面とほぼ平行を保ちながら動作でき、前記突起が前記ドレイン電極と隣接するように構成されているアクティブマトリクス型液晶表示装置。2. The device according to claim 1, wherein the gate electrode has a projection extending in a longitudinal direction of the drain electrode, and the major axis direction of liquid crystal molecules of the liquid crystal composition layer is substantially parallel to the substrate surface by the projection and the pixel electrode. An active matrix type liquid crystal display device which is operable while maintaining the same, and wherein the protrusion is configured to be adjacent to the drain electrode.