JPH03109525A

JPH03109525A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH03109525A
Application number: JP2229161A
Authority: JP
Inventors: Shinji Morozumi; 両角　伸治
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1991-05-09
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JP2586195B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ツト数、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デユーテイが限界であり、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デユーテイでの液晶駆動が
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。

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
ることにある。

本発明はデユーティを上げる手段として、トランジスタ
スイッチングによるアクティブ・マトリックスや、ＭＩ
Ｍ素子、ダイオード等の非線形素子を用い、カラー化技
術として、モザイク状、又はストライプ状のカラーフィ
ルタを有するドツトをネガタイプの液晶マイクロシャッ
タにより開閉して多色化する方式により、あざやかなカ
ラー画像や、カラーグラフィックの液晶表示体を実現す
るものである。

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
トライブ状に形成されている。

この上部に５ｉ（ｈ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０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ツトに対応した透明
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（○Ｎ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０Ｎ−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上にポリビニー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、前部
２３、縁部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糸により染色
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
ターンにフォトエツ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３
１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図齋よ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
デユーティが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。この例はパイレ
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の薄膜トランジスタを作成するものであり、通常の
６ｉ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ドツト）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ＯＮＬ、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ユーティは（
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、バ
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、ＧＮ
Ｄラインのバターニングをして、前記パターンをマスク
に更に酸化膜をエツチングして、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
のり−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、バターニングして、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。

又駆動デユ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、５００Ｘ５００のドツトによる完全カラ
ー画像が実現できる。

本発明における液晶の駆動デユ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。

餉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Ｍ
ＩＭ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
３００Ａ〜５００人陽極酸化する。その後上部電極とな
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）聖域６７
、　Ｐ　（Ｎ）聖域６８．Ｎ（Ｐ）聖域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１ｉｃＭで又液晶８１は等低抵抗ＲＬと容量Ｃ
Ｌにより表現できる。液晶を点灯させる時はＶＴＲ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ＶＴＨより下がるとＲＭは非常に高
くなり、ＶＭは容ＪＩＣＬ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ＶＴＲ以下の電位しかかからないのでＶＭはほと
んどＯ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ＪＩＣＬに保持されるのでデユー
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５７、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上に素子を構成し
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９
７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１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。

これは例えば赤フイルタ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イ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
ブ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Ｘ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である。）存在する。

シフトレジスタ１０１はクロック人力φ５によりＳｌか
らＳ。を出力し、トランジスタ１０４を順次○Ｎさてビ
デオ信号ｖＳをＸ１〜Ｘｏ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、をクロック
φ４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φ１
〜φ３によりＹの１ライン毎に切換えられてゆき、φ１
．φ２．φ３はφ４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Ｘ方向のストライブ
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
Ｘ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Ｘ方向にストライプ状のカラーフィルタ１１
６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、ドツ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、の信号により駆動電
極１１５を順次選択してゆく。駆動電極１１５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選択クロック人力、φ２．φ３はク
ロックφ５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倍
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の転送りロックφ５の周波数
は同一のドツト数に対して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１２
３に対し更に白フィルタ１２４を加えて１ブロツクとし
、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通過した状態、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Ｘ方向はシフトレジ
スタ１２６により選択され、クロックφ３に同期した半
分の周波数φ１とφ２によりＶＳＲとｖＳＢ、ＶＳＧと
ｖＳＷが交互に接続される。

本発明は以上説明した様に、駆動デユーティを向上でき
る手段即ち、スイッチング素子又は非線形素子を介して
、対光スイツチング性能のよいポジ型ゲストホスト液晶
を駆動し、その液晶駆動電極となるドツトに対応したカ
ラーフィルタを配置してカラー表示を実現するものであ
る。表示形式としては、電力消費のある程度許容できる
用途は透過型、又少なく押える用途には下側に反射面を
配置した反射型で使用できる。本発明の表示体は１００
×１００ライン以上のカラー表示が可能であり、非常に
高性能、即ちＣＲＴに比し、小型、コンパクト、ひずみ
が少なく低消費電力のグラフィック、又は画像表示を実
現するものであり、従来にないパフォーマンスを得られ
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・・
・輝度信号以上出願人　セイコーエプソン株式会社代理人　弁理士　鈴木　喜三部　他１名伽）（ｃ７）（セノ第６図

Claims

【特許請求の範囲】一対の基板内に電気光学的変換物質が封入され、該基板
上にマトリクス状に配列されてなる画素電極、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ーを
有してなる画像表示装置において、該画素電極の一画素あたりの面積と該画素電極に対応す
る該カラーフィルターの面積を異ならせたことを特徴と
する画像表示装置。