(57)【要約】【課題】  階調反転現象を改善する液晶表示装置を提供する。【解決手段】  複数の画素領域を有する液晶表示装置であって、前記各画素領域が、第１基板と、第２基板と、前記第１及び第２基板との間に挟装された液晶層と、前記第１基板の一部の上に形成された第１画素電極と、前記第１基板の一部の上に形成され、前記第１画素電極と電気的に接続する第１画素駆動素子と、前記第１基板の一部の上に形成された第２画素電極と、前記第１基板の一部の上に形成され、前記第２画素電極と電気的に接続する第２画素駆動素子と、前記第２基板の内側表面上に形成された共通電極と、を備え、前記第１及び第２画素電極の電圧が異なるように前記第１及び第２画素駆動素子が異なるオン電流（ION）を有することを特徴とする液晶表示装置を提供する。【選択図】  図２
2005338853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素領域を有する液晶表示装置であって、前記各画素領域が、
第１基板と、
第２基板と、
前記第１及び第２基板との間に挟装された液晶層と、
前記第１基板の一部の上に形成された第１画素電極と、
前記第１基板の一部の上に形成され、前記第１画素電極と電気的に接続する第１画素駆動素子と、
前記第１基板の一部の上に形成された第２画素電極と、
前記第１基板の一部の上に形成され、前記第２画素電極と電気的に接続する第２画素駆動素子と、
前記第２基板の内側表面上に形成された共通電極と、
を備え、
前記第１及び第２画素電極の電圧が異なるように前記第１及び第２画素駆動素子が異なるオン電流（ION）を有することを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記液晶層が異なる配向をもつ二つの液晶配向領域を有することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記液晶層がTN型液晶分子を含むことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記第１画素電極と前記第２画素電極がITO層（Indium Tin Oxide）若しくはIZO層(Indium Zinc Oxide)であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項５】
前記共通電極がITO層若しくはIZO層であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項６】
前記第１画素駆動素子が第１薄膜トランジスタ素子であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記第２画素駆動素子が第２薄膜トランジスタ素子であることを特徴とする請求項６に記載の液晶表示装置。
【請求項８】
前記第１薄膜トランジスタ素子と前記第２薄膜トランジスタ素子が同一のゲート、チャネル層及びソースを備えることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
【請求項９】
前記第１薄膜トランジスタ素子が前記第１画素電極と電気的接続をする第１ドレインを有し、前記第２薄膜トランジスタ素子が前記第２画素電極と電気的接続をする第２ドレインを有し、前記第１ドレインが第１幅（W１）を、前記第１ドレインと前記ソースとの間に第１距離（L１）を、前記第２ドレインが第２幅（W２）を、前記第２ドレインと前記ソースとの間に第２距離（L２）を有し、且つ関係式W１/L１≠W２/L２を満たすことを特徴とする請求項８に記載の液晶表示装置。
【請求項１０】
前記第１基板上に横方向に延伸する蓄積容量電極線と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項１１】
複数の画素領域を備えた液晶表示装置であって、前記各画素領域が、
第１基板上に形成された横方向に延伸するゲート線と縦方向に延伸するソース線と、
前記ゲート線と前記ソース線との交叉点に位置して、第１ドレイン及び第２ドレインを有する薄膜トランジスタ素子と、
第１面積A１を有し、前記第１ドレインを通して前記ソース線と電気的接続をし、よって第１電圧を有する第１画素電極と、
第２面積A２を有し、前記第２ドレインを通して前記ソース線と電気的接続をし、よって前記第１電圧との間に電圧差（△V）がある第２電圧を有する第２画素電極と、
前記第１基板と対向する第２基板と、
前記第２基板の内側表面上に形成された共通電極と、
前記第１基板と前記第２基板との間に挟装された液晶層と、を備えることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項１２】
前記液晶層が異なる配向を持つ二つの液晶配向領域を含むことを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
【請求項１３】
前記液晶層がTN型液晶分子を含むことを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
【請求項１４】
前記第１画素電極と前記第２画素電極がITO層若しくはIZO層であることを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
【請求項１５】
前記共通電極がITO層若しくはIZO層であることを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
【請求項１６】
前記薄膜トランジスタ素子が、ゲート、チャネル層及びソースを含み、前記ゲートが前記ゲート線と電気的接続し、前記ソースが前記ソース線と電気的接続することを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
【請求項１７】
前記第１ドレインが第１幅（W１）を、前記第１ドレインと前記ソースとの間に第１距離（L１）を、前記第２ドレインが第２幅（W２）を、前記第２ドレインと前記ソースとの間に第２距離（L２）を有し、且つ関係式W１/L１≠W２/L２を満たすことを特徴とする請求項１６に記載の液晶表示装置。
【請求項１８】
前記第１基板上に位置する横方向に延伸する蓄積容量電極線と、を更に備えることを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
【請求項１９】
前記ソース線が駆動電圧（Vs）を提供し、０＜前記電圧差（△V）＜０.６Vsであるとき、前記第１面積（A１）と前記第１及び第２面積の総和（A１＋A２）が関係式０＜A１/（A１+A２）＜０.８を満たすことを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
【請求項２０】
前記ソース線が駆動電圧（Vs）を提供し、前記電圧差（△V）＝０.６ Vsであるとき、前記第１面積（A１）と前記第１及び第２面積の総和（A１＋A２）が関係式０.４５＜A１/（A１+A２）＜０.８を満たすことを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶表示装置（LCD）に関し、特に階調反転を改善できる液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のTN（Twisted Nematic）型LCD（以下TN-LCD）は下視野角方向に重大な階調反転現象が見られ、視野角特性が悪いという問題がある。図１は、操作モードがノーマリ・ホワイト(Normally White)方式である従来のTN-LCDの各下視野角角度における各階調の相対輝度差を示す。曲線１２は第１及び第２階調との間の輝度差を表わし、曲線２３は第２及び第３階調との間の輝度差を表わし、曲線３４は第３及び第４階調との間の輝度差を表わし、曲線４５は第４及び第５階調との間の輝度差を表わしている。図１から分かるように、従来のTN-LCDの下視野角は約２０度ぐらいで階調反転現象GSが生じる。
【０００３】
特許文献１において、Hirataが視野角特性を改善できるTN-LCDを開示している。該発明は画素電極上に誘電体層パターンを形成することで異なる液晶セルギャップを形成し、視野角特性を改善する。該方法によれば、視野角範囲は増大できるが、然し本願のLCD構造については教示していない。
【０００４】
特許文献２において、Nakayamaは視野角特性を改善できるTN-LCDを開示している。該発明は異なる平面にある二層の画素電極を形成して視野角特性を改善する。該方法によれば、視野角範囲は増大するが、然し、本願のLCD構造を教示していない。
【０００５】
【特許文献１】米国特許公報第６,３４２,９３９号
【特許文献２】米国特許出願早期公開公報第２００２/０１０５６１４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は前述した従来のTN-LCDの欠点を鑑みてなされたものであり、階調反転現象（即ち、視野角特性）を改善する液晶表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明は、複数の画素領域を有する液晶表示装置であって、前記各画素領域が、第１基板と、第２基板と、前記第１及び第２基板との間に挟装された液晶層と、前記第１基板の一部の上に形成された第１画素電極と、前記第１基板の一部の上に形成され、前記第１画素電極と電気的に接続する第１画素駆動素子と、前記第１基板の一部の上に形成された第２画素電極と、前記第１基板の一部の上に形成され、前記第２画素電極と電気的に接続する第２画素駆動素子と、及び、前記第２基板の内側表面上に形成された共通電極と、を備え、前記第１及び第２画素電極の電圧が異なるように前記第１及び第２画素駆動素子が異なるオン電流（ION）を有することを特徴とする液晶表示装置を提供する。
【０００８】
従来の液晶表示装置と比較して、本発明の液晶表示装置における各画素の第１及び第２画素電極が異なる電圧を有するので、階調反転角度を増大させて視野角特性を改善する効果が得られる。
【０００９】
以下で実施の形態を参照して、本発明の目的を達成するための技術手段と構造の特徴を詳細に説明する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の液晶表示装置は、各画素における薄膜トランジスタ素子TFT１とTFT２が異なるオン電流（ION）を有し、充電後の画素電極２６０と２６５の間に電圧差（ΔV）が生じて各画素における液晶層６４０内の液晶分子が二つの異なる配向を有するため、階調反転角度を増大させて視野角特性を改善する効果を挙げる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下で実施形態により本発明に係る階調反転現象（視野角特性）を改善する液晶表示装置を説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図２は本発明による第１実施形態であるLCDにおける単一画素領域Pのアレイ基板の平面図である。図３は図２における３-３線に沿った断面図である。図６は、本発明の第１実施形態に係るLCDの部分構造断面図である。ここで特に強調したいのは、図２には単一の画素領域Pのみが示されているが、実際は本発明のLCDは複数の画素領域Pを備えている。これら画素領域Pは、交錯しているゲート線とソース線（又はデータ線という）により定義される。
【００１３】
図２及び図３に示すように、例えばガラス又は石英の第１基板２００上に、横方向に延伸するゲート線２１０と横方向に延伸する蓄積容量電極線２１２（storage capacitance electrode line, 以下Cs線と称する）とを形成し、上記ゲート線２１０が更にゲート２１５を備える。上記ゲート線２１０と上記Cs線２１２の材質は、例えばAl、Cr、Mo若しくはそれらの合金である。次に、例えばSiO２層であるゲート絶縁層２２０を形成して上記第１基板２００全体を被覆する。
【００１４】
その後、シリコンなどの材質からなり、チャネル層２３０となる半導体層を上記ゲート絶縁層２２０の一部の上に形成する。
【００１５】
次に、上記ゲート絶縁層２２０上に縦方向に延伸し、チャネル層２３０の一部にまで延伸するソース２４２を含むソース線２４０を形成し、同時にチャネル層２３０の一部の上及びゲート絶縁層２２０上に第１ドレイン２４４及び第２ドレイン２４５を形成する。このうち、第１ドレイン２４４は第１延伸部２４４’を有してCs線２１２の一部と重なり、第２ドレイン２４５は第２延伸部２４５’を有してCs線２１２の一部と重なる。ソース線２４０、ソース２４２、ドレイン２４４及び２４５などの材質は、例えばAl、Cr、Mo若しくはそれらの合金である。このようにして、ゲート２１５、ゲート絶縁層２２０、チャネル層２３０、ソース２４２及び第１ドレイン２４４は、第１画素駆動素子である第１薄膜トランジスタ素子TFT１を構成し、且つゲート２１５、ゲート絶縁層２２０、チャネル層２３０、ソース２４２及び第２ドレイン２４５は第２画素駆動素子である第２薄膜トランジスタ素子TFT２を構成する。これら薄膜トランジスタ素子TFT１とTFT２の作用は、スイッチ素子として充放電の電荷の下記の画素電極への流動を制御する。
【００１６】
本実施形態におけるこれら薄膜トランジスタ素子TFT１及びTFT２は、同じゲート２１５、チャネル層２３０及びソース２４２を含むものを例として挙げているが、実際にはこれら薄膜トランジスタ素子TFT１及びTFT２はそれぞれ独立した素子であっても良い。重要な点は、上記第１薄膜トランジスタ素子TFT１と第２薄膜トランジスタ素子TFT２が異なるオン電流（ION）を有する必要がある。
【００１７】
その後、絶縁層２５０を形成して第１基板２００を被覆する。前記絶縁層２５０の材質は例えば有機材料若しくは無機材料である。その後、リソグラフィー工程により、上記第１延伸部２４４’を露出させる第１通り孔２５２と、上記第２延伸部２４５’を露出させる第２通り孔２５４とを形成する。その後、第１面積（A１）を有する第１画素電極２６０と第２面積（A２）を有する第２画素電極２６５を絶縁層２５０上に形成して、第１画素電極２６０を第１通り孔２５２に埋め込んで第１ドレイン２４４と電気的接続させ、かつ第２画素電極２６５を第２通り孔２５４に埋め込んで第２ドレイン２４５と電気的接続させる。これら画素電極２６０と２６５は、例えば蒸着法によって形成されたITO層(Indium Tin Oxide)若しくはIZO層(Indium Zinc Oxide)である。第１薄膜トランジスタ素子TFT１と第２薄膜トランジスタ素子TFT２が異なるオン電流（ION）を有するので、第１画素電極２６０が第１電圧（V１）を有し、第２画素電極２６５が第２電圧（V２）を有し、第１電圧（V１）と第２電圧（V２）との間に電圧差（△V）がある。
【００１８】
図４及び図５は、本実施形態における画素電極２６０及び２６５が異なる電圧を有するような設計を説明する。図４は、本実施形態における薄膜トランジスタ素子TFT１及びTFT２の一部拡大図である。図５は薄膜トランジスタ素子TFT１及びTFT２の作動状況を示す。図４において、第１ドレイン２４４が第１幅（W１）を、第１ドレイン２４４とソース２４２との間に第１距離（L１）を、第２ドレイン２４５が第２幅（W２）を、第２ドレイン２４５とソース２４２との間に第２距離（L２）を有して、関係式W１/L１≠W２/L２を満たすので、薄膜トランジスタ素子TFT１及びTFT２が異なるオン電流（ION）を有する。図５に示すように、ソース線２４０が駆動電圧Vsを提供する時、及びゲート２１５のオンタイム（gate turn on time）をｔON（例えば１０〜３０μsec）に設定すると、薄膜トランジスタ素子TFT１及びTFT２は異なるオン電流（ION）を有するので、充電後の画素電極２６０及び２６５との間に電圧差（△V）が生じる。
【００１９】
次に、図６に示すように、上記画素電極２６０と２６５及び絶縁層２５０上に配向膜２７０を形成する。まず、例えばカラーフィルタ６１０を備えるガラス基板を準備して、第１基板２００と対向する第２基板６００とする。このカラーフィルタ６１０の内側表面上に、例えば蒸着法により形成されたITO層若しくはIZO層である共通電極６２０を形成する。そして、もう一つの配向膜６３０を共通電極６２０上に形成する。
【００２０】
次に、TN型液晶分子６３５を第１基板２００及び第２基板６００との間に充填して、例えば厚さ２〜１０μmの、好ましくは５μmの液晶層６４０を形成する。
【００２１】
図６に示すとおり、第１画素電極２６０の電圧（V１）は第２画素電極２６５の電圧（V２）と異なるので、第１画素電極２６０及び第２画素電極２６５の上方にある液晶分子６３５が異なる配向を有して、階調反転現象（視野角特性）を改善する。
【００２２】
図７は、本発明による各種異なる電圧差（△V）条件のもとで、第１画素電極２６０の面積（A１）と、第１画素電極２６０と第２画素電極２６５の総面積（A１＋A２）との比率が、下視野角の階調反転角度に対する影響を示す。図７から分かるように、従来のTN-LCD（△V＝０）と比較すると、本発明のLCDは０＜電圧差(△V)＜０.６Vsの条件のもとでは、A１とA２が、０＜A１/（A１+A２）＜０.８、を満たす時に、その下視野角の階調反転の角度は従来の２０度より大きく、本発明により下視野角の階調反転を改善する効果を有することが証明された。一方、本発明のLCDは、電圧差（△V）＝０.６Vsの条件のもとでは、A１とA２は、０.４５＜A１/（A１+A２）＜０.８、を満たす時、下視野角の階調反転の角度も従来の２０度より大きく、本発明により下視野角の階調反転が改善された効果を有することが証明された。
【００２３】
ここで、本発明に係るLCDの設計例を説明するために例を挙げる。例えば、走査周波数が７５Hz及び解析度が１０２４＊７６８であるLCDを例にすると、図４及び図５に示すとおり、まず第１薄膜トランジスタ素子TFT１のW１/L１を３に定義し、第２薄膜トランジスタ素子TFT２のW２/L２を０.８８９と定義し、又ゲート２１５のオンタイムｔONを１０μsec、及びソース線２４０が提供する駆動電圧（Vs）を５Vに設定する。このようにしてTFT１と電気的接続する第１画素電極２６０の充電率CR１が９９.３６％まで、TFT２と電気的接続する第２画素電極２６５の充電率CR２が７６.７１％に達する。その計算過程は下記のとおりである。まず、LCDの駆動操作を、図８のようなRC回路と見なす。RONはTFTがオンである時の等価抵抗を表わし、CLCは液晶容量を表わし、CCSは蓄積容量を表わす。ゲートのオンタイムｔON後の画素電極の電圧VPは、
【数１】
2005338853.tif 000003
また、画素電極の充電率CRは、
【数２】
2005338853.tif 000004
また、TFTがオンであるときの等価抵抗は、
【数３】
2005338853.tif 000005
ここで、以下のパラメーターをもとに計算する。
１．液晶容量  CLC＝０.４２９８E-１２（F）
２．蓄積容量  CCS＝０.１８９６E-１２（F）
３．ソースとドレインの間の電圧差VSD＝１０（V）、ソースとドレインの間の極性反転電圧は±５（V）である。
４．電荷キャリアの移動度  μ＝０.３５E−４（ｍ２/V）
５．ゲート絶縁層の単位面積あたりの容量COX＝１.４９E-４（F/ｍ２）
６．ゲートは、TFTがオンである時の最高電圧  Vgh＝２２（V）
７．TFTの起動電圧  Vth＝２（V）
【００２４】
第１薄膜トランジスタ素子TFT１については、W/L=３であるので、Ron=３.２E６（Ω）となり、その充電率はCR１=９９.３６％である。
【００２５】
第２薄膜トランジスタ素子TFT２については、W/L=０.８８９であるので、Ron=１１.０８E６（Ω）となり、その充電率はCR２=７６.７１％である。
【００２６】
従って、第１画素電極２６０と第２画素電極２６５の間の電圧差は（ΔV）＝（CR１-CR２）＊Vs＝２２.６５％＊５＝１.１（V）となる。
【００２７】
図７から分かるように、電圧差が（ΔV）＝０.２Vsであるとき、その下視野角の階調反転角度は、全て２５度以上である。
【００２８】
（第２の実施形態）
図９は、本発明による第２実施形態のLCDにおける単一画素領域Pのアレイ基板の平面図である。第２実施形態と第１実施形態との差異は、第２実施形態では画素電極２６０、２６５の一部が、Cs線２１２に代わってゲート線２１０と重なることである。第２実施形態のその他の部分については、第１実施形態と類似するので、ここでは特に述べない。
【００２９】
以上、本発明の実施例を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来のTN-LCDにおける下視野角方向の視野角特性図で、階調反転角度が約２０度であるときを示す。
【図２】本発明による第１実施形態のLCDにおける単一画素領域Pのアレイ基板の平面図である。
【図３】図２における３-３線に沿った断面図である。
【図４】本発明による第１実施形態における薄膜トランジスタ素子TFT１及びTFT２の一部拡大図である。
【図５】本発明による第１実施形態における薄膜トランジスタ素子TFT１及びTFT２の作動状況を示す。
【図６】本発明による第１実施形態のLCDの部分構造断面図である。
【図７】本発明による各種異なる電圧差（ΔV）条件のもと、第１画素電極面積の比率の下視野角の階調反転角度に対する曲線グラフである。
【図８】本発明において各画素電極の電圧値を計算する際に採用したRC回路図である。
【図９】本発明による第２実施形態のLCDにおける単一画素領域Pのアレイ基板の平面図である。
【符号の説明】
【００３１】
２００  第１基板
２１０  ゲート線
２１０  蓄積容量線（Cs線）
２１５  ゲート
２２０  ゲート絶縁層
２３０  チャネル層
２４０  ソース線
２４２  ソース
２４４  第１ドレイン
２４４’第１延伸部
２４５  第２ドレイン
２４５’第２延伸部
２５０  絶縁層
２５１  第１通り孔
２５４  第２通り孔
２６０  第１画素電極
２６５  第２画素電極
２７０、６３０  配向膜
６００  第２基板
６１０  カラーフィルタ
P  画素領域
GS  階調反転現象が起きる箇所
【図１】
2005338853.tif 000006
【図２】
2005338853.tif 000007
【図３】
2005338853.tif 000008
【図４】
2005338853.tif 000009
【図５】
2005338853.tif 000010
【図６】
2005338853.tif 000011
【図７】
2005338853.tif 000012
【図８】
2005338853.tif 000013
【図９】
2005338853.tif 000014