(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上に形成され液晶駆動用の画素容量の一方を構成する複数の画素電極、該各画素電極に接続する複数の薄膜トランジスタ、層間絶縁膜を挟んで前記薄膜トランジスタを覆う遮光層、及び、前記第１の基板の液晶層を挟んだ対向位置に固定された第２の基板上に全面的に形成され前記各画素電極により規格されて前記各画素容量の他方を構成する共通電極が設けられた液晶表示装置の駆動方法において、
前記共通電極は、交流反転駆動され、
前記薄膜トランジスタのドレイン電圧の正負反転は、前記共通電極の正負反転と逆になっており、
前記遮光層は、前記共通電極の電圧をレベルシフトさせた電圧が印加され、前記薄膜トランジスタのドレイン電極及びソース電極に対する前記遮光層の電圧が、前記薄膜トランジスタの閾値以下となる電圧に設定されていることを特徴とする液晶表示装置の駆動方法。
【請求項２】
前記遮光層は、前記画素容量の領域間の全域に形成されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ブラックマトリクスを薄膜トランジスタのアレイ基板側に形成して開口率を向上した液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は小型、薄型、低消費電力などの利点があり、ＯＡ機器、ＡＶ機器などの分野で実用化が進んでいる。特に、スイッチング素子として、薄膜電界効果型トランジスタ（以下、ＴＦＴと略す）を用い、線順次走査駆動を可能としたアクティブマトリクス型は、原理的にデューティ比１００％のスタティック駆動をマルチプレクス的に行うことができ、大画面、高コントラスト比の動画表示が可能となる。
【０００３】
アクティブマトリクス型液晶表示装置は、液晶駆動用の画素電極がマトリクス状に配置形成され、更に各画素電極にＴＦＴが接続形成されてなるアレイ基板と、共通電極が全面的に形成された対向基板が、液晶を挟んで貼り合わせされて構成されている。画素電極と共通電極の対向部分は、液晶を誘電層とした画素容量となっている。共通電極は所定の電圧に設定され、各画素電極はＴＦＴのＯＮ中に選択された信号電圧が印加されて、各画素容量が駆動される。画素容量に印加された電圧は、次フィールドでの書き換えまでの間、ＴＦＴのＯＦＦ抵抗により保持される。液晶は、このように各画素容量に形成された電界により配向状態が微調整されて、光が変調され、これらの合成光を巨視的に視認することにより、表示画像として観察される。
【０００４】
このような液晶表示装置の構造を図３及び図４を用いて説明する。図３は単位画素部分の平面図であり、図４は図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。ガラスなどの基板（１０）上に、Ｃｒなどからなるゲートライン（１１Ｌ）及び補助容量電極（１２）が形成され、ゲートライン（１１Ｌ）の一部はＴＦＴのゲート電極（１１Ｇ）として突出されている。ゲートライン（１１Ｌ）及び補助容量電極（１２）を覆う全面にはＳｉＮXなどのゲート絶縁層（１３）が被覆されている。ゲート絶縁層（１３）上の、ゲート電極（１１Ｇ）に対応する位置には、ＴＦＴのチャンネル層であるａ−Ｓｉ層（１４）、ＳｉＮXなどのエッチングストッパー（１５）、及び、オーミックコンタクトを取るためにソース及びドレイン領域に介在されたＮ+ａ−Ｓｉ層（１６Ｓ，１６Ｄ）が形成されている。一方、ゲート絶縁層（１３）上にはまた、インジウムとスズの酸化物合金（ＩＴＯ：indium tin oxide）からなる画素電極（１７）が形成されている。 更に、ゲート絶縁層（１３）には、Ａｌなどによりソース電極（１８）、ドレイン電極（１９Ｄ）及びドレインライン（１９Ｌ）が形成されている。ソース電極（１８）は画素電極（１７）とＮ+ａ−Ｓｉ層（１６Ｓ）を接続し、ドレイン電極（１９Ｄ）はドレンライン（１９Ｌ）と一体でＮ+ａ−Ｓｉ層（１６Ｄ）へ接続されている。画素電極（１７）と補助容量電極（１２）の重畳部は電荷保持用の補助容量を成し、ゲートライン（１１Ｌ）とドレインライン（１９Ｌ）は、画素電極（１７）の周辺領域に位置し、交差して配置されている。更に、これらを覆う全面には、ＳｉＮXが被覆されて層間絶縁層（２０）を成し、層間絶縁層（２０）上には、Ｃｒなどの遮光層（２１）が形成されて、画素電極（１７）間の全域を被覆し、ブラックマトリクス（ＢＭ）となっている。
【０００５】
更に、このような構造のＴＦＴアレイ基板の上方には、液晶層（３２）を介して、基板（３０）上に、ＩＴＯの共通電極（３１）が形成されてなる対向基板が配され、共通電極（３１）及び液晶層（３２）が画素電極（１７）により規格されて画素容量を構成し、液晶表示装置に完成される。
以上は、ＢＭをＴＦＴアレイ基板側に形成したＢＭオンＴＦＴアレイ基板構造であり、高コントラスト比と高開口率を実現したものである。即ち、画素容量の領域外の未変調光を遮断するＢＭをＴＦＴアレイ基板側に形成することにより、ＢＭを対向基板側に形成した場合の貼り合わせずれを考慮した５〜１０μｍのマージンを無くし、画素電極（１７）と遮光層（２１）のアライメント時の位置ずれを考慮した２〜３μｍのマージンをもってＢＭを形成し、これらの有効表示領域の得失の結果、開口率が向上されている。
【０００６】
図５は、従来の液晶表示装置の駆動方法を示す波形図である。ＶｇＬとＶｇＨはゲート電圧、Ｖｄはドレイン電圧、Ｖｓはソース電圧、Ｖｃｏｍは共通電極電圧及び補助容量電極電圧である。ゲート電圧がＶｇＨに立ち上がると、ＴＦＴはＯＮになり、ソース電圧（Ｖｓ）がドレイン電圧（Ｖｄ）と同じレベルになる。そして、ゲート電圧がＶｇＬに立ち下がると、ＴＦＴはＯＦＦになり、保持状態に入るが、ゲート・ソース間の寄生容量部でソース電圧（Ｖｓ）がゲート電圧（Ｖｇ）の立ち下がりの影響を受けて、ΔＶｓだけ下へシフトする。このため、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）は、その中心レベル（Ｖｃ）をドレイン電圧（Ｖｄ）の正負反転の中心レベルよりも、ΔＶｓだけ下へシフトさせている。ここで挙げたライン反転駆動では、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）は一走査期間毎に正負が反転し、ゲート電圧がＶｇＬの期間中は保持期間となり、ソース電圧（Ｖｓ）は、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）の反転に従って振られ、画素容量へ印加された保持電圧（Ｖｌｃ）が一定に保つようにされる。ドレイン電圧（Ｖｄ）の正負反転は、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）の正負反転と一走査期間毎に逆になっているとともに、ドレイン電圧（Ｖｄ）と共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）の正負関係は、フィールド毎に逆転し、液晶層（３２）へ印加される電界もフィールド毎に正負が反転され、液晶の劣化が防止されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す如く、遮光層（２１）は、ブラックマトリクスとして表示画面領域の全域に、層間絶縁層（２０）を介して全てのＴＦＴ及びドレンライン（１９Ｌ）に共通に重畳されている。遮光層（２１）はフローティング状態にあるので、ドレインライン（１９Ｌ）との寄生容量によりドレイン信号電圧の正負反転の影響を受けて、遮光層（２１）の電圧（Ｖｂｍ）は平均的に０［Ｖ］の状態に固定されている。このため、図５で示したフィールドの共通電極（Ｖｃｏｍ）が負となる期間（Ａ１，Ａ２，・・・）では、ソース電圧（Ｖｓ）が大きく下がり、遮光層（２１）とソース電極（１９Ｄ）間の電圧（Ｖｂｓ）がＴＦＴの閾値を越え、リーク電流が生じる。即ち、遮光層（２１）をゲートとした寄生ＴＦＴが導通する。このため、画素容量の電圧保持率が低下し、期間（Ａ１，Ａ２，・・・）の度に、ソース電圧（Ｖｓ）がドレイン電圧（Ｖｄ）のレベルへ向かって変化するため、画素容量の保持電圧（Ｖｌｃ）が減少し、コントラスト比が低下する問題を招いていた。
【０００８】
また、図５とドレイン電圧（Ｖｄ）の正負が逆のフィールドでも、ドレイン電圧（Ｖｄ）の負レベルが大きくなると、遮光層（２１）とドレイン電極（１９Ｄ）間の電圧（Ｖｂｄ）が閾値を越え、やはり、ＴＦＴのリークを招く。
このような、リーク電流の生じ得る期間は、全期間の１／２に当るため、表示画像によっては、ソース電圧（Ｖｓ）の変化が起こって、電圧保持率が下がり、コントラスト比の低下が顕著になっていた。特に、表示画面の中央部分では、光源や周囲光からａ−Ｓｉ層（１４）に光が回り込み、ＴＦＴの抵抗が下がるため、いよいよリーク電流が生じやすくなっており、黒、あるいは、白が十分に得られず灰色になる、いわゆる光抜けが生じ、表示品位を悪化させていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１に、第１の基板上に形成され液晶駆動用の画素容量の一方を構成する複数の画素電極、該各画素電極に接続する複数の薄膜トランジスタ、層間絶縁層を挟んで前期薄膜トランジスタを覆う遮光層、及び、前記第１の基板の液晶層を挟んだ対向位置に固定された第２の基板上に全面的に形成され前記各画素電極により規格されて前記各画素容量の他方を構成する共通電極が設けられた液晶表示装置の駆動方法において、前記共通電極は、交流反転駆動され、前記薄膜トランジスタのドレイン電圧の正負反転は、前記共通電極の正負反転と逆になっており、
前記遮光層は、前記共通電極の電圧をレベルシフトさせた電圧が印加され、前記薄膜トランジスタのドレイン電極及びソース電極に対する前記遮光層の電圧が、前記薄膜トランジスタの閾値以下となる電圧に設定されている構成とした。
【００１０】
第２に、前記遮光層は、前記画素容量の領域間の全域に形成されている構成と
した。
【００１１】
【作用】
前記第１の構成で、薄膜トランジスタを被覆する遮光層に、ドレイン電極及びソース電極に対する電圧差が薄膜トランジスタの閾値以下となるように電圧を印加することにより、遮光層の電界効果による薄膜トランジスタのリーク電流が抑えられ、画素容量の電圧保持率の低下が防がれる。
【００１２】
前記第２の構成で、画素容量間の全域を被覆する遮光層に、ドレイン電極及びソース電極に対する電圧差が薄膜トランジスタの閾値以下となるように電圧を印加することにより、全ての画素容量に関して、遮光層の電界効果による薄膜トランジスタのリーク電流が抑えられ、電圧保持率の低下が防がれる。
前記第３の構成で、共通電極信号をレベルシフトさせて、薄膜トランジスタの閾値よりも低くした電圧を遮光層に印加することにより、薄膜トランジスタのリーク電流が防がれるとともに、コストの増大も低く抑えられる。
【００１３】
【実施例】
続いて、本発明の実施例を説明する。図１は、図３及び図４で示した構造の液晶表示装置において、各電極に印加するべき電圧、及び、各電極の電気的振舞を示した波形図である。図３で用いたと同様、ＶｇＬとＶｇＨはゲート電圧、Ｖｄはドレイン電圧、Ｖｓはソース電圧、Ｖｃｏｍは共通電極電圧及び補助容量電極電圧である。Ｖｂｍは遮光層へ印加する電圧であり、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）からレベルシフトさせた電圧で、Ｈレベル時においても、ＴＦＴの閾値を超えないように設定している。
【００１４】
回路的には、共通電極信号の一部を周知のレベルシフト回路へ入力し、その出力を遮光層（２１）へ印加する構成とする。
ゲート電圧がＶｇＨ期間中、ＴＦＴはＯＮになり、ソース電圧（Ｖｓ）がドレイン電圧（Ｖｄ）と同じレベルにされる。その後、ゲート電圧がＶｇＬに立ち下がると、ＴＦＴはＯＦＦになり、保持状態に入るが、ゲート・ソース間の寄生容量部でソース電圧（Ｖｓ）がゲート電圧（Ｖｇ）の立ち下がりの影響を受けて、ΔＶｓだけ下へシフトする。このため、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）は、その中心レベル（Ｖｃ）をドレイン電圧（Ｖｄ）の正負反転の中心レベルよりも、ΔＶｓだけ下へシフトさせている。ここで挙げたライン反転駆動では、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）は一走査期間毎に正負が反転し、ゲート電圧ＶｇＬ期間中は保持期間となり、ソース電圧（Ｖｓ）は、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）の反転に従って上下に振られ、画素容量の保持電圧（Ｖｌｃ）を一定に保っている。ドレイン電圧（Ｖｄ）の正負反転は、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）の正負反転と一走査期間毎に逆になっているとともに、ドレイン電圧（Ｖｄ）と共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）の正負関係は、フィールド毎に逆転し、液晶層（３０）へ印加される電界もフィールド毎に正負が反転され、液晶の劣化が防止されている。
【００１５】
本発明では、遮光層の電圧（Ｖｂｍ）は、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）より一定幅引き下げられたレベルに設定されており、ソース電圧（Ｖｓ）との電圧差Ｖｂｓ、及び、ドレイン電圧（Ｖｄ）との電圧差Ｖｂｄが最大でもＴＦＴの閾値以下となる構成で、寄生ＴＦＴの導通を抑えている。
本実施例では特に、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）を、その中心レベルをゲートＬ電圧（ＶｇＬ）と同じレベルになるようにレベルシフトを施して遮光層（２１）へ印加する構成とすることにより、全期間において、ソース及びドレイン電極に対する遮光層（２１）の電圧差をＴＦＴの閾値以下としている。これにより、遮光層（２１）をゲートとした電界効果によりＴＦＴのＯＦＦ抵抗が低下することがなくなり、リーク電流によるソース電圧（Ｖｓ）の変化が防がれ、保持電圧（Ｖｌｃ）の減少が抑えられ、結果的に電圧保持率が向上される。
【００１６】
図２に、このように構成された液晶表示装置の電圧と透過光強度の関係を調べた実験結果を示す。（ａ）は本発明の液晶表示装置について行った実験結果を示した特性図であり、（ｂ）は比較例として従来通りの駆動を行った液晶表示装置についての特性図である。実験では、ライン反転駆動において、遮光層（２１）の電圧（Ｖｂｍ）を、それぞれ、フローティング、及び、共通電極電圧（Ｖｃｏｍ）からのレベルシフト信号に設定し、ドレイン電圧（Ｖｄ）の振幅を実用範囲内の最大幅１０［Ｖ］にした状態で、ゲート電圧（Ｖｇ）の振幅を１５［Ｖ］に保ったまま、ゲートＬ電圧（ＶｇＬ）をＶ＝−２５［Ｖ］から０［Ｖ］まで変化させた時の透過光強度（Ｔ）を調べグラフを作成した。ここで、白点で示したグラフは初期状態の装置についての実験結果であり、黒点で示したグラフは４００万ｌｘ、６０℃の条件で３０分間の負荷を加えて、信頼性を調べた実験結果である。なお、透過光強度（Ｔ）の値は変化分率に基づいて任意に設定している。また、実験は、ノーマリ・ホワイト・モードで行い、特に、ＴＦＴのＯＦＦ特性を透過光強度（Ｔ）により査定することを目的とした。
【００１７】
（ａ）のグラフより、電圧（Ｖ）が−７［Ｖ］の時、透過光強度（Ｔ）が急激に変化しており、ここから閾値（Ｖth）が存在し始めるのがわかる。即ち、ドレイン電圧（Ｖｄ）のレベルによっては、遮光層とドレイン電極間電圧（Ｖｂｄ）、あるいは、遮光層とソース電極間電圧（Ｖｂｓ）が閾値を越え、リーク電流が生じて透過光強度（Ｔ）が変化し、特性が不安定になっている。一方、閾値（Ｖth）以下の域では、透過光強度（Ｔ）は十分に低いレベルで一定に保たれており、特性が非常に安定している。これより、ゲートＬ電圧（ＶｇＬ）を、この閾値（Ｖth）以下に設定することにより、ＴＦＴのＯＦＦ抵抗が十分に高まり、ソース電圧（Ｖｓ）が一定レベルに保たれ、高い電圧保持率が得られることが判る。また、信頼性試験後にも特性の変化はほとんど見られない。
【００１８】
これに対して（ｂ）では、透過光強度（Ｔ）の変化が緩やかで、全体的に電圧（Ｖ）の変化に伴って透過光強度（Ｔ）も変化しているとともに、十分に低いレベルが得られていない。即ち、遮光層（２１）の電界効果によるＴＦＴのリークのため電圧保持率が低下するので、透過光強度（Ｔ）を十分に低く、かつ、一定に保つことができなくなっている。またこの場合、最大のコントラスト比を得るには、ゲートＬ電圧（ＶｇＬ）を−２５［Ｖ］以下にとる必要があり、全体として、ゲート電圧（Ｖｇ）の振幅が大きくなるので、消費電力の増大、あるいは、ドライバー素子の耐久性などにも問題がでてくる。また、信頼性試験によっても、特性が大きく変化している。即ち、光照射あるいは高温状態下でＴＦＴのリーク電流が更に増大するため、電圧保持率が低下し、十分に低いレベルを維持できていないことが判る。
【００１９】
本発明では、遮光層の電界効果を無くして、ＴＦＴのリーク電流を抑えて電圧保持率を向上したことにより、（ａ）に示したように、閾値（Ｖth）以下の域において透過光強度（Ｔ）が安定する特性が得られるとともに、信頼性が向上された。即ち、ＴＦＴのＯＦＦ時の透過光強度（Ｔ）を一定に、かつ、高い信頼性をもって保つことができた。また、閾値（Ｖth）での透過光強度（Ｔ）の変化が急峻であるため、ゲートＬ電圧を、閾値（Ｖth）を越えない高めの値に設定することができる。このため、ゲートＬ電圧に要されるＯＮ／ＯＦＦ電圧比が小さくなり、ゲート信号振幅を小さく設定することにより、消費電力の低減、ドライバー素子の劣化防止がなされる。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな如く、ソース電極及びドレイン電極に対する遮光層の電圧がＴＦＴの閾値以下となるように、遮光層の信号電圧を設定することにより、遮光層をゲートとしたＴＦＴの導通を抑え、電圧保持率を向上するとともに、高い信頼性を得ることができた。また、急峻な閾値特性を持った電圧−透過光強度特性が得られるので、ゲート電圧のＯＮ／ＯＦＦ電圧比が小さく抑えられ、ゲート信号振幅を小さくして消費電力を低下することができる。また、これにより、駆動部素子の特性劣化が防がれ、寿命が延長された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る液晶表示装置の電気的振舞を示した波形図である。
【図２】本発明及び従来の液晶表示装置の特性を比較した電圧−透過光強度の特性曲線である。
【図３】液晶表示装置の単位画素部分の平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図５】従来の液晶表示装置の電気的振舞を示した波形図である。
【符号の説明】
１０，３０  基板
１１  ゲート電極配線
１２  補助容量電極
１３  層間絶縁層
１４  ａ−Ｓｉ
１５  エッチングストッパー
１６  Ｎ+ａ−Ｓｉ
１７  画素電極
１８  ソース電極
１９  ドレイン電極配線
２０  層間絶縁層
２１  遮光層
３１  共通電極
３２  液晶層
Ｖｇ  ゲート電圧
Ｖｄ  ドレイン電圧
Ｖｓ  ソース電圧
Ｖｃｏｍ  共通電極電圧
Ｖｂｍ  遮光層電圧
Ｖｂｄ  遮光層・ドレイン電極間電圧
Ｖｂｓ  遮光層・ソース電極間電圧
Ｖｌｃ  保持電圧
【図１】
0003825486.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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