JP2721214B2

JP2721214B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2721214B2
Application number: JP32815088A
Authority: JP
Inventors: 繁光水嶋; 英一郎西村; 隆治橋本
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 1988-12-26
Filing date: 1988-12-26
Publication date: 1998-03-04
Anticipated expiration: 2013-03-04
Also published as: JPH02171721A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は，マトリクス状に配設された多数の絵素電極
により，液晶層の各絵素を駆動するマトリクス型の液晶
表示装置に関する。

（従来の技術）アクティブマトリクス型の液晶表示装置では，絵素電
極基板と対向電極基板とにより液晶層が挟まれて，液晶
表示セルが構成される。絵素電極基板は。透明基板に，
マトリクス状に配設された多数の絵素電極を有し，各絵
素電極に所定の電圧を印加するTFT（薄膜トランジス
タ）,MIM（金属−絶縁層−金属）素子，トランジスタ，
ダイオード，バリスタ等の機能素子が各絵素電極に接続
されて，該透明基板上に配設されている。このような絵
素電極基板では，各絵素電極および各機能素子の機械的
損傷や化学的損傷を防止し，かつ，各絵素電極間に電流
がリークすることを防止するために，各機能素子および
各絵素電極を，絶縁性の保護膜にて，外部端子等と接続
される一部を除いて全面に被覆している。そして，該絶
縁保護膜上に，液晶層の液晶分子を配向させるために，
例えばポリイミド系樹脂を用いた配向膜が積層されてお
り，該配向膜にて絵素電極基板上に積層される液晶層の
液晶分子がツイスト配向される。液晶層を挟んで該絵素
電極基板と対向配設される対向電極基板には対向電極が
配設されている。

特開昭62−296123号公報には，絵素電極基板の絶縁保
護膜としてポリイミドを用い，各絵素電極上ではその一
部上にのみ該ポリイミドの絶縁保護膜を積層し，該絶縁
保護膜および絵素電極をポリイミドからなる液晶配向膜
にて覆った液晶表示装置が開示されている。この場合，
絶縁保護膜として用いられるポリイミドは，膜質が粗い
ためにピンホールが生じやすく，また透湿性も高いため
に電流がリークしやすいという欠点がある。このため，
このようなポリイミドを,TFT等の機能素子を保護するた
めの絶縁保護膜として使用する場合には,2μｍ以上の膜
厚が必要になる。上記公報では，ポリイミド絶縁保護膜
の膜厚は約2.5μｍとされている。液晶表示装置では，
液晶層は，通常,10μｍ程度の厚さとされるため，ポリ
イミド絶縁保護膜を絵素電極全面に被覆すれば，該絶縁
保護膜のインピーダンスは液晶の1/2〜1/3に相当し，電
圧ロスが著しく，液晶層に高電圧を印加しなければ，液
晶分子は配向変換されない。このように，ポリイミド絶
縁保護膜を絵素電極全面に被覆すれば，液晶層の駆動に
高電圧を必要とし,TFT等の機能素子の負荷，配線の負荷
が増大し，液晶表示装置はその寿命が著しく低減され
る。上記公報の液晶表示装置では，絵素電極上のポリイ
ミド絶縁保護膜を除去して，比較的低い電圧により液晶
層を駆動し得るようにしており，このような問題が解消
される。

（発明が解決しようとする課題）しかし，上記公報に開示された液晶表示装置出は，絵
素電極の一部に積層されるポリイミド絶縁保護膜の膜厚
を厚くしなければならず，そのために該保護絶縁膜のイ
ンピーダンスが大きくなり，液晶層を駆動するべく絵素
電極に電圧が印加されると，ポリイミド絶縁保護膜が積
層された絵素電極部分は，ポリイミド絶縁保護膜が積層
されていない他の部分よりも液晶層への印加電圧が低く
なり，一つの絵素電極にて駆動される絵素内にコントラ
ストムラが生じ，表示品位が著しく低下するという問題
がある。

また，液晶層の配向膜としてポリイミド系樹脂を用い
た場合には，絵素電極との間に内部分極が生じやすい。
この内部分極についての詳細なメカニズムについては不
明であるが，ポリイミド系樹脂が，という構成を有し，極性基を多数有しているため，ポリ
イミド系樹脂の配向膜は，その膜内または表面に極性分
子またはイオン等が特異吸着され，絵素電極との間に電
気二重層が形成されるために内部分極が発生すると考え
られる。このように，内部分極が生じると，液晶層に印
加される電圧に悪影響を及ぼす。具体的には，液晶層を
駆動するために，絵素電極と対向電極との間に印加され
る交流電圧に直流オフセット電圧が印加され，該交流電
圧を非平衡状態とする。このように，液晶層に印加され
る交流電圧に直流成分が重畳されてオフセット状態にな
ると，液晶層の表示には，フリッカーの発生，コントラ
ストの低下等が生じ，さらには，重畳される直流成分の
バラツキにより，コントラストムラが生じる等，表示品
位を著しく低下させる。このような内部分極の容量は，
ポリイミド系樹脂製の配向膜と絵素電極との間に絶縁保
護膜が介装されている場合には，その膜厚により影響を
受け，絶縁保護膜が厚くなるほど大きくなる。上記公報
に開示された液晶表示装置のように，絶縁保護膜として
ポリイミドを用いる場合には，その膜厚が２μｍ以上を
必要とし，絵素電極の一部に絶縁保護膜が積層された状
態であっても，内部分極の発生によるコントラストムラ
等の表示品位の低下を無視することができない。

また，各絵素電極に接続される機能素子としてTFTを
使用する場合には，ドレイン電圧に，ゲート・ドレイン
電極間容量によるゲート電圧がカップリングし，直流電
圧成分が重畳する。このように，ドレイン電圧に直流電
圧成分が重量される場合には，対向電極に印加される電
圧に直流電圧を印加して，対向電極の電圧波形をオフセ
ットすることにより，ドレイン電圧に重畳される直流電
圧成分を補償する方法が知られている。しかし，ドレイ
ン電圧に重畳される直流電圧成分は，ソース電圧のレベ
ルにより大きく変化することがよく知られており，実際
には，完全に補償することができない。完全に補償され
ない直流電圧成分は，液晶層に印加され，上述した内部
分極の容量を大きくし，内部分極の極性を緩和させるた
めに長時間を要する。その結果，画像信号として印加さ
れたソース電圧により生じる内部分極の強い極性は，所
定時間にわたってメモリーされることになるため，ソー
ス電圧（画像信号）の変化に追従させて液晶層を駆動す
ることができなくなり，該液晶層に残像となって表示さ
れる。TFTを機能素子として用いたアクティブマトリク
ス型液晶表示装置では残像が表示される原因の一つは，
この内部分極の発生にあることが判明した。

このように，絵素電極上に絶縁保護膜を介してポリイ
ミド系樹脂の配向膜を積層する場合には，内部分極の発
生により種々の問題が生じるが，配向膜としてSiO₂等の
無機材料やシランカップリング剤を用いる場合には，上
述のような問題はほとんど生じない。

ポリイミド系樹脂を配向膜として用いる場合には，絵
素電極上に積層される絶縁保護膜の影響により，上述し
た問題が生じるために，例えば，絶縁保護膜を配設しな
いことも考えられる。しかし，絶縁保護膜を取り除く
と，製造時の機械的および化学的損傷に対する耐性が劣
化し，例えば，配向膜として用いられるポリイミド系樹
脂をラビング配向処理する際に透明基板上の絵素電極等
の膜はがれが生じる。さらに，各絵素電極間のリーク電
流の増加，例えばTFTのオフ電流の増加等により表示ム
ラ等が生じて表示品位が低下すると共に，表示の信頼性
も低下する。

本発明は上記従来の問題を解決するものであり，その
目的は，ポリイミド系樹脂を配向膜として用いた場合に
生じる内部分極現象の影響を防止し得る液晶表示装置を
提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明の液晶表示装置は，液晶層と，該液晶層の各絵
素を駆動すべく基板上にマトリクス状に配設された多数
の絵素電極，および各絵素電極にそれぞれ電気的に接続
されて該基板上に配設された機能素子とを有する絵素電
極基板とを備えた液晶表示装置であって，ポリイミド系樹脂からなる配向膜が該絵素電極上に直
接積層される部分の面積が各絵素電極の面積の1/100以
上となるように，無機質窒化物または無機質酸化物から
なる絶縁保護膜が2000Åから5000Åの膜厚で各絵素電極
の一部に積層され，且つ該絶縁保護膜が積層されていな
い各絵素電極部分並びに該絶縁保護上を300Åから1000
Åの膜厚の該配向膜で覆った分極消失構造を有する絵素
電極基板を備えてなり，そのことにより上記目的が達成
される。

好ましくは，前記配向膜と前記絵素電極の周縁部との
間に前記絶縁保護膜を介装する構成とする。

（作用）上記の分極消失構造によれば，各絵素電極に所定電圧
が印加されても，絵素電極と配向膜とが直接積層される
部分に，イオン，極性分子等が集中するため，内部分極
の発生が抑制される。

また，無機質窒化物または無機質酸化物からなる絶縁
保護膜は，膜質が緻密でしかも高耐湿性および高誘電率
を有するための膜厚を薄くでき，この絶縁保護膜を介し
て各絵素電極の一部に積層される配向膜の部分において
も内部分極の発生が抑制される。

しかも，各絵素電極により液晶層の各絵素に印加され
る電圧は，絶縁保護膜が積層された部分と配向膜が直接
積層された他の部分とでもほとんど差がなく均一になっ
ているため，駆動される絵素にフリッカーが発生するお
それがなく，コントラストの低下やコントラストムラの
ない高品位な画像が得られる。

従って,TFTのオフ特性劣化による表示ムラ，内部分極
による表示品位の低下（ちらつき，コントラストムラ
等）配向乱れ及び残像が併せて解消されて，高品位な表
示が可能となる。

加えて，配向膜と絵素電極の周縁部との間に絶縁保護
膜を介装する構成とする場合には，製造時の機械的およ
び化学的損傷に対する耐性が向上する。このため，例え
ば，配向膜として用いられるポリイミド系樹脂をラビン
グ配向処理する際に透明基板上の絵素電極等の膜はがれ
が生じることがなくなる。

（実施例）以下に本発明を実施例について説明する。

本発明の液晶表示装置は，第１図に示すように，多数
のITO膜でなる絵素電極12が配設された絵素電極基板10
と，該絵素電極基板10とは液晶層30を介して対向配設さ
れた対向電極基板20とを有する。

絵素電極基板10は，透明基板11上に第２図に示すよう
に，チタンよりなる多数のソース配線13が相互に平行に
配線されており，また各ソース配線13とは相互に絶縁状
態で直交するようにタンタルよりなる多数のゲート配線
14が配線されている。そして，各ソース配線13および各
ゲート配線14とにより囲まれた領域内に，各絵素電極12
がそれぞれ収納されて，該透明基板11上に多数の絵素電
極が，マトリクス状にパターン化されて配置される。

各ゲート配線14における各ソース配線13との交差部近
傍には，機能素子としてのTFT15がそれぞれ設けられて
おり,TFT15と所定の絵素電極12とが電気的に接続されて
いる。

各TFT15および絵素電極12の具体的な構成は次のとお
りである。第１図に示すように，透明基板11上に配線さ
れたタンタル製のゲート配線14の一部にてゲート電極が
構成されており，該ゲート電極を構成する部分は，ゲー
ト絶縁膜を構成する酸化タンタル15aにて覆われてお
り，該酸化タンタル15aは，ゲート絶縁膜を構成するSiN
x（窒化シリコン）膜15bにより覆われている。該SiNx膜
15bは，酸化タンタル膜15aおよび各ゲート配線14間の透
明基板11表面全体を覆っている。

各ゲート電極に相当するゲート配線14部分は，酸化タ
ンタル膜15aおよびSiNx膜15bの２層にて構成されるゲー
ト絶縁膜を介してａ−Si膜15cにて覆われている。該ａ
−Si膜15cの各側部を除く中央部上には，保護膜15dが積
層されており，該保護膜15dの中央部を除く各側部に一
対のａ−Si（n⁺）膜15eおよび15eの一側部分がそれぞれ
積層されている。各ａ−Si（n⁺）膜15eは，保護膜15dが
積層された部分を除いてａ−Si膜15c上に積層されてい
る。

一方のａ−Si（n⁺）膜15e上には，ソース配線13から
延出したソース電極15fが積層されている。該ソース電
極15fは，ゲート絶縁膜のSiNx膜15bの上方に達してい
る。

他方のａ−Si（n⁺）膜15e上には，チタンで構成され
たドレイン電極15gが積層されている。該ドレイン電極1
5gはゲート絶縁膜を構成するSiNx膜15b上方に達してお
り，該SiNx膜15bの上方に積層されたドレイン電極15g上
に，絵素電極12の一部が積層されている。絵素電極12
は，ドレイン電極15g上に積層された部分を除いて,SiNx
膜15b上に積層されている。

各TFT15は，このような構成により，ソース配線13お
よびゲート配線14とは電気的に接続され，かつ，絵素電
極12とも電気的に接続されている。

透明基板11上に配線された各ゲート配線14,各ソース
配線13および各TFT15全体，および絵素電極12の一部
は，外部端子との接続部等の不要部を除いて，例えばSi
Nxでなる絶縁保護膜16にて覆われている。該絶縁保護膜
16は，例えば第２図に一点鎖線で示すように，絵素電極
12上ではその周縁部にのみ積層されて，該周縁部を覆っ
ている。そして，該絶縁保護膜16,および絶縁保護膜16
が積層されていない絵素電極12部分の全体にわたって，
ポリイミド（例えば日本合成ゴム（株）社製，商品名オ
プトマーAL）よりなる配向膜17が600Åの厚さに積層さ
れて，該配向膜17にて，絵素電極基板10全体が覆われて
いる。

このような構成の絵素電極基板10は，公知のプロセス
により，透明基板上に，ゲート配線14,ソース配線13,TF
T15および絵素電極12を形成した後に，例えばCVD法によ
り窒化シリコン（SiNx）を5000Åの厚さに形成して，こ
のSiNx膜を，フォトレジストを塗布してマスクを重ねて
露光（マスク露光）した後に，フッ酸エッチングし，絵
素電極12の周縁部以外の部分に積層されたSiNx膜および
外部端子との接続部等の不要部に積層されたSiNx膜を除
去して，絶縁保護膜16が形成される。その後に，該絶縁
保護膜16が積層された側の面全体にわたってポリイミド
系樹脂を積層して配向膜17が形成される。

該絵素電極基板10に対向配設される対向電極基板20
は，透明基板21上に，例えばゼラチン染色法により，光
三原色である赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の三
色の，カラーフィルターパターン22が各絵素電極12と対
向するように配設されている。そして，全カラーフィル
ターパターン22を覆うように，例えば膜厚600ÅのITO膜
をスパッタリングにより積層して形成された対向電極23
が設けられている。該対向電極23上にはポリイミドの配
向膜24が積層されている。

該配合膜24は，例えば，前述の配向膜17と同様のポリ
イミドを用いて，オフセット印刷によりパターニング形
成した後に,200℃の熱処理を１時間行い，さらに，ナイ
ロン織布によりラビングした後に，フロン系溶剤により
洗浄して得られる。

絵素電極基板10と対向電極基板20とは適当な間隔をあ
けて配設され，両基板間の周縁部がシールされて，その
間隙内に液晶が注入されることにより，液晶層30が構成
されている。

本実施例の液晶表示装置では，各ゲート配線14から入
力される走査信号および各ソース配線13から入力される
表示データ信号に基づき，各TFT15がオンされ，各絵素
電極12に所定電圧が印加される。これにより，所定電圧
が印加された各絵素電極12に対向する液晶層30部分（絵
素部分）が駆動される。

このとき，各絵素電極12は，周縁部を除いてポリイミ
ド系樹脂の配向膜17が直接積層されているため，所定電
圧が印加されても，内部分極の発生が抑制される。各絵
素電極12の周縁部は配向膜17との間に絶縁保護膜16が介
装されているが，該絶縁保護膜16は，膜質が緻密でしか
も高耐湿性および高誘電率を有するSiNx膜で構成されて
いるため，膜厚は,2000Å程度の薄さとされており，該
絶縁保護膜16に積層された配向膜17部分においても内部
分極の発生が抑制される。しかも，各絵素電極12により
液晶層30の各絵素に印加される電圧は，絶縁保護膜が積
層された部分とポリイミド配向膜17が直接積層された他
の部分とでもほとんど差がなく均一になっているため，
駆動される絵素にフリッカーが発生するおそれがなく，
コントラストの低下やコントラストムラのない高品位な
画像が得られる。

各絵素電極12上におけるポリイミド配向膜17が絶縁保
護膜を介装させることなく直接積層される面積は各絵素
電極12全体の面積の1/100以上であれば，内部分極の発
生を抑制できるが，大きければ大きいほど効果があり,1
/30以上で十分な効果が得られる。内部分極の発生を抑
制し得るのは，絵素電極12とポリイミド配向膜17とが直
接積層される部分に，イオン，極性分子等が集中するた
めと考えられる。

本実施例の液晶表示装置における内部分極の発生状態
を調べたところ，第３図に示す結果が得られた。内部分
極の測定は，所定の直流電圧を30分間印加して，フリッ
カー（ちらつき）の消去に必要な電圧を評価して行っ
た。なお，第３図に，各TFTおよび各絵素電極の全てにS
iNx製の絶縁保護膜を設けた場合の内部分極について測
定し，その結果を併記した。本実施例では，内部分極は
ほとんど発生しなかった。

なお，ポリイミド配向膜17の膜厚を300〜1000Å程
度，好ましくは,600〜800Åにすることにより，絶縁保
護膜16の厚さに基因する特性の変化にほとんど影響を与
えない。また，保護絶縁膜としては,SiNx等の無機質窒
化物に限らず,SiO₂,Ta₂O₅,Al₂O₃,Y₂O₃,TiO₂等の無機質
酸化物であってもよい。配向膜に使用されるポリイミド
系樹脂としては，イミド基を有する高分子樹脂全般につ
いて適用し得る。

第１図および第２図に示す本実施例の液晶表示装置の
TFTのオフ特性劣化による表示ムラ，内部分極による分
極表示品位低下（ちらつき，コントラストムラ等），お
よび残像について調べたところ，表１の実施例１に示す
結果が得られた。比較のために，第１図において，対向
電極基板20の対向電極22とポリイミド配向膜24との間
に，厚さ2000ÅのSiO₂絶縁保護膜を設けたもの（実施例
２），絵素電極基板に絶縁保護膜を全く設けず，かつ，
対向電極基板にも絶縁保護膜を設けないもの（比較例
１），絵素電極基板の絶縁保護膜を，各絵素電極の全面
に被覆すると共に，対向電極基板に絶縁保護膜を設けた
もの（比較例２），対向電極基板に絶縁保護膜を設けな
いこと以外比較例２とおなじもの（比較例３）について
も,TFTのオフ特性劣化による表示ムラ，内部分極による
表示品位の低下，および残像について調べた。結果を表
１に併記する。

このように，本発明の液晶表示装置は,TFTオフ特性劣
化による表示ムラ，内部分極表示品位の低下，および残
像がほとんど生じず，良好な表示が得られた。

なお，対向電極基板の対向電極とポリイミド配向膜と
の間に，絶縁保護膜を介装させない方が，より良好な表
示が得られる。また，絵素電極基盤の保護絶縁膜とし
て,SiO₂を用いた場合にも同様の結果が得られた。

（発明の効果）本発明の液晶表示装置は，上記の分極消失構造を有す
るので，各絵素電極に所定電圧が印加されても，絵素電
極と配向膜とが直接積層される部分に，イオン，極性分
子等が集中するため，内部分極の発生を抑制することが
できる。

また，無機質窒化物または無機質酸化物からなる絶縁
保護膜は，膜質が緻密でしかも高耐湿性および高誘電率
を有するため膜厚を薄くでき，この絶縁保護膜を介して
各絵素電極の一部に積層される配向膜の部分においても
内部分極の発生を抑制することができる。

しかも，各絵素電極により液晶層の各絵素に印加され
る電圧を，絶縁保護膜が積層された部分と配向膜が直接
積層された他の部分とでもほとんど差がなく均一にでき
るため，駆動される絵素にフリッカーが発生するおそれ
がなく，コントラストの低下やコントラストムラのない
高品位な画像を得ることができる。

従って,TFTのオフ特性劣化による表示ムラ，内部分極
による表示品位の低下（ちらつき，コントラストムラ
等），配向乱れ及び残像が併せて解消されて，高品位な
表示が可能となる。

加えて，配向膜と絵素電極の周縁部との間に絶縁保護
膜を介装する構成とする場合には，製造時の機械的およ
び化学的損傷に対する耐性を向上することができる。そ
の結果，例えば，配向膜として用いられるポリイミド系
樹脂をラビング配向処理する際に透明基板上の絵素電極
等の膜はがれが生じることがなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の絵素電極基板を有する液晶表示装置の
一例を示す断面図，第２図はその絵素電極基板の平面
図，第３図は絵素電極に直流電圧を印加した場合に発生
する内部分極について示すグラフである。 10……絵素電極基板,11……透明基板,12……絵素電極,1
3……ソース配線,14……ゲート配線,15……TFT,16……
絶縁保護膜,17……配向膜,20……対向電極基板,21……
透明基板,22……カラーフィルターパターン,23……対向
電極,24……配向膜,30……液晶。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−296123（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−32234（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−206922（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】液晶層と，該液晶層の各絵素を駆動すべく
基板上にマトリクス状に配設された多数の絵素電極，お
よび各絵素電極にそれぞれ電気的に接続されて該基板上
に配設された機能素子とを有する絵素電極基板とを備え
た液晶表示装置であって，ポリイミド系樹脂からなる配向膜が該絵素電極上に直接
積層される部分の面積が各絵素電極の面積の1/100以上
となるように，無機質窒化物または無機質酸化物からな
る絶縁保護膜が2000Åから5000Åの膜厚で各絵素電極の
一部に積層され，且つ該絶縁保護膜が積層されていない
各絵素電極部分並びに該絶縁保護膜上を300Åから1000
Åの膜厚の該配向膜で覆った分極消失構造を有する絵素
電極基板を備えた液晶表示装置。
【請求項２】前記配向膜と前記絵素電極の周縁部との間
に前記絶縁保護膜を介装する構成とした請求項１記載の
液晶表示装置。