JP2008305154A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯電話等で、複雑な操作を経ること無しに、特定の機能を容易に選択できるようにする。
【解決手段】ＴＦＴ基板１０とカラーフィルタ基板２０の間に液晶３０が挟持されている。ＴＦＴ基板１０の有効画面の周辺に特定機能を選択するためのフォトセンサ１３０を配置する。フォトセンサ１３０に対応する部分のカラーフィルタ基板に窓２４を設けておき、この窓を指で触れることにより、外光を遮断し、この信号を特定機能選択のための信号として使用する。フォトセンサ１３０に隣接して補正用センサ１３３を設置することによって温度分布、迷光等によるノイズを除去し、フォトセンサの誤動作を防止する。
【選択図】図８

Description

本発明は表示装置に係り、特に有効画面の外側にフォトセンサを配置し、このフォトセンサによって表示機能を選択する手段を有する装置に関する。

液晶表示装置等、平面ディスプレイは携帯電話等に多用されている。特に携帯電話は、近年、機能が増え、ある操作を行う場合、機能によっては、メニュー選択画面より、所望の機能にたどりつくまで多くの選択を行う必要がある。このような設定は操作に慣れていないと対応が困難で、せっかくの機能を生かすことが出来ない。

一方、特に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いた液晶表示パネルにセンサ素子を作りこんで入力手段として用いる発明も存在する。このような発明を開示したものとして「特許文献１」が上げられる。

また、「特許文献２」には、バックライトからの光と外光との双方を同時に利用して表示を行う液晶表示装置において、外光の強度を感知するための光センサを設置し、遮光層の開口部とセンサの位置をずらすことによって外光の強度を適正に検出する構成が記載されている。しかし、「特許文献２」に記載された技術は光センサを特定の機能を選択するためのセンサとして使用するものではない。

特開平７−２６１９３２号公報 特開２０００−１３１１３７号公報

画面が大きければ、頻繁に使用する特定機能に対しては、例えば、画面上下にアイコンを配置する等によって必要機能を取り出すことは出来る。しかし、携帯電話等では画面が小さいために、多くのアイコンを配置することは困難である。また、マウスを持ち歩くことも出来ず、マウスの代わりの、指をスライドさせることによってポインタを移動させる機能も場所をとり、携帯電話等では現実的ではない。

「特許文献１」に記載された技術は液晶表示パネルを情報処理装置の主入力手段として使用するものであり、指入力とペン入力の双方を可能にする技術である。しかし、このような入力方法は携帯電話のような小画面のディスプレイに対して適用することは困難である。また、常時入力用のペンを持ち歩くことも面倒である。

本発明は表示装置の有効画面外にフォトセンサを配置し、このフォトサンサに対応する基板（通常はガラス）に触れることによって特定の機能を選択することが出来るようにしたものである。すなわち、フォトセンサをタッチセンサとして使用して、必要機能を選択するものである。このフォトセンサは複数配置することができ、したがって、複数の機能を選択することができる。
一方フォトセンサによる電流は、温度の影響や迷光の影響によって変動しやすい。本発明はこのような変動をも対策する手段を与えるものである。主な手段は次のとおりである。

本発明の第１の手段による構成は、有効画面内には画素がマトリクス状に配置された基板を有し、各画素に加わる画像信号は各画素に対応する薄膜トランジスタによって制御される表示装置であって、前記基板には前記有効画面の外側に薄膜トランジスタによるフォトセンサが配置され、前記フォトセンサは外光を遮断することによって信号を発生し、前記フォトセンサからの信号は前記表示装置に対して特定の機能を行なわせ、前記フォトセンサの近傍には薄膜トランジスタによる補正センサが形成されていることを特徴とする表示装置である。

本発明の第２の手段による構成は、有効画面内には画素がマトリクス状に配置された基板を有し、各画素に加わる画像信号は各画素に対応する薄膜トランジスタによって制御される表示装置であって、前記基板には前記有効画面の外側に薄膜トランジスタによるフォトセンサが配置され、前記フォトセンサは外光を遮断することによって信号を発生し、前記フォトセンサからの信号は前記表示装置に対して特定の機能を行なわせ、前記フォトセンサの近傍には薄膜トランジスタによる補正センサが形成され、前記フォトセンサ用薄膜トランジスタはドレイン部を除いては外光に対する遮光層に覆われており、前記補正センサ用薄膜トランジスタは外光に対する遮光層に覆われていることを特徴とする表示装置である。

本発明による以上のような手段は液晶表示装置、あるいは有機ＥＬ素子装置のように、薄膜トランジスタを画素にたいするスイッチング素子をとして使用する表示装置に適用することが出来る。

本発明によれば、特定の機能は有効面外に設置された特定のフォトセンサに対応する基板に触れることによって、選択できるので、操作が容易になる。したがって、携帯電話等に操作に慣れない人にとっても必要機能を使用することができるという優れた効果を有する。

また、フォトセンサの近傍に補正センサを設けたので、フォトセンサのバックライトからの迷光による誤動作、あるいは熱分布の影響による誤動作を防止することがきる。本発明の他の形態では、フォトセンサを構成する薄膜トランジスタをドレイン部を除いて外光から遮蔽したので、外部環境からの光ノイズを軽減することが出来るとともに、薄膜トランジスタを構成する金属電極からの反射を防止して、表示装置の外観が損なわれることを防止することが出来る。

図１は本発明の概略を表示した概念図である。表示装置１としては、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置等、特に限定するものではない。表示パネル内には画像を表示する有効画面部２があり、有効画面部２の外側にフォトセンサ３が存在する。

図１においては、フォトセンサ３は有効画面の縦、横に沿って複数存在している。このフォトセンサ３は人の指が触れることによって出力が変化し、その信号を検出する、いわゆるタッチセンサとして機能する。各フォトセンサ３に対応して情報処理装置の機能が対応している。すなわち、フォトセンサ部３に触れることによって、必要機能を選択する。

フォトセンサ３からの出力はパラレル／シリアル（Ｐ／Ｓ）変換回路４を介して信号処理部５に送られ、信号処理部５で、どの機能が選択されたかを判断する。そして、選択された機能が有効画面に表示される。

図２は本発明を液晶表示装置に適用した例である。図３は図２のＡ−Ａ断面を示す液晶表示装置の断面模式図である。液晶表示装置は、液晶表示パネルとバックライト５０とから成る。液晶表示パネルは画素を制御するＴＦＴ、画素電極等が形成されたＴＦＴ基板１０と、カラーフィルタ等が形成されたカラーフィルタ基板２０と、その間に挟持された液晶３０とから成る。液晶３０は封止部材３１によってＴＦＴ基板１０とカラーフィルタ基板２０との間に封止される。

バックライト５０はＬＥＤ等の光源と、光を液晶表示パネルの方向に集める種々の光学シートから成る。バックライト５０からの光を液晶３０によって制御することによって、画像を形成する。

液晶表示パネルによってバックライト５０からの光を制御するためには、液晶表示パネルに入射する光は偏光されている必要がある。バックライト５０からの光を偏光光に変えるのがＴＦＴ基板１０の下に貼り付けられた下偏光板１６である。下偏光板１６によって偏光された光の偏光面は液晶表示パネルの液晶３０によって回転し、カラーフィルタ基板２０にはりつけられた上偏光板２６によって検光される。このようにして、制御された光は上偏光板２６から出射して人間の目に視認される。

液晶３０によって光を制御するためには、液晶３０に電界を加える必要がある。画像信号によって、各画素において、液晶３０にどの程度の電界を印加するかが決定される。この画像信号を画素に伝えるスイッチングの役割をするのがＴＦＴ基板１０に形成されたＴＦＴ１２０である。液晶３０を通過した光はカラーフィルタ基板２０に形成された赤フィルタ２７、緑フィルタ２８、青フィルタ２９等のカラーフィルタを通過することによって、カラー画像が形成される。各カラーフィルタの間はコントラストを向上させるためにブラックマトリクス（ＢＭ２３）が形成される。

図２において、有効画面の外側にはセンサ部３が形成されている。各センサからの出力はＰ／Ｓ変換回路４を介して信号処理部５であるＩＣチップ５００に転送され、どのセンサ部から信号が生じたかが判断され、そのセンサ部に対応する機能が有効画面に表示される。

ＴＦＴ等をポリシリコン等で形成すれば、図２における光センサ部、Ｐ／Ｓ変換回路４は有効画面の画素用ＴＦＴ等を形成するときに、同時に形成することができる。そして、Ｐ／Ｓ変換回路４を通過したセンサからの信号はより集積度を高くすることが出来るＩＣチップ内に形成された回路で情報処理される。

センサ部の光センサは図３に示すように、ＴＦＴの有効画面外に形成されたＴＦＴによって構成される。光センサ用ＴＦＴ１３０は画素ＴＦＴあるいは周辺駆動回路のＴＦＴと同じプロセスで形成される。しかし、光センサ用ＴＦＴ１３０ではゲートとドレインが接続され、１種のダイオードとなり、この場合はフォトダイオードとして動作する。

光センサ用ＴＦＴ１３０で発生する光電流は、温度およびバックライト等からの迷光によって影響を受ける。すなわち、温度あるいは迷光の影響によって誤動作を起こすことがある。温度あるいは迷光の影響を防止するために、本発明では補正センサを光センサ近傍に設置する。補正センサは光センサと同一のＴＦＴで形成するが、補正センサには外光が入射しないように構成する。そして、光センサからの電流と補正センサからの電流との差を検出することによって外光の量を正確に検出することが出来る。

図２に示すセンサ部３には光センサ用ＴＦＴ１３０あるいは補正センサ用ＴＦＴ１３３は１個のみでなく、複数個形成される。光センサ用ＴＦＴ１３０のピッチはタッチ領域である窓２４に比べて非常に小さく、この領域に多くの光センサ用ＴＦＴ１３０を形成することは容易である。補正センサ用ＴＦＴ１３３も同様である。また、複数の光センサ用ＴＦＴ１３０を用いれば、センサとしての感度を上げることができる。

光センサ用ＴＦＴ１３０は、ＴＦＴ基板１０上に、画素部ＴＦＴ１２０あるいは駆動回路用ＴＦＴと同じプロセスで形成される。本発明においては、通常の状態においては、光センサ用ＴＦＴ１３０に光が当たっている状態である。そして、人間が指を触れると光が遮断され、信号が認識されることになる。

カラーフィルタ基板２０の有効面外は光を遮光する上遮光層２２が形成され、光センサ用ＴＦＴ１３０に対応する部分には窓２４が形成される。上遮光層２２は有効画面内に形成されるＢＭ２３と同じプロセスで形成するのが、遮光の効果が大きく、コスト的にも有利である。図３はこの窓２４をＢＭ２３で形成した例である。図３において、窓２４は開口部２４１とＢＭ２３で形成した遮光部２４２とで構成されている。開口部２４１に対応するＴＦＴ基板１０には光センサ用ＴＦＴ１３０が設置され、遮光部２４２に対応するＴＦＴ基板１０には補正センサ用ＴＦＴ１３３が設置されている。

図４は図１を上方からみた、概略平面図である。図４において、有効画面２の外側は上遮光層２２によって覆われており、フォトセンサ３に対応する部分に光センサ用ＴＦＴ１３０のための窓２４が形成されている。ただし、この窓２４は実際に光が入射する開口部２４１と光が遮断される遮光部２４２とから形成されている。開口部２４１には光センサ用ＴＦＴ１３０が対応して設置され、遮光部２４２には補正センサ用ＴＦＴ１３３が対応して設置されている。図４の窓２４はひとつの機能に対応するが、この窓２４には通常複数の光センサ用ＴＦＴ１３０および補正センサ用ＴＦＴ１３３が形成されており、複数のセンサ用ＴＦＴ合計電流が検出信号として利用される。

図４では一つの機能を表示するためのセンサ用ＴＦＴ群が一つの窓２４に形成されている。しかし、図５に示すように、一つの窓２４内の各光センサ用ＴＦＴ１３０ごとに小さな窓２４１を形成し、光センサ用ＴＦＴ１３０の無い部分は上遮光層２４２によってカバーしてもよい。

小さな窓２４１には光センサ用ＴＦＴ１３０が対応し、遮光部２４２には補正センサ用ＴＦＴ１３３が対応することは図４等で説明したと同様である。このような細かいパターンはＢＭ２３と同時に作成すれば容易に形成できる。このように、光センサ用ＴＦＴ１３０に対応して小さな窓２４１を設けることは、不要なノイズを避けることが出来る、あるいは、周辺回路装置への外光の影響を小さく出来るという効果がある。

液晶表示パネルにはバックライト５０からの光が照射されている。光センサ用ＴＦＴ１３０にバックライト５０から強い光が常に照射されると、外光からの光量の変化を検出しにくい。したがって、本実施例では、図３に示すように、有効画面の周辺で、下偏光板１６の下に下遮光層３００を設置する。

図６は液晶表示パネルをＴＦＴ基板裏側から見た図である。ＴＦＴ基板１０の下側は、下遮光層３００によって覆われている。ＴＦＴ基板１０の下側はバックライト５０の光がセンサ１３０及び補正用センサ１３３に当たらないよう遮光すればよいので、有効画面周辺に帯状に遮光層を形成すればよい。この遮光層はバックライトからの上下左右方向からの光漏れを防ぐための黒色シールテープと兼用することで作業性と性能向上が見込める。

図６のように、光センサ用ＴＦＴ１３０と補正用サンサ１３３の下部分を下遮光層３００でカバーしてもバックライトからの迷光の影響を無くすことは困難である。すなわち、ＴＦＴはガラスであるＴＦＴ基板上に形成されているが、ＴＦＴ基板は一定の厚さがあるために、バクライトからの光が反射等を繰り返しながらセンサ用ＴＦＴ１３０に迷光として到達する。バックライトからの光はＴＦＴ基板上で一定ではなく、例えば、図７のような分布を持っている。図７において、番号５１０、５１１、５１２、５１３はバックライト５０からの光の等高線であり、バックライト５０からの光の強度が徐々に小さくなっていくことを示す。

図７に示すように、有効画面２内においては、バックライトからの光の強度はほぼ一定であるが、光センサ用ＴＦＴ１３０等が設置された周辺部分では輝度分布が急激に変化する。そうすると、光センサ用ＴＦＴ１３０への迷光の量も場所によって変わることになり、これが変動分となって光センサの誤動作を引き起こす。本発明では、補正センサ用ＴＦＴ１３３を光センサ用ＴＦＴ１３０の近傍に設置して迷光の変動分を補正して誤動作を防止するものである。

光センサは温度変化に対しても電流は大きく変動する。本発明では同サイズの補正センサ用ＴＦＴ１３３と光センサ用ＴＦＴ１３０を一対で設置することによって、温度変化に対する変動も抑えることが出来る。

図８は有効画面周辺に形成されたセンサ用ＴＦＴ部に対応した窓２４を人間の指で触れて、外部からの光が光センサ用ＴＦＴ１３０に対して遮断された状態を示す。バックライト５０からの光は下遮光層３００によって、遮光されているので、光センサ用ＴＦＴ１３０に生ずる光電流は遮断され、これを電圧に換算してＰ／Ｓ変換回路４を介して信号処理回路５００に送られる。図８において、窓２４は開口部２４１と遮光部２４２とで構成されている。開口部２４１に対応するＴＦＴ基板１０には光センサ用ＴＦＴ１３０が形成され、遮光部２４２に対応するＴＦＴ基板１０には補正センサ用ＴＦＴ１３３が形成されている。

光センサ用ＴＦＴ１３０は画素用ＴＦＴあるいは駆動回路用ＴＦＴと同様な構成でかつ、同時に作成するのが、歩留まり、コスト等から有利である。図９は画素部ＴＦＴ１２０の断面図である。ポリシリコンＴＦＴにおいては、いわゆるトップゲート型のＴＦＴが使用される。

図９において、ガラス基板１０上には下地膜としてＳｉＮ膜１０１、およびＳｉＯ_２膜１０２の２層膜が形成される。いずれもガラス基板１０からの不純物が半導体層を汚染することを防止するためである。ＳｉＯ_２膜１０２の上にはポリシリコン半導体層１０３が形成される。半導体層１０３の上にはゲート絶縁膜１０４がＳｉＯ_２またはＳｉＮによって形成される。ゲート絶縁膜１０４が形成されたあと、ゲート電極層１０５として、例えばＭｏＷ層がスパッタリングによって形成される。

ゲート電極１０５はフォトレジストを利用してエッチングで形成する。ゲート電極１０５をエッチングした後、フォトレジストを除去する前にイオンインプランテーションを行い、半導体層１０３に対してｎ＋となるようなドーピングを行う。この手法によって、半導体層１０３には図１０に示すように、３つの領域が形成される。

図１０において、ゲート電極の真下にあるチャネル部となる半導体層１０３１はｐ型半導体である。ｐ型半導体層１０３１の両側はｎ型とするイオンが軽くドープされたＬｉｇｈｔ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ層（ＬＤＤ層）１０３２が形成される。これはフォトレジストを介してイオンが打ち込まれたために、イオンのドープ量が小さいからである。その他の領域にはｎ＋とするためのイオンが十分に打ち込まれ、導電率が高い部分である。この部分はＴＦＴのドレイン１０３３あるいはソース１０３４となる。

ゲート電極１０５を含む、ゲート配線上には層間絶縁膜１０６がＳｉＯ_２またはＳｉＮによって形成される。層間絶縁膜１０６に電気的コンタクトを取るためにスルーホールを形成した後、Ａｌ−ＳｉおよびＭｏＷ等の積層膜をスパッタリングによって被着し、フォトリソグラフィによって、ソース／ドレイン配線層１０７等を形成する。その後、ＴＦＴを保護するためにＳｉＮによって無機パッシベーション膜１０８が形成される。

無機パッシベーション膜１０８を覆って表面を平坦化するための、有機パッシベーション膜１０９が形成される。無機パッシベーション膜１０８および有機パッシベーション膜１０９に、ソース／ドレイン配線層１０７と画素電極１１０を電気的に導通するためのスルーホールを形成した後、画素電極１１０となる透明電極ＩＴＯをスパッタリングによって被着する。この透明電極をパターニングすることによって画素電極１１０を形成する。

光センサ用ＴＦＴ１３０も基本的には同様の構造である。ただし、センサ用ＴＦＴ部では図８に示すような画素電極１１０は必要としない。図８に示す画素電極部に形成されるＴＦＴを例にとって説明したが、有効画面周辺に形成されたＴＦＴによる駆動回路と同様なプロセスでフォトセンサ用ＴＦＴを形成しても良いことは言うまでもない。

光センサ用ＴＦＴ１３０では、外光によってキャリアが発生する必要があるが、ゲート電極１０５は金属膜で形成され、不透明であり、ゲート電極１０５の下の半導体層１０３１には直接外光が届かない。一方図９に示すように、ＬＤＤ部分１０３２には外光が直接届く。このＬＤＤ部１０３２にもフォトキャリアが発生するので、光センサ用ＴＦＴ１３０がフォトセンサ３として機能する。さらに、外光の一部は反射、回折によって、ゲート電極１０５下のチャネル部であるｐ型半導体部１０３１にも達するので、この部分でもフォトキャリアが発生し、光センサ用ＴＦＴ１３０がフォトセンサ３として動作することが出来る。

図１１はフォトセンサ部３に多くの光センサ用ＴＦＴ１３０および補正センサ用ＴＦＴ１３３が設置された状態を示す回路図である。図１１において、Ｇ、Ｓ、Ｄは各々、光センサ用ＴＦＴ１３０または補正センサ用ＴＦＴ１３３のゲート線、ソース線、ドレイン線である。図１１において、光センサ用ＴＦＴ１３０および補正センサ用ＴＦＴ１３３は近傍に配置されていることを示している。迷光あるいは熱の影響を光センサ用ＴＦＴ１３０あるいは補正センサ用ＴＦＴ１３３で同一とするためである。

図１２から図１５は光センサ用ＴＦＴ１３０を本発明のフォトセンサ３として動作させる回路図である。図１２はフォトセンサ部３の等価回路である。フォトセンサ３は、基本的には、光センサ用ＴＦＴ１３０をダイオード接続したフォトダイオード１３０とソース接地のＴＦＴ１３１と積分容量１３２で構成される。ただし、本発明においては、迷光あるいは温度の影響を補正するために補正センサ用ＴＦＴ１３３が光センサ用ＴＦＴ１３０と直列に接続されている。

補正センサ用ＴＦＴ１３３は光センサ用ＴＦＴ１３０の近傍に、光センサ用ＴＦＴ１３０と同じサイズで形成されている。光センサ用ＴＦＴ１３０には光電流Ｉｐの他に、バックライトからの迷光による電流あるいは熱による電流Ｉｎが流れる。したがって、光センサ用ＴＦＴ１３０には電流（Ｉｐ＋Ｉｎ）が流れる。一方、補正センサ用ＴＦＴ１３３は光センサ用ＴＦＴ１３０の近傍にかつ同じ大きさで形成されているので、光センサ用ＴＦＴ１３０と同様な電流Ｉｎが流れる。

したがって、図１２のような構成とすることによって、光センサ用ＴＦＴ１３０の電流（Ｉｐ＋Ｉｎ）と補正センサ用ＴＦＴ１３３の電流（Ｉｎ）との差であるＩｐが積分容量１３２に入力される。光センサ用ＴＦＴ１３０のドレインはリセット線ＶＲＥＳと接続し、光センサ用ＴＦＴ１３０のソースは補正センサ用ＴＦＴ１３３および積分容量１３２と接続される。ソース接地ＴＦＴ１３１のドレインはフォトセンサ部３の出力ＸＯ（ｊ）と接続し、ゲートは積分容量１３２と接続される。

図１３は図１２に示すフォトセンサ回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。図１３に示すように、ＶＲＥＳ電圧はハイレベルの電圧がＶＨ、ローレベルの電圧がＶＬの２値の信号である。積分容量１３２の電圧Ｖｐはリセット線ＶＲＥＳの電圧がＶＬのとき、フォトダイオード１３０が順バイアスとなるので、ＶＬ＋Ｖｔｈ１（フォトダイオードの閾値電圧）となる。

また、リセット線ＶＲＥＳの電圧がＶＨのとき、フォトダイオード１３０が逆バイアスとなるので、フォトダイオードには照射される光強度に応じた光電流Ｉｐが流れる。

光電流Ｉｐは積分容量１３２で積分されるので、電圧Ｖｐは図１３に示すように、時間とともに上昇する。この傾斜は光電流Ｉｐに比例する。図１３において、Ｉｐ大は光電流Ｉｐが大きい場合（光強度が強い場合）を示し、Ｉｐ小は光電流が小さい場合（光強度が弱い場合）を示す。

積分容量１３２にゲートが接続されるＴＦＴ１３１は電圧ＶｐがＶｐ≦Ｖｔｈ２でオフ状態、Ｖｐ＞Ｖｔｈ２でオン状態となる。このため、図１３のＩｐ大に示すように、光電流Ｉｐが大きい場合、電圧Ｖｐがしきい値電圧Ｖｔｈ２を超えた時点でＴＦＴ１３１はオフからオン状態に変化し、図１３のＩｐ小の場合はＴＦＴ１３１はオフのままとなる。

ここで、フォトダイオード１３０とＴＦＴ１３１は同じＴＦＴ製造工程で形成されているため、フォトダイオード１３０のしきい値電圧Ｖｔｈ１とＴＦＴ１３２のしきい値電圧Ｖｔｈ２はほぼ等しく、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ１＝Ｖｔｈ２が成り立つと仮定する。このとき、光電流Ｉｐと、リセット線ＶＲＥＳの電圧が立ち上がる時刻から、電圧Ｖｐがしきい値Ｖｔｈ２を超える時間差ｔｐは、積分容量１３２の容量をＣｐとすると、次の式で示される。

ｔｐ＝Ｃｐ×ＶＬ／Ｉｐ
この式から、時間差ｔｐは光電流に反比例し、その係数は、積分容量Ｃｐとリセット線ＶＲＥＳのローレベルの電圧ＶＬで決定され、ＴＦＴのしきい値電圧Ｖｔｈ２が含まれない。このことから、図１２に示すフォトセンサ回路はＴＦＴのしきい値電圧Ｖｔｈ２に依存しないので、光電流（Ｉｐ）を安定に検出することができる。

図１４は本実施例におけるフォトセンサ回路とその周辺回路を含めた回路構成を示す回路図である。図１４において、Ｓ（ｊ）は図１２に示すフォトセンサ回路である。フォトセンサ回路Ｓ（ｊ）に接地電圧ＧＮＤを供給する電源ライン、およびリセット線ＶＲＥＳは有効画面２の外で共通に接続される。

出力回路４００は並列入力／直列出力回路（以後ＰＳ回路という）ＰＳ（ｊ）と、出力線ＸＯ（ｊ）を初期化するためのＴＦＴ（４１１〜４１３）で構成される。ＴＦＴ（４１１〜４１３）はＰ型の薄膜トランジスタである。初期化ＴＦＴ（４１１〜４１３）は初期化回路を構成する。

ＰＳ回路ＰＳ（ｊ）にはクロック（ＣＫ１、ＣＫ２）、Ｘ出力線ＸＯ（ｊ）が入力される。さらに、前段からの信号を入力し、次段への信号を出力する。初期化ＴＦＴ（４１１〜４１３）にはドレインに電源電圧ＶＤＤが印加され、ゲートにリセット信号ＲＥＳが印加されるとともに、ソースがそれぞれ、出力線ＸＯ（ｊ）に接続される。

図１５は図１４に示すフォトセンサ回路Ｓ（ｊ）とその周辺回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。リセット線ＶＲＥＳの電圧、電圧Ｖｐのタイミングは図１３に示すタイミングと同じである。光電流ＩｐはＩｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３の３条件で示した。リセット信号ＲＥＳは、出力線ＸＯ（ｊ）を初期化するための信号、Ｘｏ（ｊ）は出力線ＸＯ（ｊ）の電圧、（ＣＫ１、ＣＫ２）はＳＰ回路の制御信号、ＸｓｏはＶ出力回路４００の出力である。電圧Ｖｐは図１１に示す波形と同じである。

リセット信号ＲＥＳがＬｏｗレベル（以下Ｌレベルという）のとき、ＴＦＴ（４１１〜４１３）はオン状態となり、出力線が電源電圧ＶＤＤに初期化される。その後、電圧ＶｐがＴＦＴのしきい値電圧を超えると、フォトセンサ回路部のＴＦＴがオン状態となり出力線の電圧Ｘｏ（ｊ）はＬレベルとなる。このＨレベルからＬレベルに切り替わる時刻ｔは光電流Ｉｐの値で変化する。ＩｐがＩｐ３の時はＬレベルに切り替わらない。

クロックＣＫ１は出力線のデータをＰＳ回路に取り込むクロック（データラッチクロック）である。図１５では、ｔ＝ＴｉのタイミングでクロックＣＫ１が入力されている例を示している。クロックＣＫ２はＰＳ回路のデータシフトクロックである。このクロックＣＫ２により、クロックＣＫ１のタイミングで取り込まれたＰＳ回路のデータをシフトし、Ｘｓｏにデータを出力する。

以上の説明のように、一定期間毎に出力をカウントすることにより、フォトセンサ３に入力される光の量を判断することができる。図１５の例では、光電流Ｉｐ＝Ｉｐ１のときは、出力はゼロとしてカウントされ、Ｉｐがこれよりも小さいＩｐ２、Ｉｐ３等の場合は出力は１としてカウントされる。

実施例では、通常はフォトセンサ３に外光が照射されている、例えば、Ｉｐ＝Ｉｐ１の時なので、通常は出力はゼロであるが、人間がセンサ部に対応する基板を指で触れることにより、外光が遮断され、出力が１に変わる。これによって、どの機能が選択されたかを判断する。

どの程度の光の変化によって、人間がセンサ部に対応する基板を指で触れたかを決めるには図１５におけるタイミングＴｉによって決めることができる。すなわち、図１５のＴｉを長くすると、より大きなＩｐの変化、つまり、より大きな光量の変化を検出し、Ｔｉを短くするとより小さなＩｐの変化、つまり、より小さな光量の変化を検出することになる。

以上の説明ではフォトサンサ回路は図１２に示すように、光センサ用ＴＦＴ１３０がリセット線ＶＲＥＳと接続し、補正センサ用ＴＦＴ１３３が接地されている場合について説明した。一方、光センサ用ＴＦＴを接地し、補正センサ用ＴＦＴ１３３をリセット線ＶＲＥＳに接続しても良い。この回路を図１６に示す。この場合も、光センサ用ＴＦＴ１３０には光電流Ｉｐの他に、迷光による光電流や熱による電流等のノイズ電流Ｉｎが重畳して流れる。このうちのノイズ電流Ｉｎは補正センサ用ＴＦＴ１３３に流れ、光電流Ｉｐのみが蓄積容量１３２に流れ、電位Ｖｐを変化させる。

本発明は、フォトダイオードとして用いる光センサ用ＴＦＴ１３０は画素部ＴＦＴ１２０と同様な構成で、同様なプロセスで製作できる利点がある。しかし、フォトセンサ専用として製作した場合に比して光感度が十分でない場合がある。実施例２は、このような場合に、光センサ用ＴＦＴ１３０を並列に設置することによって、光電流の変化の量をより容易に検出するものである。

図１７に実施例２におけるフォトセンサ部３の等価回路を示す。図１７の等価回路は、フォトダイオードとして用いる光センサ用ＴＦＴ１３０が並列に接続され、かつ、各々の光センサ用ＴＦＴ１３０とは補正センサ用ＴＦＴ１３３が直列に接続されている。光センサ用ＴＦＴ１３０と直列に接続されている補正センサ用ＴＦＴ１３３は各々互いに近傍に配置されており、迷光の影響、温度の影響等を補正センサ用ＴＦＴ１３３が補正し、蓄積容量１３２へは光電流Ｉｐのみが蓄積される。その他の動作は実施例１の図１２と同様である。

この構成によれば、各光センサ用ＴＦＴ１３０の光電流が小さくとも、あるいは、光電流の変化が小さくとも、並列接続されたＴＦＴからの光電流が加算されるため、感度を向上させることができる。トータルの光電流が大きければ、光量の変化がどの程度のときに、人間の指がフォトセンサ部３に対応する基板に触れたかを判断する裕度も大きくとることができる。

本実施例では、光センサ用ＴＦＴ１３０および補正センサ用ＴＦＴ１３３は画素部ＴＦＴ１２０あるいは有効画面２の周辺に形成された駆動回路部のＴＦＴと同様な構成であり、かつ同様なプロセスで形成できるので、光センサ等の数を増加しても製造歩留まりを維持することが出来る。本実施例における光電流の検出回路は図１３〜図１５に示す検出回路と同様である。

本発明は図８に示すように、有効画面２の外に形成された光センサ用窓に対応して光センサ用ＴＦＴ１３０を設置し、窓２４を指でタッチすることによる光の変化を検出するものである。この場合、窓２４が大きいとノイズを拾いやすい。例えば、他の機能を選択するセンサ部３を指でタッチした場合でも、その指の影等を検出し信号を出してしまうような場合も生ずる。一方、センサ部３に形成された窓２４が大きいとその部分に形成されたＴＦＴの金属電極、例えば、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極等からの反射光が生じて、ディスプレイ全体の外観を損ねるという問題がある。

本実施例はこの問題を対策するために、センサ部３に形成された光検出用の窓の大きさを制限するものである。本発明では光センサとして光センサ用ＴＦＴ１３０を用いるが、光電流Ｉｐを生成するのはＴＦＴのドレイン部に形成された空乏層である。したがって、空乏層に光が当たれば、光センサ用ＴＦＴ１３０の他の部分に光が当たらなくとも光センサとしての感度は維持することが出来る。

図１８は本実施例の概略平面図である。有効画面部２の周辺には上遮光２２が形成されている。有効画面部２の周辺には光センサが設置されているが、この光センサに対応する部分には上遮光層２２に窓２４が形成されている。窓２４はさらに、開口部２４１と遮光部２４２に分かれている。光センサ用ＴＦＴ１３０の近傍には補正センサ用ＴＦＴ１３３が形成されており、補正センサ用ＴＦＴ１３３の部分は遮光部２４２によって遮光する。

本実施例ではこの遮光部２４２を補正センサ用ＴＦＴ１３３の部分のみに形成するのではなく、光センサ用ＴＦＴ１３０のドレインに対応する部分以外も遮光層２４２によって覆うものである。これによって、開口部２４１の面積を小さくでき、外部からのノイズ光を小さく出来る。また、光センサ用ＴＦＴ１３０のドレイン以外を覆うことによって、光センサ用ＴＦＴ１３０の他の電極からの反射を防止することが出来る。

図１９は本実施例における光センサ用ＴＦＴ１３０が形成された部分の液晶表示パネルの断面図である。図１９において、ＴＦＴ基板１０の構成は図９および図１０で説明したのと同様である。すなわち、下地膜１０１および１０２の上に半導体層１０３が形成される。半導体層１０３はチャンネル部１０３１、不純物が軽くドープされたＬＤＤ部１０３２およびドレイン部１０３３、ソース部１０３４に分かれる。半導体層１０３の上にはゲート絶縁膜１０４が形成され、その上にゲート電極１０５が形成されている。

ゲート電極１０５上には層間絶縁膜１０６が形成され、さらにその上にはパッシベーション膜１０９が積層されている。層間絶縁膜１０６およびゲート絶縁膜１０４にスルーホールを形成して金属のドレイン電極およびソース電極を半導体層１０３のドレイン部１０３３およびソース部１０３４と接続する。

カラーフィルタ基板２０はＴＦＴ基板に対して液晶層２００を挟んで対向して設置されている。カラーフィルタ基板２０にはブラックマトリクス２３と同様な材料によって遮光膜２２が形成されている。遮光膜にはＴＦＴ基板に形成された光センサ用ＴＦＴ１３０のドレイン部１０３２および１０３３に対応する部分に開口部２４１が形成されている。光センサ用ＴＦＴ１３０のその他の部分、例えば、金属で形成されたゲート電極１０５、ソース電極等は遮光膜２２によって遮光されている。

図１９に示すように、遮光膜２２に形成された開口部２４１は半導体のドレイン部１０３２および１０３３に対応する部分にのみ開けられているので、金属電極の外部への反射は最小限に抑えられる。また、光電流が発生するのは主としてドレイン部１０３２および１０３３であるから光センサとしての感度も実質的には劣化しない。図１９に示す開口部２４１の幅ＤＯは１４μｍ程度である。これに対して光センサ用ＴＦＴ１３０全ての部分に対応して開口を設けた場合は開口部の幅は４０μｍ程度になる。

図２０は図１８の窓２４の平面模式図である。図２０において、カラーフィルタ基板２０に形成された窓２４は開口部２４１と遮光部２４２に分かれている。ＴＦＴ基板１０上に形成された光センサ用ＴＦＴ１３０の群と補正センサ用ＴＦＴ１３３の群とは併置されている。補正センサ用ＴＦＴ１３３は全て遮光層２４２によって覆われている。光センサ用ＴＦＴ１３０には遮光層部分２４２と開口部分２４１とが対応している。

図２０において、ドレイン線Ｄに接続しているドレイン電極の部分にはカラーフィルタ基板に形成された開口部２４１が対応し、その他の電極であるゲート電極、ドレイン電極等にはカラーフィルタ基板の遮光層２４２が対応している。このように、本実施例においては、カラーフィルタ基板２０に形成された開口部２４１の面積は非常に小さくなっており、周囲のノイズを受けにくい構成となっている。また、外部から見えるのはドレイン電極だけであるので、表示装置の外観を損ねることもない。

図２０では光センサ用ＴＦＴ１３０の群と補正センサ用ＴＦＴ１３３の群とが分かれて配置されているが、１個の光センサ用ＴＦＴ１３０と１個補正センサ用ＴＦＴ１３３を隣合わせて配置してペアを形成し、このペアを複数形成してもよいことは言うまでもない。

以上の実施例は液晶表示装置について説明した。本発明は液晶表示装置のみでなく、有機ＥＬ表示装置等に対しても適用可能である。有機ＥＬ表示装置の場合も、表示装置の概念図は図１と同じである。すなわち、有効画面部２の周辺に機能を選択するためのフォトセンサ部３を設ける。

有機ＥＬ表示装置は自発光装置であるため、液晶表示装置と異なりバックライトを必要としない。したがって、有機ＥＬ表示装置の場合は、外光からの迷光の防止のみを考慮すれはよい。有機ＥＬ表示装置の場合も、各画素の駆動はＴＦＴが用いられるので、有効画面周辺の光センサとして画素部のＴＦＴと同様な光センサ用ＴＦＴ１３０を製作することは液晶表示装置と同様である。

有機ＥＬ表示装置には、画素からの光がＴＦＴ基板１０側に出射するボトムエミッションタイプと画素からの光がＴＦＴ基板１０と反対側に出射するトップエミッションタイプとがある。図２１はボトムエミッションタイプの有機ＥＬ表示装置の断面図である。

図２１において、まず、ＴＦＴ基板１０上にＴＦＴが形成されることは図９と同じである。すなわち、ＴＦＴ基板１０上に２層の下地膜１０１、１０２、半導体層１０３、ゲート絶縁膜１０４、ゲート電極１０５、層間絶縁膜１０６、ＳＤ配線１０７、無機パッシベーション膜１０８、有機パッシベーション膜１０９が図９で説明したと同様にして形成される。

有機ＥＬ表示装置では、図９における画素電極１１０の替わりに下部電極１１１が形成される。ただし、この下部電極１１１はＩＴＯであり、図９における画素電極１１０と同じである。有機ＥＬ表示装置では画素間を分離するためにバンク１１２が形成され、その後、有機ＥＬ膜１１３が蒸着によって形成される。有機ＥＬ膜１１３は通常５層〜６層の有機薄膜からなる。有機ＥＬ膜１１３の上にはＡｌあるいはＡｌ合金による上部電極１１４が形成される。

上部電極１１４と下部電極１１１の間に電圧を印加すると、有機ＥＬ層１１３が発光するが、この光はＴＦＴ基板１０側に向かう。ＴＦＴ基板１０と反対側に出射する光は金属である上部電極１１４で反射されてＴＦＴ基板１０側に向かう。人間はＴＦＴ基板１０側から有機ＥＬ１１３で発光する光を視認して画像を認識する。

有効画面周辺に形成される光センサ用ＴＦＴ１３０は、図２１に示す画素部のＴＦＴと同様な構成で、かつ、同様なプロセスで形成される。図２２は光センサ用ＴＦＴ１３０として使用されるＴＦＴ部分の断面図である。ＴＦＴの構成は図２０で説明した画素部のＴＦＴと同様である。図２２では画素電極、バンク１１２等は省略されている。ただし、バンク１１２を保護層として用いてもよい。

図２２において、タッチセンサとして指をふれるのはＴＦＴ基板１０側である。ＴＦＴ基板の外側には遮光層が設けられていて、外光Ｌを遮断している。しかし、光センサ用ＴＦＴ１３０のドレイン部１０３２、１０３３に対応する部分に開口２４１が形成されている。したがって、光センサ用ＴＦＴ１３０のドレイン部１０３２、１０３３には外光Ｌが当たって通常は光電流が流れている。開口部分２４１を指でタッチすると光が遮断され、必要な信号を発生することになる。

本実施例においては光センサ用ＴＦＴ１３０のドレイン部１０３２、１０３３以外は遮光層２４２によって遮光されているために、外部環境からの迷光を受けにくいという利点がある。また、実質的に光電流を発生するドレイン部１０３２、１０３３には開口が設けられているので、光センサとしての感度が大きく低下することもない。

図２２では光センサ用ＴＦＴ１３０の部分のみを記載したが、実施例１のように、補正センサ用ＴＦＴ１３３を光センサ用ＴＦＴ１３０の近傍に併置することによって、熱の影響、外部環境からの迷光の影響等を補償することが出来ることは液晶表示装置の場合と同様である。

光信号の検出回路は図１２から図１５で説明した回路を使用することが出来る。以上はボトムエミッション型の有機ＥＬ表示装置について説明したが、トップエミッション型に有機ＥＬ表示装置についても同様にして適用することが出来る。

本発明の概略平面図である。 実施例１の斜視図である。 実施例１の断面図である。 実施例１の平面図である。 センサ窓部の例である。 実施例１の裏面図である。 バックライトによる照度分布の例である。 本発明の動作を示す断面図である。 画素部ＴＦＴの断面図である。 ＴＦＴ部の詳細図である。 フォトセンサと補正センサセンサの配置例である。 フォトセンサ部の等価回路である。 フォトセンサ部の動作タイミング図である。 周辺回路を含めた回路構成図である。 図１４の動作タイミング図である。 フォトセンサ部の他の例による等価回路である。 実施例２のフォトセンサ部の等価回路である。 実施例３の平面図である。 実施例２のフォトセンサ部の断面図である。 実施例２におけるフォトセンサと遮光膜の関係を示す図である。 ボトムエミッション型有機ＥＬ表示装置の画素部の断面図である。 有機ＥＬ表示装置のフォトセンサ部の断面図である。

符号の説明

１…表示装置、 ２…有効画面部、 ３…フォトセンサ部、 ４…Ｐ／Ｓ変換回路部、 ５…信号処理部、 １０…ＴＦＴ基板、 １６…下偏光板、 ２０…カラーフィルタ基板、 ２２…上遮光層、 ２３…ＢＭ、 ２４…窓、 ２６…上偏光板、２７…赤フィルタ ２８…緑フィルタ、 ２９…青フィルタ、 ３０…液晶、 ３１…シール部、 ５０…バックライト、 １２０…画素部ＴＦＴ、１３０…センサ用ＴＦＴ １３１…ソース接地ＴＦＴ、 １３２…蓄積容量、１３３…補正センサ用ＴＦＴ 、２４１…開口部、 ２４２…遮光部。

Claims (20)

1. 有効画面内には画素がマトリクス状に配置された基板を有し、各画素に加わる画像信号は各画素に対応する薄膜トランジスタによって制御される表示装置であって、
   前記基板には前記有効画面の外側に薄膜トランジスタによるフォトセンサが配置され、前記フォトセンサは外光を遮断することによって信号を発生し、前記フォトセンサからの信号は前記表示装置に対して特定の機能を行なわせ、
   前記フォトセンサの近傍には薄膜トランジスタによる補正センサが形成されていることを特徴とする表示装置。
2. 前記有効画面の外側は外光を遮断する遮光層が形成されており、フォトセンサに対応する部分には前記遮光層が形成されおらず、前記補正センサに対応する部分には前記遮光層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記フォトセンサおよび前記補正センサは前記各画素に対応する薄膜トランジスタと同じプロセスで形成された薄膜トランジスタによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
4. 前記フォトセンサ用薄膜トランジスタのゲートは、前記フォトセンサ用薄膜トランジスタのドレインまたはソースと接続されたダイオード構成となっており、前記補正センサ用薄膜トランジスタのゲートは、前記補正センサ用薄膜トランジスタのドレインまたはソースと接続されたダイオード構成となっていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
5. 前記フォトセンサ用薄膜トランジスタと前記補正センサ用薄膜トランジスタは同一のサイズであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
6. 前記フォトセンサと前記補正センサは隣接して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
7. 前記フォトセンサと前記補正センサは互いに対をなして形成されており、前記対は前記各機能毎に複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
8. 有効画面内には画素がマトリクス状に配置された基板を有し、各画素に加わる画像信号は各画素に対応する薄膜トランジスタによって制御される表示装置であって、
   前記基板には前記有効画面の外側に薄膜トランジスタによるフォトセンサが配置され、前記フォトセンサは外光を遮断することによって信号を発生し、前記フォトセンサからの信号は前記表示装置に対して特定の機能を行なわせ、
   前記フォトセンサの近傍には薄膜トランジスタによる補正センサが形成され、
   前記フォトセンサ用薄膜トランジスタはドレイン部を除いては外光に対する遮光層に覆われており、前記補正センサ用薄膜トランジスタは外光に対する遮光層に覆われていることを特徴とする表示装置。
9. 前記フォトセンサと前記補正センサは対で動作することを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
10. 前記フォトセンサおよび前記補正センサは1つの前記機能に対して複数形成されていることを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
11. 前記フォトセンサと前記補正用センサは隣接して形成されていることを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
12. 前記フォトセンサと前記補正センサ用センサは前記画素に対応する薄膜トランジスタと同じプロセスで形成されていることを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
13. 前記フォトセンサ用薄膜トランジスタと前記補正センサ用薄膜トランジスタは同一のサイズであることを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
14. 有効画面内に画素電極および画素電極に印加される信号電圧を制御する薄膜トランジスタが形成されたＴＦＴ基板と、有効画面内にカラーフィルタおよびブラックマトリクスが形成されたカラーフィルタ基板と、前記ＴＦＴ基板と前記カラーフィルタ基板とに挟持された液晶によって画像を形成する液晶表示パネルと、バックライトとを有する液晶表示装置であって、
    前記ＴＦＴ基板の前記有効画面の外側に薄膜トランジスタによるフォトセンサが形成され、前記フォトセンサは外光を遮断することによって信号を発生し、前記フォトセンサからの信号は前記表示装置に対して特定の機能を行なわせ、
    前記フォトセンサの近傍には薄膜トランジスタによる補正センサが形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
15. 前記フォトセンサおよび前記補正用センサは前記画素電極用の薄膜トランジスタと同じプロセスで形成されることを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示装置。
16. 前記カラーフィルタ基板には前記ＴＦＴ基板に形成された前記フォトセンサおよび補正センサに対応する部分には外光に対する遮光膜が形成され、前記遮光膜は前記フォトセンサを構成する薄膜トランジスタのドレイン部には開口部が形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示装置。
17. 前記フォトセンサと前記補正用センサとは対で動作することを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示装置。
18. 有効画面内に画素を構成する有機ＥＬ層がマトリクス状に配置された基板を有し、前記有機ＥＬ層に信号電圧を印加することによって画像を形成する有機ＥＬ表示装置であって、
    前記有機ＥＬ層に印加される信号電圧は薄膜トランジスタによって制御され、前記基板には前記有効画面の外側に薄膜トランジスタによるフォトセンサが配置され、前記フォトセンサは外光を遮断することによって信号を発生し、前記フォトセンサからの信号は前記表示装置に対して特定の機能を行なわせ、
    前記フォトセンサの近傍には薄膜トランジスタによる補正センサが形成されていることを特徴とする有機ＥＬ表示装置。
19. 前記フォトセンサと前記補正用センサは前記有機ＥＬ層に印加される信号電圧を制御する薄膜トランジスタと同じプロセスで形成されることを特徴とする請求項１８に記載の有機ＥＬ表示装置。
20. 前記フォトセンサはおよび補正センサに対応する部分には外光に対する遮光膜が形成され、前記遮光膜は前記フォトセンサを構成する薄膜トランジスタのドレイン部には開口部が形成されていることを特徴とする請求項１８に記載の有機ＥＬ表示装置。

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