JP2013232167A - 光センサ内蔵表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開口率の高い光センサ内蔵表示装置の構成を得る。
【解決手段】光センサ内蔵表示装置１は、第１基板１１と、前記第１基板１１に対向して配置された第２基板１２と、前記第１基板１１および前記第２基板１２に挟持された液晶層１３と、前記第１基板１１および前記第２基板１２のいずれかに形成された複数の画素電極１２１と、前記第１基板１１および前記第２基板１２のいずれかに形成された着色層Ｃ１とを備える。前記着色層Ｃ１は、平面視において前記画素電極１２１と重なるように配置された、複数の色素増感太陽電池１１１を光センサとして含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、光センサ内蔵表示装置に関する。

タッチセンサ機能を有する表示装置として、光センサを表示装置の内部に組み込んだ、光センサ内蔵表示装置が知られている。

特開２００５−２７５６４４号公報（特許文献１）には、不可視光線および可視光線を出射するバックライトと、二次元的に配置された複数の画素を含む液晶表示パネルとを備える液晶表示装置が開示されている。液晶表示パネルの画素は、不可視光線を検出するセンサをそれぞれ有している。この液晶表示装置では、バックライトから出射された不可視光線が、液晶表示装置に接近した物体によって反射され、センサによって検出されることによって、当該物体の位置情報を取得する。

特開２００５−２７５６４４号公報

上記の液晶表示装置は、表示領域内にセンサを配置する。センサ領域は、画像表示に寄与しない遮光領域である。そのため、センサ領域によって、液晶表示装置の開口率が低下する。一方、センサ領域を狭くすると、センサの検知感度が低下する。

本発明の目的は、開口率の高い光センサ内蔵表示装置の構成を得ることである。

ここに開示する光センサ内蔵表示装置は、第１基板と、前記第１基板に対向して配置された第２基板と、前記第１基板および前記第２基板に挟持された液晶層と、前記第１基板および前記第２基板のいずれかに形成された複数の画素電極と、前記第１基板および前記第２基板のいずれかに形成された着色層とを備える。前記着色層は、平面視において前記画素電極と重なるように配置された、複数の色素増感太陽電池を光センサとして含む。

本発明によれば、開口率の高い光センサ内蔵表示装置の構成が得られる。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置の構成の一部を模式的に示す斜視図である。 図２は、第１の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置の構成の一部を抜き出して模式的に示す断面図である。 図３は、第１の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置のカラーフィルタ基板から、アレイ層を抜き出して模式的に示す平面図である。 図４は、環境が明るい場合の、光センサ内蔵表示装置による検知の例を示す模式図である。 図５は、環境が暗い場合の、光センサ内蔵表示装置による検知の例を示す模式図である。 図６は、仮想的な比較例にかかる光センサ内蔵表示装置の構成の一部を模式的に示す斜視図である。 図７は、本発明の第２の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置の構成の一部を抜き出して模式的に示す断面図である。 図８は、第２の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置のＴＦＴ基板から、アレイ層を抜き出して模式的に示す平面図である。 図９Ａは、比較例にかかる光センサ内蔵表示装置の構成の一部を抜き出して模式的に示す斜視図であって、カラーフィルタと画素電極との位置関係が標準の場合を示す図である。 図９Ｂは、比較例にかかる光センサ内蔵表示装置の構成の一部を抜き出して模式的に示す斜視図であって、カラーフィルタと画素電極との位置関係が最大公差の場合を示す図である。 図９Ｃは、第２の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置の構成の一部を抜き出して模式的に示す斜視図であって、カラーフィルタと画素電極との位置関係が標準の場合を示す図である。 図９Ｄは、第２の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置の構成の一部を抜き出して模式的に示す斜視図であって、カラーフィルタと画素電極との位置関係が最大公差の場合を示す図である。 図１０は、本発明の第３の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置の構成の一部を模式的に示す斜視図である。 図１１は、第３の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置の構成の一部を抜き出して模式的に示す断面図である。

本発明の一実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置は、第１基板と、前記第１基板に対向して配置された第２基板と、前記第１基板および前記第２基板に挟持された液晶層と、前記第１基板および前記第２基板のいずれかに形成された複数の画素電極と、前記第１基板および前記第２基板のいずれかに形成された着色層とを備える。前記着色層は、平面視において前記画素電極と重なるように配置された、複数の色素増感太陽電池を光センサとして含む（第１の構成）。

上記の構成によれば、光センサ内蔵表示装置は、画素電極と重なるように配置された複数の色素増感太陽電池を含んでいる。色素増感太陽電池は、特定の波長帯の光を吸収して電力に変換する。光センサ内蔵表示装置に物体が接近すると、その物体によって光センサ内蔵表示装置へ入射する光が遮られたり、その物体によってバックライト光が反射されたりする。これによって、色素増感太陽電池へ入射する光の量が変化する。光センサ内蔵表示装置は、色素増感太陽電池の発電量によって、光センサ内蔵表示装置に接近した物体を検知することができる。

上述のように、色素増感太陽電池は、特定の波長帯の光を吸収する。換言すれば、色素増感太陽電池は、特定の波長帯の光以外の光を透過させる。これによって、色素増感太陽電池を通る光は着色されて見える。色素増感太陽電池は、遮光領域とはならないため、高い開口率が得られる。

上記第１の構成において、前記着色層は、吸収する光の波長帯の異なる２種類以上の色素増感太陽電池を含むことが好ましい（第２の構成）。

上記の構成によれば、吸収する光の波長帯の異なる色素増感太陽電池によって、カラー画像を表示することができる。

上記第１または第２の構成において、前記着色層は、平面視において前記画素電極と重なるように配置され、光を着色せずに透過させる透過領域をさらに含むことが好ましい（第３の構成）。

上記の構成によれば、光センサ内蔵表示装置の輝度を高くすることができる。光センサ内蔵表示装置の輝度が高くなることによって、光センサ内蔵表示装置に接近した物体から反射されるバックライト光の輝度も高くなる。これによって、検知感度を高くすることができる。

上記第１〜第３のいずれかの構成において、前記画素電極および前記着色層はともに、前記第１基板および前記第２基板の一方に形成されていても良い（第４の構成）。

上記の構成によれば、画素電極と着色層との位置の公差を小さくできる。これによって、マージンを小さくできるので、開口率を高くすることができる。

上記第１〜第３のいずれかの構成において、前記画素電極は前記第１基板および前記第２基板の一方に形成され、前記着色層は前記第１基板および前記第２基板の他方に形成されても良い（第５の構成）。

上記の構成によれば、画素電極と着色層とを同一の基板に形成する場合と比べて、２つの基板に製造工程が分散される。これによって、全体としての歩留まりが向上する。

上記第１〜第５のいずれかの構成において、複数の前記色素増感太陽電池と接して形成された共通電極をさらに備えることが好ましい（第６の構成）。

上記の構成によれば、複数の色素増感太陽電池のそれぞれに電極を形成する場合と比較して、回路構成および製造工程を簡略化できる。

上記第５の構成において、複数の前記色素増感太陽電池と接して形成された共通電極をさらに備え、前記画素電極と前記共通電極との間の電位差によって前記液晶層を駆動することが好ましい（第７の構成）。

上記の構成によれば、共通電極は、色素増感太陽電池の電極としての機能と、画素電極と対になって液晶層を駆動する電極としての機能を兼ねている。これらの電極を個別に形成する場合と比較して、製造工程を簡略化できる。

上記第１〜第７のいずれかの構成において、前記色素増感太陽電池から信号を取り出す取出電極と、前記着色層が形成された基板に形成され、前記取出電極に電気的に接続された薄膜トランジスタを含むアレイ層をさらに備える構成としても良い（第８の構成）。

上記第８の構成において、前記薄膜トランジスタが透明であることが好ましい（第９の構成）。

上記第８または第９の構成において、前記アレイ層は、前記薄膜トランジスタに電気的に接続されたセンスラインと、前記薄膜トランジスタに電気的に接続されたゲートラインとをさらに含み、前記センスラインおよび前記ゲートラインが透明であることが好ましい（第１０の構成）。

上記第９または第１０の構成によれば、開口率をより大きくすることができる。

上記第８〜第１０のいずれかの構成において、前記画素電極に電気的に接続された画素制御薄膜トランジスタをさらに備え、前記薄膜トランジスタと前記画素制御薄膜トランジスタとは、平面視において重なるように配置されることが好ましい（第１１の構成）。

上記の構成によれば、薄膜トランジスタおよび画素制御薄膜トランジスタの、投影面積を小さくできる。したがって、開口率をより大きくすることができる。

上記第４の構成において、前記色素増感太陽電池から信号を取り出す取出電極と、前記画素電極および前記着色層が形成された基板に形成されたアレイ層とをさらに備え、前記アレイ層は、前記取出電極に電気的に接続された第１薄膜トランジスタと、前記画素電極に電気的に接続された第２薄膜トランジスタとを含む構成としても良い（第１２の構成）。

上記第１２の構成において、前記第１薄膜トランジスタおよび前記第２薄膜トランジスタが透明であることが好ましい（第１３の構成）。

上記の構成によれば、開口率をより大きくすることができる。

上記第１２または第１３の構成において、前記アレイ層は、前記第１薄膜トランジスタに電気的に接続されたセンスラインと、前記第２薄膜トランジスタに電気的に接続されたソースラインと、前記第１薄膜トランジスタおよび前記第２薄膜トランジスタに接続されたゲートラインとをさらに含む構成とすることが好ましい（第１４の構成）。

上記の構成によれば、第１薄膜トランジスタおよび第２薄膜トランジスタが、ゲートラインを共用している。ゲートラインを共通にすることによって、配線の数を減らし、開口率を高くすることができる。

上記第１４の構成において、前記センスライン、前記ソースライン、および前記ゲートラインが透明であることが好ましい（第１５の構成）。

上記の構成によれば、開口率をより大きくすることができる。

［実施の形態］
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化されて示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置１の構成の一部を模式的に示す斜視図である。光センサ内蔵表示装置１は、カラーフィルタ基板１１と、ＴＦＴ基板１２と、液晶層１３と、偏光板１４および１５と、バックライト１６とを備えている。

カラーフィルタ基板１１およびＴＦＴ基板１２は、平面視において概略矩形の板状形状であって、互いに対向して配置されている。カラーフィルタ基板１１およびＴＦＴ基板１２は、液晶層１３を挟持している。カラーフィルタ基板１１には偏光板１４が配置されている。ＴＦＴ基板１２には偏光板１５が配置されている。

バックライト１６は、カラーフィルタ基板１１、ＴＦＴ基板１２、および液晶層１３に光を照射する。図１では、バックライト１６は、ＴＦＴ基板１２側に配置されている。しかし、バックライト１６は、カラーフィルタ基板１１側に配置されていても良い。

以下では、カラーフィルタ基板１１およびＴＦＴ基板１２と平行な面内において、互いに直交する２つの方向を、ｘ方向およびｙ方向と定義する。また、カラーフィルタ基板１１およびＴＦＴ基板１２と垂直な方向を、ｚ方向と定義する。

図１に示すように、カラーフィルタ基板１１には、複数の色素増感太陽電池１１１が、ｘ方向およびｙ方向に沿ってマトリクス状に配置されている。

色素増感太陽電池１１１は、入射した光から、特定の波長帯の光を吸収して電力に変換する。色素増感太陽電池１１１が吸収する光の波長帯は、色素増感太陽電池１１１に吸着させる色素によって選択することができる。色素増感太陽電池１１１は、少なくとも可視光領域の一部の波長帯の光を、完全に遮蔽しないように構成されている。

色素増感太陽電池１１１は、色素増感太陽電池１１１Ｒ、１１１Ｇ、および１１１Ｂを含んでいる。色素増感太陽電池１１１Ｒでは、赤色の波長帯の光を吸収しない色素が用いられている。すなわち、色素増感太陽電池１１１Ｒは、赤色の波長帯の光を透過する。これによって、色素増感太陽電池１１１を通過した光は、赤色に着色される。同様に、色素増感太陽電池１１１Ｇおよび１１１Ｂは、それぞれを通過した光が緑色および青色に着色されるように構成されている。

このように、複数の色素増感太陽電池１１１が、着色層Ｃ１を形成している。

ＴＦＴ基板１２には、色素増感太陽電池１１１のそれぞれと対向して、複数の画素電極１２１がマトリクス状に配置されている。画素電極１２１と色素増感太陽電池１１１とは、ｘｙ平面に投影したときに、互いに重なるように配置されている。換言すれば、色素増感太陽電池１１１は、平面視において画素電極１２１と重なるように配置されている。なお、平面視において色素増感太陽電池１１１の輪郭と画素電極１２１の輪郭とが一致している必要はなく、少なくとも一部が重なっていれば良い。

画素電極１２１のそれぞれの電位は、ＴＦＴ基板１２に形成された薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）によって、独立に制御される。

バックライト１６から照射された光はまず、ＴＦＴ基板１２に配置された偏光板１５によって偏光する。この光の偏光軸は、液晶層１３を通過する際、液晶分子の配向によって変化する。そして、カラーフィルタ基板１１に配置された偏光板１４の偏光軸と一致する偏光軸を持った光だけが、光センサ内蔵表示装置１から出射される。光センサ内蔵表示装置１は、画素電極１２１の電位を制御することによって液晶層１３を駆動し、出射される光の量を制御して画像を表示することができる。

光センサ内蔵表示装置１は、着色層Ｃ１によって光を着色して、カラー画像を表示することができる。

図１では、色素増感太陽電池１１１Ｒ、１１１Ｇ、および１１１Ｂは、ｘ方向に沿って順番に配置されている。この配置は例示であって、色素増感太陽電池１１１の配置方法はこれに限定されない。また、色素増感太陽電池１１１によって着色される色の組み合わせは、赤、緑、および青に限定されず、任意の色の組み合わせが可能である。また、２種類以下または４種類以上の色素増感太陽電池１１１を組み合わせても良い。

図２および図３を参照して、光センサ内蔵表示装置１のより詳細な構成を説明する。

図２は、光センサ内蔵表示装置１の構成の一部を抜き出して模式的に示すｘｚ断面図である。光センサ内蔵表示装置１は、既述のように、カラーフィルタ基板１１と、ＴＦＴ基板１２と、液晶層１３と、偏光板１４および１５と、バックライト１６とを備えている。

カラーフィルタ基板１１は、基板１１０、アレイ層１１２、第１電極１１３、色素増感太陽電池１１１Ｒ、１１１Ｇ、および１１１Ｂ、保護膜１１４、ならびに第２電極１１５を備えている。

基板１１０は、透光性と絶縁性とを有している。基板１１０は、例えばガラス基板である。基板１１０の表面は、パシベーション膜などでコーティングされていても良い。

基板１１０には、基板１１０側からアレイ層１１２、第１電極１１３、色素増感太陽電池１１１（１１１Ｒ、１１１Ｇ、または１１１Ｂ）、および第２電極１１５がこの順で形成されている。アレイ層１１２の詳しい構成は後述する。なお、色素増感太陽電池１１１の隙間には、アクリル樹脂などからなる保護膜１１４が形成されている。

第１電極１１３は、マトリクス状に形成された色素増感太陽電池１１１（１１１Ｒ、１１１Ｇ、または１１１Ｂ）のそれぞれに接して、マトリクス状に形成されている。一方、第２電極１１５は、複数の色素増感太陽電池１１１に接して形成されている。第２電極１１５は、カラーフィルタ基板１１の表示領域の概略全面に、一様に形成されている。

第１電極１１３および第２電極１１５は、透光性の導電材料で形成されている。第１電極１１３および第２電極１１５は例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）またはＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）である。第１電極１１３および第２電極１１５は例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはスパッタリングによって成膜され、フォトリソグラフィによってパターニングされる。

色素増感太陽電池１１１は、色素を吸着させた半導体と、電解質とを含んでいる。

色素を吸着させる半導体は、より多くの色素を吸着させることができるように、比表面積の大きいものが好ましい。色素を吸着させる半導体は例えば、酸化チタンの微粒子の焼結体である。色素は、例えばフェニルキサンテン系色素、フタロシアニン系色素、クマリン系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、ポルフィリン系色素、プロフラビン系色素、およびルテニウム系色素である。複数の色素を混合して用いても良い。

電解質は、固体電解質、液体電解質、またはゲル電解質を用いることができる。固体電解質は、例えば導電性ポリマーまたはｐ型半導体である。液体電解質は、例えばヨウ素溶液である。ゲル電解質は、例えば電解質にゲル化剤を添加したものである。液体電解質またはゲル電解質を用いる場合、電解質が液晶層１３に流れ出ないように封止しておく必要がある。

色素増感太陽電池１１１による発電の原理の概略は、次のとおりである。色素に光が照射されると、色素分子の電子が励起されて半導体の伝導帯に入る。この電子は、第１電極１１３および第２電極１１５の一方へ移動し、外部回路へ取り出される。外部回路を通った電子は、第１電極１１３および第２電極１１５の他方から、電解質を介して、色素分子へと戻る。このようにして、第１電極１１３と第２電極１１５との間に電流が流れる。

図３は、カラーフィルタ基板１１から、アレイ層１１２を抜き出して模式的に示すｘｙ平面図である。アレイ層１１２は、センスライン１１２１と、ゲートライン１１２２と、ＴＦＴ１１２３とを含んでいる。

センスライン１１２１およびゲートライン１１２２は、色素増感太陽電池１１１（図３には図示していない）のそれぞれの周囲に、格子状に形成されている。より具体的には、複数のセンスライン１１２１が、ｘ方向に沿って所定の間隔で形成され、複数のゲートライン１１２２が、ｙ方向に沿って所定の間隔で形成されている。センスライン１１２１のそれぞれは、ｙ方向に延びて線状に形成され、ゲートライン１１２２のそれぞれは、ｘ方向に延びて線状に形成されている。センスライン１１２１とゲートライン１１２２とは、例えば間に層間絶縁膜を挟むことによって、互いに短絡しないように形成されている。

センスライン１１２１とゲートライン１１２２とが交差する箇所に、ＴＦＴ１１２３が形成されている。より具体的には、ＴＦＴ１１２３のソースはセンスライン１１２１に接続され、ＴＦＴ１１２３のゲートはゲートライン１１２２に接続されている。ＴＦＴ１１２３のドレインは、コンタクト１１２３ａを介して、第１電極１１３（図２）に接続されている。

センスライン１１２１およびゲートライン１１２２は、例えばアルミニウム等の金属膜である。センスライン１１２１およびゲートライン１１２２は、ＩＴＯまたはＩＺＯなどの透明導電膜であっても良い。センスライン１１２１およびゲートライン１１２２を透明にすることによって、開口率を大きくすることができる。層間絶縁膜は、例えばＳｉＯ_２の膜である。ＴＦＴ１１２３は、例えばアモルファスシリコンまたはＩＧＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）を含むものを用いることができるが、電子移動度の大きいＩＧＺＯを用いることが好ましい。また、ＴＦＴ１１２３は、透明であることが好ましい。ＴＦＴ１１２３を透明にすることによって、開口率を大きくすることができる。

上述のように、第１電極１１３は、色素増感太陽電池１１１（１１１Ｒ、１１１Ｇ、または１１１Ｂ）と接触している。上記の構成によって、色素増感太陽電池１１１によって発電された電力は、ゲートライン１１２２の電圧がＴＦＴ１１２３の閾値電圧以上の時に限り、センスライン１１２１へ放電される。センスライン１１２１への放電量は、センスライン１１２１と接続された制御回路によって測定することができる。

光センサ内蔵表示装置１は、例えばゲートライン１１２２を線順次駆動することによって、カラーフィルタ基板１１上の全ての色素増感太陽電池１１１の発電量を測定することができる。

再び図２を参照して、ＴＦＴ基板１２は、基板１２０と、アレイ層１２２と、画素電極１２１とを備えている。

基板１２０は、基板１１０と同様に、透光性と絶縁性とを有している。基板１２０は、例えばガラス基板である。基板１２０の表面は、パシベーション膜などでコーティングされていても良い。

基板１２０には、基板１２０側から、アレイ層１２２および画素電極１２１がこの順で形成されている。画素電極１２１は、既述のように、色素増感太陽電池１１１のそれぞれと対向して、マトリクス状に配置されている。アレイ層１２２は、詳しい構成は図示していないが、ソースライン、ゲートライン、層間絶縁膜、およびＴＦＴを含んでいる。

光センサ内蔵表示装置１は、例えばアレイ層１２２のゲートラインを線順次駆動することによって、ＴＦＴ基板１２上の全ての画素電極１２１の電位を制御することができる。

光センサ内蔵表示装置１は、画素電極１２１と第２電極１１５との間の電位差によって、液晶層１３を駆動する。すなわち、第２電極１１５は、色素増感太陽電池１１１の電極としての機能と、画素電極１２１と対になって液晶層１３を駆動する電極としての機能を兼ねている。この構成によれば、製造工程を簡略化することができる。もっとも、光センサ内蔵表示装置１は、第２電極１１５とは別に、画素電極１２１と対になる電極を備えていても良い。また、光センサ内蔵表示装置１は、画素電極１２１間の電位差によって液晶層１３を駆動する方式の構成であっても良い。

なお、カラーフィルタ基板１１のアレイ層１１２の遮光領域（センスライン１１２１、ゲートライン１１２２、およびＴＦＴ１１２３）と、ＴＦＴ基板１２０のアレイ層１２２の遮光領域（ソースライン、ゲートライン、およびＴＦＴ）とは、ｘｙ平面に投影したときに重なるように配置されることが好ましい。これによって、開口率を大きくすることができる。

図４および図５を参照して、光センサ内蔵表示装置１の動作について説明する。図４および図５では、環境からの光およびバックライト１６からの光を矢印によって模式的に示している。

図４は、環境が明るい場合の、光センサ内蔵表示装置１による検知の例を示す模式図である。指９９が光センサ内蔵表示装置１に近づくと、指９９によって、環境から光センサ内蔵表示装置１へ入射する光の一部が遮られる。そのため、指９９がある領域と、指９９がない領域との間で、色素増感太陽電池１１１へ入射する光の量が異なる。これによって、色素増感太陽電池１１１による発電量も異なる。光センサ内蔵表示装置１は、ＴＦＴ１１２３を制御して色素増感太陽電池１１１の発電量を調べ、指９９の位置を検知することができる。

図５は、環境が暗い場合の、光センサ内蔵表示装置１による検知の例を示す模式図である。指９９が光センサ内蔵表示装置１に近づくと、指９９によって、光センサ内蔵表示装置１から出射された光の一部が反射される。そのため、指９９がある領域と、指９９がない領域との間で、色素増感太陽電池１１１へ入射する光の量が異なる。これによって、指９９の位置を検知することができる。なお、黒い画面を表示した場合であっても、光センサ内蔵表示装置１からは僅かに表示光が出射している。そのため、光センサ内蔵表示装置１は、黒い画面を表示している場合であっても、指９９によって反射される光を検知して、指９９の位置を検知することができる。

図４および図５のいずれの場合も、バックライト１６から色素増感太陽電池１１１に入射する光の量は、表示させる画像によらず一定である。既述のように、光センサ内蔵表示装置１は、液晶層１３を駆動して画像を表示する。しかし、光センサ内蔵表示装置１を通過する光の量は、偏光板１５、液晶層１３、および偏光板１４の全てを通ることではじめて調整される。したがって、バックライト１６から偏光板１５および液晶層１３を通って色素増感太陽電池１１１に入射する光の量は、表示させる画像によらず一定である。同様に、環境から偏光板１４を通って色素増感太陽電池１１１へ入射する光の量も、表示させる画像によらず一定である。

図４および図５では、指９９は光センサ内蔵表示装置１に接触している。しかし、指９９は、環境からの光を遮ったり、または光センサ内蔵表示装置１からの光を反射したりすることで検知される。そのため、指９９が光センサ内蔵表示装置１に接触していなくても検知できるように、光センサ内蔵表示装置１を構成することも可能である。

上記では、光センサ内蔵表示装置１によって、指９９の位置を検出する例を説明した。光センサ内蔵表示装置１は、指９９に限らず、色素増感太陽電池１１１が吸収する波長帯の光を遮ったり反射したりするあらゆる物体の位置を検知することができる。また、位置の検知に限らず、例えば、光センサ内蔵表示装置１に近接している物体の形を認識したり、撮影したりすることも可能である。

図６は、本実施形態の効果を説明するための仮想的な比較例にかかる光センサ内蔵表示装置９の構成の一部を模式的に示す斜視図である。光センサ内蔵表示装置９は、カラーフィルタ基板１１に代えて、カラーフィルタ基板９１を備えている。

カラーフィルタ基板９１には、顔料分散レジストからなるカラーフィルタ９１１が、規則的に配置されている。カラーフィルタ９１１は、赤色、緑色、および青色の顔料をそれぞれ分散させたカラーフィルタ９１１Ｒ、９１１Ｇ、および９１１Ｂを含んでいる。光センサ内蔵表示装置９では、複数のカラーフィルタ９１１によって着色層Ｃ９が形成されている。カラーフィルタ９１１のそれぞれは、画素電極１２１と平面視において重なるように配置されている。

光センサ内蔵表示装置９は、光センサ内蔵表示装置１と同様に、画素電極１２１の電位を制御することによって液晶層１３を駆動して画像を表示する。そして、着色層Ｃ９によって光を着色して、カラー画像を表示することができる。

カラーフィルタ基板９１には、カラーフィルタ９１１に加えて、光センサ９１６が規則的に配置されている。光センサ９１６は、光センサ内蔵表示装置９に接近した物体を検知する。図６に示すように、光センサ内蔵表示装置９では、光センサ９１６によって、カラーフィルタ９１１の面積が減少している。これによって、光センサ内蔵表示装置９の画素領域が狭くなっている。すなわち、光センサ９１６によって、開口率が低下している。

再び図１を参照して、本実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置１では、着色層Ｃ１は、色素増感太陽電池１１１によって形成されている。すなわち、本実施形態では、着色層Ｃ１が光センサの機能を兼ねている。この構成によって、画素領域を狭くすることなく、光センサを形成することができる。すなわち、本実施形態によれば、開口率を大きくすることができる。開口率を大きくすることで、輝度を高くすることができる。また、所定の輝度を得るための消費電力を低くすることができる。

光センサ内蔵表示装置９では、光センサ９１６の面積を広くすれば開口率が低下し、光センサ９１６の面積を狭くすれば検知感度が低下する。これに対し、光センサ内蔵表示装置１では、画素領域の概略全面に色素増感太陽電池１１１を形成することが可能である。これによって、高い開口率と、高い検知感度とを両立することができる。

以上のように、本実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置１によれば、輝度を高く、消費電力を低くすることができる。

また、光センサ内蔵表示装置１は、不可視光線（赤外線など）を使わずに検知を行うことができる。不可視光線を使わないことによって、バックライト１６の構成を簡略化でき、コストを低減することができる。もっとも、光センサ内蔵表示装置は、不可視光線を使って検知を行っても良い。

［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置２の構成の一部を抜き出して模式的に示すｘｚ断面図である。光センサ内蔵表示装置２は、カラーフィルタ基板１１に代えて対向基板２１を、ＴＦＴ基板１２に代えてＴＦＴ基板２２を備えている。

本実施形態では、色素増感太陽電池１１１によって構成される着色層Ｃ１は、ＴＦＴ基板２２に形成されている。

対向基板２１は、基板１１０と、対向電極２１１とを備えている。対向電極２１１は、基板１１０の概略全面に、一様に形成されている。対向電極２１１は、例えばＩＴＯまたはＩＺＯの膜であり、ＣＶＤまたはスパッタリングによって成膜される。

ＴＦＴ基板２２は、基板１２０、第２電極１１５、色素増感太陽電池１１１Ｒ、１１１Ｇ、および１１１Ｂ、第１電極１１３、保護膜１１４、アレイ層２２２、および画素電極１２１を備えている。

基板１２０には、基板１２０側から第２電極１１５、色素増感太陽電池１１１（１１１Ｒ、１１１Ｇ、または１１１Ｂ）、第１電極１１３、アレイ層２２２、画素電極１２１が、この順で形成されている。なお、光センサ内蔵表示装置１の場合と同様に、色素増感太陽電池１１１の隙間には、アクリル樹脂などからなる保護膜１１４が形成されている。

本実施形態においても、色素増感太陽電池１１１と画素電極１２１とは、平面視において互いに重なるように形成されている。なお、光センサ内蔵表示装置１の場合と同様に、平面視において色素増感太陽電池１１１の輪郭と画素電極１２１の輪郭とが一致している必要はなく、少なくとも一部が重なっていれば良い。

図８は、ＴＦＴ基板２２から、アレイ層２２２を抜き出して模式的に示すｘｙ平面図である。アレイ層２２２は、センスライン１１２１と、ゲートライン１１２２と、ソースライン２２２１と、ＴＦＴ１１２３および２２２２とを含んでいる。

センスライン１１２１、ソースライン２２２１、およびゲートライン１１２２は、画素電極１２１および色素増感太陽電池１１１（図８には図示していない）のそれぞれの周囲に、格子状に形成されている。より具体的には、複数のセンスライン１１２１およびソースライン２２２１が、ｘ方向に沿って交互に所定の間隔で形成され、複数のゲートライン１１２２が、ｙ方向に沿って所定の間隔で形成されている。センスライン１１２１およびソースライン２２２１のそれぞれは、ｙ方向に延びて線状に形成され、ゲートライン１１２２のそれぞれは、ｘ方向に延びて線状に形成されている。センスライン１１２１とゲートライン１１２２と、およびソースライン２２２１とゲートライン１１２２とは、例えば間に層間絶縁膜を挟むことによって、互いに短絡しないように形成されている。なお、ソースライン２２２１は、例えばアルミニウム等の金属膜である。ソースライン２２２１は、ＩＴＯまたはＩＺＯなどの透明導電膜であっても良い。センスライン１１２１、ソースライン２２２１、およびゲートライン１１２２を透明にすることによって、開口率を大きくすることができる。

光センサ内蔵表示装置１の場合と同様に、センスライン１１２１とゲートライン１１２２とが交差する箇所に、ＴＦＴ１１２３が形成されている。より具体的には、ＴＦＴ１１２３のソースはセンスライン１１２１に接続され、ＴＦＴ１１２３のゲートはゲートライン１１２２に接続されている。ＴＦＴ１１２３のドレインは、コンタクト１１２３ａを介して、第１電極１１３（図７）に接続されている。

本実施形態ではさらに、ソースライン２２２１とゲートライン１１２２とが交差する箇所に、ＴＦＴ２２２２が形成されている。より具体的には、ＴＦＴ２２２２のソースはソースライン２２２１に接続され、ＴＦＴ２２２２のゲートはゲートライン１１２２に接続されている。ＴＦＴ２２２２のドレインは、コンタクト２２２２ａを介して、画素電極１２１（図７）に接続されている。なお、ＴＦＴ２２２２は、ＴＦＴ１１２３と同様に透明であることが好ましい。ＴＦＴ２２２２を透明にすることによって、開口率を大きくすることができる。

本実施形態では、例えばゲートライン１１２２を線順次駆動することによって、ソースライン２２２１から画素電極１１２１へと所定の信号を供給する。また、色素増感太陽電池１１１が発電した電力をセンスライン１１２１へ放電させる。なお、画素電極１１２１への信号の供給と、色素増感太陽電池１１１の発電量の測定とは、同時に行っても良いし、異なるタイミングで行っても良い。

ＴＦＴ１１２３および２２２２のゲートは、ともにゲートライン１１２２に接続されている。すなわち、ＴＦＴ１１２３および２２２２が、ゲートライン１１２２を共用している。このようにゲートラインを共通にすることによって、配線の数を減らし、開口率を高くすることができる。しかし、配線の構造は任意である。ＴＦＴ１１２３とＴＦＴ２２２２とに、個別にゲートラインを形成しても良い。

図９Ａ〜図９Ｄを参照して、本実施形態の効果を説明する。

図９Ａおよび図９Ｂは、比較例にかかる光センサ内蔵表示装置９の構成から、カラーフィルタ９１１、画素電極１２１、ならびにアレイ層１２２のソースラインＳＬおよびゲートラインＧＬを抜き出して模式的に示す斜視図である。図９Ａは、カラーフィルタ９１１と画素電極１２１との位置関係が標準の場合を、図９Ｂは、最大公差の場合を、それぞれ示している。

光センサ内蔵表示装置９では、カラーフィルタ９１１はカラーフィルタ基板９１に、画素電極１２１はＴＦＴ基板１２に、それぞれ形成されている（図６を参照）。光センサ内蔵表示装置９は、カラーフィルタ基板９１とＴＦＴ基板１２とを貼り合せて形成される。そのため、公差が大きい（例えば±数μｍ）。図９Ｂに示すように、光センサ内蔵表示装置９には、マージン確保のための遮光領域ＭＧが設けられている。マージンがないと、色味ズレおよび液晶の配向ズレなどの不具合が起こりやすくなるからである。

図９Ｃおよび図９Ｄは、本実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置２の構成から、色素増感太陽電池１１１、画素電極１２１、ならびにアレイ層２２２のセンスライン１１２１、ゲートライン１１２２、およびソースライン２２２１を抜き出して模式的に示す斜視図である。図９Ｃは、色素増感太陽電池１１１と画素電極１２１との位置関係が標準の場合を、図９Ｄは、最大公差の場合を、それぞれ示している。

光センサ内蔵表示装置２では、色素増感太陽電池１１１および画素電極１２１はともに、ＴＦＴ基板２２に形成されている（図７を参照）。そのため、光センサ内蔵表示装置９と比較して、公差を小さくすることができる（例えば±１μｍ以下）。これによって、光センサ内蔵表示装置２では、マージン確保の必要がない。そのため、開口率を高くすることができる。

以上のように、本実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置２によれば、輝度をより高く、消費電力をより低くすることができる。なお、本実施形態においても、バックライト１６は、対向基板２１側に配置されていても良い。

［第３の実施形態］
図１０は、本発明の第３の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置３の構成の一部を模式的に示す斜視図である。光センサ内蔵表示装置３は、光センサ内蔵表示装置１のカラーフィルタ基板１１に代えて、カラーフィルタ基板３１を備えている。

カラーフィルタ基板３１には、色素増感太陽電池１１１に加えて、透過領域３１１が、ｘ方向およびｙ方向に沿ってマトリクス状に配置されている。透過領域３１１は、光を着色せず、殆どそのまま透過させる。本実施形態では、複数の色素増感太陽電池１１１および複数の透過領域３１１が、着色層Ｃ２を形成している。

色素増感太陽電池１１１および透過領域３１１と画素電極１２１とは、ｘｙ平面に投影したときに、互いに重なるように配置されている。換言すれば、色素増感太陽電池１１１および透過領域３１１は、平面視において画素電極１２１と重なるように配置されている。

図１０では、色素増感太陽電池１１１Ｒ、１１１Ｇ、および１１１Ｂ、ならびに透過領域３１１は、ｘ方向に沿って順番に配置されている。この配置は例示であって、色素増感太陽電池１１１および透過領域３１１の配置方法はこれに限定されない。また、色素増感太陽電池１１１によって着色される色の組み合わせは、赤、緑、および青に限定されず、任意の色の組み合わせが可能である。また、２種類以下または４種類以上の色素増感太陽電池１１１を組み合わせても良い。

図１１を参照して、本実施形態の効果を説明する。図１１は、光センサ内蔵表示装置３の構成の一部を抜き出して模式的に示すｘｚ断面図である。

図１１に示すように、透過領域３１１には、色素増感太陽電池１１１および第１電極１１３は形成されていない。図１１では、透過領域３１１は、保護膜１１４によって構成されている。しかし、透過領域３１１は、保護膜１４とは別の透光性材料によって形成されていても良い。

図１１に矢印によって模式的に示すように、バックライト１６から照射された光は、光センサ内蔵表示装置３の前面から出射される。このとき、矢印の太さによって模式的に示すように、色素増感太陽電池１１１（１１１Ｒ、１１１Ｇ、または１１１Ｂ）を通る光は、色素増感太陽電池１１１によって一部吸収され、輝度が低下する。一方、透過領域３１１を通る光は、殆どそのまま透過する。このため、透過領域３１１を通る光は、色素増感太陽電池１１１を通る光と比較して、輝度が高い。

既述のように、環境が暗い場合、光センサ内蔵表示装置３は、バックライト１６から照射され、指９９によって反射される光によって指９９の位置を検知する。色素増感太陽電池１１１を通る光は輝度が低下するため、指９９から反射される光の輝度も低下する。そのため、検知感度が低下する場合がある。本実施形態では、透過領域３１１によって、指９９へ照射される光の輝度が高くなり、指９９から反射される光の輝度も高くなる。これによって、高い検知感度が得られる。

透過領域３１１は、白色表示を行う画素としても機能する。透過領域３１１は、光センサ内蔵表示装置３の透過率向上にも寄与する。

以上のように、本実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置３によれば、検知感度を高くすることができる。また、輝度をより高く、消費電力をより低くすることができる。なお、本実施形態においても、バックライト１６は、カラーフィルタ基板３１側に配置されていても良い。

［その他の実施形態］
以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の各実施形態に限定されず、発明の範囲内で種々の変更または組み合わせが可能である。例えば、第２の実施形態にかかる光センサ内蔵表示装置２において、着色層Ｃ１に代えて着色層Ｃ２を形成しても良い。

本発明は、光センサ内蔵表示装置として産業上の利用が可能である。

１，２，３，９ 光センサ内蔵表示装置
１１，３１，９１ カラーフィルタ基板
２１ 対向基板
１２，２２ ＴＦＴ基板
１３ 液晶層
１４，１５ 偏光板
１６ バックライト
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ９ 着色層
１１０，１２０ 基板
１１１，１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂ 色素増感太陽電池
２１１ 対向電極
３１１ 透過領域
９１１，９１１Ｒ，９１１Ｇ，９１１Ｂ カラーフィルタ
１１２，１２２，２２２ アレイ層
１１３ 第１電極（取出電極）
１１４ 保護膜
１１５ 第２電極（共通電極）
１２１ 画素電極
９１６ 光センサ

Claims (15)

1. 第１基板と、
   前記第１基板に対向して配置された第２基板と、
   前記第１基板および前記第２基板に挟持された液晶層と、
   前記第１基板および前記第２基板のいずれかに形成された複数の画素電極と、
   前記第１基板および前記第２基板のいずれかに形成された着色層とを備え、
   前記着色層は、平面視において前記画素電極と重なるように配置された、複数の色素増感太陽電池を光センサとして含む、光センサ内蔵表示装置。
2. 前記着色層は、吸収する光の波長帯の異なる２種類以上の色素増感太陽電池を含む、請求項１に記載の光センサ内蔵表示装置。
3. 前記着色層は、平面視において前記画素電極と重なるように配置され、光を着色せずに透過させる透過領域をさらに含む、請求項１または２に記載の光センサ内蔵表示装置。
4. 前記画素電極および前記着色層はともに、前記第１基板および前記第２基板の一方に形成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光センサ内蔵表示装置。
5. 前記画素電極は前記第１基板及び前記第２基板の一方に形成され、
   前記着色層は前記第１基板および前記第２基板の他方に形成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光センサ内蔵表示装置。
6. 複数の前記色素増感太陽電池と接して形成された共通電極をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光センサ内蔵表示装置。
7. 複数の前記色素増感太陽電池と接して形成された共通電極をさらに備え、
   前記画素電極と前記共通電極との間の電位差によって前記液晶層を駆動する、請求項５に記載の光センサ内蔵表示装置。
8. 前記色素増感太陽電池から信号を取り出す取出電極と、
   前記着色層が形成された基板に形成され、前記取出電極に電気的に接続された薄膜トランジスタを含むアレイ層とをさらに備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光センサ内蔵表示装置。
9. 前記薄膜トランジスタが透明である、請求項８に記載の光センサ内蔵表示装置。
10. 前記アレイ層は、
    前記薄膜トランジスタに電気的に接続されたセンスラインと、
    前記薄膜トランジスタに電気的に接続されたゲートラインとをさらに含み、
    前記センスラインおよび前記ゲートラインが透明である、請求項８または９に記載の光センサ内蔵表示装置。
11. 前記画素電極に電気的に接続された画素制御薄膜トランジスタをさらに備え、
    前記薄膜トランジスタと前記画素制御薄膜トランジスタとは、平面視において重なるように配置される、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の光センサ内蔵表示装置。
12. 前記色素増感太陽電池から信号を取り出す取出電極と、
    前記画素電極および前記着色層が形成された基板に形成されたアレイ層とをさらに備え、
    前記アレイ層は、
    前記取出電極に電気的に接続された第１薄膜トランジスタと、
    前記画素電極に電気的に接続された第２薄膜トランジスタとを含む、請求項４に記載の光センサ内蔵表示装置。
13. 前記第１薄膜トランジスタおよび前記第２薄膜トランジスタが透明である、請求項１２に記載の光センサ内蔵表示装置。
14. 前記アレイ層は、
    前記第１薄膜トランジスタに電気的に接続されたセンスラインと、
    前記第２薄膜トランジスタに電気的に接続されたソースラインと、
    前記第１薄膜トランジスタおよび前記第２薄膜トランジスタに接続されたゲートラインとをさらに含む、請求項１２または１３に記載の光センサ内蔵表示装置。
15. 前記センスライン、前記ソースライン、および前記ゲートラインが透明である、請求項１４に記載の光センサ内蔵表示装置。

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