JP3201990B2 - ちらつきのない反射性液晶セル - Google Patents
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Description
によって通常は駆動される、反射型液晶セルに関する。
(AMLCD)には、透過型と反射型がある。透過型A
MLCDの基本構造は、図1に示すように、偏光子10
1、102、ガラス基板103、104、透明導電電極
105、106、カラーフィルタ108(任意選択)、
オン/オフ・トランジスタ・スイッチ109、及び2個
の透明導電電極105と106の間に挟んだ液晶(L
C)媒体110からなる。バックライト光源107が表
示パネルを下から照明する。ラビング処理を施したポリ
イミド被膜などの位置合せ層(図示せず)が通常はLC
媒体110と透明導電電極105、106の間に配設さ
れる。透明型AMLCDは通常は、反復する単位セルま
たは画素からなる。図1には3×3画素マトリックスを
示す。
図1と同じ意味をもつ。キャパシタ110は、2枚の透
明導電電極105と106の間に挟んだLC媒体のキャ
パシタンスを表す。キャパシタ120は、LCキャパシ
タンス111と並列なキャパシタンスをもたらし、ディ
スプレイ中の全ての記憶キャパシタに共通の線121上
で終端する、記憶キャパシタンスを表す。記憶キャパシ
タのもう一つの代替設計は、電極106とゲート・バス
線107の間に配設された記憶キャパシタ122であ
る。
上に印加されるとき、トランジスタ109はオフ状態に
あり、したがってデータ・バス線108上と電極106
上の電位は互いに分離される。閥値電圧よりも高い電圧
がゲート・バス線107上に印加されるとき、トランジ
スタ109はオン状態(低インピーダンス状態)であ
り、したがってデータ・バス線108上の電圧が電極1
06を充電できるようになる。データ・バス線108上
に印加される電圧は変動することができ、したがって電
圧106には様々な電圧が印加される。電極106にか
かる電圧を変化させて、液晶中を透過する光の量が異な
るように液晶セル111を制御すると、グレイ・スケー
ル光の表示が得られる。
CDに類似しているが、通常は透明導電性電極106の
代わりに反射性金属電極が使用され、これは通常、トラ
ンジスタ109を覆うより大きな面積を占める。反射型
AMLCDの場合もバックライト光源107は不要であ
り、その代わりに周囲光または他の光源で表示パネルを
上から照明する。
は、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジ
ウムスズ(ITO)などいくつかの材料が使用される。
ITOは、可視光中で透明性に優れ、適切な導電性を有
し、工程が安価なので好ましい選択肢である。ITO電
極のもう一つの利点は、LC媒体及びLC位置合せ層に
対して不活性なことである。
と106を共にITOで構成することができる。この状
況では、ITO電極はLC媒体の抵抗率を低下させるた
めにLC媒体に余分のイオン化可能不純物を導入しな
い。LC媒体の抵抗率を特徴付ける1つの方法は、2つ
の電極間でのLC媒体の電荷保持を測定することであ
る。電荷保持を測定するため、記憶キャパシタ120
(または記憶キャパシタ122あるいはその両者)は、
LCキャパシタンス111に比べてそのキャパシタンス
が無視できるように設計する。トランジスタ109がオ
ンになり、LCキャパシタンス111は60マイクロ秒
以内に交互に±5Vにまで充電される。次いでトランジ
スタ109はオフになり、電極106の電圧は時間の関
数として測定される。電極106の電圧の低下は、主と
してLC媒体110中に存在するイオン化可能な不純物
によって引き起こされる。電極106における電圧の小
さな低下は、ITO電極105、106がLC媒体11
0中に入ったイオン化可能な不純物の量に寄与する分が
無視できることを暗示している。
明導電性電極106の代わりに反射性金属電極が使用さ
れる。透明電極105は通常ITOで形成され、反射性
電極106は通常アルミニウムまたは銀あるいはそれら
の合金の1つから形成される。このような装置では、反
射性LCセルの電荷保持性能が著しく低下する。この電
圧低下は、LC媒体110内に存在するかなりの量のイ
オン化可能不純物によって生じる。このイオン化可能不
純物の大部分は、隣接するLC媒体を汚染させると思わ
れる反射性電極によるものである。さらに、反射性電極
による汚染の量は表示パネル全体にわたって均一ではな
く、ある場所ではグレイ・スケールを表示し、別の場所
では感知可能なちらつきを表示するとき不正確さを生じ
る恐れがある。
極106は透明導電性電極105とは異なる金属材料で
できている。各導電材料はそれ自体の仕事関数を有す
る。反射性電極106と透明導電性電極105の仕事関
数の違いから、パネルのある場所で感知可能なちらつき
が生じる。さらに具体的に、いくつかの普通の導電材料
の仕事関数を表Iに示す。表Iから、ITOの仕事関数
は4.7eVであり、Alの仕事関数とは0.29eV
以上異なる。反射性電極106と透明導電性電極105
の仕事関数の違いが、所与の時点でLCDパネル全体を
通して均一に打ち消せないので、パネルのある場所で感
知可能なちらつきが生じる。
射率と、グレイ・スケール表示の正確さを有し、表示パ
ネル全体にわたって感知可能なちらつきのない、反射型
AMLCDを提供する。
酸化シリコンなどの絶縁皮膜で不動態化することのでき
る、AMLCD用の反射性液晶セルを記述する。さら
に、本発明の液晶セルは、セル中の反射性電極の仕事関
数と実質上等しい仕事関数を有する導電性透明電極を含
むことができる。この反射性電極は、ITOなどの透明
導電層を含むものでもよく、また整数の被覆対を含むも
のでもよく、この被膜対は屈折率の低い第1の誘電被膜
と屈折率の高い第2の誘電被膜を備える。
と、本発明が実施できる反射型AMLCDの構造の一例
が示されている。反射型AMLCDのこの特定の構造
は、本発明の実施を制限するものと解釈すべきではない
ことに留意されたい。反射型AMLCDは基板1上でフ
ィールド酸化膜12によって画定される複数の領域のそ
れぞれ中に形成された電界効果トランジスタ(FET)
を含む。基板1はシリコンなどの半導体材料、ガラス材
料、あるいはポリマー材料でよい。このFETは下記の
構成を有する。シリコン基板1上にゲート絶縁膜2が形
成される。ゲート絶縁膜2は、厚さ150〜500オン
グストロームのSiO2層を備えることが好ましい。ゲ
ート絶縁膜2上にゲート電極4が形成される。ゲート電
極は厚さ0.44ミクロンのポリシリコン層を備えるこ
とが好ましい。シリコン基板1のゲート電極4の両側に
ある領域にドレイン領域6とソース領域8が形成され
る。シリコン基板1のゲート電極4の下側にチャネル領
域10が形成される。
を含む層間絶縁膜14が形成され、層間絶縁膜14上に
記憶キャパシティ線16が形成される。得られた構造上
に、たとえば酸化シリコンを含む層間絶縁層18が形成
される。層間絶縁膜14及び18中に、ドレイン領域6
とソース領域8を露出させるコンタクト・ホールがエッ
チングされる。層間絶縁膜18上にデータ線20とソー
ス線22が形成され、それぞれ絶縁膜14及び18中に
エッチングされたコンタクト・ホールを介してドレイン
領域6及びソース領域8に接続される。データ線20及
びソース線22はアルミニウム(Al)を含むことが好
ましく、厚さ0.7ミクロンである。
を含む層間絶縁膜24が形成される。次いで絶縁膜24
上に光吸収層26が形成される。光吸収層26は次のよ
うな三層構造を含むことが好ましい。すなわち、上層の
窒化チタン(TiN)層、中間層のアルミニウム(A
l)層、下層のチタン(Ti)層である。この例では、
三層構造は厚さ160nmとすることが好ましく、下層
のチタン(Ti)層は厚さ100オングストローム、中
間のAl層は厚さ1000オングストローム、上層の窒
化チタン(TiN)層は厚さ500オングストロームで
ある。この構造は、透過率が0%で光がTFTへ透過す
るのを妨げ、反射率が25%で光を反射させる、380
〜700オングストロームの特性波長を有する光吸収層
を提供する。すなわち、光吸収層26は、イメージのコ
ントラストを改善し、FET内の漏れ電流を防止する働
きをする。
成される。窒化ケイ素被膜28は厚さ400〜500n
mにすることが好ましい。窒化ケイ素被膜28上に光反
射膜32が形成される。光反射膜32はアルミニウムを
含むことが好ましく、厚さ150nmである。ソース線
22と光反射膜32がたとえばタングステン(W)スタ
ッド30を介して互いに接続される。このタングステン
・スタッドは、被膜24と28を貫通する穴を形成し、
次いでたとえば化学的気相付着(CVD)技法を使って
タングステンを付着させて、穴をタングステンで充填す
ることによって形成することができる。光吸収層26は
タングステン・スタッド30の周りで、それに電気的に
接続されないように開口している。
2が形成される。光反射膜32は柱状のスペーサ34に
よりたとえば0.5〜1.7ミクロンの指定間隔で隔離
されている。スペーサ間の区域がサブピクセルを構成す
る。スペーサ34はSiO2から構成することが好まし
い。スペーサの高さは1〜5ミクロンの範囲が好まし
く、所望のセル・ギャップを決定する。スペーサ34
は、光反射膜32の間に膜32上に乗らないように位置
し、その幅は光反射膜32間の間隔にほぼ等しい。これ
は柱状スペーサ34のためにサブピクセルの開口数が減
少するのを防止する。所定のセル・ギャップを保持する
ために複数個のスペーサ34を指定の間隔で設けること
が好ましい。
成される。透明電極38は酸化インジウムチタン(IT
O)を含むことが好ましい。透明電極層38は柱状スペ
ーサ34に接続される。光反射膜32と反対側の電極3
8の間にボイド36が形成される。ボイド36は液晶材
料で充填され封止される。液晶分子は配向膜(図示せ
ず)で配向させることが好ましい。
クスの絵画図である。図に示すように、柱状スペーサ3
4が光反射膜32の間の領域に指定の間隔で形成され
る。この例では、サブピクセルを形成する光反射膜32
は正方形で、四辺が7ミクロンである。このサブピクセ
ルは図のような行と列のマトリックスとして配列するこ
とが好ましい。たとえばサブピクセルを1,280行、
1,600列のマトリックスに配列することができる。
ス保護基板40から入った光を反射し、また液晶層36
に電圧を印加するための表示電極としても機能する。F
ETは、ゲート4がオンになったとき、データ線20に
供給された信号電圧を光反射膜32の表示電極に印加す
るためのスイッチング素子として機能する。サブピクセ
ルから放出される光の量は、セルの透過率を変えること
によって制御される。より具体的には、セルの透過率に
よって、ガラス保護基板40から入り、液晶セル中を透
過して光反射膜32で反射され、戻って液晶セル中を透
過し、ガラス保護基板40から出口に行く光の量が制御
される。液晶材料の透過率は、1)FETがオンになっ
たとき光反射膜32の表示電極に供給される電圧を変化
させることによって、液晶分子(図示せず)の方向を変
化させ、2)反対側の電極38に供給される電圧を変化
させることによって制御される。
善する。
金属層32上に不動態層50が形成され、図5に示すよ
うに反射性金属層32とLC媒体36の間に配設され
る。不動態層50は酸化シリコンとすることが好まし
い。反射性金属層32は、アルミニウム(もしくはアル
ミニウム合金)または銀(もしくは銀合金)を含むこと
が好ましい。反射性金属層32がアルミニウムを含む場
合は、不動態層50を付着する間、アルミニウム反射層
32でのヒルロックの形成を軽減させるために温度を約
300℃以下にすべきである。酸化シリコン不動態層5
0は、プラズマ強化化学的気相付着法、常圧化学的気相
付着法、低圧化学的気相付着法、及びスパッタ法を用い
て付着させることができる。酸化シリコン不動態層50
はまた、オルトケイ酸エチルなどの化学薬品を含む溶液
に基板を浸漬して調製することもできる。次いで基板を
溶液から引き上げ、約300℃より低い高温で焼成して
酸化シリコン不動態層50を形成する。さらに、酸化シ
リコン不動態層50の厚さは、20〜320nmの間と
することが好ましい。厚さを79nmまたは267nm
にすると、入射光に180゜の位相シフトを生じ、反射
性金属層32からの反射によって生じる位相変化が打ち
消されるので、最大のセル反射率が達成される。
金属層32及び反対側の電極38の材料は、反射性金属
層32と反射側の電極38の仕事関数が大体等しくなる
ように選択する。反射型AMLCDでは、反射性金属層
32の材料は、その反射率ができるだけ高くなるように
選択すべきである。その上、反対側の電極38には透明
導電材料を選ばなければならない。アルミニウム及び銀
ならびにその合金が反射率が高く、したがって反射性金
属層32に使用することができ、反対側の電極38には
ITOを使用することが好ましい。表Iに示すように、
銀の仕事関数は範囲が広く(4.36〜4.74e
V)、ITOの仕事関数(4.7eV)と一致する。し
かし、銀は比較的不安定で処理が難しい。したがって、
反射性金属層32としてアルミニウムを使用することが
好ましい。この場合、アルミニウムの仕事関数は、IT
Oの仕事関数(4.7eV)より低い範囲(4.06〜
4.41eV)にある。本発明の第1の実施形態におい
て先に述べたように、アルミニウム反射層32とLC媒
体36の間に不動態層50を形成することができる。し
かし、この状況では、アルミニウム反射層32とITO
電極38の間で仕事関数に差がある。このようなアルミ
ニウム反射層32と電極38の仕事関数の差はちらつき
を生じる可能性がある。
関数を大体等しくし、それによってちらつきを避けるた
めに、1層または複数層の透明導電材料の層と、できれ
ば誘電材料の層をアルミニウム反射層32と反対側の電
極38の間に配設することができる。
ム反射層32上にITO層52を形成し、アルミニウム
反射層32とLC媒体36の間に配設することができ
る。この場合、ITO層52の厚さは大体所与の入射光
の半波長板になるように選ぶことが好ましい。たとえ
ば、入射光の波長が550nmの場合、ITO層52は
140nmとなるように選ぶことが好ましい。半波長板
のより詳しい議論は、American Institute of physics
Handbook、第3版(1972年)、MacGraw-Hill Compa
ny、pp.6-118〜6-128に記載されている。その全体を参
照により本明細書に合体する。
層及び透明導電層が反射性金属層32上に形成され、反
射性金属層32とLC媒体36の間に配設される。図7
に示すように、単一の誘電材料層54と透明導電層56
が反射性金属層32上に形成され、反射性金属層32と
LC媒体36の間に配設される。層54は酸化シリコン
被膜とすることが好ましく、透明導電層56はITOを
含むことが好ましい。透明導電層56はバイア・ホール
58を介して反射性金属層32に電気的に接続すること
が好ましい。バイア・ホール58の幅は透明導電層56
の厚さと大体同じであることが好ましい。セルに衝突す
る入射光の波長が与えられている場合、より高い反射率
が得られるように層54及び56の厚さを最適化するこ
とができる。たとえば、二酸化シリコン層54及びIT
O層56を、それぞれ厚さ79nm及び72nmに形成
することができる。別法ではITO層56の代わりに、
SiNやTiO2など屈折率の高い非導電性絶縁透明膜
を使用することもできる。この場合、バイア・ホール5
8は省略できる。
(2つを601、602として示す)及び透明導電層62
が反射性金属層32上に形成され、反射性金属層32と
LC媒体36の間に配設される。反射性金属層32に隣
接して配設された第1の誘電層601は屈折率が低く、
第2の誘電層602は屈折率が高い。第1の誘電膜の対
601、602の上面に、交互に低い屈折率と高い屈折率
をもつ誘電層の対を追加して形成することもできる。こ
の誘電膜対の数は、任意に選んだ整数とすることができ
る。高い反射率を得るため、各誘電膜の厚さは、所与の
入射光の四分の一波長板と大体等価になるように選ぶ。
四分の一波長板のより詳しい議論は、American Institu
te of physics Handbook、第3版(1972年)、MacG
raw-Hill Company、pp.6-118〜6-128に記載している。
その全体を参照により本明細書に合体する。層601、
602、...の誘電材料は、二酸化シリコン被膜を含
むことが好ましく、透明導電層62はITOを含むこと
が好ましい。透明導電層62はバイア・ホール64を介
し誘電層のスタック601、602を経由して反射性金属
層32に電気的に接続することが好ましい。別法では、
ITO層62の代わりに、SiNやTiO2など屈折率
の高い非導電性絶縁透明膜を使用することもできる。こ
の場合、バイア・ホール64は省略できる。
調器の一部として使用することができる。空間光変調器
の一例を図9に示す。光は光源82から発して直線偏光
された後、偏光ビーム・スプリッタ84で反射され、色
分離プリズム86に入ってそこで三原色すなわち赤
(R)、緑(G)、青(B)に分離され、次いでそれぞ
れが液晶セル88、90、92に入る。本発明の反射型
液晶光セルは光セル88、90、92に使用される。光
の輝度は各反射型液晶光バルブによって各サブピクセル
に応じて変調され、次いで反射されて再度光分離プリズ
ム86に入る。この段階で、出て来た光の偏光は元の偏
光に対して直角であり、再度偏光ビーム・スプリッタ8
4を通過し、投射レンズ94に入る。したがって、反射
型液晶光セルから出力されるイメージは拡大されてスク
リーン96上に投影される。
慮及び本明細書に開示した発明の実施から当業者には明
らかになろう。明細書及び例は単なる例と見なすべきも
のであり、本発明の真の範囲は特許請求の範囲によって
指示される。
の事項を開示する。
記透明電極層と前記反射性電極層の間に配設された液晶
材料と、前記反射性電極層上に配設され、前記液晶材料
と前記反射性電極層の間に配設された少なくとも1層の
不動態層とを備える、液晶表示装置用の液晶セル。 (2)前記不動態層が酸化ケイ素を含むことを特徴とす
る、上記(1)に記載の液晶セル。 (3)前記不動態層の厚さが20〜320nmであるこ
とを特徴とする、上記(2)に記載の液晶セル。 (4)前記反射性電極層がアルミニウムと銀のどちらか
一方を含むことを特徴とする、上記(1)に記載の液晶
セル。 (5)前記液晶セルが空間光変調装置内で使用されるこ
とを特徴とする、上記(1)に記載の液晶セル。 (6)透明電極層と、反射性電極層と、前記透明電極層
と前記反射性電極層の間に配設された液晶材料とを備
え、前記透明電極及び前記反射性電極の仕事関数が大体
等しいことを特徴とする、液晶表示装置用の液晶セル。 (7)前記反射性電極が透明導電層と反射性金属層を備
えることを特徴とする、上記(6)に記載の液晶セル。 (8)前記反射性金属層がアルミニウムを含むことを特
徴とする、上記(6)に記載の液晶セル。 (9)前記透明導電層がITOを含むことを特徴とす
る、上記(8)に記載の液晶セル。 (10)前記透明導電層の厚さが、所定の入射光に対す
るほぼ半波長板であることを特徴とする、上記(7)に
記載の液晶セル。 (11)前記反射性電極が、透明導電層と反射性金属層
の間に配設された少なくとも1層の誘電材料を含むこと
を特徴とする、上記(6)に記載の液晶セル。 (12)前記透明導電層がITOを含むことを特徴とす
る、上記(11)に記載の液晶セル。 (13)前記誘電材料が二酸化ケイ素を含むことを特徴
とする、上記(11)に記載の液晶セル。 (14)前記少なくとも1層の誘電材料と前記透明導電
電極の厚さが、反射率が高くなるように最適化されてい
ることを特徴とする、上記(11)に記載の液晶セル。 (15)前記反射性電極が少なくとも1対の誘電材料の
層を含むことを特徴とする、上記(11)に記載の液晶
セル。 (16)前記少なくとも1対の誘電材料の層のうちの第
1の層の屈折率が、前記少なくとも1対の誘電材料の層
のうちの第2の層に比べて低いことを特徴とする、上記
(15)に記載の液晶セル。 (17)前記透明導電層がITOを含み、前記誘電材料
が二酸化シリコンを含むことを特徴とする、上記(1
6)に記載の液晶セル。 (18)前記液晶セルが空間光変調装置内で使用される
ことを特徴とする、上記(6)に記載の液晶セル。
ある。
である。
発明による反射型AMLCDの横断面図である。
発明による反射型AMLCDの横断面図である。
発明による反射型AMLCDの横断面図である。
発明による反射型AMLCDの横断面図である。
調器の絵画図である。
Claims (13)
- 【請求項1】透明電極層と、 反射性電極層と、 前記透明電極層と前記反射性電極層の間に配設された液
晶材料と、 を含んでおり、 前記透明電極層と前記反射性電極層の仕事関数がほぼ等
しくなるように、前記反射性電極層が、透明導電層と反
射性金属層を含んでいる、 液晶表示装置用の液晶セル。 - 【請求項2】前記反射性金属層がアルミニウムを含んで
いることを特徴とする、請求項1に記載の液晶セル。 - 【請求項3】前記透明導電層がITOを含んでいること
を特徴とする、請求項2に記載の液晶セル。 - 【請求項4】前記透明導電層の厚さが、所定の入射光に
対するほぼ半波長板であることを特徴とする、請求項1
に記載の液晶セル。 - 【請求項5】前記液晶セルが空間光変調装置内で使用さ
れることを特徴とする、請求項1に記載の液晶セル。 - 【請求項6】透明電極層と、 反射性電極層と、 前記透明電極層と前記反射性電極層の間に配設された液
晶材料とを備え、 前記透明電極及び前記反射性電極の仕事関数がほぼ等し
くなるように、前記反射性電極が、透明導電層と反射性
金属層の間に配設された少なくとも1層の誘電材料を含
むことを特徴とする、 液晶表示装置用の液晶セル。 - 【請求項7】前記透明導電層がITOを含むことを特徴
とする、請求項6に記載の液晶セル。 - 【請求項8】前記誘電材料が二酸化シリコンを含むこと
を特徴とする、請求項6に記載の液晶セル。 - 【請求項9】前記少なくとも1層の誘電材料と前記透明
導電電極の厚さが、反射率が高くなるように最適化され
ていることを特徴とする、請求項10に記載の液晶セ
ル。 - 【請求項10】前記反射性電極が、透明導電層と反射性
金属層の間に配設された少なくとも1層の誘電材料を含
むことを特徴とする、請求項6に記載の液晶セル。 - 【請求項11】前記少なくとも1対の誘電材料の層のう
ちの第1の層の屈折率が、前記少なくとも1対の誘電材
料の層のうちの第2の層に比べて低いことを特徴とす
る、請求項10に記載の液晶セル。 - 【請求項12】前記透明導電層がITOを含み、前記誘
電材料が二酸化シリコンを含むことを特徴とする、請求
項11に記載の液晶セル。 - 【請求項13】前記液晶セルが空間光変調装置内で使用
されることを特徴とする、請求項6に記載の液晶セル。
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