JP3865942B2 - アクティブマトリクス素子、及びアクティブマトリクス素子を用いた発光素子、光変調素子、光検出素子、露光素子、表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次元のマトリクス画素をアクティブマトリクス方式によって駆動するアクティブマトリクス素子に関し、更に詳しくは、MOS形の半導体スイッチ部を用いずにスイッチ動作を可能にするものであり、特に、二次元の撮像素子、光変調素子、露光素子、表示素子に用いて好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
二次元のマトリクス画素をアクティブマトリクス方式により駆動するものに、アクティブマトリクス素子がある。このアクティブマトリクス素子は、例えばMOS形の二次元撮像素子、或いはLCD、薄膜EL、有機EL等に用いられる。
【0003】
MOS形の二次元撮像に用いられるアクティブマトリクス素子は、各画素部に、光検出素子と、MOS形トランジスタとを有する。この場合、アクティブマトリクス素子は、画像光を各画素の光検出素子によって光電変換し、電荷として蓄積する。それを行順次に、MOS形トランジスタを通して走査し、蓄積電荷を取り込むことで、シリアル電気信号として外部に取り出す。
【0004】
また、LCD、薄膜EL、有機EL等の光変調素子、露光素子、表示素子に用いられるアクティブマトリクス素子は、図30に一例としてアクティブマトリクスLCDを示したように、マトリクス状に配置した各画素に、光変調素子、露光素子、又は表示素子等の光機能素子1と、MOS形トランジスタ3とを有する。この場合、アクティブマトリクス素子は、行順次に走査パルス電圧Vg を印加し、これに接続されているMOS形トランジスタ3を一斉にON状態とする。これと同期させて、列方向の画像電極からデータ信号電圧Vb を印加し、MOS形トランジスタ3を通し走査して各画素の静電容量に電荷を蓄積する。一行の走査が終了すると、MOS形トランジスタ3はOFF状態となり、画素容量に蓄積された電荷はそのまま保持されることになる。この蓄積されたデータ信号に対応して光機能素子1を駆動し、光変調、露光、又は表示を行う。
【0005】
これら従来のアクティブマトリクス素子は、素子の行数(走査線数)に殆ど影響されず、高精細な画像を高品質で動作させることができた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のMOS形半導体トランジスタ、特にa−Si:H(アモルファスシリコン)、poly−Si(ポリシリコン)、c−Si(結晶シリコン)を用いたアクティブマトリクス素子には、以下の欠点があった。
即ち、パターンニング工程が多く、半導体形成独自の成膜や不純物ドーピング工程があり、厳しい設計条件が要求された。このため、スループットや歩留りが低下し、低コストでの大面積化が困難であった。
【0007】
これに対し、大面積化、低コスト化を目的に、パターンニングを印刷プロセスによって行おうとする試みもあるが、現状ではその精度、品質に問題があり、実現には至っていない。
【0008】
ガラス基板上にa−Si:H、poly−Siを用いたTFTは、格子欠陥(不純物、空孔、転移等)により半導体中を走行する電子や正孔に散乱が生じ易く、キャリア移動度が小さい。このため、より高速な応答が要求される高精細・大面積の表示素子では応答速度が低下した。これに対し、散乱の少ないc−Siを用いれば応答速度は改善できるものの、低コストのガラス基板上にc−Siを形成することは困難である。
【0009】
また、半導体膜を形成するため、接合条件、不純物濃度を厳密に管理しなければならず、厳しい工程条件が要求された。
【0010】
更に、半導体であるため、外部からの光入射、水分、酸素、イオン、有機物の侵入によって、誤動作の生じ易い問題があった。これらを防止するには、遮光膜や保護層等を形成しなければならず、設計条件、工程条件が更に制約されることとなった。
【0011】
また、機械的導電スイッチとしては、以下の文献に示されるものがある。
(1)Micromechanical Membrane Switches on Silicon, IBM J. RES. DEVELOP. , VOL. 23, No.4, JULY 1979, pp.376-385.
上記文献には、図31に示すマトリクス素子の平面図、及び図32に示すE−E断面図にあるように、トランジスタや非線形素子によるマトリクス素子駆動用スイッチの代わりとして、片側が固定された板バネを静電気力により変位させ、板バネの先端部に設けられた接点の接触/非接触による機械的なスイッチが提案されている。この構成によれば、板バネはシリコン基板上に設けられたSiO2の薄膜により形成され、接点部は金等の金属で形成されている。
【0012】
また、上記文献にはマトリクス型のディスプレイ素子も提案されている。所望のデータ信号を画素電極に書き込む場合、走査信号電極と電極下方に配置されたp+型シリコン層との間に電圧を印加することにより板バネが撓み、接点電極とデータ信号電極、及び画素電極が電気的に接触する。これにより、データ信号電極から所望の電位が画素電極に供給される。走査信号電極とp+型シリコン層間の電圧をゼロにすると、上記電極の接点が離れ、データ信号電極と画素電極が非接触状態となり、画素電極の電位が保持される。
【0013】
しかし、このような機械的なスイッチの構成では、片側が固定された片持ち板バネ構造であるため、接触/非接触動作時に機械的バウンドが発生する可能性がある。これを防止するには、構造、駆動電圧を微妙に調整する必要があり、素子設計の自由度が低減する。
また、平面図から判るように、板バネが占有する面積が大きいため、画素の開口率が低減することになる。さらに、スイッチの駆動電圧を低くして応答速度を高めるためには、板バネの長さを延長する必要があるが、これは上記の問題をさらに助長することになる。
そして、上記文献の構成ではSi基板を用いており、このため可視光に対しては不透明となるので透過型の光変調素子には適さず、また、大面積化にも適さない。
さらに、上記文献には反射型の光変調素子のみ記載されており、光透過型変調素子や発光素子の記載はない。
【0014】
また、他の機械的導電スイッチとして、以下の特許に示されるものがある。
(2)米国特許第4,681,403号
上記特許には、前述の片側固定の板バネ又は両側固定の板バネを液晶、電気泳動等の電気光学材料により構成したマトリクス素子駆動用のスイッチが開示されている。
ここで、図33は上記特許のマトリクス素子の平面図、図34は図33のF−F断面図で、図35は等価回路を示している。
【0015】
上記特許に開示されているマトリクス素子駆動用のスイッチにより所望のデータ信号を画素電極に書き込む場合は、走査信号電極と板バネ構造を有するデータ信号電極との間に電圧を印加する。これにより、データ信号電極の板バネが撓み、データ信号電極と画素電極が電気的に接触する。その結果、データ信号電極から所望の電位が画素電極に供給される。また、走査信号電極とデータ信号電極との電極間電圧をゼロにすると、データ信号電極と画素電極とが非接触状態となり、画素電極の電位が保持される。
【0016】
しかし、上記特許の素子構成は、2枚の支持基板の間に前述の電気光学材料を配置し、一方の基板に前述のスイッチを形成したものである。この場合、液晶等の流体を基板間に配置するとスイッチの動作不良や、液晶の配向が乱れることがある。この対策として、スイッチ全体を覆うようにカバーを設けることが提案されているが、プロセスが複雑となり、また、カバーによりスイッチ部の面積が増大する課題が残る。
【0017】
また、上記特許では、板バネがデータ信号電極と電気的に接続されているため、走査時においては、走査信号電極とデータ信号電極との間に電圧を印加してスイッチを動作させる必要がある。このように、データ信号電極には所望の電位が供給されるので、走査信号電極に印加する電圧は、その分だけ余裕を持たせるために余分な電圧が必要となる。また、スイッチを非導通状態にする場合や非走査時には、データ信号電極の電圧に依らずスイッチが導通状態とならないように、スイッチの構造、印加電圧を考慮する必要がある。これらの制約は、マトリクス素子全体の設計自由度を大きく低下させることになる。
また、スイッチを動作させる静電気力は、走査信号電極とデータ信号電極が重なる領域に発生する電界に依るので、静電気力の増大を目的に直交する両電極が重なる領域の面積を十分に増やすことは困難である。
【0018】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、パターンニング工程が多く、厳しい設計条件、工程条件の要求される半導体スイッチ部を廃止することで、大面積化が可能であり、且つ高速応答が可能となるアクティブマトリクス素子、及びアクティブマトリクス素子を用いた発光素子、光変調素子、光検出素子、露光素子、並びに表示装置を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る請求項1のアクティブマトリクス素子は、基板上に複数の走査信号電極の列と複数のデータ信号電極の列とを交差させて各電極を一次元又は二次元に配置し、その交差部に少なくとも一つのマトリクス駆動手段と光機能素子を配置し、
前記マトリクス駆動手段は、静電気力により駆動される機械的導電スイッチであり、
前記機械的導電スイッチは、第1走査信号電極と該第1走査信号電極に対向配置された第2走査信号電極、及び少なくとも前記第1走査信号電極と前記第2走査信号電極から電気的に絶縁され移動可能に支持された導電膜を有し、
前記第1走査信号電極と前記第2走査信号電極との間の電圧印加により前記導電膜が移動し、
前記導電膜を介して前記データ信号電極と前記光機能素子の画素電極を電気的に接触させることを特徴とする。
【0020】
このアクティブマトリクス素子では、透明基板上に形成された光機能素子を、メカニカルな構造で形成された機械的導電スイッチにより作動させることで、素子の光透過率又は反射率を高速に変更させることができると共に、製造工程、構成材料の簡素化が可能となる。
【0022】
また、このアクティブマトリクス素子では、第1及び第2走査信号電極間に印加する電圧に応じて可撓薄膜の撓みが制御されスイッチ状態が選択的に設定される。そしてデータ信号電極と画素電極との導通状態が画素毎に決定され、各光機能素子の状態が決定される。
【0023】
請求項2のアクティブマトリクス素子は、基板上にストライプ状の複数の平行な第1走査信号電極を形成し、該第1走査信号電極に直交するストライプ状の複数の平行な前記データ信号電極を、少なくとも前記第1走査信号電極との交点で絶縁層を介して形成し、前記第1走査信号電極と前記データ信号電極とに包囲された前記基板上の領域に画素部共通電極、前記光機能素子、及び前記画素電極を順次積層する一方、
前記第1走査信号電極の上面に複数の支持部を設け、該支持部の上端に前記第1走査信号電極と対向する可撓薄膜及び前記第2走査信号電極を積層して架設し、前記データ信号電極及び前記画素電極に対し空隙を介して接触可能に対向する前記導電膜を前記可撓薄膜に形成したことを特徴とする。
【0024】
このアクティブマトリクス素子では、第1走査信号電極に対して、第2走査信号電極が同電位であると、可撓薄膜は静電気力を受けずに撓まない。従って、データ信号電極と画素電極とは、相互の間の抵抗が無限に近く大きく非導通状態を保つ。一方、第1走査信号電極に対して、第2走査信号電極が異なる電位であると、可撓薄膜が静電気力によって撓み、可撓薄膜の撓み方向下面に配置されたデータ信号電極及び画素電極に導電膜が電気的に接触する。これにより、データ信号電極と画素電極とが導通する。また、各走査信号電極の電圧をゼロにすると、可撓薄膜は弾性力により元の位置に復帰し、データ信号電極と画素電極とは、再び非導通状態となる。
【0025】
請求項3のアクティブマトリクス素子は、基板上にストライプ状の複数の平行な第1走査信号電極を形成し、該第1走査信号電極に直交するストライプ状の複数の平行な前記データ信号電極を、少なくとも第1走査信号電極との交点で絶縁層を介して形成し、前記第1走査信号電極と前記データ信号電極とに包囲された前記基板上の領域の略全体に前記第1走査信号電極を延設すると共に、該延設した第1走査信号電極上に前記光機能素子及び前記画素電極を順次積層する一方、
前記絶縁層上に複数の支持部を設け、該支持部の上端部に前記第1走査信号電極と対向する可撓薄膜及び前記第2走査信号電極を積層して架設し、前記データ信号電極及び前記画素電極に対し空隙を介して接触可能に対向する前記導電膜を前記可撓薄膜に形成したことを特徴とする。
【0026】
このアクティブマトリクス素子では、第1走査信号電極に対して、第2走査信号電極が同電位であると、可撓薄膜は静電気力を受けずに撓まない。従って、データ信号電極と画素電極とは、相互の間の抵抗が無限に近く大きく非導通状態を保つ。一方、第1走査信号電極に対して、第2走査信号電極が異なる電位であると、可撓薄膜が静電気力によって撓み、可撓薄膜の撓み方向下面に配置されたデータ信号電極及び画素電極に導電膜が電気的に接触する。これにより、データ信号電極と画素電極とが導通する。また、各走査信号電極の電圧をゼロにすると、可撓薄膜は弾性力により元の位置に復帰し、データ信号電極と画素電極とは、再び非導通状態となる。そして、光機能素子の画素共通電極を第1走査信号電極とすることにより、プロセスの簡素化を図ることができ、コストを低減させることができる。
【0027】
請求項4のアクティブマトリクス素子は、基板上にストライプ状の複数の平行な第1走査信号電極を形成し、該第1走査信号電極に直交するストライプ状の複数の平行な前記データ信号電極を、少なくとも前記第1走査信号電極との交点で絶縁層を介して形成し、前記第1走査信号電極と前記データ信号電極とに包囲された前記基板上の領域に前記画素電極、前記光機能素子、及び画素部共通電極を順次積層する一方、
前記絶縁層上に複数の支持部を設け、該支持部の上端部に前記第1走査信号電極と対向する可撓薄膜及び前記第2走査信号電極を積層して架設し、前記データ信号電極及び前記画素電極に対し空隙を介して接触可能に対向する前記導電膜を前記可撓薄膜に形成したことを特徴とする。
【0028】
このアクティブマトリクス素子では、第1走査信号電極に対して、第2走査信号電極が同電位であると、可撓薄膜は静電気力を受けずに撓まない。従って、データ信号電極と画素電極とは、相互の間の抵抗が無限に近く大きく非導通状態を保つ。一方、第1走査信号電極に対して、第2走査信号電極が異なる電位であると、可撓薄膜が静電気力によって撓み、可撓薄膜の撓み方向下面に配置されたデータ信号電極及び画素電極に導電膜が電気的に接触する。これにより、データ信号電極と画素電極とが導通する。また、各走査信号電極の電圧をゼロにすると、可撓薄膜は弾性力により元の位置に復帰し、データ信号電極と画素電極とは、再び非導通状態となる。そして、画素電極を基板側にすると共に画素共通電極を上部に配置する構成でアクティブマトリクス素子を機能させることができる。
【0029】
請求項5のアクティブマトリクス素子は、前記基板に対向配置され、該基板上に配設された前記可撓薄膜及び前記各信号電極を挟み込み、前記画素部共通電極の上面に接合された上部基板を設けたことを特徴とする。
【0030】
このアクティブマトリクス素子では、第1走査信号電極に対して、第2走査信号電極が同電位であると、可撓薄膜は静電気力を受けずに撓まない。従って、データ信号電極と画素電極とは、相互の間の抵抗が無限に近く大きく非導通状態を保つ。一方、第1走査信号電極に対して、第2走査信号電極が異なる電位であると、可撓薄膜が静電気力によって撓み、可撓薄膜の撓み方向下面に配置されたデータ信号電極及び画素電極に導電膜が電気的に接触する。これにより、データ信号電極と画素電極とが導通する。また、各走査信号電極の電圧をゼロにすると、可撓薄膜は弾性力により元の位置に復帰し、データ信号電極と画素電極とは、再び非導通状態となる。そして、画素電極を下側基板に、画素共通電極を上部基板に配置し、両基板を対向させる構成としてアクティブマトリクス素子を機能させることができる。
【0031】
請求項6のアクティブマトリクス素子は、 前記機械的導電スイッチと前記光機能素子とを異なる面に形成し、該機械的導電スイッチと前記光機能素子とを電気的に接続し、
第1の基板上の表側にストライプ状の複数の平行な第1走査信号電極を形成し、該第1走査信号電極に直交するストライプ状の複数の平行な前記データ信号電極を、少なくとも第1走査信号電極との交点で絶縁層を介して形成し、前記第1走査信号電極と前記データ信号電極とに包囲された前記第1の基板裏側の領域に画素電極、前記光機能素子、及び画素部共通電極を順次積層し、前記光機能素子の前記第1の基板とは反対側にカラーフィルターを介して前記第1の基板に対向する第2の基板を重合させる一方、前記第1の基板の絶縁層上に複数の支持部を設け、該支持部の上端部に前記第1走査信号電極と対向する可撓薄膜及び第2走査信号電極を積層して架設し、前記光機能素子の画素電極を前記第1の基板を表裏導通させて前記データ信号電極の近傍に延設し、該データ信号電極及び該画素電極に対し空隙を介して接触可能に対向する前記導電膜を前記可撓薄膜に形成したことを特徴とする。
【0032】
このアクティブマトリクス素子では、基板の片面に機械的導電スイッチを形成し、他方の面に光機能素子を形成することができる。これにより、素子自体の利用拡張性を高めることができる。
【0034】
また、このアクティブマトリクス素子では、第1走査信号電極に対して、第2走査信号電極が同電位であると、可撓薄膜は静電気力を受けずに撓まない。従って、データ信号電極と画素電極とは、相互の間の抵抗が無限に近く大きく非導通状態を保つ。一方、第1走査信号電極に対して、第2走査信号電極が異なる電位であると、可撓薄膜が静電気力によって撓み、可撓薄膜の撓み方向下面に配置されたデータ信号電極及び画素電極に導電膜が電気的に接触する。これにより、データ信号電極と画素電極とが導通する。また、各走査信号電極の電圧をゼロにすると、可撓薄膜は弾性力により元の位置に復帰し、データ信号電極と画素電極とは、再び非導通状態となる。そして、画素電極をスルーホール等により基板裏面まで導電させることで、光変調素子を機械的導電スイッチとは反対側の基板裏側に形成することができる。また、光変調素子側の基板対面に第2の基板を重合することで、基板間空間を設け、この空間に光変調材料を注入することができる。これにより、低価格で大画面、且つ、高精細なアクティブマトリクス素子を構成することができる。
【0035】
請求項7のアクティブマトリクス素子は、前記可撓薄膜は、両端部が支持されていることを特徴とする。
【0036】
このアクティブマトリクス素子では、両端部が支持された可撓薄膜であるため、スイッチ動作が安定し、駆動電圧を微調整することなく機械的バウンドの発生を防止することができる。
【0037】
請求項8のアクティブマトリクス素子は、前記可撓薄膜は、各画素毎に略1つの画素長に亘って形成されていることを特徴とする。
【0038】
このアクティブマトリクス素子では、電極面積をより大きくすることができ、静電気力が最大限に有効利用され、必要とする駆動電圧を低減させることができる。
【0039】
請求項9のアクティブマトリクス素子は、前記導電膜が金属であることを特徴とする。
【0040】
このアクティブマトリクス素子では、導電膜に金属を使用することにより、a−Si:H、poly−Si、c−Siを用いた従来のアクティブマトリクス素子に比べて、キャリア移動度が高くなり、応答速度を大幅に増大させることができる。
【0041】
請求項10のアクティブマトリクス素子は、前記機械的導電スイッチは、1画素に対して複数個配設したことを特徴とする。
【0042】
このアクティブマトリクス素子では、いずれかのスイッチが故障した場合であっても正常なスイッチング動作を得ることができ、動作安定性をより高めることができる。
【0043】
請求項11のアクティブマトリクス素子は、前記複数の機械的導電スイッチは、直列に接続されていることを特徴とする。
【0044】
このアクティブマトリクス素子では、一方のスイッチにショート欠陥を生じても他方のスイッチで動作可能となる。
【0045】
請求項12のアクティブマトリクス素子は、前記複数の機械的導電スイッチは、並列に接続されていることを特徴とする。
【0046】
このアクティブマトリクス素子では、一方のスイッチが接触動作不良を生じても他方のスイッチで動作可能となる。
【0047】
請求項13のアクティブマトリクス素子は、前記機械的導電スイッチは、希ガス雰囲気中に封止されていることを特徴とする。
【0048】
このアクティブマトリクス素子では、スイッチング放電を効果的に防止することができる。
【0049】
請求項14のアクティブマトリクス素子は、前記機械的導電スイッチは、スイッチング放電防止用抵抗を備えていることを特徴とする。
【0050】
このアクティブマトリクス素子では、スイッチング放電防止用抵抗によってスイッチング放電を低コストで簡便に防止することができる。
【0051】
請求項15のアクティブマトリクス素子は、前記機械的導電スイッチは、所定時間毎にクリーニング電流が印加されることを特徴とする。
【0052】
このアクティブマトリクス素子では、機械的導電スイッチの接点部の酸化被膜を簡便にして破壊・除去することができる。
【0053】
請求項16の発光素子は、請求項1〜請求項15のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子の光機能素子を発光素子としたことを特徴とする。
【0054】
この発光素子では、発光素子からの出射光により発光表示され、高速な発光表示を実現することができる。
【0055】
請求項17の光変調素子は、請求項1〜請求項15のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子の光機能素子を光変調素子としたことを特徴とする。
【0056】
この光変調素子では、光変調素子により透過・非透過状態を選択的に設定することができる。
【0057】
請求項18の光変調素子は、前記光変調素子を液晶としたことを特徴とする。
【0058】
この光変調素子では、光変調素子に液晶が用いられることにより、一般的な従来技術を用いて光変調素子の形成が可能となる。
【0059】
請求項19の光変調素子は、前記光変調素子を静電気力により可撓薄膜を変形させて光を変調する素子としたことを特徴とする。
【0060】
この光変調素子では、静電気によって可撓薄膜を可撓させる構造としたので、静電気力を利用した機械的導電スイッチが簡素な構造で形成可能になる。また、この場合、動作部が全てメカニカルな構造で形成可能になるため、製造工程、構成材料の簡素化が可能となる。また、これ以外にも、静電気力により可動部を移動し、光の透過率を変化させる電気機械的な光変調素子とすることもできる。
【0061】
請求項20の光変調素子は、前記光機能素子が前記画素電極と該画素電極に対向配置される電極とに電界を印加し、該光機能素子に形成した可撓薄膜を撓ませることにより光学的な多層膜干渉効果を発生させて光変調を行うことを特徴とする。
【0062】
この光変調素子では、電極間に電圧を印加しないときは、可撓薄膜が光路を遮断する。一方、電極間に電圧が印加されると、可撓薄膜が撓むことにより2つの膜の光学長が変化し、光学的な多層膜干渉効果を発生させる。この結果、光変調が可能となる。
【0063】
請求項21の光検出素子は、請求項1〜請求項15のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子の光機能素子を光検出素子としたことを特徴とする。
【0064】
この光検出素子では、画像光を各画素の光検出素子によって光電変換して、電荷として蓄積し、それを行順次に機械的導電スイッチを通して走査して蓄積電荷を取り込むことで、画像光をシリアル電気信号に変更することができる。
【0065】
請求項22の露光素子は、請求項1〜請求項15のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子の光機能素子を露光素子としたことを特徴とする。
【0066】
この露光素子では、例えば平面光源から出射される紫外線を光変調し、紫外線感光材料を露光させることができる。
【0067】
請求項23の表示装置は、請求項1〜請求項15のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子の光機能素子を光変調素子とし、該光変調素子により平面光源からの出射光を光変調し、該変調された光によって蛍光体を発光表示させることを特徴とする。
【0068】
この表示装置では、出射光によって蛍光体が発光表示され、高速な発光表示を実現することができる。
【0069】
請求項24の表示装置は、前記平面光源が紫外線を出射することを特徴とする。
【0070】
この表示装置では、比較的安価な低圧水銀ランプなどの使用が可能となり、装置コストを低減することができる。、
【0071】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るアクティブマトリクス素子の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。(請求項3記載の構成)
図1は本発明に係るアクティブマトリクス素子の第1実施形態の平面図、図2は図1のA−A断面図、図3は図1のB−B断面図である。
【0072】
基板11上には、ストライプ状の複数の平行な走査信号共通電極13(第1走査電極)を形成してある。基板11上には、少なくともこの走査信号共通電極13を覆う絶縁層15を形成してある。また、基板11上には、走査信号共通電極13に直交するストライプ状の複数の平行なデータ信号電極16を形成してある。基板11上の走査信号共通電極13とデータ信号電極16とに包囲された四角形状の領域には、画素部共通電極17及び光機能素子19を順次積層してある。
【0073】
走査信号共通電極13に沿ってストライプ状に形成された絶縁層15上には、複数の支持部21を絶縁層15の長手方向に沿って等間隔で設けてある。支持部21の上端部には、ストライプ状の可撓薄膜23及び走査信号電極25(第2走査電極)を順次積層して架設してある。可撓薄膜23は、絶縁材料からなる。この可撓薄膜23と走査信号電極25とは、支持部21に架設されることで、間隙を挟んで、絶縁層15に被覆された走査信号共通電極13と対向している。走査信号電極25とデータ信号電極16とは、複数の交差部26(図1参照)を有するマトリクス状に配設されている。
尚、支持部21は、上記のように個別に設けることなく、例えば中空薄膜の端部を固定する等の他の形成方法により構成してもよい。
【0074】
光機能素子19の上面には、画素部共通電極17とで光機能素子19を挟む画素電極27を形成してある。絶縁層15上のデータ信号電極16の近傍には、この画素電極27の一部分27a(図1参照)を延設してある。データ信号電極16と、この画素電極27の一部分27aとは、図2に示すように同一高さで、且つ間隙を隔てて平行に配設してある。つまり、非導通状態に配設されている。
【0075】
可撓薄膜23の下面には、金属等からなる導電膜29を形成してある。導電膜29には、アルミ、銅、銀、金等を用いることができる。導電膜29は、データ信号電極16及び画素電極27に空隙31を介して対向している。可撓薄膜23、データ信号電極16、画素電極27、導電膜29は、マトリクス駆動手段である機械的導電スイッチ33を構成している。機械的導電スイッチ33は、マトリクス状に配設されたデータ信号電極16と走査信号電極25との各交差部26に設けられている。
【0076】
図4は図1のアクティブマトリクス素子の動作状態を示す説明図である。
このように構成されたアクティブマトリクス素子35では、図4(a)に示すように、走査信号共通電極13に対して、走査信号電極25が同電位であると、可撓薄膜23は静電気力を受けず撓まない。従って、データ信号電極16と画素電極27aとは、電気的に接触することなく非導通状態を保つ。
【0077】
一方、図4(b)に示すように、走査信号共通電極13に対して、走査信号電極25に電圧を印加すると、可撓薄膜23が静電気力によって基板11側に撓み、可撓薄膜23の下方に位置するデータ信号電極16及び画素電極27aに導電膜29が電気的に接触する。これにより、データ信号電極16と画素電極27aとの電位が等しくなる。
【0078】
また、走査信号電極25の電圧をゼロにすると、可撓薄膜23は弾性力により元の位置に復帰し、データ信号電極16及び画素電極27aから離れる。これにより、図4(a)に示す状態となって、データ信号電極16と画素電極27とは、再び非導通状態となる。
【0079】
図5はマトリクス動作の説明図である。
従って、図5に示すマトリクスの場合では、可撓薄膜23を撓める電圧Vg-onを印加した走査信号電極25の画素電極27が、データ信号電極16と導通する。これにより、データ信号電極16と画素電極27との電位が等しくなる。また、その他の走査信号電極の画素電極は、それぞれ電気的に独立の電位で保持されることになる。
【0080】
ここにおいて、上記マトリクス動作を実現する際、図6に示すように1画素当たり複数のスイッチを設けてもよい。図6(a)に示すように、複数のスイッチを直列に接続することで、一方のスイッチがショート欠陥を生じた場合でも他方のスイッチで動作可能とすることができる。また、図6(b)に示すように、スイッチを並列に接続することで、一方が接触動作不良となった場合でも他方のスイッチで動作可能とすることができる。
【0081】
図7は可撓薄膜のスイッチ特性を示すヒステリシス線図である。
走査信号共通電極13に対する走査信号電極25の電圧をVg とすると、可撓薄膜23によるスイッチ特性は、図7に示すようなヒステリシス特性を有する。即ち、Vg がVg-on以上になると導通(ON)し、Vg-off 以下になると非導通(OFF)になる。
【0082】
図8は二行二列に配列した画素電極の模式図である。
ここで、図8に示す二行二列の画素電極27に、以下の電位を書き込む場合を説明する。
P(1,1) =Vp1 P(1,2) =Vp2 P(2,1) =Vp3 P(2,2) =Vp4
【0083】
同じ行に配列したP(1,1) 、P(1,2) 、又はP(2,1) 、P(2,2) の画素電極27は、共通の走査信号電極25により動作する機械的導電スイッチに接続してある。この走査信号電極25には、電位Vg が印加される。また、同じ列に配列したP(1,1) 、P(2,1) 、又はP(1,2) 、P(2,2) の画素電極27は、機械的導電スイッチの動作により、共通のデータ信号電極16に接続されるように構成される。このデータ信号電極16には、電位Vb が印加される。
【0084】
このように構成したアクティブマトリクス素子35を駆動するには、走査信号に従って、行順次にP(1,1) 、P(1,2) 、又はP(2,1) 、P(2,2) の画素電極27を走査し、これと同期させ、走査された画素電極27に対応するデータ信号を列に配列したP(1,1) 、P(2,1) 、又はP(1,2) 、P(2,2) の画素電極27に印加する。
【0085】
図9はアクティブマトリクス素子に異なる波形の電圧を印加して各画素にデータを書き込む際の動作説明図である。
マトリクス素子には、図9に示すような波形の電圧を印加する。
例えば、1行目Vg(1)には、
t1:走査ON t2:走査OFF
を印加する。
【0086】
2行目Vg(2)には、
t1:走査OFF t2:走査ON
を印加する。
【0087】
1列目Vb(1)には、
t1:P(1,1) への電位 t2:P(2,1) への電位
を印加する。
【0088】
2列目Vb(2)には、
t1:P(1,2) への電位 t2:P(2,2) への電位
を印加する。
【0089】
これにより、P(1,1) の電位は、t1で電位がVp1となり、t2以降は保持される。
P(1,2) の電位は、t1で電位がVp2となり、t2以降は保持される。
P(2,1) の電位は、t2で電位がVp3となり、以降は保持される。
P(2,2) の電位は、t2で電位がVp4となり、以降は保持される。
【0090】
以上のように、走査信号電極25を行順次でONにし、それと同期させてデータ信号電極16から任意の電位を印加する。その後、走査信号電極25をOFFにしても、光機能素子19が容量性の場合、画素電極27の電位は保持されることとなる。その他の動作は、従来のトランジスタ形アクティブマトリクス素子と同様である。
【0091】
このように、上述のアクティブマトリクス素子35は、走査信号電極25とデータ信号電極16をマトリクス状に配置した交差部26に、機械的導電スイッチ33を設けた。機械的導電スイッチ33は、静電気力により可撓薄膜23を撓ませて、機械的動作によってデータ信号電極16と画素電極27とをON、OFFさせる。従って、従来、交差部に設けられていたMOS形の半導体スイッチ部に代えて機械的にスイッチ部を作動させることが可能になる。このため、従来の半導体スイッチ部を用いていたアクティブマトリクス素子が有する以下に述べる種々の欠点を解決することができる。
【0092】
即ち、半導体形成独自の成膜や不純物ドーピング工程が不要となり、パターンニング工程が少なくなると共に、設計条件が緩やかになる。このため、スループットや歩留りが向上し、低コストでの大面積化が可能となる。
【0093】
また、a−Si:H、poly−Si、c−Siを用いた従来のアクティブマトリクス素子は、キャリア移動度が小さいため応答速度が低下した。このキャリア移動度を比較した場合、
a−Si:H < poly−Si < c−Si < 金属
の関係となる。
従って、導電膜29に金属の使用できる上述の機械的導電スイッチ33によれば、従来の半導体スイッチ部に比べてキャリア移動度を高くすることができる。このため、高精細・大面積においても、高速応答が期待できる。
【0094】
更に、半導体膜の形成が不要となるため、接合条件、不純物濃度を厳密に管理する必要がなくなり、工程条件を緩和することができる。
【0095】
そして、機械的導電スイッチ33を用いるため、外部からの光入射、水分、酸素、イオン、有機物の侵入に対する悪影響が半導体に比べて小さくなる。このため、これらの外乱による誤動作が生じにくくなり、動作信頼性、耐久性を高めることができる。
【0096】
尚、上述のアクティブマトリクス素子35は、全体、又は少なくとも機械的導電スイッチ33を封止して、希ガスを注入するものであってもよい。このような構造とすることで、機械的導電スイッチ33のスイッチング放電を効果的に防ぐことができる。また、機械的導電スイッチ33は、スイッチング放電防止のための抵抗を追加するものであってもよい。また、導電膜29を金により形成すれば、スイッチング放電等による酸化をより効果的に防止することができる。
【0097】
更に、機械的導電スイッチ33は、接点部の酸化皮膜を積極的に破壊・除去する目的で、一定時間毎に、クリーニング電流を印加するように動作させるものであってもよい。
【0098】
次に、本発明に係るアクティブマトリクス素子の第2実施形態を説明する。(請求項4記載の構成) 図10は第2実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
尚、後述する各実施形態において、図3に示した部材と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
この実施形態によるアクティブマトリクス素子41は、走査信号共通電極と画素部共通電極とを兼用した走査信号兼用画素部共通電極43を形成してある。
このアクティブマトリクス素子41によれば、走査信号共通電極と画素部共通電極とを同じ材料で、且つ同一の製造プロセスで形成することができる。このため、パターンニング工程を少なくして、製造を容易にすることができる。
【0099】
次に、本発明に係るアクティブマトリクス素子の第3実施形態を説明する。(請求項5記載の構成) 図11は第3実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
この実施形態によるアクティブマトリクス素子51は、画素電極27を基板11側に形成し、画素部共通電極17を光機能素子19の表面に形成してある。つまり、図3の第1実施形態に対して、画素電極27と画素部共通電極17との位置が、光機能素子19を挟んで反対となっている。
アクティブマトリクス素子51は、画素電極27又は画素部共通電極17を、光機能素子19の上下いずれの面側に入れ替えて形成するものであってよい。このため、設計条件、製造工程の制約を少なくして、これらの自由度を高めることができる。
【0100】
次に、本発明に係るアクティブマトリクス素子の第4実施形態を説明する。(請求項6記載の構成) 図12は第4実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
この実施形態によるアクティブマトリクス素子61は、画素電極27を基板11側に形成し、画素部共通電極17を上側基板63に形成してある。上側基板63は、画素部共通電極17が光機能素子19に重合するように、基板11に対向配置してある。つまり、機械的導電スイッチ33、及び光機能素子19は、平行な二つの基板11、及び上側基板63に挟まれた状態で配設されている。
このアクティブマトリクス素子61によれば、基板11及び上側基板63との周縁部を気密シールすることにより、両基板間に希ガスを封入して、機械的導電スイッチ33を容易に封止することができる。
【0101】
次に、本発明に係るアクティブマトリクス素子の第5実施形態を説明する。(請求項18記載の構成)
図13は第5実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
この実施形態によるアクティブマトリクス素子71は、発光素子である薄膜EL73を光機能素子として用いてある。ガラス基板11上には、画素部共通電極17としてAl等の金属反射膜を形成してある。画素部共通電極17上には、下部絶縁層75、EL発光層(例としては、ZnS:Mn薄膜)77、上部絶縁層79を順次積層してある。上部絶縁層79上には、画素電極27として透明電極(ITO等)を形成してある。
【0102】
このアクティブマトリクス素子71では、上述した手順で画素電極27に電位を与え、画素部共通電極17に対する画素電圧を与える。そして、走査信号ごとに電圧の極性を変えて交流駆動させると、任意の発光強度で薄膜EL73の駆動が可能となる。この例では、画素電極27側が表示面であり、下部へ発光した光は、アルミである画素部共通電極17に反射されて上部へ出射される。尚、表示面が下部の場合は、透明電極(画素電極27)と反射膜(画素部共通電極17)とを逆にすればよい。
【0103】
次に、本発明に係るアクティブマトリクス素子の第6実施形態を説明する。(請求項18記載の構成)
図14は第6実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
この実施形態によるアクティブマトリクス素子81は、発光素子である低分子型有機EL83を光機能素子として用いてある。ガラス基板11上には、画素部共通電極17及び有機ELのカソード電極としてAl、又はMg:Ag合金等の金属反射膜を形成してある。画素部共通電極17上には、電子輸送層/発光層(Alq等)85、ホール輸送層(α−NPD等)87、画素電極27としての有機ELアノード電極である透明電極(ITO等)を順次積層してある。
【0104】
このアクティブマトリクス素子81では、上述した手順で画素電極27とデータ信号電極16(図1参照)を接続するが、このときデータ信号電極16からは定電流が供給されるように駆動回路を設ける。これにより、走査された時だけ画素電極27から有機EL膜を介し、画素部共通電極17に電流が流れ、有機EL83が発光する。この方式によれば、単純マトリクスよりは安定に定電流駆動ができ、均一な表示が可能となる。この例では、画素電極27側が表面であり、下部へ発光した光は、例えばAlである画素部共通電極17に反射されて上部へ出射される。
【0105】
次に、本発明に係るアクティブマトリクス素子の第7実施形態を説明する。(請求項18記載の構成)
図15は第7実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
【0106】
この実施形態によるアクティブマトリクス素子91は、発光素子であるポリマー型有機EL93を光機能素子として用いてある。ガラス基板11上には、画素部共通電極17及びポリマー型有機ELのカソード電極としてAl、又はMg:Ag合金等の金属反射膜を形成してある。画素部共通電極17上には、更にポリマー型有機EL93、画素電極27として有機ELのアノード電極である透明電極(ITO等)を順次積層してある。
【0107】
このアクティブマトリクス素子91では、上述した手順で画素電極27とデータ信号電極16を接続するが、このときデータ信号電極16からは定電流が供給されるように駆動回路を設ける。これにより、走査された時だけ、画素電極27から有機EL膜を介し、画素部共通電極17に電流が流れ、ポリマー型有機EL93が発光する。この方式によれば、単純マトリクスよりは安定に定電流駆動ができ、均一な表示が可能となる。この例においても、下部へ発光した光は例えばAlである画素部共通電極17に反射されて上部へ出射される。
【0108】
次に、本発明に係るアクティブマトリクス素子の第8実施形態を説明する。(請求項19,20記載の構成)
図16は第8実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
この実施形態によるアクティブマトリクス素子101は、電圧(電界)又は電流で光を変調する光変調素子103を光機能素子として用いてある。光変調素子103としては、高分子液晶、高分子分散型液晶、電気光学結晶(PLZT、BSO等)がある。
【0109】
このアクティブマトリクス素子101は、散乱/透過、吸収/透過、光の位相制御、偏光制御、回折、干渉制御等に機能させることができる。尚、偏光制御に適用する場合等では、図16の構成に、更に偏光板等の必要な光学膜を適宜設ければよい。
上記のように、本実施形態においては透過型及び反射型の2つのタイプが考えられ、透過型では、両電極ともITO等の透明導電性膜とすることが相応しく、反射型では基板側をAl等の反射性金属、表示面側をITO等の透明導電性膜とすることが相応しい。
【0110】
次に、本発明に係るアクティブマトリクス素子の第9実施形態を説明する。(請求項19,21,22記載の構成)
図17は第9実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図、図18は図17のアクティブマトリクス素子の動作状態を示す説明図である。
【0111】
この実施形態によるアクティブマトリクス素子111は、電圧で光を変調する光変調素子として、特に静電気力で可撓薄膜を変形させ光変調するファブリペロー型の光変調素子113を光機能素子として用いてある。
ファブリペロー干渉では、二枚の平面が向かい合わせに平行に配置された状態において、入射光線は、反射と透過を繰り返して多数の光線に分割され、これらは互いに平行となる。透過光線は、無限遠において重なり合い干渉する。面の垂線と入射光線のなす角をiとすれば、相隣る二光線間の光路差はx=nt・cosiで与えられる。但し、nは二面間の屈折率、tは間隔である。光路差xが波長λの整数倍であれば透過線は互いに強め合い、半波長の奇数倍であれば互いに打ち消し合う。即ち、反射の際の位相変化がなければ、
2nt・cosi=mλ で透過光最大となり、
2nt・cosi=(2m+1)λ/2 で透過光最小となる。
但し、mは正整数である。
【0112】
即ち、光路差xが所定の値となるように、可撓薄膜を移動させることにより、信号電極側から出射される光を、光変調して可撓薄膜から出射させることが可能となる。
【0113】
紫外線に対して透明な基板11上には、同じく紫外線に対して透明な画素部共通電極17を形成してある。画素部共通電極17上には、一方の誘電体多層膜ミラー115を設けてある。基板11上には、誘電体多層膜ミラー115の左右側(図17の左右側)に支持部21を設けてある。支持部21の上端面には、可撓薄膜であるダイヤフラム117を設けてある。ダイヤフラム117の下面には、他方の誘電体多層膜ミラー119を設けてある。
【0114】
一方の誘電体多層膜ミラー115と他方の誘電体多層膜ミラー119との間には、空隙120が形成されている。ダイヤフラム117の表面には、画素部共通電極17と対向するように、紫外線に対して透明な画素電極(ITO等)27を設けてある。
【0115】
基板11は、板状平面光源121上に設けられる。平面光源121の側面には例えばブラックライト用紫外線ランプ(低圧水銀ランプ)122を配設してある。平面光源121は、ブラックライト用低圧水銀ランプ122からの紫外線を側面から取り入れて、表面から出射する。
【0116】
このように構成された光変調素子113を有するアクティブマトリクス素子111において、電圧OFFのときの空隙120の間隔をtoff とする(図18の左側の状態)。これは素子作製時に制御可能である。また電圧を印加したとき静電気力により空隙120の間隔が短くなるがこれをtonとする(図18の右側の状態)。tonの制御は、印加する静電気力とダイヤフラム117が変形したとき発生する復元力のバランスで可能である。より安定な制御を行うには、変位が一定となるように不図示のスペーサを電極上に形成してもよい。このスペーサは絶縁体の場合、その比誘電率(1以上)により、印加電圧を低減する効果がある。また、導電性の場合には、更にこの効果は大きくなる。また、電極とスペーサとは、同一材料で形成してもよい。
【0117】
ここで、ton、toff を下記のように設定する。(m=1)。
ton =1/2×λ0=180nm (λ0:紫外線の中心波長)
toff =3/4×λ0=270nm
【0118】
また、誘電体多層膜ミラー115、119は、光強度反射率Rを0.85とする。更に、空隙121は空気又は希ガスとし、その屈折率nを1とする。尚、紫外線はコリメートされているので光変調部85に入射する入射角iは略ゼロとなる。
このときの光変調素子113の光強度透過率は図20のようになる。従って、電圧を印加しないときはtoff は270nmであり、図18の左側の状態のように紫外線はほとんど透過しない。一方、電圧を印加してtonが180nmとなると、図18の右側の状態にように紫外線は透過する。
【0119】
このように、光機能素子を光変調素子113としたアクティブマトリクス素子111は、ダイヤフラム117を撓ませることにより、多層膜干渉効果を発生させて、紫外線の光変調を行うことができる。
【0120】
尚、干渉の条件を満たせば、空隙120の間隔t、屈折率n、誘電体多層膜ミラー115,119の光強度反射率R等はいずれの組合せでも良い。
【0121】
また、電圧の値により、間隔tを連続的に変化させると、透過スペクトルの中心波長を任意に変化させることが可能である。これにより透過光量を連続的に制御することも可能である。即ち、印加電圧による階調制御が可能となる。
【0122】
この実施形態による光変調素子113の変形例として、上述のブラックライト用低圧水銀ランプ122に代えて、低圧水銀ランプによるバックライトを用いることもできる。
即ち、低圧水銀ランプの直接発光分光特性は、254nmの線スペクトルが主な成分である。このランプを光源とし、石英ガラスなどによる導光板と組み合わせてバックライトユニットを構成する。他の波長は、フィルターなどでカットする。このとき、紫外線バックライトの分光特性は図21のようになる。
【0123】
また、光変調素子において、有効画素エリアの構成材料(ダイヤフラム、誘電体多層膜ミラー、基板など)は、254nmの紫外線を透過する材料とする。
【0124】
ここで、ton、toff を下記のように設定する。(m=1)。
ton =1/2×λ0=127nm (λ0:紫外線の中心波長)
toff =3/4×λ0=191nm
【0125】
その他の条件は、上述の例と同じでR=0.85、n=1、i=0とする。このときの光変調素子の光強度透過率は図22のようになる。従って、電圧を印加しないときはtoff =191nmであり、紫外線は殆ど透過せず、電圧を印加してton=127nmになると紫外線は透過する。このようにして光変調が可能である。
【0126】
特にこの変形例の場合、紫外線は線スペクトルなので非常に高いエネルギー透過率を示し、高効率でコントラストの高い変調が可能となる。
【0127】
尚、この変形例においても、干渉の条件を満たせば、空隙120の間隔t、屈折率n、誘電体多層膜ミラー115、119の光強度反射率Rなどはいずれの組合せでもよい。
【0128】
また、この変形例においても、電圧の値により、間隔tを連続的に変化させると、透過スペクトルの中心波長を任意に変化させることが可能である。これにより透過光量を連続的に制御することも可能である。即ち、印加電圧による階調制御が可能となる。
【0129】
尚、この実施形態ではファブリペロー干渉型の光変調素子113を一例として説明したが、これ以外にも、静電気力により薄膜を撓ませたり、又は移動させることにより光の透過率又は反射率を変化させて光変調を行う光変調素子であれば同様に可能である。このアクティブマトリクス素子111の場合、動作部が全てメカニカルな構造なので、構成材料が簡素化でき、製造プロセスの効率化が可能になる。
【0130】
上述の実施形態では、光変調可能なアクティブマトリクス素子を説明したが、本発明は、このようなアクティブマトリクス素子を要部に有する露光素子としても適用できる。この場合、平面光源として例えば紫外線を出射するものを用いることで、平面光源から出射される紫外線を光変調し、紫外線感光材料を露光させることができる。
【0131】
また、このようなアクティブマトリクス素子は、上記露光素子の露光光出射側に蛍光体を設け、出射される光を蛍光体によって可視光又は赤外光に波長変換して、可視光感光材料、赤外光感光材料を露光するものであってもよい。
【0132】
更に、上述のアクティブマトリクス素子は、上記露光素子の出射側に蛍光体を設け、出射される光を蛍光体によって発光表示させる表示素子としても適用できる。
【0133】
次に、本発明に係るアクティブマトリクス素子の第10実施形態を説明する。(請求項7,8記載の構成)
図23は第10実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
【0134】
この実施形態によるアクティブマトリクス素子131は、電圧(電界)又は電流で光を変調する光変調素子(光変調層)133を光機能素子として用いてある。光変調層133としては、例えば液晶を用いることができる。
【0135】
画素電極27をスルーホール内に導電材を埋め込んだ導電部135を介して基板11の表面側(図23の下側)に配置する。画素電極27を配設した基板11の裏面側には、走査信号共通電極13、絶縁層15、導電膜(金属等)29、可撓薄膜(絶縁体)23、走査信号電極25によって上述と同様に構成した機械的導電スイッチ33を形成する。
【0136】
基板11の表面側(図23の下側)には、間隙を隔てて他方の基板137を対向配置してある。この間隙には、光変調層133を形成するための液晶139を封入してある。この場合、液晶139としてはネマチック液晶、コレステリック液晶、強誘電性液晶等の低分子液晶が好ましい。
【0137】
他方の基板137の対向面には、画素部共通電極17を形成してある。また、画素部共通電極17と基板137との間には、ブラックマトリクス141、カラーフィルター143を適宜形成してある。各電極17、27上には配向膜145を設けてある。基板11、137同士は、一定のギャップが保持できるように不図示のシリカ等のスペーサを介在させて貼り合わせてある。基板11、137同士は、液晶139の注入後、周辺が封止される。この液晶封入構造については、周知の技術を用いることができる。
【0138】
このように構成したアクティブマトリクス素子131は、基板11の裏面側に機械的導電スイッチ33が形成される。また、基板11の表面側に光機能素子である光変調素子(光変調層)133が形成される。即ち、機械的導電スイッチ33を形成する面と、光機能素子を形成する面とが異なるものとなり、それぞれがスルーホール135を介して電気的に接続されている。
【0139】
このようなアクティブマトリクス素子131によれば、流体を封止できるので、液晶のような流体やゲル状の光変調材料を用いる場合であっても、機械的導電スイッチを有するアクティブマトリクスを実現させることができる。これにより、特に低価格で大画面、高精細な露光素子、表示素子の設計、製造が可能となる。
尚、このようなスルーホール135を用いた封止構造は、液晶以外のその他の上述した光変調素子、発光素子を用いたアクティブマトリクス素子にも適用できるものである。
【0140】
次に、本発明に係るアクティブマトリクス素子の第11実施形態を説明する。図24は第11実施形態に係るアクティブマトリクス素子の部分平面図である。本実施形態の走査信号電極及び導電膜を備えた可撓薄膜23は、データ信号電極との交点で画素電極に対して上下方向に重合するようにつば部23aを設けている。図25は図24のC−C断面を示す図で、可撓薄膜23の下側に走査信号電極25を配設して、導電膜29側にだけ画素電極を設けている。これにより、走査信号電極25と走査信号共通電極13との距離が短縮され、可撓薄膜23の駆動電圧を低減できる。また、無駄のない構成とすることで誤作動等が防止される。そして、図26は図25に示す形態の変形例であり、画素電極27を基板11上に形成している。さらに、図27は図26に示す形態の走査信号電極25を、可撓薄膜23の上側に設けた形態を示している。また、図28は、他の実施形態における図24のC−C断面を示している。この構成によれば走査信号共通電極13上に絶縁層を設けていない。但し、この場合は図29のD−D断面図に示すように、走査信号共通電極13とデータ信号電極16との交差する箇所に絶縁層を設ける必要がある。
【0141】
上述の各実施形態では、アクティブマトリクス素子を露光素子、光変調素子、表示素子とした場合を例に説明したが、本発明に係るアクティブマトリクス素子は、この他、二次元撮像を行う撮像素子に用いるものであってもよい。この場合、光機能素子としては、光検出素子を設ける。機械的導電スイッチについては、上述の各実施形態と同様に構成することができる。
このようなアクティブマトリクス素子では、画像光を各画素の光検出素子によって光電変換し、電荷として蓄積する。それを行順次に、機械的導電スイッチを通して走査し、蓄積電荷を取り込むことで、シリアル電気信号として外部へ取り出す。
このようなアクティブマトリクス素子においても、MOS形トランジスタを機械的導電スイッチとすることで、上述した各実施形態と同様の効果を奏する。
【0142】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係るアクティブマトリクス素子は、走査信号電極とデータ信号電極をマトリクス状に配置した交差部に、機械的導電スイッチを設けた。従って、従来、交差部に設けられていたMOS形の半導体スイッチ部に代えて機械的にスイッチ部を作動させることが可能になる。
また、第1及び第2走査信号電極間に印加する電圧に応じて可撓薄膜の撓みが制御されスイッチ状態が選択的に設定される。そしてデータ信号電極と画素電極との導通状態が画素毎に決定され、各光機能素子の状態が決定される。
【0143】
半導体形成独自の成膜や不純物ドーピング工程が不要となる。パターンニング工程が少なくなると共に、設計条件が緩やかになる。この結果、スループットや歩留りが向上し、低コストでの大面積化が可能となる。
【0144】
導電膜に金属を使用するので、従来の半導体スイッチ部に比べてキャリア移動度を大幅に高くすることができる。この結果、高精細・大面積の条件下においても、高速応答が期待できる。
【0145】
半導体膜の形成が不要となるため、接合条件、不純物濃度を厳密に管理する必要がなくなり、工程条件を緩和することができる。
【0146】
機械的導電スイッチを用いるため、外部からの光入射、水分、酸素、イオン、有機物の侵入に対する悪影響が半導体に比べて小さくなる。この結果、これらの外乱による誤動作が生じにくくなり、動作信頼性を高めることができる。
さらに、機械的導電スイッチをガラス基板等の透明基板上に形成することにより、低コスト化及び大面積化が容易であり、透過型の光変調素子に対しても適用可能である。
また、機械的導電スイッチは両端部が支持された可撓薄膜により構成され、高速で安定なスイッチ動作が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るアクティブマトリクス素子の第1実施形態の平面図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】図1のB−B断面図である。
【図4】図1のアクティブマトリクス素子の動作状態を示す説明図である。
【図5】マトリクス動作の説明図である。
【図6】1画素当たりに複数のスイッチを設けた構成を示す図である。
【図7】可撓薄膜のスイッチ特性を示すヒステリシス線図である。
【図8】二行二列に配列した画素電極の模式図である。
【図9】アクティブマトリクス素子に異なる波形の電圧を印加して各画素にデータを書き込む際の動作説明図である。
【図10】第2実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
【図11】第3実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
【図12】第4実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
【図13】第5実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
【図14】第6実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
【図15】第7実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
【図16】第8実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
【図17】第9実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
【図18】図17のアクティブマトリクス素子の動作状態を示す説明図である。
【図19】ブラックライト用低圧水銀ランプの分光特性を示す説明図である。
【図20】光変調素子の光強度透過率を示す説明図である。
【図21】低圧水銀ランプによるバックライトの分光特性を示す説明図である。
【図22】光変調素子の光強度透過率を示す説明図である。
【図23】第10実施形態に係るアクティブマトリクス素子の走査信号電極直交方向の断面図である。
【図24】第11実施形態に係るアクティブマトリクス素子の平面図である。
【図25】図24のC−C断面を示す図である。
【図26】図24のC−C断面の他の形態を示す図である。
【図27】図24のC−C断面の他の形態を示す図である。
【図28】図24のC−C断面の他の形態を示す図である。
【図29】図29に示す形態における図24のD−D断面を示す図である。
【図30】従来のアクティブマトリクス素子の画素部の等価回路図である。
【図31】従来のアクティブマトリクス素子の平面図である。
【図32】図31のE−E断面を示す図である。
【図33】従来の他のアクティブマトリクス素子の平面図である。
【図34】図34のF−F断面を示す図である。
【図35】図33に示すアクティブマトリクス素子の等価回路を示す図である。
【符号の説明】
11 基板
13 走査信号共通電極
15 絶縁層
16 データ信号電極
17 画素部共通電極
19 光機能素子
21 支持部
23、117 可撓薄膜
25 走査信号電極
26 交差部
27 画素電極
29 導電膜
31 空隙
33 機械的導電スイッチ(マトリクス駆動手段)
35、41、51、61、71、81、91、101、111、113、131 アクティブマトリクス素子
73 薄膜EL(発光素子)
83 低分子型有機EL(発光素子)
103 光変調素子
139 液晶
Claims (24)
- 基板上に複数の走査信号電極の列と複数のデータ信号電極の列とを交差させて各電極を一次元又は二次元に配置し、その交差部に少なくとも一つのマトリクス駆動手段と光機能素子を配置し、
前記マトリクス駆動手段は、静電気力により駆動される機械的導電スイッチであり、
前記機械的導電スイッチは、第1走査信号電極と該第1走査信号電極に対向配置された第2走査信号電極、及び少なくとも前記第1走査信号電極と前記第2走査信号電極から電気的に絶縁され移動可能に支持された導電膜を有し、
前記第1走査信号電極と前記第2走査信号電極との間の電圧印加により前記導電膜が移動し、
前記導電膜を介して前記データ信号電極と前記光機能素子の画素電極を電気的に接触させることを特徴とするアクティブマトリクス素子。 - 基板上にストライプ状の複数の平行な第1走査信号電極を形成し、該第1走査信号電極に直交するストライプ状の複数の平行な前記データ信号電極を、少なくとも前記第1走査信号電極との交点で絶縁層を介して形成し、前記第1走査信号電極と前記データ信号電極とに包囲された前記基板上の領域に画素部共通電極、前記光機能素子、及び前記画素電極を順次積層する一方、
前記第1走査信号電極の上面に複数の支持部を設け、該支持部の上端に前記第1走査信号電極と対向する可撓薄膜及び前記第2走査信号電極を積層して架設し、前記データ信号電極及び前記画素電極に対し空隙を介して接触可能に対向する前記導電膜を前記可撓薄膜に形成したことを特徴とする請求項1記載のアクティブマトリクス素子。 - 基板上にストライプ状の複数の平行な第1走査信号電極を形成し、該第1走査信号電極に直交するストライプ状の複数の平行な前記データ信号電極を、少なくとも第1走査信号電極との交点で絶縁層を介して形成し、前記第1走査信号電極と前記データ信号電極とに包囲された前記基板上の領域の略全体に前記第1走査信号電極を延設すると共に、該延設した第1走査信号電極上に前記光機能素子及び前記画素電極を順次積層する一方、
前記絶縁層上に複数の支持部を設け、該支持部の上端部に前記第1走査信号電極と対向する可撓薄膜及び前記第2走査信号電極を積層して架設し、前記データ信号電極及び前記画素電極に対し空隙を介して接触可能に対向する前記導電膜を前記可撓薄膜に形成したことを特徴とする請求項1記載のアクティブマトリクス素子。 - 基板上にストライプ状の複数の平行な第1走査信号電極を形成し、該第1走査信号電極に直交するストライプ状の複数の平行な前記データ信号電極を、少なくとも前記第1走査信号電極との交点で絶縁層を介して形成し、前記第1走査信号電極と前記データ信号電極とに包囲された前記基板上の領域に前記画素電極、前記光機能素子、及び画素部共通電極を順次積層する一方、
前記絶縁層上に複数の支持部を設け、該支持部の上端部に前記第1走査信号電極と対向する可撓薄膜及び前記第2走査信号電極を積層して架設し、前記データ信号電極及び前記画素電極に対し空隙を介して接触可能に対向する前記導電膜を前記可撓薄膜に形成したことを特徴とする請求項1記載のアクティブマトリクス素子。 - 前記基板に対向配置され、該基板上に配設された前記可撓薄膜及び前記各信号電極を挟み込み、前記画素部共通電極の上面に接合された上部基板を設けたことを特徴とする請求項4記載のアクティブマトリクス素子。
- 前記機械的導電スイッチと前記光機能素子とを異なる面に形成し、該機械的導電スイッチと前記光機能素子とを電気的に接続し、
第1の基板上の表側にストライプ状の複数の平行な第1走査信号電極を形成し、該第1走査信号電極に直交するストライプ状の複数の平行な前記データ信号電極を、少なくとも第1走査信号電極との交点で絶縁層を介して形成し、前記第1走査信号電極と前記データ信号電極とに包囲された前記第1の基板裏側の領域に画素電極、前記光機能素子、及び画素部共通電極を順次積層し、前記光機能素子の前記第1の基板とは反対側にカラーフィルターを介して前記第1の基板に対向する第2の基板を重合させる一方、前記第1の基板の絶縁層上に複数の支持部を設け、該支持部の上端部に前記第1走査信号電極と対向する可撓薄膜及び第2走査信号電極を積層して架設し、前記光機能素子の画素電極を前記第1の基板を表裏導通させて前記データ信号電極の近傍に延設し、該データ信号電極及び該画素電極に対し空隙を介して接触可能に対向する前記導電膜を前記可撓薄膜に形成したことを特徴とする請求項1記載のアクティブマトリクス素子。 - 前記可撓薄膜は、両端部が支持されていることを特徴とする請求項2〜請求項6のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子。
- 前記可撓薄膜は、各画素毎に略1つの画素長に亘って形成されていることを特徴とする請求項2〜請求項7のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子。
- 前記導電膜が金属であることを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子。
- 前記機械的導電スイッチは、1画素に対して複数個配設したことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子。
- 前記複数の機械的導電スイッチは、直列に接続されていることを特徴とする請求項10記載のアクティブマトリクス素子。
- 前記複数の機械的導電スイッチは、並列に接続されていることを特徴とする請求項10記載のアクティブマトリクス素子。
- 前記機械的導電スイッチは、希ガス雰囲気中に封止されていることを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子。
- 前記機械的導電スイッチは、スイッチング放電防止用抵抗を備えていることを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子。
- 前記機械的導電スイッチは、所定時間毎にクリーニング電流が印加されることを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子。
- 請求項1〜請求項15のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子の光機能素子を発光素子としたことを特徴とする発光素子。
- 請求項1〜請求項15のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子の光機能素子を光変調素子としたことを特徴とする光変調素子。
- 前記光変調素子は、液晶であることを特徴とする請求項17記載の光変調素子。
- 前記光変調素子は、静電気力により可撓薄膜を変形させて光を変調する素子であることを特徴とする請求項18記載の光変調素子。
- 前記光機能素子は、前記画素電極と該画素電極に対向配置される電極とに電界を印加し、前記光機能素子に形成した可撓薄膜を撓ませることにより光学的な多層膜干渉効果を発生させて光変調を行うことを特徴とする請求項19記載の光変調素子。
- 請求項1〜請求項15のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子の光機能素子を光検出素子としたことを特徴とする光検出素子。
- 請求項1〜請求項15のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子の光機能素子を露光素子としたことを特徴とする露光素子。
- 請求項1〜請求項15のいずれか1項記載のアクティブマトリクス素子の光機能素子を光変調素子とし、該光変調素子により平面光源からの出射光を光変調し、該変調された光によって蛍光体を発光表示させることを特徴とする表示装置。
- 前記平面光源は、紫外線を出射することを特徴とする請求項23記載の表示装置。
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