JP4392970B2

JP4392970B2 - 干渉性変調素子を用いる表示素子

Info

Publication number: JP4392970B2
Application number: JP2000249816A
Authority: JP
Inventors: 茂樹近藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2020-08-21
Also published as: JP2002062493A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、絶縁層／導体層／絶縁層の少なくとも３層をこの順に透明基板上に積層した光入射部と、可動反射膜とを、空気層を介して対峙させ、前記導体層と前記反射膜に電圧を印加して前記可動反射膜を変形させる干渉性変調（ＩＭＯＤ）素子を使用する表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
干渉を利用する光学変調器の代表的な例を以下に説明する。
【０００３】
Ｔ．Ｈａｔｓｕｚａｗａ等はＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｄｉｓｐｌａｙｄｅｖｉｃｅｓ（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ '９９，１９９９，ｐ８０４−８０７）を開示している。これは、電圧を印加することで、ハーフミラーが基板側に移動し、基板側からの反射光がハーフミラーからの反射光と干渉し、これより反射光の明るさを変調するものである。
【０００４】
他の例として、Ｍ．Ｗ．Ｍｉｌｅｓより、ファブリ・ペロー干渉計の原理を応用した表示装置が提案されている（ＳＩＤ '００Ｄｉｇｅｓｔ，２０００，ｐ３２−３４）。これは、可動ミラーとｉｎｄｕｃｅｄａｂｓｏｒｂｅｒを有する干渉型共振器との間での多重光束干渉により入射する多色光（自然光）の特定波長領域の光のみを反射しカラー表示を可能とするものである。
【０００５】
また、３色の光源を用いて、干渉の原理を利用した反射型表示装置（ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔＮｏ．４，４０３，２４８）が開示されている。
【０００６】
また、ファブリ・ペロー干渉を用い紫外線光源からの光を光変調し光変調器から射出される光を、光変調器に対向配置した蛍光体照射する表示装置（特開平１１−２５８５５８号公報）が開示されている。
【０００７】
上述の光変調器では、液晶表示装置とは異なり偏光板が不要であり、光源から光変調器に入射する光の利用効率を飛躍的に上げることが期待できる。データプロジェクタや映画用表示装置では画面サイズが大きく、高輝度化の要望が特に大きい。投影型表示装置への応用が期待される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＩＭＯＤ素子を使用する表示素子は、単純マトリクス駆動であった。一般に、単純マトリクス駆動で問題となるクロストークが、ＩＭＯＤ素子についても問題となる。
【０００９】
図４に示すように、ＩＭＯＤデバイスは、基本的に、ヒステリシス特性をもつ光学的には２値の表示デバイスである。表示動作点は、暗状態（高電圧印加）と明状態（低電圧印加）の２点である。
【００１０】
図５は、このような表示デバイスを単純マトリクス駆動するためのタイミングチャートである。図中に例示した電圧値は選択線、信号線に印加される電圧であり、クロストーク電位は、３．７５Ｖ±０．７５Ｖとしてある。
【００１１】
単純マトリクス駆動では、画素の選択期間では、上述の表示動作点に電圧が固定される。しかしながら、非選択期間では、他の選択線を駆動している関係上、選択されていない画素に対しても、信号線の信号がクロストーク電圧として印加されることになる。
【００１２】
このクロストーク電圧が実際の表示特性にどの程度影響するかを見積もってみる。
【００１３】
暗表示電圧５．２５Ｖ、明表示電圧２．２５Ｖとすると、信号線電圧振幅±０．７５Ｖ程度のクロストーク電圧が非選択期間に各画素に印加される。この電圧変動によるＩＭＯＤ素子のＡＩＲギャップの変動量は、もともとが明状態表示の場合、およそ＋４％、−８％の変動量になる。
【００１４】
ＩＭＯＤ素子の場合、ＡＩＲギャップの変動は、色の変化となって現れる。たとえば、青（Ｂ）を表示しようとした場合、ＡＩＲギャップは、ほぼ３２５ｎｍに設定されるが、これが、クロストークの影響で、３４０ｎｍ〜３００ｎｍの振れを生じるようになる。この結果、その画素は、純粋なＢ表示ができなくなる。具体的には、長ギャップでは、緑（Ｇ）がかった色になり、狭ギャップでは、赤（Ｒ）味がかる。
【００１５】
このようなクロストークによるギャップ変動の影響は、明状態表示で起こる。これは、ＩＭＯＤの動作原理が、２枚の電極間の静電力と反射膜すなわち反射電極の弾性力によって動作するためである。静電力は、２枚の電極間距離をＬ、電圧をＶとすると、
Ｆ＝（１／２）×ε×Ａ×（Ｖ²／Ｌ²）
ここで、εは誘電率、Ａは電極面積である。
【００１６】
一方、反射電極の弾性力は、単純な１次元モデルを仮定すると、弾性率ｋに比例する。
【００１７】
これら静電力と弾性力の両者がつりあったところで、ギャップが決まる。この結果、明状態では、実際のヒステリシス曲線は、第４図中点線で示したようになだらかな変化を示すようになる。
【００１８】
暗状態においては、反射電極が、光入射部の積層膜に接触しているため、クロストークにより画素電圧が振られ静電力が多少変化しても、接触は保たれ、ギャップ自体は変化しない。
【００１９】
しかしながら、暗状態でのクロストークの影響は、パネルの消費電力に現れる。
【００２０】
ＩＭＯＤ素子は、等価回路的には、容量とみなせる。明状態では、ＡＩＲギャップによる容量と光入射部の積層膜すなわち干渉膜による容量の直列容量とみなすことができ、その容量値は小さい。一方、暗状態では、反射電極が干渉膜に接触しているため、ＩＭＯＤ素子の等価容量は干渉膜の容量のみとなり、容量は非常に大きくなる。
【００２１】
暗状態でのクロストークの存在は、干渉膜容量の充放電電流となり、これは、非選択期間、すなわち、ほぼ、フィールド期間消費されることになる。たとえば、表示対角２インチでＱｕａｒｔｅｒＶｉｄｅｏＧｒａｐｈｉｃｓＡｒｒａｙｓ（ＱＶＧＡ）（３２０×３×２４０）の解像度を想定した場合、選択期間に消費される電力は、約３ｍＷと非常に小さいのに対して、非選択期間のクロストークによる消費電力は、約２０ｍＷにもなり、全体としての消費電力は、クロストークがない場合に比べ、非常に大きくなる。
【００２２】
そこで、本発明は、ＩＭＯＤ素子を使用する表示素子の色再現性を向上させ、消費電力を低減することを課題としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、絶縁層／導体層／絶縁層の少なくとも３層をこの順に透明基板上に積層した光入射部と、可動反射膜とを、空気層を介して対峙させ、前記導体層と前記反射膜に電圧を印加して前記可動反射膜を変形させる干渉性変調（ＩＭＯＤ）素子と、マトリクス状に配置された複数の走査線及び複数の信号線と、前記複数の走査線及び複数の信号線のそれぞれの交点に配置されたアクティブ素子とを備え、前記ＩＭＯＤ素子の前記導体層を前記アクティブ素子に接続し、前記アクティブ素子によって、前記ＩＭＯＤ素子を駆動するようにしている。
【００２４】
アクティブマトリクス素子を設けた表示素子には、たとえば、液晶表示素子があり、ＴＮ液晶を用いて、フラットパネルディスプレイとして、あるいは、プロジェクションテレビとして商品化されている。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）やダイオード素子、および、ＭＩＭ（メタル・インシュレータ・メタル）素子などに代表される上記アクティブマトリクス素子は、そのスイッチング特性により、比較的応答の遅い上記ＴＮ液晶に対し実質ライン選択周期より長い間電圧印加状態を保持することにより液晶の光学スイッチ応答を助け、また、上記ＴＮ液晶などのようにメモリ性（自己保持性）がない液晶に対して、上記電圧印加状態保持により１フレーム間の実質的メモリ状態をもたらすものである。あるいは、各ライン間、画素間に対して原理的にはクロストークを与えず、良好な表示特性を与える特徴がある。
【００２５】
本発明は、このような従来は液晶表示装置に用いられてきたアクティブマトリクス駆動をＩＭＯＤ素子に適用することにより、より高性能な表示素子を提供する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
図１は、本発明の表示素子の１画素分の断面図である。図１において、１０１はガラス基板、１０４はＡＩＲギャップ、１０５は反射電極、１０７は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）である。
【００２８】
干渉膜は、ある一定の干渉条件を満たす絶縁膜１２１，１２３と、光吸収用導体膜１２２のサンドイッチ構造である。具体的には、１２１は酸化ジルコニウム膜５４．４６ｎｍ（ＺｒＯ膜）１２３は酸化シリコン膜５０．００ｎｍ（ＳｉＯ膜）、１２２はタングステン（Ｗ）１４．４９ｎｍを用いることができる。干渉膜は、４層以上の多層膜であってもよい。
【００２９】
ＴＦＴ１０７は、通常のポリシリコンＴＦＴである。ＩＭＯＤ素子は基本的に２値表示素子であるため、階調表現のためには、画素分割による面積諧調や、時間的に発光期間を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）による時分割諧調が用いられる。特に、時分割階調には、解像度と階調数にもよるが、高速の駆動回路が要求される。そのため、本実施形態では、高速駆動が可能なポリシリコンＴＦＴを用いた。面積諧調や、低解像度の表示素子においては、アモルファスシリコンＴＦＴも用いることが可能である。
【００３０】
本実施形態においては、ＴＦＴのソースあるいはドレイン電極材料１０８を光吸収膜として用いているタングステン１２２と同時に形成している。これにより特別な工程を増やすことなくＴＦＴとＩＭＯＤ素子とのマッチングが可能となる。タングステンだけでＴＦＴ回路の配線を形成しても良いが、より高速駆動を実現するため、本実施形態では、さらに、タングステン（Ｗ）より１桁以上抵抗の低いアルミニウム（Ａｌ）を積層してＴＦＴ配線材料として使用している。
【００３１】
このような構成のＩＭＯＤ素子において、ＴＦＴ１０７が選択（導通）状態のとき、映像信号がＴＦＴ電極１０８を通して光吸収膜１２２に送られ、その信号レベルと反射電極１０５電位間での静電力により、反射電極が可動し、明（図１実線１０５）または暗（図１点線１０５）状態表示を行う。
【００３２】
図２は、本発明の表示素子の等価回路図である。
【００３３】
従来のＩＭＯＤ素子との違いは、静電力により変形する反射電極の電位を複数の画素で共通の電位Ｖｃｏｍ２０３としている点である。従来の単純マトリクスに比べ、電極の取り出し数が激減し実装コストの大幅な削減が可能となる。また、同様の理由により、素子全体の容積が減少する。
【００３４】
図３は、本発明の表示素子の駆動タイミングチャートである。（ａ）〜（ｃ）は、図２の走査線２０１を選択する走査線選択パルスである。又、（ｄ）は、図２の信号２０２の信号パルスでありＰＷＭ波形である。又、（ｅ）は、図２の共通電極信号Ｖｃｏｍ２０３である。
【００３５】
ある走査線が選択されている期間に、それに接続されている各画素にＤｉｇｉｔａｌ信号（ｅｄ）をＴＦＴを介して転送する。そのとき、共通信号線の電位は、一定としている。これは、先に説明したように、ＴＦＴによるアクティブマトリクス駆動においては、非選択期間においても信号電圧が基本的に保持され、また、クロストークもないため、共通電極電位を変動させる必要がないためである。
【００３６】
本実施形態では、ＴＦＴを用いたが、クロストークの防止のためには、これに限ったものではない。たとえば、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）素子をアクティブ素子として用いてもよい。又、ＭＩＭ素子の場合は、一方のメタル電極を光吸収金属と共通化もしくは電気的に接続すればよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、ＩＭＯＤ素子とＴＦＴのようなアクティブ素子との組合せによって、クロストークがなく、結果として、色再現性の良い、消費電力の少ないＩＭＯＤ表示素子を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表示素子の１画素分の断面図
【図２】本発明の表示素子の等価回路
【図３】本発明の表示素子の駆動タイミングチャート
【図４】干渉性変調（ＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＩＭＯＤ）素子の特性図
【図５】ＩＭＯＤ素子のクロストークを説明するためのタイミングチャート
【符号の説明】
１０１透明基板
１０４空気層
１０７ＴＦＴ
１０８ＴＦＴのソース又はドレイン
１０５反射膜
１２１絶縁膜
１２２導体膜
１２３絶縁膜
２０１行配線
２０２画像信号線
２０３共通電極線

Claims

マトリクス状に配置された複数の走査線および複数の信号線と、
前記複数の走査線と複数の信号線とのそれぞれの交点に配置された複数の画素と、
を有する表示素子であって、
前記複数の画素はそれぞれ、
絶縁層／導体層／絶縁層の少なくとも３層をこの順に透明基板上に積層した光入射部と、可動反射膜とを空気層を介して対峙させ、前記導体層と前記可動反射膜に電圧を印加して前記可動反射膜を変形させる干渉性変調素子と、
前記干渉性変調素子を駆動する薄膜トランジスタと、を含み、
前記導体層は前記薄膜トランジスタのソースもしくはドレインに接続されており、
かつ、前記導体層と、前記導体層に接続する前記薄膜トランジスタのソースもしくはドレインとは、同一の層で形成されていることを特徴とする表示素子。
前記複数の画素のそれぞれに含まれる前記可動反射膜は、共通の電極線に接続され、一定の電位に保たれていることを特徴とする請求項１に記載の表示素子。