JP5727303B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は表示装置に関し、特に、各画素にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical
System，微小電子機械システム）技術を用いて形成した可動式シャッターを備えた表示装置に関する。

表示装置として、プラズマ表示装置、液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス表示装置などの各種表示装置が利用されている。

特許文献１に示すように、新たな表示装置として、ＭＥＭＳ技術を用いて形成した可動式シャッターを備えた表示装置（以下、「ＭＥＭＳ表示装置」という。）が提案されている。図１及び２に、透明基板（ＳＵＢ１）上に形成した、可動式シャッター１の一例を示す。図１は、斜視図であり、図２は平面図である。

シャッター（ＳＨ）は、可動式シャッター１の構成要素の一つであり、平板状の形状から成り、光を透過する開口部（ＯＰ１）を有している。更に、シャッターＳＨ（即ち平板状シャッター）は、シャッター（ＳＨ）の両側に配置された４つの第１バネ（ＳＰ１，ＳＰ１’）で支持されている。第１バネ（ＳＰ１，ＳＰ１'）は、アンカー部（ＡＮ１，ＡＮ１’）で基板（ＳＵＢ１）に固定されると共に、第１バネ及びシャッターは基板から浮いた状態で保持されている。また、第２バネ（ＳＰ２，ＳＰ２’）は、アンカー部（ＡＮ２，ＡＮ２’）で基板（ＳＵＢ１）に固定されると共に、第２バネ自体は基板から浮いた状態で保持されている。

第１バネ及び第２バネは導電性材料で構成されると共に、表面は絶縁膜で覆われている。また、各バネはアンカー部により基板（ＳＵＢ１）上に配置された配線（不図示）に導通されている。

可動式シャッター１を駆動するには、アンカー部ＡＮ１（ＡＮ１’）とアンカー部ＡＮ２（ＡＮ２’）に異なる電圧を印加すると、第１バネＳＰ１と第２バネＳＰ２とに蓄えられる電荷により、静電力が発生し、２つのバネの接触面積が増加して、両者が近接する。このため、第１バネＳＰ１は図２の矢印Ｃの方向に縮む。他方、第１バネＳＰ１'と第２バネＳＰ２’には、同電圧が印加されているため、シャッターＳＨは、図２の矢印Ｃ方向に移動し、第１バネＳＰ１’は矢印Ｃ方向に延びる。

次に、アンカー部ＡＮ１（ＡＮ１’）とアンカー部ＡＮ２（ＡＮ２’）に同電圧が印加されると第１バネ（ＳＰ１，ＳＰ１’）及び第２バネ（ＳＰ２，ＳＰ２’）の復元力で、シャッターＳＨは図２の矢印Ｄの方向に移動し、元の位置に戻される。この際、アンカー部ＡＮ１’（ＡＮ１）とアンカー部ＡＮ２’（ＡＮ２）とに異なる電圧を印加すると、より速くシャッターＳＨを矢印Ｄの方向に移動させることが可能となる。

可動式シャッター１が形成された透明基板（ＳＵＢ１）に対向して、他の透明基板（不図示）が配置される。他の透明基板の表面には、光を透過するアパーチャが形成されており、シャッターＳＨが矢印Ｃ−Ｄの方向に移動することにより、シャッターに形成された開口部（ＯＰ１）の位置とアパーチャとの相対的な位置関係が変化する。

例えば、アパーチャが形成された基板の裏面側にバックライトが配置されている場合には、開口部（ＯＰ１）とアパーチャの位置とが重なると、バックライト光が透過し、両者の位置が外れると、バクライト光はシャッターＳＨにより遮断される。このようにバックライト光の透過を制御（スイッチング）することにより、画像を表示することが可能となる。

また、カラー画像を表示する場合には、バックライトとして三原色（ＲＧＢ）に対応した光源を順次、繰り返して点滅させ、バックライト光の点滅に合せてシャッターＳＨを駆動することで、ＲＧＢ色を選択的に表示させることが可能となる。

このようなＭＥＭＳ表示装置は、偏光板やカラーフィルタを使用しないため光の利用効率が高く、プラズマ表示装置や液晶表示装置と比較しても、大幅な省電力化が可能であり、応答速度も液晶より早いため、高い動画性能を発揮できる。また、有機エレクトロルミネッセンス表示装置と比較しても高輝度化や長寿命化を実現することが可能である。

特開２００８−１９７６６８号公報

ＭＥＭＳ表示装置では、可動式シャッターを配置した透明基板（「第１基板」又は「ＭＥＭＳ基板」という。）と、アパーチャを形成した透明基板（「第２基板」又は「ＡＰ基板」という。）とを所定の間隔で、精度良く配置することが必要である。このため、従来のＭＥＭＳ表示装置においては、ＡＰ基板に複数の支柱を形成し、ＭＥＭＳ基板に該支柱を受ける台座を形成している。

図３は、従来のＭＥＭＳ表示装置の製造プロセスの一部を説明する図である。
第１基板（ＳＵＢ１）の上に、図３（ａ）に示すように、可動式シャッターの構造や台座の形状に合わせて、フォト・レジストパターンＲＥ１及びＲＥ２を形成する。レジストパターンＲＥ１は、第１基板（ＳＵＢ１）に配置された配線から導通を得るためのコンタクトホールを形成するために、またシャッターＳＨや第１及び第２バネを第１基板（ＳＵＢ１）の表面から離すために使用される。レジストパターンＲＥ２は、シャッターＳＨや第１及び第２バネ等の垂直方向（図３の高さ方向）の形状を形成するために使用される。

図３（ｂ）では、レジストパターン（ＲＥ１，ＲＥ２）の表面に、導電性を確保するため、半導体等の導電膜（ＣＬ）を形成し、さらに遮光性を確保するため金属膜（ＭＥ１）が積層される。次に、シャッターＳＨや第１及び第２バネ等の平面形状に対応したレジストパターンＲＥ３を形成する。

レジストパターンＲＥ３を用いてエッチングを行い、シャッターＳＨや第１及び第２バネ等を形成し、その後、不要なレジストパターン（ＲＥ１〜ＲＥ３）が除去され、残留した金属膜（ＭＥ１）や導電膜（ＣＬ）の表面には、図３（ｃ）のように、絶縁膜ＩＮが形成される。

ＭＥＭＳ基板に設ける台座ＰＥは、シャッターＳＨ、第１バネＳＰ１、第２バネＳＰ２及びアンカー部ＡＮ１と同様の製造工程で形成される。

他方、ＡＰ基板は、透明基板（ＳＵＢ２）に遮光膜となる金属膜（ＭＥ２）を形成し、次に、アパーチャに対応する開口を形成するため、フォトレジストパターンでアパーチャ部分の金属膜を除去する。そして、図３（ｄ）のように、金属膜（ＭＥ２）上に支柱（ＣＯ）をフォトレジストパターンで形成する。

ＭＥＭＳ基板（ＳＵＢ１）とＡＰ基板（ＳＵＢ２）とは、図３（ｅ）のように、シャッターＳＨとアパーチャとを近接対向させるように対向配置する。この際、ＡＰ基板の支柱（ＣＯ）をＭＥＭＳ基板の台座（ＰＥ）で受けている。

ＭＥＭＳ基板とＡＰ基板の貼り合わせは、各々の基板に形成したアライメントマーク（不図示）によって機械的にアライメントしていた。そのためＭＥＭＳ基板とＡＰ基板のアライメント精度は，貼り合わせ装置の精度でしか実現することができなかった。

また、ＭＥＭＳ基板に形成する台座も、ＡＰ基板に形成する支柱も、共にレジストパターンが高さ方向（図面の縦方向）の嵩を形成している。このように、同じ材料にも関わらず外部から衝撃を受けると、ＭＥＭＳ基板側に形成した台座上面で吸収しきれずに、ＡＰ基板側の支柱が台座に刺さったり、台座の表面が欠けたり、さらには、支柱と台座がズレるなどの問題が発生している。これは、対向する２つの基板各々で１つの支柱を形成しているため、同質材料の接触界面が存在することに原因があると考えられる。

本発明の解決しようとする課題は、上述した問題を解消し、ＭＥＭＳ基板とＡＰ基板との貼り合わせ作業におけるセルフアライメントが可能であり、外部衝撃に対する信頼性の高い表示装置を提供することである。

本発明の表示装置は、上述の課題を解決するため以下のような特徴的構成を有している。
（１） 透明基板上に可動式のシャッターを備えた第１基板と、他の透明基板上に光を透過するアパーチャを前記シャッターの開口に対応して備えた第２基板とを有し、両基板を所定の間隔で対向配置する表示装置において、前記第２基板の前記第１基板に対向する面上には、複数の支柱が形成され、前記第１基板には、前記支柱が挿入され、前記支柱を保持するコンタクトホールが形成されていることを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の表示装置において、前記コンタクトホールは、前記可動式のシャッターと同じ製造プロセスで同時に形成されていることを特徴とする。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の表示装置において、前記可動式のシャッターは、前記開口が形成されている平板状シャッターと、前記平板状シャッターと接続しているバネ部と、前記バネ部の前記平板状シャッタと接続している側とは反対側に接続しているアンカー部とを有し、前記透明基板上には、第１の層（例えばレジスト膜）と前記第1の層に接して積層された第２の層（例えばレジスト膜）とが形成され、前記コンタクトホールは、前記第１の層と前記第２の層とが積層している箇所に形成され、前記アンカー部の少なくとも一部は、前記第1の層で形成されていることを特徴とする。

（４） 上記（３）に記載の表示装置において、前記バネ部の少なくとも一部は、前記第２の層で形成されていることを特徴とする。

（５） 上記（１）乃至（４）に記載の表示装置において、前記コンタクトホールの高さｈは、前記支柱の高さＨの半分以上の高さであり、前記コンタクトホールの底面幅は、前記支柱の幅と同じに設定され、かつ前記コンタクトホールの上部開口の幅は前記底面幅よりも大きいことを特徴とする。

（６） 上記（１）乃至（５）の何れかに記載の表示装置において、前記コンタクトホールの数は、前記支柱の数よりも少なく、前記コンタクトホールの底面に形成される膜体は、前記支柱が前記コンタクトホールを介さずに第１基板と接触する場所と同じ膜厚の膜体が形成されていることを特徴とする。

本発明のように、ＡＰ基板である第２基板の面上には、複数の支柱が形成され、ＭＥＭＳ基板である第１基板の面上には、該支柱が挿入され、該支柱を保持するコンタクトホールが形成されているため、支柱をコンタクトホールに挿入するだけで、ＭＥＭＳ基板とＡＰ基板との貼り合わせに際するセルフアライメントを容易に実現することが可能となる。

しかも、支柱は、ＡＰ基板に形成された支柱のみで形成しているため、従来のように支柱が台座に刺さるような不具合も生じず、外部からの衝撃にも強いＭＥＭＳ表示装置を提供することが可能となる。

本発明の表示装置に使用される可動式のシャッターの一例を示す斜視図である。 本発明の表示装置に使用される可動式のシャッターの一例を示す平面図である。 従来のＭＥＭＳ基板とＡＰ基板との製造工程の一部を説明する図である。 本発明の表示装置に使用されるＭＥＭＳ基板の一例を示す平面図である。 本発明の表示装置に使用されるＡＰ基板の一例を示す平面図である。 本発明の表示装置におけるＭＥＭＳ基板とＡＰ基板との製造工程の一部を説明する図である。

本発明に係る表示装置について、以下に詳細に説明する。
本発明は、図４乃至６に示すように、透明基板上に可動式のシャッター１を備えた第１基板（ＳＵＢ１）と、他の透明基板上に光を透過するアパーチャを、可動式のシャッター１の構成要素の一つであるシャッターＳＨ（即ち平板状シャッター）の開口に対応して備えた第２基板（ＳＵＢ２）とを有し、両基板を所定の間隔で対向配置する表示装置において、該第２基板の該第１基板に対向する面上には、複数の支柱（ＣＯ）が形成され、該第１基板の該可動式のシャッターが形成された面上には、該支柱が挿入され、該支柱を保持するコンタクトホール（ＣＨ）が形成されていることを特徴とする。

図４は、ＭＥＭＳ基板の平面図であり、ガラス等の透明基板（第１基板，ＳＵＢ１）の表面に、表示画素に対応して可動式のシャッター１が形成・配置されている。可動式のシャッター１の構成については、図１及び２で説明したとおりである。本発明では、従来のＭＥＭＳ基板では、台座が形成されている位置にコンタクトホールＣＨを形成している。

図５は、ＡＰ基板の平面図であり、ガラス等の透明基板（第２基板,ＳＵＢ２）の表面に、遮光性を担う金属膜（ＭＥ２）を形成し、アパーチャを構成する開口部（ＯＰ２）のみ金属膜が除去されている。図４のコンタクトホールＣＨに対応する位置には、支柱ＣＯが形成されている。

次に、図６を用いて、本発明の特徴であるコンタクトホールの製造プロセスを説明する。基本的には、レジストパターンが異なるだけで、可動式のシャッター１と同じ製造プロセスで同時に形成されている。

図６（ａ）では、シャッターＳＨや第１及び第２バネ、アンカー部を形成する土台となるフォトレジストパターン（ＲＥ１，ＲＥ２）を用いて、コンタクトホールＣＨの底面側部分（ＲＥ１）と上部（ＲＥ２)を形成している。レジストパターンＲＥ１が、例えばフォトリソグラフィによって、図６（ａ）に示す形状にパターニングされる際に、アンカー部（の土台）を形成すると共に、支柱を受けるためのコンタクトホールを形成している。次に、レジストパターンＲＥ２が、例えばフォトリソグラフィによって、図６（ａ）に示す形状にパターニングされる際に、第１及び第２バネ（の土台）を形成すると共に、支柱を受けるためのコンタクトホールを、レジストパターンＲＥ１に形成したコンタクトホールよりひと回り大きく、同じ箇所に形成している。

図６（ｂ）では、図３（ｂ）と同様に、レジストパターン（ＲＥ１，ＲＥ２）の表面に、導電性を確保するため、半導体等の導電膜（ＣＬ）を形成し、さらに遮光性を確保するため金属膜（ＭＥ１）が積層される。次に、シャッターＳＨや第１及び第２バネ等の平面形状に対応したレジストパターンＲＥ３を形成する。

レジストパターンＲＥ３を用いてエッチングを行い、シャッターや第１及び第２バネ等を形成し、その後、不要なレジストパターン（ＲＥ１〜ＲＥ３）が除去され、残留した金属膜（ＭＥ１）や導電膜（ＣＬ）の表面には、図６（ｃ）のように、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＮなどの絶縁膜ＩＮが形成される。

図６（ｃ）に示すコンタクトホールＣＨの形状は、図６（ｄ）のＡＰ基板側の支柱ＣＯの形状（高さＨ，幅Φ）との関係から、コンタクトホールの高さｈは、支柱の高さＨの半分以上の高さであり、コンタクトホールの底面幅φ２は、支柱の幅Φと同じに設定され、かつコンタクトホールの上部開口の幅φ１は底面幅φ２よりも大きく設定されている。

コンタクトホールＣＨは、ＭＥＭＳ基板とＡＰ基板とを貼り合わせる際に、支柱ＣＯがシャッターＳＨ等に接触せず、ＭＥＭＳ基板側で最初に接触する部材となることが好ましい。このためには、ＭＥＭＳ基板側の最も高い位置にコンタクトホールの頂部が位置することが必要である。しかも、コンタクトホールＣＨに入った支柱ＣＯが飛び出さないよう保持するためには、コンタクトホールＣＨの高さｈを支柱の高さＨの半分以上にすることが好ましい。例えば、支柱の高さＨを１２μｍとすると、コンタクトホールの高さｈは８μｍ程度であり、シャッターＳＨとアパーチャ（金属膜（ＭＥ２）の開口部）との距離は約４μｍ程度となる。

ＭＥＭＳ基板側の支柱受け用のコンタクトホールＣＨは、底面幅（底径）φ２が支柱ＣＯの幅寸法Φと同等になるように形成する。また、上部側の開口幅（上底のホール径）φ１は貼り合わせ装置のアライメント精度の尤度を加味した寸法になるようにする。例えば支柱の幅が１０μｍ、貼り合わせ装置のアライメント精度が±３μｍの場合、支柱受け用コンタクトホールの底径が１０μｍ、上底径が下底の中心から最小で８μｍ（φ１＝１６μｍ）となるように形成する。

図６（ｅ）のように、ＭＥＭＳ基板（ＳＵＢ１）とＡＰ基板（ＳＵＢ２）とを対向配置する際に、支柱ＣＯがコンタクトホールＣＨに入り込み、コンタクトホールの底面側で、支柱が挟まって保持されるため、ＭＥＭＳ基板とＡＰ基板の貼り合わせをセルフアライメントで実現できる。しかも支柱ＣＯは、ＡＰ基板側のみで形成され、繋ぎ目のない支柱となるため、外部衝撃に対する信頼性も高めることが可能となる。

ＭＥＭＳ基板とＡＰ基板との間には、透明な液体が作動流体として封入される。作動流体としては、光の透過性が高く、絶縁性があり、誘電率が高く、ＭＥＭＳ基板（ＳＵＢ１）とＡＰ基板（ＳＵＢ２）に近い屈折率であることが望ましく、さらにはシャッターやバネなどの稼働部品の動きを妨げないオイル等が好ましい。

図４及び図５では、支柱の数とコンタクトホールの数とが同じである場合について説明したが、本発明の表示装置においては、コンタクトホールの数を、支柱の数よりも少なく設定することも可能である。これは、全ての支柱を全てのコンタクトホールに挿入可能に設定することは、製造工程において極めて高い精度が要求される。このため、例えば、コンタクトホールの数を支柱の数の半分以下、さらに好ましくは３分の１以下に設定し、コンタクトホールの無い場所では、支柱がＭＥＭＳ基板に直接接触するよう構成してもよい。

この際には、コンタクトホールに差し込む支柱とＭＥＭＳ基板に接触する支柱とで、ＭＥＭＳ基板とＡＰ基板との距離が異なると、支柱に加わる圧力にバラツキが発生するため、コンタクトホールの底面に形成される膜体は、支柱がコンタクトホールを介さずにＭＥＭＳ基板（第１基板）と接触する場所に形成された膜体と、同じ膜厚かつ同じ種類の膜体で形成されていることが好ましい。もし、ＭＥＭＳ基板を構成する透明基板（第１基板）に支柱が直接コンタクトする場合には、コンタクトホールの底面も透明基板が露出するよう構成することが好ましい。なお、当該膜体の厚みが支柱による距離のバラツキに影響を与えない程、極めて薄い場合には、この膜体の存在を無視しても良い。

以上のように、本発明によれば、ＭＥＭＳ基板とＡＰ基板との貼り合わせ作業におけるセルフアライメントが可能であり、外部衝撃に対する信頼性の高い表示装置を提供することが可能となる。

１ 可動式のシャッター
ＡＮ１，ＡＮ２ アンカー部
ＣＨ コンタクトホール
ＣＬ 導電膜
ＣＯ 支柱
ＩＮ 絶縁膜
ＭＥ１，ＭＥ２ 金属膜
ＯＰ１，ＯＰ２ 開口部
ＲＥ１〜ＲＥ３ レジストパターン
ＳＨ シャッター
ＳＰ１，ＳＰ２ バネ
ＳＵＢ１，ＳＵＢ２ 透明基板

Claims (7)

1. 透明基板上に可動式のシャッターを備えた第１基板と、他の透明基板上に光を透過するアパーチャを前記可動式のシャッターの開口に対応して備えた第２基板とを有し、前記第１基板と前記第２基板とを所定の間隔で対向配置する表示装置において、
   前記第２基板の前記第１基板に対向する面上には、複数の支柱が形成され、
   前記第１基板の表面上の微小電気機械システム構造が、前記複数の支柱のうちの１つの支柱を受けるためのコンタクトホールを画定し、前記支柱が前記コンタクトホールに挿入されていることを特徴とする表示装置。
2. 前記コンタクトホールは、前記可動式のシャッターと同じ製造プロセスで同時に形成されていることを特徴とする請求項１に記載表示装置。
3. 前記可動式のシャッターは、前記開口が形成されている平板状シャッターと、前記平板状シャッターと接続しているバネ部と、前記バネ部の前記平板状シャッタと接続している側とは反対側に接続しているアンカー部とを有し、
   前記透明基板上には、第１の層と前記第１の層に接して積層された第２の層とが形成され、
   前記コンタクトホールは、前記第１の層と前記第２の層とが積層している箇所に形成され、
   前記アンカー部の少なくとも一部は、前記第１の層で形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表示装置。
4. 前記バネ部の少なくとも一部は、前記第２の層で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
5. 前記第１の層と前記第２の層とは、レジスト膜で形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の表示装置。
6. 前記コンタクトホールの高さｈは、前記支柱の高さＨの半分以上の高さであり、前記コンタクトホールの底面幅は、前記支柱の幅と同じに設定され、かつ前記コンタクトホールの上部開口の幅は前記底面幅よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の表示装置。
7. 前記コンタクトホールの数は、前記支柱の数よりも少なく、前記コンタクトホールの底面に形成される膜体は、前記支柱が前記コンタクトホールを介さずに第１基板と接触する場所と同じ膜厚の膜体が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に表示装置。

Images