JP7137593B2 - 光電素子及びそれを利用するディスプレイパネル - Google Patents

Description

本発明は、光電素子及び光電素子を利用するディスプレイパネルに関するものである。

従来の液晶のディスプレイパネルは、例えば、特許文献１に開示されるような構造や、図５に示すような構造を備えている。図５を参照して、従来のディスプレイパネル１００は、ガラス基板３０と、カラーフィルタ構造１０２と、液晶４０と、アレイ基板５２と、ガラス基板５４と、バックライトモジュール６０とを含んでいる。バックライトモジュール６０から照射される光は、液晶分子配列が電気的に制御された液晶４０を通過し、カラーフィルタ構造１０２において色相が付与されて出射される。すなわち、赤色のカラーレジスト（Ｒ）を通過する光は赤色光ＲＬとして出射され、緑色のカラーレジスト（Ｇ）を通過する光は緑色光ＧＬとして出射され、青色のカラーレジスト（Ｂ）を通過する光は青色光ＢＬとして出射される。

実用新案登録第３１０９８９０号公報

ここで、上述したような従来のディスプレイパネル１００のカラーフィルタ構造１０２は、ＲＧＢの３原色を利用して様々な色を作り出すこと、ブラックマトリクス（ＢＭ）のシェーディングによって隣接する２色の光の混合を防止することなどができるが、それ以外に有効な用途がなく、改善の余地があった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ディスプレイパネルのカラーフィルタ構造の利用価値を高めることにある。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）Ｐ型ドープ層及びＮ型ドープ層がアンドープ層で隔てられたＰＩＮ構造を備える光電素子であって、バンドギャップが調整されて所定範囲の波長の光透過特性が付与された少なくとも１種の半導体により、前記アンドープ層が形成されていることで、ディスプレイパネルのカラーフィルタ構造において、ＲＧＢの光透過パターン及び／又はブラックマトリクスとして利用される光電素子。

本項に記載の光電素子は、Ｐ型ドープ層及びＮ型ドープ層がアンドープ層で隔てられたＰＩＮ構造を備えるものであり、アンドープ層が少なくとも１種の半導体により形成される。そして、このアンドープ層を形成する少なくとも１種の半導体は、所定範囲の波長の光透過特性が付与されるように、バンドギャップが調整されたものである。このため、赤色光を透過するように調整された半導体と、緑色光を透過するように調整された半導体と、青色光を透過するように調整された半導体との、３種の半導体の夫々によってアンドープ層が形成された３種の光電素子により、三原色であるＲＧＢの光透過パターンが実現される。

更に、例えばバンドギャップが調整された複数の半導体の組み合わせによって、ＲＧＢのいずれの波長の光も遮断するようにアンドープ層が形成された光電素子により、ブラックマトリクスが実現される。従って、これらの光電素子は、ディスプレイパネルのカラーフィルタ構造において、カラーレジストに代えて、ＲＧＢの光透過パターン及びブラックマトリクスとして利用されるものとなる。これにより、そのようなカラーフィルタ構造において、配色だけでなく、光電素子を利用した様々な機能が実現されることとなるため、カラーフィルタ構造の利用価値が向上されるものとなる。

（２）光源から照射された光を、カラーフィルタ構造により配色して、表示画面から出射するディスプレイパネルであって、前記カラーフィルタ構造は、少なくとも一部のカラーレジストに代えて、Ｐ型ドープ層及びＮ型ドープ層がアンドープ層で隔てられたＰＩＮ構造を備える複数の光電素子が設けられ、該複数の光電素子は、赤色の光透過パターンを実現する第１の光電素子と、緑色の光透過パターンを実現する第２の光電素子と、青色の光透過パターンを実現する第３の光電素子とのうち、少なくとも１種の光電素子を含み、前記第１～第３の光電素子は、バンドギャップが互いに異なる３種の半導体により各々の前記アンドープ層が形成されているディスプレイパネル。

本項に記載のディスプレイパネルは、光源から照射された光を、カラーフィルタ構造を通して配色して表示画面から出射するものであり、そのカラーフィルタ構造に、少なくとも一部のカラーレジストに代えて、複数の光電素子が設けられたものである。これら複数の光電素子は、Ｐ型ドープ層及びＮ型ドープ層がアンドープ層で隔てられたＰＩＮ構造を備えるものであり、第１～第３の光電素子のうちの少なくとも１種の光電素子を含んでいる。これら第１～第３の光電素子は、ＲＧＢの夫々の光透過パターンを実現するように、バンドギャップが互いに異なる３種の半導体によってアンドープ層が形成されている。

すなわち、例えば第１の光電素子は、赤色光を透過するように調整された半導体によりアンドープ層が形成され、第２の光電素子は、緑色光を透過するように調整された半導体によりアンドープ層が形成され、第３の光電素子は、青色光を透過するように調整された半導体によりアンドープ層が形成される。これにより、本項に記載のディスプレイパネルは、複数の光電素子のアンドープ層を形成する半導体のバンドギャップ調整によって、カラーフィルタの機能が実現されるものとなる。更に、光源から照射される光への配色機能に加えて、複数の光電素子を利用した様々な機能が、カラーフィルタ構造によって実現されることとなるため、カラーフィルタ構造の利用価値が向上されるものとなる。

（３）上記（２）項において、前記光源が、バックライトモジュールであるディスプレイパネル。
本項に記載のディスプレイパネルは、光源がバックライトモジュールであることで、表示装置として適切な光量が容易に得られるものである。

（４）上記（２）（３）項において、前記複数の光電素子は、前記３種の半導体が重ねられて前記アンドープ層が形成された第４の光電素子を含み、該第４の光電素子によってブラックマトリクスが実現されるディスプレイパネル。
本項に記載のディスプレイパネルは、カラーフィルタ構造に用いられる複数の光電素子に、第１～第３の光電素子に加えて第４の光電素子が含まれたものである。この第４の光電素子は、第１～第３の光電素子のアンドープ層を形成する３種の半導体が重ねられて、アンドープ層が形成されている。

すなわち、赤色光を透過するようにバンドギャップが調整された半導体と、緑色光を透過するようにバンドギャップが調整された半導体と、青色光を透過するようにバンドギャップが調整された半導体とが重ねられている。換言すれば、赤色光以外の波長の光を吸収する半導体と、緑色光以外の波長の光を吸収する半導体と、青色光以外の波長の光を吸収する半導体とが重ねられている。これにより、第４の光電素子によって、ＲＧＢのいずれの波長の光も遮断するブラックマトリクスが実現されるため、第１～第３の光電素子と異なる半導体を利用してブラックマトリクスを実現する場合と比較して、コストが抑制されるものとなる。

（５）上記（２）から（４）項において、前記カラーフィルタ構造は、前記複数の光電素子を挟み込む態様で配置される一対の透明な電極層を含むと共に、発電モードとして動作可能に構成され、該発電モード時に、前記第１～第３の光電素子のうち前記複数の光電素子に含まれる光透過用の光電素子の各々は、前記電極層の各々を通過して到達した前記光源及び／又は周囲からの入射光を、前記アンドープ層を形成する半導体の光吸収特性に応じて吸収し、前記一対の電極層は、前記光透過用の光電素子から電流を取り出すディスプレイパネル。

本項に記載のディスプレイパネルは、カラーフィルタ構造が一対の透明な電極層を含み、これら一対の電極層の間に複数の光電素子が配置されることで、カラーレジストに代えて複数の光電素子が設けられた部分は、一方の電極層、Ｐ型／Ｎ型ドープ層、アンドープ層、Ｎ型／Ｐ型ドープ層、及び他方の電極層が、この記載順序で積層された構造となる。又、カラーフィルタ構造は、発電モードとして動作可能に構成されており、この発電モード時に、第１～第３の光電素子のうち複数の光電素子に含まれる光透過用の光電素子の各々は、光源及び／又は周囲からの入射光を吸収する。すなわち、光透過用の光電素子の各々は、光源の位置に応じていずれかの透明の電極層を通過した光源からの入射光と、表示画面側の透明の電極層を通過した周囲からの入射光、換言すれば、表示画面を介して入射するディスプレイパネルが配置された周囲環境からの入射光との、少なくともいずれか一方の入射光を、アンドープ層を形成している半導体によって吸収する。ここで、光透過用の光電素子とは、複数の光電素子に含まれる第１～第３の光電素子を示しており、例えば、複数の光電素子に第１の光電素子のみが含まれている場合は、その第１の光電素子を示す。又、複数の光電素子に第１の光電素子と第３の光電素子とが含まれている場合は、それらの第１及び第３の光電素子を示し、複数の光電素子に第１～第３の全ての光電素子が含まれている場合は、それら第１～第３の全ての光電素子を示すことになる。

より詳しくは、例えば第１の光電素子は、赤色光を透過するようにバンドギャップが調整された半導体によりアンドープ層が形成されていることで、その半導体によって緑色光や青色光といった赤色光以外の波長の光を吸収する。このため、光透過用の光電素子により、各々のアンドープ層を形成する半導体の光吸収特性に応じた波長の光を吸収して、各々のアンドープ層に電子正孔対を生成して内蔵電界を生じさせる。そして、発電モード時に、一対の電極層は、光透過用の光電素子において、Ｐ型ドープ層及びＮ型ドープ層を介した電子正孔対の分離により生じる光起電力から、電流を取り出すように形成される。これにより、本項に記載のディスプレイパネルのカラーフィルタ構造は、光源からの光及び／又は周囲環境からの光を利用し、太陽電池の如く機能して発電を行うものとなり、その利用価値が一層向上されるものとなる。

（６）上記（２）から（４）項において、前記カラーフィルタ構造は、前記複数の光電素子を挟み込む態様で配置される一対の透明な電極層と、該一対の電極層のいずれか一方を介して、前記第１～第３の光電素子のうち前記複数の光電素子に含まれる光透過用の光電素子と接続される複数のＴＦＴ素子と、を含むと共に、センシングモードとして動作可能に構成され、該センシングモード時に、前記カラーフィルタ構造は、前記光源から照射された光が、前記表示画面から赤色光として出射されるように配色し、前記複数のＴＦＴ素子は、前記光透過用の光電素子へ逆バイアスを提供し、前記光透過用の光電素子の各々は、前記表示画面から出射して、該表示画面に接触ないし近接する物体により反射された反射光を、前記アンドープ層を形成する半導体の光吸収特性に応じて吸収し、前記一対の電極層は、前記光透過用の光電素子から電流を取り出し、取り出した電流毎に、電流の強弱に応じた電気信号を生成し、該電気信号が、前記表示画面に接触ないし近接した物体の凹凸情報の抽出に用いられるディスプレイパネル。更に、前記電気信号は、前記表示画面に接触ないし近接した物体の凹凸情報の抽出に用いられる際に、取り出し元の前記光透過用の光電素子の位置情報が加味されるディスプレイパネル。

本項に記載のディスプレイパネルは、カラーフィルタ構造が、一対の透明な電極層と複数のＴＦＴ素子とを含むものである。一対の透明な電極層は、複数の光電素子を挟み込むように配置されることで、カラーレジストに代えて複数の光電素子が設けられた部分は、一方の電極層、Ｐ型／Ｎ型ドープ層、アンドープ層、Ｎ型／Ｐ型ドープ層、及び他方の電極層が、この記載順序で積層された構造となる。複数のＴＦＴ素子は、一対の電極層のいずれか一方を介して、第１～第３の光電素子のうち複数の光電素子に含まれる光透過用の光電素子と接続されるものである。すなわち、上述した積層構造の上側或いは下側に、複数のＴＦＴ素子が配置される層が形成される。ここでの光透過用の光電素子とは、上記（５）項で説明した光透過用の光電素子と同様のものである。

又、カラーフィルタ構造は、センシングモードとして動作可能に構成されており、このセンシングモード時に、光源から照射された光が、表示画面から赤色光として出射されるように、複数の光電素子などを制御して配色する。更に、センシングモード時に、複数のＴＦＴ素子は、接続先の光透過用の光電素子へ逆バイアスを提供し、これら光透過用の光電素子の各々は、表示画面から赤色光として出射して、表示画面に接触ないし近接する物体により反射された反射光を吸収する。すなわち、光透過用の光電素子により、各々のアンドープ層を形成する半導体の光吸収特性に応じた波長の光を吸収し、これによって、各々のアンドープ層に電子正孔対を生成して内蔵電界を生じさせる。又、同じくセンシングモード時に、一対の電極層は、光透過用の光電素子から電流を取り出し、取り出した電流毎に、電流の強弱に応じた電気信号を生成する。

ここで、表示画面に接触ないし近接する物体により反射された反射光は、物体の表面の凹凸などに応じた反射特性や散乱特性により、様々な明暗のレベルで反射されている。このため、光透過用の光電素子の各々から取り出される電流は、吸収した反射光の明暗のレベルに応じて強弱が変化する。そこで、一対の電極層は、光透過用の光電素子から取り出した電流毎に、電流の強弱に応じた大きさの電気信号を生成する。そして、これらの電気信号の各々に、取り出し元の光電素子の位置情報が加味されることで、光透過用の光電素子の配置に応じた平面的な信号情報が得られることになる。これにより、表示画面に接触ないし近接する物体の凹凸情報が平面的に得られるため、指紋などを検知する光センサの如く機能するものとなり、カラーフィルタ構造の利用価値がより向上されるものとなる。

（７）上記（２）から（６）項において、前記第１の光電素子は、波長が６３５～７３０ｎｍの光を透過させるように、バンドギャップが１．７～１．９５ｅＶに調整されたアモルファスシリコンによって、前記アンドープ層が形成されるディスプレイパネル。
本項に記載のディスプレイパネルは、赤色光を透過させる第１の光電素子のアンドープ層を形成する半導体を規定するものである。すなわち、第１の光電素子のアンドープ層は、バンドギャップが１．７～１．９５ｅＶに調整されたアモルファスシリコンによって形成され、波長が６３５～７３０ｎｍの光を透過させる。これにより、赤色光を透過させる第１の光電素子が容易に実現されるものとなる。

（８）上記（２）から（７）項において、前記第２の光電素子は、波長が５５０～６８８ｎｍの光を透過させるように、バンドギャップが１．８～２．２６ｅＶに調整されたリン化ガリウムによって、前記アンドープ層が形成されるディスプレイパネル。
本項に記載のディスプレイパネルは、緑色光を透過させる第２の光電素子のアンドープ層を形成する半導体を規定するものである。すなわち、第２の光電素子のアンドープ層は、バンドギャップが１．８～２．２６ｅＶに調整されたリン化ガリウムによって形成され、波長が５５０～６８８ｎｍの光を透過させる。これにより、緑色光を透過させる第２の光電素子が容易に実現されるものとなる。

（９）上記（２）から（８）項において、前記第３の光電素子は、波長が３８８～５９０ｎｍの光を透過させるように、バンドギャップが２．１～３．２ｅＶに調整された窒化インジウムガリウムによって、前記アンドープ層が形成されるディスプレイパネル。
本項に記載のディスプレイパネルは、青色光を透過させる第３の光電素子のアンドープ層を形成する半導体を規定するものである。すなわち、第３の光電素子のアンドープ層は、バンドギャップが２．１～３．２ｅＶに調整された窒化インジウムガリウムによって形成され、波長が３８８～５９０ｎｍの光を透過させる。これにより、青色光を透過させる第３の光電素子が容易に実現されるものとなる。

本発明は上記のような構成であるため、ディスプレイパネルのカラーフィルタ構造の利用価値を高めることが可能となる。

本発明の実施の形態に係るディスプレイパネルの構造の一例を模式的に示す断面図である。 図１のカラーフィルタ構造のブラックマトリクスの構造の一例を示すイメージ断面図である。 図１のディスプレイパネルを発電モードやセンシングモードで利用する場合の、光電素子単位でのイメージ構造図である。 図１のディスプレイパネルを発電モードやセンシングモードで利用する場合の、第１～第４の光電素子を含む構成におけるイメージ構造図である。 従来のディスプレイパネルの構造を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面に基づき説明する。ここで、従来技術と同一部分、若しくは相当する部分については、詳しい説明を省略することとし、又、図面の全体にわたって、同一部分若しくは対応する部分は、同一の符号で示している。
図１は、本発明の実施の形態に係るディスプレイパネル１０の構造を模式的に示している。図示のように、ディスプレイパネル１０は、ガラス基板３０、カラーフィルタ構造１４、液晶４０、アレイ基板５２、ガラス基板５４、及び光源６０としてバックライトモジュール６０を含んでいる。そして、液晶分子配列が電気的に制御された液晶４０を通過する、バックライトモジュール６０から照射された光を、カラーフィルタ構造１４により配色して、表示画面１２から出射するようになっている。

カラーフィルタ構造１４は、図５に示したような従来のカラーフィルタ構造１０２を構成するカラーレジストに代えて、複数の光電素子１６が縦横平面状（図１における左右方向と紙面と直交する方向とで規定される平面状）に並べられて設けられている。これら複数の光電素子１６の各々は、Ｐ型ドープ層１８及びＮ型ドープ層２０がアンドープ層２２で隔てられたＰＩＮ構造を備えている。なお、Ｐ型ドープ層１８及びＮ型ドープ層２０は、アンドープ層２２を挟んで対向する位置関係にあれば、アンドープ層２２の図１における上側或いは下側のどちらにあってもよい。更に、複数の光電素子１６は、一対の透明な電極層２６、２８によって挟み込まれており、これらの電極層２６、２８に接続されている。

複数の光電素子１６は、第１～第４の光電素子１６Ａ～１６Ｄを含み、これら第１～第４の光電素子１６Ａ～１６Ｄは、アンドープ層２２が互いに異なる半導体によって形成されている。本実施形態において、第１の光電素子１６Ａは、赤色光ＲＬを透過させる（換言すれば、赤色光ＲＬ以外の波長の光を吸収する）ようにバンドギャップが調整された半導体によってアンドープ層２２が形成されており、各図面では、第１の光電素子１６Ａのアンドープ層２２Ａを「Ｒ」として図示している。このため、バックライトモジュール６０から照射された光のうち、第１の光電素子１６Ａを通過する光は、赤色光ＲＬとして表示画面１２から出射される。第１の光電素子１６Ａのアンドープ層２２Ａには、例えば、アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ：Ｈ）が用いられ、そのバンドギャップが１．７～１．９５ｅＶに調整されて、波長が６３５～７３０ｎｍの光を透過させる。

一方、第２の光電素子１６Ｂは、緑色光ＧＬを透過させる（換言すれば、緑色光ＧＬ以外の波長の光を吸収する）ようにバンドギャップが調整された半導体によってアンドープ層２２が形成されており、各図面では、第２の光電素子１６Ｂのアンドープ層２２Ｂを「Ｇ」として図示している。このため、バックライトモジュール６０から照射された光のうち、第２の光電素子１６Ｂを通過する光は、緑色光ＧＬとして表示画面１２から出射される。第２の光電素子１６Ｂのアンドープ層２２Ｂには、例えば、リン化ガリウム（ＧａＰ）が用いられ、そのバンドギャップが１．８～２．２６ｅＶに調整されて、波長が５５０～６８８ｎｍの光を透過させる。

又、第３の光電素子１６Ｃは、青色光ＢＬを透過させる（換言すれば、青色光ＢＬ以外の波長の光を吸収する）ようにバンドギャップが調整された半導体によってアンドープ層２２が形成されており、各図面では、第３の光電素子１６Ｃのアンドープ層２２Ｃを「Ｂ」として図示している。このため、バックライトモジュール６０から照射された光のうち、第３の光電素子１６Ｃを通過する光は、青色光ＢＬとして表示画面１２から出射される。第３の光電素子１６Ｃのアンドープ層２２Ｃには、例えば、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）が用いられ、そのバンドギャップが２．１～３．２ｅＶに調整されて、波長が３８８～５９０ｎｍの光を透過させる。

他方、第４の光電素子１６Ｄは、図２に示すように、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃのアンドープ層２２Ａ～２２Ｃに用いられる３種の半導体が重ねられて、アンドープ層２２が形成されており、各図面では、第４の光電素子１６Ｄのアンドープ層２２Ｄを、ブラックマトリクスを示す「ＢＭ」として図示している。このため、バックライトモジュール６０から照射された光のうち、第４の光電素子１６Ｄに至る光は、３種の半導体の各々が有する光の吸収特性に応じた全ての波長が吸収され、表示画面１２から出射されずに吸収される。第４の光電素子１６Ｄは、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃが直接的に隣合って配置されないように、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃの間に介在して配置される。なお、図２では、上からＲＧＢ（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ）の順序で３種の半導体が重ねられているが、重ね合わせの順序は任意である。

図１には、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃが１つずつ図示されているが、これら３つの光電素子１６Ａ～１６Ｃを構成単位として、図１における左右方向及び紙面と直交する方向に並べられて、平面視で格子状に光電素子１６Ａ～１６Ｃが配置されている。それらを挟み込む一対の透明な電極層２６、２８は、例えばＩＴＯなどの透明導電膜（ＴＣＯ）として形成され、複数の光電素子１６から電流を取り出すように形成されている。又、カラーフィルタ構造１４の上にはガラス基板３０を備えており、図１の例では、このガラス基板３０の上面を表示画面１２として図示している。しかしながら、ガラス基板３０の上側に偏光板などを備えていてもよく、この場合には、偏光板などの一方の面が表示画面１２となる。

ここで、本発明の実施の形態に係るディスプレイパネル１０のカラーフィルタ構造１４は、発電モード或いはセンシングモードとして動作可能に構成されている。発電モードとして動作可能に構成される場合、カラーフィルタ構造１４は、例えば図３及び図４に示すように動作する。まず、第１の光電素子１６Ａを例にして１つの光電素子１６単位で説明すると、図３の左図に示すように、カラーフィルタ構造１４の複数の光電素子１６に含まれる、光透過用の光電素子１６の各々には、図３の上側から入射する入射光ＩＡと、図３の下側から入射する入射光ＩＢとが入射する。図３の上側から入射する入射光ＩＡは、図１も参照して、ディスプレイパネル１０が設置される周囲環境からの光であり、照明の光や太陽光がそれに相当し、ガラス基板３０を通って光電素子１６へ入射する。これに対し、図３の下側から入射する入射光ＩＢは、バックライトモジュール６０からの光であって、ガラス基板５４、アレイ基板５２、及び液晶４０を通って光電素子１６へ入射する。

そして、発電モード時に、複数の光電素子１６の各々は、周囲環境からの入射光ＩＡを、アンドープ層２２を形成している半導体の光吸収特性に応じて吸収する。すなわち、図３の例において、第１の光電素子１６Ａは、そのアンドープ層２２Ａを形成している半導体の光吸収特性に応じて、入射光ＩＡ中の、半導体自体の波長よりも短い波長帯域の光を吸収する。すると、アンドープ層２２Ａに電子正孔対が生成され、内蔵電界が生じるため、Ｎ型ドープ層２０／Ｐ型ドープ層１８までに電子正孔対が分離され、それによって生じる光起電力から、透明な電極層２８によって電流が引き出される。図３の右上図には、そのようなイメージを図示している。

更に、複数の光電素子１６の各々は、発電モード時に、バックライトモジュール６０からの入射光ＩＢを、アンドープ層２２を形成している半導体の光吸収特性に応じて吸収する。すなわち、図３の例において、第１の光電素子１６Ａは、そのアンドープ層２２Ａを形成している半導体の光吸収特性に応じて、入射光ＩＢ中の、半導体自体の波長よりも短い波長帯域の光を吸収する。すると、アンドープ層２２Ａに電子正孔対が生成され、内蔵電界が生じるため、Ｐ型ドープ層１８／Ｎ型ドープ層２０までに電子正孔対が分離され、それによって生じる光起電力から、透明な電極層２６によって電流が引き出される。図３の右下図には、そのようなイメージを図示している。

なお、図３には、第１の光電素子１６Ａのみが図示されているが、図４に示すように、第２及び第３の光電素子１６Ｂ、１６Ｃによっても、それらのアンドープ層２２Ｂ、２２Ｃを形成している半導体の光吸収特性に応じた光の吸収が行われる。そして、周囲環境からの入射光ＩＡ又はバックライトモジュール６０からの入射光ＩＢにより、光電素子１６Ｂ、１６Ｃの各々において光起電力が生じ、そこから透明な電極層２６、２８によって電流が取り出される。このような構成であるため、複数の光電素子１６は、アンドープ層２２を厚くして光吸収率を高めると共に、Ｐ型ドープ層１８及びＮ型ドープ層２０を薄くしてアンドープ層２２に到達するまでの光の吸収を抑制することが好ましい。これにより、光からの変換効率が向上して取り出される電流量が多くなる。

続いて、図４を参照して、カラーフィルタ構造１４がセンシングモードとして動作する場合について説明する。なお、光電素子１６単体での動作イメージは、図３に示した通りである。図４に示すように、カラーフィルタ構造１４は、複数のＴＦＴ素子７０を含み、これら複数のＴＦＴ素子７０は、図４（ａ）に示すように、一方の電極層２８を介して光透過用の第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃと接続されるか、或いは、図４（ｂ）に示すように、もう一方の電極層２６を介して光透過用の第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃと接続される。電極層２８を介して接続される場合は、アレイ基板５２側に配置されることになり、所謂ＣＯＡ（Ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒ ｏｎ Ａｒｒａｙ）が形成される。いずれの場合であっても、ＴＦＴ素子７０の各々は、ドレイン及びソース７４がチャネル層７８を挟んでゲート７６と反対側に配置されるように、基板７２によって保持された構造を有し、ドレイン及びソース７４を介して第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃと接続されている。そして、複数のＴＦＴ素子７０は、センシングモード時に、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃへ逆バイアスを提供するように形成されている。なお、ＴＦＴ素子７０の基板７２は、断熱材やその他の用途のものであってもよい。

又、図１も参照して、センシングモード時に、カラーフィルタ構造１４は、バックライトモジュール６０から照射された光が、表示画面１２から赤色光として出射されるように配色を行う。このとき、表示画面１２に物体が接触ないし近接していると、周囲環境などからの光は、その物体の直下ではその物体に遮られて表示画面１２から入射せず、表示画面１２から出射した赤色光は、その物体により反射された反射光として表示画面１２から入射する。例えば、人間の指が表示画面１２に接触していた場合、指紋の谷で全反射を生じ、指紋の山で青／緑の光領域で拡散するなど、指紋の山谷に応じて異なる光のレベルで反射する。そして、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃの各々は、表示画面１２から入射したそのような反射光を、各々のアンドープ層２２Ａ～２２Ｃを形成する半導体の光吸収特性に応じて吸収する。

更に、図４（ａ）に示す構成では一方の電極層２８が、図４（ｂ）に示す構成ではもう一方の電極層２６が、センシングモード時に、ＴＦＴ素子７０により逆バイアスが提供されている第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃから、上記のような光の吸収によって生じる電流を取り出し、取り出した電流毎に、電流の強弱に応じた電気信号を生成する。このとき、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃの各々において、空乏層の増加により静電容量が減少するため、応答時間が短縮される。そして、生成された電気信号の各々は、電流が取り出された光電素子１６の位置情報と併せて利用されることで、表示画面１２に接触ないし近接した物体の凹凸情報などの抽出に用いられる。

ここで、本発明の実施の形態に係るディスプレイパネル１０は、図１～図４に示した構成に限定されるものではなく、別の構成であってもよい。例えば、ディスプレイパネル１０は、その機能が妨げられない限り、図１に示す構成要素以外の構成要素を任意の位置に含んでいてもよい。又、カラーフィルタ構造１４は、そのカラーフィルタを形成している部分の全てが光電素子１６に置き換わっていなくてもよく、一部に従来のものと同様のカラーレジストが利用されていてもよい。すなわち、第１～第４の光電素子１６Ａ～１６Ｄの一部のみが使用され、残りにカラーレジストが利用されていてもよい。又、カラーフィルタ構造１４のブラックマトリクスを形成する第４の光電素子１６Ｄのアンドープ層２２Ｄは、図２に示したような３種の半導体が重ねられた構造に限定されず、１種や２種、又は４種以上の半導体で構成されていてもよい。更に、カラーフィルタ構造１４の位置は、ガラス基板３０と液晶４０との間に限定されることなく、アレイ基板５２やガラス基板５４に隣接する位置に配置されてもよい。又、光源６０もバックライトモジュールに限定されず、例えば自発光材料で形成されるものであってもよく、バックライトモジュールである場合も、直下型方式とエッジライト方式とのいずれであってもよい。

さて、上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。すなわち、本発明の実施の形態に係るディスプレイパネル１０は、図１に示すように、光源６０から照射された光を、カラーフィルタ構造１４を通して配色して表示画面１２から出射するものであり、そのカラーフィルタ構造１４に、少なくとも一部のカラーレジストに代えて、複数の光電素子１６が設けられたものである。これら複数の光電素子１６は、Ｐ型ドープ層１８及びＮ型ドープ層２０がアンドープ層２２で隔てられたＰＩＮ構造を備えるものであり、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃのうちの少なくとも１種の光電素子を含んでいる。これら第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃは、ＲＧＢの夫々の光透過パターンを実現するように、バンドギャップが互いに異なる３種の半導体によってアンドープ層２２が形成されている。

すなわち、例えば第１の光電素子１６Ａは、赤色光ＲＬを透過するように調整された半導体によりアンドープ層２２Ａが形成され、第２の光電素子１６Ｂは、緑色光ＧＬを透過するように調整された半導体によりアンドープ層２２Ｂが形成され、第３の光電素子１６Ｃは、青色光ＢＬを透過するように調整された半導体によりアンドープ層２２Ｃが形成される。これにより、ディスプレイパネル１０は、複数の光電素子１６のアンドープ層２２を形成する半導体のバンドギャップ調整によって、カラーフィルタの機能を実現することができる。更に、光源６０から照射される光への配色機能に加えて、複数の光電素子１６を利用した様々な機能を、カラーフィルタ構造１４によって実現することができるため、カラーフィルタ構造１４の利用価値を向上させることが可能となる。
又、本発明の実施の形態に係るディスプレイパネル１０は、光源６０がバックライトモジュールであることで、表示装置として適切な光量を容易に得ることができる。

又、本発明の実施の形態に係るディスプレイパネル１０は、カラーフィルタ構造１４に用いられる複数の光電素子１６に、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃに加えて第４の光電素子１６Ｄが含まれたものである。この第４の光電素子１６Ｄは、図２に示すように、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃのアンドープ層２２Ａ～２２Ｃを形成する３種の半導体が重ねられて、アンドープ層２２Ｄが形成されている。すなわち、赤色光ＲＬ以外の波長の光を吸収する半導体と、緑色光ＧＬ以外の波長の光を吸収する半導体と、青色光ＢＬ以外の波長の光を吸収する半導体とが重ねられている。これにより、第４の光電素子１６Ｄによって、ＲＧＢのいずれの波長の光も遮断するブラックマトリクスを実現することができるため、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃと異なる半導体を利用してブラックマトリクスを実現する場合と比較して、コストを抑制することができる。

更に、本発明の実施の形態に係るディスプレイパネル１０は、図１に示すように、カラーフィルタ構造１４が一対の透明な電極層２６、２８を含み、これら一対の電極層２６、２８の間に複数の光電素子１６が配置される。このため、カラーレジストに代えて複数の光電素子１６が設けられた部分は、一方の電極層２６、Ｐ型／Ｎ型ドープ層１８／２０、アンドープ層２２、Ｎ型／Ｐ型ドープ層２０／１８、及び他方の電極層２８が、この記載順序で積層された構造となる。又、カラーフィルタ構造１４は、発電モードとして動作可能に構成されており、この発電モード時に、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃのうち複数の光電素子１６に含まれる光透過用の光電素子１６の各々は、図３に示すように、光源６０及び／又は周囲からの入射光ＩＢ、ＩＡを吸収する。すなわち、光透過用の光電素子１６Ａ～１６Ｃの各々は、光源６０としてのバックライトモジュール６０側の透明の電極層２８を通過したバックライトモジュール６０からの入射光ＩＢと、バックライトモジュール６０の反対に位置する表示画面１２側の透明の電極層２６を通過した周囲からの入射光ＩＡ、換言すれば、表示画面１２を介して入射するディスプレイパネル１０が配置された周囲環境からの入射光ＩＡとの、少なくともいずれか一方の入射光を、アンドープ層２２を形成している半導体によって吸収する。

より詳しくは、例えば第１の光電素子１６Ａは、赤色光ＲＬを透過するようにバンドギャップが調整された半導体によりアンドープ層２２Ａが形成されていることで、その半導体によって緑色光ＧＬや青色光ＢＬといった赤色光ＲＬ以外の波長の光を吸収する。このため、光透過用の光電素子１６Ａ～１６Ｃにより、各々のアンドープ層２２を形成する半導体の光吸収特性に応じた波長の光を吸収して、各々のアンドープ層２２に電子正孔対を生成して内蔵電界を生じさせる。そして、発電モード時に、一対の電極層２６、２８は、光透過用の光電素子１６Ａ～１６Ｃにおいて、Ｐ型ドープ層１８及びＮ型ドープ層２０を介した電子正孔対の分離により生じる光起電力から、電流を取り出すように形成される。これにより、カラーフィルタ構造１４は、光源６０からの光及び／又は周囲環境からの光を利用し、太陽電池の如く機能して発電を行うことができ、その利用価値を一層向上させることが可能となる。

加えて、本発明の実施の形態に係るディスプレイパネル１０は、カラーフィルタ構造１４が、センシングモードとして動作可能に構成されていてもよいものである。この場合、カラーフィルタ構造１４は、図４に示すように、更に複数のＴＦＴ素子７０を含んでいる。これら複数のＴＦＴ素子７０は、一対の電極層２６、２８のいずれか一方を介して、第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃのうち複数の光電素子１６に含まれる光透過用の光電素子１６と接続されるものである。又、センシングモード時に、カラーフィルタ構造１４は、光源６０としてのバックライトモジュール６０から照射された光が、表示画面１２から赤色光として出射されるように、複数の光電素子１６などを制御して配色する。

更に、センシングモード時に、複数のＴＦＴ素子７０は、接続先の光透過用の光電素子１６Ａ～１６Ｃへ逆バイアスを提供し、これら光透過用の光電素子１６Ａ～１６Ｃの各々は、表示画面１２から赤色光として出射して、表示画面１２に接触ないし近接する物体により反射された反射光を吸収する。すなわち、光透過用の光電素子１６Ａ～１６Ｃにより、各々のアンドープ層２２Ａ～２２Ｃを形成する半導体の光吸収特性に応じた波長の光を吸収し、これによって、各々のアンドープ層２２Ａ～２２Ｃに電子正孔対を生成して内蔵電界を生じさせる。又、同じくセンシングモード時に、一対の電極層２６、２８は、光透過用の光電素子１６Ａ～１６Ｃから電流を取り出し、取り出した電流毎に、電流の強弱に応じた電気信号を生成する。

ここで、表示画面１２に接触ないし近接する物体により反射された反射光は、物体の表面の凹凸などに応じた反射特性や散乱特性により、様々な明暗のレベルで反射されている。このため、光透過用の光電素子１６Ａ～１６Ｃの各々から取り出される電流は、吸収した反射光の明暗のレベルに応じて強弱が変化する。そこで、一対の電極層２６、２８は、光透過用の光電素子１６Ａ～１６Ｃから取り出した電流毎に、電流の強弱に応じた大きさの電気信号を生成する。そして、これらの電気信号の各々に、取り出し元の光電素子１６の位置情報を加味することで、光透過用の光電素子１６Ａ～１６Ｃの配置に応じた平面的な信号情報を得ることができる。これにより、表示画面１２に接触ないし近接する物体の凹凸情報を平面的に得ることができるため、指紋などを検知する光センサの如く機能することができ、カラーフィルタ構造１４の利用価値をより向上させることが可能となる。

他方、本発明の実施の形態に係る光電素子１６は、図１に示すように、Ｐ型ドープ層１８及びＮ型ドープ層２０がアンドープ層２２で隔てられたＰＩＮ構造を備えるものであり、アンドープ層２２が少なくとも１種の半導体により形成される。そして、このアンドープ層２２を形成する少なくとも１種の半導体は、所定範囲の波長の光透過特性が付与されるように、バンドギャップが調整されたものである。このため、赤色光ＲＬを透過するように調整された半導体と、緑色光ＧＬを透過するように調整された半導体と、青色光ＢＬを透過するように調整された半導体との、３種の半導体の夫々によってアンドープ層２２が形成された３種の光電素子１６Ａ～１６Ｃにより、三原色であるＲＧＢの光透過パターンを実現することができる。

そして、３種の光電素子１６Ａ～１６Ｃのアンドープ層２２Ａ～２２Ｃは、以下のような半導体で形成されるものである。すなわち、第１の光電素子１６Ａのアンドープ層２２Ａは、バンドギャップが１．７～１．９５ｅＶに調整されたアモルファスシリコンによって形成され、波長が６３５～７３０ｎｍの光を透過させる。又、第２の光電素子１６Ｂのアンドープ層２２Ｂは、バンドギャップが１．８～２．２６ｅＶに調整されたリン化ガリウムによって形成され、波長が５５０～６８８ｎｍの光を透過させる。更に、第３の光電素子１６Ｃのアンドープ層２２Ｃは、バンドギャップが２．１～３．２ｅＶに調整された窒化インジウムガリウムによって形成され、波長が３８８～５９０ｎｍの光を透過させる。このようにして、ＲＧＢの夫々の光を透過させる第１～第３の光電素子１６Ａ～１６Ｃを、容易に実現することができる。

更に、例えば図２のように、バンドギャップが調整された複数の半導体の組み合わせによって、ＲＧＢのいずれの波長の光も遮断するようにアンドープ層２２が形成された第４の光電素子１６Ｄにより、ブラックマトリクスを実現することができる。従って、これらの光電素子１６は、ディスプレイパネル１０のカラーフィルタ構造１４において、カラーレジストに代えて、ＲＧＢの光透過パターン及びブラックマトリクスとして利用することができる。これにより、そのようなカラーフィルタ構造１４において、配色だけでなく、光電素子１６を利用した様々な機能を実現することができるため、カラーフィルタ構造１４の利用価値を向上させることが可能となる。

本発明は、カラーフィルタ構造の配色用素子として光電素子を用いるため、ディスプレイパネルのみではなく、太陽光発電や光センサにも利用することができる。

１０：ディスプレイパネル、１２：表示画面、１４：カラーフィルタ構造、１６（１６Ａ～１６Ｄ）：光電素子、１８：Ｐ型ドープ層、２０：Ｎ型ドープ層、２２（２２Ａ～２２Ｄ）：アンドープ層、２６、２８：透明な電極層、６０：光源（バックライトモジュール）、７０：ＴＦＴ素子

Claims (7)

1. 光源から照射された光を、カラーフィルタ構造により配色して、表示画面から出射するディスプレイパネルであって、
   前記カラーフィルタ構造は、少なくとも一部のカラーレジストに代えて、Ｐ型ドープ層及びＮ型ドープ層がアンドープ層で隔てられたＰＩＮ構造を備える複数の光電素子が設けられ、
   該複数の光電素子は、赤色の光透過パターンを実現する第１の光電素子と、緑色の光透過パターンを実現する第２の光電素子と、青色の光透過パターンを実現する第３の光電素子とのうち、少なくとも１種の光電素子を含み、前記第１～第３の光電素子は、バンドギャップが互いに異なる３種の半導体により各々の前記アンドープ層が形成され、
   前記カラーフィルタ構造は、前記複数の光電素子を挟み込む態様で配置される一対の透明な電極層と、該一対の電極層のいずれか一方を介して、前記第１～第３の光電素子のうち前記複数の光電素子に含まれる光透過用の光電素子と接続される複数のＴＦＴ素子と、を含むと共に、センシングモードとして動作可能に構成され、
   該センシングモード時に、
   前記カラーフィルタ構造は、前記光源から照射された光が、前記表示画面から赤色光として出射されるように配色し、
   前記複数のＴＦＴ素子は、前記光透過用の光電素子へ逆バイアスを提供し、
   前記光透過用の光電素子の各々は、前記表示画面から出射して、該表示画面に接触ないし近接する物体により反射された反射光を、前記アンドープ層を形成する半導体の光吸収特性に応じて吸収し、
   前記一対の電極層は、前記光透過用の光電素子から電流を取り出し、取り出した電流毎に、電流の強弱に応じた電気信号を生成し、該電気信号が、前記表示画面に接触ないし近接した物体の凹凸情報の抽出に用いられることを特徴とするディスプレイパネル。
2. 前記電気信号は、前記表示画面に接触ないし近接した物体の凹凸情報の抽出に用いられる際に、取り出し元の前記光透過用の光電素子の位置情報が加味されることを特徴とする請求項１記載のディスプレイパネル。
3. 前記光源が、バックライトモジュールであることを特徴とする請求項１又は２記載のディスプレイパネル。
4. 前記複数の光電素子は、前記３種の半導体が重ねられて前記アンドープ層が形成された第４の光電素子を含み、該第４の光電素子によってブラックマトリクスが実現されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のディスプレイパネル。
5. 前記第１の光電素子は、波長が６３５～７３０ｎｍの光を透過させるように、バンドギャップが１．７～１．９５ｅＶに調整されたアモルファスシリコンによって、前記アンドープ層が形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のディスプレイパネル。
6. 前記第２の光電素子は、波長が５５０～６８８ｎｍの光を透過させるように、バンドギャップが１．８～２．２６ｅＶに調整されたリン化ガリウムによって、前記アンドープ層が形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のディスプレイパネル。
7. 前記第３の光電素子は、波長が３８８～５９０ｎｍの光を透過させるように、バンドギャップが２．１～３．２ｅＶに調整された窒化インジウムガリウムによって、前記アンドープ層が形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のディスプレイパネル。

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