JP7168497B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、能動（アクティブ）素子を介して液晶表示素子（ＬＣＤ）を制御するアクティブ駆動液晶表示装置に関し、特に同一基板上に有機（organic, Ｏ）薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と液晶素子とを備えたアクティブ駆動液晶表示装置に関する。

有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）等の能動素子を介して液晶表示素子（ＬＣＤ）を制御するアクティブ駆動液晶表示装置が知られている。ＯＴＦＴは、有機分子鎖の好ましい配列により、電荷転送効率を向上する。同一基板上に、液晶表示素子とＯＴＦＴとを整合させる技術が研究されている（例えば、特許文献１）。

図６に示すように、例えばガラス等で形成された主基板１００の上に、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の電極層を形成し、画素電極１２１とゲート１２２をパターニングする。画素電極１２１とゲート１２２とを覆って誘電体配向膜１３０を形成し、誘電体配向膜１３０をパターニングして画素電極１２１の接続部を露出する開口１３５を形成する。誘電体配向膜１３０の主表面を配向処理して、液晶分子を配列させる構成を形成する。

ゲート１２２上方の誘電体配向膜１３０上に誘電体配向膜の方向に沿って配列された有機半導体層１４１を形成する。有機半導体層１４１は例えば真空蒸着で形成される。有機半導体層１４１のパターニングは、例えばマスクを用いたフォトリソグラフィ工程等により行われよう。ゲート１２２上方の有機半導体層１４１が、ゲート電圧によって導電性が制御されるチャネルを形成する。有機半導体層１４１上に実効チャネルを挟むソース１５１とドレイン１５２を形成し、ＯＴＦＴを形成する。ソース１５１は信号配線に接続され、ドレイン１５２は画素電極１２１に接続される。信号配線から画素電極１２１への電圧印加がＯＴＦＴによって制御される。

有機半導体層１４１上にパッシベーション層１６０が形成され、上方にカラーフィルタ基板１７５が配置される。カラーフィルタ基板１７５は画素電極１２１と対向する電極及びカラーフィルタを含む。主基板１００とカラーフィルタ基板１７５間のスペースに液晶１８０が注入され、アクティブ駆動液晶表示素子が形成される。誘電体配向膜１３０の配向に沿って液晶分子が配向する。

誘電体配向膜１３０形成後に、有機半導体層１４１、ソース１５１、ドレイン１５２が形成されている。これらの形成工程において加熱が行われると、誘電体配向膜１３０がダメージを受ける懸念がある。

有機半導体層１４１のパターンを、インクジェット印刷で形成する可能性もある。インクジェット印刷においては、インク液をジェット吐出する為、インク液の粘度は低くする必要がある。インク液が塗布される下地が紙などであればよいが、下地表面がガラス等のように親水性かつ水分を吸収しない材料の場合、塗布されたインク液は下地表面上に広く拡がってしまう。

下地表面上にバンクと呼ばれる仕切り部材を形成し、バンクで囲まれた領域に有機半導体溶液をジェット吐出し、乾燥させて所望形状の有機半導体薄膜を形成する方法も提案されている（例えば特許文献２）。

図７に示すように、主基板１００の表面上に仕切り部材として機能するバンク１１０を形成し、インクジェット機構２０２からインク液をバンク１１０に囲まれた領域内に吐出してインク液滴２０３を形成する。インク液滴を乾燥させることによりバンク１１０で外周を画定された有機半導体層を形成する。

仕切り部材が親液性、或いは濡れ性を有すると、仕切り部材が存在しても液体材料は容易に隣接領域に流出してしまう。有機半導体を含むインク液に対して、下地表面は親液性を有し、バンク表面は撥液性を有するようにする提案も紹介されている。例えば、仕切り部材の上面に非親和性を示す層を塗布し、仕切り部材で囲まれた領域の表面を親水性活性剤で処理する。

有機半導体（前駆体を含む）を含む液体を印刷して有機半導体層を形成しようとすると、印刷のみでは有機半導体の所望パターンを形成することが困難になり易い。所望の有機半導体パターンを画定するため、例えば表示装置である最終製品には不必要な仕切り部材を用いて有機半導体液をパターニングすると、不要な仕切り部材が残存するか、仕切り部材を除去する工程が必要になる。仕切り部材は、有機半導体層の形状を整える積極的効果を有するが、その存在により表示装置の機能を低下させるか、除去する追加工程を必要とする消極的効果を伴う。

特開２００４－３１８０５８号公報 特開２０００－３５３５９４号公報

有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）と液晶表示素子（ＬＣＤ）とを備え、有機半導体層をインクジェット印刷で形成できる表示装置を提供することを目的とする。

本発明の実施例によれば、
主基板と、
前記主基板上に配置されたゲート電極と、
前記主基板および前記ゲート電極を覆うように配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上であって、平面視において前記ゲート電極を挟んで対向するように配置されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ドレイン電極に接続された主電極と、
前記ソース電極の一部、前記ドレイン電極の一部および前記主電極を覆い、前記ソース電極の他の一部、前記ドレイン電極の他の一部および平面視において前記ゲート電極に相当する箇所に開口部を備える液晶配向層と、
前記液晶配向層の開口部内であって、前記ソース電極の他の一部および前記ドレイン電極の他の一部に接するように配置された有機半導体層と、を備え、
前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、前記ソース電極、前記ドレイン電極および前記有機半導体層によって有機トランジスタ構造を構成し、
前記主基板と対向配置され、前記主電極に対向する対向電極を有する対向基板と、
前記主基板と前記対向基板との間に配置され、前記液晶配向層と接する液晶層と、
を含む液晶表示素子
が提供される。

本発明の他の観点によれば、
主基板上方にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極上面をゲート絶縁膜で覆う工程と、
前記ゲート絶縁膜上方に、平面視において前記ゲート電極を挟んで対向するようにソース電極及び主電極と接続したドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極の一部、前記ドレイン電極の一部および前記主電極を覆い、前記ソース電極の他の一部、前記ドレイン電極の他の一部および平面視において前記ゲート電極に相当する箇所に開口部を備える液晶配向層を形成する工程と、
前記液晶配向層を形成する工程の後に、前記液晶配向層の開口部内に、前記ソース電極の他の一部および前記ドレイン電極の他の一部に接するように有機半導体層を形成する工程と、
対向電極を有する対向基板を前記主基板と対向して配置する工程と、
前記主基板と前記対向基板との間に液晶層を形成する工程と、
を含む液晶表示素子の製造方法
が提供される。

図１Ａ，１Ｂは、実施例１によるアクティブ駆動液晶表示素子の例の平面図及び断面図である。 図２Ａ，２Ｂは、実施例１における、開口部を有する液晶配向層と液晶配向層の開口部に形成する有機半導体層とを概略的に示す平面図である。 図３Ａ～３Ｅは、実施例１によるアクティブ駆動液晶表示素子の例の製造方法の主工程例を示す断面図である。 図４は、実施例１のアクティブ駆動液晶表示素子の変形例による構成を示す断面図である。 図５Ａ，５Ｂは、液晶配向層の開口部に配置された有機半導体層の形状を概略的に示す断面図である。 従来技術による有機薄膜トランジスタを用いたアクティブ駆動液晶表示素子の構成を示す断面図である。 従来技術によるバンク構成を用いたインクジェット印刷方法を示す断面図である。

１ アクティブ駆動液晶表示素子、 ２ ドットマトリクス領域、
３ セグメント領域、 １０ 下側基板、 １１ 下側ガラス基板、
１２ 制御配線、 １３ ゲート絶縁層、 １４ 信号配線、
１５、１６ 画素電極、 １７ 液晶配向層、 １８ 有機半導体層、
２０ 上側基板、 ２１ 上側ガラス基板、 ３０ 液晶層。

図面を参照して、本発明の実施例を説明する。

図１Ａは、アクティブ駆動液晶表示素子１の平面図である。図中左側に示すドットマトリクス領域２は行列状に配置された複数のドット型画素電極１５を含む。各ドット型画素電極１５は矩形形状であり、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のドレイン電極を兼用するか、または、ドレイン電極と電気的に接続されている。信号配線１４は、画素行列の各列方向に沿って配置されており、ＴＦＴのソース電極Ｓに接続されている。制御配線１２は、画素行列の行方向に沿って配置され、ＴＦＴのゲート電極Ｇに接続されている。ソース電極Ｓは画素電極１５に対向配置されており、その間の領域に対応してゲート電極Ｇが配置されている。

図１Ａでは明示されていないが、有機半導体層で形成されるＴＦＴのチャネル部がソース電極Ｓからドレイン電極に及ぶ領域に重複するように配置されている。ゲート電極Ｇはソース電極Ｓとドレイン電極とにオーバラップする位置に配置されている。

図中右側に示すセグメント領域３は、ドットマトリクス領域２のドット型画素電極１５に対応する画素電極として、任意形状のセグメント型画素電極１６を含む。セグメント型画素電極１６はドレイン電極を兼用する。図には上方に矢印と人の頭部分とを示すセグメント型画素電極１６が示され、下方に矢印と人の身体部分とを示すセグメント型画素電極１６が示されている。セグメント型画素電極１６は、エアコンの作動状態を表示するのに適している。図中、信号配線１４が縦方向に延在し、セグメント型画素電極１６と対向するソースＳに接続されている。制御配線１２がドットマトリクス領域２から横方向に延在し、セグメント領域３のＴＦＴのゲートＧに接続されている。なお、画素電極１５，１６は請求項の主電極に相当する。

図１Ｂは、図１Ａ中の一点破線ＩＢ－ＩＢに沿う断面図を示す。液晶表示素子１は、下側ガラス基板１１を含む下側基板１０、上側ガラス基板２１を含む上側基板２０の間に液晶層３０を含む。下側ガラス基板１１上にはインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等で形成されたゲート電極Ｇ（制御配線１２に連続する）、アクリル樹脂等で形成され、ゲート電極Ｇを覆うゲート絶縁膜１３が配置されている。なお、液晶表示素子１の表示面は、上側基板２０の上面（図１Ｂの上側基板２０上面）である。

ゲート絶縁膜１３上には、ソース電極Ｓと、ソース電極Ｓと対向する位置に画素電極１５、１６が配置されている。画素電極１５、１６をドレイン電極Ｄとも呼ぶ。ソース電極Ｓ，及び画素電極１５、１６（ドレイン電極Ｄ）とは例えばＩＴＯ等で形成され、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとは所定距離（チャネル長）離して配置されている。

ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ（画素電極１５、１６）にオーバラップし、かつその間の間隙を埋めるように有機半導体層で形成されたチャネル領域１８が配置されている。有機半導体のチャネル領域１８を囲むように、チャネル領域１８の外側に液晶配向層１７が配置されている。すなわち、平面視において、ゲート電極Ｇの上方にゲート絶縁膜１３を介してチャネル領域１８が配置されており、チャネル領域１８を挟んで対向するようにソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ（画素電極１５、１６）が配置されている。

インクジェット印刷する場合、有機半導体（有機半導体の前駆体も有機半導体と呼ぶ）はインク化しやすい低分子の有機材料が好ましい。例えば、ペンタセンやナフタセンといった高度に拡張したπ骨格を持つポリアセン類が好ましい。不安定性を回避するためチオフェンのようなヘテロ芳香族を組み込むこともできる。チエノアセンは優れた安定性と高いキャリア移動度を示す。チエノアセンをベースとした有機半導体の中で、例えばＢＴＢＴ（［１］benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene）やＤＮＴＴ（dinaphtho[2,3-b:2’3’-f]thieno[3,2-b]thiophene）といったチエノ［３，２－ｂ］チオフェン構造を内部に有する化合物は、高い移動度や大気安定性、良好な再現性を持ち、ＰＦＥＴ用ｐ型有機半導体として優れており、シグマアルドリッチ社等から入手可能である。

図１Ａに示すように、ゲート電極Ｇは制御配線１２に接続され、ソース電極Ｓは信号配線１４に連続される。上側ガラス基板２１の内側表面上には、コモン配線、カラーフィルタ、液晶配向層等を含む機能層２２が形成されている。下側基板１０と上側基板２０との間に、液晶３０が注入されている。液晶３０は液晶配向層１７と接触し、配向方向を揃える。例えば、垂直液晶配向層は、液晶分子を基板垂直方向に配列させる。

下側基板１１、上側基板２１の外側に一対の偏光子Ｐ１，Ｐ２が配置される。例えば偏光子Ｐ１，Ｐ２の偏光軸が直交してクロスニコルを構成し、液晶層が垂直配向する場合、高い遮光率、高いコントラストが提供される。なお、垂直液晶配向層以外の液晶配向層を用いることも可能である。

図２Ａは、液晶配向層１７の平面図である。液晶配向層１７には有機半導体のチャネル領域を配置する位置に開口部１７ｘが形成されている。即ち、開口部１７ｘ内には液晶配向層１７は存在しない。液晶配向層１７は例えば液晶分子を基板に対して垂直方向に配向させる垂直液晶配向層であり、撥液性である。液晶配向層１７は液晶分子を配向させる機能を有すると共に、チャネル領域の外周を画定する機能を有する。

図２Ｂは液晶配向層１７の開口部１７ｘに有機半導体のチャネル領域１８を配置した状態の平面図である。有機半導体層をインクジェット塗布で形成する場合、有機半導体材料を含むインク液は低粘度の液体とする。液晶配向層１７の開口部１７ｘに吐出されたインク液は、撥液性の垂直液晶配向層１７に接すると弾かれる。インク液の液量が液晶配向層開口部１７ｘの下地（ソース電極、ドレイン電極およびこれらの間に露出しているゲート絶縁膜）表面全体に分布する量となると、液晶配向層の開口部１７ｘ全体に選択的にインク液が配置されるようになる。乾燥後、所望位置に外周を有する有機半導体層１８を形成する。この結果、平面視において、有機半導体層１８の形状は開口部１７ｘと略相似形状となる。

図３Ａ－３Ｅを参照して、図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂに示す液晶表示素子の主要製造工程を説明する。液晶表示素子の下側基板１１、上側基板２１として、ガラス基板を用いる場合を説明するが、透明プラスチック基板等を用いてもよい。ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極としてＩＴＯ等の透明電極を用いる場合を説明するが、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極として金等の金属電極と用いることもできる。その場合、画素電極としては透明電極を用い、ドレイン電極に接続するのが好ましい。

図３Ａに示すように、下側基板１０用のガラス基板１１上面にゲート電極Ｇを形成する。例えばＩＴＯ電極を形成してパターニングする。パターニングしたゲート電極Ｇを覆って、アクリル系の有機絶縁膜を用いてゲート絶縁膜１３を形成する。窒化シリコン膜等の無機絶縁膜でゲート絶縁膜を形成することもできる。ゲート絶縁膜１３上面の所定位置にＩＴＯ等の透明導電膜で、ソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄを形成する。ドレインとして機能する部分を延長して画素電極として機能する部分も形成する。ソース電極、ドレイン電極を金属で形成する場合は、画素電極は透明電極で形成し、ドレイン電極に接続するのが好ましい。先に作成したゲート電極Ｇは平面視上ソース電極、ドレイン電極間に延在する形状とするのが好ましい。

図３Ｂに示すように、ゲート絶縁膜１３、ソース電極Ｓ，ドレイン電極Ｄの上に、液晶配向層１７をフレキソ印刷（flexography）等でパターン印刷する。液晶配向層１７のパターンは、チャネル領域に開口部１７ｘを有する。開口部１７ｘ内に作成する有機半導体層がソース電極Ｓ上からドレイン電極Ｄ上に延在するように、開口部１７ｘはソース電極Ｓ上から間隙領域を通過し、ドレイン電極Ｄ上に延在する形状を有するようにする。フレキソ印刷を用いると、１回の工程で広い面積に所望パタ－ンの液晶配向層１７を形成できる。例えば、幅３０μｍ～１００μｍの開口部を有する垂直液晶配向層パターンを形成する。液晶配向層１７印刷後、例えば２００℃、９０分間の熱処理を液晶配向層１７に施す。なお、インクジェット印刷等他の印刷方法を用いることもできる。

図３Ｃに示すように、液晶配向層１７の開口部１７ｘ内に有機半導体層１８をインクジェット法等によりパターン塗布する。例えば垂直液晶配向層が撥液性であり、有機半導体材料液を弾く特性を有するようにすると、有機半導体層のパターン塗布を精度よく行うことが可能である。

図２Ａ、２Ｂに示したように、液晶配向層１７が開口部１７ｘを囲むように塗布され、液晶配向層１７が存在しない開口部１７ｘ内に有機半導体層１８をインクジェット法で塗布することで、高精度の有機半導体層１８の選択的形成が行える。

液晶配向層１７、有機半導体層１８を形成した基板表面をラビングや光配向などにより配向処理する。配向処理は必須ではないが、液晶分子が倒れ込む方向を規定できる利点を得られる。電極に切り込みや突起等を設けて、斜め電界を発生させ、液晶分子の傾斜方向を規定することも可能である。

図３Ｄに示すように、別途上側基板２０を準備する。例えば、ガラス基板２１の１面上にコモン電極、カラーフィルタ、液晶配向層等を含む機能層２２を形成する。上側基板最表面の液晶配向層も配向処理することが好ましい。ガラス基板１１上面上に液晶配向層１７、有機半導体層１８を形成した下部基板１０上方に、シール剤、ギャップコントロール剤等で間隔を制御して、ガラス基板２１下面上にコモン電極、カラーフィルタ、液晶配向層等の機能部材２２を形成した上部基板２０を配置する。例えば、熱プレス機を用いて一定圧力を印加し、１５０℃程度に加熱してメインシールを硬化させる。

図３Ｅに示すように、下側基板１０、上側基板２０の間の領域に液晶３０を注入して、表示素子機構を形成する。真空注入方式、毛細管注入方式、ワンドロップフィリング（ＯＤＦ）方式等を用いることができる。

上記の実施例では、液晶配向層に開口部を設け、開口部内に有機半導体層を配置し、ＯＴＦＴを形成した。ＯＴＦＴ部には液晶配向層が存在しないので、液晶の配向が乱れる可能性もある。

図４は、表示面から見て有機半導体層１８と対応する上部基板面の下面上の部分に遮光層２５を設けた変形例を示す。遮光機能を有すればよく、例えば遮光機能を有する樹脂や金属で形成できる。このようにすることにより上述の液晶の配向の乱れによる表示の乱れを抑制できる。

図５Ａおよび５Ｂは、有機半導体層１８を含む溶液に対して液晶配向層１７が撥液性を有する（液晶配向層１７は有機半導体層の溶液を弾く特性を有する）場合、有機半導体層１８の液晶配向層１７に対する関係を概略的に示す。

図５Ａは、液晶配向層１７のエッジまで有機半導体溶液が達するが、液晶配向層１７上面には延在せず、液晶配向層１７から盛り上がった形状を取る。有機半導体層溶液が乾燥すると、有機半導体層１８上面は下方に沈みうるが液晶配向層１７のエッジ部分で先に乾燥した有機半導体層はエッジと接した形状を有するであろう。

図５Ｂは、初期に液晶配向層１７の上面上にも延在するまで有機半導体層を分布させた場合には、乾燥後も有機半導体層１８の外周部は液晶配向層の上面上に残る形状を形成するであろう。図５Ａ，５Ｂにおいて、形成される有機半導体層１８は、液晶配向層１７の開口部１７ｘ側壁に接した形状を作る。図５Ａにおいては、有機半導体層１８の外周が、液晶配向層の開口部１７ｘの形状に倣う。すなわち、平面視において、有機半導体層１８の形状は開口部１７ｘと略同一形状となる。

図５Ｂの場合、有機半導体層１８の外周は、液晶配向層の開口部１７ｘより外部に延在する。このような場合、平面視において、有機半導体層１８の形状は開口部１７ｘと略相似し、開口部１７ｘより大きな形状となる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれに限られるものではない。上記した材料、数値などは単なる例示であって制限的なものではない。その他、種々の改良、置換、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

Claims (10)

1. 主基板と、
   前記主基板上に配置されたゲート電極と、
   前記主基板および前記ゲート電極を覆うように配置されたゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上であって、平面視において前記ゲート電極を挟んで対向するように配置されたソース電極およびドレイン電極と、
   前記ドレイン電極に接続された主電極と、
   前記ソース電極の一部、前記ドレイン電極の一部および前記主電極を覆い、前記ソース電極の他の一部、前記ドレイン電極の他の一部および平面視において前記ゲート電極に相当する箇所に開口部を備える液晶配向層と、
   前記液晶配向層の開口部内であって、前記ソース電極の他の一部および前記ドレイン電極の他の一部に接するように配置された有機半導体層と、を備え、
   前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、前記ソース電極、前記ドレイン電極および前記有機半導体層によって有機トランジスタ構造を構成し、
   前記主基板と対向配置され、前記主電極に対向する対向電極を有する対向基板と、
   前記主基板と前記対向基板との間に配置され、前記液晶配向層と接する液晶層と、
   を含む液晶表示素子。
2. 前記有機半導体層の平面視における形状は、前記液晶配向層の開口部形状に略相似する、請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記有機半導体層の平面視における形状は、前記液晶配向層の開口部形状より大きい、請求項２に記載の液晶表示素子。
4. 前記主基板上に複数の前記主電極がマトリクス状に配置され、前記複数の主電極に対応して前記主基板上に複数の有機トランジスタ構造が形成されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
5. 前記主基板上に複数の前記主電極が所定の形状を有して配置され、前記複数の主電極に対応して前記主基板上に複数の有機トランジスタ構造が形成されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
6. 主基板上方にゲート電極を形成する工程と、
   前記ゲート電極上面をゲート絶縁膜で覆う工程と、
   前記ゲート絶縁膜上方に、平面視において前記ゲート電極を挟んで対向するようにソース電極及び主電極と接続したドレイン電極を形成する工程と、
   前記ソース電極の一部、前記ドレイン電極の一部および前記主電極を覆い、前記ソース電極の他の一部、前記ドレイン電極の他の一部および平面視において前記ゲート電極に相当する箇所に開口部を備える液晶配向層を形成する工程と、
   前記液晶配向層を形成する工程の後に、前記液晶配向層の開口部内に、前記ソース電極の他の一部および前記ドレイン電極の他の一部に接するように有機半導体層を形成する工程と、
   対向電極を有する対向基板を前記主基板と対向して配置する工程と、
   前記主基板と前記対向基板との間に液晶層を形成する工程と、
   を含む液晶表示素子の製造方法。
7. 前記液晶配向膜を形成する工程が、フレキソ印刷またはインクジェット印刷でパターンを形成する工程を含む請求項６に記載の液晶表示素子の製造方法。
8. 前記液晶配向層を形成する工程が、前記開口部を含むパターンを形成する工程後にさらに熱処理する工程を含む請求項６または請求項７に記載の液晶表示素子の製造方法。
9. 前記有機半導体層を形成する工程は、インクジェット法でインク化した有機半導体を塗布する工程を含む請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の液晶表示素子の製造方法。
10. 前記有機半導体層のパターンを形成した主基板表面を配向処理する工程をさらに有する請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の液晶表示素子の製造方法。

Images