JPH01173016A - 光導電体を用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、画像品質の良い大型で平面的な、光導電体を
用いた液晶表示装置に関する。

［従来技術］ テレビ受像機は、ブラウン管を製造する技術が向上した
ことや、大両面で迫力ある画面を見たい市場の要求等に
より年々大型化し、最近では４５インチのものまで開発
されている。しかし、商品化されている大型テレビは従
来のＣＲＴをそのまま大きくしたものを利用しているだ
けなので、例えば、市販されている４３インチのもので
重量は１００ｋｇ、厚みは６０ｃｍを越し、一般家庭に
設置するのは容易でない。

したがって、各電気メーカーはブラウン管に替わる平面
型デイスプレーの開発を急いでおり、ＬＣＤ（液晶表示
袋ｆｆ）、ＰＤｐ（プラズマ・デイスプレー）、ＥＬ　
（エレクトロ・ルミネッセンス）、蛍光表示管等がその
候補に挙げられている。

これらの中では、液晶表示装置がミ従来から時計、電卓
、さらにはワープロ、パソコン表示装置、ポケット液晶
テレビに使用されるとともに、それらが次第に大型化さ
れており、そして、壁掛はテレビなどのように大型で平
面的な液晶表示装置の有力候補として３端子ＴＰＴ　（
薄膜トランジスタ）型液晶表示装置が知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、３端子Ｔ　Ｐ　Ｔ　（７ｉｔ１１９　ト
ランジスタ）型液晶表示装置は、画像品質は優れている
ものの製造工程に高い精度を要し、画面を大型化する場
合には急速に製造歩留が悪くなり、１４〜１５インチ以
上の壁掛はテレビが未だに商品化されていない。

３端子ＴＦＴ型液晶表示装置では、第２図（ａ）（ＴＦ
Ｔ型液晶表示装置の構成を示す等価回路）に示されるよ
うに、複数のデータ信号用電極（Ｖｄｌ。

Ｖｄ２、・・・）ト走査電極（Ｖｓｌ、Ｖｓ２．　−）
を同一ガラス基板上でクロスさせる必要があり、このク
ロス点Ｃ・・・での絶縁不良が製造歩留を下げる原因の
一つになっている。

また、ＴＦＴ用の半導体材料としては、アモルファス・
シリコン（以下、アモルファス・Ｓｉと記す）がプラズ
マＣＶＤを用いると比較的低い温度で処理でき、大面積
のＩ！膜が均一につくり易いことから、ポケット液晶テ
レビ用に多く採用されている。しかし、前述したように
現在開発されているＴＦＴ型液晶表示装置は、アモルフ
ァス・Ｓｉを採用したものでも、せいぜい１０インチ程
度までである。その主な原因は、第２図（ｂ）　　（Ｔ
ＦＴ型液晶表示装置の断面図）に示す如く、ドレインＯ
１１ソース０２、ゲート０３から成るトランジスタ構造
が複雑なうえに、それらに加えて、ゲート絶縁ＷＩＯＡ
、アモルファス・Ｓｉ層０５、保護用のパッシベーショ
ン層０６、遮光層０７と多くの層が必要なために、より
一層構造が複雑になり、チャネル長が数十μｍ以下であ
るような微細なパターニングをフォトリソグラフィーで
行う必要があるためである０図中、０８は液晶、０９は
ガラス基板、０１０は、透明画素電極としての１ＴＯ（
インジウム・錫・オキサイド）をそれぞれ示している。

しかも、液晶表示装置を大型化して、個々の画素を大き
くしたとしても、アモルファス・Ｓｉの電子の移動度が
小さいためにチャネル長については比例的に大きくする
ことができず、それだけパターニング精度を下げること
ができる訳ではない。

すなわち、従来のＴＰＴでは電流経路が半導体の膜面内
方向であることが、高い精度の微細加工を要求し、大型
化を困難にしている。

さらに、第３図は、上記ＴＦＴ型液晶表示装置の同一ガ
ラス基板上でクロスの問題点を解消する目的で開発され
た所謂ノン・クロス・バス構造のＴＰＴを示すものであ
るが、この構造では、リファレンス（コモン）電極（Ｖ
ｒｌ、　　Ｖｒ２、・・・）ヲ設け、データ信号用１１
Ｊｉ　（ｖａｔ、　　Ｖｄ２．　・）　ト走査電極（Ｖ
ｓｌ、　　Ｖｓ２．・・・）をそれぞれ反対側のガラス
基板に分離対向させて、前記のクロスをなくす工夫をし
ている。しかし、チャネル長が数十μｍ以下の微細なパ
ターニングをフォトリソグラフィーで行う必要があると
いう問題が依然として解消されない。

なお、同図において、データ信号用電極（Ｖｄｌ、Ｖ　
ｄ２．・・・）が破線で描かれているのは、それが走査
電極（Ｖｓｌ、Ｖｓ２、・・・）と反対側基板上にある
ことを示すためである。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、上述した問題点を解決して、構造の簡単な大型で平
面的な液晶表示装置を従供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の光導電体を用いた液晶表示装置は、このような
目的を達成するために、 透明画素電極とデータ信号用電極または前記透明画素電
極どうしに共通するコモン電極との間に液晶を設けた液
晶表示装置において、 前記透明画素電極とコモン電極またはデータ信号用電極
との間に光導電体を設け、かつ、前記光導電体に走査信
号としての光を照射する光照射手段を設けたことを特徴
としている。

なお、本発明に係る液晶表示装置は画像メモリー性があ
るアクティブ・マトリックス液晶表示装置の一種であり
、各画素に画素電極を持ち画像メモリー性を有するので
単純マトリックス液晶表示装置よりは画像品質が良く中
間階調が表現できる特性を有している。

本発明に係る液晶表示装置は、ツィステッド・ネマチッ
ク液晶や２色性染料を用いたゲスト・ホストモード・タ
イプの液晶が使用でき、データ信号と走査信号とでマト
リックス駆動して電気光学効果を利用する任意の液晶表
示装置が適用できる。

本発明において使用する光導電体は、ＣｄＳ。

Ｓｅ、ＺｎＯ，アモルファス・Ｓｔ、有機光導電体（ｏ
ｐｃ）等が候補として挙げられるが、感度や応答速度の
点でアモルファス・Ｓｉが好ましい。

なお、アモルファス・Ｓｉを利用した光導電体には、キ
ャリア非阻止型とキャリア阻止型（ショットキー型、ｐ
ｉｎ型、Ｍｉｓ型）とがあるが、本発明においては、暗
電流の少ないキャリア阻止型を使用するのが好ましい。

また、本発明における光照射手段としては、光導波路に
より走査信号としての光を光導電体に照射するとか、光
導波路の代わりに、発光体と導電膜から成るＥＬ（エレ
クトロ・ルミネッセンス）等を設け、その発光体を光源
として走査信号としての光を光導電体に照射するなど各
種の構成が採用できる。

前述光導波路は、各画素に設けられている光導電体に走
査信号としての光エネルギーを与えるための光の通路で
あり、従来の光ファイバーと（以たちのを用いることが
可能である。ただし、従来の光ファイバーと異なる点は
、光を側面から積極的に漏洩することにあり、このよう
な損失が少ないものを志向している通信用光ファイバー
とは対照的な構成になる。また、先導波路は、光ファイ
バーに限らず、基板に溝を形成して、そこに屈曲率の高
い樹脂やガラスをモールドし、光を先導波路側面から放
射させることでも実現できる。

上述のように先導波路を用いる場合にはレーザーやＬＥ
Ｄ　（発光ダイオード）を光源にして光を入射させれば
速い輝度変調ができ、光量も大きなものを選択できるの
で有利である。

その他、本発明に係る液晶表示装置で使用するデータ信
号電極、コモン電極、透明画素電極およびその製造方法
等は、通常のＴＰＴを用いた液晶表示装置と同様なもの
を採用することができ、例えば、透明画素電極には蒸着
やスパッタリングによるＩＴＯ（インジウム・錫・オキ
サイド）、金ｇｋ薄膜等が使用される。さらに、液晶表
示装置全体の画面が大きく、画素の形状精度がそれ程厳
しくない時は、印刷法による電極形成を行うこともでき
る。

［作用１ 本発明の基本的原理は、第４図の原理図に示すように、
各画素にできる静電容量に電荷を蓄積させて画像メモリ
を形成するという点で、ＴＰＴ等のアクティブ・マトリ
ックス液晶表示装置とほぼ同様である。

本発明の液晶表示装置がＴＰＴを用いたものと異なる点
は、スイッチング作用するものが電界効果型トランジス
タではなく、単純なアモルファス・Ｓｉ等の光導電体で
あること、および走査信号がＴＰＴのゲートに印加され
る電圧でなく、先導波路を通る光とか発光体による光な
ど、光導電体を照射する光信号であることである。

なお、第４図の原理図は、ＴＰＴ液晶では第３図のノン
・クロス・バス構造に相当し、データ信号用電極とコモ
ン電極は液晶表示装置の基板の反対側に配置しているが
、これを第２図（ａ）の従来のタイプの液晶表示装置と
同様に、一つの基板上でこれらの電極をクロスさせるよ
うにしてもよく、その場合は、光導電体はコモン電極で
はなくデータ信号用電極に接することになる。

ここで、第４図を用いて、走査線に垂直な方向の画素を
順次データ信号電圧で印加していくことを考える。第４
図において、光（ｈν）による走査信号が照射されてい
ない画素の光導電体３は抵抗値が高く、破線で描かれた
データ信号用電極７と全画素共通のコモン電極５との間
に乗る電圧は大部分が光導電体３にかかり、液晶層６に
は電気光学効果は生じない、そして、画素の属している
光導波路２にＬＥＤやレーザーの光源から光エネルギー
の形で走査信号が送られ、光導電体３に光が照射される
と、光導電体３の抵抗値が下がり、その画素の透明画素
電極４とデータ信号用電極７が形成するコンデンサＣＩ
Ｃに電流が流れ込んで電荷がＭＭｉされ、液晶６に電気
光学効果が生じる。

本発明の液晶表示装置では、以上のプロセスが全走査線
について順次繰り返されて表示が行われるが、実際には
ＭＩＭ（ｍｅｔａｌ−４ｎｓｕｌａｔｏｒ−ｍｅｔａｌ
）素子等の非線形２端子素子の寄生静電容量と同じく、
光導電体３の両側に位置する透明画素電極４とコモン電
極５間の静電界１ｃｐｃがクロス・トークの原因になる
。

例えば、第４図に示すように、液晶６の抵抗値と光導電
体３の非照明時の抵抗値を簡単のために無限大、光導電
体３の照明時の抵抗値をＯと考えてこれを説明する。

マトリックスを形成する画素の同一列において、ｍ番目
の走査線が選択され（光導電体に光が照射されている時
）、その画素に印加されたデータ信号電圧をＥ、とし、
他のｎ番目の走査線が選択されている時（ｍ番目の光導
電体には、もはや光が照射されていない）にデータ信号
電極７上にＥ７の電圧が加わっているとすると、その時
、ｎ番目の走査線の画素の液晶６に印加されている電圧
ｅは、 ｅ”Ｅｓ　　’、Ｃ＋ｃ／　（Ｃ＋ｃ＋Ｃｅｃ）”−−
Ｃ−ｃ／　（Ｃｒｃ−ＣＩＣ）　−（１）となる。

（１）式は、（：、、ｃ＜＜Ｃｒｃの条件下で、ｅ−Ｅ
ｓ　　Ｅｎ　、Ｃｅｃ／Ｃ＋ｃ−（２）（２）式の第１
項は、画素に保持されている本来の電圧である。（２）
式の第２項はクロストークであり、これを軽減するため
にはＣ９Ｃをできるだけ小さくすることが必要であって
、これは前述した従来のアクティブ・マトリックス駆動
液晶表示装置と同様である。

以上説明したように、本発明に係る表示装置は、ＴＰＴ
を用いた従来の液晶表示装置と動作原理は似ているが、
ＴＰＴの代わりに構造および製造が簡単な光導電体を用
いている。すなわち、トランジスタでは電流増幅を行う
ために基板水平方向に複雑・微細な構造をとっているの
に対して、本発明で採用する光導電体は電流増幅の作用
は少ないかわりに、構造が薄膜層の積重ねであるため、
製造が容易でＴＰＴ程の精密なバターニングを行う必要
がなく、大型化すればそれだけ精度の粗いパターニング
で済む利点がある。そして、電流増幅の作用が少ないこ
とは、ＬＥＤやレーザー等の強い光で走査信号を送るこ
とにより容易にカバーできる。

［実施例］ ２施斑上 第１図は、ノン・クロス・バス構造を採用した実施例の
断面図を示すものである。第５図は、同実施例（３×３
のマトリックスの例示）を上から見た場合の透明画素電
極４およびコモン電極５のパターンを示す平面図、第６
図は同実施例のデータ信号用電極７のパターンを示す図
である。なお、第１図は、第５図および第６図の矢印Ａ
方向から見た断面図となっている。

第１図に従って説明すると、本実施例はＴＮ型液晶駆動
方式の表示原理に基づくものであり、概略構造は従来の
ＴＰＴ液晶と同様に偏光膜１１゜１２が貼付された２枚
のガラス基板９．１０の間に液晶６およびビデオ信号等
を送るデータ信号用電極７、全画素共通のコモン電極５
、液晶６をデータ信号用電極７との間で挟みコンデンサ
を形成する透明画素電極４、配向膜（図では省略）、Ｒ
ＧＢのカラー・フィルタ１３が設けられていて、これら
の素材、製作技術は周知のものを使用できる０例えば、
データ信号用電極７は、本実施例の場合は透光性を持た
せるためにＩ’ｌ’Ｏを用い、透明画素電極４には金属
薄膜、あるいは場合によってＩＴＯを適宜用いることが
できる。

本発明の構成に従って、第１図の実施例においては光導
電体３としてアモルファス・Ｓｉ薄膜を透明画素電極４
の端部とコモン電極５の間に設けているが、これはプラ
ズマＣＶＤ、フォトリソグラフィー等により作られる。

なお、コモン電極５はＮｉ、Ｃｒ、Ａｆｆｉ等の金属薄
膜であり、光導電体３に光導波路２からの光取外の外乱
光が入射しないための遮光膜の役割を兼ね備えている。

光導波路２としては光通信用の光ファイバーに似たもの
をガラス端板１０に溝を形成して埋め込み、透明封止剤
１４を充填して使用している。ただし、光通信ファイバ
ーでは光を側面から漏洩することがなく、本発明の目的
には使用することができない、従って、本実施例におい
ては、第７図に示すようなコア２０とクラッド２３から
なる光ファイバーのコア２０に、コア２０とは屈折率の
異なる透明微粒子２１を混入し、光フアイバー内を通過
する光を少しづつ散乱させて光フアイバー側面から外部
に漏洩させるようにする。ただし、これだけでは側面か
ら漏洩する光の強度は長さ方向に指数関数的に減衰して
しまうので、光ファイバ一端面を鏡面２２にしておく、
この手段により、光ファイバーの一方の端からレーザー
やＬＥＤで光を入射させるだけで、はぼ−様な輝度分布
を持つ線状光源を作ることが可能である０例えば、第８
図に示すように、光入射側の光ファイバーの端面で、光
強度が１．０であり、その光が光フアイバー内を通過し
ながら側面から漏洩し、もう一方の端で強度が０．７ま
で減衰していたとすると、それ以外に光フアイバー内で
光の損失がないものとすれば、鏡面２２で反射されて戻
る光の入射側端面での強度は０．４９となる。従って入
射側端面では、往きと帰りの光強度の合計は１．４９で
あり、その反対側終端では同１．４０となる。従って、
光フアイバー側面から漏洩する光強度の変動は少なく、
はぼ−様であると考えることができる。さらに、光入射
側端面において、１．　０の強度の光が反射して戻って
くる間に０．４９まで減衰されたということは約半分の
光エネルギーが光フアイバー側面から出たことになり、
効率としては実用的範囲であるといえる。なお、第１図
中、８は、外乱光が光導電体３に照射されないようにす
る絶縁物質の遮光膜を示しているが、先導波路２の側面
から出る光を効率的に光導電体３に導くためには、光フ
ァイバーの入る内側にＡｆｆｉ等の反射膜を設けること
が望ましい。

光による走査信号は、電子回路（図示していない）によ
り発生させ、その信号に従ってＬＥＤまたはレーザー光
源を輝度変調して、各走査線ごとの先導波路２に入射さ
せるようにする。なお、゛複数の光導波路２に光の走査
信号を入射させる手段としては、１つの光源からの光を
超音波偏向器等の適当な偏向器で振り分けるか、ＬＥＤ
アレイ等により各先導波路２に専用の光源を設けて光導
波路２と結合することが考えられるが、画面の大きさ等
によって選択すればよ（特に制約はない。

例えば、走査線が５２５本で、ｌフレームが１／３０秒
のＮＴＳＣ標準テレビ方式では走査時間の間隔は約６３
．５μｓとなるので、これを本発明の液晶表示装置で表
示するためには、この時間から光導電体の応答速度を差
し引いた、数ｌＯμｓの幅の光パルスを走査信号として
用いることになる。なお、市販されている半導体ＬＥＤ
やレーザー光源は光出力が数１０ｍｗ程度以下であるが
、これは、連続発振の場合であり、本発明においてはパ
ルス発振であるから、光量としては、この値より１桁以
上のものが使用できる。

上記の光の走査信号が光導波路２に導かれると、前述し
たように、その一部は透明画素電極４を通って、光導電
体３を照射する。光導電体３は光が照射されると、その
エネルギーにより電子とキャリアを発生して抵抗値を急
速に下げ、透明画素電極４とコモン電極５を導通状態に
する。従って、この時にデータ信号用電極７に印加され
ている電圧は有効に液晶６に加わり、データ信号用電極
７と透明画素電極４によって構成されるコンデンサに電
荷が流入して蓄積される。そして光が照射されなくなる
と、発生したキャリアは再結合して光導電体３は再び抵
抗値が高くなり、理想的には、蓄積された電荷が次の走
査線選択時まで保持されて画像がメモリされる。

裏層ｔ２ 上記実施例１では、光導波路２に、側面から−様に光が
漏れる光ファイバーを用い、透明画常電４ｆＩ４とコモ
ン電極５とは、コモン電極５の長さ方向に−様な幅で対
向しているが、この場合、光導電体３が薄くなると、コ
モン電極５と透明画素電極４間のコンデンサ分ＣＰＣが
大きくなってクロストークが増える傾向にある。そこで
、この欠点を解消したのが第２実施例である。

第９図は、実施例２を示す部分断面斜視図（第１図に示
す実施例１の下側基板に相当する。なお、上側基板は実
施例Ｉと同様である）であって、透明画素電極４の一部
に突出部１８を設け、その突出部１８だけが光導電体３
と接するようにしたものであり、このように、光導電体
３と接する面積を減少することによって、クロス・トー
クの原因となる静電容量ＣＰｅを小さくすることができ
るように構成されている。

また、光導波路２には、実施例１の−様な輝度分布を持
つ光ファイバーではなく、ガラス基板１０に、満１６と
外乱光を防ぐ遮光膜８、および、屈折率の低いクラッド
２３それぞ°れを形成し、そこに光を導くための樹脂ま
たはガラス等の透明物質１５が埋め込まれている。そし
て、透明画素電極４は透明物！１５より屈折率が高いも
のが選択され、その他の部分は透明物［１５より屈折率
の低い絶縁物質でコーティングされている。このような
手段によって作られた先導波路２を通る光の大部分は、
光ファイバーの原理と同じく光導波路２内を全反射しな
がら進んで行く、シかし、透明画素電極４と接する突出
部１８のところでは全反射の条件は成立せず、光が外部
に放射されて光導電体３に当たるようになる。従って、
本方式によれば光のエネルギー使用効率が向上し、大き
な光源を必要としない利点が生じる。なお、実施例２の
場合も実施例１の場合と同様に、光導波路２の終端は鏡
面になっている。

工ｌ」レー 第１Ｏ図は、電極配置がノン・クロス・バス方式でない
従来方式のＴＰＴと類似した構造の実施例を示す断面図
である。

この実施例３では、データ信号用電極７はＩＴＯ等の透
明電極ではなく、Ｃｒ、Ａｊｌ！、Ｎｉ等に代表される
金属薄膜であり、透明画素電極４と同じ基板上に設けら
れている。一方、コモン電極５は反対基板−Ｌに透明ベ
タ電極として構成されている。実施例３では、光の走査
信号が先導波路２を通して送られると、それが光導波路
２の上に平行して存在する光導電体３を照射する。その
結果、光導電体３は抵抗値を下げ、それに接しているデ
ータ信号用電極７の電圧を透明画素電極４に導通させる
。第１１図は、同実施例のデータ信号用電極７、透明画
素電極４、光導波路２の位置関係を示す平面図であるが
、この図においては、光導電体３の上を覆う遮光膜１７
は省略している。なお、第１０図は、第１１図の矢印Ｂ
の断面を図の右側から見ていることになる。

上述のように、光導波路２による構成を採用すれば、そ
の走査ライン上での通常の電極のような浮遊容量による
影響を受けず、その浮遊容量に起因する走査信号の遅延
や波形歪の問題を回避しやすい利点がある。

夫隻舅土 第１２図は、実施例４の断面図であり、この実施例４の
特徴とするところは、前述実施例における光導波路２に
代えて、ＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）を採用し
たことである。

すなわち、ガラス基板１０に形成した溝２４内に、発光
体２５を導電１１１２６，２６で挟んだＥＬ２７が設け
られ、かつ、発光体２５が光導電体３と対向する箇所以
外の部分には、外乱光を防ぐ絶縁性の遮光膜２８が付設
されている。

［発明の効果１ 本発明に係る液晶表示装置では、制御信号である走査信
号は光で送り、データ信号はそれ専用の透明電極で送る
ようにして、両者を完全に分離するから、本発明に係る
液晶表示装置は、３端子素子のＴＰＴと同等の優れた画
像品質を得ることができながら、トランジスタ構造によ
る場合に比べて積層する周数を少なくできるとともに！
ｉ！縁構成を簡略化できて構造を簡単にでき、製造プロ
セスの簡便な大型で平面的な液晶表示装置を提供できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１を示す断面図、第２図（ａ）
は従来のＴＰＴ液晶表示装置の原理を説明する等価回路
、第２図（ｂ）は、同’Ｉ’　Ｆ　Ｔ　９１ｉ晶表示装
置の断面図、第３図はノン・クロス・バス構造のＴＰＴ
液晶表示装置の等価回路、第４図は本発明の詳細な説明
する等価回路、第５図は実施例１に対応する透明画素電
極とコモン電極のパターンを示す図、第６図は実施例１
のデータ信号用電極のパターンを示す図、第７図は先導
波路を説明する断面図、第８図は光導波路の輝度分布を
説明する図、第９図は実施例２を示す部分断面斜視図、
第１０図は実施例３を示す断面図、第１１図は実施例３
のデータ信号用電極、透明画素電極および光導波路の位
置関係を示す平面図、第１２図は実施例４を示す断面図
である。 ２・・・光導波路 ３・・・光導電体 ４・・・透明画素電極 ５・・・コモン電極 ６・・・液晶 ７・・・データ信号用電極 ８．２８・・・遮光膜 ９、ｌＯ・・・ガラス基板 １１．１２・・・偏光膜 １３・・・カラーフィルタ １４・・・透明封止剤 １５・・・透明物質 １６．２４・・・溝 １８・・・突出部 ２０・・・コア ２１・・・透明微粒子 ２２・・・鏡面 ２３・・・クラッド ２５・・・発光体 ２６・・・導電膜 ２７・・・ＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）出願大
東し　株式会社 代理人　弁理士　杉　谷　　　勉 第２図 第２図 （ｂ） 第３図 第７図 第８図 九！ 終端（鏡面）　丸ファイバー長々方向 第９図 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明画素電極とデータ信号用電極または前記透明
   画素電極どうしに共通するコモン電極との間に液晶を設
   けた液晶表示装置において、 前記透明画素電極とコモン電極またはデータ信号用電極
   との間に光導電体を設け、かつ、前記光導電体に走査信
   号としての光を照射する光照射手段を設けたことを特徴
   とする光導電体を用いた液晶表示装置。