JPWO2008044369A1 - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

アクティブマトリクス基板の表示領域内に配置されたフォトダイオードの感度の向上を図り得る液晶表示装置を提供する。そのため、複数の画素がマトリクス状に配置されたアクティブマトリクス基板１と、カラーフィルタが設けられた対向基板とを備える液晶表示装置を用いる。液晶表示装置において、アクティブマトリクス基板１は、表示領域内にフォトダイオード１１を備え、カラーフィルタは、画素を構成するサブ画素５ａ〜５ｃ毎に、着色層６ａ〜６ｃを備えている。着色層６ａ〜６ｃは、透過率が周辺よりも高い高透過部３１を備えている。このうち、着色層６ａは、液晶表示装置の厚み方向において、高透過部３１がフォトダイオード１１のｉ層１３（光検出領域）に重なるように形成されている。

Description

本発明は、表示画面の観察者側から入射した光に反応するフォトダイオードを備えた液晶表示装置に関する。

近年、液晶表示装置は、省電力、薄型、軽量といった特徴から、コンピュータ、携帯電話、ＰＤＡ、ゲーム機の表示装置として広く採用されている。一般に、液晶表示装置は、液晶表示パネルと、それを背面から照明するバックライトとを備えている。液晶表示パネルは、アクティブマトリクス基板と対向基板とで液晶層を挟み込んで構成されている。

アクティブマトリクス基板は、ガラス基板上に複数の画素をマトリクス状に形成して構成されている。また、カラー表示が行われる場合は、通常、１画素は、３つのサブ画素によって構成されている。各サブ画素は、ＴＦＴと画素電極とで構成されている。更に、対向基板は、ガラス基板上に対向電極とカラーフィルタとを備えている。カラーフィルタは、サブ画素毎に、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）又は青色（Ｂ）の着色層を有している。

この液晶表示装置においては、各画素電極と対向電極との間に印加される電圧が調整され、サブ画素毎に液晶層の透過率が調整される。この結果、液晶層及び着色層を透過したバックライトの照明光により、表示画面上に画像が表示される。

このように、従来からの液晶表示装置は、画像を表示する機能を備えているが、近年、画像の取り込み機能をも備えた液晶表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に開示の液晶表示装置では、アクティブマトリクス基板上に、複数のフォトダイオードがマトリクス状に形成されており、液晶表示パネルがエリアセンサとして機能する。

また、特許文献１において、各フォトダイオードとして、ラテラル構造のＰＩＮダイオードが用いられている。各ＰＩＮダイオードは、ＴＦＴのプロセスを利用して、ＴＦＴと共通のシリコン膜に、ｐ層、ｉ層、ｎ層を順に設けて形成されている。また、ＰＩＮダイオードのバックライト側には、通常、バックライトからの照明光がＰＩＮダイオードに入射するのを阻止するため、遮光膜が設けられている。
特開２００６−３８５７号公報

ところで、特許文献１においては、複数個のフォトダイオードによってエリアセンサが構成されるため、各フォトダイオードは、表示領域内に配置される。よって、各フォトダイオードは、厚み方向においてカラーフィルタの着色層と重なり、観察者側からの入射光は、カラーフィルタの着色層によって減衰された後に、各フォトダイオードに入射する。このため、特許文献１の液晶表示装置においては、各フォトダイオードで検出できる光量が低下するため、システム全体として感度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、上記問題を解消し、アクティブマトリクス基板の表示領域内に配置されたフォトダイオードの感度の向上を図り得る液晶表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明における液晶表示装置は、複数の画素がマトリクス状に配置されたアクティブマトリクス基板と、カラーフィルタが設けられた対向基板とを備える液晶表示装置であって、前記アクティブマトリクス基板は、表示領域内に複数のフォトダイオードを備え、前記複数の画素は、それぞれ２以上のサブ画素を備え、前記カラーフィルタは、前記サブ画素毎に、着色層を備え、前記着色層は、当該液晶表示装置の厚み方向において、前記複数のフォトダイオードの光検出領域に重ならないように、または、透過率が周辺よりも高い高透過部を備え、且つ、当該液晶表示装置の厚み方向において、前記高透過部が前記複数のフォトダイオードの光検出領域に重なるように、形成されていることを特徴とする。

以上のように本発明における液晶表示装置では、着色層は、フォトダイオードの光検出領域の直上に存在しないように、または、光検出領域の直上に存在している場合は、その高透過部が光検出領域に重なるように形成されている。よって、本発明における液晶表示装置は、アクティブマトリクス基板の表示領域内に配置されたフォトダイオードの感度の向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施の形態における液晶表示装置の構成を部分的に示す平面図である。 図２は、図１中の切断線Ａ−Ａ´に沿って切断して得られた断面を示す断面図である。

本発明における液晶表示装置は、複数の画素がマトリクス状に配置されたアクティブマトリクス基板と、カラーフィルタが設けられた対向基板とを備える液晶表示装置であって、前記アクティブマトリクス基板は、表示領域内に複数のフォトダイオードを備え、前記複数の画素は、それぞれ２以上のサブ画素を備え、前記カラーフィルタは、前記サブ画素毎に、着色層を備え、前記着色層は、当該液晶表示装置の厚み方向において、前記複数のフォトダイオードの光検出領域に重ならないように、または、透過率が周辺よりも高い高透過部を備え、且つ、当該液晶表示装置の厚み方向において、前記高透過部が前記複数のフォトダイオードの光検出領域に重なるように、形成されていることを特徴とする。

また、上記本発明における液晶表示装置は、前記サブ画素それぞれが、アクティブ素子と、透明電極と、観察者側から入射した光を反射させる反射電極とを備え、前記着色層が、当該液晶表示装置の厚み方向において、対応するサブ画素の透明電極及び反射電極の両方に重なるように形成され、且つ、前記反射電極に重なる部分において前記高透過部を備え、前記複数のフォトダイオードそれぞれは、いずれかの前記反射電極の下層に配置され、前記フォトダイオードが下層に配置された前記反射電極は、当該液晶表示装置の厚み方向において前記高透過部に重なる部分に、前記光検出領域を露出させる開口部を備えている態様とすることができる。

透過型及び反射型の両方の機能を備える液晶表示装置では、反射領域で反射された光の色純度と透過領域を透過した光の色純度とを合わせることを第１の目的として、着色層の反射電極に重なる部分に高透過部が形成されることがある。上記態様では、この高透過部を利用して、フォトダイオードに、光を減衰なく入射させることができる。上記態様によれば、高透過部を新たに形成する必要がないため、液晶表示装置のコストの上昇を抑制できる。

また、上記本発明における液晶表示装置においては、前記フォトダイオードは、前記アクティブマトリクス基板のベース基板上に設けられたシリコン膜によって形成されていても良い。この場合、前記シリコン膜には、その面方向に沿って、第１導電型の半導体領域、真性半導体領域、及び前記第１導電型と逆の第２導電型の半導体領域が順に設けられ、前記真性半導体領域が、前記光検出領域となる。

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態における液晶表示装置について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態における液晶表示装置の構成を部分的に示す平面図である。図２は、図１中の切断線Ａ−Ａ´に沿って切断して得られた断面を示す断面図である。

なお、図１は、アクティブマトリクス基板に形成された画素の構造を主に示しており、対向基板については、着色層の外形のみを一点鎖線で示している。また、図１においては層間絶縁膜の記載は省略されている。図２においては、層間絶縁膜へのハッチングは省略されている。また、図２に示す断面図では、断面に現れる線のみが図示されている。

本実施の形態における液晶表示装置は、図２に示す液晶表示パネル４と、それを背面から照明するバックライト（図示せず）とを備えている。図１及び図２に示すように、液晶表示パネル４は、アクティブマトリクス基板１と、液晶層２と、対向基板３とを備え、二つの基板間に液晶層２を挟み込んで形成されている。図示していないが、本実施の形態における液晶表示装置は、その他に各種の光学フィルムも備えている。

また、図１に示すように、アクティブマトリクス基板１は、画素を備えている。図１及び図２には、図示していないが、画素は、マトリクス状に複数個配置されている。アクティブマトリクス基板１においては、複数の画素が配置された領域が表示領域となる。また、本実施の形態では、一つの画素は、三つのサブ画素によって構成されている。図１は、三つのサブ画素５ａ〜５ｃのみを図示している。

本実施の形態においては、液晶表示パネル４は、透過型及び反射型の両方として機能する。このため、図１に示すように、サブ画素５ａ〜５ｃそれぞれは、アクティブ素子７と、透明電極８と、反射電極９とを備えている。アクティブ素子７は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）である。透明電極８は、ＩＴＯ等で形成された画素電極である。反射電極９は、金属材料で形成されており、透明電極８に電気的に接続されている。図２に示すように、反射電極９は、観察者側から入射した光を反射させる。

また、本実施の形態においては、アクティブ素子７は、ソース領域及びドレイン領域が形成されたシリコン膜２１と、ゲート電極２２とを備えている。ゲート電極２２は、画面の水平方向に沿って配置されたゲート線２３と一体的に形成されている。また、ソース領域にはソース電極２４が接続され、ドレイン領域にはドレイン電極２６が接続されている。ソース電極２４は、画面の垂直方向に沿って配置されたソース配線２５と一体的に形成されている。ドレイン電極２６は、透明電極８に接続されている。図１において、２７は蓄積容量用の配線を示し、２８は蓄積容量が形成される領域を示している。

また、図１及び図２に示すように、アクティブマトリクス基板１は、表示領域内にフォトダイオード１１を備えている。図１及び図２には、単一のフォトダイオード１１しか図示されていないが、実際は、アクティブマトリクス基板１には、一つの画素毎に、フォトダイオード１１が配置されている。画素毎に配置された複数のフォトダイオード１１は、エリアセンサとして機能する。なお、フォトダイオード１１は一つの画素に対して二つ以上、例えばサブ画素毎に配置されていても良いし、複数の画素毎に一つ配置されていても良い。

図２に示すように、本実施の形態において、フォトダイオード１１は、ラテラル構造を備えたＰＩＮダイオードである。フォトダイオード１１は、アクティブマトリクス基板１のベース基板となるガラス基板１５に設けられたシリコン膜を備えている。シリコン膜には、面方向に沿って順に、ｐ型の半導体領域（ｐ層）１２、真性半導体領域（ｉ層）１３及びｎ型の半導体領域（ｎ層）１４が設けられている。

フォトダイオード１１においては、ｉ層１３が光検出領域となる。本実施の形態において、ｉ層１３は、隣接するｐ層１２及びｎ層１４に比べて電気的に中性に近い領域であれば良い。ｉ層１３は、不純物を全く含まない領域や、伝導電子密度と正孔密度とが等しい領域であるのが好ましい。

なお、図２において、１６は、ガラス基板１５上に形成された絶縁膜であり、フォトダイオード１１は、この上に形成されている。また、フォトダイオード１１の下層には、バックライト（図示せず）からの照明光がフォトダイオード１１に入射するのを阻止するため、導電性の金属材料によって遮光膜２９が形成されている。更に、フォトダイオード１１は、層間絶縁膜１７によって被覆されている。１８はｐ層１２に接続された配線を示し、１９はｎ層１４に接続された配線を示している。

また、図１及び図２に示すように、対向基板３は、複数の着色層を有するカラーフィルタを備えている。着色層は、サブ画素毎に設けられている。図１では、多数ある着色層のうち、サブ画素５ａ〜５ｃそれぞれに対応する着色層６ａ〜６ｃのみが図示されている。

具体的には、図２に示すように、着色層６ａ〜６ｃは、対向基板３のベース基板となるガラス基板３０の面上に形成されている。更に、隣接する着色層の間には、遮光用のブラックマトリクス３２が設けられている。また、全ての着色層を覆うようにして、透明の対向電極３３が形成されている。

なお、本実施の形態では、着層層６ａは青色（Ｂ）の着色層、着色層６ｂは緑色（Ｇ）の着色層、着色層６ｃは赤色（Ｒ）の着色層である。また、着色層６ａ〜６ｃは、液晶表示装置の厚み方向において、対応するサブ画素の透明電極８及び反射電極９の両方に重なるように形成されている。

このように、本実施の形態における液晶表示装置は、従来の液晶表示装置と同様に、表示機能と撮像機能とを備えているが、以下の点で、従来の液晶表示装置と異なっている。

本実施の形態においては、着色層６ａ〜６ｃは、反射電極９に重なる部分において、透過率が周辺よりも高くなるように形成された高透過部３１を備えている。本実施の形態における液晶表示装置が、透過型及び反射型の両方の機能を備えているため、高透過部３１は、反射電極９で反射された光の色純度と、透明電極８を透過した光の色純度とを合わせることを目的として設けられている。

図１及び図２の例では、高透過部３１は、顔料や染料を含まない透明の樹脂層で形成されている。高透過部３１は、その他、単なる開口部であっても良いし、周辺よりも厚みが薄くなるように形成された薄肉部であっても良い。なお、図２において、高透過部３１のハッチングは省略されている。

また、フォトダイオード１１は、ｉ層１３が、液晶表示装置の厚み方向において、高透過部３１に重なるように配置されている。更に、フォトダイオード１１は、反射電極９の下層に配置されているが、フォトダイオード１１が下層に配置された反射電極９は、液晶表示装置の厚み方向において高透過部３１に重なる部分に、ｉ層１３を露出させる開口部１０を備えている。なお、フォトダイオード１１は、図２に示すように、層間絶縁膜１７及び２０に被覆されているが、これらの絶縁膜は全て透明な膜である。

このような構成により、本実施の形態における液晶表示装置においては、フォトダイオード１１のｉ層１３（光検出領域）の直上に、着色層が存在しないようになっている。このため、図２に示すように、ｉ層１３に向かう光は、着色層によって減衰されることなく、ｉ層１３に入射する。よって、本実施の形態によれば、従来例に比べて、アクティブマトリクス基板１の表示領域内に配置されたフォトダイオード１１の感度の向上を図ることができる。

また、本実施の形態では、色純度を合わせるために設けられた高透過部３１を利用して、フォトダイオード１１のｉ層１３に、光を減衰なく入射させることができる。よって、本実施の形態によれば、フォトダイオード１１用に新たに高透過部を設ける必要がなく、液晶表示パネル４の製造コストの上昇が抑制される。

なお、本実施の形態は、図１の例と異なり、着色層が、液晶表示装置の厚み方向において、フォトダイオードの光検出領域に重ならないように形成されている態様とすることもできる。例えば、着色層の反射電極に重なる部分を、反射電極よりも小さくなるように形成し、反射電極の周縁部分が着色層と重ならないようにする。そして、反射電極の着色層と重なっていない周縁部分に開口部を設け、この開口部と光検出領域とが整合するようにフォトダイオードを配置する。この場合も、図１及び図２に示した例と同様に、フォトダイオードの感度の向上を図ることができる。

以上のように、本発明によれば、表示画面の観察者側から入射した光に反応するフォトダイオードを備えた液晶表示装置において、フォトダイオードの感度の向上を図ることができる。このことから、本発明における液晶表示装置は、産業上の利用可能性を有し得るものである。

Claims (3)

1. 複数の画素がマトリクス状に配置されたアクティブマトリクス基板と、カラーフィルタが設けられた対向基板とを備える液晶表示装置であって、
   前記アクティブマトリクス基板は、表示領域内に複数のフォトダイオードを備え、
   前記複数の画素は、それぞれ２以上のサブ画素を備え、
   前記カラーフィルタは、前記サブ画素毎に、着色層を備え、
   前記着色層は、当該液晶表示装置の厚み方向において、前記複数のフォトダイオードの光検出領域に重ならないように、または、透過率が周辺よりも高い高透過部を備え、且つ、当該液晶表示装置の厚み方向において、前記高透過部が前記複数のフォトダイオードの光検出領域に重なるように、形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記サブ画素それぞれが、アクティブ素子と、透明電極と、観察者側から入射した光を反射させる反射電極とを備え、
   前記着色層が、当該液晶表示装置の厚み方向において、対応するサブ画素の透明電極及び反射電極の両方に重なるように形成され、且つ、前記反射電極に重なる部分において前記高透過部を備え、
   前記複数のフォトダイオードそれぞれは、いずれかの前記反射電極の下層に配置され、
   前記フォトダイオードが下層に配置された前記反射電極は、当該液晶表示装置の厚み方向において前記高透過部に重なる部分に、前記光検出領域を露出させる開口部を備えている請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記フォトダイオードが、前記アクティブマトリクス基板のベース基板上に設けられたシリコン膜によって形成され、
   前記シリコン膜には、その面方向に沿って、第１導電型の半導体領域、真性半導体領域、及び前記第１導電型と逆の第２導電型の半導体領域が順に設けられ、
   前記真性半導体領域が、前記光検出領域となる請求項１に記載の液晶表示装置。

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