KR102051879B1 - 표시 장치 - Google Patents

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겐조 후쿠요시
유타카 이토
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Abstract

본 발명의 액정 표시 장치(LCD1, LCD2, LCD3)는, 표시 장치 기판(100)과, 어레이 기판(200)과, 표시 장치 기판(100)과 어레이 기판(200) 사이에 끼움 지지된 표시 기능층(300)과, 제어부(120)를 구비한다. 표시 장치 기판(100)은 터치 센싱 배선(3)을 구비한다. 어레이 기판(200)은 복수의 화소 개구부(18)의 각각에 형성되어 있는 1 이상의 전극부(17A)를 갖는 공통 전극(17)과, 제2 절연층(12) 아래에 있어서 공통 전극(17)에 전기적으로 접속되며 또한 복수의 화소 개구부(18)를 횡단하는 도전 배선(30)과, 제3 절연층(13) 아래에 형성되어 화소 전극(20)에 전기적으로 접속되어 있는 톱 게이트 구조의 박막 트랜지스터인 액티브 소자(28)와, 도전 배선(30)과 동일한 층 구성을 갖고 제2 절연층과 제3 절연층 사이에 있어서 도전 배선(30)과 동일한 위치에 형성되어 있음과 함께 평면으로 보아 제2 방향으로 연장되어 액티브 소자에 전기적으로 제휴된 게이트 배선(10)과, 전극부(17A)의 패턴의 길이 방향의 중앙에 형성되어 있음과 함께 공통 전극(17)과 도전 배선(30)을 전기적으로 접속하는 콘택트 홀(H)을 구비한다. 표시 기능층(300)의 두께 방향에 대하여 경사지는 경사 방향에 있어서, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17)은 서로 대향하고 있다.

Description

표시 장치
본 발명은, 안정된 터치 센싱이 가능하고, 또한, 터치 센싱 감도가 높은 표시 장치에 관한 것이다.
텔레비전 등의 대형 디스플레이, 태블릿, 스마트폰 등에, 표시 기능층을 구비하는 표시 장치가 사용되고 있다. 표시 기능층으로서 액정을 사용하고 있는 액정 표시 장치는, 대략, 유리 등의 2매의 투명 기판 사이에 액정층이 끼움 지지된 구성을 갖는다. 이러한 액정 표시 장치에 있어서의 주요한 액정 구동 방식은, 종전계 방식으로서 알려져 있는 VA(Vertical Alig㎚ent) 모드와, 횡전계 방식으로서 알려져 있는 IPS(In-Plane Switching) 모드, 혹은, 프린지 전계 스위칭 FFS(Fringe Field Switching) 모드로 크게 구별할 수 있다.
표시 기능층으로서 유기 발광 다이오드를 사용하고 있는 유기 EL 장치(OLED : Organic Light Emitting Diode)는, 표시 장치의 박형화의 관점에서 주목받고 있다. 전기 요소와 기계적 요소로 구성되는 EMS(Electro Mechanical System)는 저소비 전력화의 관점에서 주목받고 있다. MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)는 액추에이터, 트랜스듀서, 센서, 마이크로미러, MEMS 스위치, 및 광학 필름 등의 광학 부품, 그리고 광 간섭 변조기(IMOD : Interferometric Modulation)를 포함한다. 또한, 근년에는, 복수의 마이크로 LED가 기판 상에 배열된 표시 기능층도 알려져 있다.
IPS 모드 또는 FFS 모드에서는, 액정 표시 장치의 기판면에 대하여 액정 분자를 수평 배향시키고, 기판면에 대하여 대략 평행한 방향으로 전계를 액정 분자에 인가함으로써, 액정 구동이 행해진다. IPS 모드 또는 FFS 모드는, 넓은 시야각을 갖는 액정 표시 장치에 있어서 사용되는 액정 구동 방식이다. FFS 모드가 채용된 액정 표시 장치는, 프린지 전계를 사용함으로써 고속으로 액정을 구동할 수 있는 등의 큰 장점을 갖는다.
액정의 구동 방식에 관하여, 액정 표시의 번인을 억제하기 위해, 소정의 영상 표시 기간이 경과한 후에 액정층에 인가하는 전압의 정과 부를 반전시키는 극성 반전 구동(교류 반전 구동)이 행해지고 있다. 극성 반전 구동의 방법으로서는, 복수의 화소의 각각의 극성을 개별로 반전시키는 도트 반전 구동, 화면의 가로 방향을 따라서 복수의 화소가 배열되어 있는 행 단위로 화소의 극성을 반전시키는 수평 라인 반전 구동, 화면의 세로 방향을 따라서 복수의 화소가 배열되어 있는 열 단위로 화소의 극성을 반전시키는 칼럼 반전 구동, 1화면 단위로 화소의 극성을 반전시키거나, 혹은, 화면을 복수의 블록으로 구획함과 함께 블록 단위로 화소의 극성을 반전시키는 프레임 반전 구동 등이 알려져 있다. 이러한 액정 구동 기술은, 예를 들어 특허문헌 1 내지 5, 7에 기재, 혹은, 시사되어 있다.
이러한 액정 표시 장치로서, 최근, 정전 용량을 검지하는 수단을 구비한 터치 센싱 기능을 갖는 액정 표시 장치가 많이 이용되고 있다. 터치 센싱 방식으로서는, 손가락이나 펜 등의 포인터가 표시 화면에 접촉 혹은 근접하였을 때에 발생하는 정전 용량 변화를, 예를 들어 X 방향과 Y 방향으로 배열된 터치 센싱 배선(터치 전극)에 의해 검지하는 방식이 주로 이용되고 있다.
또한, 터치 센싱 기능을 갖는 표시 장치의 구조로서는, 터치 센싱 기능을 구비한 터치 패널을 표시 장치의 표면에 부착한 아웃셀 방식과, 표시 장치 자체가 터치 센싱 기능을 구비한 인셀 방식이 알려져 있다. 근년에는, 아웃셀 방식보다도, 대부분의 표시 장치가 인셀 방식을 채용하고 있다.
특허문헌 2 내지 6은 인셀 방식을 사용한 터치 센싱 기술이 개시되어 있다. 그러나, 인셀 방식에 있어서는, 이들 특허문헌에서는 밝혀지지 않은 터치 센싱 기술의 문제가 발생하고 있다. 바꾸어 말하면, 터치 패널 외장형 방식에서는 문제가 되기 어려웠던 문제, 즉, 터치 센싱 배선이, 액정 셀 내부에 설치된 액티브 소자에 전기적으로 제휴된 소스 배선으로부터의 노이즈의 영향을 받기 쉬운 등의 새로운 기술 과제가 있다.
특허문헌 1은, 액정 구동에 관하여, 화면의 세로 방향을 따라서 복수의 화소가 배열되어 있는 열 단위로 화소의 극성을 반전시키는 기술을 개시하고 있다. 특허문헌 1은 터치 센싱 기술을 포함하고 있지 않다.
특허문헌 2는, 도트 반전 구동에 관한 기재를 포함함과 함께, 터치 센싱 기술을 개시하고 있다. 특허문헌 2의 개시에 있어서는, 터치 센싱 기능을 행하는 구동 전극 및 검출 전극이 실질적으로 금속 배선으로 구성되어 있다.
특허문헌 3은, 면내 전환(IPS) 액정 디스플레이에 관해, 터치 센싱 구동 전극이, 터치 센싱 신호의 검출 및 디스플레이에 사용되는 전극쌍을 형성하는 기술을 개시하고 있다. 이와 같은 특허문헌 3의 개시는, 특허문헌 5에 기재된 청구항 2의 특징점과 유사하다.
특허문헌 4는, 컬러 필터 상에 카운터 전극이 적층된 종전계 방식의 액정 표시 장치에, 터치 스크린 기술이 내장된 구조를 개시하고 있다. 이와 같은 구조는, 예를 들어 특허문헌 4의 청구항 1 및 실시예에 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 4의 청구항 1에 기재되어 있는 바와 같이, 디스플레이 픽셀은, 축적 콘덴서를 포함한다. 또한, 터치 구동 전극은, 표시 동작의 동안, 축적 콘덴서의 카운터 전극으로서 동작한다. 또한, 특허문헌 4의 단락 0156 이후에는, 면내 전환(IPS)의 2종류의 전극이 단일 면내에서 서로 평행하게 되어 있는 구성이 개시되어 있다. 특허문헌 4의 단락 0157에서는, IPS 디스플레이가, 터치 구동 또는 터치 감지에 사용할 수 있는 Vcom층이 없는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 4가 개시하는 구조에 있어서는, yVcom을 xVcom에 크로스오버시킬 필요가 있다(특허문헌 4의 단락 0033, 및 도 5, 도 1e, 도 1f 등).
특허문헌 5는 액정 셀 내에 직교하는 띠상 도체를 사용한 터치 센싱 기술을 개시하고 있다.
특허문헌 6은 투명 재료로 구성되며 제1 방향으로 연장되는 복수의 터치 구동 전극(드라이브 영역으로서 상호 접속 도선 xVcom에 접속됨)과, 제2 방향으로 연장되는 복수의 터치 검출 전극(센스 영역으로서 yVcom에 의해 접속됨)을 구비하고, 터치 구동 전극 및 터치 검출 전극 중 한쪽이, 액정 디스플레이의 카운터 전극으로서 기능하는 것을 개시하고 있다.
특허문헌 6은 복수의 디스플레이 픽셀의 제1 그룹을 포함하는 드라이브선과, 복수의 디스플레이 픽셀의 제2 그룹을 포함하는 센스선 사이에서 터치 센싱을 행하는 기술을 개시하고 있고, 제2 그룹의 회로 소자간에 바이패스 터널이 형성된 매우 복잡한 구성이 되어 있다.
특허문헌 7은 액정 구동의 선순차 주사를 행하는 경우의 화질 저하를 억제하는 수단을 개시하고 있다. 특허문헌 7에 있어서는, 액정을 구동하는 액티브 소자(TFT : Thin Film Transistor, 박막 트랜지스터)에 폴리실리콘 반도체가 사용되고 있다. 또한, 래치부를 포함하는 전송 회로를 설치하여 전위 유지를 행함으로써, 오프 누설 전류가 많은 폴리실리콘의 TFT 고유의 주사 신호선의 전위 저하를 방지함과 함께, 액정 표시의 화질 저하를 방지하고 있다.
또한, 특허문헌 7의 도 6, 도 7 및 단락 0035의 기재로부터, 터치 검출 전극 및 화소 신호선이 평행하고, 또한, 평면으로 보아 중첩되도록 구성되어 있다. 원래, 터치 검출 배선과 터치의 구동 전극 COML의 거리를 짧게 함으로써 S/N비(특히, 「S」, 시그널의 값)를 높게 할 수 있다. 그러나, 터치 검출 전극과 화소 신호선이 평면으로 보아 화소의 길이 방향으로 연장되도록 긴 선상으로 형성되고 또한 중첩되는 구성에 있어서는, 터치 검출 전극과 화소 신호선을 근접시킴으로써 상기 2개의 선간에 발생하는 기생 용량이 커진다. 바꾸어 말하면, 화소 신호선으로부터 발생하는 「N」(노이즈)이 터치 검출 전극에 가해지기 쉽고, 결과로서 S/N비를 향상시키기 어렵다.
특허문헌 8의 단락 0064에 있어서는, 박막 트랜지스터의 신호선, 주사선 및 액정 구동에 사용되는 보조 용량선의 배선 구조로서, 인듐 함유층/구리/인듐 함유층으로 구성되는 3층 구조의 금속 배선을 형성하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 8은, 후술하는 터치 센싱 공간 내에 신호선(소스선)이나 화소 전극이 포함되어 있는 구성을 개시하고 있다. 신호선(소스선)이나 화소 전극은, 노이즈 발생원이 되기 때문에, 터치 센싱에의 신호(영상 신호)에 기인의 노이즈 영향을 감소시키는 것을 고려하고 있지 않다. 예를 들어, 특허문헌 8의 제4 실시 형태나 도 11에서는, 터치 센싱에 사용되며, 또한 ITO 등의 투명 도전막으로 형성된 공통 전극 상에, 화소 전극이 구비되는 구성이 개시되어 있다. 화소 전극에는, 소스선을 통해 공급되는 영상 표시를 위한 신호를 빈번하게 재기입하는 액정 구동 전압이 인가된다. 이 때문에, 공통 전극 상에 화소 전극이 구비되는 도 11에 도시된 구성은 바람직하지 않다. 또한, 특허문헌 8의 제5 실시 형태나 도 12에서는, 터치 센싱 배선 상에, 화소 전극 외에 소스 배선이 구비되는 구성이 개시되어 있다. 이 때문에, 도 11에 도시한 구조보다도 많은 노이즈나 기생 용량을 끌어들이기 쉽고, 이 관점에서, 가장 바람직하지 않은 구성이 개시되어 있다. 도 12에 도시한 예에 있어서는, 게이트선이 Y 방향에서 최하부에 위치하고 있고, 박막 트랜지스터는 보텀 게이트 구조를 갖는다.
특허문헌 1 내지 특허문헌 8에 개시된 기술은, 각각의 영상 표시를 행하기 위한 영상 신호가 부여되는 소스 배선에 기인하는 노이즈를 삭감하는 수단이 충분히 고려되어 있지 않아, 고감도의 터치 센싱 기술을 제공하기 어렵다. 또한, 액정 구동에 관한 노이즈 발생을 억제하기에는 불충분하다.
일본 특허 공고 평4-22486호 공보 일본 특허 공개 제2014-109904호 공보 일본 특허 제4584342호 공보 일본 특허 제5517611호 공보 일본 특허 공개 평7-36017호 공보 일본 특허 제5746736호 공보 일본 특허 공개 제2014-182203호 공보 일본 특허 제5807726호 공보
인셀 방식을 채용함과 함께 터치 센싱 기능을 구비한 표시 장치에 있어서, 센싱 감도를 향상시키기 위해서는 액정 구동에서 발생하는 노이즈 대책이 불가결하다.
상술한 바와 같이, 전하 축적에 의한 표시의 번인(sticking)을 피하기 위해, 액정 구동으로서 극성 반전 구동이 일반적으로 채용되고 있다. 그러나, 영상 신호를 전달하는 소스 배선은, 극성 반전에 기인한 노이즈를 발생시키는 발생원이 되었다. 게다가, 소스 배선은, 영상 신호의 극성 반전에 부수되는 기생 용량의 변화를 수반하기 쉽다. 인셀 방식을 채용함과 함께 터치 센싱 기능을 구비한 표시 장치에 있어서는, 영상 신호가 전달되는 소스 배선에 기인하는 노이즈의 발생을 억제하는 것이 중요해지고 있다.
또한, 특허문헌 6에 개시되어 있는 바와 같이, 어레이 기판(TFT 기판)이 터치 센싱 기능을 갖는 방식에서는, 액티브 소자(TFT)를 구동하는 소스 배선이나 게이트 배선 등의 신호 배선에 매우 가까운 위치에, 또한, 이들 배선과 평행하게 터치 센싱에 관련되는 배선(이하, 터치 센싱 배선)이 배치된다. 특히, 다양한 전압에 의해, 또한, 높은 빈도로 영상 신호를 전달하는 소스 배선은, 터치 센싱 배선에 큰 악영향을 준다.
트랜지스터의 채널층으로서 폴리실리콘 반도체를 사용하는 액티브 소자에 있어서는, 누설 전류가 크고, 영상 신호를 빈번하게 재기입하는 것이 필요하여, 소스 배선으로부터 발생하는 노이즈가 터치 센싱 배선에 대하여 영향을 줄 것이 염려된다. 또한, TFT 기판이 터치 센싱 기능을 갖는 구조에 있어서, 센스선(터치 신호의 검출 배선), 드라이브선(터치 센싱의 구동 배선) 및 액티브 소자를 구동하기 위한 소스 배선이나 게이트 배선을 1매의 어레이 기판에 병설하는 경우에는, 점퍼선이나 바이패스 터널 등을 형성할 필요가 있다. 즉, 고비용을 초래하는 복잡한 구성이 필요로 된다.
또한, 폴리실리콘 반도체의 누설 전류를 저감시키기 위해, 각 화소에 있어서 2개의 TFT를 화소 전극에 접속하는 더블 게이트 구조를 채용할 필요가 있지만, 더블 게이트 구조는 고비용의 요인이 됨과 함께, 화소의 개구율을 저하시켜 버린다.
본 발명은 상기의 과제를 감안하여 이루어진 것이며, FFS 모드로 대표되는 횡전계 방식인 액정 표시 장치에 있어서, 터치 센싱에 영향을 주는 노이즈의 영향을 경감한 액정 표시 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치는, 제1 투명 기판과, 상기 제1 투명 기판 상에 형성된 제1 방향으로 연장되는 터치 센싱 배선을 구비한 표시 장치 기판과, 제2 투명 기판과, 상기 제2 투명 기판 상의 복수의 다각 형상의 화소 개구부와, 상기 복수의 화소 개구부의 각각에 형성되어 있음과 함께 평면으로 보아 상기 제1 방향으로 연장되는 1 이상의 전극부를 갖는 공통 전극과, 상기 공통 전극 아래에 형성된 제1 절연층과, 상기 복수의 화소 개구부의 각각에 있어서 상기 제1 절연층 아래에 형성된 화소 전극과, 상기 화소 전극 아래에 형성된 제2 절연층과, 상기 제2 절연층 아래에 있어서 상기 공통 전극에 전기적으로 접속되며 또한 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 연장되어 상기 복수의 화소 개구부를 횡단하는 도전 배선과, 상기 도전 배선 아래에 형성된 제3 절연층과, 상기 제3 절연층 아래에 형성되어 상기 화소 전극에 전기적으로 접속되어 있는 톱 게이트 구조의 박막 트랜지스터인 액티브 소자와, 상기 도전 배선과 동일한 층 구성을 갖고 상기 제2 절연층과 상기 제3 절연층 사이에 있어서 상기 도전 배선과 동일한 위치에 형성되어 있음과 함께 평면으로 보아 상기 제2 방향으로 연장되어 상기 액티브 소자에 전기적으로 제휴된 게이트 배선과, 평면으로 보아 상기 제1 방향으로 연장되어 상기 액티브 소자에 전기적으로 제휴된 소스 배선과, 상기 전극부의 패턴의 길이 방향의 중앙에 형성되어 있음과 함께 상기 공통 전극과 상기 도전 배선을 전기적으로 접속하는 콘택트 홀을 구비하는 어레이 기판과, 상기 표시 장치 기판과 상기 어레이 기판 사이에 끼움 지지된 표시 기능층과, 상기 화소 전극과 상기 공통 전극 사이에 구동 전압을 인가함으로써 상기 표시 기능층을 구동시킴으로써 영상 표시를 행하고, 상기 공통 전극과 상기 터치 센싱 배선 사이의 정전 용량의 변화를 검지하여 터치 센싱을 행하는 제어부를 포함한다. 상기 표시 기능층의 두께 방향에 대하여 경사지는 경사 방향에 있어서, 상기 터치 센싱 배선과 상기 공통 전극은 서로 마주보고 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서의 「표시 기능층」이란, 광 투과, 차광, 광 반사, 혹은 발광 등의 작용을 전극간에서 행하는 기능을 실현하는 층을 의미한다. 이와 같은 표시 기능층으로서는, 예를 들어 액정 소자, 유기 EL 소자, EMS 소자, MEMS 소자, IMOD 소자, 마이크로 LED 소자 등을 들 수 있다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 공통 전극은, 평면으로 보아 상기 터치 센싱 배선과 평행한 길이 방향으로 연장되는 스트라이프 패턴을 가져도 된다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 액티브 소자는, 산화물 반도체로 구성된 채널층을 포함하고, 상기 채널층은, 게이트 절연막과 접촉하고 있는 박막 트랜지스터여도 된다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 산화물 반도체는, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 알루미늄, 게르마늄, 안티몬, 비스무트, 세륨 중 2종 이상의 금속 산화물을 포함하는 산화물 반도체여도 된다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 게이트 절연막은, 산화세륨을 포함하는 복합 산화물로 형성된 게이트 절연막이어도 된다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 표시 기능층은 액정층이며, 상기 액정층의 액정은, 상기 어레이 기판에 평행한 초기 배향을 갖고, 상기 공통 전극과 상기 화소 전극 사이에 인가되는 액정 구동 전압에 의해 발생하는 프린지 전계에 의해 구동되어도 된다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 공통 전극 및 상기 화소 전극은, 적어도, 산화인듐, 산화주석을 포함하는 복합 산화물로 구성되어도 된다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 터치 센싱 배선은, 구리 합금층을 포함하는 금속층으로 구성되어도 된다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 터치 센싱 배선은, 구리 합금층이 도전성 금속 산화물층 사이에 끼움 지지된 구조를 가져도 된다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 도전 배선은, 구리 합금층이 도전성 금속 산화물층 사이에 끼움 지지된 구조를 가져도 된다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 도전성 금속 산화물층은, 산화인듐, 산화아연, 산화안티몬, 산화주석 중 2종 이상을 포함하는 복합 산화물층이어도 된다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 표시 장치 기판은, 상기 제1 투명 기판과 상기 터치 센싱 배선 사이에 형성된 블랙 매트릭스를 구비하고, 상기 터치 센싱 배선은, 상기 블랙 매트릭스의 일부와 중첩되어도 된다.
본 발명의 일 양태에 관한 표시 장치에 있어서는, 상기 표시 장치 기판은, 복수의 화소 개구부에 대응하는 위치에 형성된 컬러 필터를 구비해도 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 터치 센싱에 악영향을 주는 노이즈를 경감하고, 또한, 터치 센싱에 관계되는 배선 구조를 간략화한, 액정 표시 장치를 제공할 수 있다. 또한, 영상 신호가 공급되는 소스 배선 또는 화소 전극이 터치 센싱 공간에 포함되지 않는 구성을 실현할 수 있어, 영상 신호에 관한 노이즈를 경감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치를 구성하는 제어부(영상 신호 제어부, 시스템 제어부 및 터치 센싱 제어부) 및 표시부를 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치를 구성하는 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 평면도이며, 관찰자측으로부터 본 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치를 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 2에 도시한 A-A'선을 따르는 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치를 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 2에 도시한 B-B'선을 따르는 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치를 부분적으로 도시하는 단면도이며, 공통 전극을 확대하여 도시하는 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치를 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 2에 도시한 C-C'선을 따르는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 도 2에 도시한 어레이 기판 상에, 액정층을 개재하여, 컬러 필터 및 터치 센싱 배선을 구비하는 표시 장치 기판이 적층된 구조를 도시하는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치 기판을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 6에 도시한 F-F'선을 따르는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치 기판을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 터치 센싱 배선의 단자부를 설명하는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치 기판을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 터치 센싱 배선의 단자부를 설명하는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 평면도이며, 어레이 기판의 제조 공정 중 일 공정을 설명하는 도면이고, 액티브 소자의 일 구성 요소인 채널층의 패턴을 도시한다. 도 10에 있어서, 파선은, 다음 공정 이후에서 형성되는 소스 배선 및 게이트 배선의 위치를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 평면도이며, 어레이 기판의 제조 공정 중 일 공정을 설명하는 평면도이고, 채널층 상에, 소스 배선, 소스 전극 및 드레인 전극의 각각의 패턴이 형성된 구조를 도시하는 평면도이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 평면도이며, 어레이 기판의 제조 공정 중 일 공정을 설명하는 평면도이고, 게이트 절연막을 개재하여, 게이트 전극, 게이트 배선 및 도전 배선의 각각의 패턴이 형성된 구조를 도시하는 평면도이다. 도 12에 있어서, 게이트 전극, 게이트 배선 및 도전 배선의 각각은, 금속층 등을 포함하는 복수층으로 형성된 적층 구조를 갖는다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 평면도이며, 어레이 기판의 제조 공정 중 일 공정을 설명하는 평면도이고, 절연층을 개재하여 화소 전극의 패턴이 형성된 구조를 도시하는 평면도이다. 또한, 도 13에 도시한 어레이 기판 상에 절연층을 개재하여 공통 전극이 형성된 적층 구조는, 상기 도 2에 도시한 구조에 상당한다.
도 14는 본 발명의 실시 형태에 관한 표시 장치에 있어서의 액정 구동과 터치 센싱 구동을 행하는 시분할 구동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 15는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치의 화소를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 1화소에 있어서의 액정의 배향 상태를 도시하는 평면도이다.
도 16은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치의 화소를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 화소 전극과 공통 전극 사이에 액정 구동 전압을 인가하였을 때의, 액정 구동 동작을 도시하는 평면도이다.
도 17은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치에 있어서, 터치 센싱 배선이 터치 구동 전극으로서 기능하고, 또한, 공통 전극이 터치 검출 전극으로서 기능한 경우의, 터치 센싱 배선과 공통 전극 사이에 전계가 생성된 상태를 도시하는 모식 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치를 도시하는 모식 단면도이며, 손가락 등의 포인터가 표시 장치 기판의 관찰자측의 표면에 접촉 혹은 근접하였을 때의 전계 생성 상태의 변화를 도시하는 단면도이다.
도 19는 본 발명의 제1 실시 형태의 변형예에 관한 표시 장치를 구성하는 어레이 기판의 주요부를 부분적으로 도시하는 단면도이다.
도 20은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 표시 장치를 구성하는 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 평면도이며, 관찰자측으로부터 본 평면도이다.
도 21은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 표시 장치를 구성하는 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 20에 도시한 D-D'선을 따르는 단면도이다.
도 22는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 표시 장치를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 어레이 기판 상에, 액정층을 개재하여, 컬러 필터 및 터치 센싱 배선을 구비하는 표시 장치 기판이 적층된 구조를 도시하는 평면도이고, 관찰자측으로부터 본 평면도이다.
도 23은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 표시 장치를 구성하는 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 20에 도시한 E-E'선을 따르는 단면도이다.
도 24는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 표시 장치의 화소를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 1화소에 있어서의 액정의 배향 상태를 도시하는 평면도이다.
도 25는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 표시 장치의 화소를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 화소 전극과 공통 전극 사이에 액정 구동 전압을 인가하였을 때의, 액정 구동 동작을 도시하는 평면도이다.
도 26은 FFS 모드의 액정을 채용한 표시 장치를 부분적으로 도시하는 단면도이며, 화소 전극과 공통 전극 사이에 액정 구동 전압을 인가하였을 때의, 프린지 전계에 의한 액정 구동 동작을 도시하는 단면도이다.
도 27은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 표시 장치를 구성하는 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 평면도이다.
도 28은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 표시 장치를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 어레이 기판 상에, 액정층을 개재하여, 컬러 필터 및 터치 센싱 배선을 구비하는 표시 장치 기판이 적층된 구조를 도시하는 평면도이고, 관찰자측으로부터 본 평면도이다.
도 29는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 표시 장치를 구성하는 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 단면도이다.
도 30은 종래의 액정 표시 장치의 표시부를 등전위선과 함께 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 31은 종래의 액정 표시 장치의 표시부의 변형예를 등전위선과 함께 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 32는 FFS 모드를 이용하는 종래의 액정 표시 장치의 일 화소를 도시하는 확대 평면도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
이하의 설명에 있어서, 동일 또는 실질적으로 동일한 기능 및 구성 요소에는, 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략 또는 간략화하거나, 혹은, 필요한 경우만 설명을 행한다. 각 도면에 있어서는, 각 구성 요소를 도면 상에서 인식할 수 있을 정도의 크기로 하기 위해, 각 구성 요소의 치수 및 비율을 실제의 것과는 적절하게 상이하게 하고 있다. 또한, 필요에 따라서, 도시가 어려운 요소, 예를 들어 액정 표시 장치를 구성하는 절연층, 버퍼층, 반도체의 채널층을 형성하는 복수층의 구성, 또한, 도전층을 형성하는 복수층의 구성 등의 도시가 생략되어 있다. 표시 장치에 사용하는 것이 가능한 기판으로서는, 유리 기판, 세라믹 기판, 석영 기판, 사파이어 기판, 실리콘, 탄화 실리콘이나 실리콘 게르마늄 등의 반도체 기판, 혹은 플라스틱 기판 등을 적용할 수 있다.
이하에 설명하는 각 실시 형태에 있어서는, 특징적인 부분에 대하여 설명하고, 예를 들어 통상의 액정 표시 장치에 사용되고 있는 구성 요소와 본 실시 형태에 관한 표시 장치의 차이가 없는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
이하의 기재에 있어서, 터치 센싱에 관계되는 배선, 전극 및 신호를, 간단히, 터치 구동 배선, 터치 검출 배선, 터치 전극 및 터치 구동 신호라 호칭하는 경우가 있다. 터치 센싱 배선에 터치 센싱의 구동을 위해 인가되는 전압을 터치 구동 전압이라 칭하고, 표시 기능층인 액정층의 구동을 위해 공통 전극과 화소 전극간에 인가되는 전압을 액정 구동 전압이라 호칭한다. 도전 배선은 커먼 배선이라 호칭하는 경우가 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1은, 인셀 방식을 사용하고 있다. 여기서, 「인셀 방식」이란, 터치 센싱 기능이 액정 표시 장치에 내장된 액정 표시 장치, 혹은, 터치 센싱 기능을 액정 표시 장치와 일체화한 액정 표시 장치를 의미한다. 통상, 액정층을 개재하여 표시 장치 기판과 어레이 기판(TFT 기판)을 접합한 액정 표시 장치에 있어서는, 표시 장치 기판 및 어레이 기판의 각각의 외측의 면에 편광 필름이 부착되어 있다. 바꾸어 말하면, 본 발명의 실시 형태에 관한 인셀 방식의 액정 표시 장치란, 서로 대향하는 2개의 편광 필름의 사이에 위치함과 함께 두께 방향에 있어서 액정 표시 장치를 구성하는 어느 부위에, 터치 센싱 기능을 구비하는 액정 표시 장치이다.
(제1 실시 형태)
(액정 표시 장치 LCD1의 기능 구성)
이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1을, 도 1 내지 도 18을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1을 도시하는 블록도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1은, 표시부(110)와, 표시부(110) 및 터치 센싱 기능을 제어하기 위한 제어부(120)를 구비하고 있다.
제어부(120)는 공지의 구성을 갖고, 영상 신호 제어부(121)(제1 제어부)와, 터치 센싱 제어부(122)(제2 제어부)와, 시스템 제어부(123)(제3 제어부)를 구비하고 있다.
영상 신호 제어부(121)는, 어레이 기판(200)에 형성된 공통 전극(17)(후술)을 정전위로 함과 함께, 어레이 기판(200)에 형성된 게이트 배선(10)(후술, 주사선) 및 소스 배선(31)(후술, 신호선)에 신호를 보낸다. 영상 신호 제어부(121)가 공통 전극(17)과 화소 전극(20)(후술) 사이에 표시용의 액정 구동 전압을 인가함으로써, 어레이 기판(200) 상에서 프린지 전계가 발생하고, 프린지 전계에 따라 액정 분자가 회전하여, 액정층(300)이 구동된다. 이에 의해, 어레이 기판(200) 상에 화상이 표시된다. 복수의 화소 전극(20)의 각각에는, 소스 배선(신호선)을 통해, 예를 들어 구형파의 영상 신호가 개별로 인가된다. 또한, 구형파로서는, 정 또는 부의 직류 구형파 혹은 교류 구형파여도 된다. 영상 신호 제어부(121)는 이와 같은 영상 신호를 소스 배선에 보낸다.
터치 센싱 제어부(122)는, 터치 센싱 배선(3)(후술)에 터치 센싱 구동 전압을 인가하고, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17) 사이에 발생하는 정전 용량의 변화를 검출하고, 터치 센싱을 행한다.
시스템 제어부(123)는 영상 신호 제어부(121) 및 터치 센싱 제어부(122)를 제어하여, 액정 구동과 정전 용량의 변화의 검출을 교대로, 즉, 시분할로 행하는 것이 가능하다. 또한, 시스템 제어부(123)는 액정 구동 주파수와 터치 센싱 구동 주파수를 상이한 주파수에서, 혹은, 상이한 전압으로, 액정을 구동하는 기능을 가져도 된다.
이와 같은 기능을 갖는 시스템 제어부(123)에 있어서는, 예를 들어 액정 표시 장치 LCD1이 끌어들여 버리는 외부 환경으로부터의 노이즈의 주파수를 검지하고, 노이즈 주파수와는 상이한 터치 센싱 구동 주파수를 선택한다. 이에 의해, 노이즈의 영향을 경감할 수 있다. 또한, 이와 같은 시스템 제어부(123)에 있어서는, 손가락이나 펜 등의 포인터의 주사 속도에 맞춘 터치 센싱 구동 주파수를 선정할 수도 있다.
도 1에 도시한 구성을 갖는 액정 표시 장치 LCD1에 있어서, 공통 전극(17)은, 공통 전극(17)과 화소 전극(20) 사이에 표시용의 액정 구동 전압을 인가하여 액정을 구동하는 기능과, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17) 사이에 발생하는 정전 용량의 변화를 검출하는 터치 센싱 기능을 겸비한다. 본 발명의 실시 형태에 관한 터치 센싱 배선은, 도전율이 좋은 금속층으로 형성할 수 있기 때문에, 터치 센싱 배선의 저항값을 내려 터치 감도를 향상시킬 수 있다(후술).
제어부(120)는, 후술하는 바와 같이, 영상 표시의 안정 기간, 및, 영상 표시 후의 흑색 표시 안정 기간 중 적어도 한쪽의 안정 기간에서, 터치 센싱 배선(3) 및 공통 전극(17)에 의한 터치 센싱 구동을 행하는 기능을 갖는 것이 바람직하다.
(액정 표시 장치 LCD1의 구조)
본 실시 형태에 관한 액정 표시 장치는, 후술하는 실시 형태에 관한 표시 장치 기판을 구비할 수 있다. 또한, 이하에 기재하는 「평면으로 보아」란, 관찰자가 액정 표시 장치의 표시면(표시 장치용 기판의 평면)을 관찰하는 방향으로부터 본 평면을 의미한다. 본 발명의 실시 형태에 관한 액정 표시 장치의 표시부의 형상, 또는 화소를 규정하는 화소 개구부의 형상, 액정 표시 장치를 구성하는 화소수는 한정되지 않는다. 단, 이하에 상세하게 설명하는 실시 형태에서는, 평면으로 보아, 화소 개구부의 짧은 변의 방향을 X 방향이라 규정하고, 긴 변의 방향(길이 방향)을 Y 방향이라 규정하고, 또한, 투명 기판의 두께 방향을 Z 방향이라 규정하고, 액정 표시 장치를 설명한다. 이하의 실시 형태에 있어서, 상기와 같이 규정된 X 방향과 Y 방향을 전환하여, 액정 표시 장치를 구성해도 된다.
또한, 도 2 내지 도 18에 있어서는, 액정층(300)에 초기 배향을 부여하는 배향막, 편광 필름, 위상차 필름 등의 광학 필름, 보호용의 커버 유리 등은 생략되어 있다. 액정 표시 장치 LCD1의 표면 및 이면의 각각에는, 광축이 크로스니콜이 되도록, 편광 필름이 부착되어 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1을 구성하는 어레이 기판(200)을 부분적으로 도시하는 평면도이며, 관찰자측으로부터 본 평면도이다. 도 2에 있어서는, 어레이 기판의 구조를 알기 쉽게 설명하기 위해, 어레이 기판에 대향하는 표시 장치 기판의 도시가 생략되어 있다.
액정 표시 장치 LCD1은, 어레이 기판(200) 상에, 복수의 소스 배선(31)과, 복수의 게이트 배선(10)과, 복수의 커먼 배선(30)(도전 배선)을 구비한다. 소스 배선(31)의 각각은, Y 방향(제1 방향)으로 연장되는 선상 패턴을 갖도록 형성되어 있다. 게이트 배선(10)의 각각 및 커먼 배선(30)의 각각은, X 방향(제2 방향)으로 연장되는 선상 패턴을 갖도록 형성되어 있다. 즉, 소스 배선(31)은 게이트 배선(10) 및 커먼 배선(30)에 직교하고 있다. 커먼 배선(30)은 복수의 화소 개구부를 횡단하도록 X 방향으로 연장되어 있다. 복수의 화소 개구부란, 투명 기판(22) 상에 정의된 영역이다.
또한, 액정 표시 장치 LCD1은, 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 화소 전극(20)과, 화소 전극(20)에 대응하도록 형성되고, 또한, 화소 전극(20)에 접속되어 있는 복수의 액티브 소자(28)(박막 트랜지스터)를 구비한다. 화소 전극(20)은 복수의 화소 개구부의 각각에 형성되어 있다. 구체적으로, 복수의 화소 전극(20)의 각각에 액티브 소자(28)가 접속되어 있다. 도 2에 도시한 예에서는, 화소 전극(20)의 우측 상단의 위치에, 액티브 소자(28)가 형성되어 있다.
액티브 소자(28)는 소스 배선(31)에 접속되어 있는 소스 전극(24)(후술)과, 채널층(27)(후술)과, 드레인 전극(26)(후술)과, 절연막(13)(후술)을 개재하여 채널층(27)에 대향 배치된 게이트 전극(25)을 구비한다. 액티브 소자(28)의 게이트 전극(25)은 게이트 배선(10)의 일부를 구성하고 있으며, 게이트 배선(10)에 접속되어 있다.
본 실시 형태에 있어서, 액정 표시 장치 LCD1은, 복수의 화소를 구비하고 있고, 하나의 화소 전극(20)이 하나의 화소를 형성하고 있다. 액티브 소자(28)에 의한 스위칭 구동에 의해, 복수의 화소 전극(20)의 각각에 전압(정부의 전압)이 부여되어, 액정이 구동된다. 이하의 설명에서는, 화소 전극(20)에 의해 액정 구동이 행해지는 영역을, 화소, 화소 개구부, 혹은 화소 영역이라 칭하는 경우가 있다. 이 화소는, 평면으로 보아, 소스 배선(31)과, 게이트 배선(10)에 의해 구획되어 있는 영역이다.
또한, 액정 표시 장치 LCD1은, Z 방향에 있어서 화소 전극(20)에 대향하는 위치에 공통 전극(17)을 구비하고 있다. 특히, 하나의 화소 전극(20)에 대하여 2개의 스트라이프 패턴을 갖는 공통 전극(17)이 형성되어 있다. 공통 전극(17)은 복수의 화소 개구부의 각각에 형성되어 있다. 공통 전극(17)은 Y 방향에 있어서 연장되어 있고, 화소 전극(20)의 길이 방향에 평행하다. Y 방향에 있어서의 공통 전극(17)의 길이 EL은, Y 방향에 있어서의 화소 전극(20)의 길이보다도 크다. 공통 전극(17)은 후술하는 스루홀(20S), 콘택트 홀 H를 통해, 커먼 배선(30)과 전기적으로 접속되어 있다. 콘택트 홀 H는, 도 2에 도시한 바와 같이, 공통 전극(17)의 도전 패턴(전극부(17A), 스트라이프 패턴)의 길이 방향에 있어서의 중앙에 위치하고 있다.
1화소 내에서의 공통 전극(17)의 개수 및 콘택트 홀의 수는, 예를 들어 화소 폭(화소 사이즈)에 의해 조정할 수 있다.
X 방향에 있어서, 공통 전극(17)의 폭 W17A는, 예를 들어 약 3㎛이다. 서로 인접하는 공통 전극(17)의 사이의 피치 P17A(거리)는, 예를 들어 약 4㎛이다. 구체적으로는, 하나의 화소 상뿐만 아니라, 서로 인접하는 화소간에 있어서도, X 방향에서 피치 P17A로, 공통 전극(17)이 서로 이격되어 있다.
도 2에 도시한 예에서는, 하나의 화소 전극(20)에 대하여 2개의 스트라이프 패턴을 갖는 공통 전극(17)이 형성되어 있지만, 본 발명은 이 구성을 한정하지 않는다. 화소 전극(20)의 크기에 따라서, 공통 전극(17)의 개수는, 1개 이상 나아가 3개 이상이어도 된다. 이 경우, 공통 전극(17)의 폭 W17A 및 피치 P17A는, 화소 사이즈 등이나 설계에 따라서 적절히 변경 가능하다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 2에 도시한 A-A'선을 따르는 단면도이다. 특히, 도 3은 화소 개구부의 짧은 변 방향을 따르는 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 2에 도시한 B-B'선을 따르는 단면도이다. 도 4b는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 공통 전극을 확대한 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 2에 도시한 C-C'선을 따르는 단면도이다.
도 3이나 도 4a는, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17)의 거리 W1을 나타내고 있다. 바꾸어 말하면, 이 거리 W1은, 투명 수지층(16), 컬러 필터(51)(RGB), 도시되어 있지 않은 배향막 및 액정층(300)을 포함하는 공간에 있어서의 Z 방향의 거리이다. 이 공간에는, 액티브 소자, 소스 배선 및 화소 전극은 포함되어 있지 않다. 본 실시 형태에 있어서, 거리 W1로 나타내어지는 이 공간을 터치 센싱 공간이라 호칭한다. 액티브 소자나 소스 배선 등의 노이즈원으로부터 발생하는 노이즈는, 일반적으로 3차원의 방사상으로 방출된다. 이 때문에, 노이즈의 크기는, 거리 W1의 3승분의 1이 된다(거리가 클수록 노이즈의 영향이 작아진다.)
도 3이나 도 4a는, 터치 센싱 배선(3)과 소스 배선(31)의 거리 W2를 나타내고 있다. 거리 W2로 나타내어지는 바와 같이, 터치 센싱 배선(3)과 소스 배선(31)은 크게 이격되어 있다. 게다가, 도 2나 도 3에 도시된 바와 같이, 공통 전극(17)과 소스 배선(31)은 평면으로 보아 중첩되어 있지 않기 때문에, 소스 배선(31)에 기인하는 기생 용량은 매우 작다. 또한, 터치 센싱 공간에 가장 가까운 위치에 형성되어 있는 공통 전극(17)은, 화소의 길이 방향에 있어서 화소 단위로 잘게 자른 형상을 갖는다. 이 때문에, 복수의 화소에 걸치도록 직선 형상으로 연장되어 있는 공통 전극이 형성되어 있는 경우와 비교하여, 본 실시 형태에 관한 공통 전극(17)은 기생 용량을 작게 할 수 있다.
도 3이나 도 4a에 도시한 구조에 따르면, 소스 배선(31)에 공급되는 영상 신호에 기인하는 노이즈가 터치 센싱 배선(3)에 미치는 영향을 억제할 수 있어, 터치 센싱 배선(3)과 소스 배선(31) 사이에 발생하는 기생 용량을 감소시킬 수 있다.
액정 표시 장치 LCD1은, 표시 장치 기판(100)(대향 기판)과, 표시 장치 기판(100)에 마주보도록 접합된 어레이 기판(200)과, 표시 장치 기판(100) 및 어레이 기판(200)에 의해 끼움 지지된 액정층(300)을 구비한다.
액정 표시 장치 LCD1에 내부에 광 L을 공급하는 백라이트 유닛 BU는, 액정 표시 장치 LCD1을 구성하는 어레이 기판(200)의 이면(액정층(300)이 배치되는 어레이 기판(200)의 투명 기판의 면과는 반대면)에 형성되어 있다. 또한, 백라이트 유닛은, 액정 표시 장치 LCD1의 측면에 형성해도 된다. 이 경우, 예를 들어 백라이트 유닛 BU로부터 출사된 광을 액정 표시 장치 LCD1에 내부를 향하여 반사시키는 반사판, 도광판, 혹은, 광 확산판 등이 어레이 기판(200)의 투명 기판(22)의 이면에 설치된다.
(표시 장치 기판(100))
표시 장치 기판(100)은, 투명 기판(21)(제1 투명 기판)과, 투명 기판(21) 상에 형성된 터치 센싱 배선(3)과, 터치 센싱 배선(3)을 덮도록 형성된 컬러 필터(51)(RGB)와, 컬러 필터(51)를 덮도록 형성된 투명 수지층(16)을 구비하고 있다.
터치 센싱 배선(3)은 터치 구동 전극(터치 구동 배선)으로서 기능한다. 액정 표시 장치 LCD1에 있어서는, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17) 사이의 정전 용량의 변화를 검지함으로써, 터치 센싱의 검출이 행해진다.
터치 센싱 배선(3)은, 적어도 흑색층(8)과, 흑색층(8)의 상방에 형성된 금속층(5)을 포함하는 도전층으로 형성된 적층 구조를 갖는다. 또한, 도전층은, 제1 도전성 금속 산화물층(6), 금속층(5) 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)의 3층 구성을 갖는다. 또한, 제1 도전성 금속 산화물층(6)의 표면(액정층측)에 흑색층이나 광 흡수층을 더 적층해도 된다. 평면으로 보아, 터치 센싱 배선(3)과 흑색층(8)의, 선폭이 동일한 부분이 있어도 된다.
제1 도전성 금속 산화물층(6) 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)에 의해 금속층(5)이 끼움 지지되어 있는 구성에서는, 도전성 금속 산화물 중 어느 것, 혹은 도전성 금속 산화물의 2층 적층을 생략한 층 구성이 채용되어도 된다.
(금속층(5))
금속층(5)으로서는, 예를 들어 구리층 혹은 구리 합금층인 구리 함유층, 혹은, 알루미늄을 함유하는 알루미늄 합금층(알루미늄 함유층)을 채용할 수 있다. 구체적으로, 금속층(5)의 재료로서는, 구리, 은, 금, 티타늄, 몰리브덴, 알루미늄, 혹은 이들의 합금을 적용할 수 있다. 니켈은 강자성체이기 때문에, 성막 레이트가 떨어지지만, 스퍼터링 등의 진공 성막으로 형성할 수 있다. 크롬은, 환경 오염의 문제나 저항값이 크다는 단점을 갖지만, 본 실시 형태에 관한 금속층의 재료로서 사용할 수 있다. 금속층(5)을 형성하는 금속으로서는, 투명 기판(21)이나 투명 수지층(16)에 대한 밀착성을 얻기 위해, 구리 혹은 알루미늄에, 마그네슘, 칼슘, 티타늄, 몰리브덴, 인듐, 주석, 아연, 네오디뮴, 니켈, 알루미늄, 안티몬, 은으로부터 선택되는 1 이상의 금속 원소를 첨가한 합금을 채용하는 것이 바람직하다. 금속 원소를 금속층(5)에 첨가하는 양은, 4at％ 이하이면, 구리 합금이나 알루미늄의 저항값을 크게 낮추는 일이 없으므로 바람직하다. 구리 합금의 성막 방법으로서는, 예를 들어, 스퍼터링 등의 진공 성막법을 사용할 수 있다.
구리 합금 박막이나 알루미늄 합금 박막을 채용하는 경우, 막 두께를 100㎚ 이상, 혹은 150㎚ 이상으로 하면, 가시광을 거의 투과하지 않게 된다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 금속층(5)은, 예를 들어 100㎚ 내지 300㎚의 막 두께를 갖고 있으면, 충분한 차광성을 얻을 수 있다. 금속층(5)의 막 두께는, 300㎚를 초과해도 된다. 또한, 후술하는 바와 같이, 금속층(5)의 재료는, 커먼 배선(30)(도전 배선)에도 적용할 수 있다. 또한, 도전성 금속 산화물층 사이에 금속층(5)을 끼움 지지하는 적층 구조도, 커먼 배선(30)(도전 배선)에 적용할 수 있다.
(도전성 금속 산화물층(4, 6))
제1 도전성 금속 산화물층(6) 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)은, 금속층(5)을 끼움 지지한다. 제1 도전성 금속 산화물층(6)과 금속층(5)의 계면 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)과 금속층(5)의 계면에는, 니켈, 아연, 인듐, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐 등, 구리와 상이한 금속이나 이들 금속의 합금층을 삽입해도 된다.
구체적으로, 제2 도전성 금속 산화물층(4) 및 제1 도전성 금속 산화물층(6)의 재료로서는, 예를 들어 산화인듐, 산화아연, 산화안티몬, 산화주석으로부터 선택되는 2종 이상의 금속 산화물을 포함하는 복합 산화물을 채용할 수 있다.
제2 도전성 금속 산화물층(4) 및 제1 도전성 금속 산화물층(6)에 포함되는 인듐(In)의 양은, 80at％보다 많이 함유시킬 필요가 있다. 인듐(In)의 양은, 80at％보다 많은 것이 바람직하다. 인듐(In)의 양은, 90at％보다 많은 것이 더욱 바람직하다. 인듐(In)의 양이 80at％보다 적은 경우, 형성되는 도전성 금속 산화물층의 비저항이 커져, 바람직하지 않다. 아연(Zn)의 양이 20at％를 초과하면, 도전성 금속 산화물(혼합 산화물)의 내알칼리성이 저하되므로 바람직하지 않다. 상기의 제2 도전성 금속 산화물층(4) 및 제1 도전성 금속 산화물층(6)에 있어서는, 모두, 혼합 산화물 중의 금속 원소에서의 원자 퍼센트(산소 원소를 카운트하지 않는 금속 원소만의 카운트)이다. 산화안티몬은, 금속 안티몬이 구리와의 고용 영역을 형성하기 어려워, 적층 구성에서의 구리의 확산을 억제하기 때문에, 상기 도전성 금속 산화물층에 첨가할 수 있다.
제1 도전성 금속 산화물층(6) 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)에 포함되는 아연(Zn)의 양은, 주석(Sn)의 양보다 많게 할 필요가 있다. 주석의 함유량이 아연 함유량을 초과하면, 후속 공정에서의 웨트 에칭에서 지장이 발생한다. 바꾸어 말하면, 구리 혹은 구리 합금인 금속층이 도전성 금속 산화물층보다도 에칭되기 쉬워져, 제1 도전성 금속 산화물층(6), 금속층(5) 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)과의 폭에 차가 발생하기 쉬워진다.
제1 도전성 금속 산화물층(6) 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)에 포함되는 주석(Sn)의 양은, 0.5at％ 이상 6at％ 이하의 범위 내가 바람직하다. 인듐 원소에 대한 비교로, 0.5at％ 이상 6at％ 이하의 주석을 도전성 금속 산화물층에 첨가함으로써, 상기 인듐, 아연 및 주석과의 3원계 혼합 산화물막(도전성의 복합 산화물층)의 비저항을 작게 할 수 있다. 주석의 양이 6at％를 초과하면, 도전성 금속 산화물층에 대한 아연의 첨가도 수반되기 때문에, 3원계 혼합 산화물막(도전성의 복합 산화물층)의 비저항이 너무 커진다. 상기의 범위(0.5at％ 이상 6at％ 이하) 내에서 아연 및 주석의 양을 조정함으로써, 비저항을 대략, 혼합 산화물막의 단층막의 비저항으로서 5×10- 4Ω㎝ 이상 3×10- 4Ω㎝ 이하의 작은 범위 내에 들어가게 할 수 있다. 상기 혼합 산화물 중에는, 티타늄, 지르코늄, 마그네슘, 알루미늄, 게르마늄 등의 다른 원소를 소량, 첨가할 수도 있다. 단, 본 실시 형태에 있어서, 혼합 산화물의 비저항은, 상기의 범위에 한정되지 않는다.
금속층(5)이 구리층 혹은 구리 합금층인 경우, 상술한 도전성 금속 산화물층은, 산화인듐, 산화아연, 산화안티몬 및 산화주석으로부터 선택되는 2종 이상의 금속 산화물을 포함하는 복합 산화물인 것이 바람직하다. 구리층 혹은 구리 합금층은, 컬러 필터(51)를 구성하는 투명 수지층(16)이나 유리 기판(투명 기판(21))에 대한 밀착성이 낮다. 이 때문에, 구리층 혹은 구리 합금층을 이대로 표시 장치 기판에 적용한 경우, 실용적인 표시 장치 기판을 실현하는 것은 어렵다. 그러나, 상술한 복합 산화물은, 컬러 필터(51), 블랙 매트릭스 BM(흑색층(8)) 및 유리 기판(투명 기판(21)) 등에 대한 밀착성을 충분히 갖고 있고, 또한, 구리층이나 구리 합금층에 대한 밀착성도 충분하다. 이 때문에, 복합 산화물을 사용한 구리층 혹은 구리 합금층을 표시 장치 기판에 적용한 경우, 실용적인 표시 장치 기판을 실현하는 것이 가능해진다.
구리, 구리 합금, 은, 은 합금, 혹은 이들의 산화물, 질화물은, 유리 등의 투명 기판(21)이나 블랙 매트릭스 BM 등에 대한 충분한 밀착성을 일반적으로 갖고 있지 않다. 그 때문에, 도전성 금속 산화물층을 형성하지 않은 경우, 터치 센싱 배선(3)과 유리 등의 투명 기판(21)의 계면, 혹은, 터치 센싱 배선(3)과 흑색층(8)의 계면에서 박리가 발생할 가능성이 있다. 가는 배선 패턴을 갖는 터치 센싱 배선(3)으로서 구리 혹은 구리 합금을 사용하는 경우, 금속층(5)(구리 혹은 구리 합금)의 하지층으로서 도전성 금속 산화물층이 형성되어 있지 않은 표시 장치 기판에 있어서는, 박리에 의한 불량 이외에도, 표시 장치 기판의 제조 공정 도중에 터치 센싱 배선(3)에 정전 파괴에 의한 불량이 발생하는 경우가 있어, 실용적이지 않다. 이와 같은 터치 센싱 배선(3)에 있어서의 정전 파괴는, 컬러 필터(51)를 투명 기판(21) 상에 적층하는 등의 후속 공정이나, 표시 장치 기판과 어레이 기판을 접합하는 공정이나, 세정 공정 등에 의해 배선 패턴에 정전기가 축적되어, 정전 파괴에 의해 패턴 결함, 단선 등이 발생하는 현상이다.
게다가, 구리층이나 구리 합금층의 표면에는, 도전성을 갖지 않는 구리 산화물이 경시적으로 형성되어, 전기적인 콘택트가 곤란해지는 경우가 있다. 그 한편, 산화인듐, 산화아연, 산화안티몬, 산화주석 등의 복합 산화물층은, 안정된 오믹 콘택트를 실현할 수 있고, 이와 같은 복합 산화물층을 사용하는 경우에서는 후술하는 트랜스퍼 등의 전기적 실장을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 표시 장치 기판과 어레이 기판이 접합되는 시일부에 있어서, 표시 장치 기판(100)으로부터 어레이 기판(200)으로의 도통의 전이(트랜스퍼)를 시일부의 두께 방향으로 행하는 것도 가능하다. 이방성 도전막, 미소한 금속구, 혹은 금속막으로 덮은 수지구 등으로부터 선택되는 도체를 시일부에 배치함으로써, 표시 장치 기판(100)과 어레이 기판(200)을 도통할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 적용 가능한 도전성 금속 산화물층(4, 6)과 금속층(5)에서의 금속 산화물의 층 구성으로서는, 이하의 구성을 들 수 있다. 예를 들어, 중심 기재로서 산화인듐을 함유하는 ITO(Indium Tin Oxide(인듐 주석 산화물))나 IZTO(Indium Zinc Tin Oxide(인듐 아연 주석 산화물), Z는 산화아연)에 있어서 산소가 부족한 상태에서, 예를 들어 구리 합금층 상에 금속층을 성막함으로써 얻어지는 층 구성, 혹은, 산화몰리브덴, 산화텅스텐, 산화니켈과 산화구리의 혼합 산화물, 산화티타늄 등을 알루미늄 합금이나 구리 합금 상에 금속층을 적층함으로써 얻어지는 층 구성 등을 들 수 있다. 도전성 금속 산화물층과 금속층에 의해 얻어지는 층 구성은, 스퍼터 장치 등의 진공 성막 장치에서, 연속 성막할 수 있다는 장점이 있다.
(흑색층(8))
흑색층(8)은 액정 표시 장치 LCD1의 블랙 매트릭스 BM으로서 기능한다. 흑색층은, 예를 들어 흑색의 색재를 분산시킨 착색 수지로 구성되어 있다. 구리의 산화물이나 구리 합금의 산화물은, 충분한 흑색이나 낮은 반사율이 얻어지지 않지만, 본 실시 형태에 관한 흑색층과 유리 등의 기판 사이의 계면에 있어서의 가시광의 반사율은 거의 3％ 이하로 억제되어, 높은 시인성이 얻어진다.
흑색의 색재로서는, 카본, 카본 나노 튜브 혹은, 복수의 유기 안료의 혼합물이 적용 가능하다. 예를 들어, 색재 전체의 양에 대하여 51질량％ 이상의 비율로, 즉, 주된 색재로서 카본을 사용한다. 반사색을 조정하기 위해, 청색 혹은 적색 등의 유기 안료를 흑색의 색재에 첨가하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 출발 재료인 감광성 흑색 도포액에 포함되는 카본의 농도를 조정함(카본 농도를 낮춤)으로써, 흑색층의 재현성을 향상시킬 수 있다.
액정 표시 장치의 제조 장치인 대형 노광 장치를 사용한 경우라도, 예를 들어 1 내지 6㎛의 폭(세선)을 갖는 패턴을 갖는 흑색층을 형성할 수 있다(패터닝). 또한, 본 실시 형태에 있어서의 카본 농도의 범위는, 수지나 경화제와 안료를 포함시킨 전체의 고형분에 대하여, 4 이상 50 이하의 질량％의 범위 내로 설정하고 있다. 여기서, 카본양으로서, 카본 농도가 50질량％를 초과해도 되지만, 전체의 고형분에 대하여 카본 농도가 50질량％를 초과하면 도막 적성이 저하되는 경향이 있다. 또한, 카본 농도를 4질량％ 미만으로 설정한 경우, 충분한 흑색을 얻을 수 없고, 흑색층 아래에 위치하는 하지의 금속층에서 발생하는 반사광이 크게 시인되어, 시인성을 저하시키는 경우가 있었다.
후속 공정인 포토리소그래피에 있어서 노광 처리를 행하는 경우, 노광 대상인 기판과, 마스크의 위치 정렬(얼라인먼트)이 행해진다. 이때, 얼라인먼트를 우선하여, 예를 들어 투과 측정에 의한 흑색층의 광학 농도를 2 이하로 할 수 있다. 카본 이외에, 흑색의 색 조정으로서 복수의 유기 안료의 혼합물을 사용하여 흑색층을 형성해도 된다. 유리나 투명 수지 등의 기재의 굴절률(약 1.5)을 고려하여, 흑색층과 그것들 기재 사이의 계면에 있어서의 반사율이 3％ 이하로 되도록, 흑색층의 반사율이 설정된다. 이 경우, 흑색 색재의 함유량, 종류, 색재에 사용되는 수지, 막 두께를 조정하는 것이 바람직하다. 이와 같은 조건을 최적화함으로써, 굴절률이 약 1.5인 유리 등의 기재와 흑색층 사이의 계면에 있어서의 반사율을, 가시광의 파장 영역 내에서 3％ 이하로 할 수 있어, 저반사율을 실현할 수 있다. 백라이트 유닛 BU로부터 출사된 광에 기인하는 반사광이 다시 반사되는 것을 방지할 필요성, 관찰자의 시인성의 향상을 배려하여, 흑색층의 반사율은 3％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 통상 컬러 필터에 사용되는 아크릴 수지, 또한, 액정 재료의 굴절률은 대략 1.5 이상 1.7 이하의 범위이다.
또한, 터치 센싱 배선(3)이나 도전 배선(커먼 배선(30)) 상에 광 흡수성을 갖는 금속 산화물을 형성함으로써, 터치 센싱 배선(3)에 사용되는 금속층(5)에 의한 광 반사를 억제할 수 있다.
도 3에 도시한 표시 장치 기판(100)에 있어서는, 컬러 필터(51)가 형성된 구조가 사용되고 있지만, 컬러 필터(51)가 생략된 구조, 예를 들어 투명 기판(21) 상에 형성된 터치 센싱 배선(3)과, 터치 센싱 배선(3)을 덮도록 형성된 투명 수지층(16)을 구비한 구조를 사용해도 된다.
컬러 필터(51)를 포함하지 않는 표시 장치 기판을 사용하는 액정 표시 장치에 있어서는, 적색 발광, 녹색 발광 및 청색 발광의 각각의 LED를 백라이트 유닛에 설치하고, 필드 시퀀셜의 방법에 의해 컬러 표시를 행한다. 도 3에 도시한 투명 기판(21) 상에 형성된 터치 센싱 배선(3)의 층 구성은, 후술하는 어레이 기판(200)에 형성되는 커먼 배선(30)(도전 배선)의 층 구성이나 게이트 전극(25)(게이트 배선(10))의 층 구성과 동일하게 할 수 있다.
(어레이 기판(200))
도 3, 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 어레이 기판(200)은 투명 기판(22)(제2 투명 기판)과, 투명 기판(22)의 표면을 덮도록 형성된 제4 절연층(14)과, 제4 절연층(14) 상에 형성된 소스 배선(31)과, 소스 배선(31)을 덮도록 제4 절연층(14) 상에 형성된 제3 절연층(13)과, 제3 절연층(13) 상에 형성된 게이트 배선(10)과, 제3 절연층(13) 상에 형성된 커먼 배선(30)과, 게이트 배선(10) 및 커먼 배선(30)을 덮도록 제3 절연층(13) 상에 형성된 제2 절연층(12)과, 제2 절연층(12) 상에 형성된 화소 전극(20)과, 화소 전극(20)을 덮도록 제2 절연층(12) 상에 형성된 제1 절연층(11)과, 공통 전극(17)을 구비하고 있다.
제1 절연층(11), 제2 절연층(12), 제3 절연층(13) 및 제4 절연층(14)을 형성하는 재료로서는, 산화실리콘, 산화질화실리콘, 산화알루미늄, 산화질화알루미늄, 산화세륨, 산화하프늄, 혹은 이와 같은 재료를 포함하는 혼합 재료가 채용된다. 혹은, 이들 절연층의 일부에, 폴리이미드 수지, 아크릴 수지, 벤조시클로부텐 수지나 저유전율 재료(low-k 재료)를 사용해도 된다. 또한, 이와 같은 절연층(11, 12, 13, 14)의 구성으로서는, 단일 층을 포함하는 층 구성이 채용되어도 되고, 복수의 층이 적층된 다층 구성이 채용되어도 된다. 이와 같은 절연층(11, 12, 13, 14)은, 플라즈마 CVD나 스퍼터링 등의 성막 장치를 사용하여 형성하는 것이 가능하다.
소스 배선(31)은 제3 절연층(13)과 제4 절연층(14) 사이에 배치된다. 소스 배선(31)의 구조로서는, 다층의 도전층을 채용할 수 있다. 제1 실시 형태에서는, 소스 배선(31)의 구조로서, 티타늄/알루미늄 합금/티타늄의 3층 구성을 채용하고 있다. 여기서, 알루미늄 합금은 알루미늄-네오디뮴의 합금이다.
커먼 배선(30)의 형성 재료로서는, 상술한 금속층(5)과 동일한 재료가 채용된다. 또한, 마찬가지로, 커먼 배선(30)의 구조로서는, 상술한 금속층(5)과 동일한 구조가 채용된다.
화소 전극(20)은 복수의 화소 개구부(18)의 각각에 형성되어 있고, TFT인 액티브 소자(후술)에 접속되어 있다. 어레이 기판(200)에 있어서는, 액티브 소자가 매트릭스상으로 배치되어 있기 때문에, 화소 전극(20)도 마찬가지로, 어레이 기판(200) 상에 있어서 매트릭스상으로 배치되어 있다. 화소 전극(20)은 ITO 등의 투명 도전막으로 형성되어 있다.
액티브 소자를 구성하는 채널층 혹은 반도체층은, 폴리실리콘 반도체로 형성되어도 되고, 산화물 반도체로 형성되어도 된다. 액티브 소자를 구성하는 채널층 혹은 반도체층의 층 구성은, 폴리실리콘 반도체와 산화물 반도체가 적층된 적층 구성이어도 된다. 어레이 기판 상의 동일면에, 2종의 반도체로 형성되는 소자, 예를 들어 폴리실리콘 반도체인 채널층을 구비하는 액티브 소자와, 산화물 반도체인 채널층을 구비하는 액티브 소자가 형성된 구성이어도 된다. 나아가, 폴리실리콘 반도체의 TFT 어레이 상에, 절연층을 개재하여, 산화물 반도체로 형성된 TFT 어레이가 2층으로 적층된 구성이 채용되어도 된다. 표시 기능층이 유기 EL(Organic Electroluminescence)층인 경우, 산화물 반도체로 형성된 TFT는, 폴리실리콘 반도체로 형성된 TFT에 신호를 공급하는(TFT 소자를 선택하는) 기능을 갖고, 폴리실리콘 반도체로 형성된 TFT는, 표시 기능층을 구동하는 기능을 갖는다. 이 구성에 의해, 표시 기능층으로서 유기 EL층이 채용된 표시 장치를 실현할 수 있다. 캐리어 이동도가 높은 폴리실리콘 반도체를 구비함과 함께 채널층으로서 폴리실리콘 반도체를 갖는 TFT는, 유기 EL 소자에의 전류 주입(유기 EL 소자의 구동)에 적합하다.
(공통 전극(17)의 구조)
도 4b를 참조하여, 공통 전극(17)의 구조와, 공통 전극(17)의 주변에 위치하는 어레이 기판(200)의 구성 부재를 설명한다. 특히, 커먼 배선(30), 공통 전극(17), 화소 전극(20), 제1 절연층(11) 및 제2 절연층(12)으로 구성되는 적층 구조에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 4b는 어레이 기판(200)을 구성하는 화소의 주요부를 도시하고 있고, 하나의 화소에 있어서의, 하나의 공통 전극(17)의 구조를 도시하고 있다. 도 4b에 도시한 공통 전극(17)의 구조는, 어레이 기판(200)에 있어서의 모든 화소에 있어서도 적용되고 있다.
제2 절연층(12)은, 제1 절연층(11) 아래에 형성되어 있고, 커먼 배선(30) 상에 형성되어 있으며, 후술하는 콘택트 홀 H의 일부를 형성하는 관통 구멍(12H)을 갖는다. 제1 절연층(11)은, 공통 전극(17)의 상부(전극부(17A)) 아래에 형성되어 있고, 화소 전극(20) 상에 형성되어 있으며, 후술하는 콘택트 홀 H의 일부를 형성하는 관통 구멍(11H)을 갖는다. 관통 구멍(12H)의 위치(중심 위치)와, 관통 구멍(11H)의 위치(중심 위치)는 일치하고 있다. 관통 구멍(11H)의 직경(X 방향에 있어서의 폭)은, 제1 절연층(11)의 상면(11T)으로부터 커먼 배선(30)을 향하는 방향(Z 방향)에 있어서, 서서히 작아지고 있다. 마찬가지로, 관통 구멍(12H)의 직경(X 방향에 있어서의 폭)은, 제2 절연층(12)의 상면(12T)으로부터 커먼 배선(30)을 향하는 방향(Z 방향)에 있어서, 서서히 작아지고 있다. 관통 구멍(11H) 및 관통 구멍(12H)은, 연속하는 내벽을 갖고 있고, 콘택트 홀 H를 형성하고 있다. 콘택트 홀 H는 테이퍼 형상을 갖는다.
화소 전극(20)은, 제1 절연층(11) 아래에 형성되어 있고, 스루홀(20S)을 갖는다. 스루홀(20S)은, 투명 도전막이 존재하지 않는 개구부이다. 스루홀(20S)은, 콘택트 홀 H에 대응하는 위치에 형성되어 있다.
도 2에 도시한 예에서는, 각 화소에 2개의 콘택트 홀 H, 즉, 좌측 콘택트 홀 LH(H, 제1 콘택트 홀) 및 우측 콘택트 홀 RH(H, 제2 콘택트 홀)이 형성되어 있고, 2개의 콘택트 홀 H의 각각에 대응하는 위치에 스루홀(20S)이 형성되어 있다.
이하의 설명에서는, 좌측 콘택트 홀 LH 및 우측 콘택트 홀 RH를, 간단히, 콘택트 홀 H라 칭하는 경우가 있다.
스루홀(20S)은, 화소 전극(20)에 형성된 내벽(20K)의 내측 영역에 상당한다. 스루홀(20S)의 직경 D20S는, 콘택트 홀 H의 직경보다도 크다. 관통 구멍(11H)(콘택트 홀 H의 일부)은 스루홀(20S)의 내부에 형성되어 있다. 스루홀(20S)의 내부에는 제1 절연층(11)이 충전되어 있고, 스루홀(20S)의 내벽을 매립하고 있는 제1 절연층(11)의 충전부(11F)를 관통하도록 관통 구멍(11H)은 형성되어 있다. 또한, 스루홀(20S)의 하방의 위치에 있어서도, 관통 구멍(11H)에 연속하도록 관통 구멍(12H)(콘택트 홀 H의 일부)이 형성되어 있다. 또한, 화소 전극(20)에 형성되어 있는 스루홀(20S)의 수는, 콘택트 홀 H의 수와 동일하고, 평면으로 보아, 동일한 위치에 형성되어 있다. 스루홀(20S)의 직경 D20S는, 예를 들어 3㎛ 내지 6㎛이다. 스루홀(20S)의 직경은, 공통 전극(17)의 폭 W17A보다 크게 해도 된다.
공통 전극(17)은 전극부(17A)(도전부)와, 도전 접속부(17B)를 구비한다.
전극부(17A)는, 제1 절연층(11)의 상면(11T)에 형성되어 있고, Z 방향으로부터 보아, 화소 전극(20)의 스루홀(20S)과 겹치도록 배치되어 있다. 전극부(17A)는, 액정층(300)에 가장 가까운 어레이 기판(200)의 면에 형성되어 있다. 구체적으로는, 액정층(300)과 어레이 기판(200) 사이에는 배향막이 형성되어 있고, 이 배향막 아래에 제1 절연층(11)이 형성되어 있다.
전극부(17A)의 폭 W17A는, 예를 들어 약 3㎛이며, 도전 접속부(17B)의 상단(전극부(17A)와 도전 접속부(17B)의 접속부)보다도 크고, 스루홀(20S)의 직경 D20S(예를 들어, 2㎛)보다도 크게 형성해도 된다. 혹은, 전극부(17A)의 폭 W17A보다도, 스루홀(20S)의 직경 D20S가 커도 된다. 스루홀(20S)의 직경 D20S를, 예를 들어 4㎛로 할 수도 있다. 전극부(17A)의 중심(Z 방향에 평행한 전극부(17A)의 중심선)으로부터 전극부(17A)의 외측을 향한 방향(X 방향)에 있어서, 전극부(17A)의 벽부(17K)는, 화소 전극(20)의 내벽(20K)의 위치보다도 돌출되어 있다.
도전 접속부(17B)는, 콘택트 홀 H(관통 구멍(11H, 12H))의 내부에 형성되어 있고, 콘택트 홀 H를 통해, 커먼 배선(30)에 전기적으로 접속되어 있다.
제1 절연층(11) 및 제2 절연층(12)에 상술한 콘택트 홀이 형성되어 있는 상태에서, 제1 절연층(11) 상에 성막 공정 및 패터닝 공정을 실시함으로써, 전극부(17A) 및 도전 접속부(17B)는 일체적으로 형성되어 있다. 공통 전극(17)은 화소 전극(20)과 마찬가지로, ITO 등의 투명 도전막으로 형성되어 있다.
상술한 적층 구조에 있어서는, 전극부(17A)와 화소 전극(20) 사이에 제1 절연층(11)이 배치되고, 또한, 커먼 배선(30)과 화소 전극(20) 사이에 제2 절연층(12)이 배치된 상태에서, 공통 전극(17) 및 커먼 배선(30)은 서로 도통하고 있어, 커먼 배선(30)의 전위와 공통 전극(17)의 전위가 동일하게 되어 있다.
커먼 배선(30)(혹은 공통 전극(17))의 전위는, 액정 구동과 터치 센싱 구동(정전 용량의 변화의 검출)을 교대로 행할 때에, 즉, 시분할로, 변화시킬 수 있다. 또한, 커먼 배선(30)(혹은 공통 전극(17))에 부여되는 신호의 주파수는, 액정 구동과 터치 센싱 구동(정전 용량의 변화의 검출)을 교대로 행할 때에, 즉, 시분할로, 변화시킬 수 있다. 또한, 액정 구동 시, 또한, 프레임 반전 구동 시에는, 커먼 배선(30)(혹은 공통 전극(17))의 전위의 극성을, 프레임마다 정극성과 부극성으로 교체하여, 예를 들어 ±2.5V의 액정 구동 전압으로 액정을 구동할 수 있다.
액정 구동을 칼럼 반전 구동이나 도트 반전 구동으로 하는 경우, 공통 전극(17)의 전위는 일정(정전위)하게 해도 된다. 이 경우의 「정전위」란, 예를 들어 액정 표시 장치의 하우징 등에, 고저항을 통해 접지된 공통 전극(17)의 전위이며, 상기 프레임 반전 구동에 사용하는 ±2.5V 등의 정전위를 의미하지 않는다. 액정의 역치 Vth 이하의 전압 이하의 범위에서, 대략 0V(제로 볼트)로 고정된 정전위이다. 바꾸어 말하면, Vth의 범위 내이면, 「정전위」는, 액정 구동 전압의 중간값으로부터 오프셋시킨 정전위여도 된다. 또한, 상기의 「고저항」이란, 500메가옴 내지 50테라옴의 범위 내로부터 선택 가능한 저항값이다. 이와 같은 저항값으로서는, 예를 들어 대표적으로 500기가옴 내지 5테라옴을 채용할 수 있다. 액정 구동 방식으로서 칼럼 반전 구동이나 도트 반전 구동을 채용하는 경우, 커먼 배선(30)은, 예를 들어 1테라옴의 고저항을 통해 접지되어, 약 0V(제로 볼트)의 정 전위로 할 수 있다. 이 경우, 커먼 배선(30)이 접속되어 있는 공통 전극(17)도 약 0V(제로 볼트)의 정전위가 되어, 축적된 정전 용량의 리셋을 행할 수 있다. 공통 전극(17)의 전위를 정전위로 하는 경우, 터치 센싱 시에 터치 구동 전압은 터치 센싱 배선에 인가된다. 공통 전극(17)의 전위를 「정전위」로 하는 경우, 액정 구동과 터치 구동을 시분할 구동하지 않아도 된다.
또한, 액정 표시 장치의 액티브 소자(박막 트랜지스터)의 채널층을 형성하는 재료로서, IGZO 등의 산화물 반도체를 사용하는 경우, 액정 표시 장치의 화소의 번인이 발생하기 쉬운 상태를 완화하기 위해, 상술한 고저항으로서 1테라옴보다 낮은 저항을 사용해도 된다.
후술하는 흑색 표시 시에, 상기 고저항을 통해 게이트 배선이나 소스 배선을 접지해도 된다. 이 경우, 화소의 번인을 방지할 수 있다.
또한, 터치 센싱에 관계되는 시상수를 조정할 목적으로 상기 고저항을 조정할 수 있다. IGZO 등의 산화물 반도체를 액티브 소자의 채널층에 사용하는 표시 장치에서는, 터치 센싱 제어에 있어서의, 상기의 다양한 고안이 가능해진다. 이하의 기재에 있어서, 산화물 반도체를 간단히 IGZO라 호칭 하는 경우가 있다.
(액티브 소자(28))
다음에, 도 5를 참조하여, 화소 전극(20)에 접속되어 있는 액티브 소자(28)의 구조에 대하여 설명한다.
도 5는 톱 게이트 구조를 갖는 박막 트랜지스터(TFT)의 일례를 도시한다.
액티브 소자(28)는, 채널층(27)과, 채널층(27)의 일단(제1 단, 도 5에 있어서의 채널층(27)의 좌단)에 접속된 드레인 전극(26)과, 채널층(27)의 타단(제2 단, 도 5에 있어서의 채널층(27)의 우단)에 접속된 소스 전극(24)과, 제3 절연층(13)을 개재하여 채널층(27)에 대향 배치된 게이트 전극(25)을 구비한다. 도 5는 액티브 소자(28)를 구성하는 채널층(27), 드레인 전극(26) 및 소스 전극(24)이 제4 절연층(14) 상에 형성되어 있는 구조를 도시하고 있지만, 본 발명은 이와 같은 구조에 한정되지 않는다. 제4 절연층(14)에 형성하지 않고, 투명 기판(22) 상에 액티브 소자(28)를 직접 형성해도 된다.
소스 배선(31)에는 높은 빈도로 영상 신호가 공급되어, 소스 배선(31)으로부터 노이즈가 발생하기 쉽다. 톱 게이트 구조에 있어서는, 노이즈 발생원이기도 한 소스 배선(31)을 전술한 터치 센싱 공간으로부터 멀리 떨어지게 할 수 있는 장점이 있다.
도 5에 도시한 소스 전극(24)과 드레인 전극(26)은, 동일한 공정에 있어서, 동일한 구성의 도전층으로 형성된다. 제1 실시 형태에서는, 소스 전극(24)과 드레인 전극(26)의 구조로서, 티타늄/알루미늄 합금/티타늄의 3층 구성을 채용하고 있다. 여기서, 알루미늄 합금은 알루미늄-네오디뮴의 합금이다.
게이트 전극(25)의 하부에 위치하는 절연층(13)은, 게이트 전극(25)과 동일한 폭을 갖는 절연층이어도 된다. 이 경우, 예를 들어 게이트 전극(25)을 마스크로서 사용한 드라이 에칭을 행하여, 게이트 전극(25)의 주위의 절연층(13)을 제거한다. 이에 의해, 게이트 전극(25)과 동일한 폭을 갖는 절연층을 형성할 수 있다. 게이트 전극(25)을 마스크로서 사용하여 절연층을 드라이 에칭에 의해 가공하는 기술은, 일반적으로 자기 정합이라 호칭된다.
채널층(27)의 재료로서는, 예를 들어 IGZO라 호칭되는 산화물 반도체를 사용할 수 있다. 채널층(27)의 재료로서는, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 알루미늄, 게르마늄, 안티몬, 비스무트, 세륨 중 2종 이상의 금속 산화물을 포함하는 산화물 반도체를 사용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 산화인듐, 산화갈륨 및 산화아연을 포함하는 산화물 반도체를 사용하고 있다. 산화물 반도체로 형성되는 채널층(27)의 재료는, 단결정, 다결정, 미결정, 미결정과 아몰퍼스의 혼합체, 혹은, 아몰퍼스 중 어느 것이어도 된다. 산화물 반도체의 막 두께로서는, 2㎚ 내지 50㎚의 범위 내의 막 두께로 할 수 있다. 또한, 채널층(27)은 폴리실리콘 반도체로 형성해도 된다.
산화물 반도체 혹은 폴리실리콘 반도체를, 예를 들어 p/n 접합을 갖는 상보형의 트랜지스터의 구성에 사용할 수 있고, 혹은, n형 접합만을 갖는 단채널형 트랜지스터의 구성에서 사용할 수 있다. 산화물 반도체의 적층 구성으로서, 예를 들어 n형 산화물 반도체와, 이 n형의 산화물 반도체와 전기적 특성이 상이한 n형 산화물 반도체가 적층된 적층 구성이 채용되어도 된다. 적층되는 n형 산화물 반도체는, 복수층으로 구성되어도 된다. 적층되는 n형 산화물 반도체에 있어서는, 하지의 n형 반도체의 밴드 갭을, 상층에 위치하는 n형 반도체의 밴드 갭과는 상이하게 할 수 있다.
채널층의 상면이, 예를 들어 상이한 산화물 반도체로 덮인 구성을 채용해도 된다.
혹은, 예를 들어 결정성의 n형 산화물 반도체 상에, 미결정의 (비정질에 가까운) 산화물 반도체가 적층된 적층 구성을 채용해도 된다. 여기서 미결정이란, 예를 들어 스퍼터링 장치에서 성막된 비정질의 산화물 반도체를, 180℃ 이상 450℃ 이하의 범위에서 열처리한 미결정상의 산화물 반도체막을 말한다. 혹은, 성막 시의 기판 온도를 200℃ 전후로 설정한 상태에서 성막된 미결정상의 산화물 반도체막을 말한다. 미결정상의 산화물 반도체막은, TEM 등의 관찰 방법에 의해, 적어도 1㎚ 내지 3㎚ 전후, 혹은, 3㎚보다 큰 결정립을 관찰할 수 있는 산화물 반도체막이다.
산화물 반도체는, 비정질로부터 결정질로 변화시킴으로써, 캐리어 이동도의 개선이나 신뢰성의 향상을 실현할 수 있다. 산화인듐이나 산화갈륨의 산화물로서의 융점은 높다. 산화안티몬이나 산화비스무트의 융점은 모두 1000℃ 이하로, 산화물의 융점이 낮다. 예를 들어, 산화인듐과 산화갈륨과 산화안티몬의 3원계 복합 산화물을 채용한 경우, 융점이 낮은 산화안티몬의 효과로, 이 복합 산화물의 결정화 온도를 낮게 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 비정질 상태로부터, 미결정 상태 등으로 결정화시키기 쉬운 산화물 반도체를 제공할 수 있다.
반도체의 적층 구성으로서, n형의 폴리실리콘 반도체 상에, n형의 산화물 반도체를 적층해도 된다. 이 폴리실리콘 반도체를 하지층으로서 사용하는 적층 구조를 얻는 방법으로서는, 레이저 어닐에 의한 폴리실리콘 결정화 공정 후, 진공 상태를 유지한 채로, 산화물 반도체를 스퍼터링 등에 의해 성막하는 것이 바람직하다. 이 방법에 적용되는 산화물 반도체로서는, 후속 공정의 웨트 에칭에 있어서 용해 용이성이 요구되기 때문에, 산화아연이 풍부한 복합 산화물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링에 사용하는 타깃의 금속 원소의 원자비로서는, In:Ga:Zn=1:2:2를 예시할 수 있다. 이 적층 구성에 있어서, 폴리실리콘의 채널층 상만, 산화물 반도체를 적층하지 않는(예를 들어, 웨트 에칭에 의해 제거하는) 구성을 채용해도 된다.
또한, 동일 화소에 n형 산화물 반도체의 채널층을 갖는 박막 트랜지스터(액티브 소자)와, n형 실리콘 반도체의 채널층을 갖는 박막 트랜지스터(액티브 소자)를 1개씩 배치하고, 박막 트랜지스터의 각각의 채널층의 특성을 활용하도록, 액정층이나 OLED와 같은 표시 기능층을 구동할 수도 있다. 표시 기능층으로서 액정층이나 OLED를 사용하는 경우, 표시 기능층에 전압(전류)을 인가하는 구동 트랜지스터로서 n형의 폴리실리콘 박막 트랜지스터를 채용하고, 이 폴리실리콘 박막 트랜지스터에 신호를 보내는 스위칭 트랜지스터로서 n형 산화물 반도체의 박막 트랜지스터를 채용할 수 있다.
드레인 전극(26) 및 소스 전극(24)(소스 배선(31))의 각각으로서는, 동일한 구조를 채용할 수 있다. 예를 들어, 다층의 도전층을 드레인 전극(26) 및 소스 전극(24)에 사용할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄, 구리, 혹은 이들의 합금층을, 몰리브덴, 티타늄, 탄탈륨, 텅스텐, 도전성의 금속 산화물막 등 사이에 끼움 지지하는 전극 구조를 채용할 수 있다. 제4 절연층(14) 상에, 먼저 드레인 전극(26) 및 소스 전극(24)을 형성하고, 이들 2개의 전극에 적층하도록 채널층(27)을 형성해도 된다. 트랜지스터의 구조는, 더블 게이트 구조 등의 멀티 게이트 구조여도 된다.
반도체층 혹은 채널층은, 그 두께 방향으로 이동도나 전자 농도를 조정해도 된다. 반도체층 혹은 채널층은, 상이한 산화물 반도체가 적층된 적층 구성이어도 된다. 소스 전극과 드레인 전극의 최소의 간격에 의해 결정되는 트랜지스터의 채널 길이는, 10㎚ 이상 10㎛ 이하, 예를 들어 20㎚ 내지 1㎛로 할 수 있다.
제3 절연층(13)은 게이트 절연막으로서 기능한다. 이와 같은 절연막 재료로서는, 하프늄 실리케이트(HfSiOx), 산화실리콘, 산화갈륨, 산화알루미늄, 질화실리콘, 산화질화실리콘, 산화질화알루미늄, 산화갈륨, 산화아연, 산화하프늄, 산화세륨, 혹은 이들을 혼합한 절연막 등이 채용된다. 산화세륨은, 유전율이 높고, 또한, 세륨과 산소 원자의 결합이 강고하다. 이 때문에, 게이트 절연막을, 산화세륨을 포함하는 복합 산화물로 하는 것은 바람직하다. 복합 산화물을 구성하는 산화물의 하나로서 산화세륨을 채용한 경우에도, 비정질 상태에서 높은 유전율을 유지하기 쉽다. 산화세륨은 산화력을 구비하고 있다. 이 때문에, 산화물 반도체와 산화세륨이 접촉하는 구조에서, 산화물 반도체의 산소 결손을 피할 수 있어, 안정된 산화물을 실현할 수 있다. 질화물을 게이트 절연막에 사용하는 구성에서는, 상기와 같은 작용이 발현되지 않는다. 또한, 게이트 절연막의 재료는, 세륨실리케이트(CeSiOx)로 대표되는 란타노이드 금속 실리케이트를 포함해도 된다.
제3 절연층(13)의 구조로서는, 단층막, 혼합막, 혹은 다층막이어도 된다. 혼합막이나 다층막의 경우, 상기 절연막 재료로부터 선택된 재료에 의해 혼합막이나 다층막을 형성할 수 있다. 제3 절연층(13)의 막 두께는, 예를 들어 2㎚ 이상 300㎚ 이하의 범위 내로부터 선택 가능한 막 두께이다. 채널층(27)을 산화물 반도체로 형성하는 경우, 산소가 많이 포함되는 상태(성막 분위기)에서, 채널층(27)과 접촉하는 제3 절연층(13)의 계면을 형성할 수 있다.
박막 트랜지스터의 제조 공정에 있어서, 톱 게이트 구조를 갖는 박막 트랜지스터에서는, 산화물 반도체를 형성한 후, 산소를 포함하는 도입 가스 중에서, 산화세륨을 포함하는 게이트 절연막을 형성할 수 있다. 이때, 게이트 절연막 아래의 산화물 반도체의 표면을 산화시킬 수 있고, 또한, 그 표면의 산화 정도를 조정할 수 있다. 보텀 게이트 구조를 갖는 박막 트랜지스터에서는, 게이트 절연막의 형성 공정이 산화물 반도체의 공정보다 먼저 행해지기 때문에, 산화물 반도체의 표면의 산화 정도를 조정하는 것이 어렵다. 톱 게이트 구조를 갖는 박막 트랜지스터에 있어서는, 산화물 반도체의 표면의 산화를 보텀 게이트 구조의 경우보다도 촉진시킬 수 있어, 산화물 반도체의 산소 결손이 발생하기 어렵다.
제1 절연층(11), 제2 절연층(12), 제3 절연층(13) 및 산화물 반도체의 하지의 절연층(제4 절연층(14))을 포함하는 복수의 절연층은, 무기 절연 재료 또는 유기 절연 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 절연층의 재료로서는, 산화실리콘, 산화질화실리콘, 산화알루미늄을 사용할 수 있고, 절연층의 구조로서는, 상기 재료를 포함하는 단층이나 복수층을 사용할 수 있다. 상이한 절연 재료로 형성된 복수의 층이 적층된 구성이어도 된다. 절연막의 상면을 평탄화하는 효과를 얻기 위해, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 벤조시클로부텐 수지, 폴리아미드 수지 등을 일부의 절연층에 사용해도 된다. 저유전율 재료(low-k 재료)를 사용할 수도 있다.
채널층(27) 상에는, 제3 절연층(13)을 개재하여, 게이트 전극(25)이 배치된다. 게이트 전극(25)(게이트 배선(10))은, 상술한 커먼 배선(30)과 동일한 재료를 사용하여, 동일한 층 구성을 갖도록, 동일한 공정에서 형성할 수 있다. 또한, 게이트 전극(25)은, 상술한 드레인 전극(26) 및 소스 전극(24)과 동일한 재료를 사용하여, 동일한 층 구성을 갖도록 형성해도 된다. 게이트 전극(25)을 다층의 도전성 재료를 사용하여 형성하는 경우, 구리층 혹은 구리 합금층을 도전성 금속 산화물 사이에 끼움 지지하는 구성을 채용할 수 있다.
게이트 전극(25)의 단부에 노출되는 금속층(5)의 표면은, 인듐을 포함하는 복합 산화물로 덮을 수도 있다. 혹은, 질화규소나 질화몰리브덴 등의 질화물로 게이트 전극(25)의 단부를 포함하도록 게이트 전극(25) 전체를 덮어도 된다. 혹은, 상술한 게이트 절연막과 동일한 조성을 갖는 절연막을 50㎚보다 두꺼운 막 두께로 적층해도 된다.
게이트 전극(25)의 형성 방법으로서는, 게이트 전극(25)의 형성에 앞서, 액티브 소자(28)의 채널층(27)의 바로 위에 위치하는 제3 절연층(13)에만 드라이 에칭 등을 실시하여, 제3 절연층(13)의 두께를 얇게 할 수도 있다.
제3 절연층(13)과 접촉하는 게이트 전극(25)의 계면에, 전기적 성질이 상이한 산화물 반도체를 더 삽입해도 된다. 혹은, 제3 절연층(13)을 산화세륨이나 산화갈륨을 포함하는 절연성의 금속 산화물층으로 형성해도 된다.
구체적으로, 소스 배선(31)에 공급되는 영상 신호에 기인하는 노이즈가 커먼 배선(30)에 타는 것을 억제하기 위해, 제3 절연층(13)을 두껍게 할 필요가 있다. 그 한편, 제3 절연층(13)은 게이트 전극(25)과 채널층(27) 사이에 위치하는 게이트 절연막으로서의 기능을 갖고 있고, 액티브 소자(28)의 스위칭 특성을 고려한 적절한 막 두께가 요구된다. 이와 같이 상반되는 2개의 기능을 실현하기 위해, 커먼 배선(30)과 소스 배선(31) 사이에 있어서의 제3 절연층(13)의 막 두께를 크게 유지한 채로, 채널층(27)의 바로 위에 위치하는 제3 절연층(13)의 두께를 얇게 함으로써 소스 배선에 공급되는 영상 신호에 기인하는 노이즈가 커먼 배선(30)에 타는 것을 억제할 수 있음과 함께, 액티브 소자(28)에 있어서 원하는 스위칭 특성을 실현할 수 있다.
또한, 채널층(27)의 하부에는, 차광막을 형성해도 된다. 차광막의 재료로서는, 몰리브덴, 텅스텐, 티타늄, 크롬 등의 고융점 금속을 사용할 수 있다.
게이트 배선(10)은 액티브 소자(28)와 전기적으로 제휴되어 있다. 구체적으로, 게이트 배선(10)에 접속되어 있는 게이트 전극(25)과 액티브 소자(28)의 채널층(27)은, 제3 절연층(13)을 개재하여 대향하고 있다. 영상 신호 제어부(121)로부터 게이트 전극(25)에 공급되는 주사 신호에 따라서 액티브 소자(28)에 있어서 스위칭 구동이 행해진다.
소스 배선(31)에는, 영상 신호 제어부(121)로부터 영상 신호로서의 전압이 부여된다. 소스 배선(31)에는, 예를 들어 ±2.5V 내지 ±5V의 정 혹은 부의 전압의 영상 신호가 부여된다. 공통 전극(17)에 인가되는 전압으로서는, 예를 들어 프레임 반전마다 변화되는 ±2.5V의 범위로 할 수 있다. 또한, 공통 전극(17)의 전위를, 액정 구동의 역치 Vth 이하로부터 0V의 범위의 정전위로 해도 된다. 이 공통 전극을 후술하는 정전위 구동에 적용하는 경우, 채널층(27)에 산화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 산화물 반도체로 구성된 채널층의 전기적인 내전압은 높고, 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터에 의해, ±5V의 레인지를 초과한 높은 구동 전압을 전극부(17A)에 인가하여, 액정의 응답을 고속화하는 것이 가능하다. 액정 구동에는, 프레임 반전 구동, 칼럼(수직 라인) 반전 구동, 수평 라인 반전 구동, 도트 반전 구동 등 다양한 구동 방법을 적용할 수 있다. 본 실시 형태에 관한 액정 구동에 대해서는, 도 14를 참조하여 후술한다.
게이트 전극(25)의 구성의 일부에 구리 합금을 채용하는 경우, 구리에 대해 0.1at％ 이상 4at％ 이하의 범위 내의 금속 원소 혹은 반금속 원소를 첨가할 수 있다. 이와 같이 원소를 구리에 첨가함으로써, 구리의 마이그레이션을 억제할 수 있다는 효과가 얻어진다. 특히, 구리층의 결정(그레인) 내에서 구리 원자의 일부와 치환됨으로써 구리의 격자 위치에 배치할 수 있는 원소와, 구리층의 결정립계에 석출되어 구리의 그레인 근방의 구리 원자의 움직임을 억제하는 원소를 모두 구리에 첨가하는 것이 바람직하다. 혹은, 구리 원자의 움직임을 억제하기 위해서는 구리 원자보다 무거운(원자량이 큰) 원소를 구리에 첨가하는 것이 바람직하다. 게다가, 구리에 대해 0.1at％ 내지 4at％의 범위 내의 첨가량으로, 구리의 도전율이 저하되기 어려운 첨가 원소를 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 스퍼터링 등의 진공 성막을 고려하면, 스퍼터링 등의 성막 레이트가 구리에 가까운 원소가 바람직하다. 상술한 바와 같이 원소를 구리에 첨가하는 기술은, 설령, 구리를 은이나 알루미늄으로 치환한 경우에도 적용할 수 있다. 바꾸어 말하면, 구리 합금 대신에, 은 합금이나 알루미늄 합금을 사용해도 된다.
구리층의 결정(그레인) 내에서 구리 원자의 일부와 치환되어 구리의 격자 위치에 배치할 수 있는 원소를 구리에 첨가하는 것은, 바꾸어 말하면, 상온 부근에서 구리와 고용체를 형성하는 금속이나 반금속을 구리에 첨가하는 것이다. 구리와 고용체를 형성하기 쉬운 금속은, 망간, 니켈, 아연, 팔라듐, 갈륨, 금(Au) 등을 들 수 있다. 구리층의 결정립계에 석출되어 구리의 그레인 근방의 구리 원자의 움직임을 억제하는 원소를 구리에 첨가하는 것은, 바꾸어 말하면, 상온 부근에서 구리와 고용체를 형성하지 않는 금속이나 반금속을 첨가하는 것이다. 구리와 고용체를 형성하기 어렵거나 혹은 구리와 고용체를 형성하기 어려운 금속이나 반금속에는 다양한 재료를 들 수 있다. 예를 들어, 티타늄, 지르코늄, 몰리브덴, 텅스텐 등의 고융점 금속, 실리콘, 게르마늄, 안티몬, 비스무트 등의 반금속이라 호칭되는 원소 등을 들 수 있다.
구리는, 마이그레이션의 관점에서 신뢰성면에 문제가 있다. 상기의 금속이나 반금속을 구리에 첨가함으로써 신뢰성면을 보완할 수 있다. 구리에 대해, 상기 금속이나 반금속을 0.1at％ 이상 첨가함으로써 마이그레이션을 억제하는 효과가 얻어진다. 그러나, 구리에 대해, 상기 금속이나 반금속을 4at％를 초과하여 첨가하는 경우에서는, 구리의 도전율의 악화가 현저해져, 구리 혹은 구리 합금을 선정하는 장점이 얻어지지 않는다.
상기 도전성 금속 산화물로서는, 예를 들어 산화인듐, 산화주석, 산화아연, 산화안티몬으로부터 2 이상 선택되는 복합 산화물(혼합 산화물)을 채용할 수 있다. 이 복합 산화물에는, 또한, 산화티타늄, 산화지르코늄, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화게르마늄을 소량, 첨가해도 된다. 산화인듐과 산화주석의 복합 산화물은, ITO라 호칭되는 저저항의 투명 도전막으로서 일반적이다. 산화인듐, 산화아연 및 산화주석의 3원계의 복합 산화물을 사용하는 경우, 산화아연 및 산화주석의 혼합 비율을 조정함으로써, 웨트 에칭에 있어서의 에칭 레이트를 조정할 수 있다. 산화인듐, 산화아연 및 산화주석의 3원계의 복합 산화물에 의해 합금층이 끼움 지지된 3층 구성에 있어서는, 복합 산화물의 에칭 레이트와 구리 합금층의 에칭 레이트를 조정할 수 있어, 이들 3층의 패턴 폭을 대략 동일하게 할 수 있다.
일반적으로, 계조 표시를 행하기 위해, 계조 표시에 따른 다양한 전압이 소스 배선에 인가되고, 또한, 다양한 타이밍에 영상 신호가 소스 배선에 부여된다. 이와 같은 영상 신호에 기인하는 노이즈는, 공통 전극(17)에 타기 쉬워, 터치 센싱의 검출 정밀도를 저하시킬 우려가 있다. 따라서, 도 5에 도시한 바와 같이, 소스 배선(31)과, 터치 센싱 배선(3)의 거리 W2를 크게 하는 구조를 채용함으로써, 노이즈를 저감할 수 있다는 효과가 얻어진다.
본 실시 형태에 있어서는, 액티브 소자(28)로서는, 톱 게이트 구조를 갖는 트랜지스터가 채용되고 있다. 톱 게이트 구조 대신에, 보텀 게이트 구조를 갖는 트랜지스터가 채용되어도 되지만, 톱 게이트 구조의 트랜지스터를 채용하는 경우에서는, Z 방향에 있어서의 소스 배선(31)의 위치를 터치 센싱 배선(3)으로부터 이격시킬 수 있다. 바꾸어 말하면, 톱 게이트 구조를 갖는 트랜지스터의 경우, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17) 사이에 정전 용량이 생성되는 공간으로부터, 소스 배선을 이격할 수 있다. 이와 같이 정전 용량이 생성되는 공간으로부터 소스 배선을 이격시킴으로써, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17) 사이에서 검출되는 터치 신호에의 노이즈의 영향, 즉, 소스 배선으로부터 발생하는 다양한 영상 신호에 기인하는 노이즈가 터치 신호에 미치는 영향을 저감할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17) 사이의 물리적인 공간에 소스 배선(31)이나 화소 전극(20)을 포함하지 않는 것이 중요하다. 이하의 설명에 있어서, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17) 사이의 물리적인 공간을 터치 센싱 공간이라 호칭하는 경우가 있다. 또한, 도 13에 예시되어 있는 게이트 배선(10)과 커먼 배선(30)(도전 배선)의 거리 W4와, 상술한 거리 W2가 아울러 고려된 터치 센싱 공간을 형성하는 것이 바람직하다. 거리 W4를 얻음으로써, 게이트 배선(10)에 공급되는 게이트 신호에 기인하는 노이즈가 커먼 배선(30)에 미치는 영향을 완화할 수 있다.
(표시 장치 기판(100)의 구체적인 구조)
다음에, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 표시 장치 기판(100)의 구체적인 구조에 대하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1을 부분적으로 도시하는 평면도이며, 투명 기판(21)을 통해 관찰자측으로부터 본 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치 기판(100)을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 6에 도시한 F-F'선을 따르는 단면도이다. 도 8은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치 기판(100)을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 터치 센싱 배선(3)의 단자부(34)를 설명하는 단면도이다. 도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 장치 기판(100)을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 터치 센싱 배선(3)의 단자부(34)를 설명하는 단면도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 도 2에 도시한 어레이 기판(200) 상에, 액정층을 개재하여, 표시 장치 기판(100)이 적층되어 있다. 이에 의해, 액정층(300)을 개재하여 어레이 기판(200)에 표시 장치 기판(100)이 접합된 액정 표시 장치 LCD1이 얻어지고 있다.
또한, 도 6에 있어서는, 어레이 기판(200)을 구성하는 소스 배선(31) 및 커먼 배선(30)이 도시되어 있고, 어레이 기판(200)을 구성하는 다른 부재(전극, 배선, 액티브 소자 등)는 생략되어 있다.
표시 장치 기판(100)은, 컬러 필터(51)(RGB), 터치 센싱 배선(3) 및 블랙 매트릭스 BM을 구비한다. 블랙 매트릭스 BM은, 복수의 화소 개구를 구비한 격자 패턴을 갖고 있다. 복수의 화소 개구부의 각각에는, 컬러 필터(51)를 구성하는 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(청색)가 형성되어 있다. 블랙 매트릭스 BM은, X 방향으로 연장되는 X 방향 연장부와, Y 방향으로 연장되는 Y 방향 연장부를 갖고 있고, 상술한 흑색층(8)을 구성하는 재료로 형성되어 있다. 또한, Y 방향 연장부는 흑색층(8)에 상당한다. 블랙 매트릭스 BM의 Y 방향 연장부(블랙 매트릭스의 일부)에 겹치도록, 터치 센싱 배선(3)이 표시 장치 기판(100)에 형성되어 있다(도 7 참조).
또한, 터치 센싱 배선(3)은 블랙 매트릭스 BM 상에 형성되고, Y 방향으로 연선되어 있다. 표시 장치 기판(100)과 어레이 기판(200)의 평면으로 본 위치 관계에 있어서, 터치 센싱 배선(3)은 소스 배선(31)에 겹치도록 배치되어 있고, 터치 센싱 배선(3)의 연장 방향은, 커먼 배선(30)의 연장 방향에 대하여 직교하고 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 블랙 매트릭스 BM을 구성하는 흑색층(8) 상에, 제1 도전성 금속 산화물층, 구리 합금층 및 제2 도전성 금속 산화물층의 3층 구성의 터치 센싱 배선(3)이 적층되어 있다.
도전성 금속 산화물층의 재료로서는, 산화인듐이나 산화주석을 기재로 하는 도전성 금속 산화물을 적용할 수 있다. 예를 들어, 산화인듐에, 산화아연, 산화주석, 산화티타늄, 산화지르코늄, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화게르마늄, 산화갈륨, 산화세륨, 산화안티몬 등을 첨가한 복합 산화물을 사용할 수 있다. 적어도, 산화아연을 혼합하는 복합 산화물계를 사용하는 경우에서는, 산화인듐에 대한 산화아연, 산화안티몬, 산화갈륨의 첨가량에 따라서 웨트 에칭에서의 에칭 레이트를 조정할 수 있다.
상기와 같은 제1 도전성 금속 산화물층, 구리 합금층 및 제2 도전성 금속 산화물층의 3층 구성의 터치 센싱 배선 혹은 도전 배선(어레이 기판(200) 상에 형성된 커먼 배선(30))을 형성할 때에는, 도전성 금속 산화물과 구리 합금의 에칭 레이트를 맞추어, 대략 동일한 폭으로 에칭하는 것이 중요하다. 산화인듐과 산화아연의 2원계 재료를 주재료로 하고, 또 다른 필요한 요소, 예를 들어 도전성 개선이나 신뢰성 개선을 실현할 수 있는 다른 금속 산화물을 주재료에 첨가함으로써, 상기 3층 구성을 갖는 배선을 실현할 수 있다.
예를 들어, 산화인듐-산화아연-산화주석 등의 복합 금속 산화물에 의한 복합 산화물은, 높은 도전성을 가짐과 함께, 구리 합금, 컬러 필터 및 유리 기판 등에 대한 강한 밀착성을 갖는다. 또한, 이 복합 금속 산화물은, 단단한 세라믹스이기도 하며, 또한, 전기적인 실장 구조에 있어서, 양호한 오믹 콘택트가 얻어진다. 이와 같은 복합 산화물을 포함하는 도전성 금속 산화물층을, 상기 제1 도전성 금속 산화물층, 구리 합금층 및 제2 도전성 금속 산화물층의 3층 구성에 적용하면, 예를 들어 유리 기판 상에서 매우 강고한 전기적 실장을 행할 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 블랙 매트릭스 BM 상에, 산화인듐과 산화아연과 산화주석을 포함하는 3원계 혼합 산화물막(도전성 금속 산화물층)인 제2 도전성 금속 산화물층(4), 금속층(5) 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)과 마찬가지의 제1 도전성 금속 산화물층(6)을 연속 성막함으로써, 3층을 형성할 수 있다. 성막 장치로서, 예를 들어 스퍼터링 장치를 사용하고, 진공 분위기를 유지한 채로, 연속 성막을 행한다.
예를 들어, 제2 도전성 금속 산화물층(4) 및 제1 도전성 금속 산화물층(6)의 각각에 있어서, 산화인듐과 산화아연과 산화주석, 및, 구리 합금인 금속층의 조성은, 하기와 같다. 어느 경우도, 혼합 산화물 중의 금속 원소에서의 원자 퍼센트(산소 원소를 카운트하지 않는 금속 원소만의 카운트. 이하, at％로 표기)이다.
ㆍ제1 도전성 금속 산화물층; In:Zn:Sn ⇒ 90:8:2
ㆍ제2 도전성 금속 산화물층; In:Zn:Sn ⇒ 91:7:2
ㆍ금속층; Cu:Zn:Sb ⇒ 98.6:1.0:0.4
제1 도전성 금속 산화물층(6)과 제2 도전성 금속 산화물층(4)에 포함되는 인듐(In)의 양은, 80at％보다 많이 함유시킬 필요가 있다. 인듐(In)의 양은, 80at％보다 많은 것이 바람직하다. 인듐(In)의 양은 90at％보다 많은 것이 더욱 바람직하다. 인듐(In)의 양은, 80at％보다도 적은 경우, 형성되는 도전성 금속 산화물층의 비저항이 커져 바람직하지 않다. 아연(Zn)의 양은, 20at％를 초과하면 도전성 금속 산화물(혼합 산화물)의 내알칼리성이 저하되므로 바람직하지 않다.
제1 도전성 금속 산화물층(6) 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)에 포함되는 아연(Zn)의 양은, 주석(Sn)의 양보다 많게 할 필요가 있다. 주석의 함유량이 아연 함유량을 초과하면, 후속 공정에서의 웨트 에칭에서 지장이 생긴다. 바꾸어 말하면, 구리 혹은 구리 합금인 금속층이 도전성 금속 산화물층보다도 에칭되기 쉬워져, 제1 도전성 금속 산화물층(6), 금속층(5) 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)과의 폭에 차가 발생하기 쉬워진다.
제1 도전성 금속 산화물층(6) 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)에 포함되는 주석(Sn)의 양은, 0.5at％ 이상 6at％ 이하의 범위 내가 바람직하다. 인듐 원소에 대한 비교로, 0.5at％ 이상 6at％ 이하의 주석을 도전성 금속 산화물층에 첨가함으로써, 상기 인듐, 아연 및 주석의 3원계 혼합 산화물막(도전성의 복합 산화물층)의 비저항을 작게 할 수 있다. 주석의 양이 7at％를 초과하면, 도전성 금속 산화물층에 대한 아연의 첨가도 수반되기 때문에, 3원계 혼합 산화물막(도전성의 복합 산화물층)의 비저항이 너무 커진다. 상기의 범위(0.5at％ 이상 6at％ 이하) 내에서 아연 및 주석의 양을 조정함으로써, 또한, 성막 조건이나 어닐 조건 등을 조정함으로써, 비저항을 대략, 혼합 산화물막의 단층막의 비저항으로서 5×10- 4Ω㎝ 이상 3×10- 4Ω㎝ 이하의 작은 범위 내에 들어가게 할 수 있다. 상기 혼합 산화물 중에는, 티타늄, 지르코늄, 마그네슘, 알루미늄, 게르마늄 등의 다른 원소를 소량, 첨가할 수도 있다.
블랙 매트릭스 BM은, 표시면(표시부(110)) 내에서의 매트릭스 영역(직사각형의 표시 영역과 표시 화면)을 둘러싸는 프레임 영역을 갖는다. 터치 센싱 배선(3)을, 투명 기판(21)의 외측을 향하여 프레임 영역으로부터 연장되도록 투명 기판(21) 상에 형성하고, 프레임 영역의 외측에 위치하는 터치 센싱 배선(3)에 단자부(34)를 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우, 터치 센싱 배선(3)의 단자부(34)는 블랙 매트릭스 BM과 중첩되지 않고 프레임 영역으로부터 연장되는 위치에 형성되어 있다. 이 구성에 있어서는, 유리판인 투명 기판(21)의 유리면에, 실장에 사용되는 단자부(34)를 직접 형성하는 것이 가능하다.
도 8은 투명 기판(21)의 외측을 향하여 프레임 영역의 블랙 매트릭스 BM으로부터 연장되는 터치 센싱 배선(3)을 도시하는 단면도이며, X 방향을 따르는 도면이다. 터치 센싱 배선(3)의 단자부(34)는, 유리판인 투명 기판(21) 상에 직접 배치된다. 도 9는 단자부(34)를 도시하는 단면도이며, Y 방향을 따르는 도면이다.
단자부의 평면으로 본 형상은 도 8이나 도 9에 한정되지 않는다. 예를 들어, 투명 수지층(16)으로 단자부(34) 상을 덮은 후에, 드라이 에칭 등의 방법에 의해 단자부(34)의 상부를 제거하여, 원형 또는 직사각형의 형상을 갖는 단자부(34)를 형성하고, 단자부(34)의 표면에 도전성 금속 산화물층을 노출시켜도 된다. 이 경우, 표시 장치 기판(100)과 어레이 기판(200)을 접합하는 시일부, 혹은 액정 셀의 내부에 있어서, 표시 장치 기판(100)으로부터 어레이 기판(200)으로의 도통의 전이(트랜스퍼)를, 시일부의 두께 방향으로 행하는 것도 가능하다. 이방성 도전막, 미소한 금속구, 혹은 금속막으로 덮은 수지구 등으로부터 선택되는 도체를 시일부에 배치함으로써, 표시 장치 기판(100)과 어레이 기판(200)을 도통할 수 있다.
표시 장치 기판(100)과 어레이 기판(200) 사이의 도통 구조에 있어서는, 표시 장치 기판(100)에만 제1 도전성 금속 산화물층(6), 구리 합금층(금속층(5)) 및 제2 도전성 금속 산화물층(4)의 3층을 배치시키는 것이 아니라, 어레이 기판(200)에도, 마찬가지로, 제1 도전성 금속 산화물층, 구리 합금층 및 제2 도전성 금속 산화물층의 3층으로 형성된 단자부를 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 어레이 기판(200)에 형성된 단자는, 표시 장치 기판(100)에 대한 도통의 전이(트랜스퍼)용의 단자로서 사용된다. 구체적으로는, 어레이 기판(200)에 형성되어 있는 게이트 배선(10)을 구성하는 도전층의 레이어의 구조, 혹은, 소스 배선(31)을 구성하는 도전층의 레이어의 구조 중 어느 것을, 제1 도전성 금속 산화물층, 구리 합금층 및 제2 도전성 금속 산화물층의 3층 구조로 한다. 이에 의해, 표시 장치 기판(100)과 어레이 기판(200) 사이의 도통을 위한 라우팅 배선이나 단자부를 어레이 기판(200)에 형성할 수 있다.
(액정층(300))
도 3으로 되돌아가서, 액정층(300)(표시 기능층)에 대하여 설명한다.
액정층(300)은 정의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자(39)를 포함한다. 액정 분자의 초기 배향은, 표시 장치 기판(100) 혹은 어레이 기판(200)의 기판면에 대하여 수평이다. 액정층(300)을 사용한 제1 실시 형태에 관한 액정 구동은, 평면으로 보아, 액정층을 횡단하도록 구동 전압이 액정 분자에 인가되기 때문에, 횡전계 방식이라 호칭되는 경우가 있다. 액정 분자(39)의 동작에 대해서는, 도 15 및 도 16을 참조하여 후술한다. 액정층(300)을 구성하는 액정은, 부의 유전율 이방성을 갖는 액정이어도, 정의 유전율 이방성의 액정이어도 된다. 액정 표시 장치에 사용되는 액정이나 배향막, 나아가 표시 장치 기판에 구비되는 투명 수지층의 저항률은 높은 것이 바람직하고, 이들 부재의 저항률은 1×1013Ωㆍ㎝ 이상인 것이 바람직하다.
(액정 표시 장치 LCD1의 제조 방법)
다음에, 도 2 내지 도 5에 도시한 화소 구조를 갖는 어레이 기판(200)을 구비한 액정 표시 장치 LCD1의 제조 방법에 대하여, 도 10 내지 도 13을 사용하여 설명한다.
먼저, 투명 기판(22)을 준비하고, 투명 기판(22)의 표면을 덮도록 제4 절연층(14)을 형성한다.
다음에, 도 10에 도시한 바와 같이, 제4 절연층(14) 상에, 액티브 소자(28)를 구성하는 채널층(27)을 형성한다. 채널층(27)의 재료로서는, 산화물 반도체가 채용된다. 본 실시 형태에서는, 하나의 화소에 하나의 채널층(27)을 배치하도록, 채널층(27)의 패터닝이 행해진다. 도 10에 있어서는, 파선(131, 90)이 도시되어 있다. 파선(131)은 채널층(27)을 형성한 후에 제4 절연층(14) 상에 형성되는 소스 배선의 위치를 나타내고 있다. 파선(90)은 소스 배선(31)을 형성한 후에 제3 절연층(13) 상에 형성되는 게이트 배선의 위치를 나타내고 있다.
다음에, 도 11에 도시한 바와 같이, 소스 전극(24) 및 드레인 전극(26)을 채널층(27) 상에 형성함과 함께, 소스 전극(24)에 전기적으로 제휴되는 소스 배선(31)을 형성한다. 소스 배선(31)은 Y 방향으로 연장되는 선상 패턴을 갖는다.
다음에, 채널층(27), 소스 전극(24), 드레인 전극(26) 및 소스 배선(31)을 덮도록, 투명 기판(22) 상에, 즉, 제4 절연층(14) 상에, 제3 절연층(13)을 형성한다. 이 제3 절연층(13)은 2개의 배선층의 사이에 위치하는 층간 절연막으로서의 기능과, 게이트 절연막으로서의 기능을 갖는다.
다음에, 도 12에 도시한 바와 같이, 제3 절연층(13)을 형성한 후, 채널층(27)의 형성 위치에 일치하도록, 제3 절연층(13) 상에 게이트 전극(25)을 형성한다. 또한, 게이트 전극(25)의 형성과 동시에, 게이트 전극(25)에 전기적으로 제휴되는 게이트 배선(10)과, 커먼 배선(30)을 형성한다. 게이트 전극(25), 게이트 배선(10) 및 커먼 배선(30)은 상술한 바와 같이 도전성 재료로 구성되는 도전층이며, 동일한 공정에서 형성된다.
다음에, 게이트 전극(25), 게이트 배선(10) 및 커먼 배선(30)을 덮도록, 투명 기판(22) 상에, 즉, 제3 절연층(13) 상에, 제2 절연층(12)을 형성한다. 제2 절연층(12)을 성막한 후, 제2 절연층(12)의 전체면에 투명 도전막을 성막한다.
그 후, 투명 도전막을 패터닝함으로써, 도 13에 도시한 바와 같이 화소마다 화소 전극(20)이 형성된다. 화소 전극(20)을 패터닝할 때에, 스루홀(20S)도 형성한다. 즉, 스루홀(20S)은, 투명 도전막이 제거된 개구부가 되어 있다.
도 13은 액티브 소자(28), 소스 배선(31), 게이트 배선(10) 및 커먼 배선(30) 등을 덮는 제2 절연층(12)이 형성된 구조를 도시하고 있다. 제2 절연층(12) 상에는, 패터닝에 의해 화소 전극(20)이 형성되어 있다. 화소 전극(20)은 콘택트 홀(29)을 통해, 액티브 소자(28)의 각각의 드레인 전극(26)과 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 화소 전극(20)에 형성되어 있는 스루홀(20S)의 직경은, 후속 공정에서 형성되는 콘택트 홀 H의 직경보다도 크다. 스루홀(20S)은, 콘택트 홀 H의 내부에서 공통 전극(17)과 커먼 배선(30)의 전기적 누설이 발생하지 않는 충분한 크기(직경)를 갖는다. 도 13에는, 커먼 배선(30)과 게이트 배선(10)의 거리 W4가 도시되어 있다. 거리 W4가 얻어지기 때문에, 커먼 배선(30)에 기인하는 노이즈가, 게이트 배선(10)에 영향을 미치기 어려운 구조가 되어 있다.
다음에, 투명 기판(22) 상에, 즉, 제2 절연층(12) 상에, 제1 절연층(11)을 형성한다. 이에 의해, 제1 절연층(11)은 스루홀(20S)을 매설하고, 화소 전극(20)의 전체면을 덮는다. 그 후, 스루홀(20S)에 대응하는 위치에, 콘택트 홀 H를 제1 절연층(11) 및 제2 절연층(12)에 형성한다. 제1 절연층(11) 및 제2 절연층(12)에 에칭을 실시함으로써, 어레이 기판(200)의 전체면에 있어서 복수의 콘택트 홀 H는, 일괄하여 형성된다.
그 후, 공통 전극(17)의 구성 재료인 투명 도전막을, 콘택트 홀 H를 덮도록, 또한, 제1 절연층(11) 상에 성막한다. 그 후, 투명 도전막에 패터닝을 실시함으로써, 도 4b에 도시한 전극부(17A)가 제1 절연층(11) 상에 형성되고, 콘택트 홀 H의 내부에 도전 접속부(17B)가 매설되어, 공통 전극(17)이 형성된다. 이에 의해, 공통 전극(17)과 커먼 배선(30)이 도통한다. 상기의 공정을 거쳐, 도 2에 도시한 어레이 기판(200)이 얻어진다.
도 2에 도시한 예에서는, 화소 전극(20)을 덮도록 형성된 제1 절연층(11) 상에 공통 전극(17)이 형성되어 있다. 또한, 하나의 화소에 2개의 스트라이프 패턴 형상을 갖는 공통 전극(17)이 화소의 길이 방향으로 배치되어 있다. 공통 전극(17)의 패턴 형상이나 개수는 이것에 한정되지 않고, 화소 사이즈나 화소의 크기에 따라 증감할 수 있다. 공통 전극(17)은 ITO 등의 투명 도전막으로 형성되어 있다. 또한, 공통 전극(17)은 화소의 길이 방향에 있어서의 중앙 위치에 있어서, 콘택트 홀 H를 통해 커먼 배선(30)과 전기적으로 접속되어 있다. 공통 전극(17)과 화소 전극(20)이 중첩되는 부분은, 액정 표시를 행할 때의 보조 용량으로서 사용해도 된다.
상술한 액정 표시 장치 LCD1의 제조 방법에 따르면, 액티브 소자를 구동하기 위한 소스 배선이나 게이트 배선을 1매의 어레이 기판에 병설하는 경우라도, 점퍼 선이나 바이패스 터널 등을 형성할 필요가 없어, 저비용으로 액정 표시 장치 LCD1을 제조할 수 있다.
(액정 구동과 터치 센싱 구동의 시분할)
도 14는 제1 실시 형태 및 후술하는 실시 형태에 적용 가능한 액정 구동과 터치 센싱 구동의 시분할 구동의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
또한, 이하에 기재된 제1 펄스 신호나 제2 펄스 신호의 서수 표현에 관해, 예를 들어 클럭 주파수로서 공급되는 펄스 신호 Vc의 홀수번째를 가령 제1 펄스 신호라 칭하고, 짝수번째를 제2 펄스 신호라 칭하여, 연속하고 있는 신호를 표현하고 있는 것에 지나지 않고, 펄스 신호 Vc를 특정하고 있지 않다.
도 14에 도시된 표시 기간은, 예를 들어 1프레임을 60㎐로 하는 표시 기간이다. 이 1프레임의 기간에 있어서, 예를 들어 화소의 1표시 단위 기간은, 백색 표시 기간과 흑색 표시 기간을 포함한다.
클럭 신호인 제1 펄스 신호의 입력에 의해 백색 표시가 행해진다. 구체적으로, 제1 펄스 신호의 입력에 수반하여, 소스 배선(31)에 영상 신호가 공급되고, 화소 전극(20)에 드레인 전극(26)을 통해 액정 구동 전압 Vd가 공급된다. 액정 구동 전압 Vd는, 화소 전극(20)과 공통 전극(17) 사이에서 유지되어, 액정층을 구동한다. 채널층으로서 산화물 반도체를 사용하는 액티브 소자(박막 트랜지스터)(28)는, 채널층으로서 폴리실리콘 반도체를 사용하는 액티브 소자보다도 액정 구동 전압의 유지 능력이 높아, 각각 화소의 높은 투과율을 긴 기간, 유지할 수 있다.
다음에, 제2 펄스 신호의 입력에 의해, 백색 표시로부터 흑색 표시로 이행한다. 흑색 표시는, 예를 들어 제2 펄스 신호를 트리거로 하여, 화소 전극(20)과 공통 전극(17) 사이에서 유지되고 있는 전압을 0V 혹은 접지 전위로 함으로써 실현된다. 예를 들어, 백색 표시 기간에서 소스 배선에 공급된 영상 신호와는 역극성의 전압을, 상기 펄스 신호 폭이 짧은 인가 시간에서, 당해 소스 배선에 공급함으로써, 소스 배선의 전압을 가속적으로 0V로 되돌리는 것이 가능해진다. 이 역극성의 전압은, 액정 구동의 역치 전압 Vth 부근의 낮은 전압이어도 된다. 흑색 표시로의 이행을 위해, 게이트 배선을 접지시키는 것은 바람직하다. 채널층으로서 폴리실리콘 반도체를 사용하는 액티브 소자의 경우에는, 제2 펄스 신호의 입력 후, 게이트 배선(10)이나 소스 배선(31)을 단순히 접지시켜도 된다. 또한, 흑색 표시란, 액정층의 액정 분자가 초기 배향 상태로 되돌아가, 크로스니콜에서의 흑색의 상태인 것을 의미한다.
터치 센싱 기간 Ttouch는, 투과율이 안정되어 있는 백색 표시 안정 기간 Wr, 혹은 흑색 표시 안정 기간 Er의 기간에 설정되어 있고, 이 기간에 있어서 터치 센싱을 실시할 수 있다. 영상 신호나 게이트 신호가 소스 배선(31)이나 게이트 배선(10)에 공급되는 기간, 예를 들어 전압 Vd가 인가되고 있는 인가 시간 Dt에 있어서는, 소스 배선이나 액티브 소자로부터 발생하는 노이즈를 터치 센싱 배선(3)이 끌어들이기 쉬워져, 바람직하지 않다.
본 발명의 실시 형태에 관한 액정 표시 장치에는, 프레임 반전 구동, 칼럼 반전 구동(수직 라인 반전 구동), 수평 라인 반전 구동, 도트 반전 구동 등 다양한 액정 구동 방식을 채용할 수 있다. 액정 구동 방식마다, 예를 들어 하기와 같은 터치 센싱 기간의 타이밍을 취할 수 있다.
(1) 1화소, 혹은, 2화소 등 복수 화소에서의 영상 기입이 행해진 후(표시 단위 기간에서의 영상 표시 후)의 타이밍
(2) 1수직 라인의 영상 기입이 행해진 후의 타이밍
(3) 1수평 라인의 영상 기입이 행해진 후의 타이밍
(4) 1프레임이나 1/2 프레임에서의 영상 기입이 행해진 후의 타이밍
(1) 내지 (4)의 「영상 기입이 행해진 후」의 기간은, 도 14에 도시한 백색 표시 안정 기간 Wr과 동의이다. 게다가, 상기 (1) 내지 (4)의 「영상 기입이 행해진 후」는, 도 14에 도시한 흑색 표시 안정 기간 Er로 치환할 수 있다. 상기한 바와 같이, 백색 표시 안정 기간 Wr과 흑색 표시 안정 기간 Er의 2개의 기간에 터치 센싱 기간을 설정해도 된다.
도 14의 타이밍 차트에 나타낸 바와 같이, 흑색 표시 안정 기간 Er에 있어서, 높은 주파수의 터치 센싱 구동 전압 Vtouch가 터치 구동 배선(후술하는 터치 센싱 배선(3) 또는 커먼 배선(30))에 인가된다.
또한, 흑색 표시 안정 기간 Er에서는, LED 등의 백라이트 유닛 BU의 발광을 정지하여, 백라이트 유닛 BU의 구동에 기인하여 발생하는 노이즈의 영향을 없앨 수 있다. 흑색 표시 안정 기간을 3D 표시(입체 화상 표시)에서의, 색 편차를 경감하기 위한 「흑색 삽입」으로서 사용할 수도 있다.
터치 센싱 기간 Ttouch에 있어서, 터치 구동 전압은, 터치 센싱 배선(3) 혹은 커먼 배선(30) 중 어느 것에 인가할 수 있다. 바꾸어 말하면, 터치 센싱 배선(3)을 구동 전극으로서 기능시키는 경우에는, 공통 전극(17)이 검출 전극으로서 기능할 수 있다. 반대로, 터치 센싱 배선(3)을 검출 전극으로서 기능시키는 경우에는, 공통 전극(17)이 구동 전극으로서 기능할 수 있다. 즉, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17)에 있어서, 구동 전극과 검출 전극의 기능을 교체할 수 있다.
또한, 액정 구동과 터치 구동의 시분할 구동에 있어서, 터치 구동 전압 Vtouch의 구형파를 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17) 중 어느 것에 상시 인가하고, 클럭 주파수의 펄스(제1 펄스 신호, 제2 펄스 신호)가 인가될 때만, 터치 검출 신호를 검출시키지 않는 방식을 채용할 수 있다. 즉, 실질적으로 분할 구동의 방법을 채용하는 것도 가능하다.
(채널층으로서 산화물 반도체를 사용하는 트랜지스터)
예를 들어, 채널층(27)으로서 메모리성이 양호한 IGZO, 혹은 산화아연을 산화안티몬으로 치환한 IGAO 등의 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터(액티브 소자)를 채용하면, 공통 전극(17)을 일정한 전압(정전위)으로 할 때의, 정전압 구동에 필요한 보조 용량(스토리지 캐패시터)을 생략하는 것도 가능하다. 채널층(27)으로서 IGZO나 IGAO를 사용한 트랜지스터는, 실리콘 반도체를 사용한 트랜지스터와 달리, 누설 전류가 매우 작으므로, 예를 들어 선행기술문헌의 특허문헌 4에 기재되어 있는 바와 같은 래치부를 포함하는 전송 회로를 생략할 수 있어, 단순한 배선 구조를 채용할 수 있다. 또한, IGZO 등의 산화물 반도체를 채널층으로서 사용한 트랜지스터를 구비하는 어레이 기판(200)을 사용한 액정 표시 장치 LCD1에 있어서는, 트랜지스터의 누설 전류가 작기 때문에, 화소 전극(20)에 액정 구동 전압을 인가한 후에 전압을 유지할 수 있어, 액정층(300)의 투과율을 유지할 수 있다.
IGZO 등의 산화물 반도체를 채널층(27)에 사용하는 경우, 액티브 소자(28)에서의 전자 이동도가 높아, 예를 들어 2msec(밀리초) 이하의 단시간에, 필요한 영상 신호에 대응하는 구동 전압을 화소 전극(20)에 인가할 수 있다. 예를 들어, 배속 구동(1초간의 표시 코마수가 120프레임인 경우)의 1프레임은 약 8.3msec이고, 예를 들어 6msec를 터치 센싱에 할당할 수 있다. 채널층(27)으로서 IGZO 등의 산화물 반도체를 사용하는 박막 트랜지스터는, 높은 내전압을 갖는다. 이 때문에, 예를 들어 액정 구동 전압으로서 5V 이상의 고전압을 사용함으로써, 액정의 응답성을 개선할 수 있다.
투명 전극 패턴을 갖는 공통 전극(17)이 정전위일 때에는, 액정 구동과 터치 전극 구동을 시분할 구동하지 않아도 된다. 액정의 구동 주파수와 터치 금속 배선의 구동 주파수는 상이하게 할 수 있다. 예를 들어, IGZO 등의 산화물 반도체를 채널층(27)에 사용한 액티브 소자(28)에 있어서는, 화소 전극(20)에 액정 구동 전압을 인가한 후에 투과율 유지(혹은 전압 유지)가 필요한 폴리실리콘 반도체를 사용한 트랜지스터와는 달리, 투과율을 유지하기 위해 영상을 리프레시(재차의 영상 신호의 기입)할 필요가 없어, 플리커가 적다. 따라서, IGZO 등의 산화물 반도체를 채용한 액정 표시 장치 LCD1에 있어서는, 저주파수에서의 구동이나 저소비 전력 구동이 가능해진다.
전술한 2층 구조의 TFT 어레이를 사용함으로써, 저주파수로부터 고주파수의 넓은 영역에서, 저소비 전력 구동이 가능해진다.
IGZO 등의 산화물 반도체는, 전기적인 내압이 높으므로, 조금 높은 전압으로 액정을 고속 구동할 수 있어, 3D 표시가 가능한 3차원 영상 표시에 사용하는 것이 가능해진다. IGZO 등의 산화물 반도체를 채널층(27)에 사용하는 액티브 소자(28)는, 상술한 바와 같이 메모리성이 높기 때문에, 예를 들어 액정 구동 주파수를 0.1㎐ 이상 30㎐ 이하 정도의 저주파수로 해도 플리커(표시의 깜박거림)가 발생하기 어려운 장점이 있다. IGZO나 IGAO를 채널층으로 하는 액티브 소자(28)를 사용하여, 저주파수에 의한 도트 반전 구동과, 또한, 도트 반전 구동과는 상이한 주파수에 의한 터치 구동을 함께 행함으로써, 저소비 전력으로, 고화질의 영상 표시와 고정밀도의 터치 센싱을 모두 얻을 수 있다.
또한, 산화물 반도체를 채널층(27)에 사용하는 액티브 소자(28)는, 전술한 바와 같이 누설 전류가 적기 때문에, 화소 전극(20)에 인가한 구동 전압을 긴 시간 유지할 수 있다. 액티브 소자(28)의 소스 배선(31)이나 게이트 배선(10)(보조 용량선) 등을 알루미늄 배선보다 배선 저항이 작은 구리 배선으로 형성하고, 또한, 액티브 소자로서 단시간에 구동할 수 있는 IGZO나 IGAO를 사용함으로써 터치 센싱의 주사를 행하기 위한 기간을 충분히 설정하는 것이 가능해진다. 즉, IGZO 등의 산화물 반도체를 액티브 소자에 적용함으로써 액정 등의 구동 시간을 짧게 할 수 있어, 표시 화면 전체의 영상 신호 처리 중에서, 터치 센싱에 적용하는 시간에 충분한 여유가 생긴다. 이것에 의해, 발생하는 정전 용량의 변화를 고정밀도로 검출할 수 있다.
또한, 채널층(27)으로서 IGZO 등의 산화물 반도체를 채용함으로써, 도트 반전 구동이나 칼럼 반전 구동에서의 커플링 노이즈의 영향을 대략 해소할 수 있다. 이것은, 산화물 반도체를 사용한 액티브 소자(28)에서는, 영상 신호에 대응하는 전압을 매우 짧은 시간(예를 들어, 2msec)에 화소 전극(20)에 인가할 수 있고, 또한, 그 영상 신호 인가 후의 화소 전압을 유지하는 메모리성이 높고, 그 메모리성을 활용한 유지 기간에 새로운 노이즈 발생은 없어, 터치 센싱에의 영향을 경감할 수 있기 때문이다.
산화물 반도체로서는, 인듐, 갈륨, 아연, 주석, 알루미늄, 게르마늄, 안티몬, 세륨 중 2종 이상의 금속 산화물을 포함하는 산화물 반도체를 채용할 수 있다.
IGZO나 IGAO 등의 산화물 반도체는, 높은 에너지 갭을 갖는다. 산화물 반도체의 막에 포함되는 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn)의 인듐 원자수를 1로 할 때의 갈륨, 아연의 각각 원자수비를, 1 내지 5로 할 수 있다. 산화인듐, 산화갈륨, 산화아연의 금속 산화물로서 각각 융점은, 약 1700℃ 내지 2200℃의 범위 내에 있다. 예를 들어, 산화안티몬이나 산화비스무트는, 상기의 산화인듐, 산화갈륨, 산화아연의 복합 산화물 중에 첨가할 수 있다. 또한, 복합 산화물에 있어서는, 산화갈륨 혹은 산화아연으로 치환하여, 산화안티몬이나 산화비스무트를 사용해도 된다.
산화물 반도체의 막 두께 방향에 있어서의 인듐이나 갈륨 등의 금속 원소의 농도는 변화되어도 된다. 예를 들어, 산화물 반도체와 절연층의 계면 부근에 있어서 산화물 반도체의 산화갈륨양을 크게 하고, 막 두께 방향의 중앙 부위에 대하여 산화인듐양을 크게 해도 된다. 산화물 반도체의 막 두께 방향으로 금속 원소의 각각의 농도 구배가 있어도 되고, 산화물 반도체의 막 두께 방향의 캐리어 이동도에 차가 있어도 된다.
(액정 배향과 액정 구동)
도 15 및 도 16은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1의 화소를 부분적으로 도시하는 평면도이다. 액정 분자(39)의 배향을 알기 쉽게 설명하기 위해, 1화소에 있어서의 액정의 배향 상태를 도시하고 있다. 도 15는 액정 표시 장치 LCD1의 화소를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 하나의 화소에 있어서의 액정의 배향 상태(초기 배향 상태)를 도시하는 평면도이다. 도 16은 액정 표시 장치 LCD1의 화소를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 화소 전극(20)과 공통 전극(17) 사이에 액정 구동 전압을 인가하였을 때의, 액정 구동 동작을 도시하는 평면도이다.
도 15 및 도 16에 도시한 예에서는, 화소 전극(20)은 직사각형으로 형성되어 있고, 화소 전극(20)의 길이 방향은 Y 방향에 일치하고 있다. 이와 같은 직사각형의 화소 전극(20)의 연장 방향(Y 방향)에 대해, 액정층(300)의 액정 분자(39)가 각도 θ로 경사지는 방향을 향하도록, 배향 처리가 배향막에 실시되어 있다.
특히, 본 실시 형태에 있어서는, 각 화소가 2개 영역으로 구획되어 있고, 즉, 각 화소는, 상부 영역 Pa(제1 영역)와 하부 영역 Pb(제2 영역)를 갖는다. 상부 영역 Pa 및 하부 영역 Pb는, 화소 중앙 CL(X 방향에 평행한 중앙선)에 대해, 선대칭으로 배치되어 있다. 상부 영역 Pa 및 하부 영역 Pb는, Y 방향에 대해, 액정층(300)의 액정 분자(39)에 각도 θ의 프리틸트를 부여하고 있다. 상부 영역 Pa에 있어서는, Y 방향에 대하여 시계 방향으로 각도 θ의 프리틸트가 액정 분자(39)에 부여되어 있다. 하부 영역 Pb에 있어서는, Y 방향에 대하여 반시계 방향으로 각도 θ의 프리틸트가 액정 분자(39)에 부여되어 있다. 배향막의 배향 처리로서는, 광 배향 처리 혹은 러빙 처리를 채용할 수 있다. 각도 θ를 구체적으로 규정할 필요는 없지만, 예를 들어 각도 θ를 3° 내지 15°의 범위로 해도 된다.
이와 같이 초기 배향이 부여되어 있는 액정 분자(39)는, 화소 전극(20)과 공통 전극(17) 사이에 전압이 인가되었을 때에, 도 16의 화살표로 나타내는 바와 같이 화소 전극(20)과 공통 전극(17) 사이에 프린지 전계가 생성되고, 프린지 전계의 방향을 따르도록 액정 분자(39)는 배향되고, 액정 분자(39)가 구동된다. 보다 구체적으로는, 도 26에 도시한 바와 같이 화소 전극(20)으로부터 공통 전극(17)을 향하는 프린지 전계가 발생하고, 프린지 전계에 따라 액정 분자(39)가 구동되어, 평면으로 보아 회전한다.
도 26은 액정 표시 장치 LCD1을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 액정 구동 전압을 공통 전극(17)과 화소 전극(20) 사이에 인가하였을 때의 액정 구동 동작을 도시하고 있다. FFS라 불리는 액정 구동 방식은, 공통 전극(17)과 화소 전극(20) 사이에 발생하는 전계, 특히 프린지라 불리는 전극 단부에 있어서 발생하는 전계에 의해 액정 분자(39)가 구동된다. 도 26에 도시한 바와 같이 액정층(300)의 두께 방향에 있어서의 일부 R1에 있어서의 액정 분자(39)가 회전하고, 이 액정 분자(39)가 주로 투과율 변화에 기여한다. 따라서, 관찰자로부터 본 수직 방향의 투과율에 관해, FFS 등의 횡전계 구동의 액정 표시 장치에 비해, 액정층(300)의 두께 방향에 있어서의 액정 분자를 충분히 활용할 수 있는 VA 등의 종전계 구동의 액정 표시 장치에 있어서 높은 투과율이 얻어진다. 그러나, FFS 등의 횡전계 구동의 액정 표시 장치는 시야각이 넓다는 특성을 갖기 때문에, 이 특성의 관점에서, 본 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1은, 횡전계 구동 방식을 채용하고 있다.
도 30은 종래의 액정 표시 장치(250)를 도시하는 단면도이며, 액정 구동 전압을 인가하였을 때의 등전위선 L2를 도시하는 모식도이다. 투명 기판(215)측에 투명 전극이나 도전막이 존재하지 않는 경우에는, 등전위선 L2는 투명 수지층(213), 컬러 필터(214) 및 투명 기판(215)을 관통하여 상부로 연장된다. 등전위선 L2가 액정층(206)의 두께 방향으로 연선되는 경우, 액정층(206)의 실효 두께가 어느 정도 확보되므로, 횡전계 구동 방식의 액정 표시 장치(250)의 본래의 투과율을 확보할 수 있다.
도 31은 종래의 액정 표시 장치(250A)를 도시하는 단면도이며, 전술한 액정 표시 장치(250)의 각 구성에 더하여 액정층(206)과 투명 수지층(213) 사이에 대향 전극(221)을 구비하는 경우를 도시하고 있다. 이 경우에는, 등전위선 L3은 대향 전극(221)을 관통하지 않으므로, 등전위선 L3의 형상은 전술한 등전위선 L2의 형상으로부터 변형된다. 이때, 액정층(206)의 실효 두께는 액정 표시 장치(250)의 액정층(206)의 실효 두께에 비해 얇아져, 액정 표시 장치(250A)의 휘도(투과율)는 크게 저하된다.
본 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1은, 이와 같은 도 30 및 도 31에 도시한 종래의 액정 표시 장치와는 상이하다. 본 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1에 있어서는, 화소 전극(20)의 상방에 공통 전극(17)이 형성되고, 공통 전극(17)의 전위가 0V로 유지되고, 화소 전극(20)과 공통 전극(17) 사이에 전압을 인가함으로써, 화소 전극(20)으로부터 공통 전극(17)을 향하는 프린지 전계를 발생시키고, 이 프린지 전계에 의해 액정 분자(39)가 구동된다.
(터치 센싱 구동)
도 17 및 도 18은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1에 있어서, 터치 센싱 배선(3)이 터치 구동 전극으로서 기능하고, 또한, 공통 전극(17)이 터치 검출 전극으로서 기능한 경우의 구조를 도시하고 있다.
도 17 및 도 18에 도시한 구조에 기초하여, 이하의 설명을 행한다.
또한, 상술한 바와 같이, 터치 구동 전극과 터치 검출 전극의 역할을 교체할 수 있다.
도 17은 터치 센싱 배선과 공통 전극 사이에 전계가 생성된 상태를 도시하는 모식 단면도이며, 도 18은 손가락 등의 포인터가 표시 장치 기판(100)의 관찰자측의 표면에 접촉 혹은 근접하였을 때의 전계의 생성 상태의 변화를 도시하는 단면도이다.
도 17 및 도 18에 있어서는, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17)을 사용한 터치 센싱 기술을 설명한다. 도 17 및 도 18은, 터치 센싱 구동을 알기 쉽게 설명하기 위해, 어레이 기판(200)을 구성하는 제1 절연층(11) 및 공통 전극(17)과, 표시 장치 기판(100)를 도시하고 있고, 그 밖의 구성은 생략하였다.
도 17 및 도 18에 도시한 바와 같이, 액정층(300)의 두께 방향에 대하여 경사지는 경사 방향에 있어서, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17)이 서로 마주보고 있다. 이 때문에, 경사 방향의 전계가 생성되는 상태의 변화에 대하여 검출 신호의 콘트라스트를 용이하게 향상시키는 것이 가능하여, 터치 센싱의 S/N비를 높게 할 수 있다는 효과(S/N비의 개선 효과)가 얻어진다. 또한, 이와 같이 경사 방향으로 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17)이 서로 마주보는 배치에 있어서는, 평면으로 보아 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17)이 겹치는 중첩부가 형성되지 않기 때문에, 기생 용량을 크게 저감시킬 수 있다. 또한, 터치 검출 전극과 터치 구동 전극이, 두께의 상하 방향에서 겹치는 구성에서는, 터치 검출 전극 및 터치 구동 전극이 서로 겹치는 부분에 있어서의 정전 용량이 변화되기 어렵기 때문에, 터치 센싱의 S/N비에 콘트라스트를 부여하기 어렵다. 예를 들어, 터치 검출 전극과 터치 구동 전극이 동일면 상의 평행한 위치 관계에 있는 경우에는, 손가락 등의 포인터의 위치에 따라 정전 용량이 불균일하게 변화되기 쉬워져, 오검출 및 해상도의 저하의 우려가 있다.
본 발명의 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1에 있어서는, 도 2나 도 20에 도시한 바와 같이, 공통 전극(17)은 검출 전극으로서 기능하고, 길이 EL을 갖는다. 이 공통 전극(17)은 구동 전극으로서 기능하는 터치 센싱 배선(3)과, 평면으로 보아, 평행하고, 길이 EL을 갖는 공통 전극(17)에 의해, 정전 용량을 충분히 또한 균일하게 확보할 수 있다.
도 17은, 터치 센싱 배선(3)을 터치 구동 전극으로서 기능시키고, 공통 전극(17)을 터치 검출 전극으로서 기능시킨 경우의, 정전 용량의 발생 상황을 모식적으로 도시하고 있다. 터치 센싱 배선(3)에는, 소정 주파수에서 펄스상의 기입 신호가 공급된다. 이 기입 신호의 공급은, 액정 구동과 터치 구동의 시분할로 행해도 된다. 기입 신호에 의해, 접지되어 있는 공통 전극(17)과 터치 센싱 배선(3) 사이에, 전기력선(33)(화살표)으로 나타내어지는 정전 용량이 유지된다.
도 18에 도시한 바와 같이, 손가락 등의 포인터가 표시 장치 기판(100)의 관찰자측의 표면에 접촉 혹은 근접하면, 공통 전극(17)과 터치 센싱 배선(3) 사이의 정전 용량이 변화되고, 이 정전 용량의 변화에 의해, 손가락 등의 포인터의 터치의 유무가 검출된다.
도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17) 사이에는, 액정 구동에 관계되는 전극이나 배선은 형성되어 있지 않다. 또한, 도 3이나 도 5에 도시된 바와 같이 소스 배선(31)이, 터치 센싱 배선(3) 및 공통 전극(17)(터치 구동 배선 및 터치 검출 배선)으로부터 이격되어 있다. 이 때문에, 액정 구동에 관계되는 노이즈를 끌어들이기 어려운 구조가 실현되어 있다.
예를 들어, 평면으로 보아, 복수의 터치 센싱 배선(3)은, 제1 방향(예를 들어, Y 방향)으로 연장됨과 함께, 제2 방향(예를 들어, X 방향)으로 나란히 배치되어 있다. 복수의 커먼 배선(30)(도전 배선)은, Z 방향에 있어서 어레이 기판(200)의 내부에 있어서의 화소 전극(20)보다도 하방에 위치하고, 제2 방향(예를 들어, X 방향)으로 연장되고, 제1 방향(예를 들어, Y 방향)으로 배열되어 있다. 공통 전극(17)은 커먼 배선(30)과 전기적으로 접속되어 있고, 공통 전극(17)과 터치 센싱 배선(3) 사이의 정전 용량의 변화를 터치 유무의 검출에 사용한다.
본 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD1에 있어서, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17) 사이에, 예를 들어 500㎐ 이상 500㎑ 이하의 주파수에서 구형파상의 펄스 신호가 인가된다. 통상, 이 펄스 신호의 인가에 의해, 검출 전극인 공통 전극(17)은 일정한 출력 파형을 유지한다. 손가락 등의 포인터가 표시 장치 기판(100)의 관찰자측의 표면에 접촉 혹은 근접하면, 그 부위의 공통 전극(17)의 출력 파형에 변화가 나타나, 터치의 유무가 판단된다. 손가락 등의 포인터의 표시면까지의 거리는, 포인터의 근접으로부터 접촉할 때까지의 시간(통상, 수백μsec 이상 수msec 이하)이나, 그 시간 내에 카운트되는 출력 펄스수 등에 의해 측정할 수 있다. 터치 검출 신호의 적분값을 취함으로써 안정된 터치 검출을 행할 수 있다.
터치 센싱 배선(3) 및 커먼 배선(30)(혹은 도전 배선에 접속된 공통 전극) 모두를 터치 센싱에 사용하지 않아도 된다. 씨닝 구동을 행해도 된다. 다음에, 터치 센싱 배선(3)을 씨닝 구동시키는 경우에 대하여 설명한다. 먼저, 모든 터치 센싱 배선(3)을 복수의 그룹으로 구분한다. 그룹의 수는, 모든 터치 센싱 배선(3)의 수보다 적다. 하나의 그룹을 구성하는 배선수가, 예를 들어 6개인 것으로 한다. 여기서, 모든 배선(배선수는 6개) 중, 예를 들어 2개의 배선을 선택한다(모든 배선의 개수보다도 적은 개수, 2개<6개). 하나의 그룹에 있어서는, 선택된 2개의 배선을 사용하여 터치 센싱이 행해지고, 나머지 4개의 배선에 있어서의 전위가 플로팅 전위로 설정된다. 액정 표시 장치 LCD1은, 복수의 그룹을 갖기 때문에, 상기와 같이 배선의 기능이 정의되어 있는 그룹마다 터치 센싱을 행할 수 있다. 마찬가지로, 커먼 배선(30)에 있어서도, 씨닝 구동을 행해도 된다.
터치에 사용되는 포인터가, 손가락인 경우와 펜인 경우는, 접촉 혹은 근접하는 포인터의 면적이나 용량이 상이하다. 이러한 포인터의 크기에 따라, 씨닝하는 배선의 개수를 조정할 수 있다. 펜이나 바늘 끝 등 선단이 가는 포인터에서는, 배선의 씨닝 개수를 줄여 고밀도의 터치 센싱 배선의 매트릭스를 사용할 수 있다. 지문 인증 시도 고밀도의 터치 센싱 배선의 매트릭스를 사용할 수 있다.
이와 같이 그룹마다 터치 센싱 구동을 행함으로써, 주사 혹은 검출에 사용되는 배선수가 줄어들기 때문에, 터치 센싱 속도를 올릴 수 있다. 또한, 상기의 예에서는, 하나의 그룹을 구성하는 배선수가 6개였지만, 예를 들어 10 이상의 배선수로 하나의 그룹을 형성하고, 하나의 그룹에 있어서 선택된 2개의 배선을 사용하여 터치 센싱을 행해도 된다. 즉, 씨닝되는 배선의 수(플로팅 전위가 되는 배선의 수)를 증가시키고, 이에 의해 터치 센싱에 사용되는 선택 배선의 밀도(전체 배선수에 대한 선택 배선의 밀도)를 저하시키고, 선택 배선에 의해 주사 혹은 검출을 행함으로써, 소비 전력의 삭감이나 터치 검출 정밀도의 향상에 기여한다. 반대로, 씨닝되는 배선의 수를 저감시켜, 터치 센싱에 사용되는 선택 배선의 밀도를 높게 하고, 선택 배선에 의해 주사 혹은 검출을 행함으로써, 예를 들어 지문 인증이나 터치펜에 의한 입력에 활용할 수 있다. 이러한 터치 센싱의 동안, 소스 배선(31)이나 게이트 배선(10)을 접지 혹은 오픈(플로팅)으로 하여, 이들 배선에 기인하는 기생 용량을 저감시킬 수 있다.
터치 센싱 구동과 액정 구동을 시분할로 행할 수도 있다. 요구되는 터치 입력의 속도에 맞추어 터치 구동의 주파수를 조정해도 된다. 터치 구동 주파수는, 액정 구동 주파수보다 높은 주파수를 채용할 수 있다. 손가락 등의 포인터가 표시 장치 기판(100)의 관찰자측의 표면에 접촉 혹은 근접하는 타이밍은 부정기이며, 또한, 단시간이기 때문에, 터치 구동 주파수는 높은 것이 바람직하다.
터치 구동 주파수와 액정 구동 주파수를 상이하게 하는 방법은, 몇 가지를 들 수 있다. 예를 들어, 노멀리 오프의 액정 구동에서, 흑색 표시(오프)일 때에 백라이트도 오프로 하고, 이 흑색 표시의 기간(액정 표시에 영향이 없는 기간)에 터치 센싱을 행해도 된다. 이 경우, 터치 구동의 주파수를 다양하게 선택할 수 있다.
또한, 부의 유전율 이방성을 갖는 액정을 사용하는 경우라도, 액정 구동 주파수와는 상이한 터치 구동 주파수를 선택하기 쉽다. 바꾸어 말하면, 도 17 및 도 18에 도시한 바와 같이 터치 센싱 배선(3)으로부터 공통 전극(17)을 향하여 발생하는 전기력선(33)은 액정층(300)의 경사 방향 혹은 두께 방향으로 작용하지만, 부의 유전율 이방성을 갖는 액정을 사용하면, 이 전기력선(33)의 방향으로 액정 분자가 일어서지 않기 때문에, 표시 품질에 대한 영향이 적어진다.
나아가, 터치 센싱 배선(3)이나 커먼 배선(30)의 배선 저항을 낮추고, 저항의 저하에 수반하여 터치 구동 전압을 낮추는 경우도, 액정 구동 주파수와는 상이한 터치 구동 주파수를 용이하게 설정할 수 있다. 터치 센싱 배선(3)이나 커먼 배선(30)을 구성하는 금속층에 구리나 은 등의 도전율이 양호한 금속, 합금을 사용함으로써 낮은 배선 저항이 얻어진다.
3D(입체 영상) 표시를 행하는 표시 장치의 경우, 통상의 2차원 화상의 표시에 더하여, 3차원적으로 앞쪽의 화상이나 안쪽에 있는 화상을 표시하기 위해 복수의 영상 신호(예를 들어, 우안용의 영상 신호와 좌안용의 영상 신호)가 필요로 된다. 이 때문에, 액정 구동의 주파수에 관해, 예를 들어 240㎐ 혹은 480㎐ 등의 고속 구동 및 많은 영상 신호가 필요로 된다. 이때, 터치 구동의 주파수를 액정 구동의 주파수와는 상이하게 함으로써 얻어지는 장점은 크다. 예를 들어, 본 실시 형태에 의해 3D 표시의 게임 기기에 있어서, 고속 및 고정밀도의 터치 센싱이 가능해진다. 본 실시 형태에서는, 게임 기기나 현금 자동 지급기 등의 손가락 등의 터치 입력 빈도가 높은 디스플레이에 있어서도 특히 유용하다.
동화상 표시를 전형으로 하여, 화소의 영상 신호에 의한 재기입 동작은 빈번하게 행해진다. 이들 영상 신호에 부수되는 노이즈는 소스 배선으로부터 파생되기 때문에, 본 발명의 실시 형태와 같이 소스 배선(31)의 두께 방향(Z 방향)의 위치를 터치 센싱 배선(3)으로부터 멀리 떨어지게 하는 것은 바람직하다. 본 발명의 실시 형태에 따르면, 터치 구동 신호는, 소스 배선(31)으로부터 먼 위치에 있는 터치 센싱 배선(3)에 인가되기 때문에, 터치 구동 신호가 인가되는 배선이 어레이 기판에 형성된 구조를 개시하는 특허문헌 6보다도, 노이즈의 영향이 적어진다.
일반적으로, 액정 구동의 주파수는 60㎐, 혹은, 이 주파수의 정수배의 구동 주파수이다. 통상, 터치 센싱 부위는, 액정 구동의 주파수에 수반되는 노이즈의 영향을 받는다. 또한, 통상의 가정 전원은, 50㎐ 혹은 60㎐의 교류 전원이며, 이러한 외부 전원에서 동작하는 전기 기기로부터 발생하는 노이즈를, 터치 센싱 부위가 끌어들이기 쉽다. 따라서, 터치 구동의 주파수로서, 50㎐나 60㎐의 주파수와는 상이한 주파수, 혹은, 이들 주파수의 정수배로부터 약간 시프트시킨 주파수를 채용함으로써, 액정 구동이나 외부의 전자 기기로부터 발생하는 노이즈의 영향을 크게 저감할 수 있다. 혹은, 시간축에서, 액정 구동 신호의 인가 타이밍으로부터 터치 센싱 구동 신호의 인가 타이밍을 시프트시켜도 된다. 시프트양은, 약간 양이어도 되고, 예를 들어 노이즈 주파수로부터 ±3％ 내지 ±17％의 시프트양이어도 된다. 이 경우, 노이즈 주파수에 대한 간섭을 저감할 수 있다. 예를 들어, 터치 구동의 주파수는, 예를 들어 500㎐ 내지 500㎑의 범위로부터, 상기 액정 구동 주파수나 전원 주파수와 간섭하지 않는 상이한 주파수를 선택할 수 있다. 액정 구동 주파수나 전원 주파수와 간섭하지 않는 상이한 주파수를 터치 구동의 주파수로서 선택함으로써, 예를 들어 칼럼 반전 구동에서의 커플링 노이즈 등의 노이즈의 영향을 경감할 수 있다.
또한, 터치 센싱 구동에 있어서, 구동 전압을, 터치 센싱 배선(3) 모두에 공급하는 것이 아니라, 상술한 바와 같이 씨닝 구동에 의해 터치 위치 검출을 행함으로써, 터치 센싱에서의 소비 전력을 저감할 수 있다.
씨닝 구동에 있어서, 터치 센싱에 사용되지 않는 배선, 즉, 플로팅 패턴을 갖는 배선에 대해서는, 스위칭 소자에 의해, 검출 전극이나 구동 전극으로 전환하여 고정밀한 터치 센싱을 행해도 된다. 혹은, 플로팅 패턴을 갖는 배선은, 그라운드(하우징에 접지)와 전기적으로 접속하도록 전환할 수도 있다. 터치 센싱의 S/N비를 개선하기 위해, 터치 센싱의 신호 검출 시에 TFT 등의 액티브 소자의 신호 배선을 일시, 그라운드(하우징 등)에 접지해도 된다.
또한, 터치 센싱 제어에 의해 검출하는 정전 용량의 리셋에 시간을 요하는 터치 센싱 배선, 즉, 터치 센싱에서의 시상수(용량과 저항값의 곱)가 큰 터치 센싱 배선에서는, 예를 들어 홀수행의 터치 센싱 배선과 짝수행의 터치 센싱 배선을 교대로 센싱에 이용하여, 시상수의 크기를 조정한 구동을 행해도 된다. 복수의 터치 센싱 배선을 그루핑하여 구동이나 검출을 행해도 된다. 복수의 터치 센싱 배선의 그루핑은, 선순차로 하지 않고, 그 그룹 단위로 셀프 검출 방식이라고도 호칭되는, 일괄 검출의 방법을 취해도 된다. 그룹 단위로의, 병렬 구동을 행해도 된다. 혹은 기생 용량 등의 노이즈 캔슬을 위해, 서로 근접 또는 인접하는 터치 센싱 배선의 검출 신호의 차를 취하는 차분 검출 방식을 채용해도 된다.
상술한 제1 실시 형태에 따르면, S/N비가 높고, 고해상도이며, 또한, 고속의 터치 입력에 부응할 수 있는 액정 표시 장치 LCD1을 제공할 수 있다. 또한, 채널층으로서 산화물 반도체를 사용한 박막 트랜지스터를 채용함으로써, 저소비 전력이며 플리커가 적고, 또한, 터치 센싱 기능을 구비한 액정 표시 장치를 실현할 수 있다.
(제1 실시 형태의 변형예)
도 19는 본 발명의 제1 실시 형태의 변형예에 관한 액정 표시 장치의 주요부를 도시하는 확대 단면도이다. 도 19에 있어서, 상술한 실시 형태와 동일 부재에는 동일 부호를 붙이고, 그 설명은 생략 또는 간략화한다.
도 19에 있어서는, 어레이 기판(200)에 형성되는 제3 절연층(13)과, 제3 절연층(13) 상에 형성되는 돌기부(13A)와, 돌기부(13A) 상에 형성되는 커먼 배선(30)이 도시되어 있고, 그 밖의 절연층, 배선, 전극 등은 생략되어 있다. 돌기부(13A)는, 예를 들어 상술한 절연층을 형성하는 절연 재료를 사용하여 형성되어 있다.
평면으로 보아, 돌기부(13A)의 패턴과 커먼 배선(30)의 패턴은 일치하고 있다. 돌기부(13A)의 상면과, 돌기부(13A)가 형성되어 있지 않은 제3 절연층(13)의 상면 사이의 높이는 W3이다. 돌기부(13A)를 형성하는 방법으로서는, 상술한 실시 형태에 의해 제3 절연층(13)을 형성한 후에, 제4 절연층(14) 상에 먼저 형성된 제3 절연층(13) 상에 돌기부(13A)를 부가적으로 형성하는 방법을 들 수 있다. 이와 같은 돌기부(13A)의 형성 방법은, 공지의 성막 공정이나 패터닝 공정이 사용된다. 제3 절연층(13)의 재료와 돌기부(13A)의 재료는 동일해도 되고, 상이해도 된다.
소스 배선(31)에 공급되는 영상 신호에 기인하는 노이즈가 커먼 배선(30)에 타는 것을 억제하는 관점에서, 돌기부(13A)의 높이 W3을 적절하게 설정하는 것이 가능하다.
특히, 도 5에 도시한 바와 같이, 제3 절연층(13)은 게이트 전극(25)과 채널층(27) 사이에 위치하는 게이트 절연막으로서 기능하고, 액티브 소자(28)의 스위칭 특성을 고려한 적절한 막 두께가 요구된다. 이 때문에, 소스 배선에 공급되는 영상 신호에 기인하는 노이즈가 커먼 배선(30)에 타는 것을 억제하는 것, 및, 액티브 소자(28)에 있어서 원하는 스위칭 특성을 실현하는 것의 양쪽을 고려하면, 제4 절연층(14) 상에 있어서 제3 절연층(13)의 막 두께를 부분적으로 상이하게 할 필요가 있다.
따라서, 처음에, 액티브 소자(28)에 있어서의 스위칭 특성을 고려한 적절한 막 두께로 제3 절연층(13)을 제4 절연층(14) 상에 형성하고, 그 후, 커먼 배선(30)에 대한 노이즈의 영향을 고려한 높이 W3을 갖는 돌기부(13A)를 제3 절연층(13) 상에 형성한다. 또한, 돌기부(13A) 상에 커먼 배선(30)을 형성한다. 이 구성에 따르면, 커먼 배선(30)과 소스 배선(31) 사이에 있어서의 절연체의 두께(제3 절연층(13)의 막 두께와 돌기부(13A)의 막 두께의 합계)를 크게 유지한 채로, 채널층(27)의 바로 위에 위치하는 제3 절연층(13)의 두께를 얇게 할 수 있다. 이에 의해, 소스 배선에 공급되는 영상 신호에 기인하는 노이즈가 커먼 배선(30)에 타는 것을 억제할 수 있음과 함께, 액티브 소자(28)에 있어서 원하는 스위칭 특성을 실현할 수 있다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD2를, 도 20 내지 도 25를 사용하여 설명한다. 상술한 제1 실시 형태와 동일 부재에는 동일 부호를 붙이고, 그 설명은 생략 또는 간략화한다.
도 20은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD2를 구성하는 어레이 기판(200)을 부분적으로 도시하는 평면도이며, 관찰자측으로부터 본 평면도이다.
도 21은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD2를 구성하는 어레이 기판(200)을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 20에 도시한 D-D'선을 따르는 단면도이다.
도 22는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD2를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 어레이 기판(200) 상에 액정층을 개재하여, 컬러 필터 및 터치 센싱 배선을 구비하는 표시 장치 기판이 적층된 구조를 도시하는 평면도이며, 관찰자측으로부터 본 평면도이다.
도 23은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD2를 구성하는 어레이 기판(200)을 부분적으로 도시하는 단면도이며, 도 20에 도시한 E-E'선을 따르는 단면도이다.
도 24는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD2의 화소를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 하나의 화소에 있어서의 액정의 배향 상태를 도시하는 평면도이다.
도 25는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD2의 화소를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 화소 전극과 공통 전극 사이에 액정 구동 전압을 인가하였을 때의, 액정 구동 동작을 도시하는 평면도이다.
도 20에 도시한 바와 같이, 제2 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD2가 구비하는 화소는, く자 형상 패턴(dog-legged pattern)을 갖는다.
도 24 및 도 25에 도시한 바와 같이, 공통 전극(17) 및 화소 전극(20)은, Y 방향에 대하여 각도 θ로 경사지는 경사부를 갖고 있다. 구체적으로, 각 화소에 있어서의 공통 전극(17) 및 화소 전극(20)은, 상부 영역 Pa(제1 영역)와 하부 영역 Pb(제2 영역)를 갖는다. 상부 영역 Pa 및 하부 영역 Pb는, 화소 중앙(X 방향에 평행한 중앙선)에 대해, 선대칭으로 배치되어 있다. 상부 영역 Pa에 있어서는, 공통 전극(17) 및 화소 전극(20)은, Y 방향에 대하여 시계 방향으로 각도 θ로 경사져 있다. 하부 영역 Pb에 있어서는, 공통 전극(17) 및 화소 전극(20)은, Y 방향에 대하여 반시계 방향으로 각도 θ로 경사져 있다. 이와 같이 공통 전극(17) 및 화소 전극(20)을 경사지게 함으로써, Y 방향에 평행한 배향 처리 방향 Rub를 따라서 러빙 처리를 배향막에 실시함으로써, 액정 분자(39)에 Y 방향으로 초기 배향을 부여할 수 있다. 배향막의 배향 처리로서는, 광 배향 처리 혹은 러빙 처리를 채용할 수 있다. 각도 θ를 구체적으로 규정할 필요는 없지만, 예를 들어 각도 θ를 3° 내지 15°의 범위로 해도 된다. 도 20에 있어서, 공통 전극(17)은 스트라이프 패턴을 갖고 형성되어 있고, く자 형상으로 형성된 2개의 전극부(17A)를 갖는다. 콘택트 홀 H는, 공통 전극(17)의 도전 패턴(전극부(17A), く자 형상 패턴)의 중앙에 위치하고 있다.
도 22에 도시한 바와 같이, 소스 배선(31), 흑색층(8)(블랙 매트릭스 BM의 Y 방향 연장부), 터치 센싱 배선(3) 및 컬러 필터(51)를 구성하는 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(청색)도, く자 형상 패턴(dog-legged pattern)을 갖는다.
도 23에 도시한 예에서는, 제4 절연층(14) 상에 채널층(27), 소스 전극(24) 및 드레인 전극(26)이 형성되어 있다. 상기 제1 실시 형태에서는, 소스 전극(24) 및 드레인 전극(26)이 채널층(27) 상에 형성되어 있었지만(도 11), 본 실시 형태에서는, 소스 전극(24) 및 드레인 전극(26) 상에 채널층(27)이 형성되어 있다.
즉, 본 실시 형태에서는, 제4 절연층(14) 상에, 먼저 소스 전극(24)과 드레인 전극(26)을 형성하고 있다. 제2 실시 형태에서의 소스 전극(24)과 드레인 전극(26)의 구성으로서는, 몰리브덴/알루미늄 합금/몰리브덴의 3층 구성을 채용하였다. 채널층(27)의 일부는, 소스 전극(24) 및 드레인 전극(26)에 중첩되어 있다. 채널층(27)의 재료로서는, 산화인듐, 산화갈륨, 산화아연의 복합 산화물 반도체를 채용하고 있다. 산화아연은 산화안티몬으로 치환할 수 있다.
다음에, 화소 형상이 상기 형상을 갖는 장점에 대하여, 도 24 및 도 25를 참조하여 설명한다.
도 25는 공통 전극(17)과 화소 전극(20) 사이에 액정 구동 전압을 인가하였을 때의 액정 구동 동작을 도시하고 있다. 액정 구동 전압은, 화소 전극(20)으로부터 공통 전극(17)의 화살표 방향으로 가해지고, 도 26에 도시한 바와 같이 화소 전극(20)으로부터 공통 전극(17)을 향하는 프린지 전계가 발생하고, 프린지 전계에 따라 액정 분자(39)가 구동되어, 평면으로 보아 화살표 방향을 따라서 회전한다. 화소의 상부 영역 Pa와 화소의 하부 영역 Pb에 위치하는 액정 분자(39)는, 도 25에 도시된 바와 같이 서로 역방향으로 회전한다. 구체적으로, 상부 영역 Pa에 있어서의 액정 분자(39)는 반시계 방향으로 회전하고, 하부 영역 Pb에 있어서의 액정 분자(39)는 시계 방향으로 회전한다. 이 때문에, 광학적 보상을 실현할 수 있어, 액정 표시 장치 LCD2의 시야각을 확대할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 액정 분자(39)로서는, 정의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자를 채용하고 있다. 부의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자를 채용하는 경우, 액정층(300)의 두께 방향으로 액정 분자가 일어서기 어렵다. 본 실시 형태에 있어서는, 터치 구동 전압이, 터치 센싱 배선(3)으로부터 공통 전극(17)을 향한 방향, 즉, 액정의 두께 방향에 대하여 경사지는 경사 방향으로 인가되기 때문에, 부의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자를 채용하는 것이 바람직하다. 액정 재료로서는, 예를 들어 액정층(300)의 고유 저항률이 1×1013Ω㎝ 이상인 고순도 재료인 것이 바람직하다.
본 실시 형태에 따르면, 상술한 제1 실시 형태에 의해 얻어지는 효과에 더하여, Y 방향에 평행한 배향 처리 방향 Rub를 실시함으로써, 상부 영역 Pa와 하부 영역 Pb에 있어서의 액정 분자(39)에 초기 배향을 부여할 수 있다.
도 32를 참조하여, 본 실시 형태의 장점에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 32는 FFS 모드를 이용하는 종래의 액정 표시 장치의 1화소를 도시하는 확대 평면도이며, 어레이 기판을 도시하는 평면도이다. 도 32에서는, 화소 전극(50)이 어레이 기판의 상면에 위치하고 있고, 절연층을 개재하여 화소 전극(50)의 하방에 공통 전극(47)이 위치하고 있다. 화소 전극(50) 및 공통 전극은, ITO 등 투명 도전막으로 형성되어 있다. 콘택트 홀(48)을 통해, 화소 전극(50)은 박막 트랜지스터(46)의 드레인 전극과 전기적으로 연결되어 있다. 화소 전극(50)의 상단부에 위치하는 박막 트랜지스터(46)에 가까운 위치에 콘택트 홀(48)이 배치된다.
이와 같은 종래의 액정 표시 장치에 있어서는, 콘택트 홀(48)의 위치로부터 최대 거리 Pd에 도달하도록 화소 전극(50)을 연장시킬 필요가 있다. 이 경우, 화소 전극(50)을 형성하는 투명 도전막의 저항값과 화소 전극(50)의 위치의 관계에 의해, 콘택트 홀에 가까운 위치에 있어서의 액정 분자와, 콘택트 홀로부터 이격된 위치에 있어서의 (최대 거리 Pd 이격된) 액정 분자 사이에, 응답성의 차가 발생해 버린다.
종래의 액정 표시 장치를 구성하는 화소에 있어서 보다 큰 문제는, 복수 스트라이프 패턴(빗살상 패턴)으로 형성된 화소 전극의 콘택트 홀에 가까운 위치에 있어서 액정의 디스크리네이션 영역 D가 발생해 버리는 것이다. 디스크리네이션 영역 D에서는, 화소 전극(50)으로부터 공통 전극(47)으로의 전기력선(49)의 방향이 변화되기 때문에, 충분한 투과율이 얻어지지 않고, 또한, 투과하는 광에 변색이 발생하는 경우가 있다.
본 실시 형태는, 도 32에 도시한 바와 같은 화소 전극(50)과 박막 트랜지스터(46)가 접속되는 제휴부의 종래 구성과는 상이하다. 본 실시 형태에 있어서는, 도 20에 도시된 바와 같이, 어느 공통 전극(17)은, 화소의 길이 방향에 있어서의 중앙에 위치하는 콘택트 홀 H(LH, RH)를 통해 도전 배선(커먼 배선(30))과 전기적으로 연결되기 때문에, 공통 전극(17)을 형성하는 투명 도전막의 저항값의 차는, 종래 구성보다 작아지는 장점이 있다. 상기한 종래 구성의 화소 전극의 제휴부가 형성되어 있지 않기 때문에, 액정의 디스크리네이션 영역 D의 악영향은 거의 발생하지 않는다.
상술한 실시 형태에 있어서는, 공통 전극(17)의 패턴으로서, Y 방향으로 연장되는 스트라이프 패턴 혹은 く자 형상 패턴(dog-legged pattern)에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 정사각형 패턴, 직사각형 패턴, 평행사변형 패턴 등을 채용해도 된다.
(제3 실시 형태)
제3 실시 형태에 관한 액정 표시 장치 LCD3을, 도 27 내지 도 29를 사용하여 설명한다.
상술한 제1 실시 형태와 동일 부재에는 동일 부호를 붙이고, 그 설명은 생략 또는 간략화한다.
도 27은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 액정 표시 장치의 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 평면도이다. 도 28은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 표시 장치를 부분적으로 도시하는 평면도이며, 어레이 기판 상에, 액정층을 개재하여, 컬러 필터 및 터치 센싱 배선을 구비하는 표시 장치 기판이 적층된 구조를 도시하는 평면도이며, 관찰자측으로부터 본 평면도이다. 도 29는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 표시 장치를 구성하는 어레이 기판을 부분적으로 도시하는 단면도이다.
제3 실시 형태에 있어서의 화소 개구부(18)는, 평면으로 보아, 각도가 상이한 평행사변형 형상으로 형성되어 있고, Y 방향으로 배열된다. 화소의 각각은, X 방향에 평행한 게이트 배선(10)과, 평행사변형 형상의 화소를 따르는 소스 배선(31)에 의해, 매트릭스상으로 구분되어 있다. 도 27에 있어서는, 화소 개구부(18)의 각각의 우측 상단에 액티브 소자(28)가 형성되어 있다. 액티브 소자(28)는 소스 배선(31)에 접속되어 있는 소스 전극(24)과, 채널층(27)과, 드레인 전극(26)과, 절연막을 개재하여 채널층(27)에 대향 배치된 게이트 전극(25)을 구비한다. 액티브 소자(28)의 게이트 전극(25)은 게이트 배선(10)의 일부를 구성하고 있고, 게이트 배선(10)에 접속되어 있다. 또한, 박막 트랜지스터인 액티브 소자의 구성은, 도 5에 도시한 구조와 마찬가지이다.
화소 전극(20)은, 도 27에 도시한 바와 같이 화소 전극(20)의 우측 상부 코너에 위치하는 콘택트 홀(29)을 통해 드레인 전극(26)과 전기적으로 연결된다.
공통 전극(17)은 스트라이프 패턴을 갖고 형성되어 있다. 구체적으로, 공통 전극(17)은 평행사변형 형상을 갖는 화소의 Y 방향을 향한 연장 방향(Y 방향에 대하여 각도 θ로 경사지는 방향)으로 평행하게 연장되고, 화소 개구부(18)의 중앙에 위치하고 있다.
공통 전극(17)은, 각 화소에 하나 형성되어 있다. 각도 θ는, 평면으로 본 Y 방향에 대한 기울기이다. 공통 전극(17)의 각각의 하부에 있어서는, 단면에서 보아, 제1 절연층(11)의 하부에 위치하는 화소 전극(20)이 형성되어 있다. 공통 전극(17)의 Y 방향의 중앙에는, 제3 콘택트 홀(43H)이 형성되어 있다. 제3 콘택트 홀(43H)를 통해, 공통 전극(17)은 커먼 배선(30)(도전 배선)과 접속되어 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 각 화소에는 하나의 공통 전극(17)이 형성되어 있고, 제3 콘택트 홀(43H)의 수도 각 화소에 있어서 하나이다. 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에 있어서 설명한 제1 콘택트 홀 LH 및 제2 콘택트 홀 RH과 구별하기 위해, 제3 실시 형태에서는, 공통 전극(17)과 커먼 배선(30)이 도통하는 콘택트 홀을 제3 콘택트 홀(43H)이라 호칭하고 있다. 각도 θ는, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 예를 들어 3° 내지 15°의 각도로 설정할 수 있다.
액정 분자는, 공통 전극(17) 혹은 화소 전극(20)이 구비되는 평면에 평행하게 배향되고, 또한, 그 장축 방향은, Y 방향에 평행하게 배향되어 있다. 공통 전극(17)과 화소 전극(20) 사이에 인가되는 액정 구동 전압에 의해 구동되는, 소위 FFS 모드의 액정 구동이 된다.
터치 센싱은, 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17) 간의 정전 용량 변화를 검지함으로써 행해진다. 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17)은, 어느 것을 터치 구동 전극으로 하고, 어느 것을 터치 검출 전극으로 할 수 있다.
도 29는 터치 센싱 배선(3)과 공통 전극(17)의 거리 W1을 도시하고 있다. 바꾸어 말하면, 이 거리 W1은, 투명 수지층(16), 컬러 필터(51)(RGB), 도시되어 있지 않은 배향막 및 액정층(300)을 포함하는 공간에 있어서의 Z 방향의 거리이다. 이 공간에는, 액티브 소자, 소스 배선 및 화소 전극은 포함되어 있지 않다. 본 실시 형태에 있어서, 거리 W1로 나타내어지는 이 공간을 터치 센싱 공간이라 호칭한다.
도 27에 도시한 바와 같이 커먼 배선(30)과 게이트 배선(10)의 거리 W4를 확보할 수 있기 때문에, 게이트 신호의 터치 센싱에의 영향을 경감할 수 있다. 또한, 도 29에 도시한 바와 같이, 영상 신호가 공급되는 소스 배선(31)과 터치 센싱 배선(3)의 거리 W2를 충분히 확보할 수 있기 때문에, 영상 신호에 기인하는 노이즈가 미치는 터치 센싱에의 영향을 경감할 수 있다.
본 실시 형태의 표시 장치 기판은, 액정층측에, 블랙 매트릭스를 포함하는 컬러 필터(51)(RGB)와, 블랙 매트릭스 BM과, 블랙 매트릭스 BM 상에 형성된 터치 센싱 배선(3)을 구비한다. 또한, 백라이트 유닛에, 적색 LED, 녹색 LED, 청색 LED의 3종의 LED를 사용하고, 시분할 구동으로 순차적으로 3색을 발광시켜, 액정을 동기시킨 다색 표시의 경우에는, 컬러 필터(51)를 생략할 수 있다.
본 실시 형태에 따르면, Y 방향에 평행한 배향 처리 방향을 실시함으로써, Y 방향에 있어서 서로 인접하는 화소의 액정 분자(39)에 있어서 서로 다른 초기 배향을 부여할 수 있다. 또한, 상술한 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
예를 들어, 상술한 실시 형태에 관한 액정 표시 장치는, 다양한 응용이 가능하다. 상술한 실시 형태에 관한 액정 표시 장치가 적용 가능한 전자 기기로서는, 휴대 전화, 휴대형 게임 기기, 휴대 정보 단말기, 퍼스널 컴퓨터, 전자 서적, 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라, 헤드 마운트 디스플레이, 내비게이션 시스템, 음향 재생 장치(카 오디오, 디지털 오디오 플레이어 등), 복사기, 팩시밀리, 프린터, 프린터 복합기, 자동 판매기, 현금 자동 입출금기(ATM), 개인 인증 기기, 광 통신 기기 등을 들 수 있다. 상기의 각 실시 형태는, 자유롭게 조합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 적용 가능한 액정 구동 방법은, 상술한 실시 형태에서 설명한 액정 구동 방법에 한정되지 않는다. 예를 들어, 이하에 기재하는 액정 구동 방법을 사용해도 된다.
예를 들어, 액티브 매트릭스에서의 신호 전극(소스 배선)의 극성을 프레임 반전하여 액정을 구동해도 된다(예를 들어, 일본 특허 제2982877호 공보에 기재).
또한, 액정의 액티브 매트릭스 구동에 있어서, 액정 구동의 수평 기간마다, 제1 신호선(소스 배선)과 제2 신호선을 교대로 교체하여 도트 반전 구동을 행해도 된다(예를 들어, 일본 특허 공개 평11-102174호 공보에 기재).
또한, 액정의 액티브 매트릭스 구동에 있어서, 데이터 드라이브(소스 배선)로서 1화소당 2개의 소스 배선을 사용하고, 이 데이터 드라이브에 프레임마다 극성이 상이한 화상 신호를 전송하여 수평 라인 구동을 행해도 된다(예를 들어, 일본 특허 공개 평9-134152호 공보에 기재).
또한, 액정의 액티브 매트릭스 구동에 있어서, 주사 신호선(게이트 배선)으로서 1화소당 2개의 게이트 배선을 사용해도 된다. 이 경우, 예를 들어 홀수행의 주사 신호선과 짝수행의 주사 신호선에는, 역극성의 데이터가 기입된다. 어떤 표시 기간에 있어서, 인접하는 화소의 홀수열과 짝수열에, 각각 역극성의 데이터를 기입하고, 다음 표시 기간에서 각각 전의 표시 기간과는 역극성의 데이터를 기입해도 된다(예를 들어, 일본 특허 공개 평7-181927호 공보에 기재).
상술한 액정 구동 방법을 본 발명에 적용하는 경우, 어느 방법에 있어서도, 1화소당의 액티브 소자(TFT)의 개수는 1 이상, 복수여도 된다. 본 발명에는, 상기의 액정 구동 기술을 적용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명하고, 상기에서 설명하였지만, 이들은 본 발명의 예시적인 것이며, 한정되는 것으로서 고려되어서는 안되는 것을 이해해야 한다. 추가, 생략, 치환 및 그 밖의 변경은, 본 발명의 범위로부터 일탈하지 않고 행할 수 있다. 따라서, 본 발명은 전술한 설명에 의해 한정되어 있다고 간주되어서는 안되고, 청구범위에 의해 제한되어 있다.
3 : 터치 센싱 배선
4 : 제2 도전성 금속 산화물층(도전성 금속 산화물층)
5 : 금속층
6 : 제1 도전성 금속 산화물층(도전성 금속 산화물층)
8 : 흑색층
10 : 게이트 배선
11 : 제1 절연층
11F : 충전부
11H : 관통 구멍
11T : 상면
12 : 제2 절연층
12H : 관통 구멍
12T : 상면
13 : 제3 절연층
13A : 돌기부
14 : 제4 절연층
16 : 투명 수지층
17 : 공통 전극
17A : 전극부
17B : 도전 접속부
17K : 벽부
18 : 화소 개구부
20 : 화소 전극
20K : 내벽
20S : 스루홀
21 : 투명 기판(제1 투명 기판)
22 : 투명 기판(제2 투명 기판)
24 : 소스 전극
25 : 게이트 전극
26 : 드레인 전극
27 : 채널층
28 : 액티브 소자
29 : 콘택트 홀
30 : 커먼 배선(도전 배선)
31 : 소스 배선
33 : 전기력선
34 : 단자부
39 : 액정 분자
43H : 제3 콘택트 홀(콘택트 홀)
51 : 컬러 필터
100 : 표시 장치 기판
110 : 표시부
120 : 제어부
121 : 영상 신호 제어부
122 : 터치 센싱 제어부
123 : 시스템 제어부
200 : 어레이 기판
206 : 액정층
213 : 투명 수지층
214 : 컬러 필터
215 : 투명 기판
221 : 대향 전극
250 : 액정 표시 장치
250A : 액정 표시 장치
300 : 액정층
BM : 블랙 매트릭스
BU : 백라이트 유닛
W17A : 폭
D20S : 직경
EL : 길이
H : 콘택트 홀
L : 광
L2 : 등전위선
L3 : 등전위선
LH : 좌측 콘택트 홀(제1 콘택트 홀)
RH : 우측 콘택트 홀(제2 콘택트 홀)
LCD1 : 액정 표시 장치
LCD2 : 액정 표시 장치
LCD3 : 액정 표시 장치
P17A : 피치
Pa : 상부 영역
Pb : 하부 영역
Rub : 배향 처리 방향
W1 : 터치 센싱 배선과 공통 전극의 거리
W2 : 터치 센싱 배선과 소스 배선의 거리
W3 : 높이
W4 : 터치 센싱 배선과 게이트 배선의 거리
θ : 각도(화소 개구의 길이 방향 Y로부터의 기울기)

Claims (13)

  1. 표시 장치이며,
    제1 투명 기판과, 상기 제1 투명 기판 상에 형성된 제1 방향으로 연장되는 터치 센싱 배선을 구비한 표시 장치 기판과,
    제2 투명 기판과, 상기 제2 투명 기판 상의 복수의 다각 형상의 화소 개구부와, 상기 복수의 화소 개구부의 각각에 형성되어 있음과 함께 평면으로 보아 상기 제1 방향으로 연장되는 1 이상의 전극부를 갖는 공통 전극과, 상기 공통 전극 아래에 형성된 제1 절연층과, 상기 복수의 화소 개구부의 각각에 있어서 상기 제1 절연층 아래에 형성된 화소 전극과, 상기 화소 전극 아래에 형성된 제2 절연층과, 상기 제2 절연층 아래에 있어서 상기 공통 전극에 전기적으로 접속되며 또한 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 연장되어 상기 복수의 화소 개구부를 횡단하는 도전 배선과, 상기 도전 배선 아래에 형성된 제3 절연층과, 상기 제3 절연층 아래에 형성되어 상기 화소 전극에 전기적으로 접속되어 있는 톱 게이트 구조의 박막 트랜지스터인 액티브 소자와, 상기 도전 배선과 동일한 층 구성을 갖고 상기 제2 절연층과 상기 제3 절연층 사이에 있어서 상기 도전 배선과 동일 위치에 형성되어 있음과 함께 평면으로 보아 상기 제2 방향으로 연장되어 상기 액티브 소자에 전기적으로 제휴된 게이트 배선과, 평면으로 보아 상기 제1 방향으로 연장되어 상기 액티브 소자에 전기적으로 제휴된 소스 배선과, 상기 전극부의 패턴의 길이 방향의 중앙에 형성되어 있음과 함께 상기 공통 전극과 상기 도전 배선을 전기적으로 접속하는 콘택트 홀을 구비하는 어레이 기판과,
    상기 표시 장치 기판과 상기 어레이 기판 사이에 끼움 지지된 표시 기능층과,
    상기 화소 전극과 상기 공통 전극 사이에 구동 전압을 인가함으로써 상기 표시 기능층을 구동시킴으로써 영상 표시를 행하고, 상기 공통 전극과 상기 터치 센싱 배선 사이의 정전 용량의 변화를 검지하여 터치 센싱을 행하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 표시 기능층의 두께 방향에 대하여 경사지는 경사 방향에 있어서, 상기 터치 센싱 배선과 상기 공통 전극은 서로 마주보고 있는, 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공통 전극은, 평면으로 보아 상기 터치 센싱 배선과 평행한 길이 방향으로 연장되는 스트라이프 패턴을 갖는, 표시 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액티브 소자는, 산화물 반도체로 구성된 채널층을 포함하고, 상기 채널층은 게이트 절연막과 접촉하고 있는 박막 트랜지스터인, 표시 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 산화물 반도체는, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 알루미늄, 게르마늄, 안티몬, 비스무트, 세륨 중 2종 이상의 금속 산화물을 포함하는 산화물 반도체인, 표시 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 게이트 절연막은, 산화세륨을 포함하는 복합 산화물로 형성된 게이트 절연막인, 표시 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 표시 기능층은 액정층이며,
    상기 액정층의 액정은,
    상기 어레이 기판에 평행한 초기 배향을 갖고,
    상기 공통 전극과 상기 화소 전극 사이에 인가되는 액정 구동 전압에 의해 발생하는 프린지 전계에 의해 구동되는, 표시 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공통 전극 및 상기 화소 전극은, 적어도, 산화인듐, 산화주석을 포함하는 복합 산화물로 구성되어 있는, 표시 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 터치 센싱 배선은, 구리 합금층을 포함하는 금속층으로 구성되어 있는, 표시 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 터치 센싱 배선은, 구리 합금층이 도전성 금속 산화물층 사이에 끼움 지지된 구조를 갖는, 표시 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 도전 배선은, 구리 합금층이 도전성 금속 산화물층 사이에 끼움 지지된 구조를 갖는, 표시 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 도전성 금속 산화물층은, 산화인듐, 산화아연, 산화안티몬, 산화주석 중 2종 이상을 포함하는 복합 산화물층인, 표시 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 표시 장치 기판은, 상기 제1 투명 기판과 상기 터치 센싱 배선 사이에 형성된 블랙 매트릭스를 구비하고,
    상기 터치 센싱 배선은, 상기 블랙 매트릭스의 일부와 중첩되어 있는, 표시 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 표시 장치 기판은, 복수의 화소 개구부에 대응하는 위치에 형성된 컬러 필터를 구비하는, 표시 장치.
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