WO2010038510A1

WO2010038510A1 - 表示装置、及びタッチパネル

Info

Publication number: WO2010038510A1
Application number: PCT/JP2009/060198
Authority: WO
Inventors: 敏弘牛田
Original assignee: シャープ株式会社
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2010-04-08

Abstract

　光センサを備えた表示装置において、当該装置の厚みを実質的に変えることなく光センサの検出感度を向上させるために、表示装置（１）では、ＣＦ側基板（１１）と光センサ（２０）との間に、ＣＦ側基板（１１）から入射した光を光センサ（２０）に集光する半凸レンズ（１４）が設けられる。

Description

表示装置、及びタッチパネル

　本発明は、光センサを備えた表示装置、及びタッチパネルに関する。

　近年、光センサを備えた表示装置が開発されている。光センサを利用して、これらの表示装置に、入力機能、バックライトの調光機能、又は指紋認証などのセキュリティ機能、等をもたせることができる。

　上記の表示装置では、光の入射時に流れる明電流と、光が入射していないときに流れる暗電流との比（Ｓ／Ｎ比）を大きくして、光センサの感度を向上させることが重要な課題である。Ｓ／Ｎ比を大きくするためには、光センサの受光部のサイズをより大きくするか、又は受光部への入射光量を増加させる必要がある。このうち、受光部のサイズを大きくする方法は、表示装置の光透過率の低下を招来する問題がある。

　そこで、特許文献１に記載の液晶表示装置等のように、光センサの受光部への入射光量を増加させる方法がより好適なものとして採用されている。具体的には、当該液晶表示装置では、図４に示すように、アレイ基板の外側面上に、マイクロレンズを設けた透光性基板をさらに貼り合せて、入射光を光センサの受光部に集光することで当該光センサの感度向上を図っている。

日本国公開特許公報「特開２００５－１０２２８号（２００５年１月１３日公開）」

　しかしながら、上記従来の液晶表示装置の構成では、マイクロレンズを設けた透光性基板の厚み分だけ液晶パネルの厚みが増し、装置の薄型化が困難になる問題があった。

　本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光センサを備えた表示装置又はタッチパネルにおいて、装置の厚みを実質的に変えることなく当該光センサの感度を向上させる構成を提供することにある。

　本発明に係る表示装置は、上記課題を解決するために、透光性の基板と、当該透光性の基板と光センサとの間に配され、透光性の基板を介して入射した光を光センサに集光する集光手段とを含んでなることを特徴としている。

　本発明に係る表示装置は、上記課題を解決するために、透光性の基板と、当該透光性の基板に対向する基板と、これら基板間に配された光センサと、当該透光性の基板と光センサとの間に配され、透光性の基板を介して入射した光を光センサに集光する集光手段と、これら基板間に配された液晶層と、を含んでなることを特徴としている。

　本発明に係るタッチパネルは、上記課題を解決するために、透光性の基板と、当該透光性の基板と光センサとの間に配され、透光性の基板を介して入射した光を光センサに集光する集光手段と、を含んでなることを特徴としている。

　上記の構成によれば、透光性の基板と光センサとの間に集光手段が設けられるので、表示装置、液晶表示装置、及びタッチパネルの装置の厚みを実質的に変えることなく光センサの感度向上が実現できるという効果を奏する。

　本発明の他の目的、特徴、及び優れた点は、以下に示す記載によって十分分かるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。

　本発明に係る表示装置及びタッチパネルは、以上のように、透光性の基板と光センサとの間に集光手段が設けられるので、装置の厚みを実質的に変えることなく光センサの感度向上が実現できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態を示すものであり、表示装置の要部構成を示す断面図である。図１に示す表示装置における、半凸レンズの機能を説明する図である。本発明の他の実施形態を示すものであり、表示装置の要部構成を示す断面図である。光センサを備えた従来の液晶表示装置の要部構成を示す断面図である。

　〔実施の形態１〕
　本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。

　（表示装置の構成）
　図１および図２に基づいて、まず、本実施形態に係る表示装置１の構成について説明する。本実施形態に係る表示装置１は、以下に説明するように、指やタッチペンなどの遮光性の物体３１が表示面に接触又は接近したことを検知する、タッチパネル機能を有する液晶表示装置として構成されている。

　図１は、表示装置１の要部構成を示す断面図である。表示装置１は、概略的に言えば、ＴＦＴ側基板１２と、液晶層１６と、カラーフィルタ側基板（以下「ＣＦ側基板」と称する：透光性の基板）１１と、バックライトユニット（照明装置）２２とを含む液晶表示装置として構成されている。ここで、ＴＦＴ側基板１２とＣＦ側基板１１とは、いずれも透光性のガラス基板であって、液晶層１６を介して互いに対向するように配置されている。また、バックライトユニット２２は、ＴＦＴ側基板１２のＣＦ側基板１１に対向する面とは反対側の面に対向するように配置されている。

　なお、以下の説明では、ＴＦＴ側基板１２とＣＦ側基板１１とが互いに対向する面のことを内側面、当該内側面とは反対側の面のことを外側面と称する。

　図１に示すように、ＴＦＴ側基板１２の内側面には、光センサ２０が設けられる。光センサ２０は、例えばｐｉｎ型フォトダイオードであり、ｐ＋層、ｉ層（低キャリヤ濃度の半導体層）、および、ｎ＋層を含んで構成されている（各層は図示せず）。

　光センサ２０は光電変換素子であり、ｉ層に入射した光の強度に応じた電流（光電流）を発生する。すなわち、光センサ２０ではｉ層が受光部として機能する。なお、光センサ２０のバックライトユニット２２に対向する側には、絶縁膜層２３を挟んで、少なくともｉ層を覆い隠すように形成された遮光膜２１が設けられている。したがって、バックライトユニット２２から発せられたバックライトが、光センサ２０に直接入射されることはない。

　さらに、ＴＦＴ側基板１２の内側面には、光センサ２０上に、層間絶縁膜１９、有機膜１８及び画素電極１７がこの順に設けられている。また、ＴＦＴ側基板１２には、図示しないが、各画素の駆動を制御する為のＴＦＴ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）及び蓄積部が設けられ、当該蓄積部は画素電極１７に接続されている。光センサ２０はこれら画素駆動回路とは別に設けられており、複数画素（例えば、１０画素前後）に１つの割合で配置される。光センサ２０で発生した光電流はセンサ用蓄積部（図示せず）に充電され、その電圧をセンサ用ＴＦＴ（図示せず）に印加して出力を外部に取り出す。この出力信号は認識回路で検出されフィードバックされる。例えば、ＣＦ側基板１１の外側面に表示されたタッチパネル式入力ボタンを指で触れると、その入力に対応した次画面が表示される構成である。

　なお、タッチパネルとしてのみ使用する目的であれば、上記の通り全画素に光センサを配置する必要は無いが、さらにスキャナー機能を持たせる場合には光センサの配置をより密にして（例えば各画素に対応して光センサを設ける）解像度を上げることが好ましい。

　また、図１に示したように、ＣＦ側基板１１の内側面には、カラーフィルタ１３、半凸レンズ（集光手段）１４、及び透明電極１５がこの順に形成されている。すなわち、半凸レンズ１４は、ＣＦ側基板１１と光センサ２０との間に配され、ＣＦ側基板１１を介して入射した光を光センサ２０に集光する。なお、半凸レンズ１４は液晶層１６側に凸出するように設けられている。

　半凸レンズ１４は、表示装置１の外部から光センサ２０の受光部に入射する入射光の光路上に形成されていればよいが、当該受光部の直上に形成されることが好ましい。より正確に言うと、半凸レンズ１４は、光センサ２０の受光部の中心を通りＣＦ側基板１１に直交する直線上に、その曲率中心が位置するように形成されることが好ましい。また、集光効率の向上の観点、及び半凸レンズ１４と光センサ２０との位置合わせを容易とする観点では、光の入射側（ＣＦ側基板１１の外側面側）から見た場合に、半凸レンズ１４が、対応する光センサ２０の受光部より大きく形成されていることが好ましい。

　なお、図１は、１つの光センサ２０を含む表示装置１の一部分の断面を示しているが、ＴＦＴ側基板１２には、複数の光センサが（例えばマトリックス状に）配設されており、また、ＣＦ側基板１１には、この複数の光センサの各々に対応する複数の半凸レンズ１４が形成されている。

　ここで、半凸レンズ１４の形成方法は特に限定されないが、例えば、以下の何れかの方法を採用すればよい。
１）透光性の樹脂からなる薄層をカラーフィルタ１３上に形成し、フォトエッチング法により半凸レンズ１４を形成する箇所にのみ当該樹脂の薄層を残す。次いで、加熱処理により当該樹脂をレンズ状に成形した後に硬化させる。
２）透光性かつ熱硬化性の樹脂材料をインクジェット方式にてカラーフィルタ１３上に吹き付けて微小樹脂ドットを形成し、次いで加熱処理により硬化させる。
３）半凸レンズ１４の配置パターンをローラ表面に形成し、透光性の樹脂材料を当該ローラ表面に付けてカラーフィルタ１３上を転がすことで樹脂パターンを転写する。次いで、加熱処理により当該樹脂をレンズ状に形成した後に硬化させる。

　なお、カラーフィルタ１３を設けない構成の場合は、例えば、上記１）～３）の何れかの方法にてガラス基板に対して半凸レンズを形成すればよい。又は、半凸レンズ１４に相当する凸部が一表面に形成されたガラス基板をＣＦ側基板として利用すればよい。このようなガラス基板は、公知のガラス加工法により製造できる。

　また、半凸レンズ１４の凸面を被覆するように透明電極１５を設ける方法は特に限定されず、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等の透明性を有する導電膜を、スパッタリング法等により成膜すればよい。

　（半凸レンズ１４の機能）
　次に、表示装置１における、半凸レンズ１４の機能について、図２に基づいて説明する。

　図２中の（ａ）は、図１に示す表示装置１に、指やタッチペン等の遮光性の物体３１が近接又は接触した状態を示す概略の説明図である。ここで、物体３１は、タッチパネルのセンサ面としても機能するＣＦ側基板１１の外側面に、近接又は接触している。

　バックライトユニット２２から発せられたバックライトは、順次、ＴＦＴ側基板１２、液晶層１６、及びＣＦ側基板１１を透過して、一部が物体３１に達する。物体３１に達したバックライトは、当該物体３１からの反射光として再びＣＦ側基板１１に入射する。次いで、当該反射光の一部は半凸レンズ１４に入射して、光センサ２０の受光部に集光される。このため、光センサ２０にはより多くの上記反射光が入射される。

　一方、図２中の（ｂ）は、半凸レンズ１４が設けられない構成を示す概略の説明図であり、参考例として示す。この参考例では、半凸レンズ１４がないために、図２中の（ａ）の場合と比較して、光センサの受光部に入射される反射光の量が相対的に少なくなる。

　上述の通り表示装置１は、光センサ２０の受光部に光が入射すると光電流が流れ、この光電流を検出して物体３１を認識するタッチパネルとしても機能する。この場合、光センサ２０の受光部に光が入射したときに流れる総電流（明電流）と、光が入射しないときに流れる総電流（暗電流）との比（Ｓ／Ｎ比）が大きいほど感度が良好となる。表示装置１では、半凸レンズ１４を設けて、物体３１からの反射光を光センサ２０の受光部に集光することで、明電流を大きくしてＳ／Ｎ比を向上させている。

　また、従来、マイクロレンズ（集光手段）を基板の外側面側に設けた光センサ内蔵型の液晶表示装置はあるが、表示装置１では、半凸レンズ１４を、ＣＦ側基板１１とＴＦＴ側基板１２との間（具体的にはＣＦ側基板１１の内側面側）に設ける。

　これにより、表示装置１では、上記従来構成と比較して、少なくとも、次の１）～３）の利点を有する。すなわち、１）装置の厚みを実質的に変えることなく光センサ２０の感度を向上させることができる、２）外部から衝撃が加わった場合でも、集光手段（半凸レンズ１４）が破損する虞が低い。よって、集光性能の低下による光センサ２０の感度低下を招来し難い。特にタッチパネルとして利用する場合、従来構成では物体の接触によりマイクロレンズが破損する虞が高いが、表示装置１ではその問題がない、３）タッチパネルとして利用する場合、従来構成ではタッチパネルのセンサ面にマイクロレンズが存在するため検知感度が落ちる。一方、表示装置１では、センサ面（ＣＦ側基板１１の外側面）が平滑なため検知感度が良好である。

　以上の説明では、半凸レンズ１４をＣＦ側基板１１の内側面に設けた表示装置１を例示したが、実施の形態２に例示するように半凸レンズをＴＦＴ側基板の内側面側に設けてもよい。ただし、表示装置１のように、検出対象となる光が入射する側の基板（ＣＦ側基板１１）に半凸レンズを設ける構成の方が、集光効率がより向上するという観点では好ましい。

　以上の説明では、表示用及び物体３１の検知用の照明装置としてバックライトユニット２２を備えた表示装置１を例示したが、本発明に係る表示装置は、表示用及び／又は物体３１の検知用の照明に、自然光その他の外光を用いる構成としてもよい。

　以上の説明では表示装置１として液晶表示装置を例示したが、本発明に係る表示装置は、例えば、有機エレクトロルミネッセンス表示装置、プラズマ表示装置、等であってもよい。また、本発明に係る表示装置では、光センサに集光される光が入射する基板と、入射した光に応じて発生した電流を伝播する基板とが異なっていてもよい。すなわち、センサ面を構成する基板と、画像の表示面を構成する基板とが異なっていてもよい。さらに、表示面に表示される画像が、センサ面に接近又は近接した物体自身の画像であってもよい。

　以上の説明では、集光手段として半凸レンズ１４を用いる場合を例示したが、例えば、集光フィルム、多重反射フィルム等を集光手段として用いるものであってもよい。また、特定波長の光のみを選択的に透過する樹脂材料で半凸レンズ１４を構成し、センサ感度が最も上昇するような波長の光のみ集光するフィルタ機能を当該半凸レンズに持たせることもできる。

　また、ＣＦ側基板に、ＲＧＢ３色のカラー樹脂によりカラーフィルタパターンを形成する際、特定箇所のカラー樹脂を他の箇所のカラー樹脂より肉厚とし、当該肉厚部分に半凸レンズの機能を持たせてもよい。この構成によれば、カラーフィルタの一部を集光手段として利用できるので、別途、集光手段を設ける必要がない。なお、この構成は、フォトリソグラフィーパターンを適宜変更することにより、通常のカラーフィルタパターンと同様に、フォトリソグラフィー工程と現像工程との組み合わせで形成可能である。

　以上の説明では、タッチパネル機能を有する表示装置１を例示したが、本発明は表示機能を有さないタッチパネルにも適用できる。当該タッチパネルは、透光性の基板と、光センサと、上記透光性の基板と光センサとの間に配され、当該透光性の基板を介して入射した光を光センサに集光する集光手段とを含んでなり、透光性の上記基板における、光センサや集光手段が配される側とは反対側の面（外側面）に対して物体が接触、又は接近したことを感知するタッチパネル式センサである。

　〔実施の形態２〕
　本発明の他の実施形態について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、実施の形態１にて説明した部材と同一の機能を持つ部材には同一の部材番号を付している。図３は、本実施形態に係る表示装置１０１の要部構成を示す断面図である。実施の形態１に係る表示装置１では、半凸レンズ１４がＣＦ側基板１１に、光センサ２０がＴＦＴ側基板１２に設けられていたが（図１参照）、表示装置１０１では半凸レンズ（集光手段）１４’と光センサ２０とがいずれもＴＦＴ側基板１２上に設けられる。

　具体的には、表示装置１０１では、ＣＦ側基板１１の内側面に、カラーフィルタ１３、及び透明電極１５’がこの順に形成されている。一方、ＴＦＴ側基板１２の内側面には、遮光膜２１を有する光センサ２０上に、層間絶縁膜１９、有機膜１８がこの順に設けられている。そして、有機膜１８上に半凸レンズ１４’が設けられ、さらに当該半凸レンズ１４’上を被覆するように画素電極１７’が設けられる。

　すなわち、表示装置１０１でも、表示装置１と同様に、半凸レンズ１４’はＣＦ側基板（透光性の基板）１１と光センサ２０との間に配されて、ＣＦ側基板１１を介して入射した光を光センサ２０に集光する集光手段として機能する。なお、半凸レンズ１４’は液晶層１６側に凸出するように設けられている。

　半凸レンズ１４’は、表示装置１０１の外部から光センサ２０の受光部に入射する入射光の光路上に形成されていればよいが、当該受光部の直上に形成されることが好ましい。より正確に言うと、半凸レンズ１４’は、光センサ２０の受光部の中心を通りＣＦ側基板１１に直交する直線上に、その曲率中心が位置するように形成されることが好ましい。また、集光効率の向上の観点では、光の入射側（ＣＦ側基板１１の外側面側）から見た場合に、半凸レンズ１４’が、対応する光センサ２０の受光部より大きく形成されていることが好ましい。

　表示装置１０１のように、半凸レンズ１４’と光センサ２０とが同じ基板（ここではＴＦＴ側基板１２）に設けられる構成では、対向する基板（ＴＦＴ側基板１２とＣＦ側基板１１）同士の貼り合せ時に、半凸レンズ１４’と光センサ２０との位置ずれが生じる虞がない。

　なお、図３は、１つの光センサ２０を含む表示装置１０１の一部分の断面を示しているが、ＴＦＴ側基板１２には、複数の光センサ２０と、この複数の光センサ２０の各々に対応する複数の半凸レンズ１４’とが形成されている。

　なお、半凸レンズ１４’の形成は、実施の形態１で記載した半凸レンズ１４の形成方法を参照して行うことが出来る。具体的には、例えば、透光性の樹脂からなる薄層を有機膜１８上に形成し、フォトエッチング法により半凸レンズ１４’を形成する箇所にのみ当該樹脂の薄層を残し、次いで、加熱処理により当該樹脂をレンズ状に成形した後に硬化させればよい。

　また、半凸レンズ１４’の凸面を被覆するように画素電極１７’を設ける方法は特に限定されず、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等の透明性を有する導電膜を、スパッタリング法等により成膜し、これをフォトエッチング法等にて必要な形状にパターニングすればよい。

　本発明は上述した各実施形態、並びに各実施形態の組み合わせに限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

　本発明は、外部の物体を検知する機能を有するタッチパネル及び表示装置に好適に利用することができる。特に、タッチパネル機能を有する液晶表示装置などにとりわけ好適に利用することができる。

１　　　　表示装置
１１　　　ＣＦ側基板（透光性の基板）
１４　　　半凸レンズ（集光手段）
１４’　　半凸レンズ（集光手段）
１２　　　ＴＦＴ側基板（対向する基板）
１６　　　液晶層
２０　　　光センサ
１０１　　表示装置

Claims

　光センサを備えた表示装置であって、
　透光性の基板と、
　上記透光性の基板と光センサとの間に配され、当該透光性の基板を介して入射した光を光センサに集光する集光手段と、を含んでなることを特徴とする表示装置。
　透光性の基板と、
　上記透光性の基板に対向する基板と、
　対向する一対の上記基板間に配された光センサと、
　上記透光性の基板と光センサとの間に配され、当該透光性の基板を介して入射した光を光センサに集光する集光手段と、
　対向する一対の上記基板間に配された液晶層と、を含んでなることを特徴とする表示装置。
　光センサを備えたタッチパネルであって、
　透光性の基板と、
　上記透光性の基板と光センサとの間に配され、当該透光性の基板を介して入射した光を光センサに集光する集光手段と、を含んでなることを特徴とするタッチパネル。