JP2007047421A - 表示装置、および表示装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 画素の各色領域における別の色成分の反射を抑制して画素の色純度を高めることにより、カラーフィルタ層等に変更を加えることなく、表示画像の色純度を高め得る表示装置を提供する。
【解決手段】 スイッチング素子１２が形成された背面基板１１上に絶縁層１３を介して反射電極１４が形成され、反射電極１４の上にカラーフィルタ１５と抵抗層１９が形成される。カラーフィルタ１５に形成された開口２０には、抵抗層を形成する導電体材料が堆積してコンタクトホールを形成している。抵抗層１９の形成後、開口２０の上にカラーフィルタ１５と同じ材料で部分フィルタ２２を形成して、開口２０を通じた反射電極１４からの反射光から他の色の波長成分を吸収させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶、電気泳動層等の光変調層を用いてカラー画像を表示する表示装置に関し、詳しくは、その表示画像の色純度を改善する技術に関する。

画像表示面から入射した自然光や室内光の反射光を反射して液晶素子で変調させる反射型カラー液晶装置が実用化されている。反射型カラー液晶装置は、屋外での利用を考慮して携帯用ゲーム機や通信端末等に利用されており、バックライトに頼らず低消費電力を達成している。

反射型カラー液晶装置の一部の機種は、スイッチング素子が配置された背面基板と透明な表面基板との間隔に液晶層を配置しており、背面基板には、各画素に対応させてＲＧＢ３個のスイッチング素子が形成され、個々のスイッチング素子の上に重なる位置関係で金属薄膜の光反射層が配置され、光反射層の上に各色のカラーフィルタ層が配置されている。

特許文献１に示される反射型カラー液晶装置は、背面基板の上にＴＦＴ（薄膜トランジスタ）スイッチング素子を形成し、スイッチング素子ごとに光反射層とカラーフィルタ層とを設けている。光反射層にミクロンレベルの凹凸を形成して広視野角の白色反射照明光を実現し、カラーフィルタ層は、光反射層による凹凸の平坦化を兼ねて配置されている。また、背面基板の透明電極とカラーフィルタ層との間に１／４波長偏光機能を有する固体液晶層を配置しており、反射光の全偏光成分を用いた明るい表示を可能にしている。

特許文献２に示される反射型カラー液晶装置もまた、スイッチング素子ごとに光反射層とカラーフィルタ層とを設けており、液晶層に電界を印加するための透明電極は、カラーフィルタ層に設けたコンタクトホールによって光反射層に電気的に接続される。また、各色のカラーフィルタ層を黒色の格子パターンで縁取ることにより、混色を避けた高い色純度のカラー画像表示を可能にしている。

特許文献３には、透過型液晶装置の光変調層（液晶層）を電気泳動セルに置き換えた電気泳動表示装置が示される。電気泳動セルは、表示セルごとに独立させた空間に遮光性の帯電粒子を分散した液体を充填しており、印加される電界状態に応じて電気泳動セル内の帯電粒子が移動することにより、電気泳動セルの遮光性が変化する。

電気泳動表示装置は、光変調層として液晶層を配置する液晶表示装置に比較して表示コントラストが高く、視認性に優れる。また、表示にメモリ性があるので、さらに消費電力を低減できる。電気泳動表示装置もまた、スイッチング素子を配列した背面基板に、表示セルごとの電極を兼ねた反射膜部材を配置することにより、バックライトに頼らない反射型の表示装置を形成できる。

特開平１０−１８６４１４号公報 特開２０００−１６２６２５号公報 米国特許３６１２７５８号公報

特許文献１に示される反射型カラー液晶装置は、カラーフィルタ層を貫通させて開口を形成し、この開口内に金属薄膜を積層してパターン形成することにより、スイッチング素子と液晶駆動用の透明電極とを電気的に接続するコンタクトホールを形成している。このコンタクトホールと、その周囲にはみ出した金属薄膜とは、表面基板から入射した自然光等を反射するので、言い換えれば、画素の各色領域でカラーフィルタ層が吸収する波長成分を反射してしまうので、各色領域から別の色成分が反射されて白色化の方向となり、画素の色純度が低下してしまう。

特許文献２に示される反射型カラー液晶装置は、光反射層の上に形成したカラーフィルタ層を貫通させて開口を形成し、この開口に透明な導電体材料を積層することによりコンタクトホールを形成している。この透明なコンタクトホールは、光反射層による反射光を素通しして各色領域の射出光を白色化するので、表示画素の色純度が低下してしまう。

近年、高精細な画像表示を可能とすべく、画素面積を縮小することが求められているが、画素面積を縮小すると、画素の各色領域に占めるコンタクトホールの面積割合が増して、言い換えれば表示面積当たりのコンタクトホールの数が増えて、表示画像の白色化はさらに顕著となる。

本発明は、画素の各色領域における別の色成分の反射を抑制して画素の色純度を高めることにより、カラーフィルタ層等に変更を加えることなく、表示画像の色純度を高め得る表示装置を提供することを目的としている。

本発明の表示装置は、スイッチング素子が配置された背面基板と、前記背面基板に対向配置した表面基板と、の間隔に光変調層が配置され、前記スイッチング素子の上に重なる位置関係で前記背面基板に配置されたカラーフィルタ層と、前記カラーフィルタ層の上に重なる位置関係で前記背面基板に配置された導電体層とを備え、前記カラーフィルタ層を貫通して、前記スイッチング素子の所定の電極部材を前記導電体部材に電気的に接続する連絡手段を配置した表示装置において、前記導電体層の上に重なる位置関係で、前記連絡手段が前記カラーフィルタ層を貫通する位置に配置された部分フィルタ部材を備え、前記部分フィルタ部材は、前記カラーフィルタ層によって吸収される波長成分を吸収する光学的特性を有するものである。

本発明の表示装置では、画素の各色領域におけるカラーフィルタ層が欠落した部分からの射出光が部分フィルタ部材を通過する過程で、カラーフィルタ層で吸収される波長成分を減らすので、これらの部分の射出光における吸収量だけ、各色領域の射出光から別の光成分が除去されて彩度が高まり、画面を構成する無数の画素の１つ１つにおける射出光の色純度が高まる。

次に、本発明の一実施形態の液晶装置１０について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態の液晶装置１０は、反射型カラー液晶装置であるが、本発明は、光変調層として液晶層以外の光変調素子、例えば電気泳動層や画素ごとのシャッター素子を備えた表示装置でも利用可能である。また、本発明は、反射型カラー液晶装置には限定されず、カラーフィルタ層が欠落した部分やカラーフィルタ層を上から覆い隠した部分を画素レベルで形成した表示装置であれば広く利用可能である。

以下の説明では、特許文献１、特許文献２に示される液晶素子の一般的な構造、一般的な製造方法、例えば、界面屈折率の調整層、液晶セルおよび配線の格子配列、液晶配行層、偏光板、成膜、パターン形成プロセス等については、本発明の趣旨と隔たりがあるので、煩雑を避けるべく、図１等では、一部図示を省略して詳細な説明も省略している。

＜反射型カラー液晶装置＞
図１は本発明の一実施形態である液晶装置の部分的な断面構造の説明図、図２は液晶装置の各画素の等価回路図、図３は液晶装置の駆動回路の説明図である。

図１に示すように、液晶装置１０は、不図示のスペーサによって所定の対向間隔を設定した背面基板１１と表面基板１８との間隔に液晶層２３を注入して形成される。液晶層２３に接する界面には、電界無印加時の液晶層２３の配行状態を設定するための処理が施されている。

ここで、スペーサとしては、ガラス球、透明樹脂球、感光性樹脂の薄膜を感光・現像したパターン、サンドブラスト法により形成した隔壁等を採用できる。背面側からの入射光を利用しないので、背面基板１１は、必ずしも透明である必要はなく、不透明または着色ガラス板、ステンレス板、シリコンウェハ、樹脂フィルム基板を用いてもよいが、表面基板１８は、透明なガラス板や樹脂フィルム基板等である。

背面基板１１上には、縦横に配列した無数の画素における各色領域ごとのスイッチング素子１２が形成されている。スイッチング素子１２は、多結晶シリコン薄膜を用いたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）素子を採用しているが、ＭＩＭ（メタル・インシュレータ・メタル・ダイオード）素子等、ＴＦＴ素子以外のスイッチング素子を採用してもよい。

絶縁層１３は、背面基板１１及びスイッチング素子１２を覆って形成される。絶縁層１３としては、感光性アクリル樹脂を用いて、パターン露光を行うことにより、ミクロンレベルの凸凹形状を表面に形成しているが、ポリイミド樹脂や絶縁薄膜を含むその他の絶縁材料を用いてもよい。

絶縁層１３には、スイッチング素子１２のドレイン電極１２ｄに対応する位置に開口部２１を形成してある。開口部２１を形成した絶縁層１３の上にアルミニウム薄膜をスパッタリング形成することにより、ドレイン電極１２ｄに対して電気的に接続された反射層１４が形成される。反射層１４としては、アルミニウム薄膜に代えて銀薄膜を採用してもよい。

反射層１４は、絶縁層１３の表面形状に応じた起伏凸凹を持ち、入射光を拡散しつつ反射する。反射層１４は、絶縁層１３に設けた開口部２１を介してスイッチング素子１２のドレイン電極１２ｄおよび後述する抵抗層１９と同一電位に保たれた電極として機能する。

カラーフィルタ１５は、反射層１４上に形成されている。このとき、前もって反射層１４の上に凸凹を低減する目的で平坦化層を設け、平坦化層の上にカラーフィルタ１５を形成してもよい。この場合、平坦化層の屈折率はカラーフィルタ１５の屈折率に一致させるのが好適である。

ここでは、カラーフィルタ１５として、ネガ型カラーレジスト材料を用い、反射層１４と対応する位置に開口部２０を形成している。ネガ型カラーレジスト材料は、紫外線を照射すると硬化して現像液に溶解しなくなるので、ネガ型カラーレジスト材料の塗布後、マスキングにより開口位置を露光して現像するパターン形成を繰り返すことにより、１画素あたり３個の液晶セルにＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルタ１５がそれぞれ形成される。

開口部２０を形成したカラーフィルタ１５の上に透明な導電材料を堆積させて抵抗層１９が形成される。抵抗層１９も液晶セル１０Ｍごとに分割してパターン形成されている。抵抗層１９は、カラーフィルタ１５上に形成され、開口部２０を介して反射電極１４と電気的に接続されて、カラーフィルタ１５の不必要な帯電を防止する。

なお、本実施形態では、反射電極１４が電極としても機能するため、抵抗層１９は、スイッチング素子１２のドレイン電極１２ｄと電気的に接続されているが、反射電極１４に電極機能を持たせない場合は、カラーフィルタ１５の開口部２０と絶縁層１３の開口部２１とを同一の平面位置に形成して、抵抗層１９とドレイン電極１２ｄとを直接接続してもよい。

抵抗層１９としては、光透過性の材料が採用され、ポリシラン、ポリシロキサン、ポリアセチレンなどの有機膜、もしくはそれの複合体、共重合体、または、カーボン含有膜、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）などの無機膜、またはシリコンなどの半導体膜を採用できる。また、導電性のフィラ（充填物）、例えば金属粉、カーボン粒子等をエポキシ樹脂、ポリプロピレン樹脂等に配合して得られる導電性樹脂膜を採用してもよい。さらに界面部材として、これらの薄膜の積層膜でもよい。抵抗層１９の体積抵抗率は１０６Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍ、膜厚は１ｎｍ〜２００ｎｍが望ましい。

液晶層２３は、スイッチング素子１２を制御して電極１７と抵抗層１９との間に印加される電界によって、液晶層２３を往復通過する光の偏光状態を変化させ、表面基板１８に重ねた不図示の偏光板と共働して射出光を強度変調する。

部分フィルタ２２は、抵抗層１９上の開口部２０に対応する位置に形成されており、開口部２０の下方に位置する反射電極１４で折り返された反射光のうち、不要な波長成分を遮断する。部分フィルタ２２の材料として、ここでは、カラーフィルタ１５と同じネガ型カラーレジスト材料（同色）を用いているので、カラーフィルタ１５と部分フィルタ２２とで吸収スペクトル特性は等しく、両者の透過光は、ほぼ同一の波長成分、すなわち色分布を有する。

部分フィルタ２２は、抵抗層１９の形成後、カラーフィルタ１５と同様なプロセスで形成される。つまり、ネガ型カラーレジスト材料をスピンコートにより抵抗層上に塗布して、パターン露光／現像（未硬化材料の除去）を行うパターン形成を各色ごとに繰り返している。

なお、本実施形態では、表面基板１８上に電極１７を設け、液晶層２３に対して基板１１、１８の法線方向に電気信号を印加したが、電極１７を背面基板１１側に設けて、液晶層２３に対して基板平面方向に電気信号を印加してもよい。

図２に示すように、液晶装置１０は、表示画面に縦横に配置された画素の液晶セル１０Ｍの１つ１つにスイッチング素子１２を形成しており、液晶層２３を抵抗層１９と電極１７とで挟み込んで形成されるコンデンサ３０に補助容量３３を接続して等価回路図示される。液晶セル１０Ｍは、スイッチング素子１２を制御して液晶層２３をアクティブ駆動することにより、射出光量を制御される。電極１７は、各液晶セル（１０Ｍ等）に共通で不図示の電源の接地電位に接続されている。

背面基板１１には、相互に絶縁された格子状に、多数のソース線３１とゲート線３０とが形成されている。スイッチング素子１２のゲート電極１２ｇはゲート線３０に、ソース電極１２ｓはソース線３１にそれぞれ接続され、スイッチング素子１２のドレイン電極１２ｄは、上述したように、抵抗層１９に接続されている。

そして、任意のゲート線３０に走査電圧を接続してソース線３１列に駆動電圧を印加すると、両者の交点に位置するコンデンサ３０および補助容量３３にスイッチング素子１２を通じて電荷が蓄積され、液晶セル１０ＭがＯＮ状態となる。そして、ソース線３１が順次選択されて一周する間もしばらく電荷を保持して液晶セル１０Ｍがメモリ性を持つので、走査周期ごとの間歇的な駆動で静止画像を表示できる。また、高速スイッチング回路との組合せにより液晶セル１０Ｍの応答時間を短くでき、テレビ画面のような多画素の動画表示も可能となっている。

図３に示すように、液晶装置１０の表示領域４１には、ソース線３１、ゲート線３０、ならびに液晶セル１０Ｍが格子状に配置される。ソース線３１にはソース線駆動回路４２が接続され、ゲート線３０にはゲート線駆動回路４３が接続されている。

ゲート線駆動回路４３には、駆動電圧と駆動信号（同期信号）とゲート走査に応じた走査データとが供給され、走査データに応じたゲート線３０がＯＮ状態になる。一方、ソース線駆動回路４２には、駆動電圧と駆動信号（同期信号）と表示画像に応じた表示データとが供給され、水平１列分の画素列の表示データに応じた各電圧が各ソース線３１に印加される。

ゲート線駆動回路４３により、あるゲート線３０がＯＮ状態になった際、ゲート線３０に接続されたスイッチング素子１２（図１）は全てＯＮ状態になる。このとき、ソース線駆動回路４２にＯＮ状態のゲート線に応じた表示データを供給する。これにより、ＯＮ状態になったゲート線３０に対応したラインに画像情報が表示される。

選択期間に無いゲート線はＯＦＦ状態になり、これにつながるスイッチング素子１２（図１）が全てＯＦＦ状態になる。このとき、図２に示すように、各液晶セル１０Ｍは、コンデンサ３０と補助容量３３とによって電圧を維持するので、ゲート線が非選択期間であっても、画像情報を表示し続ける。そして、図３に示すように、ゲート線駆動回路４３とソース線駆動回路４２とを同期させて用いることにより、表示領域４１に任意の画像を表示できる。

本実施形態の液晶装置１０では、表面基板１８の外側から偏光板（図示せず）を通り入射した光は、液晶層２３によって強度変調され、次にカラーフィルタ１５を通り着色される。この光は反射電極１４により反射され、逆の経路をたどり基板１８の外側へ射出される。また、カラーフィルタ１５を通過せず、開口部２０を通過した光は、部分フィルタ２２を通過することになるので着色され、基板１８の外側に射出される。つまり、光の経路によらずどの光もカラーフィルタを通過するので、反射光の色純度の低下が起きない。

＜別の実施形態＞
図４は別の実施形態の液晶装置の部分的な断面構造の拡大図である。ここでは、図１に示す部分フィルタ２２に変更を加えており、図中、（ａ）は黒色の部分フィルタに置き換えた実施形態、（ｂ）はコンタクトホールを金属薄膜で形成した実施形態である。図４に示されない外側部分は図１に示すとおりに構成され、共通する部材には共通の符号を付して詳細な説明は省略する。

図４の（ａ）に示すように、別の実施形態の液晶装置１０Ａは、図１〜図３を参照して説明した方法と構造とにより製造される。ただし、部分フィルタ２２Ａとして各色共通に、黒色のネガ型カラーレジスト材料を用いることにより、ＲＧＢ各色の部分フィルタ２２Ａを１回のパターン形成プロセスにて形成する。

これにより、開口部２０を通過していた光を遮ることができるので、全体としての色純度の低下が低減される。

図４の（ｂ）に示すように、抵抗層１９の形成後に開口２０を形成して、金属薄膜２０Ａのパターン形成により、反射電極１４と抵抗層１９とを電気的に接続した場合、金属薄膜２０Ａがカラーフィルタ１５と無関係な反射光を射出するので、金属薄膜２０Ａのパターン全体を覆って部分レジスト２２Ｂを形成する。部分レジスト２２Ｂは、カラーレジスト１５と同じ材料としてもよく、図４の（ａ）に示すように黒色の材料としてもよい。

また、特許文献１に示されるように、カラーフィルタ層の上に金属薄膜パターンの導電経路が形成されている場合、コンタクトホール上のみに止まらず、導電経路上にも部分フィルタ２２を形成することにより、導電経路で反射される別の色の反射光成分を減じて、液晶セルごとの表示色の純度を高めることができる。

＜発明との対応＞
本実施形態の液晶装置１０は、スイッチング素子１２が配置された背面基板１１と、背面基板１１に対向配置した表面基板１８との間隔に液晶層２３が配置され、スイッチング素子１２の上に重なる位置関係で背面基板１１に配置されたカラーフィルタ１５と、カラーフィルタ１５の上に重なる位置関係で背面基板１１に配置された抵抗層１９とを備え、カラーフィルタ１５を貫通してスイッチング素子１２のドレイン電極１２ｄを抵抗層１９に電気的に接続する開口２０（コンタクトホール）を配置した表示装置において、抵抗層１９の上に重なる位置関係で開口２０（コンタクトホール）がカラーフィルタ１５を貫通する位置に配置された部分フィルタ２２を備え、部分フィルタ部材２２は、カラーフィルタ１５によって吸収される波長成分を吸収する光学的特性を有するので、画素の各色領域におけるカラーフィルタ１５が欠落した部分からの射出光が部分フィルタ２２を通過する過程で、カラーフィルタ１５で吸収される波長成分を減らすので、開口２０の上に重なる部分の射出光における吸収量だけ、液晶セル１０Ｍ全体の射出光から別の光成分が除去されて彩度が高まり、表示領域４１を構成する無数の液晶セル１０Ｍの１つ１つにおける射出光の色純度が高まる。

従って、画素の各色領域（液晶セル１０Ｍ）における別の色成分の反射を抑制して、画素としての色彩表現の色純度が高めることができ、これにより、カラーフィルタ１５等に変更を加えることなく、液晶装置１０の表示画像の色純度を高め得る。

従って、画素の面積を縮小して高精細な液晶装置１０を製造しても、コンタクトホールによる表示画像の白色化を回避して、先鋭、繊細、鮮烈な色再現を維持できる。

また、スイッチング素子１２とカラーフィルタ１５との間に挟む位置関係で導電性の反射電極１４が配置され、開口２０に積層された導電材料は、カラーフィルタ１５を貫通して抵抗層１９と反射電極１４とを電気的に接続するので、表示領域４１に入射した光が反射電極１４で折り返されて液晶層２３を照明することとなり、バックライトに頼らない画像表示が可能となる。

別の実施形態の液晶装置では、部分フィルタ２２Ａが可視光の全波長成分を吸収するので、一度のパターン形成プロセスで全色の部分フィルタ２２Ａを形成でき、製造時間と製造コストとが削減される。

ところで、本発明を電気泳動表示装置に応用する場合、反射電極１４ごとの液晶セル１０Ｍは電気泳動セルとなり、カラーフィルタ１５の上にレジストパターンの隔壁構造を形成して表示セルごとに分離した空間に、帯電粒子を分散した絶縁性液体が充填される。この場合、抵抗層１９は、カラーフィルタ１５の表面から連続させて隔壁構造の起立面も覆い、表面基板１８側の共通な電極１７に直接接触させてもよい。これにより、反射電極１４から電極１７までの隔壁構造に沿った連続的な電位分布が形成され、界面層の残留電化を放電して帯電粒子の不要な吸着を回避できる。

本発明の一実施形態である液晶装置の部分的な断面構造の説明図である。 液晶装置の各画素の等価回路図である。 液晶装置の駆動回路の説明図である。 別の実施形態の液晶装置の部分的な断面構造の拡大図である。

符号の説明

１１ 背面基板
１２ スイッチング素子（ＴＦＴ素子）
１３ 絶縁層
１４ 反射層（反射電極）
１５ カラーフィルタ
１７ 電極
１８ 表面基板
１９ 導電体層（抵抗層）
２０、２１ 連絡手段（開口）
２２ 部分フィルタ部材（部分フィルタ）
２３ 光変調層（液晶層）
１２ｄ 電極部材（ドレイン電極）
１２ｇ ゲート電極
１２ｓ ソース電極

Claims (6)

1. スイッチング素子が配置された背面基板と、前記背面基板に対向配置した表面基板と、の間隔に光変調層が配置され、
   前記スイッチング素子の上に重なる位置関係で前記背面基板に配置されたカラーフィルタ層と、
   前記カラーフィルタ層の上に重なる位置関係で前記背面基板に配置された導電体層と、を備え、
   前記カラーフィルタ層を貫通して、前記スイッチング素子の所定の電極部材を前記導電体層に電気的に接続する連絡手段を配置した表示装置において、
   前記導電体層の上に重なる位置関係で、前記連絡手段が前記カラーフィルタ層を貫通する位置に配置された部分フィルタ部材を備え、
   前記部分フィルタ部材は、前記カラーフィルタ層によって吸収される波長成分を吸収する光学的特性を有することを特徴とする表示装置。
2. 前記スイッチング素子と前記カラーフィルタ層との間に挟む位置関係で導電性の光反射層が配置され、
   前記連絡手段は、前記導電体層と前記光反射層とを電気的に接続することを特徴とする請求項１記載の表示装置。
3. 前記光学的特性は、前記カラーフィルタ層と同じ波長成分を吸収する特性であることを特徴とする請求項１または２記載の表示装置。
4. 前記光学的特性は、可視光の全波長成分を吸収する特性であることを特徴とする請求項１または２記載の表示装置。
5. 反射電極の上に重なる位置関係で形成したカラーフィルタ層に開口を形成した後に、前記カラーフィルタ層上に所定の導電性材料を積層して前記反射電極に導通した透光性導電層を形成する表示装置の製造方法において、
   前記カラーフィルタ層が吸収する波長成分を吸収する光学的特性の部分フィルタ部材を、前記導電層の上に重なる位置関係で前記開口の位置に形成することを特徴とする表示装置の製造方法。
6. 反射電極の上に重なる位置関係でカラーフィルタ層を形成した後に、前記カラーフィルタ層の上に重なる位置関係で不透明な電極部材を形成する表示装置の製造方法において、
   前記カラーフィルタ層が吸収する波長成分を吸収する光学的特性の部分フィルタ部材を、前記電極部材の上に重なる位置関係で形成することを特徴とする表示装置の製造方法。
   

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