JPH0451809B2 - - Google Patents
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Description
本発明は、液晶を用いた表示装置の特性改良な
らびに駆動方法に関する。
さらに詳しくは、液晶表示セルに簡単な非線形
素子を付加し、これによつて液晶表示装置の電圧
−コントラスト特性を改良し、ダイナミツク駆動
を行なう方法に関する。
液晶のダイナミツク駆動については、従来より
検討がなされており、1/2バイアス法及び1/3バイ
アス法が考案された。
第１図は、1/3バイアス法の駆動波形例であり、
図のａ，ｂのアドレス信号、及びこれに同期した
図のｃの表示信号の２種から成り立つている。こ
れらの信号は、液晶物質を挟む相対する電極に印
加されるもので、実際に液晶にかかる電圧波形は
図のｄ，ｅのように変化し、図のｄが選択点での
波形、図のｅが非選択点での波形となる。この図
でわかるように、液晶には常にバイアス電圧Ｖが
印加されていることになるので、コントラストの
よい表示を得るためには、このバイアス電圧Ｖ
を、第２図の液晶の電圧−コントラスト特性のし
きい値電圧Vth以下にとり、非選択点での表示消
去を行なわねばならない。また、この時の点灯画
素のコントラストは選択波形の実効値VRMSでき
まり、この実効値VRMSは次式のデユーテイ比
１／Ｎに依存している。
ただし、Ｎはダイナミツク駆動に於けるアドレ
ス線数であり、またＶはバイアス電圧を表わす。
通常、Ｖは前述の理由によつて液晶のしきい値電
圧Vth以下にとらねばならないため、この式より
次のことが判明する。即ち、アドレス線数が多く
なればなるほど、選択点での実効電圧VRMSはバ
イアス電圧Ｖ、従つてしきい値電圧Vthに近づく
ため、液晶の表示特性からいつて充分な表示コン
トラストを得ることが難しくなる。このことか
ら、ダイナミツク駆動用の液晶表示には特に、電
圧−コントラスト特性に明確なしきい値を有する
ことが要求されていることがわかる。しかるに、
現用の液晶表示特性は、第２図に示すようにこの
要求に対し充分とはいえない。またこの他に、温
度による電圧−コントラスト特性のシフトが大き
いこと、見る方向によるコントラスト特性の変
化、即ち、視角依存性があることなどから、アド
レス線数としては２〜４本、多桁表示では２〜４
デジツト程度のダイナミツク駆動以外、実用には
供し得ないのが現状である。
本発明は、上述した欠点を解決するために、簡
単な非線形素子を液晶表示に付加し、これによつ
て液晶の電圧−コントラスト特性に明確なしきい
値を与え、より実用度の高い液晶ダイナミツク駆
動を提供することを目的としている。
第３図は、本発明に用いる非線形素子の構造を
示した図であり、絶縁基板１上に配された絶縁薄
膜２と、それをサンドイツチ状に挟む同質の金属
電極３，４（あるいは半導体）からなる。通常、
ここに用いる金属としては、Al，Ta，Zr，Tiな
どがあげられ、絶縁薄膜にはこれらの酸化物Al2
O3，Ta2O5，ZrO2，TiO2等を用いるのが製造上
楽である。しかし絶縁薄膜は酸化物でなくても原
理的に可能であり、また金属電極の代わりに半導
体のSi，Ge，化合物半導体等を用いても、同様
の効果があげられる。
次に、Al，Al2O3を使つた簡単な製造上の手順
を述べる。
まず一方の電極となるAlを絶縁基板例えば、
ガラス基板上に蒸着し、次にこのAl電極を酸素
雰囲気中で長時間加熱するか、陽極酸化などの他
の方法によつて、数10〜数100〓のAl2O3皮膜を
形成する。そして再びこの上に、下のAl電極と
交叉するように、もう一方のAl電極を蒸着すれ
ば完成である。但し、絶縁皮膜については、その
厚み管理が、本非線形素子の特性を決める条件と
なる。なお、上述の絶縁薄膜を形成する方法とし
ては、これ以外にスパツタリングによる方法、イ
オンプラズマによる陽極酸化などの方法が採用で
き、また電極形成そのものも、蒸着の他に、化学
的なメツキ法、スパツタリング法、気相反応法な
どの種々の手段が考えられる。要は、生産性がよ
く、しかも信頼性の高い方法を組合せればよいこ
とになる。
第４図は、このようにして得た素子の代表的な
特性例であり、電圧−電流特性に非直線性が認め
られることが特徴である。この時の電流には、２
つの導体間にある電位障壁の上を越えて電子が流
れるシヨツトキ効果によるものと、電位障壁中を
トンネル効果により電子が透過するプール・フレ
ンケル効果との２つが考えられ、絶縁層の膜厚が
薄い場合には後者が、膜厚が厚い場合には前者
が、有力な導電機構となつている。また、この素
子のもう一つの特徴は、特性が電圧の側、側
で対称性を有することで、これは液晶の交流駆動
に合せることができ、好都合である。
通常使用される数1000〓以下のレベルでは、プ
ール・フレンケル効果が主たる導電機構であり、
これは、バルク効果であり、絶縁層の原子・電子
状態により、電圧／電流特性が規制される。即
ち、膜材質、製造方式による各種欠陥の多少、不
純物イオンの種類、量、ドナー／アクセプタ単位
の濃度等の物性定数の制御が重要な因子となる。
本発明は、このような特性を有する非線形素子
と液晶の表示素子を直列に組合せ、液晶表示の電
圧−コントラスト特性を改良するものであり、第
５図にその結果が示してある。即ち、第２図の液
晶だけの特性と較べると、明らかにしきい値が明
確になつていることが認められる。これは低電圧
領域における非線形素子が第４図の特性によつて
高抵抗体として働き、これが液晶の抵抗とコンパ
ラブルであるため、液晶にかかる印加電圧は実際
の印加電圧より小となり、見かけ上液晶の電圧−
コントラスト特性が高電圧側へシフトするためで
ある。一方、高電圧がこのデバイスに印加された
場合には、非線形素子は低抵抗体としてふるまう
ので、印加電圧の大部分が液晶にかかり、特性の
シフトは少ない。従つて、液晶の表示特性（第２
図）は、みかけ上、第５図のように押し縮められ
た形となつてしきい値が、より明らかになるもの
である。なお、前述の説明でわかるように、低電
圧域では、付加素子のインピーダンスが液晶のイ
ンピーダンスと同等程度以上とならなければなら
ない。しかし、この点については、絶縁層の膜厚
コントロール及び液晶にイオン性の添加剤を加え
るなどの方法によつて、両者のインピーダンス調
整を行なえば解決がつく問題である。
本発明は、上述の素子の組合せによつて、多桁
あるいはマトリクス型の表示を構成し、これをダ
イナミツク駆動するものである。その基本的な構
成模式図は、第６図に示した非線形素子５と液晶
セル６の直列回路をマトリクス状に配線したもの
であり、駆動方法については、従来の1/2バイア
ス法、1/3バイアス法等をそのまま採用すればよ
い。例えば、1/3バイアス法の場合には、図のＸ
軸側電極に第１図のアドレス信号ａ，ｂ等を印加
し、一方Ｙ軸側電極には表示信号のｃをそれぞれ
印加すれば、結局、付加素子と液晶セルの直列回
路には、図のｄ，ｅなどの信号波形が加わること
になる。この付加素子と液晶セルの直列回路の特
性は、既に第５図に表わしたものであるから、選
択波形、及び非選択波形のバイアス電圧Ｖを、こ
の曲線のしきい値Vthに合わせれば、従来より優
れた液晶のダイナミツク駆動表示を得ることがで
きる。即ち、先に述べた選択波形の実効値VRMS
とバイアス電圧Ｖの関係式(1)より
であり、この時の実効値VRMSとバイアス電圧Ｖ
は、第５図の飽和電圧Vsatとしきい値電圧Vthに
それぞれ対応させてとれば、充分な表示コントラ
ストが得られる筈だから
なる関係が存在する。しかるに、本発明による特
性の改良点は、数式的にVsat／Vth→１なるもの
であるから
The present invention relates to improving the characteristics of a display device using liquid crystal and to a driving method. More specifically, the present invention relates to a method of adding a simple nonlinear element to a liquid crystal display cell, thereby improving the voltage-contrast characteristics of the liquid crystal display and performing dynamic driving. Dynamic drive of liquid crystals has been studied for some time, and the 1/2 bias method and 1/3 bias method have been devised. Figure 1 is an example of the drive waveform of the 1/3 bias method.
It consists of two types: address signals a and b in the figure, and a display signal synchronized with these signals in c in the figure. These signals are applied to opposing electrodes that sandwich the liquid crystal material, and the voltage waveform actually applied to the liquid crystal changes as shown in d and e in the figure. d in the figure is the waveform at the selected point, and e is the waveform at the non-selected point. As can be seen from this figure, a bias voltage V is always applied to the liquid crystal, so in order to obtain a display with good contrast, this bias voltage V
must be set below the threshold voltage Vth of the voltage-contrast characteristic of the liquid crystal shown in FIG. 2 to erase the display at non-selected points. Further, the contrast of the lit pixel at this time is determined by the effective value V RMS of the selected waveform, and this effective value V RMS depends on the duty ratio 1/N of the following equation. However, N is the number of address lines in dynamic driving, and V is the bias voltage.
Normally, V must be set below the threshold voltage Vth of the liquid crystal for the above-mentioned reason, so the following is found from this equation. In other words, as the number of address lines increases, the effective voltage V RMS at the selection point approaches the bias voltage V, and therefore the threshold voltage Vth, so it is difficult to obtain sufficient display contrast based on the display characteristics of the liquid crystal. It becomes difficult. From this, it can be seen that liquid crystal displays for dynamic driving are particularly required to have a clear threshold voltage-contrast characteristic. However,
Current liquid crystal display characteristics are not sufficient to meet this requirement, as shown in FIG. In addition, due to the large shift in voltage-contrast characteristics due to temperature and the change in contrast characteristics depending on the viewing direction, that is, viewing angle dependence, the number of address lines should be 2 to 4, and in multi-digit displays. 2-4
At present, it is not possible to put it into practical use except for dynamic drive on the digital level. In order to solve the above-mentioned drawbacks, the present invention adds a simple nonlinear element to a liquid crystal display, thereby providing a clear threshold value to the voltage-contrast characteristics of the liquid crystal, and realizing a more practical liquid crystal dynamic drive. is intended to provide. FIG. 3 is a diagram showing the structure of a nonlinear element used in the present invention, which includes an insulating thin film 2 disposed on an insulating substrate 1, and homogeneous metal electrodes 3, 4 (or semiconductors) sandwiching it in a sandwich-like manner. Consisting of usually,
The metals used here include Al, Ta, Zr, Ti, etc., and the insulating thin film contains oxides of these Al 2
It is easier to manufacture using O 3 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , TiO 2 , etc. However, it is possible in principle to form an insulating thin film even if it is not an oxide, and the same effect can be achieved even if a semiconductor such as Si, Ge, or a compound semiconductor is used instead of a metal electrode. Next, a simple manufacturing procedure using Al and Al 2 O 3 will be described. First, one electrode, Al, is placed on an insulating substrate, for example.
The Al 2 O 3 film is deposited on a glass substrate and then heated for a long time in an oxygen atmosphere or by other methods such as anodic oxidation to form an Al 2 O 3 film of several tens to hundreds of layers. Then, the other Al electrode is deposited on top of this again so as to intersect with the lower Al electrode, and the process is complete. However, regarding the insulating film, controlling its thickness is a condition that determines the characteristics of the present nonlinear element. In addition, as a method for forming the above-mentioned insulating thin film, methods such as sputtering and anodic oxidation using ion plasma can be used.Also, for electrode formation itself, in addition to vapor deposition, chemical plating and sputtering can be used. Various methods can be considered, such as a method, a gas phase reaction method, and the like. The key is to combine methods that are both highly productive and reliable. FIG. 4 shows a typical example of the characteristics of the element thus obtained, which is characterized by nonlinearity in the voltage-current characteristics. The current at this time is 2
Two possible causes are the Schottky effect, in which electrons flow over the potential barrier between two conductors, and the Poole-Frenkel effect, in which electrons pass through the potential barrier due to a tunnel effect. In some cases, the latter is the dominant conductive mechanism, and in cases where the film is thick, the former is the dominant conductive mechanism. Another feature of this element is that its characteristics are symmetrical on the voltage side and on the voltage side, which is advantageous because it can be adapted to AC drive of liquid crystals. At levels below the commonly used 1000s, the Poole-Frenkel effect is the main conductive mechanism;
This is a bulk effect, and the voltage/current characteristics are regulated by the atomic and electronic states of the insulating layer. That is, important factors are the control of physical property constants such as the film material, the amount of various defects caused by the manufacturing method, the type and amount of impurity ions, and the concentration of donor/acceptor units. The present invention improves the voltage-contrast characteristics of a liquid crystal display by combining a nonlinear element having such characteristics in series with a liquid crystal display element, and the results are shown in FIG. That is, when compared with the characteristics of only the liquid crystal shown in FIG. 2, it is recognized that the threshold value is clearly defined. This is because the nonlinear element in the low voltage region acts as a high resistance object due to the characteristics shown in Figure 4, and this is comparable to the resistance of the liquid crystal, so the applied voltage to the liquid crystal is smaller than the actual applied voltage, and the apparent liquid crystal voltage of −
This is because the contrast characteristics shift to the high voltage side. On the other hand, when a high voltage is applied to the device, the nonlinear element behaves as a low-resistance element, so most of the applied voltage is applied to the liquid crystal, resulting in little shift in characteristics. Therefore, the display characteristics of the liquid crystal (second
(Fig. 5) appears to be compressed as shown in Fig. 5, and the threshold value becomes clearer. As can be seen from the above description, in the low voltage range, the impedance of the additional element must be equal to or higher than the impedance of the liquid crystal. However, this problem can be solved by adjusting the impedance of both by controlling the thickness of the insulating layer and adding an ionic additive to the liquid crystal. The present invention constructs a multi-digit or matrix-type display by combining the above-described elements, and dynamically drives the display. The basic configuration schematic diagram is a series circuit of the nonlinear element 5 and the liquid crystal cell 6 shown in FIG. 6, which are wired in a matrix, and the driving methods include the conventional 1/2 bias method and the 1/2 bias method. 3-bias method etc. can be adopted as is. For example, in the case of the 1/3 bias method,
If the address signals a, b, etc. shown in Figure 1 are applied to the axis side electrodes, and the display signal c is applied to the Y axis side electrodes, the series circuit of the additional element and the liquid crystal cell will end up as shown in the figure. Signal waveforms such as d and e are added. The characteristics of the series circuit of this additional element and the liquid crystal cell are already shown in FIG. A more excellent liquid crystal dynamic drive display can be obtained. In other words, the effective value V RMS of the selected waveform mentioned above
From the relational expression (1) between and bias voltage V, At this time, the effective value V RMS and bias voltage V
If these are taken to correspond to the saturation voltage Vsat and threshold voltage Vth in Figure 5, sufficient display contrast should be obtained. There is a relationship. However, the improvement in characteristics according to the present invention is that mathematically Vsat/Vth→1.
【式】となり、Ｎは大き
くとれることがわかる。即ち、本発明によつて、
より多くの桁数を有する表示、あるいはより多く
の走査線数を有するマトリクス表示をダイナミツ
ク駆動することができる。
第７図は、本発明によつて多桁の表示を構成す
る電極と非線形素子の配線例であり、図の上部が
セグメント側の電極と非線形素子（丸印）を図の
下部が桁電極側の配線を表わしている。第６図と
の対応は、桁電極１，，がXi電極に相当し、
セグメント電極側のａ，ｂ……ｇ，dotがYj電極
群に相当している。従つて、各非線形素子は、図
の丸印によつて表わされたセグメント電極からの
配線と帯状のリード配線の交点に形成すればよ
く、素子形成の方法としては、液晶セルの基板そ
のものを利用して、液晶セル基板上で全てを処理
するのが実用的であり、全体をコンパクトにまと
めることができる。通常、表示部の電極は透明導
電薄膜をもつて形成しなければならないため、本
発明では、表示部を離れた所から非線形素子と同
一の金属をもつて継続配線をなし、同時に付加素
子の形成を行なえばよい。故に、本発明を現存す
る全ての液晶表示デバイス、例えば、DSM，
TNFEN，DAP，GUEST／HOST等に応用する
ことに何ら支障を与えることはない。逆に、後面
が金属電極でなければならないDSM表示等の光
散乱型の表示には、本発明の適用が特殊な形で有
利に適用できる。
第８図は、DSMなどの光散乱型表示に本発明
を適用した例の断面図であり、帯状電極群からな
るマトリクス型表示を表わしている。即ち、表示
部の上側基板となるガラス板７上に配された縦列
の透明電極８、それに相対する横列の島状金属電
極９、非線形素子を形成するための絶縁薄膜１
０、横列配線をなす金属配線１１、及びこれらの
電極と付加素子を支持し、液晶物質１３を挟持す
る下基板１２の各部から構成されている。従つ
て、この図でわかるように、下基板上の最も液晶
物質に近い金属薄膜９は、非線形素子の一方の電
極であると同時に液晶表示の一方の電極であり、
かつ、コントラスト向上のための光反射鏡面の役
割を果たしている。この例は、マトリクス表示を
表わしたものであるが、前述のセグメント式の表
示に於いても同様である。つまり、第７図の丸印
によつて表わした付加素子群をセグメント電極下
に設け、桁電極群を透明導電薄膜によつて形成
し、かつセグメント電極群を下基板上に、桁電極
群を上基板上に配すればよい。
本発明をさらに発展させた形で応用するには、
第９図のように、付加素子を形成した液晶セル基
板上に、さらに第１図のような駆動波形を操作す
る液晶表示駆動用半導体ICチツプ１４、さらに
は時間計測や演算機能を有するLSI半導体チツプ
群をボンデイングし、配線を施せば、薄型軽量で
機能性に富んだデバイスを提供することができ
る。また、さらには、この半導体ICの中に、本
発明で用いる非線形素子を組み込んで、このIC
を液晶セル基板上にボンデイングしても、全く同
じである。即ち、Si−SiO−Siなどの半導体構成
を有効に活用することができる。
次に、ドツトマトリクスアレイの実施例を説明
する。併せて絶縁層の材質の効果を検証する。本
実施例は、周知のドツトマトリクス液晶パネルの
各画素ごとに非直線性素子を配置する構成になつ
ている。第１０図ａに断面形状を、同図ｂに平面
形状を示し、同図ｃに一画素の構成を示す。ま
ず、ガラス基板２１上に酸化タンタル２２をデポ
ジツトする。その上にタンタルをデポジツトし、
フオトエツチングにより所定パターンのタンタル
膜２３を形成する。次にこのタンタル膜２３の表
面を陽極酸化して、酸化タンタル膜２４を形成す
る。この酸化タンタル膜２４が絶縁層を形成す
る。酸化タンタル膜２４の上の一部に、第１０図
ｃに示すようにリード電極２５を形成して、非直
線性素子を構成する。さらに画素を構成する透明
電極２６を、第１０図ｂに示すようなパターンに
形成する。液晶パネルを構成するもう一方のガラ
ス基板２７上には、第１０図ｂに示すようなパタ
ーンの透明電極２８を、画素を構成する透明電極
２６に対応させて複数個形成し、ガラス基板２１
および２７を配向処理を施した後、貼合せてシー
ルし、間隙に液晶２９を注入する。タンタル膜２
３および透明電極２８が、通常のＸ−Ｙ駆動方式
の電源ラインとなる。
第１１図に、第１０図に示す画素電極および非
直線性素子の製造プロセスを示す。ａ図は、ガラ
ス基板２１上に酸化タンタル（Ta2O5）２２をデ
ポジツトした状態を示す。酸化タンタル２２のデ
ポジツトは、酸素ガスをアルゴンガスと共に導入
し、反応性スパツタリング法により行なつた。ｂ
図は、タンタル（Ta）膜２３を、通常の２極R.
F.スパツタリング装置により、アルゴン雰囲気中
でデポジツトし、フオトエツチングにより所定パ
ターンに形成した状態を示し、ｃ図は、タンタル
膜２３の表面を陽極酸化して、酸化タンタル
（Ta2O5）膜２４を形成した状態を示す。陽極酸
化時の溶液として、0.01％クエン酸水溶液を用い
た。ｄ図は、酸化タンタル膜２４上の一部に、
Ni，Cr，Au，Taなどの金属からなるリード電
極２５を、電子ビーム蒸着装置により形成した状
態を示し、ｅ図は、画素を構成するSnO2，In2O3
などのネサ膜からなる透明電極２６を、同じよう
に電子ビーム蒸着装置により形成した状態を示
す。一画素の寸法は0.9mm角で、50ドツト×50ド
ツトの計2500個形成し、それに対応して形成され
た非直線性素子の寸法は20μ角である。
上記の他に、リード電極２５と画素を構成する
透明電極２６を、同じ透明導電材を用いて一体化
し、同時に形成することにより、フオトプロセス
を一工程簡略化できる。
以上のように構成されたドツトマトリクスアレ
イを、第１２図に示すような駆動システムで駆動
実験を行なつた。図中、３１は上記のドツトマト
リクスアレイ、３２はＹ軸ドライバ、３３はＸ軸
ドライバ、３４は表示制御回路、３５は電源であ
る。第１３図は、１画素に加えられる駆動波形と
その実効値の一例を示す。図中、３６はＶ−5V
駆動方式による駆動波形を示し、３７はオン時、
３８はオフ時の実効値をそれぞれ示す。このよう
な駆動システムでアルフア・ニユーメリツク表示
を行ない、表示された英文字・数字を観察したと
ころ、1/500デユーテイ駆動でスタテイツク駆動
した場合と同等の表示品質、コントラストが得ら
れた。用いた液晶は、FE型ツイストネマチツク
液晶である。
次に、絶縁層として使用可能な材料について検
討した。第１４図に示すようなR.F.スパツタリン
グ装置を用いて、種々の材料について試作してみ
た。図において、４１は真空チヤンバー、４２は
排気系、４３はマスフロー制御のガス導入系、４
４はR.F.発振電源、４５は基板ホルダーでヒータ
ーが設置されている。本装置の特徴は、ステンレ
ス製の皿４６を基板ホルダー４５の下側に配置
し、皿４６の内部に原料となる粉末４７をパツキ
ングすることにより、容易に粉末４７をターゲツ
トとしてスパツタできるように設計されている点
にある。
原料となる粉末としては、Tr，Ｖ，Cr，Mn，
Fe，Co，Ni，Cu，Ｙ，Zr，Nb，Mo，Pd，Sb，
Ta，Ｗ，Ir，Bi，La，Ce，Nd，Gd，Siのいず
れかの金属元素を用い、アルゴンガスにN2，O2，
Co2，HFの少なくとも１種のガスを混合してな
るガス雰囲気中で、反応性スパツタリングによ
り、前記金属の酸化物、窒化物、炭化物、弗化
物、オキシ窒化物、オキシ炭化物、オキシ弗化
物、あるいはメタル−Ｃ−Ｎ，メタル−Ｃ−Ｆ，
メタル−Ｎ−Ｆの各化合物からなる絶縁層を形成
し、非直線性をチエツクした。その結果、前記化
合物は、いずれもMIM構造において、非直線性
Ｖ−Ｉ特性を示した。
ここで重要なことは、前述した種々の金属の化
合物を適当に選択することにより、MIM素子の
Ｖ−Ｉ特性を幅広く変化させることができること
である。すなわち、抵抗値、急峻性、立ち上り電
圧、容量値、温度依存性などの諸特性を、用途に
応じて最適値に設定が可能となり、これにより、
立ち上り電圧の低いMIM素子（例えばSiOxNy，
Nb2O5，NbOxNy，Si3N4）を用いて、低電圧駆
動の液晶デイスプレイが実現でき、また２種類の
MIM素子（例えばTa2O5系とSiOxNy系）を組
み合わせて電圧パルスを組み合わせ、複数の表示
状態を実現するなど、種々の応用が可能となる。
特に、上述のMIM素子の絶縁膜のうち、La，
Ce，Nd，Gdの１種から選ばれてなるランタノイ
ドの酸化物、もしくは窒化物、もしくは炭化物、
もしくは弗化物は、液晶表示装置のスイツチング
素子として、以下のような非常に優れた特性を有
する。
すなわち、La，Ce，Nd，Gdの１種から選ば
れてなるランタノイドの酸化物、もしくは窒化
物、もしくは炭化物、もしくは弗化物は、誘電率
が小さいので、容量の小さいMIM素子が得られ、
その結果、信号電圧がMIM素子でロスされるこ
となく、より効率良く信号電圧が画素電極に供給
されるという効果が得られる。更に、上記ランタ
ノイド化合物はMIM素子の絶縁物層に用いた場
合、MIM素子の電圧−電流特性の立ち上がりの
傾斜がより急峻な特性が得られ、このような非線
形特性は、階調表示が必要となる例えば映像表示
用液晶表示装置のスイツチング素子としては最適
なものである。
更に、上記ランタニド化合物の形成は、反応性
スパツタリング法により形成したものであるの
で、薄膜でもピンホールの全くない非常に致密な
膜が安定して形成でき、リーク不良のないMIM
素子が得られ、特性面においても、Ｖ−Ｉ特性の
バラツキの少ないものが得られ、特に、非常に多
数のMIM素子で構成されるアキテイブマトリク
ス液晶テレビ表示装置においては、上述の効果は
歩留りの点、及び表示品質の点で重要な役割を発
揮するものである。
以上述べた如く、本発明は金属（半導体）−絶
縁薄膜−金属（半導体）の構造からなる簡単な付
加素子を液晶表示セルに結合することによつて、
付加素子の非線形特性を液晶の表示特性改良に用
いるものである。これによつてもたらされる本発
明の特徴は、従来よりも、より多くのデジツト数
を有する多桁表示、あるいは、より多くの走査線
数を有するマトリクス型表示のダイナミツク駆動
を可能にし、この多重度を増すものである。また
本発明は、原理的に薄膜を応用するものであるた
め、付加素子群を縮小、さらに集積化することが
でき、全液晶表示デバイスをコンパクトにまとめ
ることができる。従つて、本発明は液晶を応用す
る上での駆動回路群の素子数減少、さらには液晶
表示の多機能化に継がり、液晶表示の応用分野を
時計、電卓、小型計測器等をはじめとして、将来
はTV画像表示にまで拡大が可能である。[Formula], and it can be seen that N can be large. That is, according to the present invention,
Displays with a larger number of digits or matrix displays with a larger number of scanning lines can be dynamically driven. FIG. 7 is an example of the wiring of electrodes and nonlinear elements constituting a multi-digit display according to the present invention. represents the wiring. Corresponding to Fig. 6, digit electrode 1,, corresponds to the Xi electrode,
A, b...g, dot on the segment electrode side correspond to the Yj electrode group. Therefore, each nonlinear element may be formed at the intersection of the wiring from the segment electrode and the strip-shaped lead wiring, which are indicated by circles in the figure.The method for forming the element is to use the substrate itself of the liquid crystal cell. It is practical to process everything on the liquid crystal cell substrate by using this method, and the whole can be made compact. Normally, the electrodes of the display part must be formed using a transparent conductive thin film, so in the present invention, continuous wiring is formed using the same metal as the nonlinear element from a place away from the display part, and at the same time, the additional elements are formed. All you have to do is Therefore, the present invention can be applied to all existing liquid crystal display devices, such as DSM,
There is no problem in applying it to TNFEN, DAP, GUEST/HOST, etc. On the contrary, the present invention can be advantageously applied in a special manner to a light scattering display such as a DSM display in which the rear surface must be a metal electrode. FIG. 8 is a cross-sectional view of an example in which the present invention is applied to a light scattering type display such as a DSM, and represents a matrix type display consisting of a group of band-shaped electrodes. That is, vertical rows of transparent electrodes 8 are arranged on a glass plate 7 serving as the upper substrate of the display section, horizontal rows of island-like metal electrodes 9 opposite to the transparent electrodes 8, and an insulating thin film 1 for forming a nonlinear element.
0, metal wiring 11 forming horizontal wiring, and various parts of a lower substrate 12 that supports these electrodes and additional elements and sandwiches a liquid crystal material 13. Therefore, as can be seen in this figure, the metal thin film 9 on the lower substrate closest to the liquid crystal material is one electrode of the nonlinear element and at the same time one electrode of the liquid crystal display.
It also plays the role of a light-reflecting mirror surface to improve contrast. Although this example shows a matrix display, the above-mentioned segment type display is also similar. In other words, the additional element group indicated by the circle in FIG. It may be placed on the upper substrate. For a further developed application of the invention,
As shown in FIG. 9, on a liquid crystal cell substrate on which additional elements are formed, there is further a semiconductor IC chip 14 for driving a liquid crystal display that operates the driving waveform as shown in FIG. 1, and an LSI semiconductor having time measurement and calculation functions. By bonding and wiring chips, it is possible to create thin, lightweight, and highly functional devices. Furthermore, the nonlinear element used in the present invention is incorporated into this semiconductor IC, and this IC
Even if it is bonded onto a liquid crystal cell substrate, the result is exactly the same. That is, a semiconductor configuration such as Si-SiO-Si can be effectively utilized. Next, an example of a dot matrix array will be described. We will also verify the effect of the material of the insulating layer. This embodiment has a configuration in which a nonlinear element is arranged for each pixel of a well-known dot matrix liquid crystal panel. FIG. 10a shows the cross-sectional shape, FIG. 10b shows the planar shape, and FIG. 10c shows the configuration of one pixel. First, tantalum oxide 22 is deposited on a glass substrate 21. Deposit tantalum on top of it,
A tantalum film 23 having a predetermined pattern is formed by photoetching. Next, the surface of this tantalum film 23 is anodized to form a tantalum oxide film 24. This tantalum oxide film 24 forms an insulating layer. A lead electrode 25 is formed on a portion of the tantalum oxide film 24, as shown in FIG. 10c, to constitute a nonlinear element. Further, transparent electrodes 26 constituting pixels are formed in a pattern as shown in FIG. 10b. On the other glass substrate 27 constituting the liquid crystal panel, a plurality of transparent electrodes 28 having a pattern as shown in FIG. 10b are formed in correspondence with the transparent electrodes 26 constituting pixels.
and 27 are subjected to alignment treatment, then bonded and sealed, and liquid crystal 29 is injected into the gap. tantalum film 2
3 and the transparent electrode 28 serve as a power line for a normal X-Y drive system. FIG. 11 shows a manufacturing process for the pixel electrode and nonlinear element shown in FIG. 10. Figure a shows a state in which tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) 22 is deposited on a glass substrate 21. FIG. The deposition of tantalum oxide 22 was carried out by introducing oxygen gas together with argon gas and using a reactive sputtering method. b
The figure shows a tantalum (Ta) film 23 in a normal two-pole R.
F. Depositing in an argon atmosphere using a sputtering device and forming a predetermined pattern by photo - etching is shown . This shows the state in which it has been formed. A 0.01% citric acid aqueous solution was used as the solution during anodization. Figure d shows a part of the tantalum oxide film 24,
The lead electrode 25 made of metals such as Ni, Cr, Au , Ta , etc. is shown formed by an electron beam evaporation device .
A transparent electrode 26 made of a Nesa film such as the above is similarly formed using an electron beam evaporation device. The size of one pixel is 0.9 mm square, and a total of 2,500 pixels of 50 dots x 50 dots are formed, and the corresponding dimension of the nonlinear element formed is 20 μ square. In addition to the above, the photo process can be simplified by one step by integrating the lead electrode 25 and the transparent electrode 26 constituting the pixel using the same transparent conductive material and forming them at the same time. A driving experiment was conducted on the dot matrix array configured as described above using a driving system as shown in FIG. In the figure, 31 is the above-described dot matrix array, 32 is a Y-axis driver, 33 is an X-axis driver, 34 is a display control circuit, and 35 is a power supply. FIG. 13 shows an example of a drive waveform applied to one pixel and its effective value. In the diagram, 36 is V-5V
The drive waveform according to the drive method is shown, and 37 is when on,
Reference numerals 38 and 38 respectively indicate effective values when off. When alpha numeric display was performed using such a drive system and the displayed alphanumeric characters were observed, it was found that the display quality and contrast were equivalent to those obtained using static drive with 1/500 duty drive. The liquid crystal used was an FE type twisted nematic liquid crystal. Next, we investigated materials that can be used as the insulating layer. Using an RF sputtering device as shown in Fig. 14, we tried manufacturing various materials. In the figure, 41 is a vacuum chamber, 42 is an exhaust system, 43 is a mass flow control gas introduction system, and 4 is a vacuum chamber.
4 is an RF oscillation power supply, and 45 is a substrate holder equipped with a heater. The feature of this device is that a stainless steel plate 46 is arranged below the substrate holder 45, and the raw material powder 47 is packed inside the plate 46, so that the powder 47 can be easily sputtered as a target. It is in the point that it is. The raw material powders include Tr, V, Cr, Mn,
Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Sb,
Using any of the metal elements Ta, W, Ir, Bi, La, Ce, Nd, Gd, Si, and argon gas with N 2 , O 2 ,
Oxides, nitrides, carbides, fluorides, oxynitrides, oxycarbides, oxyfluorides , Or metal-C-N, metal-C-F,
An insulating layer made of each metal-NF compound was formed and nonlinearity was checked. As a result, all of the compounds exhibited nonlinear VI characteristics in the MIM structure. What is important here is that by appropriately selecting the various metal compounds mentioned above, the V-I characteristics of the MIM element can be varied over a wide range. In other words, various characteristics such as resistance value, steepness, rise voltage, capacitance value, and temperature dependence can be set to optimal values depending on the application.
MIM elements with low rise voltage (e.g. SiOxNy,
Nb 2 O 5 , NbOxNy, Si 3 N 4 ) can be used to realize low-voltage driven liquid crystal displays, and two types of
Various applications are possible, such as combining MIM elements (for example, Ta 2 O 5 type and SiOxNy type) and combining voltage pulses to realize multiple display states. In particular, among the insulating films of the MIM elements mentioned above, La,
Lanthanide oxide, nitride, or carbide selected from one of Ce, Nd, and Gd,
Alternatively, fluoride has the following very excellent properties as a switching element of a liquid crystal display device. In other words, lanthanoid oxides, nitrides, carbides, or fluorides selected from one of La, Ce, Nd, and Gd have a small dielectric constant, so an MIM element with a small capacity can be obtained.
As a result, it is possible to achieve the effect that the signal voltage is more efficiently supplied to the pixel electrode without being lost in the MIM element. Furthermore, when the above-mentioned lanthanoid compound is used in the insulating layer of an MIM device, the voltage-current characteristic of the MIM device has a steeper rising slope, and such nonlinear characteristics require gradation display. For example, it is optimal as a switching element for a liquid crystal display device for displaying images. Furthermore, since the above-mentioned lanthanide compound is formed by the reactive sputtering method, a very dense film with no pinholes can be stably formed even in a thin film, and it can be used as a MIM without leakage defects.
In terms of characteristics, it is possible to obtain an element with little variation in V-I characteristics.Especially, in an achievable matrix liquid crystal television display device composed of a large number of MIM elements, the above-mentioned effect has a significant effect on yield. This plays an important role in terms of display quality and display quality. As described above, the present invention combines a simple additional element consisting of a metal (semiconductor)-insulating thin film-metal (semiconductor) structure to a liquid crystal display cell.
The nonlinear characteristics of the additional element are used to improve the display characteristics of liquid crystal. The feature of the present invention brought about by this is that it enables dynamic driving of a multi-digit display having a greater number of digits or a matrix type display having a greater number of scanning lines than before, and this multiplicity is It increases the Further, since the present invention basically applies a thin film, the additional element group can be reduced and further integrated, and the entire liquid crystal display device can be made compact. Therefore, the present invention continues to reduce the number of elements in the drive circuit group when applying liquid crystals, and furthermore, to make liquid crystal displays multifunctional, and expands the application fields of liquid crystal displays to watches, calculators, small measuring instruments, etc. In the future, it is possible to expand to TV image display.
第１図は、従来用いられていた液晶の1/3バイ
アス・ダイナミツク駆動波形例を示す。第２図
は、一般的な液晶表示装置の電圧−コントラスト
特性を示す。第３図は、本発明における非線形素
子の構造図である。第４図は、本発明における非
線形素子の電圧−電流特性を示す。第５図は、本
発明における液晶表示装置の電圧−コントラスト
特性を示す。第６図は、本発明における液晶表示
装置の基本模式図である。第７図は、本発明を応
用したセグメント型多桁表示装置の配線例を示
す。第８図は、光散乱型液晶表示装置に本発明を
応用した場合の電極配線例を示す。第９図は、本
発明の他の応用例の概略図である。第１０図ａ〜
ｃは、本発明におけるMIM素子の具体的構造の
一実施例を示す。第１１図は、第１０図に示す
MIM素子の製造工程を示す。第１２図は、本発
明における液晶表示装置の駆動システムの一例を
示す。第１３図は、本発明における一画素の駆動
波形例を示す。第１４図は、本発明の実施に適し
たスパツタリング装置の一例を示す概略図であ
る。
１……絶縁基板、２……絶縁薄膜、３，４……
金属（半導体）電極、５……非線形素子、６……
液晶セル、２１，２７……ガラス基板、２２……
酸化タンタル、２３……タンタル膜、２４……酸
化タンタル膜、２５……リード電極、２６，２８
……透明電極、２９……液晶、３１……ドツトマ
トリクスアレイ、３２……Ｙ軸ドライバ、３３…
…Ｘ軸ドライバ、３４……表示制御回路、３５…
…電源、４１……真空チヤンバー、４２……排気
系、４３……ガス導入系、４４……R.F.発振電
源、４５……基板ホルダー、４６……皿、４７…
…粉末。
FIG. 1 shows an example of a 1/3 bias dynamic drive waveform for a conventional liquid crystal. FIG. 2 shows voltage-contrast characteristics of a typical liquid crystal display device. FIG. 3 is a structural diagram of a nonlinear element according to the present invention. FIG. 4 shows the voltage-current characteristics of the nonlinear element in the present invention. FIG. 5 shows the voltage-contrast characteristics of the liquid crystal display device according to the invention. FIG. 6 is a basic schematic diagram of a liquid crystal display device according to the present invention. FIG. 7 shows a wiring example of a segment type multi-digit display device to which the present invention is applied. FIG. 8 shows an example of electrode wiring when the present invention is applied to a light scattering type liquid crystal display device. FIG. 9 is a schematic diagram of another application example of the present invention. Figure 10 a~
c shows an example of a specific structure of the MIM element in the present invention. Figure 11 is shown in Figure 10.
The manufacturing process of the MIM element is shown. FIG. 12 shows an example of a driving system for a liquid crystal display device according to the present invention. FIG. 13 shows an example of a driving waveform for one pixel in the present invention. FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of a sputtering apparatus suitable for implementing the present invention. 1... Insulating substrate, 2... Insulating thin film, 3, 4...
Metal (semiconductor) electrode, 5... Nonlinear element, 6...
Liquid crystal cell, 21, 27...Glass substrate, 22...
Tantalum oxide, 23... Tantalum film, 24... Tantalum oxide film, 25... Lead electrode, 26, 28
...Transparent electrode, 29...Liquid crystal, 31...Dot matrix array, 32...Y-axis driver, 33...
...X-axis driver, 34...Display control circuit, 35...
...power supply, 41 ... vacuum chamber, 42 ... exhaust system, 43 ... gas introduction system, 44 ... RF oscillation power supply, 45 ... substrate holder, 46 ... dish, 47 ...
...Powder.
Claims (1)
縁物層−第２金属層構造からなるMIM素子の該
第１金属層を形成する工程、該第１金属層上に、
該MIM素子の絶縁物層である、La，Ce，Nd，
Gd，の１種から選ばれてなるランタノイドの酸
化物、もしくは窒化物、もしくは炭化物、もしく
は弗化物を、不活性ガスとN2，O2，CO2，HFの
いずれか一種のガスからなる混合ガス雰囲気中で
反応性スパツタリング法により形成する工程、該
一対の基板の一方の基板上に該MIM素子の第１
金属層または第２金属層と接続されてなる画素電
極を形成する工程からなることを特徴とする液晶
表示装置の製造方法。1. A step of forming the first metal layer of an MIM element having a first metal layer-insulator layer-second metal layer structure on one of the pair of substrates, on the first metal layer,
The insulator layer of the MIM element is La, Ce, Nd,
A mixture of a lanthanide oxide, nitride, carbide, or fluoride selected from Gd, and an inert gas and one of N 2 , O 2 , CO 2 , and HF. A step of forming the first MIM element on one of the pair of substrates by a reactive sputtering method in a gas atmosphere.
A method for manufacturing a liquid crystal display device, comprising the step of forming a pixel electrode connected to a metal layer or a second metal layer.
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|---|---|---|---|
| JP56082138A JPS57197592A (en) | 1981-05-29 | 1981-05-29 | Liquid crystal display unit |
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-
1981
- 1981-05-29 JP JP56082138A patent/JPS57197592A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPS57197592A (en) | 1982-12-03 |
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