JP4207818B2

JP4207818B2 - 反射型液晶表示装置

Info

Publication number: JP4207818B2
Application number: JP2004088566A
Authority: JP
Inventors: 剛佐々木
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: US7038748B2; JP2005049817A; US20050012877A1

Description

本発明は、反射型液晶表示装置に係り、特に表示画像のちらつき（フリッカー）や表示画像の残像（焼付き）の発生を抑制して、良好な表示画像が得られる反射型液晶表示装置に関する。

一般に、ノートパソコン、ＰＤＡ、ワードプロセッサなどの各種のＯＡ機器や携帯電話等の各種の通信機器を含む電子機器のディスプレイには、陰極線管（ＣＲＴ）と比較して小型軽量で、且つ消費電力が少ないことから、液晶表示装置が用いられている。
このような液晶表示装置は、特許文献１に示す特開平９−２６９４８２号公報に記載されている。
即ち、特許文献１には、導電性材料からなる基板上に絶縁層を介してマトリクス状に配置されたＴＦＴと、前記ＴＦＴを覆うようにして形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され、前記ＴＦＴのドレインと電極を介して接続された反射画素電極と、前記反射画素電極と所定の間隙を有して、上方に対応配置された光透過性の対向透明電極と、前記反射画素電極と前記対向透明電極との間に封入された液晶と、からなり、前記対向透明電極側から読出し光を入射させ、前記ＴＦＴからの画像信号に従って光変調させ、前記反射画素電極で反射させた後、前記対向透明電極側から出射させて画像表示を行う液晶表示装置が記載されている。

通常、互いに対向する前記反射画素電極面と前記対向透明電極面には前記液晶の分子を配向させる一対の配向膜が形成されている。また、反射画素電極は、反射率の高いＡｌやＡｇ等で、前記対向透明電極は、前記反射画素電極とは異なる材料のＩＴＯ（ＩｎとＳｎの複合酸化物）等で形成されるため、この電極材料間の仕事関数（ＷｏｒｋＦｕｎｃｔｉｏｎ）は、異なっている。
この結果、前記反射画素電極と前記配向膜との間で発生する接触電位と前記対向透明電極と前記配向膜との間で発生する接触電位との間に接触電位差を生じるので、この接触電位差に応じた直流分が前記液晶に印加されることになる。こういった状態で、前記液晶表示装置を動作させると、表示画像にフリッカーを生じたり、或いは、長時間駆動の場合には、前記液晶から発生するイオン不純物の偏析によって表示画像に残像（焼付き）を生じたりして表示品質が低下するといった問題を生じていた。

対向透明電極の仕事関数と反射画素電極側の仕事関数が±２％以内である場合には、フリッカーや焼付きが余り発生しないことが知られていることから、この対策として、特許文献２に記載されている構成とすることが考えられた。
即ち、特許文献２には、ガラス基板上に形成されたＴＦＴと、前記ＴＦＴを覆うようにして形成された平坦化膜と、前記平坦化膜上に形成され、前記ＴＦＴのドレインにコンタクトホールを介して接続されたＡｌ、Ａｇからなる反射画素電極と、前記反射画素電極と所定の間隙を有して配置されたＩＴＯからなる光透過性の対向透明電極と、前記対向透明電極側に対する前記反射画素電極面に形成されたＩＴＯからなる透明画素電極と、互いに対向する透明画素電極面及び対向透明電極面に形成された一対の配向膜と、前記一対の配向膜間に封入された液晶と、からなるようにすると、前記透明画素電極と配向膜との界面、前記対向透明電極と配向膜との界面での分極量が等しくなり、セル内部に直流成分が重畳しないため、フリッカーの発生が抑制された良好な画像品質が得られることが記載されている。
特開平０９−２６９４８２号公報特開２００２−３６５６６４号公報

しかしながら、特許文献２の場合には、図６に示すように、反射画素電極材料としては、反射率は高いが、ＩＴＯとは異なる屈折率を有するＡｌ、Ａｇが用いられるため、対向透明電極２６側から入射光を入射させた時、反射画素電極２７の表面で反射された反射光と、反射画素電極２７上に形成された透明画素電極２８の表面で反射された反射光との干渉により対向透明電極２６から出射する反射光が低下してしまうといった問題がある。即ち、反射画素電極２７の表面で反射された反射光の山と透明画素電極２８の表面で反射されて出射する反射光の山が重なる場合には、明るい表示画像が得られるが、谷と谷の場合には、暗い表示画像となってしまう。

そこで、本発明は、対向透明電極側と反射画素電極側の仕事関数が±２％以内になるようにして、明るい表示画像が得られ、かつフリッカーや焼付きが発生しない反射型液晶表示装置を提供することを目的とする。

本願発明は、反射画素電極が形成された第１基板と対向透明電極が形成された第２基板とを所定の間隙を有して前記対向透明電極に前記反射画素電極を対向配置させ、前記所定の間隙に液晶層を封入してなる反射型液晶表示装置において、
前記対向透明電極は、前記反射画素電極の仕事関数に対して±２％以内にする金属を含有し、
前記反射画素電極がＡｌ、Ａｇで、前記対向透明電極がＩＴＯである時、前記金属は、前記対向透明電極に対して５重量％〜１０重量％のＡｌを含有することを特徴とする反射型液晶表示装置を提供する。

本願発明の反射型液晶表示装置によれば、前記対向透明電極は、前記反射画素電極の仕事関数に対して±２％以内にする金属を含有し、前記反射画素電極がＡｌ、Ａｇで、前記対向透明電極がＩＴＯである時、前記金属は、前記対向透明電極に対して５重量％〜１０重量％のＡｌを含有するので、フリッカーや焼付きの発生を防止できる。
また、上記効果に加え、明るい表示画像を得ることができる。

本発明の反射型液晶表示装置の各実施の形態について図１〜図５を参照して説明する。
まずは、本発明の第１実施形態について図１乃至図３を用いて説明する。
図１は、本発明の反射型液晶表示装置の第１実施形態における１画素の断面図である。図２は、薄膜形成のための真空装置を示す断面図である。図３は、反射画素電極上に仕事関数調整層がある場合と無い場合の波長に対する反射率依存性を示す図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態における反射型液晶表示装置１は、表面にスイッチングトランジスタ２と保持コンデンサ３が１画素ごとに並列して形成され、かつこれがマトリクス状に形成されたＳｉからなる第１基板４上に、反射画素電極部５と、仕事関数調整層６と、ＳｉＯ₂からなる第１配向膜７Ａと、液晶層８と、ＳｉＯ₂からなる第２配向膜７Ｂと、光透過性のＩＴＯからなる対向透明電極９が形成されたガラスからなる第２基板１０と、が順次積層された構成を有している。
スイッチングトランジスタ２は、ゲート２Ａと、このゲート２Ａの両側に形成されたソース２Ｂ、ドレイン２Ｃとからなり、保持コンデンサ３は、第１基板４中に不純物拡散されて形成された下部電極３Ａとこの下部電極３Ａ上に後述する絶縁層１１を介して形成された上部電極３Ｂとからなる。

反射画素電極部５は、ＳｉＯ₂からなる絶縁層１１と、この絶縁層１１上に形成されたＡｌ、Ａｇからなる反射画素電極１２と、からなり、絶縁層１１中には、ソース２Ｂに接続された信号供給線１３と、ドレイン２Ｃ及び保持コンデンサ３の上部電極３Ｂに共通接続され、かつ反射画素電極１２にも接続されたＡｌからなる金属配線層１４と、反射画素電極１２の間隙１２Ａから侵入する入射光がスイッチングトランジスタ２に到達するのを防止するＡｌからなる遮光層１５と、からなる。

仕事関数調整層６と反射画素電極１２とを合わせた仕事関数は、５．１５〜５．２５ｅＶであり、対向透明電極９のＩＴＯの仕事関数は、５．１〜５．３ｅＶである。そして、仕事関数調整層６と反射画素電極１２とを合わせた仕事関数は、対向透明電極９の仕事関数の中心値５．２ｅＶに対して±２％以内になるようにしてある。仕事関数調整層６の材料には、Ｎｉ（仕事関数５．２ｅＶ）、Ｒｈ（仕事関数５．０ｅＶ）、Ｐｄ（仕事関数５．１ｅＶ）、Ｐｔ（仕事関数５．７ｅＶ）またはそれらの酸化物がある。
なお、上記した第１、第２配向膜７Ａ、７Ｂは、液晶層８中の液晶分子を配向させるためのものである。

この反射型液晶表示装置１は、以下のように動作する。
入射光を第２基板１０側から液晶層８を介して反射画素電極１２に入射させる。そして、この入射光を液晶層８でスイッチングトランジスタ２から供給される画像信号に応じて光変調した後、反射画素電極１２で反射して、再び第２基板１０側から出射させて、画像表示を行う。保持コンデンサ３は、液晶層８の電荷を保持するためのものである。

ここで、仕事関数調整層６の形成方法について図２を参照して説明する。
まずは、仕事関数調整層６を形成するための真空装置１６について説明する。
図２に示すように、真空装置１６は、中空な真空槽１７と、真空槽１７の一方の側壁１７Ａに貫通して設置されたＯ₂ガスを導入する導入口１８と、他方の側壁１７Ｂに貫通して設置されたＯ₂ガスを排気する排気口１９と、真空槽１７の外部に設置された高周波電源２０と、真空槽１７内の底部に配置されたボート２１と、このボート２１中に収納される電子材料を電子加熱する電子銃２２と、高周波電源２２に接続され、かつ、ボート２１の上方に配置されて真空槽１７内に導入されたＯ₂ガスを励起してプラズマを発生させる高周波コイル２３と、この高周波コイル２３の上方にあって、真空槽１７の上部に固定配置された基板支持台２４と、からなる。

次に、この真空装置１６を用いて、仕事関数調整層６を形成する方法について説明する。
まずは、反射画素電極部５が形成された第１基板４を用意する。
真空槽１７内の支持台２４下部に反射画素電極部５側を下方に向けて第１基板４を固定する一方、ボート２１内に仕事関数調整材料を収納する。
次に、真空槽１７内を真空引きした後、導入口１８から所定流量のＯ₂ガスを真空槽１７内に導入し、更に高周波電源２０から所定の高周波出力を高周波コイル２３に供給し、Ｏ₂ガスを励起してプラズマを発生させる。

引き続いて、電子銃２２を駆動させて発生した電子ビームをボート２１内に収納された仕事関数調整材料に照射して、昇華させ、Ｏ₂ガスのプラズマ中を通過させて、仕事関数調整層６を第１基板４における反射画素電極部５の反射画素電極１２上に形成する。

この反射画素電極１２上に仕事関数調整材料が形成される理由について説明する。
Ｏ₂ガスのプラズマが発生すると、正にイオン化されたＯ原子と負の電子とに解離され、電子は、移動度が大きいため、高周波コイル２３の内部は、電子が引き込まれて負電位になるのに対して、正にイオン化されたＯ原子は、移動度が小さいため、高周波コイル２３の外周部付近に滞留したままになるので、正電位になる。

このため、基板支持台２４側と高周波コイル２３の外周部側との間には電位差を生じ、即ち、高周波コイル２３の外周部に対して基板支持台２４側は、相対的に負電位となるため、正にイオン化したＯ原子及び仕事関数調整材料が基板支持台２４側に引き寄せられて仕事関数調整層６が形成されることになるのである。
これが、いわゆる反応性蒸着法というものである。
この仕事関数調整層６の厚さは、Ｏ₂ガス流量、第１基板温度、高周波出力、成膜レート、成膜時間により変化させることができる。

ここで、反射画素電極１２の材料としてＡｌを用い、仕事関数調整材料として仕事関数５．２ｅＶのＮｉを用いて、成膜時間を２〜１０秒と変化させ、第１基板４上に厚さ１ｎｍ〜５ｎｍの仕事関数調整層を有する試料１〜３を作製して、仕事関数調整層６と反射画素電極１２を合わせた仕事関数及び反射率について調べた。この際、反射画素電極１２の厚さは、２００ｎｍであり、Ｏ₂ガス流量は、６０ｓｃｃｍ、第１基板温度は、２５℃、成膜レートは、０．５ｎｍ／ｓｅｃ、高周波出力は、２５０Ｗである。仕事関数調整層６の仕事関数の測定には、理研計器社製光電子分光装置ＡＣ−１を用い、その組成測定には、アルバックファイ社製ＸＰＳ（ＸｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用い、その反射率の測定には、バリアン社製分光光度計を用い、その厚さ測定には走査型電子顕微鏡を用いた。

その結果を表１に示す。ＸＰＳでは深さ７ｎｍ〜８ｎｍ程度の表面近傍だけの組成分析が行われるので、仕事関数調整層６の上方からＸ線を照射すると、このＸ線が反射画素電極１２にも達するため、組成としては、仕事関数調整層６と反射画素電極１２を合わせた平均的なものが測定されることになる。表１中で、反射画素電極１２の仕事関数とは、仕事関数調整層６と反射画素電極１２を合わせた平均的な仕事関数であり、試料１〜３の仕事関数は、それぞれ５．０８ｅＶ、５．２２ｅＶ、５．３０ｅＶである。比較試料は、仕事関数調整層のない反射画素電極１２のままのものであり、その仕事関数は、４．３ｅＶである。

この結果、成膜時間を２秒、５秒、１０秒と増加させると、Ｎｉ／Ａｌ組成比が増加すると共に、反射画素電極６と仕事関数調整層１２を合わせた各仕事関数は、次第に増大する傾向にある。
試料２、３では、対向透明電極９のＩＴＯの仕事関数の中心値５．２ｅＶに対して±２％以内となっており、成膜時間は、５〜１０秒にすると良いことがわかる。

次に、試料１〜３及び比較試料について、光の反射率の波長依存性について調べた。
図３に示すように、試料１〜３は、Ａｌだけの反射画素電極１２である比較試料と同様な反射率の波長依存性を示しており、仕事関数調整層６による反射率の低下は生じないことがわかった。なお、反射率とは、入射光に対する反射光の百分比率である。

次に、対向透明電極９にＩＴＯを用い、反射画素電極１２側の仕事関数を上記した試料１〜３、比較試料と同じにした反射型液晶表示装置１を作製して表示画像のフリッカーと焼付きについて調べた。その結果を表２に示す。
表２中、試料４〜６及び比較試料は、それぞれ反射画素電極１２側の仕事関数が５．０８ｅＶ、５．２２ｅＶ、５．３０ｅＶ、４．３ｅＶである。
焼付きについては、６０℃の環境下で３時間固定パターンを表示させた後、表示を停止して目視にて観測して評価を行った。フリッカーについては、６０℃の環境下で固定パターンを表示させて、目視にて観測して評価を行った。

表２中、フリッカーレベルに関しては、「なし」は、目視で焼き付きを全く観測できないレベル、「多少あり」は、目視でかろうじてフリッカーを観測できるレベル、「ひどくあり」は、目視で明らかにフリッカーを観測できるレベルである。焼付きレベルでは、「あり」は、目視で明らかに焼付きを観測できるレベルである。そして、フリッカーレベルに関しては、「多少あり」と「なし」は良品とし、焼付きレベルに関しては、「なし」以外は不良品とした。

表２に示すように、試料４〜６は、フリッカーレベル及び焼付きレベル共に良品であるのに対して、比較試料は、不良品であった。このことは、反射画素電極１２と第１配向膜７Ａとの間に生じる第１接触電位と、対向透明電極９と第２配向膜７Ｂとの間に生じる第２接触電位との間に差を生じるため、液晶層８に直流成分が印加されるためと思われる。

以上のように、本発明の第１実施形態によれば、Ｎｉ化合物からなる仕事関数調整層６とＡｌからなる反射画素電極１２とを合わせた仕事関数をＩＴＯからなる対向透明電極９の仕事関数の中心値５．２ｅＶに対して±２％以内としたので、反射率が高く、明るい表示画像が得られ、かつフリッカーや焼付きを防止した表示画像を得ることができる。

次に、本発明の第２実施形態について図４、図５を用いて説明する。
第１実施形態と同様な構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
図４は、本発明の反射型液晶表示装置の第２実施形態における１画素の断面図である。
図５は、ＩＴＯにＡｌを含有させた場合と含有させない場合の波長に対する吸収率依存性を示す図である。

図４に示すように、本発明の第２実施形態における反射型液晶表示装置２５は、実施形態１の仕事関数調整層６を除去して反射画素電極１２だけにし、ＩＴＯからなる対向透明電極９に２重量％〜１０重量％のＡｌを含有するようにしたものであり、それ以外は同様である。
ここで、第１実施形態と同様に、図２に示す真空装置１６における基板支持台２４に対向透明電極９側を下に向けて第２基板１０を固定し、ＡｌがＩＴＯに対して２〜１０重量％含有するように、ＡｌとＩＴＯが収納されたボート２１に電子ビームを照射して、試料１〜３を作製して、この対向透明電極９の仕事関数について調べた。この際、Ｏ₂ガス流量は、２０ｓｃｃｍ、第２基板１０の温度は、３００℃、成膜レートは、５ｎｍ／ｓｅｃ、高周波出力は、２５０Ｗである。この際、ＩＴＯの厚さは、５０ｎｍである。
その結果を表３に示す。吸収率は、入射光に対する入射光から出射光を差し引いた差分値の比を百分率で示している。

表３中、比較試料とは、対向透明電極９がＡｌを含まないＩＴＯのままのものであり、その仕事関数は、５．１８ｅＶである。
表３に示すように、Ａｌ添加量を増加させていくと、対向透明電極９の仕事関数は、減少傾向にあり、試料２、３では、反射画素電極１２の仕事関数４．３ｅＶに対して±２％以内となっており、ＩＴＯに対して５重量％〜１０重量％のＡｌが含有されると良いことが分かる。

次に、試料１〜３について、光の吸収率の波長依存性について調べた。
図５に示すように、ＩＴＯにＡｌを含有する試料１〜３の場合も含有しない比較試料の場合も同様な吸収率の波長依存性を示しており、Ａｌを含有したことによる吸収率の低下は生じないことがわかった。

次に、反射画素電極１２にＡｌを用い、対向透明電極９の仕事関数を上記した試料１〜３及び比較試料と同じにした反射型液晶表示装置２５の試料４〜６を作製して、表示画像のフリッカーと焼付きについて調べた。
その結果を表４に示す。焼付き及びフリッカーについては第１実施形態と同様にして観測及び評価を行った。

表４に示すように、試料４〜６は、フリッカーレベル及び焼付きレベル共に良品であるのに対して、Ａｌを含有しない比較試料は、不良品となった。

以上のように、本発明の第２実施形態によれば、ＩＴＯからなる対向透明電極９にＡｌを５重量％〜１０重量％含有させて、対向透明電極９の仕事関数をＡｌからなる反射画素電極１２の仕事関数４．３ｅＶに対して±２％以内としたので、反射率を低下させることなく、明るい表示画像が得られ、かつフリッカーや焼付きを防止した表示画像を得ることができる。
同一の真空装置内でＡｌを含有したＩＴＯを形成できるので、第１実施形態よりも作製が容易となる。

投射型液晶プロジェクタや背面投射型液晶表示装置等に利用可能性がある。

本発明の反射型液晶表示装置の第１実施形態における１画素の断面図である。薄膜形成のための真空装置を示す断面図である。反射画素電極上に仕事関数調整層がある場合と無い場合の波長に対する反射率依存性を示す図である。本発明の反射型液晶表示装置の第２実施形態における１画素の断面図である。ＩＴＯにＡｌを含有させた場合と含有させない場合の波長に対する吸収率依存性を示す図である。従来の液晶表示装置の問題点を説明するための模式化した断面図である。

符号の説明

１…反射型液晶表示装置、２…スイッチングトランジスタ、３…保持コンデンサ、４…第１基板、５…反射画素電極部、６…仕事関数調整層、７Ａ…第１配向層、７Ｂ…第２配向層、８…液晶層、９…対向透明電極、１０…第２基板、１１…絶縁層、１２…反射画素電極、１２Ａ…間隙、１３…信号供給線、１４…金属配線層、１５…遮光層、１６…真空装置、１７…真空槽、１８…導入口、１９…排気口、２０…高周波電源、２１…ボート、２２…電子銃、２３…高周波コイル、２４…基板支持台

Claims

反射画素電極が形成された第１基板と対向透明電極が形成された第２基板とを所定の間隙を有して前記対向透明電極に前記反射画素電極を対向配置させ、前記所定の間隙に液晶層を封入してなる反射型液晶表示装置において、
前記対向透明電極は、前記反射画素電極の仕事関数に対して±２％以内にする金属を含有し、
前記反射画素電極がＡｌ、Ａｇで、前記対向透明電極がＩＴＯである時、前記金属は、前記対向透明電極に対して５重量％〜１０重量％のＡｌを含有することを特徴とする反射型液晶表示装置。