JP4520545B2 - 反射型液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に明るく、入射光の一部を光電変換し電力供給可能な反射型液晶表示装置、および、その製造方法に関するものであり、詳しくは、時計、携帯電話、携帯情報端末などに利用される反射型液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
液晶表示装置は、薄型、消費電力が少ない、など多くの優れた特徴を有するため、色々な用途の機器の表示パネルとして多用されている。
反射型ＬＣＤは、背面光源等の自発光装置を必要としないので極めて少ない電力で動作される。また、小型携帯電子機器を構成する主要部品であるＬＳＩの消費電力も少なくなってきたため、これら反射型ＬＣＤ、ＬＳＩの電源として、従来の蓄電池から光起電力素子に入れ替わるようになってきた。光起電力素子としては、一般に太陽電池と呼ばれる光電変換素子がよく使用されている。現在市場で、反射型ＬＣＤと太陽電池を組み込んだ時計、電卓、ラジオ、などの小型携帯機器が販売されるに至っている。
【０００３】
従来の反射型ＬＣＤと光起電力素子を組み込んだ小型携帯電子機器の構成には以下の様な欠点が存在する。例えば、カード型電卓の場合、表示を読み易くするために表示部の面積を大きくすると、太陽電池部の面積が小さくなってしまい、カード型電卓を動作させる電力が十分得られなくなる。また、同様に入力操作がしやすいようにキー入力部の面積を大きくすると太陽電池部の面積が小さくなって、カード型電卓を動作させる電力が十分得られなくなる。よって、太陽電池部の面積は、カード型電卓本来の機能を十分発揮した設計を行う上で、出来るだけ小さい面積のほうがよい。
【０００４】
また、デジタル腕時計の場合、表示を読みやすくするために表示部の面積を大きくすると、太陽電池部の面積が小さくなって、デジタル腕時計を動作させる電力が十分得られなくなる。また、デジタル腕時計の表面パネルに大きく黒ずんだ太陽電池があるので、デザインが武骨になり、時計として重要なファッション性が貧弱となり、商品価値を著しく低下させている。
【０００５】
同様に従来の反射型ＬＣＤと太陽電池を組み込んだ小型携帯電子機器にも、上記のような課題がある。この課題を解決する方策として、反射型ＬＣＤと太陽電池を重ね合わせる方法が考えられる。
具体的な方法としては、反射型ＬＣＤの上に光を透過しかつ発電する太陽電池を設置する方法が考えられる。このような太陽電池としては、微小な孔を多数配置したシースルー型の太陽電池がある。しかし、この方式には以下のような課題がある。
【０００６】
シースルー型の太陽電池で透過率が３０％あっても、反射型ＬＣＤの上にある場合光路は、透過と反射のダブルパスとなり、反射型ＬＣＤの輝度は、通常の使用状態に比較して約９％に低下し、非常に暗くなる。また、表面の太陽電池からの反射により、視認性が低下する。よって、この場合は暗く視認性の低い表示しか得られなく、しかも太陽電池の発電効率は通常の太陽電池に比較して５０％以下に低下する。
【０００７】
また、他の方法としては、特開平８−１６０３８６号公報（図４）に示されるように光散乱型液晶デバイス４１の背後に太陽電池４２を設置する方法が考えられる。
また、前記方法に加えて、可視光の特定領域で吸収がほとんど無く反射率２０％〜７０％で、残りの可視光領域と近赤外域の光をほとんど透過する機能を有した反射層を光散乱型液晶デバイス４１と太陽電池４２との間に設置し、その背後に可視域で感度の悪い分光感度をもった太陽電池４２を設けることにより、発電効率の低下を少なくしかつ表示品質の低下を少なくすることが両立できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の反射型ＬＣＤと太陽電池を重ね合わせた構成においては以下の様な欠点が存在する。
すまわち、反射型ＬＣＤの前面に太陽電池を置いた場合は表示品質が低下し、発電効率が低下する。 また、光散乱型の反射型ＬＣＤの背後に太陽電池を置いた場合、発電効率の低下を少なくしかつ表示品質の低下を少なくすることが両立できるものの、光散乱型の液晶は高時分割駆動が難しいため、ＭＩＭまたはＴＦＴなどのアクティブ素子と組み合わせなければ情報量の多いＬＣＤを実現することができない。したがって、単純マトリクスパネルに比べて高価なものとなってしまう。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、明るく視認性の良い、しかも、入射光の一部を光電変換し小型携帯電子機器を正常に動作させる電力を供給可能な反射型液晶表示装置を安価に実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも２枚の透明基板間に散乱型液晶層が狭持された反射型液晶電気光学装置において、下基板に太陽電池を形成し、その１部分を用いてアクティブ素子を形成して、散乱型液晶層を高時分割駆動する構成とした。
【００１１】
そして、反射型液晶表示装置の製造方法において、まず、下基板に金属薄膜を成膜し、太陽電池のｎ側電極と液晶駆動用信号電極とダイオード接続用電極をパターニングする工程と、次にｎ層、ｉ層、ｐ層、透明電極の順に連続成膜して、所定の形状にパターニングすることにより太陽電池およびアクティブ素子となるダイオード部分を形成する工程と、次に絶縁膜を成膜して、パターニングによりコンタクトホールを開ける工程と、次に透明電極を成膜して、画素電極、ダイオード接続電極、太陽電池の取り出し電極を形成する工程と、上記方法で作成された下基板と、パターニングされた透明電極が形成された上基板を用いて空セルをつくり、光散乱型液晶を注入、封止する工程と、を有することとした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に説明する。
まず、太陽電池の動作原理を図５にそって説明する。一般に太陽電池は、半導体中に作り込まれたｐ−ｎ接合を主要構造とし、これに光が入射した時の光起電力効果によって動作している。半導体に、その禁制帯エネルギーＥｇ５１０より大きいエネルギーを持つ光が入射すると、価電子帯中の電子５８が、その光子のエネルギーを吸収して伝導帯へと励起され、一対の電子５８と正孔５９が形成される。空乏層（ｗ）５６中で形成された電子５８・正孔５９のうち、この領域に存在する内部電界により、電子はｎ型領域５１に向かって、正孔５９はｐ型領域５２に向かって移動し、分離・集積される。 ｎ型領域５１中で生じた正孔５９のうち、少数キャリア寿命時間（τｐ）内に空乏層５６端まで拡散移動し得たものは、この領域中の電界によりｐ型領域５２中に加速分離され、それ以外の正孔５９は、寿命時間経過後、多数キャリアである電子５８と再結合して消滅する。換言すれば、空乏層５６境界からｎ型領域５１中の小数キャリア（正孔）拡散距離Ｌｐ５５の範囲内で発生した正孔５９が有利に分離されると考えられる。同様のことがｐ型領域５２中で発生した電子５８についても成立する。すなわち、Ｌｎ５７の範囲内で発生した電子５８が有効に利用されることとなる。
【００１３】
このようにして、光子を吸収することにより発生した電子５８・正孔５９対の中（Ｌｐ５５＋ｗ５６＋Ｌｎ５７）の領域内にあるものが、ｎ・ｐ両領域に分離集積され、両領域を負および正に帯電させて電位差（光起電力）を生じ、この電荷が外部回路に流れて電力を供給することとなる。
また、太陽電池材料としてａ−Ｓｉ薄膜を用いた場合には、単結晶に比べ少数キャリアの拡散長が短く、キャリア移動度が小さく、導電率も極めて低いことから、ｐ型領域及びｎ型領域を極力薄くし、キャリアを分離するための内部電界が存在するｉ型領域をもうけ、ｉ型領域中でほとんどすべての光吸収ができるようにしたｐｉｎ構造とするのが一般的になっている。
【００１４】
次にダイオードを用いたアクティブマトリクス液晶パネルについて説明する。太陽電池等に用いられているa―Ｓｉ膜はｐ，ｎの価電子制御が可能であり、ｐｉｎ構造で良好なダイオードが得られる。図６にａ−Ｓｉ・ｐｉｎダイオードの断面図を示す。
ダイオードは順逆両方向ともに非線形特性を示し、スイッチング素子として使用可能である。液晶駆動用のスイッチング素子としては逆方向特性を用いたｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ方式がまず開発され、次に、順方向特性を利用する方式のリングダイオード方式が開発された。両方式はＴＦＴとともにＲＣＡのＬｅｃｈｎｅｒらよって１９７１年に提案されている。両方式を比較すると、しきい値の安定性、制御性、再現性の面ではｐｉｎ接合のビルトインポテンシャルを用いたリングダイオードの方が良好である。しかしながら、ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋではしきい値が比較的自由に設計できるのに対し、リングダイオードではしきい値が０．６Ｖと小さい。そのため、リングダイオードにはバイアス駆動法が必要である。
【００１５】
バイアス法は低しきい値素子用に開発された査信号波形で、非選択期間に士Ｖｂのバイアス電圧を印加していることに特徴がある。このバイアス電圧Ｖｂを液晶特性変化の中心電圧に設定することにより、スイッチング素子のしきい値幅をそのまま駆動ダイナミツクレンジとして使うことが可能となる。
以上説明したように、太陽電池とダイオードを用いたアクティブマトリクス液晶パネルはともにｐｉｎ構造のダイオードを用いている。しかし、太陽電池はパネルの全面にダイオードが形成されるのに対しアクティブマトリクス液晶パネルでは、画素のごく一部分にダイオードがあるのみで、大部分をパターニングで取り除いている。
【００１６】
したがって、太陽電池とアクティブ素子を同一基板上に、ｐｉｎ構造のａ−Ｓｉ膜を１回成膜することにより同時に作成することができる。
また、ここで使用される液晶は、特に限定されるものではないが、特開平８−１６０３８６号公報に示されるように、偏光板を用いない光散乱型液晶が最適である。
【００１７】
また、ここで使用されるダイオード薄膜材料と構造は、光起電力特性および整流特性があれば特に限定されるものではない。 たとえば、アモルファスＳｉ以外にも、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、ＣｄＳ／Ｃｕ２S、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ、ＧａＡｓなどを使用してもよい。
【００１８】
【実施例】
図１に、本実施例１の反射型液晶表示装置の下基板の断面構造図（ａ）とパターン図（ｂ）と一画素の等価回路（ｃ）を示す。図１（ａ）に示すように、リングダイオード１１と太陽電池１２が形成された透明基板１３ｂとパターニングされた透明電極１４ａを備えた透明基板１３ａと、該透明基板１３ａ、１３ｂとの間に狭持された光散乱型液晶１５としての高分子分散液晶より構成されている。
【００１９】
ここで、セルギャップは約１０μｍになるようにした。透明基板１３ａ、１３ｂとして、本実施例１では、平滑で透明なガラス板を用いた。なお、透明基板１３ａ、１３ｂには平滑で透明なガラス板の他に透明高分子フィルムを用いてもかまわない。
以下に、本発明の反射型液晶表示装置の製造方法に係る、下側基板の製造方法について工程順に説明する。
【００２０】
第一工程として、透明基板１３ｂ上にスパッタリング法によりアルミニウムを１０００Å〜２０００Å成膜し、その後フォトリソグラフィーにより太陽電池１２の下側電極、リングダイオード１１の下側電極、走査電極を同時に作成した。なお、電極材料としては、金、クロム等の他の金属でもかまわない。
次に、第二工程として、第一工程で作成された基板上に、プラズマＣＶＤ法によりｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ（１７ｃ）、ｉ型a−Ｓｉ：Ｈ（１７ｂ）、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ（１７ａ）を連続して成膜する。シラン（ＳｉＨ4）を材料ガスとして用い、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ（１７ｃ）にはフォスヒン（ＰＨ3）を添加して、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ（１７ａ）にはジボラン（Ｂ2Ｈ6）を添加した。反応条件としては、ガス圧１Ｔｏｒｒ、基板温度２００〜４００℃、高周波電力２０〜１００Ｗで、ｎ型を２０〜３００Å、ｉ型を５０００〜７０００Å、ｐ型を５０〜１００Å積層した。
【００２１】
次に、真空蒸着法で透明電極１４ｃとしてＩｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2膜（以下「ＩＴＯ膜」と称す。）を３００〜４００Å成膜した。
その後ホトリソグラフィーによりダイオードと太陽電池の形状をＩＴＯ膜、ａ−Ｓｉ膜を連続してエッチングすることにより作成した。なお、透明電極１４ｃには、ＩＴＯ膜の他にＳｎＯ2膜を用いてもかまわない。
【００２２】
第三工程として、感光性透明レジストを印刷またはスピンナーにより塗布し、露光・現像することにより、ダイオードと太陽電池の引き出し口の付いた絶縁膜１６を形成した。 なお絶縁膜１６は、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4等の絶縁膜をプラズマＣＶＤ等で成膜してパターニングすることにより形成してもよい。
第四工程として、真空蒸着法でＩＴＯ膜を３００〜４００Å成膜し、その後フォトリソグラフィーにより画素電極、ダイオード接続電極、太陽電池の引き出し電極を形成した。なお、透明電極１４ｂには、ＩＴＯ膜の他にＳｎＯ2膜を用いてもかまわない。
【００２３】
また、上基板は、透明基板１３ａにスパッタリング法や真空蒸着法でＩＴＯ膜を５００〜１０００Å成膜して、フォトリソグラフィーによって透明電極１４ａを形成した。 なお、透明電極１４ａには、ＩＴＯ膜の他にＳｎＯ2膜を用いてもかまわない。
また、透明基板１３ａ、１３ｂに透明高分子フィルムを用いてもかまわない。
【００２４】
光散乱型液晶層１５として、本実施例１では、紫外線（ＵＶ）により架橋反応し重合するアクリレートモノマーなどの高分子樹脂と正の誘電異方性を有するネマチック液晶と紫外線硬化開始剤などを均一に混合溶解させた混合溶液を前記上下基板からなるセルに注入し、紫外線露光により高分子樹脂のみ硬化し、正の誘電異方性を有するネマチック液晶を相分離して製作されたものである。高分子樹脂とネマチック液晶との配合量の割合は、８：２〜１：９が好適である。なお、独立した液晶小滴粒構造よりもポリマーネットワークの液晶連続相構造の方が低電圧を実現し易い。したがって、４：６〜１：９の範囲がより好ましい。
【００２５】
光散乱型液晶層１５に使用する散乱モード液晶は、高分子分散型液晶以外に、コレステリック・ネマティック相転移型液晶モード、強誘電性液晶散乱モード、高分子分散液晶モード、動的散乱液晶モード（ＤＳＭ）、熱書き込みモードを使用してよい。
図２に、本実施例２の反射型液晶表示装置の下基板の断面構造図（ａ）とパターン図（ｂ）と一画素の等価回路（ｃ）を示す。図２（ａ）に示すように、ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋダイオード２１と太陽電池２２が形成された下基板とパターニングされた透明電極２４ａを備えた上基板と、該透明基板１ａ、１ｂとの間に狭持された光散乱型液晶２５としての高分子分散型液晶より構成されている。
【００２６】
ここで、セルギャップは約１０μｍになるようにした。
本実施例２の反射型液晶表示装置も本実施例１と同様の製造工程で作られる。本実施例１と同様に、透明基板２３ａ、２３ｂには平滑で透明なガラス板の他に透明高分子フィルムを用いてもかまわない。
また、光散乱型液晶層２５に使用する散乱モード液晶は、高分子分散型液晶以外に、コレステリック・ネマティック相転移型液晶モード、強誘電性液晶散乱モード、高分子分散液晶モード、動的散乱液晶モード（ＤＳＭ）、熱書き込みモードを使用してよい。
【００２７】
上述した実施例１及び２で制作された反射型液晶表示装置を２００ｌｘ蛍光灯照明の条件で観察すると、駆動電圧が十分に印加されていない領域（ＯＦＦ）では入射白色光が散乱されて明るい白色に観測された。駆動電圧が十分に印加されている領域（ＯＮ）では入射白色光が太陽電池に吸収され黒く見えた。また、太陽電池の出力は、ＯＦＦ時において出力電圧１．５Ｖで１．４μＡ／ｃｍ2出力が得られた。ＯＮ時においては出力電圧１．５Ｖで２．５μＡ／ｃｍ2の出力が得られた。
【００２８】
図３は、本実施例３の反射型液晶表示装置の断面構造図である。本実施例１と同様に、リングダイオード３１と太陽電池３２が形成された透明基板３３ｂと透明電極３４ａを備えた透明基板３３ａと、該透明基板３３ａ、３３ｂとの間に狭持された光散乱型液晶３５としての高分子分散液晶より構成されている。また、セルギャップは約１０μｍになるようにした。
【００２９】
本実施例１と異なる点は、リングダイオード３１および太陽電池３２をスクリーン印刷で形成した点である。
以下に、下側基板について工程順に説明する。
第一工程として、透明基板３３ｂ上にスパッタリング法によりアルミニウムを１０００Å〜２０００Å成膜し、その後フォトリソグラフィーにより太陽電池１２の下側電極、リングダイオード３１の下側電極、走査電極を同時に作成した。なお、電極材料としては、金、クロム等の他の金属でもかまわない。
【００３０】
第二工程として、第一工程で作成された基板上に、スクリーン印刷によりＣｄＴｅペーストを所定のパターンに印刷後、乾燥、焼成しｎ層３８を形成する。 続いて同様の工程でＣｄＳペーストを用いてｐ層３７を形成する。
次に、熱硬化性アクリル樹脂に超微粒子ＩＴＯ粉末を混ぜた物をオフセット印刷後、乾燥、焼成して透明電極３４ｃを形成した。
【００３１】
第三工程として、絶縁インキ（十条ケミカル ＪＥＬＣＯＮインキ ＩＮシリーズ）をスクリーン印刷により印刷後、乾燥、焼成しダイオードと太陽電池の引き出し口の付いた絶縁膜３６を形成した。
第四工程として、透明電極３４ｃと同様の工程で画素電極、ダイオード接続電極、太陽電池の引き出し電極を形成した。
【００３２】
また、上基板は、透明基板３３ａにスパッタリング法や真空蒸着法でＩＴＯ膜を５００〜１０００Å成膜して、フォトリソグラフィーによって透明電極３４ａを形成した。
光散乱型液晶層３５として、本実施例１と同様のポリマーネットワークの液晶連続相構造を用いて反射型液晶表示装置を作製した。
【００３３】
実施例３で制作された反射型液晶表示装置を２００ｌｘ蛍光灯照明の条件で観察した。すると、駆動電圧が十分に印加されていない領域（ＯＦＦ）では、入射白色光が散乱されて明るい白色に観測された。駆動電圧が十分に印加されている領域（ＯＮ）では、入射白色光が太陽電池に吸収され黒く見えた。また、太陽電池の出力は、ＯＦＦ時において出力電圧１．２Ｖで１．０μＡ／ｃｍ2の出力が得られた。ＯＮ時はにおいては出力電圧１．２Ｖで１．８μＡ／ｃｍ2の出力が得られた。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明の反射型液晶表示装置によれば、従来液晶パネルと太陽電池パネルを別々に製造して使用していたのを、液晶パネルと太陽電池パネルを一体化することにより、安価に製造できる。
また、携帯機器用パネルとしては、薄型、軽量で表示品質の高いパネルを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例１の反射型液晶表示装置の断面構造図（ａ）とパターン図（ｂ）と一画素の等価回路（ｃ）である
【図２】本実施例２の反射型液晶表示装置の断面構造図（ａ）とパターン図（ｂ）と一画素の等価回路（ｃ）である
【図３】本実施例３の反射型液晶表示装置の断面構造図である
【図４】光散乱型ＬＣＤの背後に太陽電池を設置する従来の方法を示す図である。
【図５】太陽電池の動作原理を示す図である。
【図６】ａ−Ｓｉ・ｐｉｎダイオードの断面図を示す図である。
【符号の説明】
１１ リングダイオード
１２、２２、３２ 、４２ 太陽電池
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ、６１ 透明基板
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、５３、６２ 透明電極
１５、３６ 光散乱型液晶
１６、２６、３６、６６ 絶縁膜
１７ａ、２７ａ、６５ ｐ型ａ-Ｓｉ：Ｈ
１７ｂ、２７ｂ、６４ ｉ型ａ-Ｓｉ：Ｈ
１７ｃ，２７ｃ、６３ ｎ型ａ-Ｓｉ：Ｈ
３７ ＣｄＳ
３８ ＣｄＴｅ
１８、２８、３９、６７、５４ 金属電極
２１ ｂａｃｋ-ｔｏ-ｂａｃｋダイオード
４１ 光散乱型液晶デバイス
４３ 駆動回路
５１ ｎ型領域
５２ ｐ型領域
５５ Ｌｐ 小数キャリア（正孔）拡散距離
５６ ｗ 空乏層
５７ Ｌｎ 小数キャリア（電子）拡散距離
５８ 電子
５９ 正孔
５１０ Ｅｇ 禁制帯エネルギー
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に明るく、入射光の一部を光電変換し電力供給可能な反射型液晶表示装置、および、その製造方法に関するものであり、詳しくは、時計、携帯電話、携帯情報端末などに利用される反射型液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
液晶表示装置は、薄型、消費電力が少ない、など多くの優れた特徴を有するため、色々な用途の機器の表示パネルとして多用されている。
反射型ＬＣＤは、背面光源等の自発光装置を必要としないので極めて少ない電力で動作される。また、小型携帯電子機器を構成する主要部品であるＬＳＩの消費電力も少なくなってきたため、これら反射型ＬＣＤ、ＬＳＩの電源として、従来の蓄電池から光起電力素子に入れ替わるようになってきた。光起電力素子としては、一般に太陽電池と呼ばれる光電変換素子がよく使用されている。現在市場で、反射型ＬＣＤと太陽電池を組み込んだ時計、電卓、ラジオ、などの小型携帯機器が販売されるに至っている。
【０００３】
従来の反射型ＬＣＤと光起電力素子を組み込んだ小型携帯電子機器の構成には以下の様な欠点が存在する。例えば、カード型電卓の場合、表示を読み易くするために表示部の面積を大きくすると、太陽電池部の面積が小さくなってしまい、カード型電卓を動作させる電力が十分得られなくなる。また、同様に入力操作がしやすいようにキー入力部の面積を大きくすると太陽電池部の面積が小さくなって、カード型電卓を動作させる電力が十分得られなくなる。よって、太陽電池部の面積は、カード型電卓本来の機能を十分発揮した設計を行う上で、出来るだけ小さい面積のほうがよい。
【０００４】
また、デジタル腕時計の場合、表示を読みやすくするために表示部の面積を大きくすると、太陽電池部の面積が小さくなって、デジタル腕時計を動作させる電力が十分得られなくなる。また、デジタル腕時計の表面パネルに大きく黒ずんだ太陽電池があるので、デザインが武骨になり、時計として重要なファッション性が貧弱となり、商品価値を著しく低下させている。
【０００５】
同様に従来の反射型ＬＣＤと太陽電池を組み込んだ小型携帯電子機器にも、上記のような課題がある。この課題を解決する方策として、反射型ＬＣＤと太陽電池を重ね合わせる方法が考えられる。
具体的な方法としては、反射型ＬＣＤの上に光を透過しかつ発電する太陽電池を設置する方法が考えられる。このような太陽電池としては、微小な孔を多数配置したシースルー型の太陽電池がある。しかし、この方式には以下のような課題がある。
【０００６】
シースルー型の太陽電池で透過率が３０％あっても、反射型ＬＣＤの上にある場合光路は、透過と反射のダブルパスとなり、反射型ＬＣＤの輝度は、通常の使用状態に比較して約９％に低下し、非常に暗くなる。また、表面の太陽電池からの反射により、視認性が低下する。よって、この場合は暗く視認性の低い表示しか得られなく、しかも太陽電池の発電効率は通常の太陽電池に比較して５０％以下に低下する。
【０００７】
また、他の方法としては、特開平８−１６０３８６号公報（図４）に示されるように光散乱型液晶デバイス４１の背後に太陽電池４２を設置する方法が考えられる。
また、前記方法に加えて、可視光の特定領域で吸収がほとんど無く反射率２０％〜７０％で、残りの可視光領域と近赤外域の光をほとんど透過する機能を有した反射層を光散乱型液晶デバイス４１と太陽電池４２との間に設置し、その背後に可視域で感度の悪い分光感度をもった太陽電池４２を設けることにより、発電効率の低下を少なくしかつ表示品質の低下を少なくすることが両立できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の反射型ＬＣＤと太陽電池を重ね合わせた構成においては以下の様な欠点が存在する。
すまわち、反射型ＬＣＤの前面に太陽電池を置いた場合は表示品質が低下し、発電効率が低下する。 また、光散乱型の反射型ＬＣＤの背後に太陽電池を置いた場合、発電効率の低下を少なくしかつ表示品質の低下を少なくすることが両立できるものの、光散乱型の液晶は高時分割駆動が難しいため、ＭＩＭまたはＴＦＴなどのアクティブ素子と組み合わせなければ情報量の多いＬＣＤを実現することができない。したがって、単純マトリクスパネルに比べて高価なものとなってしまう。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、明るく視認性の良い、しかも、入射光の一部を光電変換し小型携帯電子機器を正常に動作させる電力を供給可能な反射型液晶表示装置を安価に実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも２枚の透明基板間に散乱型液晶層が狭持された反射型液晶電気光学装置において、下基板に太陽電池を形成し、その１部分を用いてアクティブ素子を形成して、散乱型液晶層を高時分割駆動する構成とした。
【００１１】
そして、反射型液晶表示装置の製造方法において、まず、下基板に金属薄膜を成膜し、太陽電池のｎ側電極と液晶駆動用信号電極とダイオード接続用電極をパターニングする工程と、次にｎ層、ｉ層、ｐ層、透明電極の順に連続成膜して、所定の形状にパターニングすることにより太陽電池およびアクティブ素子となるダイオード部分を形成する工程と、次に絶縁膜を成膜して、パターニングによりコンタクトホールを開ける工程と、次に透明電極を成膜して、画素電極、ダイオード接続電極、太陽電池の取り出し電極を形成する工程と、上記方法で作成された下基板と、パターニングされた透明電極が形成された上基板を用いて空セルをつくり、光散乱型液晶を注入、封止する工程と、を有することとした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に説明する。
まず、太陽電池の動作原理を図５にそって説明する。一般に太陽電池は、半導体中に作り込まれたｐ−ｎ接合を主要構造とし、これに光が入射した時の光起電力効果によって動作している。半導体に、その禁制帯エネルギーＥｇ５１０より大きいエネルギーを持つ光が入射すると、価電子帯中の電子５８が、その光子のエネルギーを吸収して伝導帯へと励起され、一対の電子５８と正孔５９が形成される。空乏層（ｗ）５６中で形成された電子５８・正孔５９のうち、この領域に存在する内部電界により、電子はｎ型領域５１に向かって、正孔５９はｐ型領域５２に向かって移動し、分離・集積される。 ｎ型領域５１中で生じた正孔５９のうち、少数キャリア寿命時間（τｐ）内に空乏層５６端まで拡散移動し得たものは、この領域中の電界によりｐ型領域５２中に加速分離され、それ以外の正孔５９は、寿命時間経過後、多数キャリアである電子５８と再結合して消滅する。換言すれば、空乏層５６境界からｎ型領域５１中の小数キャリア（正孔）拡散距離Ｌｐ５５の範囲内で発生した正孔５９が有利に分離されると考えられる。同様のことがｐ型領域５２中で発生した電子５８についても成立する。すなわち、Ｌｎ５７の範囲内で発生した電子５８が有効に利用されることとなる。
【００１３】
このようにして、光子を吸収することにより発生した電子５８・正孔５９対の中（Ｌｐ５５＋ｗ５６＋Ｌｎ５７）の領域内にあるものが、ｎ・ｐ両領域に分離集積され、両領域を負および正に帯電させて電位差（光起電力）を生じ、この電荷が外部回路に流れて電力を供給することとなる。
また、太陽電池材料としてａ−Ｓｉ薄膜を用いた場合には、単結晶に比べ少数キャリアの拡散長が短く、キャリア移動度が小さく、導電率も極めて低いことから、ｐ型領域及びｎ型領域を極力薄くし、キャリアを分離するための内部電界が存在するｉ型領域をもうけ、ｉ型領域中でほとんどすべての光吸収ができるようにしたｐｉｎ構造とするのが一般的になっている。
【００１４】
次にダイオードを用いたアクティブマトリクス液晶パネルについて説明する。太陽電池等に用いられているa―Ｓｉ膜はｐ，ｎの価電子制御が可能であり、ｐｉｎ構造で良好なダイオードが得られる。図６にａ−Ｓｉ・ｐｉｎダイオードの断面図を示す。
ダイオードは順逆両方向ともに非線形特性を示し、スイッチング素子として使用可能である。液晶駆動用のスイッチング素子としては逆方向特性を用いたｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ方式がまず開発され、次に、順方向特性を利用する方式のリングダイオード方式が開発された。両方式はＴＦＴとともにＲＣＡのＬｅｃｈｎｅｒらよって１９７１年に提案されている。両方式を比較すると、しきい値の安定性、制御性、再現性の面ではｐｉｎ接合のビルトインポテンシャルを用いたリングダイオードの方が良好である。しかしながら、ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋではしきい値が比較的自由に設計できるのに対し、リングダイオードではしきい値が０．６Ｖと小さい。そのため、リングダイオードにはバイアス駆動法が必要である。
【００１５】
バイアス法は低しきい値素子用に開発された査信号波形で、非選択期間に士Ｖｂのバイアス電圧を印加していることに特徴がある。このバイアス電圧Ｖｂを液晶特性変化の中心電圧に設定することにより、スイッチング素子のしきい値幅をそのまま駆動ダイナミツクレンジとして使うことが可能となる。
以上説明したように、太陽電池とダイオードを用いたアクティブマトリクス液晶パネルはともにｐｉｎ構造のダイオードを用いている。しかし、太陽電池はパネルの全面にダイオードが形成されるのに対しアクティブマトリクス液晶パネルでは、画素のごく一部分にダイオードがあるのみで、大部分をパターニングで取り除いている。
【００１６】
したがって、太陽電池とアクティブ素子を同一基板上に、ｐｉｎ構造のａ−Ｓｉ膜を１回成膜することにより同時に作成することができる。
また、ここで使用される液晶は、特に限定されるものではないが、特開平８−１６０３８６号公報に示されるように、偏光板を用いない光散乱型液晶が最適である。
【００１７】
また、ここで使用されるダイオード薄膜材料と構造は、光起電力特性および整流特性があれば特に限定されるものではない。 たとえば、アモルファスＳｉ以外にも、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、ＣｄＳ／Ｃｕ２S、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ、ＧａＡｓなどを使用してもよい。
【００１８】
【実施例】
図１に、本実施例１の反射型液晶表示装置の下基板の断面構造図（ａ）とパターン図（ｂ）と一画素の等価回路（ｃ）を示す。図１（ａ）に示すように、リングダイオード１１と太陽電池１２が形成された透明基板１３ｂとパターニングされた透明電極１４ａを備えた透明基板１３ａと、該透明基板１３ａ、１３ｂとの間に狭持された光散乱型液晶１５としての高分子分散液晶より構成されている。
【００１９】
ここで、セルギャップは約１０μｍになるようにした。透明基板１３ａ、１３ｂとして、本実施例１では、平滑で透明なガラス板を用いた。なお、透明基板１３ａ、１３ｂには平滑で透明なガラス板の他に透明高分子フィルムを用いてもかまわない。
以下に、本発明の反射型液晶表示装置の製造方法に係る、下側基板の製造方法について工程順に説明する。
【００２０】
第一工程として、透明基板１３ｂ上にスパッタリング法によりアルミニウムを１０００Å〜２０００Å成膜し、その後フォトリソグラフィーにより太陽電池１２の下側電極、リングダイオード１１の下側電極、走査電極を同時に作成した。なお、電極材料としては、金、クロム等の他の金属でもかまわない。
次に、第二工程として、第一工程で作成された基板上に、プラズマＣＶＤ法によりｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ（１７ｃ）、ｉ型a−Ｓｉ：Ｈ（１７ｂ）、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ（１７ａ）を連続して成膜する。シラン（ＳｉＨ4）を材料ガスとして用い、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ（１７ｃ）にはフォスヒン（ＰＨ3）を添加して、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ（１７ａ）にはジボラン（Ｂ2Ｈ6）を添加した。反応条件としては、ガス圧１Ｔｏｒｒ、基板温度２００〜４００℃、高周波電力２０〜１００Ｗで、ｎ型を２０〜３００Å、ｉ型を５０００〜７０００Å、ｐ型を５０〜１００Å積層した。
【００２１】
次に、真空蒸着法で透明電極１４ｃとしてＩｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2膜（以下「ＩＴＯ膜」と称す。）を３００〜４００Å成膜した。
その後ホトリソグラフィーによりダイオードと太陽電池の形状をＩＴＯ膜、ａ−Ｓｉ膜を連続してエッチングすることにより作成した。なお、透明電極１４ｃには、ＩＴＯ膜の他にＳｎＯ2膜を用いてもかまわない。
【００２２】
第三工程として、感光性透明レジストを印刷またはスピンナーにより塗布し、露光・現像することにより、ダイオードと太陽電池の引き出し口の付いた絶縁膜１６を形成した。 なお絶縁膜１６は、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4等の絶縁膜をプラズマＣＶＤ等で成膜してパターニングすることにより形成してもよい。
第四工程として、真空蒸着法でＩＴＯ膜を３００〜４００Å成膜し、その後フォトリソグラフィーにより画素電極、ダイオード接続電極、太陽電池の引き出し電極を形成した。なお、透明電極１４ｂには、ＩＴＯ膜の他にＳｎＯ2膜を用いてもかまわない。
【００２３】
また、上基板は、透明基板１３ａにスパッタリング法や真空蒸着法でＩＴＯ膜を５００〜１０００Å成膜して、フォトリソグラフィーによって透明電極１４ａを形成した。 なお、透明電極１４ａには、ＩＴＯ膜の他にＳｎＯ2膜を用いてもかまわない。
また、透明基板１３ａ、１３ｂに透明高分子フィルムを用いてもかまわない。
【００２４】
光散乱型液晶層１５として、本実施例１では、紫外線（ＵＶ）により架橋反応し重合するアクリレートモノマーなどの高分子樹脂と正の誘電異方性を有するネマチック液晶と紫外線硬化開始剤などを均一に混合溶解させた混合溶液を前記上下基板からなるセルに注入し、紫外線露光により高分子樹脂のみ硬化し、正の誘電異方性を有するネマチック液晶を相分離して製作されたものである。高分子樹脂とネマチック液晶との配合量の割合は、８：２〜１：９が好適である。なお、独立した液晶小滴粒構造よりもポリマーネットワークの液晶連続相構造の方が低電圧を実現し易い。したがって、４：６〜１：９の範囲がより好ましい。
【００２５】
光散乱型液晶層１５に使用する散乱モード液晶は、高分子分散型液晶以外に、コレステリック・ネマティック相転移型液晶モード、強誘電性液晶散乱モード、高分子分散液晶モード、動的散乱液晶モード（ＤＳＭ）、熱書き込みモードを使用してよい。
図２に、本実施例２の反射型液晶表示装置の下基板の断面構造図（ａ）とパターン図（ｂ）と一画素の等価回路（ｃ）を示す。図２（ａ）に示すように、ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋダイオード２１と太陽電池２２が形成された下基板とパターニングされた透明電極２４ａを備えた上基板と、該透明基板１ａ、１ｂとの間に狭持された光散乱型液晶２５としての高分子分散型液晶より構成されている。
【００２６】
ここで、セルギャップは約１０μｍになるようにした。
本実施例２の反射型液晶表示装置も本実施例１と同様の製造工程で作られる。本実施例１と同様に、透明基板２３ａ、２３ｂには平滑で透明なガラス板の他に透明高分子フィルムを用いてもかまわない。
また、光散乱型液晶層２５に使用する散乱モード液晶は、高分子分散型液晶以外に、コレステリック・ネマティック相転移型液晶モード、強誘電性液晶散乱モード、高分子分散液晶モード、動的散乱液晶モード（ＤＳＭ）、熱書き込みモードを使用してよい。
【００２７】
上述した実施例１及び２で制作された反射型液晶表示装置を２００ｌｘ蛍光灯照明の条件で観察すると、駆動電圧が十分に印加されていない領域（ＯＦＦ）では入射白色光が散乱されて明るい白色に観測された。駆動電圧が十分に印加されている領域（ＯＮ）では入射白色光が太陽電池に吸収され黒く見えた。また、太陽電池の出力は、ＯＦＦ時において出力電圧１．５Ｖで１．４μＡ／ｃｍ2出力が得られた。ＯＮ時においては出力電圧１．５Ｖで２．５μＡ／ｃｍ2の出力が得られた。
【００２８】
図３は、本実施例３の反射型液晶表示装置の断面構造図である。本実施例１と同様に、リングダイオード３１と太陽電池３２が形成された透明基板３３ｂと透明電極３４ａを備えた透明基板３３ａと、該透明基板３３ａ、３３ｂとの間に狭持された光散乱型液晶３５としての高分子分散液晶より構成されている。また、セルギャップは約１０μｍになるようにした。
【００２９】
本実施例１と異なる点は、リングダイオード３１および太陽電池３２をスクリーン印刷で形成した点である。
以下に、下側基板について工程順に説明する。
第一工程として、透明基板３３ｂ上にスパッタリング法によりアルミニウムを１０００Å〜２０００Å成膜し、その後フォトリソグラフィーにより太陽電池１２の下側電極、リングダイオード３１の下側電極、走査電極を同時に作成した。なお、電極材料としては、金、クロム等の他の金属でもかまわない。
【００３０】
第二工程として、第一工程で作成された基板上に、スクリーン印刷によりＣｄＴｅペーストを所定のパターンに印刷後、乾燥、焼成しｎ層３８を形成する。 続いて同様の工程でＣｄＳペーストを用いてｐ層３７を形成する。
次に、熱硬化性アクリル樹脂に超微粒子ＩＴＯ粉末を混ぜた物をオフセット印刷後、乾燥、焼成して透明電極３４ｃを形成した。
【００３１】
第三工程として、絶縁インキ（十条ケミカル ＪＥＬＣＯＮインキ ＩＮシリーズ）をスクリーン印刷により印刷後、乾燥、焼成しダイオードと太陽電池の引き出し口の付いた絶縁膜３６を形成した。
第四工程として、透明電極３４ｃと同様の工程で画素電極、ダイオード接続電極、太陽電池の引き出し電極を形成した。
【００３２】
また、上基板は、透明基板３３ａにスパッタリング法や真空蒸着法でＩＴＯ膜を５００〜１０００Å成膜して、フォトリソグラフィーによって透明電極３４ａを形成した。
光散乱型液晶層３５として、本実施例１と同様のポリマーネットワークの液晶連続相構造を用いて反射型液晶表示装置を作製した。
【００３３】
実施例３で制作された反射型液晶表示装置を２００ｌｘ蛍光灯照明の条件で観察した。すると、駆動電圧が十分に印加されていない領域（ＯＦＦ）では、入射白色光が散乱されて明るい白色に観測された。駆動電圧が十分に印加されている領域（ＯＮ）では、入射白色光が太陽電池に吸収され黒く見えた。また、太陽電池の出力は、ＯＦＦ時において出力電圧１．２Ｖで１．０μＡ／ｃｍ2の出力が得られた。ＯＮ時はにおいては出力電圧１．２Ｖで１．８μＡ／ｃｍ2の出力が得られた。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明の反射型液晶表示装置によれば、従来液晶パネルと太陽電池パネルを別々に製造して使用していたのを、液晶パネルと太陽電池パネルを一体化することにより、安価に製造できる。
また、携帯機器用パネルとしては、薄型、軽量で表示品質の高いパネルを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例１の反射型液晶表示装置の断面構造図（ａ）とパターン図（ｂ）と一画素の等価回路（ｃ）である
【図２】本実施例２の反射型液晶表示装置の断面構造図（ａ）とパターン図（ｂ）と一画素の等価回路（ｃ）である
【図３】本実施例３の反射型液晶表示装置の断面構造図である
【図４】光散乱型ＬＣＤの背後に太陽電池を設置する従来の方法を示す図である。
【図５】太陽電池の動作原理を示す図である。
【図６】ａ−Ｓｉ・ｐｉｎダイオードの断面図を示す図である。
【符号の説明】
１１ リングダイオード
１２、２２、３２ 、４２ 太陽電池
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ、６１ 透明基板
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、５３、６２ 透明電極
１５、３６ 光散乱型液晶
１６、２６、３６、６６ 絶縁膜
１７ａ、２７ａ、６５ ｐ型ａ-Ｓｉ：Ｈ
１７ｂ、２７ｂ、６４ ｉ型ａ-Ｓｉ：Ｈ
１７ｃ，２７ｃ、６３ ｎ型ａ-Ｓｉ：Ｈ
３７ ＣｄＳ
３８ ＣｄＴｅ
１８、２８、３９、６７、５４ 金属電極
２１ ｂａｃｋ-ｔｏ-ｂａｃｋダイオード
４１ 光散乱型液晶デバイス
４３ 駆動回路
５１ ｎ型領域
５２ ｐ型領域
５５ Ｌｐ 小数キャリア（正孔）拡散距離
５６ ｗ 空乏層
５７ Ｌｎ 小数キャリア（電子）拡散距離
５８ 電子
５９ 正孔
５１０ Ｅｇ 禁制帯エネルギー
Claims (1)
- 太陽電池と液晶駆動用のスイッチング素子として用いられるダイオードが同一基板上に形成された反射型液晶表示装置の製造方法であって、
基板上に成膜された金属をフォトリソグラフィーにより、前記太陽電池の下側電極、前記ダイオードの下側電極、及び走査電極を同時に作製する第一工程と、
前記太陽電池の下側電極と前記ダイオードの下側電極に、スクリーン印刷法を用いてＣｄＴｅ層とＣｄＳ層を順に積層し、さらに前記ＣｄＳ層上にオフセット印刷法により透明電極を設けて前記ダイオードと前記太陽電池の形状を形成する第二工程と、
前記基板上に前記ダイオードと前記太陽電池の引き出し部に開口を持つ絶縁膜を形成する第三工程と、
前記絶縁膜上に透明電極を設けて、隣接する前記ダイオードを接続してリングダイオードを構成するための接続電極を形成するとともに、前記太陽電池の引き出し電極、前記太陽電池の上部に配置される画素電極を形成する第四工程と、
対向基板に設けられた対向電極と前記基板の前記画素電極の間に光散乱型液晶層を設ける第五工程と、を含むことを特徴とする反射型液晶表示装置の製造方法。
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