(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピクセルのアレイを含むフレキシブル基板であって、平面として作られた後に切り取られて３次元表面を形成するように形作られ、前記ピクセルのアレイは前記３次元表面のセグメントに対応するサブアレイによって前記３次元表面を覆う、フレキシブル基板と、前記３次元表面の縁に沿ってアクセス可能な各サブアレイ毎に形成されたアドレス線と、
を含む３次元電子デバイス。
【請求項２】
前記セグメントが正方形、長方形、三角形、五角形、六角形の内の１つである、請求項１記載の３次元電子デバイス。
【請求項３】
前記３次元表面の頂点、前記セグメントの周囲または別々に製造されたセグメント間のうちの１つにセグメント間の継ぎ目をさらに含む、請求項１記載の３次元電子デバイス。
【請求項４】
前記ピクセルが前記アドレス線に接続されたトランジスタを含む、請求項１記載の３次元電子デバイス。
【請求項５】
複数のピクセルのアレイからなるフレキシブル基板であって、３次元表面を構成するセグメントに対応する複数のサブアレイ毎に、複数のピクセルからなるアレイが３次元表面を覆うように、平面状のフレキシブル基板に切り込みを入れて３次元表面を構成するように形成されたフレキシブル基板と、
サブアレイ毎に３次元表面のエッジに沿って接続可能に形成されたアドレス線と、
を含む３次元電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
画像センサやディスプレイは一般に結晶シリコン基板、ガラスまたは他の幾分固くて脆弱な材料から形成される。このような材料によって、ほぼ平らな液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などのディスプレイや電荷結合素子（ＣＣＤ）などの画像形成アレイが作られる。平らな画像センサには視野に関する限界があり、この視野を広げるのに複雑且つ高価な光学系に頼っている。これに対して球状に湾曲したセンサは、簡単な光学系で広い視野を提供する。ディスプレイを見る位置やディスプレイを支持する構造の形態によっては、幾つかの用途で湾曲ディスプレイが必要とされ得る。
【０００２】
このようなアレイを湾曲できることによって、感知するためでも見るためでも広い角度の画像形成システムを可能にできる。感知または表示のためにピクセルの湾曲アレイを形成することによって、多数の問題が生じる。フレキシブルエレクトロニクスの出現によって、多くは長方形アレイの折り曲げに基づいて、円すい形または円筒形のアレイ面が可能になった。球状アレイを形成することは、製造、アドレッシング（アドレス指定）、画像処理を含めた幾つかの面でかなり複雑である。
【０００３】
現在利用可能な、湾曲面を処理できる処理装置は殆どないかまたは全くないため、湾曲面に直接的に３次元の電子デバイスを形成することは困難である。ここで、説明のために、「３次元の」とは平らでない３次元表面のことをいう。「平らな（flat）」エレクトロニクスデバイスも３次元であるのは当然だが、そのデバイスが形成されている面は平らであり上からは２次元に見える。例えば、ピクセルのアレイはｘ成分とｙ成分は有するがｚ成分は有さない。
【０００４】
ここで使用されている用語としての「ピクセル」すなわち画素は、ディスプレイピクセルすなわち画像をレンダリングするために使用するディスプレイの各セルと、センサデバイスで使用する各センサエレメントの両方のことをいう。ピクセルの例として、液晶デバイス（ＬＣＤ）のエレメントや電荷結合素子（ＣＣＤ）が挙げられる。
【０００５】
円筒形などの幾つかの３次元表面を、長方形デバイスをカールさせて円筒形を作るというように平らな構造体を用いて形成することができる。しかし、平面に球または半球などの３次元デバイスに形成できるエレクトロニクスデバイスを形成するのははるかに複雑である。円筒形上のあらゆる任意の点で、直線状の常に一つの方向がその表面上に存在し、そして湾曲した他の複数の方向が存在する。この説明は、表面があらゆる点において全ての方向に湾曲するようなより一般的なケースを作り上げることに関連する。単に平らなシートを曲げるだけではこのような面を作ることはできない。測地線ドーム（ｇｅｏｄｅｓｉｃ ｄｏｍｅ）などの形状を用いて表面をより小さな複数の２次元形状に分割することができる。そしてこのような２次元セグメント（部分）をフレキシブル基板上に配置し、ピクセルのアレイを各セグメントに形成して、フレキシブル基板を切断して所望の３次元形状になるように形作る。このようなことの種々の態様を以下に説明する。
【０００６】
以下の説明では３次元表面を参照することに留意されたい。これは、デバイスが３次元表面上またはその周りに実際に形成されるという意味を含むように意図したものではない。この３次元表面はピクセルの配置を決定するためのモデルとして使用されており、必ずしも実際の表面ではない。さらに説明が球または半球について言及する場合、球面のほんの一部であるかもしれない球形状や、この形状に近似している形状にその説明を適用することを意図している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、湾曲した電子アレイを容易に形成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、湾曲した電子アレイを平面上に製造できるような形状を選択し、その面を切り取り、折曲げて所望の３次元湾曲形状に十分によく近似したものを形成することによって、上記課題を解決する。１つの実施形態は、測地線ドームのデザインに基づく。
【０００９】
詳細には、本発明の第１の態様によれば、ピクセルのアレイを含むフレキシブル基板であって、平面として作られた後に切り取られて３次元表面を形成するように形作られ、前記ピクセルのアレイは前記３次元表面のセグメントに対応するサブアレイによって前記３次元表面を覆う、フレキシブル基板と、前記３次元表面の縁に沿ってアクセス可能な各サブアレイ用のアドレス線と、を含む３次元電子デバイス、が提供される。
ここで、好ましくは、前記セグメントは正方形、長方形、三角形、五角形、六角形の内の１つであってもよい。
また、前記３次元表面の頂点、前記セグメントの周囲または別々に製造されたセグメント間のうちの１つにセグメント間の継ぎ目をさらに含み得る。
【００１０】
さらに、前記ピクセルが前記アドレス線に接続されたトランジスタを含んでもよい。
本発明の第２の態様によれば、複数のピクセルのアレイからなるフレキシブル基板であって、３次元表面を構成するセグメントに対応する複数のサブアレイ毎に、複数のピクセルからなるアレイが３次元表面を覆うように、平面状のフレキシブル基板に切り込みを入れて３次元表面を構成するように形成されたフレキシブル基板と、サブアレイ毎に３次元表面のエッジに沿って接続可能に形成されたアドレス線と、を含む３次元電子デバイス、が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】分割された３次元表面の一例を示した図である。
【図２】サブセグメントを有するセグメントの１実施形態を示した図である。
【図３】サブセグメントを有するセグメントの別の実施形態を示した図である。
【図４】あるセグメントのアドレス回路の配置の１実施形態を示した図である。
【図５】ブロック間の遷移部分を有するピクセルアレイの１実施形態を示した図である。
【図６】３次元構造に形成される前の分割された２次元構造の１実施形態を示した図である。
【図７】サブセグメントのベースピクセル構造の１実施形態を示した図である。
【図８】ベースピクセル構造をサブセグメントピクセルに変換する変換の１実施形態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、三角形に分割された測地線ドーム１０を示す。ドームの頂点１２では、５つの大きな三角形が集まってこの頂点１２を形成しているのが分かる。これら三角形はそれぞれ、長さＡ＋Ｆ＋Ｆ＋Ａの辺を持つ頂点Ａ−Ａによって定められる三角形セグメント１４を見て分かるように、対称形状である。文字はそれぞれ異なる長さＡ〜Ｆを示す。このように種々の長さを組み合わせて辺にしたり異なる長さを組み合わせて種々の三角形を形成したりすることは単なる例であり、この説明で使われているどの特定の構造からも制限が暗示されるものではない。
【００１３】
このような辺のそれぞれをさらに４つの三角形サブセグメントに分割する。例えば、三角形１４の左辺を分割し、三角形１６、１８、２０、２２の左縁を形成する。これは一般に「４Ｖ」構造として知られている。その理由は、Ａ＋Ｆ＋Ｆ＋Ａである元の辺が分割されて新たに４つの辺Ａ、Ｆ、Ｆ、Ａが形成されているためである。例えば２つの辺に分割されるならば、それは２Ｖ構造となるであろう。このｍＶという表記をドーム位数（ｄｏｍｅ  ｏｒｄｅｒ）ともいう。
【００１４】
このモデルが１２などのセグメント及び１６などのサブセグメントの両方に三角形を用いることに注目されたい。もちろん他の形状も可能である。例えば、一般的な球の分割にはサッカーボールのように六角形や五角形が用いられる。セグメントとサブセグメント両方のための他の形状としては、長方形、正方形、六角形、五角形などが挙げられる。セグメントとサブセグメントが同じ形状である必要はない。例えば、六角形のセグメントが三角形のサブセグメントを含んでいてもよい。
【００１５】
測地線ドームまたはハーフドームのある特徴は、セグメントの数が増えると球状への近似度がさらに高まることにある。本例では、ドームは頂点を中心に５回対称（５−ｆｏｌｄ ｓｙｍｍｅｔｒｙ）である。６回対称のドームもある。一般には、球に程よく近似する最も小さなドームは３Ｖ構造であり、これは１８０個のサブセグメントで球を張る。６Ｖ構造になると７２０個のサブセグメントに増える。図１は、三角形のサブセグメントによる４Ｖ構造を示す。
【００１６】
半球よりも小さいものを使用して有用な湾曲したバックプレーンを作ることができ、湾曲面を形成するためにセグメントが集まる角度は所望の最終形状に応じて変化する。電子デバイスにおけるエレメントのアレイに使用するサブセグメントの数は、所望の球面の角度とドーム位数に依存する。以下の表は、異なるドーム位数についてのサブセグメントの数と種々のサイズの三角形を使用して実現できる角度についてのデータを提供している。
【表１】
0005426886.tif 000002
【００１７】
図１の測地線ドームの最も大きな三角形のセグメントは湾曲形状をしているため、平面上に置くためには切り取らなければならない。図２および図３は、３×３と４×４の三角形のセグメントを示しており、セグメントを湾曲セグメントに作り変えるために使用する切り取り線を伴う。図２は、３×３の三角形セグメント３０の一例を示す。輪郭を描いた三角形領域３２によって示されるように、２×２の三角形をセグメントとして使用できる。この２×２のセグメントは４つの三角形だけからなるため、平らに作ることができる。これによって、２０個の三角形を有するドームが出来上がる。一般にこのドームでは、角度が小さくない限りかなりの程度球状に近似させるには十分ではないであろう。
【００１８】
図２の３×３のユニットによって４５個の三角形による構造ができ、これが平らにするために一つの切り取りを要する最も小さな三角形のセグメントである。この切り取りを３４で示す。図３の４×４のセグメント３６によって８０個の三角形による構造ができ、「平らにする」ためにはより多くの切り取りを要する。実際のところ、この構造は平らな形状で作られ、その後切り取られて３次元の湾曲形状に形作られる。切り取りの一例を３８と４０で示す。
【００１９】
表から分かるように、球のセクションに対する角度はドーム位数が３Ｖ、４Ｖ、５Ｖと上がるにつれて小さくなる。基本的な３×３の三角形を使用して種々の角度の球の弧を作ることができる。上の表は、完全な球にかなり近似しているデザインに対するドーム位数を提供している。球のセクションだけに注目するならば、あらゆる任意の角度になるように三角形のサイズを選択できる。例えば、６０°のセグメントを３Ｖドームの３×３の三角形または５Ｖドームの４×４のセグメントを用いて作ることができる。一般にオーダーが高くなるとより多くの三角形セグメントのほうがより球に近似するが、複雑さが増すために設計が難しくなる。
【００２０】
セグメントやサブセグメントに他の形状を使用することと同様に、同じ三角形のデザインを対称性は若干失われるが他の湾曲形状に変形させることができる。例えば、三角形を拡大縮小するだけで楕円形状を作ることができ、多くの任意の湾曲面もこれと同じように作ることができる。
【００２１】
三角形の数とドーム位数は、ドームに適用するのかそれとも他の湾曲形状に適用するのかに関わらず、その構造がどの程度正確に球のセクションに近似するかを決定する。長さｘの直線セグメントが半径Ｒの円上にある場合、長さｘが短いならばその直線の中心の円弧からのずれはｘ2／８Ｒである。画像形成光学系が球状の焦点を形成する湾曲画像センサへの応用例を考えると、焦点面が最大のずれと最小のずれのちょうど中間にあるならば、深度誤差はこの量の半分となり、Δ＝ｘ2／１６Ｒである。
【００２２】
これを、表に示すように、特定の測地線ドームのための球を形成するのに必要な三角形の数Ｎに関して以下のように表すことができる。
Δ＝πＲ／２Ｎ
３２０個の三角形を有する４Ｖドームの場合、Δ〜Ｒ／７０となるため、３センチメートル（ｃｍ）の半径ならば、ずれは０．４ミリメートル（ｍｍ）となる。
【００２３】
或いは、設計者はΔがピクセルのサイズＤPよりも大きくならないように要求することができ、これは実質的にｆ１の画像形成レンズによる完璧な画像を形成するための条件である。この条件は、三角形の一辺（ｘ＝ＮPＤP）に並ぶピクセルの数に対して以下のように制限を設定する。
ＤP／Ｒ＜１６／ＮP2
【００２４】
半径が３ｃｍでピクセルサイズが０．３ｍｍの場合、この制限は４０ピクセルとなり、これは４Ｖ構造ならば１．２ｃｍの縁の長さに相当する。この条件は、特定のドーム位数の半球形センサにおけるピクセルの最大数にも関係し、この半球形の例の場合は、
ＮMAX＜４Ｎ2／π
となる。
したがって、５００×５００＝２５０，０００個のピクセルを要するデザインは５Ｖドームを必要とするのが理想である。ｆナンバーのより大きい光学系は、特定のドーム位数でより多くのピクセルを可能にする。
【００２５】
大面積エレクトロニクスの技術を使ってプラスチックまたは金属箔などのフレキシブル基板の上にピクセルアレイを製造することができる。典型的なピクセルは１つまたはそれより多くの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含み、このトランジスタはアモルファスシリコン、多結晶シリコン、有機半導体または他の適当な材料から製造することができる。画像センサの場合、ピクセルは同様の材料から作られたフォトダイオードも含む。アクティブマトリクスアドレッシングの場合、典型的にはピクセルＴＦＴの１つのゲートとドレインに接触するアドレス線が存在する。
【００２６】
したがってアレイの各ピクセルをアドレッシングするためには、このようなピクセルを（ｎ×ｍ）マトリクスに配置しアドレス線にアクセスさせて外部エレクトロニクスに接続させるとよい。この特定の例では、三角形構造がこの問題に対する解決策を提供する。図４は、３×３構造５０でどのようにこれを行うかを示している。
【００２７】
アドレス線は三角形の辺に平行に走っているため、全面を覆い底の自由縁へと至る。図４の例では、ゲート線５２、５４、５６、５８は三角形セグメントの左縁に平行に底縁へと下に走っている。これと同様に、データ線６０、６２、６４、６６は三角形セグメントの右縁に平行に底縁へと下に走っている。
【００２８】
図４に示すようにピクセルを４つのブロックに配置すると有利であろう。３つの三角形のセクションブロックＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ三角形の対向する辺に平行なゲート線とデータ線を有するように設計されている。このようなブロックは、少なくとも三角形の一部であるという意味では「三角形」ブロックである。ブロックの一番下の行からブロックの一番上の行までのそれぞれの行で１つずつ少ないピクセルを使用することで、この配置が構造に適応する。
【００２９】
台形構造Ｄは、対向する辺がほぼ平行であるが完全に平行なわけではないので同じものを配置できない。最適になるように行のピクセル数を調節することで、調整を行える。或いは、２辺間の距離の緩やかな変化に適応するように、そのブロックのピクセルのサイズを各行でわずかに縮小することができる。
【００３０】
さらに別の代替例として、ドーム構造から外れてもよい。切り取りに隣接する三角形サブセグメントの辺６８の長さに適合する長さの辺が台形形状に与えられるならば、この形状を非常に正確に配置することができる。左下の構造はサイズを調節することで、下の長さＡ＋Ｂが２Ａ＋Ｂ−Ｃに変わる。このことによって球状への正確な近似は下がるが、ピクセルの編成は良くなる。図５は、２つのブロック間の遷移部分、この場合は領域７０に見られるブロックＡとＢの間の遷移部分におけるピクセル構造の拡大図を示す。
【００３１】
この配置も平らな構造を形作って湾曲させられるように切り取りに対応できなければならない。例えば図４の線５６のように左から右に移動するアドレス線は切り取りを通過して続いていくのが望ましい。幾つかの選択肢がこの問題を解決することができる。一つの実施形態では、ゲート線５６は三角形の中心の周りに輪を描く。これは、ピクセルのルーティングに干渉しないように製造プロセスにおいて追加の金属層を要するかもしれないし要さないかもしれない。
【００３２】
別の実施形態では、追加のアドレス線が右下セグメントの下に出てくる。これも製造プロセス時にさらなる金属を必要とするかもしれない。さらに別の代替例では、アドレス線の経路を切り取り領域に定め得る。セグメントが重なるフラップを有するようにアレイを設計し、このフラップはアドレス線を含む。いずれの場合も、線５６の上部分はブロックＤの接触領域に接続し、線５６の下部分はブロックＣの接触領域に接続する。この２つの部分は、外部エレクトロニクスで接続することができる。
【００３３】
図６は、３×３の三角形、すなわち３Ｖドーム構造の完全な配置の１実施形態を示し、平らな基板におけるアレイデザインの絵である。この絵で何も印の付いていない白い領域は、基板を湾曲形状に曲げられるように切り取られる領域を示す。８２などの５つのセクションを頂点付近で合わせる。ゲート線とデータアドレス線が８４と８６で縁の周りに見える。この特定の例では、８２などのセグメントを正方形または長方形のエレクトロニクス基板に配置している。
【００３４】
エレクトロニクスの幾つかは、アドレス線／データ線とピクセルと共に基板上に含まれてもよい。このようなエレクトロニクスには、ゲートシフトレジスタ、データマルチプレクサ（ＭＵＸ）、データアンプなどが含まれる。５つのセクションが合う部分を頂点ではなく外周に作ることもできる。このようなセクションをフレキシブル基板の各片に独立して製造した後に合わせてもよい。図６に示すように集合部分が中心にあることによって最もコンパクトな構造となる。集合部分が外周にあるならば、アドレス線との接触がより簡単になるであろう。さらに、セクションをそれぞれ独立的に製造することによって歩留まりは良くなるが、組み立てにおける問題がより多くなる。
【００３５】
図６から分かるように、ピクセルのアレイは非長方形の形状をしており、アレイのレンダリングに関する重要な問題が生じる。センサの場合、画像はｎ×ｍのピクセルマトリクスで形成され、フラットスクリーン上といった適切なｘ，ｙ形式で表示される。必要となる変換は、次の通りである。
（ｎ×ｍ）→（θ，ψ）→（ｘ，ｙ）
ここで（θ，ψ）は球面の放射角と方位角である。
【００３６】
第２の変換は次の通りである。
ｘ＝Ｎｃｏｓψｔａｎθ
ｙ＝Ｎｓｉｎψｔａｎθ
ここでＮはディスプレイのピクセルサイズを決定する指数である。三角形セクションのピクセルが全て同じならばピクセルサイズと角度から導出できるため第１の変換は簡単であろう。異なるサイズと角度のピクセルの場合はさらに変換を計算する。
【００３７】
図７は、図４に示すようなセグメントの１つについてのｎ×ｍ個のピクセル配置を、通常のｘ，ｙディスプレイ上に現されたように示している。Ａ〜Ｄで示すピクセルの異なるブロックの位置が示されている。図８は整形された場合のこのピクセルのセクションの異なる形状を示し、図７とは違う形状は変換（ｎ×ｍ）→（θ，ψ）を表している。ディスプレイの場合、変換は平らなｘ，ｙアレイから３次元表面における湾曲したｎ×ｍ個のピクセル配置へと行われる。この変換はマトリクスアドレスデバイスで使用されるが、他の種類の電子デバイスにも適用できる。
【００３８】
所望の３次元形状に対応するようにアレイを配置する処理後、切り取り８８のようにセグメント間を切り取る。必要ならば、９０のように各セグメント内で切り取りを行ってもよい。そして平面から基板を「持ち上げ」、所望の３次元形状に形作って接着する。
【００３９】
このようなデバイスを製造するために、フレキシブル基板が提供される。そしてこのプロセスは少なくとも１つのセグメントをフレキシブル基板に形成する。このセグメントは３次元形状によるものである。セグメントは製造前には３次元構造に形成されず、どちらかというと所望の３次元表面を覆うようにモデリングされる。そしてこのセグメントをサブセグメントに分割する。サブセグメントとセグメントがアレイをどのようにフレキシブル基板に配置するかを決定する。
【００４０】
基板にアドレス線を形成し、このアドレス線に対応するピクセル構造を形成した後、フレキシブル基板を少なくとも１本の切り取り線に沿って切断する。この切り取り線は、セグメント内のサブセグメントの少なくとも１つの縁に対応する。フレキシブル基板を湾曲させて所望の３次元形状を形作れるように切り取り線を形成する。
【図１】
0005426886.tif 000003
【図２】
0005426886.tif 000004
【図３】
0005426886.tif 000005
【図４】
0005426886.tif 000006
【図５】
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【図６】
0005426886.tif 000008
【図７】
0005426886.tif 000009
【図８】
0005426886.tif 000010