(57)【要約】  【課題】受光素子での受光効率を向上させて、出力信号のＳ／Ｎ比が高い画像取り込みが可能な液晶表示素子、およびこれを用いた液晶表示装置を提供する。  【解決手段】前面基板２と背面基板３に挟持された液晶層４を有し、背面基板３上に設けられた下地層４１の上に設けられた受光素子７と、受光素子７上に設けられた絶縁層６の上に設けられた画素電極２７とを備え、前面基板２側から平面視したときに、受光素子７の受光領域５２の周囲の少なくとも一部に、前面基板２を透過して入射する外光１３を受光領域５２に向けて反射する反射膜３４が形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面基板と背面基板に挟持された液晶層を有し、
前記背面基板上に設けられた下地層の上に設けられた受光素子と、
前記受光素子上に設けられた絶縁層の上に設けられた画素電極とを備え、
前記前面基板側から平面視したときに、前記受光素子の受光領域の周囲の少なくとも一部に、前記前面基板を透過して入射する外光を前記受光領域に向けて反射する反射膜が形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
前記反射膜が、前記受光素子と前記受光素子に接続される電極との間に形成された、前記絶縁層を構成する層間絶縁膜に形成された開口部の、側壁である傾斜面に形成されている請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】
前記反射膜が、前記層間絶縁膜上に形成される前記受光素子に接続される電極と同じ材料の金属膜である請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】
前記反射膜が、前記受光素子および前記受光素子に接続される電極と、前記画素電極との間に形成される前記絶縁層を構成する平坦化膜に形成された開口部の、側壁である傾斜面に形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
【請求項５】
前記画素電極の少なくとも一部が、外光を反射する反射電極であり、前記反射膜が、前記反射電極と同じ材料の金属膜である請求項４に記載の液晶表示素子。
【請求項６】
前記前面基板側から平面視したときに、前記背面基板の前記受光領域と重なる位置に凹部が形成されていて、前記反射膜が前記凹部の側壁である傾斜面に形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
【請求項７】
前記前面基板側から平面視したときに、前記受光素子と重複する位置の前記背面基板と前記下地層との間に、遮光膜が設けられている請求項１〜６のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
【請求項８】
前記遮光膜が前記反射膜を兼ねる請求項７に記載の液晶表示素子。
【請求項９】
請求項１〜９のいずれか１項に記載された液晶表示素子と、
前記液晶表示素子で画像表示を行うための画像表示制御回路部と、
前記受光素子を駆動して受光信号を出力するための検出制御回路部とを備えたことを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子を画素内に有する液晶表示素子、およびこの液晶表示素子を備えた液晶表示装置に関し、特に、受光素子での受光効率が向上された液晶表示素子および液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばフォトダイオード等の受光素子を画素内に備えたことにより、ディスプレイに近接した物体の画像を取り込むことが可能な、センサ機能付の液晶表示素子を用いた表示装置が提案されている。このような画像取り込みができるセンサ機能を有する液晶表示素子を用いた表示装置は、タッチパネルの機能を備えた表示装置としての利用や、スキャナ機能を備えた表示装置としての利用が想定されている。
【０００３】
従来のセンサ機能付き液晶表示素子では、背面基板であるアクティブマトリクス基板において、ゲート配線やソース配線などの配線電極、スイッチング素子としてのＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、画素電極等の周知の構成要素を半導体プロセスによって形成する際に、受光素子であるフォトダイオードと、その信号を検出するための駆動回路素子や配線電極とを画素内に同時に作り込むものである（特許文献１参照）。
【０００４】
また、画素電極の一部をアルミ膜等の外光を反射する金属膜で形成した反射電極とし、画像表示にバックライトからの透過光と外光との両方を用いる、いわゆる半透過型液晶素子において、反射電極の下にフォトダイオードを形成するとともに、フォトダイオードの受光領域と重複する位置の反射電極に開口部を形成したものが提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００６−  ７９５８９号公報
【特許文献２】特開２００６−３３０５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来のセンサ機能付き液晶表示素子では、受光素子が形成されている部分では液晶表示素子としての画像表示を行うことができない。また、画像表示素子として、一つの画素内に占める画像表示可能な領域の割合をなるべく拡大したいという基本的な要請があり、この要請の制限を受けるために、受光素子の受光領域の面積をあまり大きくすることはできない。さらに、液晶表示素子においては、画像表示のためのＴＦＴなど半導体層の薄膜化が進展しているが、半導体層の薄膜化が進むと、画像表示のための半導体層と同時に形成される受光素子も薄膜化されることとなり、受光素子での光電変換率が低下する。これらの背景から、受光素子での受光感度を向上することが、今後ますます重要な課題となっていくことは明らかである。
【０００６】
そこで、本発明は、上記の課題を鑑み、受光素子での受光効率を向上させて、高いＳ／Ｎ比の出力信号が得られる受光素子を備えた液晶表示素子、およびこれを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の液晶表示素子は、前面基板と背面基板に挟持された液晶層を有し、前記背面基板上に設けられた下地層の上に設けられた受光素子と、前記受光素子上に設けられた絶縁層の上に設けられた画素電極とを備え、前記前面基板側から平面視したときに、前記受光素子の受光領域の周囲の少なくとも一部に、前記前面基板を透過して入射する外光を前記受光領域に向けて反射する反射膜が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明にかかる液晶表示装置は、本発明にかかる液晶表示素子と、前記液晶表示素子で画像表示を行うための画像表示制御回路部と、前記受光素子を駆動して受光信号を出力するための検出制御回路部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、前面基板を透過して入射する外光を受光素子で効率よく受光することができ、受光素子からの出力信号のＳ／Ｎ比を向上させた液晶表示素子を得ることができる。
【００１０】
また、本発明にかかる液晶表示素子を、表示部に用いることで、高いＳ／Ｎ比の出力信号が得られるセンサ機能付きの液晶表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明にかかる液晶表示素子は、前面基板と背面基板に挟持された液晶層を有し、前記背面基板上に設けられた下地層の上に設けられた受光素子と、前記受光素子上に設けられた絶縁層の上に設けられた画素電極とを備え、前記前面基板側から平面視したときに、前記受光素子の受光領域の周囲の少なくとも一部に、前記前面基板を透過して入射する外光を前記受光領域に向けて反射する反射膜が形成されている。
【００１２】
上記の構成によれば、受光素子の受光領域の周辺の少なくとも一部に形成された反射膜によって、前面基板を透過して入射してきた外光を反射させて、受光領域に入射させることができる。このため、受光素子の近傍に入射しながら受光素子で検出できなかった外光を受光領域で効果的に受光することができ、受光素子の実質的な感度が向上し、受光素子からの出力信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。
【００１３】
上記構成の液晶表示素子においては、前記反射膜が、前記受光素子と前記受光素子に接続される電極との間に形成された、前記絶縁層を構成する層間絶縁膜に形成された開口部の、側壁である傾斜面に形成されていることが好ましい。このようにすることで、受光素子の受光領域に近い位置に、外光を反射させる反射膜を容易に形成できるので、反射膜で反射した外光が受光領域に確実に入射する。その結果、受光素子の受光効率を効果的に向上させることができる。
【００１４】
この場合において、前記反射膜が、前記層間絶縁膜上に形成される前記受光素子に接続される電極と同じ材料の金属膜であることが好ましい。このようにすることで、層間絶縁膜上に形成されるソース電極などと同時に反射膜を形成することができ、反射膜の製造のための特別な工程を設ける必要がなくなる。
【００１５】
また、前記反射膜が、前記受光素子および前記受光素子に接続される電極と、前記画素電極との間に形成される前記絶縁層を構成する平坦化膜に形成された開口部の、側壁である傾斜面に形成されていることが好ましい。このようにすることで、一般に比較的厚さが厚い絶縁層として形成される平坦化膜の厚さ方向にわたって反射膜が形成できるので、反射膜の面積が広がり反射膜で反射できる外光の量が増大する。その結果、受光素子の受光感度を効果的に増大させることができる。
【００１６】
この場合において、前記画素電極の少なくとも一部が、外光を反射する反射電極であり、前記反射膜が、前記反射電極と同じ材料の金属膜であることが好ましい。このようにすることで、反射電極形成時に同時に反射膜を形成することができるので、反射膜の製造のための特別な工程を設ける必要がなくなる。
【００１７】
さらに、前記前面基板側から平面視したときに、前記背面基板の前記受光領域と重なる位置に凹部が形成されていて、前記反射膜が前記凹部の側壁である傾斜面に形成されていることが好ましい。このようにすることで、受光素子の背面側に回り込んだ外光も反射膜で反射させて、受光素子で受光することができ、受光素子の受光感度を向上させることができる。
【００１８】
また、前記前面基板側から平面視したときに、前記受光素子と重複する位置の前記背面基板と前記下地層との間に、遮光膜が設けられていることが好ましい。このようにすることで、バックライトなどを用いて、液晶表示素子の背面から入射する光を用いて画像を表示する際に、受光素子が、背面から入射するバックライトからの照射光を受光して受光信号のノイズとなることを防止することができる。
【００１９】
この場合において、前記遮光膜が前記反射膜を兼ねることが好ましい。このようにすることで、反射膜を形成する工程を別途設ける必要がなくなる。
【００２０】
さらに、本発明にかかる液晶表示素子と、前記液晶表示素子で画像表示を行うための画像表示制御回路部と、前記受光素子を駆動して受光信号を出力するための検出制御回路部とを備えることで、受光素子での受光信号のＳ／Ｎ比を高くした液晶表示装置を得ることができる。
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
なお、以下本発明の実施形態の説明では、本発明にかかる液晶表示素子を、画素電極として反射電極と透明電極との両方を有する半透過型の液晶パネルとして実施する場合の構成例を示す。しかし、本発明にかかる液晶表示素子は半透過型の液晶表示素子に限定されず、画素電極として反射電極を有しない透過型の液晶表示素子や、画素電極が全て反射電極である反射型の液晶表示素子にも適用可能である。
【００２３】
また、本発明にかかる液晶表示素子として、画像取り込み機能を有することにより、パネル表面に近接する物体の位置を検知して入力操作が行われる、タッチパネル機能付き表示装置に用いる場合の例を示す。しかし、本発明の液晶表示素子の用途としてはこれに限られず、他にも、画像取り込み機能を用いて取り込んだ画像をその場で表示できる、スキャナ機能と画像表示機能とを備えた情報表示端末の表示素子として、さらに、画像表示機能と撮像機能とを具備した双方向通信用表示装置の表示素子としてなどの幅広い利用が想定される。
【００２４】
なお、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明にかかる表示装置は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備えることができる。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。特に、液晶表示素子の背面基板上に形成される各層の説明を行うために、厚み方向の寸法を拡大して表示している。
【００２５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる液晶表示素子である、タッチパネル機能を備えた液晶パネル１の概略の構成を示す断面構成図である。図１では、左側が画像表示機能を果たしている状態を示し、右側がタッチパネルとしての機能を果たしている状態を示している。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態にかかる液晶パネル１は、ガラスなどの透明材料からなる前面基板２と背面基板３との２つの基板で液晶層４を挟んで構成されている。前面基板２の内面には、画像表示のためのカラーフィルタ５が形成されている。カラーフィルタ５は、液晶パネル１における画像表示の単位である画素ごとにＲＧＢの三色に塗り分けられている。液晶パネル１では、それぞれの画素における液晶層４の光透過率を制御することで各色の階調を制御してカラー画像を表示する。
【００２７】
背面基板３の内面には、遮光膜８が形成されていて、その上に図示しない下地層を介して受光素子であるフォトダイオード７が形成されている。遮光膜８は、後述するバックライト９からの照射光１０がフォトダイオード７に直接入射しないように、これを遮るためのものである。なお、背面基板３には、それぞれの画素に対応する位置に、液晶層４に所定の電界を印加するためのスイッチング素子であるＴＦＴが設けられ、また、このＴＦＴに所定の電圧を印加するためのゲート配線やソース配線などの配線電極が形成されているが、図１では図示を省略している。
【００２８】
フォトダイオード７やＴＦＴ、各配線電極の上には、絶縁層６が形成されている。この絶縁層６は、図１では便宜上１つの層として示しているが、実際には、層間絶縁膜や平坦化膜などの複数の絶縁性の膜により構成されている。層間絶縁膜は、フォトダイオード７やＴＦＴなどの回路素子とソース配線などの電極線との間の絶縁を確保するための絶縁膜である。また、平坦化膜は、フォトダイオードなどの回路素子を、図示しない配向膜を形成する際のラビング工程から保護するための保護膜としての機能や、回路素子や電極配線が形成されているために生じている微細な凹凸を吸収して、液晶層４に面する部分までの背面基板３からの高さを均一にする役割を有している。この平坦化膜は、パッシベーション膜と呼ばれることもある。なお、これらの回路素子や電極配線、さらに、各絶縁膜の詳細な構成については、後に詳述する。
【００２９】
また、絶縁層６の上には、それぞれの画素に対応した液晶層４の部分に所定の電圧を印加するための画素電極として、バックライト９からの照射光１０を用いて画像を表示する透過領域に形成されるＩＴＯ膜などの透明電極や、外光を反射して画像表示に寄与させる反射領域に形成されるアルミ膜などの反射電極が形成されているが、図１では、図示を省略する。
【００３０】
液晶パネル１の背面には、液晶パネル１の液晶層４を透過して画像表示を行うための照射光１０を射出する、面状光源であるバックライト９が配置されている。バックライト９は、光源としての冷陰極蛍光管やＬＥＤなどの光を、光学シートや導光板などを用いて面状に均一な色合いと輝度で照射できるようにしたものである。
【００３１】
図１の左側に示したように、本実施の形態にかかる液晶パネル１で画像表示を行う場合は、バックライト９からの照射光１０が液晶パネル１の中を透過し、前面基板２と背面基板３の外側に設けられた図示しない一対の偏光板と液晶層４における偏光作用によって、画像表示の単位である画素毎に所定の階調が与えられ、カラーフィルタ５を通って監視者１１がこれを画像として視ることとなる。
【００３２】
また、図１の右側に示したタッチパネルとして機能する場合には、バックライト９から照射され、液晶パネル１を透過した後、前面パネル２外側の指示者の指１２に当たって反射した反射光を、フォトダイオード７で検出することで指１２の位置を検出する。なお、フォトダイオード７では、上記したバックライト９から照射された照射光１０の反射光のみならず、外部から液晶パネル１内に入射する外光が指示者の指１２で遮られる場合の輝度変化も検出できるため、指示者の指１２の位置の検出にこれら両方の光の変化を利用することができる。
【００３３】
次に、本実施形態にかかるタッチパネル機能を有する液晶パネル１の背面基板上の構成を説明する。図２は、本実施形態にかかる液晶パネル１の背面基板３の内面側、すなわち液晶層に面している側について、前面基板側から平面視した状態を示す図である。
【００３４】
図２において二点鎖線２１で示す領域が、一つの画素に相当する部分である。したがって図２では、ちょうどカラー画像表示の場合にはＲＧＢに相当する三つの画素分とその周辺の構成が示されていることになる。行方向（横方向）に並ぶ画素２１の配列に対応して、ゲート配線２２、共通配線２３，受光素子駆動線２４，受光データ出力線２５の４つの配線電極が、画素２１の行方向に形成されている。このうち、ゲート配線２２と共通配線２３が画像表示の機能に関連する配線であり、受光素子駆動線２４と受光データ出力線２５とが、受光素子を用いたタッチパネルとしてのセンサ機能に関連する配線である。また、列方向（縦方向）に並ぶ画素２１の配列に対応して、それぞれの画素２１の間にはソース配線２６が形成されている。
【００３５】
画素２１部分に対応して、液晶層に電圧を印加するための画素電極２７が、図示しない絶縁層を介して形成されている。本実施の形態にかかる液晶パネル１において、画素電極２７は、ＩＴＯなどの透明導電膜からなる透明電極２８に、アルミなどの反射率の高い金属からなる反射電極２９が部分的に積層されて形成されている。画素電極２７のうち、透明電極２８のみが形成されている部分は、図示しないバックライトからの透過光により画像表示を行う透過領域となる。
【００３６】
それぞれの画素２１に対応して、図示しない液晶層で所定の階調表示を行うための電圧を画素電極２７に印加するスイッチング素子であるＴＦＴ３０が形成されている。ＴＦＴ３０のゲート電極はゲート配線２２に、ソース電極はソース配線２６にそれぞれ接続されている。なお、ＴＦＴ３０の駆動を安定させるための補助容量部３１が、共通配線２３と重なるように形成されている。
【００３７】
ＴＦＴ３０と補助容量部３１が形成されている部分、すなわち、ゲート配線２２と共通配線２３との間の部分には、上記した画素電極２７としての反射電極２９が、透明電極２８に積層されて形成されている。本実施形態にかかる液晶パネル１は、反射電極２９によって図示しない前面パネルを透過して入射した外光を反射し、この反射光を画像表示に用いることができるので、バックライト消灯時でも画像表示が可能であり、また、外光が十分に得られる環境下では、バックライトへの入力電力を下げることができる。このため、特に、モバイル機器に用いられる画像表示素子として好適である。
【００３８】
タッチパネルとしてのセンサ機能部分には、図２に示す３つの画素に対して一つの割合で受光素子が配置されている。受光素子であるフォトダイオード７は、その背面側に形成された遮光膜８に重なるように形成されていて、その一端が受光素子駆動線２４に接続されている。フォトダイオード７の他端部は電荷を蓄えるキャパシタ部３２を経て、フォトダイオード７を駆動する駆動トランジスタ部３３に接続されている。
【００３９】
そして、本実施形態にかかる液晶パネル１では、背面基板３を図示しない前面基板側から平面視したときに、受光素子であるフォトダイオード７の受光領域５２の周囲には、受光領域５２を取り囲むように、第２の絶縁膜の開口部の側壁に反射膜３４が形成されている。
【００４０】
次に、本実施形態にかかる液晶パネルの背面基板３上に形成される回路素子や各層の断面構造について、図３を用いて説明する。なお、以下の説明における各層の膜厚や構成する材料については、あくまで例示であり、本発明の適用上の制限となるものではない。
【００４１】
図３は、本実施形態にかかる液晶パネルにおいて、受光素子であるフォトダイオード７が形成されている部分の断面構造を示している。図２においては、一点鎖線Ａで示した領域に相当する部分である。
【００４２】
図３に示すように、ガラス等の透明材料基板からなる背面基板３の内面に、モリブデンなどの金属からなる厚さ約１００ｎｍの遮光膜８が形成されている。この遮光膜８は、スパッタ法によって堆積形成された金属膜をフォトグラフィー法などによってパターニングして、後にフォトダイオード７が形成される部分に形成される。なお、この遮光膜８は、バックライトから照射された光がフォトダイオード７に入射して、フォトダイオード７が常に励起状態となることを防止するための遮光機能を果たすものである。
【００４３】
パターンニングされた遮光膜８を含めた背面基板３の少なくとも画像表示を行う部分の全面に、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜と厚さ１００ｎｍの二酸化シリコン膜とからなる下地膜であるベースコート４１が形成されている。このベースコート４１は、プラズマＣＶＤ法によってシリコン膜を堆積させることで形成できる。
【００４４】
ベースコート４１の上部には、遮光膜８と重なる部分にフォトダイオード７となる半導体層が形成されている。また、遮光膜８と重ならない所定の部分に、ＴＦＴ３０となる半導体層が形成されている。この半導体層は、５０ｎｍの厚さにアモルファスシリコンを堆積させたのち、レーザーアニール等によってポリシリコン化した後、パターニングを行うなどして形成される。
【００４５】
フォトダイオード７は、受光領域である中央部の真性半導体または微量不純物を導入された領域である真性半導体領域（Ｉ層）５２を挟んで、ｐ型半導体領域（Ｐ層）５１と、ｎ型半導体領域（Ｎ層）５３から形成されている。一方ＴＦＴ３０での半導体層は、中央のチャネル領域６３を挟んで、両側にそれぞれ低濃度ドレイン領域６２とその外側の高濃度ドレイン領域６１，低濃度ソース領域６４とその外側の高濃度ソース領域６５となっている。
【００４６】
これらフォトダイオード７とＴＦＴ３０の上には、厚さ１００ｎｍの二酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜４２が形成されている。そして、ＴＦＴ３０が形成される領域では、ゲート絶縁膜４２の上にゲート電極６６が形成されている。
【００４７】
これらのゲート絶縁膜４２およびゲート電極６６の上に、厚さ３００ｎｍの窒化シリコン膜と厚さ５００ｎｍの二酸化シリコン膜とが積層された、層間絶縁膜４３が形成されている。層間絶縁膜４３に形成されたコンタクトホールを介して、フォトダイオード７形成部分では、アノード電極５４とカソード電極５５とが形成される。また、ＴＦＴ３０部分では、ドレイン電極６７とソース電極６８とが形成される。
【００４８】
層間絶縁膜４３のフォトダイオード７の受光領域５２に重なる部分には、例えば異方性エッチング処理などによって層間絶縁膜４３が除去されて、開口部５６が形成されている。そして、この開口部５６の側壁部は、図３に示すように上側が広く下側が狭い傾斜面５７となっていて、その傾斜面５７上に金属膜からなる反射膜３４が形成されている。なお、この反射膜３４は、上記したフォトダイオード７のアノード電極５４およびカソード電極５５と同じ材料で形成することで、反射膜３４の製造工程を別途設ける必要がなくなるため、製造コストを下げる上で好適である。
【００４９】
層間絶縁膜４３およびその開口部５６，層間絶縁膜４３上に形成された各種電極のさらに上部には、厚さ２．５μｍの光硬化性樹脂で形成された平坦化膜４４が形成されている。
【００５０】
平坦化膜４４の上には、厚さ１００ｎｍのＩＴＯ膜がパターニングされた透明電極２８と、ＴＦＴ３０の形成部分では、この透明電極２８に積層して厚さ１００ｎｍのアルミニウム膜からなる反射電極２９が形成されている。透明電極２８と反射電極２９とが、画素電極２７を構成する。また、反射電極２９と透明電極２８は、層間絶縁膜４４のコンタクトホール内に形成されたコンタクト６９を介してＴＦＴ３０のドレイン電極６８と接続されている。
【００５１】
なお、画素電極のさらに上部には、配向膜を介して液晶層が形成されるが、図３での図示と詳細な説明を省略する。
【００５２】
本実施形態にかかる液晶パネル１では、図３に示すように、フォトダイオード７の受光領域５２上の部分で、層間絶縁膜４３を除去して開口部５６を形成している。そして、この開口部５６の側壁を上側が広く、下側が狭い傾斜面５７とすることで、傾斜面５７に形成された反射膜３４によって、図示しない前面基板を透過して入射してきた外光１３を反射し、フォトダイオード７の受光領域５２に入射させることができる。このようにすることで、フォトダイオード７の受光領域５２に入射する外光１３を増やすことができ、フォトダイオード７の受光感度を実質的に向上させることができる。
【００５３】
なお、層間絶縁膜４３の開口部５６における側壁の傾斜角αは、開口部５６の大きさと層間絶縁膜４３の厚さとの関係などを考慮して適宜決められるものであるが、４５度以上であることが好ましく、６０〜７０度程度が最も受光効率を高くすることができる。また、図３では、層間絶縁膜４３の開口部５６で、層間絶縁膜４３を完全に除去した状態を示したが、開口部５６の底部のフォトダイオード７上の部分に層間絶縁膜４３が少しの厚さ分残っていてもかまわない。
【００５４】
［第２の実施形態］
次に、本発明の液晶表示素子の第２の実施形態として、上記した第１の実施形態で説明したものとは異なる部位に反射膜を形成した例を説明する。なお、第１の実施形態と第２の実施形態とでは、反射膜の形成部位と画素電極の構造が異なるが、他の部分の構成は共通するため、両者で構成が異なる部分を中心に説明し、構成が共通する部分の説明は適宜省略する。
【００５５】
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる液晶パネル１の背面基板３の内面側について、前面基板側から平面視した状態を示す図である。
【００５６】
図４においても、図２と同じく、二点鎖線２１で示す領域が一つの画素に相当する。図４に示す第２の実施形態では、それぞれの画素２１において、受光素子駆動線２４と受光データ出力線２５とで挟まれる、受光素子を用いたタッチパネルとしてのセンサ機能に関連する部分の透明電極２８上にもアルミ膜からなる第２の反射電極２９ｂが積層されている点が、図２に示した第１の実施形態と異なっている。
【００５７】
画像取り込み機能を果たすセンサ機能部分を透過領域として、バックライトからの照射光を利用して画像表示を行う場合、センサ機能部分に形成されている遮光膜８や、フォトダイオード７を駆動するためのキャパシタ部３２などの回路部品の形成部分で、バックライトからの照射光が遮られてしまう。このため、このセンサ機能部分を、透過領域として画像表示を行おうとすると、その開口率の低下が避けられない。ところが、本実施形態の場合のように、第２の反射電極２９ｂを設けることで、受光素子であるフォトダイオードの受光領域形成部分を除くセンサ機能部分を、反射領域として画像表示に積極的に寄与させることができる。したがって、センサ機能部分の全体で実質的な画像表示ができなくなるという課題を解決し、画素２１に占める画像表示が可能な領域の割合を向上させることができる。
【００５８】
また、第２の実施形態にかかる液晶パネルでは、背面基板３を図示しない前面基板側から平面視したときに、受光素子であるフォトダイオード７の受光領域５２の周囲には、受光領域５２を取り囲むように、平坦化膜の開口部の側壁に反射膜３５が形成されている。
【００５９】
図５は、第２の実施形態にかかる液晶パネルにおいて、受光素子であるフォトダイオード７が形成されている部分の断面構造を示している。すなわち、上記第１の実施形態の説明における図３に相当する図であり、図４における、一点鎖線Ｂで示した領域を示している。
【００６０】
図５に示す第２の実施形態にかかる液晶パネルでも、背面基板３の上に遮光膜８が形成され、遮光膜８の上に下地層であるベースコート４１が形成され、さらに、その上に、受光素子であるフォトダイオード７となる半導体層と、ＴＦＴ３０となる半導体層、さらに、ゲート絶縁膜４２、ゲート電極５６が順次形成されている。
【００６１】
第２の実施形態にかかる液晶パネルでは、第２の絶縁膜である層間絶縁膜４３のフォトダイオード７の受光領域５２に重なる部分には、開口部は形成されていない。そのかわり、層間絶縁膜４３と層間絶縁膜４３上に形成された各種電極のさらに上部に形成された、平坦化膜４４に開口部５７が形成されている。開口部５７の側壁部は、上側が広く下側が狭い傾斜面５８となっていて、その傾斜面５８上に金属膜からなる反射膜３５が形成されている。
【００６２】
反射膜３５は、後述する反射電極２９および第２の反射電極２９ｂと同じ材料で形成することで、反射膜３５の製造のための工程を新たに設ける必要がなくなる。
【００６３】
平坦化膜４４の上には、ＩＴＯ膜からなる透明電極２８が形成され、ＴＦＴ３０の形成部分では、透明電極２８に積層されたアルミニウム膜からなる反射電極２９が、また、フォトダイオード７の形成部分では、同じくアルミニウム膜からなる第２の反射電極２９ｂが形成されている。反射電極２９と透明電極２８は、層間絶縁膜４４のコンタクトホール内に形成されたコンタクト６９を介してＴＦＴ３０のドレイン電極６８と接続されている。また、第２の反射電極２９ｂは、透明電極２８を介してドレイン電極６８と接続されている。なお、本実施形態では、平坦化膜４４に形成された開口部５７の部分には画素電極２７は形成されない。
【００６４】
また、図５においても、配向膜と液晶層との図示と詳細な説明は省略する。
【００６５】
本実施形態にかかる液晶パネル１では、図５に示すように、フォトダイオード７の受光領域５２上の部分で、平坦化膜４４に開口部５７を形成している。そして、この開口部５７の側壁を上側が広く、下側が狭い傾斜面５８とすることで、傾斜面５８に形成された反射膜３５によって、図示しない前面基板を透過して入射してきた外光１３を反射し、フォトダイオード７の受光領域５２に入射させることができる。このようにすることで、フォトダイオード７の受光領域５２に入射する外光１３を増やすことができ、フォトダイオード７の受光感度を実質的に向上させることができる。
【００６６】
一般に、層間絶縁膜４３よりも平坦化膜４４の膜厚が厚いことから、第１の実施形態の場合と比較して第２の実施形態では、フォトダイオード７の受光領域５２に外光１３を反射する反射膜３５の面積を拡大することができる。このため、より多くの外光１３を受光領域５２に反射することができる。
【００６７】
なお、平坦化膜４４の開口部５７の側壁の傾斜角βも、開口部５７の大きさと平坦化膜４４の厚さとの関係などを考慮して適宜決められるものである。図３に示した、層間絶縁膜４３の開口部５６の側壁の傾斜角αと同じく、４５度以上であることが好ましく、６０〜７０度程度が最も効率がよい。また、図５においても、平坦化膜４４の開口部５７で、平坦化膜４４を完全に除去した状態を示したが、開口部５７の底部部分で、平坦化膜４４が少し残っていてもかまわない点は、上記第１の実施形態と同じである。
【００６８】
また、本実施形態では、平坦化膜４４に開口部５７が形成されているため、この開口部５７の部分で、図示しない配向膜が乱れることや、同じく図示しない液晶層の厚さが異なって、液晶分子の配向状態が乱れる場合がある。しかし、開口部５７の大きさは非常に小さいものであり、また、開口部５７が形成されている部分には画素電極２７が形成されないため、この部分での画像表示は実際には行われず、液晶パネルの表示画像に与える影響はほとんど無視することができる。
【００６９】
この開口部５７による表示画像への影響を完全に回避するためには、図６に第２の実施形態の応用例として示すように、開口部５７内に透明の樹脂などの充填部材５９を注入してその表面を平坦化膜４４の表面と同じ高さにすればよい。なお、この場合には、フォトダイオード７の受光領域５２と重複する位置の充填部材５９の表面に、補助反射膜３６を形成することも考えられる。この補助反射膜３６の大きさを適切に選択することによって、図６に示すように、平坦化膜４４の開口部５７の側壁である傾斜面５８上に形成された反射膜３７で反射したものの、フォトダイオード７の受光領域５２の側に向かわなかった外光１３を受光領域５２に向けて反射することができる。このように、補助反射膜３６を設けることにより、受光素子であるフォトダイオード７の実質的な受光感度をさらに向上させることができる。
【００７０】
［第３の実施形態］
次に、本発明の液晶表示素子の第３の実施形態として、上記した第１の実施形態および第２の実施形態で説明したものとはさらに異なる別の部位に反射膜を形成した例を説明する。なお、第３の実施形態では、画素電極の構成は第１の実施の形態と同じであり、また、反射膜の形成される位置の平面視した場合の位置関係も、図２と同じである。このため、第３の実施形態では、平面図を用いての説明は省略する。
【００７１】
図７は、第３の実施形態にかかる液晶パネルの、フォトダイオード７が形成されている部分の断面構造を示す図である。
【００７２】
図７に示す第３の実施形態にかかる液晶パネルでは、反射膜３７が、受光素子であるフォトダイオード７の背面に設けられている点が、上記した第１および第２の実施形態と異なる。そして、本実施形態においては、層間絶縁膜４３や平坦化膜４４には、開口部は形成されていない。
【００７３】
具体的には、本実施形態では、背面基板３のフォトダイオード７が形成される位置と重複する位置に、あらかじめ凹部１４を形成し、この凹部１４の側壁である傾斜面１５上に遮光膜８を兼ねる反射膜３７を形成している。なお、正確には、背面基板３にまず凹部１４を形成し、その上に遮光膜８を兼ねる反射膜３７を形成して、さらに、ベースコート膜４１を形成後、フォトダイオード７の受光領域５２である真性半導体領域が、背面基板３に形成された凹部１４の中央部分に正確に重なるように形成する。このようにして、前面基板側から平面視したしたときに、受光領域５２の周囲に、凹部１４の側壁である傾斜面１５上に形成された反射膜３７が位置する状態とすることができる。
【００７４】
本実施形態において、遮光膜８は、液晶パネルに入射した外光１３をフォトダイオード７の受光領域に反射する反射膜３７としての機能を兼ねている。このため、その表面の反射率が高いことが好ましく、遮光性と表面反射性が両立するモリブデンなどの暗色の金属薄膜を用いることが好ましい。
【００７５】
このように、フォトダイオード７の背面側に反射膜３７を形成することで、フォトダイオード７の形成されている領域に入射したものの、受光領域５２である真性半導体領域に入射しなかった外光１３を、受光領域５２で受光することができる。その結果、受光素子であるフォトダイオードの実質的な受光感度を向上することができる。
【００７６】
なお、本実施形態において、一つの金属膜が遮光膜８と反射膜３７とを兼ねた場合について説明したが、これに限られるものではなく、背面基板３に形成された凹部１４にまず遮光性に優れた遮光膜を形成し、その上に光反射性に優れた膜を積層して反射膜とする二層構造を採用することもできる。
【００７７】
以上、本発明にかかる液晶表示素子についての第１から第３の実施形態において、反射膜の形状を、前面基板側から平面視したときに、受光素子であるフォトダイオードの受光領域の周囲全てを取り囲むものとして説明してきた。しかし、本発明における反射膜は、このような受光領域の周囲全てを取り囲むもののみに限られない。平面視した状態を示す図２や図４において、受光領域５２を左右または上下方向から挟む領域部分に反射膜が設けられていてもよく、上下左右のいずれか一方向にのみ反射膜が設けられていてもよい。
【００７８】
また、上記各実施形態では、反射膜が、絶縁膜の開口部や背面基板の凹部の傾斜面に設けられた例を示したが、これに限られず、反射膜はその底部を背面基板側に向けたボウル状のもの、すなわち、湾曲面とすることもできる。さらに、絶縁膜に開口部を設けたり、背面基板に凹部を設けたりすることは必須ではなく、要は、受光領域の周囲の少なくとも一部に、外光を受光領域側に反射する面を形成することができれば、その形成方法に制限がないことは言うまでもない。
【００７９】
さらに、それぞれの実施形態で示した反射膜の構成は単独でのみ用いられるものではなく、複数の実施形態を適宜選択してこれを重複して採用することができる。例えば、層間絶縁膜に開口部を形成してその傾斜面に第１の反射膜を形成し、さらに、平坦化膜にも開口部を形成してその傾斜面に第２の反射膜を形成すること、すなわち、第１の実施形態と第２の実施形態とを同時に用いることができる。この場合には、反射膜の形成領域がさらに拡大して反射膜の面積が大きくなるので、受光素子の形成領域近傍に入射した外光の大半を反射して受光領域で受光することができ、受光感度の一層の向上が期待できる。
【００８０】
また、反射膜の形成場所は、背面基板の厚さ方向において、背面基板、層間絶縁膜、平坦化膜のいずれかに限られるものではなく、反射した外光を受光素子の受光領域に入射させることができる位置であって、画像表示の弊害にならないいずれの位置にも形成することができる。
【００８１】
なお、液晶表示素子が透過領域を持たず、反射方式のみによって画像を表示するものであれば、液晶表示素子の背面から照射光を照射する必要がなくなるため、受光素子の背面に遮光膜を形成する必要がないことも当然である。また、本発明の各実施形態において、反射電極の表面に凹凸形状を設けてもよく、この場合には、外光の反射角度を散乱させて反射領域での表示画像に必要以上の指向性を持たせないといった効果が得られる。
【００８２】
さらに、上記各実施形態の説明では、液晶表示素子のＴＦＴとしてポリシリコンを用いたトップゲート型ＴＦＴを例示して説明したが、本発明においてＴＦＴのタイプはその作用効果には影響しないから、これに限られないことはいうまでもない。ボトムゲート型をはじめとした各種ＴＦＴを使用できる。同様に、フォトダイオードについても、例示したＰＩＮ型に限られず、ＰＮ型でも何ら問題が無く、さらに、受光素子として、フォトダイオードに限られるものでもない。
【００８３】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態として、本発明にかかる液晶表示素子を用いたタッチパネル機能付きの液晶表示装置について概略を説明する。
【００８４】
図８は、本発明にかかる液晶表示装置の概略構成を示すブロック図である。本発明にかかる液晶表示装置１００は、第１〜第３の実施形態として説明した液晶表示素子１と、バックライト９、さらに、画像表示機能とタッチパネルとしてのセンサ機能を果たすための各種の回路から構成されている。
【００８５】
本実施形態にかかる液晶表示装置１００は、画像表示機能を果たすための画像表示制御回路部として、駆動制御部７１と垂直駆動回路７２，さらに、水平駆動回路７３とを備えている。
【００８６】
駆動制御部７１は、入力された画像信号を、画像表示を行うための垂直駆動信号と水平駆動信号とに変換して出力する。この垂直駆動信号に基づいて、液晶表示素子１のゲート配線と接続されて、これを順次選択する垂直駆動回路７２が動作する。また、水平駆動回路７３は、垂直駆動回路部７２で順次選択されたゲート配線に接続される画素２１それぞれに対して、図示しないＴＦＴに所定の輝度信号を、ソース配線を通じて入力する。水平駆動回路７３から入力された階調信号に基づいて、それぞれの画素２１で液晶層の透過率が変化し、バックライト９から出射される照射光１０の透過率を変化させて、画像を表示する。
【００８７】
また、本実施形態にかかる液晶表示装置１００は、タッチパネルとしてのセンサ機能を果たすために、検出制御回路部として、検出制御部７４と垂直検出回路７５，さらに、水平検出回路７６とを備えている。
【００８８】
検出制御部７４は、画素２１内に配置された受光素子であるフォトダイオード７を駆動して輝度信号を読み出すための垂直検出信号と、水平検出信号とを出力する。垂直検出信号が入力された垂直検出回路７５と、水平検出信号が入力された垂直検出回路７６は、所定のフォトダイオード７を駆動し、このとき得られた輝度信号を垂直検出回路７５からセンサ出力信号として検出制御部７４に伝達する。検出制御回路７４は、このセンサ出力信号から、液晶表示素子１上の指示者の指の位置を検出して、タッチパネル信号として出力する。
【００８９】
なお、図８で示した回路構成は、本発明の一般的な実施形態に過ぎず、画像表示機能、および、タッチパネルセンサとしての機能のいずれの機能を果たす上でも、例示した構成にのみ限られるものでないことはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、受光素子を画素内に有する画像取り込みができるセンサ機能付きの液晶表示素子、およびこの素子を備えた液晶表示装置であって、特に、受光素子での受光効率を向上した液晶表示素子および液晶表示装置として、産業上利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の実施形態にかかる液晶表示素子の概略構成を示す断面構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる液晶表示素子の背面基板を前面基板側から平面視したときの要部拡大平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる液晶表示素子の要部断面構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかる液晶表示素子の背面基板を前面基板側から平面視したときの要部拡大平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる液晶表示素子の要部断面構成図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる表示素子の応用例を示す要部断面構成図である。
【図７】本発明の第３の実施形態にかかる液晶表示素子の要部断面構成図である。
【図８】本発明にかかる液晶表示装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９２】
１      液晶パネル（液晶表示素子）
２      前面基板
３      背面基板
４      液晶層
６      絶縁層
７      フォトダイオード（受光素子）
１３    外光
２７    画素電極
３４、３５，３７    反射膜
４１    下地膜（ベースコート）
４３    層間絶縁膜
４４    平坦化膜
５２    受光領域
【図１】
2009237286.tif 000003
【図２】
2009237286.tif 000004
【図３】
2009237286.tif 000005
【図４】
2009237286.tif 000006
【図５】
2009237286.tif 000007
【図６】
2009237286.tif 000008
【図７】
2009237286.tif 000009
【図８】
2009237286.tif 000010