JPH0451809B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

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V_RMSでき
まり、この実効値V_RMS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V_RMS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V_RMS
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V_RMS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

【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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一対の基板の一方の基板上に第１金属層−絶
   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。