JP2005201959A - 液晶装置および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光強度の強い光を入射光として用いた場合にも、分解等の生じ難い垂直配向膜を備えた液晶装置を提供する。
【解決手段】 本発明の液晶装置は、一対の基板１０１，１０２間に、負の誘電率異方性を有する液晶にて構成される液晶層１０４を挟持してなる液晶装置であって、前記一対の基板１０１，１０２の液晶層１０４側には、それぞれ無機材料からなるとともに、所定の方位角方向のプレチルトを有した垂直配向性を示す垂直配向膜１１５，１２５が形成されてなり、各垂直配向膜１１５，１２５は、その方位角方向が互いに９０°〜１００°の角度をなして配置されていることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、液晶装置および投射型表示装置に関するものである。

液晶プロジェクタ等の投射型表示装置に搭載される光変調手段や、携帯電話等に搭載される直視型表示装置として用いられる液晶装置としては、例えば互いに対向配置された一対の基板間に液晶層が挟持された構成を具備し、これら基板の液晶層側にはその液晶層に電圧を印加するための電極が形成されている。このような液晶装置においては、一対の基板の液晶層側最表面に、電圧無印加時における液晶分子の配列を制御するための配向膜が形成されており、電圧無印加時、電圧印加時における液晶分子の配列変化に基づいて表示が行われる構成となっている。なかでも、液晶層を誘電率異方性が負の液晶にて構成し、配向膜として垂直配向性のものを用いた垂直配向タイプの液晶装置は、広い視角特性が得られるものとして知られている。例えば特許文献１参照。
特開平１１−３８４０６

上記特許文献１では、初期状態で垂直配向を呈し、電圧印加時には液晶分子がツイストして白表示を得る構成が開示されている。この特許文献１では、液晶分子を垂直配向させるための垂直配向膜としてポリイミド膜を用いているが、ポリイミド膜は有機材料からなるものであるため、例えば光強度の強い光を入射光として用いる場合には、配向膜が光や熱により次第に分解され、長期使用後に、電圧無印加時の液晶分子を所望のプレチルト角に配列することができないなど、液晶配向制御機能が低下し、表示品質が低下することがあった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、光強度の強い光を入射光として用いた場合にも、分解等の生じ難い垂直配向膜を備えた液晶装置を提供することを目的としている。そして、特にこのような光に対する耐久性の高い配向膜であっても、好適な透過率が得られる構成の液晶装置を提供することを目的としている。さらに、本発明は、このような液晶装置を備えた投射型表示装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の液晶装置は、一対の基板間に、負の誘電率異方性を有する液晶にて構成される液晶層を挟持してなる液晶装置であって、前記一対の基板の液晶層側には、それぞれ無機材料からなるとともに、所定の方位角方向のプレチルトを発現させる垂直配向性を示す垂直配向膜が形成されてなり、各垂直配向膜は、その方位角方向が互いに９０°〜１００°の角度をなして配置されていることを特徴とする。

このように、配向膜として無機材料からなる垂直配向膜を用いた場合、ポリイミド等の有機材料から構成した配向膜に比べ、耐光性や耐熱性に優れており、液晶装置の耐久性を向上させることが可能である。ところが、無機材料からなる垂直配向膜は、有機材料からなる配向膜に比してアンカリング力（液晶を同じ状態に保持する力）が弱く、これは電圧印加時には液晶分子が基板間で捩れやすいことを意味しており、電圧無印加時の状態に戻すときも戻り難いことを意味している。そのため、無機材料からなる垂直配向膜について、その方位角方向を一対の基板間で互いに所定の角度をなして設計した場合にも、液晶層の捩れ角（ツイスト角）は設計値よりも５°程小さくなることが分かった。このような本発明者の検討結果に基づいて、上述のように、垂直配向膜の方位角方向を一対の基板間で互いに９０°〜１００°に設計したところ、液晶層の捩れ角（ツイスト角）が８５°〜９５°程度となった。このように液晶層の捩れ角（ツイスト角）が８５°〜９５°の液晶装置では、高い透過率が得られることとなる。つまり、無機材料の垂直配向膜により高い耐光性や耐熱性を具備しつつ、光利用効率の高い液晶装置を実現することができたのである。

なお、無機材料からなる垂直配向膜は、その表面形状効果により液晶分子を配向させるものであって、基板をある角度で固定して一方向から無機材料を蒸着させ、基板に対して所定の角度で配列した柱状構造物を成長させる斜方蒸着法により得ることができる。このような無機材料としては、酸化ケイ素又は酸化チタン等を用いることができる。

本発明の液晶装置において、前記液晶層がカイラル剤を含んでなるものとすることができる。この場合、捩れ方向を一方向に規制することができるようになり、一層高コントラスト、明るい表示を実現できるようになる。

また、前記一対の基板の液晶層と反対側の面には、それぞれ偏光層が配設されてなるものとすることができる。そして、特に光入射側に配設された偏光層の偏光軸は、前記一対の基板のうちいずれか一方の基板の液晶層側に形成された垂直配向膜のプレチルトを発現させる方位角方向と垂直又は平行とすることができる。このような偏光層の偏光軸と、垂直配向膜の方位角方向との関係を適宜設計することで、電圧印加時に、光効率のよい明るい表示が得られるようになる。前記一対の基板の液晶層と反対側には、それぞれ偏光層が配設されてなり、光入射側に配設された偏光層の偏光軸は、前記一対の基板のうちいずれか一方の基板の液晶層側に形成された垂直配向膜のプレチルトを発現させる方位角方向と垂直又は平行とされていることを特徴とする

次に、本発明の投射型表示装置は、上記液晶装置を光変調装置として備えることを特徴とする。具体的には、光源装置と、該光源装置から出射された光を変調する光変調装置と、該光変調装置により変調された光を投射する投射装置とを含み、前記光変調装置が上記液晶装置にて構成されてなるものとすることができる。このような投射型表示装置は、光変調装置として本発明の液晶装置を備えるため、経時使用による不具合発生の少ない信頼性に優れた投射型表示装置となる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図において、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。

以下に示す本実施形態の液晶装置は、スイッチング素子としてＴＦＴ（Thin Film Transistor）素子を用いたアクティブマトリクス型の透過型液晶装置である。図１は本実施形態の透過型液晶装置の画像表示領域を構成するマトリクス状に配置された複数の画素におけるスイッチング素子、信号線等の等価回路図である。図２はデータ線、走査線、画素電極等が形成されたＴＦＴアレイ基板の相隣接する複数の画素群の構造を示す平面図である。図３は本実施形態の透過型液晶装置の構造を示す断面図である。図４は本実施形態の透過型液晶装置に備えられた各配向膜の配向方向について示す説明図である。

本実施形態の透過型液晶装置において、図１に示すように、画像表示領域を構成するマトリクス状に配置された複数の画素には、画素電極１２３と当該画素電極１２３への通電制御を行うためのスイッチング素子であるＴＦＴ素子３０がそれぞれ形成されており、画像信号が供給されるデータ線６ａが当該ＴＦＴ素子３０のソースに電気的に接続されている。データ線６ａに書き込む画像信号Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎは、この順に線順次に供給されるか、あるいは相隣接する複数のデータ線６ａに対してグループ毎に供給される。

また、走査線３ａがＴＦＴ素子３０のゲートに電気的に接続されており、複数の走査線３ａに対して走査信号Ｇ１、Ｇ２、…、Ｇｍが所定のタイミングでパルス的に線順次で印加される。また、画素電極１２３はＴＦＴ素子３０のドレインに電気的に接続されており、スイッチング素子であるＴＦＴ素子３０を一定期間だけオンすることにより、データ線６ａから供給される画像信号Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎを所定のタイミングで書き込む。

画素電極１２３を介して液晶に書き込まれた所定レベルの画像信号Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎは、後述する共通電極との間で一定期間保持される。液晶は、印加される電圧レベルにより分子集合の配向や秩序が変化することにより、光を変調し、階調表示を可能にする。ここで、保持された画像信号がリークすることを防止するために、画素電極１２３と共通電極との間に形成される液晶容量と並列に蓄積容量７０が付加されている。

次に、図２に基づいて、本実施形態の透過型液晶装置の平面構成について説明する。図２に示すように、後述する透明基板上に、インジウム錫酸化物（以下、「ＩＴＯ」と略す。）等の透明導電性材料からなる矩形状の画素電極１２３（点線部１２３Ａにより輪郭を示す）が複数、マトリクス状に設けられており、画素電極１２３の縦横の境界に各々沿ってデータ線６ａ、走査線３ａ及び容量線３ｂが設けられている。本実施形態において、各画素電極１２３及び各画素電極１２３を囲むように配設されたデータ線６ａ、走査線３ａ、容量線３ｂ等が形成された領域が画素であり、マトリクス状に配置された各画素毎に表示を行うことが可能な構造になっている。

次に、図３に基づいて、本実施形態の透過型液晶装置の断面構成について説明する。図３に示すように、本実施形態の透過型液晶装置１００の断面構成は、一対の基板間に液晶層１０４が挟持されてなるものであって、図示下側に配設される光源からの光を当該液晶装置１００により変調可能とするものである。

液晶表示装置１００は、対向して配置された上基板１０１と下基板１０２との間に液晶層１０４を挟持してなり、該液晶層１０４をシール材１０５で封止した構成を具備している。上基板１０１の内面側（液晶層１０４側）には、基板全面にベタ状に配設された共通電極１１３と、配向膜１１５とが形成されており、上基板１０１の外面側（図示上面側）には、位相差板１１８と、偏光板１１９とがこの順で積層されている。

一方、下基板１０２の内面側（液晶層１０４側）には、平面視マトリクス状に配列された複数の画素電極１２３と、配向膜１２５とが備えられている。また、下基板１０２の外面側には、位相差板１２８と、偏光板１２９とがこの順で設けられており、例えばこの偏光板１２９の更に下方側（外面側）に設けられた光源（図示略）からの光を選択透過して表示を行うものとされている。なお、上下基板１０１，１０２に配設された各偏光板１１９，１２９は、それぞれ透過偏光軸が互いに垂直に交わるように配設されている。

本実施形態の液晶装置１００では、液晶層１０４を構成する液晶材料として誘電異方性が負のものを用いている。また、各基板１０１，１０２の間に対向するように配設された配向膜１１５，１２５は、それぞれＳｉＯｘ又はＴｉＯｘ（ｘは自然数を示す）からなる無機材料を蒸着法により成膜したものであって、それぞれプレチルトが所定の方位角方向を有した垂直配向性を示す垂直配向膜として構成されている。ここで、図４に示すように、上下基板１０１，１０２は、各垂直配向膜１１５，１２５の方位角方向Ｘ，Ｙの挟み角θ_２が９０°〜１００°となるように配置されている。

したがって、液晶層１０４においては、液晶分子は垂直配向膜１１５，１２５の作用により初期状態では垂直配向性を示し、電圧印加時には、垂直配向にあった液晶分子がプレチルトの方位角方向に沿って傾倒し、上下基板１０１，１０２間で捩れ構造（ツイスト構造）をとる構成となっている。なお、傾倒方向を規制するべく、液晶層１０４にはカイラル剤（ｄ／ｐ＝０．２５、ｄ＝３μｍ）が含有されている。また、詳細は後述するが、垂直配向性を示す垂直配向膜１１５，１２５は、成膜時の蒸着角度を適宜設計することで得られるものである。

以上のような構成の液晶装置１００の表示モード（変調モード）を説明する。図５は、上基板側の偏光板１１９と下基板側の偏光板１２９との間に配設された液晶分子１０４ａのモードに従って、光が選択的に透過する作用を示す説明図である。

図５（ａ）に示すように、電圧非印加時には、液晶分子１０４ａは垂直配向膜１１５，１２５の作用により垂直配向をなしている。したがって、下基板側の偏光板１２９を透過した偏光は、その偏光軸を維持したまま液晶層１０４を透過し、上基板側の偏光板１１９にて吸収されることとなる。その結果、電圧非選択時には、当該液晶装置１００に入射した光が、出射側の面において出射されないノーマリーブラックモードとなる。

一方、図５（ｂ）に示すように、電圧印加時には、液晶分子１０４ａは電極間電位に基づいて各基板１０１，１０２と平行な方向に傾倒するが、この場合、垂直配向膜１１５，１２５が有するプレチルトの方位角方向に沿って傾倒することとなる。ここで、本実施形態では、図４に示した通り、各垂直配向膜１１５，１２５の方位角方向Ｘ，Ｙの挟み角θ_２が９０°〜１００°となるように設計されている。したがって、液晶分子１０４ａは上下基板１０１，１０２間で９０°〜１００°捩れた構造となる筈である。しかしながら、各垂直配向膜１１５，１２５は無機材料から構成されているため、そのアンカリング力（液晶を同じ状態に保持する力）が弱く、電圧印加時には液晶分子１０４が基板間で捩れやすく、また電圧無印加時の状態に戻すときも戻り難いものとなる。

その結果、例えば図６に示すように、液晶分子１０４ａの捩れ角（ツイスト角）は設計値よりも５°程小さくなり、実際のところ８５°〜９５°程度となっている。なお、図６においては、ｘ軸を設計ツイスト角、ｙ軸を実際のツイスト角とし、グラフ中実線で示したのは設計ツイスト角に対する理論上のツイスト角である。つまり、無機材料の垂直配向膜１１５，１２５を用いた場合、設計したツイスト角よりも５°程度、実際のツイスト角が小さくなることが分かる。

本実施の形態では無機材料からなる垂直配向膜１１５，１２５を用い、その方位角方向の捩れ角度を９０°〜１００°に設計したため、電圧印加時には、液晶分子１０４ａは上下基板１０１，１０２間で平面視８５°〜９５°捩れて傾倒することとなる。したがって、図５（ｂ）に示す通り、下基板側の偏光板１２９を透過した偏光は、その偏光軸が８５°〜９５°変換されて液晶層１０４を透過し、上基板側の偏光板１１９を透過して当該液晶装置１００から射出されることとなる。その結果、電圧印加時には、当該液晶装置１００に入射した光が、出射側の面において出射される明モードとなる。

特に、このように液晶層１０４を構成する液晶分子１０４ａの捩れ角（ツイスト角）が８５°〜９５°の液晶装置では、高い透過率が得られることとなる。具体的には、図７に示すように、透過率はツイスト角が８５°〜９５°程度でピークとなっており、ツイスト角が７０°或いは１１０°では透過率が１０％程度落ちるものとなる。

このように本実施形態の液晶装置１００は、垂直配向膜１１５，１２５を無機材料にて構成してなるため、例えばポリイミド等の有機材料にて構成した配向膜に比して高い耐光性や耐熱性を具備し、しかも上述のようにプレチルトの方位角方向を好適に設計したため、光利用効率の高い液晶装置となった。

なお、図８は液晶装置の視角特性を示す説明図であって、図中符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの順にコントラストが低い領域を示している。図８（ａ）は複屈折を利用した従来の垂直配向モードの液晶装置の視角特性を示し、図８（ｂ）はツイスト角を利用した本実施形態の液晶装置の視角特性を示すものであって、本実施形態の液晶装置では、従来の液晶装置に比して上下左右に視角が広がり、上下左右対称の分布で高コントラストが得られていることが分かる。

以下、本発明の垂直配向膜１１５，１２５を基板上に形成するための蒸着方法について説明する。図９は蒸着装置の構成を模式的に示す説明図であって、本実施形態では、この蒸着装置３００を用いて、基板に対して所定方向から無機材料（例えば酸化ケイ素）を斜方蒸着するものとしている。

蒸着装置３００は、酸化ケイ素の蒸気を生じさせる蒸着源３０２と、酸化ケイ素の蒸気が流通可能な開口部３０３ａを備える蒸気流通部３０３と、基板Ｓを蒸着源３０２に対して所定角度傾斜させて配設する基板配設部３０７とを具備する蒸着室３０８、さらには蒸着室３０８を真空にするための真空ポンプ３１０を備えている。

本実施形態の場合の蒸着方法は以下の通りである。まず、真空ポンプ３１０を作動させると、蒸着室３０８が真空化し、さらに加熱装置（図示略）により蒸着源３０２を加熱すると蒸着源３０２から酸化ケイ素の蒸気が発生する。そして、蒸着源３０２から発生した酸化ケイ素の蒸気流は、開口部３０３ａを通過し、所定の角度（蒸着角）で基板Ｓの表面に蒸着されるものとされている。ここで、本実施形態では垂直配向性を付与するために、図１０に示すように蒸着源と基板Ｓとのなす角度θ_１が４０°となるように蒸着角を定めている。

［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。ここでは、第１実施形態の液晶装置１００を光変調装置として用いたプロジェクタ（投射型表示装置）の一例を説明する。第１実施形態の液晶装置１００は、高い耐光性及び耐熱性を有しているため、プロジェクタ（投射型表示装置）の光変調装置として用いるのが好適である。

図１１は、本実施形態の投射型表示装置の要部を示す概略構成図である。図１１において、８１０は光源、８１３、８１４はダイクロイックミラー、８１５、８１６、８１７は反射ミラー、８１８は入射レンズ、８１９はリレーレンズ、８２０は出射レンズ、８２２、８２３、８２４は液晶光変調装置、８２５はクロスダイクロイックプリズム、８２６は投写レンズを示す。

光源８１０はメタルハライド等のランプ８１１とランプの光を反射するリフレクタ８１２とからなる。青色光、緑色光反射のダイクロイックミラー８１３は、光源８１０からの光束のうちの赤色光を透過させるとともに、青色光と緑色光とを反射する。透過した赤色光は反射ミラー８１７で反射されて、第１実施形態の液晶装置１００を備えた赤色光用液晶光変調装置８２２に入射される。

一方、ダイクロイックミラー８１３で反射された色光のうち緑色光は緑色光反射のダイクロイックミラー８１４によって反射され、第１実施形態の液晶装置１００を備えた緑色光用液晶光変調装置８２３に入射される。なお、青色光は第２のダイクロイックミラー８１４も透過する。青色光に対しては、光路長が緑色光、赤色光と異なるのを補償するために、入射レンズ８１８、リレーレンズ８１９、出射レンズ８２０を含むリレーレンズ系からなる導光手段８２１が設けられ、これを介して青色光が第１実施形態の液晶装置１００を備えた青色光用液晶光変調装置８２４に入射される。

各光変調装置８２２，８２３，８２４により変調された３つの色光はクロスダイクロイックプリズム８２５に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムが貼り合わされ、その内面に赤光を反射する誘電体多層膜と青光を反射する誘電体多層膜とが十字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成されて、カラー画像を表す光が形成される。合成された光は、投写光学系である投写レンズ８２６によってスクリーン８２７上に投写され、画像が拡大されて表示される。

上記構造を有する投射型表示装置は、第１実施形態の液晶装置１００を備えたものであるので、光や熱に対する耐久性に優れ、表示品質を長期に渡って維持することができる表示装置となる。また、一般に投射型表示装置では、光源分布は２０°コーンに集中した分布をもつ。そして、照明系の光源分布は左右、上下対称になっていることが常である。よって、光変調装置の視角特性も左右、上下に対称であることが好ましいが、第１実施形態の液晶装置１００は、そのような対称な特性を有しており、光源分布との整合性がよく、高コントラストの表示を得ることができる。本第２実施形態の投射型表示装置では、コントラスト１０００以上の表示を得ることができる。

本発明の第１実施形態の液晶装置についての等価回路図。 同、液晶装置の画素構成を示す平面模式図。 同、液晶装置の要部を示す断面模式図。 同、液晶装置の上下基板に用いた配向膜の方位角方向を示す説明図。 液晶分子のモードに従って光が選択的に透過する作用を示す説明図。 液晶分子のツイスト角について設計値と実際の値の関係を示すグラフ。 液晶分子のツイスト角と透過率の関係を示すグラフ。 従来と第１実施形態の液晶装置について視角特性を示す説明図。 蒸着装置の構成を示す説明図。 蒸着方向を示す説明図。 本発明の第２実施形態の投射型表示装置について示す概念図。

符号の説明

１０１…上基板、１０２…下基板、１０４…液晶層、１０４ａ…液晶分子、１１３…共通電極、１１５，１２５…垂直配向膜（配向膜）、１１９，１２９…偏光板、１２３…画素電極

Claims (6)

1. 一対の基板間に、負の誘電率異方性を有する液晶にて構成される液晶層を挟持してなる液晶装置であって、
   前記一対の基板の液晶層側には、それぞれ無機材料からなるとともに、所定の方位角方向のプレチルトを発現させる垂直配向性を示す垂直配向膜が形成されてなり、各垂直配向膜は、その方位角方向が互いに９０°〜１００°の角度をなして配置されていることを特徴とする液晶装置。
2. 前記垂直配向膜が、酸化ケイ素又は酸化チタンにて構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の液晶装置。
3. 前記液晶層は、カイラル剤を含んでなることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶装置。
4. 前記一対の基板の液晶層と反対側には、それぞれ偏光層が配設されてなり、光入射側に配設された偏光層の偏光軸は、前記一対の基板のうちいずれか一方の基板の液晶層側に形成された垂直配向膜のプレチルトを発現させる方位角方向と垂直又は平行とされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液晶装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液晶装置を光変調装置として備えることを特徴とする投射型表示装置。
6. 光源装置と、該光源装置から出射された光を変調する光変調装置と、該光変調装置により変調された光を投射する投射装置とを含み、前記光変調装置が請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液晶装置にて構成されてなることを特徴とする投射型表示装置。

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