JP2522647B2 - 偏光変換素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高速でオン、オフを繰り返す偏光変換素子
に関するものである。

［従来の技術］ 従来高速でオン、オフを繰り返す液晶光学スイッチ装
置としては、二周波駆動法によるプリンターヘッド装置
が知られている。

この二周波駆動法においては、数KHzまでの低周波と
数十KHz〜数百KHzの高周波が用いられている。このた
め、高周波領域では透明電極基板の電極抵抗を低くしな
ければ、液晶に印加される有効電圧が低下することとな
り、大面積を駆動することが難しいという欠点を有す
る。

また、二周波駆動に適する液晶材料は、液晶分子の分
子軸に対して横方向の相互作用が強くなるため、通常の
ネマチック液晶に比べ粘性が非常に高くなっている。こ
のため、高速応答を得るためには、高電圧が必要とな
り、ひいては消費電力が大きくなる欠点を有していた。

そこで数KHzまでの低周波単一信号による駆動方式が
望まれている。この従来の低周波単一信号による駆動方
式では、通常のツイストネマチック（TN）モードにおい
ては、その電圧印加（オン）時の応答性は、電圧を高く
することにより速くすることができる。しかし、その電
圧を切った（オフ）時の応答性は、電圧によって速くす
ることができなく、セルの基板間隙を薄くしたり、液晶
を低粘性化することにより多少は速くできるが、この応
答速度は０℃でせいぜい数十msec程度にすぎなかった。
また、この基板間隙の薄型化及び液晶の低粘性化によ
り、偏光変換素子自体の偏光変換効率が低下してしまう
こともあり、偏光変換効率が良くかつ高速応答が得られ
る偏光変換素子は得られていなかった。

［発明の解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、従来技術が有していた前述の問題点
を解消しようとするものであり、低消費電力の低周波単
一信号による駆動方式で、偏光変換効率の低下なしに高
速応答が可能な偏光変換素子を得ることである。

［問題を解決するための手段］ 本発明はかかる問題点を解決すべくなされたものであ
り、一対の透明電極付の透明基板を透明電極が相対向す
るように配置し、周辺をシール材でシールし、内部にネ
マチック液晶を封入し、そのネマチック液晶層よりも入
射光側に偏光膜を配置してなる偏光変換素子において、
夫々の透明基板が水平配向処理され、両透明基板間では
相互にその水平配向方向がほぼ直交するように配置さ
れ、入射光側の偏光膜の偏光軸を入射光側の基板面の液
晶分子の配向方向にほぼ平行またはこれにほぼ直交する
ように配置し、ネマチック液晶のピッチｐと基板間隙ｄ
との関係d/pが0.5より大きく、かつ1.0よりも小さくさ
れ、液晶分子の配向状態がほぼ90゜のねじれ状態で水平
配向処理によるプレティルト角と整合するようにされ、
電圧オフ時には液晶分子がほぼ270゜のねじれ状態を取
り、電圧オン時の液晶分子の縦配向状態と液晶分子のほ
ぼ90゜のねじれ状態との２つの状態の間でスイッチング
を繰り返すことにより、入射光の偏光方向を90゜変える
ことを特徴とする偏光変換素子を提供するものである。

本発明は、液晶を通常の液晶で使用される電圧オン時
とオフ時の２つの安定状態のみを利用して光の透過率を
変えるのではなく、長時間電圧オフによる完全なオフ時
で通常の液晶よりもより大きくねじれ270゜ねじれの状
態とし、電圧オン時の安定状態とその後の電圧オフによ
る完全なオフ状態への緩和状態の準安定状態との２つの
状態を利用して入射光の偏光方向を90゜変えるものであ
り、高速応答で高い偏光変換効率が得られる。

本発明は、この準安定状態を使用しているため、数ms
ec〜数msec程度のある程度高速で液晶に入射した偏光の
偏光方向を繰り変えして変化させる用途に適している。
このような準安定状態の存在は、以下のようにして知る
ことができる。一般に、液晶のねじれ角が大きいほど液
晶層の複屈折による波長分散が大きいため、ねじれ角に
よって、光透過率と色相がかなり異なる。特に、近接す
る液晶の配向方向と、直交または平行する方向に偏光軸
を有する偏光膜を液晶層の両側に配置した場合は、270
゜ねじれと90゜ねじれとを比較すると、270゜の方がは
るかに色づきが強い。したがって、本発明において、十
分な大きさの電圧を印加して、液晶が縦配向となった状
態で電圧オフにすると、まず、90゜ねじれに対応した白
色相が現れ、それが数秒間程度の短い時間保持された
後、色づいた270゜ねじれに対応した色相に変わる。こ
れらの状態が実際に90゜ねじれ、270゜ねじれを有する
ことは、その光透過率や色相が光学的なシュミレーショ
ンによる光透過率や色相と一致することから確認され
る。

本発明の構成を、第１図及び第２図を参照しつつ説明
する。

第１図は本発明の偏光変換素子の基本的構成を示す断
面図である。

第１図において、1A、1Bはガラス、プラスチック等の
透明基板であり、その内面には酸化スズ、酸化インジウ
ム−酸化スズ等の透明電極2A、2Bが必要に応じて所望の
パターンにパターニングされて形成されている。この透
明電極の表面は、液晶分子が一方向に水平配向するよう
にラビングまたは斜め蒸着等により水平配向処理がなさ
れ、この水平配向方向が２枚の基板で互いに直交するよ
うに向い合せて、周辺でシール材３によりシールされ、
内部にネマチック液晶４が封入されて液晶セルを形成し
ている。この液晶セルの外面入射光側に偏光膜５を、そ
の偏光膜の偏光軸を入射光側基板面の液晶分子の配向方
向にほぼ平行またはこれにほぼ直交するように配置され
るように設けられる。

なお、この説明においては省略したが、一般の液晶表
示装置で行われているような応用、例えば、透明電極に
金属リードを形成したり、光の透過率を変化させる部分
を除いて無電解Niメッキ、Cr蒸着等により不透明のマス
クを形成したり、カラーフィルターを形成したり、ポリ
イミド、ポリアミド、シリカ、アルミナ等の配向膜用の
オーバーコートを透明電極上に形成したり、液晶セル内
に基板間隙を正確に保つためのガラス繊維、アルミナ粒
子、プラスチック粒子等のスペーサーを散布若しくはそ
れらスペーサー入りのシール材を点付けしたりする等し
てもよい。

第２図は、第１図の偏光変換素子の配向処理方向と偏
光膜の偏光軸方向との関係を示す平面説明図である。

第２図において、11は表側（入射光側）の偏光膜５の
偏光軸方向、12は表側の透明基板1Aのラビング処理方
向、13は裏側の透明基板1Bのラビング処理方向を示して
いる。

この例では、偏光膜の偏光軸方向と配向処理方向を平
行な方向としているが、垂直な方向とすることもでき
る。

なお、この配向方向の交差角並びに配向方向と偏光軸
の関係は、正確に平行または直交とするのみに限られな
く、例えば５゜、10゜、20゜程度ずらすこともできる。

［作用］ 本発明でも、通常の液晶表示装置と同様に液晶分子が
電圧オフ時にはほぼ270゜のねじれ状態である第１の安
定状態を取り、電圧オン時には縦配向状態である第２の
安定状態を取り、ここまでは従来の液晶表示装置と同じ
である。

しかし、本発明では液晶分子のねじれ角が大きいた
め、この２つの安定状態の外に電圧オンの第２の安定状
態である縦配向状態の後に電圧をオフにした際に、短時
間ではあるが完全な電圧オフ時の前記第１の安定状態で
あるねじれ状態への緩和状態であるほぼ90゜のねじれ状
態である準安定状態をとる。この準安定状態は、本発明
では液晶自身のねじれようとする力が強いため、第２の
安定状態である縦配向状態から極めて速く、具体的には
室温で１〜数msec程度と高速で到達し、かつある程度の
時間保持され、第１の安定状態に到達する。本発明は、
この電圧オン時の第２の安定状態と準安定状態との２つ
の状態の間で駆動し、高速でオンオフするものである。

この準安定状態は長時間安定な状態ではないため、し
ばらくして第１の安定状態に移行する。

この場合、ネマチック液晶のピッチｐと基板間隙ｄと
の関係は0.5＜d/p＜1.0とされればよい。これにより、
両方の基板での水平配向方向が直交している場合に、電
圧オフ時には液晶分子は270゜のねじれ状態を取る。こ
れが第１の安定状態である。

ここで、電圧を印加すると液晶分子は立ち上がり、ほ
ぼ垂直になり縦配向となる。これが第２の安定状態であ
る。

次いで電圧を切ると、液晶分子はねじれ状態となろう
とし、基板の配向方向に液晶分子がそろおうとする。こ
の場合、本発明では、完全な電圧オフ時に液晶分子が第
１の安定状態である270゜のねじれ状態というように大
きくねじれているため、電圧をオフにしても液晶分子は
直ちにこの状態にはならなく、まず90゜になり、続いて
270゜というように順次そのねじれが拡大していくこと
となる。本発明はこの中間段階のねじれ状態である準安
定状態を利用するものである。

また、この場合、液晶分子の配向状態がほぼ90゜のね
じれ状態で水平配向処理によるプレティルト角と整合す
るようにしておくことにより、この準安定状態が安定し
やすく、長く続く傾向があり、数秒以上も続くこともあ
る。

この例を、第３図及び第４図に示して説明する。

第３図及び第４図は液晶分子のプレティルト方向のみ
が異なる例を示しており、（Ａ）は90゜ねじれ状態、
（Ｂ）は270゜ねじれ状態を示している。

この第３図の例では、この状態で上側の基板21A,21B
では基板に液晶分子の左端22A,22Bが接しており、下側
の基板23A,23Bでは基板に液晶分子の奥側24A,24Bが接し
ている。このため第３図（Ａ）の90゜ねじれで整合状態
となっており、図の曲線25Aと26Aとで示されるピッチが
同一となり、安定した整合状態となる。逆に、第３図
（Ｂ）の270゜ねじれは不整合状態となり、図の曲線25B
と26Bとで示されるピッチが異なる。このため、270゜ね
じれを第１の安定状態とする偏光変換素子の場合に適し
ており、準安定状態の90゜ねじれが長く続くこととな
る。

また第４図の例では、この状態で上側の基板31A,31B
では基板に液晶分子の左端32A,32Bが接しており、下側
の基板33A,33Bでは基板に液晶分子の手前側34A,34Bが接
している。このため第４図（Ａ）の90゜ねじれで不整合
状態となっており、図の曲線35Aと36Aとで示されるピッ
チが異なる。逆に、第４図（Ｂ）の270゜ねじれは整合
状態となり、図の曲線35Bと36Bとで示されるピッチが同
一となる。この準安定状態の90゜ねじれは不整合状態の
ため短く、すぐに最終の270゜ねじれ状態に戻ってしま
い、本発明の偏光変換素子には適していない。

例えば、水平配向処理方法として、ラビング法を使用
すると、ラビング方向に液晶分子のプレティルトが生じ
る。ここで左らせんで第１の安定状態が270゜の液晶を
使用するとすると、第２図に示すような処理方向とする
ことが好ましいこととなる。

即ち、表側の透明基板1Aではラビング方向をセル外側
（手前側）から見て左下から右下へとり、裏側の透明基
板1Bではラビング方向を右下から左上へとればよい。

また、右らせんの液晶を使用し、表側の透明基板1Aの
ラビング方向を前記例と同じにとるとすれば、裏側の透
明基板1Bではラビング方向を左上から右下へとればよい
こととなる。

本発明では、第１の安定状態を270゜とするように液
晶を調整し、即ち、0.5＜d/p＜1.0の液晶を使用し、準
安定状態を90゜とし、この90゜で整合状態とすることが
好ましい。従って、第２図の構成では、右らせん液晶を
用いることにより90゜ねじれの準安定状態が整合する。

さて、液晶のd/pが大きく液晶分子のねじれようとす
る力が強いほど速く90゜の第１の準安定状態になる速さ
が速くなるため、第１の安定状態が90゜の場合よりも27
0゜の場合の方が高速応答が可能となる。これは第１の
安定状態が270゜のものは準安定状態に90゜ねじれ状態
を持ち、第１の安定状態が90゜である従来の液晶表示装
置に比してかなり速いものとなる。また、本発明では電
圧オン時の第２の安定状態と電圧オフ直後の準安定状態
との２つの状態との間でオンオフするものであり、準安
定状態が長い程使用可能性が大きく、好ましい。特に、
第１の安定状態を270゜とし、90゜の準安定状態で液晶
分子の配向とプレティルトが一致する整合状態となるよ
うにしておくことにより、スイッチングの繰り返しが数
秒程度でも使用可能となる。

ねじれ角が大きくなると準安定状態への移行の応答速
度は向上する傾向はあるが、駆動電圧が高くなり、円偏
光性が増加し、偏光変換効率が低下し、コントラストが
低下してくるため、270゜とすることが好ましい。ま
た、ねじれ角を大きくすると、リターデーション色が強
くなる傾向もあり、好ましくない色が生じることがあ
る。

この場合、第３図で説明したように90゜ねじれで整合
状態となるようにされることが好ましく、90゜ねじれの
準安定状態が比較的に長く、具体的には数秒程度続き、
電圧オン時の第２の安定状態と電圧オフ時の準安定状態
との間でオンオフできる時間範囲が広くなり、速い応答
速度でかつ高い偏光変換効率で使用できる範囲が広くな
るため好ましい。

また、本発明に使用するの液晶の屈折率異方性Δｎと
基板間隙ｄとの積Δndは0.5〜1.5とすることが好まし
く、これにより高いコントラストを得ることができる。

本発明では、電圧オン時の第２の安定状態と電圧オフ
直後の準安定状態との２つの状態を使用して液晶をオン
オフするものである。

これにより、電圧オフ時に第２の安定状態から準安定
状態に移行するのは前述したように速く、逆に、電圧オ
ン時に準安定状態から第２の安定状態に移行するのも、
第１の安定状態から第２の安定状態に移行するよりも速
いためである。

さらに、第１の安定状態は液晶のねじれが大きくなる
ため円偏光性が出やすくなり、この第１の安定状態に到
達する前に再度電圧がオンになるように高速で繰り返し
てオンオフされることにより、この悪影響がでなく好ま
しいものである。

［実施例］ ガラス基板上にパターニングされた透明電極を有する
表側基板と裏側基板の夫々の電極面側に配向膜用オーバ
ーコートとしてポリイミドを塗布し、熱硬化後の膜厚を
約800Åとした。これらポリイミド膜の表面をラビング
法により、水平配向処理し、第２図に示すように、その
ラビング方向が直交するように２枚の基板を配置し、周
辺を注入口部を除きシール材でシールしてセルを形成し
た。このセルの液晶注入前のセル間隙は4.6μｍであっ
た。

このセルに、屈折率異方性Δｎが0.228のロシュ社製
液晶「RO−TN−403」をそのらせんピッチが6.1μｍとな
るようにカイラル成分としてコレステリルノナネートを
2.7wt％添加した液晶を注入して、注入口を封止した。

このセルの表には第２図に示すように偏光膜をその偏
光軸がセルのラビング方向に平行となるように設置して
偏光変換素子を製造した。

このようにして製造した偏光変換素子は、電圧を印加
しない状態では液晶分子が270゜ねじれた状態となって
おり、第１の安定状態となっている。この状態では液晶
セル内で光は液晶分子のねじれに沿って進み、ほぼ270
゜ねじれることとなり、偏光変換素子に入射した光はそ
の偏光方向もねじられてゆくが、多少円偏光性を帯るた
め、偏光変換効率は必ずしも良くない。次に電圧を印加
すると、液晶分子が縦配向状態となり、第２の安定状態
となった。この状態では液晶セルは光に対して等方的と
なり、偏光変換素子に入射した光は入射偏光を保ったま
ま出て来る。

この状態から電圧を切ると、セル内で液晶分子は瞬時
に90゜ねじれた第１の準安定状態となり、表側偏光膜を
通った入射光はセル内を液晶のねじれ構造に従ってその
偏光成分は90゜ねじられた光が透過した。

この第１の準安定状態の90゜ねじれ構造は、液晶分子
の配向状態が水平配向処理によるプレティルト角と一致
しており、整合状態となっているため比較的に安定で、
室温で数秒間継続した。

この状態を経た後、270゜ねじれ構造に移行してい
き、セル内では入射光の偏光成分は楕円偏光となり、偏
光変換効率はやや減少した。

この270゜ねじれ構造に移行する前の準安定状態であ
る90゜ねじれ構造の間に電圧を印加すると速やかに第１
の安定状態である縦配向に移行し、高速でかつ偏光変換
効率の高いスイッチングが可能であった。

［発明の効果］ 本発明は、誘電異方性が正であり、その液晶のピッチ
ｐと基板間隙ｄとの関係のd/pが0.5＜d/p＜1.0のネマチ
ック液晶を用い、電圧が印加されない時はセル内で液晶
分子が液晶分子がほぼ270゜のねじれ状態を取り、電圧
を印加した時には液晶分子が縦配向状態を取り、その後
の電圧を切った時には液晶分子が電圧が印加されない時
のねじれ状態への緩和状態であるほぼ90゜のねじれ状態
を取り、この電圧を印加した時の縦配向状態と電圧を切
った時の液晶分子のほぼ90゜のねじれ状態との２つの状
態を利用して入射光の偏光方向を変えることにより、従
来のTNモードの液晶装置に比してはるかに速くスイッチ
ングが可能であるという優れた効果を有する。

また、電圧が印加されない時のねじれ状態である大き
くねじれた状態を使用しないことにより、ねじれが大き
いものにもかかわらずコントラストの低下が少なく、リ
ターデーションによる悪影響も少ない。

本発明は、この外、本発明の効果を損しない範囲内で
種々な応用が可能なものでありプロジェクション型立体
TVの画像選択素子等の高速の偏光変換が要求される用途
に応用が可能なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の偏光変換素子の基本的構成を示す断
面図。 第２図は、第１図の偏光変換素子の配向処理方向と偏光
膜の偏光軸との関係を示す平面図。 第３図及び第４図は液晶分子のプレティルト方向と整合
の関係を説明する断面説明図。 透明基板:1A、1B 透明電極:2A、2B シール材:3 ネマチック液晶:4 偏光膜:5

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の透明電極付の透明基板を透明電極が
   相対向するように配置し、周辺をシール材でシールし、
   内部にネマチック液晶を封入し、そのネマチック液晶層
   よりも入射光側に偏光膜を配置してなる偏光変換素子に
   おいて、夫々の透明基板が水平配向処理され、両透明基
   板間では相互にその水平配向方向がほぼ直交するように
   配置され、入射光側の偏光膜の偏光軸を入射光側の基板
   面の液晶分子の配向方向にほぼ平行またはこれにほぼ直
   交するように配置し、ネマチック液晶のピッチｐと基板
   間隙ｄとの関係d/pが0.5より大きく、かつ1.0より小さ
   くされ、液晶分子の配向状態がほぼ90゜のねじれ状態で
   水平配向処理によるプレティルト角と整合するようにさ
   れ、電圧オフ時には液晶分子がほぼ70゜のねじれ状態を
   取り、電圧オン時の液晶分子の縦配向状態と液晶分子の
   ほぼ90゜のねじれ状態との２つの状態の間でスイッチン
   グを繰り返すことにより、入射光の偏光方向を90゜変え
   ることを特徴とする偏光変換素子。
2. 【請求項２】液晶の屈折率異方性Δｎと基板間隙ｄとの
   積Δndが0.5〜1.5である特許請求の範囲第１項記載の偏
   光変換素子。