JP2616014B2

JP2616014B2 - 反射型液晶電気光学装置

Info

Publication number: JP2616014B2
Application number: JP1154017A
Authority: JP
Inventors: 富雄曽根原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1988-07-14
Filing date: 1989-06-16
Publication date: 1997-06-04
Anticipated expiration: 2012-06-04
Also published as: JPH02236523A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は液晶を用いた反射型液晶電気光学装置に関す
る。

［従来の技術］従来のツイストした液晶を用いた反射型液晶電気光学
装置は一軸性の電気光学媒体を1/4λの波長板として使
うもの、USP.4019807、特開昭56−43681に記載のように
ツイスト角を45度とし、かつ直線偏光した入射光は分子
軸に対し傾けて入射するものであった。

［発明が解決しようとする課題］しかし、従来の反射型液晶電気光学装置には液晶層の
厚みに対し余裕が少なく、表示性能にむらが生じ易いと
いう課題があった。更に出力光が楕円偏光であるため
に、光量の損失が生じるという課題もあった。そこで本
発明では、ツイスト角と入射偏光角の最適化をすること
によって光量損失の少ない、製作上のマージンの多い反
射型電気光学装置を提供することを目的とするものであ
る。

さらに電界に対する液晶の光学特性の閾特性が急峻
で、少ない実効値変化に対しても十分液晶が応答し、ハ
イデューティー駆動が可能な反射型液晶電気光学装置を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明の反射型液晶電気光学装置は、対向する二枚の
基板間にツイストしたネマチック液晶層を挟持した反射
型液晶電気光学装置において、前記ツイストしたネマチ
ック液晶層の入射面の分子軸に対し平行または垂直に、
直線偏光した入射光が前記液晶層に入り、該液晶層を透
過後の反射面ではほぼ円偏光となり、反射後前記液晶層
を透過した出射面では、前記入射光とほぼ90度その偏光
面が回転した直後偏光となるように前記液晶層が設定さ
れてなることを特徴とする。

また、対向する二枚の基板間にツイストしたネマチッ
ク液晶層を挟持した反射型液晶電気光学装置において、
前記ツイストしたネマチック液晶層の入射面の分子軸に
対し平行または垂直に、直線偏光した光を入射させる手
段を有してなり、該液晶層を透過後の反射面ではほぼ円
偏光となり、反射後前記液晶層を透過した出射面では、
前記入射光とほぼ90度その偏光面が回転した直線偏光と
なるように前記液晶層が設定されてなることを特徴とす
る。

また、前記反射面が一方の基板の前記液晶層側に形成
されていることを特徴とする。

以下、実施例により本発明の詳細を示す。

［実施例］実施例１第１図は本発明の反射型電気光学装置の断面図であ
る。透明基板101と反射性膜102を設置された対向基板10
3の間にツイストしたネマチック液晶104がはさまれた構
造となっている。105は電界を液晶層に印加するための
透明電極である。もう一方の電極は金属薄膜で形成され
た反射性膜102が兼ねている。さらに入出射面、透明電
極面には減反射コーティング106が施され、不要な光線
反射を抑制している。第２図は液晶の配向を示す斜視図
である。第２図はネマチック液晶層のツイスト角201は6
3度、液晶の複屈折と液晶層厚の積（μｍ単位、以下、
△ndと称する）は0.2の場合である。近接して設置され
た偏光素子により直線偏光となった入射光は、入射側の
液晶分子202のダイレクター203に電界振動面204が沿っ
て入射するように角度が設定されている。つまり分子の
配列は、印加電圧が零の時、第２図のように基板界面で
平行に配向し、上下の基板間で63度をなすように配向処
理されている。この配向処理はラビング、射方蒸着等に
より行うことができる。同じように直線偏光した入射光
が入り、反射面では円偏光となり、反射後出射面では入
射光と90度偏光面が回転した直線偏光となる条件である
193度のツイスト角、△nd＝0.58の場合も同様な構造で
ある。

第３図は第１図の装置の印加電圧と反射率（550nm）
の特性である。実線が63度ツイストの場合、破線が193
度ツイストの場合である。

初めに電圧が零の時を説明する。直線偏光402が入射
すると、第４図に示すように楕円偏光の軌跡が回転す
る。反射面ではほぼ円偏光401となり、位相が180度回転
し反射される。再び液晶層を透過し、出射面ではほぼ90
度偏光面が回転した直線偏光403となり出射する。この
ため偏光素子で阻止され、反射率が低下する（オフ状
態）。次に電圧が印加された場合を説明する。液晶分子
は誘電率の異方性のために、電界方向に再配列する。こ
れにより入射光に対する複屈折の異方性が消失し、入射
した直線偏光がそのまま維持されて反射し、出射する。
従って反射率の低下はない（オン状態）。

このような偏光の変化を生ずるのは限られた条件のも
とであり、この条件を鋭意検討した結果本発明にいたっ
た。液晶層に求められる光学的な特性は、直線偏光の入
射に対し透過後円偏光となること、反射層で位相が180
度シフトし、液晶層を逆に透過したときに90度偏光面が
回転していることのふたつである。尚、ここでは63度ツ
イストの場合を既に公知のジョーンズベクトル法を用い
たコンピュータシュミレーションにより図示した。ま
た，反射面における円偏光状態に関しては反射面を形成
しない液晶セルを作成し，その透過光を偏光素子を回転
することにより確認した。193度ツイストの場合は楕円
偏光の回転が複雑になるが（例えば，両者が同じ液晶層
厚でありその液晶層を10層に分割した際のそれぞれの層
面における光の偏光状態を63度ツイストの場合と比較す
ると,193度ツイストの方がその変化の度合いが大きい）
上に述べた二つの条件を満たし、基本的な動作は変わら
ない。

第５図（ａ）、（ｂ）は△ndとオフ時の反射率を示す
グラフである。なおパラメーターに液晶層のツイスト角
をとり、入射光の偏光面は入射面の液晶分子のダイレク
ターに合わせた。オン時の反射率は、偏光素子の透過率
によって決まり、ほぼ一定である。これによると、約60
度のツイスト角、△nd＝0.2の時に反射率がほぼ零とな
ることが分かった。更に詳細に調べた結果、63度のツイ
スト角が最適であることが分かった。この時の楕円偏光
の軌跡をみると、第４図に示すように、反射面では円偏
光となり、出射面では入射時と90度回転した直線偏光と
なる。これを1/4λ板の場合と比べると、液晶のダイレ
クターに沿って偏光が入射するため、複屈折を感受しに
くく、同じ位相の変化を受けるためには大きな△ndzを
必要とすること、△ndに対する周期性が少ないことが特
徴である。これは液晶層の厚みを比較的大きく設定で
き、製造におけるマージンを確保するものである。

また、△ｎの効果は液晶のダイレクターに対し直線偏
光が垂直に入射した場合も全く同様に働く。これは△ｎ
には正負が無いためである。

第６図（ａ），（ｂ）はパラメーターに偏光素子の液
晶のダイレクターに対する配置角をとり、△ndと反射率
の関係を示すものである。これによると偏光素子の方向
が＋30度の時にも反射率が零の条件がある。この場合の
楕円偏光の軌跡を見ると第４図と同じように反射面で円
偏光になっている。

パラメーターを振ることによってこの様な条件を他に
も見つけることができる。しかし、波長による反射率変
動を低く抑えるためには最小の△ndに設定する必要があ
り、さらに極端に小さな△ndでは液晶厚が小さくなりす
ぎるため、この間で選択する必要がある。光学長が２倍
になる反射型では、透過型の液晶素子では許容される液
晶厚が製作上の問題となる。そこで△ndが少しでも大き
いことが求められる。これは素子製作のマージンを大き
くするためである。前述の△nd＝0.2の条件でみると、
△ｎが小さな液晶の典型的な値、△ｎ＝0.08では、ｄが
2.5μｍとなる。これに対し、従来例で述べた45度ツイ
ストしたタイプでは、最適な液晶厚が２μｍを下まわ
り、素子の均一性や歩留まりを低下させる要因になって
いる。

第１図に示すような画素を作らない前面電極タイプ
は、自動車の電気制御防眩ミラーや光シャツターとして
用いることができる。特に電気制御防眩ミラーに応用す
ると、従来の二色性色素タイプや、偏光板を表裏に設置
したTNタイプに比べ透明時の反射率が高い効果が認めら
れた。

また通常の液晶素子と同様XYマトリクスによってアド
レスし、反射型の液晶表示装置とすることももちろん可
能である。

また193度のような大きなツイスト角では、第３図破
線のように電圧に対する光学応答が急峻となる。この場
合、反射率が90％となる電界VTHと反射率が10％となる
電界ＶSATとの比ＶSAT/VTHは1.08程度であった。従っ
て、液晶層に印加される電界の実効値変化が少なくとも
液晶は十分応答することができ、高コントラストな表示
が可能となった。

尚、同調させる光の波長によって、本実施例で述べた
条件がシフトする。この場合はほぼλ（nm）/550であ
る。

実施例2. 第７図は偏光素子に偏光ビームスプリッター（以下、
PBSと称する）を用いた反射型液晶電気光学装置の構成
図である。

701がPBSであり、光源光703を直線偏光し液晶パネル7
02に入射させる。液晶パネルの構成、出射までのプロセ
スは実施例１と同様である。出射光を検光する手段がPB
Sでは入射時と90度ずれてくる。このため反射出力光は
無電界時に小さくなり、印加電圧と反射率の特性は、実
施例１の第３図と縦軸に対し対称なものとなる。

実施例3. 第８図はアクティブマトリクスによってアドレスされ
た反射型電気光学装置の断面図である。第８図はMOSト
ランジスターを各画素に配置した例である。802は画素
電極、803は層間絶縁層、804は液晶層、805は対向する
透明基板806に蒸着された透明電極、807は偏光板であ
る。ここで用いたデバイスは日経エレクトロニクス（19
81）２月16日号p.164に記載のものに準じている。詳細
の仕様を第１表に示す。第１表画層数 220×320 画素ピッチ 80×90μｍ駆動電圧 ±4v（Ｘ側） 12v（Ｙ側）表示モード TN−ECB（電界効果複屈折）液晶層厚 2.4μｍ △nd 0.2 ツイスト角 63゜制御基板不透明半導体基板（Si）反射面（電極） Al（SiO₂のオーバーコート付）プロセス CMOS 画素トランジスター NMOSトランジスターゲートポリシリコンシフトレジスタースタティック他にもTFT、ダイオード等をアレイ化したアクティブ
マトリクスに適用することができる。

このような反射型の表示モードを用いると、第８図に
示すように配線やアクティブ素子を画素電極の下に設置
することができる。この結果、画素面積に対する実際の
画素である画素電極の割合（開口率）を、配線やアクテ
ィブ素子に係わらず大きく確保でき、画素数の増加にと
もなう開口率の低下を防ぐことができる。

さらに配線や画素のアクティブ素子だけでなく、シフ
トレジスター等の画素情報を分配するための駆動周辺回
路を同一のSi基板上に内蔵することができる。第10図は
その構成図である。Ｘ側は320段のシフトレジスター100
1とサンプルホルダー1002、Ｙ側は220段の同じくシフト
レジスター1003を表示領域1004の周辺に形成されてい
る。これらはCMOSプロセスで形成されている。

また透過型の構造では開口率を上げるために配線幅に
制限があったが、本発明では低抵抗の金属配線を、ルー
ルの制限なく画素電極の下に設置できるため、配線抵抗
による伝送帯域の低下も生じ難い。

またゲストホスト型と比較すると、光量の損失が少な
い。さらに従来のTN型反射液晶素子のように下側に偏光
板、拡散型の反射板を必要としないため表示が明るく、
カラーフィルターを用いることにより少ない照明下でも
カラー画像が得られる利点がある。

更に液晶厚が薄いため、液晶層の保持容量が増加する
利点もある。

実施例4. 第９図は光によって書き込むタイプの反射型電気光学
装置の断面図である。901は光導電体層であり、光によ
ってインピーダンスが変化し、液晶層902にかかる電界
を制御する。903は反射ミラー、904は透明電極である。
この様な装置は特開昭56−43681や、J.Opt.Soc.Am.,Vo
l.70,No.3,287（1980）に開示されているが、本実施例
では、液晶層の構成を前述したように△ndを0.2とし、
約60度ツイストさせている。これにより従来は△nd＝0.
18と小さく、液晶層厚が２μｍ以下であったものが、本
発明では２μｍ以上に液晶層厚を増やすことができた。
またPBSを用いて最適配置をした場合のオフ反射率が最
大80％程度であったが、これもほぼ100％近くとれるよ
うになった。

以上実施例を述べたが、本発明は以上の実施例のみな
らず、広く反射型の光制御装置に応用が可能である。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、従来より大きな△
nd値をとれるため、液晶層の厚みに対し製作状のマージ
ンを多くとれる。また出射光がほぼ直線偏光となるた
め、光量損失が少ないという効果を有する。

また、画素をアドレスする手段（トランジスタ等）に
よって開口率を減少させることがなく、さらに光量損失
を減らす効果がある。

反射の表示モードであることから不透明なSi基板を用
いることが可能となり、ドライバー回路等の周辺回路を
集積できる効果がある。これにより実装が極めて簡単と
なり、コスト、信頼性が有利となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の反射型電気光学装置の断面図である。第２図は液晶の配向を示す斜視図である。第３図は第１図の装置の印加電圧と反射率（550nm）の
特性図である。第４図は楕円偏光の軌跡図である。第５図（ａ）、（ｂ）は△ndとオフ時の反射率を示すグ
ラフである。第６図（ａ），（ｂ）は△ndと反射率の関係を示すグラ
フである。第７図は偏光素子にPBSを用いた反射型液晶電気光学装
置の構成図である。第８図はアクティブマトリクスによってアドレスされた
反射型電気光学装置の断面図である。第９図は光によって書き込むタイプの反射型電気光学装
置の断面図である。第10図は周辺回路を内蔵した反射型電気光学装置の構成
図である。 101……透明基板 102……反射性膜 103……対向基板 104……ツイストしたネマチック液晶 202……液晶分子 203……ダイレクター（分子軸） 204……偏光の電界振動面 401……反射面での円偏光 701……PBS 801……MOSトランジスター 901……光導電体 902……液晶層 903……反射ミラー 1001,1003……Ｘ、Ｙのシフトレジスター 1002……サンプルホールダー 1004……表示領域

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する二枚の基板間にツイストしたネマ
チック液晶層を挟持した反射型液晶電気光学装置におい
て、前記ツイストしたネマチック液晶層の入射面の分子軸に
対し平行または垂直に、直線偏向した入射光が前記液晶
層に入り、該液晶層を透過後の反射面ではほぼ円偏光となり、反射後前記液晶層を透過した出射面では、前記入射光と
ほぼ90度その偏光面が回転した直線偏光となるように前
記液晶層が設定されてなることを特徴とする反射型液晶
電気光学装置。
【請求項２】対向する二枚の基板間にツイストしたネマ
チック液晶層を挟持した反射型液晶電気光学装置におい
て、前記ツイストしたネマチック液晶層の入射面の分子軸に
対し平行または垂直に、直線偏光した光を入射させる手
段を有してなり、該液晶層を透過後の反射面ではほぼ円偏光となり、反射後前記液晶層を透過した出射面では、前記入射光と
ほぼ90度その偏光面が回転した直線偏光となるように前
記液晶層が設定されてなることを特徴とする反射型液晶
電気光学装置。
【請求項３】前記反射面が一方の基板の前記液晶層側に
形成されていることを特徴とする請求項１または２に記
載の反射型液晶電気光学装置。