JP3053033B2

JP3053033B2 - 液晶光学変調素子

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Publication number: JP3053033B2
Application number: JP4061492A
Authority: JP
Inventors: 修三金子; 良治藤原; 朋子丸山; 智子村上
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 2000-06-19
Anticipated expiration: 2015-06-19
Also published as: JPH05210103A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶を用いた光学変調素
子に関し、特に自発分極を有する液晶を用いて諧調表示
を行う液晶光学変調素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】自発分極を有する液晶として強誘電性液
晶（ＦＬＣ）は、その高速応答性やメモリ性等の利点に
注目され、表示素子、ライトバルブ等の目的のために積
極的に開発されている。上記利点を生かした装置とし
て、光シャッタアレイ、単純マトリックス駆動による高
精細表示装置、光導電体と組み合わせた高密度記録のラ
イトバルブ等が挙げられる。またさらに、薄膜トランジ
スタ（ＴＦＴ）等を用いたアクティブマトリクス駆動に
よる動画像表示にも適用が期待され、この特性は例えば
Ｕ．Ｓ．Ｐ．４，８４０，４６２号やＰｒｏｃｅｅｄｉ
ｎｇｏｆｔｈｅＳＩＤ，ＶＯＬ．３０／２，１９８
９「ＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＬｉｑｕｉｄＣ
ｒｙｓｔａｌＶｉｄｅｏＤｉｓｐｌａｙ」等に示さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記Ｆ
ＬＣを駆動する場合、一般的に、または本発明者らによ
る実験検証の結果、以下に述べるような問題点が生じる
ことが明らかになっている。

【０００４】すなわちまず、ＦＬＣに対し長時間にわた
る直流電圧（ＤＣ）成分が連続的に印加されると、液晶
の応答が疎外されるという問題がある。この原因として
は、上記ＤＣ成分により、液晶の内部イオンの偏在が誘
起され、これが電界を形成するためと考えられる。これ
に対し、補助パルスによりＤＣ成分をキャンセルする提
案が本発明者らにより特願平２−６９５４７号において
なされている。

【０００５】しかしさらに、ＦＬＣにおいては、分子自
身が自発分極を有するため、この自発分極に対応して偏
在する内部イオンが電界を形成するものと考えられる原
因により、所望の中間調が不安定になり、また外部電圧
値（印加電圧値）に対しての光学応答性においてヒステ
リシスが生じる場合がある。

【０００６】例えば、図７に示すように基板１３上に電
極１２およびその上の絶縁層１０を設けて形成した１組
の対向電極基板間にＦＬＣ１１を配置した従来の液晶セ
ルに対し図６に示すようなアクティブマトリクス構成に
よる駆動を、テレビレート（３０〜６０Ｈｚ）程度の駆
動周波数で、図８（ａ）に示すようなリセットパルスお
よび書込みパルスを連続的にＦＬＣに印加して行った場
合、ＤＣ成分により、透過率Ｔは時間ｔの経過に従い図
９に示すような変化を生じる。これによれば、リセット
電圧Ｖ_R および書込み電圧Ｖ_W のパルスが繰り返し印加
されることにより、透過率Ｔが次第に減少することがわ
かる。

【０００７】図１０はこの現象を説明するための模式図
である。図８に示すような駆動波形は、幾何学的にはプ
ラスのＤＣ成分が過剰に印加されるようにみえるが、図
１０においては、このＤＣ成分がどのように液晶に作用
するかが示されている。すなわち、プラスのＤＣ成分の
印加により、絶縁層部１０と、液晶部分１１との間にチ
ャージの蓄積が生じ、このチャージ成分による液晶分圧
がマイナス方向となり、この結果、次第に「白」書込み
がされ難くなるものと考えられる。

【０００８】また関連した現象として、図７に示すよう
なメモリ性を有する液晶セルに対し図１１（ａ）に示す
ようなプラスのステップ電圧を印加し、ある時間の経過
後アースした場合の光学応答は、図１１（ｂ）に示すよ
うに、電圧印加が短時間の場合は、破線で示すように
「白」書込み後、透過率Ｔが維持されるが、長時間のパ
ルス印加による場合は、前記チャージの蓄積による逆電
圧のため、「黒」状態へ戻されてしまう。

【０００９】さらに図１２を用い、自発分極の作用と思
われる前記ヒステリシスに対する定性的な説明をする。
図１２（ａ）は「黒」安定である場合の自発分極の方向
１２１とこれにより誘起されると思われるチャージの極
性を、図１２（ｂ）は「白」安定である場合の自発分極
の方向１２１とこれにより誘起されると思われるチャー
ジの極性を、それぞれ前状態、リセット後、および書込
み電圧印加後について示す。これらに示されるような、
誘起されるチャージの極性の違いにより、同じ書込み電
圧Ｖ_W を印加した場合においても、前状態が「黒」であ
ったか、「白」であったかにより、液晶部分に印加され
る電圧が異なり、前状態が「白」であった方がより大き
い電圧が液晶に印加されるため、ヒステリシス現象等を
生じるものと考えられる。

【００１０】このような電気的な不安定性を回避するた
めには、従来のポリイミドやポリビニルアルコール等の
ラビング配向層、あるいはこれらと付加的に設けた絶縁
層による上述の絶縁層部分をなくしてしまうのが１つの
手段であると考えられるが、そうすることによっては十
分一様性の高い配向が得られない等の悪影響が生じる場
合も多々ある。

【００１１】さらに、強誘電性液晶の場合、液晶層の層
厚は１〜２μｍ程度と小さく、上記のように絶縁層部を
取り除いた場合、上下の電極のショートにより素子全体
に損傷を及ぼすおそれがある。

【００１２】本発明の目的は、このような従来技術の問
題点に鑑み、液晶光学変調素子において、弊害を生じさ
せることなくヒステリシス現象などを防止し、諧調表示
に適した安定した光学応答が得られるようにすることに
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、一対の電極と、該一対の電極間に配置した
強誘電性液晶とで構成した画素をマトリクス配置し、該
画素毎に配置したアクティブスイッチング素子を介して
該強誘電性液晶に外部電圧を付与する様になした液晶光
学変調素子であって、前記画素を構成している一対の電
極の少なくとも一方の電極と前記強誘電性液晶との間
に、透光性の光導電性配向膜を設けている。

【００１４】前記少なくとも一方の電極は、金属反射性
電極とすることができ、また、前記画素と画素との間に
は、遮光マスクを配置する場合もある。また、前記光導
電性配向膜は、光導電性層とこれに接するカラム配向制
御層とで構成しても良い。

【００１５】

【作用】この構成において、駆動に際しては、外部から
与えられる諧調信号等の駆動電圧が電極を介して液晶に
印加されるが、その際、両電極基板の電極間の短絡が、
光導電体層により防止される。また、従来のポリイミド
配向膜等の絶縁性の高い層が存在せず、かつ光導電体層
は、変調されるべき光が素子に照射されると低抵抗化し
た状態となるため、電気的なインピーダンス保有による
導通疎外の影響が十分に小さくなり、駆動電圧に実質的
に作用する分圧が常に駆動信号に適応して安定する。ま
た、カラム状の配向制御層は、液晶をより良好に配向さ
せる作用をする。

【００１６】この作用は、光導電体層を直接ラビングし
て液晶層の一様な配向を得る場合にも、また、光導電体
層上にさらに、すかすかのカラム状の配向制御層を形成
する場合にも発揮される。

【００１７】この結果、前記様々な不安定性やヒステリ
シス等の現象が大きく改善され、良好な諧調特性が得ら
れる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図１は、本発明の一実施例に係る液晶光学変調素子
の構成を示す断面図である。図中、１ａおよび１ｂはガ
ラス、石英等の基体、２ａおよび２ｂはそれら基体上に
形成された、ＩＴＯ、Ｓ_nＯ₂ 、Ｉｎ₂ Ｏ₃ 等の透明電
極またはＡｌ、Ａｎ等の電極である。３ａおよび３ｂは
それら電極上に形成された透光性の光導電体層、４ａお
よび４ｂはそれら光導電体層上に形成された、ＳｉＯ、
ＴｉＯ₂ 等のカラム形成された配向制御層であり、これ
ら光導電体層および配向制御層は、電極・液晶間の界面
部をなすとともに、本発明の主要部を構成する部分であ
る。光導電体層３ａ，３ｂとしては特に有機光導電性の
層が最適である。なお、光導電体層３ａおよび３ｂにラ
ビング等の処理を施して良好な配向性が得られる場合
は、配向制御層４ａ，４ｂを設けなくてもよい。５は強
誘電性液晶（ＦＬＣ）層であり、適度な大きさ例えば１
〜１００ｎＣ／ｃｍ² の自発分極Ｐ_S を有するものが、
一様に配向されたものである。

【００１９】この構成において、駆動に際しては、外部
から与えられる諧調信号電圧が電極２ａおよび２ｂを介
して液晶に印加されるが、その際、電極２ａおよび２ｂ
間の短絡（ショート）が、光導電体層３ａ，３ｂにより
防止される。また、光導電体層３ａ，３ｂは、諧調信号
電圧に実質的に作用する分圧が常に諧調信号に適応して
安定するように作用するため、良好な諧調表示が行われ
る。また、カラム状の配向制御層４ａ，４ｂを有するた
め、より良好な配向が得られる。すなわち、本実施例の
素子は、ショート防止および液晶分圧の安定化を目的と
した光導電体層３ａ，３ｂによる良好な界面機能と、さ
らに最適な構成であるカラム状配向制御層４ａ，４ｂの
良好な配向機能とを有する、複合的な機能分離積層型液
晶セルによる光学変調素子となっている。

【００２０】さらにまた、光導電体層３ａ，３ｂとして
有機光導電体層を用いた場合、これを従来のポリイミド
膜等と同様にラビングして液晶を配向させることもで
き、この場合は、カラム状配向制御層４ａ，４ｂを特に
設ける必要はない。

【００２１】この液晶光学変調素子は次のようにして作
製することができる。まず、１．１ｍｍ厚のガラス基体
１ａ，１ｂを用意し、これらの上にＩＴＯ（酸化インジ
ウム・スズ）膜をスパッタ法により約８００Å厚の薄膜
となるように形成することにより、透明電極２ａ，２ｂ
を形成する。

【００２２】次に、一般に有機光導電体の電荷発生層と
して用いられるフタロシアニン、またはアズレニウム塩
等を含む有機顔料を、蒸着により、または樹脂中に分散
させて塗布することにより、好ましくは３００〜５００
０Å程度の厚さの光導電体層３ａおよび３ｂを透明電極
２ａ，２ｂ上に形成する。なお、この光導電体層３ａお
よび３ｂの抵抗値等は、前記顔料の組成、樹脂中への分
散重量等で調整可能である（参考文献；８５／３高分子
可能性講座講演要旨集（Ｐ３３〜３８）これからの表示
と記録）。

【００２３】次に、形成された光導電体層３ａおよび３
ｂの表面にラビングを施し、その一方の光導電体層３ａ
表面上に、粒径約１．５μｍのシリカビーズの分散液を
スピナ−塗布し乾燥させ、さらに接着剤を印刷塗工して
軽く乾燥させ、そして、これに対し、他方の基板をその
光導電体層３ｂが対向するようにして貼り合わせること
により、約１．３μｍのギャップを有するセルを形成す
る。

【００２４】そして、このセルに自発分極が例えば５ｎ
Ｃ／ｃｍ² の強誘電性液晶を真空注入し強誘電性液晶層
５を形成することにより、液晶光学変調素子が完成す
る。

【００２５】ここで、カラム状の配向制御層４ａ，４ｂ
を設ける場合は、光導電体層３ａおよび３ｂの形成後、
そのラビングは行わず、それらの上にカラム状の配向制
御層４ａ，４ｂを形成する。この形成は、一般に知られ
ている斜方蒸着法によって行えるが、光導電体層上に形
成されるため、次に示すような、適度な蒸着温度で行え
るものが適している。

【００２６】図４は、カラム状の配向制御層４ａ，４ｂ
を、ＳｉＯ斜方蒸着層として形成するための装置の構成
図である。図中、４０は真空チャンバ、４２はＳｉＯの
分子ビーム源、４３は分子ビーム源４２の電源、４４は
Ｏ₂ ボンベ、４５は光導電体層３ａまたは３ｂまでが形
成されている基体１ａまたは１ｂを送るローラ、４６は
ロータリポンプ、４７はメカニカルブースタポンプ、４
８はクライオポンプ、４９はバルブ、４１０はスリット
である。

【００２７】この構成において、分子ビーム源４２から
放出されるＳｉＯ分子ビームはボンベ４４からＯ₂ の供
給を得、スリット４１０を経て基体１ａ（１ｂ）に達す
る。一方、ローラ４５は、一定の角速度ωで回転してお
り、これにより、基体１ａ（１ｂ）も一定速度で移動し
ている。このため、基体１ａ（１ｂ）上の光導電体層３
ａ（３ｂ）にはＳｉＯ_X が均一な膜厚で付着する。ま
た、基体１ａ（１ｂ）はＳｉＯ分子ビームの進行方向に
対し、角度θの傾きを有しており、これにより、光導電
体層３ａ（３ｂ）上に均一なカラム状の配向制御層４ａ
（４ｂ）が形成される。

【００２８】この後は、上記と同様に、シリカビーズを
介し基体１ａと１ｂを貼り合わせ、ることにより、約
１．３μｍのギャップを有するセルが形成されるが、こ
の際の基体１ａと１ｂ間の位置関係は、前記蒸着時の基
体１ａと１ｂの移動方向が反平行（平行かつ逆向き）ま
たは平行となるような位置関係とするか、あるいはこれ
ら位置関係における方向から相互に微小にずれた方向と
なるような位置関係にしても良い。

【００２９】図２は、光導電体層３ａ，３ｂによる界面
作用効果を示す等価回路図であり、図３は、素子断面方
向のチャージ状態を示す模式図である。前記構成の液晶
光学変調素子においては、光導電体層３ａ，３ｂの明抵
抗、すなわち低抵抗化した状態により前記ヒステリシス
等による問題が解決される。すなわち、変調されるべき
光が素子に照射された場合、従来のポリイミド配向膜等
の絶縁性の高い層が存在しないため、電気的なインピー
ダンス保有による導通疎外の影響を十分に小さくするこ
とができる。

【００３０】この効果は、光導電体層３ａ，３ｂを直接
ラビングして液晶層５の一様な配向を得る場合にも、ま
た、光導電体層３ａ，３ｂ上にさらに、すかすかのカラ
ム状の配向制御層４ａ，４ｂを形成する場合にも発揮さ
れ、良好な界面効果として作用する。さらに、明抵抗を
利用する光導電体層３ａ，３ｂは、ポリイミド、ポリビ
ニルアルコール等の通常の絶縁性配向膜に比べ、抵抗が
十分小さいため、膜時定数Ｃ_R Ｒ_R が減少し、同程度の
膜厚であれば、その容量Ｃ_R を大きく保つことができ
る。

【００３１】すなわち、従来、前述の透過率変動やヒス
テリシス等の現象は、図３（ａ）に示す外部からの電圧
Ｖ_A の印加時において、光導電体層３ａ，３ｂとＦＬＣ
層５それぞれの時定数の差（Ｃ_LCＲ_LCとＣ_R Ｒ_R との
差）に基づき、変動して注入されるチャージΔＱ_VAと、
図３（ｂ）および（ｃ）に比較して示すＦＬＣ特有の自
発分極Ｐ_S の様々な中間調状態における向き１２１の違
いにより変動するΔＱ_PSとによって引き起こされると考
えられる。しかし、光導電体層３ａ，３ｂはその時定数
Ｃ_R Ｒ_R を小さく保つことによりΔＱ_VAとΔＱ_PSの変動
の影響をより早く緩和するするとともに、容量Ｃ_R を大
きく保つことによりΔＱ_VAとΔＱ_PSの液晶分圧への影響
の係数として表されるΔＱ_VA／（Ｃ_LC＋Ｃ_R ）およびΔ
Ｑ_PS／（Ｃ_LC＋Ｃ_R ）の値を十分小さくしている。

【００３２】ちなみに、２ｍｍ×２ｍｍ＝０．０４ｃｍ
² □の電極交差画素における光導電体層３ａ，３ｂのイ
ンピーダンスを測定したところ、従来のポリイミドラビ
ング膜では、同様の条件でＣ〜２μＦ，Ｒ〜８ＧΩであ
ったのに対し、Ｃ_R 〜１０ｎＦ，Ｒ_R 〜１ＭΩ程度とい
う結果が得られている。これは、時定数値で３桁以上の
低下、容量値で５倍程度の増加である。

【００３３】この結果、前記様々な不安定性やヒステリ
シス等の現象が大きく改善され、良好な諧調特性が得ら
れる。

【００３４】なお、この効果は、ＴＦＴ（薄膜トランジ
スタ）等のアクティブマトリクススイッチング素子によ
る駆動（オープンモードの駆動）の場合に限らず、画素
電極が外部の回路にローインピーダンスで結合された単
純マトリクス型ドライブ法においても得られ、前記光導
電体層の時定数（液晶層との合成時定数として作用す
る）減少および容量増大の効果は十分発揮される。作用
する。

【００３５】また、光導電体層３ａ，３ｂに用いる光導
電体膜の電気的性質は、本発明者等が前記ヒステリシス
や不安定性等の現象を明確に観察した従来のポリイミド
ラビング膜では、誘電率εがε〜４程度、ρ〜１０¹³Ω
・ｃｍ程度以上であったのに対し、十分に光照射された
状態で、望ましくはセル化した状態での膜厚における値
に換算して、誘電率εが３〜１０倍もしくはそれ以上、
ρが１／１００もしくはそれより数桁小さい値をとるこ
とができ、これにより前記効果が得られる。また、さら
に明部の導電化を向上させたものとして、１０^-9Ｓ／ｃ
ｍ（シーメンス・ｃｍ^-1）以上のものも望ましく用い得
る。

【００３６】また、カラム状配向層４ａ，４ｂとして
は、ＳｉＯの他に、ＴｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 等の
斜方蒸着法で製膜し得る他の材料も、カラム長が大きく
なり過ぎないようにすれば、用いることができる。

【００３７】さらに、強誘電性液晶としては、例えば、
化１式に示すようなドーパントを重量比で０．１〜１％
混入し、その抵抗を減少させることにより、液晶の抵抗
が１０¹¹Ω・ｃｍ程度以下のものが得られ、これにより
前記チャージΔＱ_VAやΔＱ_PSのような分圧変動の影響が
より素早く緩和されると考えられる。そして実際、これ
により、さらに改善された諧調特性が得られている。

【００３８】

【化１】図５は、本発明の他の実施例に係る液晶光学変調素子を
用いたプロジェクションタイプの表示デバイスを示す模
式図である。図中、５１は光源となるランプ、５２は偏
光ビームスプリッタ、５３はクロスダイクロプリズム、
５４は液晶光学変調素子、５５は投射レンズであり、ラ
ンプ５１からの光は、偏光ビームスプリッタ５２および
クロスダイクロプリズム５３を経て液晶光学変調素子５
４に入射し、そこで変調され、そして再びクロスダイク
ロプリズム５３および偏光ビームスプリッタ５２を経、
投射レンズ５５によってスクリーン５６上に投射される
ようになっている。

【００３９】円５７内は、液晶光学変調素子５４の一部
の拡大断面を示しており、５８は基体１ｂと光導電体層
３ｂとの間に設けられた反射電極、５９は基体１ａのク
ロスダイクロプリズム５３側の画素間部分に設けられた
遮光マスクである。他の構成は、上述図１の場合と同様
である。反射電極５８はＡｌ、Ａｕ等の金属膜で形成さ
れる。

【００４０】光導電体層の下地となる電極は光導電体層
との接合がよりオーミック的であるのが望ましく、この
点においては、表面がより滑らかなアルミニウム等の、
光学的により正反射性の高い金属反射性を有する反射電
極５８は好ましい。

【００４１】このように、一方の基体の電極を金属膜で
形成した反射型とすることにより、本発明は、特にプロ
ジェクションタイプの表示デバイスにも有効に応用する
ことができる。

【００４２】また、液晶５との界面に光導電体層３ａ，
３ｂを用いることは、他の一般的なポリピロール、ポリ
チオフェン等の導電性膜を用いた場合に比較し、画素間
にランプ５１からの外部光あるいはプロジェクション光
が照射されると、画素間の絶縁性が失われがちになる
が、ここでは画素間に遮光マスク５９を設けたため、画
素間部分の絶縁性あるいは高抵抗性が維持される。した
がって、画素間部分の導電性による画素間のクロストー
クが防止され、良好な表示品質が保たれる。

【００４３】遮光マスク５９の形成は、公知の色素、金
属等を用いパターニングするによって行うことができ、
角画素周辺がそれぞれ区切られた構成となるようにする
ことができる。

【００４４】また、ＴＦＴ等のアクティブマトリクス素
子を用いる場合は、そのゲートラインおよびソースライ
ンによる画素間部分の遮光効果が期待できるため、最適
な構成となる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、少
なくとも一方の電極基板の電極と液晶層との間に、透光
性の光導電性配向層を備えるようにしたため、ヒステリ
シス現象等が防止され、諧調表示にも適した安定な駆動
を行うことができる。

【００４６】また、少なくとも一方の電極基板の電極と
液晶層との間に、透光性の光導電性層、および液晶層に
接するカラム配向層を備えるようにしたため、ヒステリ
シス現象等が防止され、諧調表示にも適した安定な駆動
を行うことができることに加え、より制御された良好な
配向が得られる。この場合、さらに、カラム配向層の下
地となる、いずれか一方の電極基板の電極を金属反射性
電極とした場合、カラム配向層に接する面を平坦化でき
る等の効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る液晶光学変調素子の
構成を示す断面図である。

【図２】図１の素子における光導電体層による界面作
用効果を示す等価回路図である。

【図３】図１の素子における素子断面方向のチャージ
状態を示す模式図である。

【図４】図１の素子のカラム状の配向制御層をＳｉＯ
斜方蒸着層として形成するための装置の構成図である。

【図５】本発明の他の実施例に係る液晶光学変調素子
を用いたプロジェクションタイプの表示デバイスを示す
模式図である。

【図６】アクティブマトリクス構成の模式図である。

【図７】従来例に係る液晶セルの構成を示す断面図で
ある。

【図８】液晶セルに印加される駆動信号波形およびそ
れに対応する透過率の変化を例示する説明図である。

【図９】図８のような駆動信号を図７のような液晶セ
ルに連続的に印加した場合の透過率の変化を示すグラフ
である。

【図１０】図９に示される現象を説明するための模式
図である。

【図１１】図９に示される現象に関連した現象を説明
するための模式図である。

【図１２】図７のような液晶セルにおけるヒステリシ
スを定性的に説明するための説明図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ：基体、２ａ，２ｂ：電極、３ａ，３ｂ：
透光性の光導電体層、４ａ，４ｂ：カラム状配向制御
層、５：強誘電性液晶層、５８：反射電極、５９：遮光
マスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村上智子東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特開昭62−7022（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1337 G02F 1/135

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の電極と、該一対の電極間に配置し
た強誘電性液晶とで構成した画素をマトリクス配置し、
該画素毎に配置したアクティブスイッチング素子を介し
て該強誘電性液晶に外部電圧を付与する様になした液晶
光学変調素子であって、前記画素を構成している一対の
電極の少なくとも一方の電極と前記強誘電性液晶との間
に、透光性の光導電性配向膜を設けたことを特徴とする
液晶光学変調素子。
【請求項２】前記少なくとも一方の電極は、金属反射
性電極であることを特徴とする請求項１記載の液晶光学
変調素子。
【請求項３】前記画素と画素との間には、遮光マスク
を配置してなる請求項１記載の液晶光学素子。