JP3161331B2 - 投影型液晶電気光学装置 - Google Patents

投影型液晶電気光学装置

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JP3161331B2 JP17094996A JP17094996A JP3161331B2 JP 3161331 B2 JP3161331 B2 JP 3161331B2 JP 17094996 A JP17094996 A JP 17094996A JP 17094996 A JP17094996 A JP 17094996A JP 3161331 B2 JP3161331 B2 JP 3161331B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、反射型液晶電気光
学装置を用いた投影型液晶電気光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のMIM素子を用いた液晶電気光学
装置は特開昭52ー149090、Proceedin
gs of Japan Display’83 P.
404、特開昭55ー161273、USP,4413
883に示すように液晶電気光学装置としては光を透過
し、原理的に透過型の液晶表示モードを用いるものであ
った。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の液晶電
気光学装置にはMIM素子及び配線が不透明であり、画
素密度を増加させると実効的な画素部分の比率が下がる
という課題があった。たとえUSP.4413883の
ようにオーバーラップ構造としても、MIM素子、配線
が不透明であったり、その部分が電気光学的な画素とし
て機能しなければ同じ課題が生じていた。そこで本発明
では、画素電極を反射性とし、画素電極の基板側にMI
M素子、配線を配置することによって、高密度画素にお
いても有効画素率(開口率)の高いMIM液晶電気光学
装置を提供することを目的とするものである。
【0004】さらに簡略なMIM液晶電気光学装置の製
造方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の投影型液晶電気光学装置は、光源と、入射
光を反射する反射型液晶電気光学装置と、前記光源から
の光の直線偏光光を前記反射型液晶電気光学装置に向け
て出射し、前記反射型液晶電気光学装置からの反射光を
検光する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームス
プリッターにより検光された光を投影する投影光学手段
とを有する投影型液晶電気光学装置において、前記反射
型液晶電気光学装置は一対の基板間にツイストしたネマ
チック層のツイスト角がほぼ63度のネマチック液晶か
らなる液晶層が挟持されてなり、前記一対の基板のうち
一方の基板には反射面が形成されてなり、前記反射型液
晶電気光学装置は、前記偏光ビームスプリッターから出
射された入射光を前記一対の基板のうちの他方の基板側
から入射すると共に、電圧無印加時において、入射光は
液晶層の入射側液晶のダイレクターに沿った方向あるい
はダイレクターに対し垂直に入射してなり、かつ前記液
晶層を透過した光が前記反射面にてほぼ円偏光となり、
前記反射面で反射し前記液晶層を再び透過して前記偏光
ビームスプリッターに出射する反射光が、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、
前記一方の基板においては、前記反射面となる画素電極
の下に配線及びMIM素子が配置されてなることを特徴
とする。
【0006】以下、実施例により本発明の詳細を示す。
【0007】
【発明の実施の形態】図1は本発明のMIM液晶電気光
学装置の断面図である。反射性画素電極101を設置さ
れたMIM基板102と対向基板103の間に液晶10
4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り、画素サイズに対応
したストライプ状である。MIM基板は基板106上に
ライン状の信号伝送配線107、その一部に作られた薄
い絶縁体からなるMIM素子108、それに電気的に接
続された画素電極101からなっている。画素電極は層
間絶縁体109によってライン状の信号伝送配線と電気
的に絶縁されている。画素電極はMIMを構成するもう
一方の金属薄膜と電気光学素子の反射性膜を兼ねること
もできる。110は減反射コーティング、111は偏光
素子である。
【0008】より具体的な構成を表1に示す。
【0009】
【表1】
【0010】次に本実施例で用いた反射型の液晶表示モ
ードについて説明する。一般的な電界効果複屈折型の表
示モード(以下ECBと称する)の使用は可能であるが
本実施例ではツイストしたネマチック液晶を用いたEC
Bモードを用いた。
【0011】図2は液晶の配向を示す斜視図である。図
2はネマチック液晶層のツイスト角201は63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、図2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。
【0012】図3は図1の装置の画素にかかる実効電圧
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、図4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。このため入射時に通過した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図示した。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。
【0013】図5(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
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、図4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△nd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。
【0014】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。
【0015】図6(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、△n
d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図4と同じよう
に反射面で円偏光になっている。
【0016】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。
【0017】従来の二色性色素タイプや、偏光板を表裏
に設置したTNタイプに比透明時の反射率が高い効果
が認められた。
【0018】また193度のような大きなツイスト角で
は、図3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。
【0019】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。この割合はほぼλ(n
m)/550である。
【0020】図7は偏光素子に偏光ビームスプリッタ一
(以下、PBSと称する)を用いた投影型MIM液晶電
気光学装置の構成図である。
【0021】701がPBSであり、このPBSは第1
の直線偏光を反射し、第1の直線偏光に直交する第2の
直線偏光を透過する特性を有する。光源光702をPB
Sに入射させ、PBSによって反射された第1の直線偏
光を液晶電気光学装置703に入射させる。入射した光
は液晶電気光学装置によって変調される。液晶電気光学
装置から出射した出射光を検出する手段でもあるPBS
は、入射時と90度ずれた直線偏光を透過する。透過光
704は投影光学系705によって投影される。この場
合、印加電圧と反射率の特性は図3と縦軸方向に反転す
る。
【0022】このような反射型の表示モードを用いる
と、図1に示すように配線やMIM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。
【0023】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、本発明では画素電極の下
に、太めの金属配線を設置できるため、配線抵抗による
伝送帯域の低下も生じ難い。
【0024】また素子側の基板に直交する2つ以上の配
線があるTFT等の3端子素子と比べ、一方の配線だけ
で済み、直交する配線間の短絡等による欠陥が生じにく
い利点がある。
【0025】さら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。
【0026】Si等の一般的な半導体よりもバンドギャ
ップの大きな、絶縁体とも言える半導体を用いるため本
質的に耐光性に優れている。さらに反射型構造としたこ
とで、素子の半導体部分は入射光に対し完全に遮蔽さ
れ、さらに耐光性が向上している。
【0027】また反射型では光の入射面と出射面が同一
であるためそれと反対側の面にヒートシンクや温調装置
を設置できる利点がある。
【0028】
【0029】またゲストホスト型と比較すると、光量の
損失がすくない。さらに従来のTN型反射液晶素子(原
理的には透過型モードを用いている)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。
【0030】次に製造方法について説明する。
【0031】図8(a)、(b)、(c)、(d),
(e)は製造の工程を示す図である。
【0032】A,MIM素子の一方の金属であるTa薄
膜801を基板802上にデポジションする(図8
(a))。
【0033】B.Ta薄膜をストライプ状にホトエッチ
ングする(図8(b))。
【0034】C.層間絶縁体803を塗布する。図8
(C)ここでは感光性ポリイミドをスピンコートした
が、無機系の絶縁体であっても問題ない。
【0035】D.MIM素子形成部分をホトエッチング
で露出させ選択的に陽極酸化を行なう。ここでは湿式の
方法により、約500ÅのTa2 5 804を形成した
(図8(d))。
【0036】E.MIM素子のもう一方の金属であるC
r805を蒸着し、ホトエッチングで画素電極を形成す
る(図8(e))。
【0037】本実施例では、工程の簡単化の為にMIM
素子の一方の金属であるCrを画素電極に用いたが、よ
り高い反射率を必要とする場合、Al、Ag等の薄膜を
画素電極とすると効果的である。
【0038】信号伝送配線のパターニングのルールが緩
和されることからも工程の簡略化がなされる。
【0039】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、広くディスプレイ装置、投影型ディス
プレイ装置、空間光変調器に応用が可能である。
【0040】
【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Δnd値を取れるため、液晶層の厚みを比
較的大きく取れるので液晶電気光学装置の製造上におい
てマージンを多く確保できる。また、液晶電気光学装置
からの出射光が直線偏光となるために、偏光ビームスプ
リッターにおける光量損失が少ない、という効果を有す
る。
【0041】さらに画素電極の下に信号電送配線やMI
M素子を設置できるために、耐候性、熱伝導性の向上と
いう効果を有する。
【0042】またさらに配線のルール、簡略な製造工程
を採用できる効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のMIM液晶電気光学装置の断面図で
ある。
【図2】 液晶の配向を示す斜視図である。
【図3】 図1の装置の印加電圧と反射率の特性図であ
る。
【図4】 楕円偏光の軌跡図である。
【図5】 (a)、(b)は△ndとオフ時の反射率を
示すグラフである。
【図6】 (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
射率の関係を示すグラフである。
【図7】 偏光素子にPBSを用いた投影型MIM液晶
電気光学装置の構成図である。
【図8】 (a)、(b)、(C)、(d),(e)は
製造の工程図である。
【符号の説明】
101・・・反射性画素電極 102・・・MIM基板 103・・・対向基板 104・・・液晶 105・・・透明電極 106・・・基板 107・・・信号伝送配線 108・・・MIM素子 109・・・層間絶縁体 201・・・ツイスト角 202・・・液晶分子 203・・・ダイレクター 204・・・電界振動面 401・・・円偏光 402,403・・直線偏光 701・・・PBS 801・・・Ta薄膜 802・・・基板 803・・・層間絶縁体 804・・・Ta2 5 805・・・Cr
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/13 505 G02F 1/1362 G02F 1/137 G09F 9/00 - 9/46 H01L 49/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源と、入射光を反射する反射型液晶電
    気光学装置と、前記光源からの光の直線偏光光を前記反
    射型液晶電気光学装置に向けて出射し、前記反射型液晶
    電気光学装置からの反射光を検光する偏光ビームスプリ
    ッターと、前記偏光ビームスプリッターにより検光され
    た光を投影する投影光学手段とを有する投影型液晶電気
    光学装置において、 前記反射型液晶電気光学装置は一対の基板間にツイスト
    したネマチック層のツイスト角がほぼ63度のネマチッ
    ク液晶からなる液晶層が挟持されてなり、前記一対の基
    板のうち一方の基板には反射面が形成されてなり、 前記反射型液晶電気光学装置は、前記偏光ビームスプリ
    ッターから出射された入射光を前記一対の基板のうちの
    他方の基板側から入射すると共に、電圧無印加時におい
    て、入射光は液晶層の入射側液晶のダイレクターに沿っ
    た方向あるいはダイレクターに対し垂直に入射してな
    り、かつ前記液晶層を透過した光が前記反射面にてほぼ
    円偏光となり、前記反射面で反射し前記液晶層を再び透
    過して前記偏光ビームスプリッターに出射する反射光
    が、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
    徴とする投影型液晶電気光学装置。
  2. 【請求項2】 前記一方の基板においては、前記反射面
    となる画素電極の下に配線及びMIM素子が配置されて
    なることを特徴とする請求項1記載の投影型液晶電気光
    学装置。
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