JP3608562B2 - 反射型液晶表示素子および液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型の画素電極を有する反射型液晶表示素子およびその反射型液晶表示素子を利用して映像表示を行う反射型液晶プロジェクタ等の液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プロジェクションディスプレイの高精細化、小型化、および高輝度化が進むにつれて、そのディスプレイデバイスとして、小型、高精細が可能で高い光利用効率が期待できる反射型デバイスが注目され実用化されている。反射型デバイスとしては、対向配置された一対の基板間に液晶を注入したアクティブ型の反射型液晶表示素子が知られている。この場合、一対の基板としては、一方が、ガラス基板上に透明電極が積層形成された対向基板、もう一方が、例えばＣＭＯＳ（Complementary-Metal Oxide Semiconductor ）型の半導体回路からなるシリコン（Ｓｉ）基板を活用した駆動素子基板が用いられている。駆動素子基板の上には、光の反射と液晶への電圧印加を行うための、金属の反射型の画素電極が配置され、これにより全体として画素電極基板を構成している。反射型の画素電極は、一般にはＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）プロセスで用いられている、アルミニウムを主成分とした金属材料で構成されている。
【０００３】
このような反射型液晶表示素子では、対向基板上に設けられた透明電極と駆動素子基板上に設けられた反射型の画素電極とに電圧を加えることで、液晶に対して電圧が印加される。このとき、液晶はそれらの電極間の電位差に応じて光学的な特性が変化し、入射した光を変調させる。この変調により階調表現が可能となり、映像表示が行われる。
【０００４】
このような反射型液晶表示素子のうち、特に、垂直配向液晶を注入したアクティブ型の反射型液晶表示デバイスは、コントラストが高く、応答速度も速いため、プロジェクションデバイスとして近年注目されている。ここで言う、垂直配向液晶材料とは、負の誘電異方性（液晶分子の長軸に平行な誘電率ε（‖）と垂直な誘電率ε（⊥）との差Δε（＝ε（‖）―ε（⊥））が負）を有する液晶材料であり、印加電圧がゼロの時に基板面にほぼ垂直に液晶分子が配向し、ノーマリ・ブラックモードの表示を与えるものである。
【０００５】
このような垂直配向液晶を注入したアクティブ型の反射型液晶表示デバイスの従来例としては、例えば以下の文献記載のものがある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−５７６７４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に垂直配向液晶材料は配向制御が難しく、駆動素子基板側において反射型画素電極による段差構造がある場合、その段差形状を起因とした配向欠陥が画素電極周辺に発生する。この配向欠陥は、表示面内における特性均一性の低下、黒レベルの上昇（黒浮き）、およびディスクリネーション欠陥による画質劣化などを誘発する。特にシリコン駆動素子を用いた反射型液晶表示素子においては、一般に画素ピッチが１０ミクロン以下と小さいため、数十ミクロン以上の画素ピッチの大きな直視型の液晶デバイスに比べ、画素周辺の欠陥領域が画質に影響を与えやすいことと、また透過型の液晶表示素子のようにブラックマトリクスで隠すことができないことから、その配向不良領域を極力低減あるいは皆無にすることが、実用上求められる基本要件である。
【０００８】
以上の配向欠陥について、図面を参照して具体的に説明する。まず、図９（Ａ），（Ｂ）を参照して、従来の反射型液晶表示素子における画素電極の構造を説明する。図に示したように、反射型画素電極１１１は、シリコン駆動素子基板１１０の上にマトリクス状に配置されている。反射型画素電極１１１は、半導体プロセスにおいて、シリコン駆動素子基板１１０上に例えばアルミニウムを成膜した後、フォトリソグラフィ技術を用いて加工されることにより、正方状に電極形成される。この場合、それぞれの画素を電気的に独立して駆動するため、各反射型画素電極１１１が完全に電気的にショートしないように、画素面内で切断する。このため、各反射型画素電極１１１の側面形状は一般に、図９（Ｂ）のように、厚み方向に垂直に切り立ったものとなる。
【０００９】
隣接する反射型画素電極１１１間の幅、すなわち画素間（画素溝）の幅Ｗ１は、リソグラフフィの解像度とデザインルールによるが、通常は、０．４〜１ミクロンくらいである。ただし、製造技術の向上によっては０．３ミクロンまでの加工も十分可能と思われる。従って、画素ピッチＷ２が１０ミクロンだとすると、反射型画素電極１１１として９．７〜９．０ミクロン角の正方電極が０．３〜１ミクロン幅の溝で囲まれた形を取っている。反射率の観点からは、表示画素面積占有率（開口率）が大きいほど反射率は高くなるため、なるべく画素溝の幅Ｗ１が狭い方が反射率特性に優れることになる。
【００１０】
図１０（Ａ），（Ｂ）は、図９（Ａ），（Ｂ）に示した画素構造上に垂直配向液晶材料が配向した状態を模式的に示している。画素平面の上（反射型画素電極１１１および画素溝の表面）には、配向膜１１２が全面に積層され、その配向膜下地によって、プレティルト角の方向に液晶分子の長軸がそろうようにおおむね垂直配向している。一方、画素溝の側面では、配向膜１１２が反射型画素電極１１１の側面に形成されており、液晶分子がそれに垂直に配向しようとするため、画素溝周辺は水平配向になる傾向があることが、今回、測定により観測された。画素溝が例えば１ミクロンと広い場合（図１０（Ａ））には、画素溝の底に形成されている配向膜による垂直配向勢力の面積比が大きく、それが優勢になるため、側面の影響が緩和され全体としてほぼ垂直に配向したような形となり、画素周辺には欠陥は発生しない。しかしながら、図１０（Ｂ）に示したように、画素溝幅Ｗ１が、０．７ミクロン以下になると、画素側面の影響力が大きく、この結果、画素溝内には水平配向成分が多く含まれることが観測された。
【００１１】
この画素溝内の水平配向成分は、画素周辺にも影響し、結果として画素面内は垂直配向しているものの、画素周辺から画素溝にかけては水平配向を交えた不均一な配向状態になる。特に画素内の端部分（図１０（Ｂ）の領域１２０）に配向不良が染み出す現象が見られ、これが特に画質の劣化を与える。測定の結果、この傾向は、画素溝の幅Ｗ１が狭いほど、また溝部分の深さが深いほど、激しくなった。このような状態では、表示領域全体で均一な配向が得られなり、諸特性の劣化を招く。画素溝の幅Ｗ１を十分取れば、問題は起こらないが、開口率の低下により反射率が下がるので実用的でない。上記の現象は垂直配向液晶材料特有の問題である。
【００１２】
上記の現象は、経験的に、配向膜１１２として、酸化珪素のような無機材料の斜め蒸着膜を用いた場合において特に発生しやすく、また液晶層の厚さが薄いほど出易い傾向にある。これを防ぐための方法として、プレティルト角を大きくすることが考えられるが、一般に大きなプレティルト角を安定に形成するのは難しく限度があること、さらにプレティルト角の増加に伴って、黒レベルが上昇しコントラストを低下するという問題がある。従って、プレティルト角を適度の範囲に保ち良好なコントラストを維持した状態で、画素周辺領域の配向不良を発生させない技術が必要とされている。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、画素溝の構造に起因して生ずる垂直配向液晶特有の配向不良の発生を、無くすまたは極力低減し、高いコントラストと良好な画質を実現できる反射型液晶表示素子および液晶表示装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明による反射型液晶表示素子は、反射型の画素電極を複数有する画素電極基板と、画素電極に対向するように設けられた透明電極を有する対向基板と、画素電極基板と対向基板との間に注入された垂直配向液晶とを備え、画素電極の側面が斜めに傾斜した形状とされ、かつ、隣接する画素電極間の幅が、０．３ミクロン以上から０．７ミクロン以下の範囲内となっているものである。
より具体的には、画素電極の側面が、例えば、その電極幅が厚み方向の断面内において、上側から下側に向かうに従い大きくなるようにして傾斜しており、画素電極の断面の形状が例えば台形状となっているものである。
【００１５】
本発明による液晶表示装置は、上記した本発明による反射型液晶表示素子によって変調された光を用いて映像表示を行うようにしたものである。
【００１６】
本発明による反射型液晶表示素子および液晶表示装置では、画素電極の側面が斜めに傾斜した形状となっていることにより、従来の画素電極のように側面が断面内で垂直形状となっている場合に比べて、画素溝部分において極端に水平方向に配向する液晶分子をなくすことができる。仮に局所的に配向がわずかに水平方向に乱れたとしても、その周囲の垂直配向した液晶分子との相互作用で画素溝部分においても十分な垂直性が保たれる。この結果、画素溝幅が狭い場合や液晶層が薄い場合においても、液晶分子が全体的にほぼ垂直に配向した状態が実現される。これにより、画素溝の構造に起因して生ずる垂直配向液晶特有の配向不良の発生が無くなり、または極力低減され、高いコントラストと良好な画質が実現される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
＜反射型液晶表示素子の構成＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る反射型液晶表示素子の全体構造を示している。この反射型液晶表示素子は、互いに対向配置された一対の対向基板３０および画素電極基板４０と、これらの基板間に注入された垂直配向液晶４５とを備えている。
【００１９】
対向基板３０は、ガラス基板３１と、このガラス基板３１上に積層された透明電極３２とを備えている。透明電極３２の垂直配向液晶４５に接する面側にはさらに、配向膜３３が全面的に積層されている。透明電極３２は、光の透過作用のある電極材料、一般に、酸化すず（ＳｎＯ_２）と酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）との固溶体物質であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ；インジウムすず酸化膜）が用いられる。透明電極３２には、全画素領域で共通の電位（例えば接地電位）が印加されるようになっている。
【００２０】
画素電極基板４０は、例えば単結晶のシリコン基板４１上に、反射型画素電極４２をマトリクス状に配置形成したものである。シリコン基板４１には、ＣＭＯＳやＮＭＯＳなどのトランジスタＴ１とキャパシタ（補助容量）Ｃ１とからなるアクティブ型の駆動回路が形成されている。画素電極基板４０の垂直配向液晶４５に接する面側にはさらに、配向膜４３が全面的に積層されている。
【００２１】
反射型画素電極４２は、アルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）に代表される金属膜で構成されている。反射型画素電極４２としてアルミニウム電極等を用いた場合は、光の反射膜の機能と液晶に電圧を印加する電極として機能との両方を兼ねているが、さらに反射率を上げるために誘電体ミラーのような多層膜による反射層をアルミニウム電極の上に形成しても良い。なお、本実施の形態の特徴部分は、この反射型画素電極４２の形状にあるが、これについては、後に詳述する。
【００２２】
この反射型液晶表示素子で用いられる垂直配向液晶４５は、その分子長軸が、印加電圧がゼロの時にほぼ各基板面に対して垂直方向に配向し、電圧を印加すると面内に傾くことで透過率が変化するものである。駆動時に液晶分子の傾斜する方向が一様でないと明暗のむらが生じてしまうため、これを避けるために、あらかじめわずかなプレティルト角を一定方向（一般にはデバイスの対角方向）に与えて垂直配向させる必要がある。プレティルト角があまり大きいと垂直配向性が劣化し、黒レベルが上昇してコントラストを低下させる。従って、一般には１°〜７°くらいの間にプレティルト角を制御する。
【００２３】
配向膜３３，４３としては、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）に代表される酸化珪素膜の斜め蒸着膜が用いられる。この場合、斜め蒸着時の蒸着角度を変えることにより、上記した垂直配向液晶４５のプレティルト角がコントロールされる。配向膜３３，４３としてはまた、例えばポリイミド系の有機化合物をラビング（配向）処理した膜を用いることができる。この場合、ラビングの条件を変えることにより、プレティルト角がコントロールされる。
【００２４】
図２は、この反射型液晶表示素子の駆動部の構成を示している。駆動部は、各画素内に形成される画素駆動回路６１と、表示領域６０の周辺に配置される、データドライバ６２および走査ドライバ６３等のロジック部とを備えている。データドライバ６２には、信号線６４を介して外部からの画像信号Ｄが入力される。画素駆動回路６１は、各反射型画素電極４２の下層に形成され、一般にスイッチングトランジスタＴ１と液晶に電圧を供給する補助容量Ｃ１とを有して構成されている。トランジスタＴ１には、垂直配向液晶４５の駆動電圧に対応した耐圧が要求され、一般にロジック部よりも高い耐圧プロセスで作製される。
【００２５】
画素駆動回路６１において、列方向にはデータ線７１が複数配置され、行方向には走査線７２が複数位置されている。各データ線７１と各走査線７２との交差点が、１画素に対応している。各トランジスタＴ１のソース電極は、データ線７１に接続され、ゲート電極は、走査線７２に接続されている。各トランジスタＴ１のドレイン電極は、各反射型画素電極４２と補助容量Ｃ１とに接続されている。各データ線７１は、データドライバ６２に接続され、このデータドライバ６２から画像信号が供給される。各走査線７２は、走査ドライバ６３に接続され、走査ドライバ６３から走査信号が順次供給される。
【００２６】
次に、本実施の形態の特徴部分である反射型画素電極４２の構造を詳しく説明する。図３（Ａ），（Ｂ）に示したように、反射型画素電極４２は、外周が傾斜した形状になっている。すなわち、その側面５０が、厚み方向の断面（図３（Ｂ））から見て斜め形状となっている。これにより、反射型画素電極４２は、その電極幅が、上側（液晶側）から下側（基板側）に向かうに従い大きくなるような、末広がりの台形状を成している。なお、配向膜４３は、反射型画素電極４２の形状に沿って積層されるので、配向膜４３も含めた反射型画素電極４２の全体が台形状となる。この反射型画素電極４２では、最上面のみならず、斜め形状の側面（傾斜面）５０も、画素電極として機能する。すなわち、側面５０も、光の反射機能と垂直配向液晶４５への電圧印加機能とを有する。
【００２７】
反射型画素電極４２の厚さＡは、成膜上の観点から少なくとも５０ｎｍ以上であることが好ましく、より好ましくは良好な反射率を得るために１２０ｎｍ以上であると良い。一般的には、１５０ｎｍ程度である。また、隣接する反射型画素電極４２間の幅、すなわち画素間（画素溝）の幅Ｗ１は、リソグラフフィの解像度とデザインルールによるが、一般には、０．４〜１ミクロンくらいである。ただし、製造技術の向上により０．３ミクロンまでの加工も十分可能である。従って、画素ピッチＷ２が１０ミクロンだとすると、平面的に見れば、反射型画素電極４２として９．７〜９．０ミクロン角の正方電極が０．３〜１ミクロン幅の溝で囲まれた形を取っている。反射率の観点からは、表示画素面積占有率（開口率）が大きいほど反射率は高くなるため、なるべく画素溝の幅Ｗ１が狭い方が反射率特性に優れることになる。
【００２８】
反射型画素電極４２の側面５０を斜め形状にした理由は、後述するように、垂直配向液晶特有の配向不良の発生を抑制するためである。ここで、側面５０の傾斜の度合いを、図５に示したように、反射型画素電極４２の厚さをＡ、側面５０の上側の端部５１から下側の端部５２までの水平方向の距離をＢとして、Ｂ／Ａで表すものとすると、後述するように、配向不良の発生を抑制する効果と反射率との関係を考慮して、
１／４≦Ｂ／Ａ≦３
の条件を満たしていることが望ましい。
【００２９】
なお、側面５０の斜め形状は、その断面が必ずしも完全に直線的である必要はなく、おおむね斜めになっている程度で十分な効果を有する。また、反射型画素電極４２の製造方法としては、まず、従来と同様、半導体プロセスにおいて、シリコン基板４１上に例えばアルミニウム等の金属膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術を用いて正方状に電極加工する。その後、例えば画素面をアルゴンイオンを照射してエッチングするプロセスを導入することにより、側面５０の斜め形状が形成される。なお、側面５０の加工方法は、特にこれに限定されるものではない。
【００３０】
次に、以上のように構成された反射型液晶表示素子の作用、動作を説明する。
【００３１】
この反射型液晶表示素子では、図１に示すように、対向基板３０側から入射し、垂直配向液晶４５を通過した入射光Ｌ１を、反射型画素電極４２の反射機能により反射させる。反射型画素電極４２において反射された光Ｌ１は、入射時とは逆方向に、垂直配向液晶４５および対向基板３０を通過して出射される。このとき、垂直配向液晶４５は、対向する電極間の電位差に応じて、その光学的な特性が変化し、通過する光Ｌ１を変調させる。この光変調により階調表現が可能となり、その変調された光Ｌ２が映像表示に利用される。
【００３２】
垂直配向液晶４５への電圧印加は、図２に示した画素駆動回路６１によって行われる。データドライバ６２は、信号線６４を介して入力された外部からの画像信号Ｄに応じて、データ線７１に画像信号を供給する。走査ドライバ６３は、所定のタイミングで各走査線７２に走査信号を順次供給する。これにより、走査線７２からの走査信号によって走査され、かつデータ線７１からの画像信号が印加された部分の画素が選択的に駆動される。
【００３３】
ここで、既に［発明が解決しようとする課題］の項において述べたように、その側面が厚み方向の断面内で垂直形状となっている従来の反射型画素電極１１１（図９（Ａ），（Ｂ））を用いた場合、特に、図１０（Ｂ）に示したように、画素溝幅Ｗ１が０．７ミクロン以下になると、画素溝内には水平配向成分が多く含まれることが観測される。この場合、特に画素内の端部分（図１０（Ｂ）の領域１２０）に配向不良が染み出す現象が見られ、これが特に画質の劣化を与える。
【００３４】
一方、本実施の形態の反射型液晶表示素子では、反射型画素電極４２の側面５０を斜め形状にしたことで、図４に示したように、配向不良の問題が容易に解決される。すなわち、側面５０を斜め形状にして断面内での垂直性をなくすことにより、画素溝部分において極端に水平方向に配向する液晶分子をなくすことができる。仮に局所的に配向がわずかに水平方向に乱れたとしても、その周囲の垂直配向した液晶分子との相互作用で画素溝の部分においても十分な垂直性を保つことが可能となる。この結果、後述の実施例に示すように、例えば画素溝の幅Ｗ１が０．４ミクロンと狭い場合においても、液晶分子が全体的にほぼ垂直に配向した状態が実現できることが明らかになった。この効果は、画素溝幅Ｗ１が０．３ミクロンまで狭った場合においても同様と考えられる。また、従来の構造では、液晶層の厚さが薄いほど、配向不良が生じやすいが、本実施の形態の構造の場合、液晶層の厚みが例えば２．５ミクロン以下の薄い場合であっても、配向不良が抑制される。なお、液晶層の厚みは、１ミクロン以上であることが望ましい。１ミクロンよりも薄いと、均一な厚さでの製造が困難となる。
【００３５】
この配向不良の発生を抑制する効果は、側面５０の傾斜の度合いＢ／Ａ（図５参照）が１／４程度から認められる。画素面内で傾斜面の占める割合が多くなると、光の反射率のロスを招くため、Ｂ／Ａには実用上最適な範囲がある。反射率の低下は画素溝幅Ｗ１の低減（開口率の向上）で相殺できるが、画素溝幅Ｗ１は０．３〜０．４ミクロンくらいが限界と考えると、結果的に、後述の実施例で示す測定結果から、Ｂ／Ａ＝１／４〜３の範囲が、種々の特性を満足する範囲である。
【００３６】
ところで一般に、本反射型液晶表示素子のように、シリコン駆動素子を用いた反射型デバイスでは、反射型画素電極４２の保護等のために、図６に示したように、その表面に酸化シリコン（ＳｉＯ）や窒化シリコン（ＳｉＮ）のようなパッシベーション膜４４がオーバコートとされる。配向膜４３は、パッシベーション膜４４の上に形成される。このパッシベーション膜４４は、ＬＳＩプロセスにおいて、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの成膜技術で作成されるため、図に示したように、反射型画素電極４２、ならびに画素溝の側面、および底辺に亘って、全体にほぼ均一にオーバコートされる。本実施の形態における反射型画素電極４２の構造においては、配向膜４３と反射型画素電極４２との間にパッシベーション膜４４等の他の膜がオーバコートされる場合でも、その膜の下地になる画素形状が反映され、その膜を含めた全体が同様な斜め形状を有する構造になる。このため、パッシベーション膜４４等の他の膜がオーバコートされる場合にも、配向不良の発生を抑制する効果が同様に得られる。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態に係る反射型液晶表示素子によれば、反射型画素電極４２の側面を斜め形状にしたので、画素溝および画素ピッチを狭くしても、また液晶層の厚みを薄くしても、適度なプレティルト角を保った状態で、垂直配向液晶特有の画素溝に起因する配向不良を無くすまたは極力低減することができ、コントラストなどの特性や画質に関して、良好な特性を実現できる。特に、画素ピッチを従来よりも狭い構造にすることが実現可能になるため、トータルでの反射率を向上させることができる。また特に、液晶層の厚みを従来よりも薄くできることにより、液晶応答の速度を向上させることができる。
【００３８】
＜液晶表示装置の説明＞
次に、図１に示した構成の反射型液晶表示素子を使用した液晶表示装置の例について説明する。ここでは、図７に示したように、反射型液晶表示素子をライトバルブとして使用した反射型液晶プロジェクタの例について説明する。
【００３９】
図７に示した反射型液晶プロジェクタは、赤、青および緑の各色用の液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂを３枚用いてカラー画像表示を行う、いわゆる３板方式のものである。この反射型液晶プロジェクタは、光軸１０に沿って、光源１１と、ダイクロイックミラー１２，１３と、全反射ミラー１４とを備えている。この反射型液晶プロジェクタは、また、偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７と、合成プリズム１８と、投射レンズ１９と、スクリーン２０とを備えている。
【００４０】
光源１１は、カラー画像表示に必要とされる、赤色光（Ｒ）、青色光（Ｂ）および緑色光（Ｇ）を含んだ白色光を発するものであり、例えばハロゲンランプ、メタルハライドランプまたはキセノンランプなどにより構成されている。
【００４１】
ダイクロイックミラー１２は、光源１１からの光を、青色光とその他の色光とに分離する機能を有している。ダイクロイックミラー１３は、ダイクロイックミラー１２を通過した光を、赤色光と緑色光とに分離する機能を有している。全反射ミラー１４は、ダイクロイックミラー１２によって分離された青色光を、偏光ビームスプリッタ１７に向けて反射するようになっている。
【００４２】
偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７は、それぞれ、赤色光、緑色光および青色光の光路に沿って設けられている。これらの偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７は、それぞれ、偏光分離面１５Ａ，１６Ａ，１７Ａを有し、この偏光分離面１５Ａ，１６Ａ，１７Ａにおいて、入射した各色光を互いに直交する２つの偏光成分に分離する機能を有している。偏光分離面１５Ａ，１６Ａ，１７Ａは、一方の偏光成分（例えばＳ偏光成分）を反射し、他方の偏光成分（例えばＰ偏光成分）は透過するようになっている。
【００４３】
液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、上述した構成の反射型液晶表示素子（図１）によって構成されている。これらの液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂには、偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７の偏光分離面１５Ａ，１６Ａ，１７Ａによって分離された所定の偏光成分（例えばＳ偏光成分）の色光が入射されるようになっている。液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、画像信号に基づいて与えられた駆動電圧に応じて駆動され、入射光を変調させると共に、その変調された光を偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７に向けて反射する機能を有している。
【００４４】
合成プリズム１８は、液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂから出射され、偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７を通過した所定の偏光成分（例えばＰ偏光成分）の色光を、合成する機能を有している。投射レンズ１９は、合成プリズム１８から出射された合成光を、スクリーン２０に向けて投射する投射手段としての機能を有している。
【００４５】
以上のように構成された反射型液晶プロジェクタにおいて、光源１１から出射された白色光は、まず、ダイクロイックミラー１２の機能によって青色光とその他の色光（赤色光および緑色光）とに分離される。このうち青色光は、全反射ミラー１４の機能によって、偏光ビームスプリッタ１７に向けて反射される。一方、赤色光および緑色光は、ダイクロイックミラー１３の機能によって、さらに、赤色光と緑色光とに分離される。分離された赤色光および緑色光は、それぞれ、偏光ビームスプリッタ１５，１６に入射される。
【００４６】
偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７は、入射した各色光を、偏光分離面１５Ａ，１６Ａ，１７Ａにおいて、互いに直交する２つの偏光成分に分離する。このとき、偏光分離面１５Ａ，１６Ａ，１７Ａは、一方の偏光成分（例えばＳ偏光成分）を液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂに向けて反射する。
【００４７】
液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、画像信号に基づいて与えられた駆動電圧に応じて駆動され、入射した所定の偏光成分の色光を画素単位で変調させる。このとき、液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、図１に示した反射型液晶表示素子によって構成されているので、コントラストなどの特性や画質に関して、良好な特性を実現できる。
【００４８】
液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、変調した各色光を偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７に向けて反射する。偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７は、液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂからの反射光（変調光）のうち、所定の偏光成分（例えばＰ偏光成分）のみを通過させ、合成プリズム１８に向けて出射する。合成プリズム１８は、偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７を通過した所定の偏光成分の色光を合成し、投射レンズ１９に向けて出射する。投射レンズ１９は、合成プリズム１８から出射された合成光を、スクリーン２０に向けて投射する。これにより、スクリーン２０に、液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂによって変調された光に応じた映像が投影され、所望の映像表示がなされる。
【００４９】
以上説明したように、本実施の形態に係る反射型液晶プロジェクタによれば、側面５０が斜め形状となっている反射型画素電極４２（図３）を有して構成された反射型液晶表示素子（図１）を、液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂとして用いるようにしたので、高いコントラストと良好な画質で映像表示を実現できる。
【００５０】
【実施例】
次に、本実施の形態に係る反射型液晶表示素子の具体的な特性を実施例として示す。以下、実施例を説明する前に、まず、従来の反射型液晶表示素子の特性を比較例として示す。
【００５１】
［比較例］
比較例となる反射型液晶表示素子の試料を以下のように作製した。まず、透明電極が成膜されたガラス基板と反射型画素電極としてアルミニウム電極が形成されたシリコン駆動基板とを洗浄後、蒸着装置に導入し、配向膜としてＳｉＯ_２膜を、蒸着角度４５〜５５°の範囲で斜め蒸着して形成した。配向膜の膜厚は５０ｎｍとした。液晶のプレティルト角は約２．５°になるように配向制御した。その後、配向膜が形成された各基板を対向配置して、その間に２μｍ径のガラスビーズを適当な数だけ散布して、張り合わせ、さらに、メルク社製の誘電異方性Δεが負で、屈折率異方性Δｎ＝０．１の垂直液晶材料を注入し、これにより反射型液晶表示素子の試料を作製した。シリコン駆動基板上のアルミニウム電極の画素ピッチＷ２は、９ミクロンで、画素間の幅Ｗ１を、０．４，０．５，０．６，０．７，０．８ミクロンと変えたものを作成した（図８の試料Ｎｏ．１〜５）。また、アルミニウム電極の上に、表示画素領域を保護するためのＳｉＯ_２系のパッシベーション膜を４５ｎｍの厚さでオーバコートしたものに関しても同様な方法で作製した（図８の試料Ｎｏ．６〜１０）。この比較例の反射型液晶表示素子における電極構造は、図９（Ａ），（Ｂ）に示したものと同様であり、アルミニウム電極の側面は断面内において垂直な形状となっている。
【００５２】
作製後、黒レベルでの液晶配向の状態を顕微鏡で観察した結果を、後述の実施例１，２の結果と共に、図８にまとめて示す。パッシベーション膜がない場合は、画素溝幅Ｗ１が０．７ミクロン以下の場合（試料Ｎｏ．２〜５）に、また、パッシベーション膜がある場合は、すべての試料（試料Ｎｏ．６〜１０）で、反射型画素電極のエッジ周辺や画素溝付近に、黒レベルが画素部分よりも高めで、明らかにその周辺と異なるむらを有する不均一な配向領域が出現した。この部分の液晶分子の配列を偏向顕微鏡の偏光軸を回転させて調べたところ、有効画素内では完全な垂直配向しているのに対して、画素周辺および画素溝内の液晶は所望の垂直成分以外の成分（溝の方向に沿って水平方向にある程度傾いた成分を中心にしたランダムな配向成分）が、多く含まれることが分かった。また、各試料に電圧を印加して液晶を駆動したところ、画素上面は通常通り、電圧の大きさに伴って反射率が増加し白レベルになっていくのに対して、画素溝付近は電圧をかなり掛ければ白レベルに達するものの、明らかに中間調電圧では反応が鈍く、このため中間調表示で、画素周辺が画素内と明るさが異なるようなむらが観測された。
【００５３】
［実施例１］
基本的には上記比較例と同じ方法・仕様で、反射型液晶表示素子の試料を作製した。すなわち、透明電極が成膜されたガラス基板と反射型画素電極としてアルミニウム電極が形成されたシリコン駆動基板とを洗浄後、配向膜としてＳｉＯ_２膜を蒸着形成し、その後、それら一対の基板間に、メルク社製の誘電異方性Δεが負で、屈折率異方性Δｎが０．１の垂直液晶材料を注入した反射型液晶表示素子を作製した。シリコン駆動基板の仕様も上記比較例と同じにし、画素ピッチＷ２は、９ミクロンで、画素間の幅（画素溝幅）Ｗ１を、０．４，０．５，０．６，０．７，０．８ミクロンと変えたものを作成した（図８の試料Ｎｏ．１１〜１５）。アルミニウム電極の上に、パッシベーション膜が設けられたものも同様に作製した（図８の試料Ｎｏ．１６〜２０）。
【００５４】
ただし、本実施例では、上記比較例とは異なり、画素電極形成時に以下の工程を導入することにより、画素電極の構造を図３に示した構造にした。すなわち、画素電極形成工程として、フォトリソグラフィでシリコン駆動基板上に正方形状の画素電極を形成した後、さらにアルゴンガスの放電雰囲気中に、シリコン駆動基板を導入し、アルゴンイオンを画素電極表面に３０秒間さらすプロセスを導入した。これを行うと、画素電極表面よりも、電界が集中する画素周囲四辺の角の部分の方がエッチングが大きく進み、その結果、角の部分が削り取られることが分かった。これにより結果的に、厚さ１５０ｎｍ（図５のＡ＝１５０ｎｍに相当）のアルミニウム画素電極に対して、エッジ部分（外周部分）が３７．５ｎｍ（図５のＢ＝３７．５ｎｍに相当）だけ、ほぼ斜めに削れた構造を形成できた。これは、Ｂ／Ａ＝１／４に相当する。パッシベーション膜を設けた場合にも、下地の画素電極の形状を反映して、全体としてほぼ同様な台形状の構造を実現できた。この画素構造を有する試料を用いて、上記比較例と同様な方法で、黒レベルでの液晶配向の状態を観察した。
【００５５】
図８にその観察結果を示す。本実施例では、比較例のような画素溝周辺の配向不良による不均一性は、すべての試料で全く観測されなかった。また、電圧印加時における中間調表示においても、全くむらが見いだされなかった。反射率は本実施例の試料では比較例の試料とほとんど変化がなかった。すなわち、この程度の構造変化は反射率に影響しないことが分かった。
【００５６】
これらの結果は、配向膜として、酸化珪素膜（ＳｉＯ_２膜）の代わりに、ポリイミド膜を用いてラビングで配向制御した試料を作製して観察した場合にも同様であった。
【００５７】
［実施例２］
実施例１と同様の方法で、反射型液晶表示素子の試料を作製した（図８の試料Ｎｏ．２１〜２５）。ただし、画素形状に関して、画素電極形成工程として、アルゴンイオンを画素電極表面に実施例１よりも長い時間（１００秒間）さらすプロセスを導入した。その結果、１５０ｎｍのアルミニウム電極の厚さ（図５のＡ＝１５０ｎｍに相当）に対して、外周部分が約２００ｎｍ（図５のＢ＝２００ｎｍに相当）、ほぼ斜めに削れた構造を形成できた。これは、Ｂ／Ａ＝１．３３に相当する。この画素構造を有する試料を用いて、上記比較例および実施例１と同様な方法で、黒レベルでの液晶配向の状態を観察した。
【００５８】
図８にその観察結果を示す。本実施例においても、比較例のような画素溝周辺の配向不良による不均一性は、すべての試料で全く観測されなかった。また、電圧印加時における中間調表示においても、全くむらが見いだされなかった。
【００５９】
一方、反射率を測定したところ、画素周辺を斜めに削る処理を行わなかった場合に比べ、１％〜２％の低減が観測されたが、この場合においては画素溝幅Ｗ１をより狭くすることで、例えば、０．６ミクロンを０．５ミクロンのように、０．１ミクロン狭くすることで、この反射率ロスを相殺できた。
【００６０】
なお、アルゴンイオンの照射時間をさらに延長することにより、画素電極側面の斜め形状の傾斜を緩く（傾斜部分の幅Ｂを長く）できるが、Ｂ／Ａが３を超えると、反射率の低下が５％を超え、画素溝幅Ｗ１を０．３ミクロンよりも小さくしないと、反射ロスを相殺できないため、実用上好ましくない。従って、以上の実施例の結果から、
１／４≦Ｂ／Ａ≦３
の条件を満足することが好ましい。
【００６１】
なお、実施例としては挙げていないが、画素溝幅Ｗ１を０．３５ミクロンとした場合にも、上記と同様の効果が得られた。製造技術の向上を考慮すれば、画素溝幅Ｗ１を０．３ミクロン程度まで狭めた場合にも、上記と同様の効果が得られることは容易に類推できる。
【００６２】
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されず、さらに種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、プロジェクタとして３枚式のプロジェクタの例について説明したが、本発明は、単板式等、他の方式のプロジェクタにも広く適用可能である。また、反射型画素電極４２の平面形状は、四角形に限らず、多角形等の他の形状であっても良い。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の反射型液晶表示素子によれば、画素電極の側面形状を斜めに傾斜させるようにしたので、画素溝幅が狭い場合や液晶層が薄い場合においても、液晶分子が全体的にほぼ垂直に配向した状態を実現できる。これにより、画素溝の構造に起因して生ずる垂直配向液晶特有の配向不良の発生を無くし、または極力低減して、高いコントラストと良好な画質を実現できる。
【００６４】
また、本発明の液晶表示装置によれば、本発明の反射型液晶表示素子を用いて映像表示を行うようにしたので、高いコントラストと良好な画質で映像表示を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る反射型液晶表示素子の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る反射型液晶表示素子の駆動回路の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る反射型液晶表示素子における画素電極の構造を示す平面図（Ａ）および断面図（Ｂ）である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る反射型液晶表示素子における液晶の配向状態を示す図である。
【図５】画素電極の厚さと斜め形状の部分との関係を説明するための図である。
【図６】画素電極基板の他の構成例を示す断面図である。
【図７】図１に示した反射型液晶表示素子を使用して構成された液晶表示装置の一例を示す構成図である。
【図８】本発明の一実施の形態に係る反射型液晶表示素子と従来の反射型液晶表示素子とにおける配向不良の発生状況を観察した結果を示す図である。
【図９】従来の反射型液晶表示素子における画素電極基板側の構成を示す平面図（Ａ）および断面図（Ｂ）である。
【図１０】従来の反射型液晶表示素子において生ずる配向不良の問題点について説明するための断面図である。
【符号の説明】
１１…光源、１９…投射レンズ、２０…スクリーン、２１…反射型液晶表示素子、２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ…液晶ライトバルブ、３０…対向基板、３２…透明電極層、３３，４３…配向膜、４０…画素電極基板、４１…シリコン基板、４２…反射型画素電極、４４…パッシベーション膜、４５…垂直配向液晶。

Claims (10)

1. 反射型の画素電極を複数有する画素電極基板と、
   前記画素電極に対向するように設けられた透明電極を有する対向基板と、
   前記画素電極基板と前記対向基板との間に注入された垂直配向液晶と
   を備え、
   前記画素電極の側面が斜めに傾斜した形状とされ、かつ、隣接する前記画素電極間の幅が、０．３ミクロン以上から０．７ミクロン以下の範囲内となっている
   ことを特徴とする反射型液晶表示素子。
2. 前記画素電極の側面が、その電極幅が厚み方向の断面内において、上側から下側に向かうに従い大きくなるようにして傾斜しており、
   前記画素電極の前記断面の形状が台形状となっている
   ことを特徴とする請求項１に記載の反射型液晶表示素子。
3. 前記画素電極の厚さをＡ、前記斜めに傾斜している側面部分の上側の端部から下側の端部までの水平方向の距離をＢとしたとき、以下の条件を満足する
   １／４≦Ｂ／Ａ≦３
   ことを特徴とする請求項１に記載の反射型液晶表示素子。
4. 前記画素電極の前記垂直配向液晶側の面に少なくとも１つの膜が積層され、
   その積層された膜も、前記画素電極の形状が反映されるように、前記画素電極の側面において傾斜して積層されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の反射型液晶表示素子。
5. 前記画素電極の前記垂直配向液晶側の面に前記膜として、配向膜が積層されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の反射型液晶表示素子。
6. 前記画素電極と前記配向膜との間にパッシベーション膜がさらに積層されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の反射型液晶表示素子。
7. 前記画素電極の前記垂直配向液晶側の面に前記膜として、無機材料が斜め蒸着された配向膜が積層されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の反射型液晶表示素子。
8. 前記垂直配向液晶が注入されている液晶層の厚さが、
   １．０ミクロン以上から２．５ミクロン以下の範囲内となっている
   ことを特徴とする請求項１に記載の反射型液晶表示素子。
9. 反射型液晶表示素子を備え、この反射型液晶表示素子によって変調された光を用いて映像表示を行う液晶表示装置であって、
   前記反射型液晶表示素子が、
   反射型の画素電極を複数有する画素電極基板と、
   前記画素電極に対向するように設けられた透明電極を有する対向基板と、
   前記画素電極基板と前記対向基板との間に注入された垂直配向液晶と
   を備え、
   前記画素電極の側面が斜めに傾斜した形状に形成され、かつ、隣接する前記画素電極間の幅が、０．３ミクロン以上から０．７ミクロン以下の範囲内となっている
   ことを特徴とする液晶表示装置。
10. 光源と、
    前記光源から発せられ、前記反射型液晶表示素子によって変調された光をスクリーンに投射する投射手段と
    を備え、
    反射型液晶プロジェクタとして構成されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の液晶表示装置。

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