JPH0545673A

JPH0545673A - 液晶ライトバルブおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0545673A
Application number: JP20073691A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Watanabe; 良男渡辺; Hirotsuna Miura; 弘綱三浦; Tomio Sonehara; 富雄曽根原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1993-02-26

Abstract

(57)【要約】【目的】光導電体と画素電極を直接接合し、高コント
ラスト、高精細な光書き込み型液晶ライトバルブを提供
する。【構成】光導電体を微小な柱状として各光導電体の間
に絶縁体を形成し、光導電体と接合する微小な画素電極
を備える。絶縁体は読み出し光の波長域で透明な材料を
用いる。画素電極は透明電極あるいは電極兼反射膜とす
る。【効果】光導電体のインピーダンス変化をそのまま液
晶に反映させることができる点で、従来、誘電体ミラ−
を介することによって低減していたコントラスト、解像
度を大きく向上できる。微細な画素のパネルを無欠陥で
大型化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光コンピュータや投写
型ディスプレイに応用される液晶ライトバルブに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、液晶層、誘電体ミラ−および
光導電体層を主構成要素とし、レーザビ−ム走査等の光
学的入力および電気信号等の電気的入力によって２次元
画像を出力する、光書き込み型液晶ライトバルブと呼ば
れる画像形成装置があり、OPTICAL ENGINEERING,Vol.1
4,No.3,217,1975のように知られている。ライトバルブ
は、光コンピュータや投写型ディスプレイの基幹技術と
して近年開発が進んでいる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、誘電体
ミラ−は多層膜であるため形成に時間やコストがかか
り、素子の作成上その工程はできるだけ簡略化したいも
のであった。また、ミラ−内部でキャリアの横方向への
拡散が生じ、液晶層における表示の解像度を低下させる
要因ともなっていた。素子は反射型の構成で書き込み光
と読み出し光を光学的に分離する必要があり、場合によ
っては素子の内部に遮光のための層を特別に設置しなけ
ればならなかった。さらに、読み出しのための光学系
は、透過型のライトバルブを用いる場合に比較して条件
の設定が複雑であった。そこで、本発明はこのような課
題を解決するもので、その目的とするところは、解像度
を低下させることなくミラ−の作成工程を簡略化した液
晶ライトバルブを実現するものである。さらに、光学系
の負担を少なくし光の利用効率を高めた液晶ライトバル
ブを実現するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶ライトバル
ブは、１）．透明電極を備えた対向する２枚の基板間に液晶層
と光導電体を有する液晶ライトバルブにおいて、一方の
前記透明電極上に多数形成された微小な柱状の光導電体
と、各光導電体の間に形成された絶縁体を有し、前記光
導電体および前記絶縁体からなる層の表面に、光導電体
と接合する光導電体の断面積より大きな画素電極を有す
ることを特徴とする。

【０００５】２）．前記画素電極を透明電極としたこと
を特徴とする。

【０００６】３）．前記画素電極を透明電極とし、前記
光導電体との間に反射膜を形成したことを特徴とする。

【０００７】４）．前記画素電極を電極兼反射膜とした
ことを特徴とする。

【０００８】本発明の液晶ライトバルブの製造方法は、ａ）前記光導電体の表面にレジストパターンを形成する
工程、ｂ）前記光導電体を所定の形状にエッチングする工程、ｃ）前記光導電体の表面に絶縁体を形成する工程、ｄ）前記絶縁体のうち不要な部分を前記レジストパター
ンと同時に除去する工程、ｅ）前記光導電体および前記絶縁体の表面の所定の位置
にレジストパターンを形成する工程、ｆ）前記光導電体および前記絶縁体の表面に電極を形成
する工程、ｇ）前記電極のうち不要な部分を前記レジストパターン
と同時に除去する工程、とからなることを特徴とする。

【０００９】６）．前記光導電体および前記絶縁体の表
面にレジストパターンを形成する製造工程を含む液晶ラ
イトバルブにおいて、パターンの位置合わせを必要とし
ないことを特徴とする。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を用い
て詳細に説明する。

【００１１】（実施例１）図１は、本発明の液晶ライト
バルブの断面図である。図中、１はガラス基板、２は透
明電極、３は液晶層である。また、４は反射膜、５は光
導電体、６は絶縁体である。光導電体は、数μｍの微小
な柱状をなして規則的に並び、液晶層側に反射膜を備え
ている。この反射膜は、液晶層側から入射する光が光導
電体に影響しない役目を有している。各光導電体の間は
絶縁体が設置され、各光導電体および電極面との電気的
な分離を行う。そして、それぞれの光導電体は、反射膜
を介して微小な透明電極と接合している。この透明電極
は、数μｍ四方の大きさでそれぞれ独立して配置されて
いる。図２は、この構造の一部を液晶層側からみたもの
である。独立した透明電極はそれぞれを画素とみること
ができる。

【００１２】素子の作成方法は以下のようである。

【００１３】まず、平坦なガラス基板の表面に透明電極
であるＩＴＯ（Indium-tin-oxide）をスパッタリング法
により作成した。続いて、この表面に光導電体を形成し
た。本実施例では光導電体をa-Si（アモルファスシリコ
ン）とし、プラズマを使用したＣＶＤ（化学気相成長
法）で少量のボロンをドーピングして約４μｍに成膜し
た（図３(a)）。

【００１４】次に、a-Siの表面に反射膜を形成した（図
３(b)）。本実施例では反射膜は金属クロムの薄膜と
し、ＥＢ（Electron Beam）蒸着法によって膜厚約２０
００Åで得た。

【００１５】次に、反射膜の表面にレジスト層を形成、
フォトリソグラフィーでパターニングした（図３
(c)）。まず、クロム薄膜のウエットエッチングを行っ
た。続いて、露出したa-Siに対してＣＦ₄によるプラズ
マエッチングを行った。以上の工程により、柱状のa-Si
の表面に同じ大きさの反射膜が形成された所望の形状を
得ることができた（図３(d)）。

【００１６】次に、絶縁体を各光導電体の間に形成し
た。本実施例ではＳｉＯ₂を用い、a-Siと同膜厚でスパ
ッタを行った。スパッタ後レジストを除去すると、レジ
ストの表面のＳｉＯ₂は同時に除去され、a-Siの間に形
成されたものだけ残る（図３(e)）。本実施例のa-Si
は、底面２μｍ×２μｍで高さ４μｍの四角柱とし、そ
れが６μｍおきに並んでいる構造とした。

【００１７】次に、各光導電体に対して微小な透明電極
を形成するのであるが、あらかじめレジストを所定の位
置でパターニングし（図３(f)）、それからＩＴＯをス
パッタした。この後レジストを除去すると、絶縁体の形
成方法と同じくレジストの表面のＩＴＯは同時に除去さ
れ、それぞれ独立した透明電極が形成される（図３
(g)）。本実施例では透明電極の大きさは８μｍ×８μ
ｍとし、それが２μｍ間隔で並んでいる構造とした。最
後に、透明電極を形成した対向基板との間に液晶を封入
した。液晶はメルク社製のＺＬＩ−４３４６（Δｎ＝
０．１１００）を用い、液晶セルにツイスト配向させ
た。リターデーションΔｎ×ｄは０．５８μｍである。

【００１８】上述の工程を経て出来上がった本発明の液
晶ライトバルブは、ＩＴＯ画素中のa-Siの占める面積
（実際には投影面積）が小さく、また、絶縁体として用
いたＳｉＯ₂が光を透過するため、ほぼ透明に見える。
これにより透過型のライトバルブとして使用することが
可能である。以後、説明のために液晶層側をライトバル
ブの前面、光導電体および絶縁体側を背面と呼ぶ。前面
より入射する光が光導電体に影響することを防ぐには、
入射光を平行かつ基板に垂直とすればよい。前面からの
入射光は反射膜によって全て反射し、光導電体は背面か
らの光学的走査のみによって反応する。

【００１９】本発明の液晶ライトバルブの駆動方法を一
例を示す。図４は光学系を示した図である。図中Ａは前
面からの入射光、同じくＢは背面からの入射光を示す。
背面から入射光は書き込みためのものであり、光学的走
査あるいは２次元パターンの入射により光導電体のイン
ピーダンスを変化させ、液晶の電気光学効果を誘起させ
る。前面からの入射光は、液晶層に形成されたパターン
を読み出し、そのままライトバルブを通過して背面に投
写する。この書き込みと読み出しの操作は実時間で行う
ことができる。

【００２０】以上のようにして得られた表示は、高コン
トラストかつ高精細であった。光導電体のインピーダン
ス変化をそのまま液晶に反映させることができる点で、
従来、誘電体ミラ−を介することによって低減していた
コントラスト、解像度を大きく向上できる。解像度は透
明電極の画素のサイズまで小さくすることができ、画素
ピッチを数μｍ単位に作成することも容易である。これ
らの効果を現在液晶デバイスで主流となっているＴＦＴ
（薄膜トランジスタ）と比較してみると、まず、本発明
の液晶ライトバルブは開口率が９０％以上確保できるの
で、光の利用効率の高い明るい表示を行うことができ
る。また、画素ピッチを１０μｍ以下にできるので精細
な表示が可能である。より大きな特徴としては、微細な
画素のパネルを無欠陥で大型化できることにある。ＴＦ
Ｔよりも作成プロセスが簡単であり欠陥を生じる要素が
少ないので、大型化が容易である。製造時間、コストの
点でも優れる。

【００２１】本実施例では絶縁体にＳｉＯ₂を用いた
が、同様の特性を有するものであれば同じく使用でき
る。読み出し光の波長領域で透明な材料であればよい。
無機材料にとどまらず、例えば、透明な高抵抗の高分子
樹脂を用いてスピンコート等の方法によっても形成でき
る。本実施例では光導電体にa-Siを用いたが、書き込み
光の波長あるいは用途に合わせて種々の材料を選択でき
る。代表的には、単結晶Ｓｉ、ＣｄＳ結晶、Ｂｉ₁₂Ｓｉ
Ｏ₂₀結晶等を用いることができる。また、本実施例で
は、金属反射膜を光導電体と画素透明電極との間に設置
したが、これは反射膜でなくともよい。光を吸収し光導
電体に光が透過しないものであれば用いることができ
る。その大きさも光導電体と等しい必要はなく、実際の
光学系に応じ光導電体への影響を考慮して変化してもよ
い。

【００２２】（実施例２）本実施例では、実施例１で使
用した画素透明電極の代わりに電極兼反射膜を用い、反
射型の構成としたことを特徴とする。図５は、本発明の
液晶ライトバルブの断面図である。図中、１はガラス基
板、２は透明電極、３は液晶層である。また、７は電極
兼反射膜、５は光導電体、６は絶縁体である。光導電体
は、数μｍの微小な柱状をなして規則的に並んでいる。
各光導電体の間は絶縁体が設置され、各光導電体および
電極面との電気的な分離を行う。そして、それぞれの光
導電体は、微小な電極兼反射膜と接合している。この電
極兼反射膜は、数μｍ四方の大きさでそれぞれ独立して
配置されている。電極兼反射膜はそれぞれを画素とみる
ことができる。

【００２３】素子の作成方法は以下のようである。

【００２４】まず、平坦なガラス基板の表面に透明電極
であるＩＴＯをスパッタリング法により作成した。続い
て、この表面に光導電体を形成した。本実施例では光導
電体をa-Siとし、プラズマを使用したＣＶＤで少量のボ
ロンをドーピングして約４μｍに成膜した。

【００２５】次に、反射膜の表面にレジスト層を形成、
フォトリソグラフィーでパターニングし、ＣＦ₄による
プラズマエッチングを行った。

【００２６】次に、絶縁体を各光導電体の間に形成し
た。本実施例ではＳｉＯ₂を用い、a-Siと同膜厚でスパ
ッタを行った。スパッタ後レジストを除去すると、レジ
ストの表面のＳｉＯ₂は同時に除去され、a-Siの間に形
成されたものだけ残る。本実施例のa-Siは、底面２μｍ
×２μｍで高さ４μｍの四角柱とし、それが６μｍおき
に並んでいる構造とした。

【００２７】次に、各光導電体に対して電極兼反射膜を
形成するのであるが、あらかじめレジストを所定の位置
でパターニングし、それから金属クロムをスパッタし
た。この後レジストを除去すると、絶縁体の形成方法と
同じくレジストの表面の金属クロムは同時に除去され、
それぞれ独立した電極兼反射膜が形成される。本実施例
では電極兼反射膜の大きさは８μｍ×８μｍとし、それ
が２μｍ間隔で並んでいる構造とした。最後に、透明電
極を形成した対向基板との間に液晶を封入した。液晶は
メルク社製のＺＬＩ−４３４６（Δｎ＝０．１１００）
を用い、液晶セルにツイスト配向させた。リターデーシ
ョンΔｎ×ｄは０．５８μｍである。

【００２８】上述の工程を経て出来上がった本発明の液
晶ライトバルブは、書き込み光および読み出し光が基板
の前面および背面で独立して使用される反射型の液晶ラ
イトバルブである。電極兼反射膜に金属薄膜を用いるこ
とができ、特別な遮光層等を設置することなく薄い膜厚
で完全な光学的分離を行うことができる。読み出し光に
よって得られた表示は、高コントラストかつ高精細であ
った。光導電体のインピーダンス変化をそのまま液晶に
反映させることができる点で、従来、誘電体ミラ−を介
することによって低減していたコントラスト、解像度を
大きく向上できる。解像度は透明電極の画素のサイズま
で小さくすることができ、画素ピッチを数μｍ単位に作
成することも容易である。

【００２９】本発明の液晶ライトバルブでは単位面積当
たりの光導電体は、全面に光導電体が形成されている場
合に比較して１０％以下になる。面積が少なくなること
により、全体として実質的な容量が小さくなる。光導電
体の容量が低減すると、液晶に印加される実効値であ
る、書き込み光照射時、非照射時のスイッチング比が大
きく得られるようになる。したがって、本発明の液晶ラ
イトバルブは、その構造によってコントラスト比を向上
させる効果を有する。

【００３０】液晶の動作モードは本実施例で用いたＴＮ
（Twisted Nematic）モードの他、ＥＣＢ（Electricall
y Controllable Birefringence）モードも使用できる。
ＥＣＢモードの一例として、液晶分子の初期配向を基板
に対して一様に水平とした液晶ライトバルブを作成し、
APPLIED OPTICS,Vol.8,No.22,4845,1989のように知られ
ている光学的位相変調装置に応用した。本発明の液晶ラ
イトバルブを用いることにより次の効果が得られた。画
素ピッチが数μｍであるので位相情報の記録を高密度に
配列できた。２π以上の位相変化が印加電圧に応じて連
続的に得られ、位相情報の量子化数が増加した。この結
果、鮮明かつ高精細な像再生を行うことができた。実施
例１のように透過型として用いることもできるが、反射
型では光路長が２倍にとれコントラストを高く得ること
ができる。液晶は本実施例で用いたネマティック液晶の
他、双安定性を有するＳｍＣ^*（カイラルスメクティッ
クＣ）液晶も使用できる。一例として、配向膜に斜方蒸
着膜を用い、液晶分子を基板表面から３０度傾けて配向
したパネルを作成した。従来のＳｍＣ^*液晶を用いたラ
イトバルブと同様に、高速応答かつ長時間メモリの可能
な液晶ライトバルブを実現できた。ＳｍＣ^*液晶の他、
ＰＤＬＣ（Polymer Dipersed Liquid Crystal）を用い
ることもできる。ＰＤＬＣは偏光板が不要なので、本発
明の構造とあわせてさらに明るい表示が可能である。い
ずれの液晶を用いても、透過、反射の両方を選択できる
ので、用途、投影方法等の条件を考慮してより適した液
晶ライトバルブが構成できる。

【００３１】（実施例３）本実施例は、画素電極の形成
が光導電体との位置合わせを必要としないことを特徴と
する。

【００３２】図６は、本発明の液晶ライトバルブの光導
電体と画素電極の位置関係を模式的に示した図である。
図中、２は画素透明電極、５は光導電体である。また、
ｐは画素電極が正方形としたときの一辺の長さ、ｌは各
画素間の間隔、ｘは光導電体の断面を正方形としたとき
の一辺の長さ、ｙは各光導電体の間隔である。

【００３３】本発明では、次の要件を満たしていれば同
じ効果が得られる。

【００３４】光導電体は画素電極のどの位置で接合し
てもよい。

【００３５】光導電体は１つの画素電極に１個あるい
は数個接合してもよい。

【００３６】１個の光導電体は２つ以上の画素電極と
同時に接合してはいけない。

【００３７】この条件を満たすために各部分の大きさを
考慮すると、 1).画素電極の大きさは光導電体の間隔より大きくす
る。それにより画素電極は必ず１個以上の光導電体に接
触する。小さければ接触しないものが生ずる。

【００３８】2).各画素電極の間隔は光導電体の大きさ
よりも大きくする。それにより１個の光導電体に２つ以
上の画素電極が同時に接触することはない。

【００３９】以上のことを図６より式で表すと、ｐ＞ｙｘ＜ｌとなる。ただし、各部分の断面は正方形で、いずれも等
間隔で並んでいるものとする。このような条件のもとに
各部分の大きさを決定すれば、実際の作成においてレジ
ストパターンの位置合わせの作業が省略でき、プロセス
の負担は大幅に緩和される。

【００４０】上記の条件により実際の寸法の一例を示す
と、断面２μｍ四方の光導電体が４μｍ間隔に並んでい
る場合には、４μｍ四方より大きい画素電極を２μｍよ
り大きい間隔で与えれば位置合わせは不要である。この
寸法でも画素ピッチ１０μｍ以下は充分に達成できる。
実施例１では、断面２μｍ四方の光導電体が６μｍ間隔
に並び、８μｍ四方の画素電極が２μｍ間隔で並んでい
る構造としたが、この寸法でも若干の余裕を与えれば上
記の条件を満足するのでレジストパターンの位置合わせ
は必要がない。

【００４１】本実施例で示した条件は、透過、反射のい
ずれの構成でも有効である。しかし、光導電体にa-Siを
用い可視光で読み出すというような場合に、a-Siの断面
積を大きくし沢山配置した構造にすると光の透過率が低
下するので、そのような際には透過型よりむしろ反射型
での使用が好ましい。

【００４２】

【発明の効果】以上述べてきたように、光導電体を微小
な柱状として各光導電体の間に絶縁体を形成し、光導電
体と接合する微小な画素電極を備えることにより、従来
の液晶ライトバルブに比較してさらに高精細な表示を行
うことができる。

【００４３】光導電体のインピーダンス変化をそのまま
液晶に反映させることができる点で、従来、誘電体ミラ
−を介することによって低減していたコントラスト、解
像度を大きく向上できる。解像度は透明電極の画素のサ
イズまで小さくすることができ、画素ピッチを数μｍ単
位に作成することも容易である。

【００４４】ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）と比較する
と、開口率が９０％以上確保できるので光の利用効率の
高い明るい表示を行うことができる、微細な画素のパネ
ルを無欠陥で大型化できることにある、等の点で優れた
効果を有する。

【００４５】透過型の構成であり、従来の透過型のライ
トバルブの光学設計の方法を利用して簡単な投影光学系
を実現できる。特に、ライトバルブを３枚使用してカラ
ー表示を行う場合に反射型のライトバルブでは光学的な
設定が難しかったが、この効果によりカラー化も容易で
ある。

【００４６】画素電極に金属反射膜を使用することによ
り、反射型のライトバルブを構成することもできる。反
射型の構成では次のような効果を有する。まず、特別な
遮光層等を設置することなく薄い膜厚で完全な光学的分
離を行うことができる。また、内部構造により実質的に
光導電体の容量を低減することができるので、液晶層に
かかる実効値が増大し、コントラスト比が向上する。

【００４７】本発明の製造方法によれば、基板上のパタ
ーンに位置合わせを行うことなく、極めて簡単に数μｍ
ピッチの画素を配置することができる。

【００４８】以上述べてきたように本発明によれば、従
来の液晶ライトバルブが本質的に抱えていた問題を解決
し、コントラスト、解像度ともに向上した液晶ライトバ
ルブを実現するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における液晶ライトバルブの
断面図。

【図２】本発明の実施例１における液晶ライトバルブの
一部を液晶層側からみた概念図。

【図３】本発明の液晶ライトバルブの工程図。

【図４】本発明の実施例１における液晶ライトバルブの
表示光学系を示した図。

【図５】本発明の実施例２における液晶ライトバルブの
断面図。

【図６】本発明の液晶ライトバルブの光導電体と画素電
極の位置関係を示した図。

【符号の説明】

１ガラス基板２透明電極３液晶層４反射膜５光導電体６絶縁体７電極兼反射膜８レジスト９レンズ１０液晶ライトバルブ１１スクリーン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明電極を備えた対向する２枚の基板間
に液晶層と光導電体を有する液晶ライトバルブにおい
て、一方の前記透明電極上に多数形成された微小な柱状
の光導電体と、各光導電体の間に形成された絶縁体を有
し、前記光導電体および前記絶縁体からなる層の表面
に、光導電体と接合する光導電体の断面積より大きな画
素電極を有することを特徴とする液晶ライトバルブ。
【請求項２】前記画素電極を透明電極としたことを特
徴とする請求項１記載の液晶ライトバルブ。
【請求項３】前記画素電極を透明電極とし、前記光導
電体との間に反射膜を形成したことを特徴とする請求項
１記載の液晶ライトバルブ。
【請求項４】前記画素電極を電極兼反射膜としたこと
を特徴とする請求項１記載の液晶ライトバルブ。
【請求項５】液晶層と光導電体を有する液晶ライトバ
ルブの製造方法において、ａ）前記光導電体の表面にレジストパターンを形成する
工程、ｂ）前記光導電体を所定の形状にエッチングする工程、ｃ）前記光導電体の表面に絶縁体を形成する工程、ｄ）前記絶縁体のうち不要な部分を前記レジストパター
ンと同時に除去する工程、ｅ）前記光導電体および前記絶縁体の表面の所定の位置
にレジストパターンを形成する工程、ｆ）前記光導電体および前記絶縁体の表面に電極を形成
する工程、ｇ）前記電極のうち不要な部分を前記レジストパターン
と同時に除去する工程、とからなることを特徴とする液晶ライトバルブの製造方
法。
【請求項６】前記光導電体および前記絶縁体の表面に
レジストパターンを形成する製造工程を含む液晶ライト
バルブにおいて、パターンの位置合わせを必要としない
ことを特徴とする請求項１記載の液晶ライトバルブ。