JPH07507405A - 内部の固定されたスペーサーを用いる改良された液晶ライトバルブ及びそれを組立てる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 内部の固定されたスペーサーを用いる改良された液晶ライトバルブ及びそれを組 立てる方法発明の背景 １、発明の技術分野 本発明は、一般的に液晶に係り、特に、均一でかつ制御し得る液晶層の厚さのた めの新規なスペーシング技術を含む、液晶ライトバルブの改良された構造に関す る。

２、関連技術の説明 あるタイプの液晶電子光学装置は、２枚の透明板間か、又は１枚の透明板と１枚 の鏡面板との間−それぞれの内面には電気的導電体層が被覆されているーに液晶 の薄層を置くことにより構成されている。導電層間に電場が印加されないとき（ フィールド−オフ）、液晶の方向は２つの状態にある（液晶の“方向”とは、液 晶分子の長い分子軸の巨視的な方法である。）。電場が印加されるとき、その方 向は他の状態に再配列する。液晶は複屈折率を有するため、２つの状態は異なる 屈折率を有するであろう。その方向の移動は、光が液晶層を通過するに従って偏 光を再配列させる。印加された電場に対応する状態の変化は、表示装置やプロジ ェクタのような光を制御する液晶装置の基礎である。

通常の形態では、液晶ライトバルブ（ＬＣＬＶ）は、液晶層を通過する偏光した 投射光ビームを画素ごとに変調する装置である。光活性化（ｐｈｏｆｏａｃｌｉ ｖａｆｅｄ）　されたＬＣＬＶは、反射モードの液晶層の背後に向けられた書き 込みビームによリ、画素化された（ｐｉｘｔｌｉｘｔｓ）変調を実施する。

光学活性化されたＬＣＬＶの単純化された形は、通常はガラスであり、その上に インジウムスズ酸化物又はＰ＋＋半導体のような透明背面電極屑が形成されてい る透明入力基板と、シリコン又は硫化カドミウムのような光導電性材料層を具備 している。ＳｉＯ２又はＣｄＴｅのような遮光層は、装置の読み出し側に入る光 が先導電体に入ることを防止し、一方、遮光層の読み出し側にある誘電体又は金 属マトリックスからなるミラーは、読み出しビームを反射する。液晶層は、ミラ ーの読み出し側１こある配向層間に挟まれており、液晶セルの読み出し側には、 対向電極層及び前面透明基板が順次形成されている。

液晶の動作点を設定するバイアスを確立するために、ＡＣ電源が背面電極と対向 電極とに接続されている。動作にあたりでは、陰極線管（ＣＲＴ）　、走査レー ザ等のような光源からの入力イメージは、ＬＣＬＶの入力側に適用され、一方、 線形偏光された読み出しビームは、ＬＣセルを透過し、クロスした偏光板を通し てミラーから反射される。入力イメージは、ＬＣ８の対応する空間電圧分布を生 じ、印加された電圧パターンに従って液晶の配列を局部的に変化させる。このこ とは、読み出しビームの空間変調を生じ、入力イメージから読み出しビームへの 情報の移動を可能とする。

この型及び他の型の液晶ライトバルブの動作は、多くの刊行物に詳細に議論され ている。例えば、“ｆ’ｔｏｇｒｔｓＳｉｎ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒ７ｓｌａｌ　 Ｌｉｇｈｔ　Ｖａｌｖｅｓ”　Ｗ、　Ｐ、　ＢＩｅｈａ、著、Ｌａ５ｅｒ　Ｆｏ ｃｕｓ／−Ｅｌｔｃｌｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ　１９８３年１０月、第１１１°−１ ２，０頁参照のこと。

液晶ライトバルブ（ＬＣＬＶｓ）の以前の型は、液晶層の厚さの均一性が比較的 劣っているが、しかし、より遅い応答及び〉４μｍの厚さの液晶のため、ディス プレイの周囲にあるスペーサーパッドは、動作の要求を満たしていた。

ＴＶレートで動作する提案された液晶ライトバルブは、３−４μｍのＬＣの厚さ を有するであろう。ＬＣＬＶプロジェクタのサイズを減少させる欲求は、高温を もたらし、これはＬＣＬＶの基板を曲げてしまう。このため、ディスプレイの視 野領域にわたってＬＣ層にスペーサーを入れることが必要となった。ディスプレ イにスペーサーを入れるための速い、安価な、信頼し得る方法は、事業の成功に おける重要なファクターである。

現在、グラスファイバー又はガラス球のようなスペーサー粒子が採用されている 。１９８３年６月に発行された米国特許第４，３９０，２４５号、Ｋ、清水、「 接着手段及び別の接着剤を含まないスペーサーを用いた均一な厚さの光学表示セ ル」を参照のこと。

しかし、スペーサー粒子は、房状となる傾向にあり、ある領域では密集し過ぎて 、ディスプレイの活性領域を減少させ、一方、他の領域では欠乏し、ディスプレ イに厚さの変化を生ぜしめてしまう。均一にスペーサー粒子を堆積することは、 非常に高価である。これらの技術では、スペーサー粒子とともにダスト粒子も基 板表面にトラップされてしまう。最終的に、２つの基板の均一な分離を安全に維 持するためには、非常に多くのスペーサーを堆積しなければならず、劣ったディ スプレイ又は装置をもたらしてしまう。この仕事を再現性をもって実施する機械 は、非常に高価である。

従来使用されていた周囲のスペーサーは、基板が曲がることに均一な分離を維持 するには十分な手段ではない。

このように、実質的に表示特性を妨げることなく、液晶表示セルに採用される基 板を固定された距離スペーシングする手段に対する必要性が残っている。

発明の要旨 本発明によると、離間し、その間に一定量の液晶混合物を含む２枚の基板とを具 備し、前記基板は、連続した電気伝導性材料で被覆された対向面を有し、相互に あらかじめ選択された距離離れたスペーサーパッドの列を具備し、前記スペーサ ーパッドは、前記基板間に所定の間隔を維持するためのあらかじめ選択された高 さを有し、かつ、液晶表示セルの表示特性の実質的な干渉を回避するあらかじめ 選択された断面を有する改良された液晶表示セルが提供される。

この液晶表示セルは、 （ａ）第１の基板を用意し、 （ｂ）スペーサーパッドの列および前記連続した電気伝導性材料をいずれかの順 序で前記第１の基板の主面上に形成し、（Ｃ）前記連続した電気伝導性材料上に 液晶配向層を形成し、（ｄ）連続した電気伝導性材料およびＳ　ｉｏ　２の層が 主面に被覆された前記２枚の基板の第２の基板を用意し、（Ｃ）前記被覆された 表面が互いに対向するように、かつ、前記スペーサーパッドにより離隔された間 隔を維持するように前記基板を組み合わせて、前記２枚の基板の周囲により区画 された領域を提供し、 （１）前記２枚の基板の前記周囲を封止し、前記液晶混合物で前記領域を満たし て、前記表示セルを提供する工程を具備する方法により製造される。

グラスファイバー、又はガラス球のようなスペーサー粒子に対する固定されたス ペーサーの利点は重要である。本発明の固定されたスペーサーは、液晶ライトバ ルブの製造に組み込まれた既に示した方法により、製造され得る。Ｓ　ｉＯ２の スペーサーパッドは、既に一般に利用されている、既存の装置におけるイオンビ ームスパッタリングを用いて堆積され得る。イオンビームスパッタリングは、簡 単な、低コストの、°比較的速い方法である。スペーサーパ・ラドは、また、公 知の、化学的又はプラズマによる反応性エツチングにより形成され得る。本発明 におけるスペーサーは、１〜２５μｍの高さで、１〜２５０μｍの径である。ス ペーサーの実際の寸法は、所定のディスプレイ又は装置の解像度より低いように 決定される。

図面の簡単な説明 図１は、公知の光活性化された液晶ライトバルブの単純化されたダイヤグラムで ある。

図２は、本発明のスペーサーの一態様に採用される液晶ライトバルブにおける液 晶層の１つの形態を示す倒立面図。

図３は、本発明のスペーサーの他の態様に採用される液晶ライトバルブにおける 液晶層の他のの形態を示す側室面図。

好ましい態様の説明 既に説明した光活性化されたＬＣＬＶ６の単純な形態が図１に示されており、通 常はガラスであり、その上にインジウムスズ酸化物又はＰ＋＋半導体のような透 明背面電極層１０が形成されている透明入力基板８と、シリコン又は硫化カドミ ウムのような光導電性材料層１２を具備している。Ｓ　ｉＯ２又はＣｄＴｅのよ うな遮光層１４は、装置６の読み出し側６ａに入る光が光導電体１２に入ること を防止し、一方、遮光層１４の読み出し側にある誘電体又は金属マトリックスか らなるミラー１６は、読み出しビーム３２を反射する。液晶層１８は、ミラー１ ６の読み出し側６ａにある配向層２０ａ。

２Ｏｂ間に挟まれており、液晶セル６の読み出し側には、対向電極層２２及び前 面透明基板２４が順次形成されている。

液晶の動作点を設定するバイアスを確立するために、ＡＣ電源２６が背面電極１ ０と対向電極２２とに接続されている。

動作にあたっては、陰極線管（ＣＲＴ）　、走査レーザ等のような光源３０から の入力イメージ２８は、ＬＣＬＶ６の入力側６ｂに適用され、一方、線形偏光さ れた読み出しビーム３２は、ＬＣセル１８を透過し、クロスした偏光板（図示せ ず）を通してミラー１６から反射される。入力イメージ２８は、ＬＣＣｌ２Ｏ対 応する空間電圧分布を生じ、印加された電圧パターンに従って液晶の配列を局部 的に変化させる。このことは、読み出しビーム３２の空間変調を生じ、人力イメ ージ２８から読み出しビームへの情報の移動を可能とする。

本発明では、スペーサー（本明細書において“スペーサー”とは、２枚の基板間 の設定された距離を維持するために使用されるどのようなものをも言う。）をイ ンジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）の連続導電層及び本願と同一の出願人に係る米国 特許に開示されているような液晶配向層の上及び下に置かれる。これらの特許は 、米国特許第５．０１１号、４，４６４゜１３４号、４，０３０，９９７号を含 むものである。

本願と同一の出願人に係る米国特許出願節０７／７１５゜５３７号（出願臼、１ ９９１年６月１４日）に開示されている好ましい配列プロセスでは、基板に対し 液晶ディレクタの垂直に近い配列を誘導するために、使用前に基板を処理する。

例えば、スパッタリングターゲットの後を基板が移動するインラインマグネトロ ンスパッタリングにより、基板表面にシリカ層が堆積される。その後、シリカで 被覆された基板は、長鎖アルコールで処理される。次いで、アルコールで処理さ れた基板は、液晶層で被覆され、フィールド−オフ状態では、液晶のディレクタ は、堆積中に、基板の移動方向に垂直から平行な方位方向に傾斜した。この方法 は、今後、“移動堆積（ＭＤ）”配列方法と呼ぶことにする。

本発明によるスペーサーは、所定の分布パターンに固定され、その密度は、分離 距離を維持するに十分なものであり、ディスプレイ又は装置の質を劣化させない に十分にまばらなものである。スペーサーは、配向層が堆積される前に基板上に 堆積又は生成され得る。その理由は、ＭＤ配列方法によると、湾曲した、不均一 な、段差のある表面上に、均一に液晶層を配向させることが可能であるからであ る。ＳｉＯ２の絶縁層は、スペーサーがＩＴＯの下にあるか、又は導電性物質か ら構成されているとき、基板間のショートを防止する。

本発明による、２枚の基板間の均一な分離を維持する方法は、安価であり、かつ 信頼性に富む。基板が過大な熱変化により、又は他のストレス誘因プロセスによ り湾曲したとき、それは、分離を維持するであろう。この手順は、ＬＣＬＶ製造 プロセス中に容易に組み込まれ得るであろう。

本発明の２つの形態例が、図２及び３に示されている。図２は、その上にＩＴＯ 及びＳｉＯ２を主成分とする配向層の連続層が堆積されている基板上に置かれた スペーサーパッドを示している。図３は、連続層であるＩＴＯ層とＳ　ｔ　０２ 層の間に置かれたスペーサーパッドを示している。

図２及び３では、液晶ディスプレイセル３４は、２枚のガラス基板１０８，１２ ４を含んでいる。基板１２４の表面１２４′には、インジウムスズ酸化物（ＩＴ Ｏ）のような導電層３６が形成されている。基板１０８の表面１０８゛には、類 似の導電層３８が形成されている。ＩＴＯ層３層上６上、シリカ層２０ａが形成 されている。１７０層３８上には、類似のシリカ層２０ｂが形成されている。シ リカ層の形成は、上述の特許及び出願に示されており、ここに示すように、液晶 （図では図示せず）を配向させるために使用されている。

本発明によると、基板１２４の表面１２４″に、複数のスペーサーパッド４０が 形成されている。図２及び３はそのようなスペーサーパッドの列を示しているが 、実際には、スペーサーパッドは、基板１２４の表面における２次元的アレイを 形成することを認識すべきである。

スペーサーパッド４０は、図２に示すように、表面１２４′上に形成されても、 又は図３に示すようにＩＴＯ層３層上６上成されても良い。どの場合でも、一旦 スペーサーパッド４０が形成されると、頂部基板１０８は、シリカ層２０ｂがス ペーサーパッドの頂部に接触するように、スペーサーパッドの頂部に置かれる。

上述の特許及び出願に示されているように、２枚の基板１０８，１２４の周囲の 端部は、次いでシールされ、両者の間には液晶（図２及び３では図示されていな いが、図１には示されている）が満たされ、液晶表示セル３４が形成される。

スペーサーパッド４０は、約１〜５０μｍの高さ、約１〜２５０μｍの断面をも って形成され、スペーサーパッドの断面の形状は、重要ではないが、例えば円形 又は矩形である。

スペーサーパッド４０の間隔は、約０．０１０〜２．５ｃｍである。

スペーサーパッド４０のサイズ、及びスペーサーパッド４００間隔は、用途によ って指定される。装置３４が小さく、非常に速い応答が必要ならば、スペーサー パッド４０は、むしろ狭い間隔であるへきである。装置のスピードがファクター ではない場合には、スペーサーパッド４０は、大きくすることが出来、かつ更に 間隔をあけることが出来る。例えば、液晶ライトバルブの場合、断面の寸法は、 約３〜４μｍであり、間隔は中央で約５００μｍであり、一方、１７４波長板（ 装置の焦平面の外側）の場合には、断面寸法はＬＣＬＶの場合よりも少し大きく 、間隔は中央で約１ｃｍである。

スペーサーパッド４０を形成するために、シリカやインジウムスズ酸化物のよう な酸化物、クロム、アルミニウム、又は金のような金属、ポリイミド、ホトレジ スト材料のようなポリマーを含む、様々な材料を使用することが出来る。スペー サーパッド４０は、例えば、スパッタリング又は蒸着又は他の通常の堆積手段に より、上述の材料の層を所望の厚さに堆積し、パターニング、露光、現像の通常 のフォトリソグラフィーを採用して不所望の材料を除去し、所望の断面寸法及び 間隔のスペーサーパッドを残すことにより形成される。

図２及び図３は、スペーサーパッドの頂部における層（図２におけるＩＴＯ層２ ０ａ１図３におけるシリカ層２０ａ）を示している。これは、基板１２４の表面 １２４′上へのこれらの物質の包括的な堆積から生ずるものであり、装置の動作 において何ら重要なものではない。

実験を行い、実施できることを実証した。その実験は、ＳｉＯ２層が上基板とス ペーサーパッドの（またはスペーサーパッドにおける）上面のＩＴＯとの短絡を 防止するかどうか、およびスペーサーパッドが配向層の影響により、もしくはデ バイスの電圧ＯＮ状態で浮遊電界線の発生により液晶配向が歪むかどうかも決定 する。組み立てられたデバイスは、図２に示すものと同様のものとした。

テストセルを、２枚の光学１／４波長のＢＫ７Ａ平板ガラスから組み立てた。基 板の寸法は１．１．２４インチ×１．７５インチＸ０．５インチ（３，１５ｃｍ Ｘ４．４５ｃｍＸ１゜２７ｃｍ）であった。高さ２．５μｍで直径２５０．ｃｚ ｍのＳｉＯ２スペーサーパッドを、電子ビームスパッタリンクニより堆積させた 。次いで、連続した４００オングストロームのＩＴＯを基板全面に堆積させた。

その後、１３００オングストロームのＳ　ｉ　０２　屑をＭＤ配向でかつ２枚の 基板を電気的に分離するように堆積させた。次いで、液晶の垂直傾斜配向を誘導 するように基板をアルコールで処理した。最後に、テストセルを予備封止し、負 の誘電異方性を有する液晶材料で真空充填した。

このテストセルは、直交偏光子の間で見た場合に、無電圧印加状態で非常に低い 透過率を有していた。この結果は、歪みの無い状態でスペーサーが形成された後 に、ＭＤ配向層を与えることができたことを示している。このテストセルの基板 に１０ｋＨｚの交流電圧を印加した。セルの透過率は最大で約７Ｖｒｍｓまで均 一に増加した。スペーサーの回りにミス配向の崩れ（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ ）は観察されなかった。この結果は、スペーサーが表示デバイスの視界領域に存 在する場合に重要である。

実施例１に記述したものと同様の実験を行った。この実験では、テストセルを、 ２枚の光学１／４波長のＢＫ７Ａ平板ガラスから組み立てた。基板の寸法は、１ ．２４インチｘ１゜７５インチｘ０．５インチ（３，１５ｃｍｘ４．４５ｃｍｘ １．２７ｃｍ）であった。アルミニウムスペーサーをケミカルエツチングプロセ スで形成した。得られたスペーサーは、３．３Ｘ３．３μｍの正方形断面を有す る高さ３μｍであった。ＩＴＯおよびＭＤ配向層を上述したような方法で堆積さ せた。テストセルを別の液晶材料で充填した。このテストセルもまた積極的な結 果を有していた。３．３μｍ幅のスペーサーの回りの配向の崩れた領域は、電圧 ＯＮ状態またはＯＦＦ状態のいずれにおいても２００倍の拡大で検出されなかっ た。

このように、二次元列のスペーサーにより離隔された２枚の基板を有する液晶表 示セルを開示した。その性質上明らかな変更および変形例がなされ得ること、お よびそのようなすべての変更および変形例が添付した請求の範囲に規定される本 発明の範囲内で考慮されることは、当業者には容易に明らかになるであろう。

フロントページの続き （７２）発明者　ライフ、フィリップ・ジ−アメリカ合衆国、カリフォルニア州 ９１３１１、チャッツワース、メイオール・ストリート２２３４６

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．所定の間隔を有する２枚の基板と、前記２枚の基板間に含まれる液晶混合物 と、前記基板の対向面に被覆された連続した電気伝導性の電極材料と、 前記電気伝導性の電極材料上に形成された液晶配向層と、あらかじめ選択された 距離だけ互いに離隔したスペーサーパッドの列と、 を具備し、前記スペーサーパッドは、前記基板間に一定の間隔を維持するための あらかじめ選択された高さを有し、かつ、液晶表示セルの表示特性について実質 的な干渉を回避するあらかじめ選択された断面を有する改良された液晶表示セル 。
2. ２．前記スペーサーパッドが酸化物、金属、およびポリマーからなる群より選ば れた材料を包含する請求項１記載の液晶表示セル。
3. ３．前記酸化物がシリカおよびインジウム・錫酸化物（ＩＴＯ）からなる群より 選ばれたものであり、前記金属がクロム、アルミニウム、および金からなる群よ り選ばれたものであり、前記ポリマーがポリイミドおよびフォトレジストからな る群より選ばれたものである請求項２記載の液晶表示セル。
4. ４．前記スペーサーパッドが約０．０１０〜２．５ｃｍの距離で互いに離隔され ている請求項１記載の液晶表示セル。
5. ５．前記スペーサーパッドが約１〜２５０μｍの範囲の断面領域を有する請求項 １記載の液晶表示セル。
6. ６．前記スペーサーパッドが約１〜５０μｍの範囲の高さを有する請求項１記載 の液晶表示セル。
7. ７．前記スペーサーパッドが前記基板の一方の表面上に直接支持されている請求 項１記載の液晶表示セル。
8. ８．前記スペーサーパッドが前記電気伝導性材料の表面上に支持されている請求 項１記載の液晶表示セル。
9. ９．前記電気伝導性電極層上の液晶配向層がシリカを包含する請求項１記載の液 晶表示セル。
10. １０．液晶混合物により分離され、連続した電気伝導性材料で被覆された２枚の 基板を具備する液晶表示セルにおいて基板を離隔する方法であって、前記方法は 、（ａ）前記２枚の基板の第１の基板を用意し、（ｂ）スペーサーパッドの列お よび前記連続した電気伝導性材料をいずれかの順序で前記第１の基板の主面上に 形成し、（ｃ）前記連続した電気伝導性材料上に液晶配向層を形成し、（ｄ）連 続した電気伝導性材料およびＳｉＯ２の層が主面に被覆された前記２枚の基板の 第２の基板を用意し、（ｅ）前記被覆された表面が互いに対向するように、かつ 、前記スペーサーパッドにより離隔された間隔を維持するように前記基板を組み 合わせて、前記２枚の基板の周囲により区画された領域を提供し、 （ｆ）前記２枚の基板の前記周囲を封止し、前記液晶混合物で前記領域を満たし て、前記表示セルを提供する工程を具備する。
11. １１．前記スペーサーパッドが酸化物、金属、およびポリマーからなる群より選 ばれた材料を包含する請求項１０記載の方法。
12. １２．前記酸化物がシリカおよびインジウム・錫酸化物（ＩＴＯ）からなる群よ り選ばれたものであり、前記金属がクロム、アルミニウム、および金からなる群 より選ばれたものであり、前記ポリマーがポリイミドおよびフォトレジストから なる群より選ばれたものである請求項１１記載の方法。
13. １３．前記スペーサーパッドが約０．０１０〜２．５ｃｍの距離で互いに離隔さ れている請求項１０記載の方法。
14. １４．前記スペーサーパッドが約１〜２５０μｍの範囲の断面領域を有する請求 項１０記載の方法。
15. １５．前記スペーサーパッドが約１〜５０μｍの範囲の高さを有する請求項１０ 記載の方法。
16. １６．前記スペーサーパッドが前記基板の一方の表面上に直接支持されている請 求項１０記載の方法。
17. １７．前記スペーサーパッドが前記電気伝導性材料の表面上に支持されている請 求項１０記載の方法。
18. １８．前記電気伝導性電極層上の液晶配向層がシリカを包含する請求項１０記載 の方法。