KR20030027090A - 반사형 액정 표시 소자, 표시 장치, 프로젝션 광학시스템, 및 프로젝션 디스플레이 시스템 - Google Patents

반사형 액정 표시 소자, 표시 장치, 프로젝션 광학시스템, 및 프로젝션 디스플레이 시스템 Download PDF

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Abstract

수직 배향 액정층의 두께를 2μm 이하로 작게 하더라도, 수직 배향 액정 재료의 △n의 값을 O.1 이상으로 크게 조정함으로써, 액정의 투과율이 5 내지 6V 이하의 전압으로 용이하게 포화하게 되고, 실용적인 저압에서의 구동이 가능하게 되며, 또한 투과율 자체도 현저하게 향상된다. 따라서 ，충분한 투과율과 저전압 구동의 구동 특성을 갖고, 고속 응답에 능가할 수 있는 반사형 수직 배향 액정 표시 장치와, 이것을 사용한 표시 장치, 프로젝션 광학 및 디스플레이 시스템을 실현할 수 있다.

Description

반사형 액정 표시 소자, 표시 장치, 프로젝션 광학 시스템, 및 프로젝션 디스플레이 시스템{Reflection type liquid crystal display element, display unit, projection optical system, and projection display system}
최근에는 프로젝션 디스플레이의 고정밀화, 소형화, 고휘도화가 진행됨에 따라서, 그 디스플레이 장치로서, 소형화, 고정밀화가 가능하고 높은 광 이용 효율을 기대할 수 있는 반사형 장치가 주목되고, 실용화되어 있다.
그 중에서, 투명 전극이 형성된 유리기판에 대향하여, 예를 들면 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor: 상보형 MOS) 반도체 회로로 이루어지는 Si 기판에 구동 소자를 설치하고 그 위에 Al 광반사 전극을 형성한 구동 회로 기판을 배치하고, 이들의 한 쌍의 기판간에 수직 배향 액정 재료를 주입한 액티브형의 반사형 액정 표시 장치(소자)가 보고되어 있고(논문①: H.Kurogane 등,Digests of SID1998, P33-36(1998), 및 논문②: S.Uchiyama 등, Proceedings of IDW2000, P1183-1184(2000)), 일부의 메이커에 의해 실제로 상품화되어 있다.
여기서, 수직 배향 액정 재료란 음의 유전율 이방성을 갖는(즉, 액정 분자의 장축에 평행한 유전율(ε(∥))과 수직인 유전율(ε(⊥))의 차: △ε(=ε(∥)-ε(⊥))가 음이다) 액정 재료이고, 상기의 투명 전극-광반사 전극간의 인가 전압이 제로일 때에 기판면에 거의 수직으로 액정 분자가 배향되고, 노멀리·블랙·모드(Normally black mode)의 표시를 주는 것이다.
상기에서 보고되어 있는 종래의 반사형 장치에 있어서의 수직 배향 액정층의 두께(셀 갭)는 3 내지 4μm이고, 구동 전압(액정으로의 인가 전압)에 대한 액정 투과율의 곡선(이하, V-T 곡선이라고 부르지만, 반사형 장치이기 때문에 실측으로서는 장치의 반사율(단, 여기서는 후술하는 바와 같이 장치에 의해 입사광, 예를 들면 s 편광이 편광 변조되어 p 편광의 반사광이 얻어지는 것으로 한다.)에 상당한다.)은 2V 정도의 임계치 전압으로 상승하고, 4 내지 6V의 인가 전압으로 최대치에 도달하는 특성을 갖는다. 이들 중에서 전압을 바꿈으로써, 액정의 투과율을 아날로그적으로 변화시켜, 계조를 표현할 수 있다. 도 14에는 일 예로서 상기의 논문①로부터 발췌한 데이터를 나타내지만, 액정층의 두께는 3μm이고, 구동 전압은 ±약 4V이며, 응답 속도(상승 시간+하강 시간)는 17msec 정도로 보고되어 있다.
액정은 통상, 프레임 또는 필드마다 양·음의 전압을 반전시켜 구동되기 때문에, 상기 장치는 실제로는 최대 ±4 내지 6V의 전압으로 구동되는 것을 의미한다(양과 음의 V-T 곡선은 원칙적으로 대칭이므로, V-T 곡선은 통상은 양으로만 나타난다). ±4 내지 6V의 액정 구동 전압은 구동 트랜지스터의 실효적인 내압으로서, 8 내지 12V 이상을 필요로 하는 것을 의미한다.
이것은 통상의 MOS 프로세스에 있어서의 내압과 비교하면 상당히 높기 때문에, Si 구동 회로 기판에 있어서의 화소 내에 형성되는 액정 구동 트랜지스터에는 LDD(Lightly doped drain-source) 구조 등의 고내압 프로세스가 적용된다. 제작 비용이나 소비 전력 등을 고려하여, 그 내압은 일반적으로 8 내지 12V 이다. 이것이, 종래 장치에 있어서, 최대 ±4 내지 6V의 V-T 곡선을 갖도록 디바이스 설계되는 이유이다.
또한, 종래 장치에서 사용되는 수직 배향 액정 재료의 굴절율 이방성(△n; 즉, 액정 분자의 장축 방향의 굴절율(n(∥))과 그것에 수직인 방향의 굴절율(n(⊥))과의 차: △n=n(∥)-n(⊥)는 O.1 보다 작은 값(전형적으로는 0.08 정도)이고, 전형적인 화소 피치는 13.5μm(화소 사이즈 13μm)이다.
최근에는 액정 표시 장치의 결점인, 응답 속도가 느리다는 문제가 클로즈업되어, 그 고속화가 중요한 과제로 되어 있는 것은 주지하는 바와 같다. 일반적으로, 액정의 응답 속도(상승 시간 및 하강 시간)는 하기의 식 1 및 식 2로 나타내는 바와 같이, 액정층의 두께(d)의 2승에 비례하기 때문에, 액정의 층 두께를 감소시키는 것이 고속화에 유효하다.
상승 시간
하강 시간
(여기서, γ:액정의 점도, d:액정층의 두께, △ε: 액정의 유전율 이방성, ε(0):진공의 유전율, K:액정의 탄성 정수, V:액정으로의 인가 전압(액정 구동 전압), Vc:임계치 전압이다.)
그러나, 종래의 수직 배향 액정 표시 장치에 있어서, 액정층의 두께를 감소시켜 가면, 응답 속도는 식 1 및 식 2에 기초하면 고속화되어 가지만, 투과율을 포화시키기 위해서 필요한 구동 전압이 높아진다는 문제가 있다. 도 15에는 종래 장치에서 사용되고 있는 액정 재료(△n=0.082)를 사용한 시스템에서, 액정의 층 두께를 감소시켰을 때의 V-T 곡선을 나타내고, 도 16에는 액정층 두께(d)에 의한 포화 전압의 변화를 나타낸다.
도 15, 도 16에 도시하는 바와 같이, 장치의 포화 전압은 액정층의 두께(d)가 2.5μm를 절단하는 부근으로부터 급격하게 높아져 6V를 초과하게 되고, d가 2μm 이하가 되면 10V에나 도달한다. 즉, 구동 트랜지스터의 내압은 20V 이상이나 필요하게 된다. 게다가, d가 1.5μm 두께 이하에서는 투과율의 절대치가 100%에 도달하지 않게 되고, 1μm 두께에서는 30% 정도의 투과율밖에 얻어지지 않게 될 뿐만 아니라, 임계치 전압도 높아진다.
이러한 현상은 수직 배향 액정에서는 d(셀 갭)가 작아짐에 따라서, 액정 분자와 배향막의 계면에서의 상호 작용(interaction)이, 인가 전압에 의한 액정 분자의 다이렉터의 방향 변화에 대하여 상대적으로 커지기 때문이라고 생각된다. 이것에 대하여, 액정층 두께가 클 때에는 벌크(bulk)로서의 성질이 나오기 때문에, 다이렉터가 움직이기 쉬워지고, 상기의 계면에서의 상호 작용의 영향이 감소하는 것으로 생각된다.
상기한 바와 같이, 액정 표시 장치의 구동 전압이 높아지면, 통상의 Si 구동 소자 기판에서는 구동하는 것이 곤란해진다. 물론, 화소 구동 트랜지스터의 내압을 올림으로써, 이것을 해결할 수 있지만, 일반적으로는 프로세스가 복잡하게 되고, 비용 증가, 고소비 전력이 되는 데다가, 내압을 올리면, 트랜지스터의 사이즈가 커지는 것을 피할 수 없다. 이 때문에, 특히 10μm 정도 이하의 작은 화소 사이즈(또는 피치)로, 이러한 고내압 트랜지스터를 제작하는 것은 극히 어려워진다.
상기 이유에 의해, 종래의 수직 배향 액정을 사용한 반사형 표시 장치에 있어서, 액정층의 두께를 2.5μm 이하로 하는 것은 실용상 어려운 것이 현상이다.
또한, 액정층 두께를 그와 같이 작게 하는 것은 인가 전압에 대한 상승(응답성)도 느려지고, 게다가 장치의 제작 상의 수율(收率)도 저하된다.
더욱이, 상기의 종래 장치를 사용한 프로젝션 광학계에서는 이하에 나타내는 바와 같이, 높은 콘트라스트를 유지하기 위해서 광학계의 F 넘버(F 수)를 3.5 이상으로 하지 않으면 안 되고, 이 때문에 휘도를 높게 할 수 없다는 문제를 갖고 있다.
반사형 액정 표시 장치를 사용한 프로젝션 시스템에서는 도 17에 도시하는 바와 같이, 램프 광원(1)으로부터의 광속을, 편광 분리 장치인 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)의 각 색용의 편광 빔 스플리터(2R, 2G, 2B)를 통해, 수직 배향 액정을 사용한 반사형 액정 표시 장치(3R, 3G, 3B)에 조사하고, 이들의 장치로 편광 변조된 반사광을 각 색의 광을 합성하는 프리즘(X-Cube 프리즘; 4)으로 모아, 투사광(10(p))으로서 투사 렌즈(5)를 통해 스크린(도시하지 않음)에 투사하는 광학계가 필요하다.
여기서는, 반사형 액정 장치(3R, 3G, 3B)를 조명하는 조명 광학계로서, 백색 램프 광원(1)으로부터의 백색광(p 편광 성분과 s 편광 성분이 섞인 광(10(p, s)))이, 플라이 아이 렌즈(6), 편광 변환 장치(7), 콘덴서 렌즈(8) 등을 통해서 s 편광(10(s))이 되고, 또한 다이크로익 색 분리 필터(9)에 유도되고, 여기서 분리된 광이 전반사 미러(11, 12), 다이크로익 미러(13)를 지나서 각 색의 광(10R(s), 10G(s), 10B(s))이 된다. 그리고 편광 빔 스플리터(2R, 2G, 2B)를 통해 각 반사형 액정 표시 장치(3R, 3G, 3B)에 각각 입사하여, 각 반사광이 반사형 액정 표시 장치(3R, 3G, 3B)의 인가 전압에 따라서 편광 변조되고, 편광 빔 스플리터(2R, 2G, 2B)로의 재입사 후에 p 편광 성분의 광(10R(p), 10G(p), 10B(p))만이 투과하여 프리즘(4)으로 집광된다. 따라서, 이 반사형 액정 표시 장치를 사용한 표시는 인가 전압이 제로일 때에는 입사광이 그대로 s 편광으로서 반사하기 때문에, 편광 빔 스플리터를 통과하지 않고, 소위 노멀리·블랙·모드로 되어, 인가 전압의 상승과 함께 편광 변조되어, p 편광의 반사광이 증가하여 투과율이 상승한다(도 14 참조).
상기의 논문① 및 논문②에서 보고되어 있는 종래의 수직 배향 액정 표시 장치에 사용되고 있는 광학계의 F 넘버는 3.5 이상(논문①에서는 3.8로부터 4.8, 논문②에서는 3.5)이다. 광학계의 F 넘버는 장치로의 광의 입사각(= 반사광의 추출각)θ의 함수이고,
F= 1/(2×sinθ) ···식 3
으로 나타난다. F=3.5는 장치면의 연직 방향을 중심으로 하여 θ=±8.2°의 각도 내의 광으로 조명하여, 그 반사광을 추출하는 것을 의미한다.
상기 식 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, F 넘버가 작은 쪽이, 광의 조사·추출각(θ)이 커지기 때문에 토탈의 광속은 많아지고, 휘도는 높아진다. 그러나, 일반적으로 반사형 액정 장치의 흑 레벨의 수치(흑 상태에서의 투과율)는 입사각이 커지면 높아지는 것, 및 편광 빔 스플리터의 편광 분리 특성도 θ에 대하여 의존성을 갖고, θ가 커지면 열화하는 것을 피할 수 없고, 각도 성분이 큰 곳에서 p 편광 성분과 s 편광 성분의 분리도가 저하한다. 이 때문에, 흑 레벨이 상승하여 콘트라스트가 크게 저하하는 현상이 일어난다.
이와 같이, 실용 상, 휘도와 콘트라스트에는 트레드오프(양립 곤란성)가 있고, 이것을 이유로, 종래 장치를 사용한 프로젝션 시스템에서는 F 넘버(구체적으로는 투사 렌즈(5)의 F 넘버나 조명 광학계의 F 넘버: 이하, 동일)가 3.5 이상인 광학계가 사용되고 있다. 결국, 종래의 장치를 사용한 프로젝션 광학계에서는 실용 상 어느 정도의 높은 콘트라스트를 실현하는 요구로부터, F 넘버를 3.5보다도 작게 할 수 없고, 이 때문에, 휘도를 보다 높게 할 수 없다는 문제를 안고 있다.
그래서, 본 발명의 제 1 목적은 수직 배향 액정 표시 장치에 있어서, 액정층의 두께가 작아도, 저전압으로 액정 투과율이 포화에 도달하고, 작은 화소 사이즈에 있어서도, 통상의 내압 프로세스로 제작 가능한 구동 회로 기판에서 용이하게구동할 수 있는 고속 응답성의 반사형 액정 표시 소자, 이 표시 소자를 사용한 표시 장치, 프로젝션 광학 시스템 및 프로젝션 디스플레이 시스템을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 제 2 목적은 상기 제 1 목적에 더하여, F 넘버가 작은 고휘도의 광학계에서도, 충분히 낮은 흑 레벨이 유지되고, 실용 상 높은 콘트라스트를 실현할 수 있는(즉, 종래의 시스템에 비교하여 고휘도, 고콘트라스트의 쌍방을 가지고 있었다) 프로젝션 광학 시스템, 및 프로젝션 디스플레이 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명은 프로젝션 디스플레이 시스템 등에 적합한 반사형 액정(전기 광학)표시 소자, 및 그 표시 소자와 조합하여 사용되는 표시 장치, 프로젝션 광학 시스템, 프로젝션 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
도 1은 반사형 액정 표시 장치에 있어서의 수직 배향 액정 재료의 굴절율 이방성(△n)을 바꾼 경우의 V-T 곡선도(액정층의 두께(d)가 2μm인 경우)이다.
도 2는 반사형 액정 표시 장치에 있어서의 수직 배향 액정 재료의 굴절율 이방성(△n)을 바꾼 경우의 V-T 곡선도(액정층의 두께(d)가 1.5μm인 경우)이다.
도 3은 반사형 액정 표시 장치에 있어서의 수직 배향 액정 재료의 굴절율 이방성(△n)을 바꾼 경우의 V-T 곡선도(액정층의 두께(d)가 1μm의 경우)이다.
도 4는 반사형 수직 배향 액정 표시 장치의 응답 속도를 나타내는 그래프(3μm 및 3.5μm 두께의 시료는 종래 장치의 값)이다.
도 5는 반사형 액정 표시 장치에 있어서의 수직 배향 액정 재료의 두께(d), 굴절율 이방성(△n) 및 유전율 이방성(△ε)에 의한 포화 전압, 투과율 및 응답 속도를 각 시료에 관해서 정리하여 나타내는 표이다.
도 6은 상기 액정의 굴절율 이방성(△n)에 의한 포화 전압의 변화를 액정층 두께(d)마다 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 7은 상기 액정층의 두께가 3.5μm인 경우에, 액정의 굴절율 이방성(△n)을 0.13으로 하였을 때의 V-T 곡선도이다.
도 8은 상기 흑 상태 투과율의 액정층의 두께 의존성(종래 장치의 액정층 두께인 3.5μm 두께 장치의 흑 상태의 값을 100%로서 나타내었다)을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 반사형 수직 배향 액정 장치와 종래 장치의 측정 광학계의 F 넘버에 의한 흑 레벨의 변화를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 10은 상기 F 넘버에 의한 장치의 휘도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 반사형 수직 배향 액정 표시 장치의 개략 단면도이다.
도 12는 상기 Si 구동 회로 기판측의 주요부 단면도이다.
도 13은 상기 장치의 레이아웃 및 등가 회로도이다.
도 14는 종래 장치의 V-T 곡선도(액정층의 두께는 약 3μm)이다.
도 15는 종래 장치에서 액정층의 두께를 감소시켰을 때의 V-T 곡선도(△n은 0.082)이다.
도 16은 상기 액정층 두께에 의한 포화 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 17은 상기 반사형 액정 표시 장치를 사용한 프로젝션 광학계를 도시하는개략도이다.
즉, 본 발명은 광투과성 전극을 갖는 제 1 기체와, 광반사 전극을 갖는 제 2 기체가, 상기 광투과성 전극 및 상기 광반사 전극을 서로 대향시키고 또한 수직 배향 액정층을 개재시킨 상태에서, 대향 배치되어 있는 반사형 액정 표시 소자로서, 상기 수직 배향 액정층의 두께가 2μm 이하이고, 또한 수직 배향 액정 재료의 굴절율 이방성(△n)이, 0.1 이상인 반사형 액정 표시 소자(이하, 본 발명의 반사형 액정 표시 소자 또는 장치라고 칭한다.)에 관한 것이다. 여기서, 상기의 「광반사 전극」이란, 전극 자체가 광반사성인 전극은 물론이지만, 전극 상에 광반사층을 설치한 전극이나, 전극은 광투과성이더라도 하지막과의 계면에서 광반사성이 생길 때에는 그와 같은 하지막이 부착된 전극도 포함하는 의미이다(이하, 동일).
또한, 본 발명은 본 발명의 반사형 액정 표시 소자(또는 장치)를 구비하는표시 장치, 이 반사형 액정 표시 소자가 광로 중에 배치되어 있는 프로젝션 광학 시스템, 및 이 광학 시스템을 사용한 프로젝션 디스플레이 시스템에도 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 수직 배향 액정층의 두께를 2μm 이하로 작게 하더라도, 종래의 인식과는 다르고, 수직 배향 액정 재료의 △n의 값을 0.1 이상으로 크게 조정함으로써, 액정의 투과율이 5 내지 6V 이하의 전압으로 용이하게 포화하게 되고, 실용적인 저전압에서의 구동이 가능하게 되고, 또한, 투과율 자체도 현저하게 향상함을 알았다. 따라서, 충분한 투과율과 저전압 구동(저내압)의 구동 특성을 더불어 갖고, 고속 응답성이 뛰어난 반사형 수직 배향 액정 표시 장치와, 이것을 사용한 표시 장치, 프로젝션 광학 및 디스플레이 시스템을 실현할 수 있다.
이러한 현저한 작용 효과는 특히 수직 배향 액정 재료로서 △n이 0.1 이상으로 큰 것을 사용함으로써 얻을 수 있다. 이것은, 고속 응답을 위해 액정층의 두께를 2μm 이하로 작게 한 경우, 배향막-액정 분자간의 상호 작용에 의해서 다이렉터의 방향 변화에 영향을 주려고 해도, △n을 0.1 이상으로 크게 하고 있기 때문에 입사광이 인가 전압에 추종하여 액정 속에서 편광 변조되기 쉬워지고, 편광의 분리가 생기기 쉬워져, 저전압에서도 목적하는 투과율이 얻어지기 때문이라고 생각된다.
더욱이, 본 발명은 본 발명의 반사형 액정 표시 소자와 F 넘버가 3 이하의 광학계가 광로 중에 배치되어 있는 프로젝션 광학 시스템, 및 이 광학 시스템을 사용한 프로젝션 디스플레이 시스템도 제공하는 것이다.
이들의 시스템에 따르면, 수직 배향 액정층의 두께를 2μm 이하로 작게 하고 있기 때문에, 액정층 두께의 2승에 비례한다고 생각되는 흑 레벨을 낮게 억제할 수 있고, 광학계의 F 넘버가 3 이하라도, 고콘트라스트의 실현이 가능해지고, 더구나 작은 F 넘버에 의해서 고휘도도 더불어 실현되게 된다. 따라서, 본 발명의 반사형 액정 소자 장치와 F 넘버가 3 이하의 광학계를 사용한 프로젝션 광학 및 디스플레이 시스템은 종래 장치와 종래 광학계를 사용한 시스템과 비교하여, 높은 콘트라스트와 고휘도의 쌍방을 만족하는 시스템을 제공할 수 있다. 또, 광학계의 F 넘버는 사용하는 렌즈의 촛점 거리 등에 의해서 제어 가능하다.
본 발명의 반사형 액정 표시 소자에 있어서는 상기한 작용 효과를 얻는 데에 있어서, 수직 배향 액정의 층 두께는 2μm 이하로 해야하지만, 0.8 내지 2μm, 더욱이 1 내지 2μm로 하는 것이 바람직하다. 층 두께는 작은 쪽이 고속 응답의 점에서는 바람직하지만, 배향막과의 상호 작용의 억제나 층 두께의 제어성 면에서, 그 하한은 0.8μm이 좋고, 1μm가 더욱 좋다. 또한, 액정의 층 두께가 작더라도 편광 분리를 향상시키기 위해서 △n은 1 이상으로 해야하지만, 너무 크게 해도 그 효과가 향상되지 않으므로, 0.25 이하로 하는 것이 좋다.
그리고, 상기 광투과성 전극으로서의 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명 전극 및 Al 등의 상기 광반사 전극의 대향면 상에 각각 액정 배향막이 형성되고, 상기 광반사 전극이 상기 제 2 기체에 설치된 실리콘 등의 단결정 반도체 구동 회로에 접속되고, 액티브 구동형으로 구성되어 있는 것이 좋다. 제 2 기체로서 실리콘 구동 회로 기판을 사용하면, 그 자체가 불투명하고 반사형에 적합한 동시에, 구동 소자인 MOS 트랜지스터(Metal 0xide Semiconductor)나 전압 공급용의 보조 용량 등을 반도체 가공 기술에 의해서 미세패턴으로 고집적화할 수 있기 때문에, 고개구율이나, 화소 밀도 향상에 의한 고해상도화, 셀 사이즈의 축소, 또한 캐리어 전송 속도의 향상이 가능해진다.
실제로는 구동 회로가, 실리콘 기판에 화소마다 설치된 MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor) 등의 구동 트랜지스터를 구비하고, 이 구동 트랜지스터의 출력측에 상기 광반사 전극이 접속된다. 또한, 화소 사이즈는 저전압 구동에 의한 저내압 트랜지스터의 사용이 가능해지기 때문에, 10μm 이하를 실현할 수 있다. 액정 표시 장치의 사이즈도 대각 2 인치 이하로 할 수 있다.
또, 상기 수직 배향 액정 재료의 배향 제어는 산화규소막으로 이루어지는 액정 배향막에 의해서 행하는 것이 좋다. 이러한 배향막은 방향성으로써(즉, 액정 분자의 프레틸트각의 제어 용이한) 진공 증착법 등에 의해 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 반사형 액정 표시 소자를 구비하는 표시 장치, 및 그 액정표시 소자(혹은, 더욱이 F 넘버가 3 이하의 광학계)가 광로 중에 배치되어 있는 프로젝션 광학 및 디스플레이 시스템에 있어서)는 광원과, 이 광원으로부터의 광을 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사되는 광학계와, 상기 반사형 액정 표시 소자와, 이 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광을 유도하는 광학계와 광로 중에 배치되어 있어도 좋다.
이 경우, 상기 광원으로부터의 광이 편광 변환 소자 및 편광 빔 스플리터를 통해서 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사하고, 이 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 상기 편광 빔 스플리터를 재차 통해서 유도되거나, 혹은 또한 투사렌즈, 스크린에 유도되는 것이 좋다.
또한, 각 색마다 상기 반사형 액정 표시 소자와 상기 편광 빔 스플리터가 배치되고, 각각의 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 집광되고, 혹은 또한 상기 투사렌즈에 유도되어도 좋다. 구체적으로는, 백색 광원으로부터의 백색광이 상기 편광 변환 소자를 통해서 다이크로익 색 분리 필터에 유도되고, 여기서 분리된 광이 또한 각 색의 분리광으로 된 후에 상기 편광 빔 스플리터를 통해 상기 반사형 액정 표시 소자에 각각 입사하여, 각 반사광이 프리즘으로 집광된다.
여기서, 본 발명의 반사형 액정 표시 소자와 조합하여 사용되는 광학계의 F 넘버는 고콘트라스트와 고휘도를 양립시키는 데에 있어서 3 이하로 작은 값으로 해야하지만, 그 효과를 더욱 향상시키기 위해서는 3.0 이하, 1.5 이상(더욱이 2.0 이상)으로 하는 것이 바람직하다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 도면 참조 하에 설명한다.
우선, 본 실시 형태에 따른 표시 장치를 구성하는 액정 전기 광학 소자의 기본적인 구조를 도 11에 도시한다.
이 장치는 반사형 액정 표시 소자(23)로서, 화소 구조를 갖는 광반사 전극(30)을 설치한 Si 등의 단결정으로 이루어지는 Si 구동 회로 기판(31)과, 이것과 대향하는 투명 전극(32)이 부착된 유리기판 등의 투명기판(33)으로 이루어지고, 이들의 사이에(실제로는 액정 배향막(34-35)간에) 수직 배향 액정(36)을 봉입하여 이루어진다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 반사 전극 기판은 구동 회로 기판으로서, 단결정 실리콘 기판(37)에, CMOS나 n 채널 MOS로 이루어지는 트랜지스터(Tr)와 커패시터(C)로 이루어지는 구동 회로가 형성되고, 그 위에 Al이나 Ag로 대표되는 금속막으로 화소형의 광반사 전극(30)을 형성한 것이다. Al 등의 금속 광반사 전극의 경우는 광의 반사막과, 액정에 전압을 인가하는 전극과의 양쪽을 겸하고 있지만, 더욱이 광 반사율을 올리기 위해서 유전체 미러와 같은 다층막에 의한 광반사층을 Al전극의 위에 형성하여도 좋다.
도 12 중, 트랜지스터(Tr)는 예를 들면, n형 소스 영역(38) 및 드레인 영역(39)과 게이트 절연막(40) 및 게이트 전극(41)에 의해서 구성되고, 각 능동 영역에서는 각각 전극(42, 43)이 추출되어 있다. 이 중 전극(43)은 커패시터(C)를 구성하는 n형 영역(44)상의 절연막(유전체막; 45)에 접한 커패시터 전극(46)에 층간 절연막(47)을 개재하여 접속되고, 또한 층간 절연막(48, 49)을 개재하여 배선(50), 또한 광반사 전극(30)에 접속되어 있다. 그리고, 이 장치에는 도 17에서 도시한 바와 같은 s 편광의 입사광(10(s))이 수직 배향 액정(36)의 층 중에서 인가 전압에 따라서 편광 변환되고, p 편광을 포함하는 반사광(10(p))이 얻어지고, 이것이 상술한 편광 빔 스플리터(2)에 유도된다.
여기서, 이 반사형 액정 표시 소자는 본 발명에 기초하여, 수직 배향 액정(36)의 층두께(d; 셀 갭)가 2μm 이하로 이루어지고, 또한 수직 배향 액정(36)으로서 굴절율 이방성(△n)이 0.1 이상인 것이 사용되고 있다.
도 13은 장치의 기본적인 레이아웃 및 화소부의 등가 회로를 도시한다. Si 구동 회로 기판(31)은 각 화소 내에 형성되는 화소구동 회로와, 표시영역의 주변에 내장되는 논리부 드라이버 회로(데이터 드라이버, 주사 드라이버 등)로 이루어진다. 각 광반사(화소)전극(30)의 아래에 형성되는 화소 구동 회로는 스위칭 트랜지스터(Tr)와, 수직 배향 액정(36)에 전압을 공급하는 보조 용량(C)으로 구성된다. 수직 배향 액정(36)의 구동 전압에 대응한 내압이 트랜지스터(Tr)에 요구되고, 일반적으로는 논리(logic)보다도 높은 내압 프로세스로 제작된다. 고내압으로 됨에따라서 트랜지스터의 사이즈가 커지기 때문에, 또한 비용, 소비 전력의 관점에서, 통상은 8 내지 12V 정도의 내압의 트랜지스터가 사용되고, 따라서 액정 구동 전압으로서는 ±6V 이하가 되도록 설계되는 것이 바람직하지만, 본 발명에 따르면 그것이 실현 가능하다.
본 장치에서 사용되는 수직 배향 액정(36)은 그 분자 장축이, 인가 전압이 제로일 때에 거의 기판에 수직방향으로 배향하고, 전압을 인가하면 면내 방향에 대하여 기우는 것에 의해, 투과율이 변화하는 것이다. 구동 시에 액정 분자의 경사지는 방향이 똑같지 않으면, 명암의 얼룩이 생겨 버리기 때문에, 이것을 피하기 위해서, 도 11에 도시하는 바와 같이, 미리 약간의 프레틸트각을 일정 방향(일반적으로는 장치의 대각 방향)으로 주어 수직 배향시킬 필요가 있다.
프레틸트각이 너무 크면, 수직 배향성이 열화하여, 흑 레벨이 상승하여 콘트라스트를 저하시키거나, V-T 곡선에 영향을 준다. 따라서, 일반적으로는 1°부터 7°정도의 사이에 프레틸트각을 제어한다. 이 프레틸트각을 주는 액정 배향막(34, 35)로서는 SiO2로 대표되는 산화 규소막의 경사 증착막이나 폴리이미드막이 사용되고, 전자에서는 경사 증착 시의 증착 각도를 예를 들면 45° 내지 55°로 하고, 또한 후자에서는 러빙의 조건을 바꿈으로써, 상기 프레틸트각을 예를 들면 1° 내지 7°로 컨트롤한다.
종래 장치에서는 도 11의 장치 구조에 있어서의 수직 배향 액정층의 두께(d)는 3으로부터 4μm정도이고, 굴절율 이방성(△n)은 0.1보다 작은 값(전형적으로는0.08 정도)의 수직 배향 액정 재료를 사용하고 있다. 그런데, 종래 장치로 액정층의 두께(d)를 2.5μm 이하로 하면, 응답 속도는 빨라지지만, 상술한 바와 같이 구동 전압이 높아지고, 실용 장치로서는 부적합하게 된다. 액정층 두께의 감소에 의해서 구동 전압이 상승하는 현상의 메카니즘은 반드시 명확하지 않지만, 층 두께가 큰 경우에는 액정의 벌크적 성질이 주로 나타나는 데 대하여, 액정층이 얇아지면, 배향막과 액정의 계면에서의 양자의 상호작용의 영향(액정 분자를 경사시키지 않도록 작용한다고 생각된다.)이 무시할 수 없게 되는 것이 요인이라고 생각된다.
본 발명자는 이러한 문제를 극복하기 위해서, 많은 실험을 반복한 결과, 수직 배향 액정 재료의 굴절율 이방성(△n)의 값을 0.1 이상으로 크게 조정함으로써, 상기의 문제를 해결할 수 있는 것을 발견하였다. 도 1 및 도 2에는 액정층의 두께(d)가 2μm 및 1.5μm의 경우에 관해서, 액정의 △n치를 바꾼 경우의 V-T 곡선의 변화를 나타내고 있다. 이들의 도면으로부터, 액정층의 두께(d)를 특히 2μm 이하로 감소시키더라도, △n을 0.1 이상으로 함으로써, 투과율은 4 내지 6V 이하의 전압으로 용이하게 포화하게 되고, 실용적인 구동을 할 수 있게 됨을 알 수 있다.
더구나, d=1μm로 대단히 얇은 액정층 두께의 장치에 있어서 조차, 본 발명에 따르면, 도 3에 도시하는 바와 같이, △n을 0.1 이상으로 하는 것에 의해, 6V 정도의 구동 전압으로 거의 포화하게 되어, 더욱이 투과율도 종래 장치의 재료 구성으로서는 30% 정도밖에 아니던 것이 현저하게 향상하는 것도 알 수 있다. 특히 △n=0.13의 높은 △n치의 액정재료를 사용함으로써, 1μm 두께라도 충분한 투과율과 구동 특성을 가지는 Si 반사형 수직 배향 액정 표시 장치를 실현할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 반사형 액정 표시 장치의 응답 속도(상승 시간+하강 시간)를 나타내고 있다. 종래의 장치와 비교하여 대단히 고속으로 되고, d=2μm 두께로 7 내지 9msec, 1.5μm 두께 이하가 되면 수 msec 이하로 되었다(단, d=2.5μm 두께에서는 13 내지 14msec과 응답 속도가 불충분해진다). 더욱이, d=1.5μm 두께 이하의 장치에서는 중간조에 있어서도 8msec 이하의 고속 응답을 유지하였다. 본 장치에 의해, 중간조 표시나 동화상이 많은 영화나 텔레비전 화상에 있어서도, 손색이 없는 화질을 실현된다.
도 5에는 본 발명에 따른 장치(시료 No.7 내지 15)의 여러가지 특성을 비교시료(시료 No.1 내지 6, 16 내지 19)와 함께 정리하여 도시하고, 도 6에는, △n에 의한 포화 전압의 변화를 액정층 두께(d)마다 도시한다. 구동 특성, 투과율 및 응답 속도의 관점에서, 액정층의 두께(d)는 2μm 이하, 특히 1 내지 2μm가 바람직하고, 액정의 △n은 2μm 두께에서는 △n≥0.1(보다 바람직하게는 △n≥0.103, 더욱이 △n≥0.114), 1.5μm 두께에서는 △n≥0.106(보다 바람직하게는 △n≥0.11, 또한 △n≥0.114) 및 1μm 두께에서는 △n≥0.104(보다 바람직하게는 △n≥0.114, 또한 △n≥0.12)가 실용 상, 특히 적합하다.
그런데, 종래 장치의 액정층 두께 3.5μm인 경우에, △n=0.1 이상의 높은 굴절율 이방성(△n)을 갖는 수직 배향 액정 재료를 사용한 경우에 관해서, △n= 0.13의 경우를 예로서, 그 V-T 곡선을 도 7에 도시한다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 임계치 전압이 상당히 작아지고, 약 2V의 구동 전압으로 포화하게 된다. 그러나, 상술한 식 1에 도시하는 바와 같이, 응답 속도는 액정의 층 두께(d)이외에 구동 전압의 2승에 반비례하기 때문에, 이러한 낮은 구동 전압은 응답 속도를 대단히 저하시키는 요인)이 된다. 실제의 측정에 따르면, 이 장치의 흑백 응답 속도는 46msec(약 50msec)이 되고, 더욱이 중간조가 되면, 구동 전압이 보다 내려가는 것을 반영하여 100msec 가깝게 되고, 실용성이 부족한 것은 분명하다. 이와 같이, 종래 장치에서는 응답 속도의 관점에서, △n의 값은 오히려 O.1보다 작게 할 필요가 있다.
이상과 같이, 본 발명은 액정층의 두께(d)가 2μm 이하의 반사형 수직 배향 액정 표시 장치를 실현하기 위한, 액정재료의 △n치의 필요 조건을 새롭게 찾아낸 것이고, 액정층 두께(d)가 2μm 이하라도 △n≥0.1로 함으로써, 포화전압을 저하시켜, 응답 속도도 향상시킬 수 있는 것이다.
또, 하기의 표에는 상기한 각종 △n(또한 △ε치)의 수직 배향 액정 재료(이들은 모두 메르크사 제조)를 정리하여 나타낸다.
수직 배향 액정 재료
시료 A 시료 B 시료 C 시료 D
△n + 0.082 + 0.103 + 0.114 + 0.13
n(∥) 1.557 1.584 1.598 1.62
n(⊥) 1.475 1.481 1.484 1.49
△ε -4.1 -5.0 -5.3 -4.3
ε(∥) 3.5 4.0 3.9 3.8
ε(⊥) 7.6 9.0 9.2 8.1
다음에, 본 발명에 따른 수직 배향 액정 표시 장치가, 종래 장치보다도 작은 F 넘버의 광학계에 대해서도 유효한 것을 말한다.
우선, 본 발명에 따른 액정층 두께가 얇은 장치의 흑 레벨이, 종래의 3 내지 4μm 두께의 장치보다도 낮아지는 것을 찾아낸 결과를 나타낸다. 도 8은 본 발명에 따른 수직 배향 액정 표시 장치의 흑 레벨의 수치(전압 제로에서의 흑 상태에서의 투과율)를 액정층 두께의 함수로서 나타내었다. 각각의 재료계에서, 3.5μm 두께에서의 수치를 100%로서 나타내고 있다(횡축은 액정층의 두께이다.).
이것에 따르면, 인가 전압이 제로일 때는 액정 분자는 거의 기판면에 수직으로 배향하고 있기 때문에, 원리적으로는 입사광은 편광상태를 바꾸지 않고서 반사되고, 편광 빔 스플리터에 의해서 입사측으로 되돌려지게 되지만, 실제의 장치에서는 프레틸트각 분만 액정 분자가 경사지고 있어 이로써 간신히 타원화하는 것, 또한 상술한 바와 같이 편광 빔 스플리터의 편광 분리 특성에 입사각 의존성이 있기 때문에, 이들에 의해 흑 상태에서의 투과율이 상승하여, 콘트라스트를 열화시킨다.
그러나, 본 발명에 따른 장치의 흑 레벨의 수치는 도 8에 도시하는 바와 같이, 액정의 층 두께가 얇아질수록 저하하여, 2μm 두께의 장치에서는 종래 장치의 두께인 것과 비교하여 20 내지 30%, 1.5μm 두께에서는 10 내지 20%, 1.0μm 두께에서는 5 내지 15%가 되는 것이 발견되었다(단, 2.5μm 두께에서는 40 내지 50%로 크다). 콘트라스트는 백 레벨과 흑 레벨의 비로 나타나지만, 백 레벨은 거의 같기 때문에, 도 8에 도시하는 결과는 본 발명에 따른 장치의 콘트라스트가, 예를 들면 1.5μm 두께의 장치로서는 5 내지 10배 이상 높아지는 것을 나타내고 있다.
이와 같이 액정층 두께의 감소에 의해 흑 레벨의 수치가 저하하는 주된 이유는, 이하에 기초하는 것으로 생각된다. 본 장치계의 액정의 투과율(T)은 다음 식 4로 나타난다.
T∝sin2(2d·△n(eff)·π/λ) ··· 식 4
여기서, λ는 광의 파장이고, △n(eff)은 액정 분자의 연직방향으로부터의 경사각(θ)에 따른 실효적인 굴절율 이방성이고, 다음 식 5로 나타난다.
액정의 구동 전압을 높여 가면, 액정 분자의 경사각(θ)이 커지고, 그것에 따라서 △n(eff)이 증가하고, 투과율이 증대한다. 원리적으로 θ=90°로 △n(eff)은 액정 재료의 △n의 값과 같아지는 것을 알 수 있다. 식 4로부터, 투과율은 2 d·△n(eff)·π/λ=π/2의 조건을 만족하는 경우에 T=100%가 된다.
흑 레벨, 즉 흑 상태의 투과율은 액정 분자가 완전하게 수직으로 배향하면(θ=0), △n(eff)=0이 되고, 흑 상태의 투과율은 제로가 되지만, 실제로는 상술한 바와 같이 1 내지 7°정도의 프레틸트각을 붙여 배향시키기 때문에, △n(eff)은 유한의 값이 되고, 이것이 흑 상태의 투과율을 준다. 프레틸트각이 커질수록, 흑 상태에서의 투과율이 상승하기 때문에, 보다 바람직하게는 5°이하로 제어한다. 흑 레벨에 있어서는, 2d·△n(eff)·π/λ는 작은 값이기 때문에, 식 4는 근사적으로 T∝sin2(2d·△n(eff)·π/λ)≠(2 d·△n(eff)·π/λ)2가 되고, 액정층 두께(d)의 2승에 비례하는 것이라고 이론적으로는 생각된다. 도 8에 도시한 실측 데이터는 대략, 이 관계로 설명할 수 있음을 안다.
이와 같이, 본 장치는 액정층의 두께(d)가 2μm 이하로 얇게 설계되어 있는것에 의해, 종래와 같은 3 내지 4μm 두께의 장치와 비교하여, 흑 레벨이 본질적으로 낮게 억제되고, 높은 콘트라스트를 실현하는 것이 가능하다.
종래 장치에서는 광학계의 F 넘버를 작게 하면, 흑 레벨이 상승하여 콘트라스트가 확보되지 않게 되기 때문에, F 넘버를 3.5 이상으로 설정하지 않을 수 없는 것을 기술하였지만, 본 발명에 따른 장치에서는 상기한 바와 같이 장치 단체의 흑 레벨이 대단히 낮아지기 때문에, 작은 F 넘버의 광학계에서도 충분한 콘트라스트를 확보할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 장치에 있어서, 도 17의 투사 렌즈(5)나 조명 광학계에 대응하는 측정 광학계의 F 넘버를 바꾸었을 때의 흑 상태의 투과율의 변화를 나타낸다. F 넘버를 작게 하면, 흑 레벨은 상승하지만, 본 발명에 따른 장치에서는 어느쪽의 F 넘버에 있어서도, 종래 장치보다 낮은 흑 레벨을 유지하고 있기 때문에, F 넘버가 3 이하로 작은 광학계에서도 충분한 콘트라스트를 실현할 수 있다. 더구나, 도 10에 도시하는 바와 같이, F 넘버가 3 이하에, 휘도도 충분한 것으로 되고(단, 2 미만에서는 휘도가 포화된다.), F 넘버가 3을 넘으면 휘도가 상당히 저하한다.
휘도에 관해서는 실용의 프로젝션 시스템에 있어서, 예를 들면 대각 0.7 인치의 장치에서 120W의 램프를 사용한 광학계에서는, F=3.85로부터 F=2로 하면, 그 휘도는 약 60% 향상하는 것이 실험으로부터 알고 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 장치와, F 넘버가 3 이하의 광학계를 사용한 프로젝션 광학 시스템 및 프로젝션 디스플레이 시스템은, 종래 장치와 종래 광학계를 사용한 시스템과 비교하여, 높은 콘트라스트와 고휘도의 쌍방을 만족하는 프로젝션 시스템을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 같이 구체적으로 설명한다.
〔비교예 1〕
종래 장치를 다음과 같이 제작하였다. 우선, 투명 전극이 성막된 유리기판과, Al 전극이 형성된 Si 구동 회로 기판을 세정한 후, 증착 장치에 도입하여, 액정 배향막으로서 SiO2막을, 증착 각도 45 내지 55°의 범위로 경사 증착하여 형성하였다. 액정 배향막의 막 두께는 50nm로 하고, 액정의 프레틸트각은 약 2.5°가 되 도록 제어하였다.
그 후, 액정 배향막이 형성된 상기 양 기판의 사이에 1 내지 3.5μm 직경의 유리 비즈를 적당한 수만 살포하여, 양자를 접합하고, 메르크사 제조의, 유전율 이방성(△ε)이 음이고, △n=0.082를 갖는 수직 배향 액정 재료를 주입하고, 3.5μm, 2.9μm, 2.5μm, 2μm, 1.5μm 및 1μm의 액정층 두께(셀 갭)를 갖는 6종류의 반사형 액정 표시 장치(도 5의 시료 No.1 내지 6)를 제작하였다.
이들의 장치에 있어서, 투명 전극과 Al전극과의 사이에 전압을 가하여, 인가 전압을 바꾸었을 때의 액정의 투과율의 변화(반사형이므로, 실제로는 장치의 반사율을 측정하고 있지만, 액정의 투과율을 측정하고 있는 것과 등가이기 때문에, 이하, 이와 같이 기재한다.)를 측정하였다. 측정은 실온에서 행하였다.
그 액정 구동 특성을 도 15에 도시한다. 도 15, 또한 도 16에 도시하는 바와 같이, 액정층의 두께가 2.5μm보다 얇아지면, 포화 구동 전압이 급상승하여 6V를 넘게 되었다.
〔실시예 1〕
비교예 1과 동일한 방법으로, 투명 전극 부착 기판과 Al 전극이 형성된 Si 구동 회로 기판과 각각 SiO2막으로 이루어지는 액정 배향막을 형성하고, 그것들의 기판 간에, 메르크사 제조의, 유전율 이방성(△ε)이 음이고, 굴절율 이방성(△n)이 0.103, 0.114 및 0.13의 3종류의 수직 배향 액정 재료를 주입하고, 각각의 재료로, 2μm, 1.5μm 및 1μm의 액정층의 두께를 갖는, 계 9종류의 반사형 액정 표시 장치(도 5의 시료 No.7 내지 15)를 제작하였다. 액정의 프레틸트각은 약 2.5°가 되도록 제어하였다.
이들의 장치의 액정 구동 특성을, 비교예 1과 동일하게 하여, 실온에서 측정하였다. 도 1, 도 2 및 도 3은 각각, 액정층의 두께가 2μm, 1.5μm 및 1μm의 경우에 대한 구동 특성을 도시한다. 도 5에는 각 장치의, 투과율이 거의 포화하는 구동 전압과 그 투과율의 값을 정리하였다.
이 결과로부터, 액정층의 두께(d)를 2μm 이하로 감소시키더라도, △n을 0.1이상으로 함으로써, 투과율은 4 내지 6V 이하의 전압으로 용이하게 포화하게 되고, 실용적인 구동을 할 수 있게 됨을 알았다. 더구나, 투과율도 종래 장치와 비교하여 크게 향상하기 때문에, 충분한 투과율과 구동 특성을 가지는 Si 반사형 수직 배향 액정 표시 장치를 실현되었다.
액정 배향막으로서, 산화 규소막의 대신에, 폴리이미드막을 사용하여 러빙으로 배향 제어한 장치도 제작하였지만, 결과는 상기와 동일하였다.
〔실시예 2〕
실시예 1에서 제작한 반사형 액정 표시 장치의 상승(흑으로부터 백) 및 하강(백으로부터 흑)으로의 응답 속도를 측정하였다. 그 총합을 장치의 응답 속도로 하고, 도 5에 그 결과를 도시한다. 측정은 실온에서 하였다. 도 4에는 대표 예로서 △n=0.13인 장치의 경우(도 5의 시료 No.9, 12, 15, 및 d=2.5μm의 시료)에 관해서, 액정층의 두께를 함수로서 나타내었다. 또한 비교로서, 종래 예의 시료 No.1과 3μm 두께로 제작한 시료(모두 △n=0.082)의 응답 속도도 나타내었다.
응답 속도는 상술한 식 1, 2로부터 추측되는 바와 같이, 액정층의 두께의 거의 2승에 비례하여 변화하였지만, 본 발명에 따른 장치에서는 액정층 두께(d)를 2μm 이하, △n을 0.1 이상으로 하고 있기 때문에, 9msec 이하의 고속의 응답을 실현할 수 있는 것이 실증되었다.
〔비교예 2〕
실시예 1과 동일한 방법으로, △n=0.13의 액정재료를 사용하여 층 두께 3.5μm의 반사형 액정 표시 장치(시료 No.16)를 제작하여, 액정 구동 특성을 조사하였다.
도 7은 그 결과를, △n=0.082의 경우(시료 No.1)와 비교하여 나타내지만, 이 장치의 구동 전압은 대단히 낮아졌다. 또한, 실온에서의 응답 속도를, 실시예 2와동일하게 측정한 결과, 응답 속도는 46msec였다. 이것은 중간조로서는 구동 전압이 1V대가 되기 때문에, 더욱 느려지고, 25%의 계조에서의 응답 속도는 100msec 가까이 되었다.
〔실시예 3〕
실시예 1에서 제작한 반사형 액정 표시 장치의, 인가 전압이 제로(흑 상태)일 때의 투과율(흑 레벨)을 측정하였다. 액정층의 두께에 대한 흑 레벨의 변화를 계통적으로 조사하기 위해서, 각 △n의 시료로, 종래 장치의 층두께인 3.5μm의 장치(도 5의 시료 No.17 내지 19) 및 층두께 2.5μm의 장치를 제작하고, 실시예 1의 시료(시료 No.7 내지 15)와 함께 측정하였다. 각각의 △n의 시료로, 3.5μm 두께의 장치의 수치를 100%로서, 흑 레벨의 수치를 나타낸 것이 도 8이다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 어느쪽의 △n의 시료라도, 액정층의 두께를 얇게 하여, 2μm 이하가 되면, 흑 레벨은 현저하게 저하하고, 예를 들면 1.5μm 두께의 장치에서는 3.5μm 두께의 장치의 수치에 대하여 10 내지 20%의 낮은 흑 레벨을 나타내는 것이 발견되었다. 즉, 장치의 콘트라스트는 5 내지 10배가 되는 것을 나타내고 있다. 도 7의 측정 광학계의 F 넘버는 3.85이지만, F 넘버를 바꾸더라도, 이 경향은 대체로 같았다.
〔실시예 4〕
실시예 1의 △n=0.13,액정층 두께 1.5μm, 2.0μm의 장치(시료 No.12,9)를, F 넘버가 3.85,3 및 2의 측정 광학계에 장착하고, 장치의 흑 레벨(흑 상태의 투과율)을 종래 장치(시료 No.1)와 비교하였다.
도 9는 그 결과를 도시한다. F 넘버의 저하에 의해, 흑 레벨은 상승하지만, 본 발명에 따른 장치에서는 어느쪽의 F 넘버에 있어서도, 종래 장치보다 낮은 흑 레벨을 유지하고 있다. 각 장치의 백 레벨의 투과율은 약 0.6으로 거의 동일하였다. 따라서, 흑 레벨의 비가 그대로 장치의 콘트라스트의 비를 주고, F 넘버가 3 이하로 작은 광학계에 있어서의 콘트라스트를 실현할 수 있는 것을 알 수 있다. 이 F 넘버의 하한은 1.5, 더욱이 2.0으로 하는 것이 좋다.
또한, 상기와 동일한 사양으로, 대각 0.7 인치의 Si 반사형 수직 배향 액정 표시 장치를 제작하여, 120W의 램프광원을 사용하고, F 넘버= 3.85, 3.5, 3, 2.5 및 2의 실용 프로젝션 광학계에서 휘도를 비교한 바, 도 10에 도시하는 바와 같이 F 넘버=3.85의 광학계의 휘도치에 대하여, F 넘버=3에서는 약 32%, F 넘버= 2.5에서는 약 44%, F 넘버=2에서는 약 60% 향상하여, F 넘버≤3으로 급격하게 향상하였다. 단, F 넘버=3.5로서는 약 15%밖에 향상하지 않고, 또한 F 넘버=1.5에서는 F 넘버=2로 그다지 변하지 않았다. 콘트라스트는 상술한 바와 같이, F넘버≤3의 광학계에서도, 종래 장치의 콘트라스트보다도 높은 콘트라스트가 유지되었다. 즉, 종래 장치보다도 휘도와 콘트라스트의 쌍방이 향상한 프로젝션 시스템을 실현할 수 있었다.
이상에 언급한 본 발명의 실시 형태 및 실시예는 본 발명의 기술적 사상에 기초하여 여러 가지로 변형 가능하다.
예를 들면, 상술한 반사형 액정 표시 소자나 이것을 사용한 광학 또는 프로젝션 시스템의 구성 부분의 구조, 재질 등은 상술한 것에 한정되는 것은 없고, 잡다하게 변경해도 좋다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 수직 배향 액정층의 두께를 2μm 이하로 작게 하더라도, 수직 배향 액정 재료의 △n의 값을 0.1 이상으로 크게 조정함으로써, 액정의 투과율이 5 내지 6V 이하의 전압으로 용이하게 포화하게 되고, 실용적인 저전압에서의 구동이 가능하게 되며, 또한 투과율 자체도 현저하게 향상한다. 따라서, 충분한 투과율과 저전압 구동(저내압)의 구동 특성을 갖고, 고속 응답에 뛰어난 반사형 수직 배향 액정 표시 장치와, 이것을 사용한 표시 장치, 프로젝션 광학 및 디스플레이 시스템을 실현할 수 있다.
또한, 이들의 시스템에 있어서, 수직 배향 액정층의 두께를 2μm 이하로 작게 하고 있기 때문에, 액정층 두께의 2승에 비례한다고 생각되는 흑 레벨을 낮게 억제할 수 있고, 광학계의 F 넘버가 3이하로 작더라도, 고콘트라스트의 실현이 가능해져, 더구나 작은 F 넘버에 의해서 고휘도도 더불어 실현되게 된다. 따라서, 높은 콘트라스트와 고휘도의 쌍방을 만족하는 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (30)

  1. 광투과성 전극을 갖는 제 1 기체와, 광반사 전극을 갖는 제 2 기체가, 상기 광투과성 전극 및 상기 광반사 전극을 서로 대향시키고 또한 수직 배향 액정을 개재시킨 상태에서, 대향 배치되어 있는 반사형 액정 표시 소자로서, 상기 수직 배향 액정층의 두께가 2μm 이하이고, 또한 수직 배향 액정 재료의 굴절율 이방성(△n)이 0.1 이상인, 반사형 액정 표시 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광투과성 전극으로서의 투명 전극 및 상기 광반사 전극의 대향면 상에 각각 액정 배향막이 형성되고, 상기 광반사 전극이 상기 제 2 기체에 설치된 실리콘 등의 단결정 반도체 구동 회로에 접속되고, 액티브 구동형으로 구성되어 있는, 반사형 액정 표시 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단결정 반도체 구동 회로가, 상기 제 2 기체로서의 실리콘 기판에 화소마다 설치된 구동 트랜지스터를 구비하고, 이 구동 트랜지스터의 출력측에 상기 광반사 전극이 접속되어 있는, 반사형 액정 표시 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    화소 사이즈가 10μm 이하인, 반사형 액정 표시 소자.
  5. 제 2 항에 있어서,
    산화규소막이 상기 액정 배향막으로서 형성되어 있는, 반사형 액정 표시 소자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 표시 소자를 구비하는, 표시 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    광원과, 이 광원으로부터의 광을 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사시키는 광학계와, 상기 반사형 액정 표시 소자와 이 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광을 유도하는 광학계가 광로 중에 배치되어 있는, 표시 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광원으로부터의 광이 편광 변환 소자 및 편광 빔 스플리터를 통해서 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사하고, 이 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 상기 빔 스플리터를 재차 통해서 유도되는, 표시 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    각 색마다 상기 반사형 액정 표시 소자와 상기 편광 빔 스플리터가 배치되고, 각각의 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 집광되는, 표시 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    백색 광원으로부터의 백색광이 상기 편광 변환 소자를 통해서 다이크로익 색 분리 필터에 유도되고, 여기서 분리된 광이 또한 각 색의 분리광으로 된 후에 상기 편광 빔 스플리터를 통해 상기 반사형 액정 표시 소자에 각각 입사하여, 각 반사광이 프리즘으로 집광되는, 표시 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 반사형 액정 표시 소자가 광로 중에 배치되어 있는, 프로젝션 광학 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    광원과, 이 광원으로부터의 광을 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사시키는 광학계와, 상기 반사형 액정 표시 장치와, 이 반사형 액정 표시 장치로부터의 반사광을 유도하는 광학계가 상기 광로 중에 배치되어 있는, 프로젝션 광학 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광원으로부터의 광이 편광 변환 소자 및 편광 빔 스플리터를 통해서 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사하고, 이 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 상기 편광 빔 스플리터를 재차 통해서 투사렌즈에 유도되는, 프로젝션 광학 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각 색마다 상기 반사형 액정 표시 소자와 상기 편광 빔 스플리터가 배치되고, 각각의 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 집광되어 상기 투사렌즈에 유도되는, 프로젝션 광학 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    백색 광원으로부터의 백색광이 상기 편광 변환 소자를 통해서 다이크로익 색 분리 필터에 유도되고, 여기서 분리된 광이 또한 각 색의 분리광이라고 된 후에 상기 편광 빔 스플리터를 통해 상기 반사형 액정 표시 소자에 각각 입사하여, 각 반사광이 프리즘으로 집광되는, 프로젝션 광학 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재한 반사형 액정 표시 소자가 광로 중에 배치되어 있는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    광원과, 이 광원으로부터의 광을 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사시키는 광학계와, 상기 반사형 액정 표시 소자와, 이 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광을 유도하는 광학계가 상기 광로 중에 배치되어 있는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 광원으로부터의 광이 편광 변환 소자 및 편광 빔 스플리터를 통해서 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사하여, 이 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 상기 편광 빔 스플리터를 재차 통해서 투사렌즈, 더욱이 스크린에 유도되는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    각 색마다 상기 반사형 액정 표시 소자와 상기 편광 빔 스플리터가 배치되고, 각각의 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 집광되어 상기 투사렌즈에 유도되는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    백색 광원으로부터의 백색광이 상기 편광 변환 소자를 통해서 다이크로익 색 분리 필터에 유도되고, 여기서 분리된 광이 또한 각 색의 분리광으로 된 후에 상기 편광 빔 스플리터를 통해 상기 반사형 액정 표시 소자에 각각 입사하여, 각 반사광이 프리즘으로 집광되는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
  21. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 반사형 액정 표시 소자와, F 넘버가 3 이하의 광학계가 광로 중에 배치되어 있는, 프로젝션 광학 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    광원과, 이 광원으로부터의 광을 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사시키는 광학계와, 상기 반사형 액정 표시 소자와, 이 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광을 유도하는 광학계가 상기 광로 중에 배치되어 있는, 프로젝션 광학 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 광원으로부터의 광이 편광 변환 소자 및 편광 빔 스플리터를 통해서 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사하고, 이 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 상기 편광 빔 스플리터를 재차 통해서 투사렌즈에 유도되는, 프로젝션 광학 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    각 색마다 상기 반사형 액정 표시 소자와 상기 편광 빔 스플리터가 배치되고, 각각의 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 집광되어 상기 투사렌즈에 유도되는, 프로젝션 광학 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    백색 광원으로부터의 백색광이 상기 편광 변환 소자를 통해서 다이크로익 색 분리 필터에 유도되고, 여기서 분리된 광이 또한 각 색의 분리광으로 된 후에 상기 편광 빔 스플리터를 통해 상기 반사형 액정 표시 소자에 각각 입사하여, 각 반사광이 프리즘으로 집광되는, 프로젝션 광학 시스템.
  26. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 기재한 반사형 액정 표시 소자와 F 넘버가 3 이하인 광학계가 광로 중에 배치되어 있는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    광원과, 이 광원으로부터의 광을 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사시키는 광학계와, 상기 반사형 액정 표시 소자와, 이 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광을 유도하는 광학계가 상기 광로 중에 배치되어 있는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 광원으로부터의 광이 편광 변환 소자 및 편광 빔 스플리터를 통해서 상기 반사형 액정 표시 소자에 입사하고, 이 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 상기 편광 빔 스플리터를 재차 통해서 투사렌즈, 또한 스크린에 유도되는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    각 색마다 상기 반사형 액정 표시 소자와 상기 편광 빔 스플리터가 배치되고, 각각의 반사형 액정 표시 소자로부터의 반사광이 집광되어 상기 투사렌즈에 유도되는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    백색 광원으로부터의 백색광이 상기 편광 변환 소자를 통해서 다이크로익 색 분리 필터에 유도되고, 여기서 분리된 광이 또한 각 색의 분리광으로 된 후에 상기 편광 빔 스플리터를 통해 상기 반사형 액정 표시 소자에 각각 입사하여, 각 반사광이 프리즘으로 집광되는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
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