WO2004079438A1 - 反射型液晶表示素子および液晶表示装置 - Google Patents

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Shunichi Hashimoto
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Definitions

  • the present invention relates to a reflection type liquid crystal display device having a reflection type pixel electrode and a liquid crystal display device such as a reflection type liquid crystal projector for displaying an image using the reflection type liquid crystal display device.
  • reflection type devices that can be made smaller, have higher definition, and can be expected to have higher light use efficiency have attracted attention and have been put into practical use.
  • a reflection-type device an active-type reflection-type liquid crystal display device in which liquid crystal is injected between a pair of substrates arranged opposite to each other is known.
  • one of the pair of substrates is a counter substrate in which a transparent electrode is formed on a glass substrate, and the other is a silicon (complementary-metal oxide semiconductor) type silicon circuit (for example, a CMOS).
  • CMOS complementary-metal oxide semiconductor
  • a metal reflective pixel electrode for reflecting light and applying a voltage to the liquid crystal is disposed on the drive element substrate, thereby constituting a pixel electrode substrate as a whole.
  • the reflective pixel electrode is made of a metal material mainly composed of aluminum, which is generally used in the LSI (Large Scale Integrated Circuit) process.
  • a voltage is applied to the liquid crystal by applying a voltage to the transparent electrode provided on the opposing substrate and the reflective pixel electrode provided on the driving element substrate.
  • the liquid crystal changes its optical characteristics according to the potential difference between the electrodes, and modulates the incident light. This modulation enables gradation expression, and video display is performed.
  • an active reflective liquid crystal display device into which vertically aligned liquid crystal is injected has a high contrast and a high response speed.
  • the pixel pitch is generally as small as 10 ⁇ m or less, so that the defect area around the pixel is smaller than that of a direct-view type liquid crystal device having a large pixel pitch of several tens of ⁇ m or more. Since it is easy to affect the image quality and cannot be hidden by black matrix like a transmissive liquid crystal display device, it is a basic requirement that practically required to minimize or eliminate the misalignment region as much as possible. is there.
  • the reflective pixel electrode 111 is arranged in a matrix on the silicon driving element substrate 110.
  • the reflective pixel electrode 111 is formed of silicon in the semiconductor process.
  • the electrode is formed in a square shape by processing using a photolithography technique. In this case, since each pixel is electrically driven independently, the reflective pixel electrode 111 is cut in the pixel plane so as not to be completely electrically short-circuited. For this reason, the side surface shape of each reflective pixel electrode 111 generally becomes vertical and perpendicular to the thickness direction as shown in FIG. 9B. .
  • the width between adjacent reflective pixel electrodes 1 1 1 1, that is, the width W 1 between pixels (pixel grooves) depends on the resolution of the lithography and the design rules, but is usually 0.4 to 1 micron. It is about. However, it seems that processing down to 0.3 micron is possible depending on the improvement of manufacturing technology. Therefore, assuming that the pixel pitch W2 is 10 microns, a square electrode of 9.7 to 9.0 microns square is surrounded by a groove having a width of 0.3 to 1 micron as the reflective pixel electrode 111. taking it. From the viewpoint of reflectance, the reflectance increases as the display pixel area occupancy (aperture ratio) increases, so that the smaller the width W1 of the pixel groove is, the better the reflectance characteristics are.
  • FIGS. 10A and 10B schematically show a state in which a vertically aligned liquid crystal material is aligned on the pixel structure shown in FIGS. 9A and 9B.
  • an alignment film 112 is laminated on the entire surface, and the long axis of the liquid crystal molecules is aligned in the pretilt angle direction by the alignment film base. It is almost vertically oriented.
  • the alignment film 112 is formed on the side surface of the reflective pixel electrode 111, and the liquid crystal molecules tend to be oriented vertically to it. This time, it was observed by measurement.
  • the pixel groove is as wide as 1 micron, for example (Fig. 10A)
  • the area ratio of the vertical alignment force by the alignment film formed at the bottom of the pixel groove is large, and it becomes dominant, so the influence of the side surface Is relaxed, and the whole becomes almost vertically oriented, and no defect occurs around the pixel.
  • FIG. 10B when the pixel groove width W 1 is 0.7 ⁇ m or less, the influence of the pixel side surface is large, and as a result, the horizontal alignment component is large in the pixel groove. Inclusion was observed.
  • the horizontal alignment component in the pixel groove also affects the periphery of the pixel.As a result, the pixel is vertically aligned in the pixel plane, but is unevenly aligned with horizontal alignment from the pixel periphery to the pixel groove. . In particular, a phenomenon in which poor alignment seeps out at the end portion within the pixel (region 120 in FIG. 10B) is seen, and this particularly deteriorates the image quality. As a result of the measurement, this tendency became more severe as the width W 1 of the pixel groove was smaller and the depth of the groove portion was deeper. In such a state, uniform alignment can be obtained over the entire display region, and various characteristics are deteriorated. If the width W1 of the pixel groove is sufficiently large, no problem will occur, but it is not practical because the reflectance decreases due to a decrease in the aperture ratio. The above phenomenon is a problem peculiar to the vertically aligned liquid crystal material.
  • the above phenomenon is caused by the fact that an inorganic material such as silicon oxide is used as the alignment film 112. This is particularly likely to occur when an obliquely deposited film is used, and the thinner the liquid crystal layer, the easier it is to come out. To prevent this, it is conceivable to increase the pretilt angle.However, it is generally difficult to form a large pretilt angle stably, and further, as the pretilt angle increases, the black level decreases. There is the problem of rising contrast and lowering contrast. Therefore, there is a need for a technique that does not cause poor alignment in the pixel peripheral region while maintaining a good pre-tilt angle in an appropriate range and maintaining good contrast. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to eliminate or minimize as much as possible the occurrence of alignment defects peculiar to vertical alignment liquid crystal due to the structure of the pixel groove, and to achieve high contrast and good An object of the present invention is to provide a reflection type liquid crystal display element and a liquid crystal display device capable of realizing image quality.
  • a reflective liquid crystal display device includes a pixel electrode substrate having a plurality of reflective pixel electrodes, a counter substrate having a transparent electrode provided to face the pixel electrode, and a pixel electrode substrate and a counter substrate. It has vertically aligned liquid crystal injected between the electrodes, and at least one side surface of the pixel electrode is obliquely inclined.
  • the side surface of the pixel electrode is inclined, for example, so that the electrode width increases from the upper side to the lower side in the cross section in the thickness direction, and the cross sectional shape of the pixel electrode is, for example, It has a trapezoidal shape.
  • a liquid crystal display device performs image display using light modulated by the above-described reflective liquid crystal display device according to the present invention.
  • the side surfaces of the pixel electrodes are obliquely inclined, so that the side surfaces have a vertical shape within the cross section like conventional pixel electrodes.
  • liquid crystal molecules which are extremely horizontally aligned in the pixel groove can be eliminated. Even if the alignment is slightly disturbed in the horizontal direction, sufficient verticality is maintained even in the pixel groove due to the interaction with the surrounding vertically aligned liquid crystal molecules. As a result, even when the pixel groove width is narrow or the liquid crystal layer is thin, a state in which the liquid crystal molecules are aligned almost vertically as a whole is realized. You. This eliminates or minimizes the occurrence of alignment defects peculiar to the vertically aligned liquid crystal which are caused by the structure of the pixel groove, and realizes high contrast and good image quality. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an overall configuration of a reflective liquid crystal display device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a drive circuit for a reflective liquid crystal display element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A and 3B are diagrams showing the structure of a pixel electrode in a reflective liquid crystal display device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a plan view and
  • FIG. 3B is a cross-sectional view.
  • FIG. 4 is a diagram showing a liquid crystal orientation state in the reflective liquid crystal display device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the thickness of the pixel electrode and the oblique portion.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing another configuration example of the pixel electrode substrate.
  • FIG. 7 is a configuration diagram showing an example of a liquid crystal display device configured using the reflective liquid crystal display element shown in FIG.
  • FIG. 8 is a view showing the results of observing the occurrence of defective alignment in the reflective liquid crystal display device according to one embodiment of the present invention and a conventional reflective liquid crystal display device.
  • 9A and 9B are diagrams showing a configuration on a pixel electrode substrate side in a conventional reflective liquid crystal display device.
  • FIG. 9A is a plan view and FIG. 9B is a cross-sectional view.
  • FIG. 10A and FIG. 10B are cross-sectional views for explaining a problem of poor orientation that occurs in a conventional reflective liquid crystal display element.
  • FIG. 1 shows the overall structure of a reflective liquid crystal display device according to one embodiment of the present invention.
  • This reflective liquid crystal display element includes a pair of opposing substrates 30 and a pixel electrode substrate 40 arranged to face each other, and a vertically aligned liquid crystal 45 injected between these substrates.
  • the opposing substrate 30 includes a glass substrate 31 and a transparent electrode 32 laminated on the glass substrate 31. On the side of the transparent electrode 32 in contact with the vertically aligned liquid crystal 45, an alignment film 33 is further entirely laminated.
  • the transparent electrode 3 electrode materials with a transmitting action of light, in general, ITO is a solid solution material of tin oxide (S n 0 2) and indium oxide (I n 2 0 3) ( Ind ium Ti n Oxi de; (Tin oxide film) is used.
  • a common potential (for example, ground potential) is applied to the transparent electrode 32 in all pixel regions.
  • the pixel electrode substrate 40 is formed by, for example, arranging reflective pixel electrodes 42 in a matrix on a single-crystal silicon substrate 41.
  • an active drive circuit including a transistor T1 such as CMOS or NMOS and a capacitor (auxiliary capacitance) C1 is formed.
  • an alignment film 43 is further laminated on the entire surface.
  • the reflective pixel electrode 42 is made of a metal film typified by aluminum (A 1) and silver (A g).
  • a metal film typified by aluminum (A 1) and silver (A g).
  • a reflective layer of a multilayer film such as a body mirror may be formed on the aluminum electrode.
  • the feature of the present embodiment lies in the shape of the reflective pixel electrode 42, which will be described later in detail.
  • the vertical alignment liquid crystal 45 used in this reflection type liquid crystal display element has its molecular major axis oriented substantially perpendicular to each plane when the applied voltage is zero, and becomes in-plane when a voltage is applied.
  • the transmittance changes by tilting. If the direction of tilt of the liquid crystal molecules during driving is not uniform, uneven brightness may occur. To avoid this, a small pretilt angle must be given in advance in a certain direction (generally the diagonal direction of the device) to avoid vertical unevenness. It needs to be oriented. If the pretilt angle is too large, the vertical Deterioration increases the black level and lowers the contrast. Therefore, the pretilt angle is generally controlled between 1 ° and 7 °.
  • the alignment films 33 and 43 for example, obliquely deposited silicon oxide films typified by silicon dioxide (Si 2 ) are used. In this case, the pretilt angle of the above-described vertically aligned liquid crystal 45 is controlled by changing the deposition angle during oblique deposition.
  • the alignment films 33 and 43 for example, a film obtained by rubbing (orienting) a polyimide-based organic compound can be used. In this case, the pretilt angle is controlled by changing the rubbing conditions.
  • FIG. 2 shows a configuration of a drive unit of the reflective liquid crystal display element.
  • the drive unit includes a pixel drive circuit 61 formed in each pixel, and logic units such as a data driver 62 and a scan driver 63 arranged around the display area 60.
  • An external image signal D is input to the driver 62 via a signal line 64.
  • the pixel drive circuit 61 is formed below the reflective pixel electrode 42 and generally includes a switching transistor T1 and an auxiliary capacitor C1 for supplying a voltage to the liquid crystal.
  • the transistor T1 is required to have a withstand voltage corresponding to the drive voltage of the vertically aligned liquid crystal 45, and is generally manufactured by a withstand voltage process higher than that of the logic part.
  • a plurality of data lines 71 are arranged in a column direction, and a plurality of scanning lines 72 are arranged in a row direction.
  • the intersection of each data line 71 and each scanning line 72 corresponds to one pixel.
  • the source electrode of each transistor T 1 is connected to a data line 71, and the gate electrode is connected to a scanning line 72.
  • the drain electrode of each transistor T1 is connected to each reflective pixel electrode 42 and the auxiliary capacitance C1.
  • Each data line 71 is connected to a data driver 62, and an image signal is supplied from the data driver 62.
  • Each scanning line 72 is connected to a scanning driver 63, and a scanning signal is sequentially supplied from the scanning driver 63.
  • the reflective pixel electrode 42 has a shape in which the outer periphery is inclined. That is, the side surface 50 has an oblique shape when viewed from a cross section in the thickness direction (FIG. 3B). As a result, the width of the reflective pixel electrode 42 increases from the upper side (the liquid crystal side) to the lower side (the substrate side). It has a wide trapezoidal shape. Since the alignment film 43 is laminated along the shape of the reflective pixel electrode 42, the entire reflective pixel electrode 42 including the alignment film 43 has a trapezoidal shape.
  • the side surface 50 In the reflective pixel electrode 42, not only the uppermost surface but also the oblique side surface (inclined surface) 50 functions as a pixel electrode. That is, the side surface 50 also has a function of reflecting light and a function of applying a voltage to the vertically aligned liquid crystal 45.
  • the thickness A of the reflective pixel electrode 42 is preferably at least 50 nm or more from the viewpoint of film formation, and more preferably 120 nm or more in order to obtain good reflectance. Generally, it is about 150 nm.
  • the width between adjacent reflective pixel electrodes 42 that is, the width W1 between pixels (pixel grooves) depends on the resolution of the lithography and the design rules, but is generally about 0.4 to 1 micron. is there. However, processing down to 0.3 micron is also possible with the improvement of manufacturing technology. Therefore, assuming that the pixel pitch W2 is 10 microns, a square electrode of 9.7 to 9.0 microns square has a groove of 0.3 to 1 micron wide as a reflective pixel electrode 42 when viewed in plan. It has a shape surrounded by. From the viewpoint of reflectance, the reflectance increases as the display pixel area occupancy (aperture ratio) increases, so that the smaller the width W1 of the pixel groove is, the better the reflectance is.
  • the side surface 50 of the reflective pixel electrode 42 is formed in an oblique shape is to suppress occurrence of an alignment defect peculiar to the vertically aligned liquid crystal, as described later.
  • the degree of the inclination of the side surface 50 is represented by A
  • the thickness of the reflective pixel electrode 42 is represented by A
  • the lower end from the upper end 51 of the side 50 Assuming that the horizontal distance up to 52 is B and is represented by BZA, as described later, the relationship between the effect of suppressing the occurrence of misalignment and the reflectance is taken into consideration.
  • the oblique shape of the side surface 50 does not necessarily have to have a perfectly straight cross-section, and a sufficient effect is obtained as long as it is approximately oblique.
  • a metal film such as aluminum is formed on a silicon substrate 41 in a semiconductor process, and then a square using photolithography technology. Electrode processing. After that, for example, By introducing a process of irradiating on and etching, an oblique shape of the side surface 50 is formed.
  • the processing method for the side surface 50 is not particularly limited to this.
  • incident light L 1 that enters from the counter substrate 30 side and passes through the vertically aligned liquid crystal 45 is reflected by the reflective pixel electrode 42. It is reflected by Noh.
  • the light L1 reflected by the reflective pixel electrode 42 is emitted through the vertically aligned liquid crystal 45 and the counter substrate 30 in a direction opposite to that at the time of incidence.
  • the vertical alignment liquid crystal 45 changes its optical characteristics according to the potential difference between the opposing electrodes, and modulates the passing light L1. This light modulation enables gradation expression, and the modulated light L2 is used for video display.
  • the voltage application to the vertically aligned liquid crystal 45 is performed by the pixel drive circuit 61 shown in FIG.
  • the data driver 62 supplies an image signal to the data line 71 in response to an external image signal D input via the signal line 64.
  • the scanning driver 63 sequentially supplies a scanning signal to each scanning line 72 at a predetermined timing. As a result, the pixels that are scanned by the scanning signal from the scanning line 72 and to which the image signal from the data line 71 is applied are selectively driven.
  • the problem of poor alignment is easily solved as shown in FIG. 4 by forming the side surfaces 50 of the reflective pixel electrodes 42 in an oblique shape. Is done. That is, by making the side surface 50 slanted and eliminating the verticality in the cross section, it is possible to eliminate liquid crystal molecules which are extremely horizontally aligned in the pixel groove portion. Even if the alignment is slightly disturbed in the horizontal direction, sufficient verticality is maintained even in the pixel groove due to the interaction with the surrounding vertically aligned liquid crystal molecules. It becomes possible.
  • the width W 1 of the pixel groove is as narrow as 0.4 ⁇ m, for example, a state in which the liquid crystal molecules are generally almost vertically aligned can be realized. .
  • This effect is considered to be the same even when the pixel groove width W1 is reduced to 0.3 ⁇ m.
  • the thinner the liquid crystal layer is, the more likely the alignment failure occurs.
  • the thickness of the liquid crystal layer is desirably 1 micron or more. If it is thinner than 1 micron, it will be difficult to produce a uniform thickness.
  • the effect of suppressing the occurrence of the orientation defect is recognized when the degree of inclination BZA of the side surface 50 (see FIG. 5) is about 1/4. If the proportion of the inclined plane in the pixel plane increases, the light reflectance will be lost, so the B / A has a practically optimal range.
  • a passivation film 44 such as silicon nitride (S i N) is overcoated.
  • the alignment film 43 is formed on the passivation film 44. Since the passivation film 44 is formed by a film forming technique such as CVD (Chemical Vapor Deposition) in the LSI process, as shown in the figure, the reflection type pixel electrode 42 and the pixel groove are formed. It is almost evenly overcoated on the entire side and bottom.
  • the film is formed under the film.
  • the pixel shape is reflected, and the entire structure including the film has a similar oblique shape. For this reason, even when another film such as the passivation film 44 is overcoated, the effect of suppressing the occurrence of poor alignment can be similarly obtained.
  • the reflective liquid crystal display element of the present embodiment Since the side surfaces of the pixel electrode 42 are slanted, even if the pixel grooves and pixel pitch are narrowed and the thickness of the liquid crystal layer is reduced, a proper pretilt angle is maintained while maintaining the proper pretilt angle. It is possible to eliminate or minimize the alignment defect caused by the pixel groove, and to realize good characteristics such as characteristics such as contrast and image quality. In particular, it is possible to realize a structure in which the pixel pitch is narrower than before, so that the reflectance at the tower can be improved. In particular, since the thickness of the liquid crystal layer can be made smaller than before, the response speed of the liquid crystal can be improved.
  • FIG. 7 an example of a liquid crystal display device using the reflective liquid crystal display device having the configuration shown in FIG. 1 will be described.
  • FIG. 7 an example of a reflective liquid crystal projector using a reflective liquid crystal display element as a light valve will be described.
  • the reflective liquid crystal projector shown in FIG. 7 uses three liquid crystal light valves 21 R, 21 G, and 21 B for each color of red, blue, and green to display a color image. It is a three-plate system.
  • This reflection type liquid crystal projector includes a light source 11, dichroic mirrors 12 and 13, and a total reflection mirror 14 along the optical axis 10.
  • the reflection type liquid crystal projector also includes polarizing beam splitters 15, 16, and 17, a combining prism 18, a projection lens 19, and a screen 20.
  • the light source 11 emits white light required for color image display, including red light (R), blue light (B) and green light (G), such as a halogen lamp and a metal octride. It is composed of a lamp or a xenon lamp.
  • the dichroic mirror 12 has a function of separating the light from the light source 11 into blue light and other color lights.
  • the dichroic mirror 13 has a function of separating the light passing through the dichroic mirror 12 into red light and green light.
  • the total reflection mirror 14 reflects the blue light separated by the dichroic mirror 12 toward the polarization beam splitter 17.
  • the polarization beam splitters 15, 16, and 17 are provided along the optical paths of red light, green light, and blue light, respectively. These polarization beam splitters 15, 16, and 17 have polarization separation surfaces 15 A, 16 A, and 17 A, respectively. At the separated surfaces 15A, 16A, and 17A, it has a function of separating each of the incident color lights into two orthogonal polarization components.
  • the polarization splitting surfaces 15A, 16A, and 17A reflect one polarized light component (for example, an S-polarized light component) and transmit the other polarized light component (for example, a P-polarized light component).
  • the liquid crystal light valves 21 R, 21 G, 21 B are constituted by the reflection type liquid crystal display element (FIG. 1) having the above-described configuration. These liquid crystal light valves 21 R, 21 G, and 21 B have polarization beam splitters 15, 16, and 17 that are separated by the polarization separation surfaces 15 A, 16 A, and 17 A, respectively. A predetermined polarized light component (for example, an S-polarized light component) is incident.
  • the liquid crystal light valves 21 R, 21 G, and 21 B are driven in accordance with a driving voltage given based on an image signal.
  • the liquid crystal light valves modulate incident light and convert the modulated light into polarization beam splitters. It has the function of reflecting light toward 5, 16, and 17.
  • the synthetic prism 18 emits a predetermined polarization component (for example, a P polarization component) emitted from the liquid crystal light valves 21 R, 21 G, 21 B and passing through the polarization beam splitters 15, 16, 17. )
  • a predetermined polarization component for example, a P polarization component
  • the projection lens 19 has a function as a projection unit that projects the combined light emitted from the combined prism 18 toward the screen 20.
  • the white light emitted from the light source 11 is first converted into blue light and other color lights (red light and green light) by the function of the dichroic mirror 12. Is separated into Of these, the blue light is reflected toward the polarizing beam splitter 17 by the function of the total reflection mirror 14. On the other hand, the red light and the green light are further separated into red light and green light by the function of the dichroic mirror 13. 'The separated red light and green light enter the polarization beam splitters 15 and 16, respectively.
  • the polarization beam splitters 15, 16, and 17 separate the incident light of each color into two polarization components orthogonal to each other at the polarization separation surfaces 15 A, 16 A, and 17 A.
  • the polarization splitting surfaces 15A, 16A, and 17A reflect one polarized light component (for example, an S-polarized light component) toward the liquid crystal light valves 21R, 21G, and 21B.
  • the liquid crystal light valves 21 R, 21 G, and 21 B were given based on the image signal. It is driven according to the drive voltage and modulates the incident color light of a predetermined polarization component on a pixel-by-pixel basis. At this time, since the liquid crystal light valves 21 R, 21 G, and 2 IB are composed of the reflective liquid crystal display elements shown in Fig. 1, good characteristics such as contrast and other characteristics are realized. it can.
  • the liquid crystal light valves 21 R, 21 G, and 21 B reflect the modulated color lights toward the polarization beam splitters 15, 16, and 17.
  • the polarization beam splitters 15, 16, and 17 are provided with predetermined polarization components (for example, P polarization components) of the reflected light (modulated light) from the liquid crystal light valves 21 R, 21 G, and 21 B. ) And exits toward the combining prism 18.
  • the combining prism 18 combines the color lights of predetermined polarization components that have passed through the polarizing beam splitters 15, 16, and 17, and emits the light toward the projection lens 19.
  • the projection lens 19 projects the combined light emitted from the combining prism 18 toward the screen 20.
  • an image corresponding to the light modulated by the liquid crystal light valves 21 R, 21 G, 21 B is projected on the screen 20, and a desired image display is performed.
  • the reflective liquid crystal projector includes the reflective pixel electrode 42 (FIGS. 3A and 3B) in which the side surface 50 has an oblique shape. Since the constructed reflective liquid crystal display element (FIG. 1) is used as the liquid crystal light valves 21 R, 21 G and 21 B, it is possible to realize video display with high contrast and good image quality.
  • a sample of a reflective liquid crystal display element as a comparative example was manufactured as follows. First, after cleaning the glass substrate having the transparent electrode is deposited and the silicon drive substrate on which an aluminum electrode was formed as a reflective pixel electrode, is introduced into the deposition apparatus, the S i 0 2 film as an alignment film, the deposition angle It was formed by oblique vapor deposition in the range of 45 to 55 °. The thickness of the alignment film was 50 nm. The alignment was controlled so that the pretilt angle of the liquid crystal was about 2.5 °.
  • the result of observing the state of liquid crystal alignment at the black level with a microscope is shown together with the results of Examples 1 and 2 described later in FIG.
  • the sample width W1 is 0.7 microns or less (Sample Nos. 2 to 5).
  • all samples (Sample Nos. 6 to 10) As a result, a non-uniform alignment region having a black level higher than that of the pixel portion and clearly having unevenness different from the periphery appeared around the edge of the reflective pixel electrode and near the pixel groove.
  • the alignment of the liquid crystal molecules in this area was examined by rotating the polarization axis of the deflection microscope.
  • the liquid crystal in the effective pixel was completely vertically aligned, while the liquid crystal in the pixel groove around the pixel was at the desired position. It was found that many components other than the vertical component (random orientation components centered on components that were inclined to some extent in the horizontal direction along the direction of the groove) were included in large numbers.
  • the reflectivity increased with the magnitude of the voltage and increased to a white level as usual, while the voltage near the pixel groove increased.
  • the gray level reaches the white level, the response is clearly slow at the halftone voltage. Therefore, in the halftone display, unevenness such that the brightness around the pixel differs from that in the pixel was observed.
  • a sample of a reflection-type liquid crystal display element was produced basically by the same method and specifications as in the above comparative example. That is, after cleaning a glass substrate on which a transparent electrode is formed and a silicon driving substrate on which an aluminum electrode is formed as a reflective pixel electrode, an Sio 2 film is formed by vapor deposition as an alignment film, and then the pair of substrates is formed. In between, dielectric anisotropy manufactured by Merck A reflection type liquid crystal display device was prepared by injecting a vertical liquid crystal material having a negative ⁇ ⁇ and a refractive index anisotropy of 0.1. The specifications of the silicon drive substrate were the same as in the above comparative example.
  • the pixel pitch W2 was 9 microns, and the width between pixels (pixel groove width) W1 was 0.4, 0.5, 0.6, 0.7. , 0.8 micron was prepared (Sample No. 11 to 15 in Fig. 8).
  • An aluminum electrode provided with a passivation film on it was fabricated in the same manner (Sample Nos. 16 to 20 in Fig. 8).
  • the following steps were introduced at the time of forming the pixel electrode, so that the structure of the pixel electrode was changed to the structure shown in FIGS. 3A and 3B. That is, as a pixel electrode forming process, after forming a square pixel electrode on a silicon driving substrate by photolithography, the silicon driving substrate is further introduced into an argon gas discharge atmosphere, and argon ions are applied to the pixel electrode surface. We introduced a process that lasts 30 seconds. When this was done, it was found that the etching progressed more in the corners of the four sides around the pixel where the electric field was concentrated than in the pixel electrode surface, and as a result, the corners were scraped off.
  • Fig. 8 shows the observation results.
  • non-uniformity due to poor orientation around the pixel groove as in the comparative example was not observed in any of the samples.
  • no unevenness was found in the halftone display when the voltage was applied.
  • the reflectance of the sample of this example was almost the same as that of the sample of the comparative example. That is, it was found that such a structural change did not affect the reflectance.
  • Fig. 8 shows the observation results. Also in this example, non-uniformity due to poor alignment around the pixel groove as in the comparative example was not observed at all in all samples. Also, no unevenness was found in the halftone display when voltage was applied. On the other hand, when the reflectance was measured, a reduction of 1% to 2% was observed as compared with the case where the processing of cutting the periphery of the pixel at an angle was not performed, but in this case, the pixel groove width W1 was narrower. By doing so, for example, by narrowing 0.1 micron from 0.6 micron to 0.5 micron, this reflectance loss could be offset.
  • the slope of the oblique shape on the side of the pixel electrode can be made gentler (the width B of the sloped portion becomes longer), but if B / A exceeds 3, the reflectivity decreases. If the pixel groove width W 1 is not smaller than 0.3 ⁇ m, the reflection loss cannot be offset, which is not practically preferable. Therefore, from the results of the above embodiment,
  • the same effect as described above was obtained when the pixel groove width W1 was 0.35 microns. Considering the improvement in manufacturing technology, it can be easily analogized that the same effect as above can be obtained even when the pixel groove width W1 is reduced to about 0.3 ⁇ m.
  • the planar shape of the reflective pixel electrode 42 is not limited to a square, but may be another shape such as a polygon.
  • the side surface shape of the pixel electrode is inclined obliquely, so that even when the pixel groove width is narrow or the liquid crystal layer is thin, the liquid crystal is It is possible to realize a state in which the molecules are almost vertically aligned as a whole. As a result, it is possible to eliminate or minimize the occurrence of an alignment defect peculiar to the vertically aligned liquid crystal due to the structure of the pixel groove, thereby realizing high contrast and good image quality. Further, according to the liquid crystal display device of the present invention, since the image display is performed using the reflective liquid crystal display element of the present invention, the image display can be realized with high contrast and good image quality.

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Abstract

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。反射型画素電極(42)は、外周が傾斜した形状になっており、その電極幅が上側から下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。反射型画素電極(42)の側面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。

Description

明細書 反射型液晶表示素子および液晶表示装置 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。 背景技術
近年、 プロジェクシヨ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ァクティブ型の反 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 CMO S (Complementary- Metal Oxide Semiconductor) 型の半導体回路からなるシリコ ン （S i ) 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 L S I (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。
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。
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ァクテ イ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、 プロジェクシヨ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 ( II ) と垂直 な誘電率 ε (丄） との差 Δ ε ( = ε ( II ) — ε (上） ） 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。
このような垂直配向液晶を注入したァクティブ型の反射型液晶表示デバィスの 従来例としては、 例えば特開 2 0 0 3— 5 7 6 7 4号公報がある。
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ヨン欠陥によ 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 1 0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。
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、 第 9 Α図 および第 9 B図を参照して、 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 1 1 1は、 シリコン駆動素子基 板 1 1 0の上にマトリクス状に配置されている 反射型画素電極 1 1 1は、 半導 体プロセスにおいて、 シリコン駆動素子基板 1 1 0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 1 1 1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 1 1 1の側面形状は一般に、 第 9 B図のよう に、 厚み方向に垂直に切り立つたものとなる。 .
隣接する反射型画素電極 1 1 1間の幅、 すなわち画素間 （画素溝） の幅 W 1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 W 2が 1 0ミクロンだとすると、 反 射型画素電極 1 1 1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 W 1が 狭い方が反射率特性に優れることになる。
第 1 O A図および第 1 0 B図は、 第 9 A図および第 9 B図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 1 1 1および画素溝の表面） には、 配向膜 1 1 2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 1 1 2が反射型 画素電極 1 1 1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ょうと 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 （第 1 0 A図） 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、 第 1 0 B図に示したように、 画 素溝幅 W 1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。
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 （第 1 0 B図の領域 1 2 0 ) 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 W 1が狭いほど、 また溝部分の深さが深いほど、 激しくなつ 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 W 1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。
上記の現象は、 経験的に、 配向膜 1 1 2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。 発明の開示
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、 高いコントラス卜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。
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、 画素電極の少 なくとも 1つの側面が斜めに傾斜した形状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 素電極の断面形状が例えば台形状となっているものである。
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 つ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。
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。 図面の簡単な説明
第 1図は、 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成を示す 断面図である。
第 2図は、 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。
第 3 A図および第 3 B図は、 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図である。 第 3 A図は、 平面図であり、 第 3 B図 は、 断面図である。
第 4図は、 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。
第 5図は、 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。
第 6図は、 画素電極基板の他の構成例を示す断面図である。
第 7図は、 第 1図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。
第 8図は、 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。 第 9 A図および第 9 B図は、 従来の反射型液晶表示素子における画素電極基板 側の構成を示す図である。 第 9 A図は、 平面図であり、 第 9 B図は、 断面図であ る。
第 1 O A図および第 1 0 B図は、 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。 発明を実施するための最良の形態
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。 <反射型液晶表示素子の構成 >
第 1図は、 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 3 0 および画素電極基板 4 0と、 これらの基板間に注入された垂直配向液晶 4 5とを 備えている。
対向基板 3 0は、 ガラス基板 3 1と、 このガラス基板 3 1上に積層された透明 電極 3 2とを備えている。 透明電極 3 2の垂直配向液晶 4 5に接する面側にはさ らに、 配向膜 3 3が全面的に積層されている。 透明電極 3 2は、 光の透過作用の ある電極材料、 一般に、 酸化すず （S n 02) と酸化インジウム （ I n 203) との 固溶体物質である I T O (Ind ium Ti n Oxi de；ィンジゥムすず酸化膜）が用いられ る。 透明電極 3 2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。
画素電極基板 4 0は、 例えば単結晶のシリコン基板 4 1上に、 反射型画素電極 4 2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 4 1には、 C M O Sや N M O Sなどのトランジスタ T 1とキャパシタ (補助容量) C 1とからなる ァクティブ型の駆動回路が形成されている。 画素電極基板 4 0の垂直配向液晶 4 5に接する面側にはさらに、 配向膜 4 3が全面的に積層されている。
反射型画素電極 4 2は、 アルミニウム ( A 1 ) や銀 ( A g ) に代表される金属 膜で構成されている。 反射型画素電極 4 2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一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 4 2の形状にあるが、 これについては、 後に詳述する。
この反射型液晶表示素子で用いられる垂直配向液晶 4 5は、 その分子長軸が、 印加電圧がゼロの時にほぼ各碁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。
配向膜 3 3， 4 3としては、 例えば二酸化珪素 （S i〇2) 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 4 5のプレティルト角がコントロールされる。 配向膜 3 3 , 4 3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、 プレティル卜角がコントロールされる。
第 2図は、 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 6 1と、 表示領域 6 0の周辺に配置される、 データドライバ 6 2および走査ドライバ 6 3等のロジック部とを備えている。 デ 一夕ドライバ 6 2には、 信号線 6 4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 6 1は、 各反射型画素電極 4 2の下層に形成され、 一般にスィッチ ングトランジスタ T 1と液晶に電圧を供給する補助容量 C 1とを有して構成され ている。 卜ランジス夕 T 1には、 垂直配向液晶 4 5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。
画素駆動回路 6 1において 列方向にはデータ線 7 1が複数配置され、 行方向 には走査線 7 2が複数位置されている。 各デ一夕線 7 1と各走査線 7 2との交差 点が、 1画素に対応している。 各トランジスタ T 1のソース電極は、 デ一夕線 7 1に接続され、 ゲート電極は、 走査線 7 2に接続されている。 各卜ランジスタ T 1のドレイン電極は、 各反射型画素電極 4 2と補助容量 C 1とに接続されている。 各データ線 7 1は、 データドライバ 6 2に接続され、 このデータドライバ 6 2か ら画像信号が供給される。 各走査線 7 2は、 走査ドライバ 6 3に接続され、 走査 ドライバ 6 3から走査信号が順次供給される。
次に、 本実施の形態の特徴部分である反射型画素電極 4 2の構造を詳しく説明 する。 第 3 A図および第 3 B図に示したように、 反射型画素電極 4 2は、 外周が 傾斜した形状になっている。 すなわち、 その側面 5 0が、 厚み方向の断面 （第 3 B図） 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 4 2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 4 3は、 反射型画素電極 4 2 の形状に沿って積層されるので、 配向膜 4 3も含めた反射型画素電極 4 2の全体 が台形状となる。 この反射型画素電極 4 2では、 最上面のみならず、 斜め形状の 側面 （傾斜面） 5 0も、 画素電極として機能する。 すなわち、 側面 5 0も、 光の 反射機能と垂直配向液晶 4 5への電圧印加機能とを有する。
反射型画素電極 4 2の厚さ Aは、 成膜上の観点から少なくとも 5 0 n m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 1 2 0 n m以上 であると良い。 一般的には、 1 5 0 n m程度である。 また、 隣接する反射型画素 電極 4 2間の幅、 すなわち画素間 （画素溝） の幅 W 1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。 従つ て、 画素ピッチ W 2が 1 0ミクロンだとすると、 平面的に見れば、 反射型画素電 極 4 2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 W 1が狭い方が反 射率特性に優れることになる。
反射型画素電極 4 2の側面 5 0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 5 0の傾 斜の度合いを、 第 5図に示したように、 反射型画素電極 4 2の厚さを A、 側面 5 0の上側の端部 5 1から下側の端部 5 2までの水平方向の距離を Bとして、 B Z 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。
なお、 側面 5 0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、 おおむね斜めになつている程度で十分な効果を有する。 また、 反射型画素 電極 4 2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 4 1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ィ 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 5 0の斜め 形状が形成される。 なお、 側面 5 0の加工方法は、 特にこれに限定されるもので はない。
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。 この反射型液晶表示素子では、 第 1図に示したように、 対向基板 3 0側から入 射し、 垂直配向液晶 4 5を通過した入射光 L 1を、 反射型画素電極 4 2の反射機 能により反射させる。 反射型画素電極 4 2において反射された光 L 1は、 入射時 とは逆方向に、 垂直配向液晶 4 5および対向基板 3 0を通過して出射される。 こ のとき、 垂直配向液晶 4 5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 L 1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 L 2が映像表示に利用される。
垂直配向液晶 4 5への電圧印加は、 第 2図に示した画素駆動回路 6 1によって 行われる。 データドライバ 6 2は、 信号線 6 4を介して入力された外部からの画 像信号 Dに応じて、 デ一夕線 7 1に画像信号を供給する。 走査ドライバ 6 3は、 所定のタイミングで各走査線 7 2に走査信号を順次供給する。 これにより、 走査 線 7 2からの走査信号によって走査され、 かつデータ線 7 1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。
ここで、 前述のように、 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 1 1 1 (第 9 A図および第 9 B図） を用いた場合、 特に、 第 1 0 B図に示したように、 画素溝幅 W 1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 （第 1 0 B図の領域 1 2 0 ) 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。
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 4 2の側面 5 0を斜め形状にしたことで、 第 4図に示したように、 配向不良の問題が容易に解 決される。 すなわち、 側面 5 0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 W 1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。
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 BZA (第 5 図参照） 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。
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、 第 6図に示したよ うに、 その表面に酸化シリコン (S i〇) ゃ窒化シリコン (S i N) のようなパ ッシベーシヨン膜 44がオーバコートとされる。 配向膜 43は、 パッシベ一ショ ン膜 44の上に形成される。 このパッシベ一ション膜 44は、 L S Iプロセスに おいて、 C VD (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 辺に亘つて、 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 ッシベーシヨン膜 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、 パッシベーシヨン膜 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。
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 4 2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、 トー夕 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。
<液晶表示装置の説明 >
次に、 第 1図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、 第 7図に示したように、 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。
第 7図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 ィ卜バルブ 2 1 R , 2 1 G , 2 1 B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 1 0に沿って、 光源 1 1と、 ダイクロイツクミラ一 1 2 , 1 3と、 全反射ミラ一 1 4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 1 5 , 1 6 , 1 7と、 合成プリズム 1 8と-. 投射レンズ 1 9と、, スクリーン 2 0とを備えてい る。
光源 1 1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、 メタル八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。
ダイクロイツクミラ一 1 2は、 光源 1 1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一 1 3は、 ダイクロイツクミ ラー 1 2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 射ミラ一 1 4は、 ダイクロイックミラ一 1 2によって分離された青色光を、 偏光 ビームスプリッタ 1 7に向けて反射するようになっている。
偏光ビームスプリッタ 1 5， 1 6， 1 7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ツ夕 1 5， 1 6 , 1 7は、 それぞれ、 偏光分離面 1 5 A , 1 6 A , 1 7 Aを有し、 この偏光分 離面 1 5A， 1 6 A, 1 7 A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 1 5 A, 1 6 A, 1 7A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。
液晶ライトバルブ 21 R, 2 1 G, 2 1 Bは、 上述した構成の反射型液晶表示 素子 （第 1図） によって構成されている。 これらの液晶ライトバルブ 2 1 R, 2 1 G, 2 1 Bには、 偏光ビ一ムスプリッ夕 1 5， 1 6, 1 7の偏光分離面 1 5 A, 1 6 A, 1 7 A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 2 1 R， 2 1 G, 2 1 B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ツ夕 1 5， 1 6， 1 7に向けて反 射する機能を有している。
合成プリズム 1 8は、 液晶ライトバルブ 2 1 R, 2 1 G, 2 1 Bから出射され、 偏光ピ一ムスプリッタ 1 5， 1 6， 1 7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 1 9は、 合成プリズ ム 1 8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。
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 1 1から出射 された白色光は、 まず、 ダイクロイツクミラ一 1 2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 ラ一14の機能によって、 偏光ビ一ムスプリッタ 1 7に向けて反射される。 一方、 赤色光および緑色光は、 ダイクロイツクミラー 1 3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 1 5, 1 6に入射される。
偏光ビームスプリッタ 1 5, 1 6， 1 7は、 入射した各色光を、 偏光分離面 1 5 A, 1 6A， 1 7A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 1 5A, 1 6A， 1 7 A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 2 1 R, 2 1 G, 2 1 Bに向けて反射する。
液晶ライ卜バルブ 2 1 R, 2 1 G， '2 1 B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 2 1 R， 2 1 G, 2 I Bは、 第 1図に示した 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。
液晶ライトバルブ 2 1 R， 2 1 G, 2 1 Bは、 変調した各色光を偏光ビームス プリッ夕 1 5, 1 6, 1 7に向けて反射する。 偏光ビ一ムスプリッ夕 1 5， 1 6， 1 7は、 液晶ライトバルブ 2 1 R， 2 1 G, 2 1 B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 1 8に 向けて出射する。 合成プリズム 1 8は、 偏光ビームスプリッタ 1 5, 1 6， 1 7 を通過した所定の偏光成分の色光を合成し、 投射レンズ 1 9に向けて出射する。 投射レンズ 1 9は、 合成プリズム 1 8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 2 1 R, 2 1 G, 2 1 B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。
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 5 0が斜め形状となっている反射型画素電極 42 (第 3 A図および第 3 B 図） を有して構成された反射型液晶表示素子 (第 1図) を、 液晶ライトバルブ 2 1 R, 2 1 G, 2 1 Bとして用いるようにしたので、 高いコントラス卜と良好な 画質で映像表示を実現できる。
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 比蛟例として示す。
[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 S i 02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 50 nm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 2 /^m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 Δ ε が負で、 屈折率異方性 Δη = 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 （第 8図の試料 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 S i 02 系のパッシベ一ション膜を 45 nmの厚さでオーバコ一卜したものに関しても同 様な方法で作製した （第 8図の試料 No. 6〜1 0) 。 この比較例の反射型液晶 表示素子における電極構造は、 第 9 A図および第 9 B図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。
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、 第 8図にまとめて示す。 パッシベーシヨン膜がない場合 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、 パッシベーシヨン膜がある場合は、 すべての試料 （試料 No. 6〜1 0) 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、 画素周辺おょぴ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 つ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。
[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 ミニゥ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 S i o2 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 Δ ε が負で、 屈折率異方性 11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 ツチ 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 （第 8図の試料 No. 1 1〜1 5) 。 アルミニウム電極の上に、 パッシベ一シヨン膜が設けられたもの も同様に作製した （第 8図の試料 No. 1 6〜20) 。
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、 画素電極の構造を第 3 A図および第 3 B図に示した構造 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 1 50 nm (第 5図の A= 1 50 nm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 3 7. 5 nm (第 5図の B= 37. 5 nm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。 パッシベ一シヨン膜 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。
第 8図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。
これらの結果は、 配向膜として、 酸化珪素膜 （S i 02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。
[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 （第 8図の試 料 No. 2 1〜25) 。 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 （1 00秒間） さらす プロセスを導入した。 その結果、 1 50 nmのアルミニウム電極の厚さ （第 5図 の A= 1 50 nmに相当） に対して、 外周部分が約 200 nm (第 5図の B = 2 O O nm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. 3 3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。
第 8図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。 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 W 1 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。
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 W 1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。
なお、 実施例としては挙げていないが、 画素溝幅 W 1を 0. 3 5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。
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 4 2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。
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。 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。

Claims

請求の範囲
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、
前記画素電極の少なくとも 1つの側面が斜めに傾斜した形状となっている 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の範囲第 1項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の範囲第 1項に記載の反射型液晶表示素子。
4 . 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
ことを特徴とする請求の範囲第 1項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の範囲第 1項に記載の反射型液晶表示素子。
6 . 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の範囲第 5項に記載の反射型液晶表示素子。
7 . 前記画素電極と前記配向膜との間にパッシベーシヨン膜がさらに積層されて いる
ことを特徴とする請求の範囲第 6項に記載の反射型液晶表示素子。
8 . 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、 無機材料が斜めに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の範囲第 5項に記載の反射型液晶表示素子。
9 . 前記垂直配向液晶が注入されている液晶層の厚さが、
I . 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の範囲第 1項に記載の反射型液晶表示素子。
1 0 . 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、
前記画素電極の少なくとも 1つの側面が斜めに傾斜した形状に形成されている ことを特徴とする液晶表示装置。
I I . 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の範囲第 1 0項に記載の液晶表示装置。
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