JP3161331B2

JP3161331B2 - 投影型液晶電気光学装置

Info

Publication number: JP3161331B2
Application number: JP17094996A
Authority: JP
Inventors: 富雄曽根原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1989-07-07
Filing date: 1996-07-01
Publication date: 2001-04-25
Anticipated expiration: 2016-04-25
Also published as: JPH08328044A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射型液晶電気光
学装置を用いた投影型液晶電気光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のＭＩＭ素子を用いた液晶電気光学
装置は特開昭５２ー１４９０９０、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇｓｏｆＪａｐａｎＤｉｓｐｌａｙ’８３Ｐ．
４０４、特開昭５５ー１６１２７３、ＵＳＰ，４４１３
８８３に示すように液晶電気光学装置としては光を透過
し、原理的に透過型の液晶表示モードを用いるものであ
った。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の液晶電
気光学装置にはＭＩＭ素子及び配線が不透明であり、画
素密度を増加させると実効的な画素部分の比率が下がる
という課題があった。たとえＵＳＰ．４４１３８８３の
ようにオーバーラップ構造としても、ＭＩＭ素子、配線
が不透明であったり、その部分が電気光学的な画素とし
て機能しなければ同じ課題が生じていた。そこで本発明
では、画素電極を反射性とし、画素電極の基板側にＭＩ
Ｍ素子、配線を配置することによって、高密度画素にお
いても有効画素率（開口率）の高いＭＩＭ液晶電気光学
装置を提供することを目的とするものである。

【０００４】さらに簡略なＭＩＭ液晶電気光学装置の製
造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の投影型液晶電気光学装置は、光源と、入射
光を反射する反射型液晶電気光学装置と、前記光源から
の光の直線偏光光を前記反射型液晶電気光学装置に向け
て出射し、前記反射型液晶電気光学装置からの反射光を
検光する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームス
プリッターにより検光された光を投影する投影光学手段
とを有する投影型液晶電気光学装置において、前記反射
型液晶電気光学装置は一対の基板間にツイストしたネマ
チック層のツイスト角がほぼ６３度のネマチック液晶か
らなる液晶層が挟持されてなり、前記一対の基板のうち
一方の基板には反射面が形成されてなり、前記反射型液
晶電気光学装置は、前記偏光ビームスプリッターから出
射された入射光を前記一対の基板のうちの他方の基板側
から入射すると共に、電圧無印加時において、入射光は
液晶層の入射側液晶のダイレクターに沿った方向あるい
はダイレクターに対し垂直に入射してなり、かつ前記液
晶層を透過した光が前記反射面にてほぼ円偏光となり、
前記反射面で反射し前記液晶層を再び透過して前記偏光
ビームスプリッターに出射する反射光が、前記入射光と
ほぼ９０度その偏光面が回転した直線偏光となるように
前記液晶層が設定されてなることを特徴とする。また、
前記一方の基板においては、前記反射面となる画素電極
の下に配線及びＭＩＭ素子が配置されてなることを特徴
とする。

【０００６】以下、実施例により本発明の詳細を示す。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明のＭＩＭ液晶電気光
学装置の断面図である。反射性画素電極１０１を設置さ
れたＭＩＭ基板１０２と対向基板１０３の間に液晶１０
４がはさまれた構造となっている。１０５は電界を液晶
層に印加するための透明電極であり、画素サイズに対応
したストライプ状である。ＭＩＭ基板は基板１０６上に
ライン状の信号伝送配線１０７、その一部に作られた薄
い絶縁体からなるＭＩＭ素子１０８、それに電気的に接
続された画素電極１０１からなっている。画素電極は層
間絶縁体１０９によってライン状の信号伝送配線と電気
的に絶縁されている。画素電極はＭＩＭを構成するもう
一方の金属薄膜と電気光学素子の反射性膜を兼ねること
もできる。１１０は減反射コーティング、１１１は偏光
素子である。

【０００８】より具体的な構成を表１に示す。

【０００９】

【表１】

【００１０】次に本実施例で用いた反射型の液晶表示モ
ードについて説明する。一般的な電界効果複屈折型の表
示モード（以下ＥＣＢと称する）の使用は可能であるが
本実施例ではツイストしたネマチック液晶を用いたＥＣ
Ｂモードを用いた。

【００１１】図２は液晶の配向を示す斜視図である。図
２はネマチック液晶層のツイスト角２０１は６３度、液
晶の複屈折と液晶層厚の積（μｍ単位、以下、△ｎｄと
称する）は０．２の場合である。近接して設置された偏
光素子により直線偏光となった入射光は、入射側の液晶
分子２０２のダイレクター２０３に電界振動面２０４が
沿って入射するように角度が設定されている。つまり分
子の配列は、印加電圧が零の時、図２のように基板界面
で平行に配向し、上下の基板間で６３度をなすように配
向処理されている。この配向処理はラビング、射方蒸着
等により行うことができる。同じように直線偏光した入
射光が入り、反射面では円偏光となり、反射後出射面で
は入射光と９０度偏光面が回転した直線偏光となる条件
である１９３度のツイスト角、△ｎｄ＝０．５８の場合
も同様な構造である。

【００１２】図３は図１の装置の画素にかかる実効電圧
と反射率（５５０ｎｍ）の特性である。実線が６３度ツ
イストの場合、破線が１９３度ツイストの場合である。
初めに電圧が零の時を説明する。直線偏光４０２が入射
すると、図４に示すように楕円偏光の軌跡が回転する。
反射面ではほぼ円偏光４０１となり、位相が１８０度回
転し反射される。再び液晶層を透過し、出射面ではほぼ
９０度偏光面が回転した直線偏光４０３となり出射す
る。このため入射時に通過した偏光素子で阻止され、反
射率が低下する（オフ状態）。次に電圧が印加された場
合を説明する。液晶分子は誘電率の異方性のために、電
界方向に再配列する。これにより入射光に対する複屈折
の異方性が消失し、入射した直線偏光がそのまま維持さ
れて反射し、出射する。従って反射率の低下はない。
（オン状態）このような偏光の変化を生ずるのは限られ
た条件のもとであり、この条件を鋭意検討した結果本発
明にいたった。液晶層に求められる光学的な特性は、直
線偏光の入射に対し透過後円偏光となること、反射層で
位相が１８０度シフトし、液晶層を逆に透過したときに
９０度偏光面が回転していることのふたつである。尚、
ここでは６３度ツイストの場合を図示した。１９３度ツ
イストの場合は楕円偏光の回転が複雑になるが上に述べ
た二つの条件を満たし、基本的な動作は変わらない。

【００１３】図５（ａ）、（ｂ）は△ｎｄとオフ時の反
射率を示すグラフである。なおパラメーターに液晶層の
ツイスト角をとり、入射光の偏光面は入射面の液晶分子
のダイレクターに合わせた。オン時の反射率は、偏光素
子の透過率によって決まり、ほぼ一定である。これによ
ると、約６０度のツイスト角、△ｎｄ：０．２の時に反
射率がほぼ零となることが分かった。更に詳細に調べた
結果、６３度のツイスト角が最適であることが分かっ
た。この時の楕円偏光の軌跡をみると、図４に示すよう
に、反射面では円偏光となり、出射面では入射時と９０
度回転した直線偏光となる。これを１／４λ板の場合と
比べると、液晶のダイレクターに沿って偏光が入射する
ため、複屈折を感受しにくく、同じ位相の変化を受ける
ためには大きな△ｎｄを必要とすること、△ｎｄに対す
る周期性が少ないことが特徴である。これは液晶層の厚
みを比較的大きく設定でき、製造におけるマージンを確
保するものである。

【００１４】また、△ｎの効果は液晶のダイレクターに
対し直線偏光が垂直に入射した場合も全く同様に働く。
これは△ｎには正負が無いためである。

【００１５】図６（ａ），（ｂ）はパラメーターに偏光
素子の液晶のダイレクターに対する配置角をとり、△ｎ
ｄと反射率の関係を示すものである。これによると偏光
素子の方向が＋３０度の時にも反射率が零の条件があ
る。この場合の楕円偏光の軌跡を見ると図４と同じよう
に反射面で円偏光になっている。

【００１６】パラメーターを振ることによってこの様な
条件を他にも見つけることができる。しかし、波長によ
る反射率変動を低く抑えるためには最小の△ｎｄに設定
する必要があり、さらに極端に小さな△ｎｄでは液晶厚
が小さくなりすぎるため、この間で選択する必要があ
る。光学長が２倍になる反射型では、透過型の液晶素子
では許容される液晶厚が製作上の問題となる。そこで△
ｎｄが少しでも大きいことが求められる。これは素子製
作のマージンを大きくするためである。前述の△ｎｄ＝
０．２の条件でみると、△ｎが小さな液晶の典型的な
値、△ｎ＝０．０８では、ｄが２．５μｍとなる。

【００１７】従来の二色性色素タイプや、偏光板を表裏
に設置したＴＮタイプに比べ透明時の反射率が高い効果
が認められた。

【００１８】また１９３度のような大きなツイスト角で
は、図３破線のように電圧に対する光学応答が急峻とな
る。この場合、反射率が９０％となる電界ＶTHと反射率
が１０％となる電界ＶＳＡＴとの比ＶSAT ／ＶTHは１．
０８程度であった。従って、液晶層に印加される電界の
実効値変化が少なくとも液晶は十分応答することがで
き、高コントラストな表示が可能となった。

【００１９】尚、同調させる光の波長によって、本実施
例で述べた条件がシフトする。この割合はほぼλ（ｎ
ｍ）／５５０である。

【００２０】図７は偏光素子に偏光ビームスプリッタ一
（以下、ＰＢＳと称する）を用いた投影型ＭＩＭ液晶電
気光学装置の構成図である。

【００２１】７０１がＰＢＳであり、このＰＢＳは第１
の直線偏光を反射し、第１の直線偏光に直交する第２の
直線偏光を透過する特性を有する。光源光７０２をＰＢ
Ｓに入射させ、ＰＢＳによって反射された第１の直線偏
光を液晶電気光学装置７０３に入射させる。入射した光
は液晶電気光学装置によって変調される。液晶電気光学
装置から出射した出射光を検出する手段でもあるＰＢＳ
は、入射時と９０度ずれた直線偏光を透過する。透過光
７０４は投影光学系７０５によって投影される。この場
合、印加電圧と反射率の特性は図３と縦軸方向に反転す
る。

【００２２】このような反射型の表示モードを用いる
と、図１に示すように配線やＭＩＭ素子を画素電極の下
に設置することができる。この結果、画素面積に対する
実際の画素である画素電極の割合（開口率）を、配線や
アクティブ素子に係わらず大きく確保でき、画素数の増
加にともなう開口率の低下を防ぐことができる。

【００２３】また透過型の構造では開口率を上げるため
に配線幅に制限があったが、本発明では画素電極の下
に、太めの金属配線を設置できるため、配線抵抗による
伝送帯域の低下も生じ難い。

【００２４】また素子側の基板に直交する２つ以上の配
線があるＴＦＴ等の３端子素子と比べ、一方の配線だけ
で済み、直交する配線間の短絡等による欠陥が生じにく
い利点がある。

【００２５】さらに液晶厚が薄いため、液晶層の保持容
量が増加する利点もある。

【００２６】Ｓｉ等の一般的な半導体よりもバンドギャ
ップの大きな、絶縁体とも言える半導体を用いるため本
質的に耐光性に優れている。さらに反射型構造としたこ
とで、素子の半導体部分は入射光に対し完全に遮蔽さ
れ、さらに耐光性が向上している。

【００２７】また反射型では光の入射面と出射面が同一
であるためそれと反対側の面にヒートシンクや温調装置
を設置できる利点がある。

【００２８】

【００２９】またゲストホスト型と比較すると、光量の
損失がすくない。さらに従来のＴＮ型反射液晶素子（原
理的には透過型モードを用いている）のように下側に偏
光板、拡散型の反射板を必要としないため表示が明る
く、カラーフィルターを用いることにより少ない照明下
でもカラー画像が得られる利点がある。

【００３０】次に製造方法について説明する。

【００３１】図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ），
（ｅ）は製造の工程を示す図である。

【００３２】Ａ，ＭＩＭ素子の一方の金属であるＴａ薄
膜８０１を基板８０２上にデポジションする（図８
（ａ））。

【００３３】Ｂ．Ｔａ薄膜をストライプ状にホトエッチ
ングする（図８（ｂ））。

【００３４】Ｃ．層間絶縁体８０３を塗布する。図８
（Ｃ）ここでは感光性ポリイミドをスピンコートした
が、無機系の絶縁体であっても問題ない。

【００３５】Ｄ．ＭＩＭ素子形成部分をホトエッチング
で露出させ選択的に陽極酸化を行なう。ここでは湿式の
方法により、約５００ÅのＴａ₂０₅８０４を形成した
（図８（ｄ））。

【００３６】Ｅ．ＭＩＭ素子のもう一方の金属であるＣ
ｒ８０５を蒸着し、ホトエッチングで画素電極を形成す
る（図８（ｅ））。

【００３７】本実施例では、工程の簡単化の為にＭＩＭ
素子の一方の金属であるＣｒを画素電極に用いたが、よ
り高い反射率を必要とする場合、Ａｌ、Ａｇ等の薄膜を
画素電極とすると効果的である。

【００３８】信号伝送配線のパターニングのルールが緩
和されることからも工程の簡略化がなされる。

【００３９】以上実施例を述べたが、本発明は以上の実
施例のみならず、広くディスプレイ装置、投影型ディス
プレイ装置、空間光変調器に応用が可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、従
来より大きなΔｎｄ値を取れるため、液晶層の厚みを比
較的大きく取れるので液晶電気光学装置の製造上におい
てマージンを多く確保できる。また、液晶電気光学装置
からの出射光が直線偏光となるために、偏光ビームスプ
リッターにおける光量損失が少ない、という効果を有す
る。

【００４１】さらに画素電極の下に信号電送配線やＭＩ
Ｍ素子を設置できるために、耐候性、熱伝導性の向上と
いう効果を有する。

【００４２】またさらに配線のルール、簡略な製造工程
を採用できる効果を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＭＩＭ液晶電気光学装置の断面図で
ある。

【図２】液晶の配向を示す斜視図である。

【図３】図１の装置の印加電圧と反射率の特性図であ
る。

【図４】楕円偏光の軌跡図である。

【図５】（ａ）、（ｂ）は△ｎｄとオフ時の反射率を
示すグラフである。

【図６】（ａ），（ｂ）はパラメーターに偏光素子の
液晶のダイレクターに対する配置角をとり、△ｎｄと反
射率の関係を示すグラフである。

【図７】偏光素子にＰＢＳを用いた投影型ＭＩＭ液晶
電気光学装置の構成図である。

【図８】（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ），（ｅ）は
製造の工程図である。

【符号の説明】

１０１・・・反射性画素電極１０２・・・ＭＩＭ基板１０３・・・対向基板１０４・・・液晶１０５・・・透明電極１０６・・・基板１０７・・・信号伝送配線１０８・・・ＭＩＭ素子１０９・・・層間絶縁体２０１・・・ツイスト角２０２・・・液晶分子２０３・・・ダイレクター２０４・・・電界振動面４０１・・・円偏光４０２，４０３・・直線偏光７０１・・・ＰＢＳ８０１・・・Ｔａ薄膜８０２・・・基板８０３・・・層間絶縁体８０４・・・Ｔａ₂０₅ ８０５・・・Ｃｒ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/13 505 G02F 1/1362 G02F 1/137 G09F 9/00 - 9/46 H01L 49/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、入射光を反射する反射型液晶電
気光学装置と、前記光源からの光の直線偏光光を前記反
射型液晶電気光学装置に向けて出射し、前記反射型液晶
電気光学装置からの反射光を検光する偏光ビームスプリ
ッターと、前記偏光ビームスプリッターにより検光され
た光を投影する投影光学手段とを有する投影型液晶電気
光学装置において、前記反射型液晶電気光学装置は一対の基板間にツイスト
したネマチック層のツイスト角がほぼ６３度のネマチッ
ク液晶からなる液晶層が挟持されてなり、前記一対の基
板のうち一方の基板には反射面が形成されてなり、前記反射型液晶電気光学装置は、前記偏光ビームスプリ
ッターから出射された入射光を前記一対の基板のうちの
他方の基板側から入射すると共に、電圧無印加時におい
て、入射光は液晶層の入射側液晶のダイレクターに沿っ
た方向あるいはダイレクターに対し垂直に入射してな
り、かつ前記液晶層を透過した光が前記反射面にてほぼ
円偏光となり、前記反射面で反射し前記液晶層を再び透
過して前記偏光ビームスプリッターに出射する反射光
が、前記入射光とほぼ９０度その偏光面が回転した直線
偏光となるように前記液晶層が設定されてなることを特
徴とする投影型液晶電気光学装置。
【請求項２】前記一方の基板においては、前記反射面
となる画素電極の下に配線及びＭＩＭ素子が配置されて
なることを特徴とする請求項１記載の投影型液晶電気光
学装置。