JPH0616140B2

JPH0616140B2 - 液晶光変調器

Info

Publication number: JPH0616140B2
Application number: JP61181939A
Authority: JP
Inventors: 幸俊大久保; 泰之渡部; 千織望月; 石井　　隆之; 正人山野辺; 和也石渡
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-08-04
Filing date: 1986-08-04
Publication date: 1994-03-02
Anticipated expiration: 2009-03-02
Also published as: JPS6338918A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は液晶光変調器に関し、特に液晶分子の配向制御
を利用した透過型の液晶表示器もしくは液晶光変調器に
関するものである。

［従来の技術］従来、回折格子と液晶を組合せる技術は２〜３の異なる
目的において知られている。

例えば、基板表面に周期的規則性のある溝を形成し、こ
の上に液晶を配設したものが、液晶の配向能を示すこと
で知られている。しかし、これは特に回折格子として機
能させることを目的としていないので、極めて浅い溝
で、光学的差異、特に屈折率差等を問題としていない。

次に、反射特性の異なる材質で微小な格子を形成させ、
この格子の偏光機能を利用して液晶と組合せるものが知
られている。これも格子そのものの厚みが特に強調され
るものではない。

更に、透明部材で格子を形成し、この格子間の溝に液晶
を配設した位相回折格子が知られている。例えば、特公
昭 53-3928号公報や米国特許第4,251,137号明細書等に
於て、表示素子や可変減色フィルター素子と開示されて
いる。しかしながら、前者の特公昭 53-3928号公報に開
示されている素子は単なる装飾効果を示すためのもので
あり、文字や画像を表示する表示素子や、光束の透過、
遮断を行う光変調素子として満足できるものではなかっ
た。

また、後者の米国特許第4,251,137号明細書に開示され
ている可変減色フィルター素子は、回折格子間に配列し
た液晶を電界によってそのダイレクタを変えて、一定角
度でセルを透過する光について格子と液晶間の屈折率差
が変化し、回折効果が変化するのを利用するものであ
る。しかしながら、この素子は第１に作成する上での技
術上の困難を有し、第２に動作上の特性が悪い欠点を有
していた。

即ち、現実に使用可能な液晶で比較的大きなΔｎを用い
ても、充分な回折効果を得るためには、格子ピッチに対
し溝の深さが大きな格子を形成しなければならない。特
に３μｍ以下のピッチと同等の深さを有する格子の形成
が光学的には有効であるが、このような大きさの格子の
加工技術は、現在、半導体デバイスの最先端技術を要
し、容易に作成することが困難である。

次に、動作機能上の問題としては、このように深い溝の
中に入った液晶は基板上下面から面拘束力を受けるだけ
でなく、格子による溝の左右の壁面からの拘束を強く受
ける点である。このことは、液晶分子の長軸が溝方向に
安定して配列するが、逆に外力によって異なる配向状態
に変化させようとする時大きな抵抗力を持つこととな
る。これは、外力、即ちセル内に印加される電界によっ
て容易に初期の配向が壊されないことを意味し、時分割
特性で必要とする急峻な電圧透過率特性が得難いことを
示唆している。

また、従来、液晶セルに直流電圧を加え、しきい値電圧
を越えると“ウィリアムズドメイン(Williams domai
n)”が発生し、電界強度を強めるとこのドメインの巾、
あるいはピッチが小さくなり回折格子が得られることが
知られている。例えば、ソファー，エトアル「オプテ
ィカルコンピューティングウイズバリアブルグ
レイティングモードリクイッドクリスタルデバ
イス」プロシーデングエス・ピー・アイ・イー，第 2
18巻， 81頁， 1980年（SOFFER,et al:“Optical compu
ting with variable grating mode liquid crysutal de
vices”Proc. SPIE， 1980， 218，P.81)等に開示され
ている。

これによる回折格子は、電圧の変化に伴って格子ピッチ
が変化し、従って回折光の分光特性が変化する。しかし
ながら、この回折格子は一定の回折条件を維持すること
と、バイアス電圧を付与する時分割駆動にとっては不利
益となる。

［発明が解決しようとする問題点］本発明の目的は、上述の如き従来の欠点を解決した新規
な液晶光変調基を提供するものである。

さらに、本発明の目的は高生産性と同時に高信頼性の液
晶光変調器を提供するものである。

又、本発明による液晶光変調器は高時分割性を得ると同
時に大面積表示の光変調器の製造プロセスを可能にする
ものである。

［問題点を解決するための手段］即ち、本発明は、透明電極を有する二枚の基板間に液晶
を挟持してなる液晶光変調器において、前記液晶が回折
格子を生じる様に、少なくとも一方の基板の表面がホモ
ジニアス配向領域とホメオトロピック配向領域とを有
し、該ホモジニアス配向領域とホメオトロピック配向領
域との一方を微細配向領域として形成し、かつ該微細配
向領域の形状を同一方向の軸に対して対称形状となる一
軸対称パターンとしたことを特徴とする液晶光変調基で
ある。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に係る液晶光変調器は、二種の相異なる液晶配向
能を有する一軸対称性の微細配向領域を同一基板面に配
列配置してなるものである。

二種の相異なる液晶配向能は、典型的には一方がホメオ
トロピック配向であり、他方がホモジニアス配向を持つ
ものが挙げられる。但し、これ等は０゜〜90゜の範囲の
任意のプレティルト角を持つ二種の配向能を持つものを
組合せるもので、上記ホメオトロピック／ホモジニアス
な配向の組合せに限定するものではない。

第１図は本発明に係る液晶光変調器の一例を示す基本構
成図である。第１図(a) は液晶光変調器の一軸対称性の
微細配向領域を配列した基板の一例を示す部分平面図
で、二種の相異なる液晶配向能を有する微細配向領域
（以下、配向能領域と略記する）を示す。

例えば、14はホモジニアス配向能領域であり、15はホメ
オトロピック配向能領域である。第１図(b) は、このよ
うな配向処理を行った面を有する基板と、ホモジニアス
な配向を持つ他方の基板とを対向せしめ、その基板間に
液晶を挟持した液晶セルの断面図で、第１図(a) の基板
のＡＡ′線の断面構成セルを示す。

11，11′はガラス等の透明基板、13，13′は透明電極、
14，14′はホモジニアス配向能領域、15はホメオトロピ
ック配向能領域である。

第１図(C) は第１図(b) のＣＣ′線断面図で、第１図
(a) の基板のＢＢ′線の断面構成セルを示す。16，1
6′，16″は液晶分子である。液晶分子のダイレクタの
方向を細長く書くことにより示し、円形に近いものは紙
面に垂直で、その中間状態を中間の長さで示す。

第１図(a) のホメオトロピック配向能領域15はＢＢ′線
の軸に対して対称で、隣接パターンとピッチＰで配列し
ている。このパターンはＡＡ′線の軸に対して非対称
で、ＢＢ′線に向う方向性を持っている。この一軸対称
パターンの繰り返し単位をで示している。対向基板1
1′はホモジニアスな配向能を示す処理面として示して
いるが、ホメオトロピックとすることもできる。

第１図(b) のセル断面構成図では、15のホメオトロピッ
ク配向能領域の近傍では、分子が垂直方向に近い配列を
示し、これ以外のホモジニアス配向能領域面では水平な
配向状態となる。ネマティック液晶分子の配列は隣接分
子間の相互作用によって大旨同一方向に揃う性質を有す
ることから、微細な相異なる配向処理面があっても、こ
の面の形状に沿って不連続的に配列を変えることは無
く、連続的に一分子毎に少しずつ異なる配向方向をと
る。

従って、第１図(a) の如き配向処理では、第１に分子は
対称軸の方向に配列し易く、第２にホメオトロピック配
向能領域の面積が広がる方向にプレティルト角を持つ配
列となる。第１図(C) では第１図(a) の処理パターンに
よって分子の平均的傾きであるプレティルト角がθとな
った状態を模式的に示す。

第１図(b) において、この様な液晶分子の配列がなされ
ると、紙面に垂直な直線偏光は回折格子としてのピッチ
Ｐで、液晶の屈折率異方性Δｎと、この時の液晶分子の
配列の分布によって決まる光学厚みをパラメータとして
回折を生じる。

第１図の例では充分な電圧が透明電極13，13′に与えら
れると、使用する正の誘電異方性を持つN_p液晶はセル全
面で基板に垂直な配向を示し、均一な透明状態となる。

従って、この例では電圧を印加しない初期状態で回折が
生じ、電圧印加によって、回折が消滅する液晶光変調器
となる。

この基本的構成に対して、使用する液晶を負の誘電異方
性液晶（N_n液晶）に変えても類似の効果を得ることがで
きる。また、パターンのピッチや方向性に対する繰り返
し単位の形状変化、セルギャップ、使用液晶およびその
添加剤等の組合せを変えることで、初期に一様配向して
いた液晶が電圧を印加して回折を示す状態のものを得る
こともできる。

次に、第２図(a)、(b)、(c)は第１図(a) に示したパター
ンに限定されず、方向性を持った一軸対称性パターンの
配列、配置方法の他の例を示す説明図である。

次に本発明に使用する相異なる液晶配向能の例として
は、水平配向処理には高分子膜が用いられ、例えばポリ
イミド，ポリアミド，ポリエステル，ポリカーボネー
ト，ポリスチレン，ポリ塩化ビニル，ポリビニルアルコ
ール等がある。

垂直配向処理としてはフッ素化炭素鎖を有する界面活性
剤（ダイキンFS 150）やフッ素化炭素鎖を有するケイ素
酸エステル（ダイキンFS 116），又４級アンモニウム塩
界面活性剤（DMOAP），レシチン，ヘキサデシルアミン
等がある。

この他、表面状態や使用する液晶によって水平，垂直の
いずれかの配向をとるものに無機被膜、例えばSiO₂，Ti
O₂，Zr₂O₃，In₂O₃，チッ化シリコン等がある。又金属被
膜もこの部類に近い材料でもある。

相異なる配向能の形成は特に限定されないが、一方の配
向膜を下地として他方の配向膜をその上にパターン形成
する方法が用いられ、フォトリソグラフィックな手法や
印刷が適用できる。

本発明のセル化については、大旨通常のTN表示で用いる
手法が適用できるが、本発明の方向性を持つ一軸対称性
パターンは、特にプレティルト角を一定方向に設けリバ
ースティルトを形成し難い特徴を持つ。対向する基板に
ついても第１図(a)に示す様な基板を用いることができ
るが、この場合には上下基板の位置合せが必要となる。
実際上、必要な回折を得るためには、特に上下基板の位
置合せを要しないものが好ましい。従って、プレティル
ト角が互いに向いあう配置で上下基板を組合せる事によ
りセルを構成するのがよい。

［作用］本発明液晶光変調器は、少なくとも一方の基板がその同
一基板面内に二種の相異なる液晶配向能を有する微細な
配向能領域を配列して形成されているので、配列による
規則性により回折ピッチが得られ、かつ前記配向能領域
が方向性のある一軸対称性パターンからなるために液晶
分子に一定の方向から立上るプレティルト角を付与する
ことができるものと推定される。

［実施例］以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。

実施例１厚さ、 1.1mm、たて 300mm、よこ 300mmの青板ガラス面
にIn₂O₃を主成分とする透明導電膜 300〜500 Å、この
上にポリイミド 300〜800 Åが順次積層された基板上に
フォトレジストAZ−1350Ｊ（シュプレー社製）又は OFP
R−77（東京応化製）等のポジタイプレジストをスピン
塗布し、80℃で10分加熱してから、第１図(a) に示すパ
ターンでピッチ８μｍ、ストライプの巾；最大7.2μ
ｍ，最小0.8μｍ、繰り返し単位；10μｍとして露
光、焼付け、所定の現像液にて現像、乾燥し、この表面
をFS-116，0.5wt％ダイフロン溶液で浸漬塗布し、 100
℃で20分間乾燥した。

この後、残されたフォトレジスト部をFS-116と共にアセ
トン、MEK等の剥離液を用いて溶解除去し、更に150℃〜
200℃で１時間加熱し焼き付けた。

この基板とポリイミドのみを処理した基板を用い、ポリ
イミド基板をラビング処理し、プレティルト角が揃うよ
うに配置し、ギャップが３μｍになるようスペース材を
設けて対向配置し、内部にホフマン・ラ・ロッシュ製ネ
マティック液晶RO−TN403 を導入し、周囲を密閉してセ
ルを製作した。

このセルは電圧無印加で回折を示し、2.2Ｖで回折がほ
ぼ消滅し透明状態となった。回折の消滅は一様で、リバ
ースティルト等に基ずく乱れは観測されなかった。

実施例２実施例１と同様の材料構成において、パターンピッチ３
μｍ、ストライプの巾；最大2.4μｍ，最小0.6μｍ、繰
り返し単位４μｍ、セルギャップ 1.5μｍにてセルを構
成したところ、初期状態において回折が無く、マイクロ
ドメイン等の欠陥も無いセルを得た。これに1.8Vの電圧
を印加したところ強い回折を示した。

実施例３実施例２で用いた配列パターン基板２枚を用いて、ラビ
ングを行なわずにプレティルト角が向き合うようにセル
ギャップ２μｍのセルを構成したところ、初期状態にお
いて回折を生じていた。これに2.3Vの電圧を印加したと
ころ全体が均一な透明状態となった。

［発明の効果］以上説明したように、本発明の液晶光変調器は二種の相
異なる液晶配向能を有する一軸対称性の微細な配向能領
域を同一基板内に配列した基板を、少なくとも一方の基
板に使用しているので、下記の様な優れた効果がある。

従来の格子形成による回折格子と比較して、加工が容
易となり生産性が高くなる。

格子材等を介在することなく、化学的に安定な配向剤
のみを使用でき、高い信頼性が得られる。

液晶自身の屈折率差を利用するため充分大きなΔｎ値
を活用でき、従来と比較して厚いセル厚で所定の光学特
性が得られる。

狭い格子間に液晶を封じること無く、界面の配向処理
のみであり、液晶の閾値電圧が低く、又電圧に対する光
学変化の急峻性が大で、時分割駆動に適している。

微細な配向能領域の配列、形成は印刷等の表面パター
ニング形成のみで良いため、大面積処理や、一枚の基板
での多面採りが可能で生産性がよい。

格子パターンの形成のみによりプレティルト角が設定
でき、ラビングを行うのに比較して、キズやゴミの混入
が少なく、均一性の良いセルを作成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図(a) は、本発明に係わる液晶光変調器の微細な配
向処理領域を配列した基板の一例を示す部分平面図、第
１図(b) は本発明に係わる液晶光変調器の一例を示す断
面図、第１図(c) は第１図(b) のＣＣ′線断面図および
第２図(a)、(b)、(c)は基板に配列される微細な配向処理
領域の他の例を示す説明図である。 10，12……基板 11，11′……透明基板 13，13′……透明電極 14，14′……ホモジニアス配向能領域 15……ホメオトロピック配向能領域 16，16′，16″……液晶分子Ｐ……ピッチ ……一軸対称パターンの繰り返し単位

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石井隆之東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者山野辺正人東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者石渡和也東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特開昭54−5754（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−94955（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−14124（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明電極を有する二枚の基板間に液晶を挟
持してなる液晶光変調器において、前記液晶が回折格子
を生じる様に、少なくとも一方の基板の表面がホモジニ
アス配向領域とホメオトロピック配向領域とを有し、該
ホモジニアス配向領域とホメオトロピック配向領域との
一方を微細配向領域として形成し、かつ該微細配向領域
の形状を同一方向の軸に対して対称形状となる一軸対称
パターンとしたことを特徴とする液晶光変調器。
【請求項２】前記微細配向領域がホメオトロピック配向
領域によって形成されていることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の液晶光変調器。
【請求項３】前記微細配向領域が印刷法を用いて形成さ
れたことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
項記載の液晶光変調器。
【請求項４】前記微細配向領域がフォトリソグラフィー
法を用いて形成されたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項または第２項記載の液晶光変調器。