JPH04124611A - 光学変調素子 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、強訴電性液晶を用いた光学変調素子の新規な
素子構成に関する。

［従来の技術］ 強誘電性液晶を用いた光学変調素子において液晶層をご
く薄い間隔（１〜２μｍ）で互いに平行な２枚の板の間
に形成し、該２枚の板の表面作用を用いて双安定な状態
を作り出す方式（ＳＳＦＬＣ、Ａ＋）＋１１．Ｐｈｙｓ
、ＬｅｔｔＪ６（１９８０）８９９参照）は、その高速
応答性、メモリ性などにより様々な応用が期待されてい
る。

前記双安定型の強誘電性液晶素子は、液晶層を挟む両側
の板の液晶層側にラビングなどにより形成される配向作
用面の軸方向（ラビング方向など）に対し、ある一定角
農具なった方向において２つの安定状態を示す、この角
度をコーン角（以後θ、で表す）という、前記素子の液
晶層面に垂直な方向に電圧を印加すると、強訴電性液晶
は一方の安定状態から他方の安定状態へ移る。この変化
は屈折率異方性を有する材料の光学軸を角度２θ０たけ
回転させることに対応している。したがって、１／２波
長板の作用に相当する厚みを有する前記強誘電性液晶素
子に対し、偏光光が入射した場合、双安定の２つの状態
による入射偏光光に対する偏光回転作用は互いに４θＣ
だけ異なる。クロスニコルあるいは平行ニコル配置の偏
光素子（ｆｊｉ光板など）で前記強話電性液晶素子を挟
むと ４θ、＝９０’　　　　　（θｃ＝２２．５°　）の時
、両双安定状態における透過光量のオン・オフ比（透過
率比、コントラスト）は最も高くなる。

しかしながら、前記コーン角は液晶材料、配向作用面の
特性に強く依存しており、未だ十分なコーン角を有する
強屈電性液晶素子は実現されておらず、光学変調素子と
して用いる場合、その変調度は不十分である。

上記の問題点を解決する方式として光学変調可能な２枚
の強読電性液晶素子とさらに１枚の１／２波長板を組み
合せた方式が知られている。

その概要を以下に示す。第６図はその構成および作用を
示したものである。

第６図（ａ）は、配向軸方向をそろえた同一の双安定強
誘電状態子６１．６３と、１／２波長根６２からなり、
上記２つの強話電性素子６１．６３の片方の安定状態に
おける液晶分子の長軸方向ｎ１ｉｎ３（より厳密には液
晶の屈折率楕円体の一生軸方向）と１／２波長板６２の
屈折率楕円体の一生軸方向ｎ、の３者は同じ方向を向い
ている。３枚の板６１．６２．６３は互いに平行であり
、かつ各々は主波長に対して１／２波長板相当の作用を
成す。本構成の液晶素子に対し、ｎ、、ｎ２、ｎ３に平
行な振動電場をもつ電磁波Ｅ人か入射した場合、各板６
１．６２．６３通過後の振動電場Ｅ１、２、Ｅ、および
出射光Ｅ出の振動電場の方向は変化しない。（Ｅ人／Ｅ
ｌ／Ｅ２／Ｅ出（＝Ｅ３）） 一方、第６図（ｂ）は双安定強誘電状態子６１．６３を
他方の安定状態に保った場合の構成を示しており、６１
．６３の液晶長軸方向は入射光Ｅ人の振動電場の方向に
対して２θ。たけ同じ方向に回転している。まず、第１
の液晶素子６１を通過した光の電場Ｅ１は入射光に対し
て４θ０だけ回転する。次に１／２波長板６２を通過し
た光の電場Ｅ２は屈折率の一生軸ｎ２に対して−４００
だけ回転した方向となる。最後にＥ２に対して６θｃ　
（＝４０．＋２θＣ）だけ回転した方向に液晶分子長軸
ｎ３をもつ第２の液晶素子６３を通過した光の電場Ｅｓ
Ｃ＝Ｅ出）は液晶分子長軸ｎ、に対して６０゜たけ回転
した方向となる。したがフて出射光の電場方向は入射光
の電場方向に対して８θ、（＝２０．＋６０Ｃ）だけ回
転することになり、液晶素子１枚だけの場合と比較して
２倍の偏光回転が可能となることを示している。即ち、 θ、＝１１．２５゜ のコーン角で透過光量のオン・オフ比（透過率比コント
ラスト）を最大にすることができる。

上述した原理を実現させる構成として’ｉｔＳ図に示す
ような光学変調素子が提案されている。この素子は、入
射光側より透明なガラス基板３０１（厚み約１ｍｍ）、
電極作用をする透明なＩＴＯ膜３０２（厚み１５００人
）、対向電極との短節を避けるための絶縁層３０３（厚
み１２００人）、液晶を配向させるためのラビング処理
を施したポリイミド膜３０４（厚み約２００人）、不図
示の径１〜２μｍのビーズにより保持された間隙に注入
された液晶層３０５、ポリイミド膜３０５と同様のポリ
イミド膜３０６（厚み約２００人）、ポリイミド膜３０
６の基板となる薄い透明層３０７（例えばガラス板）、
屈折率異方性をもち、１／４波長板相当の作用を行う高
分子液晶層３０８（厚み１μｍ以下）、高分子液晶の配
向を容易にするためにラビング処理を施したポリイミド
膜３０９（厚み約２００人）、ＩＴＯ膜３０２に対する
対向ｔｆｉ作用および、光の反射作用を兼ねたアルミニ
ウム蒸着膜３１０（厚み数μｍ）、およびガラス基板３
１１　（厚み約１ｍｍ）の各部から構成されている。

本光学変調素子はガラス基板３０１．３１１上に必要な
層を順次形成した後、両者の間隙３０５に液晶材料を注
入し、さらに熱処理などにより双安定強誘電状態とする
。出射光の偏光状態の変調は電極３０２．３１０への印
加信号により行う。

本光学変調素子は複数画素を独立に変調することにより
容易に画像表示に適用可能である。例えばＩＴＯ電１３
０２およびアルミニウム電極３１０を各々短冊型の複数
独立の電極とし、しかも両者を互いに直交させて、マト
リクス型の構成とした場合（いわゆる単純マトリクス駆
動）である。このようにして画像表示を行う場合、同じ
画面サイズにおいて解像力を向上させるためには１画素
当たりのサイズを小さくする必要があり、投写型表示装
置のごとく、小型の液晶表示素子を用いる場合例えば対
角３インチにおいて、１画素約６０μｍ　（ＥＤＴＶ用
）となる。

本発明の素子構成においては１／４波長板として水晶、
雲母、延伸フィルムなどに比べ屈折率異方性が格段に大
きい（１〜２桁）高分子液晶（Δｎ〜０．２）を用いる
ことにより、１／４波長板の厚みを１μｍ以下に抑える
ことができる。

また、ポリイミド膜３０６基板となるガラス板３０７は
素子保持強度として十分な厚みをもつガラス基板３１１
上に構成されるので非常に薄いガラス材を用いることが
できる。画素電極３０２．３１０間の他の層は従来構成
においても１画素サイズに比べて十分に薄いため、高分
子液晶による１／４波長板３０８、および極薄のガラス
板３０７は実効開口基の向上、画素間クロストークの防
止に対して大きな効果を発揮する。

［発明が解決しようとする課題］ 上記光学変調素子を作製する場合特に、１／４λ波長板
能を有する高分子液晶層（以下、ＰＬＣと略記する）を
有する基板側の構成は 基板／反射板／ＰＬＣ配向層／１／４　λ能ＰＬＣ層／
透明導電層／絶縁層／ＦＬＣ配向膜 となっている。ここで上記ＰＬＣの例としては、例えば
ネマチックＰＬＣ（ＰＡ５Ｂ） が挙げられ、ラビング処理を施したポリイミド膜（ＳＥ
−１００、厚み５００人）上に上記液晶のシクロヘキサ
ノン溶液（１０Ｗｔ零）をスピンコードにより塗布し乾
燥した後、熱処理（１００℃、２〜３時間）を施すこと
により、成膜される。

ここで、ＰＬＣ以下の層（透明導電層・絶縁層ＦＬＣ配
向膜）の形成は、上記ＰＬＣの配向を乱さないようＰＬ
Ｃ焼成温度（１００〜２００℃）以下の温度で成膜しな
ければならない。

一方、上記絶縁層が上下電極の短絡をさけるためには、
機械的強度および電気的絶縁性の双方を兼ね備えておら
ねばならず、従来のＦＬＣ素子ではそれらの条件を満足
するために、Ｔｉｅ、−５ｉｎ２やＴａ、０．を２５０
〜３５０℃の焼成温度もしくは基板温度にて成膜されて
いる。

すなわち、ＰＬＣ波長板機能を保持させねばならないと
いう理由から、従来用いている絶縁膜は本発明の光学変
調素子の絶縁膜として用いることはで籾ないという不都
合があった。

本発明の目的は、高温処理を必要とすることなく絶縁膜
が形成で幹るようにし、もってＰＬＣ配向を乱さすＰＬ
Ｃの位相板機能を保持した光学変調素子を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る光学変調素子は、上述した問題点を解決す
べく鑑みたもので、透明電極の表面をレーザアニール処
理することで絶縁層を形成可能としたことを特徴とする
。

このような構成により、従来のような高温処理を必要と
しない絶縁膜で形成された双安定強誘電性液晶／ＰＬＣ
波長板層を有する上記光学変調素子が実現される。

［実施例コ 本発明の詳細な説明する前にレーザアニールについて若
干説明する（オーム社、レーザハンドブックＰ、６９０
参照）。

３４４図は、パルスおよびＣＷレーザアニール装置を示
す、パルスのレーザの場合、均一に照射するためデイフ
ユーザを使うことが多い。ＣＷレーザアニールでは、集
束したビームまたは試料を走査して照射する。照射は空
気中で行われている例が大部分であるが、空気中の酸素
や窒素がアニル効果に影響を及ぼしている例も報告され
ている。パルスおよびＣＷアニールの典型的なパラメー
タ例を第１表に示す。

レーザ照射によってアニールされるためには、レーザ光
が試料に強く吸収される必要がある。このため、半導体
ではＣ０２レーザを用いる例もあるが、一般には波長数
千〜１μｍのレーザが用いられる。金属は長波長域でも
吸収が大きく、ＣＯ２レーザも有効であるが、紫外また
は可視光より長波長域で反射が大きい（反射率９０％以
上）ため、アニールに使われる有効なエネルギーの割合
は小さい。

３４１表　レーザアニールパラメータ 次に、レーザアニールの特徴を以下に列挙する。

（１）加熱が短時間であり、また昇温、福井速度がきわ
めて大きい。

（２）表面層のみを加熱でき、基板に影響を与えない。

（３）試料表面の任意の場所を局所的、選択的に加熱で
きる。

（４）材料や結晶状態の違いによるレーザ光に対する吸
収係数の差を利用して深さ方向または面内の必要部分の
みを加熱できる。

などである。

昇温速度が大きいのは〜１０ｎＳ　（パルス）や〜１ｍ
５（ＣＷ）の短時間内に高密度に表面（６１μｍ）にレ
ーザエネルギーが吸収されるためであり、冷却速度が大
きいのは基板が雰囲気温度に保たれ熱接触がよく効率的
なヒートシンクとして働くからである。冷却速度は、熱
拡散係数、レーザ照射エネルギーなどに依存するが、半
導体の場合、パルスで〜１０　”Ｋ／Ｓ、ＣＷで１０６
に／ｓ程度である。このため、レーザアニール層は炉ア
ニール（〜ＩＯＫ／ｓ）に比べて種々の特徴が現われる
。また、この冷却速度は、準安定の新材料の合成に使わ
れている種々の急冷法と同等の速さであり、レーザアニ
ール法は新材料の合成法としても期待される。

（４）の特徴は、オーミック電極の形成やイオン注入な
どによって発生した欠陥層のみを加熱して再結晶化する
ために利用できる。

本発明は上述したレーザアニールの特徴をいかして成さ
れるものであり、０２中でレーザにより透明電極の表面
をアニールして絶縁化することでＰＬＣへの熱の影響を
おさえ、配向を乱さず絶縁膜を形成するものである。

以下、実施例に基づいて説明する。

［実施例１］ 第１図に本発明に係る光学変調素子の反射板側の作製プ
ロセスのうち絶縁層を形成するプロセスを示す、第１図
において、１は透明なガラス基板、２はＡｉ反射層、３
はラビングがなされＰＬＣを配向させるポリイミド層、
５はＩＴＯ透明電極、６はＩＴＯＥＢ蒸着膜、７はパル
スレーザ、８はレンズ、９はデイフユーザである。

まず、ガラス基板１上に層２〜４を形成したものを真空
糟の中に入れ、３〜４　ｘ　１０−’ｔｏｒｒの０２雰
囲気中で反応性イオンブレーティング法にてＩＴＯを１
２００人形成した（第１図（ｂ））。次にＲＦグロー放
電を停止し、そのままＥＢ加熱蒸着法でかっ色に着色し
たＩＴＯを１０００人形成し、（第１図（ｃ））、この
表面をパルスルビーレーザで０．２Ｊ／ｃｍ２のアニー
ルパワー密度の１μｓ照射を行ったところ、上記かつ色
の膜は透明となり、表面シート抵抗は１０６Ω／以上の
絶縁膜を形成した。（第１図（ｄ））。

この現像を第２図を用いて説明する。第２図（ａ）にお
いて２１は反応性イオンブレーティング法で形成したＩ
ＴＯ／ｉ、２２はＥＢ法で形成したかっ色の１７０層で
ある。なお、２１は多結晶、２２は非晶なる結晶状態を
もフている。この表面にパルスレーザ光が照射されると
、表面から融解が開始する。この状態を示したのが（ｂ
）図であり、２２′は２２が融解した状態である。この
時雰囲気は０２であるので０２は２２′に拡散する。次
に（Ｃ）図のごとく、レーザ照射を停止すると、急速に
２２′の結晶化が進行する。ここで、２２′は再結晶層
である。ただし、雰囲気および融解層に十分な０２が存
在しているため２２″は酸素欠陥のほとんどないＩＴＯ
５換言すると、非常に高抵抗の層となっている。なお、
この融解はパルスレーザ光を吸収する層２２近傍までし
かおこらず、それ以下の層では、はとんど温度上昇はし
ないため熱によるＰＬＣ配向膜へのダメージはほとんど
受けることはなかった。

［実施例２］ ［実施例１コにおいて用いたパルスレーザのかわりに、
ＣＷレーザを用いて同様のレーザアニールを行ったとこ
ろ、［実施例１］と同程度の高抵抗ＩＴｏ層が低抵抗Ｉ
ＴＯ上に形成された。ただし、この場合、［実施例１］
のように非晶質層（着色層）の融解はおこらなかった。

第３図を用いてこの現象を説明する。第３図において、
３１は反応性イオンブレーティング法で作製した多結晶
状態の低抵抗ＩＴＯ層、３２はＥＢ法で作製した非晶状
態の着色１７０層、３３はアニールパワー密度が前記パ
ルスレーザよりも低い〜１０　’　ｗ／ｃｍ’程度のＡ
ｒイオンレーザ光、３４は０２である。

上述のごとく、レーザパワーが弱いため、融解はおこら
ないが、この場合このエネルギーで多結晶層と非晶質層
の界面付近から再結晶がはじまる（４３図（ａ））。た
だし融解はおこらないものの０２の層３２への拡散は十
分おこるため、上記再結晶層は、［実施例１］同様、酸
素欠陥の非常に少ない高抵抗な１７０層となっている。

また、局所的な温度変化もパルスレーザより少ない。

［実施例３］ ［実施例１］においてＥＢ法で作製した非晶室な着色１
７０層のかわりにＩｎ金属層を用い、パルスレーザを用
いてレーザアニールを行フたとこる［実施例１］同様の
高抵抗１７０層が形成された。ただし、この場合、レー
ザ光の吸収効率を高めるためＩｎの蒸着は低真空（１０
−’　ｔｏｒｒ　）で行った。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、ＰＬＣ位相板を
素子内にもつ光学変調素子において、透明電極層をレー
ザアニール処理をして、その表面に絶縁膜を形成したか
ら、低温で絶縁膜を得ることができる。このため、ＰＬ
Ｃ配向を乱さずＰＬＣの位相板機能を保持でき、従来の
絶縁膜形成技術では不可能であった高性能の光学変調素
子の実現が可能とな）た。

【図面の簡単な説明】

ｌｉ図は、本発明に係る光学変調素子におけるレーザア
ニールによる絶縁膜形成のプロセスを示す断面図、 第２図は、第１図におけるレーザアニールの作用を示す
説明図、 ′！Ｊ３図は、他の実施例におけるプロセスを示す説明
図、 第４図は、レーザアニール装置の概略を示す説明図、 第５図は、本発明が適用される絶縁層を用いる光学変調
素子の構成を示す断面図、そして、第６図は、従来例の
素子を示す概略説明図である。 これらの図において、 １：基板、 ２：反射層、 ３：ポリイミドラビング層、 ４：ＰＬＣλ／４位相板層、 ５：１７０層、 ６コ着色したＥＢで蒸着した１１０層、７：レーザ、 ８：レンズ、 ９：デイフユーザ。 特許出願人　　　キャノン株式会社 代理人　弁理士　　　伊　東　哲　也 代理人　弁理士　　　伊　東　辰　雄 （ａ） 第 ｊｊｊｊＪ「 （ｂ） 第 図 図 （Ｃ） （Ｃ） （ｄ） （０）パルスレーザ゛−γニール （ｂ）ＣＷレーサー７二−ル レーザーアニール装互 第４図 光を変Ｓ町素子印の舒Ｎｆｉ図 第 図 ５人 す定状肱（１） ルを来仔りの神先ｔｌ！言す８協 第６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長板としての高分子液晶と、該高分子液晶上に
   形成される透明導電層と、該透明導電層上に形成された
   絶縁層とを備え、該絶縁層が前記透明導電層と、同一の
   材質からなることを特徴とする光学変調素子。
2. （２）前記絶縁層の材質がＩＴＯ（９５ｗｔ％Ｉｎ＿２
   Ｏ＿３＋５ｗｔ％ＳｎＯ＿２）であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の光学変調素子。
3. （３）前記絶縁層であるＩＴＯが前記透明導電層である
   ＩＴＯ表面のレーザアニールで形成されることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の光学変調素子。