JPH06118417A

JPH06118417A - 光学変調素子及びその製造法

Info

Publication number: JPH06118417A
Application number: JP7685693A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Kaneko; 修三金子; Tsutomu Toyono; 勉豊野; Junichiro Kanbe; 純一郎神辺
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2011-06-26
Also published as: JP2510823B2

Abstract

(57)【要約】【目的】広い面積にわたって高密度画素をもつ表示パ
ネルを簡易に作成し、また駆動するに適した光学変調素
子、とくに階調表示に適した光学変調素子を提供する。【構成】相対向する第１の電極（３２）及び第２の電
極（３５）と、それらの電極の間に配置した光学変調物
質とを有する画素を２次元状に配列した光学変調素子に
おいて、光学変調物質を配向させる配向規制力が前記画
素内で互いに相違した領域（１０１、１０２）を有して
いることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表示パネルのための光
学変調素子に関し、特に少なくとも２つの安定状態を持
つ液晶、たとえば強誘電性液晶を用いた表示パネルに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアクティブマトリクス駆動方式を
用いた液晶テレビジョンパネルでは、薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）を画素毎のマトリクス配置し、ＴＦＴにゲー
トオンパルスを印加してソースとドレイン間を導通状態
とし、このとき映像画像信号がソースから印加され、キ
ャパシタに蓄積され、この蓄積された画像信号に対応し
て液晶（例えばツイステッドネマティック：ＴＮ液晶）
が駆動し、同時に映像信号の電圧を変調することによっ
て階調表示が行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなＴ
Ｎ液晶を用いたアクティブマトリクス駆動方式のテレビ
ジョンパネルでは、使用するＴＦＴが複雑な構造を有し
ているため、構造工程数が多く、高い製造コストがネッ
クとなっているうえに、ＴＦＴを構成している薄膜半導
体（例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン）を
広い面積に亘って被膜形成することが難しいなどの問題
点がある。

【０００４】一方、低い製造コストで製造できるものと
してＴＮ液晶を用いたパッシブマトリクス駆動方式の表
示パネルが知られているが、この表示パネルでは走査線
（Ｎ）が増大するに従って、１画面（１フレーム）を走
査する間に一つの選択点に有効な電界が印加されている
時間（デューティー比）が１／Ｎの割合で減少し、この
ためクロストークが発生し、しかも高コントラストの画
像とならないなどの欠点を有している上、デューティー
比が低くなると各画素の階調を電圧変調により制御する
ことが難しくなるなど、高密度配線数の表示パネル、特
に液晶テレビジョンパネルには適していない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、前述の
欠点を解消したもので、詳しくは広い面積にわたって高
密度画素をもつ表示パネルを簡易に作成し、また駆動す
るに適した光学変調素子を提供することにある、また、
とくに階調表示に適した光学変調素子を提供することに
ある。

【０００６】本発明は、相対向する第１の電極及び第２
の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置した光
学変調物質とを有する画素を２次元状に配列した光学変
調素子において、光学変調物質を配向させる配向規制力
が前記画素内で互いに相違した領域を有している光学変
調素子に特徴を有している。更に、付加的に階調に応じ
た波高値のパルス信号あるいは階調に応じたパルス幅又
はパルス数のパルス信号を印加し、画素内で階調性を表
現することができる光学変調素子を提供することができ
る。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を図面に従って説明する。本発
明で用いうる光学変調物質としては、加えられる電界に
応じて第１の光学的安定状態（例えば明状態を形成する
ものとする）と第２の光学的安定状態（例えば暗状態を
形成するものとする）を有するすなわち電界に対する少
なくとも２つの安定状態を有する物質、とくにこのよう
な性質を有する液晶が最適である。

【０００８】本発明の光学変調素子でもちいることがで
きる、少なくとも２つの安定状態を有する液晶として
は、カイラルスメクティック液晶が最も好ましく、その
うちカイラルスメクティクＣ相（ＳｍＣ＊），Ｈ相（Ｓ
ｍＨ＊），Ｉ相（ＳｍＩ＊），Ｆ相（ＳｍＦ＊）やＧ相
（ＳｍＧ＊）の液晶が適している。この強誘電性液晶に
ついては、 “ル・ジュルナール・ド・フィジック・レットル”
（“ＬＥＪＯＵＲＮＡＬＤＥＰＨＹＳＩＱＵＥＬ
ＥＴＴＲＥ”）第３６巻（Ｌ−６９）１９７５年の「フ
ェロエレクトリック・リキッド・クリスタルス」（「Ｆ
ｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔ
ａｌｓ」）： “アプライド・フィジックス・レターズ”（“Ａｐｐｌ
ｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ”）第３６
巻、第１１号、１９８０年の「サブミクロ・セカンド・
バイスティブル・エレクトロオプティック・スイッチン
グ・イン・リキッド・クリスタルス」（「Ｓｕｂｍｉｃ
ｒｏＳｅｃｏｎｄＢｉｓｔａｂｌｅＥｌｅｃｔｒｏ
ｏｐｔｉｃＳｗｉｔｃｈｉｎｇｉｎＬｉｑｕｉｄ
Ｃｒｙｓｔａｌｓ」）： “固体物理１６（１４１）１９８１「液晶」などに記載されており、本発明ではこれらに開示された
強誘電性液晶をもちいることができる。

【０００９】より具体的には、本発明に用いられる強誘
電性液晶化合物の例としては、デシロキシベンジリデン
−Ｐ’−アミノ−２−メチルブチルシンナメート（ＤＯ
ＢＡＭＢＣ），ヘキシルオキシベンジリデン−Ｐ’−ア
ミノ−２−クロロプロピルシンナメート（ＨＯＢＡＣＰ
Ｃ）および４−０−（２−メチル）−ブチルレゾルシリ
デン−４’−オクチルアニリン（ＭＢＲＡ８）などが挙
げられる。

【００１０】これらの材料を用いて、素子を構成する場
合、液晶化合物が、ＳｍＣ＊，ＳｍＨ＊，ＳｍＩ＊，Ｓ
ｍＦ＊，ＳｍＧ＊となるような温度状態に保持するた
め、必要に応じて素子をヒーターが埋め込まれた銅ブロ
ック等により支持することができる。

【００１１】図１は、強誘電性液晶セルの例を模式的に
描いたものである。１１と１１’は、Ｉｎ₂ Ｏ₃ ，Ｓｎ
Ｏ₂ やＩＴＯ（インジウム−ティン−オキサイド）等の
透明電極がコートされた基板（ガラス板）であり、その
間に液晶分子層１２がガラス面に垂直になるよう配向し
たＳｍＣ＊相の液晶が封入されている。太線で示した線
１３が液晶分子を表しており、この液晶分子１３は、そ
の分子に直交した方向に双極子モーメント（Ｐ⊥）１４
を有している。基板１１と１１’状の電極間に一定の閾
値以上の電圧を印加すると、液晶分子１３のらせん構造
がほどけ、双極子モーメント（Ｐ⊥）１４はすべて電界
方向に向くよう、液晶分子１３の配向方向を変えること
ができる。液晶分子１３は細長い形状を有しており、そ
の長軸方向と短軸方向で屈折率異方性を示し、従って例
えばガラス面上下に互いにクロスニコルの位置関係に配
置した偏光子を置けば、電圧印加極性によって光学特性
が変わる液晶光学変調素子となることは、容易に理解さ
れる。

【００１２】さらに液晶セルの厚さを充分に薄くした場
合（例えば１ミクロン）には、図１に示すように電界を
印加していない状態でも液晶分子のらせん構造はほどけ
（非らせん構造）、その双極子モーメントＰまたはＰ’
は上向き（２４）又は下向き（２４’）のどちらかの配
向状態をとる。このようなセルに第２図に示す如く一定
の閾値以上の極性の異なる電界Ｅ又はＥ’を付与する
と、双極子モーメント電界ＥまたはＥ’をの電界ベクト
ルに対応して上向き（２４）又は下向き（２４’）とそ
の向きを変え、それに応じて液晶分子は第１の安定状態
２３（明状態）かあるいは第２の安定状態２３’（暗状
態）の何れか一方に配向する。

【００１３】このような強誘電性液晶を光学変調素子と
して用いることの利点は２つある。第１に応答速度が極
めて早いことであり、第２に液晶分子の配向が双安定性
を有することである。第２の点を例えば図２によって説
明すると、電界Ｅを印加すると液晶分子は第１の安定状
態２３に配向するが、この状態は電界を切ってもこの第
１の安定状態２３が維持され、又、逆向きの電界Ｅ’を
印加すると、液晶分子は第２の安定状態２３’に配向し
てその分子の向きを変えるが、やはり電界を切ってもこ
の状態に保ち、それぞれの安定状態でメモリー機能を有
している。

【００１４】このような応答速度の早さと、双安定性が
有効に実現されるには、セルとしては出来るだけ薄い方
が好ましいく、一般的には０．５μｍ乃至２０μｍ特に
１μｍ乃至５μｍが適している。

【００１５】この種の強誘電性液晶を用いたマトリクス
電極構造を有する液晶−電気光学装置は、例えばクラー
クとラガバルにより、米国特許第４，３６７，９２４号
明細書で提案されている。

【００１６】次に、本発明における液晶光学素子の詳細
を説明する。図３は本発明の一実施例である。３１は一
方の基板であり、ガラスやプラスティクが用いられる。
この基板３１の上に、ＩＴＯ等の第１の電極３２及び配
向制御層３３が積層されている。これと対向して他方の
基板３４が両基板間に光学変調物質１を挟持して配置さ
れる。この基板３４の上には第２の電極３５と配向制御
層３６が積層され、基板３１と３４との間隔はスペーサ
３７によって制御されている。

【００１７】図４は前述の一方の基板３１に形成した配
向制御層３３の平面図を表している。この配向制御層３
３は、互いに相違した配向規制力の領域、すなわち第１
の配向規制力領域１０１と第２の配向規制力領域１０２
とを有し、第１の配向規制力領域１０１が第２の配向規
制力領域１０２内に分散状に分布している。従って第１
領域１０１と第２領域１０２とは同一方向の一軸性配向
軸（例えばラビング処理軸）を有しているが互いにその
一軸性配向軸の配向規制力が相違している。

【００１８】前述した配向制御層３３を設けた基板３１
を得る方法としては、例えばガラスまたはプラスティク
などの基板３１上に電極３２としてＩＴＯなどをスパッ
タリング法により、約３０００Å厚で一様に設け、次い
でこの基板３１上にポリビニルアルコール水溶液をスピ
ナーまたはディピングにより一様に設け、約１８０℃で
３０分間の熱処理により硬化した約１０００〜２０００
Å厚のポリビニルアルコール膜（第２の配向規制力領域
１０２に対応）を形成し、更にこのポリビニルアルコー
ル膜のうえにポリイミド前駆体溶液（例えばピロメリッ
ト配無水物と４、４’−ジアミノジフエニルエーテルと
の縮合体をＮ−メチルピリドンに溶解した溶液）をスプ
レイ又はメッシュを介して塗工した後、約１８０℃で１
時間の熱処理により得たポリイミド（第１の配向規制力
領域１０１に対応）を形成し、更に一軸性配向処理とし
てラビング処理などを施すことによって得る方法があ
る。

【００１９】相違した配向規制力の一軸性配向軸を形成
するには、前述したポリビニルアルコール／ポリイミド
の組み合わせのほかにポリビニルアルコール／ポリアミ
ド、ポリビニルアルコール／シランカップリング剤、ポ
リイミド／ポリアミド、ポリイミド／シランカップリン
グ剤などの異なる有機ポリマー又はモノマーの組み合わ
せを用いることが出来る。又、本発明では、第１の配向
規制力領域１０１をＳｉＯ，ＳｉＯなどの無機絶縁物質
の膜で形成し、第２の配向規制力領域１０２を有機ポリ
マーの膜で形成した組み合わせ、又はその逆の組み合わ
せを用いることができる。

【００２０】又、本発明では他方の配向制御層３６とし
ては、ポリビニルアルコール、ポリイミド、ポリアミド
やシランカップリング剤で一様に形成した被膜にラビン
グ処理を施したものを用いることができる本発明では、
第１の配向規制力領域１０１と第２の配向規制力領域１
０２における強誘電性液晶に対する一軸性配向規制力が
互いに相違しているため、強誘電性液晶の閾値電圧が第
１の領域１０１と第２の領域とで相違したものになる。
従って第１の領域１０１と第２の領域１０２での反転開
始電圧が相違し、例えば前述のポリビニルアルコール／
ポリイミドの組み合わせでは、第１の領域１０１に対応
するポリイミドが第２の領域１０２に対応するポリビニ
ルアルコールと比較して閾値電圧を低くする傾向がある
ため、第１の領域１０１に反転核を発生することにな
る。

【００２１】本発明の好ましい具体例では、ポリビニル
アルコール／ポリイミドで組み合わせた配向制御膜を用
いた液晶素子に交流を印加することができる。この際に
用いる交流は１０Ｈｚ〜１ＫＨｚで、２０Ｖ〜２００Ｖ
程度のもので、ポリビニルアルコールの配向制御膜に対
応している強誘電性液晶をチルト角が大きいユニフォー
ム配向状態とすることが出来る。ユニフォーム配向状態
の強誘電性液晶の閾値電圧はスプレイ配向状態の場合と
比較して低いものとなっているので、スプレイ配向状態
となっているポリイミド膜に対応した強誘電性液晶の閾
値電圧を確実に低いものとすることができる。

【００２２】本明細書で記載の「ユニフォーム配向状
態」とは電圧が印加されていない状態下で、強誘電性液
晶のらせんがほどけ、両基板に隣接する液晶分子の基板
への写影が互いに平行か又は平行に近い交差角で交差し
ている状態を言い、「スプレイ配向状態」とは上述した
両基板への写影が互いに所定の角度で交差した状態を言
う。一般に、ポリビニルアルコールを配向制御膜とした
強誘電性液晶素子に交流を印加すると、ユニフォーム配
向状態になり、ポリイミドを配向制御膜として強誘電性
液晶素子では交流を印加してもユニフォーム配向状態と
はならず、スプレイ配向状態となっている。そして、一
般にはユニフォーム配向状態よりスプレイ配向状態の強
誘電性液晶の方がその閾値電圧が小さい。

【００２３】図５は前述した強誘電性液晶の一般的なセ
ルにおける電圧印加による分子の反転の様子を模式的に
示す図である。

【００２４】まず、電圧が印加され始めた直後、電圧印
加部分のうち部分的に反転核５１が発生する（図５
（ａ））この後、図５の（ｂ）と（ｃ）に示すように印
加電圧下で時間が経つにつれて前記反転核５１を中心に
反転部分が時間が経つに従って次第に広がって反転領域
５２が形成される。更に、電圧を印加し続けると、その
殆どが反転し図５の（ｄ）のようになり、最後に前記電
圧印加部分全域が反転するものである。

【００２５】この反転の様子は、例えばオリハラ（Ｏｒ
ｉｈａｒａ）とイシバシ（Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ）による
“スイッチング・キャラクタリスティクス・オブ・フェ
ロエレクトリック・リキッド・クリスタル・ドバンボ
ク”（“ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＣｈｅｒａｃｔｅｒｉｓｔ
ｉｃｓｏｆＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＬｉｑｕ
ｉｄＣｒｙｓｔａｌＤＯＢＡＭＢＣ”）−ジャパニ
ーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス
（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆａｐｐｌ
ｉｅｄｐｈｙｓｉｃｓ）第２３巻、第１０号、１９８
４年１０月第１２７４ー１２７７頁に記載されている。

【００２６】また本発明は光学変調物質として、前述し
た強誘電性液晶のほかにＴＮ液晶などをもちいることが
出来る。

【００２７】この様に本発明は画素内に意図的に反転核
を形成しその反転核を中心に反転領域を形成する方法に
基づいており、例えば配向制御層３３に形成した第１の
領域１０１を中心に強誘電性液晶の反転が開始され、さ
らにパルス信号のパルス数、パルス幅又は波高値の大き
さに応じて、その領域１０１を中心に成長する反転領域
の大きさが決定される。

【００２８】また本発明の光学変調素子に、走査電極と
情報電極で形成したマトリクス電極を適用し線順次書き
込みを行うにあたって、特開昭５９−１９３４２７号公
報に開示された駆動方式を採用するのが好ましい。すな
わち、本発明では、書き込みライン上の画素を一旦黒レ
ベルに相当する一方の安定状態に強誘電性液晶を配向さ
せ、次ぎに後述する図６乃至図８に示すパルス信号を情
報電極側に印加することによって、白レベルに相当する
他方の安定状態に強誘電性液晶を反転させかかる走査を
ライン毎に順次行うことで一画面の階調表示が得られ
る。

【００２９】図６乃至図８は第１の電極３２と第２の電
極３５との間に印加される電圧の代表的印加例を示す。
図６は印加パルス幅、図７は印加パルス数、図８は印加
パルス電圧値（波高値）を選択することにより、階調表
示を得ることが出来る。図６乃至８の夫々における
（ａ）〜（ｄ）は模式的に図５（ａ）〜（ｄ）に対応し
ている。

【００３０】図６及び図７は本発明光学変調素子に最も
適した電圧印加例である。すなわち、図６及び図７にお
けるパルス波形（ａ）を図３における電極３２と３５と
の間に印加することで比較的高い電界が作用する部分
（部位１０１）の光学変調物質が反転を開始し、核とな
り反転部分が拡がり始める。もしここで電圧の印加を中
止すれば特に双安定性のある光学変調物質の場合は、こ
のままの状態がメモリされる。次ぎに図６と図７の
（ｂ）〜（ｄ）に示す電圧の印加、或はパルスの印加を
与えれば反転部分が拡がり、夫々電圧印加を中止した時
点における状態をメモリし階調表現が可能となるもので
ある。

【００３１】図８に示す印加電圧を変える方法によれば
図８の（ａ）に示すパルスにより、前記反転核の形成が
行われ、図８の（ｂ）〜（ｄ）に示すように電圧を大き
くすると、光学変調物質の応答性が良くなるため、反転
する領域が大きくなるが、このときも前記電界強度が大
きい部分が先ず最初に反転し、与えるパルス幅内で反転
領域が最初に拡がっていくものと考えられる。この場合
のパルス印加時間があまり長いと、領域１０２で強誘電
性液晶が反転してしまうので、前記パルス印加時間は適
当に調整する。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、高密度画素の表示パネ
ル、又は光シャッタアレイに適した光学変調素子を提供
することができ、しかも単にパルス信号のパルス幅、パ
ルス数または波高値を階調に応じて変化させて階調を表
現する表示パネルに適した強誘電性液晶素子を提供する
ことができる利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いられる強誘電性液晶素子を説明す
るための模式図である。

【図２】本発明に用いられる強誘電性液晶素子を説明す
るための模式図である。

【図３】本発明の一実施例による光学変調素子の模式的
断面図である。

【図４】本発明の一実施例による光学変調素子の一部分
を示す模式的平面図である。

【図５】本発明の一実施例による光学変調素子の画素の
反転領域の形成の様子を説明するための模式的平面図で
ある。

【図６】本発明に用いられる階調情報に応じた信号の波
形の一例を示す図である。

【図７】本発明に用いられる階調情報に応じた信号の波
形の別の例を示す図である。

【図８】本発明に用いられる階調情報に応じた信号の波
形の更に他の例を示す図である。

【符号の説明】

１光学変調物質３１基板３２第１の電極３５第２の電極３４基板５１反転核５２反転領域１０１第１の配向規制力領域１０２第２の配向規制力領域

【手続補正書】

【提出日】平成５年４月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】光学変調素子及びその製造法

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表示装置のための光学
変調素子に関し、特に画素内に部分的に形成された反転
領域を用いて中間調の表示を行なうに適した光学変調素
子及びその製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ツイスティッドネマティック（ＴＮ）液
晶を用いた液晶表示装置には、パッシブマトリクス駆動
方式の表示パネルとアクティブマトリクス駆動方式を用
いたものが知られている。

【０００３】アクティブマトリクス駆動方式の液晶テレ
ビジョンパネルでは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を画
素毎のマトリクス配置し、ＴＦＴにゲートオンパルスを
印加してソースとドレイン間を導通状態とし、このとき
映像画像信号がソースから印加され、キャパシタに蓄積
され、この蓄積された画像信号に対応してＴＮ液晶が駆
動し、同時に映像信号の電圧を変調することによって階
調表示が行なわれている。

【０００４】この様な階調表示方法は、輝度階調とよば
れるもので、この場合の中間調表示は画素全体の光透過
率を制御するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする技術課題】しかし、このよう
なＴＮ液晶を用いたアクティブマトリクス駆動方式のテ
レビジョンパネルでは光透過率が印加電界に完全に依存
するため、印加電界が変動すると中間調状態の変動して
しまう。

【０００６】また、視野角が狭いために中間調状態の見
え方が、見る位置により変化してしまう。

【０００７】あるいは、低い製造コストで製造できるも
のとしてのパッシブマトリクス駆動方式の表示パネルで
は走査線（Ｎ）が増大するに従って、１画面（１フレー
ム）を走査する間に一つの選択点に有効な電界が印加さ
れている時間（デューティー比）が１／Ｎの割合で減少
し、このためクロストークが発生する。しかも高コント
ラストの画像とならないという解決すべき技術課題を有
している上、デューティー比が低くなると各画素の階調
を電圧変調により制御することが難しくなるなど、高密
度配線数の表示パネル、特に液晶テレビジョンパネルに
最適とはいえないものであった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、前述課
題を解決するもので、詳しくは広い面積にわたって高密
度画素をもつ表示パネルを簡易に作成し、また階調表示
をするに適した液晶の配向状態を呈する光学変調素子及
びその製造法を提供することにある。

【０００９】すなわち、本発明は、互いに対向する第１
の電極及び第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の
電極との間に配置した強誘電性液晶と、を有する画素を
２次元状に配列した光学変調素子において、前記画素に
階調情報に応じた電気信号を供給する手段を備えるとと
もに、前記第１の電極の表面側には一軸性配向処理がな
されており、前記強誘電性液晶を配向させる配向規制力
を異ならしめた部位が該強誘電性液晶の状態が反転する
反転領域を前記画素内に部分的に形成するように、前記
画素内に複数離間して配置されていることを特徴とす
る。

【００１０】また、本発明の光学変調素子の製造法は、
互いに対向する第１の電極及び第２の電極と、該第１及
び第２の電極との間に配置した強誘電性液晶と、を有す
る画素を２次元状に配列した光学変調素子の製造法にお
いて、前記第１の電極の表面側に、前記液晶を配向させ
る配向規制力を異ならしめる部位を前記画素内に含む配
向制御膜を形成し、一軸性配向処理を施す工程と、ユニ
フォーム配向状態とするための交流を印加する工程と、
を含むことを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明によれば、反転領域を前記画素内に部分
的に形成する即ち、単位画素内の反転した面積の大小
で、中間調の表示をすることによりその状態が変動する
ことを抑制し、再現性に優れ安定した中間調の表示を可
能にするものである。

【００１２】更には、強誘電性液晶の配向状態を良好な
ユニフォーム配向として、反転を開始する位置を制御す
ることにより、より一層再現性と安定性とを高めるとと
もに、広い範囲に渡る階調表示を行なうことも出来るの
である。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を図面に従って説明する。本発
明で用いうる光学変調物質としては、加えられる電界に
応じて第１の光学的安定状態（例えば明状態を形成する
ものとする）と第２の光学的安定状態（例えば暗状態を
形成するものとする）を有するすなわち電界に対する少
なくとも２つの安定状態を有する物質、とくにこのよう
な性質を有する強誘電性液晶が最適である。

【００１４】本発明の光学変調素子でもちいることがで
きる、少なくとも２つの安定状態を有する液晶として
は、カイラルスメティック液晶が最も好ましく、そのう
ちカイラルスメティックＣ相（ＳｍＣ＊），Ｈ相（Ｓｍ
Ｈ＊），Ｉ相（ＳｍＩ＊），Ｆ相（ＳｍＦ＊）やＧ相
（ＳｍＧ＊）の液晶が適している。この強誘電性液晶に
ついては、 “ル・ジュルナール・ド・フィジック・レットル”
（“ＬＥＪＯＵＲＮＡＬＤＥＰＨＹＳＩＱＵＥ
ＬＥＴＴＲＥ”）第３６巻（Ｌ−６９）１９７５年の
「フェロエレクトリック・リキッド・クリスタルス」
（「ＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＬｉｑｕｉｄＣ
ｒｙｓｔａｌｓ」）： “アプライド・フィジックス・レターズ”（“Ａｐｐ
ｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ”）第３６
巻、第１１号、１９８０年の「サブミクロ・セカンド・
バイスティブル・エレクトロオプティック・スイッチン
グ・イン・リキッド・クリスタルス」（「Ｓｕｂｍｉｃ
ｒｏＳｅｃｏｎｄＢｉｓｔａｂｌｅＥｌｅｃｔｒｏ
ｏｐｔｉｃＳｗｉｔｃｈｉｎｇｉｎＬｉｑｕｉｄ
Ｃｒｙｓｔａｌｓ」）： “固体物理１６（１４１）１９８１「液晶」などに記
載されており、本発明ではこれらに開示された強誘電性
液晶をもちいることができる。

【００１５】より具体的には、本発明に用いられる強誘
電性液晶化合物の例としては、デシロキシベンジリデン
−Ｐ′−アミノ−２−メチルブチルシンナメート（ＤＯ
ＢＡＭＢＣ）、ヘキシルオキシベンジリデン−Ｐ′−ア
ミノ−２−クロロプロピルシンナメート（ＨＯＢＡＣＰ
Ｃ）及び４−ｏ−（２−メチル）−ブチルレゾルシリデ
ン−４′−オクチルアニリン（ＭＢＲＡ８）などが挙げ
られる。

【００１６】これらの材料を用いて、素子を構成する場
合、液晶化合物が、ＳｍＣ＊、ＳｍＨ＊、ＳｍＩ＊、Ｓ
ｍＦ＊、ＳｍＧ＊となるような温度状態に保持するた
め、必要に応じて素子をヒーターが埋め込まれた銅ブロ
ック等により支持することができる。

【００１７】図１は、強誘電性液晶セルの例を模式的に
描いたものである。１１と１１′は、Ｉｎ₂ Ｏ₃ 、Ｓｎ
Ｏ₂ やＩＴＯ（インジウム−ティン−オキサイド）等の
透明電極がコートされた基板（ガラス板）であり、その
間に液晶分子層１２がガラス面に垂直になるよう配向し
たＳｍＣ＊相の液晶が封入されている。太線で示した線
１３が液晶分子を表しており、この液晶分子１３は、そ
の分子に直交した方向に双極子モーメント（Ｐ⊥）１４
を有している。基板１１と１１′状の電極間に一定の閾
値以上の電圧を印加すると、液晶分子１３のらせん構造
がほどけ、双極子モーメント（Ｐ⊥）はすべて電界方向
に向くよう、液晶分子１３の配向方向を変えることがで
きる。液晶分子１３は細長い形状を有しており、その長
軸方向と短軸方向で屈折率異方性を示し、従って例えば
ガラス面上下に互いにクロスニコルの位置関係に配置し
た偏光子を置けば、電圧印加極性によって光学特性が変
わる液晶光学変調素子となることは、容易に理解され
る。

【００１８】さらに液晶セルの厚さを充分に薄くした場
合（例えば１μｍ）には、図１に示すように電界を印加
していない状態でも液晶分子のらせん構造はほどけ（非
らせん構造）、その双極子モーメントＰまたはＰ′は上
向き（２４）または下向き（２４′）のどちらかの配向
状態をとる。このようなセルに図２に示す如く一定の閾
値以上の極性の異なる電界ＥまたはＥ′を付与すると、
双極子モーメント電界ＥまたはＥ′をの電界ベクトルに
対応して上向き（２４）または下向き（２４′）とその
向きを変え、それに応じて液晶分子は第１の安定状態２
３（明状態）かあるいは第２の安定状態２３′（暗状
態）の何れか一方を配向する。

【００１９】このような強誘電性液晶を光学変調素子と
して用いることの利点は２つある。第１に応答速度が極
めて早いことであり、第２に液晶分子の配向が双安定性
を有することである。第２の点を例えば図２によって説
明すると、電界Ｅを印加すると液晶分子は第１の安定状
態２３に配向するが、この状態は電界を切ってもこの第
１の安定状態２３が維持され、また、逆向きの電界Ｅ′
を印加すると、液晶分子は第２の安定状態２３′に配向
してその分子の向きを変えるが、やはり電界を切っても
この状態に保ち、それぞれの安定状態でメモリー機能を
有している。

【００２０】このような応答速度の早さと、双安定性が
有効に実現されるには、セルとしては出来るだけ薄い方
が好ましく、一般的には０．５μｍ乃至２０μｍ、特に
１μｍ乃至５μｍが適している。

【００２１】この種の強誘電性液晶を用いたマトリクス
電極構造を有する液晶−電気光学装置は、例えばクラー
クとラガバルにより、米国特許第４，３６７，９２４号
明細書で提案されている。

【００２２】次に、本発明における液晶光学素子の詳細
を説明する。図３は本発明の一実施例による光学変調素
子を示す模式的断面図である。３１は一方の基板であ
り、ガラスやプラスティックが用いられる。この基板３
１の上に、ＩＴＯ等の第１の電極３２及び配向制御層３
３が積層されている。これと対向して他方の基板３４が
両基板間に光学変調物質１を挟持して配置され、基板３
４の上には第２の電極３５と配向制御層３６が積層さ
れ、基板３１と３４との間隔はスペーサ３７によって制
御されている。

【００２３】図４は前述の一方の基板３１に形成した画
素内の配向制御層３３の平面図を表している。この配向
制御層３３は、互いに相違した配向規制力の領域、すな
わち第１の配向規制力領域１０１と第２の配向規制力領
域１０２とを有し、第１の配向規制力領域１０１が第２
の配向規制力領域１０２内に規則的に分散状に分布して
いる。従って第１領域１０１と第２領域１０２とは同一
方向の一軸性配向軸（例えばラビング処理軸）を有して
いるが互いにその一軸性配向軸の配向規制力が相違して
いる。

【００２４】前述した配向制御層３３を設けた基板３１
を得る方法としては、例えばガラスまたはプラスティッ
クなどの基板３１上に電極３２としてＩＴＯなどをスパ
ッタリング法により、約３０００Å厚で一様に設け、次
いでこの基板３１上にポリビニルアルコール水溶液をス
ピナーまたはディピングにより一様に設け、約１８０℃
で３０分間の熱処理により硬化した約１０００〜２００
０Å厚のポリビニルアルコール膜（第２の配向規制力領
域１０２に対応）を形成し、更にこのポリビニルアルコ
ール膜のうえにポリイミド前駆体溶液（例えばピロメリ
ット配無水物と４、４′−ジアミノジフェニルエーテル
との縮合体をＮ−メチルピロリドンに溶解した溶液）を
スプレイ又はメッシュを介して塗工した後、約１８０℃
で１時間の熱処理により得たポリイミド（第１の配向規
制力領域１０１に対応）を形成し、更に一軸性配向処理
としてラビング処理などを施すことによって得る方法が
ある。

【００２５】相違した配向規制力の一軸性配向軸を形成
するには、前述したポリビニルアルコール／ポリイミド
の組み合わせのほかにポリビニルアルコール／ポリアミ
ド、ポリビニルアルコール／シランカップリング剤、ポ
リイミド／ポリアミド、ポリイミド／シランカップリン
グ剤などの異なる有機ポリマーまたはモノマーの組み合
わせを用いることが出来る。また、本発明では、第１の
配向規制力領域１０１をＳｉＯなどの無機絶縁物質の膜
で形成し、第２の配向規制力領域１０２を有機ポリマー
の膜で形成した組み合わせ、またはその逆の組み合わせ
を用いることもできる。

【００２６】また、本発明では他方の配向制御層３６と
しては、ポリビニルアルコール、ポリイミド、ポリアミ
ドやシランカップリング剤で一様に形成した被膜にラビ
ング処理を施したものを用いることができる。

【００２７】本発明では、第１の配向規制力領域１０１
と第２の配向規制力領域１０２における強誘電性液晶に
対する一軸性配向規制力が互いに相違しているため、強
誘電性液晶の閾値電圧が第１の領域１０１と第２の領域
とで相違したものになる。従って第１の領域１０１と第
２の領域１０２での反転開始電圧が相違し、例えば前述
のポリビニルアルコール／ポリイミドの組み合わせで
は、第１の領域１０１に対応するポリイミドが第２の領
域１０２に対応するポリビニルアルコールと比較して閾
値電圧を低くする傾向があるため、第１の領域１０１に
反転核を発生することになる。

【００２８】そして、本発明による光学変調素子の製造
法としては、ポリビニルアルコール／ポリイミドで組み
合わせた配向制御膜を用いた液晶素子に交流を印加す
る。この際に用いる交流は１０Ｈｚ〜１ＫＨｚで、２０
Ｖ〜２００Ｖ程度のもので、ポリビニルアルコールの配
向制御膜に対応している強誘電性液晶をチルト角が大き
いユニフォーム配向状態とすることができる。ユニフォ
ーム配向状態の強誘電性液晶の閾値電圧はスプレイ配向
状態の場合と比較して高いものとなっているので、スプ
レイ配向状態となっているポリイミド膜に対応した強誘
電性液晶の閾値電圧を確実に低いものとすることができ
る。

【００２９】本明細書で記載の「ユニフォーム配向状
態」とは電圧が印加されていない状態下で、強誘電性液
晶のらせんがほどけ、両基板に隣接する液晶分子の基板
への写影が互いに平行かまたは平行に近い交差角で交差
している状態を言い、「スプレイ配向状態」とは上述し
た両基板への写影が互いに所定の角度で交差した状態を
言う。ポリビニルアルコールを配向制御膜とした強誘電
性液晶素子に交流を印加すると、ユニフォーム配向状態
になり、ポリイミドを配向制御膜として強誘電性液晶素
子では交流を印加してもユニフォーム配向状態とはなら
ず、スプレイ配向状態となっている。そして、一般には
ユニフォーム配向状態よりスプレイ配向状態の強誘電性
液晶の方がその閾値電圧が小さい。

【００３０】図５は前述した強誘電性液晶のセルにおけ
る電圧印加による分子の反転の様子を模式的に示す図で
ある。

【００３１】まず、電圧が印加され始めた直後、は
（ａ）に示す様に電圧印加部分のうち第１の領域１０１
に対応して部分的に反転核５１が発生する。この後、
（ｂ）と（ｃ）に示すように印加電圧下で時間が経つに
つれて前記反転核５１を中心に反転部分が時間が経つに
従って次第に広がって反転領域５２が形成される。更
に、電圧を印加し続けると、その殆どが反転し（ｄ）の
ようになり、最後に前記電圧印加部分全域（画素全域）
が反転するものである。

【００３２】因に、強誘電性液晶の一般的な反転の様子
は、例えばオリハラ（Ｏｒｉｈａｒａ）とイシバシ（Ｉ
ｓｈｉｂａｓｈｉ）による“スイッチング・キャラクタ
リスティクス・オブ・フェロエレクトリック・リキッド
・クリスタル・ドバンボク”（“Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ
ＣｈｅｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＦｅｒｒｏｅ
ｌｅｃｒｉｃＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤＯＢ
ＡＭＢＣ”）−ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプ
ライド・フィジックス（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎ
ａｌｏｆａｐｐｌｉｅｄｐｈｙｓｉｃｓ）第２３
巻、第１０号、１９８４年１０月第１２７４−１２７７
頁に記載されている。

【００３３】この様に本発明は画素内に意図的に反転核
を複数離間させて形成しその反転核を中心に反転領域を
画素内に部分的に形成する方法に基づいており、例えば
配向制御層３３に形成した第１の領域１０１を中心に強
誘電性液晶の反転が開始され、さらにパルス信号のパル
ス数、パルス幅または波高値の大きさに応じて、その領
域１０１を中心に成長する反転領域の大きさが決定され
る。

【００３４】また本発明の光学変調素子に、走査電極と
情報電極で形成したマトリクス電極を適用し線順次書き
込みを行うにあたって、特開昭５９−１９３４２７号公
報に開示された駆動方式を採用するのが好ましい。すな
わち、本発明では、書き込みライン上の画素を一旦黒レ
ベルに相当する一方の安定状態に強誘電性液晶を配向さ
せ、次ぎに後述する図６乃至図８に示すパルス信号を情
報電極側に印加することによって、白レベルに相当する
他方の安定状態に強誘電性液晶を反転させかかる走査を
ライン毎に順次行うことで一画面の階調表示が得られ
る。

【００３５】図６乃至図８は第１の電極３２と第２の電
極３５との間に印加される電気信号の代表例を示す図で
ある。図６は印加パルス幅、図７は印加パルス数、図８
は印加パルス電圧値（波高値）を選択することにより階
調表示を得ることが出来る信号を夫々示している。

【００３６】図６乃至図８の夫々における（ａ）〜
（ｄ）は模式的に図５の（ａ）〜（ｄ）に対応してい
る。

【００３７】図６及び図７は本発明光学変調素子に最も
適した印加電圧の例である。すなわち、これらの図にお
けるパルス波形（ａ）を図３における電極３２と３５と
の間に印加することで比較的高い電界が作用する部分
（部位１０１）の光学変調物質が反転を開始し、核とな
り反転部分が拡がり始める。もしここで電圧の印加を中
止すれば特に双安定性のある光学変調物質の場合は、こ
のままの状態がメモリされる。次ぎに図６及び図７の
（ｂ）〜（ｄ）に示す電圧の印加、或はパルスの印加を
与えれば反転部分が拡がり、夫々電圧印加を中止した時
点における状態をメモリし階調表現が可能となるもので
ある。

【００３８】図８に示す印加電圧を変える方法によれ
ば、（ａ）に示すパルスにより、前記反転核の形成が行
われ、（ｂ）〜（ｄ）に示すように電圧を大きくする
と、光学変調物質の応答性が良くなるため、反転する領
域が大きくなるが、このときも前記電界強度が大きい部
分が先ず最初に反転し、与えるパルス幅内で反転領域が
最初に拡がっていくものと考えられる。この場合のパル
ス印加時間があまり長いと、領域１０２で強誘電性液晶
が反転してしまうので、前記パルス印加時間は適当に調
整する。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、高密度画素の表示パネ
ル、または光シャッタアレイに適した光学変調素子を提
供することができ、しかも単にパルス信号のパルス幅、
パルス数または波高値を階調に応じて変化させて階調を
表現する表示パネルに適した強誘電性液晶素子を提供す
ることができる利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【符号の説明】１光学変調物質３１基板３２第１の電極３５第２の電極３４基板５１反転核５２反転領域１０１第１の配向規制力領域１０２第２の配向規制力領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対向する第１の電極及び第２の電極
と、第１の電極と第２の電極との間に配置した光学変調
物質とを有する画素を２次元状に配列した光学変調素子
において、光学変調物質を配向させる配向規制力が前記
画素内で互いに相違した領域を有していることを特徴と
する光学変調素子。
【請求項２】前記光学変調物質が強誘電性液晶である
請求項１に記載の光学変調素子。
【請求項３】前記強誘電性液晶がカイラルスメクティ
ック液晶である請求項２に記載の光学変調素子。
【請求項４】互いに相違した配向規制力の領域が互い
に相違した配向制御層の領域に対応している請求項１に
記載の光学変調素子。
【請求項５】前記配向制御層が有機ポリマー層で形成
されている請求項１に記載の光学変調素子。
【請求項６】前記画素が複数の行及び列に沿って配列
し、各行毎の画素が走査電極と共通に接続されていると
ともに、各列毎の画素が情報電極に接続され、前記情報
電極に階調に応じたパルス信号を印加する手段を有する
請求項１に記載の光学変調素子。
【請求項７】前記パルス信号が階調に応じたパルス幅
のパルス信号である請求項６に記載の光学変調素子。
【請求項８】前記パルス信号が階調に応じたパルス数
のパルス信号である請求項６に記載の光学変調素子。
【請求項９】前記パルス信号が階調に応じた波高値の
パルス信号である請求項６に記載の光学変調素子。
【請求項１０】前記パルス信号が画素内の光学変調物
質を一方の安定状態に配向させた後に印加する信号であ
る請求項６に記載の光学変調素子。
【請求項１１】互いに相違した配向規制力の領域が第
１の配向規制力領域と第２の配向規制力領域とを有し、
かかる第１の配向規制力領域が第２の配向規制力領域内
に分散状に分布されている請求項１に記載の光学変調素
子。