JP2004038004A - 反射型液晶表示素子および液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶応答の非対称性の要因となる電池効果をなくし、駆動電圧に印加するオフセット電圧を不要にすると共に、長期駆動を行った場合にも高い信頼性を確保することができ、さらに、製造プロセスを複雑化することなく容易に製造できるようにする。
【解決手段】画素電極４２Ａの透明電極に対向する面側に、対向する透明電極と同材料の導電性薄膜４３を、絶縁性薄膜４５を介して形成する。導電性薄膜４３を設けることにより、対向する電極間での電池効果が消滅する。従って、液晶応答の非対称性が解消され、従来駆動電圧に必要とされていたオフセット電圧が不要となる。結果的に、駆動時の長期信頼性の向上が図られる。また、導電性薄膜４３による被覆が、絶縁性薄膜４５を介して行われていることにより、隣接する画素電極４２Ａ間での通電が防止される。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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れを利用した反射型液晶プロジェクタ等の液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、プロジェクションディスプレイ（プロジェクタ）などの各種表示装置には、液晶表示素子が利用されている。液晶表示素子は、液晶パネルまたは液晶セルなどとも呼ばれている。液晶表示素子の種類には、大別して透過型と反射型とがあり、いずれも、画素電極基板とこれに対向する対向基板との間に液晶を封入した構成となっている。透過型液晶表示素子では、画素電極基板と対向基板との双方に、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）からなる透明電極が設けられている。
【０００３】
一方、反射型液晶表示素子は、近年、液晶プロジェクタの高精細化、小型化および高輝度化が進むにつれて、その表示デバイスとして、小型化および高精細化が可能で高い光利用効率が期待できるものとして注目され、実際に実用化されている。この反射型液晶表示素子は、対向基板側に例えばＩＴＯからなる透明電極が設けられ、画素電極基板側に反射型の画素電極（以下、単に「反射電極」ともいう。）が設けられている。液晶プロジェクタに使用される反射型液晶表示素子は、一般にアクティブ型であり、画素電極基板として、例えば、Ｃ−ＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ−Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の半導体スイッチング回路をシリコン基板上に形成したものを用いている。反射電極は、このシリコン駆動素子基板の上に配置される。反射電極は、対向基板側から入射した光を反射する機能と、液晶に対して電圧を印加する機能とを有している。反射電極の材料としては、一般にＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）プロセスで用いられている、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とした金属材料が利用されている。
【０００４】
この反射型液晶表示素子では、各基板に設けられた透明電極と画素電極とにより、液晶に対して電圧が印加される。このとき、液晶は、対向する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。この光変調により階調表現が可能となり、その変調された光が映像表示に利用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、液晶表示素子では、液晶内に存在するイオンが、駆動中に片方の基板に焼き付くことを防ぐために、所定期間ごとに駆動電圧の極性を±反転させて、電極間に電圧を印加するような駆動方式が一般的である。図１０に、この駆動方式による駆動電圧の概念図を示す。図中、太い実線で示したように、対向電極間に印加される各極性の電圧の絶対値がＶ１で同じならば、本来、液晶にかかる実効的な電圧に差は生じず、上記したような焼き付き等の現象が起こらない。しかしながら、実際には、特に反射型液晶表示素子の場合、印加電圧がプラスとマイナスの場合とで液晶にかかる実効的な電圧に差が生じる。これは、反射型液晶表示素子では、各基板に用いられている電極材料が異なっていることに起因している。
【０００６】
すなわち、反射型液晶表示素子では、上述したように透明電極として、一般にＩＴＯが用いられ、対向する画素電極には銅等がわずかに混合されたアルミニウム金属膜が用いられている。この場合、ＩＴＯとアルミニウムのそれぞれの電極自身が有する標準電極電位が異なっているために、これらの異種金属電極を用いた素子内に電池効果が発生する。アルミニウムの標準電極電位は、−１．６６Ｖであり、このアルミニウム電極とＩＴＯ電極とを組み合わせた場合には、それらの電極間でかなり大きな電池効果が発生する。なお、「標準電極電位」とは、電極反応に関与する物質がすべて標準状態にあるときの平衡電極電位のことをいう。
【０００７】
このため、図１０の太い実線で示したような、各極性で絶対値の同じ電圧を外部から印加したとしても、電池効果により起電力が発生し、液晶には非対称な電圧が加わる。その結果、印加電圧の極性によって素子の反射率が異なることになり、フリッカーが生じたり、素子内に内部電圧が蓄積されて焼き付き等の問題を起こす。ＩＴＯ透明電極に代えてアルミニウム電極を用い、対向する電極を双方とも同じアルミニウム電極とすれば、電池効果は相殺され上記のような非対称性は起こらない。しかしながら、これでは素子内に光が透過しなくなるので、実用的ではない。また、当然のことながら、対向する電極がＩＴＯ同士で構成される通常の透過型液晶デバイスでは、同種電極のためこのような非対称性の問題は起こらない。従って、この非対称性は反射型液晶素子が持つ本質的な問題である。
【０００８】
この反射率の非対称性をなくすために、反射型液晶表示素子では、駆動電圧に直流的なオフセット電圧ΔＶを掛け、図１０に太い破線で示したように、各極性で絶対値の異なる駆動電圧を印加する必要がある。例えば、反射電極材料としてアルミニウム、対向する透明電極にＩＴＯを用いた場合、液晶にかかる各極性間での実効的な電圧差は１Ｖ以上になるが、この分をオフセット電圧ΔＶとして印加する。しかしながら、オフセット電圧ΔＶの数値があまり大きいと完全に非対称性を除去することができないばかりか、長期駆動中に、オフセット電圧ΔＶが初期の設定値から徐々に変化してしまい、結果的に素子内に内部電圧が蓄積され、焼き付きが起こる。このため、長期駆動時の信頼性が低下する。また、オフセット電圧ΔＶを印加するためには、それ用の回路を設ける必要があり、電気回路が複雑化する。従って、反射型液晶表示素子においては、本来、電池効果があることは好ましくない。
【０００９】
一方、例えば特開平９−２４４０６８号公報および特開平１０−５４９９５号公報では、反射電極材料として、アルミニウムより標準電極電位が十分に低い金属、例えばタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）または窒化チタン（ＴｉＮ）を用いることによって、上述の電圧差の問題を緩和し、電池効果を回避してオフセット電圧を低減できることが示されている。
【００１０】
しかしながら、反射電極材料としてタングステン、チタンまたは窒化チタンを用いた場合、一般的に用いられているアルミニウムと比較すると十分な反射率が得られないため、この点で、適切な電極材料とはいない。従って、反射電極としての光の反射機能を損なうことなく、かつ、オフセット電圧の低減を図ることができる技術の開発が望まれる。
【００１１】
そこで、本願出願人は、先に、画素電極を対向透明電極と同じ材料の導電性薄膜によって被覆することにより、オフセット電圧の低減を図るようにした発明を提案している（特願２００２−１６５９５８号）。この発明によれば、事実上、オフセット電圧を不要にすることができるが、一方で、製造プロセスが複雑化するおそれがある。すなわち、画素電極上に直接導電性薄膜を被覆する場合、導電性薄膜を介して隣り合う画素電極同士が通電するおそれがあるので、その通電するおそれのある部分を画素電極の形状に合わせて切り取る必要がある。このため、例えばフォトリソグラフィ工程を新たに追加する必要がある。この工程を省略できれば、製造プロセスの点で有利になる。
【００１２】
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、液晶応答の非対称性の要因となる電池効果をなくし、駆動電圧に印加するオフセット電圧を不要にすると共に、長期駆動を行った場合にも高い信頼性を確保することができ、さらに、製造プロセスを複雑化することなく容易に製造できるようにした反射型液晶表示素子、およびその反射型液晶表示素子を用いた液晶表示装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による反射型液晶表示素子は、金属材料によって構成された複数の反射型の画素電極、を有する画素電極基板と、画素電極に対向するよう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液晶とを備え、複数の画素電極の透明電極に対向する面側が、絶縁性の薄膜を介して、透明電極と同材料の導電性薄膜によって被覆されているものである。
【００１４】
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っ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。
【００１５】
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、画素電極の透明電極に対向する面側が、透明電極と同材料の導電性薄膜によって被覆されていることにより、対向する電極間での電池効果が消滅する。これにより、液晶応答の非対称性が解消され、従来駆動電圧に必要とされていたオフセット電圧が不要とされる。また、この導電性薄膜による被覆が、絶縁性の薄膜を介して行われていることにより、例えば、導電性薄膜を複数の画素電極全体に被覆したとしても、隣接する画素電極間での通電が防止される。このため、通電するおそれのある部分を切り取るプロセスも不要となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
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。
【００１７】
［反射型液晶表示素子の説明］
図１に示したように、本実施の形態に係る反射型液晶表示素子２１は、互いに対向配置された対向基板３０および画素電極基板４０と、これらの基板間に液晶材料を注入することによって形成された液晶層３５とを備えている。
【００１８】
液晶層３５を形成する液晶材料は、例えば、一般に垂直配向液晶と呼ばれる、垂直配列タイプのネマチック液晶である。なお、垂直配列とは、液晶の初期の分子配向が各基板面に対して垂直に配列されている状態のことをいう。一般に垂直配向液晶と呼ばれる。
【００１９】
対向基板３０は、ガラス基板３１を備え、このガラス基板３１の液晶層３５側の面上に、少なくとも、透明電極層３２と配向膜３３とが積層されて構成されている。配向膜３３としては、例えばポリイミド系の有機化合物をラビング（配向）処理した膜や、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等の無機材料の斜め蒸着膜が使われる。配向膜３３の液晶層３５側の表面は、液晶分子を所定の配列状態にするために、ラビング処理が施されている。透明電極層３２は、光の透過作用のある透明電極が全面に設けられて構成されている。透明電極の材料としては、一般に、酸化すず（ＳｎＯ_２）と酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）との固溶体物質であるＩＴＯが用いられる。透明電極には、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。
【００２０】
画素電極基板４０は、例えばシリコン材料からなる基板４１を備え、この基板４１の液晶層３５側の面上に、少なくとも、反射電極層５０と配向膜４４とが積層されて構成されている。基板４１上には、反射電極層５０の各画素電極４２Ａ（図２）に選択的に電圧を印加するためのスイッチング素子（図示せず）が設けられている。
【００２１】
配向膜４４は、対向基板３０の配向膜３３と同様に、例えばポリイミド系の有機化合物の膜や、二酸化ケイ素等の無機材料の斜め蒸着膜が使われており、その表面にはラビング処理が施されている。
【００２２】
反射電極層５０は、図２に示したように、基板４１側から順に、少なくとも、反射型の画素電極４２Ａと、絶縁性薄膜４５と、導電性薄膜４３とが基板４１上に積層された構成となっている。
【００２３】
画素電極４２Ａは、金属材料で構成され、基板４１上にマトリクス状に複数配置されている。画素電極４２Ａの厚さは、例えば５０ｎｍ〜５００ｎｍである。この画素電極４２Ａには、基板４１上に設けられた図示しないスイッチング素子によって、駆動電圧が印加されるようになっている。スイッチング素子は、各画素電極４２Ａに対応して設けられるものであり、例えばＣ−ＭＯＳ型またはＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））によって構成されている。
【００２４】
画素電極４２Ａの金属材料としては、可視域で高い反射率を有するものが好ましく、一般にアルミニウム、より詳しくは、ＬＳＩプロセスで配線に用いられている、銅やシリコンを数ｗｔ％以下添加したアルミニウム金属膜が使用されている。ただし、十分な反射率が得られるものであれば、画素電極４２Ａの金属材料として、アルミニウム以外のものを用いても構わない。
【００２５】
絶縁性薄膜４５は、各画素電極４２Ａの透明電極に対向する面側を全体的に覆うように、オーバコート（被覆）することにより形成されたものである。この絶縁性薄膜４５の厚さは、例えば、５ｎｍ以上５００ｎｍ未満である。絶縁性薄膜４５としては、例えば、一般にＬＳＩプロセスで準備されている、（ＳｉＯ_２，ＳｉＯ膜（酸化シリコン膜）等の酸化薄膜、もしくはＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）等の窒化薄膜、またはそれらの多層膜を用いることができる。
【００２６】
導電性薄膜４３は、絶縁性薄膜４５を介して、各画素電極４２Ａの透明電極に対向する面側を全体的に覆うように、絶縁性薄膜４５上に被覆することにより成膜されている。この導電性薄膜４３の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満である。導電性薄膜４３は、対向する透明電極層３２と同様の材料、例えばＩＴＯによって形成されている。この導電性薄膜４３は、液晶応答の非対称性を解消するために設けられたものである。
【００２７】
導電性薄膜４３を絶縁性薄膜４５を介して被覆したのは、画素電極４２Ａ上に直接被覆すると、導電性薄膜４３を介して隣り合う画素電極４２Ａ同士が通電するおそれがあるので、その通電するおそれのある部分を絶縁するためである。図２の例では、隣り合う画素電極４２Ａ間の溝５１も含めて、画素構造全体を絶縁性薄膜４５によって被覆し、さらにその上全面に導電性薄膜４３を被覆している。ただし、必ずしも画素構造全体を被覆する必要はなく、例えば図３に示した反射電極層５０Ａのように、各画素電極４２Ａのそれぞれを独立して、絶縁性薄膜４５と導電性薄膜４３とによって全体的に被覆するようにしても良い。画素電極４２Ａ間の溝５１に一部被覆されていない領域があっても構わない。
【００２８】
なお、絶縁性薄膜４５は、例えば熱酸化法または気相成長法などにより形成することができる。また、導電性薄膜４３は、例えばスパッタリング法により形成することができる。
【００２９】
なお、反射電極層５０における各構成要素の材料の選定およびその層構造は、反射電極層５０全体としての反射率が低下しないような構成とすることが望ましい。すなわち、本来の反射機能を有する画素電極４２Ａの材料のみならず、導電性薄膜４３および絶縁性薄膜４５についても光学的な膜として活用し、トータルでの反射率が向上するような膜構成を選ぶことが望ましい。例えば、導電性薄膜４３をＩＴＯ薄膜とした場合、光学薄膜としては高屈折率であることを活用して、例えば絶縁性薄膜４５を屈折率の低いＳｉＯ_２膜とし、その膜厚を調整することで、それらの薄膜間での光学的な干渉が生じる。これにより、本来の画素電極４２Ａよりも反射率を向上させることが可能となる。
【００３０】
以上のように、画素電極４２Ａ上に、対向する透明電極と同じ材質の導電性薄膜４３が、絶縁性薄膜４５を介してオーバコートされている点が、本反射型液晶表示素子２１における最大の特徴部分である。
【００３１】
次に、以上のように構成された反射型液晶表示素子２１の作用、動作を説明する。
【００３２】
この反射型液晶表示素子２１では、対向基板３０側から入射し、液晶層３５を通過した入射光Ｌ１を、反射電極層５０に設けられた画素電極４２Ａの反射機能により反射させる。反射電極層５０において反射された光Ｌ１は、入射時とは逆方向に、液晶層３５および対向基板３０を通過して出射される。このとき、液晶層３５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Ｌ１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Ｌ２が映像表示に利用される。
【００３３】
ところで、反射電極層５０の画素電極４２Ａには、例えば所定期間ごとにその極性が±反転する駆動電圧が印加される。このとき、従来の反射型液晶表示素子では、対向する電極同士でその標準電極電位が大きく異なる電極材料を用いていることにより、その極性に応じて、電極間でいわゆる電池効果を要因とした内部電圧が発生し、液晶の応答に非対称性を生じる。このため、これを補正するための直流電圧を、別途オフセット電圧として印加して駆動させることになる。このオフセット電圧の大きさが大きくなると、完全な補正が難しくなるばかりか、長期の駆動においては値がばらついたり変化したりするため、これを起因として焼き付きなどの問題が生じる。
【００３４】
一方、本反射型液晶表示素子２１では、導電性薄膜４３を設けて、画素電極４２Ａ上に（絶縁性薄膜４５を介して）、対向する透明電極と同じ材質の薄膜をオーバコートしていることにより、対向する透明電極との間で発生する電池効果が基本的に消滅する。導電性薄膜４３の材料としては、例えばＩＴＯを用いているので、入射光は導電性薄膜４３をそのまま透過し、素子の反射機能自体には影響を及ぼさない。従って、本反射型液晶表示素子２１では、その反射機能を維持しつつ、液晶応答の非対称性が解消され、従来駆動電圧に必要とされていたオフセット電圧が不要となる。これにより結果的に、長期駆動時に高い信頼性が得られる。
【００３５】
ここで、画素電極４２Ａ上に、対向する透明電極と同じ材質の薄膜をオーバコートすることによって電池効果が抑制される理由を以下に述べる。電池効果は、対向する電極間に電位差があるときに、現れるものである。一般に、アルミニウムの標準電極電位は、−１．６６Ｖであり、符号がマイナスで非常に値が大きい。このため、対向するＩＴＯなどの透明電極との間に大きな電位差が発生し、これを起因として、液晶駆動が非対称になる。対向する電極同士が同じ材質で構成されていれば電池効果は原理的に発生しないが、ＩＴＯ透明電極同士で液晶セルを構成すれば、それは透過型パネルとなり、反射型デバイスにはならない。
【００３６】
本実施の形態では、反射型デバイスに要求される光の反射機能を、従来と同様にアルミニウム電極などを用いた画素電極４２Ａに持たせる一方、液晶への電圧印加は、対向する電極と同じ材質の透明な導電性薄膜４３を介して行っている。画素電極４２Ａは液晶セル内に存在するものの、セルを実質的に形成している液晶層３５の両端部分には、同じ材料の導電性薄膜４３が設置されることになる。これにより、液晶層３５の両端には電位差が発生しないことになり、電池効果が抑止される。
【００３７】
ところで、導電性薄膜４３を画素電極４２Ａ上に直接被覆すると、導電性薄膜４３を介して隣り合う画素電極４２Ａ同士が通電するおそれがある。画素電極４２Ａは基板４１上で所定形状に切断されているので、この通電を防止するためには、導電性薄膜４３を形成する際に画素電極４２Ａと同様な形で、例えばフォトリソグラフィ技術などを用いて、画素状に切る必要がある。このように加工することは、もちろん十分に可能であるが、この製造プロセスを新たに組み込む必要性がでてくる。
【００３８】
これに対し、本実施の形態では、絶縁性薄膜４５を介して導電性薄膜４３を形成していることにより、導電性薄膜４３を画素領域全面に形成したとしても、通電が防止され、隣り合う画素電極４２Ａ間の電位には影響しない。このため、プロセス的には上述のフォトリソグラフィ工程を新たに加えることが不要となり、容易に形成できる。また、導電性薄膜４３および絶縁性薄膜４５の膜厚・屈折率を最適化し、それらの薄膜間での光学的な干渉を利用することで、本来の画素電極４２Ａよりも反射率を向上させることが可能となる。
【００３９】
実際に、画素電極４２Ａ上に、絶縁性薄膜４５を介して導電性薄膜４３を設けた液晶セルを作製して起電力の測定を行った結果、本反射型液晶表示素子２１では、起電力が発生しないことを観測した。導電性薄膜４３を設けていない従来の液晶セルでは、電池効果により起電力が測定されることはいうまでもない。
【００４０】
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２１によれば、画素電極４２Ａの透明電極に対向する面側に、絶縁性薄膜４５を介して透明電極と同材料の導電性薄膜４３を設けるようにしたので、対向する電極間での電池効果を消滅させることができる。従って、液晶応答の非対称性が解消され、従来駆動電圧に必要とされていたオフセット電圧が不要となる。結果的に、長期駆動を行った場合にも高い信頼性を確保することができる。また、オフセット電圧を印加するための回路が不要になる。
【００４１】
また、導電性薄膜４３による被覆を、絶縁性薄膜４５を介して行うようにしたので、隣接する画素電極４２Ａ間での通電を防止することができる。このため、通電するおそれのある部分を切り取るフォトリソグラフィ工程などのプロセスが不要となる。このため、製造プロセスを複雑化することなく容易に製造することができる。さらに、導電性薄膜４３と絶縁性薄膜４５との膜厚および屈折率を最適化し、それらの薄膜間での光学的な干渉を利用することで、本来の画素電極４２Ａより反射率を向上させることもできる。
【００４２】
［液晶表示装置の説明］
次に、反射型液晶表示素子２１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、図４に示したように、反射型液晶表示素子２１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。
【００４３】
図４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イトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ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１０に沿って、光源１１と、ダイクロイックミラー１２，１３と、全反射ミラー１４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１５，１６，１７と、合成プリズム１８と、投射レンズ１９と、スクリーン２０とを備えている。
【００４４】
光源１１は、カラー画像表示に必要とされる、赤色光（Ｒ）、青色光（Ｇ）および緑色光（Ｂ）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、メタルハ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。
【００４５】
ダイクロイックミラー１２は、光源１１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ー１３は、ダイクロイックミラー１２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。全反射ミラー１４は、ダイクロイックミラー１２によって分離された青色光を、偏光ビームスプリッタ１７に向けて反射するようになっている。
【００４６】
偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７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ッタ１５，１６，１７は、それぞれ、偏光分離面１５Ａ，１６Ａ，１７Ａを有し、この偏光分離面１５Ａ，１６Ａ，１７Ａ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１５Ａ，１６Ａ，１７Ａ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。
【００４７】
液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、反射型液晶表示素子２１によって構成されている。これらの液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂには、偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７の偏光分離面１５Ａ，１６Ａ，１７Ａ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２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ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ッタ１５，１６，１７に向けて反射する機能を有している。
【００４８】
合成プリズム１８は、液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂから出射され、偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７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１９は、合成プリズム１８から出射された合成光を、スクリーン２０に向けて投射する機能を有している。
【００４９】
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１１から出射された白色光は、まず、ダイクロイックミラー１２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、全反射ミラー１４の機能によって、偏光ビームスプリッタ１７に向けて反射される。一方、赤色光および緑色光は、ダイクロイックミラー１３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１５，１６に入射される。
【００５０】
偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７は、入射した各色光を、偏光分離面１５Ａ，１６Ａ，１７Ａ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１５Ａ，１６Ａ，１７Ａ、一方の偏光成分（例えばＳ偏光成分）を液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂに向けて反射する。
【００５１】
液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ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２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、上述の反射型液晶表示素子２１によって構成されているので、オフセット電圧が不要とされ、対称性の良い駆動電圧によって良好に駆動される。
【００５２】
液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、変調した各色光を偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７に向けて反射する。偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７は、液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ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１８に向けて出射する。合成プリズム１８は、偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７を通過した所定の偏光成分の色光を合成し、投射レンズ１９に向けて出射する。投射レンズ１９は、合成プリズム１８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２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ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。
【００５３】
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、その画素電極４２Ａ上に、対向する透明電極と同材料の導電性薄膜４３が設けられて構成された反射型液晶表示素子２１を、液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂとして用いるようにしたので、従来、液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂの駆動電圧に必要とされていたオフセット電圧が不要とされる。これにより、オフセット電圧を印加するための回路が不要とされ、液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂの駆動回路を簡素化することができる。また、導電性薄膜４３による被覆を、絶縁性薄膜４５を介して行うようにしたので、反射型液晶表示素子２１の製造が容易となり、それを用いた液晶ライトバルブ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂも容易に製造できる。
【００５４】
【実施例】
次に、反射型液晶表示素子２１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較例として示す。
【００５５】
［比較例］
比較例となる評価用の反射型液晶表示素子（液晶セル）として、対向基板における透明電極材料にＩＴＯ、画素電極基板における画素電極にアルミニウムを用いたものを用意した。この評価用の素子は、次のようにした作製した。まず、対向基板となる、ＩＴＯ透明電極が成膜されたガラス基板と、画素電極基板となる、アルミニウム電極（アルミニウム膜の厚さ１５０ｎｍ）が形成されたシリコン基板とを洗浄後、それぞれ蒸着装置に導入し、それぞれに配向膜としてＳｉＯ_２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５０ｎｍとした。液晶のプレティルト角は約３°になるように制御した。その後、配向膜が形成された各基板の間に２μｍ径のガラスビーズを適当な数だけ散布して、両者を張り合わせ、誘電異方性Δεが負の垂直液晶材料を注入して、反射型液晶セルを作製した。
【００５６】
このようにして作製した素子において、ＩＴＯ透明電極と画素電極との間に、駆動電圧として、図１０に示したような、６０Ｈｚの矩形波電圧（±Ｖ１）を印加したときの液晶の透過率の変化（反射型なので実際にはデバイスの反射率を測定している。これは液晶の透過率を測定していることと等価である。）を、駆動特性として測定した。測定は、波長５２０ｎｍで、室温で行った。
【００５７】
図５に、この測定結果を横軸を印加電圧（Ｖ）、縦軸を透過率として示す（以下、この画素電極への印加電圧Ｖに対する反射率Ｒの変化を、Ｖ−Ｔ特性という）。図５において、黒塗りの○印のプロットは画素電極側にプラスの電圧を印加した場合の反射率Ｒ（＋）の変化を、白抜きの〇印のプロットはマイナスの電圧を印加した場合の反射率Ｒ（−）の変化を示している。なお、図５では、横軸の印加電圧を絶対値として、図を簡略化している。
【００５８】
このＶ−Ｔ特性を示す曲線（Ｖ−Ｔ曲線）から分かるように、印加電圧の極性に対してＶ−Ｔ曲線は非対称（Ｒ（＋），Ｒ（−）の曲線が重なっていないことは対称でないことを示す）となり、印加電圧がプラスの場合の反射率Ｒ（＋）のＶ−Ｔ曲線が、マイナスの場合の反射率Ｒ（−）のＶ−Ｔ曲線よりも、低電圧側にシフトしている。すなわち、同じ印加電圧（絶対値）で比較すると、常にＲ（＋）＞Ｒ（−）となる特性が得られた。
【００５９】
プラス・マイナスで同じ外部電圧を液晶セルに印加しているにも関わらず、このように液晶が非対称な駆動をしていることは、液晶に対して対称の電圧が印加されていないことを示しているが、これはＩＴＯ透明電極とアルミニウム電極との異種電極間で発生する直流的な電池効果による。この状態で駆動を続けると液晶セル内に内部電圧が蓄積され、それにより焼き付きを起こす。従って、実用のためにはＲ（＋）＝Ｒ（−）となるように、そのシフト分の電圧だけ（電池効果の分だけ）オフセット電圧ΔＶを印加する必要がある。この比較例の場合は、ΔＶ＝０．６Ｖであり、図１０に示したように、ΔＶだけ信号電圧に直流的なオフセット電圧を印加して駆動することになる。しかしながら、ΔＶの数値を正確に設定し印加し続けないと上述の焼き付き現象が長期駆動では懸念される上に、長い駆動や環境温度の変化等によって、ΔＶの値そのものが変化する可能性があるため、本質的にはΔＶを低減する、あるいはなくすことが実用上必須である。
【００６０】
なお、上記の現象は、配向膜にポリイミド膜を用いた場合にも、また垂直配向液晶以外のネマチック液晶材料を用いた場合にも、同じように起こった。
【００６１】
ところで、以上の反射率Ｒ（＋），Ｒ（−）の非対称性は、画素電極として用いたアルミニウムの標準電極電位が、ＩＴＯ透明電極と大きく異なっていることに起因すると考えられる。従って、画素電極上に、ＩＴＯ透明電極と同材料の薄膜を被覆することにより、以下に示す実施例のように、非対称性の改善を行うことができる。
【００６２】
［実施例１］
本実施例では、画素電極４２Ａの金属材料として、上記比較例と同様、アルミニウム（膜厚１５０ｎｍ）を用いた。アルミニウム電極上には、絶縁性薄膜４５としてＳｉＯ_２膜を膜厚５０ｎｍで全面的に成膜した。さらに、そのＳｉＯ_２膜上に、対向するＩＴＯ透明電極と同じ材料の導電性薄膜４３（ＩＴＯ薄膜）をスパッタ成膜によって形成した。オーバコートされたＩＴＯ薄膜の膜厚は、１００ｎｍである。このようにして作製した液晶セルのＶ−Ｔ特性を調べた。液晶セルの作製は、画素電極４２Ａ上に絶縁性薄膜４５を介して導電性薄膜４３を設けている以外は、上述の比較例と同様である。また、測定条件も比較例と同様であり、６０Ｈｚの矩形波電圧を印加したときの液晶の反射率Ｒの変化を測定した。Ｖ−Ｔ曲線は、比較例と同様、横軸を印加電圧の絶対値として簡略化して示す。
【００６３】
図６に、そのＶ−Ｔ特性を示す。透過率（反射率Ｒ）の値は、アルミニウムの値に対する相対的な値を示している。また、図９に、その測定結果を、Ｒ（＋），Ｒ（−）の関係（非対称性の状況）およびオフセット電圧の値と共にまとめて示す。
【００６４】
この結果から分かるように、画素電極４２Ａを、ＳｉＯ_２膜を介してＩＴＯ薄膜によって被覆することで、比較例と比べてＶ−Ｔ曲線の状態は大きく変化し、Ｒ（＋）＝Ｒ（−）となり、各極性間での反射率Ｒ（＋），Ｒ（−）の非対称性は全く観察されず、オフセット電圧も全く観測されなくなった。すなわち、対称駆動となり、長期駆動を行っても、焼き付き等の問題は全く観察されなかった。
【００６５】
なお、本実施例の効果は、配向膜にポリイミド膜を用いた場合にも、また垂直配向液晶以外のネマチック液晶材料を用いた場合にも、同様に認められた。
【００６６】
［実施例２］
次に、画素電極４２Ａ上に、絶縁性薄膜４５としてＳｉＮ膜を膜厚５０ｎｍで成膜して作製した液晶セルのＶ−Ｔ特性を調べた。液晶セルの作製および測定条件は、ＳｉＮ膜を用いたことを除いて、実施例１と同様である。
【００６７】
図７に、そのＶ−Ｔ特性を示す。透過率の値は、アルミニウムの値に対する相対的な値を示している。また、図９に、その測定結果を、Ｒ（＋），Ｒ（−）の関係（非対称性の状況）およびオフセット電圧の値と共にまとめて示す。
【００６８】
この結果から分かるように、画素電極４２Ａを、ＳｉＮ膜を介してＩＴＯ薄膜によって被覆した場合にも、Ｒ（＋）＝Ｒ（−）となり、各極性間での反射率Ｒ（＋），Ｒ（−）の非対称性は全く観察されず、オフセット電圧も全く観測されなくなった。すなわち、対称駆動となり、長期駆動を行っても、焼き付き等の問題は全く観察されなかった。
【００６９】
なお、本実施例の効果は、配向膜にポリイミド膜を用いた場合にも、また垂直配向液晶以外のネマチック液晶材料を用いた場合にも、同様に認められた。
【００７０】
［実施例３］
次に、絶縁性薄膜４５の上に形成するＩＴＯ薄膜の膜厚を、１０ｎｍ，３０ｎｍ，３００ｎｍと変えて、実施例１と同様の液晶セルを作製し、評価を行った。評価用の液晶セルの作製および測定条件は、ＩＴＯ薄膜の膜厚を除いて実施例１と同様である。
【００７１】
その結果を図９に示す。この結果から、ＩＴＯ薄膜のオーバコートによる効果は、１０ｎｍ以上であれば十分であることが確認された。１０ｎｍ未満でも非対称性の抑制の効果があると思われるが、この場合、均一に薄膜を形成することが困難になる。一方、膜厚が３００ｎｍを超えると、結晶粒が急激に成長するため、表面形状が荒くなり光が散乱されるようになる。このため、例えば液晶プロジェクタに応用した場合には、そのプロジェクション光学系での光の集光効率が低下し、結果的にトータルの輝度、光量が低下する。従って、オーバコートするＩＴＯ薄膜の膜厚としては、１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満が妥当といえる。
【００７２】
［実施例４］
次に、絶縁性薄膜４５の上に形成するＩＴＯ薄膜の膜厚を、１０ｎｍ〜３００ｎｍの間で種々変えて、実施例１と同様の液晶セルを作製し、その反射率を測定した。評価用の液晶セルの作製および測定条件は、ＩＴＯ薄膜の膜厚を除いて実施例１と同様である。
【００７３】
図８に、横軸を膜厚（ｎｍ）、縦軸を反射率（％）として、その測定結果を示す。図には、ＩＴＯ薄膜をオーバコートせずにアルミニウム画素電極のみで液晶セルを構成した場合を１００％として、その相対反射率を示した。この測定結果から、ＩＴＯ薄膜の膜厚を適当に選ぶことで、屈折率の高いＩＴＯ薄膜と低いＳｉＯ_２膜との２層膜の光学的な干渉効果により、本来のアルミニウム画素電極のみの場合よりも、反射率を高くすることが可能であることが分かる。
【００７４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、本発明の反射型液晶表示素子は、液晶プロジェクタに限らず、その他の表示装置、ならびに各種携帯型電子機器および各種情報処理端末などにおける映像表示部に広く適用することが可能である。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の反射型液晶表示素子、または請求項１０もしくは１１記載の液晶表示装置によれば、画素電極の透明電極に対向する面側を、透明電極と同材料の導電性薄膜によって被覆するようにしたので、対向する電極間での電池効果をなくすことができる。これにより、液晶応答の非対称性をなくすことができるので、従来駆動電圧に印加していたオフセット電圧が不要となる。液晶応答を完全に対称にすることができるので、結果的に、長期駆動を行った場合にも高い信頼性を確保することができる。また、この導電性薄膜による被覆を、絶縁性の薄膜を介して行うようにしたので、例えば、導電性薄膜を複数の画素電極全体に被覆したとしても、隣接する画素電極間での通電を防止することができる。このため、通電するおそれのある部分を切り取るフォトリソグラフィ工程などのプロセスが不要となる。このため、製造プロセスを複雑化することなく容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る反射型液晶表示素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る反射型液晶表示素子の画素電極層の第１の構成例を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る反射型液晶表示素子の画素電極層の第２の構成例を示す断面図である。
【図４】図１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。
【図５】画素電極の金属材料としてアルミニウムを用いた場合（比較例）における、駆動電圧と透過率との関係を示す特性図である。
【図６】画素電極にＳｉＯ_２薄膜を介してＩＴＯ薄膜を被覆した場合における、駆動電圧と透過率との関係を示す特性図である。
【図７】画素電極にＳｉＮ薄膜を介してＩＴＯ薄膜を被覆した場合における、駆動電圧と透過率との関係を示す特性図である。
【図８】画素電極にＳｉＯ_２薄膜を介してＩＴＯ薄膜を被覆した場合における、ＩＴＯ薄膜の膜厚と反射率との関係を示す特性図である。
【図９】各実施例についての、非対称性の状況とオフセット電圧との測定結果をまとめて示す説明図である。
【図１０】液晶表示素子における駆動方式の一例を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１１…光源、１９…投射レンズ、２０…スクリーン、２１…反射型液晶表示素子、２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ…液晶ライトバルブ、３１…ガラス基板、３２…透明電極層、３３，４４…配向膜、３５…液晶層、４０…画素電極基板、４１…基板、４２Ａ…画素電極、４３…導電性薄膜、４５…絶縁性薄膜、５０，５０Ａ…反射電極層、５１…溝。

Claims (11)

1. 金属材料によって構成された複数の反射型の画素電極、を有する画素電極基板と、
   前記画素電極に対向するよう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液晶と
   を備えた反射型液晶表示素子であって、
   前記複数の画素電極の前記透明電極に対向する面側が、絶縁性の薄膜を介して、前記透明電極と同材料の導電性薄膜によって被覆されている
   ことを特徴とする反射型液晶表示素子。
2. 隣接する前記画素電極間の溝を含む前記複数の画素電極全体が、前記絶縁性の薄膜によって被覆されている
   ことを特徴とする請求項１記載の反射型液晶表示素子。
3. 前記複数の画素電極のそれぞれが独立して、前記絶縁性の薄膜によって被覆されている
   ことを特徴とする請求項１記載の反射型液晶表示素子。
4. 前記絶縁性の薄膜として、酸化薄膜もしくは窒化薄膜、またはそれらの多層膜が用いられている
   ことを特徴とする請求項１記載の反射型液晶表示素子。
5. 前記透明電極および前記導電性薄膜の材料として、インジウム・すず酸化膜（ＩＴＯ）が用いられている
   ことを特徴とする請求項１記載の反射型液晶表示素子。
6. 前記画素電極の主成分が、アルミニウムである
   ことを特徴とする請求項１記載の反射型液晶表示素子。
7. 前記導電性薄膜の厚さが、１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満である
   ことを特徴とする請求項１記載の反射型液晶表示素子。
8. 前記画素電極は、シリコン基板上に設けられたスイッチング素子によって駆動されるものである
   ことを特徴とする請求項１記載の反射型液晶表示素子。
9. 前記液晶は、垂直配向液晶である
   ことを特徴とする請求項１記載の反射型液晶表示素子。
10. 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、
    金属材料によって構成された複数の反射型の画素電極、を有する画素電極基板と、
    前記画素電極に対向するよう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液晶と
    を備え、
    前記複数の画素電極の前記透明電極に対向する面側が、絶縁性の薄膜を介して、前記透明電極と同材料の導電性薄膜によって被覆されている
    ことを特徴とする液晶表示装置。
11. 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項１０記載の液晶表示装置。

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