(57)【要約】【課題】本発明は、中間調表示を行うことができ面内均一性やコントラスト比に優れた液晶光変調器及びそれを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】４０度以上のコーン角を有するカイラルスメクティックＣ相の強誘電性液晶膜１と、強誘電性液晶膜を挟み液晶分子を配向させる一対の配向膜３ａ，３ｂと、強誘電性液晶膜と一対の配向膜とを挟む一対の透明電極４ａ，４Ｂと、強誘電性液晶膜と一対の配向膜と一対の透明電極を挟んで配置され偏光透過軸が直交する一対の偏光板８ａ，８ｂと、一対の透明電極間に両極性の直流電圧を印加する電圧源７とを有し、直流電圧の極性及び電圧の制御により光透過率を連続的に変化させることにより、中間調表示を行うことができる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４０度以上のコーン角を有するカイラルスメクティックＣ相の強誘電性液晶膜と、
前記強誘電性液晶膜を挟み液晶分子を配向させる一対の配向膜と、
前記強誘電性液晶膜と前記一対の配向膜とを挟む一対の透明電極と、
前記強誘電性液晶膜と前記一対の配向膜と前記一対の透明電極を挟んで配置され偏光透過軸が直交する一対の偏光板と、
前記一対の透明電極間に両極性の直流電圧を印加する電圧源とを有し、
前記直流電圧の極性及び電圧の制御により光透過率を連続的に変化させることを特徴とする液晶光変調器。
【請求項２】
請求項１記載の液晶光変調器において、
前記強誘電性液晶膜は、厚みが１μｍ以下であることを特徴とする液晶光変調器。
【請求項３】
請求項１または２記載の液晶光変調器において、
前記一対の配向膜は、高プレチルト配向膜であることを特徴とする液晶光変調器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか記載の液晶光変調器において、
前記一対の配向膜は、配向処理方向が逆方向であることを特徴とする液晶光変調器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか記載の液晶光変調器において、
前記一対の偏光板は、いずれか一方の偏光透過軸が、前記一対の配向膜の配向処理方向と平行であることを特徴とする液晶光変調器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか記載の液晶光変調器において、
前記配向膜は、ラビング配向処理または偏光紫外線光の照射による光配向処理を施されたポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、及び斜方蒸着処理されたＳｉＯ、ＳｉＯ２のいずれかであることを特徴とする液晶光変調器。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか記載の液晶光変調器において、
前記透明電極は、ガラスもしくはプラスティックフィルムの透明基板に付着させて形成したことを特徴とする液晶光変調器。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか記載の液晶光変調器を用いて表示を行うことを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶光変調器及びそれを用いた液晶表示装置に関し、特に、強誘電性液晶を用いて光強度を変調する液晶光変調器及びそれを用いた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶膜に電界を加えて、液晶分子の配列状態を変化させるという液晶の電気光学効果を応用すると光変調器が容易に実現できる。液晶光変調器は、他の電気光学効果を示す無機結晶に比べて低電圧で動作し、比較的大きな面積のものを廉価に作ることができるため、ディスプレイ用の電気光学素子として近年注目されている。
【０００３】
このような液晶光変調器の１つとして、自発分極を持ちカイラルスメクティックＣ相を示す強誘電性液晶を、透明電極間の狭いギャップ（通常、２〜３μｍ）に充填し、液晶分子の配向を双安定化した表面安定化強誘電性液晶がある（参考文献１：Ｎ．Ａ．Ｃｌａｒｋ　ａｎｄ　Ｓ．Ｔ．Ｌａｎｇｅｒｗａｌｌ　Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．１１，ｐｐ．８９９−９０１，１９８０）。
【０００４】
その場合、液晶分子は基板と水平な面内で配向膜の配向処理方向から、液晶材料固有のコーン角だけ傾いた２つの安定な配向状態を持ち、それらの２つの配向は、透明電極に加える電圧の極性を切り替えるとスイッチングする。この素子を偏光透過軸が直交した２つの偏光板で挟み、一方の偏光板の偏光透過軸を２方向の配向状態のいずれかに平行に設定することにより、双安定性の光変調動作が得られる。
【０００５】
液晶の複屈折効果を有効に利用して、高い透過率を得るためには、コーン角は２２．５度程度が望ましい。この分子配向スイッチングは、数十〜数百μｓｅｃの高速な光変調を可能にするため、高速動作が求められるフラットパネルディスプレイに有用である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の液晶光変調器は液晶の分子配列が双安定のため、中間調表示が困難である。そのため、階調を必要とする画像表示に応用できない。また、液晶の配向が不連続となる配向欠陥（ジグザグ欠陥）が発生しやすく、それに伴う黒表示で光漏れにより、光変調のコントラスト比が低下するといった問題を抱えている。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、中間調表示を行うことができ面内均一性やコントラスト比に優れた液晶光変調器及びそれを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、４０度以上のコーン角を有するカイラルスメクティックＣ相の強誘電性液晶膜と、
前記強誘電性液晶膜を挟み液晶分子を配向させる一対の配向膜と、
前記強誘電性液晶膜と前記一対の配向膜とを挟む一対の透明電極と、
前記強誘電性液晶膜と前記一対の配向膜と前記一対の透明電極を挟んで配置され偏光透過軸が直交する一対の偏光板と、
前記一対の透明電極間に両極性の直流電圧を印加する電圧源とを有し、
前記直流電圧の極性及び電圧の制御により光透過率を連続的に変化させることにより、
印加電圧に応じて透過率が連続的に変化して中間調表示を行うことができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の液晶光変調器において、
前記強誘電性液晶膜は、厚みが１μｍ以下であることにより、
透明基板上に塗布した配向膜の影響が強くなって双安定特性が消失し、印加電圧に応じて透過率を連続的に変化させることが可能となる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の液晶光変調器において、
前記一対の配向膜は、高プレチルト配向膜であることにより、
配向欠陥が生じにくくなり、面内均一性やコントラスト比に優れた液晶光変調器を構成できる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか記載の液晶光変調器において、
前記一対の配向膜は、配向処理方向が逆方向であることにより、
配向欠陥が生じにくくなり、面内均一性やコントラスト比に優れた液晶光変調器を構成できる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか記載の液晶光変調器において、
前記一対の偏光板は、いずれか一方の偏光透過軸が、前記一対の配向膜の配向処理方向と平行であることにより、
印加電圧に応じて透過率を連続的に変化させることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の液晶光変調器の一実施例の構成を示す模式図である。同図中、自発分極をもつカイラルスメクティックＣ相を示す強誘電性液晶膜１が、配向膜３ａを付着させた透明電極４ａと配向膜３ｂを付着させた透明電極４ｂに挟まれて配設される。透明電極４ａ，４ｂそれぞれは透明基板５ａ、５ｂに付着させて形成されている。透明電極４ａ、４ｂはリード線６ａ、６ｂを介して、両極性電圧を供給できる電圧源７に接続されている。
【００１４】
透明基板５ａの強誘電性液晶膜１とは逆側に配設された入射側の偏光板８ａは、強誘電性液晶１の液晶分子２の長軸方向の偏光透過軸を有しており、透明基板５ｂの強誘電性液晶膜１とは逆側に配設された出射側の偏光板８ｂは、強誘電性液晶１の液晶分子２の長軸方向と直交する方向の偏光透過軸を有している。
【００１５】
入射光９は、入射側の偏光板８ａを透過することにより、強誘電性液晶１の液晶分子２の長軸方向に偏光され、強誘電性液晶膜１に入射する。この入射光は強誘電性液晶膜１で偏光状態が制御されたのち、他方の透明基板５ｂを通し出射側の偏光板８ｂを透過透過することにより、強度変調された出射光１０となる。
【００１６】
すなわち２つの偏光板８ａ、８ｂの偏光透過軸を直交させ、偏光板８ａ、８ｂのいずれか一方の偏光透過軸を配向膜３ａ，３ｂの配向処理方向と平行にすることにより、電圧源７による極性及び電圧強度の制御により、液晶分子２の配向方向が透明基板５ａ，５ｂの面内で連続的に変化して、光透過率が連続的に変化するアナログ的な光変調機能が得られる。
【００１７】
強誘電性液晶膜１には、４０度以上（理想的には４５度）のコーン角をもたせることにより、入射光に対する複屈折効果を高めることができ、高い光利用率が期待できる。アナログ的な分子配向変化を得るためには、液晶分子２の分子配向が配向膜３ａ，３ｂの配向処理方向に安定化されるように、配向膜３ａ，３ｂの配向力を強くするか、もしくは強誘電性液晶膜１の厚みを１μｍ以下と薄くして、配向膜３ａ，３ｂの影響を強めることができる。これにより、透明基板上に塗布した配向膜の影響が強くなり、強誘電性液晶膜１の双安定特性が消失する。
【００１８】
強誘電性液晶膜１の厚みは、２μｍ程度でも液晶分子配向が可能であるが、コーン角が広い強誘電性液晶膜では分子配向のスイッチング軸が面内でぶれやすくなり、配向欠陥が生じやすくなる。しかし１μｍ以下であれば、配向欠陥を大幅に低減することが可能となる。すなわち、強誘電性液晶膜１の膜厚を減少させれば、液晶分子２の分子配向を安定化することができる。
【００１９】
更に、配向膜３ａ，３ｂとして高プレチルト配向膜を用いて、液晶分子２を透明基板５ａ，５ｂから起こして配向させることにより（例えば、透明基板５ａ，５ｂと液晶分子２のなす角度であるチルト角は１０度程度）、更に配向欠陥を減らして、面内均一性やコントラスト比を高めることができる。この場合、２つの配向膜３ａ，３ｂの配向処理は逆方向（アンチパラレル）が効果的である。しかし、平行配向であっても一定の欠陥抑制が期待できる。
【００２０】
強誘電性液晶１の分子配向を一方向に安定化する配向膜３ａ，３ｂには、摩擦（ラビング）処理、もしくは偏光紫外光の照射による配向処理を施されたポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、斜方蒸着されたＳｉＯ、ＳｉＯ２のいずれかの配向膜を用いることができる。
【００２１】
強誘電性液晶膜１の材料としては、入射光の偏光状態を大きく制御できるように、液晶の屈折率異方性△ｎ（△ｎ＝異常光屈折率ｎｅ−常光屈折率ｎｏ）が大きい方が好ましい。
【００２２】
そのため、屈折率異方性の大きなシッフ塩基系強誘電性液晶、アゾ系強誘電性液晶、アゾキシ系強誘電性液晶、ビフェニル系強誘電性液晶、エステル系強誘電性液晶、もしくはフェニルピリミジン系強誘電性液晶などが適している。また、自発分極が大きな強誘電性液晶材料を用いることにより、高速応答と低電圧駆動が可能となる。
【００２３】
透明電極４ａ，４ｂとしては、錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ：Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ）などが好適である。透明電極４ａ，４ｂを付着させる透明基板５ａ，５ｂには、ガラスもしくはプラスティックフィルムを用いることができ、プラスティックフィルムを透明基板５ａ，５ｂに用いた場合には、液晶光変調器をフレキシブルにすることが可能である。また、透明基板５ａ，５ｂで挟まれた強誘電性液晶１の膜厚は、球状のスペーサを分散するか、フォトリソグラフィーで樹脂製の微細構造物を形成することにより、一定に保つことが可能である。
【００２４】
このような液晶光変調器と、蛍光管、冷陰極管、発光ダイオードなどのバックライトを組み合わせることにより、動画表示に適した高速な液晶表示装置を構成することができる。また、液晶光変調器に反射板を組み合わせて用いるか、内蔵させることにより、反射型ディスプレイを構成することも可能である。
【００２５】
実施例として、強誘電性液晶膜１にチッソ社、液晶組成物（コーン角度４２．９度、カイラルピッチ１４μｍ）を用いて作製した液晶光変調器について述べる。作製方法は以下の通りである。
【００２６】
まず、透明ガラスを用いた２枚の透明基板５ａ，５ｂに、それぞれ厚み７２ｎｍのＩｎ２Ｏ３：Ｓｎを蒸着して透明電極４ａ，４ｂを形成し、さらに透明電極４ａ，４ｂ上にスピンコート法によって高プレチルト用ポリイミド（ＪＳＲ社ＪＡＬＳ−２４６−Ｒ４）を塗布し、厚み５０ｎｍの配向膜３ａ，３ｂを形成した。この配向膜３ａ，３ｂを微細なレーヨンブラシ（安川加工社、ＹＡ−２０−ＲＷ）で一方向にラビングした。
【００２７】
２枚の配向膜３ａ，３ｂ付きの透明基板５ａ，５ｂを配向方向が逆方向になるように、１μｍ径もしくは１．８μｍ径もしくは２．５μｍ径の球状スペーサを介在させて重ね合わせギャップを形成した。そのギャップに、１００℃で加熱した強誘電性液晶１を注入し、室温に戻して液晶配向の均一性を偏光顕微鏡により観察した。
【００２８】
ラビング強度が強く、レーヨンブラシの毛先押し込み量が０．４ｍｍと大きくした場合、膜厚の減少による液晶配向の均一化が見られた。強誘電性液晶膜１の膜厚が２．５μｍではランダムな分子配向となったが、強誘電性液晶膜１の膜厚を薄くして１．８μｍにすると配向した液晶領域が現れ始め、さらに薄く膜厚１μｍにすると、ラビング方向に一様に配向した液晶領域が観察された。
【００２９】
しかし、ラビング強度が弱く、レーヨンブラシの毛先押し込み量が０．２ｍｍと小さくした場合、配向組織の改善効果は低いことが分かった。配向処理を強くして透明基板５ａ，５ｂ間のギャップを膜厚１μｍと薄くすることにより、配向欠陥が減少した結果、コントラスト比が膜厚１．８μｍの２０：１から、膜厚１μｍの２５０：１に大幅に改善できた。
【００３０】
図２は、電圧源７により印加直流電圧を−５Ｖ〜＋５Ｖまで変化させたときの透過光強度変化を示す。印加電圧に応じて透過光の強度が連続的に変化して、Ｖ字状の光変調特性が確認された。また、試作した素子の応答時間（立上がり時間＋立下り時間）は０．６ｍｓｅｃと高速であり、動画用の表示材料に好適である。
【００３１】
このように、広いコーン角を有する強誘電性液晶膜を用い、膜厚を薄くすることで、表示の一様性やコントラスト比に優れ、高速なアナログ変調が可能な液晶光変調器および液晶表示装置を提供することができる。従って、本発明の液晶光変調器や液晶表示装置は、フラットパネルディスプレイに好適であり、本発明を用いることにより階調を伴う動画表示が可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１に記載の発明によれば、印加電圧に応じて透過率が連続的に変化して中間調表示を行うことができる。
【００３３】
また、請求項２に記載の発明によれば、透明基板上に塗布した配向膜の影響が強くなって双安定特性が消失し、印加電圧に応じて透過率を連続的に変化させることが可能となる。
【００３４】
また、請求項３に記載の発明によれば、配向欠陥が生じにくくなり、面内均一性やコントラスト比に優れた液晶光変調器を構成できる。
【００３５】
また、請求項４に記載の発明によれば、配向欠陥が生じにくくなり、面内均一性やコントラスト比に優れた液晶光変調器を構成できる。
【００３６】
また、請求項５に記載の発明によれば、印加電圧に応じて透過率を連続的に変化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶光変調器の一実施例の構成を示す模式図である。
【図２】印加直流電圧を変化させたときの透過光強度変化を示す図である。
【符号の説明】
１　強誘電性液晶膜
２　液晶分子
３ａ，３ｂ　配向膜
４ａ，４Ｂ　透明電極
５ａ，５ｂ　透明基板
６ａ、６ｂ　リード線
７　電圧源
８ａ，８ｂ　偏光板
９　入射光
１０　出射光
【図１】
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【図２】
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