特開 2022-140702 液晶画素

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022140702

(43)【公開日】2022-09-27

(54)【発明の名称】液晶画素

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/13 20060101AFI20220914BHJP

   G02F 1/141 20060101ALI20220914BHJP

   G02F 1/1337 20060101ALI20220914BHJP

   G02F 1/1343 20060101ALI20220914BHJP

【ＦＩ】

G02F1/13 505

G02F1/141

G02F1/1337

G02F1/1337 515

G02F1/1337 525

G02F1/1343

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021037259

(22)【出願日】2021-03-09

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り （１）２０２０年８月３日にＳｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙによってオンライン発行されたＴｈｅ ５７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｗｅｅｋ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍの講演予稿集ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ５１，Ｉｓｓｕｅ １，ｐｐ．１７－２０において発表 （２）２０２０年８月６日にＳｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙによってオンライン開催されたＴｈｅ ５７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｗｅｅｋ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍにおいて口頭発表（講演番号：３－５） （３）２０２０年１０月９日に一般社団法人映像情報メディア学会によってオンライン発行された映像情報メディア学会技術報告，Ｖｏｌｕｍｅ ４４，Ｎｕｍｂｅｒ ２６，ＩＤＹ２０２０－３５，ｐｐ．１７－２０において発表 （４）２０２０年１０月１６日に一般社団法人映像情報メディア学会によってオンライン開催された映像情報メディア学会情報ディスプレイ研究会「ディスプレイ一般」の依頼講演において口頭発表 （５）２０２０年１０月２２日に一般社団法人日本液晶学会によってオンライン発行された２０２０年日本液晶学会オンライン研究発表会講演予稿集，２Ｉ０３，２０２０，ｐｐ．６１－６２において発表

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り （６）２０２０年１０月３０日に一般社団法人日本液晶学会によってオンライン開催された２０２０年日本液晶学会オンライン研究発表会において口頭発表（講演番号：２Ｉ０３） （７）２０２０年１２月１０日に一般社団法人ディスプレイ国際ワークショップによってオンライン発行されたＴｈｅ ２７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｓ（ＩＤＷ’２０）の講演予稿集Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ２７，ＬＣＴ７－１，２０２０，ｐｐ．９１－９４において発表 （８）２０２０年１２月１０日に一般社団法人ディスプレイ国際ワークショップによってオンライン開催されたＴｈｅ ２７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｓ（ＩＤＷ’２０）において口頭発表（講演番号：ＬＣＴ７－１） （９）２０２０年３月１１日に公益社団法人応用物理学会物理系学術誌刊行センターによって刊行されたＪａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ５９，Ｎｕｍｂｅｒ ４，０４０９０１において発表

(71)【出願人】

【識別番号】000004352

【氏名又は名称】日本放送協会

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(71)【出願人】

【識別番号】000166948

【氏名又は名称】シチズンファインデバイス株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000001960

【氏名又は名称】シチズン時計株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(72)【発明者】

【氏名】麻生 慎太郎

(72)【発明者】

【氏名】青島 賢一

(72)【発明者】

【氏名】柴崎 純一

(72)【発明者】

【氏名】町田 賢司

(72)【発明者】

【氏名】藤掛 英夫

(72)【発明者】

【氏名】石鍋 隆宏

(72)【発明者】

【氏名】柴田 陽生

(72)【発明者】

【氏名】磯前 慶友

(72)【発明者】

【氏名】近藤 真哉

【テーマコード（参考）】

2H088

2H092

2H290

【Ｆターム（参考）】

2H088EA47

2H088EA48

2H088GA02

2H088HA02

2H088HA03

2H088HA08

2H088JA19

2H088MA20

2H092GA15

2H092HA04

2H092JA23

2H092NA25

2H092QA13

2H092RA10

2H290AA67

2H290BF04

2H290BF13

2H290BF23

2H290CA42

2H290CA46

2H290CB33

(57)【要約】      （修正有）

【課題】狭画素ピッチで二次元配置された画素間のクロストークを抑制できる液晶画素を提供する。
【解決手段】液晶からなる液晶層５０を備える長方形の液晶画素１であって、液晶の無電界印加時における初期配向が、液晶画素１の長辺と直交する方向である、液晶画素１である。液晶は、ＳＳＦＬＣ、又はネマティック液晶を含むものであってよく、液晶がＳＳＦＬＣを含む場合には、ＳＳＦＬＣの円錐形状の分子運動軌道における中心軸方向が、液晶画素１の長辺と直交する方向であってよい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液晶からなる液晶層を備える長方形の液晶画素であって、
前記液晶の無電界印加時における初期配向が、前記液晶画素の長辺と直交する方向である、液晶画素。

【請求項2】

前記液晶は、ＳＳＦＬＣ、又はネマティック液晶を含む、請求項１に記載の液晶画素。

【請求項3】

前記液晶は、前記ＳＳＦＬＣを含み、
前記ＳＳＦＬＣの円錐形状の分子運動軌道における中心軸方向が、前記液晶画素の長辺と直交する方向である、請求項２に記載の液晶画素。

【請求項4】

前記液晶画素の短辺方向の画素ピッチが、２μｍ未満であり、
前記液晶画素の長辺方向の画素ピッチが、２μｍ以上である、請求項３に記載の液晶画素。

【請求項5】

請求項１～４のいずれかに記載の液晶画素を備える、空間光変調器。

【請求項6】

請求項１～４のいずれかに記載の液晶画素を備える、二次元画像表示装置。

【請求項7】

請求項１～４のいずれかに記載の液晶画素を備える、三次元画像表示装置。

【請求項8】

前記三次元画像表示装置が、ホログラフィ方式の三次元画像表示装置である、請求項７に記載の三次元画像表示装置。

【請求項9】

前記三次元画像表示装置が、振幅変調型ホログラムを表示する、請求項７に記載の三次元画像表示装置。

【請求項10】

前記三次元画像表示装置が、位相変調型ホログラムを表示する、請求項７に記載の三次元画像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液晶画素、並びに、これを備える空間光変調器、二次元画像表示装置及び三次元画像表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、液晶表示素子は、テレビやパソコン等の種々のディスプレイ装置として実用化されており、近年では４Ｋや８Ｋ等の高精細ディスプレイ装置の開発が進められている。また、ＶＲやＡＲ等の新たな映像サービスの高画質化や、インテグラル方式及びホログラフィ方式等の立体映像表示への応用のためには、さらなる多画素化と高密度化が要求される。

【0003】

特に、ホログラフィ表示用の空間光変調器（Spatial Light Modulator, ＳＬＭ）に液晶表示素子を利用する場合には、立体像を視認できる角度（視域角）を大きくするためには、ＳＬＭの画素ピッチを可視光の波長（３６０ｎｍ～８３０ｎｍ）程度に十分小さくしなければならない。例えば、視域角を３０°以上とするためには、画素ピッチ１μｍ程度の超高密度ディスプレイ装置が必要である。

【0004】

ここで、ＳＬＭは、光学素子（光変調素子）を二次元のマトリクス状に配列させ、光の位相や振幅等を空間的に変調するものであり、ディスプレイ技術、記録技術等の分野で広く利用されている。液晶ではシリコン（Ｓｉ）ベースの画素選択用トランジスタ駆動回路を各画素に内蔵した基板（Ｓｉバックプレーン）を用いた反射型のＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）が高密度化に適しているものの、液晶画素間クロストークの問題により、その画素ピッチは３μｍ×３μｍピッチ程度に留まっている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Yoshitomo Isomae, Shintaro Aso, Junichi Shibasaki, Ken-ichi Aoshima, Kenji Machida, Hiroshi Kikuchi, Takahiro Ishinabe, Yosei Shibata and Hideo Fujikake, “Superior spatial resolution of surface-stabilized ferroelectric liquid crystals compared to nematic liquid crystals for wide-field-of-view holographic displays,” Jpn. J. Appl. Phys. 59 040901 (2020).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

そのため、将来のホログラフィ表示用狭画素ピッチ空間光変調器への応用を目指し、液晶デバイスのさらなる狭画素ピッチ化に向けた研究が行われている。これまでのところ、ストライプ構造の一次元電極を用いて、１μｍ画素ピッチまでの液晶画素の光変調特性に関する研究が行われ、強誘電性液晶を用いることで画素間クロストークを抑制可能であることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、液晶画素を１μｍ～２μｍピッチで二次元配置した場合に関しては、まだ有効な画素間クロストーク抑制技術が提案されていないのが現状である。

【0007】

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、狭画素ピッチで二次元配置された画素間のクロストークを抑制できる液晶画素を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１） 本発明は、液晶からなる液晶層（例えば、後述の液晶層５０，５０Ｂ）を備える長方形の液晶画素（例えば、後述の液晶画素１，１Ａ，１Ｂ）であって、前記液晶の無電界印加時における初期配向が、前記液晶画素の長辺と直交する方向である、液晶画素を提供する。

【0009】

（２） （１）の液晶画素において、前記液晶は、ＳＳＦＬＣ、又はネマティック液晶を含んでよい。

【0010】

（３） （２）の液晶画素において、前記液晶は、前記ＳＳＦＬＣを含み、前記ＳＳＦＬＣの円錐形状の分子運動軌道における中心軸（例えば、後述のＦＬＣ分子運動軌道の中心軸Ｃ）方向が、前記液晶画素の長辺と直交する方向であってよい。

【0011】

（４） （３）の液晶画素において、前記液晶画素の短辺方向の画素ピッチが、２μｍ未満であり、前記液晶画素の長辺方向の画素ピッチが、２μｍ以上であってよい。

【0012】

（５） また本発明は、（１）～（４）のいずれかの液晶画素を備える空間光変調器を提供する。

【0013】

（６） また本発明は、（１）～（４）のいずれかの液晶画素を備える二次元画像表示装置を提供する。

【0014】

（７） また本発明は、（１）～（４）のいずれかの液晶画素を備える三次元画像表示装置を提供する。

【0015】

（８） （７）の三次元画像表示装置が、ホログラフィ方式の三次元画像表示装置であってよい。

【0016】

（９） （７）の三次元画像表示装置が、振幅変調型ホログラムを表示してもよい。

【0017】

（１０） （７）の三次元画像表示装置が、位相変調型ホログラムを表示してもよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、狭画素ピッチで二次元配置された画素間のクロストークを抑制できる液晶画素を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１実施形態に係る液晶画素の構成を示す図である。

【図2】隣接画素間に生じる漏れ電界の方向と液晶の配向方向との関係を示す図である。

【図3】ＳＳＦＬＣの電圧応答を示す図である。

【図4】ＳＳＦＬＣ及びネマティック液晶における画素ピッチと変調度との関係を示す図である。

【図5】第２実施形態に係る液晶画素の斜視図である。

【図6】第２実施形態に係る液晶画素の断面図である。

【図7】第２実施形態に係る液晶画素の２層構造電極の平面図である。

【図8】図７のＡ１－Ａ１断面における電位分布シミュレーション結果を示す図である。

【図9】第２実施形態に係る液晶画素の光学顕微鏡像を示す図である。

【図10】第２実施形態に係る液晶画素の偏光顕微鏡像を示す図である。

【図11】第３実施形態に係る液晶画素の構成を示す図である。

【図12】ｘ軸配向された第３実施形態に係る液晶画素１Ｂの面内における透過率分布と液晶分子方向のシミュレーション結果を示す図である。

【図13】ｙ軸配向された液晶画素の面内における透過率分布と液晶分子方向のシミュレーション結果を示す図である。

【図14】ｘ軸配向された第３実施形態に係る液晶画素１Ｂの断面における透過率分布と液晶分子方向及び電位分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図15】ｙ軸配向された液晶画素の断面における透過率分布と液晶分子方向及び電位分布のシミュレーション結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、第２実施形態以降の説明において、第１実施形態と共通する構成については適宜説明を省略する。

【0021】

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る液晶画素１の構成を示す図である。図１中、下段は下部電極基板及び液晶画素駆動用電極の平面図であり、上段は液晶画素１の断面図である。図１に示されるように本実施形態に係る液晶画素１は、１μｍ×２μｍの狭画素ピッチで二次元配置された長方形の液晶画素であり、透過型液晶デバイスを構成する。図１では、２×２画素のみ示しているが、実際には、図１に示すような電極配置が無限に続く構造となっている。図１に示される本実施形態に係る液晶画素の一例では、ｙ軸方向の画素ピッチが２μｍであり、ｘ軸方向の画素ピッチが１μｍである。即ち、ｘ軸方向の方が狭画素ピッチとなっているため、隣接画素間に生じる漏れ電界の大きさは、ｘ軸方向の方が大きい。本実施形態に係る液晶画素１は、このように狭画素ピッチで二次元配置されたものであるにも関わらず、狭画素ピッチの画素間のクロストークを抑制できる点に特徴を有する。

【0022】

図１に示されるように本実施形態に係る液晶画素１は、下部電極基板１１と、液晶画素駆動用電極１０と、配向膜４１，４２と、液晶層５０と、共通透明電極６０と、上部透明基板７０と、を備える。以下、これらの各構成について説明する。

【0023】

（下部電極基板１１）
下部電極基板１１は、本実施形態に係る液晶画素１の最下層に配置される。この下部電極基板１１には、後述する液晶画素駆動用電極１０が設けられる。下部電極基板１１を構成する材料としては、例えば、Ｓｉ、ガラス、合成石英、サファイア等を用いることができる。また、下部電極基板１１として、フレキシブルなプラスチックフィルム基板を用いることもできる。

【0024】

（液晶画素駆動用電極１０）
液晶画素駆動用電極１０は、上述の下部電極基板１１に設けられ、アクティブマトリクス駆動バックプレーンを構成する。図１に示す一例では、画素ピッチが１μｍ×２μｍに設定されている。即ち、液晶画素駆動用電極１０が、ｘ軸方向に１μｍピッチ、ｙ軸方向に２μｍピッチで下部電極基板１１に配置されている。また、液晶画素駆動用電極１０のサイズは、ｘ軸方向の幅が０．８μｍ、ｙ軸方向の幅が１．８μｍに設定されている。ただし、これに限定されるものではなく、後述する液晶の種類に応じて好ましい画素ピッチが設定されるとともに、液晶画素駆動用電極１０の好ましいピッチ及びサイズが設定される。この画素ピッチについては、後段で詳述する。

【0025】

液晶画素駆動用電極１０を構成する電極材料としては、Ａｌのような導電性の高い金属材料の他、透明電極材料等を用いることができる。可視光波長（３６０ｎｍ～８３０ｎｍ）の範囲で透明な電極材料として、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide， ＩＺＯ）、インジウム－スズ酸化物（Indium Tin Oxide， ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化アンチモン－酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）等の他、インジウム－ガリウム－亜鉛酸化物（Indium Gallium Zinc Oxide， ＩＧＺＯ）等の公知の透明電極材料を用いることができる。

【0026】

（配向膜４１，４２）
配向膜４１，４２は、後述する液晶層５０の表面側と裏面側にそれぞれ配置される。これら配向膜４１，４２は、後述する上部透明基板７０の近傍に位置する液晶と、上述の下部電極基板１１の近傍に位置する液晶に対して配向規制力を付与することにより、液晶層５０全体の配向を定める。

【0027】

配向膜４１，４２を構成する材料としては、ポリイミド系高分子やポリビニル系高分子等の従来公知の種々の配向膜材料を用いることができる。これらの配向膜材料を用いたラビング法、光配向法等により、配向処理を施すことができる他、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、金属酸化物等の無機系材料の斜方蒸着膜を用いることもできる。その他、各基板表面を界面活性剤処理する方法や、イオンビーム照射等により基板面に微細形状を形成する方法等で液晶配向を行うこともできる。本実施形態における配向処理方向は、図１のｘ軸方向、即ち画素ピッチ１μｍの短辺方向である。

【0028】

（液晶層５０）
本実施形態に係る液晶層５０は、表面安定化強誘電性液晶（以下、ＳＳＦＬＣともいう）から構成される。ここで、強誘電性液晶（以下、ＦＬＣともいう）の分子運動軌道は円錐状であり、通常、ＦＬＣ分子はその分子運動軌道上に螺旋状に配向する。しかしながら、ＳＳＦＬＣでは液晶層の厚みが薄く設定されることにより、ＦＬＣ分子が狭い範囲に閉じ込められて円錐軌道上の２値の配向方向しか取り得なくなる。本実施形態に係る液晶層５０は、無電界印加時における初期配向の向きによっては、このようなＳＳＦＬＣにおいて、ＦＬＣ分子の回転によって画素間クロストークが増大することを抑制するものである。

【0029】

ここで、図２は、隣接画素間に生じる漏れ電界の方向と液晶の配向方向との関係を示す図である。より詳しくは、図２は、隣接画素間に生じる漏れ電界に対するＦＬＣ分子５１の応答を、液晶配向処理方向の違いとともに示す図である。

【0030】

図２に示されるように、ＦＬＣ分子５１の電気双極子モーメント５２は、棒状のＦＬＣ分子５１に対して概ね垂直な方向を向いている。そのため、図２中の（ａ）のようにｘ軸方向に配向処理し、円錐状のＦＬＣ分子運動軌道の中心軸Ｃがｘ軸方向に向くようにした場合、漏れ電界の大きいｘ軸方向と、ＦＬＣ分子５１の電気双極子モーメント５２が常に直交する関係となる。そのため、隣接画素間漏れ電界によるＦＬＣ分子５１の回転が起こり難い。従って、表示における隣接画素間クロストークが起き難い。

【0031】

これに対して、図２中の（ｂ）のようにｙ軸方向に配向処理した場合、安定化の観点から、ＦＬＣ分子５１の電気双極子モーメント５２がｘ軸方向に生じた隣接画素間漏れ電界と平行な方向を向くよう、ＦＬＣ分子５１を回転させる力が生じる。そのため、表示における隣接画素間クロストークが大きくなる。

【0032】

従って、本実施形態に係る液晶画素１は、ＦＬＣを用いた１μｍ×２μｍピッチの長方形の液晶画素を二次元配置し、その配向処理方向を１μｍピッチ方向とし、円錐状のＦＬＣ分子運動軌道の中心軸Ｃが１μｍピッチ方向に向くように設定される。即ち、本実施形態に係る液晶層５０は、無電界印加時における初期配向が、液晶画素１の長辺と直交する方向、即ちｘ軸方向である。これにより、本実施形態によれば、画素間クロストークの影響が抑制された狭画素ピッチ二次元液晶画素を実現可能となっている。

【0033】

図３は、ＳＳＦＬＣの電圧応答を示す図である。図３に示すように、ＳＳＦＬＣは、各画素に印加する電圧の極性に応じて、その分子の電気双極子モーメントの方向が反転するように動作する。この電気双極子モーメント方向の反転に対応して、ＦＬＣ分子５１は、円錐状のＦＬＣ分子運動軌道５３上の奥側か手前側かの２値に動作し、それが画素のオン、オフに対応する。図３に示される本実施形態の一例では、＋５Ｖが印加されるとＦＬＣ分子５１の電気双極子モーメントを上方向に向ける力が働き、それに伴いＦＬＣ分子５１が円錐状のＦＬＣ分子運動軌道５３上の奥側に配置される一方で、－５Ｖが印加されるとＦＬＣ分子５１の電気双極子モーメントを下方向に向ける力が働き、それに伴いＦＬＣ分子５１が円錐状のＦＬＣ分子運動軌道５３上の手前側に配置されるようになる。ただし、上述した通り、漏れ電界の大きいｘ軸方向とＦＬＣ分子５１の電気双極子モーメント５２が常に直交するため、隣接画素間漏れ電界によるＦＬＣ分子５１の回転が起こり難く、表示における隣接画素間クロストークを抑制できるようになっている。

【0034】

なお、液晶層５０の厚みは、ＦＬＣの螺旋構造が解消してＳＳＦＬＣ状態となるように、２μｍ程度以下とする必要がある。例えば１μｍピッチのような狭画素ピッチデバイスを作製する場合は、画素間クロストーク抑制の観点から、液晶層５０の厚さは、０．５μｍ～１．５μｍであることが好ましい。液晶層５０の厚さが０．５μｍ未満であると、十分な変調度が得られなくなる。また、液晶層５０の厚さが１．５μｍを超えると、隣接画素間漏れ電界の影響が大きくなり、画素間クロストークが増大する。

【0035】

（共通透明電極６０）
図１に戻って、共通透明電極６０としては、透明電極材料を用いることができる。可視光波長（３６０ｎｍ～８３０ｎｍ）の範囲で透明な電極材料として、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide， ＩＺＯ）、インジウム－スズ酸化物（Indium Tin Oxide， ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化アンチモン－酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）等の他、インジウム－ガリウム－亜鉛酸化物（Indium Gallium Zinc Oxide， ＩＧＺＯ）等の公知の透明電極材料を用いることができる。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の従来公知の方法により製膜される。厚さは、十分な導電性が得られるよう、例えば２０ｎｍ以上あることが好ましい。

【0036】

（上部透明基板７０）
上部透明基板７０としては、ガラス、合成石英、サファイア等の透明な基板材料を用いことができる。また、上部透明基板７０として、フレキシブルなプラスチックフィルムを用いることもできる。

【0037】

次に、本実施形態に係る液晶画素１の好ましい画素ピッチについて、図４を参照して詳しく説明する。図４は、ＳＳＦＬＣ及びネマティック液晶における画素ピッチと変調度Ｒとの関係を示す図である。より詳しくは、図４は、隣接する画素同士で正負が逆の極性の駆動電圧が印加され、互いに平行に配列した一次元画素電極を用いて、ＳＳＦＬＣ及びネマティック液晶それぞれを、液晶層厚１μｍで所定方向に配向させたときの画素ピッチと変調度Ｒとの関係を示す図である。図４中、横軸が画素ピッチを表しており、縦軸が変調度Ｒを表している。変調度Ｒは、各液晶画素に対する可視光の最大透過率をＴｍａｘ、最小透過率をＴｍｉｎとしたときに、Ｒ＝（Ｔｍａｘ－Ｔｍｉｎ）／（Ｔｍａｘ＋Ｔｍｉｎ）により算出される。

【0038】

図４中、ＳＳＦＬＣに着目する。ここで、漏れ電界方向に対してＳＳＦＬＣ分子を０°配向させたものは、無電界印加時の初期配向としてＳＳＦＬＣの分子運動軌道の中心軸方向を、漏れ電界方向（より大きい漏れ電界方向）、即ち、図２中の（ａ）に示される本実施形態のように、液晶画素１の長辺に直交する方向であるｘ軸方向に向けたものに相当する。また、漏れ電界方向に対してＳＳＦＬＣ分子を９０°配向させたものは、無電界印加時の初期配向としてＳＳＦＬＣの分子運動軌道の中心軸方向を、漏れ電界方向（より大きい漏れ電界方向）に直行する方向、即ち、図２中の（ｂ）に示されるようにｙ軸方向に向けたものに相当する。

【0039】

図４において、漏れ電界方向に対してＳＳＦＬＣ分子を０°配向させたものと、漏れ電界方向に対してＳＳＦＬＣ分子を９０°配向させたものとを比較すると、画素ピッチが２μｍより小さくなると、前者の変調度Ｒは大きく変化しないのに対して後者の変調度Ｒは大きく低下することが分かる。即ち、画素ピッチが２μｍより小さくなると、後者において画素間クロストークの影響が大きくなることを示している。この結果から、強誘電性液晶の円錐形状の分子運動軌道における中心軸方向が液晶画素１の長辺と直交する方向であり、液晶の無電界印加時における初期配向が液晶画素１の長辺と直交する方向である本実施形態の液晶画素１において、好ましい画素ピッチは次の通りであると言える。

【0040】

即ち、液晶層５０を構成する液晶として、ＳＳＦＬＣを用いる場合には、好ましい短辺方向の画素ピッチは２μｍ未満であり、好ましい長辺方向の画素ピッチは２μｍ以上である。画素ピッチがそれぞれ上記範囲内であれば、ＳＳＦＬＣを用い、狭画素ピッチで二次元配置した長方形状の液晶画素であっても、十分な変調度Ｒを得ることができる。これは、図４中に示されるネマティック液晶ＮＬＣとは異なるものであり、ＳＳＦＬＣに特徴的な画素ピッチである。

【0041】

ここで、１μｍピッチのような狭画素ピッチデバイスを作製する場合には、上述の好ましい画素ピッチは液晶層の厚みによらないと考えられる。なぜならば、上述した通り１μｍピッチのような狭画素ピッチデバイスを作製する場合には、画素間クロストーク抑制の観点から、液晶層５０の厚さは０．５μｍ～１．５μｍであることが好ましいことから、好ましい画素ピッチが、図４の実験で使用した液晶層厚１μｍの場合から大幅に変わることは無いためである。そして、隣接画素電極間の間隔（電極と電極の間のすき間）は、図４の１μｍピッチ素子の場合、２００ｎｍしかなく、これは、液晶層厚１μｍに対して１／５の距離である。ということは、隣接画素間境界部では、上下電極間に生じる本来の液晶駆動電界の強度に対し、隣接画素間漏れ電界の強度の方がずっと大きいということになる。従って、仮に液晶層厚を１．５μｍとした場合でも、隣接画素間の間隔が同じであれば、液晶配向方向による画素間クロストーク抑制効果は、液晶層厚１μｍの場合と同程度の画素ピッチで得られると考えられる。

【0042】

以上説明した通り、本実施形態によれば、狭画素ピッチで二次元配置された画素間のクロストークを抑制できる液晶画素１を提供できる。そのため、本実施形態に係る液晶画素１は、空間光変調器、二次元画像表示装置、ホログラフィ方式の三次元画像表示装置、振幅変調型ホログラムや位相変調型ホログラムを表示可能な三次元画像表示装置に好ましく用いられる。より具体的には、本実施形態に係る液晶画素１は、液晶テレビ、パソコン用ディスプレイ装置、携帯用ディスプレイ装置、仮想現実空間（Virtual Reality, ＶＲ）や拡張現実空間（Augmented Reality, ＡＲ）用のヘッドマウントディスプレイ装置、インテグラル方式やホログラフィ方式等の立体表示用空間光変調器等に好ましく用いられる。

【0043】

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態に係る液晶画素１Ａの斜視図である。図６は、第２実施形態に係る液晶画素１Ａの断面図である。図７は、第２実施形態に係る液晶画素１Ａの２層構造電極２０の平面図である。ただし、図５では、上部透明基板、配向膜、下部電極基板の記載を省略して示している。また、図７では、３×３画素のみ示しているが、実際には、図７に示すような電極配置が無限に続く構造となっている。これら図５～図７に示されるように第２実施形態に係る液晶画素１Ａは、第１実施形態に係る液晶画素１と比較して、下部電極基板１１及び液晶画素駆動用電極１０の代わりに、下部電極基板１１Ａ及び２層構造電極２０を備える以外は、第１実施形態に係る液晶画素１と同様の構成である。

【0044】

（下部電極基板１１Ａ）
図６に示されるように、下部電極基板１１Ａは最下層に配置される。この下部電極基板１１Ａ上に、後述する２層構造電極２０が形成される。下部電極基板１１Ａとしては、Ａｌのような導電性の高い金属材料の他、透明電極材料等を用いることができる。可視光波長（３６０ｎｍ～８３０ｎｍ）の範囲で透明な電極材料として、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide， ＩＺＯ）、インジウム－スズ酸化物（Indium Tin Oxide， ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化アンチモン－酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）等の他、インジウム－ガリウム－亜鉛酸化物（Indium Gallium Zinc Oxide， ＩＧＺＯ）等の公知の透明電極材料を用いることができる。

【0045】

（下層電極２１）
下層電極２１は、上述の下部電極基板１１Ａの直上に配置される。下層電極２１としては、公知の透明電極材料を用いることができる。可視光波長（３６０ｎｍ～８３０ｎｍ）の範囲で透明な電極材料として、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide， ＩＺＯ）、インジウム－スズ酸化物（Indium Tin Oxide， ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化アンチモン－酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）等の他、インジウム－ガリウム－亜鉛酸化物（Indium Gallium Zinc Oxide， ＩＧＺＯ）等の公知の透明電極材料の他、グラフェンやカーボンナノチューブ等を用いることもできる。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により製膜される。厚さは、十分な導電性が得られるよう、２０ｎｍ以上であることが好ましい。また、導電率の高い金属材料を、光が透過するように１０ｎｍ未満の厚さの薄膜として用いることもできる。

【0046】

（絶縁層２３）
絶縁層２３は、上述の下層電極２１の直上に配置される。絶縁層２３を構成する材料としては、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ等の公知の絶縁材料を用いることができる。絶縁層２３の厚さは、デバイスへの印加電圧の大きさに応じて、絶縁破壊しない厚さに設定される。例えば、下層電極２１と後述する上層電極２２との間の電位差が１０Ｖ以上となる場合には、絶縁層２３の厚さは、５０ｎｍ以上であることが好ましい。

【0047】

また、絶縁層２３の存在による液晶層５０への印加電圧の減少を抑制するためには、高誘電率絶縁膜（Ｈｉｇｈ－ｋ膜)を用いることが好ましい。具体的には、ＳｉＯ_２よりも大きな比誘電率を有する材料として、ケイ酸ハフニウム、ケイ酸ジルコニウム、酸化ハフニウム、ジルコニア等が好ましく用いられる。さらには、４０以上の比誘電率を示すキュービック結晶相ＨｆＯ_２等がより好ましく用いられる。

【0048】

（上層電極２２）
上層電極２２は、上述の絶縁層２３の直上に配置される。上層電極２２としては、Ａｌのような導電性の高い金属材料の他、透明電極材料等を用いることができる。可視光波長（３６０ｎｍ～８３０ｎｍ）の範囲で透明な電極材料として、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide， ＩＺＯ）、インジウム－スズ酸化物（Indium Tin Oxide， ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化アンチモン－酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）等の他、インジウム－ガリウム－亜鉛酸化物（Indium Gallium Zinc Oxide， ＩＧＺＯ）等の公知の透明電極材料を用いることができる。

【0049】

上層電極２２の厚さはできるだけ薄い方が好ましいが、少なくとも５ｎｍ～２０ｎｍの厚さがあることが好ましい。この上層電極２２には、任意の形状の上層電極開口部Ａが形成される。図５～図７に示される本実施形態に係る液晶画素１Ａの一例では、１μｍ×２μｍピッチの市松模様状に上層電極開口部Ａが形成されている。この上層電極開口部Ａは、フォトリソグラフィ、電子線リソグラフィ等の手段により上層電極２２上に所望のレジストパターンを形成した後、イオンビームミリング法等の公知の技術によりエッチングし、その後レジストパターンを剥離する手順で形成される。

【0050】

なお、図６及び図７に示される本実施形態に係る液晶画素１Ａの画素ピッチＰ、具体的にはｘ軸方向の画素ピッチＰｘ及びｙ軸方向の画素ピッチＰｙの好ましい範囲は、第１実施形態と同様である。本実施形態では、好ましい画素ピッチＰ（Ｐｘ、Ｐｙ）となるように、上層電極開口部Ａの寸法、配置が設定される。

【0051】

また、変形例として、エッチング後、レジストパターンを剥離する前に、上層電極２２と同じ厚さの絶縁層を製膜し、上層電極開口部Ａを埋め戻してもよい。この場合には、表面が平坦となるため、上層電極２２上にＳｉＯ、ＳｉＯ_２、金属酸化物等の無機系材料の斜方蒸着膜からなる配向膜４１を形成するときに均一な配向膜を形成することができるようになるため好ましい。また、他の変形例として、レジストパターン形成後、上層電極２２だけでなく絶縁層２３も連続でエッチングし、開口部の深さが下層電極２１の表面まで到達するようにしてもよい。即ち、上層電極２２と絶縁層３の両方を貫通する開口部を設けてもよい。

【0052】

次に、本実施形態に係る液晶画素１Ａを、以下の構成で試作して検証実験を行った結果について説明する。
（構成）
下部電極基板１１Ａ：ガラス基板
下層電極２１：ＩＺＯ（厚さ２０ｎｍ）
絶縁層２３：ＳｉＯ_２（厚さ３２０ｎｍ、比誘電率４．０）
上層電極２２：ＩＺＯ（厚さ２０ｎｍ）
上層電極開口部Ａ：電子線リソグラフィで１μｍ×２μｍピッチの市松模様状に形成
上層電極開口部Ａの寸法：１．８μｍ×０．８μｍ
配向膜４１，４２：ポリイミド系材料
配向処理：ラビング法によるｘ軸配向（本実施形態）とｙ軸配向で、いずれもアンチパラレル配向（ｘ軸配向ではｘ軸方向に対するプレチルト角が１．６°、ｙ軸配向ではｙ軸方向に対するプレチルト角が１．６°）
液晶層５０：ＳＳＦＬＣ（厚さ１μｍ）
共通透明電極６０：ＩＴＯ（厚さ２０ｎｍ）
上部透明基板７０：ガラス基板
光源：ハロゲンランプ
偏光手段：入射側と出射側にそれぞれ直線偏光の偏光板を配置し、入射側と出射側の偏光板の角度を９０°とするクロスニコル配置

【0053】

図５及び図６に示されるように、２層構造電極２０の上層電極２２に－１Ｖの電圧（Ｖ_２）、下層電極２１に＋９Ｖの電圧（Ｖ_１）、共通透明電極６０に０Ｖの電圧を印加して光変調動作させたときの電位分布シミュレーションを実施した。図８は、図７のＡ１－Ａ１断面における電位分布シミュレーション結果を示す図である。

【0054】

図８に示されるように、液晶層５０と２層構造電極２０の界面の電位は、上層電極２２上では－１Ｖ、上層電極開口部Ａの中心では＋２Ｖであった。即ち、上層電極開口部Ａの直上における液晶層５０において、正負の電位分布が認められた。従って、この電位分布シミュレーション結果から、本実施形態に係る２層構造電極２０が下部電極として有効に機能することが確認された。

【0055】

また、試作した１μｍ×２μｍピッチの二次元液晶デバイスに対して、上述と同条件の電圧を印加して市松模様を表示させたものについて、光学顕微鏡観察及び偏光顕微鏡観察を行った。図９は、試作した第２実施形態に係る液晶画素１Ａの２層構造電極２０の光学顕微鏡像を示す図である。図９に示されるように、上層電極２２の部分が黒画素電極を構成し、上層電極開口部Ａの部分が白画素電極を構成する。

【0056】

図１０は、試作した第２実施形態に係る液晶画素１Ａの偏光顕微鏡像を示す図である。図１０中の（ａ）が、ｘ軸方向に配向処理した第２実施形態に係る液晶画素１Ａの偏光顕微鏡像であり、図１０中の（ｂ）が、ｙ軸方向に配向処理した液晶画素の偏光顕微鏡像である。図１０中の（ａ）と（ｂ）を比較すれば明らかであるように、上述した同一設計の電極を用いているにも関わらず、ｙ軸方向に配向処理した液晶画素の方が、ｘ軸方向に配向処理した液晶画素１Ａよりも、白画素のｘ軸方向の幅が広がっていることが分かる。即ち、ｘ軸方向に配向処理した本実施形態に係る液晶画素１Ａの方が、画素間クロストークを抑制できていることが分かる。

【0057】

従って、この偏光顕微鏡観察結果から、本実施形態に係る液晶画素１Ａによれば、１μｍ×２μｍピッチの長方形画素を二次元配列し、その配向処理方向を１μｍピッチ方向、即ち、画素の長辺と直交するｘ軸方向とすることで、画素間クロストークの影響が抑制された狭画素ピッチ二次元液晶画素を実現できることが確認された。

【0058】

［第３実施形態］
図１１は、第３実施形態に係る液晶画素１Ｂの構成を示す図である。図１１中、下段は下部電極基板１１及び液晶画素駆動用電極１０の平面図であり、上段は液晶画素１Ｂの断面図である。ただし、図１１では、上部透明基板７０、配向膜４１，４２は省略して示している。図１１では、２×２画素のみ示しているが、ｘ方向、ｙ方向は周期的境界条件としており、図１１に示すような電極配置が無限に続く条件設定となっている。図１１に示されるように第３実施形態に係る液晶画素１Ｂは、第１実施形態に係る液晶画素１と比較して、液晶層５０Ｂを構成する液晶がＳＳＦＬＣではなく、ネマティック液晶である点で相違し、それ以外の構成は第１実施形態に係る液晶画素１と同様の構成である。

【0059】

なお、図１１に示される一例では、画素ピッチを１μｍ×２μｍ、液晶画素駆動用電極１０の寸法を０．８μｍ×１．８μｍとしたものである。また、液晶画素駆動用電極１０のうち対角に配置される電極にのみ＋５Ｖを印加するとともに、共通透明電極６０に０Ｖの電圧を印加することにより、光変調動作させる一例を示している。

【0060】

第３実施形態に係る液晶画素１Ｂでは、液晶層５０Ｂを構成するネマティック液晶としては、一般的なネマティック液晶を用いることができる。本実施形態においても、第１実施形態と同様に、液晶（ネマティック液晶）の無電界印加時における初期配向が、液晶画素１Ｂの長辺と直交する方向に設定される。これにより、本実施形態によれば、画素間クロストークの影響が抑制された狭画素ピッチ二次元液晶画素を実現可能となっている。

【0061】

本実施形態においても、第２実施形態と同様に、ｘ軸方向に配向させた第３実施形態に係る液晶画素１Ｂとｙ軸方向に配向させた液晶画素を試作して光変調動作させたときの透過率分布、液晶分子方向及び電位分布シミュレーションを実施した。具体的には、液晶画素駆動用電極１０のうち対角に配置される電極にのみ＋５Ｖの電圧、共通透明電極６０に０Ｖの電圧を印加して光変調動作させたときの、透過率分布、液晶分子方向及び電位分布シミュレーションを実施した。

【0062】

シミュレーションは、液晶の弾性連続体理論に基づいて、液晶層内の電位分布と液晶配向をシミュレーションした。シミュレーションソフトとしては、シンテック社製のシミュレーションソフト「ＬＣＤ Ｍａｓｔｅｒ ３Ｄ」を用いた。液晶材料は「Ｅ７」とし、弾性定数Ｋ_１１、Ｋ_２２及びＫ_３３、比誘電率ε_ｐ及びε_ｓは、下記の通りとした。また、液晶配向処理は、水平配向であり、ｘ軸配向とｙ軸配向でいずれもアンチパラレル配向（ｘ軸配向ではｘ軸方向に対するプレチルト角が１．６°、ｙ軸配向ではｙ軸方向に対するプレチルト角が１．６°）とした。
弾性定数Ｋ_１１：１１．０ｐＮ
弾性定数Ｋ_２２：１０．２ｐＮ
弾性定数Ｋ_３３：１６．９ｐＮ
比誘電率ε_ｐ：１９．６
比誘電率ε_ｓ：５．１

【0063】

図１１に示されるシミュレーションモデルの設計寸法は、次の通りとした。
共通透明電極６０、下部電極基板１１、及び液晶画素駆動用電極１０の透過率は、全て１００％と仮定した。本シミュレーションは、液晶層の画素間クロストーク抑制効果を検証することが目的なので、電極や基板の透過率は無視した。従って、シミュレーション上は、電極の材料、厚さには意味がなく、それらは条件設定していない。ただし、電位分布シミュレーションに影響する項目として、下部電極基板（誘電体）の比誘電率は４．０とした。これは、一般的なシリコン基板を仮定した値である。

【0064】

実デバイスでは、下部電極基板１１、液晶画素駆動用電極１０、及び共通透明電極６０の上に配向膜があるが、その厚さは１００ｎｍ程度と液晶層厚に比べて相対的に薄いのと、実デバイスの配向膜の厚さ・表面状態等の情報を厳密にシミュレーションに取り入れることは困難なので、図１１のシミュレーションモデルには含んでいない。ただし、上述の通り、配向膜の機能として、液晶層の上下界面での液晶配向方向は規定している。また、透過率の定義は、光が入射する側の偏光子を通過した光の強度を１００％の基準とし、その光が液晶層を通過して、出射側の検光子を通過した後の光強度（％）である。その値が、図１２～図１５に示されるＴＲＡＮＳＭＩＴＴＡＮＣＥである。

【0065】

図１２は、ｘ軸配向された第３実施形態に係る液晶画素１Ｂの面内における透過率分布と液晶分子方向のシミュレーション結果を示す図である。図１３は、ｙ軸配向された液晶画素の面内における透過率分布と液晶分子方向のシミュレーション結果を示す図である。図１４は、ｘ軸配向された第３実施形態に係る液晶画素１Ｂの断面における透過率分布と液晶分子方向及び電位分布のシミュレーション結果を示す図である。図１５は、ｙ軸配向された液晶画素の断面における透過率分布と液晶分子方向及び電位分布のシミュレーション結果を示す図である。なお、図１２及び図１３における面内とは、ｘｙ平面内を意味する。また、図１４における断面とは、図１２のＸ１－Ｘ１断面を意味し、図１５における断面とは、図１３のＹ１－Ｙ１断面を意味する。

【0066】

図１２及び図１３中、細く短い複数の線は、その近傍でのネマティック液晶分子の平均的な配向方向を表している。図１２では、横方向のｘ軸方向にネマティック液晶分子が配向していることが分かる。図１３では、縦方向のｙ軸方向にネマティック液晶分子が配向していることが分かる。これらの図に示されるように、＋５Ｖの電圧が印加される対角の液晶画素駆動用電極１０の直上におけるネマティック液晶は黒画素を構成し、電圧が印加されない対角の液晶画素駆動用電極１０の直上におけるネマティック液晶は白画素を構成する。

【0067】

図１２及び図１３から明らかであるように、白画素内で、ネマティック液晶分子の配向処理方向と垂直な方向にある隣接画素との境界部では、隣接画素電極間で面内方向に生じる漏れ電界の影響により、ネマティック液晶分子の面内回転が起こり、黒化していることが分かる。具体的には、図１３に示されるようにｙ軸配向の場合には、ｘ軸方向にある隣接画素との境界部で４５°又は１３５°のネマティック液晶分子の面内回転が起こり、黒化している。また、図１２に示されるようにｘ軸配向の場合には、ｙ軸方向にある隣接画素との境界部でネマティック液晶分子の面内回転が起こり、黒化している。

【0068】

このように、ｘ軸配向にすると、ネマティック液晶分子の面内回転が起こるのは、画素電極の短辺沿いとなる。これに対して、ｙ軸配向にすると、ネマティック液晶分子の面内回転が起こるのは、画素電極の長辺沿いとなる。従って、ネマティック液晶分子の面内回転が画素の短辺沿いに起きるｘ軸配向の方が、画素間クロストークで黒になる面積が小さくなるため、優れていることが分かる。

【0069】

以上の結果から、ネマティック液晶を用いた第３実施形態に係る液晶画素１Ｂにおいても、ネマティック液晶の無電界印加時における初期配向を液晶画素１Ｂの長辺と直交する方向とすることにより、画素間クロストークを抑制できることが確認された。

【0070】

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

【符号の説明】

【0071】

１，１Ａ，１Ｂ 液晶画素
１０ 液晶画素駆動用電極
１１，１１Ａ 下部電極基板
２０ ２層構造電極
２１ 下層電極
２２ 上層電極
２３ 絶縁層
４１，４２ 配向膜
５０，５０Ｂ 液晶層
５１ ＦＬＣ分子
５２ 電気双極子モーメント
５３ ＦＬＣ分子運動軌道
６０ 共通透明電極
７０ 上部透明基板
Ａ 上層電極開口部
Ｃ ＦＬＣ分子運動軌道の中心軸
Ｐ 画素ピッチ
Ｐｘ ｘ軸方向画素ピッチ
Ｐｙ ｙ軸方向画素ピッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】