JP2001527225A

JP2001527225A - 配向層を有する多極液晶表示装置

Info

Publication number: JP2001527225A
Application number: JP2000525783A
Authority: JP
Inventors: ズヴィヤニヴ，
Original assignee: ズヴィヤニヴ，
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2001-12-25
Also published as: US5905557A; WO1999032925A1; KR20010033235A

Abstract

(57)【要約】液晶表示装置（１０）が、各表示画素（１２）の上下および両側に配される少なくとも２つの電極対を具備する。各電極対の少なくとも一方の電極に配向層が機能的に接続されている。各電極対は、それらの間に配置された液晶材料層に電界を印加することができる。印加された電界は、不透明状態および透明状態に相当する液晶材料を第１の光学的状態から第２の光学的状態に切り替えることができる。その結果、高い光学的効率を有し、速い表示応答時間を有する表示装置が提供される。２つの電極対に同時に印加する電荷量を変化させることにより、多数の中間的光学状態を達成することができる。配向層は、液晶材料を、次の電界が印加されるまで、その状態に維持する。7

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（技術分野）この発明は、主に、平面表示装置に関し、さらに詳細には、液晶材料の光学的
性質を変更するための、Ｘ，Ｙ両方向に間隔を開けた多数の電極を有する多極液
晶表示装置に関するものである。

【０００２】（背景技術）平面表示装置は、多様な異なる用途のために、ますます市場で受け入れられて
いる。いくつか例を挙げれば、例えば、アクティブマトリクス液晶表示装置（Ａ
ＭＬＣＤ'ｓ）は、ラップトップコンピュータ、ビデオカメラおよび航行ナビゲーションモジュールのビデオモニタとして、広い用途を見いだしている。エレク
トロルミネセンス（ＥＬ）、および、電界放射表示装置（ＦＥＤ'ｓ）のような他の形式の表示装置も、種々の産業上および消費者個人の用途に使用されている
。これら各装置の利点は、それらが全て、特に、過去５０年にわたって使用され
てきたＣＲＴと比較して、平坦であるということにある。

【０００３】ＡＭＬＣＤでは、装置に所望の光学的性質を与える部材は、一対の薄いガラス
板の間に挟まれている。これらの部材は、それらの間に配置された液晶（ＬＣ）
に電界を与えるための第１および第２のパタニングされた電極を含む。対向配置
されたパタニングされた各電極対は、単一の画像要素または画素を画定している
。液晶材料は、一般には、ツイストネマチック（ＴＮ）、スーパーツイストネマ
チック（ＳＴＮ）、キラルスメクティック等のような、従来から公知の液晶材料
である。電界をＬＣ材料に印加すると、液晶は、第１の状態から第２の状態へ、
例えば、透明な状態から不透明な状態へと、その方向を変化させられる。しかし
ながら、液晶の方向を制御するために、少なくとも一対の偏光子のような他の多
数の光学素子および多数の配向層を設けることが必要である。従来のＡＭＬＣＤ
は、例えば、ヤニヴ他の米国特許第４６６６２５２号明細書、第４７１５６８５
号明細書および第５０６１０４０号明細書に十分に開示されており、これらの記
載は、参照によりこの明細書内に組み込まれている。ヤニヴおよびバロンの他の
米国特許第４９６１６３０号明細書は、３つの電極を有するＡＭＬＣＤを開示し
ており、第３の電極は装置の容量を増加させるために設けられている。

【０００４】従来のＡＭＬＣＤおよびＳＴＮをベースとした表示装置の構造は、概して、多
くの欠陥および欠点につながるツイストモード構造を用いたものである。例えば
、光の出力を調節するために２つの偏光子を設けることが必要であるが、このこ
とは、実質的に装置の透明性を低下させるものである。その結果、表示が暗くな
り、より大きな、すなわち、高い電力のバックライトが必要となる。したがって
、偏光子によって、より大きなバックライトが必要となり、コストが増大し、ま
たは、色が不鮮明なものとなって、表示性能が低下することになる。さらに、少
なくとも１つの、一般には一対の配向層は、電界の印加または除去時に、液晶分
子を適正に配向させるために必要である。しかしながら、これらの配向層は、完
全な配向を達成するためには、注意深く取り付けられなければならない。配向層
の配置および準備に含まれるステップは困難なものであり、時間を消費し、装置
に多くの欠陥をもたらすことになる。したがって、配向層は、装置の製造におけ
る歩留まりを低下させ、コストを増大させるものである。

【０００５】従来のＡＭＬＣＤにおける他の制限は、ＬＣ材料の基本的な特性にある。特に
、電界を印加するときに、ＬＣ分子は、電界に従って整列し、所望の光学的効果
を提供する。電界を除去することにより、ＬＣ分子は、解放されて元の配向状態
に戻る。しかしながら、解放の速度は、電界に応答して配向する際の速度と比較
するとかなり遅い。この現象は、ＡＭＬＣＤ、特に、ＳＴＮの高速動作を困難な
ものにしている。

【０００６】上述した問題は、高輝度のバックライトによって長時間にわたって照射された
ときに生ずるように、装置が高温に達したときには悪化する。高い温度依存性も
、そのような装置が使用される用途の観点から、かなり重大である。例えば、高
温性能が低い場合には、自動車用途ではＡＭＬＣＤを信頼して使用することがで
きない。同様に、低温状態では、励起および解放のいずれの速度も遅くなり、有
害に作用する。

【０００７】従来のＡＭＬＣＤの他の欠点は、装置の視野角度が比較的狭いことに関連して
いる。これは、表示面に対して横方向にほぼ９０°の角度で、表示が実質的に見
えなくなることを意味している。これは、ガラス板上に偏光子を挟む必要性と組
み合わせた、ツイスト構造（ＴＮ，ＳＴＮ等）のＡＭＬＣＤから発せられる偏光
された光に固有の特性によるものである。

【０００８】したがって、従来のＬＣＤに固有の問題を回避すると同時に、光学的特性を望
み通りに変更および制御する表示装置が必要である。そのような装置は、容易に
製造できなければならず、少ない光学部品で構成されなければならず、優れた光
学的および電気的効率を有していなければならない。この装置は、従来の半導体
製造技術にも容易に適応し、さらにはスクリーン印刷技術にも、簡易かつ低コス
トで適合しなければならない。この改良された装置は、所望の光学的性能を得る
ために、偏光子および配向層以外の手段を含む。

【０００９】（発明の概要）この発明によれば、少なくとも１つの表示画素装置を含み、相互に間隔を開け
て平行に配される第１および第２の表示基板を含み、該表示基板が、それらの上
に配置された少なくとも１つの表示電極を有している平面表示装置が提供される
。この表示装置は、さらに、前記第１および第２の表示基板電極間に、これらの
電極から電気的に絶縁されて配置された第３および第４の表示電極を含んでいる
。液晶材料層は、前記第１、第２の表示基板電極、および、第３、第４の表示電
極間に配置され、前記少なくとも１つ表示画素を画定している。もちろん、その
ような表示装置は、表示装置の用途のみに依存する任意の数の表示画素を含むこ
とができる。表示装置産業において公知の形式の配向層が、その後、各電極上に
提供される。このようにすることにより、所望の光学的特性を得るために、電界
が液晶材料に一旦印加されると、材料が元の状態に戻ることなくその方向に維持
される表示装置を提供することができる。その結果、記憶された情報の変化がフ
レーム間で生じなかった場合には、全ての情報のフレームに対して特定の画素を
再アドレスする必要がないので、装置の動作を実質的に節約することができる。

【００１０】動作において、液晶表示装置は、透明および不透明な状態に対応する第１およ
び第２の光学的状態を達成する。これらの状態は、第１の電界を第１の一対の表
示電極間に、第１の光学的状態を得るように印加し、第２の光学的状態を得るた
めに第２の一対の表示電極間に第２の電界を印加することにより達成される。も
ちろん、多数の状態、すなわちグレイスケールが、電荷をバランスさせることに
より達成されてもよい。これは、第１の電極対（第１および第２の表示基板電極
）および第２の電極対（第３および第４の表示電極）の両方に、適当に調節され
た電荷を印加することにより行われる。これにより、液晶材料の方向を制御する
ことができ、かつ、それによって、単一の画素および表示装置全体の光学的特性
を制御することができる。

【００１１】（好ましい実施形態の詳細な説明）図１は、この発明に係る単一の液晶表示（ＬＣＤ）画素の縦断面図である。図２は、この発明に係るＬＣＤを上から見た概略図である。図３は、この発明に係るＬＣＤの電気的特徴を示す概略図である。図４〜図６は、この発明に係るＬＣＤの動作を説明するための図である。

【００１２】請求の範囲が新規な発明の特徴を定めているが、参照符号を付した図面ととも
に、以下の記載を考慮することにより、この発明をより深く理解することができ
るものと考える。

【００１３】図１には、この発明に係る液晶表示装置（ＬＣＤ）１０の単一の画素１２の縦
断面が示されている。図１には、単一の表示画素が示されているが、この発明は
そのように限定されるものではないことに注意する必要がある。この表示装置１
０は、例えば、列方向および行方向または他の任意の形態で配列された任意の数
の表示画素を具備していてもよい。

【００１４】ＬＣＤ１０は、間隔を開けて相互に平行に配置された第１および第２の表示基
板１４，１６を含んでいる。これらの基板１４，１６は、当業者に公知の、例え
ば、特に、コーニング社製の一連のディスプレイガラスを含む多数の材料の中の
１つから製造されていることが好ましい。他の形式のガラス、プラスチック、セ
ラミクスおよびポリマーが用いられてもよい。特に、透明なプラスチックが柔軟
な表示装置を構成するために用いられてもよい。

【００１５】基板１４，１６の表面１５、１７の上には、それぞれ、導電材料からなる層１
８，２０が配置されている。これらの導電材料層は、ほぼ透明であることが好ま
しく、インジウム酸化物、錫酸化物、インジウム錫酸化物および公知の透明導体
酸化物材料からなる一群から選択される透明導体酸化物材料から製造されていて
もよい。これに代えて、導体材料層は、金属薄膜、ドーピングされた半導体材料
、および、ほぼ透明かつ導電性の他の任意の材料から製造されてもよい。これら
の導電性の透明材料層は、画素１２の第１および第２の基板電極である。これら
の電極の内の少なくとも一方、好ましくは両方の電極上には、当業者に公知の配
向材料層が配置されている。これら配向材料層１９，２１は、電界が液晶材料層
に一旦印加されると、所望の光学的特性を得るために、以下に詳細に説明するよ
うに、材料が元の状態に戻ることなく、その方向を維持する表示を達成するよう
に設けられている。

【００１６】透明導体層１８，２０の上には、電気的に絶縁されたパッドが配置されている
。さらに詳細には、電気絶縁パッド２２，２４が、導体層１８上に、パッド２６
，２８が導体層２０上にそれぞれ配置されている。これらのパッドの機能は、以
下に詳細に説明するように、第１、第２の基板電極と第３、第４の電極３０，３
２との間に電気的絶縁を提供することである。図２をみると、電極３０，３２は
、細長い電極材料行または電極材料列として製造されており、したがって、電気
絶縁パッドは、同様に、すなわち、絶縁材料の細長い行または列状に配置されて
いなければならない。電気絶縁パッド２２，２４，２６，２８は、シリコン酸化
物、シリコン窒化物、ポリイミド、タンタル五酸化物、および他の公知の絶縁材
料、有機物または無機物およびこれらの組合せからなる一群から選択される、堆
積された材料から製造されていることが好ましい。一実施形態において、絶縁材
料、例えば、シリコン窒化物は、約０．１〜１．０ｍｍであり、０．２〜０．３
ｍｍであることが好ましい。

【００１７】第３および第４の電極３０，３２は、電極１８，２０から電気的に絶縁される
ように絶縁パッド上に配置されている。これらの電極は、電極１８，２０につい
て上述したような材料によって製造されていることが好ましい。これに代えて、
電極３０，３２は、金属、金属ペースト、銅およびその化合物のような複合材料
からなる一群から選択される材料によって製造されてもよい。一実施形態におい
て、第３および第４の電極３０，３２は、例えば、銅から製造され、高さ１．０
〜１０．０ｍｍ、好ましくは５．０ｍｍおよび厚さ約１０ｍｍ以下で堆積される
。第３および第４の電極は、所定の用途に適した任意の距離だけ間隔を開けてい
てよいが、好ましくは１．０〜２０．０ｍｍ、最も好ましくは約１０．０ｍｍの
距離を開けて配されている。少なくとも一方、好ましくは両方の電極上には、当
業者に公知の配向材料層が配置されている。この配向材料層３１，３３は、所望
の光学的特性を得るために液晶材料層に一旦電界が印加されたならば、以下に詳
細に示されるように、その材料が元の状態に戻ることなくその状態を維持する表
示を達成するように提供されている。したがって、電極３０，３２は、一旦、液
晶の状態または方向が設定されたならば、異なる電界の印加によって変更される
まで、その状態に維持される表示を達成するように、液晶材料と協働することに
なる。したがって、第３および第４の電極は、電極１８，２０に対して上述した
ように機能する。いずれの場合においても、表示アドレシングに関する実質的な
節約が達成される。これは、例えば、表示情報をビデオ速度で送信するときに、
各画素上に記憶された頻繁な情報が１つのフレームから次のフレームまで変化し
ないという事実による。しかしながら、従来のＡＭＬＣＤの全ての表示画素は、
液晶材料の解放効果が液晶材料をその元の状態に戻すので、たとえ、画素に記憶
される情報に変化がなくても、フレームごとにアドレスされなければならなかっ
た。したがって、表示の画素は、フレームごとに全て更新されなければならなか
った。しかしながら、液晶材料の状態が、一旦設定されると変更されないのであ
れば、画素に記憶される情報がフレーム間で変化しない限り、全てのフレームご
とに更新される必要はない。このことは、現在の液晶表示装置の動作を実質的に
改良するものであることを示している。

【００１８】図２をみると、電極の間隔が表示画素のサイズを決定している。第３および第
４の電極も、第１および第２の基板間のスペーサとして機能する利点を与えてい
る。このことは、２つの薄いガラス基板が互いに湾曲する傾向にあるので、間隔
を均一に維持するために、したがって、適正な装置の作動を維持するためにＬＣ
材料中にスペーサを設けられなければならないという問題は、液晶表示産業にお
いて周知である。従来技術においてこれを達成するための試みはものによってあ
る程度は成功している。したがって、本発明の表示装置の構造は、産業界におい
て長く継続してきた他の問題を解決するものである。

【００１９】電極１８，２０，３０，３２の間には、液晶材料層３４が配置されている。こ
の液晶材料は、ツイストネマチックまたはスーパーツイストネマチック液晶材料
のようなネマチック形式の材料であることが好ましい。他形式の液晶材料が用い
られてもよい。この材料の重要な特徴は、第１および第２の方向を有するという
ことである。すなわち、材料の分子が、第１および第２の状態に整列し、透明と
不透明のような第１および第２の光学的状態を達成する。

【００２０】図２には、この発明に係るＬＣＤ５０の、上から見た概略図が示されている。
図２は上から見た図であるので、表示基板の一方のみ、すなわち第１の表示基板
が見える。ＬＣＤは、５つの列状画素５２，５４，５６，５８，６０を具備して
いるが、この発明に係る表示装置は任意の数、任意の形状および任意の形態の画
素を具備していてもよいことを一言しておく。各画素５２，５４，５６，５８，
６０は、電源７２に導線７４，７６，７８，８０，８２を介して電気的に接続さ
れた第１の表示基板電極６２，６４，６６，６８，７０を具備している。電源は
、各画素に対して、その中に配置されたＬＣ材料の方向を変更する目的で電界を
供給する。供給された電界は、図１に示され、図２に示されていない第２の表示
基板電極を介して接地される。

【００２１】表示装置５０は、さらに、第２の電源８９に電気的に接続された複数の第３の
電極８４，８６，８８と、アースに電気的に接続された複数の第４の電極９０，
９２，９４を具備している。上述したように、電界が、第３および第４の電極対
によって各画素５２，５４，５６，５８，６０に印加される。特に画素５２は電
極９４によって接地された電界を第３の電極８８によって印加される。同様に、
画素５４は、第４の電極９２を介して接地された第３の電極８８を介して印加さ
れる電界を有している。

【００２２】図２に示されているように、そのような２つの表示装置を直交するように配置
することにより、アクティブアドレッシング部品を提供する必要なしに、アクテ
ィブマトリクスＬＣＤと等価なものを製造することができ、そのような装置のコ
ストをかなり低減することができる。また、図１および図２に示された表示装置
は、ＡＭＬＣＤの他の光学的部品を必要としない。特に、この発明の表示装置に
は偏光子が全く必要なく、また、配向層も必要ない。このことは、表示装置のコ
ストを低減するとともに、その製造を簡易なものとする。

【００２３】図３から図６には、この発明のＬＣＤの電気的な特徴の概略図が示されている
。これらの図面によれば、この発明のＬＣＤの動作を理解することができる。単
一の画素１００が、以下に説明されるように、２つずつ対になった４つの電極を
含んで示されている。第１の電極対は電極１０２，１０４を含み、電極１０２は
電源１０６に接続され、電極１０４は接地されている。第２の電極対は電極１０
８，１１０を含み、電極１０８は電源１１２に接続され、電極１１０は接地され
ている。これら４つの電極に機能的に接続されているのは、上述した配向材料層
である。液晶材料１１４は、電極間に配置されている。

【００２４】作動中は、図４に示されるように、電極１０２，１０４を介して第１の電界が
液晶材料１１４に印加され、液晶材料の分子を印加された電界を用いて整列させ
、所望の光学的特性、例えば、表示画素の不透明な外観を与える。配向層の存在
によって、液晶材料は、次の電界が印加され、それによって方向が変更されるま
で、その設定された方向に維持される。

【００２５】その後、図５に示されるように、第２の電界が、電極１０８，１１０を介して
印加され、ＬＣ材料の分子を第２の電界の方向に整列させ、第２の光学的効果、
例えば、透明となることを達成する。この構造の利点は、従来のＡＭＬＣＤの場
合のような弾性的なモードに依存することなく、表示動作が電界の効果のみに基
づいているということである。その結果、応答速度の問題および温度依存性の問
題が解消される。さらに、図４に関して上述したように、他の電界が印加される
まで、配向層が液晶材料をその設定された方向に維持することになる。

【００２６】完全な透明（白いバックライトと仮定して、白）と不透明（黒）との間の光学
的特性を得るために、両方の電極対、すなわち、電極１０２，１０４からなる第
１の電極対と電極１０８，１１０からなる第２の電極対の両方に電界が印加され
る。グレースケール動作として知られる、この中間的な状態は、各電極対によっ
て印加される相対的な電荷量に依存して変化させられる。例えば、図４の動作状
態が不透明であり、図５が透明であると仮定して、電極１０８，１１０に、電極
１０２，１０４より若干多い電荷を印加することにより、不透明より若干透明な
グレースケールを達成することができる。このことは図６に示されている。本質
的に、図６の実施形態は、図４と図５との間の中間の光学的効果を示している。
したがって、各電極対に印加される電界の大きさ、範囲および持続時間を変化さ
せるだけで、非常に多くの中間的な光学的状態を生成することができる。

【００２７】図３〜図６は、表示装置の液晶材料の三次元的な方向付けの二次元表現である
ことがわかる。特に、図４および図５は、液晶材料の分子が、同一平面内に配さ
れるＸ軸からＹ軸に方向付けられることを図示している。しかしながら、図１か
ら明らかなように、２つの電極対は、同一平面内に配されていない。したがって
、液晶材料は、実際には、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に方向付けられる。ここで
、Ｚ軸は、図面の紙面に対して垂直な方向の軸である。言い換えると、Ｚ軸は、
図１の電極１８，２０の平面に対して垂直な方向として考えてもよい。

【００２８】この発明の好ましい実施形態について図示しかつ説明してきたが、この発明は
、これらの実施形態に限定されるものではないことは明らかである。種々の修正
、変更、変形、代用および均等物が、特許請求の範囲により定義されるこの発明
の精神および範囲を逸脱することなく当業者によってなされ得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る単一の液晶表示画素の縦断面図である。

【図２】この発明に係るＬＣＤを上から見た概略図である。

【図３】この発明に係るＬＣＤの電気的特徴を示す概略図である。

【図４】この発明に係るＬＣＤの動作を説明するための図である。

【図５】図４と同様の図である。

【図６】図４と同様の図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの表示画素を有する平板表示装置であって、平行間隔を開けて配置され、各々が、その上に配置された少なくとも１つの表
示電極を具備し、該表示電極の少なくとも1つに配向層が機能的に接続されている第１および第２の表示基板と、該第１および第２の表示基板電極の間に、これらの電極から電気的に絶縁され
て配置され、少なくとも一方に配向層が機能的に接続されている第３および第４
の表示電極と、前記第１、第２の表示基板電極、および、前記第３、第４の表示電極間に配置
され、少なくとも１つの表示画素を画定する液晶材料層とを具備することを特徴とする平板表示装置。
【請求項２】前記第１、第２の表示基板電極が、それぞれ、光学的に透過
性の基板上に配置された、透明の導電材料からなる層を具備することを特徴とす
る請求項１記載の平板表示装置。
【請求項３】前記第１、第２の基板電極、および、前記第３、第４の電極
間に配置された電気的絶縁材料からなる層をさらに具備することを特徴とする請
求項１記載の平板表示装置。
【請求項４】前記第３、第４の電極が導電性を有し、かつ、光学的にほぼ
透明であることを特徴とする請求項１記載の平板表示装置。
【請求項５】前記第１、第２の表示基板電極が、インジウム酸化物、錫酸
化物、インジウム錫酸化物、金属薄膜、および、これらの組合せからなる一群か
ら選択された材料から製造されていることを特徴とする請求項１記載の平板表示
装置。
【請求項６】前記第３および第４の電極が、透明な導体酸化物、銅、銀、
アルミニウムおよび金のような金属薄膜、金属複合材料およびその組合せからな
る一群から選択された材料から製造されていることを特徴とする請求項１記載の
平板表示装置。
【請求項７】前記電気的絶縁材料層が、シリコン酸化物、シリコン窒化物
、ポリイミド、タンタル五酸化物、有機絶縁材料、無機絶縁材料、および、それ
らの組合せからなる一群から選択されたことを特徴とする請求項３記載の平板表
示装置。
【請求項８】複数の表示画素を具備することを特徴とする請求項１記載の
平板表示装置。
【請求項９】各表示画素が、少なくとも４つの表示電極を具備することを
特徴とする請求項１記載の平板表示装置。
【請求項１０】前記複数の画素が、行列に配列され、画素の隣接する２つ
の列が、少なくとも１つの共通電極を共有していることを特徴とする請求項１記
載の平板表示装置。
【請求項１１】前記共通電極が、前記第３、第４の電極の内の１つである
ことを特徴とする請求項１０記載の平板表示装置。
【請求項１２】前記電極の各々に、配向層が機能的に接続されていること
を特徴とする請求項１記載の平板表示装置。
【請求項１３】複数の表示画素を具備する平板表示装置であって、前記各画素が、第１の表示基板上に配置された第１の電極と、第２の表示基板
上に配置された第２の電極と、該第１、第２の電極間に電気的に絶縁されて配置
された第３の電極と、前記第１、第２の電極間に電気的に絶縁されて配置された
第４の電極と、これらの電極間に配置されたネマチック液晶材料からなる層とを
具備し、前記電極の各々が、機能的に接続された配向層を有することを特徴とする平板
表示装置。
【請求項１４】前記液晶材料が、ツイストネマチックまたはスーパーツイ
ストネマチック液晶材料のいずれかであることを特徴とする請求項１３記載の平
板表示装置。
【請求項１５】前記第１および第２の電極が、相互に平行間隔を開けて配
置され、前記第３および第４の電極が、相互に平行間隔を開けて、前記第１およ
び第２の電極にほぼ垂直に配置されていることを特徴とする請求項１３記載の平
板表示装置。