JP2002090744A - 液晶表示素子 - Google Patents

液晶表示素子

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JP2002090744A JP2000276487A JP2000276487A JP2002090744A JP 2002090744 A JP2002090744 A JP 2002090744A JP 2000276487 A JP2000276487 A JP 2000276487A JP 2000276487 A JP2000276487 A JP 2000276487A JP 2002090744 A JP2002090744 A JP 2002090744A
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Rieko Fukushima
島 理恵子 福
Tatsuo Saishiyu
首 達 夫 最
Tsutomu Hasegawa
励 長谷川
Hajime Yamaguchi
口 一 山
Takaki Takato
頭 孝 毅 高
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 経時変化や電圧履歴の影響を可及的に受けな
い、良好な表示性能を得ることを可能にする。 【解決手段】 透明な第1の基板と、この第1の基板上に
形成された第1の電極と、前記第1の基板上に形成された
第1の配向膜とを有する第1の電極基板と、透明な第2の
基板と、この第2の基板上に形成された第2の電極と、前
記第2の基板上に形成された第2の配向膜とを有する第2
の電極基板と、前記第1および第2の電極基板に挟持され
た、無しきい値型の電圧−透過率特性を有し、自発分極
が120 nC/cm以下のスメクチック液晶材料から構成され
る調光層とを備え、前記第1および第2の配向膜の表面自
由エネルギーの極性力成分が13dyn/cm以下であることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示素子に関
する。
【０００２】
【従来の技術】強誘電性液晶、反強誘電性液晶といった
自発分極を有するスメクチック系液晶材料は、表面安定
化表示モードにおいて高速応答性、広視野角といった特
性を有することから、次世代の液晶表示素子の材料とし
て期待されている。特に近年では、アクティブマトリク
ス駆動方式と組み合わせての動画表示も多く試みられて
おり、この用途に適したヒステリシスを持たない材料と
して無しきい値型反強誘電性液晶(Thresholdless anti-
ferroelectric liquid crystal(以下TLAF液晶ともい
う))や高分子安定化強誘電性液晶(Polymer Stabilized
Ferroelectric liquid crystal(以下、PS−FLC液晶とも
いう))、単安定型FLC、片側V字応答FLCが注目されてい
る。
【０００３】ところがこれら自発分極を有する液晶材料
を用いた液晶表示装置の特徴として、秩序度の高い層状
構造を有することから、TN(Twisted Nematic)液晶と比
較して欠陥のない一様な配向を実現することがより困難
であることがあげられる。さらに、TLAF相（無しきい値
型反強誘電性相）や、単安定型FLC、片側V字応答FLCは
液晶材料単独で発現する相ではなく、配向膜によってヒ
ステリシスの無い光学応答特性が誘起されるという側面
も分かってきた。TLAF相の場合には、配向膜の種類によ
って同一の液晶材料でもTLAF相が発現したりしなかった
りする。よって、液晶ディスプレイの調光層にヒステリ
シスの無い光学応答特性を示すスメクチック液晶を用い
るためには、最適な配向膜を選定し、十分な配向安定性
を確保することが重要である。
【０００４】ここでは、代表的な例として、TLAF液晶を
用いて説明する。理想的なTLAF液晶では、電圧0 V印加
時の平均的な光軸(以後、消光方向と称する)はスメクチ
ック層の法線方向に一致する。TLAF液晶を表示素子の調
光層として用いる場合は偏光軸を直交させた、クロスニ
コル配置の2枚の偏光板を液晶パネルの前方と後方に配
置し、偏光軸の一方にスメクチック層法線方向を一致さ
せる。この場合、電圧0 V印加時に黒を表示、正負の電
圧を印加した場合に中間調〜白を表示する図１１に示す
透過率-電圧特性（T-V特性）が得られる。ところが、用
いた配向膜の種類によっては、スメクチック層方向に平
行なストライプ形状の消光方向のずれたドメインが時間
の経過とともに発生、成長したり、消光方向のずれが大
きくなったりする現象が観察された。また、液晶材料に
よっては、飽和電圧より高い電圧、または飽和電圧相当
の電圧を印加した時に同様の消光方向のずれたドメイン
が発生した。消光方向のずれはコーン角(θ)より狭い。
これは、スメクチック層がブックシェルフではなく、シ
ェブロンであるために、見かけのチルト角が狭くなって
いるためである。この消光方向が層法線方向からずれる
現象を以後、配向劣化とよぶ。
【０００５】図１２(a)-(d)を参照して配向劣化の観察
例を説明する。図１２(a)はスメクチック層構造の模式
図である。両基板に設けられた配向膜をある角度を成し
てラビングし、基板間にTLAF液晶材料を導入すること
で、図示したスメクチック層構造が形成される。このパ
ネルを、偏光板がクロスニコル配置にした顕微鏡で観察
した場合の配向状態の模式図を図１２(b)、(c)に示す。
なお、図１２(d)に示すように直交する偏光子および検
光子の偏光方向の一方とスメクチック層法線方向をx度
ずらして配置すると、劣化したドメインの観察が容易に
なる。
【０００６】配向劣化の起きていない配向では、図１２
(b)に示すように消光方向が一方向であるために、一様
に光が透過して見える。ところが、±x度消光方向がず
れたドメインが発生した状態、すなわち劣化した配向で
は、図１２(c)に示すように一様な配向の中で消光方向
が偏光方向に一致したドメインが黒く、逆方向に消光方
向がずれたドメインが明るく観察される。表示素子に応
用する場合はこの配向劣化を完全に抑制できないと、黒
表示時の光漏れの原因となり、コントラストが低下す
る。
【０００７】劣化の抑制策として、特開平10−319377号
公報では、TLAF液晶材料に高分子前駆体を導入し、基板
間に注入した後にSA相で光重合させ、電圧0V印加時の構
造を安定化する手法を提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしなから我々の検
討では、特開平10−319377号公報のように高分子前駆体
を導入する方法では、この液晶材料以外の異分子によっ
てTLAF液晶の配向が乱され、重合方法に関わらず黒表示
時の光り漏れが増加し、コントラストが低下することが
確認された。
【０００９】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
のであって、経時変化や電圧履歴の影響を可及的に受け
ない、表示性能が良好な液晶表示素子を提供することを
目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明による液晶表示素
子の第１の形態は、透明な第1の基板と、この第1の基板
上に形成された第1の電極と、前記第1の基板上に形成さ
れた第1の配向膜とを有する第1の電極基板と、透明な第
2の基板と、この第2の基板上に形成された第2の電極
と、前記第2の基板上に形成された第2の配向膜とを有す
る第2の電極基板と、前記第1および第2の電極基板に挟
持された、無しきい値型の電圧−透過率特性を有し、自
発分極が120nC/cm以下のスメクチック液晶材料から構成
される調光層とを備え、前記第1および第2の配向膜の表
面自由エネルギーの極性力成分が13dyn/cm以下であるこ
とを特徴とする。
【００１１】なお、前記第1および第2の配向膜の表面自
由エネルギーの極性力成分が13dyn/cm以下であることを
好ましい。
【００１２】さらに、表面自由エネルギーの極性力成分
は、特に9dyn/cm以下であるとがより好ましい。
【００１３】また、本発明による液晶表示素子の第２の
態様は、透明な第1の基板と、の第1の基板上に形成され
た第1の電極と、前記第1の基板上に形成された第1の配
向膜とを有する第1の電極基板と、透明な第2の基板と、
この第2の基板上に形成された第2の電極と、前記第2の
基板上に形成された第2の配向膜とを有する第2の電極基
板と、前記第1および第2の電極基板に挟持された、無し
きい値型の電圧−透過率特性を有し、自発分極が120nC/
cm以下のスメクチック液晶材料から構成される調光層
と、を備え、前記第1および第2の配向膜の表面自由エネ
ルギーの分散力成分が38dyn/cm以上であることを特徴と
する。
【００１４】なお、前記第1および第2の配向膜の表面自
由エネルギーの分散力成分が38dyn/cm以上であることを
好ましい。
【００１５】さらに、表面自由エネルギーの分散力成分
が、特に42dyn/cm以上であるとがより好ましい。
【００１６】なお、これらの第1、および第2の配向膜に
ついてネマチック液晶で測定したプレチルト角が6度よ
り小さいことが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】まず本発明の実施の形態を説明す
るに先立って本発明に至った経緯を説明する。
【００１８】従来の技術でも述べたように、TLAF液晶の
場合は配向膜の種類によって配向性に差があることが明
らかになっている。
【００１９】そこで、本発明者達は、TLAF液晶用配向膜
を最適化する目的で、図３に示すTLAF液晶材料ａと図４
に示す配向膜材料の組み合わせについて、次の項目を検
討した。
【００２０】 プレチルト角 表面自由エネルギーγs(極性力成分γsp、分散力成
分γsd) 劣化率(初期配向と劣化後の配向での光漏れ量の比
較) のプレチルト角は、ZLI-2293、またはZLI-2003、ZLI-
1565(いずれもMerck社製)といった代表的なネマチック
液晶材料を用いて測定した。の表面自由エネルギーγ
sは、パネルと同じ膜厚に配向膜を成膜し、パネルを構
成する上下基板の封着プロセスと同様の熱工程を経たも
のについて、純水とヨウ化メチレンを用いて測定し、接
触角θからYoungの式を用いて算出した（図６参照)。算
出はOwensの方法(D. K. Owens et al.、J. Appl. Poly
m. Sci., 13,1741(1969)参照)に従い、表面自由エネル
ギーγsは極性力成分γspと分散力成分γsdの和であ
る。の劣化率は、配向が劣化した後の光漏れ量を初期
配向での光漏れ量で除算した値である(図４参照)。この
劣化率については、ラビング方向と消光方向のずれθBD
（図７参照）を相殺する方向にずらした略平行ラビング
(クロスラビング)を行ったパネルで観察した(図１２
(a))。これは、前回の我々の検討から(特願平11-369363
号に記載済み)、最終的に得られる層構造(SC*相での層
構造)の層法線方向が、SA相でのバトネの消光方向と一
致することを確認しためである。このクロスラビングに
よって、両配向膜面から誘起された層法線方向を一致さ
せることができる。
【００２１】なお、バトネとは、Iso-SA転移温度近傍で
Iso相内に析出するSA相の呼称であり、Iso相からの冷却
過程で配向規制力を受けた配向膜界面から析出すること
が知られている。 等方性であるIso相のなかに異方性
を持ったSA相が析出するため、クロスニコル配置の偏光
顕微鏡で、偏光子、または検光子偏光板の軸とSA相の一
軸光学異方性(=消光方向)の軸をずらして配すると、偏
光子を透過した直線偏光のうち、SA相部分を通過した光
のみ検光子を透過できる偏光成分が生じることから容易
に観察できる。形状は一般に棒状であり、本発明では長
手方向を伸長方向と定義する（図７参照）。また一軸光
学異方性の軸を偏光子の偏光軸の一方に一致させた場
合、すなわち直線偏光の偏光方向とSA相の光学軸を一致
させた場合には、検光子を透過できる偏光成分は生じな
い。このために、顕微鏡観察ではバトネが見えなくな
る。検光子の偏光軸に一致させた場合も同様である。バ
トネの一軸光学異方軸は、クロスニコル配置の顕微鏡で
バトネが見えなくなる方向として決められる。伸長方
向、消光方向は、いすれもラビング方向からのずれ角で
規定し、配向膜面に向かってラビング方向から時計回り
にずれる場合をプラス、逆方向にずれる場合をマイナス
とする（図７参照）。
【００２２】ラビング方向とバトネの消光方向のずれ
は、用いた液晶材料、配向膜材料によって異なる。図１
２(a)では、プラスにずれる液晶材料と配向膜材料の組
み合わせにおいて、ずれを相殺する方向に上下基板をラ
ビングし、両配向膜面から誘起された層法線方向を一致
させた例を示している。従来の技術(特開平04-371925号
公報)では、一面SA相になった状態での消光方向とラビ
ング方向のずれからラビング方向を定めているが、SA相
での光学異方性軸は温度依存性があることが知られてお
り(W.Chen et al.,Phys. Rev. Lett., 68(19)1547 (199
2)),Iso-SA相転移時にスメクチック層が形成され両基板
から誘起されたスメクチック層がセル中央でつながるタ
イミングを考慮すると、層転移直後の層形成時の層法線
方向を示すバトネの消光方向を用いるほうがより適当で
ある。
【００２３】ラビング方向は略平行(ほぼ平行、クロス
ラビングなのでこのように表記、図１２(a)参照)とし
た。略反平行方向にラビングした場合はシェブロン構造
の折れ曲がり方向が2種類発生し(C1、C2)、そのドメイ
ンの境界部分が配向欠陥となり光漏れの原因となる。一
方、略並行方向にラビングした場合はC2配向のみになる
ことから、配向欠陥を無くすことができる。ギャップは
液晶材料のリタデーションにあわせて1.2〜2.5μｍとし
た。
【００２４】まずプレチルト角αの検討結果について図
４を参照して説明する。配向膜材料A〜Dはそれぞれ、主
鎖構造が同一である。配向膜材料Aは側鎖がなく、配向
膜材料Aの主鎖に側鎖を導入したものが配向膜材料B〜D
である。また、側鎖の導入率が増す順には配向膜材料
B、C、Dという関係にあり、ネマチック液晶材料で測定
したプレチルト角αも1度前後から90度に変化した。配
向膜材料においては、疎水性側鎖を導入して表面自由エ
ネルギーを減少、すなわちプレチルト角を増加させるこ
とは一般的である。
【００２５】一方、配向膜材料E〜Hについては、配向膜
材料Gは側鎖がなく、配向膜材料Gの主鎖に側鎖を導入し
たものが配向膜材料Hである。また、配向膜材料Gの主鎖
にフッ素を導入し、極性を高くした材料が配向膜材料
E、極性の高い側鎖を導入したのが配向膜材料Fである。
配向膜材料E〜Hについては、ネマチック液晶材料で測定
したプレチルト角αは最大でも3度と大きく変化しなか
った。また、配向膜材料I〜Nは、主鎖、側鎖ともに構造
が異なるが、プレチルト角αは全て1度前後に調整され
ていることが確認できた。
【００２６】表面自由エネルギーとの関係については、
同一主鎖構造を有する材料系A〜Dでは、疎水性側鎖の導
入率が高くなるにつれて極性力成分γspが14.5dyn/cmか
ら10.6dyn/cmへと連続的に減少し、構造との相関を示し
た。また、配向膜材料E〜Hも、同様に構造と対応する変
化を示した。一方配向膜材料I〜Nではネマチック材料で
測定したプレチルト角αが1度前後と変わらないにも関
わらず、極性力成分γs pは2.8dyn/cmから11.4dyn/cmと
大きく変化した。すなわち、主鎖構造が異なる場合は極
性力成分γspとプレチルト角には相関はない。
【００２７】次に測定した表面自由エネルギーの極性力
成分γspと劣化率との関係については、次の傾向が認め
られた(図４参照)。
【００２８】まず、配向膜材料A〜Dについては、極性力
成分γspの増加に従って劣化率が増加する(配向膜材料
C、Dについては初期配向性が悪いために劣化率を評価し
なかった)。 配向膜材料A〜Dの特性を連続的に評価す
る目的で、配向膜材料Bと配向膜材料Cを1:2、または2:1
の割合で混合した配向膜材料についても検討し、劣化率
が連続的に変化することを確認した。
【００２９】極性力成分γspが大きい場合に劣化率が悪
化した現象を説明するために、まず、TLAF液晶材料のパ
ネル内部での配列について図８を参照して説明する。図
８はコレクティブ配列（B. Park et al., Phys. Rev.
E, 59(4), R3815 (1999) 参照)を示す模式図である。
図８(a)は、スメクチック層５６の法線方向に平行な方
向からみた図であり、円は液晶分子が移動する軌道(コ
ーン)５１を、黒矢印はｃダイレクタ５２を、白矢印は
双極子モーメント５３の向きを示す。分子５５の位置は
アジマス角５８が90度、もしくは270度に位置してい
る。また、図８(b)は、スメクチック層５６の層方向に
平行な方向からみた図であり、三角はコーン５４を横か
らみた状態を、太線が液晶分子５５を示す。矢印は上下
配向膜面とそのラビング方向を示す。スメクチック層５
６は基板面の法線方向からδの角度をなして折れ曲がっ
ている。また、図８（ｃ）は、アジマス角５８を説明す
る図である。なお、符号５１は層法線方向からみたコー
ン、符号５４は層方向からみたコーン、符号５７は配向
膜面のラビング方向を示す。
【００３０】コレクティブ配列では、理想的には液晶分
子はアジマス角が90度、もしくは270度に位置する。と
ころが、極性の大きな配向膜材料では、液晶分子と配向
膜の極性相互作用により、液晶分子長軸に対してほぼ垂
直に分極方向を示す双極子モーメントが配向膜面に対し
て垂直方向に向く。すなわち、アジマス角が0度もしく
は180度になる傾向があるために、配向安定性が低下す
ると考えられる。アジマス角が0度、もしくは180度にな
るということは、図９(a)、(b)に示すように、TLAF液晶
分子の一軸光学異方性が層法線方向からずれることを意
味する。図９(a)は、配向膜面近傍の分子の双極子モー
メント５３の向きが、膜面に対して垂直な例を示す図で
あり、分子の位置はアジマス角が0度、もしくは180度に
位置しており、配向膜面の近傍での液晶の分子配列が層
法線方向からはずれている。図９(b)は、膜面の影響が
等しくなくなった例で、0度、もしくは180度に位置する
分子の数に不均衡が生じ、平均的な光軸が分子層法線方
向からずれる。
【００３１】一方、疎水性側鎖の導入率によって極性力
成分γspが変化した配向膜材料A〜Dに限っては、極性力
成分γspが小さいことはプレチルト角が高いことと等し
い。SA相でのスメクチック層の形成プロセスでは、分子
の長軸と層法線方向がほぼ平行になることが知られてい
る(エレクトロ・クリニック効果がある場合は、その影
響で、分子長軸方向と層法線方向が数度ずれる)。 プ
レチルト角とSA相で形成されるスメクチック層を模式的
に表したものを図１０に示す。図１０(a)は、プレチル
ト角が低い場合を示し、図１０(b)は、プレチルト角が
高い場合を示す。図１０において、符号81は配向膜面、
82はラビング方向、83は配向膜面の分子、84はスメクチ
ック層、85はスメクチック層の不連続面を示す。
【００３２】スメクチック層は配向膜面近傍から形成さ
れるが、プレチルト角が高い場合は図１０(b)に示すよ
うに層が膜面に対して垂直にならない。配向膜面から誘
起されたスメクチック層が膜面に対して垂直でない場合
は、両配向膜面から誘起されたスメクチック層がパネル
中央で不連続になる。この考察を裏付けるように、配向
膜Eを用いたパネルでは層法線方向が一方向にさだまら
ず、より高いプレチルト角を示す配向膜Fを用いたパネ
ルでは、扇状組織が観察された。扇状組織は、スメクチ
ック液晶全般において配向規制力を受けずにSC相が形成
された場合に観察される。
【００３３】以上述べたように、配向膜材料A〜Dの検討
では、極性力成分γsp が高い配向膜では配向膜との極
性相互作用が大きいために分子長軸方向が層法線方向か
らずれるために劣化率が増大した。また、極性力成分γ
spが低い配向膜ではプレチルト角が高いために、配向膜
から誘起されたスメクチック層が傾斜し、パネル断面方
向に連続したスメクチック層が形成できないために劣化
率が悪化した。
【００３４】配向膜材料A〜Dは疎水性側鎖を導入するこ
とにより極性力成分γspが下る系なので、極性力成分γ
spの低下にはプレチルト角の増加を伴う。一方、構造に
共通点はあるもの、プレチルト角があまり変化しない配
向膜材料E〜Hや、プレチルト角が1〜2度に制御された配
向膜材料I〜Nについても極性力成分γsp順に並べたとこ
ろ、層法線方向の乱れは認められなかった。一方、劣化
率については極性力成分γspが低下するにしたがって減
少する傾向が認められた。
【００３５】以上の傾向を確認する意味で、配向膜材料
A〜Nについて観察した劣化率の極性力成分γsp依存性を
図１に示す。極性力成分γspが低くなるにつれて劣化率
が低下したが、配向膜材料C、Dについては初期配向での
黒表示時の光漏れ量が大きかったために劣化率は評価し
ていない。
【００３６】一方、配向膜材料A〜Nについて観察した配
向性と劣化率の分散力成分γsd依存性についても検討し
たところ、材料の系統に独立に、分散力成分γsdが増大
するに従って劣化率が低下する様子が認められた(図２
参照)。分散力成分γsdの物理的な意味はあまりわかっ
ていないが、分子間相互作用(ファンデル・ワールス力)
を意味するという説もある。図２の結果は分子間相互作
用が高いほうがより劣化しにくい傾向を示している。
【００３７】最後に、バトネだが、伸長方向と消光方向
が一致しない現象(θB≠θBD)が一部の配向膜と液晶材
料の組み合わせについて観察された。バトネの伸長方向
(ラビング方向からのずれ角：θB、図７参照)はバトネ
が析出する配向膜表面近傍での分子長軸方向を示してい
ると考えられる。一方、バトネの消光方向(ラビング方
向からのずれ角：θBD、図７参照)はセル内部(バルク)
での分子の平均的な光軸(=分子長軸方向)を示している
と考える。すなわち、θB≠θBDとは、セル断面方向に
分子配列のねじれが生じていることを意味している。よ
り低温度領域のSC *相でのスメクチック層法線方向はバ
トネの消光方向に一致し、SA相の層構造はSC*相でも維
持されることから、SA相での層法線方向は消光方向に一
致することが分かる。このような界面近傍での分子配列
のねじれはエレクトロクリニック効果(W.Chen et al.,
Phys. Rev. Lett., 68(19)1547 (1992))として説明され
ているが、バトネの伸長方向と消光方向がずれる現象は
今回新たに認められた。すなわち、エレクトロクリニッ
ク効果が非常に大きく、配向膜面から離れた領域まで分
子配列がねじれた場合に、バトネの伸長方向と消光方向
のずれが生じると考察できる。SA相の定義(層法線方向=
分子長軸方向)と照らし合わせると、層がツイストして
いる可能性もある。表面自由エネルギーの項で説明した
コレクティブモデル(図８参照)とあわせて考えると、表
面自由エネルギーの極性力成分γspが大きい場合に配向
安定性が低下した現象の考察(配向膜近傍での分子配列
がツイストする)と同様の結果となった。表面自由エネ
ルギーの高い配向膜Aで、特にバトネの伸長方向と消光
方向のずれが顕著であったことからも、電気的相互作用
が大きな組み合わせで分子配列が配向膜面近傍でツイス
トしたとして説明できる。
【００３８】配向性と劣化率測定のための試料の項でも
述べたように、均一なスメクチック層を形成するには、
両基板の配向膜面から誘起されるスメクチック層の層法
線方向を一致させる必要がある。すなわち、配向膜近傍
の分子長軸方向を示すθBではなく、バルクの層法線方
向を示すθBDを相殺する方向にずらす(あわせて2θBDず
らす)クロスラビングが必須である。
【００３９】さらに配向膜材料C、Dでは、バトネの消光
方向と伸長方向が一致していたにも関わらず良好な配向
が得られなかったが、これについては表面自由エネルギ
ーに関する考察で詳細を説明した。
【００４０】以上の結果から、好ましい液晶表示素子と
して配向性を維持しながら劣化率が2以下の液晶表示素
子を選択するには、バトネの伸長方向と消光方向が一致
した液晶材料と配向膜との組み合わせにおいて、ネマチ
ック液晶材料(ZLI-2293、またはZLI-2003、ZLI-1565；M
erck社製)を用いて測定したプレチルト角が6度より小さ
く、表面自由エネルギーの極性力成分γspが13dyn/cm以
下の配向膜を用いる必要がある。さらには、表面自由エ
ネルギーの極性力成分γspが9dyn/cm以下であればより
確度が高い。一方、表面自由エネルギーの分散力成分γ
sdが38dyn/cm以上の配向膜を用いる必要がある。さらに
は、表面自由エネルギーの分散力成分が42dyn/cm以上で
あればより確度が高い。なお、劣化率が2以下の液晶表
示素子を好ましいとした理由は、以下の通りである。
【００４１】TN(Twisted Nematic)液晶を用いた液晶表
示素子のコントラスト(＝白表示時の透過光量／黒表示
時の透過光量)は、測定方法にもよるが、一般に200〜30
0程度、平均で250程度である。TLAF液晶を含む複屈折モ
ードを有する液晶を用いた液晶表示素子においては、透
過光量1はチルト角をθとすると、sin2(2θ)に比例す
る。そしてTLAF液晶のチルト角θは、約30度である。こ
のためTLAF液晶においては、透過光量は理想値(θ＝45
度のとき)の約7５％になってしまう。すなわち黒表示時
の透過光量を一定とすると、TLAF液晶のコントラスト
は、TN液晶のコントラストの約75％(＝約180)となる。
コントラストが100以下になることは透過型表示素子の
性能として不十分であり、黒表示時の透過光量が2倍を
超えること、すなわち劣化率が2を超えることは、許さ
れないと本発明者は、考えたからである。
【００４２】以上、これまでに述べた検討により、TLAF
液晶をはじめヒステリシスの無い光学応答特性を示すス
メクチック液晶用配向膜の選定に際し、極性力成分γsp
または分散力成分γsdを指針として配向膜を最適化でき
ることが分かった。すなわち、以下の条件を満たす配向
膜がTLAF液晶用配向膜として最適である。
【００４３】 1) バトネの伸長方向と消光方向のずれが1度以下 2) 低γsp(γsp<13dyn/cm、より好ましくはγsp<9dy
n/cm) 3) 高γsd(γsd>38dyn/cm、より好ましくはγsd>42d
yn/cm) 4) 低プレチルト角(α<6度) この条件を満たした液晶材料と配向膜を用い、上基板か
ら析出するバトネと下基板から析出するバトネの消光方
向を一致させるように基板を組んでパネルを作成するこ
とによって、配向性に優れたTLAF液晶表示素子を実現で
きる。また、液晶材料に液晶材料以外の不純物を混入し
ないために、不純物によって配向性が乱されることもな
い。
【００４４】（第１の実施形態）次に本発明による液晶
表示素子の第１の実施形態を説明する。この実施の形態
の液晶表示素子は、TLAF液晶材料を調光層として用いた
アクティブマトリクス駆動型液晶表示素子であり、その
構成を図５(a)、(b)を参照して説明する。
【００４５】図５(a)は本実施の形態のアクティブマト
リクス駆動型液晶表示素子の平面図であり、図５(b)は
図５(a)に示す切断線A−A’で切断したときの断面図で
ある。この実施の形態の液晶表示素子は図５(a)、(b)に
示すように、アレイ基板10と、対向基板30と、これらの
基板間にリブ45によって所定の間隔に挟持された、無し
きい値型の電圧−透過率特性を有する反強誘電性液晶材
料からなる調光層40を備えている。アレイ基板10は、透
明な絶縁性基板11を有し、この基板11の主面上に一方向
に延びる複数の走査線12および補助容量線13が形成さ
れ、この走査線1および補助容量線13を覆うように基板1
1の主面上に透明な絶縁層14が形成された構成となって
いる(図５(b)参照)。そしてこの絶縁層14上に、ITOから
なる複数の画素電極15が形成されるとともに、上記走査
線12と、ほぼ直交するように、複数の信号線16が形成さ
れている(図５(a)、(b)参照)。この信号線16は絶縁膜17
によって覆われている(図５(b)参照)。そして走査線12
と信号線16の交差点付近の基板11の主面上に、ＴFＴか
らなるスイッチング素子18が形成されている。このスイ
ッチング素子18はゲートが対応する走査線12に接続さ
れ、ソースまたはドレインのうちの一方の端子が絶縁膜
17内に設けられたコンタクト(図示せず)を介して対応す
る信号線16に接続され、他方の端子が絶縁膜17内に設け
られたコンタクト(図示せず)を介して画素電極15に接続
された構成となっている。そして、画素電極15およびス
イッチング素子15を覆うように基板11の主面上に配向膜
19が形成されている。また基板11の裏面には、偏光板28
が形成されている。
【００４６】一方、対向基板30は、透明な絶縁性基板31
の主面上の画素領域に形成された特定の波長の光を透過
する色部32aと、非画素領域に形成されたブラックマト
リクス32bからなるカラーフィルタ部32が設けられてい
る。このカラーフィルタ部32の表示領域上には、ITOか
らなる対向電極34が形成され、この対向電極34上には無
機絶縁膜35を介して配向膜36が形成された構成となって
いる。なお、無機絶縁膜35は、絶縁性を維持するために
設けることが好ましい、また、基板31の表示面には偏光
板38が形成されている。
【００４７】なお、本実施の形態においては、配向膜1
9、36は図４に示す配向膜材料Gを用いて膜厚が43nmにな
るように形成されている。この配向膜材料Gはネマチッ
ク液晶材料ZLI-2293、またはZLI-2003、ZLI-1565(Merck
社製)で測定したプレチルト角が1〜2度であった。配向
膜19、36には、おのおの配向膜面に向かって、θBD(=-
3.0度)を相殺するように、調光層40を構成するスメクチ
ック層の法線方向からプラス方向に3.0度すらした方向
に略平行方向のクロスラビングが施されている(図１２
（ａ）とは同方向にずらしたクロスラビング)。なおラ
ビング処理後の配向膜19、36の表面自由エネルギーの極
性力成分γspは9.0dyn/cm、分散力成分γs dは42.1dyn/c
mであった。
【００４８】アレイ基板10と、対向基板30は注入口(図
示せず)、排気口(図示せず)を除いて、非表示領域上に
塗布されたシール材によって配向膜19、36が対向するよ
うに貼り合わせられる。基板１０と基板３０は、リブ４
５によって開口部の基板間距離が1.75μｍになるように
保たれている。リブ４５は配向膜の上に形成しても良い
が、配向性の観点からは配向膜の下に形成するのが好ま
しい。また、本実施の形態においては、調光層40を構成
する液晶材料として図３に示したTLAF液晶材料ａを用い
た。この液晶材料の相系列はIso(95℃)、SA(70℃)、SC*
である。
【００４９】この液晶材料は、排気口より脱気しながら
液晶材料が注入口より導入されるという注入プロセスを
経て導入されている。注入口と排気口は、液晶材料注入
後に封止材(図示せず)によって完全に封止され、外気と
遮断される。液晶材料ａが注入されたパネルを一旦Iso
相である100℃まで加熱した後、温度上昇率−1℃/min.
で30℃まで徐冷したところ、Iso-SA転移点近傍で両配向
膜表面から析出したバトネの消光方向は上記ラビング方
向のほぼ中間で一致し、SC*相では層法線方向が上記消
光方向に一致した一様なスメクチック層構造が形成され
た。なお、クロスニコル配置の偏光板28、38のうち、一
方の偏光方向が層法線方向に合致するように配置され
る。
【００５０】この液晶表示素子について配向状態を観察
したところ、リブ近傍に発生した微量の配向欠陥の形状
とラビング方向から、配向欠陥部分を除いてC2配向であ
り、消光方向が層法線方向に一致していることが判明し
た。この液晶表示素子のコンストラスト、すなわち最大
透過光量と最小透過光量との比(最大透過光量／最小透
過光量)がほぼ200であり、十分なコントラストが達成さ
れている。また、信頼性試験後でもコントラストは100
以上を維持していた。
【００５１】(第２の実施形態)配向膜19、36を図5に示
した配向膜材料Lを用いて膜厚が42nmになるように形成
し、配向膜19、36には、おのおの配向膜面に向かって、
調光層40を構成するスメクチック層の法線方向からプラ
ス方向に5.0度ずらした略平行方向のクロスラビングを
施したこと以外は第１の実施形態と同様に液晶表示素子
のパネルを作製し、図３に示したTLAF液晶材料ｃが注入
された液晶表示素子を用意した。この配向膜材料Aはネ
マチック液晶材料ZLI-2293(Merck社製)で測定したプレ
チルト角が1.0度であった。この実施の形態において
は、ラビング処理後の配向膜19、36の表面自由エネルギ
ーの極性力成分γspは4.3dyn/cm、分散力成分γsdは43.
1dyn/cmであった。
【００５２】この実施形態の液晶表示素子について一旦
Iso相である100℃まで加熱した後、温度上昇率−1℃/mi
n.で30℃まで徐冷したところ、SC*相での層法線方向が
両基板のラビング方向のほぼ中間となるスメクチック層
構造が得られた。またリブ近傍に発生した微量の配向欠
陥の形状とラビング方向から、配向欠陥部分を除いてC2
配向であることが分かった。この液晶表示素子のコンス
トラスト、すなわち最大透過光量と最小透過光量との比
(最大透過光量／最小透過光量)がほぼ200であり、十分
なコントラストが達成されている。また、信頼性試験後
でもコントラストは150程度を維持していた。
【００５３】(比較例１)配向膜19、36を図４に示した配
向膜材料Aを用いて膜厚が38nmになるように形成し、配
向膜19、36には、おのおの配向膜面に向かって、調光層
40を構成するスメクチック層の法線方向からマイナス方
向に7.0度ずらした略平行方向のクロスラビングを施し
たこと以外は本実施の形態と同様に液晶表示素子のパネ
ルを作製し、図３に示すTLAF液晶材料ａが注入された液
晶表示素子を用意した。ラビング方向はバトネの消光方
向(7.0度)から求めたが、バトネの伸長方向(1.0度)とは
一致していなかった。また、配向膜材料Aはネマチック
液晶材料ZLI-2293、またはZLI-2003、ZLI-1565(Merck社
製)で測定したプレチルト角が1〜2度であった。この比
較例1においては、ラビング処理後の配向膜19、36の表
面自由エネルギーの極性力成分γspは14.5dyn/cm、分散
力成分γsdは38.9dyn/cmであった。
【００５４】この比較例１の液晶表示素子について一旦
Iso相である70℃まで加熱した後、温度上昇率−1℃/mi
n.で30℃まで徐冷したところ、SC*相での層法線方向が
両基板のラビング方向のほぼ中間となるスメクチック層
構造が得られた。またリブ近傍に発生した微量の配向欠
陥の形状とラビング方向から、配向欠陥部分を除いてC2
配向であることが分かった。しかしながら、消光方向が
層法線方向から±18度ずれたドメインの発生が顕著に認
められた。
【００５５】この液晶表示素子のコントラストは消光方
向が偏光板の透過軸からずれたドメインが発生していた
ために初期値で80以下であった。
【００５６】(比較例２)配向膜19、36を図5に示した配
向膜材料Eを用いて膜厚が41nmになるように形成し、配
向膜19、36には、おのおの配向膜面に向かって、調光層
40を構成するスメクチック層の法線方向からプラス方向
に5.0度ずらした略平行方向のクロスラビングを施した
こと以外は本実施の形態と同様に液晶表示素子のパネル
を作製し、図３に示したTLAF液晶材料ａが注入された液
晶表示素子を用意した。この配向膜材料Eはネマチック
液晶材料ZLI-2293、またはZLI-2003、ZLI-1565(Merck社
製)で測定したプレチルト角が1〜3度であった。この比
較例２においては、ラビング処理後の配向膜19、36の表
面自由エネルギーの極性力成分γspは14.2dyn/cm、分散
力成分γsdは33.6dyn/cmであった。
【００５７】この比較例２の液晶表示素子について一旦
Iso相である100℃まで加熱した後、温度上昇率−1℃/mi
n.で30℃まで徐冷したところ、SC*相での層法線方向が
両基板のラビング方向のほぼ中間となるスメクチック層
構造が得られた。またリブ近傍に発生した微量の配向欠
陥の形状とラビング方向から、配向欠陥部分を除いてC2
配向であることが分かった。しかしながら信頼性試験後
にこのパネルの配向状態を観察したところ、消光方向が
層法線方向から±14度ずれたドメインが発生していた。
【００５８】この液晶表示素子のコントラストは初期値
でほぼ200が達成されていたものの、消光方向が偏光板
の透過軸からずれたドメインが発生したことにより黒レ
ベルが浮上し、信頼性試験後のコントラストは50以下ま
で低下した。
【００５９】(比較例３)配向膜19、36を図４に示した配
向膜材料Dについてラビング方向を求めるためにバトネ
の析出過程を観察したが、消光方向、伸長方向も定まら
なかった。この配向膜材料Dはネマチック液晶材料ZLI-2
293、またはZLI-2003、ZLI-1565(Merck社製)で測定した
プレチルト角が約90度であった。またラビング処理後の
配向膜19、36の表面自由エネルギーの極性力成分γspは
10.6dyn/cm、分散力成分γsdは37.9dyn/cmであった。
【００６０】よって、片側ラビングを行い、図３に示す
液晶材料ａを用いて実施形態、比較例1と同様の除冷プ
ロセスを経てパネルを作成し、この時の配向状態を観察
したところ、扇状組織が観察され、コントラストは１桁
以下であった。
【００６１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、経
時変化や電圧履歴の影響を可及的に受けない、表示性能
が良好な液晶表示素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】劣化率の表面自由エネルギーの極性力成分γsp
依存性を示すグラフ。
【図２】劣化率の表面自由エネルギーの分散力成分γsd
依存性を示すグラフ。
【図３】本発明の実施形態に用いられる液晶材料の各物
性値を示す図。
【図４】配向膜の種類と、表面自由エネルギーおよび劣
化率を示す図。
【図５】アクティブマトリクス駆動型液晶表示素子の構
成を示す図。
【図６】固体表面上の液滴の接触角 (θ) とYoungの式
を説明する図。
【図７】偏光板をクロスにこる配置にした偏光顕微鏡で
観察されるバトネの伸長方向と消光方向を示す模式図。
【図８】TLAF液晶を用いたセル内部での電圧無印加時の
コレクティブモデルを示す図。
【図９】極性相互作用による配向の不安定化を説明する
図。
【図１０】プレチルト角とSA相で形成されるスメクチッ
ク層を示す模式図。
【図１１】液晶の電圧と透過率特性を示すグラフ。
【図１２】スメクチック層構造と配向劣化の観察結果を
示す模式図。
【符号の説明】
１０ アレイ基板 １１，３１ 透明基板 １２ 走査線 １３ 補助容量線 １４ 絶縁層 １５ 透明画素電極 １６ 信号線 １７，３５ 絶縁膜 １８ スイッチング素子 １９，３６ 配向膜 ２８，３８ 偏光板 ３０ 対向基板 ３２ カラーフィルタ ３２ａ 色部 ３２ｂ ブラックマトリクス ３４ 対向透明電極 ４０ 調光層 ４５ リブまたは柱
フロントページの続き (72)発明者 長谷川 励 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 山 口 一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 高 頭 孝 毅 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 2H088 EA33 GA04 HA03 HA08 HA12 HA14 JA17 JA20 KA07 KA28 KA30 MA02 2H090 HD14 KA14 KA15 LA04 LA05 LA15 MA11

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】透明な第1の基板と、この第1の基板上に形
    成された第1の電極と、前記第1の基板上に形成された第
    1の配向膜とを有する第1の電極基板と、 透明な第2の基板と、この第2の基板上に形成された第2
    の電極と、前記第2の基板上に形成された第2の配向膜と
    を有する第2の電極基板と、 前記第1および第2の電極基板に挟持された、無しきい値
    型の電圧−透過率特性を有し、自発分極が120nC/cm以下
    のスメクチック液晶材料から構成される調光層とを備
    え、 前記第1および第2の配向膜の表面自由エネルギーの極性
    力成分が13dyn/cm以下であることを特徴とする液晶表示
    素子。
  2. 【請求項２】前記第1および第2の配向膜の表面自由エネ
    ルギーの極性力成分が、特に9dyn/cm以下であることを
    特徴とする請求項１の液晶表示素子。
  3. 【請求項３】透明な第1の基板と、の第1の基板上に形成
    された第1の電極と、前記第1の基板上に形成された第1
    の配向膜とを有する第1の電極基板と、 透明な第2の基板と、この第2の基板上に形成された第2
    の電極と、前記第2の基板上に形成された第2の配向膜と
    を有する第2の電極基板と、 前記第1および第2の電極基板に挟持された、無しきい値
    型の電圧−透過率特性を有し、自発分極が120nC/cm以下
    のスメクチック液晶材料から構成される調光層と、 を備え、前記第1および第2の配向膜の表面自由エネルギ
    ーの分散力成分が38dyn/cm以上であることを特徴とする
    液晶表示素子。
  4. 【請求項４】前記第1および第2の配向膜の表面自由エネ
    ルギーの分散力成分が、特に42dyn/cm以上であることを
    特徴とする請求項３の液晶表示素子。
  5. 【請求項５】前記第1および第2の配向膜についてネマチ
    ック液晶で測定したプレチルト角が6度より小さいこと
    を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の液晶表
    示素子。
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