JP2005031686A - 強誘電性液晶素子の液晶配向方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強誘電性液晶素子の液晶配向方法を提供する。
【解決手段】キラルネマチック（Ｎ^＊）からキラルスメクチックＣ（ＳｍＣ^＊）状態への相転移温度領域で交流電場を印加することによって液晶分子の光軸方向を調節する液晶配向方法。所望の温度に合せて光軸方向を適切に変化させられてパネルの光学的特性を最適化させうる。
【選択図】図２

Description

本発明は、強誘電性液晶（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ：ＦＬＣ）素子の光軸方向調節方法に係り、より詳細には、ＣＤＲ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｄｉｒｅｃｔｏｒ Ｒｏｔａｔｉｏｎ）ＦＬＣを利用した強誘電性液晶素子の液晶配向方法に関する。

ＣＤＲＦＬＣは、一般的なＦＬＣとは異なり、キラルスメクチックＡ（ＳｍＡ＊：Ｓｍｅｃｔｉｃ Ａ＊）相のない相転移様相を有する。すなわち、低温から高温に変わることによって結晶（固体）（Ｃｒｙｓｔａｌ）−キラルスメクチックＣ（ＳｍＣ^＊：Ｓｍｅｃｔｉｃ Ｃ^＊）−キラルネマチック（Ｎ^＊：Ｃｈｉｒａｌ ｎｅｍａｔｉｃ）−等方（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）相（液体）に状態が変化する。このようなＣＤＲＦＬＣは一般的なＦＬＣとは違って本棚（ブックシェルフ：ｂｏｏｋｓｈｅｌｆ）構造を有するので、光効率が高く、ジグザグパターンが現れなく、かつ二重安定状態ではない単一安定状態の構造を有するので、アナロググレースケールが可能である長所がある。

図１Ａないし図１Ｃは、非特許文献１に掲載されたＣＤＲＦＬＣの光軸方向の調節方法を示した図面である。

図１Ａを参照すれば、電場のない状態で液晶分子は一定方向の整列状態の代わりに二方向の整列状態が現れる。層に対する法線方向はラビング方向に対する左右相対的なチルト角を形成する。

図１Ｂを参照すれば、Ｎ^＊状態でＳｍＣ^＊状態に相転移される間、１０Ｖの直流電場が印加されれば、液晶分子がラビング方向に整列する。しかし、層に対する法線方向はラビング方向に対しても所定チルト角を形成している。

図１Ｃを参照すれば、相転移温度より１．５℃低い温度でバイアス電場のない状態で三角波形を有する電圧を印加した場合、液晶分子が一定方向に配向され、層の法線方向とラビング方向とが一致するが、液晶分子の光軸方向がラビング方向と傾斜角を形成することが見られる。

従来の液晶素子の配向技術ではＮ^＊−ＳｍＣ^＊相転移温度領域で交流電場及び／または直流電場を印加して液晶分子の光軸とバッフィング軸（ラビング軸）とを一致させているが、液晶の温度が低くなれば、液晶分子の光軸がバッフィング軸（ｂｕｆｆｉｎｇ ａｘｉｓ）に対してだんだんとチルトされるので、光軸とバッフィング軸とが一致しなくなる。このような光軸とバッフィング軸との角度差によって実際の駆動温度で偏光が液晶素子に入射する時、コントラスト比が悪化してスクリーン上に再現される画質が劣化されうる。

特に、プロジェクションテレビに使われる光学素子は殆どｐ−ｗａｖｅ（ｐ波）またはｓ−ｗａｖｅ（ｓ波）などのような特定偏光状態の光のみを利用し、使用するＬＣＤ（液晶ディスプレイ）はラビング方向が液晶パネルのエッジ方向に向かう。ネマティック（Ｎ）モードを使用するＬＣＤ、例えばＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）パネルの場合はバッフィング軸と液晶分子との光軸が一致する関係で光学素子の選択に困ることがないが、ＦＬＣを利用する場合、前述したように駆動温度で液晶分子の光軸がバッフィング軸と所定角度だけ外れるので、コントラスト比を向上させるために光学素子の偏光方向を微細に調節せねばならない。しかし、プロジェクションテレビまたはＬＣＤに使われるあらゆる光学素子の偏光状態を微細に調節するのが容易でないので、液晶分子の光軸とバッフィング軸とを駆動温度で一致させる技術が要求される。
"Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｌａｙｅｒ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｉｎ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｗｉｔｈ Ｎ＊−ＳｍＣ＊ Ｐｈａｓｅ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ"（ｂｙ Ｋａｔｓｕｎｏｒｉ Ｍｙｏｊｉｎ，Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｍｏｒｉｔａｋｅ，Ｍａｓａｎｏｒｉ Ｏｚａｋｉ，Ｋａｔｓｕｍｉ Ｙｏｓｈｉｎｏ，Ｔａｋｅｓｈｉ Ｔａｎｉ ａｎｄ Ｋｏｉｃｈｉ Ｆｕｊｉｓａｗａ； Ｊｐｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３３（１９９４）ｐｐ ５４９１〜５４９３ Ｐａｒｔ １，Ｎｏ．９Ｂ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９４）

本発明は、前述した従来技術の問題点を解決するために創案されたものであって、駆動温度でラビング方向に近接する光軸を有するように強誘電性液晶素子の液晶配向方法を提供することである。

前記技術的課題を達成するために本発明は、強誘電性液晶素子の強誘電性液晶の配向時、Ｎ^＊からＳｍＣ^＊状態への相転移温度領域で交流電場を印加することによって液晶分子の光軸方向を調節することを特徴とする強誘電性液晶素子の液晶配向方法を提供する。

前記強誘電性液晶は、ＣＤＲＦＬＣである。

前記相転移温度領域は、相転移温度Ｔｃ±２℃であることが望ましく、特に前記相転移温度は、約７２℃であることが望ましい。

前記交流電場は、方形波（ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ）を有し、１ないし１０Ｈｚの周波数を有し、１ないし１０Ｖの電圧強度を有することが望ましい。

前記光軸方向を駆動温度領域でバッフィング軸を中心として２゜以内に接近させることが望ましい。

前記光軸方向を駆動温度領域でパネルのエッジと一致させることが望ましい。ここで、前記駆動温度領域は４０℃程度である。

前記強誘電性液晶素子は、ＩＴＯで形成された上部基板と、Ａｌ電極を有するＳｉで形成された下部基板を具備することが望ましい。

強誘電性液晶は、温度によって液晶分子の光軸変化が発生し、光軸方向をラビング方向と一致させるのが容易でない。本発明は、駆動温度領域で所望の方向に液晶分子の光軸方向を調節できる強誘電性液晶素子の液晶配向方法を提示して液晶パネルの信頼性を向上させることができる。

本発明の強誘電性液晶素子の液晶配向方法で１〜１０Ｖの電圧強度と、１〜１０Ｈｚの周波数を有する方形波の交流電場をＮ^＊状態からＳｍＣ^＊状態に相転移する温度領域で液晶に印加することによって液晶方向をバッフィング軸に近接するように調節することによってプロジェクションテレビで偏光によるコントラスト比を向上させることができる。

以下、本発明の実施例による強誘電性液晶素子の液晶配向方法を図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の実施例による強誘電性液晶素子の液晶配向方法を示したフローチャートであり、図３は、図２に示された強誘電性液晶素子の液晶配向方法を実行する強誘電性液晶素子の断面図であり、図４は、図３の平面図である。

まず、図３及び図４を参照して、まずＬＣＤ製造工程を簡単に説明すれば、下部基板３１の上面に下部配向膜３６を形成し、上部基板３２の下面に上部配向膜３５を形成する。ここで、配向膜３５、３６としてはポリイミド、ポリビニル、ポリアミド（ナイロン）またはＰＶＡ（ポリビニルアルコール）系の化学物質を使用する。

配向工程を実行した後、液晶が一定方向に配向されるように硬化されたポリイミドにラビング布で一定方向にこすって直溝を形成するラビング工程を実行する。ラビング工程実行後、上部基板３２と下部基板３１とを合着させるが、一定のセルギャップを確保するためにフォトリソグラフィなどの方法で一定な位置にスペーサ３９を形成させる。

スペーサ３９形成後、シーラント３８を使用して上部基板３２と下部基板３１とを合着させ、液晶３７を注入する。液晶３７注入工程で本発明の強誘電性液晶素子の液晶配向方法は液晶の種類によって所定温度で所定周波数、所定電圧強度を有する所定波形の交流電場を印加する工程を提案し、液晶３７分子の光軸方向を所望の方向に微細に調節できる。

液晶注入工程時、液晶分子の光軸方向を調節する方法を図２を参照して前述すれば、上部基板３２と下部基板３１とを合着させ、真空排気を通じてセルギャップの内部を１／１０００Ｔｏｒｒ以下の真空状態に維持し、液晶が入っているトレーの温度をｉｓｏｔｒｏｐｉｃ状態（約１１０℃）まで上昇させる。

合着されたセルを液晶の入っているトレーに浸けて真空チャンバ内に窒素を徐々にパージすれば、セル内部と周囲との圧力差が発生して液晶がセル内部の空いた空間を満たす（第１１０段階）。この状態で液晶を冷却させれば、液晶は約９５〜９７℃でＮ^＊状態に変わる（第１１２段階）。
・ Ｎ^＊状態でずっと冷却させれば、液晶分子は相転移温度領域でＳｍＣ^＊状態に相転移する。ＳｍＣ^＊に相転移する温度をＴｃ（約７２℃）とすれば、相転移温度領域、望ましくは、Ｔｃ±２℃で交流電場を印加して（第１１４段階）、液晶分子の方向をバッフィング軸と一致するように配向する（第１１６段階）。または所望の方向、例えばパネルのエッジ方向などで液晶分子の方向を変化させうる。

ここで、交流電場は方形波に１〜１０Ｖの電圧強度と１〜１０Ｈｚ程度の周波数を有することが望ましい。図４を参照すれば、交流電場はパネルの外部に設置されたコントロールボックス３０で生成されて導電線を通じて下部基板３１の下部電極３３と上部基板３２の上部電極３４とに接続するピンパッド４０に印加されることによってパネルの各ピクセルに入力される。下部基板３１としては、Ｓｉ基板を、下部電極３３としては、Ａｌ電極を使用し、上部基板３２としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）ガラスを使用することが望ましい。ここで、下部基板３１と下部電極３３及び／または上部基板３２と上部電極３４は所望の形態にパターニングされうる。

図５は、本発明の実施例による強誘電性液晶の光軸方向を調節して光軸とバッフィング軸とを一致させた場合に形成されたスクリーンとパネルとを示している。図５を参照すれば、スクリーン５１とパネル５３とは各辺が平行に配置されている。液晶分子の光軸とラビング方向を示すバッフィング軸とは相互平行に配列されてパネル５３から出射される偏光の発光効率が高まることによってスクリーン上に現れる画質が向上する。

図６は、電圧強度による液晶の相対的な光軸角度の温度変化率を示したグラフである。ここで、相対的な光軸角度とは、Ｎ^＊上での液晶分子の光軸（Ｎ^＊上ではバッフィング軸と光軸とが一致）と各温度での液晶分子の光軸との差をいう。

図６を参照すれば、直流（ＤＣ）３Ｖが印加された場合、温度変化による相対的光軸角度は温度が低下することによってバッフィング軸０゜から離脱し続けており、駆動温度４０℃程度でバッフィング軸に対する相対的光軸角度が−３゜外れている。しかし、１０Ｈｚ周波数を有する交流（ＡＣ）電場で電圧を４Ｖｐｐ、５Ｖｐｐ、６Ｖｐｐに印加する場合にはバッフィング軸に対する相対的光軸角度が減少し続けて駆動温度４０℃ではバッフィング軸に対する相対的光軸角度が±２゜以内に接近する。なお、単位：Ｖｐｐは交流の山から谷までのｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ値の意味である。

４Ｖｐｐの電場を印加した場合には５Ｖｐｐ及び６Ｖｐｐの電圧を印加した場合と異なり尖点が現れない。１０Ｈｚ周波数と４Ｖｐｐの電圧を有するＡＣ電場を液晶に印加する場合、温度の減少によって液晶分子がバッフィング軸に対して相対的な光軸角度が少しずつ増加することが見られる。Ｎ^＊−ＳｍＣ^＊相転移温度付近で外部直流電場が印加されれば、ＳｍＣ^＊相で液晶層が形成されながら液晶分子がバッフィング軸に対して一側にチルト角、すなわち相対的な光軸角度だけバッフィング軸に対して傾斜して配列される。同じＳｍＣ^＊相でも温度が減少することによって相対的な光軸角度はだんだんと増加することがわかる。

しかし、１０Ｈｚ ５Ｖｐｐの条件または１０Ｈｚ ６Ｖｐｐの条件を有する交流電場を印加した場合、相対的な光軸角度は７０℃程度で相対的光軸角度が−２°以上増加し、温度低下につれて共に低下して尖点を表すのが見られる。すなわち液晶分子が温度低下につれてバッフィング軸に対して一側に相対的光軸角度が増加してから尖点を基準として他側に相対的な光軸角度の方向が転換されながら温度の低下によって光軸角度がだんだんと減少することがわかる。特に、駆動温度（４０℃程度）付近ではバッフィング軸に対してチルト角もだんだんと減少するので、５Ｖｐｐ及び６ＶｐｐのＡＣ電場で液晶分子が４ＶｐｐのＡＣ電場での液晶分子より配向が良好に行われることが分かる。

本発明はこのような光軸角度の増加及び減少現象を利用して光軸を微細に調節する。

図７は、周波数による液晶の相対的な光軸角度の温度変化率を表示したグラフである。図７を参照すれば、ＤＣ ３Ｖを印加した場合、相対的な光軸角度は駆動温度４０℃で−３．５°程度にバッフィング軸０゜から離脱しており、１５Ｈｚ ４Ｖｐｐの交流電場を印加した場合にも駆動温度４０℃で２．８°程度相対的光軸角度が離脱している。しかし、交流電圧を５Ｖｐｐに固定し、交流周波数を５Ｈｚ、８Ｈｚ、１０Ｈｚに調節する場合、相対的な光軸角度は７０℃で尖点を示し、だんだんと減少して駆動温度４０℃でバッフィング軸に対して相対的な光軸角度が±１°以内に接近するのが見られる。

前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、これらは発明の範囲を限定するよりは、望ましい実施例の例示として解釈されねばならない。それゆえに、本発明の範囲は説明された実施例によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められねばならない。

本発明は、強誘電性液晶素子の液晶配向方法に関わり、プロジェクションテレビまたはＬＣＤなどの分野で広く有用に使用されうる。

図１Ａは、非特許文献１に掲載されたＣＤＲ ＦＬＣの配向方法の１例を示した図面である。 図１Ｂは、非特許文献１に掲載されたＣＤＲ ＦＬＣの配向方法の他の１例を示した図面である。 図１Ｃは、非特許文献１に掲載されたＣＤＲ ＦＬＣの配向方法の更に他の１例を示した図面である。 本発明の実施例による強誘電性液晶素子の液晶配向方法を示したフローチャートである。 図２に示された強誘電性液晶素子の液晶配向方法を実行する強誘電性液晶素子の断面図である。 図３に示された強誘電性液晶素子の平面図である。 本発明の実施例による強誘電性液晶の液晶配向方法を実行して光軸とバッフィング軸とを一致させた場合に形成されたスクリーンとパネルとを示した図面である。 電圧強度による液晶の相対的な光軸角度の温度変化率を示したグラフである。 周波数による液晶の相対的な光軸角度の温度変化率を表示したグラフである。

符号の説明

３０ コントロールボックス、
３１ 下部基板、
３２ 上部基板、
３３ 下部電極、
３４ 上部電極、
３５ 上部配向膜、
３６ 下部配向膜、
３７ 液晶、
３８ シーラント、
３９ スペーサ、
４０ ピンパッド、
５１ スクリーン、
５３ パネル。

Claims (12)

1. 強誘電性液晶素子の強誘電性液晶の配向時、キラルネマチックからキラルスメクチックＣ状態への相転移温度領域で交流電場を印加することによって液晶分子の光軸方向を調節することを特徴とする強誘電性液晶素子の液晶配向方法。
2. 前記強誘電性液晶は、ＣＤＲ ＦＬＣであることを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶素子の液晶配向方法。
3. 前記相転移温度領域は、相転移温度Ｔｃ±２℃であることを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶素子の液晶配向方法。
4. 前記相転移温度は、約７２℃であることを特徴とする請求項３に記載の強誘電性液晶素子の液晶配向方法。
5. 前記交流電場は、方形波を有することを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶素子の液晶配向方法。
6. 前記交流電場は、１ないし１０Ｈｚの周波数を有することを特徴とする請求項５に記載の強誘電性液晶素子の液晶配向方法。
7. 前記交流電場は、１ないし１０Ｖの電圧強度を有することを特徴とする請求項６に記載の強誘電性液晶素子の液晶配向方法。
8. 前記光軸方向を駆動温度領域でバッフィング軸を中心として２゜以内に近接させることを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶素子の液晶配向方法。
9. 前記光軸方向を駆動温度領域でパネルのエッジと一致させることを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶素子の液晶配向方法。
10. 前記駆動温度領域は、４０℃程度であることを特徴とする請求項８または９に記載の強誘電性液晶素子の液晶配向方法。
11. 前記強誘電性液晶素子は、ＩＴＯで形成された上部基板を具備することを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶素子の液晶配向方法。
12. 前記強誘電性液晶素子は、Ａｌ電極を有するＳｉよりなる下部基板を具備することを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶素子の液晶配向方法。