JP2005173209A - 双安定型ネマティック液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 弱アンカリングの配向膜が用いられた双安定型ネマティック液晶表示装置において、カラーフィルタや反射体などの付加構造を設けても低コストで、歩留まりよく製造できる双安定型ネマティック液晶表示装置の提供。
【解決手段】 第１の基板に強アンカリングの配向膜が設けられたマスター基板１０Ａと、第２の基板に弱アンカリングの配向膜が設けられたスレーブ基板２０Ａとがそれぞれの配向膜側が対向配置され、これら配向膜間にネマティック液晶層３０が挟持されてなる液晶セル３５が備えられ、駆動電圧に応じて液晶層の液晶分子の配列が双安定状態のうちいずれかの状態に制御されるようにした液晶表示装置であって、マスター基板側にカラーフィルタ１３と反射体７が設けられた双安定型ネマティック液晶表示装置１。
【選択図】 図１
【解決手段】 第１の基板に強アンカリングの配向膜が設けられたマスター基板１０Ａと、第２の基板に弱アンカリングの配向膜が設けられたスレーブ基板２０Ａとがそれぞれの配向膜側が対向配置され、これら配向膜間にネマティック液晶層３０が挟持されてなる液晶セル３５が備えられ、駆動電圧に応じて液晶層の液晶分子の配列が双安定状態のうちいずれかの状態に制御されるようにした液晶表示装置であって、マスター基板側にカラーフィルタ１３と反射体７が設けられた双安定型ネマティック液晶表示装置１。
【選択図】 図１
Description
本発明は、長時間に亘って同じパターンを表示する電子ブック、電子手帳等に適用できる双安定型ネマティック液晶表示装置に関する。
単純マトリックス型の駆動方法により表示するモードの液晶表示装置の一種としてネマティック液晶を用いた双安定型液晶表示装置が知られている。
従来の双安定型ネマティック液晶表示装置は、上下一対の基板間にネマティック液晶が所定のセルギャップで挟まれ、一方の基板の内面側にプレチルトのある強アンカリング（強い配向規制力）の配向膜が形成され、他方の基板の内面側にプレチルト０の弱アンカリング（弱い配向規制力）の配向膜が形成された液晶セルが備えられたものである。
従来の強アンカリングの配向膜としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアルコール等の有機配向膜にラビングしたものが用いられ、弱アンカリングの配向膜としては斜方蒸着法により形成されたＳｉＯｘ膜、ポリイミド等の有機配向膜に光を照射し改質したもの、或いは溶剤処理したもの等が用いられていた（例えば、非特許文献１〜３参照。）。
従来の双安定型ネマティック液晶表示装置は、上下一対の基板間にネマティック液晶が所定のセルギャップで挟まれ、一方の基板の内面側にプレチルトのある強アンカリング（強い配向規制力）の配向膜が形成され、他方の基板の内面側にプレチルト０の弱アンカリング（弱い配向規制力）の配向膜が形成された液晶セルが備えられたものである。
従来の強アンカリングの配向膜としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアルコール等の有機配向膜にラビングしたものが用いられ、弱アンカリングの配向膜としては斜方蒸着法により形成されたＳｉＯｘ膜、ポリイミド等の有機配向膜に光を照射し改質したもの、或いは溶剤処理したもの等が用いられていた（例えば、非特許文献１〜３参照。）。
このような従来の双安定型ネマティック液晶表示装置は、モノクロ表示タイプの透過型液晶表示装置に適用されていた。
なお、強アンカリングの配向膜が設けられた基板をマスター基板、弱アンカリングの配向膜が設けられた基板をスレーブ基板と呼ぶ。
マルチノ ラガード等（Ph.Martinot-Lagarde et al.）、ファスト バイステイブル ネマティック ディスプレイ ユージング モノステイブル サーフェイス アンカリング ブリーキング（Fast Bistable Nematic Display Using Monostable Surface Anchoring Breaking）、ダイジェスト オブ エスアイディー'９７（Digest of SID'97) 、１９９７年、ｐ．４１−４４ ドゾブ等（I.Dozov et al.）、ファスト バイステイブルネマティック ディスプレイ フロム カップルド サーフェイス アンカリング ブリーキング（Fast Bistable Nematic Display From Coupled Surface Anchoring Breaking ）、プロシーディング オブ エスピーアイイー （Proceeding of SPIE) vol.3015、１９９７年、ｐ．６１ ジョウバート等(C.Joubert et al.）、リフレクティブ バイステイブル ネマティック ディスプレイ （バイネム）ファブリケーティッド バイ スタンダード マニュファクチュリング イクィプメント（Reflective Bistable Nematic Displays (BiNem)fabricated by standard manyufacturing equipment）、ジャーナル オブ ザ エスアイデー(Journal of the SID)、１１／１，２００３年
なお、強アンカリングの配向膜が設けられた基板をマスター基板、弱アンカリングの配向膜が設けられた基板をスレーブ基板と呼ぶ。
マルチノ ラガード等（Ph.Martinot-Lagarde et al.）、ファスト バイステイブル ネマティック ディスプレイ ユージング モノステイブル サーフェイス アンカリング ブリーキング（Fast Bistable Nematic Display Using Monostable Surface Anchoring Breaking）、ダイジェスト オブ エスアイディー'９７（Digest of SID'97) 、１９９７年、ｐ．４１−４４ ドゾブ等（I.Dozov et al.）、ファスト バイステイブルネマティック ディスプレイ フロム カップルド サーフェイス アンカリング ブリーキング（Fast Bistable Nematic Display From Coupled Surface Anchoring Breaking ）、プロシーディング オブ エスピーアイイー （Proceeding of SPIE) vol.3015、１９９７年、ｐ．６１ ジョウバート等(C.Joubert et al.）、リフレクティブ バイステイブル ネマティック ディスプレイ （バイネム）ファブリケーティッド バイ スタンダード マニュファクチュリング イクィプメント（Reflective Bistable Nematic Displays (BiNem)fabricated by standard manyufacturing equipment）、ジャーナル オブ ザ エスアイデー(Journal of the SID)、１１／１，２００３年
ところで双安定型ネマティック液晶表示装置をカラー表示タイプや低消費電力とすることができる反射型に適用するという要望があるが、従来の双安定型ネマティック液晶表示装置は弱アンカリングの配向膜を目的とする配向規制力を有するように製造するのが煩雑であるために、スレーブ基板にカラーフィルタや反射体を形成するとさらに製造工程が煩雑になり、また、カラーフィルタや反射体等の付加構造を設ける際に弱アンカリングの配向膜が劣化し易く、歩留まりが低下したり、コストが増大してしまうという問題があった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって弱アンカリングの配向膜が用いられた双安定型ネマティック液晶表示装置において、カラーフィルタや反射体などの付加構造を設けても低コストで、歩留まりよく製造できる双安定型ネマティック液晶表示装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
第１の発明の双安定型ネマティック液晶表示装置は、第１の基板に強アンカリングの配向膜が設けられたマスター基板と、第２の基板に弱アンカリングの配向膜が設けられたスレーブ基板とが、それぞれの配向膜側が対向配置され、これら配向膜間にネマティック液晶層が挟持されてなる液晶セルが備えられ、駆動電圧に応じて液晶層の液晶分子の配列が双安定状態のうちいずれかの状態に制御されるようにした液晶表示装置であって、
前記マスター基板側にカラーフィルタが設けられたことを特徴とする。
第１の発明の双安定型ネマティック液晶表示装置は、第１の基板に強アンカリングの配向膜が設けられたマスター基板と、第２の基板に弱アンカリングの配向膜が設けられたスレーブ基板とが、それぞれの配向膜側が対向配置され、これら配向膜間にネマティック液晶層が挟持されてなる液晶セルが備えられ、駆動電圧に応じて液晶層の液晶分子の配列が双安定状態のうちいずれかの状態に制御されるようにした液晶表示装置であって、
前記マスター基板側にカラーフィルタが設けられたことを特徴とする。
第２の発明の双安定型ネマティック液晶表示装置は、第１の基板に強アンカリングの配向膜が設けられたマスター基板と、第２の基板に弱アンカリングの配向膜が設けられたスレーブ基板とが、それぞれの配向膜側が対向配置され、これら配向膜間にネマティック液晶層が挟持されてなる液晶セルが備えられ、駆動電圧に応じて液晶層の液晶分子の配列が双安定状態のうちいずれかの状態に制御されるようにした液晶表示装置であって、
前記スレーブ基板は観察側に設けられ、前記マスター基板は観察側と反対側に設けられ、該マスター基板側に反射体が設けられたことを特徴とする。
上記第２の発明の双安定型ネマティック液晶表示装置において、前記マスター基板側にカラーフィルタが設けられていてもよい。
前記スレーブ基板は観察側に設けられ、前記マスター基板は観察側と反対側に設けられ、該マスター基板側に反射体が設けられたことを特徴とする。
上記第２の発明の双安定型ネマティック液晶表示装置において、前記マスター基板側にカラーフィルタが設けられていてもよい。
上記のいずれかの構成の本発明の双安定型ネマティック液晶表示装置において、前記強アンカリングの配向膜と弱アンカリングの配向膜の配向方向は反平行方向とされ、
前記強アンカリングの配向膜は極角方向のアンカリングエネルギーが約１０−３Ｊ／ｍ２以上で、方位角方向のアンカリングエネルギーが１０−４ Ｊ／ｍ２以上とされ、プレティルト角を有するように形成され、前記弱アンカリングの配向膜は極角方向のアンカリングエネルギーが６×１０−５ 〜２×１０−４Ｊ／ｍ２で、方位角方向のアンカリングエネルギーが１×１０−５〜５×１０−５Ｊ／ｍ２とされ、プレティルト角が略０度になるように形成されていることが好ましい。
このアンカリングエネルギーの設定値は、本発明の双安定型ＬＣＤでは重要で、例えば、強アンカリング配向膜（マスター側）では、極角及び方位角方向のアンカリングエネルギーが上記の値よりも大きいとスレーブ基板側に対し配向影響力が強く働きすぎ、双安定が発現しない。また、上記の値よりも小さい時には、所望の配向が得られずやはり安定した双安定状態が取れない。
一方、弱アンカリング配向膜（スレーブ側）では、極角及び方位角方向のアンカリングが上記の値よりも大きすぎると、やはり準安定状態期間の移行が起きず、双安定状態が得られない。また、上記の範囲の値よりも小さい時には、配向が安定しない。
かかる構成の双安定型ネマティック液晶表示装置において、上記液晶セルの上側又は上下の両側に偏光板が設けられ、該偏光板の偏光軸は前記弱アンカリングの配向膜又は強アンカリングの配向方向に対し＋４５度又は−４５度に設定されていることが好ましい。
前記強アンカリングの配向膜は極角方向のアンカリングエネルギーが約１０−３Ｊ／ｍ２以上で、方位角方向のアンカリングエネルギーが１０−４ Ｊ／ｍ２以上とされ、プレティルト角を有するように形成され、前記弱アンカリングの配向膜は極角方向のアンカリングエネルギーが６×１０−５ 〜２×１０−４Ｊ／ｍ２で、方位角方向のアンカリングエネルギーが１×１０−５〜５×１０−５Ｊ／ｍ２とされ、プレティルト角が略０度になるように形成されていることが好ましい。
このアンカリングエネルギーの設定値は、本発明の双安定型ＬＣＤでは重要で、例えば、強アンカリング配向膜（マスター側）では、極角及び方位角方向のアンカリングエネルギーが上記の値よりも大きいとスレーブ基板側に対し配向影響力が強く働きすぎ、双安定が発現しない。また、上記の値よりも小さい時には、所望の配向が得られずやはり安定した双安定状態が取れない。
一方、弱アンカリング配向膜（スレーブ側）では、極角及び方位角方向のアンカリングが上記の値よりも大きすぎると、やはり準安定状態期間の移行が起きず、双安定状態が得られない。また、上記の範囲の値よりも小さい時には、配向が安定しない。
かかる構成の双安定型ネマティック液晶表示装置において、上記液晶セルの上側又は上下の両側に偏光板が設けられ、該偏光板の偏光軸は前記弱アンカリングの配向膜又は強アンカリングの配向方向に対し＋４５度又は−４５度に設定されていることが好ましい。
本発明によれば、弱アンカリングの配向膜が用いられた双安定型ネマティック液晶表示装置であっても、製造し易いマスター基板側にカラーフィルタや反射体等の付加構造を設けるようにしているので、付加構造を設けることによる弱アンカリングの配向膜の劣化を防止でき、低コストで、歩留まりよく製造できる双安定型ネマティック液晶表示装置を実現できる。
以下、本発明の双安定型ネマティック液晶表示装置の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は本発明の実施形態である反射体内蔵型の双安定型ネマティック液晶表示装置の端部を含む部分断面構造を模式的に示した図であり、図２はこの双安定型ネマティック液晶表示装置を上面側から視たときの各電極と対応する駆動回路の接続構造を示す透過平面図であり、図３はこの双安定型ネマティック液晶表示装置の第１と第２の配向膜のそれぞれの配向方向と、偏光板の偏光軸（光軸）との関係を示す分解斜視図である。
図１は本発明の実施形態である反射体内蔵型の双安定型ネマティック液晶表示装置の端部を含む部分断面構造を模式的に示した図であり、図２はこの双安定型ネマティック液晶表示装置を上面側から視たときの各電極と対応する駆動回路の接続構造を示す透過平面図であり、図３はこの双安定型ネマティック液晶表示装置の第１と第２の配向膜のそれぞれの配向方向と、偏光板の偏光軸（光軸）との関係を示す分解斜視図である。
図１において、本発明の反射型の双安定型ネマティック液晶表示装置１は、印加する駆動電圧に応じて液晶分子が，双安定状態、即ちツイスト角０度の均一平行配置とツイスト角１８０度のツイスト配置との間を切り替えることができるものであり（例えば、図６のＡに示すように液晶分子の配列がユニフォームな平行配置Ｕと図８のＡに示すように液晶のツイスト角が１８０度になるようなツイスト配置Ｔとの間を切り替え）、カイラルネマティック液晶層３０を挟持して対向するマスター基板１０Ａと、スレーブ基板２０Ａとをこれら２枚の基板１０、２０の周縁部に環状に設けられたシール材４０で接着一体化した概略構成のものである。
また、この液晶表示装置１には、図２に示すように第１の基板側に設けられた走査電極としての第１の電極層（第１の駆動電極）１５を駆動するための走査電極駆動回路（第１の駆動回路）１５ａと、第２の基板側に設けられた信号電極としての第２の電極層（第２の駆動電極）２５を駆動するための信号電極駆動回路（第２の駆動回路）２５ａと、駆動信号供給手段と電圧制御手段が備えられた制御回路４５が備えられている。
また、この液晶表示装置１には、図２に示すように第１の基板側に設けられた走査電極としての第１の電極層（第１の駆動電極）１５を駆動するための走査電極駆動回路（第１の駆動回路）１５ａと、第２の基板側に設けられた信号電極としての第２の電極層（第２の駆動電極）２５を駆動するための信号電極駆動回路（第２の駆動回路）２５ａと、駆動信号供給手段と電圧制御手段が備えられた制御回路４５が備えられている。
マスター基板１０Ａは、第１の基板（一方の基板）１０の内面側（液晶層側）に反射体７と、カラー表示を行うためのカラーフィルタ１３と、反射体７を被覆して保護するとともに反射体７やカラーフィルタ１３による凹凸を平坦化するためのオーバーコート膜１４と、液晶層３０を駆動するための第１の電極層（電極又はＩＴＯ膜と呼ぶこともある）１５と、絶縁膜からなるトップコート膜（図示略）と、液晶層３０を構成する液晶分子の配向を制御するための第１の配向膜１６とが順に積層形成されている。このマスター基板１０Ａは観察側と反対側に配置されている。
スレーブ基板２０Ａは、透明な第２の基板（他方の基板）２０の内面側（液晶層側）に第２の電極層（電極又はＩＴＯ膜と呼ぶこともある）２５と、トップコート膜（絶縁膜）２４と、第２の配向膜２６とが順に積層形成されている。
スレーブ基板２０Ａは、透明な第２の基板（他方の基板）２０の内面側（液晶層側）に第２の電極層（電極又はＩＴＯ膜と呼ぶこともある）２５と、トップコート膜（絶縁膜）２４と、第２の配向膜２６とが順に積層形成されている。
上記の第１の基板１０と第２の基板２０と、これら基板間に設けられた各構成部材により、液晶セル３５が構成されている。
スレーブ基板２０Ａの液晶層３０側と反対側（第２の基板２０の外面側）には、偏光板２８が設けられている。
スレーブ基板２０Ａの液晶層３０側と反対側（第２の基板２０の外面側）には、偏光板２８が設けられている。
反射体７は、アクリル系レジストなどの感光性樹脂層からなる有機膜（基材）１１と、この有機膜１１上に形成されたＡｌ、Ａｇなどの金属反射膜（金属膜）１２から構成されている。有機膜１１は、その上に形成されている金属反射膜１２に凹凸形状を与えて反射光を効率よく散乱させるために設けられているものである。有機膜１１の表面に、その内面が球面等の一部をなす多数の凹部１２Ａが左右に重なり合うようにして連続して形成されており、その面上に金属反射膜１２が積層されている。このようにして金属反射膜１２に凹凸形状を与えることにより、液晶表示装置１に入射した光を効率よく反射することができるため、反射モードにおける明るい表示を実現することができるようになっている。
また、金属反射膜１２の膜厚は、８０ｎｍ〜３００ｎｍ程度であることが好ましく、８０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であることがより好ましい。
また、金属反射膜１２の膜厚は、８０ｎｍ〜３００ｎｍ程度であることが好ましく、８０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であることがより好ましい。
第１の電極層１５は、ＩＴＯ（Indium tin oxide）などの透明導電膜からなる短冊状の平面形状のものを基板１０上に多数整列形成したものであり、各第１の電極層１５は引き廻し配線１５ｂを介して走査電極駆動回路１５ａに接続されている。同様に第２の電極層２５もＩＴＯなどの透明導電膜からなる短冊状の平面形状のものを基板２０上に多数整列形成したものであり、各第２の電極層２５は引き廻し配線２５ｂを介して信号電極駆動回路２５ａに接続されている。これら駆動回路１５ａ、２５ａは両基板のうち片方にまとめて設けられていてもよいし、第１の基板１０に走査電極駆動回路１５ａが設けられ、第２の基板２０に信号電極駆動回路２５ａが設けられていてもよい。
尚、第１の電極層１５と第２の電極層２５は互いに平面視直角に向くように配置されて上記の液晶表示装置１がパッシブマトリクス型とされている。
尚、第１の電極層１５と第２の電極層２５は互いに平面視直角に向くように配置されて上記の液晶表示装置１がパッシブマトリクス型とされている。
第１の配向膜（一方の基板側の配向膜）１６は、極角方向のアンカリングエネルギーが約１０−３Ｊ／ｍ２以上で、方位角方向のアンカリングエネルギーが１０−４ Ｊ／ｍ２以上の強アンカリングの配向膜で、プレティルト角を有するように形成されている。このような第１の配向膜１６としては、ラビングしたポリイミド膜、斜方蒸着法により形成されたＳｉＯｘ膜からなるものが用いられる。このような第１の配向膜１６の形成方法としては、第１の基板１０の表面にＳｉＯを蒸着する際、第１の基板１０の法線方向から測った蒸着角度が約８０度の条件で行われる。この第１の配向膜１６の膜厚としては、５０〜２００ｎｍ程度とされる。
第１の配向膜１６のプレティルト角は、液晶層３０に用いられる液晶の種類によって異なり、２度から７度程度、好ましくは２度から５度とされる。
第１の配向膜１６のプレティルト角は、液晶層３０に用いられる液晶の種類によって異なり、２度から７度程度、好ましくは２度から５度とされる。
第２の配向膜（他方の基板側の配向膜）２６は、極角方向のアンカリングエネルギーが６×１０−５ 〜２×１０−４Ｊ／ｍ２で、方位角方向のアンカリングエネルギーが１×１０−５〜５×１０−５Ｊ／ｍ２の弱アンカリングの配向膜で、プレティルト角が略０度、好ましくは０度になるように形成されている。
この第２の配向膜２６としては、斜方蒸着法により形成されたＳｉＯｘ膜からなるものが用いられる。このような第２の配向膜２６の形成方法としては、第２の基板２０の表面にＳｉＯを蒸着する際、第１の基板１０の法線方向から測った蒸着角度が約６０度の条件で行われる。この第２の配向膜２６の膜厚としては、５０〜２００ｎｍ程度とされる。
また、第２の配向膜２６の材質としては、上記のＳｉＯｘ膜以外に、グラフト化したポリスチレン膜にラビング処理を施したものを用いてもよく、グラフト化した可とう性の高い高分子鎖により、両基板間の液晶のアンカリングメモリーを完全に除去することが可能である。
第１の配向膜１６と第２の配向膜２６の配向方向は図３のＡ又は図３のＢに示すように反平行方向（１８０度異なる方向）とされている。図３中、ａは第１の配向膜１６の配向方向、ｂは第２の配向膜２６の配向方向である。
この第２の配向膜２６としては、斜方蒸着法により形成されたＳｉＯｘ膜からなるものが用いられる。このような第２の配向膜２６の形成方法としては、第２の基板２０の表面にＳｉＯを蒸着する際、第１の基板１０の法線方向から測った蒸着角度が約６０度の条件で行われる。この第２の配向膜２６の膜厚としては、５０〜２００ｎｍ程度とされる。
また、第２の配向膜２６の材質としては、上記のＳｉＯｘ膜以外に、グラフト化したポリスチレン膜にラビング処理を施したものを用いてもよく、グラフト化した可とう性の高い高分子鎖により、両基板間の液晶のアンカリングメモリーを完全に除去することが可能である。
第１の配向膜１６と第２の配向膜２６の配向方向は図３のＡ又は図３のＢに示すように反平行方向（１８０度異なる方向）とされている。図３中、ａは第１の配向膜１６の配向方向、ｂは第２の配向膜２６の配向方向である。
上記基板界面のアンカリングエネルギーは配向膜−液晶界面の相互作用の度合いを表すパラメータであり、通常「方位角アンカリング」及び「極角アンカリング」の２つがある。これらの値を求める方法としては、従来からいろいろな方法が知られている。例えばトルクバランス法（Y.Iimura,N.Kobayashi and S.Kobayashi : Jpn.Appl.Phys.,33(1994)L189 など）或いは液晶分子長軸が基板配向面に対して水平（ホモジニアス）或いは垂直（ホメオトロピック）に初期配向させた液晶セルに、外部場（電場あるいは磁場）を印加し、液晶セルの複屈折位相差の変化を計測することにより、弾性体理論で表される液晶分子の弾性エネルギーと界面のアンカリングエネルギーおよび外部場によって発生する液晶の誘電または磁気トルクエネルギーとが平衡状態になることを仮定して計算する方法である（例：非特許文献 横山他：２０００年日本液晶学会討論会講演予稿集 １B01(2000)33-34頁, 及び横山他：２００１年日本液晶学会討論会講演予稿集 １PA11(2001)319−320頁など）。
偏光板２８の偏光軸（光軸）は、図３のＡ又は図３のＢに示すようにに示すように第１の配向膜１６の配向方向ａ又は第２の配向膜２６の配向方向ｂに対して±４５度（図３において時計回りの方向を＋、反時計回りの方向を−としている）になるように設定されていることが好ましい。図３中、α１は偏光軸が＋４５度の場合、α２は偏光軸が−４５度の場合である。
液晶層３０は、ネマティック液晶にカイラル剤が添加されてカイラルネマティック相が発現されたものである。上記カイラル剤は、Ｐ＝４ｄ（式中、Ｐはカイラルネマティック相のらせんのピッチ、ｄは液晶セルのギャップ）なる条件を満足する添加量とされていることが優れた双安定動作を実現できる点で好ましい。
液晶層３０の電圧保持率が６０％〜８５％、好ましくは７０％〜８０％にされていることが好ましい。
液晶層３０の電圧保持率が６０％未満では、保持率が低すぎて電圧ロスとなってしまい表示を切り替えることができず、また、消費電流が増加しやすく、８５％を超えると、連続点灯（連続表示）１２時間以上で（液晶材料と配向膜との組み合わせ次第では、６時間程度でも）スイッチング性質の経時劣化が生じ、単一パルスで表示が切り替わりにくくなる。液晶層３０の電圧保持率が６０％〜７０％の範囲では、連続点灯約３０時間まで上記スイッチング性質の経時劣化が生じなくなる。また、液晶層３０の電圧保持率が７０％〜８０％又は８５％では、連続点灯（連続表示）１２０時間でもスイッチング性質変化無く、優れた特性が得られる。
上記のように液晶層３０の電圧保持率を６０％〜８５％の範囲にされていると、長時間にわたって同じパターンを表示しても、液晶層中の不純物が配向膜表面に付着して固定され難くなり、不純物イオン等の電荷の偏りを防止でき、焼き付きを防止でき、表示品質を向上できる。
液晶層３０の電圧保持率が６０％未満では、保持率が低すぎて電圧ロスとなってしまい表示を切り替えることができず、また、消費電流が増加しやすく、８５％を超えると、連続点灯（連続表示）１２時間以上で（液晶材料と配向膜との組み合わせ次第では、６時間程度でも）スイッチング性質の経時劣化が生じ、単一パルスで表示が切り替わりにくくなる。液晶層３０の電圧保持率が６０％〜７０％の範囲では、連続点灯約３０時間まで上記スイッチング性質の経時劣化が生じなくなる。また、液晶層３０の電圧保持率が７０％〜８０％又は８５％では、連続点灯（連続表示）１２０時間でもスイッチング性質変化無く、優れた特性が得られる。
上記のように液晶層３０の電圧保持率を６０％〜８５％の範囲にされていると、長時間にわたって同じパターンを表示しても、液晶層中の不純物が配向膜表面に付着して固定され難くなり、不純物イオン等の電荷の偏りを防止でき、焼き付きを防止でき、表示品質を向上できる。
電圧保持率を上記のような範囲にする方法としては、例えば、液晶層に用いる液晶材料自体の比抵抗を制御する方法及び配向膜の性質を利用する方法が上げられるが、表示素子に使用される液晶材料は通常１０成分以上の単体化合物の混合物であるため、それらの単体化合物の組み合わせやあるいは配向膜材料との組み合わせによる依存性がある。例えば、液晶材料の精製段階でクロマトグラフィにより純度の調整がされるが、このとき保持率が上記の値になるように精製度合いを変える方法が取られる。或いは、混合液晶材料の調整後に混合物の特性を変えない範囲で比抵抗を下げるように微量のドーパント（電荷移動錯体など）を添加する方法も可能である。
一方配向膜材料に関しては、成膜時或いは成膜後の熱処理条件を変える方法などが適用できる。
一方配向膜材料に関しては、成膜時或いは成膜後の熱処理条件を変える方法などが適用できる。
上記液晶層の電圧保持率（ＶＨＲ）は、図４に示すように上記第１の基板側の電極と第２の基板側の電極間に所定の値の駆動電圧（例えば、±５Ｖの固定パルス電圧）を印加した瞬間の電圧をＶ１、次の駆動電圧が印加される直前の電圧をＶ２とし、最初の駆動電圧が印加されるときの時間ｔ１から次の駆動電圧が印加される直前の時間ｔ２の間（例えば１００μsec）の積分値で与えられる面積比Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）であり、Ｓ１ は実際の電圧の波形面積であり、Ｓ２は印加した駆動電圧が１００％保持されたときの波形面積である。電圧保持率測定装置および測定方法については、後で説明する。
上記走査電極駆動回路１５ａは、接続配線４６ａを介して制御回路４５に接続されており、この制御回路４５に設けられた駆動信号供給手段から駆動信号が供給されるようになっている。また、この走査電極駆動回路１５ａには、接続配線４６ｂを介して制御回路４５に接続されており、この制御回路４５に設けられた電圧制御手段から駆動電圧が供給されるようになっている。
上記信号電極駆動回路２５ａは、接続配線４７ａを介して制御回路４５に接続されており、この制御回路４５に設けられた駆動信号供給手段から駆動信号が供給されるようになっている。また、この信号電極駆動回路２５ａには、接続配線４７ｂを介して制御回路４５に接続されており、この制御回路４５に設けられた電圧制御手段から駆動電圧（パルス電圧）が供給されるようになっている。
また、上記制御回路４５は、表示情報出力源と接続されており、また、外部電源または内部電源に接続された電源回路と接続されている。
上記電圧制御手段は、走査電極駆動回路１５ａ、信号電極駆動回路２５ａに駆動電圧を供給して第１と第２の電極層間の液晶を駆動できるようになっている。
また、上記制御回路４５は、表示情報出力源と接続されており、また、外部電源または内部電源に接続された電源回路と接続されている。
上記電圧制御手段は、走査電極駆動回路１５ａ、信号電極駆動回路２５ａに駆動電圧を供給して第１と第２の電極層間の液晶を駆動できるようになっている。
液晶層３０の電圧保持率を測定する装置としては、例えば、図５に示すような株式会社東陽テクニカ製の電圧保持率測定装置（商品名ＶＨＲ−１Ａ型又は１Ｓ型）が好適に用いられる。図５中、符号５２はパルスジェネレータ、５３はファンクションジェネレータ、５４はオシロスコープ、５５はサーキュレータであり、これらはＧＰＩＢ接続によりパーソナルコンピュータ（ＰＣ）５１と接続されている。ジェネレータ５２、５３はＦＥＴサーキット５６に接続されており、このＦＥＴサーキット５６は恒温槽及びシールドボックス５８内に配置された液晶セル３５に接続される。オシロスコープ５４はアンプ５７に接続され、さらにこのアンプ５７はＦＥＴサーキット５６と恒温槽及びシールドボックス５８間に接続されている。サーキュレータ５５は、恒温槽及びシールドボックス５８内に配置された液晶セル３５に接続されている。
このような電圧保持率測定装置を用いて液晶層３０の電圧保持率を測定するには、図４〜図５に示すように液晶セル３５を恒温槽及びシールドボックス５８内に配置し、セル全体の温度が安定するのを待ってから、第１の電極層１５と第２の電極層２５に±５Ｖの固定パルス電圧を印加した瞬間の電圧をＶ１、次のパルス電圧が印加される直前の電圧をＶ２とし、最初のパルス電圧が印加されるときの時間ｔ１から次ぎのパルス電圧が印加される直前の時間ｔ２の間（例えば１００μsec）の積分値で与えられる面積比Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）を求めることで測定できる。
本実施形態の双安定型ネマティック液晶表示装置の動作原理について図６〜図７を用いて説明する。なお、図６〜図７においては上側が強アンカリングの第１の配向膜１６、下側が弱アンカリングの第２の配向膜２６であり、この第２の配向膜側が観察側である。
図６のＡに示すように駆動電圧印加時の液晶層３０（電圧保持率が６０％〜８５％）の液晶分子の配列がユニフォームな平行配置、すなわち、液晶のツイスト角が０度になるような液晶組織になっている場合（偏光板を通って液晶セル内に入った入射光が反射体で反射した光を液晶層（１／４λとなる液晶複屈折層を４５度配置で挟まれている）で偏光方位を９０度に変え、偏光板を通過しないようにして暗表示とする場合）、図６のＢに示すように上記第１、第２の電極層等の駆動パルス印加手段によって液晶層３０にリセットパルスＥｒ１を印加する。このリセットパルスＥｒ１は、第２の配向膜２６のアンカリングをリセットできる大きさＥ２より大きく、第１の配向膜１６のアンカリングはリセットできる大きさＥ１より小さい大きさとすることで、第２の配向膜２６のアンカリングをリセットして、ホメオトロピック配向とする。
次いで、図６のＣに示すように不安定なホメオトロピック配向を解消するために流体力学的流れ、背流（バックフロー）が生じる（なお、パルス電圧Ｅは印加しない状態である。）。これにより第１と第２の配向膜の近傍の液晶分子は互いに反対の方向へと回転し、ベンド配向化し、次いで、ベンド配向からより安定なπツイスト配向の組織に遷移する。
図６のＡに示すように駆動電圧印加時の液晶層３０（電圧保持率が６０％〜８５％）の液晶分子の配列がユニフォームな平行配置、すなわち、液晶のツイスト角が０度になるような液晶組織になっている場合（偏光板を通って液晶セル内に入った入射光が反射体で反射した光を液晶層（１／４λとなる液晶複屈折層を４５度配置で挟まれている）で偏光方位を９０度に変え、偏光板を通過しないようにして暗表示とする場合）、図６のＢに示すように上記第１、第２の電極層等の駆動パルス印加手段によって液晶層３０にリセットパルスＥｒ１を印加する。このリセットパルスＥｒ１は、第２の配向膜２６のアンカリングをリセットできる大きさＥ２より大きく、第１の配向膜１６のアンカリングはリセットできる大きさＥ１より小さい大きさとすることで、第２の配向膜２６のアンカリングをリセットして、ホメオトロピック配向とする。
次いで、図６のＣに示すように不安定なホメオトロピック配向を解消するために流体力学的流れ、背流（バックフロー）が生じる（なお、パルス電圧Ｅは印加しない状態である。）。これにより第１と第２の配向膜の近傍の液晶分子は互いに反対の方向へと回転し、ベンド配向化し、次いで、ベンド配向からより安定なπツイスト配向の組織に遷移する。
図７のＡに示すように液晶層３０（電圧保持率が６０％〜８５％）の液晶のツイスト角が１８０度になるようなツイスト配置の液晶組織になっている場合（偏光板を通って液晶層（液晶層は１８０度捩れることで、光学的等方性に近くなる）に光が入射し、反射偏光が偏光板を通過するようにして明表示とする場合（旋光性は小さく、１０〜３０度））、図７のＢに示すようにリセットパルスＥｒ２を印加する。このリセットパルスＥｒ２は、第２の配向膜２６のアンカリングをリセットできる大きさＥ２より大きく、第１の配向膜１６のアンカリングはリセットできる大きさＥ１より小さい大きさである。
この後、バックフローが起きにくいようにパルスをなだらかに切る。このようにすると、液晶層３０の液晶分子は弾性結合により、基板平面に倒れこみ、図７のＣに示すようにユニフォームな組織へ遷移する。
なお、上記リセットパルスＥ１、Ｅ２ 、Ｅｒ１ 、Ｅｒ２ の大小関係は、Ｅ１＞Ｅｒ１＞Ｅｒ２＞Ｅ２ である。
この後、バックフローが起きにくいようにパルスをなだらかに切る。このようにすると、液晶層３０の液晶分子は弾性結合により、基板平面に倒れこみ、図７のＣに示すようにユニフォームな組織へ遷移する。
なお、上記リセットパルスＥ１、Ｅ２ 、Ｅｒ１ 、Ｅｒ２ の大小関係は、Ｅ１＞Ｅｒ１＞Ｅｒ２＞Ｅ２ である。
本実施形態の双安定型ネマティック液晶表示装置を製造するには、例えば、マスター基板１０Ａとスレーブ基板２０Ａを別個に製造し、これらマスター基板１０Ａとスレーブ基板２０Ａを略環状のシール材４０を介して貼り合わせ、シール材４０に設けられた液晶注入口より基板１０Ａ、２０Ａとシール材４０とで囲まれた空間内に液晶を注入後、注入口を封止して液晶セル３５とし、この液晶セル３５上に偏光板２８を積層する。
本実施形態の双安定型ネマティック液晶表示装置によれば、弱アンカリングの配向膜２６が用いられた双安定型ネマティック液晶表示装置であっても、製造し易いマスター基板側にカラーフィルタ１３や内蔵型反射体７を設けるようにしているので、付加構造を設けることによる弱アンカリングの配向膜１６の劣化を防止できる。従って、本実施形態によれば、カラー表示が可能で、低コストで、歩留まりよく製造できる反射体内蔵型の双安定型ネマティック液晶表示装置を実現できる。
尚、上記実施形態では、本発明の双安定型ネマティック液晶表示装置をパッシブマトリクス型の反射型液晶表示装置に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、透過型や半透過型の双安定型液晶表示装置にも適用可能である。
半透過型にする場合には、観察側と反対側の基板（第１の基板）下面に位相差板及び偏光板の積層体と、光源が配置される。また、この場合、反射体（特に反射膜）には、画素面積に対して所定の面積割合で微細な開口が設けられる。
透過型の場合には、反射体は不要で、観察側と反対側の基板（第１の基板）下面に位相差板及び偏光板の積層体と、光源が配置される。
或いは、反射体をパネル内に内蔵せず、パネル外面（観察側と反対側の基板外面）に反射体を形成したシートを積層することもできる。（この場合、パララックスの点で、下側基板の厚みが薄くされることが望ましい。）
半透過型にする場合には、観察側と反対側の基板（第１の基板）下面に位相差板及び偏光板の積層体と、光源が配置される。また、この場合、反射体（特に反射膜）には、画素面積に対して所定の面積割合で微細な開口が設けられる。
透過型の場合には、反射体は不要で、観察側と反対側の基板（第１の基板）下面に位相差板及び偏光板の積層体と、光源が配置される。
或いは、反射体をパネル内に内蔵せず、パネル外面（観察側と反対側の基板外面）に反射体を形成したシートを積層することもできる。（この場合、パララックスの点で、下側基板の厚みが薄くされることが望ましい。）
１・・・双安定型ネマティック液晶表示装置、１０Ａ・・・マスター基板、１０・・・基板（一方の基板）、１５・・・第１の電極層（電極、走査電極、第１の駆動電極）、１５ａ・・・走査電極駆動回路（第１の駆動回路）、１６・・・第１の配向膜（一方の基板側の配向膜、強アンカリングの配向膜）、２８・・・偏光板、２０Ａ・・・スレーブ基板、２０・・・基板（他方の基板）、２５・・・第２の電極層（電極、信号電極、第２の駆動電極）、２５ａ・・・信号電極駆動回路（第２の駆動回路）、２６・・・第２の配向膜（他方の基板側の配向膜、弱アンカリングの配向膜）、３０・・・液晶層、３５・・・液晶セル、４０・・・シール材、４５・・・制御回路。
Claims (5)
- 第１の基板に強アンカリングの配向膜が設けられたマスター基板と、第２の基板に弱アンカリングの配向膜が設けられたスレーブ基板とが、それぞれの配向膜側が対向配置され、これら配向膜間にネマティック液晶層が挟持されてなる液晶セルが備えられ、駆動電圧に応じて液晶層の液晶分子の配列が双安定状態のうちいずれかの状態に制御されるようにした液晶表示装置であって、
前記マスター基板側にカラーフィルタが設けられたことを特徴とする双安定型ネマティック液晶表示装置。 - 第１の基板に強アンカリングの配向膜が設けられたマスター基板と、第２の基板に弱アンカリングの配向膜が設けられたスレーブ基板とが、それぞれの配向膜側が対向配置され、これら配向膜間にネマティック液晶層が挟持されてなる液晶セルが備えられ、駆動電圧に応じて液晶層の液晶分子の配列が双安定状態のうちいずれかの状態に制御されるようにした液晶表示装置であって、
前記スレーブ基板は観察側に設けられ、前記マスター基板は観察側と反対側に設けられ、該マスター基板側に反射体が設けられたことを特徴とする双安定型ネマティック液晶表示装置。 - 前記マスター基板側にカラーフィルタが設けられたことを特徴とする双安定型ネマティック液晶表示装置。
- 前記強アンカリングの配向膜と弱アンカリングの配向膜の配向方向は反平行方向とされ、
前記強アンカリングの配向膜は極角方向のアンカリングエネルギーが約１０−３Ｊ／ｍ２以上で、方位角方向のアンカリングエネルギーが１０−４ Ｊ／ｍ２以上とされ、プレティルト角を有するように形成され、
前記弱アンカリングの配向膜は極角方向のアンカリングエネルギーが６×１０−５ 〜２×１０−４Ｊ／ｍ２で、方位角方向のアンカリングエネルギーが１×１０−５〜５×１０−５Ｊ／ｍ２とされ、プレティルト角が略０度になるように形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の双安定型ネマティック液晶表示装置。 - 前記液晶セルの上側又は上下の両側に偏光板が設けられ、該偏光板の偏光軸は前記弱アンカリングの配向膜又は強アンカリングの配向方向に対し＋４５度又は−４５度に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の双安定型ネマティック液晶表示装置。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2018173767A1 (ja) * | 2017-03-23 | 2019-03-28 | Dic株式会社 | 帯電インジケータ |
| US11640084B2 (en) | 2020-07-28 | 2023-05-02 | Sharp Kabushiki Kaisha | Liquid crystal display device |
-
2003
- 2003-12-11 JP JP2003413181A patent/JP2005173209A/ja active Pending
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| JP2020008586A (ja) * | 2017-03-23 | 2020-01-16 | Dic株式会社 | 帯電インジケータ |
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