JP2005351953A - 双安定化型液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は配向面に垂直配向及び水平配向のコンビネーションを用いることで双安定性を実現できる双安定化型液晶表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は一対の基板間にネマチック液晶を挟持してなり、一方の基板２に一様な配向処理を施した配向膜７と電極とが形成され、他方の基板３に垂直配向領域９ａ及び水平配向領域９ｂが交互に形成された配向膜９と電極とが形成され、他方の基板に近い位置の液晶分子の配向容易軸の角度を対になる基板間の法線に対して、液晶分子の配向容易軸の一端側を一方の基板側に向けた斜め配向状態か、液晶分子の配向容易軸の一端側を前記他方の基板側に向けた斜め配向状態かを変更し、それぞれの配向状態で双安定する状態を発現可能としてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明はネマチック液晶の安定な２つの配向状態をとることができる双安定化型液晶表示装置に関する。
ネマチック液晶を用いた液晶表示装置は一般に、同一の画像を表示している間においても液晶に対する継続的な電界の印加が必要とされる。従ってこの種の液晶表示装置を備えた携帯電話などの液晶表示装置にあっては、待機時の消費電力が２割にも達すると言われている。このような背景から、同一の画像を表示し、その表示を保持している間は電力の印加が不用なタイプの双安定化型の液晶表示装置の開発競争がなされている。
この種の双安定化型液晶表示装置においてＺＢＤ（Zenithal Bistable Display）と称されている液晶表示装置が広く知られている。このＺＢＤと称されている液晶表示装置は、対になる基板間にネマチック液晶を挟持してなるサンドイッチ構造とされた基本構成であるが、一方の基板の配向膜の界面は垂直配向（若しくは水平配向）とされるが、他方の基板の配向膜の界面は特殊な微細グレーティング形状を設けた構造とされ、そのグレーティング構造の上に更に垂直配向処理が施されている。
図８にこの種のＺＢＤタイプの液晶表示装置の一例の概略構造を示すが、上下の対になる基板１００、１０１の間に液晶が充填され、上基板１００の下面側に１〜２μｍ程度の深さとピッチの凹凸を有する微細な断面三角型のグレーティング部１０３が形成され、上基板１００のグレーティング部１０３の表面に垂直配向処理が施され、下基板１０１上に形成された図示略の配向膜は全面垂直配向領域とされ、上基板１００または下基板１０１の外側に配置される直交偏光子に対してグレーティング部１０３の溝方向（図８の紙面垂直方向）を±４５゜方向として構成されてなる。
以上の構造において図８では略したが、基板１００、１０１の外側にクロスニコルの条件で偏光板を配置することで、図８Ａに示すようにＥ１の方向に（上向き方向に）電気力線を作用させるように駆動パルス電界を印加した場合に表示を暗状態とし、図８Ｂに示すようにＥ２方向に（下向き方向に）電気力線を作用させるように駆動パルス電界を印加した場合に表示を明状態とすることができるように構成され、各駆動パルスが印加された後は電界を取り去ってもそれら２つの各液晶配向状態を保持することができるような双安定構造とされている。
以上の例の如く構成されたＺＢＤタイプの液晶表示装置の基本概念と具体的な構造は、以下の特許文献１、２に開示されている。
特表平９−５０８７１４号公報 特表２００２−５００３８３号公報
先に説明した構造に代表されるＺＢＤ型の液晶表示装置は、微細なミクロンオーダーの大きさの周期的な三角形状であって、しかも、それらの表面に垂直配向性を発現させたグレーティング部１０３を上基板１００の液晶側に形成しなくてはならないが、このような１〜２μｍ程度の微細な周期的な凹凸部を正確な形状に形成し、更にそれらの上に垂直配向性を付与することは現状の成膜技術では技術的に極めて難しい問題がある。従ってこのＺＢＤ型の液晶表示装置は現在、研究用としては登場しているが、大量生産するには不向きであり、量産化のためには種々の技術開発が必要とされている。
また、先の特許文献等によれば、ＺＢＤ型の液晶表示装置として、先の垂直配向状態の２形態ではなく、垂直配向状態と基板に水平なホモジニアス配向状態で双安定性を実現する技術も知られているが、例えばグレーティング部１０３において図８（Ａ）に示すように三角凸部の１つの斜面１０３ａと他の斜面１０３ｂとは方向が異なるので、先のホモジニアス配向状態の液晶配向状態ではどちらかの面に沿う液晶の配向性に分極の面から無理が生じ、例えば配向状態に移る際の液晶の配列の際に液晶の配向状態が右側に倒れてから配向を始めるか、左側に倒れてから配向を始めるのか規定されないので、右向きと左向きで液晶の向きが異なる多数のランダムなドメインを生じてしまい、これらドメインの発生による表示ムラにつながるおそれを有していた。
従って従来から、双安定化型液晶表示装置を実現する場合に、形成が困難な微細グレーティング構造を形成することなく、液晶分子の双安定化構造を実現できることが望まれていた。
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、従来構造では必要であった微細グレーティング部を無くした構造を採用しても双安定性を実現できる双安定化型液晶表示装置を提供することを目的とする。また、本発明ではドメインなどの発生が無く、製造が容易で、双安定化が可能な双安定化型液晶表示装置の提供を目的とする。
本発明は、一対の基板間にネマチック液晶を挟持してなる液晶表示装置であって、前記一対の基板のうち、一方の基板に一様な傾斜配向処理を施した配向膜と液晶駆動用の電極とが形成され、他方の基板に垂直配向領域及び水平配向領域が交互に形成された配向膜と液晶駆動用の電極とが形成されるとともに、前記一方の基板の電極と他方の基板の電極から、前記一方の基板側に向かう電気力線を発生させるように電界を印加する場合と、前記他方の基板側に向かう電気力線を発生させるように電界を印加する場合とで、前記他方の基板に近い位置の液晶分子の配向容易軸の角度を対になる基板間の法線に対して、液晶分子の配向容易軸の一端側を一方の基板側に向けた斜め配向状態か、液晶分子の配向容易軸の一端側を前記他方の基板側に向けた斜め配向状態かを変更し、それぞれの配向状態で双安定する状態を発現可能としてなることを特徴とする。
本発明は、一対の基板間にネマチック液晶を挟持してなる液晶表示装置であって、前記一対の基板のうち、一方の基板に一様な傾斜配向処理を施した配向膜が形成され、他方の基板に垂直配向領域及び水平配向領域が交互に形成された配向膜が形成され、前記対になる基板の少なくとも一方に横電界発生用の液晶駆動用の電極が形成されるとともに、
前記液晶駆動用の電極から前記交互に形成された垂直配向領域と水平配向領域に沿う方向に横電界を印加する場合と、先の方向と逆方向に横電界を印加する場合とで、前記他方の基板に近い位置の液晶分子の配向容易軸の角度を対になる基板間の法線に対して、液晶分子の配向容易軸の一端側を一方の基板側に向けた斜め配向状態か、液晶分子の配向容易軸の一端側を前記他方の基板側に向けた斜め配向状態かを変更し、それぞれの配向状態で双安定する状態を発現可能としてなることを特徴とする。
ネマチック液晶は一般にくさび形液晶分子あるいはバナナ型液晶分子などの異形の液晶分子の集合体として定義されるが、ネマチック液晶に歪が付加されていない通常状態ではこれら種々の異形形状の液晶分子の広い部分と狭い部分が互いに入り込み、ネマチック液晶は、見かけ上は双極子モーメントが打ち消された状態として安定状態を保持している。 しかし、これら種々の形状の液晶分子の集合体としてのネマチック液晶の配向状態にスプレイ（広がり）やベンドのような歪が作用すると、双極子モーメントに偏りが生じ、結果として分極が生じ、この現象をフレクソエレクトリック効果による分極現象と称することができる。そして、このフレクソエレクトリック効果による分極の大きさは、くさび形液晶分子のスプレイ変形による自発分極の値と、バナナ型液晶分子のベンド変形による自発分極の値の合計値から導き出すことができる。
即ち、スプレイ変形やベンド変形を負荷したネマチック液晶は自発分極を有するので、このネマチック液晶に所定の電界を印加すると、自発分極に応じた特定の配向状態をネマチック液晶がとるようになる。この自発分極による作用を利用し、一対の基板間に挟持されている液晶を両基板の配向膜で適正な自発分極が生じる状態に配向させておけば、ネマチック液晶が発現させた自発分極に応じて電界の印加条件を選択し、電界の印加条件を変えることで、ネマチック液晶に双方向安定性を発現できるようになる。そして、一端電界により配向させた先の特定配向状態のネマチック液晶は、電界を取り去っても自発分極の状態を維持することが安定であるために、その状態を保持しようとし、他の状態に変更するためには他の向きの特別な電界の印加を必要とする。
先の双安定化状態を実現させるためには、一方の基板の配向膜に一様な傾斜配向処理を施し、他方の基板に垂直配向領域と水平配向領域を交互に形成し、ネマチック液晶に歪を与えて自発分極を発現させた状態で、両方の基板の電極から、基板に垂直方向で一方の基板に向く電気力線を発生させた場合か、他方の基板に向く電気力線を発生させた場合に、ネマチック液晶の自発分極に基づく２つの安定化配向状態を切り替えることができ、双安定性を発現させることが可能となる。
また、印加する電界の向きは先の２つの方向に限るものではなく、対になる基板間にネマチック液晶が封入された構造において基板面方向で異なる２方向、即ち、横電界を２方向に切り替える方式であっても良い。
本発明は、前記ネマチック液晶にフレクソエレクトリック効果によるフレクソエレクトリック分極が与えられ、該フレクソエレクトリック分極によるトルク及び配向流動効果によるトルクによって生じる双安定状態の変更が可能とされたことを特徴とする。
このフレクソエレクトリック分極によるトルクにより、印加した電界に応じて２つの安定状態を発現する双安定性を発現できるが、電界に応じて配向した液晶による配向流動効果も生じて全ての液晶が円滑に目的の配向性を示す。この配向流動効果により電極を設けた部分以外の領域に存在する液晶も円滑に流動配向して液晶全体において双安定性を発現できる。このフレクソエレクトリック分極によるトルク作用並びに配向流動効果による配向規制力は液晶分子を一様に配向させるために十分な規制力を有するので、微細なグレーティング部を設けることで双安定性を実現していたＺＢＤタイプの液晶表示装置に比べてグレーティング部を設ける必要はなくなり、垂直配向領域と水平配向領域の交互形成構造で良くなり、そのため構造を簡略化できて製造が容易になるとともに、ＺＢＤタイプの液晶表示装置で生じるおそれのあったマルチドメイン形成による表示不良の問題も解決できるタイプの双安定化液晶表示装置を提供できる。
本発明は、前記他方の基板に交互形成された垂直配向領域と水平配向領域の交互形成方向に沿ってあるいは前記交互形成方向と直角な方向に沿って、前記他方の基板側の配向膜にラビング処理が施されてなることを特徴とする。
そして、垂直配向領域と水平配向領域の配置状態はそれらの領域の幅とピッチを１〜１０μｍの範囲、好ましくは１〜２μｍの範囲とする。これらの垂直配向領域と水平配向領域の配置状態は、両方の領域の合計面積がほぼ同等であれば任意の配置で良く、ストライプ状の交互配置、碁盤目状あるいは格子状の交互配置、液晶のカラーフィルタ用の配置として一般に知られているストライプ配置やモザイク配置などの配置形態、あるいはランダム配置形態や乱数配置形態等のいずれでも良い。
本発明は、前記一方の基板の一様な配向処理を施した配向膜のプレチルト角が４５±５゜の範囲とされ、前記他方の基板の配向膜の水平配向領域のプレチルト角が２０±５゜とされてなることを特徴とする。
双安定性を確実に得るための配向膜のプレチルト角としてこれらの角度を例示することができる。
本発明は、前記他方の基板において垂直配向領域と水平配向領域とが、個々にストライプ状に形成されて、それらの各領域が前記基板の面方向に沿って交互に配列されてなる構造を採用できる。
本発明は、前記他方の基板において垂直配向領域と水平配向領域とが、個々に矩形状に形成されて、それらの各領域が前記基板の面方向に沿って交互に配列されてなる構造を採用できる。
前記他方の基板において垂直配向領域と水平配向領域の状態は、ストライプ状で交互配置、碁盤目状や格子状で交互配置、ランダム交互配置など、いずれの形態でも良いが、垂直配向領域の合計面積と水平配向領域の合計面積をほぼ同等にすることで、配向ムラやドメインを生じ難い双安定化型液晶表示装置とすることができる。
本発明は、前記基板の外側に光学補償フィルムが配置され、前記他方の基板の水平配向領域での液晶の配向方向と前記光学補償フィルムの偏光軸の方向が±４５度交差状態とされてなる構成を採用できる。
本発明は、一方の基板の配向膜に一様な傾斜配向処理を施し、他方の基板の配向膜に垂直配向領域及び水平配向領域を交互に形成したので、垂直配向領域及び水平配向領域を交互に形成した配向膜の直近の液晶分子を垂直配向状態と水平配向状態に交互に配向規制することでフレクソエレクトリック分極を生じさせることができるが、これら交互に配向規制された垂直配向領域直近の液晶分子と水平配向領域直近の液晶分子が電界の作用も受けて相互作用を及ぼし合い、垂直配向状態の配向膜と水平配向状態の配向膜から離れるにつれてこれらの領域に対応する位置の液晶分子は他方の基板の配向膜全域において、電界の切り替えにより配向容易軸の角度を対になる基板間の法線に対して＋β゜あるいは−β゜とした２つの状態で双安定性を発現し得る、双安定化型液晶表示装置を提供することができる。
これにより、双安定化型液晶表示装置として知られている従来のＺＢＤ型の液晶表示装置に必要とされていた微細なサブミクロンオーダーの大きさの周期的な三角形状の凹凸部を形成しなくとも、電界の印加状態の変更で切り替えが可能な双安定化型液晶表示装置を提供することができる。
次に、本発明に係る液晶表示装置の第１の実施形態について図面を参照して説明する。
なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするために各構成要素の厚さや寸法等の比率などは適宜異ならせて示してある。
図１は本発明に係る液晶表示装置の構成略図、図２は同液晶表示装置の配向膜と液晶分子の第１の安定配向状態の１つの例を示す説明図、図３は同液晶分子の第２の安定配向状態の１つの例を示す説明図である。
図１に示す液晶表示装置Ｅは、ネマチック液晶からなる液晶層１を挟持して対向するガラスや樹脂などからなる第１の基板２と第２の基板３とをシール材４で接合一体化して構成されている。前記第１の基板２の液晶層１側の面に表示回路６と配向膜７が順に積層されており、前記第２の基板３の液晶層１側の面には、それぞれ表示回路８と配向膜９が形成されている。
図１に示す液晶表示装置Ｅにおいては、液晶表示装置としての要部のみを記載しているが、この液晶表示装置Ｅを反射型の液晶表示装置とする場合は第１の基板２側に金属反射膜などの反射面を設けて構成し、セルギャップを反射型に要求される値として必要に応じて位相差板や偏光板を設けて構成する。この液晶表示装置Ｅを透過型の液晶表示装置とする場合は第１の基板２を透明基板として、その裏面側にバックライトを設けて構成し、セルギャップを透過型に要求される値として必要に応じて位相差板や偏光板を設けて構成すれば良い。
また、図１に示す表示回路６、８には、図示されていないが液晶層１の液晶分子を駆動するための透明導電膜あるいは金属反射膜等からなる電極層を形成し、液晶分子に駆動用の電界を印加できるように構成する。ここでの電極層の形状は、パッシブタイプの液晶表示素子とするならば第１の基板２側にストライプ電極を複数配列形成し、第２の基板３側に先のストライプ電極と９０゜交差する方向に別途ストライプ電極を複数配列形成してなる構成とする。また、アクティブタイプの液晶表示素子とするならば表示回路６、８のいずれかにアクティブ素子としての薄膜トランジスタや薄膜ダイオード素子と画素電極を画素毎に設け、残りの表示回路側に共通電極を設け、画素毎に液晶分子を駆動することができる構成とすることもできる。これら基板２、３間での対向電極構造であれば、基板２側から基板３側に向く電気力線を発生させるような印加電界と、基板３側から基板２側に向く電気力線を発生させるような印加電界を必要に応じて切り替えることができる。
更に、図１に示す基板３側の表示回路８を略して構成し、基板２側に設ける電極を複数の櫛刃状の電極が所定間隔離間して対向配置された形態の横電界発生用の電極構成としても良い。この横電界発生用の電極構成であれば、基板２あるいは基板３の面方向のうち、いずれかの一方向向きに電気力線を発生させる第１の横電界と、先の方向と反対方向（１８０゜反対方向）向きに電気力線を発生させる第２の横電界とを適宜切り替えて発生できるように構成することができ、先の第１の横電界と、第２の横電界を切り替えることができるように構成して目的を達成できるようにしても良い。
なお、先のいずれかの電極構成において、場合によってはカラー表示を行うためのカラーフィルタなどを第１の基板２側あるいは第２の基板３側に適宜配置形成してカラー表示タイプの液晶表示装置としても良いのは勿論である。
本発明ではこれらの電極や表示回路、駆動素子、カラーフィルタ有無の形態を問わず、いずれの形態の液晶表示装置にも適用することができるので、図１では液晶表示装置としての基本構成である液晶層１と基板２、３とシール材４と表示回路６、８と配向膜７、９のみを示している。
本実施形態の液晶表示装置Ｅにおいて特徴的な１つの点は、第１の基板２側の配向膜７の液晶層１側の全面が一様な傾斜配向領域となるように形成され、第２の基板３側の配向膜９が図１の左右方向に沿って交互にストライプ状の垂直配向領域９ａと水平配向領域９ｂとが配列するように形成されている点にある。
これらの垂直配向領域９ａと水平配向領域９ｂは、この形態では一例として図１の紙面垂直方向に伸びるストライプ状領域の集合構造として形成され、配向膜９としての全体のラビング方向は図１の紙面左右方向で右側に向かう方向（各領域のストライプ方向と直交する方向：図のＲ１方向）にされている。なお、このラビング方向は図１の紙面左右方向で左側に向かう方向（図１のＲ１方向と１８０゜異なる方向）でも差し支えない。
これらストライプ状の垂直配向領域９ａと水平配向領域９ｂの幅は、いずれも好ましくは１〜１０μｍ程度の範囲、より好ましくは１〜２μｍの範囲とされている。なお、先のラビング方向は先のＲ１方向に対して垂直な方向（９０゜異なる方向）でも良いが、そのように構成する場合の構造については後述する。
また、第１の基板２側の配向膜７に対するネマチック液晶のプレチルト角Ｐ２は、液晶の弾性定数、配向膜７のアンカリング強度、配向膜９における水平配向部分のプレチルト角及び配向膜９における水平配向部分と垂直配向部分それぞれのアンカリング強度により若干変動するが、概して２０゜前後、若しくは７０゜前後が好ましい。ここで２０゜前後とは、２０゜±５゜の範囲、あるいは７０゜±５゜の範囲を意味する。
図２と図３に示す構造例は、配向膜７に対するネマチック液晶のプレチルト角Ｐ２を２０゜前後の場合とした構造を示し、配向膜７に対するネマチック液晶のプレチルト角Ｐ２を７０゜前後の場合とした構造は図５に示し、図５の構成については後述する。
図２、図３に示す構成において、図２Ａと図３Ａは上下の配向膜７、９とそれらの間に位置する液晶分子の電界印加時の代表的なものの方向を示し、図２Ｂと図３Ｂは配向膜９の直近の電界印加時の液晶分子の配向状態を示している。図２Ａ、図３Ａにおいて、第２の基板３側の配向膜９における水平配向領域におけるネマチック液晶のプレチルト角は、０゜あるいはそれに近い角度範囲０〜５゜程度が望ましく、垂直配向領域におけるネマチック液晶のプレチルト角は９０゜あるいはそれに近い角度範囲８５〜９０゜程度が望ましい。
これらの各構成の第２の基板３側の配向膜９の近傍の平均的な液晶分子１ｅの配向容易軸は、図２Ａ、図２Ｂに示す場合はほぼ＋４５゜になるように、図３Ａ、図３Ｂの場合は−４５゜になるように、液晶の弾性定数、界面アンカリング強度が適宜選択される。
また、図２、図３に示す例では、第２の基板３側の配向膜９における水平配向領域の配向容易軸はストライプ状の各領域の長さ方向と垂直（図２、図３のＲ１方向と平行）とされているとともに、第１の基板２側の配向膜７における一様な傾斜配向領域の配向容易軸（ラビング方向）もストライプ状の各領域の長さ方向と垂直（図２、図３のＲ１方向と平行）とされている。
ここで第２の基板３側の配向膜９における水平配向領域の配向容易軸（ラビング方向）をストライプ状の各領域の長さ方向と平行に設定しても良く、その場合は第１の基板２側の配向膜７の配向容易軸（ラビング方向）もストライプ状の各領域の長さ方向と平行になるように配置すればよい。
図２Ａ、図３Ａに示す例では説明の簡略化のために第２の基板３側の配向膜９における水平配向領域の配向容易軸をストライプ状の各領域の長さ方向に垂直（Ｒ１方向）とした場合の構成のみを図示している。
前記配向膜７、９の構成材料は例えばポリイミド、ＳｉＯ２の斜方蒸着膜、レシチン系あるいはシラン系樹脂などからなる。これらの配向膜にはプレチルト角１〜２゜のものから、プレチルト角８８゜程度のものまで種々のバリエーションで存在するので、これらを適宜用いることができる。
以上の構成の液晶表示装置Ｅにおいて上下の表示回路６、８に設けられる電極から、図２Ａに示すように左向きの電気力線Ｅ１あるいは第１の基板２側の配向膜７側に向かって第２の基板３側の配向膜９側から向かう電気力線Ｔ１（下向きの電気力線）を発生させる電界を印加した場合、配向膜７、９間のネマチック液晶の各液晶分子は図２Ａ、図２Ｂに示すように配向する。
例えば、図２Ａに示すように配向膜７に近い液晶分子１ａの配向方向はＲ１方向に沿ってそのプレチルト角Ｐ２は基板７に対して約−２０゜となり、液晶層１の厚さ方向中央部側付近までの液晶分子１ｂはほぼ水平となり、それよりも第２の基板３側の配向膜９に近い液晶分子１ｃは若干傾斜した状態、それよりも第２の基板３側の配向膜９に近い液晶分子１ｄは約＋３０゜傾斜した状態、それよりも第２の基板３側の配向膜９に近い液晶分子１ｅは約＋４５゜のプレチルト角度で傾斜したホモジニアス状態となる。なお、図２Ａに示す如く液晶分子がラビング方向Ｒ１方向に沿って配向しながら左上向き（右下向き）に約＋４５゜のプレチルト角を発現している状態を液晶分子容易軸の＋４５゜配向状態と称する。
ここで配向膜９に近い位置の液晶分子１ｅが一様に＋４５゜に近いプレチルト角度で配向する理由について図２Ｂを基に以下に説明する。
配向膜７と配向膜９の間に存在している多数の液晶分子において最も配向膜９に近い位置に存在している液晶分子は図２Ｂに拡大して示すように、垂直配向領域９ａの配向膜直近においては垂直配向状態、水平配向領域９ｂの配向膜直近においては水平配向状態となっている。ところが、配向膜９から少し離れた位置（数分子程度離れた位置）に存在する液晶分子は垂直配向領域９ａにおいては隣接する水平配向領域９ｂの影響と電界の影響、即ち、フレクソエレクトリック分極によるトルク及び配向流動効果によるトルクによって生じる影響により、垂直配向領域９ａではその両側、即ち水平配向領域９ｂ側の液晶分子が若干垂直配向状態から傾斜配向状態となる。また、同様に、配向膜９から少し離れた位置（数分子程度離れた位置）に存在する液晶分子は、水平配向領域９ｂにおいては隣接する垂直配向領域９ａの影響と電界の影響、即ち、フレクソエレクトリック分極によるトルク及び配向流動効果によるトルクによって生じる影響により、水平配向領域９ｂではその両側、即ち垂直配向領域９ａ側の液晶分子が若干水平配向状態から傾斜配向状態となる。
このようなフレクソエレクトリック分極によるトルク及び配向流動効果によるトルクによって生じる影響により、配向膜９から少し離れた位置（数分子程度離れた位置）にある液晶分子１ｅは一様に＋４５゜のプレチルト角で配向する。
図２Ａではこの位置の液晶分子１ｅが配向膜９に最も近い液晶分子として記載されているが、詳細には図２Ｂに示すように配向膜９から離れるにつれて液晶分子の配向性が徐々に変更されて液晶分子１ｅは一様に＋４５゜のプレチルト角で配向される。このように液晶分子が配向されるのは、図２Ａに示す場合の如く左向きの横電界を印加した場合あるいは下向きの縦電界を印加した場合では同等であり、いずれの電界を印加しても図２Ａに示す配向状態となる。即ち、液晶のフレクソエレクトリック分極の方向が図２Ａの場合に左向きで若干下向きとされていることに起因する。
ここで実際の液晶分子の大きさを考察すると、平均的な液晶分子１個あたりの長さは２ｎｍ程度、その幅は長さの１／３〜１／１０程度でサブナノメータ程度であるので、セルギャップ数μｍの基板２、３間の中には縦に並べたとしても数万個の液晶分子が存在するので、その中の配向膜９から数層程度の領域では図２Ｂに示す配向メカニズムが存在し、これが原因となって液晶分子１ｅは一様に＋４５゜の角度＋β（基板２、３に対する垂線、即ち基板２，３に対する法線Ｈに対し、図２Ａに示す液晶分子の配向容易軸の右端側を配向膜７側に向け、左端側を配向膜９側に向けて傾斜した配向状態）で配向規制されることになる。
図２Ａに示す状態で液晶分子１ａ〜１ｄは安定化され、電極からの電界を取り去った後も図２Ａに示す状態を保持するので、図２Ａに示す配向状態が第１の安定化状態とされ、配向膜７と配向膜９の間に存在する液晶分子１ａ〜１ｅはここではスプレイ配向状態とされる。なお、配向膜７と配向膜９の間に存在する液晶分子１ａ〜１ｅはラビング方向に揃うので平面視した場合のこれら全ての液晶分子１ａ〜１ｅはラビング方向Ｒ１に沿う方向に揃えられている。
次に、図２Ａに示す配向状態に対し、液晶表示装置Ｅにおいて上下の表示回路６、８に設けられる電極から、図３Ａに示すように右向きの横電界Ｅ２あるいは第２の基板３側の配向膜９側に向かって第１の基板２側の配向膜７側から向かう電気力線Ｔ２を発生させる電界を印加した場合、ネマチック液晶の各液晶分子は図３Ａに示すように配向する。
例えば、配向膜７に近い液晶分子１ａのプレチルト角は、配向膜７に対して約−２０゜となるが、液晶層１の厚さ方向中央部側付近までの液晶分子１ｂは約−３０゜となり、それよりも第２の基板３側の配向膜９に近い液晶分子１ｃは約−３５゜となり、それよりも第２の基板３側の配向膜９に近い液晶分子１ｄは−４０゜程度傾斜した状態、それよりも第２の基板３側の配向膜９に近い液晶分子１ｅは−４５゜に近いプレチルト角度で傾斜した配向状態となる。この図３Ａに示す状態で液晶分子１ａ〜１ｅは安定化され、電極からの電界を取り去った後も図３Ａに示す状態を保持するので、図３Ａに示す配向状態が第２の安定化状態とされる。
ここで配向膜９に近い側の液晶分子１ｅが一様に−４５゜に近い角度で配向する理由について図３Ｂを基に以下に説明する。
配向膜７と配向膜９の間に存在している多数の液晶分子において最も配向膜９に近い位置に存在している液晶分子は図３Ｂに示すように、垂直配向領域９ａの配向膜直近においては垂直配向状態、水平配向領域９ｂの配向膜直近においては水平配向状態となっている。ところが、配向膜９から少し離れた位置に存在する液晶分子は垂直配向領域９ａにおいては隣接する水平配向領域９ｂの影響と電界の影響、即ち、フレクソエレクトリック分極によるトルク及び配向流動効果によるトルクによって生じる影響により、垂直配向領域９ａではその両側、即ち水平配向領域９ｂ側の液晶分子が若干垂直配向状態から傾斜配向状態となる。また、同様に、配向膜９から少し離れた位置に存在する液晶分子は、水平配向領域９ｂにおいては隣接する垂直配向領域９ａの影響と電界の影響、即ち、フレクソエレクトリック分極によるトルク及び配向流動効果によるトルクによって生じる影響により、水平配向領域９ｂではその両側、即ち垂直配向領域９ａ側の液晶分子が若干水平配向状態から傾斜配向状態となる。このようなフレクソエレクトリック分極によるトルク及び配向流動効果によるトルクによって生じる影響により、配向膜９から少し離れた位置にある液晶分子１ｅは一様に−４５゜のプレチルト角で配向する。
図３Ａではこの位置の液晶分子１ｅが配向膜９に最も近い液晶分子として記載されているが、詳細には図３Ｂに示すように配向膜９から離れるにつれて液晶分子の配向性が徐々に変更されて液晶分子１ｅは一様に−４５゜のプレチルト角で配向される。このように液晶分子が配向されるのは、図３Ａに示す場合の如く右向きの横電界を印加した場合あるいは上向きの縦電界を印加した場合では同等であり、いずれの電界を印加しても図３Ａに示す配向状態となる。即ち、液晶のフレクソエレクトリック分極の方向が図３Ａの場合に右向きで若干上向きとされていることに起因する。
ここで実際の液晶分子の大きさを考察すると、平均的な液晶分子１個あたりの長さは２ｎｍ程度、その幅は長さの１／３〜１／１０程度でサブナノメータ程度であるので、セルギャップ数μｍの基板２、３間の中には縦に並べたとしても数万個の液晶分子が存在するので、その中の配向膜９から数層程度の領域では図３Ｂに示す配向メカニズムが存在し、これが原因となって液晶分子１ｅは一様に−４５゜の角度−β（基板２、３に対する垂線、即ち基板２，３に対する法線Ｈに対し、図３に示す液晶分子の配向容易軸の右端側を配向膜９側に向け、配向容易軸の左端側を配向膜７側に向けて傾斜した配向状態）で配向規制されることになる。
図３Ａに示す状態で液晶分子１ａ〜１ｄは安定化され、電極からの電界を取り去った後も図３Ａに示す状態を保持するので、図３Ａに示す配向状態が第２の安定化状態とされ、配向膜７と配向膜９の間に存在する液晶分子１ａ〜１ｅはここではスプレイ配向状態ではなくなる。なお、配向膜７と配向膜９の間に存在する液晶分子１ａ〜１ｅはラビング方向に揃うので平面視した場合のこれら全ての液晶分子１ａ〜１ｅはラビング方向Ｒ１に沿う方向に揃えられている。
以上の説明から、図２Ａに示す状態と図３Ａに示す状態において配向膜９に近い側の液晶分子１ｅを例えば印加する電界の方向により＋４５゜方向と、−４５゜方向とで切り替えることができ、配向膜９に近い側の液晶分子１ｅに、液晶分子の向きが９０゜異なる２つの安定化状態を実現できたことになり、双安定性を実現できたことになる。
次に、前述の如き電気力線Ｅ１あるいはＥ２を発生させる電界、あるいは下向きか上向きの電気力線Ｔ１あるいはＴ２を発生させる電界によりネマチック液晶が第１の配向状態と第２の配向状態をとる場合の配向規制力の発生機構について説明する。
ネマチック液晶は一般に図４に示すようなくさび形液晶分子１０あるいはバナナ型液晶分子１１などに代表される異形の種々の液晶分子の集合体として定義されるが、ネマチック液晶に歪が付加されていない通常状態ではこれら種々の異形形状の液晶分子の広い部分（分子構造の広がった部分）と狭い部分（分子構造の尖った部分）が互いに入り込み、ネマチック液晶は、見かけ上は双極子モーメントが打ち消された状態として安定状態を保持し、分極Ｐは０となっている。しかし、これら種々の形状の液晶分子の集合体としてのネマチック液晶の配向状態にスプレイ（広がり）やベンドのような歪が作用すると、双極子モーメントに偏りが生じ、結果として分極Ｐが生じ、この現象をフレクソエレクトリック効果による分極現象と称することができる。
そして、このフレクソエレクトリック効果による分極Ｐの大きさは、ネマチック液晶においては、くさび形液晶分子１０のスプレイ変形による自発分極Ｐの値と、バナナ型液晶分子のベンド変形による自発分極Ｐの値の合計値から導き出すことができ、その値がネマチック液晶の分極を支配する。
これらの状態を理解しやすいように記載したのが図４であり、スプレイ変形による歪をくさび形の液晶分子１０の集合体に印加すると、図４のＰ３に示すような自発分極Ｐを生じ、ベンド変形をバナナ型の液晶分子１１の集合体に印加すると図４のＰ４に示すような自発分極を生じる。即ち、スプレイ変形やベンド変形を負荷したネマチック液晶は、自発分極Ｐ３＋自発分極Ｐ４に近似する合計値としての自発分極Ｐの値を有するので、このネマチック液晶に所定の横電界Ｅ１あるいはＥ２を印加すると、または、下向きの電界Ｔ１あるいは上向きの電界Ｔ２を印加すると、自発分極Ｐの値や方向に応じた特定の配向状態をネマチック液晶が自然にとるようになり、即ち、フレクソエレクトリック効果によるトルクが発生して液晶分子がそのトルクの影響を受けて配向し、その状態が安定化する。
また、フレクソエレクトリック効果により発生するトルクは隣接する他の液晶分子にも配向流動性によって容易に伝播し、また、フレクソエレクトリック効果によるトルクにより配向を生じた液晶分子に隣接する他の液晶分子にも、先のフレクソエレクトリック効果によるトルクにより配向を生じた液晶分子のフローが伝搬して他の液晶分子も順次同様に配向してゆくことで全体の液晶分子を規定の配向状態にすることができる。
また、この液晶分子フローに伴う流れのトルクにより伝搬して他の液晶分子が配向方向を変える場合、他の液晶分子は同じ方向のフローに従って配向しようとするので、従来のＺＢＤ型の液晶表示装置で生じる可能性のあった、多数のドメインの発生は、本形態の液晶表示装置Ｅでは発生しない。従ってドメインを生じない表示の綺麗な配向状態を得ることができる。
先に説明した自発分極によるトルク作用を利用し、一対の基板間に挟持されている液晶を両基板の配向膜で適正な自発分極Ｐが生じる状態に配向させておけば、即ち、図２あるいは図３を基に先に説明したような配向状態にしておけば、ネマチック液晶が発現させる自発分極Ｐに応じて電界の印加条件を選択し、ネマチック液晶に双方向安定性を発現できるようになる。
そのためには、先に説明しように一方の基板２の配向膜７に一様な配向処理、例えば傾斜配向処理を施し、他方の基板３の配向膜９に垂直配向領域９ａと水平配向領域９ｂを交互に形成し、ネマチック液晶に自発分極Ｐを発現させた状態で、両方の基板の電極から、基板に垂直方向で一方の基板２側に向く下向きの電気力線Ｔ１を発生させた場合か、他方の基板３に向く上向きの電気力線Ｔ２を発生させた場合に、ネマチック液晶に双安定性を発現させることが可能となる。あるいは、横電界を印加する場合であれば、一方の基板に対になるように設けた櫛刃状の対向電極から図２Ａに示す左向きの横電界Ｅ１か、右向きの横電界Ｅ２を印加すれば良い。
そして、図１〜図３では略したが、基板２、３の外部にクロスニコル状態の偏光板を配置して図２に示す状態と図３に示す状態で光の透過状態を切り替えることで、明状態と暗状態を切り替えることができ、液晶表示装置Ｅとして透過光あるいは反射光を透過させるか遮断するかを切り替える明暗の表示切り替えを行うことができる。
その場合、先に説明したフレクソエレクトリック効果による自発分極Ｐの生成は極めて高速に作用するので、レスポンスの早い切り替えができる。また、この構成の液晶表示装置Ｅは明暗表示の切り替えが早いので、書き換えの早い電子ペーパー装置などの表示に有効である。また、電界を除去しても図２と図３に示す配向状態を維持するので、配向状態を一端変更した後に電界を印加する必要が無くなり、図２あるいは図３に示す配向状態を維持する場合に低消費電力化できる特徴を有する。
以上説明した如く構成された液晶表示装置Ｅにあっては、従来のＺＢＤタイプの液晶表示装置で必要であった上基板側の断面三角型のミクロンオーダーのグレーティングは必要なくなり、基板３側に垂直配向領域９ａと水平配向領域９ｂを交互に配置した配向膜９を設ければ良いので、極めて容易に製造することができる。
図５Ａ、図５Ｂは本発明に係る液晶表示装置における第２実施形態を示すもので、この第２実施形態の構成は先の第１実施形態の構成において、基板２側に設けられる配向膜７１に対するネマチック液晶のプレチルト角Ｐ２を７０゜前後の場合とした形態に関する。
この形態の構造においても配向膜９とその直近の液晶分子とそれに近い側の液晶分子１ｅまでの配向状態と配向方向は先の形態の場合と同等である。
この形態では液晶分子１ｅよりも配向膜７１に近い側の液晶分子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの配向状態が先の形態と異なる。
一様に７０゜前後のプレチルトを付与した配向膜７１に近い側の液晶分子は配向膜７に近づくにつれて起立した状態から徐々に傾斜した状態となり、液晶分子１ｅでは先の形態の図２Ａに示す状態と図３Ａに示す状態となり、図５Ａに示す第１の安定化状態と図５Ｂに示す第２の安定化状態で双安定性を発現する。
図６と図７は有限要素法を用いた液晶分子配向状態のシミュレーション結果を示すもので、図６に示す１８０゜と記載した上のラインＬ１は水平配向領域の配向膜を示し、その右側の複数本の縦ラインＬ２は垂直配向領域の配向膜を示し、それらの上に存在する液晶の向きを示し、図７に示す１８０゜と記載した上のラインＬ３は水平配向領域の配向膜を示し、その右側の複数本の縦ラインＬ４は垂直配向領域の配向膜を示し、それらの上に存在する液晶の向きを示し、図６と図７の最上部の液晶分子は図２に示す液晶分子１ｄ近辺の液晶分子配向状態を示し、最下部の液晶分子は配向膜９の垂直配向領域と水平配向領域の直近の液晶分子の配向状態を示している。
これらの図６と図７に示すシュミレーション結果から、液晶分子の２つの安定な配向状態が得られることが把握できる。
図１は本発明に係る液晶表示装置の概略構成を示す構成図。 図２は同液晶表示装置の液晶分子の第１の安定配向状態の一例を示すもので、図２Ａは液晶分子全体の配向状態の説明図、図２Ｂは配向膜直近の液晶分子の配向状態の説明図。 図３は同液晶表示装置の液晶分子の第２の安定配向状態の一例を示すもので、図３Ａは液晶分子全体の配向状態の説明図、図３Ｂは配向膜直近の液晶分子の配向状態の説明図。 図４は液晶分子のスプレイ変形状態とベンド変形状態のそれぞれの一例を示す説明図。 図５Ａは本発明に係る第２実施形態の液晶表示装置の液晶分子の第１の安定配向状態の一例を示す説明図、図５Ｂは本発明に係る第２実施形態の液晶表示装置の液晶分子の第２の安定配向状態の一例を示す説明図。 図６は本発明に係る液晶分子の配向状態の一例をシミュレーションした状態の一部を示す説明図。 図７は本発明に係る液晶分子の配向状態の一例をシミュレーションした状態の他の部分を示す説明図。 図８は従来のＺＢＤ型の液晶表示装置における液晶分子の配列状態を示すもので、図８Ａは一の液晶分子安定配向状態を示す説明図、図８Ｂは他の液晶分子安定配向状態を示す説明図である。
符号の説明
Ｅ…液晶表示装置、Ｈ…法線、Ｒ１…ラビング方向、１…液晶層、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ…液晶分子、２…第１の基板、３…第２の基板、４…シール材、６、８…表示回路、７、９、７１…配向膜、９ａ…垂直配向領域、９ｂ…水平配向領域、Ｐ２…プレチルト角、Ｅ１、Ｅ２、Ｔ１、Ｔ２…電気力線、１０…くさび形液晶分子、１１…バナナ型液晶分子。

Claims (8)

  1. 一対の基板間にネマチック液晶を挟持してなる液晶表示装置であって、前記一対の基板のうち、一方の基板に一様な傾斜配向処理を施した配向膜と液晶駆動用の電極とが形成され、他方の基板に垂直配向領域及び水平配向領域が交互に形成された配向膜と液晶駆動用の電極とが形成されるとともに、
    前記一方の基板の電極と他方の基板の電極から、前記一方の基板側に向かう電気力線を発生させるように電界を印加する場合と、前記他方の基板側に向かう電気力線を発生させるように電界を印加する場合とで、前記他方の基板に近い位置の液晶分子の配向容易軸の角度を対になる基板間の法線に対して、液晶分子の配向容易軸の一端側を一方の基板側に向けた斜め配向状態か、液晶分子の配向容易軸の一端側を前記他方の基板側に向けた斜め配向状態かを変更し、それぞれの配向状態で双安定する状態を発現可能としてなることを特徴とする双安定化型液晶表示装置。
  2. 一対の基板間にネマチック液晶を挟持してなる液晶表示装置であって、前記一対の基板のうち、一方の基板に一様な傾斜配向処理を施した配向膜が形成され、他方の基板に垂直配向領域及び水平配向領域が交互に形成された配向膜が形成され、前記対になる基板の少なくとも一方に横電界発生用の液晶駆動用の電極が形成されるとともに、
    前記液晶駆動用の電極から前記交互に形成された垂直配向領域と水平配向領域に沿う方向に横電界を印加する場合と、先の方向と逆方向に横電界を印加する場合とで、前記他方の基板に近い位置の液晶分子の配向容易軸の角度を対になる基板間の法線に対して、液晶分子の配向容易軸の一端側を一方の基板側に向けた斜め配向状態か、液晶分子の配向容易軸の一端側を前記他方の基板側に向けた斜め配向状態かを変更し、それぞれの配向状態で双安定する状態を発現可能としてなることを特徴とする双安定化型液晶表示装置。
  3. 前記ネマチック液晶にフレクソエレクトリック効果によるフレクソエレクトリック分極が与えられ、該フレクソエレクトリック分極によるトルク及び配向流動効果によるトルクによって生じる双安定状態の変更が可能とされたことを特徴とする請求項１または２に記載の双安定化型液晶表示装置。
  4. 前記他方の基板に交互形成された垂直配向領域と水平配向領域の交互形成方向に沿ってあるいは前記交互形成方向と直角方向に沿って、前記他方の基板側の配向膜にラビング処理が施されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の双安定化型液晶表示装置。
  5. 前記一方の基板の一様な傾斜配向処理を施した配向膜のプレチルト角が２０±５゜の範囲あるいは７０±５゜の範囲とされてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の双安定化型液晶表示装置。
  6. 前記他方の基板において垂直配向領域と水平配向領域とが、個々にストライプ状に形成されて、それらの各領域が前記基板の面方向に沿って交互に配列されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の双安定化型液晶表示装置。
  7. 前記他方の基板において垂直配向領域と水平配向領域とが、個々に矩形状に形成されて、それらの各領域が前記基板の面方向に沿って交互に配列されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の双安定化型液晶表示装置。
  8. 前記基板の外側に光学補償フィルムが配置され、前記他方の基板の水平配向領域での液晶の配向方向と前記光学補償フィルムの偏光軸の方向が±４５度交差状態とされてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の双安定化型液晶表示装置。
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