JP2010066717A

JP2010066717A - 液晶装置

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Publication number: JP2010066717A
Application number: JP2008235340A
Authority: JP
Inventors: Yasuki Takahashi; 泰樹高橋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-25

Abstract

【課題】表示用途等に適した新規な液晶装置を提供すること。
【解決手段】液晶装置（１００）は、第１基板（１０）と、第１基板と対向配置された第２基板（１８）と、第１基板（１０）と第２基板（１８）との間に配置された液晶材料（１６）と、を備え、液晶材料（１６）が層構造を有し、電界無印加時における自発分極の向きが第１基板（１０）の一面に沿った方向に配列されている、液晶装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば表示用途に用いて好適な液晶装置に関する。

強誘電性液晶（Ferroelectric Liquid Crystal
:FLC）を用いた液晶装置においては、強誘電性液晶が有する特有の構造（層構造及び螺旋構造）に起因し、液晶層の配向制御が困難であることが一般に知られている。一例として、表面安定化（Surface
Stabilized FLC :SSFLC）モードを用いた液晶装置においては、シェブロン構造に起因するジグザグ欠陥が、表示不良やコントラスト低下等の原因となっている。この配向欠陥を解消し得る表示モードの一つとして、基板面に対して強誘電性液晶の層法線を垂直に配向させる表示モードが提案されている（非特許文献１参照）。この表示モードは、初期状態においては強誘電性液晶からなる液晶層が螺旋構造を有する状態に配向制御されており、基板面と平行な方向に十分大きな電界（横電界）を印加することによって螺旋構造を解消するというものである。液晶層が螺旋構造を有する場合とこれを解消した場合のそれぞれにおける光学的特性の変化によって透過光あるいは反射光が制御される。しかしながら、非特許文献１に開示される従来技術においては、応答速度やコントラスト特性など種々の点で未だ改良の余地があった。
M.Ozaki,A.Tagawa,Y.Sadohara,S.Odaand K.Yoshino:Jpn.J.Appl.Phys.36.p.2366(1991)

本発明に係る具体的態様は、表示用途等に適した新規な液晶装置を提供することを一つの目的とする。

本発明に係る一態様の液晶装置（液晶表示装置）は、（ａ）第１基板と、（ｂ）前記第１基板と対向配置された第２基板と、（ｃ）前記第１基板と前記第２基板との間に配置された液晶材料と、を備え、前記液晶材料が層構造を有し、電界無印加時における自発分極の向きが前記第１基板の一面に沿った方向に配列されている、液晶装置である。

本発明に係る表示装置によれば、第１基板の一面に沿った方向の電界を印加することにより液晶材料の自発分極の向きが電界に応答して変化し、それにより液晶材料のダイレクタを制御することができる。それにより、透過光または反射光のコントラストに優れ、かつ応答速度が比較的に速く、表示用途やその他種々の用途に適した液晶装置が得られる。

以下、本発明を適用した一実施形態の液晶装置について説明する。

図１は、一実施形態の液晶装置の構造を説明するための模式断面図である。図１に示す本実施形態の液晶装置１００は、第１基板１０、電極１２、第１配向膜１４、液晶材料（液晶層）１６、第２基板１８、第２配向膜２０、を含んで構成される。さらに、本実施形態の液晶装置１００は、第１基板１０側に第１偏光板２２が配置され、第２基板１８側に第２偏光板２４が配置されている。また、液晶装置１００の第１基板１０側には、第１偏光板２２を挟んで光源（バックライト）２６が配置されている。光源２６から出力された光は第１偏光板２２を通り、第１基板１０の他面側から液晶層１６へ入射し、第２基板１８の他面側から出射し、第２偏光板２４を通る。本実施形態の液晶装置１００は、この第２偏光板２４を出射する光によって画像表示を行うことが想定されている。

第１基板１０は、少なくとも可視領域の波長の光に対して透明な基板である。第１基板１０としては、例えばガラス基板、プラスチック基板などを用い得る。

電極１２は、第１基板１０の一面に設けられている。電極１２は、例えば図２に示すように複数の電極枝を含んだ櫛歯状に形成されている。隣り合う電極枝の間に電位差を与えることにより、これらの電極枝の間に電界を発生させ、この電界によって液晶材料１６のダイレクタ（液晶分子の平均的な長軸方向）を変化させることができる。駆動原理の詳細については後述する。

第１配向膜１４は、第１基板１０の一面上に設けられている。本実施形態では、第１配向膜１４として、第１基板１０の一面と交差する方向（ほぼ直交する方向）への配向規制力を有するもの（垂直配向膜）が用いられる。この第１配向膜１４は、ラビング処理が施されていることも好ましい。第１配向膜１４にラビング処理を施すことにより、後述する液晶材料１６における螺旋構造の発現をより強く抑制する効果が期待できる。

液晶材料１６は、例えば常温においてカイラルスメクティックＣ相を示す液晶材料であり、第１基板１０と第２基板１８との間に配置されている。本実施形態における液晶材料１６は、カイラルスメクティックＣ相の層構造が第１基板１０の一面とほぼ平行となっている。図１においては、液晶材料１６における液晶分子群を楕円により模式的に示している。液晶分子群の平均的な方向をダイレクタといい、図１においては、楕円形の液晶分子の長軸方向がダイレクタに対応する。一般に、カイラルスメクティックＣ相においてはダイレクタ配列が螺旋構造を有するが、本実施形態においては、第１基板１０と第２基板１８との相互間距離（すなわちセル厚）をカイラルスメクティックＣ相のピッチ長よりも十分に短い距離（例えばピッチ長の１／４程度）とすることにより、螺旋構造の発現を抑制し、ダイレクタを一方向に揃えている。例えば、本実施形態における液晶材料１６のカイラルスメクティックＣ相のピッチ長は１４μｍである。ダイレクタを一方向に揃えることにより、ダイレクタと直交する方向に生じる自発分極の向きを第１基板１０の一面に沿った方向（好適には一面と平行な方向）へ揃えることができる。このように自発分極の向きを一方向に揃えた構造を採用したことは、上記した非特許文献１に係る従来技術に係る液晶装置と大きく異なっている点の一つである。図１においては、電圧無印加時における液晶材料１６の自発分極の向きは紙面とほぼ直交する方向になる。なお、第１配向膜１４にラビング処理を行った場合には、ダイレクタの初期状態がラビング方向に揃う傾向にある。

第２基板１８は、少なくとも可視領域の波長の光に対して透明な基板である。第２基板１８としては、例えばガラス基板、プラスチック基板などを用い得る。

第２配向膜２０は、第２基板１８の一面上に設けられている。本実施形態では、第２配向膜２０として、第２基板１８の一面と交差する方向（ほぼ直交する方向）への配向規制力を有するもの（垂直配向膜）が用いられる。この第２配向膜２０は、ラビング処理が施されていることも好ましい。第２配向膜２０にラビング処理を施すことにより、上述した液晶材料１６における螺旋構造の発現をさらに抑制する効果が期待できる。

次に、本実施形態の液晶装置１００の動作原理について図３を用いて詳細に説明する。詳細には、図３（Ａ）は、液晶装置１００における液晶材料１６のダイレクタと電極１２との関係を模式的に示した平面図であり、図３（Ｂ）は同関係を模式的に示した斜視図（鳥瞰図）である。図３においては自発分極Ｐｓが正の場合を想定している。液晶材料１６のダイレクタは初期状態においては一方向に揃い、従って自発分極の向きも一方向に揃っている（図１参照）。この状態において、櫛歯状に形成された電極１２を用いて液晶材料１６に電圧を印加すると、電極１２の各電極枝の間に電界が発生する。この電界Ｅの方向に自発分極Ｐｓの向きが追随するため、ダイレクタ方位が変化する。電界Ｅの大きさ及び方向に応じて自発分極の向きを制御できる。換言すれば、電界Ｅの大きさ及び方向に応じてダイレクタを制御できる。ダイレクタの変化に要する時間（すなわち応答速度）は、例えば１００μ秒程度のオーダである。このようなダイレクタの変化を利用して、液晶材料１６を通過する光の状態を制御できる。この光の状態変化は、上記した第１偏光板２２及び第２偏光板２４のそれぞれの主光学軸（偏光軸）の方向を適宜設定することにより、光の輝度ないしは色調の変化として観測できる。光の状態変化をより大きく得るためには、液晶材料１６のコーン角がより大きいことが望ましい。例えば、本実施形態では８５．８度という大きなコーン角を有する液晶材料１６を用いる。それにより、実効的なリタデーションを大きくし、光の状態変化をより大きくすることが可能となる。なお、自発分極Ｐｓが負であっても同様に動作させることができる。すなわち、本実施形態において液晶材料１６の自発分極Ｐｓの正負はいずれであってもよい。

図４は、液晶装置１００における透過光の変化について説明するための図である。詳細には、図４（Ａ）は電極１２に印加される電圧の一例を示す波形図である。また、図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示した電圧を印加した際の各タイミングにおける液晶材料１６のダイレクタ及び自発分極の各方向を第２基板１８側から見た模式平面図である。図４（Ａ）に例示された電圧は±２５Ｖの三角波であり、電極１２の隣り合う一対の電極枝の間に印加される（図１〜図３参照）。図４（Ｂ）においては、ダイレクタが楕円によって模式的に示され、このダイレクタを示す楕円の一端に描かれた矢印によって自発分極Ｐｓが模式的に示されている。また、図４（Ｂ）の左側の枠内に、第１偏光板２２の主光学軸が上下方向に沿った矢印Ｐで示され、第２偏光板２４の主光学軸が左右方向に沿った矢印Ａで示されている。すなわち、第１偏光板２２と第２偏光板２４はいわゆるクロスニコルの状態に設定されている。また、第１配向膜１４にラビング処理を施す場合における好適なラビング方向が矢印Ｒで示されている。本例では、ラビング方向は電極１２の各電極枝と交差する（より好適には直交する）方向に設定される。これにより、液晶材料１６の電圧無印加時（初期状態）におけるダイレクタを電極１２の各電極枝と交差する（より好適には直交する）方向に揃えることが容易になる。

図４（Ａ）に示したタイミングＡにおいては、液晶材料１６にかかる電界が０であるため、図４（Ｂ）に示すように液晶材料１６のダイレクタは初期状態のままである。このとき、自発分極Ｐｓの向きはダイレクタと直交する方向、すなわち電極１２の各電極枝と平行である。このとき、第２偏光板２４側で視認される光はその輝度が低い状態（黒色）となる。

図４（Ａ）に示したタイミングＢにおいては、液晶材料１６にかかる電界がある程度大きくなるため、図４（Ｂ）に示すように液晶材料１６の自発分極Ｐｓが電界方向に揃い始める。このとき、第２偏光板２４側で視認される光はその輝度が高い状態（灰色〜白色）となる。図示のように、ダイレクタが第１偏光板２２及び第２偏光板２４のいずれとも４５度の角度をなす状態となったときに、光の輝度が最も高い状態となる。

図４（Ａ）に示したタイミングＣにおいては、液晶材料１６にかかる電界が十分に大きくなり、図４（Ｂ）に示すように液晶材料１６の自発分極Ｐｓが電界方向にほぼ完全に揃う。このとき、第２偏光板２４側で視認される光はその輝度が低い状態（黒色）となる。

図４（Ａ）に示したタイミングＤにおいては、上述したタイミングＢと同様の状態となり、このとき、第２偏光板２４側で視認される光はその輝度が高い状態（灰色〜白色）となる。図示のように、ダイレクタが第１偏光板２２及び第２偏光板２４のいずれとも４５度の角度をなす状態となったときに、光の輝度が最も高い状態となる。

図４（Ａ）に示したタイミングＥにおいては、上述したタイミングＡと同様の状態となり、このとき、第２偏光板２４側で視認される光はその輝度が低い状態（黒色）となる。

なお、図４に示した例では説明の便宜上、三角波の電圧を印加する場合について説明していたが、実際に本実施形態の液晶装置１００に印加する電圧は直流電圧でよく、その電圧値（換言すれば電界値）を適宜制御することで、光の階調制御を実現できる。また、上述した各偏光板の主光学軸のセッティングは一例であり、用途に応じて適宜変更することができる。

次に、配向膜に対するラビング処理に関して図５を用いて詳細に説明する。図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は、液晶装置１００を第２基板１８側から見た模式平面図である。第１偏光板２２の主光学軸Ｐ、第２偏光板２４の主光学軸Ａのそれぞれの方向は図５（Ａ）〜図５（Ｄ）のそれぞれにおいて左上に示された通りである。

図５（Ａ）は第１基板１０、第２基板１８のいずれにおいても配向膜に対するラビング処理を行っていない場合の模式図である。

図５（Ｂ）は第１基板１０、第２基板１８のいずれにおいても配向膜にラビング処理を行った場合の模式図である。第１基板１０側の第１配向膜１４には図中に矢印で示すように櫛歯状の電極１２の各電極枝と交差する（ほぼ直交する）方向にラビング処理がなされている。また、第２基板１８側の第２配向膜２０には図中に矢印で示すように一方向にラビング処理がなされている。第１配向膜１４のラビング方向と第２配向膜２０のラビング方向とは、図示のようにパラレル配向状態とされている。

図５（Ｃ）は第２基板１８の配向膜にのみラビング処理を行った場合の模式図である。第２基板１８側の第２配向膜２０には図中に矢印で示すように一方向にラビング処理がなされている。この第２配向膜２０は、そのラビング方向が第１基板１０側の櫛歯状の電極１２の各電極枝と交差する（ほぼ直交する）方向に配置されている。

図５（Ｄ）は第１基板１０、第２基板１８のいずれにおいても配向膜にラビング処理を行った場合の模式図である。第１基板１０側の第１配向膜１４には図中に矢印で示すように櫛歯状の電極１２の各電極枝と交差する（ほぼ直交する）方向にラビング処理がなされている。また、第２基板１８側の第２配向膜２０には図中に矢印で示すように一方向にラビング処理がなされている。第１配向膜１４のラビング方向と第２配向膜２０のラビング方向とは、図示のようにアンチパラレル配向状態とされている。

上記した各態様の効果について説明する。第１基板１０、第２基板１８のいずれにおいても配向膜にラビング処理を行うか（図５（Ｂ）、図５（Ｄ）参照）、少なくとも第２基板１８の配向膜にラビング処理を行うことにより（図５（Ｃ）参照）、ラビング処理を行わない場合（図５（Ａ）参照）に比較して、電界印加に対する応答性がより高まるという効果が得られる。また、第１基板１０、第２基板１８の各配向膜をアンチパラレル配向にするか（図５（Ｄ）参照）、少なくとも第２基板１８の配向膜にラビング処理を行うことにより（図５（Ｃ）参照）、液晶材料１６の配向がより良好になるという効果が得られる。

次に、上記した液晶装置１００を表示装置として用いる場合における画素部の構成について好適な一例を説明する。図６は、画素部の好適な一例を示す模式平面図である。画素部１１０は、３つ以上の奇数個の電極枝を１組とした電極を有することが望ましい。ここでいう「画素部」とは、表示装置における画像形成の最小単位としての画素部であってもよく、１つの画素部に複数の副画素（例えば、ＲＧＢ各色に対応する副画素）が含まれる場合における各副画素に対応する画素部であってもよい。このような画素部１１０は、例えばマトリクス状に構成されてもよいし、セグメント方式等の構成が採用されてもよい。

図６に示す構成例の画素部１１０における電極１１２は、相互に所定間隔を設けて配置された３つの電極枝１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃを有する。これら奇数個の電極枝には、奇数番目の各電極枝と、それら奇数番目の各電極枝に挟まれた偶数番目の各電極枝との間に電位差が生じるように、電圧印加手段１１４によって各電極枝への電圧印加が行われる。図６に例示する構成においては、３つの電極枝１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃのうち、奇数番目の電極枝１１２ａ、１１２ｃに相対的に高い電位（例えば所定電位＋Ｖ）が与えられるときには偶数番目の電極枝１１２ｂには相対的に低い電位（例えば所定電位−Ｖ）が与えられる。反対に、奇数番目の電極枝１１２ａ、１１２ｃに相対的に低い電位（例えば所定電位−Ｖ）が与えられるときには偶数番目の電極枝１１２ｂには相対的に高い電位（例えば所定電位＋Ｖ）が与えられる。このような画素部１１０においては、図示のように、ある一対の隣り合う電極枝１１２ａと１１２ｂの間におけるダイレクタの回転方向とその次の一対の隣り合う電極枝１１２ｂと１１２ｃの間におけるダイレクタの回転方向とが逆向き（対称）になる。それにより、この画素部１１０の液晶材料１６を通過する光に関し、ダイレクタを通過する光と観測する人の眼の位置関係の非対称性が補償され、視角特性を改善する効果が得られる。なお、上記の画素部１１０において、奇数番目の電極枝の各々に与えられる電位は必ずしも共通の電位でなくともよい。同様に、偶数番目の電極枝の各々に与えられる電位も必ずしも共通の電位でなくともよい。

図７は、上記した電圧印加手段１１４の構成例を示す回路図である。図７に示す電圧印加手段１１４は、トランジスタ１２０、容量素子１２２、走査ドライバ１２４、走査線１２６、データドライバ１２８、データ線１３０を含んで構成される。トランジスタ１２０は、例えば薄膜トランジスタであり、データ線１３０と奇数番目の電極枝１１２ａ、１１２ｃの間に接続されている。また、トランジスタ１２０のゲートは走査線１２６を介して走査ドライバ１２４と接続されている。容量素子１２２は、一端が奇数番目の各電極枝１１２ａ、１１２ｃと接続され、他端が基準電位に接続されている。偶数番目の電極枝１１２ｂは基準電位に接続されている。このような電圧印加手段１１４において、走査ドライバ１２４から走査線１２６を介してゲートに走査信号を与えることによってトランジスタ１２０をオン状態に制御する。そして、データドライバ１２８からデータ線１３０、トランジスタ１２０を介して容量素子１２２にデータ電圧を書き込む。このデータ電圧は、基準電位に対して相対的に高い電位、又は相対的に低い電位の何れかである。それにより、容量素子１１２に書き込まれたデータ電圧に対応した電位が奇数番目の各電極枝１１２ａ、１１２ｃに与えられる。このようにして、画素部１１０を駆動し、透過光の制御を行うことができる。

上記した実施形態に係る液晶装置１００における別の好適な態様を説明する。上記した液晶装置１００において、更に液晶材料１６に高分子安定化処理を施すことも好ましい態様の一つである。具体的には、例えば液晶材料１６に紫外線硬化型液晶性モノマーを適量（例えば、３ｗｔ％程度）混合しておき、これを第１基板１０と第２基板１８との間に注入した後に紫外線照射によって硬化させる。このような高分子安定化処理を施すことにより、液晶装置１００の電気光学特性（印加電圧対光透過率特性）におけるヒステリシス特性がより抑制される効果が得られる。これはポリマーネットワークの液晶分子への束縛力によるものと考えられる。

以上のような本実施形態に係る表示装置によれば、第１基板の一面に沿った方向の電界を印加することにより液晶材料の自発分極の向きが電界に応答して変化し、それにより液晶材料のダイレクタを制御することができる。それにより、透過光または反射光のコントラストに優れ、かつ応答速度が比較的に速く、表示用途やその他種々の用途に適した液晶装置が得られる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上述した実施形態においては、透過型の液晶装置について説明したが、反射型の液晶装置であっても同様に本発明を適用することができる。また、配向膜による配向処理は必須条件ではなく省略することも可能である。更に配向膜に対するラビング処理についても必須ではなく、上述したように各種の態様が考えられる。また、本発明の適用範囲は表示用途の液晶装置に限られない。

一実施形態の液晶装置の構造を説明するための模式断面図である。電極の一例を説明するための図である。液晶装置の動作原理について詳細に説明するための図である。液晶装置における透過光の変化について説明するための図である。配向膜に対するラビング処理に関して詳細に説明するための図である。液晶装置を表示装置として用いる場合においる画素部の構成例を示す図である。画素部を駆動する電圧印加手段の構成例を示す図である。

符号の説明

１０第１基板
１２電極
１４第１配向膜
１６液晶材料（液晶層）
１８第２基板
２０第２配向膜
２２第１偏光板
２４第２偏光板
２６光源（バックライト）
１００液晶装置
１１０画素部
１１２電極
１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ電極枝
１１４電圧印加手段

Claims

第１基板と、
前記第１基板と対向配置された第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に配置された液晶材料と、
を備え、
前記液晶材料は、電界無印加時における自発分極の向きが前記第１基板の一面に沿った方向に配列されている、
液晶装置。
前記液晶材料がカイラルスメクティックＣ相である、
請求項１に記載の液晶装置。
前記第１基板の一面に設けられた複数の電極を更に含む、
請求項１又は２に記載の液晶装置。
前記第１基板の一面に設けられた第１配向膜を更に含み、
前記第１配向膜は、前記第１基板の一面と交差する方向への配向規制力を有する、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液晶装置。
前記第２基板の一面に設けられた第２配向膜を更に含み、
前記第２配向膜は、前記第２基板の一面と交差する方向への配向規制力を有する、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液晶装置。
前記電極は、３つ以上の奇数個の電極枝ごとに１つの画素部に対応付けられる、
請求項３に記載の液晶装置。
前記奇数個の電極枝に対し、奇数番目の各電極枝と当該奇数番目の各電極枝に挟まれた偶数番目の各電極枝との間に電位差が生じるように電圧を印加する電圧印加手段を更に備える、
請求項６に記載の液晶装置。