JP2010175866A - 強誘電性液晶表示素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ジグザグ欠陥の修正力をより向上させるための電圧印加方法を提案する。
【解決手段】一対の基板と、前記一対の基板間で強誘電性液晶分子を垂直配向させる配向膜と、無電界下でキラルスメクチックＣ相を形成する強誘電性液晶層と、前記一対の基板間で強誘電性液晶層の厚さを規制する複数のスペーサーと、前記強誘電性液晶層に対して垂直な方向に電界を発生させる電極とを有する強誘電性液晶表示素子の製造方法において、強誘電性液晶表示素子内に強誘電性液晶を注入する際に、強誘電性液晶を等方相転移温度以上に加熱し、注入した強誘電性液晶が等方相の温度からキラルスメクチックＣ相を形成する温度以下に冷却される期間中、印加する電圧の周波数を設定することで液晶分子が実現できるコーン角以上の電圧を印加し、ジグザグ欠陥の除去効果を高めること強誘電性液晶表示素子の製造方法とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、強誘電性液晶表示素子の製造方法に関するものである。

強誘電性液晶は、その強誘電性液晶分子（以下、単に液晶分子と言う）が有する自発分極の強さにより、基板間に印加される電界との相互作用が強いことから、一般的に使用されているネマティック液晶より極めて早い応答性を有することができ、ネマティック液晶を用いた今日の液晶表示素子において問題とされている動画のちらつき、画像処理速度において高い能力を示すことができる。

また、基板間隔（セルギャップ）を１μｍ以下に制御することにより、強誘電性液晶の特徴である螺旋構造が消失され、液晶分子は、強誘電性液晶層方向の略垂直方向に、左右にそれぞれ或る角度で安定する。その２方向間をスイッチングすることによって、入射する光の偏光状態を変え、ポラライザーの光を透過させるか否かを決定させる。前述の状態において、液晶分子は駆動電圧のＯＮ、ＯＦＦをするだけのきわめて単純な駆動原理で光偏光の制御が可能となる。

ところで、セルギャップの小さいＳＳＦＬＣＤ（表面安定化強誘電性液晶素子）においては、ＳｍＡ相において液晶分子の長軸方向の角度は強誘電性液晶層と略垂直方向に向いており、ＳｍＣ＊相においては、液晶分子が前記略垂直方向から或る角度をもって安定するようになる。この角度は温度と強誘電性液晶材料の物性、配向膜材料及び界面の状態に依存する。

配向膜界面近傍の液晶分子はその界面との相互作用により、もとの位置から動くことが困難であり、逆にバルク付近の液晶分子は界面からの相互作用が低いことから、ドラスティックに移動する。前記理由から、上下基板間の液晶分子の配向は「くの字」構造をとるようになる（このくの字の状態は、シェブロン構造よばれる）。

シェブロン構造は、強誘電性液晶層と略垂直方向に前後に２方向の形を取る可能性があり（それぞれをＣ１、Ｃ２配向と呼ぶ）、どちらに選択されやすいかは、強誘電性液晶材料、温度、配向膜材料及び配向膜界面の状態（主にプレティルト角など）等に依存する。

前記Ｃ１、Ｃ２配向が同じ強誘電性液晶表示素子内に発生する場合、その境界部分においては、「ジグザグ欠陥」と呼ばれる表示欠陥が生じる。ジグザグ部分は光の偏光状態を制御できないため、ジグザグ欠陥が液晶表示エリア内に存在した場合、重大な表示欠陥となってしまう。

また、強誘電性液晶表示素子においては、場所ごとにＣ１、Ｃに配向のとりやすさが異なる位置があり、通常は強誘電性液晶表示素子の中央部ほどＣ１、Ｃ２のどちらかに一様に選択されやすく、シール材などのコーナー部では比較的Ｃ１、Ｃ２配向のどちらもとりやすい構造をとり、ジグザグ欠陥が発生しやすい傾向がある。この傾向はシール材付近と強誘電性液晶表示素子中央部の応力に対する耐性や柔軟性の違いが原因ではないかと思われる。（特許文献１、特許文献２参照）

前記Ｃ１、Ｃ２配向は配向秩序度の高いＳｍＣ＊相においてはほとんど変化することなく、ＳｍＡ→ＳｍＣ＊相相転移時にほぼ決定される。言い換えると、表示エリア内にジグザグ欠陥が滞在するかどうかは、ＳｍＡ→ＳｍＣ＊相相転移時にほぼ決定されるとしてよく、無電界あるいは強誘電性液晶表示素子として用いる程度の電圧駆動時においてはジグザグ欠陥の位置は変化する可能性はきわめて低い。

前記内容から、ジグザグ欠陥の除去、あるいは表示エリア内に発生させないためには、ＳｍＡ相→ＳｍＣ＊相相転移時において、表示エリア内のシェブロン構造をＣ１もしくはＣ２配向に一様に制御、安定させることが必要である。本課題の解決方法として
１．配向膜への高プレティルト角の付与。（特許文献１参照）
２．強誘電性液晶層を一旦等方相以上の温度にし、冷却を行う際に電圧を付与する。（特許文献３、特許文献４参照）といった方法が提案されている

特開平５−５３１１６号公報 特開平９−５０００８号公報 特開昭６３−３０３３２４号公報 特開平３−１２２６１７号公報

本発明は、強誘電性液晶を一旦ネマティック相以上の状態に相転移させた後、その後常温状態に冷却をする際、ＳｍＡ相→ＳｍＣ＊相に相転移する間交流電界を基板間に印加させながら冷却を行うことによって、表示エリア内のシェブロン構造を一様にし、表示エリア内からジグザグ欠陥を除去する強誘電性液晶表示素子の製造方法に関するものである。

特許文献４では、アイソトロピック相まで加熱した強誘電性液晶を注入し、カイラルスメクチックＣ相まで徐冷処理を行った後、電極間に最大電圧±４０Ｖ（通常の駆動電圧と比較して高い電圧）、パルス幅１０ｍｓｅｃ、パルス間隔１００ｍｓｅｃのバイポーラパルスを印加し電界配向処理を行う記載がある。

一方、特許文献３では、等方相から徐冷してＳｍＣ＊相へ至る場合、スメクチックＡ相（ＳｍＡ）もしくはコレステリック相（Ｎ＊）を経由するが、これらの転移温度の低温側のＳｍＣ＊相へ移行してすぐ交番電場を印加し、６００Ｈｚ〜２００Ｈｚ間で周波数掃引しつつ徐冷する事もでき、ジグザグ欠陥の抑制に大きな効果があることがわかった。としているが、配向欠陥の除去（修正）は印加される電圧に依存し、高い電圧であるほど、修正の効果が高い。しかし、強誘電性液晶材料、配向膜、強誘電性液晶表示素子の構造等により、強誘電性液晶の動作できる範囲には制限があり、強誘電性液晶の動作許容範囲以上の電界を印加した場合、過負荷により強誘電性液晶層構造のねじれ、変形、回転等により新たな表示欠陥が発生する可能性があり、配向欠陥（ジグザグ欠陥）の除去のために印加できる電圧（電界）には制限があるが、印加する電圧が低い場合は配向欠陥の修正が不充分となる。

さらに詳述すると、ＳｍＣ＊相における液晶分子が安定できる角度は液晶分子などの条件によって規制されており、高い電界が印加された場合、液晶分子が安定できる角度以上に強誘電性液晶層をねじってしまい、強誘電性液晶層に必要以上のトルクが加わってしまうため、強誘電性液晶層のねじれや強誘電性液晶層の破壊といった別の表示欠陥を引き起こす可能性がある。この場合、ジグザグ欠陥の修正が可能でも液晶層のねじれや破壊等による別の表示欠陥を誘発する恐れがある。

通常ＳＳＦＬＣＤにおいては、液晶分子は安定している方向から、ある電圧閾値にてスイッチングを行い、強誘電性液晶層と略垂直方向と反対の方向に或る角度を持って安定する。角度は印加する電圧に依存し、図３に示すようにある電圧においてＰＬ１の角度で安定したとき、印加する電圧を上げていけばＰＬ２、ＰＬ３というように徐々に安定角度が大きくなる。しかし最大のコーン角は液晶材料の物性、環境温度に依存する。仮に図３においてＰＬ３を液晶材料が実現できる最大のコーン角と仮定すると、ＰＬ３で安定する電圧以上の電圧を印加しても、液晶分子のコーン角がＰＬ３以上に広がることはない。このとき液晶層には液晶分子が安定できる以上の電圧が印加されているため、液晶層へ負荷がかかる。

前述のように、ＰＬ３以上の電圧が印加されている場合、強誘電性液晶層に必要以上のねじれ、トルクが加わっていることから、強誘電性液晶層のねじれ、回転、破壊等の現象を引き起こすことが懸念され、ジグザグ欠陥とは別の表示欠陥を引き起こすことが予想される。

強誘電性液晶層に加わるトルクの過負荷は、印加される電界、及び時間に依存し、高い電界であるほど、また電界が印加される時間が長いほどより強く負荷がかかる。また、強誘電性液晶層の温度が高いほど、強誘電性液晶層の耐えられる負荷は小さくなり、強誘電性液晶層のねじれ、破壊といった現象がおきやすくなる。

前述により、ジグザグ欠陥を除去するために基板間に印加できる電界強度には制限があり、Ｃ１、Ｃ２配向が共に存在しやすい状態の強誘電性液晶表示素子においてはジグザグ欠陥の除去が困難な場合が生じる。本発明は、ジグザグ欠陥の修正力をより向上させるための電圧印加方法を提案する。実際には、ＳｍＡ相→ＳｍＣ＊相相転移時に交流電圧を印加し、表示エリア内の配向をＣ１、もしくはＣ２配向のどちらかに優先的に選択させ、ジグザグ欠陥をコーナー部に押し出す、あるいな強誘電性液晶表示素子内から除去することを目的とする。

一対の基板と、前記一対の基板間で強誘電性液晶分子を垂直配向させる配向膜と、無電界下でキラルスメクチックＣ相を形成する強誘電性液晶層と、前記一対の基板間で強誘電性液晶層の厚さを規制する複数のスペーサーと、前記強誘電性液晶層に対して垂直な方向に電界を発生させる電極とを有する強誘電性液晶表示素子の製造方法において、強誘電性液晶表示素子内に強誘電性液晶を注入する際に、強誘電性液晶を等方相転移温度以上に加熱し、注入した強誘電性液晶が等方相の温度からキラルスメクチックＣ相を形成する温度以下に冷却される期間中、液晶分子が実現できる最大のコーン角以上の電圧を印加しても、印加する電圧の周波数を適宜調整することで液晶層のねじれ、破壊等の不良が発生しないようにする強誘電性液晶表示素子の製造方法とする。

高い電界（電圧）を印加することにより、ジグザグ欠陥の除去効果がより高いものとでき、シェブロン構造の一様性が乏しい強誘電性液晶表示素子においても、表示エリア内のジグザグ欠陥を除去することが可能になる。同時に、液晶分子がスイッチング後、過負荷に耐えられる時間内に逆側の電界を印加する周波数を設定することで、高い電界（電圧）においても強誘電性液晶層に加わるトルクを必要以上にかけることなく、強誘電性液晶層のねじれ、回転、破壊等を防ぐことが可能となる。

双安定強誘電性液晶の安定状態を示した図 双安定強誘電性液晶素子の閾値特性を示すグラフ 電圧によりコーン角（チルトアングル）が変化するのを説明するための模式図

図１は、双安定強誘電性液晶の安定状態を示した図である。強誘電性液晶層の厚みが２．０μｍ程度以下になるように形成された液晶セル内の強誘電性液晶は、双安定性を示し、図１に示すように印加電圧の極性によって第１又は第２の安定状態にスイッチングする。

図２は双安定強誘電性液晶素子の閾値特性を示すグラフであり、縦軸は透過率（反射型の場合は反射率）（％）、横軸は印加電圧（Ｖ）である。従来の双安定強誘電性液晶素子は、外部印加電界に対して液晶分子配向方向が図１に示すように第１の安定状態と第２の安定状態２の二つの状態間をスイッチングする。この液晶分子配向の変化は、強誘電性液晶素子を直交する偏光板間に設置することによって透過率の変化として現れ、図２のように印加電界に対して透過率が閾値電圧Ｖｔｈで０％から１００％に急峻に変化する。この透過率が変化する電圧幅は一般的に１Ｖ以下である。

第１の安定状態で、液晶分子が振り切れた位置が消光位であって、第２の安定状態で、液晶分子が振り切れた位置が透過率（または反射率）１００％となるような前述の強誘電性液晶素子において、図２のように、透過率（または反射率）が１０％の時の電圧をＶｔｈ１、透過率（または反射率）が９０％の時の電圧をＶｔｈ２としたとき、第１の安定状態から第２の安定状態にスイッチングする閾値電圧をＶｔｈ２、第２の安定状態から第１の安定状態にスイッチングする閾値電圧をＶｔｈ１とする。

図３は電圧によりコーン角（チルトアングル）が変化するのを説明するための模式図である。液晶分子の長軸方向は第１の安定状態と第２の安定状態でダイレクタを挟んでチルト角Ｒとチルト角Ｌの和「θＲ+θＬ」のコーン角で変化する。液晶分子が前述の第１の閾値電圧Ｖｔｈ１でＰＬ１、第２の閾値電圧Ｖｔｈ２でＰＲ１に位置する時、強誘電性液晶に印加される電圧を上げるとコーン角は広がりＰＬ２−ＰＲ２、ＰＬ３−ＰＲ３と広がっていく。仮にＰＬ１を消光位に合わせると、電圧が上昇すると第１の安定状態はＰＬ２やＰＬ３に変化する。ＰＬ３が液晶分子が振り切れる位置だとすると、従来はこの電圧を印加して配向処理（ジグザグ欠陥除去処理）をしていた。

例えば、或る強誘電性液晶表示素子において、ジグザグ欠陥の除去を目的として熱処理を実施し、その冷却の際に強誘電性液晶表示素子に電界を印加していた。その条件は、Ａｍｐ１．０Ｖ、ＯＦＦＳＥＴ０．１Ｖ、周波数０．１Ｈｚ、波形は矩形波である。通常生産される場合については前記条件において特に問題がなかったが、強誘電性液晶材料を変更したところジグザグ欠陥が顕著に発生する強誘電性液晶表示素子が発生し、前記条件ではジグザグ欠陥の除去ができなかった。ジグザグ欠陥の除去を促進させる場合電圧の振幅を大きくすることによって実現できるが、高温時に高い電圧２．０Ｖ以上を印加するため、強誘電性液晶層に負荷がかかり筋状の配向不良が発生したため、適用が出来なかった。

今回電圧印加条件を多種検討し、強誘電性液晶層に過負荷がかからず尚ジグザグ欠陥の除去できる条件を模索する中で、駆動周波数をあげ、強誘電性液晶層に過負荷がかかるまえにスイッチング動作を行うことによって強誘電性液晶層への弊害を抑制することを見出し、今回の発明に至った。

前記強誘電性液晶表示素子に適用した印加条件は、Ａｍｐ２．０Ｖ、ＯＦＦＳＥＴ０．５Ｖ、３６０Ｈｚの矩形波である。本条件により大半の強誘電性液晶表示素子ジグザグ欠陥の除去ができ、新たな欠陥の発生は見られなかった。

印加する電圧の周波数については、強誘電性液晶表示素子のＣ１、Ｃ２配向の選択性により決定されるが、通常は２００Ｈｚ〜４００Ｈｚ程度が望ましく、さらに高い電圧を印加する場合、周波数をより早くする必要がある。しかしながら、早すぎる周波数はＣ１、Ｃ２の変化が追従せず、ジグザグ欠陥の位置が移動しにくくなることから、表示エリア外への押し出しがうまくいかず表示エリア内にジグザグ欠陥が残ってしまう場合がある。本発明の効果確認で使用した強誘電性液晶表示素子においては、周波数６００Ｈｚ以上の場合十分な効果が得られなかった。

印加する電圧、周波数については強誘電性液晶表示素子の構造、強誘電性液晶材料等により適宜決定すればよいが、印加する電圧の周波数を液晶に過負荷がかからない様に設定することで、印加できる電圧を上げることが可能なため強誘電性液晶にダメージを与えずより高い効果でジグザグ欠陥を除去することができる。

Claims (1)

1. 一対の基板と、前記一対の基板間で強誘電性液晶分子を垂直配向させる配向膜と、無電界下でキラルスメクチックＣ相を形成する強誘電性液晶層と、前記一対の基板間で強誘電性液晶層の厚さを規制する複数のスペーサーと、前記強誘電性液晶層に対して垂直な方向に電界を発生させる電極とを有する強誘電性液晶表示素子の製造方法において、強誘電性液晶表示素子内に強誘電性液晶を注入する際に、強誘電性液晶を等方相転移温度以上に加熱し、注入した強誘電性液晶が等方相の温度からキラルスメクチックＣ相を形成する温度以下に冷却される期間中、印加する電圧の周波数を液晶に過負荷がかからない様に設定することで液晶分子が実現できる最大コーン角以上の高い電圧を印加し、ジグザグ欠陥の除去効果を高めることを特徴とする強誘電性液晶表示素子の製造方法。

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