JP3099937B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
特に、層構造を有し強誘電性や反強誘電性等の性質を示
す液晶を使用した液晶表示装置に関する。
はSTNモードのマルチプレックス駆動あるいはTNモ
ードのTFTによるアクティブマトリクス駆動のものが
主流となっている。しかし、ネマチック液晶ではさらに
大画面化や高精細化を進めることが困難である。そこ
で、より高速性に優れかつ広視野角表示が可能な、カイ
ラルスメクチックC相(以下、SmC*相と記す)を有
する強誘電性液晶やカイラルスメクチックCa相(以
下、SmCa*相と記す)を有する反強誘電性液晶が注
目されている。
る光スイッチングを利用した液晶表示装置の最も代表的
なものとして、LagerwallおよびClark等
によって提案された表面安定化強誘電性液晶(SSFL
C:Surface Stabilized Ferr
oelectric Liquid Crystal)
デバイスが知られている(米国特許第4,367,92
4号および第4,563,059号)。
に、液晶は基板7間に層構造1が基板と直交するよう
に、すなわち、ブックシェルフ構造に配向されている。
SSFLCは、2μm程度のセルギャップ中にSmC*
相を有する液晶材を封入することによって得られ、ヘリ
カル構造が解消したモードとなっている。この液晶表示
装置では、正負の電界が印加されると、自発分極5の方
向が電界に従うことにより、液晶分子2は液晶分子が描
くコーン4に沿って配向される。このとき、液晶分子2
は、図8に示すように、正負の電界に応じて、コーンの
中心線から同じ角度傾いた2安定状態の一方の配向状態
をとることでき、この双安定な2状態間での切り換えに
より明状態および暗状態の表示がなされる。
LC方式では、階調表示が得られない。そこで、階調表
示を可能ならしめるための強誘電性液晶の動作モードが
いくつか提案されている。Hartmannが、フェロ
エレクトリクス(Ferroelectrics)19
91年、122巻、1頁〜26頁にて提案した、電界処
理法(Electric Field Treatme
nt Method)では、低周波の電界を印加し初期
の「シェブロン」構造を「擬似ブックシェルフ」構造等
に変化させる。その結果、印加電圧の大小に応じて様々
な微細領域が発生し、その微細領域により1画素内での
「面積階調」が実現でき、階調表示が得られる。
装置として、特開平4−212126号公報にて提案さ
れた、単安定かつ液晶配向が一方向に並んだ状態を利用
したものがある。この強誘電性液晶表示装置の構造の概
略斜視図を図9に示す。この液晶表示装置は、同一方向
に配向処理が施された一対の基板が配向処理方向が互い
に略平行(または反平行)となるように対向配置されて
SmC*相を有する液晶材料を挟持する。そして、液晶
分子が描くコーン4の軸方向の基板への投影成分および
液晶分子2自身の分子長軸方向の基板への投影成分がそ
れぞれ基板の配向処理方向と同一とされ、この状態が初
期状態として単安定化され、更に、基板間に充填された
液晶材料がモノドメイン化されている(図9中央)。こ
のような構造では、図9および図10に示すように、基
板間の液晶分子2が電界の極性およびその強度に応じて
右あるいは左に連続的(アナログ的)にチルトするた
め、連続変化する階調表示が得られる。
装置として、例えば、Ostovski等のAdvan
ce in Liquid Crystal Rese
arch and Applications,Oxf
ord/Budapest.(1980)の469頁お
よび特開平1−152430号公報に示される、ひずみ
螺旋強誘電効果(DHF:Deformed Heli
x Ferroelectrics)が知られている。
旋ピッチが十分に短く、すなわち、セルギャップよりも
短く、そのため表面安定化により螺旋が抑制されること
はない。その結果、図11に構造の概略図を示すよう
に、液晶配向は最も典型的には層構造1が「ブックシェ
ルフ」配置をなし、かつ、液晶分子2が螺旋を描くよう
に配列している。この構造では、電圧印加時には液晶配
向の螺旋配列から徐々に外れて歪んだ螺旋構造となり、
図12に動作説明図を示すように、複屈折が変化して透
過率が変化するため、連続的な階調表示が得られる。そ
の駆動方法については特開平6−194625号公報等
に示されている。
置として、例えば、Patelによる米国特許第5,1
72,257号公報の強誘電ツイステッドスメクチック
構造(FETS:Ferroelectric Twi
sted SmecticStructure)があ
る。このFETSの構造の概略図を図13に示す。FE
TSでは、基板表面での液晶処理が90°捻じれた状態
となっており、かつ、セルギャップをSSFLCの場合
より厚くすることにより、基板間で90°捻じれた液晶
配向を得る。この時、液晶分子2はコーン4上を捻じれ
ていき、スメクチックの層構造1は上記の他の液晶表示
装置と同様に、基板表面にほぼ垂直であり「ブックシェ
ルフ」構造となっている。
Nモードと同様に、光の偏光面を90°回転させる性質
を示し偏光板の透過軸を直交させた場合には黒状態とな
る。電界を印加すると液晶配向が捻じれから徐々にずれ
るため、図10の明状態と同様になり連続的な階調表示
が得られる。
現する液晶表示装置として、例えば、Yamamoto
等がフェロエレクトリクス(Ferroelectri
cs)1993年、149巻、295頁〜304頁に報
告した技術がある。反強誘電性液晶のディスプレイ応用
は、例えば、Chandani等によるJapanes
e Journal of Applied Phys
icsの1988年、27号、L729頁に示された3
安定性に基づいている。この3安定性の概略図および動
作説明図を図14に示す。
強誘電性を示す第3状態、電界印加時に液晶分子の方向
が右向き乃至左向きに揃う強誘電性の第1、第2状態の
3状態を安定状態としている。この表示装置は、このま
までは階調表示はできないが、1画素内を複数の微細な
領域に分割しそれぞれの領域を独立に制御することによ
り、「面積階調」が実現でき、階調表示が得られる。
の電極と電界との関係をTFTパネルの場合について図
15(a)、(b)に示す。一方の基板上には、対向電
極9が形成され、他方の基板上には画素電極10と走査
電極線12が形成されている。これらの液晶表示装置で
は、強誘電性液晶や反強誘電性液晶の有する自発分極5
を利用し、上下基板間の電界3により液晶配向のスイッ
チングを行う。しかし、基板構造によっては2枚の基板
間の電界3よりも基板上に形成される基板に平行な電界
(以下では横方向電界と呼ぶ)の方が強くなる領域が生
じることがある。このような横方向電界6に対しても自
発分極5を有する液晶分子2は図15(a)に示すよう
に反応するため、図15(b)に示される期待される配
向とは異なった方向を向くことになる。
向いた液晶配向は表示欠陥を発生させコントラストの低
下を招くため良好な表示が得られない。また、そのよう
な横方向電界が生じた状態が継続すると表面配向までも
変化し期待される構造とは全く異なった構造を有する領
域が発生するようになり、このような構造は意図的にそ
の構造を打ち消すような作用を施さない限り永続的に存
在し続け、固定表示欠陥として現れる。
ンジスタ(TFT:Thin Film Transi
stor)を用いた基板とこれらの液晶表示モードを組
合せた時に生じやすい。これは、TFTを用いた構造で
は画素電極とそれにつながるTFTを駆動するための走
査電極線と信号電極線が同一基板上に有り、それらの電
極の電位差により電極間に横方向電界が生じるためであ
る。その結果、横方向電界の大きい領域に表示欠陥が頻
繁に発生していた。したがって、この発明の目的とする
ところは、液晶分子の配向が基板上に形成される横方向
電界に乱されることのないようにすることであり、この
ことによりコントラストが高く欠陥の少ない表示を可能
ならしめることである。
め、本発明による液晶表示装置では、基板面と平行な方
向に生じる横方向電界の内の最大電界の方向と液晶分子
が描くコーンの中心線の基板上への投影成分とをほぼ一
致させる。多くの場合、横方向電界の内の最大電界の方
向にスメクチック相の層の法線方向を一致させるように
することにより上記の条件は満たされる。例えば、TF
T基板では最も横方向電界の強い走査電極線と画素電極
間の電界方向に対し層の法線方向を一致させる(すなわ
ち、走査電極線と層が平行な配置とする)。
を示す図であり、図2(a)、(b)は本発明の作用を
説明するための斜視図と平面図である。TFTを用いた
液晶表示装置では、最大の横方向電界は画素電極10と
走査電極線12との間に形成される。よって、本発明に
したがって、スメクチック相の層構造1の法線の方向を
この電界方向と一致させる。このことにより、横方向電
界(横方向電界の最大電界の方向)6による液晶分子2
の配向の乱れを抑制することができる。これは次のよう
な原理による。周知のように層構造1を有する液晶物質
(特にSmC*相やSmCa*相で使用される時)で
は、層構造1の法線方向にほぼ沿うように液晶分子が描
くコーン4の軸方向が向いている。コーン4の中心線の
基板上への投影成分を14にて示す。この層構造1に平
行な方向に沿うようにコーンの端部が存在するため、層
構造1に平行な方向では液晶分子2の配向は変化しやす
い。一方、層構造1に垂直な方向での変化は層構造1の
変化を伴うため起こりにくい。この結果、本発明の構造
では横方向電界6による液晶配向の乱れが発生しなくな
る。
に、走査電極線12、信号電極線13および画素電極1
0が同一基板上に形成されている時、駆動方法にもよる
が、通常、走査電極線12と画素電極10間の横方向電
界が最も強くなる。そのため、図1に示すように走査電
極線12と層構造1をほぼ平行とすることにより、液晶
分子2の配向乱れを回避できる。本発明におけるこの作
用は、層構造1を有することと横方向電界6が発生する
基板を使用することの2条件を満たす素子に対しては全
て適用可能である。
て詳細に説明する。 [第1の実施例]図3は、本発明の液晶表示装置に係る
第1の実施例の要部の構成を示す平面図であり、図4は
本実施例において使用するTFT(薄膜トランジスタ)
アレイを示す模式図である。この実施例においては、能
動素子としてアモルファスシリコンによるTFT11を
用い、一単位画素の大きさを縦300μm、横100μ
mとした。走査電極線12、信号電極線13は、スパッ
タ法で形成されたクロミウム(Cr)を用い、線幅を1
0μmとした。
x)を用いた。画素電極10は透明電極である酸化イン
ジウム錫(ITO)を用い、スパッタ法により形成し
た。このように薄膜トランジスタ11をアレイ状に形成
したガラス基板を第一の基板とした。また、対向側の第
二の基板上には、クロミウムを用いた遮光膜を形成した
後、ITOを用いた透明電極(共通電極)を形成し、更
にカラーフィルタを染色法によりマトリクス状に形成し
その上面にシリカを用いた保護層を設けた。
膜を塗布し、200℃で焼成しイミド化しポリイミド配
向膜を形成した。この配向膜上をレーヨンを用いたバフ
布によりラビング処理を施した。ラビング方向は、上下
の基板を組合せた時にラビング方向が平行となるように
し、かつ、スメクチック相の層構造1が走査電極線12
と平行となるような方向とした。2枚の基板をギャップ
が1.5μmとなるように、球形のシリカ粒子によるス
ペーサーを介して接着剤で貼り合わせパネルを作製し
た。
液晶を封入した。このセルでのみかけ上のチルト角は2
2.0°であり、すなわち、コーン角は約44°であ
る。また、同様にしてテストセルを作成しネマチック液
晶を注入した時のプレチルト角は8°であった。この方
法で作製されたパネルはシェブロン構造を有したSSF
LCモードである。このパネルに0.1Hzの矩形波を
印加した所、「擬似ブックシェルフ」構造(ストライプ
構造)を有するようになった。このように層構造を変化
させたパネルでは、階調表示が得られ、かつ、液晶の配
向の乱れによる欠陥は生じなかった。
が、層構造1が信号電極線13と平行となるようにして
作成したパネルでは、階調表示は行えたものの、画素の
走査電極線寄りの部分で液晶配向の乱れによる欠陥が観
察された。
FTアレイを形成した第1の基板とカラーフィルタを形
成した第2の基板を用い、スピンコート法によりポリア
ミド膜を塗布し、ベーキングすることによりイミド化し
ポリイミド膜を形成した。このポリイミド膜をベルベッ
ト膜で一定方向に10回ラビング処理を施し、配向膜と
した。このラビング処理の方向は、両基板を重ね合わせ
た時に互いのラビング方向が反平行(アンチパラレル)
となるようにし、かつ、形成されるスメクチック相の層
構造1が走査電極線12と平行となるような方向とし
た。
ように、球形のシリカ粒子によるスペーサーを介して接
着剤で貼り合わせパネルを作製した。このパネルにSm
C*相を有する強誘電性液晶を封入した。この方法で作
製したパネルは単安定性のブックシェルフ構造を有す
る。このパネルを液晶がカイラルネマチック状態となる
温度に加熱して700Hz、20〜50Vの電界を印加
し、電界印加状態のままスメクチックA相、更にはSm
C相まで冷却することにより、モノドメイン化した。こ
のパネルは、階調表示が得られ、かつ、液晶の配向の乱
れによる欠陥が生じなかった。
が、層構造1が信号電極線13と平行となるようにして
作成した液晶パネルでは、階調表示は行えたものの、画
素の走査電極線寄りの部分で液晶配向の乱れによる欠陥
が観察された。また、このような状態で長時間点灯して
おいた所、画素の走査電極線寄りの部分で縞状組織が観
察された。これらの領域ではモノドメイン状態でなくな
っており、コントラストが大きく低下した。
示装置に係る第3の実施例の要部の構成を示す平面図で
ある。本実施例ではTFTアレイを形成した第1の基板
およびカラーフィルタアレイを形成した第2の基板は、
第1の実施例と同様にして作製した。これら2枚の基板
を洗浄後、可溶性ポリイミド膜を塗布し、180℃で焼
成してポリイミド配向膜を形成した。この配向膜上をレ
ーヨンを用いたバフ布によりラビング処理を施した。
にラビング方向が反平行(アンチパラレル)となるよう
にし、かつ、スメクチック相の層構造1が走査電極線1
2と平行となるような方向とした。2枚の基板をギャッ
プが2.2μmとなるように、球形のシリカ粒子による
スペーサーを介して接着剤で貼り合わせパネルを作製し
た。このパネルにSmC*相を有し螺旋ピッチの短いD
HFモード用の強誘電性液晶を封入した。このセルでの
みかけ上のチルト角は30.0°であり、すなわち、コ
ーン角は約60°である。また、同様にしてテストセル
を作成しネマチック液晶を注入した時のプレチルト角は
1.5°であった。この方法で作製したパネルは、液晶
分子2の配向が層構造1間でコーン4に沿って徐々に変
化するDHFモードであり、階調表示が得られ、かつ、
液晶の配向の乱れによる欠陥が生じなかった。
が、層構造1が信号電極線13と平行となるようにして
作成したパネルでは、階調表示が行えたものの、図12
のような偏光板の配置の時、第3の実施例のパネルより
コントラストが低下していた。図12のような偏光板の
配置で電圧を印加せず暗状態とした時に、これらの走査
電極線寄りの部分が明るく観察された。このことから、
横方向電界により液晶配向の乱れが引き起こされている
ことが分かる。
示装置に係る第4の実施例の要部の構成を示す平面図で
ある。本実施例ではTFTアレイを形成した第1の基板
およびカラーフィルタアレイを形成した第2の基板は、
第1の実施例の場合と同様の方法により作製した。これ
ら2枚の基板を洗浄後、ポリアミド膜を塗布し、200
℃で焼成しイミド化しポリイミド配向膜とした。この配
向膜上をレーヨンを用いたバフ布によりラビング処理を
施した。ラビング方向は、上下の基板を組合せた時にラ
ビング方向が90°ねじれた方向となるようにし、か
つ、スメクチック相の層構造1が走査電極線12と平行
となるような方向とした。
ように、球形のシリカ粒子によるスペーサーを介して接
着剤で貼り合わせパネルを作製した。このパネルにSm
C*相を有する強誘電性液晶を封入した。同様にしてテ
ストセルを作成しネマチック液晶を注入した時のプレチ
ルト角は4.5°であった。この方法で作製されたパネ
ルは、液晶分子2の配向が基板間で90°変化するFE
TSモードであり、階調表示が得られ、かつ、液晶の配
向の乱れによる欠陥が生じなかった。
が、層構造1が信号電極線13と平行となるようにして
作成したパネルでは、階調表示は行えたものの、第4の
実施例のパネルよりコントラストが低下していた。電圧
を印加し明状態とした時に、これらの走査電極線寄りの
部分が暗く観察された。このことから、横方向電界によ
り液晶配向の乱れが引き起こされていることが分かる。
FTアレイを形成した第1の基板とカラーフィルタを形
成した第2の基板を用い、スピンコート法によりポリア
ミド膜を塗布し、ベーキングすることによりイミド化し
ポリイミド配向膜を形成した。尚、ポリイミドとしては
芳香環系のポリイミドを用いた。この配向膜上をレーヨ
ンを用いたバフ布によりラビング処理を施した。ラビン
グ方向は、上下の基板を組合せた時にラビング方向が9
0°ねじれた方向となるようにし、かつ、スメクチック
相の層構造1が走査電極線12と平行となるような方向
とした。
ように、球形のシリカ粒子によるスペーサーを介して接
着剤で貼り合わせパネルを作製した。このパネルにSm
Ca*相を有する反強誘電性液晶を封入した。同様にし
てテストセルを作成しネマチック液晶を注入した時のプ
レチルト角は1.0°であった。この方法で作製したパ
ネルは反強誘電性液晶の3安定性モードであり、階調表
示が得られ、かつ、液晶の配向の乱れによる欠陥は生じ
なかった。
が、層構造1が信号電極線13と平行となるようにして
作成したパネルでは、階調表示が行えたものの、液晶配
向の乱れによる欠陥が見られた。これは横方向電界によ
り一部の領域が強誘電性のままとなり、反強誘電状態に
戻らないため考えられる。但し、横方向電界による強誘
電状態は明状態の強誘電状態と液晶配向が異なるため、
コントラストの大きな低下は見られなかった。コントラ
スト的には低下しないのに対し、階調表示の電圧に対す
る階調特性が一部領域で変化しており、階調の細かな制
御が困難であった。
したが、前述のように他の横方向電界が生じる基板、例
えば、非線形素子であるMIM等を用いた基板等におい
ても同様の効果が得られる。更に、層構造の法線方向と
液晶分子が描くコーンの軸方向が一定の角度が成す場合
には、コーンの軸方向を横方向電界とほぼ平行とすれば
よい。すなわち、この場合には層構造は走査電極線等と
一定の角度を成すことになる。
表示装置は、液晶分子が描くコーンの中心線の方向が基
板上に形成される横方向電界のうち最大の電界の方向と
一致するようにしたものであるので、横方向電界による
液晶配向の乱れを生じさせないようにすることができ、
高コントラストで表示欠陥のない強誘電性若しくは反強
誘電性液晶表示装置を提供することが可能になる。更
に、本発明によれば、長時間の使用によっても配向の乱
れによる欠陥が生じないため、信頼性の高い表示装置を
提供することができる。
略を示す平面図である。
概略を示す斜視図と平面図である。
基板の平面図である。
を示す平面図である。
基板の平面図である。
基板の平面図である。
ある。
用する従来例の構造を示す斜視図である。
利用する従来例の動作の説明図である。
斜視図である。
図である。
す斜視図である。
の概略図および動作の説明図である。
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 スメクチック相を示す強誘電性または反
強誘電性の液晶物質が一対の電極付き支持基板間に狭持
されている液晶表示装置において、液晶分子の描くコー
ンの中心線の基板上への投影成分(14)の方向が、支
持基板上に形成される基板面に平行な電界の最大電界の
方向(6)とほぼ一致していることを特徴とする液晶表
示装置。 - 【請求項2】 スメクチック相を示す強誘電性または反
強誘電性の液晶物質が一対の電極付き支持基板間に狭持
されている液晶表示装置において、スメクチック層
(1)の層法線方向が、支持基板上に形成される基板面
に平行な電界の最大電界の方向(6)とほぼ一致してい
ることを特徴とする液晶表示装置。 - 【請求項3】 一方の支持基板上には、画素電極と、信
号配線と、走査配線と、画素電極、信号配線および走査
配線に接続された薄膜トランジスタとが、または、画素
電極と、信号配線と、画素電極および信号配線に接続さ
れた非線形素子とが形成され、他方の支持基板上には、
共通電極または走査配線が形成されていることを特徴と
する請求項1または2記載の液晶表示装置。 - 【請求項4】 前記スメクチック相が、カイラルスメク
チックC相またはカイラルスメクチックCa相であるこ
とを特徴とする請求項1、2または3記載の液晶表示装
置。 - 【請求項5】 前記カイラルスメクチックC相の強誘電
性液晶物質が、表面安定化強誘電性液晶モード、シェブ
ロン構造の表面安定化強誘電性液晶に低周波電界を印加
して擬似ブックシェルフ構造化したモード、液晶分子お
よびそのコーン軸の基板への投影成分が基板の配向方向
と一致しており初期状態が単安定化かつモノドメイン化
されているモード、ひずみ螺旋強誘電体モード、また
は、強誘電ツイステッドスメクチック構造モードで用い
られることを特徴とする請求項4記載の液晶表示装置。
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US08/672,980 US5844652A (en) | 1995-06-29 | 1996-07-01 | Liquid crystal display using a liquid crystal showing a ferroelectric property or an anti-ferroelectric property |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP07184963A JP3099937B2 (ja) | 1995-06-29 | 1995-06-29 | 液晶表示装置 |
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