JP3693255B2 - 強誘電性液晶表示素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は強誘電性液晶表示素子の製造方法に係り、さらに詳しくは強誘電性液晶がブックシェルフ構造で結晶化する時均一なモノドメインを形成させ画質を向上させうる強誘電性液晶表示素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示素子は平板型ディスプレイであって、携帯用機器を中心に幅広く普及され使用されており、大型化技術の発達に伴って大型ディスプレイ機器分野においても従来のブラウン管ディスプレイ(CRT)を急速度に代替している。
【0003】
液晶表示素子に適用される液晶材料の種類は多様である。
【0004】
一般に多用されるTN(twisted nematic)液晶表示素子はTN液晶分子の誘電率異方性と電気場との相互作用を用いるため反応時間が数十msと遅くて動映像を表示し難く、視野角が狭く、一定距離内ではピクセル間のクロストークが発生してピクセルサイズを一定サイズ以下に縮め難いという問題点がある。
【0005】
一方、強誘電性液晶表示素子(FLCD)は強誘電性液晶の自発分極と電気場との相互作用を用い、1ms以下の早い応答特性を提供する。このような強誘電性液晶表示素子は動映像表示に困難がなく、広い視野角を提供し、分子間の強い相互作用によってクロストークが発生しないピクセルサイズが一層縮まって高い解像度を具現することができて次世代表示装置として活発な研究がなされつつある。
【0006】
現在幅広く用いられる強誘電性液晶は双安定特性を有し、シェブロン構造を有するキラルスメクチックC相(SmC*)の液晶材料がある。
【0007】
この液晶材料を用いる強誘電性液晶表示素子は製造工程上、融点以上に保たれた液晶を基板間のセル内に注入し、温度を下げればキラルネマチック(N*)相を経てラビング方向に垂直の層構造を有するスメクチックA相になり、再びキラルスメクチックC相に変る。この過程において液晶層内の液晶分子の長軸方向がラビング方向について特定角度で傾きながらスメクチック層間の間隔が縮まり、その結果体積の変化を補償するために液晶層内におけるスメクチック層の曲げが発生する。このように曲げられた層構造をシェブロン構造と称し、曲げの方向によって液晶の長軸の方向が相異なるドメインが形成され、その境界面にジグザグ欠陥、ヘアピン欠陥、マウンテン欠陥などが存在する不均一な配向が得られる。
【0008】
このような配向特性によって液晶表示素子のコントラスト比が著しく劣化し、これを防止するために強制的に直流電圧を加える場合、液晶層内のイオンが配向膜の表面に積もったり吸着され、以前表示状態から現在表示状態に転換される際以前の表示パターンが鈍く表示される残映現象が発生する問題点がある。
【0009】
その他、スレショルド制約を緩めたAFLC(Anti ferroelectric liquid crystal)モードを提供する強誘電性液晶素材が活発に研究されているが、自発分極が100nC/cm2以上と逆分極電界によるイオンの移動によってやはり残像が発生する場合がある。また、薄膜トランジスタ(TFT)を用いて各画素毎に独立的に液晶を駆動させる方式であるアクチブマトリックス駆動方式を適用する場合大きい自発分極によって漏れ電流が発生する場合がある。AFLCの漏れ電流を抑えるためにはキャパシタの容量を極めて大きくすべきであるが、この場合開口率が減少して表示装置として利用し難い問題点を抱えている。
【0010】
このような強誘電性液晶の短所を改善できるものとして、交流駆動が可能であり残像が抑えられるブックシェルフ構造を有する強誘電性液晶素材が倦まず弛まず開発されている。
【0011】
現在注目されているブックシェルフ構造を有する強誘電性液晶素材として結晶化過程時スメクチックA相を経ない液晶素材がある、すなわち、結晶化過程における相遷移が融点以上のイソトロピック(等方性)から降温時キラルネマチック(N*)−スメクチックC(SmC*)相を経て結晶化する、キラルネマチックからスメクチックC相に相遷移する液晶のうち単安定特性を有するハーフV型液晶がある。
【0012】
ハーフV型液晶は、図1に示した通り電位非印加時液晶の光軸が配向膜のラビング方向に並んだ方向に位置し、正電位(+)印加時印加電位のレベルに対応して液晶の長軸が最大45°までチルトされる。図において、Vsatは液晶の最大チルトを発生させる飽和電圧を示したものである。
【0013】
そして、負電位印加時は電位非印加時と同じ方向に液晶の長軸が配列される。
このような液晶は印加電位に対する光透過率が図2に示されたような関係、すなわち単安定特性を有する。このような特性を有する液晶について色々名付けられており、特に印加電位(V)対光透過率(T)特性を考慮して、一般にハーフV型液晶と呼ばれる。
【0014】
特に、このような液晶は交流駆動が可能であり、アナログ上のグレイスケール表示が可能なのでフルカラー具現が容易であり、単安定特性によってパルス駆動が可能なので、既存のCRTディスプレイに近い表示性能を提供する長所がある。
【0015】
ところが、従来の降温によって製造されたブックシェルフ構造の強誘電性液晶表示素子は液晶の結晶化過程においてキラルネマチックからキラルスメクチックC相に相遷移する際液晶分子のチルト角が増加する過程で層収縮が発生し、この際層収縮を補償するための液晶の配列過程において表示状態で明るさ差を引き起こす非均一なドメインが形成される問題点がある。
【0016】
【特許文献1】
日本国特開平6−122875号
【特許文献2】
日本国特開平6−25060号
【特許文献3】
日本国特開平6−40985号
【特許文献4】
日本国特開平6−228057号
【特許文献5】
米国特許第4585575号
【特許文献6】
韓国公開特許公報1997−1332号
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述したような問題点を解決するために案出されたもので、その目的は結晶化時均一なモノドメインを形成させて画質の均一性が向上された表示特性を有する強誘電性液晶表示素子の製造方法を提供するところにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために本発明に係る強誘電性液晶表示素子の製造方法は、基板、電極層、配向膜を有する下部構造体及び上部構造体をそれぞれ形成する段階と、前記下部構造体と前記上部構造体との間にセルを形成させる段階と、前記セルに溶融状態の所定の強誘電性液晶を注入して密封する段階と、前記強誘電性液晶がブックシェルフ構造に対応する相遷移が得られるよう降温させる段階と、前記相遷移温度より高い第1温度から前記相遷移温度以下の第2温度まで前記電極層に所定の第1直流電位を印加する段階と、前記第1直流電位印加を中断し前記第2温度より低い第3温度まで降温させる段階と、前記電極層に前記第1直流電位と極性が逆の第2直流電位を前記電極層に印加しつつ前記第3温度より低い第4温度まで降温させる段階とを含む。
【0019】
前記強誘電性液晶は降温時キラルネマチック相からスメクチックC相に相遷移する素材が適用される。
【0020】
望ましくは、前記第1温度は前記強誘電性液晶の前記相遷移温度より少なくとも2℃以上高い温度であり、前記第2温度は前記相遷移温度より少なくとも1℃以下が適用される。
【0021】
また、前記第3温度は前記第2温度より少なくとも1ないし2℃以下であり、前記第4温度は前記第3温度より少なくとも10℃以下が適用される。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい実施例による強誘電性液晶表示素子の製造方法をさらに詳述する。
【0023】
図3は本発明に係る強誘電性液晶表示素子を示した断面図である。強誘電性液晶表示素子10は下部基板11、下部電極層12、下部配向膜13、液晶層14、上部配向膜15、上部電極層16、上部基板17、 シーリング材18及びスペーサ19、を備える。下部基板11の低部と上部基板17の上部には偏光軸が所定角度に交差するよう配置された偏光板(図示せず)が配置される、参照符号20は液晶層14内に注入された強誘電性液晶の結晶化過程において極性を可変して直流電位を印加する駆動部である。
【0024】
下部及び上部基板11、17はガラスまたは透明合成樹脂のような透明素材が適用される。
【0025】
下部及び上部電極層12、16は知られている透明導電素材、例えばITO素材で形成される。望ましくは、下部電極層12と上部電極層16は相互直交される方向に沿って並んで形成された多数の電極を備える。
【0026】
下部及び上部配向膜13、15は公知の多様な配向素材で形成される。配向素材の例としてはポリイミド、ポリビニルアルコール、ナイロン、PVA系などがある。
【0027】
配向膜13、15は布のようなラビング素材にて所定角度でラビング処理される。スペーサ19は液晶層14のギャップを一定に保つために設けられたものである。液晶層14は本発明に係る結晶化過程を通して生成されたブックシェルフ(bookshelf)構造及び単安定特性を有する強誘電性液晶素材によって充填されている。
【0028】
ブックシェルフ構造及び単安定特性を有する強誘電性液晶層14は結晶化過程を経て均一に形成されたモノドメイン上に垂直状に配列されたスメクチック層内における液晶分子が曲がらず並んで列をなす構造を有する、このようなブックシェルフ構造の均一なモノドメインを有する強誘電性液晶素子は該当液晶を溶融状態で注入し温度を下げながら、後述する電位印加方式によって均一なモノドメインを有する構造の組織を得る。
【0029】
ブックシェルフ構造を有する液晶素材、すなわちキラルネマチック(N*)相からキラルスメクチックC(SmC*)相に相遷移する液晶素材は、日本国特開平6−122875号、日本国特開平6-25060号、日本国特開平6−40985号、日本国特開平6−228057号、アメリカ特許第4585575号、韓国公開特許公報1997−1332号などで多様に開示されている。
【0030】
以下、本発明に係る強誘電性液晶表示素子の製造過程を図3及び図5を共に参照して説明する。
【0031】
まず、上部及び下部構造体を形成する(段階110)。
【0032】
下部構造体とは下部基板11、下部電極層12、下部配向膜13が順次に形成された構造を指し、上部構造体とは上部基板17、上部電極層16、上部配向膜15が順次に形成された構造を指す。下部配向膜13及び上部配向膜15のそれぞれは設定された方向に沿って布が巻かれたローラのように知られているラビング素材でラビング処理する。
【0033】
次いで、ラビング処理された下部構造体と上部構造体との間に液晶注入用セル21を形成する(段階120)。
【0034】
セル形成過程の一例を挙げれば、ラビング処理された下部構造体及び上部構造体のうちいずれか一つの構造体の基板11、17にシラントのようなシーリング素材で形成しようとするパターンに対応するセル21を形成する。すなわち図4に示した通り、シーリング素材21aで下部基板11に縁部に沿って注入口21bを有するようセル21を形成させる。そして、セル間隙を保つためのスペーサ19を基板11、17の間に設ける。その後、下部構造体と上部構造体とを接合させる。
【0035】
セル形成後はシーリング素材21aによって形成されたセル21の注入口21bを介して結晶化時キラルネマチック(N*)相からキラルスメクチックC(SmC*)相に相遷移する強誘電性液晶をイソトロピック状態である溶融状態で注入した後セル21の注入口21bを密封する(段階130)。
【0036】
それから、モノドメイン及びブックシェルフ構造を有するスメクチック相を得るための結晶化過程を行なう。
【0037】
結晶化過程では、まず融点以上に加熱されセルの注入口21bを通して注入された液晶がキラルネマチック(N*)相を経てキラルスメクチックC(SmC*)相に直接に相遷移できるよう降温させ、下部及び上部電極層12、16を通して第1直流電位を印加する(段階140)。
【0038】
第1直流電位は降温時からまたはキラルスメクチックC(SmC*)相遷移温度より数ないし数十℃高い液晶温度で印加する、また、第1直流電位は相遷移温度以下の設定された第2温度まで印加し続ける。望ましくは、第1温度は強誘電性液晶の相遷移温度より少なくとも2℃以上高い温度が適用され、第2温度は相遷移温度より少なくとも1度以下に適用される。
【0039】
第2温度に至れば、降温過程は行ない続け、第1直流電位の印加を中断する(段階150)。すなわち、電位非印加状態で第3温度まで降温する。望ましくは、第3温度は第2温度より少なくとも1℃ないし2℃以下が適用される。
【0040】
最後に、第3温度に至れば第4温度まで第1直流電位の極性と逆方向の第2直流電圧、すなわち逆電圧を電極層12、16に印加する(段階160)。望ましくは、第4温度は第3温度より少なくとも10℃以下に適用される。
【0041】
このような結晶化過程を通して製造された液晶表示素子はブックシェルフ構造及び均一なモノドメインを有する液晶層14が生成される。
【0042】
以下、本発明によって製造された液晶表示素子と従来の方式によって製造された液晶表示素子を実験例を通して比較して説明する。
【0043】
まず、キラルネマチック(N*)相を経てキラルスメクチックC(SmC*)相に直接に相遷移する強誘電性液晶材料を従来の方式によって降温処理だけ施して結晶化した場合について説明する。
【0044】
キラルネマチック(N*)相を経てキラルスメクチックC(SmC*)相に直接に相遷移する強誘電性液晶材料をイソトロピック状態から降温率を1分当たり2℃(2℃/min)ずつ適用してキラルスメクチックC相(Sm*C)の遷移温度(例えば72℃)以下まで冷却して生成完了された液晶表示素子について偏光軸が直交するよう両基板11、17の外側に配置された二枚の偏光板を通して表示された状態が図6に示されている。
【0045】
図示の通り、表示画面はブラック状態表示モードであるにも拘らず明るい箇所が部分的に現れる。図において丸付けをした箇所はスペーサである。この結果は液晶の結晶化過程で非均一なドメインが形成された結果である。
【0046】
このような結果を招く従来の結晶化過程を図7に基づき説明すれば、例えば位置Aの液晶分子24aは降温されながら、層収縮を補償するために左(L)または右(R)方向に動こうとする。この際、左(L)方向はラビング方向と近くて殆んどの液晶分子が左(L)方向に動くようであるが、実際は位置Aの液晶分子24aを基準に左(L)方向と右(R)方向との距離によるエネルギー差(ΔE)が極めて小さくて、結晶化過程を経れば液晶分子24aは左(L)方向と右(R)方向に沿って均一に分布し、その結果非均一なドメインが形成される。ここで、エネルギー差(ΔE)はγsin(2θ)と表現でき、γは液晶の配向膜との固着エネルギー(Anchoring energy)であり、θは液晶分子の回動コーン上における液晶分子の回動角である。
【0047】
このような非均一なドメインの形成によって液晶分子の回動自在なコーンの軌跡は相異なる方向に傾く。
【0048】
一方、結晶化過程において降温と共に正方向直流電位印加、直流電位印加中断、逆方向直流電位印加を順次に行った場合均一なモノドメインを有する液晶表示素子が製造された。
【0049】
図8は本発明の製造過程を経て生成された強誘電性液晶表示素子をブラック表示モードである電位非印加時偏光板を通して得た表示装置を取った写真である。
【0050】
写真から分かる通り、図6に示したような明るさ差のある部分が消えてしまったことが分かる。すなわち、本発明によって製造された液晶表示素子は綺麗なブラックのモノドメインを有する構造で形成されたことが分かる。参考に、図8の写真の液晶表示素子はスメクチックC相遷移温度(72℃)より高い74℃から70℃まで8Vの直流電圧を印加し、70℃から68℃までは電位非印加状態で降温だけ行ない、その後68℃から30℃まで降温と共に逆電圧(-8V)を印加する過程を経て生成された。また、セルギャップは1.5μmであった。
【0051】
図7を参照して、このように均一なモノドメインを有するブックシェルフ構造の液晶表示素子の結晶化過程を説明すれば、例えばA位置の液晶分子24aは印加される直流電位によって強制的に位置Bに移動され、降温時コーン角が45°程に保たれることによって、位置Bの液晶分子24bを基準に左(L')方向と、右(R')方向とのエネルギー差(ΔE)が極めて大きくなって殆んどの液晶分子がラビング方向に近い右(R')方向に動いて配向され、その結果モノドメインが形成されることと判断することができる。
【0052】
ここで、液晶層14に印加する直流電圧の大きさは液晶層のセルギャップ及び適用される液晶分子の電位に対する反応特性によって適切な範囲内で決定することが望ましい。
【0053】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明の製造方法によって生成された強誘電性液晶表示素子はブックシェルフ構造のモノドメインを有する液晶層によって綺麗な白黒状態を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般のブックセルフ構造を有するハーフ−V型強誘電性液晶の印加電圧によってチルトされる現象を示す図である。
【図2】図1のハーフV型強誘電性液晶の印加電圧と光透過率との関係を示すグラフである。
【図3】本発明に係る強誘電性液晶表示装置を示した図である。
【図4】図3の液晶表示素子の基板に液晶注入用セルを形成させる過程の一例を示す斜視図である。
【図5】本発明に係る強誘電性液晶表示素子の製造過程を示すフローチャートである。
【図6】キラルネマチック(N*)相からキラルスメクチックC相に相遷移する強誘電性液晶を従来の製造方式によって降温処理後生成された液晶表示素子の電位非印加時の表示状態を示した写真である。
【図7】図6の強誘電性液晶の結晶化過程を説明するために液晶を図式的に示した図である。
【図8】本発明に係る液晶表示素子製造過程を経て生成された液晶表示素子について電位非印加時の表示状態を示した写真である。
【符号の説明】
10 強誘電性液晶表示素子
11 下部基板
12 下部電極層
13 下部配向膜
14 液晶層
15 上部配向膜
16 上部電極層
17 上部基板
18 シーリング部材
19 スペーサ
20 駆動部
Claims (5)
- 基板、電極層、配向膜を有する下部構造体及び上部構造体をそれぞれ形成する段階と、
前記下部構造体と前記上部構造体との間にセルを形成させる段階と、
前記セルに溶融状態の所定の強誘電性液晶を注入して密封する段階と、
前記強誘電性液晶がブックシェルフ構造に対応する相遷移が得られるよう降温させる段階と、
前記相遷移温度より高い第1温度から前記相遷移温度以下の第2温度まで前記電極層に所定の第1直流電位を印加する段階と、
前記第1直流電位印加を中断し前記第2温度より低い第3温度まで降温させる段階と、
前記電極層に前記第1直流電位と極性が逆の第2直流電位を前記電極層に印加しつつ前記第3温度より低い第4温度まで降温させる段階とを備えることを特徴とする強誘電性液晶表示素子の製造方法。 - 前記強誘電性液晶は、降温時キラルネマチック相からスメクチックC相に相遷移する素材であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電性液晶表示素子の製造方法。
- 前記第1温度は、前記強誘電性液晶の前記相遷移温度より少なくとも2℃以上高い温度であり、前記第2温度は前記相遷移温度より少なくとも1℃以下であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電性液晶表示素子の製造方法。
- 前記第3温度は、前記第2温度より少なくとも1ないし2℃以下であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電性液晶表示素子の製造方法。
- 前記第4温度は、前記第3温度より少なくとも10℃以下であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電性液晶表示素子の製造方法。
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