JP3693255B2 - 強誘電性液晶表示素子の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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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