JP3768834B2 - Liquid crystal element and liquid crystal display panel - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶素子および液晶表示パネルに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、ネマティック液晶の配向方式としては、液晶セルの上下基板のラビング方向を90度回転させたTN(Twisted Nematic)配向素子が一般に使われているが、上下基板を反平行にラビング処理を行い、上下2枚の電極基板間にネマティック液晶を挟むECB方式や、同一方向にラビング処理を行った配向方式(スプレイ配向)も知られている。
【0003】
また、図4に示す様に、特に同一方向にラビングしたスプレイ配向に、電圧を印加してベンド配向に配向変化させることで応答速度を改善した方式が1983年にBosらによって発表されている。(πセル)(文献名 米国特許第4,582,396号)
【0004】
また、図5に示す様に、このようなベンド配向セルに位相補償板52,53を用いて位相補償を行うことで視野角特性を改善した研究が1992年に内田等によって発表されている。(OCB セル)(文献名 1993年 液晶討論会予稿集 2B13)
【0005】
このようなベンド配向型のネマティック液晶は、液晶応答におけるバックフロー現象を抑制することによって応答性を改善、高速化したものである。しかしながら、このモード(Mode)は、電界無印加にスプレイ(Splay)と呼ばれる配向状態を有し、液晶配向状態をベンド(Bend)に転位させるために非常に高電圧と長い時間を必要とする。また、ベンド状態を保持するために常にある一定電圧を印加しておく必要があり、液晶パネル面内でのばらつき等によりベンド状態を保持できない場所が発生すると、スプレイ配向状態が起因となる色むらが原因でTNモード等での点欠陥以上の問題が発生していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、上記のベンド配向モードにみられる液晶素子を表示させための前処理等を必要としない新しい液晶配向モードを有する液晶素子およびそれを用いた液晶表示パネルを提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、電圧を印加できる構造を有する2枚の基板間にネマチック液晶を狭持してなる液晶素子において、該液晶が一軸配向方向が互に平行である2枚の基板間で電界を印加することなく配向しており、かつ該液晶の配向が、一方の基板側における液晶のプレチルトが10°以下で、もう一方の基板側の基板間の中心位置から基板界面に偏った部分における液晶のプレチルトが略垂直であることを特徴とする液晶素子である。
【0008】
また、片側の基板側の液晶のプレチルトが0°より大きく10°以下である事を特徴とする。
また、2つの基板間で異なる配向制御層を用いてプレチルトを付与する事を特徴とする。
また、上記の液晶素子は、位相補償することにより黒を表示することを特徴とする。
また、上記の液晶素子は、スイッチング素子を用いて駆動することを特徴とする。
また、上記の液晶素子は、電圧を印加する少なくとも一方の基板を高分子系の配向膜をラビング法を用いて一軸配向性を付与することを特徴とする。
また、上記の液晶素子は、少なくとも一方の基板に斜方蒸着法を用いて一軸配向性を付与することを特徴とする。
また、上記の液晶素子は、一方の基板に反射電極を用いて反射型として用いることを特徴とする。
【0009】
さらに、本発明は、上記の液晶素子を用いた液晶表示パネルである。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、ネマチック液晶を狭持して配向させた液晶素子において、一方の基板側の液晶のプレチルトを10°以下とし、もう一方の基板側にセル内の液晶の配向に電界を印加することなく基板間の中心位置から基板界面に偏った部分における液晶のプレチルトが垂直又は略垂直部分を有するようにし、両基板間での一軸配向方向が互に平行である配向状態において、配向状態を変化させる特殊な処理を必要とせず、バックフロー現象を押さえることで高速応答性を有する新しい液晶配向モードの液晶素子を発明した。
【0011】
通常、リタデーション値で黒を表示する液晶モードの場合は、図5に示すように、リタデーションを有するフィルム等、つまりフィルムを構成する分子の向が揃っているようなフィルム等の位相補償板をもちいて位相補償する事で黒を表示して鮮明な黒を表示する。この液晶素子は位相補償して用いることが好ましい。
【0012】
また、アナログ的に階調を表示する液晶素子の場合、各画素毎にスイッチング素子を用いて駆動することが望ましい。また、片側の基板側の液晶のプレチルトはできるだけ0°に近づける(0°より大きいことは必須であるが)ことが望ましい。この理由は、基板間の配向状態にリタデーションを付与できる状態の分子が多くなり低電圧で十分なリタデーションがとれる。
【0013】
さらには、プロジェクション等の拡大光学系を用い投射型のディスプレイとして用いる場合、高分子系配向膜等のラビング等の筋配向状態が非常に大きな問題となることが知られている。片側の基板側の液晶のプレチルトをできるだけ0°に近くすることで面内のプレチルトのばらつきが起因となる筋配向状態が緩和される。本発明においては、10°以下、好ましくは1°〜5°で使うことで筋配向状態が改善された。
【0014】
さらに改善するためには、もう一方の基板を筋配向状態がなく、高プレチルト配向制御ができる斜方蒸着法を用いて配向させることがより好ましい。
【0015】
次に、本発明における液晶配向モードを簡単に説明する。通常のベンド配向状態は、電界無印加時はスプレイ配向が安定である。これに高電圧を印加することによりベンド配向に転位させる。このモードは、電界のOn−Offでの配向状態変化でTNモード等で見られる逆ねじれ等が原因となるバックフロー現象が少なく高速応答であると言われている。(図6参照)
【0016】
本発明の液晶配向モードでは、片側の基板側の液晶のプレチルトに対してもう一方の基板側の液晶のプレチルトを非常に高くする非対称構成であることが特徴である。この配向状態の一例を図7に示す。プレチルトの高い基板71a面の71aを90°近傍まで立たせることによりベンド配向状態と同様にバックフローの少ない配向状態が容易に達成できる。すなわち、液晶分子のプレチルト角θが70°〜89°、好ましくは75°〜80°の範囲であるのが望ましい。
【0017】
さらに、一方の基板71a面の高いプレチルト側のプレチルトを徐々に低くしていくと、あるプレチルト以下でスプレイ状態が安定となり、電界印加により垂直部分を持つ配向状態に転位させる必要がでてくる。本発明のモードは、片側の基板側の液晶のプレチルトを0°に近い状態とし、もう一方の基板側の液晶のプレチルトをスプレイ配向状態ではなく両基板間で基板に垂直な部分を安定に持つ範囲でプレチルト制御することが特徴である。この配向状態を使うことにより、配向状態を転位させる電圧やその配向状態を保持する電圧等は必要がない。
【0018】
つまり本発明の液晶素子は、一方の基板側の液晶分子のプレチルトは0°に近い状態とし、他方の基板側の液晶分子は略垂直とすることが特徴である。仮に他方の基板側の液晶分子が略垂直ではない場合は、あるプレチルト以下でスプレイ状態になってしまう。そのようなスプレイ状態になったら電界印加しなければならない。したがって、そのスプレイ状態はスプレイ状態をなくすための電界印加をしなければならないという点で本発明においては好ましい状態ではない。そして本発明の液晶素子はそのような電界印加を必要としない。
【0019】
応答速度に関して述べると、初期スプレイからのベンド配向はバックフローが無く応答速度が速いのがメリットであり、ベンド化電圧が必要なのがデメリットなのに対し、本発明ではベンド配向のメリット(応答速度が速いこと)は保持しつつ、初期から(疑似)ベンドなので、ベンド化電圧が不要となるため、初期スプレイからのベンド配向のデメリットを解消できる。
【0020】
さらに、図8にベンド配向状態と本発明の液晶素子の電圧とリタデーション値の関係のグラフを示す。セル厚は4μmで、液晶にはセイミケミカル製CF−1783を用いた。この液晶は、Δn(0.21)が大きく、粘性が小さいので、薄セルで高速性を保ちつつ低電圧駆動するために用いた。同図に示す様に、同一電圧で非常に幅広いリタデーション幅が得られることがわかる。これが本発明の特徴である。
【0021】
なお、図8中、ベンド配向モードの測定範囲が本発明の配向モードの測定範囲より狭いが、ベンド配向モードで3V以下だとスプレイ状態に転移して、急激にリタデーションが増えたため(着色したため)測定結果を載せなかった。
【0022】
本発明の液晶素子には、ネマチック液晶が用いられるが、特に限定はない。
【0023】
以下、図1を参照して本発明の液晶素子の具体的な一実施形態について説明する。
同図に示す液晶素子80では、一対のガラス、プラスチック等透明性の高い材料からなる基板81a、81b間に液晶85を挟持したセルが互いに偏光軸が直交した一対の偏光板87a及び87b間に挟装した構造となっている。
【0024】
基板81a、81bには、夫々液晶85に電圧を印加するためのIn2 O3 、ITO等の材料からなる電極82a、82bが設けられており、例えば後述
するように一方の基板にドット状の透明電極をマトリックス状に配置し、各透明電極にTFTやMIM(Metal−Insulator−Metal)等のスイッチング素子を接続し、他方の基板の一面上あるいは所定パターンの対向電極を設けアクティブマトリックス構造を形成している。
【0025】
電極82a,82b上には、必要に応じてこれらのショートを防止する等の機能を持つSiO2、TiO2、Ta2O5等の材料からなる絶縁膜83a,83bが夫々設けられる。
【0026】
更に、液晶85に接し、その配向状態を制御するべく機能する配向制御膜84a,84bが設けられている。かかる配向制御膜84a,84bは、一軸性を付与する配向制御層でありポリイミド等のラビングや光配向制御や斜方蒸着膜(SiO、SiOx、CaF2 )等が知られている。
【0027】
基板81a及び81bは、スペーサー86を介して対向している。かかるスペーサー86は、基板81a、81bの間の距離(セルギャップ)を決定するものであり、シリカビーズ等が用いられる。ここで決定されるセルギャップについては、液晶材料や電圧幅等によって、1〜10μmの範囲に設定することが好ましい。
【0028】
当該液晶素子では、基板81a及び81bの一方に少なくともR,G,Bのカラーフィルターを設け、カラー液晶素子とすることもできる。
また光源としてR,G,Bの光源を順次切り替えることで、時分割による混色を利用してフルカラー表示させる方法を用いることもできる。
【0029】
尚、当該液晶素子は、基板81a及び81bの両方の基板に一対の偏光板を設けた透過型の液晶素子、即ち基板81a及び81bのいずれも透光性の基板であり、一方の基板側からの入射光(例えば外部光源による光)を変調し他方側に出射するタイプの素子、又は少なくとも一方の基板に偏光板を設けた反射型の液晶素子、即ち基板81a及び81bのいずれか一方の側に反射板を設けるかあるいは一方の基板自体又は基板に設ける部材として反射性の材料を用いて、入射光及び反射光を変調し、入射側と同様の側に光を出射するタイプの素子のいずれにも適用することができる。
【0030】
本発明では、上述の液晶素子に対して階調信号を供給する駆動回路を設け、上述したような電圧の印加により液晶の配向状態変化により、リタデーションの値を連続的に変化させ、階調表示を行う液晶表示素子を構成することができる。例えば、液晶素子の一方の基板として前述したようなTFT等を備えたアクティブマトリクス基板を用い、駆動回路で振幅変調によるアクティブマトリクス駆動を行うことでアナログ階調表示が可能となる。
【0031】
次に、図2および図3を参照して、本発明の液晶素子において、このようなアクティブマトリクス基板を用いた例について説明する。
図2は、当該液晶素子を、駆動手段を備えた形で、一方の基板(アクティブマトリクス基板)の構成を中心に模式的に示したものである。
【0032】
図2に示す構成では、液晶素子に相当するパネル部90において、駆動手段である走査信号ドライバ91に連結した走査線に相当する図面上水平方向のゲート線Gl、G2・・・・と、駆動手段である情報信号ドライバ92に連結した情報信号線に相当する図面上縦方向のソース線Sl、S2・・・・が互いに絶縁された状態で直交するように設けられており、その各交点の画素に対応してスイッチング素子に相当する薄膜トランジスタ(TFT)94及び画素電極95が設けられている(同図では簡略化のため5×5画素の領域のみを示す)。尚、スイッチング素子として、TFTの他、MIM素子を用いることもできる。ゲート線Gl、G2・・・はTFT94のゲート電極(図示せず)に接続され、ソース線Sl、S2・・・はTFT94のソース電極(図示せず)に接続され、画素電極95はTFT94のドレイン電極(図示せず)に接続されている。かかる構成において、走査信号ドライバ91によリゲート線Gl、G2・・・が例えば線順次に走査選択されてゲート電圧が供給され、このゲート線の走査選択に同期して情報信号ドライバ92から、各画素に書き込む情報に応じた情報信号電圧がソース線Sl、S2・・・に供給され、TFT94を介して各画素電極に印加される。
【0033】
図3は、図2に示すようなパネル構成における各画素部分(1ビット分)の断面構造の一例を示す。同図に示す構造では、TFT94及び画素電極95を備えるアクティブマトリクス基板20と共通電極42を備えた対向基板40間に、自発分極を有する液晶層49が挟持され、液晶容量(C1c)31が構成されている。
【0034】
アクティブマトリクス基板20については、TFT94としてアモルファスSiTFTを用いた例が示されている。TFT94はガラス等からなる基板21上に形成され、図2に示すゲート線Gl、G2・・・に接続したゲート電極22上に窒化シリコン(SiNx)等の材料からなる絶縁膜(ゲート絶縁膜)23を介してa−Si層24が設けられており、該a−Si層24上に、夫々n+a−Si層25、26を介してソース電極27、ドレイン電極28が互いに離間して設けられている。
【0035】
ソース電極27は図2に示すソース線Sl、S2・・・に接続し、ドレイン電極28はITO膜等の透明導電膜からなる画素電極95に接続している。また、TFT94におけるa−Si層24上をチャネル保護膜29が被覆している。このTFT94は、該当するゲート線が走査選択された期間においてゲート電極22にゲートパルスが印加されオン状態となる。
【0036】
更に、アクティブマトリクス基板20においては、画素電極95と、該電極のガラス基板側に設けられた保持容量電極30により絶縁膜23(ゲート電極22上の絶縁膜と連続的に設けられた膜)を挟持した構造により保持容量(Cs)32が液晶層49と並列の形で設けられている。保持容量電極はその面積が大きい場合、開口率が低下するため、ITO膜等の透明導電膜により形成される。
【0037】
アクティブマトリクス基板20のTFT94及び画素電極95上には液晶の配向状態を制御する為の例えばラビング処理等の一軸配向処理が施された配向膜43aが設けられている。
【0038】
一方、対向基板40では、ガラス基板41上に、全面同様の厚みで共通電極42、及び液晶の配向状態を制御する為の配向膜43bが積層されている。
尚、上記セル構造は、互いに偏光軸が直交した関係にある一対の偏光板間に挟持されたフィルム等の位相補償板を偏光板間に用いることが好ましい。
【0039】
尚、図2及び図3に示すようなパネル構成において、アクティブマトリクス基板として、多結晶Si(p−Si)TFTを備えた基板を用いることができる。
また、反射型のディスプレイの場合、単結晶シリコン基板にアクチィブ素子を作り込みこれを反射基板として用いることもできる。
【0040】
【実施例】
以下に実施例を示すが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【0041】
実施例1,2および比較例1,2
(セル1の作成)
ITOを蒸着しパターニングしたガラス基板に、JALS2022(JSR製、垂直配向膜用溶液)の膜溶液をスピン塗布した。これを80℃で2minプレ焼成し、200℃で60min焼成した。これをコットン植毛布を用いてラビング処理を行った。(ラビングローラー径が80mmφ、ローラー回転数1000rpm、基板表面の押し込み0.5mm、基板の送り速度を50mm/sとした)。
【0042】
反射電極を有する液晶基板に、SE−7992(日産化学製、配向膜用溶液)の配向膜溶液をスピン塗布した。これを80℃で2minプレ焼成し、200℃で60min焼成した。これをコットン植毛布を用いてラビング処理を行った。(ラビングローラー径が80mmφ、ローラー回転数1000rpm 、基板表面の押し込み0.7mm、基板の送り速度を50mm/sとした)。
【0043】
このように処理した電極基板に2.5μmφのスペーサーおよびシール剤を介して上下基板のラビング方向が平行となるように、貼り合わせることにより液晶セルを構成した。なお、配向膜JALS2022の膜厚は50nm、配向膜SE−7992の膜厚は50nmである。
【0044】
(セル2の作成)
ITOを蒸着しパターニングしたガラス基板に、JALS2022(JSR製、垂直配向膜用溶液)の膜溶液をスピン塗布した。これを80℃で2minプレ焼成し、200℃で60min焼成した。
【0045】
反射電極を有する液晶基板に、SE−7992(日産化学製、配向膜用溶液)の配向膜溶液をスピン塗布した。これを80℃で2minプレ焼成し、200℃で60min 焼成した。これをコットン植毛布を用いてラビング処理を行った。(ラビングローラー径が80mmφ、ローラー回転数1000rpm、基板表面の押し込み0.7mm、基板の送り速度を50mm/sとした)。
【0046】
このように処理した電極基板に2μmφのスペーサーおよびシール剤を介して上下基板のラビング方向が平行となるように、貼り合わせることにより液晶セルを構成した。なお、配向膜JALS2022の膜厚は30nm、配向膜SE−7992の膜厚は50nmである。
【0047】
(セル3の作成)
ITOを蒸着しパターニングしたガラス基板と反射電極を有する液晶基板に、SE−7992(日産化学製、配向膜用溶液)の配向膜溶液をスピン塗布した。これを80℃で2minプレ焼成し、200℃で60min焼成した。これをコットン植毛布を用いてラビング処理を行った。(ラビングローラー径が80mmφ、ローラー回転数1000rpm、基板表面の押し込み0.7mm、基板の送り速度を50mm/sとした)。
【0048】
このように処理した電極基板に3μmφのスペーサーおよびシール剤を介して上下基板のラビング方向が平行となるように、貼り合わせることにより液晶セルを構成した。なお、配向膜SE−7992の膜厚は50nmである。
【0049】
(セル4の作成)
反射電極を有する液晶基板に、SiOを用いて斜方蒸着を行った。(膜厚120nm、蒸着速度0.1nm/s、蒸着角度75°)。
【0050】
ITOを蒸着しパターニングしたガラス基板に、SE−7992(日産化学製、配向膜用溶液)の配向膜溶液をスピン塗布した。これを80℃で2minプレ焼成し、200℃で60min焼成した。これをコットン植毛布を用いてラビング処理を行った。(ラビングローラー径が80mmφ、ローラー回転数1000rpm、基板表面の押し込み0.7mm、基板の送り速度を50mm/sとした)。
【0051】
このように処理した電極基板に3μmφのスペーサーおよびシール剤を介して上下基板のラビング方向が平行となるように、貼り合わせることにより液晶セルを構成した。なお、配向膜SE−7992の膜厚は50nmである。
【0052】
上記の作成した各セル1〜4に、ネマチック液晶(セイミケミカル製、CF−1783)を減圧下で注入し各液晶素子を作成した。各セルは電圧を印加した状態で黒を表示するノーマリーホワイト状態で黒を補償するようにポリカーボネート製の位相補償板を複数用いた。偏光板はビームスプリッターを用いて、図9に示すような光学系を用いて測定した。
【0053】
なお、図9には、ビームスプリッター12と液晶素子14との間に不図示の位相補償板が配置されている。ノーマリーホワイトの場合、高電圧側で黒にするため、7V印加時のリタデーション(図8のグラフから読むと約110nm)と同じリタデーションを持つ「位相補償板」をその遅相軸と液晶素子のラビング方向とが90°に直交するように配置する。ビームスプリッタは反射素子で偏向板をクロスニコル配置させるために用意した。なお、通常の白色光の反射素子では、可視域の中心波長のλ/4=560/4=140nmに配置しておけば、もう一方の偏光板とビームスプリッタは用いなくてもよい。
【0054】
各液晶素子の特性を室温25℃で測定した結果を表1に示す。
【0055】
【表1】
【0056】
(注)
1)電圧0〜7V範囲でのリタデーション幅(つまり、リタデーション値の最大値から最小値を引いた値、ベッレック式コンペンセーターで測定)
2)応答速度は0〜7V範囲(比較例2は4〜7V)90Hz矩形波で測定
τonは、白状態から黒状態へのスイッチングを示し、白の100%から黒状態の10%までの応答速度。
τoffは、黒状態から白状態へのスイッチングを示し、黒0%から白状態の90%までの応答速度。
3)プレチルトは上下同一の一軸配向を持つ基板を一軸配向方向が反平行となるようにセルを別途作成した。用いた液晶のΔnと作成したセルのリタデーションの測定値からセル厚換算することで求めた。
【0057】
実施例1ではベンド配向状態特有のベンド化電圧(前処理)やベンド状態を保持する電圧(保持電圧)等を必要とせず、ベンド状態に匹敵する応答速度を示した。比較例2では、ベンド化処理に15V程度の高電圧を必要として1cm2 がベンド状態になるのに20min程度かかった。さらに、ベンド状態を保持する電圧が4V必要であった。比較例1は、図11に示す様なHAN配向と言われる配向状態であるが、片側のプレチルトを90°から低い方向にすることで応答速度が格段に向上していることがわかる。これは、バックフロー現象が低減されたためだと思われる。
【0058】
実施例3,4
実施例1〜4の液晶素子の筋配向状態の評価を行なった。
実施例3、4の液晶素子は、実施例1と同様にして、垂直配向膜(JALS 2022)のラビング強度を一定として配向膜の厚さを変化させることでプレチルトを調整したセル5,6を用いた。また、液晶は実施例1、2と同様なものを用いた。
【0059】
これを顕微鏡観察(200倍)で筋配向状態を観察した。その結果を表2に示す。
【0060】
【表2】
【0061】
実施例4では筋配向状態が完全な黒状態でも顕著に見られた(△)。それに対して、実施例1、3では中間調状態で若干の筋が見られた(○)。それに対して、実施例2では全く筋配向状態は見られなかった(◎)。
【0062】
実施例5,6および比較例3
実施例1および2と比較例2と同一の条件で片側の基板を反射電極基板から透過のガラス基板にし、スペーサー径のみを代えて透過型の液晶セルを作成した。
各液晶素子の特性を室温25℃で測定した結果を表3に示す。
測定条件等は表1及び表2と同様である。
【0063】
【表3】
【0064】
結果は、反射型と同様の結果が得られた。
応答速度については、すべての液晶素子についてセル厚が反射型にたいしてほぼ2倍であり、電界強度の減少によるものである。
【0065】
実施例7
スイッチング素子を用いた液晶素子の評価を行なった。
図3に示すようなTFTの構成を持つ基板を作成した。セルの作成条件は実施例6を用いて配向膜塗布時のみ印刷法で作成した。これを図2に示すようにデータードライバー及びゲートドライバーを実装した。これに図10に示す例のような波形を印加することで液晶素子表示をおこなった。対応する位相補償板と共に設置して評価を行った。
その結果、実施例6と同様に転位の電圧は特に必要なく、高速応答性を示した。
【0066】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、2枚の基板に特定の配向状態を作成することにより、前処理等が必要なく、高速応答性をもつ液晶素子および液晶表示パネルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液晶素子の一実施形態を示す概略図である。
【図2】本発明の液晶素子を駆動手段を備えた形で一方の基板の構成を中心に模式的に示した図である。
【図3】図2に示すようなパネル構成における各画素部分(1ビット分)の断面構造の一例を示す概略図である。
【図4】従来の液晶素子のスプレイ配向に電圧を印加してベンド配向に配向変化させる状態を示す説明図である。
【図5】ベンド配向セルに位相補償を行う説明図である。
【図6】本発明の液晶配向モードの配向状態の一例を示す説明図である。
【図7】本発明の液晶配向モードの配向状態の一例を示す説明図である。
【図8】ベンド配向状態と本発明の液晶素子の電圧とリタデーション値の関係を示すグラフである。
【図9】実施例の液晶素子の測定に用いた光学系を示す説明図である。
【図10】実施例7の液晶素子の測定に用いた印加波形を示す図である。
【図11】比較例1の液晶素子の配向状態を示す説明図である。
【符号の説明】
11 光源
12 ビームスプリッター
13 偏光板
14 液晶素子
15 観察者
20 アクティブマトリクス基板
21 基板
22 ゲート電極
23 絶縁膜(ゲート絶縁膜)
24 a−Si層
25、26 n+ a−Si層
27 ソース電極
28 ドレイン電極
29 チャネル保護膜
30 保持容量電極
31 液晶容量
32 共通電極
40 対向基板
41 ガラス基板
42 共通電極
43a,43b 配向膜
49 液晶層
71a,71b 基板
80 液晶素子
8la、8lb 基板
82a、82b 電極
83a、83b 絶縁膜
84a,84b 配向制御膜
85 液晶
86 スペーサー
87a、87b 偏光板
90 パネル
91 走査信号ドライバ
92 情報信号ドライバ
94 薄膜トランジスタ(TFT)
95 画素電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid crystal element and a liquid crystal display panel.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as an alignment method of nematic liquid crystal, a TN (Twisted Nematic) alignment element in which the rubbing direction of the upper and lower substrates of the liquid crystal cell is rotated by 90 degrees is generally used, but the upper and lower substrates are rubbed in antiparallel, An ECB method in which nematic liquid crystal is sandwiched between two upper and lower electrode substrates and an alignment method (splay alignment) in which a rubbing process is performed in the same direction are also known.
[0003]
Also, as shown in FIG. 4, Bos et al. Announced in 1983 a system in which the response speed was improved by applying a voltage to the splay alignment rubbed in the same direction to change the alignment to the bend alignment. (Π cell) (Literature title: US Pat. No. 4,582,396)
[0004]
Further, as shown in FIG. 5, Uchida et al. Published in 1992 a study in which viewing angle characteristics were improved by performing phase compensation on such a bend alignment cell using phase compensation plates 52 and 53. (OCB cell) (Literature 1993 Liquid Crystal Discussion Group Proceedings 2B13)
[0005]
Such a bend alignment type nematic liquid crystal has improved responsiveness and speed by suppressing the backflow phenomenon in the liquid crystal response. However, this mode (Mode) has an alignment state called “Spray” when no electric field is applied, and requires a very high voltage and a long time to shift the liquid crystal alignment state to bend. In addition, it is necessary to always apply a certain voltage in order to maintain the bend state. If a place where the bend state cannot be maintained due to variations in the surface of the liquid crystal panel or the like occurs, the color unevenness caused by the splay alignment state occurs. For this reason, problems more than point defects in the TN mode or the like have occurred.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in order to solve such problems of the prior art, and a new liquid crystal alignment mode that does not require a pretreatment for displaying the liquid crystal element found in the bend alignment mode is provided. An object of the present invention is to provide a liquid crystal element having the same and a liquid crystal display panel using the same.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
That is, according to the present invention, in a liquid crystal element in which a nematic liquid crystal is sandwiched between two substrates having a structure capable of applying a voltage, an electric field is generated between the two substrates having uniaxial alignment directions parallel to each other. In the portion where the pre-tilt of the liquid crystal on one substrate side is 10 ° or less and the center position between the substrates on the other substrate side is biased toward the substrate interface. The liquid crystal element is characterized in that the pretilt of the liquid crystal is substantially vertical.
[0008]
Further, the pretilt of the liquid crystal on one substrate side is greater than 0 ° and not more than 10 °.
Further, a pretilt is imparted by using different orientation control layers between the two substrates.
In addition, the liquid crystal element displays black by performing phase compensation.
In addition, the liquid crystal element is driven using a switching element.
In addition, the liquid crystal element is characterized in that at least one substrate to which a voltage is applied is given a uniaxial orientation by using a polymer alignment film by rubbing.
In addition, the liquid crystal element described above is characterized in that uniaxial orientation is imparted to at least one substrate by using an oblique deposition method.
In addition, the above liquid crystal element is used as a reflective type by using a reflective electrode on one substrate.
[0009]
Furthermore, the present invention is a liquid crystal display panel using the above liquid crystal element.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the liquid crystal element in which nematic liquid crystal is sandwiched and aligned, the inventors set the pretilt of the liquid crystal on one substrate side to 10 ° or less, and applies an electric field to the alignment of the liquid crystal in the cell on the other substrate side. In the alignment state in which the pretilt of the liquid crystal in the portion deviated from the center position between the substrates to the substrate interface is vertical or substantially vertical, and the uniaxial alignment directions between the two substrates are parallel to each other, the alignment state A new liquid crystal alignment mode liquid crystal device having a high-speed response by suppressing the backflow phenomenon without requiring a special treatment for changing the liquid crystal was invented.
[0011]
Usually, in the case of the liquid crystal mode displaying black with a retardation value, as shown in FIG. 5, use a phase compensation plate such as a film having retardation, that is, a film in which the directions of molecules constituting the film are aligned. By displaying the phase compensation, black is displayed and clear black is displayed. This liquid crystal element is preferably used after phase compensation.
[0012]
In the case of a liquid crystal element that displays gradation in an analog manner, it is desirable to drive each pixel using a switching element. In addition, it is desirable that the pretilt of the liquid crystal on one substrate side be as close to 0 ° as possible (although it is essential to be larger than 0 °). This is because the number of molecules in a state in which retardation can be imparted to the alignment state between the substrates increases, and sufficient retardation can be obtained at a low voltage.
[0013]
Furthermore, it is known that when using a magnifying optical system such as projection as a projection-type display, the state of muscle alignment such as rubbing of a polymer-based alignment film becomes a very big problem. By making the pretilt of the liquid crystal on one substrate side as close to 0 ° as possible, the streak alignment state caused by the in-plane pretilt variation is relaxed. In the present invention, the muscle orientation state was improved by using at 10 ° or less, preferably 1 ° to 5 °.
[0014]
In order to further improve, it is more preferable that the other substrate is oriented by using an oblique deposition method that does not have a streak orientation state and can control the high pretilt orientation.
[0015]
Next, the liquid crystal alignment mode in the present invention will be briefly described. In the normal bend alignment state, the splay alignment is stable when no electric field is applied. By applying a high voltage to this, it is transferred to bend alignment. This mode is said to have a high-speed response with little backflow phenomenon caused by reverse twist or the like seen in the TN mode or the like due to a change in orientation state when the electric field is On-Off. (See Figure 6)
[0016]
The liquid crystal alignment mode of the present invention is characterized by an asymmetric configuration in which the pretilt of the liquid crystal on the other substrate side is very high with respect to the pretilt of the liquid crystal on one substrate side. An example of this orientation state is shown in FIG. By causing 71a on the surface of the substrate 71a having a high pretilt to stand up to about 90 °, an alignment state with less backflow can be easily achieved as in the bend alignment state. That is, it is desirable that the pretilt angle θ of the liquid crystal molecules is in the range of 70 ° to 89 °, preferably 75 ° to 80 °.
[0017]
Furthermore, when the pretilt on the high pretilt side of one substrate 71a surface is gradually lowered, the splay state becomes stable below a certain pretilt, and it becomes necessary to shift to an alignment state having a vertical portion by applying an electric field. In the mode of the present invention, the pretilt of the liquid crystal on one substrate side is close to 0 °, and the pretilt of the liquid crystal on the other substrate side is not in the splay alignment state but stably has a portion perpendicular to the substrate between the two substrates. It is characterized by pretilt control within a range. By using this alignment state, there is no need for a voltage for transferring the alignment state or a voltage for maintaining the alignment state.
[0018]
That is, the liquid crystal element of the present invention is characterized in that the pretilt of liquid crystal molecules on one substrate side is close to 0 °, and the liquid crystal molecules on the other substrate side are substantially vertical. If the liquid crystal molecules on the other substrate side are not substantially vertical, a splay state occurs at a certain pretilt or lower. When such a splay state is reached, an electric field must be applied. Therefore, the splay state is not a preferable state in the present invention in that an electric field must be applied to eliminate the splay state. And the liquid crystal element of this invention does not require such an electric field application.
[0019]
Regarding the response speed, the bend orientation from the initial spray is advantageous in that there is no backflow and the response speed is fast, and the disadvantage is that a bend voltage is required. In other words, since it is a (pseudo) bend from the beginning, a bend voltage is not necessary, and the disadvantage of bend orientation from the initial spray can be eliminated.
[0020]
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the bend alignment state, the voltage of the liquid crystal element of the present invention, and the retardation value. The cell thickness was 4 μm, and CF-1783 manufactured by Seimi Chemical was used for the liquid crystal. Since this liquid crystal has a large Δn (0.21) and low viscosity, it was used to drive at a low voltage while maintaining high speed in a thin cell. As shown in the figure, it can be seen that a very wide retardation width can be obtained with the same voltage. This is a feature of the present invention.
[0021]
In FIG. 8, the measurement range of the bend alignment mode is narrower than the measurement range of the alignment mode of the present invention. Measurement results were not listed.
[0022]
A nematic liquid crystal is used for the liquid crystal element of the present invention, but there is no particular limitation.
[0023]
Hereinafter, a specific embodiment of the liquid crystal device of the present invention will be described with reference to FIG.
In the liquid crystal element 80 shown in the figure, a cell in which a liquid crystal 85 is sandwiched between a pair of substrates 81a and 81b made of a highly transparent material such as glass and plastic is placed between a pair of polarizing plates 87a and 87b whose polarization axes are orthogonal to each other. It has a sandwiched structure.
[0024]
In order to apply a voltage to the liquid crystal 85 on the substrates 81a and 81b, respectively. 2 O Three , Electrodes 82a and 82b made of a material such as ITO are provided.
Dot transparent electrodes are arranged in a matrix on one substrate, and switching elements such as TFT and MIM (Metal-Insulator-Metal) are connected to each transparent electrode. The counter electrode is provided to form an active matrix structure.
[0025]
On the electrodes 82a and 82b, SiO has a function of preventing such short-circuiting as necessary. 2 TiO 2 , Ta 2 O Five Insulating films 83a and 83b made of the above materials are provided.
[0026]
Further, alignment control films 84a and 84b that are in contact with the liquid crystal 85 and function to control the alignment state are provided. The alignment control films 84a and 84b are uniaxial alignment control layers, such as polyimide rubbing, photo-alignment control, and oblique deposition films (SiO, SiOx, CaF). 2 ) Etc. are known.
[0027]
The substrates 81a and 81b are opposed to each other with a spacer 86 interposed therebetween. The spacer 86 determines the distance (cell gap) between the substrates 81a and 81b, and silica beads or the like are used. About the cell gap determined here, it is preferable to set to the range of 1-10 micrometers by liquid crystal material, a voltage width, etc.
[0028]
In the liquid crystal element, at least R, G, and B color filters may be provided on one of the substrates 81a and 81b to form a color liquid crystal element.
In addition, by sequentially switching R, G, and B light sources as light sources, a method of performing full-color display using time-division color mixing can be used.
[0029]
The liquid crystal element is a transmissive liquid crystal element in which a pair of polarizing plates is provided on both the substrates 81a and 81b, that is, both the substrates 81a and 81b are translucent substrates. Element of the type that modulates the incident light (for example, light from an external light source) and emits it to the other side, or a reflective liquid crystal element in which a polarizing plate is provided on at least one substrate, that is, either one of the substrates 81a and 81b Either of the elements of the type that modulates incident light and reflected light using a reflective material as a member provided on one substrate itself or a substrate, and emits light to the same side as the incident side. It can also be applied to.
[0030]
In the present invention, a driving circuit that supplies a gradation signal to the above-described liquid crystal element is provided, and the retardation value is continuously changed by changing the alignment state of the liquid crystal by applying the voltage as described above, thereby displaying the gradation. The liquid crystal display element which performs can be comprised. For example, an analog gradation display can be performed by using an active matrix substrate having the above-described TFT or the like as one substrate of a liquid crystal element and performing active matrix driving by amplitude modulation in a driving circuit.
[0031]
Next, an example using such an active matrix substrate in the liquid crystal element of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 schematically shows the liquid crystal element with a driving means, focusing on the configuration of one substrate (active matrix substrate).
[0032]
In the configuration shown in FIG. 2, in the panel unit 90 corresponding to the liquid crystal element, the gate lines G1, G2,... In the horizontal direction in the drawing corresponding to the scanning lines connected to the scanning signal driver 91 as the driving means are driven. The vertical source lines Sl, S2,... Corresponding to the information signal lines connected to the information signal driver 92 as means are provided so as to be orthogonal to each other in an insulated state. A thin film transistor (TFT) 94 and a
[0033]
FIG. 3 shows an example of a cross-sectional structure of each pixel portion (for one bit) in the panel configuration as shown in FIG. In the structure shown in the figure, a
[0034]
For the
[0035]
The
[0036]
Furthermore, in the
[0037]
On the
[0038]
On the other hand, in the
In the cell structure, it is preferable to use a phase compensation plate such as a film sandwiched between a pair of polarizing plates whose polarization axes are orthogonal to each other.
[0039]
In the panel configuration as shown in FIGS. 2 and 3, a substrate including a polycrystalline Si (p-Si) TFT can be used as the active matrix substrate.
In the case of a reflective display, an active element can be formed on a single crystal silicon substrate and used as a reflective substrate.
[0040]
【Example】
Examples are shown below, but the present invention is not limited to the following examples.
[0041]
Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2
(Create cell 1)
A film solution of JALS2022 (manufactured by JSR, solution for vertical alignment film) was spin-coated on a glass substrate patterned by depositing ITO. This was pre-fired at 80 ° C. for 2 minutes and then fired at 200 ° C. for 60 minutes. This was rubbed with a cotton blanket. (The rubbing roller diameter was 80 mmφ, the roller rotation speed was 1000 rpm, the indentation of the substrate surface was 0.5 mm, and the substrate feed rate was 50 mm / s).
[0042]
An alignment film solution of SE-7992 (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd., alignment film solution) was spin-coated on a liquid crystal substrate having a reflective electrode. This was pre-fired at 80 ° C. for 2 minutes and then fired at 200 ° C. for 60 minutes. This was rubbed with a cotton blanket. (The rubbing roller diameter was 80 mmφ, the roller rotation speed was 1000 rpm, the indentation of the substrate surface was 0.7 mm, and the substrate feed rate was 50 mm / s).
[0043]
A liquid crystal cell was constructed by pasting the electrode substrate thus treated through a 2.5 μmφ spacer and a sealant so that the rubbing directions of the upper and lower substrates were parallel to each other. The alignment film JALS2022 has a thickness of 50 nm, and the alignment film SE-7992 has a thickness of 50 nm.
[0044]
(Creation of cell 2)
A film solution of JALS2022 (manufactured by JSR, solution for vertical alignment film) was spin-coated on a glass substrate patterned by depositing ITO. This was pre-fired at 80 ° C. for 2 minutes and then fired at 200 ° C. for 60 minutes.
[0045]
An alignment film solution of SE-7992 (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd., alignment film solution) was spin-coated on a liquid crystal substrate having a reflective electrode. This was pre-fired at 80 ° C. for 2 minutes and then fired at 200 ° C. for 60 minutes. This was rubbed with a cotton blanket. (The rubbing roller diameter was 80 mmφ, the roller rotation speed was 1000 rpm, the indentation of the substrate surface was 0.7 mm, and the substrate feed rate was 50 mm / s).
[0046]
A liquid crystal cell was constructed by pasting the electrode substrate thus treated so that the rubbing directions of the upper and lower substrates were parallel to each other through a spacer of 2 μmφ and a sealant. The alignment film JALS2022 has a thickness of 30 nm, and the alignment film SE-7992 has a thickness of 50 nm.
[0047]
(Creation of cell 3)
An alignment film solution of SE-7992 (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd., an alignment film solution) was spin-coated on a liquid crystal substrate having a reflective electrode and a glass substrate on which ITO was deposited and patterned. This was pre-fired at 80 ° C. for 2 minutes and then fired at 200 ° C. for 60 minutes. This was rubbed with a cotton blanket. (The rubbing roller diameter was 80 mmφ, the roller rotation speed was 1000 rpm, the indentation of the substrate surface was 0.7 mm, and the substrate feed rate was 50 mm / s).
[0048]
A liquid crystal cell was constructed by pasting the electrode substrate thus treated through a 3 μmφ spacer and a sealant so that the rubbing directions of the upper and lower substrates were parallel to each other. The alignment film SE-7992 has a thickness of 50 nm.
[0049]
(Create cell 4)
Oblique vapor deposition was performed using SiO on a liquid crystal substrate having a reflective electrode. (Film thickness 120 nm, vapor deposition rate 0.1 nm / s, vapor deposition angle 75 °).
[0050]
An alignment film solution of SE-7992 (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd., alignment film solution) was spin-coated on a glass substrate patterned by depositing ITO. This was pre-fired at 80 ° C. for 2 minutes and then fired at 200 ° C. for 60 minutes. This was rubbed with a cotton blanket. (The rubbing roller diameter was 80 mmφ, the roller rotation speed was 1000 rpm, the indentation of the substrate surface was 0.7 mm, and the substrate feed rate was 50 mm / s).
[0051]
A liquid crystal cell was constructed by pasting the electrode substrate thus treated through a 3 μmφ spacer and a sealant so that the rubbing directions of the upper and lower substrates were parallel to each other. The alignment film SE-7992 has a thickness of 50 nm.
[0052]
A nematic liquid crystal (manufactured by Seimi Chemical Co., Ltd., CF-1783) was injected into each of the above
[0053]
In FIG. 9, a phase compensation plate (not shown) is disposed between the
[0054]
Table 1 shows the results of measuring the characteristics of each liquid crystal element at room temperature of 25 ° C.
[0055]
[Table 1]
[0056]
(note)
1) Retardation width in the voltage range of 0 to 7V (that is, the value obtained by subtracting the minimum value from the maximum value of the retardation value, measured with a Bereck compensator)
2) Response speed is in the range of 0-7V (Comparative Example 2 is 4-7V) Measured with 90Hz rectangular wave
τon indicates switching from a white state to a black state, and a response speed from 100% of white to 10% of black state.
τoff indicates switching from the black state to the white state, and the response speed from 0% black to 90% of the white state.
3) As for the pretilt, a cell having a uniaxial orientation that is the same in the upper and lower directions was separately prepared so that the uniaxial orientation direction was antiparallel. It calculated | required by converting into cell thickness from (DELTA) n of the used liquid crystal, and the measured value of the retardation of the produced cell.
[0057]
In Example 1, a bend voltage (pretreatment) peculiar to the bend alignment state, a voltage for holding the bend state (hold voltage), and the like are not required, and the response speed comparable to the bend state is shown. In Comparative Example 2, a high voltage of about 15 V is required for the bending process, and 1 cm is required. 2 It took about 20 minutes to enter the bend state. Furthermore, a voltage for maintaining the bend state is 4V. Comparative Example 1 is an orientation state called HAN orientation as shown in FIG. 11, but it can be seen that the response speed is remarkably improved by changing the pretilt on one side from 90 ° to a lower direction. This seems to be because the backflow phenomenon has been reduced.
[0058]
Examples 3 and 4
The streak alignment state of the liquid crystal elements of Examples 1 to 4 was evaluated.
In the same manner as in Example 1, the liquid crystal elements in Examples 3 and 4 were prepared by using
[0059]
The muscle orientation state was observed with a microscope (200 times). The results are shown in Table 2.
[0060]
[Table 2]
[0061]
In Example 4, the streak orientation was remarkably observed even in a completely black state (Δ). In contrast, in Examples 1 and 3, some streaks were observed in the halftone state (◯). In contrast, in Example 2, no muscle orientation state was observed (見).
[0062]
Examples 5 and 6 and Comparative Example 3
Under the same conditions as in Examples 1 and 2 and Comparative Example 2, one side of the substrate was changed from the reflective electrode substrate to a transmissive glass substrate, and only a spacer diameter was changed to produce a transmissive liquid crystal cell.
Table 3 shows the results of measuring the characteristics of each liquid crystal element at room temperature of 25 ° C.
Measurement conditions and the like are the same as in Tables 1 and 2.
[0063]
[Table 3]
[0064]
As a result, the same result as the reflection type was obtained.
Regarding the response speed, the cell thickness of all the liquid crystal elements is almost twice that of the reflective type, which is due to the decrease in the electric field strength.
[0065]
Example 7
A liquid crystal element using a switching element was evaluated.
A substrate having a TFT configuration as shown in FIG. 3 was prepared. Cell creation conditions were created by the printing method using Example 6 only when the alignment film was applied. A data driver and a gate driver were mounted as shown in FIG. A liquid crystal element display was performed by applying a waveform like the example shown in FIG. It was installed with the corresponding phase compensator and evaluated.
As a result, dislocation voltage was not particularly required as in Example 6, and high-speed response was shown.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a liquid crystal element and a liquid crystal display panel having high-speed response without the need for pretreatment or the like by creating a specific alignment state on two substrates. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a liquid crystal element of the present invention.
FIG. 2 is a view schematically showing a configuration of one substrate with a liquid crystal element of the present invention provided with a driving means.
3 is a schematic diagram showing an example of a cross-sectional structure of each pixel portion (for one bit) in the panel configuration as shown in FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a state in which a voltage is applied to a splay alignment of a conventional liquid crystal element to change the alignment to a bend alignment.
FIG. 5 is an explanatory diagram for performing phase compensation on a bend alignment cell;
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of the alignment state of the liquid crystal alignment mode of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of the alignment state of the liquid crystal alignment mode of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the bend alignment state, the voltage of the liquid crystal element of the present invention, and the retardation value.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing an optical system used for measurement of a liquid crystal element of an example.
10 is a diagram showing an applied waveform used for measurement of the liquid crystal element of Example 7. FIG.
11 is an explanatory diagram showing an alignment state of the liquid crystal element of Comparative Example 1. FIG.
[Explanation of symbols]
11 Light source
12 Beam splitter
13 Polarizing plate
14 Liquid crystal elements
15 observer
20 Active matrix substrate
21 Substrate
22 Gate electrode
23 Insulating film (gate insulating film)
24 a-Si layer
25, 26 n + a-Si layer
27 Source electrode
28 Drain electrode
29 Channel protective film
30 Retention capacitance electrode
31 LCD capacity
32 Common electrode
40 Counter substrate
41 glass substrate
42 Common electrode
43a, 43b Alignment film
49 Liquid crystal layer
71a, 71b substrate
80 Liquid crystal elements
8la, 8lb board
82a, 82b electrode
83a, 83b insulating film
84a, 84b Orientation control film
85 LCD
86 Spacer
87a, 87b Polarizing plate
90 panels
91 Scanning signal driver
92 Information signal driver
94 Thin film transistor (TFT)
95 Pixel electrode
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