JP3774747B2

JP3774747B2 - Liquid crystal display

Info

Publication number: JP3774747B2
Application number: JP2000216258A
Authority: JP
Inventors: 駿介小林; 純幡野; 吉雄宮崎; 晴義高津
Original assignee: Tokyo University of Science
Current assignee: Tokyo University of Science
Priority date: 2000-07-17
Filing date: 2000-07-17
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-07-17
Also published as: JP2002031821A

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a liquid crystal display device exhibiting an excellent half tone. SOLUTION: As regards a ferroelectric liquid crystal display device A, in a lower substrate 20 pixel electrodes 12 and active elements 10 are formed on a transparent substrate 14 and an alignment layer 8 is laminated thereon, and in an upper substrate 19 a common electrode 4 and an alignment layer 6 are successively laminated on a transparent substrate 2. Furthermore, a liquid crystal layer 7 is constructed by applying an AC electric field to a ferroelectric liquid crystal composition containing a liquid crystalline (meth)acrylate monomer in the state exhibiting a chiral smectic C phase and making ultraviolet rays or electron rays irradiate the composition so as to make the liquid crystalline (meth)acrylate monomer photoset and polymerize.

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示装置に関し、とくに強誘電性液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、液晶表示素子としては主にネマチック液晶を用いるＴＮモードあるいはＳＴＮモードが用いられているが、その他に強誘電性液晶材が高速応答性および広い視野角が得られる等の優れた特性を有する点で注目されている。
クラークおよびラガウォールにより提案された強誘電性液晶材によれば、分子の長軸に対し永久双極子モーメントを分子垂直に有するような自発分極を有し、電界によりスイッチングができることが記載されている（特開昭５６−１０７２１６号参照）。
【０００３】
この強誘電性液晶材を用いた液晶表示装置（ディスプレイ）には以下のような利点がある。
第一にＴＮモードの液晶表示装置のスイッチング速度がｍ秒オーダーであるが、これと比べても約１０００倍という高速応答性を達成している。
第二に分子配列に基本的に捻れ構造がなく、基板に対し水平な面内での分子方向のスイッチングによる動作（インプレーンスイッチング）があり、そのために視野角依存性が少ない。
【０００４】
しかしながら、かかる強誘電性液晶材においては、印加電圧のしきい値に対し２つの配向状態を発現し、その状態を双安定性としてメモリすることで、光の透過率を任意に制御することができず、これにより、中間調表示を制御することがむずかしく、階調表示が実現できないという課題があった。
この課題を解消するために、強誘電性液晶材に対し液晶性（メタ）アクリレートの硬化物を添加した強誘電性液晶組成物が提案されている（特開平１１−２１５５４号および特開平１１−３２６９０９号参照）。
【０００５】
以下、この技術を詳述する。
強誘電性液晶材と液晶性（メタ）アクリレートモノマーを含有する強誘電性液晶組成物を液晶セルに注入した後、この液晶組成物が強誘電性を示す温度において直流電圧を印加しながら紫外線を照射し、液晶性（メタ）アクリレートモノマーを高分子化させることで得られる強誘電性液晶表示装置であり、これにより、強誘電性液晶材の双安定性が消失し、中間調の表示が可能となる。
【０００６】
このような高分子安定化の強誘電性液晶表示装置においては、電圧の印加がない場合には、液晶分子の配向方向が配向膜の容易軸（液晶分子が配向しやすい軸）方向から紫外線照射の際に印加していた直流電圧の極性によって決定される向きに、ある角度だけずれた状態になっている。この角度をメモリー角と定義すると、通常、このメモリー角は強誘電性液晶自体がもつチルト角より若干小さな値となる。
【０００７】
したがって、このような強誘電性液晶表示装置を駆動する場合、紫外線照射の際に印加していた直流電圧と同極性の直流電圧を印加すれば、ある電圧以上では強誘電性液晶材の配向方向が配向膜の容易軸に対しメモリー角よりも大きな角度をなす。そして、印加電圧を除去すれば、双安定性を消失していることにより、強誘電性液晶は再び配向方向の容易軸に対してメモリー角を有する位置に配列する。
【０００８】
一方、この高分子安定化液晶性液晶素子に紫外線照射の際に印加していた直流電圧に対し異極性の直流電圧を印加すると、直流電圧の絶対値に比例して、配向膜の容易軸に対しメモリー角の方向とは反対方向に、強誘電性液晶材の配向方向が傾く。この場合でも双安定性は消失しているので、印加電圧を除去すれば、強誘電性液晶材は再び配向膜の容易軸に対してメモリー角を有する位置に配列する。このように紫外線照射時の印加直流電圧に対し異極性の電圧印加時における配向方向の変化を利用することで中間調表示が可能となる。
【０００９】
さらに中間調表示をおこなう他の技術として、反強誘電性液晶材を用いた液晶表示装置が提案されている（特開平８−３２８０４６号、特開平９−５００４７号および特開平１０−３０７３０４号参照）。
この提案によれば、２つの強誘電相と１つの反強誘電相を安定状態として有する反強誘電性液晶材を一対の基板間に封入するが、その際に、一方の強誘電相（第一の強誘電相）を示す液晶分子と、他方の強誘電相（第二の強誘電相）を示す液晶分子とが混在するフェリ相を形成するような特性を有する液晶材を用いるが、このような反強誘電性液晶を用いた液晶表示装置によれば、正極性で十分高い電圧を印加した際には、第一の強誘電相を呈するように液晶分子が配向し、負極性で十分高い電圧を印加した際には、第二の強誘電相を呈するように液晶分子が配向する。
【００１０】
また、中間の電圧を印加すると、その極性に応じて、液晶分子の一部の配向方向が反転して、第一の強誘電相あるいは第二の強誘電相を示す配向状態の液晶分子数が減少し、他方、第二の強誘電相あるいは第一の強誘電相を示す配向状態の液晶分子数が増加し、これにより、第一の強誘電相を示す配向状態の液晶分子と、第二の強誘電相を示す配向状態の液晶分子の割合が印加電圧の極性と値に応じて連続的に変化する。
【００１１】
したがって、この反強誘電性液晶材を用いた液晶表示装置の光学特性においては、印加電圧が０Ｖ近傍において平坦な部分がなくなり、そして、印加電圧の値の増加に伴って光学特性も連続的になめらかに上昇し、さらに印加電圧の極性に対し透過率のカーブも対称となり、これにより、中間調表示ができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述したとおり、強誘電性液晶材を用いても、あるいは反強誘電性液晶材を用いても、いずれも中間調表示ができるが、それぞれに下記のような課題がある。
初めに、強誘電性液晶材を用いた強誘電性液晶表示装置の課題を述べる。
（Ａ）高分子安定化の強誘電性液晶表示装置においては、前記の動作原理から絶対値が等しい直流電圧を印加しても、強誘電性液晶分子のふれ角の絶対値が等しくならず、絶対値が同じ異極性の直流電圧を印加しても同じ光透過率が得られなかった。
【００１３】
（Ｂ）連続的な電圧−透過率特性が得られる極性の電圧のみを用いることで、液晶表示装置にとって望ましくない静電荷が蓄積され、これにより、表示の焼き付き等の問題が生じていた。
（Ｃ）このような静電荷の蓄積を引き起こすＤＣ成分を打ち消すために、正負両極性の電圧を用いることが考えられるが、そのような電圧印加をおこなうと、光透過率の変化が微小な極性の電圧を印加する間は、表示に関して無効となり、そのために所定の選択状態をとる期間が短くなっていた。さらに、その表示に関し無効な状態の影響で表示がちらつくという問題もある。
【００１４】
（Ｄ）さらに信号印加の期間が限られる場合、その一部をＤＣ成分を打ち消すための無効なパルスに割り当てなければならず、書き込み信号のパルス幅が狭くなり、使用できる強誘電性液晶材がそれに追従できる応答速度をもつ材料に限定される。
一方の反強誘電性液晶材を用いた液晶表示装置においては、前述したとおり、印加電圧の極性に対し電圧−透過率特性が対称となり、そのために高分子安定化強誘電性液晶表示装置にて生じた課題が解消されるが、その反面、反強誘電性液晶材自体は特異的な物性を有し、温度特性やアクティブ駆動に適した自発分極値を兼ね備える材料を選択する自由度が非常に小さくなっていた。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
したがって本発明者は上記事情に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の液晶性（メタ）アクリレートモノマーを含有する強誘電性液晶組成物に対し、カイラルスメクチックＣ相を示す状態で周波数２ｋＨｚ〜４ｋＨｚの交流電界を印加するとともに、紫外線もしくは電子線を照射することにより高分子化せしめたことで、印加電圧の極性に対し電圧−透過率特性が対称となり、中間調表示ができる液晶表示装置が得られることを見出した。
【００１６】
本発明は上記知見に基づいて完成されたものであり、その目的は液晶性（メタ）アクリレートモノマーを含有する強誘電性液晶組成物を使用して中間調表示ができる高品質かつ高性能な強誘電性液晶表示装置を提供することにある。本発明の液晶表示装置は、一対の基板間に強誘電性液晶層を介在し、双方の基板の内面にそれぞれ強誘電性液晶層に対し電圧印加する電極部を配設してなり、そして、前記強誘電性液晶層は、下記の化２に示す液晶性（メタ）アクリレートモノマーを含有した強誘電性液晶組成物に対し、カイラルスメクチックＣ相を示す状態で周波数２ｋＨｚ〜４ｋＨｚの交流電界を印加するとともに、紫外線もしくは電子線を照射することで、上記液晶性（メタ）アクリレートモノマーを硬化させ高分子化せしめた構成であることを特徴とする。
【００１８】
【化２】

【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態例１）
以下、図１〜図８により本発明をアクティブマトリクス駆動方式の液晶表示装置にて詳述する。
図１は本発明の強誘電性液晶表示装置Ａの概略断面図であり、図２は本発明の強誘電性液晶表示装置Ａの下基板を示す概略平面図である。
【００２０】
この強誘電性液晶表示装置Ａは上下一対の基板１９、２０を所定の間隙を介してお互いに接合した構成であり、下基板２０においては、ガラスなどからなる透明基板１４の上にＳｉＯ₂等からなる保護膜１３を被覆し、この保護膜１３の上にＩＴＯ等からなる透明な画素電極１２と、この画素電極１２に接続されたアクティブ素子１０とがマトリクス状に配列形成されている。
そして、画素電極１２とアクティブ素子１０との上にＳｉＯ₂やＳｉＮ等からなる絶縁膜９とポリイミド樹脂などからなる配向膜８とを順次積層する。
【００２１】
アクティブ素子１０は、たとえば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ１０ａ）にて構成し、さらにＴＦＴ１０ａはゲート電極と、ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成された半導体層と、半導体層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極とを備える。
さらに下基板２０については、図２に示すように透明基板１４の上において画素電極１２の行間に走査電極（走査線）１１が配線され、画素電極１２の列間に信号電極１６が配線されている。各ＴＦＴ１０ａのゲート電極は走査線１１に接続され、ドレイン電極は信号線１６に接続されている。また、走査線１１はゲートドライバ１８に、信号線１６はソースドライバ１７に接続される。
【００２２】
一方、上基板１９においては、透明基板２の上にＳｉＯ₂等からなる保護膜３を被覆し、この保護膜３の上に前記各画素電極１２と対向してＩＴＯ等から透明な共通電極４が形成され、基準電圧が印加される。さらに共通電極４の上にＳｉＯ₂やＳｉＮ等からなる絶縁膜５とポリイミド樹脂などからなる配向膜６とを順次積層する。
配向膜６、８は従来周知のラビング処理を施したポリイミド配向膜を用いればよいが、その他にポリビニルシンメナート薄膜やポリイミド薄膜等に紫外線を照射したことで、ラビング処理を不要とする光配向制御膜を用いてもよい。
【００２３】
かかる構成の液晶セルにおいて、上下一対の基板１９，２０の外側に偏光板１、１５を配設する。
そして、画素電極１２と共通電極４との間に電圧を印加することで、液晶層７の液晶分子の配向方向が制御され、そのダイレクタ（液晶分子の長軸の平均的な方向）を連続的に変化させ、これにより、液晶層７の光学軸を連続的に制御させることで、表示階調ができる。
【００２４】
つぎに液晶層７における液晶分子の配向状態を述べる。
本発明によれば、液晶層７は特定の液晶性（メタ）アクリレートモノマーを含有した強誘電性液晶組成物に対し、カイラルスメクチックＣ相を示す状態で周波数２ｋＨｚ〜４ｋＨｚの交流電界を印加するとともに、紫外線もしくは電子線を照射することで、かかる液晶性（メタ）アクリレートモノマーを光硬化させ高分子化せしめた構成であり、これにより、高分子化した液晶性（メタ）アクリレートの液晶性骨格の平均的な配向方向を強誘電性液晶のスメクチック層の法線方向とほぼ一致させている。
【００２５】
この点を図３により述べると、Ｐは偏光板１における透過軸方向を、Ａは偏光板１５における透過軸方向を表し、さらに２１ａは液晶性（メタ）アクリレートの液晶性骨格の平均的な配向方向、２１ｂは強誘電性液晶のスメクチック層の法線方向（ラビング方向）であり、高分子化した液晶性（メタ）アクリレートの液晶性骨格の平均的な配向方向２１ａを強誘電性液晶のスメクチック層の法線方向２１ｂとほぼ一致させている。すなわち、強誘電性液晶表示装置Ａによれば、駆動電圧を印加していないときの強誘電性液晶層７の平均的な配向方向は、偏光板１、１５をクロスニコルに配置したときに得られる最大暗状態となる位置関係から、スメクチック層の法線方向２１ｂとほぼ一致する。
【００２６】
本発明者等は、いまだ推論の域を脱し得ないが、カイラルスメクチックＣ相を示す状態で、紫外線もしくは電子線を照射すると同時に、とくに周波数２ｋＨｚ〜４ｋＨｚの交流電界を印加したことで、液晶性（メタ）アクリレート光硬化物の液晶骨格（液晶性骨格２１ａ）がスメクチック層の法線方向２１ｂとほぼ一致し、従来の直流電界の印加においては起こり得ない、液晶性骨格２１ａのスメクチック層の放線方向への配向に良好に寄与したものと考える。
【００２７】
かくして本発明の強誘電性液晶表示装置Ａによれば、極性の異なる電圧（正または負）を印加した場合の強誘電性液晶材の配向方向が、その印加電圧の絶対値に比例した形で連続的に、しかも、２つの双安定状態におけるそれぞれの極性に対応した各双安定状態の位置に近づき、そして、このような液晶表示装置の光学特性は、印加電圧０Ｖ近傍において平坦な部分がなく、最大暗状態を示し、また、印加電圧の絶対値の増加に伴って光学特性も連続的になめらかに上昇し、さらに印加電圧の極性に対して透過率のカーブも対称となり、これによって優れた中間調表示が実現できる。
【００２８】
本発明によれば、従来周知の強誘電性液晶材を使用することができるが、好適にはカイラルスメクチックＣ相より上の温度領域でスメクチックＡ相を呈するものを使用するのがよい。最適な良好な配向状態を得るためには、スメクチックＣ相より上の温度領域でスメクチックＡ相およびネマチック相を呈するものを使用するのがよい。
上記液晶性（メタ）アクリレートモノマーとして、光硬化によって得られた高分子が強誘電性液晶材に配向安定化効果を及ぼし、しかも、強誘電性液晶材の駆動電圧の上昇を生じさせないで、さらに相転移温度への影響が小さいものが好ましい。
【００２９】
この液晶性（メタ）アクリレートとしては、少なくとも２つの６員環を有する液晶骨格を部分構造として有する環状アルコール、フェノールまたは芳香族ヒドロキシ化合物のアクリル酸またはメタクリル酸エステルである単官能（メタ）アクリレートがよい。
このような単官能（メタ）アクリレートによれば、（メタ）アクリロイルオキシ基と液晶骨格との間に、アルキレン基またはオキシアルキレン基等の柔軟性の連結基がなく（液晶の技術分野ではスペーサと呼ばれる）、そのため、単官能（メタ）アクリレートを重合させて得られる重合体の主鎖には、スペーサを介さないで直接剛直な液晶骨格が結合し、これにより、液晶骨格の熱運動は高分子主鎖より制限され、その結果、強誘電性液晶材に配向安定化効果が付与される。また、単官能（メタ）アクリレートであることで、光硬化しても高分子は３次元架橋構造を形成せず、そのために強誘電性液晶を高分子のかごで囲い込むことに起因した駆動電圧の上昇が避けられる。
【００３０】
上記液晶性（メタ）アクリレートを化３に示す。
【００３１】
【化３】

【００３２】
このような分子構造の液晶性（メタ）アクリレートについては、とくにＸが水素原子であり、ｎが零（０）であり、６員環ＡおよびＣはそれぞれ独立的に、１，４−フェニレン基、または1、４−トランスシクロヘキシル基である。さらにＹ１は単結合または-C≡C-、Ｙ₂は単結合、Ｚはハロゲン原子、シアノ基あるいは炭素原子数１〜２０のアルキル基またはアルコキシ基であって、このような化合物であれば、室温付近の液晶相を発現しやすく、しかも、取り扱いやすいという点で好適である。
【００３３】
また、環Ａ、Ｂ、Ｃのいずれかにピリミジン環を導入した化合物については、スメクチック液晶相を発現しやすく、強誘電性液晶材への相溶性に優れるという点で好適である。
このような液晶性（メタ）アクリレート化合物を化４〜化２４にて例示する。なお、本発明の液晶組成物において単官能（メタ）アクリレートはこれらに限定されるものではない。
【００３４】
【化４】

【００３５】
【化５】

【００３６】
【化６】

【００３７】
【化７】

【００３８】
【化８】

【００３９】
【化９】

【００４０】
【化１０】

【００４１】
【化１１】

【００４２】
【化１２】

【００４３】
【化１３】

【００４４】
【化１４】

【００４５】
【化１５】

【００４６】
【化１６】

【００４７】
【化１７】

【００４８】
【化１８】

【００４９】
【化１９】

【００５０】
【化２０】

【００５１】
【化２１】

【００５２】
【化２２】

【００５３】
【化２３】

【００５４】
【化２４】

【００５５】
化４〜化２４において、シクロヘキサン環はトランスシクロヘキサン環であり、また、Ｃは結晶相、Ｎはネマチック相、Ｓはスメクチック相、Ｉは等方性液体相を表し、数字は相転移温度を表す。
これらの化合物にて、とくに光学活性基を有する化１９や化２０の化合物を使用すると、螺旋ピッチを微調整でき、しかも、駆動電圧が低減するという点で好適である。
【００５６】
また、液晶性（メタ）アクリレートおよび強誘電性液晶材を含有する液晶組成物中における液晶性（メタ）アクリレートの濃度は３〜１０重量％に調整するのがよく、好適には４〜９重量％に、最適には６〜８重量％にするとよい。
液晶性（メタ）アクリレートの濃度が３重量％未満であれば、液晶材の種類によっては配向安定化効果が得られず、所望の動作特性が得られない場合があり、１０重量％を超えると強誘電性液晶材の駆動電圧が増大する傾向にある。
【００５７】
液晶層７の厚さは、強誘電性液晶材の屈折率異方性にも依存するが、１〜２０μmにすればよく、好適には１．３〜１０μmに、最適には１．５〜６μmにするとよい。
液晶層７の厚さが１μm未満になると、十分な大きさの光学的なスイッチングが得られない場合があり、コントラストが低下する傾向にある。また、液晶層７の厚さが１０μmを超えると強誘電性液晶材の螺旋構造が形成され、双安定性が得られなくなる場合がある。
【００５８】
液晶性アクリレートモノマーおよび強誘電性液晶材を含有する液晶組成物には、カイラルスメクチックＣ相における光硬化性組成物の光硬化を迅速におこなうために、光重合開始剤を添加してもよい。
この光重合開始剤としては、たとえば公知のベンゾインエーテル類、ベンゾフェノン類、アセトフェノン類、ベンジルケタール類から選択すればよい。その添加量は液晶組成物中に含有される液晶性アクリレートモノマーに対し１０重量％以下であることが好ましい。
【００５９】
また、液晶性アクリレートモノマーおよび強誘電性液晶材を含有する液晶組成物には安定剤を添加してもよく、これによって保存安定性を向上する。
この安定剤としては、たとえば公知のヒドロキノン、ヒドロキノンモノアルキルエーテル類、第三ブチルカテコール類等から選択すればよい。
安定剤の添加量は、液晶組成物中に含有される光硬化性組成物に対して０．０５重量％以下にすればよい。
【００６０】
また、光硬化性組成物を高分子化させる工程における紫外線または電子線の照射量は、液晶組成物および光重合開始剤の濃度にも依存するが、５０〜１００００ｍＪ／cm²の範囲が好ましい。
紫外線または電子線の照射量が、５０ｍＪ／cm²未満になると、光硬化性組成物が十分硬化しない場合があり、これによって製造後の経時変化が大きくなり、１００００ｍＪ／cm²を超えると液晶組成物自体が劣化する傾向にある。
【００６１】
また、紫外線または電子線の照射工程において印加される交流電界の周波数は、強誘電性液晶材の応答速度等にも依存するが、２ｋＨｚ〜４ｋＨｚの範囲である。２ｋＨｚ未満にすると、配向均一性は得られるが、その反面、暗状態の輝度が上昇し、黒色の色度も劣化する傾向にある。また、４ｋＨｚを超えると、均一な配向が得られなくなる。
【００６２】
さらにまた、印加する交流電界の振幅は、その大きさが強誘電性液晶の応答する電圧以上に設定するのが好ましい。強誘電性液晶が応答する電圧以下では、交流電界による強誘電性液晶分子の配向変化が生じず、強誘電性液晶分子の応答に起因すると考えられる液晶性（メタ）アクリレートにおける液晶骨格のスメクチック層の法線方向への良好な配向が得られなくなる。
さらに前記強誘電性液晶層は、カイラルスメクチックＣ相の液晶組成物が螺旋構造を消失された状態であることが好ましい。螺旋構造を消失した状態にすることにより、より液晶性（メタ）アクリレートにおける液晶骨格のスメクチック層の法線方向への良好な配向が得られやすくなる。
（実施形態例２）
（実施形態例１）に示す強誘電性液晶表示装置Ａにおいては、アクティブ素子１０をＴＦＴにて構成したが、本例の強誘電性液晶表示装置Ｂにおいては、そのアクティブ素子１０に代えて、メタルインシュレータメタル素子（ＭＩＭ）１０ｂにて構成した。
【００６３】
かかる強誘電性液晶表示装置Ｂを図９と図１０にて示す。図９は強誘電性液晶表示装置Ｂの概略断面図であり、図１０は強誘電性液晶表示装置Ｂの配線パターンを示す概略平面図である。なお、図１と図２に示す強誘電性液晶表示装置Ａと同一符号は同一部材を示す。
ＭＩＭ１０ｂは走査電極と、走査電極を覆うように、たとえば陽極酸化により形成された絶縁膜と、この絶縁膜上に形成された導電膜とから構成されており、その導電膜は画素電極１２に接続されている。また、２２は画素電極１２と信号電極４ａおよび双方間の液晶層７にて構成された液晶表示画素部である。
【００６４】
さらに透明基板１４には図１０に示すように、画素電極１２の行間に走査電極１１が配線されており、走査ドライバ１８ａに接続されている。
上基板１９には、下基板２０の各画素電極１２と対向する透明な信号電極４ａが形成されている。信号電極４ａはＩＴＯ等から構成され、画素電極１２上に配置する形でストライプ状に形成されていて図１０に示すようにデータドライバ１７ａに接続されている。
【００６５】
上記構成の強誘電性液晶表示装置Ｂにおいても、この液晶表示画素部２２に対し電圧を印加することで、液晶層７の液晶分子の配向方向を制御し、電圧の大きさ、及び／または電圧を印加させる期間を変化させることにより、そのダイレクタ（液晶分子の長軸の平均的な方向）を連続的に変化させ、これにより、液晶層７の光学軸を連続的に制御させ、表示階調を良好に制御する。
（実施形態例３）
（実施形態例１）に示す強誘電性液晶表示装置Ａにおいては、アクティブ素子１０をＴＦＴにて構成したが、本例の強誘電性液晶表示装置Ｃにおいては、アクティブ素子を用いた駆動に関する別の形態として、そのＴＦＴに代えて、単結晶シリコン基板に形成された電界効果型トランジスタを用いる方式を使用した。
【００６６】
単結晶シリコン基板に形成した電界効果型トランジスタを用いて、さらに画素電極を反射板に構成した以外は、ＴＦＴからなるアクティブ素子と同じ構成であり、図１１は強誘電性液晶表示装置Ｃの概略断面図である。
この強誘電性液晶表示装置Ｃも透明基板２３と単結晶シリコン基板２９とを所定の間隙を介してお互いに接合した構成であり、透明基板２３上にＩＴＯ等からなる透明な共通電極４が形成され、基準電圧が印加される。さらに共通電極４の上にＳｉＯ₂やＳｉＮ等からなる絶縁膜５とポリイミド樹脂などからなる配向膜６とを順次積層する。
【００６７】
単結晶シリコン基板２９上にはDRAM技術を用いて電界効果トランジスタＰをマトリクス状に配置する。電界効果トランジスタＰは走査電極（走査線）１１、信号線１６、ドレイン電極３０およびソース電極３１から構成される。そして、これらの上にＳｉＯ₂やＳｉＮ等からなる絶縁膜２８、アルミニウムやクロム、銀などからなる遮光層２７、樹脂やＳｉＯ₂、ＳｉＮからなる平坦化膜２６、アルミニウム等からなる反射画素電極２５、樹脂やＳｉＯ₂、ＳｉＮからなる誘電体層２４およびポリイミド樹脂などからなる配向膜８とを順次積層する。また、各反射画素電極２５はソース電極３１を介して電界効果型トランジスタ２２に接続されている。
【００６８】
上記構成の強誘電性液晶表示装置Ｃについても、反射画素電極２５と共通電極４との対し電圧を印加することで、液晶分子の配向方向を制御して、そのダイレクタ（液晶分子の長軸の平均的な方向）を連続的に変化させ、これにより、液晶層７の光学軸を連続的に制御させ、表示階調を制御する。
【００６９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
（例１）にて本発明の強誘電性液晶表示装置Ａ、Ｂ及びＣを、（例２）にてその比較例を示す。
（例１）
図１と図２、図９と図１０及び図１１に示すアクティブマトリクス駆動方式の強誘電性液晶表示装置Ａ，Ｂ及びＣを作製した。配向膜６、８については、ポリイミド膜ＲＮ−１１９９（日産化学工業製）を３００Åの厚さで形成し、ラビング処理を施したものを使用した。双方の基板間にてラビング方向は、パラレル方向になるように設定した。また、液晶層７の厚みを１．５μmにして、そのために球状スペーサを配した。
【００７０】
液晶組成物の調整を行うため、化２５に示す化合物を４９．５重量％、化２６に示す化合物を４９．５重量％ならびに光重合開始剤であるイルガキュアー６５１（チバガイギー社製）を１重量％含む液晶性アクリレート組成物（ａ）を調整した。この液晶性アクリレート（ａ）は、室温でネマチック液晶相を示し、透明点は４１℃である。
【００７１】
【化２５】

【００７２】
【化２６】

【００７３】
つぎに液晶セルを１００℃の温度に保持し、そして、上記のように調整した液晶性アクリレート組成物（ａ）を６重量％、および強誘電性液晶材FELIX４８５１／１００（クラリアント社製）を９４重量％にて含む液晶組成物を注入し、その後、液晶セルの温度を室温まで下げ、液晶セル内に注入した液晶組成物をカイラルスメクチックＣ相まで転移させた。
しかる後に、画素電極１２と共通電極４との間に、周波数２kHz、振幅±１０Ｖの三角波信号を印加しながら、２５０ｍＪ／cm²の紫外線を照射した。
【００７４】
その紫外線照射後に、液晶分子の配向を電圧無印加状態において偏光顕微鏡で調べたしたところ、液晶分子はスメクチック層に略垂直でラビング方向に略平行に平均的に配向していることを確認した。
ついで、２枚の偏光板１、１５を液晶セルの両側に配置した。いずれか一方の偏光板については、その偏光軸は液晶分子の配向方向に平行に、他方の偏光板の偏光軸は液晶分子の配向方向に垂直になるように設定した。
【００７５】
このようにして作製した強誘電性液晶表示装置Ａに対し電圧を印加して、電圧−透過率特性を測定した。その結果を図４に示す。横軸は印加電圧であって、単位はボルト（Ｖ）であり、縦軸は光透過強度であり、相対値にて示す。
この結果から明らかなとおり、印加電圧が０Ｖ近傍である場合にて最大暗状態となり、印加電圧の絶対値の増加に伴って光学特性も連続的になめらかに上昇する。さらに印加電圧の極性に対して光透過率のカーブも対称となる。
【００７６】
本発明者等は図５に示すようなＴＦＴ駆動と同様の信号を用いて動作した場合、異なる極性の印加電圧に対し、ほぼ同じ光透過強度が得られ、これにより、ちらつきのない中間調表示ができた。
（例２）
（例１）にて作製した強誘電性液晶表示装置Ａにおいて、液晶セルを１００℃に保ちながら、前記のように調整した液晶性アクリレート組成物（ａ）２重量％および強誘電性液晶材ＦＥＬＩＸ４８５１／１００（クラリアント社製）９８重量％からなる液晶組成物を注入し、その後、液晶セルの温度を室温まで下げ、液晶セル内に注入した液晶組成物をカイラルスメクチックＣ相まで転移させた。
【００７７】
つぎに画素電極１２と共通電極４との間に４Ｖの直流電圧をを印加しながら、１２０ｍＪ／cm²の紫外線を照射した。
そのような紫外線照射をおこなった後に、液晶分子の配向を電圧無印加状態において偏光顕微鏡で調べたしたところ、図６に示すように、液晶分子はラビング方向から右に１７度傾いていることがわかった。
つぎに２枚の偏光板１、１５を液晶セルの両側に配置した。その際に一方の偏光板については、その偏光軸はラビング方向から右に１７度傾いた方向と平行に、他方の偏光板では、その偏光軸がラビング方向から右に傾いた方向と垂直になるように設定した。
【００７８】
このようにして作製した強誘電性液晶表示装置に対し電圧を印加して、同様に電圧−透過率特性を測定したところ、図７に示すような結果が得られた。
この結果から明らかなとおり、この強誘電性液晶表示装置においては、中間調表示は可能であるが、絶対値の同じであっても異なる極性の電圧を印加した場合、同じ透過率が得られないことがわかる。
したがって、かかる構成の強誘電性液晶表示装置をＴＦＴ駆動にて動作させた場合には、図８に示すように焼き付き等の表示の劣化を引き起こすＤＣ成分を打ち消すためには、正負両極性の電圧を用いなければならない。その際に、透過率の変化が微小な極性の電圧を印加する期間は表示に関しては無効な状態である消去期間となる。この期間が存在すると、駆動に関しては表示に有効な所定の選択状態をとる期間が短くなり、さらに表示状態に関してはこの期間の影響でちらつきが生じてしまった。加えて、この消去期間の際の透過率が高くなってしまうと暗状態の光漏れの原因となり、コントラストが低下する。
【００７９】
なお、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更や改良等はなんら差し支えない。たとえば、上記実施形態例では、液晶表示装置として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子を能動素子として用いた場合でもって説明したが、これに代えて薄膜ダイオード（ＴＦＤ）素子等の能動素子を用いて、それでもって強誘電性液晶層に印加する電圧値あるいは電圧印加期間を制御することにより、強誘電性液晶層のダイレクタの平均的な方向が印加信号に応じて連続的に変化させ、これにより、階調表示をおこなってもよい。
【００８０】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の液晶表示装置によれば、一対の基板間に強誘電性液晶層を介在し、双方の基板の内面にそれぞれ強誘電性液晶層に対し電圧印加する電極部を配設し、さらに強誘電性液晶層は、特定の液晶性（メタ）アクリレートモノマーを含有した強誘電性液晶組成物に対し、カイラルスメクチックＣ相を示す状態で周波数２ｋＨｚ〜４ｋＨｚの交流電界を印加するとともに、紫外線もしくは電子線を照射することで、上記液晶性（メタ）アクリレートモノマーを硬化させ高分子化せしめた構成にしており、これにより、液晶分子の配向方向を制御して、そのダイレクタを連続的に変化させ、液晶層の光学軸を連続的に制御させ、その結果、優れた中間調表示が得られた高品質かつ高性能な液晶表示装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示装置の断面概略図である。
【図２】本発明の液晶表示装置の下基板の概略構成を示す平面図である。
【図３】本発明における液晶層の配向状態を表す模式図である。
【図４】本発明の液晶表示装置における印加電圧−透過率特性を表す図である。
【図５】本発明においてＴＦＴ駆動信号を用いた場合のタイミングチャートを表す図である。
【図６】従来の液晶表示装置における液晶層の配向状態を表す模式図である。
【図７】従来の液晶表示装置における印加電圧−透過率特性を表す図である。グラフ。
【図８】従来においてＴＦＴ駆動信号を用いた場合のタイミングチャートを表す図である。
【図９】本発明の他の液晶表示装置の断面概略図である。
【図１０】本発明の他の液晶表示装置の配線パターンを示す平面図である。
【図１１】本発明のさらに他の液晶表示装置の断面概略図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ、Ｃ強誘電性液晶表示装置
1、15 偏光板
2、14,23 透明基板
3、13 保護膜
4 共通電極
5、9 層間絶縁膜
6、8 配向膜
7 液晶層
10 アクティブ素子
10ａＴＦＴ素子
10ｂＭＩＭ素子
11 走査電極
12 画素電極
4a、16 信号電極
17 ソースドライバ
18 ゲートドライバ
17a データドライバ
18a 走査ドライバ
19 上基板
20 下基板
22 液晶表示画素部
Ｐ電界効果型トランジスタ
24 誘電体層
25 反射画素電極
26 平坦化膜
27 遮光層
28 層間絶縁膜
29 単結晶シリコン基板
30 ドレイン電極
31 ソース電極
32 位相差版
21a 液晶性アクリレートの液晶骨格
21b スメクチック層の法線方向（ラビング方向）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid crystal display device, and more particularly to a ferroelectric liquid crystal display device.
[0002]
[Prior art]
Currently, TN mode or STN mode using nematic liquid crystal is mainly used as a liquid crystal display element, but other ferroelectric liquid crystal materials have excellent characteristics such as high-speed response and a wide viewing angle. It is attracting attention.
According to the ferroelectric liquid crystal material proposed by Clark and Ragawall, it is described that it has a spontaneous polarization such that it has a permanent dipole moment perpendicular to the long axis of the molecule and can be switched by an electric field ( JP-A-56-107216).
[0003]
The liquid crystal display device (display) using this ferroelectric liquid crystal material has the following advantages.
First, although the switching speed of the TN mode liquid crystal display device is on the order of milliseconds, a high-speed response of about 1000 times is achieved.
Secondly, the molecular arrangement basically has no twisted structure, and there is an operation (in-plane switching) by switching in the molecular direction in a plane parallel to the substrate, and therefore the viewing angle dependency is small.
[0004]
However, in such a ferroelectric liquid crystal material, it is possible to arbitrarily control the light transmittance by expressing two alignment states with respect to the threshold value of the applied voltage and storing the states as bistability. As a result, it is difficult to control halftone display, and there is a problem that gradation display cannot be realized.
In order to solve this problem, ferroelectric liquid crystal compositions in which a cured liquid crystal (meth) acrylate is added to a ferroelectric liquid crystal material have been proposed (Japanese Patent Laid-Open Nos. 11-21554 and 11-11). 326909).
[0005]
Hereinafter, this technique will be described in detail.
After injecting a ferroelectric liquid crystal composition containing a ferroelectric liquid crystal material and a liquid crystalline (meth) acrylate monomer into a liquid crystal cell, ultraviolet rays are applied while applying a DC voltage at a temperature at which the liquid crystal composition exhibits ferroelectricity. This is a ferroelectric liquid crystal display device obtained by irradiating and polymerizing a liquid crystalline (meth) acrylate monomer. This eliminates the bistability of the ferroelectric liquid crystal material and enables halftone display. It becomes.
[0006]
In such a polymer-stabilized ferroelectric liquid crystal display device, when no voltage is applied, the alignment direction of the liquid crystal molecules is irradiated with ultraviolet rays from the easy axis of the alignment film (the axis in which the liquid crystal molecules are easily aligned). At this time, the direction is determined by the polarity of the DC voltage applied, and is shifted by a certain angle. When this angle is defined as a memory angle, this memory angle is usually slightly smaller than the tilt angle of the ferroelectric liquid crystal itself.
[0007]
Therefore, when driving such a ferroelectric liquid crystal display device, if a DC voltage having the same polarity as the DC voltage applied at the time of ultraviolet irradiation is applied, the orientation direction of the ferroelectric liquid crystal material is higher than a certain voltage. Makes an angle larger than the memory angle with respect to the easy axis of the alignment film. When the applied voltage is removed, the bistability is lost, and the ferroelectric liquid crystal is arranged again at a position having a memory angle with respect to the easy axis in the alignment direction.
[0008]
On the other hand, when a DC voltage of a different polarity is applied to the polymer-stabilized liquid crystal liquid crystal element, the direct current voltage applied to the polymer film is proportional to the absolute value of the DC voltage, On the other hand, the orientation direction of the ferroelectric liquid crystal material is inclined in the direction opposite to the direction of the memory angle. Even in this case, the bistability has disappeared. Therefore, if the applied voltage is removed, the ferroelectric liquid crystal material is arranged again at a position having a memory angle with respect to the easy axis of the alignment film. In this way, halftone display is possible by utilizing the change in the orientation direction when a voltage of a different polarity is applied to the applied DC voltage during UV irradiation.
[0009]
Further, as another technique for performing halftone display, a liquid crystal display device using an antiferroelectric liquid crystal material has been proposed (see JP-A-8-328046, JP-A-9-50047 and JP-A-10-307304). ).
According to this proposal, an antiferroelectric liquid crystal material having two ferroelectric phases and one antiferroelectric phase as a stable state is sealed between a pair of substrates. A liquid crystal material having a characteristic of forming a ferri phase in which a liquid crystal molecule exhibiting one ferroelectric phase and a liquid crystal molecule exhibiting the other ferroelectric phase (second ferroelectric phase) are mixed is used. According to the liquid crystal display device using such an antiferroelectric liquid crystal, when a sufficiently high voltage is applied with a positive polarity, the liquid crystal molecules are aligned so as to exhibit the first ferroelectric phase, and the negative polarity is sufficient. When a high voltage is applied, the liquid crystal molecules are aligned so as to exhibit a second ferroelectric phase.
[0010]
Also, when an intermediate voltage is applied, the orientation direction of a part of the liquid crystal molecules is reversed according to the polarity, and the number of liquid crystal molecules in the orientation state indicating the first ferroelectric phase or the second ferroelectric phase is On the other hand, the number of liquid crystal molecules in the alignment state exhibiting the second ferroelectric phase or the first ferroelectric phase is increased. The proportion of liquid crystal molecules in an alignment state exhibiting a ferroelectric phase continuously changes according to the polarity and value of the applied voltage.
[0011]
Therefore, in the optical characteristics of the liquid crystal display device using the antiferroelectric liquid crystal material, there is no flat portion when the applied voltage is near 0 V, and the optical characteristics are continuously increased as the value of the applied voltage increases. It rises smoothly, and the transmittance curve is also symmetric with respect to the polarity of the applied voltage, so that halftone display is possible.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, even if a ferroelectric liquid crystal material or an antiferroelectric liquid crystal material is used, halftone display can be performed, but each has the following problems.
First, problems of a ferroelectric liquid crystal display device using a ferroelectric liquid crystal material will be described.
(A) In the polymer-stabilized ferroelectric liquid crystal display device, the absolute value of the deflection angle of the ferroelectric liquid crystal molecules is not equal even when a DC voltage having the same absolute value is applied from the above operating principle. The same light transmittance could not be obtained even when different polarity DC voltages having the same absolute value were applied.
[0013]
(B) By using only a voltage having a polarity that provides a continuous voltage-transmittance characteristic, an electrostatic charge that is undesirable for a liquid crystal display device is accumulated, which causes problems such as display burn-in.
(C) In order to cancel the DC component that causes the accumulation of such an electrostatic charge, it is conceivable to use a voltage having both positive and negative polarities. However, when such a voltage is applied, the change in light transmittance has a minute polarity. During the application of the voltage, the display becomes invalid and the period for taking a predetermined selection state is shortened. In addition, there is a problem that the display flickers due to the invalid state.
[0014]
(D) Further, when the signal application period is limited, a part of the signal application period must be assigned to an invalid pulse for canceling the DC component, and the pulse width of the write signal becomes narrow. It is limited to the material which has the response speed which can track it.
In the liquid crystal display device using one antiferroelectric liquid crystal material, as described above, the voltage-transmittance characteristics are symmetric with respect to the polarity of the applied voltage. The problem that occurred is solved, but on the other hand, the antiferroelectric liquid crystal material itself has specific physical properties, and there is a great degree of freedom in selecting a material that has a spontaneous polarization value suitable for temperature characteristics and active driving. It was getting smaller.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the inventor has conducted extensive research in view of the above circumstances,specificFor a ferroelectric liquid crystal composition containing a liquid crystalline (meth) acrylate monomer, in a state showing a chiral smectic C phase.With a frequency of 2 kHz to 4 kHzBy applying an alternating electric field and polymerizing by irradiating ultraviolet rays or electron beams, a voltage-transmittance characteristic is symmetric with respect to the polarity of the applied voltage, and a liquid crystal display device capable of halftone display is obtained. I found out.
[0016]
The present invention has been completed on the basis of the above knowledge, and its purpose is to provide a high-quality and high-performance strength capable of halftone display using a ferroelectric liquid crystal composition containing a liquid crystalline (meth) acrylate monomer. An object of the present invention is to provide a dielectric liquid crystal display device. The liquid crystal display device of the present invention comprises a ferroelectric liquid crystal layer interposed between a pair of substrates, and electrode portions for applying a voltage to the ferroelectric liquid crystal layer are disposed on the inner surfaces of both substrates, and The ferroelectric liquid crystal layer isShown in chemical formula 2 belowA ferroelectric liquid crystal composition containing a liquid crystalline (meth) acrylate monomer has a chiral smectic C phase.With a frequency of 2 kHz to 4 kHzThe liquid crystal (meth) acrylate monomer is cured and polymerized by applying an alternating electric field and irradiating ultraviolet rays or electron beams.
[0018]
[Chemical formula 2]

[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Example 1)
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 8 in an active matrix liquid crystal display device.
FIG. 1 is a schematic sectional view of a ferroelectric liquid crystal display device A of the present invention, and FIG. 2 is a schematic plan view showing a lower substrate of the ferroelectric liquid crystal display device A of the present invention.
[0020]
This ferroelectric liquid crystal display device A has a configuration in which a pair of upper and

lower substrates

19 and 20 are bonded to each other with a predetermined gap. In the lower substrate 20, SiO 2 is formed on a transparent substrate 14 made of glass or the like.₂A transparent pixel electrode 12 made of ITO or the like and active elements 10 connected to the pixel electrode 12 are arranged in a matrix on the protective film 13.
Then, SiO2 is formed on the pixel electrode 12 and the active element 10.₂An insulating film 9 made of SiN or the like and an alignment film 8 made of polyimide resin or the like are sequentially stacked.
[0021]
The active element 10 is composed of, for example, a thin film transistor (TFT 10a), and the TFT 10a is formed on a gate electrode, a gate insulating film covering the gate electrode, a semiconductor layer formed on the gate insulating film, and the semiconductor layer. A source electrode and a drain electrode.
Further, for the lower substrate 20, as shown in FIG. 2, scanning electrodes (scanning lines) 11 are wired between the rows of the pixel electrodes 12 on the transparent substrate 14, and signal electrodes 16 are wired between the columns of the pixel electrodes 12. Yes. The gate electrode of each TFT 10 a is connected to the scanning line 11, and the drain electrode is connected to the signal line 16. The scanning line 11 is connected to the gate driver 18, and the signal line 16 is connected to the source driver 17.
[0022]
On the other hand, in the upper substrate 19, SiO 2 is formed on the transparent substrate 2.₂A transparent common electrode 4 made of ITO or the like is formed on the protective film 3 so as to face the pixel electrodes 12, and a reference voltage is applied. Further, SiO 2 is formed on the common electrode 4.₂An insulating film 5 made of SiN or the like and an alignment film 6 made of polyimide resin or the like are sequentially stacked.
The

alignment films

6 and 8 may be a conventionally known polyimide alignment film that has been subjected to a rubbing treatment. In addition, the photo-alignment control that eliminates the rubbing treatment by irradiating the polyvinyl thin film or the polyimide thin film with ultraviolet rays. A membrane may be used.
[0023]
In the liquid crystal cell having such a configuration, polarizing plates 1 and 15 are disposed outside the pair of upper and

lower substrates

19 and 20.
Then, by applying a voltage between the pixel electrode 12 and the common electrode 4, the orientation direction of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 7 is controlled, and the director (the average direction of the major axis of the liquid crystal molecules) is continuously changed. Thus, the display gradation can be achieved by continuously controlling the optical axis of the liquid crystal layer 7.
[0024]
Next, the alignment state of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 7 will be described.
According to the invention, the liquid crystal layer 7 isspecificA ferroelectric liquid crystal composition containing a liquid crystalline (meth) acrylate monomer has a chiral smectic C phase.With a frequency of 2 kHz to 4 kHzBy applying an alternating electric field and irradiating with ultraviolet rays or electron beams, this liquid crystalline (meth) acrylate monomer is photocured and polymerized, and as a result, polymerized liquid crystalline (meta) The average orientation direction of the liquid crystalline skeleton of acrylate is made to substantially coincide with the normal direction of the smectic layer of the ferroelectric liquid crystal.
[0025]
This point will be described with reference to FIG. 3. P represents the transmission axis direction in the polarizing plate 1, A represents the transmission axis direction in the

polarizing plate

15, and 21a represents the average orientation of the liquid crystalline skeleton of liquid crystalline (meth) acrylate. The direction 21b is the normal direction (rubbing direction) of the smectic layer of the ferroelectric liquid crystal, and the average orientation direction 21a of the liquid crystalline skeleton of the polymerized liquid crystalline (meth) acrylate is the smectic of the ferroelectric liquid crystal. It is almost coincident with the normal direction 21b of the layer. That is, according to the ferroelectric liquid crystal display device A, the average orientation direction of the ferroelectric liquid crystal layer 7 when no driving voltage is applied is obtained when the polarizing plates 1 and 15 are arranged in crossed Nicols. From the positional relationship that results in the maximum dark state that can be obtained, it almost coincides with the normal direction 21b of the smectic layer.
[0026]
The present inventors have not yet deviated from the scope of inference, but at the same time as irradiating ultraviolet rays or electron beams in the state showing the chiral smectic C phase,With a frequency of 2 kHz to 4 kHzBy applying an alternating electric field, the liquid crystal skeleton (liquid crystalline skeleton 21a) of the liquid crystalline (meth) acrylate photocured product almost coincides with the normal direction 21b of the smectic layer, which cannot occur in the application of a conventional direct electric field. It is considered that the liquid crystal skeleton 21a contributed well to the alignment of the smectic layer in the normal direction.
[0027]
Thus, according to the ferroelectric liquid crystal display device A of the present invention, the orientation direction of the ferroelectric liquid crystal material when voltages having different polarities (positive or negative) are applied is proportional to the absolute value of the applied voltage. Continuously, the position of each bistable state corresponding to each polarity in the two bistable states approaches, and the optical characteristics of such a liquid crystal display device have no flat portion in the vicinity of the applied voltage of 0V. It shows the maximum dark state, and the optical characteristics continuously and smoothly increase with the increase of the absolute value of the applied voltage, and the transmittance curve becomes symmetrical with respect to the polarity of the applied voltage, which is excellent. Halftone display can be realized.
[0028]
According to the present invention, a conventionally known ferroelectric liquid crystal material can be used, but it is preferable to use a material exhibiting a smectic A phase in a temperature region above the chiral smectic C phase. In order to obtain an optimal good alignment state, it is preferable to use a material exhibiting a smectic A phase and a nematic phase in a temperature region above the smectic C phase.
As the liquid crystalline (meth) acrylate monomer, the polymer obtained by photocuring exerts an alignment stabilizing effect on the ferroelectric liquid crystal material, and further, without increasing the driving voltage of the ferroelectric liquid crystal material, Those having a small influence on the phase transition temperature are preferred.
[0029]
As this liquid crystalline (meth) acrylate, monofunctional (meth) acrylate which is acrylic acid or methacrylic acid ester of cyclic alcohol, phenol or aromatic hydroxy compound having a liquid crystal skeleton having at least two 6-membered rings as a partial structure. Good.
According to such a monofunctional (meth) acrylate, there is no flexible linking group such as an alkylene group or an oxyalkylene group between the (meth) acryloyloxy group and the liquid crystal skeleton (in the technical field of liquid crystals, Therefore, a rigid liquid crystal skeleton is bonded directly to the main chain of the polymer obtained by polymerizing the monofunctional (meth) acrylate without using a spacer. As a result, the ferroelectric liquid crystal material is imparted with an alignment stabilization effect. In addition, since it is a monofunctional (meth) acrylate, the polymer does not form a three-dimensional cross-linked structure even when photocured. For this reason, the driving voltage caused by enclosing the ferroelectric liquid crystal in a polymer cage. Can be avoided.
[0030]
Liquid crystalline (meth) acrylateIs shown in Chemical Formula 3.
[0031]
[Chemical Formula 3]

[0032]
As for the liquid crystalline (meth) acrylate having such a molecular structure, particularly, X is a hydrogen atom, n is zero (0), and the 6-membered rings A and C are each independently a 1,4-phenylene group. Or a 1,4-transcyclohexyl group. Y1 is a single bond or -C≡C-, Y₂Is a single bond, Z is a halogen atom, a cyano group, or an alkyl group or alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms. With such a compound, a liquid crystal phase near room temperature is easily developed and is easy to handle. This is preferable.
[0033]
A compound in which a pyrimidine ring is introduced into any of rings A, B, and C is preferable in that it easily develops a smectic liquid crystal phase and is excellent in compatibility with a ferroelectric liquid crystal material.
Such liquid crystalline (meth) acrylate compounds are illustrated in Chemical Formulas 4 to 24. In the liquid crystal composition of the present invention, the monofunctional (meth) acrylate is not limited to these.
[0034]
[Formula 4]

[0035]
[Chemical formula 5]

[0036]
[Chemical 6]

[0037]
[Chemical 7]

[0038]
[Chemical 8]

[0039]
[Chemical 9]

[0040]
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[0041]
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[0042]
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[0043]
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[0044]
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[0045]
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[0047]
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[0048]
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[0050]
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[0053]
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[0054]
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[0055]
In the chemical formulas 4 to 24, the cyclohexane ring is a transcyclohexane ring, C represents a crystalline phase, N represents a nematic phase, S represents a smectic phase, I represents an isotropic liquid phase, and a number represents a phase transition temperature. .
Among these compounds, the use of compounds of Chemical Formula 19 or Chemical Formula 20 having an optically active group is preferable in that the helical pitch can be finely adjusted and the driving voltage is reduced.
[0056]
The concentration of the liquid crystalline (meth) acrylate in the liquid crystal composition containing the liquid crystalline (meth) acrylate and the ferroelectric liquid crystal material may be adjusted to 3 to 10% by weight, and preferably 4 to 9% by weight. %, Optimally 6-8% by weight.
If the concentration of the liquid crystalline (meth) acrylate is less than 3% by weight, the orientation stabilizing effect may not be obtained depending on the type of the liquid crystal material, and desired operation characteristics may not be obtained. The driving voltage of the ferroelectric liquid crystal material tends to increase.
[0057]
The thickness of the liquid crystal layer 7 depends on the refractive index anisotropy of the ferroelectric liquid crystal material, but may be 1 to 20 μm, preferably 1.3 to 10 μm, and most preferably 1.5 to It is good to make it 6 μm.
When the thickness of the liquid crystal layer 7 is less than 1 μm, there is a case where a sufficiently large optical switching cannot be obtained, and the contrast tends to be lowered. On the other hand, if the thickness of the liquid crystal layer 7 exceeds 10 μm, a spiral structure of a ferroelectric liquid crystal material is formed, and bistability may not be obtained.
[0058]
A photopolymerization initiator may be added to the liquid crystal composition containing the liquid crystal acrylate monomer and the ferroelectric liquid crystal material in order to rapidly photocure the photocurable composition in the chiral smectic C phase.
The photopolymerization initiator may be selected from, for example, known benzoin ethers, benzophenones, acetophenones, and benzyl ketals. The addition amount is preferably 10% by weight or less based on the liquid crystalline acrylate monomer contained in the liquid crystal composition.
[0059]
Further, a stabilizer may be added to the liquid crystal composition containing the liquid crystal acrylate monomer and the ferroelectric liquid crystal material, thereby improving the storage stability.
The stabilizer may be selected from, for example, known hydroquinones, hydroquinone monoalkyl ethers, tert-butylcatechols, and the like.
The addition amount of the stabilizer may be 0.05% by weight or less with respect to the photocurable composition contained in the liquid crystal composition.
[0060]
Further, the irradiation amount of ultraviolet rays or electron beams in the step of polymerizing the photocurable composition depends on the concentration of the liquid crystal composition and the photopolymerization initiator, but is 50 to 10,000 mJ / cm.²The range of is preferable.
UV or electron beam dose is 50mJ / cm²If it is less than 1, the photocurable composition may not be sufficiently cured, and this causes a change over time after production to increase to 10,000 mJ / cm.²If it exceeds 1, the liquid crystal composition itself tends to deteriorate.
[0061]
Further, the frequency of the alternating electric field applied in the ultraviolet or electron beam irradiation process depends on the response speed of the ferroelectric liquid crystal material, etc.Range of 2kHz to 4kHzIt is.2kHzIf it is less than 1, alignment uniformity can be obtained, but on the other hand, the brightness in the dark state increases and the chromaticity of black tends to deteriorate. Also,4 kHzIf it exceeds 1, uniform orientation cannot be obtained.
[0062]
Furthermore, it is preferable that the amplitude of the AC electric field to be applied is set to be equal to or higher than the voltage to which the ferroelectric liquid crystal responds. Below the voltage at which the ferroelectric liquid crystal responds, the orientation of the ferroelectric liquid crystal molecules does not change due to the alternating electric field, and the smectic layer of the liquid crystal skeleton in the liquid crystalline (meth) acrylate, which is thought to be due to the response of the ferroelectric liquid crystal molecules Good orientation in the normal direction cannot be obtained.
Furthermore, the ferroelectric liquid crystal layer is preferably in a state where the chiral smectic C phase liquid crystal composition has lost its helical structure. By making the spiral structure disappear, it becomes easier to obtain good alignment in the normal direction of the smectic layer of the liquid crystal skeleton in the liquid crystalline (meth) acrylate.
Embodiment 2
In the ferroelectric liquid crystal display device A shown in (Embodiment Example 1), the active element 10 is constituted by a TFT. However, in the ferroelectric liquid crystal display device B of this example, instead of the active element 10, A metal insulator metal element (MIM) 10b is used.
[0063]
Such a ferroelectric liquid crystal display device B is shown in FIGS. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the ferroelectric liquid crystal display device B, and FIG. 10 is a schematic plan view showing a wiring pattern of the ferroelectric liquid crystal display device B. The same reference numerals as those of the ferroelectric liquid crystal display device A shown in FIGS. 1 and 2 denote the same members.
The MIM 10b includes a scanning electrode, an insulating film formed by, for example, anodic oxidation so as to cover the scanning electrode, and a conductive film formed on the insulating film. The conductive film is connected to the pixel electrode 12. Has been. Reference numeral 22 denotes a liquid crystal display pixel portion constituted by the pixel electrode 12, the signal electrode 4a, and the liquid crystal layer 7 therebetween.
[0064]
Further, as shown in FIG. 10, the scanning electrode 11 is wired between the rows of the pixel electrodes 12 on the transparent substrate 14 and is connected to the scanning driver 18 a.
On the upper substrate 19, transparent signal electrodes 4 a facing the pixel electrodes 12 of the lower substrate 20 are formed. The signal electrode 4a is made of ITO or the like, is formed in a stripe shape so as to be disposed on the pixel electrode 12, and is connected to the data driver 17a as shown in FIG.
[0065]
Also in the ferroelectric liquid crystal display device B having the above-described configuration, by applying a voltage to the liquid crystal display pixel unit 22, the orientation direction of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 7 is controlled, and the magnitude and / or voltage of the voltage is controlled. By changing the period during which the liquid crystal is applied, the director (the average direction of the major axis of the liquid crystal molecules) is continuously changed, whereby the optical axis of the liquid crystal layer 7 is continuously controlled, and the display gradation is changed. Control well.
(Embodiment 3)
In the ferroelectric liquid crystal display device A shown in (Embodiment example 1), the active element 10 is constituted by a TFT. However, in the ferroelectric liquid crystal display device C of this example, another operation related to driving using the active element is used. In this embodiment, a system using a field effect transistor formed on a single crystal silicon substrate was used instead of the TFT.
[0066]
FIG. 11 is a schematic diagram of a ferroelectric liquid crystal display device C, except that a field effect transistor formed on a single crystal silicon substrate is used and a pixel electrode is formed as a reflector, and the active element is made of TFT. It is sectional drawing.
This ferroelectric liquid crystal display device C also has a configuration in which a transparent substrate 23 and a single crystal silicon substrate 29 are joined to each other with a predetermined gap, and a transparent common electrode 4 made of ITO or the like is formed on the transparent substrate 23. And a reference voltage is applied. Further, SiO 2 is formed on the common electrode 4.₂An insulating film 5 made of SiN or the like and an alignment film 6 made of polyimide resin or the like are sequentially stacked.
[0067]
Field effect transistors P are arranged in a matrix on the single crystal silicon substrate 29 using DRAM technology. The field effect transistor P includes a scanning electrode (scanning line) 11, a signal line 16, a drain electrode 30, and a source electrode 31. And on these, SiO₂Insulating film 28 made of SiN, etc., light shielding layer 27 made of aluminum, chromium, silver, etc., resin or SiO₂, SiN planarizing film 26, reflective pixel electrode 25 made of aluminum, etc.₂Then, a dielectric layer 24 made of SiN and an alignment film 8 made of polyimide resin or the like are sequentially laminated. Each reflective pixel electrode 25 is connected to the field effect transistor 22 via the source electrode 31.
[0068]
Also in the ferroelectric liquid crystal display device C having the above configuration, by applying a voltage to the reflective pixel electrode 25 and the common electrode 4, the orientation direction of the liquid crystal molecules is controlled, and the director (the long axis of the liquid crystal molecules is The average direction) is continuously changed, whereby the optical axis of the liquid crystal layer 7 is continuously controlled to control the display gradation.
[0069]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
(Example 1) shows ferroelectric liquid crystal display devices A, B and C of the present invention, and (Example 2) shows a comparative example thereof.
(Example 1)
The active matrix driving type ferroelectric liquid crystal display devices A, B and C shown in FIGS. 1 and 2 and FIGS. 9 and 10 and 11 were produced. For the

alignment films

6 and 8, a polyimide film RN-1199 (manufactured by Nissan Chemical Industries) having a thickness of 300 mm and subjected to a rubbing treatment was used. The rubbing direction between both substrates was set to be parallel. Further, the thickness of the liquid crystal layer 7 was set to 1.5 μm, and a spherical spacer was provided for this purpose.
[0070]
In order to adjust the liquid crystal composition, 49.5% by weight of the compound shown in Chemical formula 25, 49.5% by weight of the compound shown in Chemical formula 26, and 1% by weight of Irgacure 651 (manufactured by Ciba Geigy) as a photopolymerization initiator. % Liquid crystal acrylate composition (a) was prepared. This liquid crystalline acrylate (a) exhibits a nematic liquid crystal phase at room temperature and has a clearing point of 41 ° C.
[0071]
Embedded image

[0072]
Embedded image

[0073]
Next, the liquid crystal cell was kept at a temperature of 100 ° C., and 6% by weight of the liquid crystal acrylate composition (a) prepared as described above, and a ferroelectric liquid crystal material FELIX 4851/100 (manufactured by Clariant) 94 A liquid crystal composition containing at% by weight was injected, then the temperature of the liquid crystal cell was lowered to room temperature, and the liquid crystal composition injected into the liquid crystal cell was transferred to the chiral smectic C phase.
Thereafter, while applying a triangular wave signal having a frequency of 2 kHz and an amplitude of ± 10 V between the pixel electrode 12 and the common electrode 4, 250 mJ / cm²The ultraviolet rays were irradiated.
[0074]
After the ultraviolet irradiation, the orientation of the liquid crystal molecules was examined with a polarizing microscope in a state where no voltage was applied. As a result, it was confirmed that the liquid crystal molecules were averagely oriented substantially perpendicular to the smectic layer and substantially parallel to the rubbing direction.
Next, two polarizing plates 1 and 15 were disposed on both sides of the liquid crystal cell. One of the polarizing plates was set so that the polarization axis thereof was parallel to the alignment direction of the liquid crystal molecules, and the polarization axis of the other polarizing plate was perpendicular to the alignment direction of the liquid crystal molecules.
[0075]
A voltage was applied to the thus manufactured ferroelectric liquid crystal display device A, and voltage-transmittance characteristics were measured. The result is shown in FIG. The horizontal axis is the applied voltage, the unit is volts (V), the vertical axis is the light transmission intensity, and is represented by a relative value.
As is apparent from this result, the maximum dark state occurs when the applied voltage is in the vicinity of 0 V, and the optical characteristics increase smoothly and continuously as the absolute value of the applied voltage increases. Furthermore, the light transmittance curve is also symmetric with respect to the polarity of the applied voltage.
[0076]
When the present inventors operate using the same signal as the TFT drive as shown in FIG. 5, almost the same light transmission intensity is obtained with respect to applied voltages of different polarities. I was able to.
(Example 2)
In the ferroelectric liquid crystal display device A produced in (Example 1), 2% by weight of the liquid crystalline acrylate composition (a) prepared as described above and the ferroelectric liquid crystal material FELIX4851 while maintaining the liquid crystal cell at 100 ° C. / 100 (manufactured by Clariant) 98% by weight of liquid crystal composition was injected, then the temperature of the liquid crystal cell was lowered to room temperature, and the liquid crystal composition injected into the liquid crystal cell was transferred to the chiral smectic C phase.
[0077]
Next, while applying a DC voltage of 4 V between the pixel electrode 12 and the common electrode 4, 120 mJ / cm.²The ultraviolet rays were irradiated.
After such ultraviolet irradiation, the orientation of the liquid crystal molecules was examined with a polarization microscope in the absence of voltage application. As shown in FIG. 6, the liquid crystal molecules were found to be tilted 17 degrees to the right from the rubbing direction. all right.
Next, two polarizing plates 1 and 15 were arranged on both sides of the liquid crystal cell. At that time, the polarization axis of one polarizing plate is parallel to the direction inclined to the right by 17 degrees from the rubbing direction, and the polarizing axis of the other polarizing plate is perpendicular to the direction inclined to the right from the rubbing direction. Was set as follows.
[0078]
When a voltage was applied to the ferroelectric liquid crystal display device thus fabricated and the voltage-transmittance characteristics were measured in the same manner, the result shown in FIG. 7 was obtained.
As is clear from this result, in this ferroelectric liquid crystal display device, halftone display is possible, but the same transmittance cannot be obtained when voltages having different polarities are applied even if they have the same absolute value. I understand that.
Therefore, when the ferroelectric liquid crystal display device having such a configuration is operated by TFT driving, as shown in FIG. 8, in order to cancel DC components that cause display deterioration such as burn-in, voltage of both positive and negative polarities is used. Must be used. At this time, a period during which a voltage having a minute change in transmittance is applied is an erasing period in which the display is invalid. When this period exists, the period for taking a predetermined selection state effective for display is shortened with respect to driving, and the display state flickers due to the influence of this period. In addition, if the transmittance during this erasing period is increased, light leakage in the dark state is caused, and the contrast is lowered.
[0079]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the case where a thin film transistor (TFT) element is used as an active element as a liquid crystal display device has been described, but an active element such as a thin film diode (TFD) element can be used instead. By controlling the voltage value or voltage application period to be applied to the ferroelectric liquid crystal layer, the average direction of the director of the ferroelectric liquid crystal layer is continuously changed according to the applied signal, so that gradation display is achieved. You may do.
[0080]
【The invention's effect】
As described above, according to the liquid crystal display device of the present invention, the ferroelectric liquid crystal layer is interposed between the pair of substrates, and the electrode portions for applying voltage to the ferroelectric liquid crystal layer are disposed on the inner surfaces of both substrates. In addition, the ferroelectric liquid crystal layerspecificA ferroelectric liquid crystal composition containing a liquid crystalline (meth) acrylate monomer has a chiral smectic C phase.With a frequency of 2 kHz to 4 kHzBy applying an alternating electric field and irradiating ultraviolet rays or electron beams, the liquid crystalline (meth) acrylate monomer is cured and polymerized, thereby controlling the orientation direction of the liquid crystal molecules. The director was continuously changed, and the optical axis of the liquid crystal layer was continuously controlled. As a result, a high-quality and high-performance liquid crystal display device with excellent halftone display was obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal display device of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of a lower substrate of the liquid crystal display device of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an alignment state of a liquid crystal layer in the present invention.
FIG. 4 is a graph showing applied voltage-transmittance characteristics in the liquid crystal display device of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a timing chart when a TFT drive signal is used in the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an alignment state of a liquid crystal layer in a conventional liquid crystal display device.
FIG. 7 is a graph showing applied voltage-transmittance characteristics in a conventional liquid crystal display device. Graph.
FIG. 8 is a diagram illustrating a timing chart when a TFT drive signal is conventionally used.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of another liquid crystal display device of the present invention.
FIG. 10 is a plan view showing a wiring pattern of another liquid crystal display device of the present invention.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of still another liquid crystal display device of the present invention.
[Explanation of symbols]
A, B, C Ferroelectric liquid crystal display
1, 15 Polarizing plate
2, 14, 23 Transparent substrate
3, 13 Protective film
4 Common electrode
5, 9 Interlayer insulation film
6, 8 Alignment film
7 Liquid crystal layer
10 Active elements
10a TFT element
10b MIM element
11 Scan electrode
12 pixel electrodes
4a, 16 signal electrodes
17 Source driver
18 Gate driver
17a Data driver
18a scan driver
19 Upper substrate
20 Lower board
22 LCD display pixel section
P Field effect transistor
24 Dielectric layer
25 Reflective pixel electrode
26 Planarization film
27 Shading layer
28 Interlayer insulation film
29 Single crystal silicon substrate
30 Drain electrode
31 Source electrode
32 phase difference plate
21a Liquid crystal skeleton of liquid crystalline acrylate
21b Smectic layer normal direction (rubbing direction)

Claims

A liquid crystal display device in which a ferroelectric liquid crystal layer is interposed between a pair of substrates, and electrode portions for applying a voltage to the ferroelectric liquid crystal layer are disposed on the inner surfaces of both substrates, wherein the ferroelectric property The liquid crystal layer applies an alternating electric field having a frequency of 2 kHz to 4 kHz in a state exhibiting a chiral smectic C phase to a ferroelectric liquid crystal composition containing a liquid crystal acrylate monomer represented by the following chemical formula 1, and also applies an ultraviolet ray or an electron beam. The liquid crystal display device is characterized in that it is polymerized with the above-mentioned liquid crystalline acrylate monomer by irradiating.