JP4034000B2 - Method for manufacturing liquid crystal electro-optical device - Google Patents

Method for manufacturing liquid crystal electro-optical device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacture of the liquid crystal device which operates fast and has a high contrast ratio and high reliability. SOLUTION: This manufacturing method includes a process for injecting a mixture of a liquid crystal material and an unset resin material containing a >=60 wt.% monomer into between a couple of substrates, one of which has an alignment film, so that the liquid crystal material has a smectic phase and a process for setting the unset resin while it is oriented in the orientation direction of the oriented film.

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電性または反強誘電性の液晶材料を用いた複屈折モードの液晶電気光学装置に関する。
【0002】
本発明は、一軸配向した強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、硬化した樹脂材料とを有する液晶電気光学装置とその作製方法に関する。
【0003】
本発明は、一軸配向した強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、該液晶材料を挟持する基板または該基板上の電極や配向膜の上に設けた硬化した樹脂材料とを有する液晶電気光学装置とその作製方法に関する。
【0004】
本発明は、強誘電性または反強誘電性の液晶材料中に、反応開始剤を含む樹脂を添加し樹脂を硬化させる液晶電気光学装置の作製方法に関する。
【0005】
本発明は、強誘電性または反強誘電性の液晶材料を用いて、基板間隔により該液晶材料がバルク状態において呈するらせん構造が抑制された液晶電気光学装置であって、ドメインの発生を伴わずにスイッチングを行う液晶電気光学装置およびその作製方法に関する。
【0006】
本発明は、強誘電性または反強誘電性の液晶材料を用いて、基板間隔により該液晶材料がバルク状態において呈するらせん構造が抑制された液晶電気光学装置において中間調を得るための構成および方法に関する。
【0007】
本発明は、強誘電性または反強誘電性の液晶材料を用いて、階調が連続的に変化する液晶電気光学装置およびその作製方法に関する。
【0008】
本発明は、強誘電性または反強誘電性の液晶材料を用いたアクティブマトリクス型液晶電気光学装置に関する。
【0009】
【従来の技術】
最近、液晶ディスプレイ装置(LCD)が注目されている。中でも特に、ネマチック液晶を使用したツイステッドネマチック(以下TNという)型やスーパーツイステッドネマチック(以下STNという)型のものが広く知られ、実用化されている。
またネマチック液晶材料を用い、各画素に薄膜トランジスタ(TFT)等のスイッチング素子を設けたアクティブマトリクス型のものが、高速、高コントラスト、多階調表示できるものとして盛んに開発されている。
【0010】
TN型やSTN型の液晶電気光学装置の基本的な構成を次に示す。電極を有する基板上に配向膜を塗布、焼成し、配向処理としてラビングを施して第1の基板とする。同様に電極を有する基板上に配向膜を塗布、焼成し、ラビングを施して第2の基板とする。この第1の基板と第2の基板を電極が対向するように設け、この基板間に液晶を挟持している。
【0011】
両基板と液晶層の接触面では、液晶はラビングによる規制力に従って、ラビングした方向に並んでいる。上下基板では、このラビング方向をTN型では90゜またSTN型では200゜〜290゜に位置するようにずらしている。液晶層の中間付近の液晶分子は、90゜〜290゜に位置する液晶分子の間をエネルギーが一番小さくなるように螺旋状に並んでいる。
【0012】
これら、螺旋状に並んだ液晶分子は両基板間に電圧を印加することにより、液晶分子の誘電異方性により電界方向に平行または垂直に並ぶことで螺旋構造を解く。装置としてはこのように液晶分子が基板面に対して垂直な場合には明状態を、平行な場合には暗状態を示すように透過光量が変化する。また、このような液晶分子の状態は基板間に印加する電圧により連続的に変化し、それに応じて透過光量が変化するため、印加電圧を適当に制御することにより、明(透過)状態と暗(非透過)状態の間の階調、すなわち中間階が得られる。
【0013】
このように中間調が得られるということは、特にカラー化に非常に有効であり液晶の応答速度さえ充分であればフルカラー化にも対応できる。
【0014】
ただし、ネマチック液晶は応答速度が数100m秒と遅く、高速応答が要求される動画等の表示に対しては十分な特性を有していない。
またネマチック液晶は流動性があるため装置を立てかけて使用すると、液晶が装置の下部に溜りセルの下部が膨れたような形になる。こうなると、装置内でセル厚が大きく変化するので、着色や色ムラが生じたり、同じ電圧を印加しても液晶の応答が一様でなかったりする。
【0015】
近年では、装置の大画面化、高速化が望まれているため、上記のようなネマチック液晶の問題は、ますます深刻になっている。
【0016】
他方強誘電性液晶を用いたLCDも開発されている。強誘電性液晶は液晶分子が自発分極を有し、数十μ秒で高速スイッチングできる。この強誘電性液晶を用いてアクティブマトリクス型のLCDとし、より高速な表示ができるものも開発されている。
【0017】
強誘電性液晶または、反強誘電性液晶は自発分極を有しており、応答速度が数〜数100μ秒と高速動作が可能であり、ネマチック液晶に比べて、約3桁以上も高速で応答する。
【0018】
また、強誘電性液晶または、反強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置においては、液晶分子は少なくとも一方の基板面において、配向処理がなされていればその規制力に従って並ぶ。これら液晶分子は一方の基板面から他方の基板面に対して、規則正しく積み重なった層構造を有している。また基板の平行方向に対しても層構造を有している。
【0019】
このような層構造を持っているために強誘電性液晶または、反強誘電性液晶は流動性に乏しく、装置を立てかけた場合など、ネマチック液晶のように液晶が装置の下部に溜ることがなく、セル厚が一定に保たれ均一な表示が可能という利点がある。
【0020】
本来、強誘電性液晶材料が示すSmC* 相においては、液晶材料が有する層の法線(基板にほぼ平行)に対して液晶分子長軸がある傾き角だけ傾いた配向になっており、これがバルク状態では液晶分子が層から層に渡って配向ベクトルの向きが捩じれた螺旋構造となっており、液晶分子が有する自発分極が全体としては相殺されるため強誘電性が発現できなかった。
【0021】
そこで、クラーク等により強誘電性を発現する所謂表面安定化型の液晶電気光学装置が提案された。その基本的構成は電極を有する一対の基板間に強誘電性スメクチック液晶材料を挟持し、前記液晶分子を基板に平行かつ一軸配向せしめ、液晶材料の有する層を基板に対して垂直あるいは傾斜して形成させるものである。この時、前記一対の基板間隔を1μm程度として前記液晶材料がバルク状態で取る螺旋構造を解いている。さらに螺旋構造を解いた結果、液晶分子の取る配向ベクトルの向きが2つの安定な配向状態、即ち双安定な配向状態が得られる。
【0022】
上記のような構成とすると、画素電極に印加する電界の極性を反転させることで、液晶材料の有する自発分極と前記電極により印加された電界との積によるトルクにより上記2つの状態の間で高速応答が可能となる。
【0023】
液晶分子は、両基板間に電圧を印加することにより、液晶分子自身が持つ自発分極の向きを180゜変化(以下反転という)させる。液晶分子は一軸配向方向からある角度だけ変化した向きを有し、電圧の印加により液晶分子の向きが反転し、明(透過)状態から暗(非透過)状態もしくは暗状態から明状態へのスイッチングを行う。
【0024】
これらのネマチック、または強誘電性、反強誘電性の液晶を用いた液晶電気光学装置は、液晶分子の光学異方性を利用するものであるので、両基板の外側に偏光板を有し、電気光学特性を得ている。
【0025】
強誘電性または反強誘電性液晶材料を使用する場合は、2つの安定な状態のどちらかに一方の配向状態を示す方向に片方の偏光板の光軸を合わせ、他方の偏光板はこれと光軸が垂直となるようにする。
【0026】
この液晶分子を一軸配向させる方法として、液晶材料を挟持する基板の液晶材料と接する面に、液晶材料を一軸配向させる配向規制力を有せしめる手段(以下一軸配向手段という)を形成する方法が知られている。代表的にはラビング法が知られている。ラビング法は通常有機高分子等からなる100〜500Åの膜厚の配向膜を、基板の電極を有する表面上に形成し、更に前記配向膜表面を布などにより一方向に擦る処理(ラビング処理)を施し、配向膜に液晶分子を一方向に配列させる一軸配向規制力を有せしめる方法である。基板面や電極面に直接ラビング処理を施すこともある。ラビング法はネマチック液晶を用いたTN型、STN型液晶電気光学装置では広く用いられており、強誘電性液晶でも簡便かつ大面積化も容易な優れた配向方法として多く用いられている。
【0027】
また強誘電性液晶は秩序性が高く層構造を有しているため、一度配向させたら層構造が崩れない限り配向が乱れることはない。従って、ラビング法による配向に限られることはなく、ずり応力法、磁場配向法、温度勾配法等、配向膜を用いない、すなわち初期配向のみを行う配向方法においても、十分に液晶分子を配向させスイッチングを行うことができる。しかしこれらは実験的には利用されることはあるが、液晶材料を配向させるために多大な時間を要し、また大面積の装置の作製するのには向かず実用的でないため、工業的にはあまり用いられていない。
【0028】
また、別の配向方法としてSiO等を基板面に対して斜めに蒸着させて配向させる斜方蒸着法もあるが、量産性に問題があり、また、大面積の基板に対して行う場合、基板上の各点での蒸着角や蒸着方位等の違いが無視できなくなる等の問題が生じる。従って、現在強誘電性液晶電気光学装置においても工業的に広く利用されている配向方法はラビング法である。
【0029】
また、強誘電性液晶または反強誘電性液晶はネマチック液晶と比較して約3桁高速にスイッチングできるため、ONとOFFを表示フレームごとに制御して表示時間により階調表示を行う、いわゆるフレーム階調表示を可能とする。このON・OFF時間をTFTを用いてデジタル値で制御することで多階調のデジタル階調表示を行うことができる。詳細は本出願人の発明になる特願平4−275413号に記載されている。
【0030】
この場合、TFTはアモルファスシリコンTFTを用いてもよいが、強誘電性液晶の高速なスイッチングに対応し、またこのデジタル階調表示において、より高速、多階調、高コントラスト比とするためには、画素への電荷注入がより速やかに行われる必要がある。そのためアモルファスシリコンTFTより約4桁高速で動作しかつ自発分極を十分に反転させるだけの大電流を流し得る結晶性シリコンTFTが使用される。
【0031】
【従来技術の問題点】
強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持する基板の液晶材料と接する面に一軸配向手段を形成してセルを作製した場合、液晶分子のスイッチングに問題があった。
【0032】
例えばラビング法の場合、液晶材料をセルに注入後徐冷していく過程で、SmA相ではラビング方向と配向ベクトルが平行であったものが、SmC* 相に転移すると、液晶分子が層法線から傾きチルト角を有するようになるため、SmC* 相では液晶分子の配向ベクトルがラビング方向に対して平行でなくなる。これで双安定状態が得られるのであるが、上記ラビング方向は液晶分子の一方の安定状態と他方の安定状態との間にあるので、スイッチングの途中で液晶分子がラビングによる一軸配向規制力の影響を受けることになり、液晶分子のスイッチングを阻害していた。
【0033】
一方、前述したずり応力法、磁場配向法、温度勾配法等の物理的手段による配向法は、実用性には乏しいが、液晶材料の配向後には一軸配向規制力を発するものが存在しないため、スイッチングを阻害するものは無く、良好なスイッチング特性が得られる。
【0034】
したがって液晶材料と接する面に一軸配向手段を形成して液晶分子を配向させた強誘電性液晶電気光学装置においては、ずり応力法、磁場配向法、温度勾配法などにより配向させた液晶電気光学装置に比較して、スイッチング速度が低下したり、スイッチングが十分に行われない等の問題があった。
【0035】
よって、液晶材料を一軸配向させるための規制力は、液晶を基板間に注入し、その後液晶材料を徐冷していく過程で初期配向させるときだけに働き、液晶材料が一軸配向した後は一軸配向規制力を発するものが存在しない構成となることが望まれていた。
【0036】
すなわち、液晶分子が一軸配向した後は、一軸配向手段の配向規制力を実質的に低減または無くしてしまうことが、スイッチング特性が良く、工業的にも生産性が優れた強誘電性液晶電気光学装置を実現するために必要とされていた。
【0037】
また、強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置において、特に基板間隔を数μmとし、液晶分子の螺旋構造を抑制した構造を有する、いわゆる表面安定化型強誘電性液晶(SSFLC)においては、双安定性を有するがために、得られる光透過の状態は、明か暗の2状態のみで、ネマチック液晶を用いたような中間調は得られなかった。すなわち、液晶分子の状態変化により、透過光量を連続的に変化させることはできなかった。
【0038】
表面安定化型の液晶電気光学装置は、電界の極性を反転させて第一の状態と第二の状態の間をスイッチングさせる場合、飽和電圧以上の電界強度で駆動させる場合は上記2状態間のスイッチングとなる。しかし、電界強度を徐々に変化させると、電界が印加された領域の液晶材料全体の透過光量が一様に変化してスイッチングするのではなく、通常次のようなスイッチングとなる。例えば第一の状態から第二の状態へスイッチングする場合、第一の状態を示している領域の中に第二の配向状態に反転した領域(以下これをドメインとする)が発生し、さらに電界強度を強くしていくとドメインの面積が大きくなって第二の状態へ移っていく。
【0039】
このような性質を利用して、強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置で中間調を得る方法の一つが、面積階調法である。
【0040】
強誘電性液晶または反強誘電性液晶の液晶分子が反転する過程を偏光顕微鏡下で観察すると、電圧を印加することで、電圧が印加されている特定領域において、明状態領域の中に暗状態領域が、または暗状態領域の中に明状態領域(以下ドメインという)が発生し、さらに電圧を印加していくと各ドメインの面積が広がっていき、特定領域全体として明状態が暗状態に、または暗状態が明状態になっていく。
【0041】
面積階調法は、このような、ドメインの大きさが印加電圧によって微妙に大きさが変わることを利用して、印加電圧を制御することで1画素内における明または暗のドメインの面積を制御し、中間調を得るものである。
【0042】
また、強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いた表面安定型の液晶電気光学装置において、中間調を得るための他の方法として画素分割法がある。これは、複数の小さい画素により1画素を構成し、小さい各画素による明暗の2状態の組み合わせにより、中間調を得るものである。
【0043】
例えば1つの画素を4つの小さい画素により構成した場合、最も暗もしくは最も明な状態は、小さい4画素すべてを暗または明状態にする。また、中間調を得たい場合には、例えば小さい画素の1つを暗状態とし、残りの3つを明状態とすることにより、1つの画素としては、最も明な状態と比較して75%の透過光量となる中間調が得られる。
【0044】
このように、強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置で中間調を得ようとすると、前述したようなドメインの大きさを制御した面積階調法や複画素で疑似的に表現する画素分割法等によらねばならない。
【0045】
しかし、面積階調法は、強誘電性または反強誘電性液晶の反転は急峻であり、特に、印加電圧値が僅かに変化してもドメインが大きく広がってしまうため、面積階調を実現できる電圧の幅が極めて狭いこと、ヒステリシスがあることから、数mV単位の印加電圧でドメイン面積を制御することは難しい。また、印加電圧を低くすると応答速度が極端に遅くなり、均一な表示ができなくなる。また表示の分解能を高くすることが困難であり、実用的ではなかった。
【0046】
また画素分割法では1画素に複数画素を使用する効率の悪さがあり、1画素を小さくして画素数を増やすにも技術的に限界がある。また、高解像度化にも不向きである。
【0047】
また、強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いた従来の表面安定型の液晶電気光学装置は、高いしきい値電圧を有するため低電圧駆動は望めなかった。
【0048】
また、従来の表面安定型の液晶電気光学装置において、一対の基板に施す配向処理を、両基板で違えることにより液晶材料の配向安定性を単安定とし、電界強度を変化させることで階調表示が行えるとする装置はあった。しかし、この方法でも結局スイッチング時にはドメインを伴った反転となり、前述の双安定型と同様の困難がつきまとうため、階調表示として充分なものではなかった。
【0049】
従って、強誘電性または反強誘電性の液晶材料を用いた液晶電気光学装置において、良好な中間階調表示を行える構成が望まれていた。
【0050】
また、アクティブマトリクス型強誘電性液晶電気光学装置で、フレーム階調方式を行う場合、高速かつ高コントラストな表示を行うためには、信号印可時の強誘電性液晶の液晶分子の反転が極めて短時間で行われ、かつ十分に反転しきること、また反転してからの液晶分子の状態が変化せず一定であること、が必要である。この液晶分子の状態を決定するのは主に、両基板の電極に印加される電圧の大きさである。
【0051】
ところが、装置内には液晶または配向膜からの電荷を持った不純物が存在したり、電圧印加時にその電圧とは逆方向の電圧を発生させる余分な電荷が生じることはよく知られている。これら電荷は、電圧印加に伴い両基板間に挟持された液晶材料内を自由に移動する。これら電荷の多くは移動して配向膜表面に到達するが、本来配向膜は絶縁性であるために電荷はそれ以上は移動せず配向膜と液晶層(液晶材料の層)の間(配向膜液晶界面)に蓄積される形となる。
【0052】
これらの電荷により液晶電気光学装置としては好ましくない問題が発生する。
例えば電極間に印加した電圧を打ち消す作用が生じてしまい、コントラストの減衰をまねいていた。たとえばTFT駆動してパルス電圧を印加した際、パルス印加に対し透過、非透過のスイッチングが急峻でなく一度スイッチングしてから少し遅れてさらにスイッチングが起こる2段階応答や、スイッチング後すぐに減衰が発生したりした。これを解決するためには印加する電圧を自発分極を反転させるのに必要な電圧より大きくする必要があったが十分な対策ではなかった。
【0053】
また、電極間に電圧を印加した際に、液晶層内の電荷量が経時変化するために液晶分子の状態が安定しない。さらに配向膜−液晶界面に蓄積した電荷により電気的に吸着された液晶分子は、液晶層内部の吸着されていない液晶分子よりも状態変化に必要とする電圧が大きいために液晶層内の液晶分子が一斉に状態変化を起こさず、液晶電気光学装置の特性として一番重要な光の透過特性が安定しないという問題が生じるのである。
【0054】
そして液晶電気光学装置としては、表示が不安定となり、また液晶材料の応答速度を十分に生かしきれずに表示速度の低下を余儀無くされ、またコントラストの低下を招いていた。特にフレーム階調表示を行った場合、階調数が限定されてしまった。
【0055】
この問題点を解決すべく、電荷の蓄積を緩和する配向膜材料の選定をしたり、絶縁膜である配向膜の代わりに、電極上にSiOなどを斜方蒸着して液晶分子を配向させる方法があるが、多くの予備実験を必要とするため時間がかかりコスト高になること、また材料的な組合せによりその効果が変化するなど一般的な手法とは言えない。また、液晶を精製して不純物を取り除く方法もあるが、この方法では精製して使える液晶は極僅かであり量産性を考えると大変不向きである。また、電荷移動錯体などを用いて、液晶層内に存在する電荷を吸着させたり、結合させたりしてプラスまたはマイナスの電荷をプラスマイナス0の状態にする(以下キャンセル、または中和するという)方法もあるが、電荷を完全にキャンセルするだけの電荷移動錯体を装置内に測り入れることは困難であり、過剰な電荷移動錯体は前述の電荷と同様に液晶層内を移動することになる。
【0056】
上記のように、液晶層へ印加される電圧変化を引き起こす要因、つまり液晶分子の経時的な状態変化を引き起こし装置の光学特性を不安定にする要因である、液晶層内に存在する電荷をキャンセルするには様々な方法が提案されてはいるが、容易にそして完全にキャンセルすることは困難である。
【0057】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、強誘電性液晶材料を挟持する基板の表面に一軸配向手段を形成する配向方法、特に実用性に優れたラビング法を強誘電性液晶に用いた場合問題となっていた、SmC* 相における、一軸配向規制力の方向と液晶分子が示す2つの安定状態の方向が異なる事による、液晶分子のスイッチングの阻害を解消し、配向規制力が液晶分子のスイッチングを妨げない液晶電気光学装置およびその作製方法を提供することを目的とする。
【0058】
また、本発明は、強誘電性または反強誘電性の液晶材料を用いて、基板間隔により該液晶材料がバルク状態において呈するらせん構造が抑制された液晶電気光学装置であって、ドメインの発生を伴わずに光学的なスイッチングを行う装置およびその作製方法を提供することを他の目的とする。
【0059】
また、本発明は装置の大面積化、高速化の容易な強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いて、ネマチック液晶のような、印加電圧の変化による連続的な階調変化、中間調が容易に実現できる液晶電気光学装置とその作製方法を提供することを他の目的とする。
【0060】
また、本発明は、結晶性シリコンTFTを有するアクティブマトリクス型の強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置において、液晶層内の不所望な電荷による影響を排除して装置の高速化と光学特性の安定化を実現し、高速多階調表示が可能かつ高コントラスト比を有する高性能な液晶電気光学装置を提供することを他の目的とする。
【0061】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の様々な問題を解決するものである。
本発明の主要な構成は、
相対向する一対の基板間に挟持された、一軸配向した強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、
前記一対の基板の少なくとも一方の基板の内側表面に設けられた、樹脂材料よりなる膜または複数の凸部と
を有することを特徴とする液晶電気光学装置である。
【0062】
また、本発明の他の主要な構成は、
相対向する一対の基板と、
前記一対の基板の間に挟持された、螺旋構造が抑制されかつ一軸配向している強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、
前記一対の基板に設けられた、前記強誘電性または反強誘電性の液晶材料に対して電圧を印加する電極と、
前記一対の基板の一方または双方に設けられた、前記液晶材料を一軸配向させる一軸配向手段と、
を有する液晶電気光学装置であって、
前記強誘電性または反強誘電性の液晶材料に接する、樹脂材料よりなる膜または複数の凸部を、
前記基板または前記電極または前記一軸配向手段の表面上に有すること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0063】
また、本発明の他の主要な構成は、
相対向する一対の基板と、
前記一対の基板の間に挟持された、螺旋構造が抑制されかつ一軸配向している強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、
前記一対の基板に設けられた、前記強誘電性または反強誘電性の液晶材料に対して電圧を印加する電極と、
前記一対の基板の一方または双方に設けられた、前記液晶材料を一軸配向させる一軸配向手段と、
を有する液晶電気光学装置であって、
該液晶材料に接する面の一部または全部が、樹脂材料よりなる膜または複数の凸部よりなること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0064】
すなわち、本発明は一軸配向した強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、該液晶材料を挟持する面、すなわち該液晶材料を挟持する基板または該基板上の電極や配向膜等の表面との間に、樹脂材料により膜または複数の凸部を設けることを特徴とするものである。
言い換えれば、一軸配向した液晶材料が接する、該液晶材料を挟持する面すなわち基板や基板上の電極や配向膜等の表面の一部または全部に、硬化した樹脂材料よりなる膜や凸部を有することを特徴とするものである。
【0065】
この構成により、スイッチングを高速化でき、さらには配向欠陥を減少させ、また不所望な電荷を除去できる。
さらに、基板間隔により液晶材料がバルク状態において呈するらせん構造が抑制された液晶電気光学装置において、ドメインの発生を伴わないスイッチング(ドメインレススイッチング)が可能となり、ネマチック液晶を用いた液晶電気光学装置のような、電界強度により透過光強度が一様かつ連続的に変化する中間調を得ることができ、さらに駆動電圧の低電圧化を図れるなど、様々な効果が得られる。
以下、本発明の構成について詳述する。
【0066】
〔樹脂膜〕
本発明の他の主要な構成は、
一対の基板間に強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持し、
前記一対の基板の内側表面の少なくとも一方には、前記強誘電性または反強誘電性の液晶材料を一軸配向させる配向規制力が付与され、
かつ前記配向規制力が付与された表面上に、前記配向規制力を抑制する手段が設けられていること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0067】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側に電極を有する一対の基板間に強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持した液晶電気光学装置であって、
前記基板のいずれか一方もしくは両方の内側表面に一軸配向手段を有し、
該一軸配向手段上には該一軸配向手段の配向規制力を抑制する手段を有すること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0068】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側に電極を有する一対の基板間に強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持した液晶電気光学装置であって、
前記基板のいずれか一方もしくは両方の内側表面に一軸配向手段を有し、
少なくとも該一軸配向手段上には樹脂膜を有すること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0069】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側に電極を有する一対の基板間に強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持した液晶電気光学装置であって、
前記基板のいずれか一方もしくは両方の内側表面に一軸配向手段を有し、
前記液晶材料と前記一軸配向手段とが離隔していること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0070】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側に電極を有する一対の基板間に強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持した液晶電気光学装置であって、
前記基板のいずれか一方もしくは両方の内側表面に一軸配向手段を有し、
少なくとも該一軸配向手段上には絶縁膜を有すること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0071】
また、本発明の他の構成は、上記液晶電気光学装置において、
一軸配向手段はラビング処理が施された配向膜であること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0072】
また、本発明の他の構成は、上記液晶電気光学装置において、
一対の基板の一方に画素電極に接続されたスイッチング素子を有し、
アクティブマトリクス駆動をすること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0073】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側表面の両方に電極と、一方または両方に一軸配向手段を有する一対の基板間に、
強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、未硬化樹脂とを混合した混合物を挟持させ、
前記液晶材料を前記配向手段の配向規制力にしたがって一軸配向させた後、
前記未硬化樹脂を硬化させて、前記未硬化樹脂を前記基板表面上に膜状に硬化させること
を特徴とする液晶電気光学装置の作製方法である。
【0074】
また、本発明の他の構成は、上記液晶電気光学装置の作製方法において、
未硬化樹脂は紫外線硬化型樹脂であること
を特徴とする液晶電気光学装置の作製方法である。
【0075】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側表面の両方に電極と、一方または両方に一軸配向手段を有する一対の基板間に強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持し、
前記一軸配向手段上には該一軸配向手段の配向規制力を抑制する手段を有し、
かつ前記液晶材料が前記一軸配向手段の配向規制力に従って配向している液晶電気光学装置において、
前記液晶材料の温度を、室温から前記液晶材料がSmA相またはN* 相を示す温度まで上昇させ、
その温度を一定時間維持してから室温まで冷却すること
を特徴とする液晶電気光学装置の作製方法である。
【0076】
上記本発明について、図1を用いて説明する。図1に示されているのは、上記発明を用いた、単純マトリックス型の液晶電気光学装置の概念図である。図1において、101、102は透光性基板、103、104は画素電極、105は液晶材料等を注入後一定の方向に配列するための一軸配向手段であるラビング処理が施された配向膜、107は強誘電性の液晶材料である。液晶材料107は配向膜105に従って一軸配向している。配向膜105と液晶材料107の間には配向膜の配向規制力を抑制する手段である樹脂膜106が形成されている。また透光性基板101、102の外側面に偏光板109、110が設けられている。
【0077】
この液晶電気光学装置を作製するには、スペーサー108によって基板間隔が決められた、電極103、104、一軸配向手段である配向膜105を有する一組の透光性基板101、102間に挟持された液晶材料が、配向膜105に従って配向した後に、前記配向膜上にその配向規制力を抑制する樹脂膜が形成されればよい。
【0078】
具体的には、電極および配向膜を有する一組の透光性基板間に液晶材料と反応開始剤を添加した未硬化の樹脂との混合物を等方相になるまで加熱して注入し、徐冷して液晶材料を配向膜により一軸配向させる。しかる後に、液晶材料中に混入させた未硬化樹脂を硬化するための手段を施すことにより、前記未硬化樹脂が配向手段上に被膜となって硬化する。
【0079】
この時、液晶材料が配向手段に従って配列した後に樹脂を硬化させるため、硬化前の良好な配向状態を保ったまま、配向膜上に樹脂を薄膜状に硬化させることができる。硬化後の樹脂が液晶材料の配向に悪影響を及ぼすことはない。
【0080】
上記本発明により、スイッチングを高速化でき、また配向欠陥を防ぎ、さらに不所望な電荷を除去することができる。
【0081】
上記本発明において、配向膜は従来のものと同様にポリイミド系等の有機高分子樹脂等からなる膜を基板および電極上に形成しラビング処理する。またラビング条件も従来のものと同様でよい。
【0082】
その他、液晶材料に接する面の表面特性により液晶材料を一軸配向させる配向手段であれば本発明を適用することができる。基板や電極表面に直接ラビング等を施して一軸配向規制力を付与した場合についても同様である。斜方蒸着膜に対しても実施できる。
【0083】
また配向規制力を抑制する手段の樹脂膜106としては高分子樹脂などが使用できる。
【0084】
上記本発明の配向規制力を抑制する手段としての樹脂膜106の材料は、高温状態で液晶材料との混合状態を呈し、温度が低下した状態では液晶材料と分離するものであることが望ましい。また、2枚の基板間に挟持された状態で樹脂を硬化するために未硬化の樹脂には溶媒が含まれていないことが極めて望ましい。さらに、液晶材料と樹脂の分離や液晶材料の配向状態の形成は温度に依存するところが大きいため、樹脂は温度とは別の因子で硬化する方が望ましい。そうした事柄を考慮すると、例えば未硬化樹脂として紫外線硬化型樹脂、硬化手段として紫外線を用いることが好ましい。
【0085】
また、樹脂材料と液晶材料との混合物中の樹脂材料の濃度は任意であるが、20%以下程度が適当である。
【0086】
図1に示す上記本発明の液晶電気光学装置において、液晶材料107は、配向膜の表面にある樹脂膜106によって配向膜105には触れておらず離隔している。したがって液晶材料に対して配向膜の配向規制力が抑制される。
あるいは樹脂膜106が薄くて液晶材料107と配向膜105が部分的に触れていても樹脂膜106の存在によって実質的に配向規制力は抑制されてしまう。
上記本発明はこのようにして、一軸配向手段である配向膜により液晶材料を配向させつつ、その後の配向膜の配向規制力を実質的に低減または無効としてしまう。したがって配向膜の配向規制力が液晶分子のスイッチングを妨げてしまうことを防ぐことができる。
【0087】
また、樹脂膜106を形成するために液晶材料中に添加する樹脂材料の濃度を高くする、あるいは配向膜の種類、硬化方法などを制御することにより、2枚の基板間で前記樹脂がカラム状(柱状)に形成される場合もある。ただしこのカラム状の樹脂も液晶材料が配向した後に形成されるため、液晶材料の配向に対する影響はほとんどない。このカラム状樹脂は、表示装置を大面積化する場合等、基板間隔の拡大を防いで一定に保つことができ、層構造の崩れを防ぐことができる。
【0088】
また、上記本発明の液晶電気光学装置は、従来の、樹脂膜を有していない液晶電気光学装置に比較して配向欠陥の発生が少ない。その結果装置としてのコントラスト比を向上させることができる。
【0089】
またこの樹脂膜106に用いた樹脂材料が高い絶縁性を有している場合は絶縁膜となるため、上下電極間の短絡を防止するショート防止膜の機能を有せしめることができる。
【0090】
また、通常の強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置においては、配向不良が発生した場合、液晶材料をIso(等方)相となる温度まで加熱した後、その後液晶相まで冷却する方法により修復していたが、上記本発明においては、一度完成した装置は一軸配向手段の配向規制力が樹脂膜により低減されているため、この方法を用いても配向状態は十分に修復されない。
【0091】
ところが、上記本発明の装置において液晶材料をIsoではなくSmA* 相またはN* 相となるまで加熱し、さらに一定の時間その温度を保つことにより、配向状態が修復されることがわかった。よって本発明の装置において配向状態の不良が発生してもそれを修復することができる。
【0092】
すなわち、上記液晶電気光学装置を液晶材料の種類により下記に示す温度まで上昇させ、その温度で一定時間保持し、その後徐冷する。まず温度として、
(1)Iso-N* -SmA-SmC* -Cryの相系列を有する液晶材料の場合、N* 相もしくはSmA相を示す温度。
(2)Iso-SmA-SmC * -Cryの相系列を有する液晶材料の場合、SmA相を示す温度。
とする。
【0093】
次に、前記装置は数分以上、望ましくは10〜60分間上記に示す温度に保持することが望ましい。
【0094】
上記方法を取ることにより、液晶材料と樹脂材料の混合物を注入、徐冷後、樹脂を硬化させた状態の本発明の装置の配向性を向上させることができ、配向不良が発生していた装置においても良好な配向性を得、コントラスト比を向上させることができる。
【0095】
また、本発明の如く樹脂膜106を形成すると、反応開始剤の開裂や樹脂材料の硬化により液晶材料中の不純物等による不所望な電荷が実質的に消滅する。したがって電極間に電圧を印加すると液晶材料の自発分極の反転時にのみ電流が流れそれ以外の時には余分な電流は流れなくなる。これにより、より安定かつ高速なスイッチングを実現できる。
【0096】
上記本発明の構成は単純マトリックス型の液晶電気光学装置においても有効であるのは勿論、各画素にスイッチング素子を接続したアクティブマトリクス型の装置においても有効である。
【0097】
上記本発明により、液晶材料配向後は、液晶材料に対する一軸配向規制力がなくなる、あるいは低下し、液晶分子のスイッチングの阻害を防止できた。その結果スイッチングを高速化させることができた。また配向欠陥を減少させることができた。また電極間の短絡の発生を防止できた。
【0098】
また一軸配向性が抑制された状態であっても液晶材料の配向性の向上、配向乱れの修復を行うことが可能となった。
【0099】
〔樹脂膜によるドメインレススイッチング〕
また、本発明の他の主要な構成は、
内側に電極を有する一対の基板間に、
電界無印加時において螺旋構造が解かれ、
かつ一軸配向した強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持し、
前記基板表面には前記液晶材料が接する樹脂膜を有し、
前記電極に印加される電界による前記液晶材料のスイッチングが、ドメインの発生を伴わずに行われること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0100】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側に電極を有する一対の基板間に、電界無印加時において螺旋構造が解かれ、かつ一軸配向した強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持し、
前記基板表面には前記液晶材料が接する樹脂膜を有し、
前記電極に印加される電界により液晶分子の配向ベクトルの向きが連続的に変化すること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0101】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側に電極を有する一対の基板間に、電界無印加時において螺旋構造が解かれ、かつ一軸配向した強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持し、
前記一対の基板の少なくとも一方には前記液晶材料を一軸配向させる配向膜を有し、
前記基板表面および配向膜表面には前記液晶材料が接する樹脂膜を有し、
前記電極に印加される電界により液晶分子の配向ベクトルの向きが連続的に変化すること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0102】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側に電極を有する一対の基板間に、電界無印加時において螺旋構造が解かれ、かつ一軸配向した強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持し、
前記基板の一方には画素電極に接続されたスイッチング素子を有し、
前記一対の基板の少なくとも一方には前記液晶材料を一軸配向させる配向膜を有し、
前記基板表面および配向膜表面には前記液晶材料が接する樹脂膜を有し、
前記電極に印加される電界により液晶分子の配向ベクトルの向きが連続的に変化すること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0103】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側表面の両方に電極と、一方または両方に一軸配向手段を有する一対の基板間に、
モノマー量が重量比で60%以上である未硬化樹脂を強誘電性または反強誘電性の液晶材料に混合させた混合物を挟持させ、
前記液晶材料を前記配向手段の配向規制力にしたがって一軸配向させた後、
前記未硬化樹脂を硬化させて、前記未硬化樹脂を前記基板表面上に膜状に硬化させること
を特徴とする液晶電気光学装置の作製方法である。
【0104】
また、本発明の他の構成は、上記液晶電気光学装置の作製方法において、
未硬化樹脂は紫外線硬化型樹脂であること
を特徴とする液晶電気光学装置の作製方法である。
【0105】
上記本発明は、強誘電性または反強誘電性の液晶材料を用いた液晶電気光学装置において、ドメインの発生を伴わないスイッチング(ドメインレススイッチング)を行うものである。
上記本発明について、図9を用いて説明する。図9に示されているのは、本発明によるアクティブマトリクス駆動型の液晶電気光学装置である。図9において、1101、1102は透光性基板、1103は対向電極、1104は画素電極、1105はスイッチング素子としての薄膜トランジスタ(TFT)、1106は配向膜等の液晶材料を一定の方向に配列するための一軸配向手段、1107は樹脂膜、1108は強誘電性の液晶材料である。液晶材料1108はここでは配向手段1106に従って一軸配向している。透光性基板1101、1102の外側面には、偏光板1109、1110を設けている。
【0106】
上記構成において用いる一軸配向処理法は、従来のものと同様に有機高分子等からなる配向膜をラビング処理したものを用いることが可能である。また、ラビング条件も従来のものと同様に布などを巻いたローラーにより前記配向膜上を一方向に擦る。また配向膜は両側の基板ともに形成しても、一方の基板のみに形成してもよい。その他の一軸配向方法として、磁場配向法、ずり応力法、温度勾配法、斜方蒸着法など、様々な配向方法が使用できる。
【0107】
この液晶電気光学装置を作製するには、スペーサー(図示せず)によって基板間隔が決められた、電極1103、1104を有する一組の透光性基板1101、1102で液晶材料と反応開始剤を添加した未硬化の樹脂との混合物を挟持させ、前記液晶材料を一軸配向させる。しかる後に、液晶材料中に混入させた未硬化樹脂を硬化するための手段を施すことにより、前記未硬化樹脂が液晶材料に接する配向手段や電極の表面に被膜となって硬化し、樹脂膜1107となる。また樹脂は基板間にカラム状に硬化するものもある(図示せず)。
【0108】
この時、液晶材料が配向手段に従って配列した後に樹脂を硬化させるため、硬化前の良好な配向状態を保ったまま、配向膜上に樹脂を薄膜状に硬化させることができる。その結果、硬化後の樹脂が液晶材料の配向に悪影響を及ぼすことはなく、配向欠陥の発生を防ぐことができ、コントラストの低下を防止する。
【0109】
上記の構成において用いる樹脂材料は、高温状態で液晶材料との混合状態を呈し、温度が低下した状態では液晶材料と分離するものであることが望ましい。また、2枚の基板間に挟持された状態で樹脂を硬化するために未硬化の樹脂には溶媒が含まれていないことが極めて望ましい。さらに、液晶材料と樹脂の分離や液晶材料の配向状態の形成は温度に依存するところが大きいため、樹脂は温度とは別の因子で硬化する方が望ましい。そうした事柄を考慮すると、例えば未硬化樹脂として紫外線硬化型樹脂、硬化手段として紫外線を用いることが好ましい。さらに、樹脂は注入のときに分離しにくいように液晶材料との相溶性が高い方が望ましく、樹脂中のモノマー量が重量比で60%以上、望ましくは80%以上であることが望ましい。
【0110】
本発明者らは、基板または基板上の配向膜や電極の上に、強誘電性または反強誘電性の液晶材料が接する樹脂膜を設けることで、ネマチック液晶材料を用いた装置のような、ドメインが発生せず、電界強度により一様に階調が変化するスイッチング状態(ドメインレススイッチング)が得られることを発見した。
【0111】
本来、一軸配向した強誘電性液晶にはSmC* 相において液晶分子が層の法線に対して傾き角一定のまま、層の法線を軸とした円錐の側面上のどの位置にも同じ確率で存在する性質を示し、液晶分子の配向ベクトルの向きは自由である。この状態はゴールドストーンモードと呼ばれている。前述した表面安定化型の装置は、ゴールドストーンモードで分子の取りうる配向ベクトルの向きが特定の2つの向きに限定したスイッチングとなっていると考えられる。
【0112】
この限定を外したスイッチングが実現できれば、液晶材料に対して電界を連続的に変化させて印加した場合、電界が印加されている領域の液晶材料の全てがドメインの発生を伴わずに、一様に電界の強度に応じて透過光量が連続的に変化するスイッチングが可能となると考えられてきた。
【0113】
特に電界強度で階調表示を行う方法は、TN、STN型液晶電気光学装置では既に行われている方法なので、この技術をそのまま応用できる利点がある。
【0114】
強誘電性液晶を使用したセルでもこれまで一部の範囲ではあるが、電界強度を変化させることで任意の領域の透過光量をドメイン発生を伴わずに一様に変化した例の報告がなされていたが、このような装置を生産性良く作製することは困難であった。
【0115】
本発明構成により、電界が印加されている領域全体の液晶材料がドメインの発生を伴わずに、一様に電界の強度に応じて透過光量が連続的に変化するスイッチングが得られた。作製においても、従来の表面安定型の装置とほとんど同様の工程で作製でき、高い生産性を有する。
【0116】
本発明の液晶電気光学装置は、従来の表面安定型の装置とは異なり液晶分子が配向ベクトルの向きを自由に取りうる状態にあると考えられる。これにより、強誘電性または反強誘電性の液晶材料を用いた、基板間隔によって、液晶材料がバルク状態において呈するらせん構造を抑制する構成の液晶電気光学装置のスイッチングを、ドメイン発生を伴わずに、電界が印加される領域全体において一様に変化させることができ、電界変化による高速な中間階調表示を容易に行うことができるようになった。したがって、電界強度による階調表示を極めて高速に行うことが可能となった。
【0117】
上記本発明において樹脂膜は、配向膜や電極の液晶材料に対するアンカリングを緩和する作用を有しているものと考えられる。
【0118】
また、液晶分子の応答性が改善され、液晶材料を駆動した場合従来双安定型ではドメインを伴ったスイッチングのため明暗間の反転状態が2段階となっていたものが1段階で済み、応答の急峻性が大幅に向上した。
【0119】
上記本発明の装置においては、液晶材料が双安定性を有しない。従って、本発明の構成は各画素にスイッチング素子を有するアクティブマトリクス駆動型の装置に特に適している。
【0120】
更に、上記本発明構成ではスイッチング時のしきい値が従来の双安定型の装置に比較して低下した。このため、従来の双安定型の装置に比較して低電圧駆動を行うことが可能となった。
【0121】
上記本発明の装置において、画素部分一面に渡って透過光量が一様に変化する場合の他に、使用する液晶あるいは樹脂材料や樹脂硬化条件等、作製条件によっては透過光量の一様な変化とともに微小な領域におけるドメイン発生(反転)が混在した状態が生じる場合もある。
【0122】
なお、液晶材料中に添加する樹脂材料の濃度等により2枚の基板間で前記樹脂がカラム状(柱状)に形成される場合もある。これは、表示装置を大面積化する場合等、基板間隔を一定に保つ必要がある時に有用な方法となる。
【0123】
また、樹脂硬化後液晶材料をN* 相もしくはSmA相に示す温度まで上昇させ、その温度で10min以上望ましくは10〜30minの間一定に保持し、その後再び室温まで徐冷する。この方法により液晶材料の配向状態をより向上させることが出来る。
【0124】
〔ドメインレススイッチングとフレーム階調〕
また、本発明の他の主要な構成は、
内側に電極を有する一対の基板間に、電界無印加時において螺旋構造が解かれ、かつ一軸配向した強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持し、
前記基板の一方には画素電極に接続されたスイッチング素子を有し、
前記一対の基板の少なくとも一方には前記液晶材料を一軸配向させる配向膜を有し、
前記基板表面および配向膜表面には前記液晶材料が接する樹脂膜を有し、
前記電極に印加される電界により液晶分子の配向ベクトルの向きが連続的に変化し、
各画素の透過、非透過を複数のフレームで制御してフレーム階調表示を行うこと
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0125】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側に電極を有する一対の基板間に、電界無印加時において螺旋構造が解かれ、かつ一軸配向した強誘電性または反強誘電性の液晶材料を挟持し、
前記基板の一方には画素電極に接続されたスイッチング素子を有し、前記基板の少なくとも一方には前記液晶材料を一軸配向させる配向膜を有し、
前記液晶材料が接する前記基板表面および配向膜表面には樹脂膜を有し、
前記電極に印加される電界により液晶分子の配向ベクトルの向きが連続的に変化することにより透過光量を制御し、
かつ各画素の透過、非透過を複数のフレームで制御してフレーム階調表示を行うこと
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0126】
また、本発明の他の構成は、上記液晶電気光学装置において、
1つのフレームをN(2以上の自然数)個の互いに持続時間の異なるサブフレームに分割し、
持続時間が最短のサブフレームの持続時間をT0 としたとき、これらサブフレームの持続時間は、T0 、2T0 、220 、・・・2N 0 のいずれかである表示方法により駆動されること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0127】
上記本発明は、強誘電性または反強誘電性の液晶材料を用いて各画素にスイッチング素子を設けたアクティブマトリクス駆動型の液晶電気光学装置において、ドメインの発生を伴わないスイッチング(ドメインレススイッチング)を行い、かつフレーム階調表示を行うものである。
【0128】
上記本発明の例を図17を用いて説明する。図17に示されているのは、本発明によるアクティブマトリクス駆動型の液晶電気光学装置である。図17において、2101、2102は透光性基板、2103は対向電極、2104は画素電極、2105はスイッチング素子としての薄膜トランジスタ(TFT)、2106は配向膜等の液晶材料を一定の方向に配列するための一軸配向手段、2107は樹脂膜、2108は強誘電性の液晶材料である。液晶材料2108はここでは配向手段2106に従って一軸配向している。透光性基板2101、2102の外側面には偏光板2109、2110を設けている。
【0129】
上記構成において用いる一軸配向処理法は、従来のものと同様に有機高分子等からなる配向膜をラビング処理したものを用いることが可能である。また、ラビング条件も従来のものと同様に布などを巻いたローラーにより前記配向膜上を一方向に擦る。また配向膜は両側の基板ともに形成しても、一方の基板のみに形成してもよい。その他の一軸配向方法として、磁場配向法、ずり応力法、温度勾配法、斜方蒸着法など、様々な配向方法が使用できる。
【0130】
この液晶電気光学装置を作製するには、スペーサー(図示せず)によって基板間隔が決められた、電極2103、2104を有する一組の透光性基板2101、2102で液晶材料と反応開始剤を添加した未硬化の樹脂との混合物を挟持させ、前記液晶材料を一軸配向させる。しかる後に、液晶材料中に混入させた未硬化樹脂を硬化するための手段を施すことにより、前記未硬化樹脂が液晶材料に接する配向手段や電極の表面に被膜となって硬化し、樹脂膜2107となる。また樹脂は基板間にカラム状に硬化するものもある(図示せず)。
【0131】
この時、液晶材料が配向手段に従って配列した後に樹脂を硬化させるため、硬化前の良好な配向状態を保ったまま、配向膜上に樹脂を薄膜状に硬化させることができる。その結果硬化後の樹脂が液晶材料の配向に悪影響を及ぼすことはなく、配向欠陥の発生を防ぐことができ、コントラストの低下を防止する。
【0132】
上記の構成において用いる樹脂材料は、高温状態で液晶材料との混合状態を呈し、温度が低下した状態では液晶材料と分離するものであることが望ましい。また、2枚の基板間に挟持された状態で樹脂を硬化するために未硬化の樹脂には溶媒が含まれていないことが極めて望ましい。さらに、液晶材料と樹脂の分離や液晶材料の配向状態の形成は温度に依存するところが大きいため、樹脂は温度とは別の因子で硬化する方が望ましい。そうした事柄を考慮すると、例えば未硬化樹脂として紫外線硬化型樹脂、硬化手段として紫外線を用いることが好ましい。さらに、樹脂は注入のときに分離しにくいように液晶材料との相溶性が高い方が望ましく、樹脂中のモノマー量が重量比で60%以上、望ましくは80%以上であることが望ましい。
【0133】
本発明者らは、前記した如く、基板または基板上の配向膜や電極の上に、強誘電性または反強誘電性の液晶材料が接する樹脂膜を設けることで、ネマチック液晶材料を用いた装置のような、ドメインが発生せず、電界強度により一様に階調が変化するスイッチング状態(ドメインレススイッチング)が得られることを発見した。
【0134】
上記本発明構成により、電界が印加されている領域全体の液晶材料がドメインの発生を伴わずに、一様に電界の強度に応じて透過光量が連続的に変化するスイッチングが得られた。作製においても、従来の表面安定型の装置とほとんど同様の工程で作製でき、高い生産性を有する。
【0135】
また、液晶分子の応答性が改善され、液晶材料を駆動した場合従来双安定型ではドメインを伴ったスイッチングのため明暗間の反転状態が2段階となっていたものが1段階で済み、応答の急峻性が大幅に向上した。
【0136】
更に、上記本発明構成ではスイッチング時のしきい値が従来の双安定型の装置に比較して低下した。このため、従来の双安定型の装置に比較して低電圧駆動を行うことが可能となった。
【0137】
また、本発明者らは、液晶材料中に未硬化の樹脂を混入して基板間に注入した後、硬化させることで液晶層(材料)内に存在する液晶の状態を不安定にする不所望な電荷の作用を除去できることを発見した。
【0138】
この作用としては、前記の不所望な電荷を樹脂材料が硬化する際に樹脂中に取り込む、あるいは未硬化樹脂中に一般的に混入されている反応開始剤が液晶材料中に拡散し、樹脂硬化時に開裂して電荷を発生し前記の不所望な電荷がそれに吸着したり、結合したりする、等が考えられる。
【0139】
上記本発明により従来問題となっていた電荷の移動や配向膜液晶界面での電荷の蓄積がなくなる。よって、電極間に対し電圧を印加した時には、急峻に自発分極が反転し、かつ十分に反転しきる。また反転後の表示状態の経時変化も除去できた。また、基板上に吸着される液晶分子がなくなるために電極間の液晶層全体が電圧印加より同時に状態変化を起こすこととなり、より安定な光学特性が得られる。したがって高速かつ高コントラスト比を有する表示が実現できる。
【0140】
本発明構成においては、液晶材料が双安定性を有してないが、アクティブマトリクス駆動を行なうため、液晶材料自体の双安定性は必要ない。またこれによって電界強度により階調表示が可能となっている。したがって、本発明によって、高速かつ高コントラストな階調表示を、フレーム階調による中間調とドメインレススイッチングによる電界による中間調を共に実現することができ、それぞれ独立して用いても良いし、また両者を組み合わせることで非常に高速かつ多階調表示で高画質な液晶電気光学装置とすることもできる。
【0141】
本発明の装置において、画素部分一面に渡って透過光量が一様に変化する場合の他に、使用する液晶あるいは樹脂材料や樹脂硬化条件等、作製条件によっては透過光量の一様な変化とともに微小な領域におけるドメイン発生(反転)が混在した状態が生じる場合もある。
【0142】
また、樹脂硬化後液晶材料をN* 相もしくはSmA相に示す温度まで上昇させ、その温度で10min以上望ましくは10〜30minの間一定に保持し、その後再び室温まで徐冷する。この方法により液晶材料の配向状態をより向上させることが出来る。
【0143】
また、液晶材料中に添加する樹脂材料の濃度等により、2枚の基板間で前記樹脂がカラム状(柱状)に析出し、装置内に点在して形成される場合もある。これは、表示装置を大面積化する場合等、基板間隔を一定に保つ必要がある時に有用な方法となる。
【0144】
このカラム状の樹脂により基板間隔の拡大、減少を防ぎ、また基板の強度を向上させて歪みの発生を防ぐことができ、液晶の層構造の崩れや表示ムラ等の発生を抑え、装置を立てて使用することも可能となった。また配向の乱れも発生させない。よって大面積の強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置を実現できる。
【0145】
この樹脂分離析出後の装置表示部分を基板面から見た場合、カラム状に硬化した樹脂の占める面積の割合は0.1から20%であれば、液晶電気光学装置として十分な性能が得られる。
【0146】
本発明は上記構成により、液晶層内の不所望な電荷を取り除いて高速、高コントラストな強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置を実現し、高品質なフレーム階調を利用したデジタル階調が可能となる。
【0147】
また、電界強度による階調表示も容易に行なうことができ、フレーム階調と合わせて非常に高い階調数で、優れた階調表示を行なうことも可能となる。
【0148】
加えて本発明の液晶電気光学装置は、強誘電性液晶材料が高速にスイッチングする電圧を従来の双安定型の装置と比較して大幅に低電圧化でき、低消費電力化できる。
【0149】
さらに樹脂により基板間隔の拡大を防止し大面積化しても液晶材料の層構造の破壊がない液晶電気光学装置を実現するものである。
【0150】
なお、不所望な電荷の作用を除去する働きは、市販の樹脂においては通常添加されている反応開始剤のみを液晶材料中に混入した後、紫外線等で開裂させても得られた。また樹脂中に添加する反応開始剤量を変化させても、樹脂を樹脂材料(モノマーやオリゴマー)と反応開始剤に分割しておいて、別々に混合しても構わない。
【0151】
〔複数の凸部によるドメインレススイッチング〕
また、本発明の他の主要な構成は、
相対向する一対の基板と、
前記一対の基板の間に挟持された、螺旋構造が抑制されかつ一軸配向している強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、
前記一対の基板に設けられた、前記強誘電性または反強誘電性の液晶材料に対して電圧を印加する電極と、
前記強誘電性または反強誘電性の液晶材料が接する表面に設けられた、複数の凸部と、
を有することを特徴とする液晶電気光学装置である。
【0152】
また、本発明の他の主要な構成は、
相対向する一対の基板と、
前記一対の基板の間に挟持された、螺旋構造が抑制されかつ一軸配向している強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、
前記一対の基板に設けられた、前記強誘電性または反強誘電性の液晶材料に対して電圧を印加する電極と、
前記強誘電性液晶または反強誘電性液晶が接する表面に設けられた、樹脂材料より構成された複数の凸部と、
を有することを特徴とする液晶電気光学装置である。
【0153】
また、本発明の他の主要な構成は、
相対向する一対の基板と、
前記一対の基板の間に挟持された、螺旋構造が抑制されかつ一軸配向している強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、
前記一対の基板に設けられた、前記強誘電性または反強誘電性の液晶材料に対して電圧を印加する電極と、
前記強誘電性または反強誘電性の液晶材料が接する表面に設けられた、樹脂材料より構成された、直径約500nm以下の複数の凸部と、
を有することを特徴とする液晶電気光学装置である。
【0154】
また、本発明の他の主要な構成は、
相対向する一対の透光性基板と、
前記一対の透光性基板の一方の透光性基板の内側表面に設けられたストライプ状の複数の電極と、
前記一対の透光性基板の他方の透光性基板の内側表面に設けられた、前記ストライプ状の複数の電極と直交するストライプ状の複数の電極と、
前記一対の透光性基板の外側表面に設けられた偏光板と、
前記一対の透光性基板の間に挟持された、螺旋構造が抑制されかつ一軸配向している強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、
前記強誘電性または反強誘電性の液晶材料が接する表面に設けられた、樹脂材料より構成された複数の凸部と、
を有することを特徴とする液晶電気光学装置である。
【0155】
また、本発明の他の主要な構成は、
相対向する一対の透光性基板と、
前記一対の透光性基板の一方の透光性基板の内側表面に設けられた、複数のスイッチング素子および該スイッチング素子に接続された画素電極と、
前記一対の透光性基板の他方の透光性基板の内側表面に設けられた対向電極と、
前記一対の透光性基板の外側表面に設けられた偏光板と、
前記一対の透光性基板の間に挟持された、螺旋構造が抑制されかつ一軸配向している強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、
前記強誘電性または反強誘電性の液晶材料が接する表面に設けられた、樹脂材料より構成された複数の凸部と、
を有することを特徴とする液晶電気光学装置である。
【0156】
また、本発明の他の構成は、上記液晶電気光学装置において、
樹脂材料は、紫外線硬化型であること
を特徴とする液晶電気光学装置である。
【0157】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側表面に電極を有する一対の透光性基板間に、強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、含有するモノマーの量が40重量%以上である未硬化の樹脂材料との混合物を満たす工程と、
前記未硬化の樹脂材料を前記混合物から析出させる工程と、
前記液晶材料を配向させる工程と、
前記未硬化の樹脂材料を硬化させる工程と、
を有することを特徴とする液晶電気光学装置の作製方法である。
【0158】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側表面に電極を有する一対の透光性基板間に、強誘電性または反強誘電性の液晶材料と、含有するモノマーの量が60〜90重量%である未硬化の樹脂材料との混合物を満たす工程と、
前記未硬化の樹脂材料を前記混合物から析出させる工程と、
前記液晶材料を配向させる工程と、
前記未硬化の樹脂材料を硬化させる工程と、
を有することを特徴とする液晶電気光学装置の作製方法である。
【0159】
また、本発明の他の主要な構成は、
内側表面に電極を有する一対の透光性基板間に、強誘電性または反強誘電性の液晶材料と未硬化の樹脂材料との混合物であって、前記未硬化の樹脂材料に含有されるモノマー量が、前記混合物の2.0重量%以上であるものを満たす工程と、
前記未硬化の樹脂材料を前記混合物から析出させる工程と、
前記液晶材料を配向させる工程と、
前記未硬化の樹脂材料を硬化させる工程と、
を有することを特徴とする液晶電気光学装置の作製方法である。
【0160】
また、本発明の他の構成は、上記液晶電気光学装置の作製方法において、
未硬化の樹脂材料は紫外線硬化型であり、
未硬化の樹脂材料を硬化させる工程は紫外線照射であること
を特徴とする液晶電気光学装置の作製方法である。
【0161】
上記本発明の基本的な構成を図21を用いて説明する。
ここでは単純マトリクス型の液晶電気光学装置の例を示す。
電極3112、3113を有する透光性基板3111、3110上に、ここでは液晶分子を一軸配向させるための配向手段3114、3115が、少なくとも一方の基板面上に形成されている。
この基板間隔はスペーサー3118で均一に制御されている。基板間隔は、液晶分子の螺旋構造を抑制するに十分な狭さとなっている。また両基板をシール剤3119で固定している。この基板間に液晶材料3116を挟持させる。液晶材料3116は配向手段3114、3115に従って一軸配向している。
【0162】
一方、液晶材料の表面に接して複数の微細な凸部3117が、ここでは主に配向手段3114、3115上に形成されている。凸部3117は樹脂により構成されている。また、透光性基板の外側表面には偏光板3120、3121を設けている。
配向手段がどちらか一方の基板側のみに形成されている場合、凸部3117は、例えば配向手段3114と透光性基板3111あるいはこの基板上の電極3113上に形成される。また液晶材料に接して一方または双方の基板上に絶縁膜または強誘電体薄膜等を設けた場合、それらの上に凸部3117が形成される。
【0163】
一軸配向方法としては、配向膜を用いたラビング法の他に磁場配向法、ずり応力法、温度勾配法、斜方蒸着方等、様々な方法が使用できる。
【0164】
上記液晶電気光学装置を作製するには、強誘電性液晶または反強誘電性液晶に未硬化の樹脂を混合し、等方相まで加熱してよく混合し、この混合物を、基板間に注入し、再度液晶がSmC* 相(通常は室温)を示すまで冷却する。この過程で液晶は一軸配向手段の配向規制力に従って配向し、偏光顕微鏡下で良好な消光位を確認できる。樹脂は混合物中から液晶分子間または層と層の間に排斥される形で分離析出してくる。ほぼ完全に樹脂が液晶から分離したら硬化させて、液晶に不溶とする。これら樹脂は液晶の配向に伴って排斥され、分離析出した形なので当然液晶の配向を乱すことはない。
【0165】
樹脂硬化後の基板上を、液晶材料を蒸発させた後にSEM(走査型電子顕微鏡)にて観察すると、高さ数10nm程度、直径数10〜数100nm、約500nm以下の、樹脂により構成された複数の微細な凸部が多数確認できる。凸部は全体的に均一に表面上に分散して存在し、部分的に複数の凸部が連なっているところもある。
【0166】
このようにして、液晶材料が接する面、すなわち、基板、透光性基板、配向膜、絶縁膜等の表面上に、複数の微細な凸部を有せしめることができる。
【0167】
そして、このような構成を有する液晶電気光学装置に対し、印加電圧を制御して、ドメインが発生せず、透過光量を連続的に変化するスイッチングが可能になり、中間調を得ることができる。また同一の電圧が印加される領域内、例えば1画素内においては、ほぼ一様な階調が得られる。偏光顕微鏡によりスイッチング状態を観察しても、少なくとも視覚的にはドメインの存在は確認されない。
【0168】
ここで使用する樹脂としては様々なものが利用できる。液晶が熱により層変形を起こすこと、液晶と樹脂を分離しなくてはならないことなどを考えると、熱以外の因子で硬化する樹脂を用いることが望ましい。
例えば紫外線照射により硬化する、紫外線硬化型樹脂は極めて好ましい。
【0169】
また樹脂により構成される微細な凸部を作製するためには、使用する樹脂は低粘度で液晶の配向に沿いやすいものがよく、分子量にもよるが低分子樹脂(以下モノマーという)を多く含んでいるほうが望ましい。
【0170】
通常、樹脂はモノマーとオリゴマー(高分子樹脂)および反応開始剤により構成される。この樹脂を液晶材料に0.1〜20%程度好ましくは1〜10%程度混入する。
【0171】
モノマーの量は、液晶材料と樹脂材料との混合物に対し2重量%以上有するように樹脂材料の組成を構成し、液晶材料に混入することが望ましい。
またモノマーの量は、樹脂材料の40重量%以上、好ましくは60〜90重量%となるように、樹脂材料の組成を構成し、液晶材料に混入することが望ましい。
【0172】
モノマー量が少ないと、形成される凸部の数が少なくなり、ドメインの発生を伴わなずに透過光量が連続的に変化するスイッチングと、ドメインが発生する明暗2状態のスイッチングとが混在、または後者のスイッチングのみとなりやすく、逆にモノマー量が多いと、スイッチングはドメインの発生を伴わない透過光量が連続的に変化するものとなるが、コントラスト比等の光学特性が低下する傾向がある。
また、モノマーはアクリル系のものが好ましい。
【0173】
樹脂の組成をこのようにすることで、作製された液晶電気光学装置は、基板上または基板上の電極、配向膜等の表面上に、高さ数10nm、直径数10〜数100nm、約500nm以下の凸部が形成される。
【0174】
また、基板間に樹脂がカラム状(柱状)に形成される場合もある。これは、両基板を接着して基板間隔定の拡大を防ぐ機能を有し、基板間隔を一定に保つ必要がある時に有用で、基板の大面積化を容易にする。
【0175】
更に、樹脂硬化後液晶材料をN* 層もしくはSmA層を示す温度まで上昇させ、その温度で10分以上望ましくは10〜30分の間一定に保持し、その後再び室温まで冷却すると、液晶材料の配向状態が向上することがある。
【0176】
また、本発明の液晶電気光学装置において、各画素に薄膜トランジスタや薄膜ダイオード等のスイッチング素子を有するアクティブマトリクス駆動型の構成を有せしめることは極めて有効である。
【0177】
上記構成とすることで、強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置において透過光量の連続的な変化をさせ、中間調を得られるが、その理由としては、前述した配向膜のアンカリング力の低下の他に、以下のように考えることもできる。
【0178】
従来の強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置におけるスイッチングの様子を偏光顕微鏡下で観察すると、次第に高い電圧を印加することで、明状態の中に暗状態のドメインが、または暗状態の中に明状態のドメインが多数箇所で出現し、次第に各々の面積が大きくなっていく(以下成長するという)ことが分かる。すなわち、強誘電性液晶または反強誘電性液晶のスイッチングは、まず1部分の液晶分子が反転するとそれがきっかけとなり、その液晶分子の周囲に存在する液晶分子が次々に反転してゆく連鎖反応的なスイッチングとなる。
【0179】
一方、本発明の如く基板上に複数の微細な凸部を設けると、これらは、層と層または隣接する液晶分子間に液晶分子の配向を乱さない程度の大きさ、形状で存在している。このような本発明のような凸部があると、一部分の液晶分子が反転して、連鎖反応的に隣合った液晶分子が反転するが、その反転の連鎖は凸部により断じられ、周辺の液晶分子のさらなる反転を誘引しなくなるのではないかと考える。
【0180】
すなわち、これら基板上の凸部は、隣合った液晶分子が連鎖反応的に反転することを防ぎ、その結果液晶分子または極めて微細なドメインが、その周囲の液晶分子の反転を誘引せずに、各々独立して反転していると考えられる。
【0181】
よって、特定領域内例えば1画素領域内において、特定の印加電圧に対し、明状態、暗状態を呈した極微細な領域が特定の割合で現れ、ドメインを発生させずに印加電圧により透過光量が連続的に変化し、中間調が得られると思われる。
【0182】
本発明の液晶電気光学装置のスイッチングを偏光顕微鏡下で観察すると、印加電圧値を変化させることによって、電圧を印加した領域全面が明状態から暗状態へ、または暗状態から明状態へとドメインが発生せず、一様かつ連続的に透過光量が変化するようになったことが確認できた。
【0183】
上記本発明の液晶電気光学装置は、このように電圧印加領域内たとえば1画素内において、印加電圧値にともない透過光量が連続的かつ一様に変化する。したがって、従来の面積階調法や画素分割法に比較して、階調を得るために必要な面積は極めて小さくでき、高分解能、かつ多階調な液晶電気光学装置とすることができる。
【0184】
また上記本発明の液晶電気光学装置は、そのスイッチング特性が特徴的である。
図22に従来の表面安定化型の液晶電気光学装置を±1.5Vの矩形波により駆動した際の光学特性を示す。
【0185】
図22においては、暗(Dark)から明(Bright)へ、または明から暗へスイッチングする際の印加電圧に対する光学特性が、2段階の応答特性を示している。すなわち、スイッチングの開始時点において、まず極めて急峻に光学特性が変化し、その後緩やかに変化してスイッチングを終了する。
【0186】
他方、図23に本発明の液晶電気光学装置を±1.5Vの矩形波により駆動した際の光学特性を示す。
図23においては、スイッチングの開始から終了まで、光学特性が急峻に変化し、図22の如く2段階とはならない。
【0187】
この違いについて考えてみると、図22の従来の液晶電気光学装置における2段階の応答は、始めの急峻な光学特性の変化は、幾つかの箇所において液晶分子または微小なドメインがスイッチングしている状態を示しており、2段階目の緩やかな光学特性の変化は、液晶分子または微小なドメインのスイッチングに従い、連鎖的にその周囲の液晶分子がスイッチングしてドメインが大きくなっていく状態を示しているのではないかと思われる。
【0188】
他方、図23の本発明の液晶電気光学装置における急峻な応答は、全ての領域において液晶分子または微小なドメインがスイッチングしているため、スイッチングの開始から終了まで急峻に光学特性が変化していると思われる。
【0189】
また、このことからわかるように、本発明の液晶電気光学装置は、従来のものと比較して、低電圧においても高速かつ十分なスイッチングが行われるため、駆動電圧の低電圧化が図れる。
【0190】
このように、本発明により、強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置において、ネマチック液晶のような、印加電圧の変化による連続的な階調変化、中間調が容易に得られるようになった。よって透過光あるいは反射光が高速にスイッチングされ、かつ多階調、高分解能を有する液晶電気光学装置を実現できる。また、大型化も容易である。さらに駆動電圧の低電圧化も図れる。
【0191】
【作用】
本発明は上記したように、強誘電性または反強誘電性の液晶材料を用いた液晶電気光学装置において、基板、電極、配向膜等の表面上に、液晶材料が接する膜や凸部を樹脂材料等により設けることで、従来問題とされていた、スイッチングや中間調表示等の問題を解決するものである。
【0192】
本発明において、スイッチングがドメインの発生を伴うものか、一様に連続的に変化するものとなるかは、液晶材料に混入する、未硬化の樹脂材料に含まれるモノマーの量による。
未硬化の樹脂材料は、低分子(分子量約1000以下)のモノマーと、高分子(分子量約1000以上)のオリゴマー、および反応開始剤で構成されるが、このうちモノマーの量が少ないときは、ドメインの発生が伴うスイッチングとなるが、モノマー量を増加させていくと、各ドメインが広がる領域が小さくなっていき、一方ドメインが発生する領域の数が増えていく。すなわち、この状態においては双安定性(メモリー性)を有している。
【0193】
さらにモノマー量を増加させていくと、ドメインの発生が伴わない、一様かつ連続的なスイッチングとなっていく。この状態では双安定性(メモリー性)はみられない。
特に樹脂材料中のモノマー量が重量比で40%以上、好ましくは60%以上、さらに好ましくは80%以上であれば、ドメインの発生が伴わない、一様かつ連続的なスイッチングを得ることができる。
【0194】
また、樹脂材料中に含まれるオリゴマー量を増加させると、カラム状に硬化した樹脂が増加し、逆にオリゴマー量を減らし、モノマー量が増えると、カラム状に硬化する樹脂の数は少なくなる。
【0195】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を示す。
【0196】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例では、図1に示す単純マトリクス型の液晶電気光学装置を作製し各特性の評価を行った。液晶セルの基板101及び102は300×400mm、厚さ1.1mmの青板ガラスであり、該基板上には画素電極103及び104をスパッタ法によりITO(酸化インジュームスズ)により形成し、フォトレジストによりパターニングして作製した。
【0197】
配向膜材料はポリイミド系の樹脂、例えばLQ−5200(日立化成製)、LP−64(東レ製)、RN−305(日産化学製)等であり、ここではLP−64を使用した。配向膜はn−メチル−2−ピロリドン等の溶媒により希釈しスピンコート法により両基板に塗布した。塗布した基板は250〜300℃、ここでは280℃で2. 5時間加熱し溶媒を乾燥させ、塗膜をイミド化し硬化させた。硬化後の膜厚は300Åであった。
【0198】
次に配向膜をラビングする。ラビングは通常の方法で良く、レーヨン、綿等の布が巻いてある直径130mmのローラーで450〜900rpm、ここでは450rpmの回転数で一方向に擦った。ロール押し込み高さは0.1mm、ステージ速度は20mm/secで行った。このようにして配向膜105を形成した。
【0199】
次に該セルの間隔を一定にするためスペーサー108として、一方の基板に直径1. 5μmの真絲球(触媒化成製)を散布した。また他方の基板上には、該2枚の基板を固定するために、シール剤として基板の周辺に2液製のエポキシ系接着剤をスクリーン印刷により印刷塗布し、その後2枚の基板を接着固定した。
【0200】
上記セルには液晶材料107及び未硬化の高分子樹脂の混合物を注入する。液晶材料としてはフェニルピリミジン系の強誘電性液晶を使用した。この液晶は相系列がIso-SmA-SmC*-Cryを取る。相転移温度はIso−SmAが85℃、SmA−SmC* が79℃であった。他にビフェニル系、フェニルナフタレン系など様々な種類の強誘電性液晶材料が使用できる。高分子樹脂としては市販の紫外線硬化型の樹脂を使用した。液晶材料と未硬化高分子樹脂は、重量比で95:5の割合で混合する。該混合物は均一に混ざるようにIso(等方)相になる温度で攪拌した。該混合物の相転移温度は、液晶材料のみの場合より5〜20℃低下した。
【0201】
上記混合物の注入は、液晶セル及び混合体を100℃とし真空下で行った。注入後、液晶セルは2〜20℃/hr、ここでは3℃/hrの割合で徐冷した。
【0202】
この液晶セルの配向状態を、偏光顕微鏡で直交ニコル下で観察したところある回転角で消光位、即ち片方の偏光板に入射した光が、他方の偏光板を透過せず、あたかも光が遮断された状態が得られた。このことは液晶材料が、ユニフォーム配向となっていることを示している。
【0203】
またこの時、消光位の状態から20°程ステージを回して見ると、顕微鏡の視野中に複屈折による光漏れを生じないで、黒状態のままの部分が点在していた。未硬化樹脂は複屈折性を示さないので、この黒状態部分は未硬化樹脂が液晶材料から分離析出しカラム状となったものである。
【0204】
次に上記セル中に注入した混合物中の高分子樹脂を硬化させるため紫外線を照射した。紫外線はセルの両側から基板面に対して垂直な方向で、ほぼ同程度の強度で照射した。このようにすることで、紫外線を一方のみから照射する場合に比較して両基板に形成される樹脂膜の厚さをそろえることができる。配向膜の配向規制力を十分に抑制できないことがあるためである。照射強度は3〜30mW/cm2 、ここでは10mW/cm2 とし、照射時間は0. 5〜5min、ここでは1minとした。
【0205】
紫外線照射後、液晶セルの配向状態を上記と同様に偏光顕微鏡下で観察したが配向状態はほとんど変化しなかった。紫外線照射の配向状態に対する影響は見られなかった。
【0206】
次に上記液晶セルの光学特性を測定した。測定方法は、ハロゲンランプを光源とする偏光顕微鏡において、直交ニコル下で電極間に±30V、5Hzの三角波を液晶セルに印加し、セルの透過光強度をフォトマルチプライヤーで検出するものである。その時測定したコントラスト比は100であり、液晶電気光学装置として十分な特性を有していた。ここではコントラスト比は30V印加時の透過光強度と−30V印加時の透過光強度の比である。一方、樹脂を混入せず液晶材料単体で構成された液晶電気光学装置は、同条件の測定においてコントラスト比80であった。
【0207】
次に、本実施例の液晶電気光学装置において、電流電圧特性を測定した。図2は±30V、5Hzの三角波を本発明構成の液晶セルの一対の電極に印加して印加電圧と電極間の電流をオシロスコープで測定して得られた波形を示す。電流の値は一方の電極に直列に接続した100kΩの抵抗の両端の電圧を測定することによって得ている。図2の波形を模式的に示した図3に示すように、強誘電性液晶材料の有する自発分極が電界の極性変化に伴い反転する際に流れる電流202が急峻に変化しており、応答速度が極めて早いことを示している。またこの電流成分202および画素電極間の容量成分201以外は電流成分はなかった。
【0208】
図4に従来の構造の液晶セル(樹脂を使用していない以外は同条件)において同様に電流電圧特性をオシロスコープにて測定した結果を示す。図4の波形を模式的に示した図5に示すように自発分極の反転する際の電流成分204は、図2の本発明の液晶セルと比較して幅が大きくなっており、このことから応答速度が遅いことがわかる。これは配向膜の配向規制力が自発分極の反転を妨げていることを示唆していると考えられる。また自発分極のスイッチングにやや遅れて現れる電流成分203が表れている。このような余分な電流が流れるため、応答速度やコトンラスト比の低下をまねいてしまった。これは液晶材料中の不純物等による余分な電荷の存在によるものと考えられる。
【0209】
セルの全体を肉眼で見ても、樹脂の存在は全く分からない。
【0210】
配向膜上の樹脂膜の状態をより詳細に見るために上記方法により作製した基板をアルコール洗浄した後に原子間力顕微鏡(AFM)により観察した。結果を図6に示す。比較のため樹脂材料と液晶材料の混合物を注入する前のラビング後の配向膜の観察像を図7に示す。これによれば、厚さ10〜30nmの樹脂膜106が配向膜105の表面のほぼ全体を覆って形成され、ラビング処理による傷も樹脂が被覆していることが分かる。従って、配向膜の配向規制力は著しく抑制されていると考えられる。またこの樹脂膜は透明かつ極めて薄いため、透過光の減衰はほとんどなかった。
【0211】
樹脂硬化後の相転移温度は液晶材料のみの場合と比較して数℃下がる程度であった。ここで、上記セルを液晶材料がSmA相を示す80℃まで上昇させ、10〜60分ここでは20分間前記温度に保持し、その後3℃/hrの割合で徐冷した。すると配向欠陥がさらに改善され、光学特性を測定するとコントラスト比120を得た。
【0212】
ところが、上記樹脂硬化後のセルを等方相を示す86℃に一度加熱し、上記と同様にセルを徐冷すると、液晶材料は部分的に配向が乱れた。このことからも配向膜上の樹脂膜により液晶材料に一軸配向性を付与する配向規制力が抑制されている事がわかる。
【0213】
また電極間のショートはほとんど見られず、配向膜上の樹脂膜がショート防止膜として機能していることがわかった。混入する樹脂材料の量を増やして形成される樹脂膜を厚くすることでショートの防止をより確実にできる。
【0214】
基板101、102の外側面に偏光板109、110を設けた。
【0215】
なお、本実施例では樹脂材料として市販の紫外線硬化型樹脂をそのまま使用したが、樹脂材料全体に対するオリゴマー量を増やして液晶材料と樹脂の相溶性を変化させたり、あるいは配向膜材料の種類やラビング条件を変化させることで、樹脂膜の配向膜上への付着量を制御することが可能である。
【0216】
また、双方の基板において配向膜の種類やラビング密度を異ならせたり、紫外線を一方の側からのみ照射したりして、樹脂の付着量を双方の基板で意図的に異ならせることもできる。
【0217】
〔実施例2〕
本実施例では、本発明をスイッチング素子として結晶性シリコンTFT(薄膜トランジスタ)を各画素に設けたアクティブマトリクス型の液晶電気光学装置に対して実施した例を示す。
【0218】
基板としてコーニング7059ガラス板(300×300mm、厚さ1.1mm)上の酸化珪素膜上に、水素還元雰囲気下で600℃48時間の加熱アニールによりアモルファスシリコン膜を結晶化して形成した移動度100(cm2 /Vs)を有するNチャネル型の結晶性シリコンTFT、ITOで画素電極、クロム/アルミニウムの多層膜で信号電極、走査電極を、640×480画素のマトリクスを構成して設けた。
【0219】
次に対向する基板としてガラス基板上にITOを対向電極として形成した後、この基板のみに配向膜を形成していわゆる片側配向膜とした。配向膜材料はLP−64(東レ製)を使用した。作製方法、作製条件、膜厚、ラビング条件は実施例1と同じである。
【0220】
次に配向膜を形成した側の基板にスペーサーとして直径1. 5μmの真絲球(触媒化成製)を散布した。また他方の基板上に、両基板を固定するために、シール剤として基板の周辺に2液製のエポキシ系接着剤をスクリーン印刷により印刷塗布し、その後2枚の基板を接着固定した。
【0221】
上記セルには液晶材料と未硬化の樹脂の混合物を注入する。液晶材料は相系列がIso-N*-SmA-SmC*-Cry を取る。相転移温度はIso−N* が81℃、N* −SmAが69℃、SmA−SmC* が54℃であった。使用した樹脂および樹脂と液晶材料との混合比は実施例1と同じである。該混合物は均一に混ざるようにIso(等方)相になる温度で攪拌した。該混合物は相転移温度が液晶材料のみの場合より5〜20℃低下した。
【0222】
上記混合物の注入は、液晶セル及び混合体を100℃とし真空下で行った。注入後、液晶セルは2〜20℃/hr、ここでは3℃/hrの割合で徐冷した。
【0223】
この液晶セルの配向状態を、偏光顕微鏡で直交ニコル下で観察したところある回転角で消光位、即ち片方の偏光板に入射した光が、他方の偏光板を透過せず、あたかも光が遮断された状態となりユニフォーム配向となっていた。
【0224】
またこの時、消光位の状態から20°程ステージを回して見ると、顕微鏡の視野中に複屈折による光漏れを生じないで、黒状態のままの部分が点在していた。未硬化樹脂は複屈折性を示さないので、この黒状態部分は未硬化樹脂が液晶材料から分離析出しカラム状となったものである。
【0225】
次に上記セル中に注入した液晶材料中に混合した高分子樹脂を硬化させるため対向基板側から紫外線を照射した。照射強度は3〜30mW/cm2 、ここでは10mW/cm2 とし、照射時間は0. 5〜5min、ここでは1minとした。
【0226】
紫外線照射後、液晶セルの配向状態を上記と同様に偏光顕微鏡下で観察したが配向状態はほとんど変化しなかった。紫外線照射の配向状態に対する影響は見られなかった。
【0227】
基板をアルコール洗浄した後、原子間力顕微鏡(AFM)で双方の基板表面を観察すると、両方の基板表面上に10〜30nmの厚さを有する樹脂膜が形成されていた。
【0228】
次に上記液晶セルの光学特性を測定した。測定した際の電極間電圧及び光学応答を図8に示す。駆動電圧VLCの波形は、電圧14V、パルス幅1μs、フレーム幅16msである。光学応答性は図に示す光透過率TLCのように良好なとなっており、この時のコントラスト比はフレーム終了時で100であった。一方、樹脂を混入せず液晶材料単体で構成された液晶セルは、同条件の測定においてコントラスト比80であった。
【0229】
樹脂硬化後の相転移温度は液晶材料のみの場合と比較して数℃下がる程度であった。ここで、上記本発明構成のセルを液晶材料がN* 相を示す70℃まで上昇させ、10〜60分ここでは20分間前記温度に保持し、その後3℃/hrの割合で室温まで徐冷した。すると配向欠陥がさらに改善され、光学特性を測定するとコントラスト比120を得た。
【0230】
また、同様にして配向改善前の上記本発明構成のセルを液晶材料がSmA相を示す55℃まで上昇させ、20分間前記温度に保持し、その後3℃/hrの割合で室温まで徐冷しても前記したN* 相を示す温度で保持した場合とほぼ同じ程度配向欠陥が改善され、コントラスト比が向上した。
【0231】
ところが、上記樹脂硬化後のセルを等方相となる83℃に一度加熱し、上記と同様にセルを徐冷すると、液晶材料は部分的に配向が乱れた。このことから樹脂硬化後は配向膜上に樹脂膜が形成され、液晶材料に一軸配向性が付与されていない事が分かる。
【0232】
基板の外側面に偏光板を設け、装置を完成させた。
【0233】
〔実施例3〕
まず、本実施例では、図10に示す実験用の1画素のセルを作製し、各特性の評価を行った。液晶セルの基板1111および1112は厚さ1.1mmの青板ガラスであり、該基板上には画素電極1113および1114を作製した。画素電極の大きさは5mm□とした。両方の基板の電極が形成されている面上には配向膜1115を形成した。
【0234】
配向膜材料としてポリイミド系の樹脂、ここではLP−64(東レ製)を用いた。配向膜はn−メチル−2−ピロリドン等の溶媒により希釈し、スピンコート法により塗布した。塗布した基板は250〜300℃、ここでは280℃で2.5時間加熱し溶媒を乾燥させ、塗膜をイミド化し硬化させた。硬化後の膜厚は300Åであった。
【0235】
次に、液晶材料を一軸配向して液晶材料の層を基板に垂直あるいは傾斜して配列させるため、配向膜にラビング法により一軸配向規制力を付与した。ラビングは通常の方法と同様に、レーヨン、綿等の布が巻いてある直径130mmのローラーで450〜900rpm、ここでは450rpmの回転数で一方向に擦った。ロール押し込み高さは0.1mm、ステージ速度は20mm/secで行った。
【0236】
ここでは該セルの間隔を一定にするためスペーサー1118として、一方の基板には直径1. 5μmの真絲球(触媒化成製)を散布した。また、他方の基板上には、該2枚の基板を固定するために、シール剤として基板の周辺に2液製のエポキシ系接着剤をスクリーン印刷により印刷塗布し、その後2枚の基板を接着固定した。
【0237】
上記セルには液晶材料1117及び未硬化の高分子樹脂の混合物を注入した。液晶材料としてフェニルピリミジン系の強誘電性液晶を使用した。相系列はIso-SmA-SmC*-Cryを取った。また、高分子樹脂としては市販の紫外線硬化型の樹脂を使用した。高分子樹脂は、混合体を注入する時の液晶材料との分離を防ぐことを目的として、液晶材料との相溶性が高くなるように、モノマー量が重量比で90%を占めるものを使用した。液晶材料中の未硬化高分子樹脂の濃度としては、樹脂が多量に含まれると上下の基板間に樹脂柱が形成され開口率が低下するため、少量の方が良く、重量比で95:5の割合で混合した。該混合物は均一に混ざるようにIso相になる温度で攪拌した。該混合物はIso相からSmA相への転移点が液晶材料のみの場合より、5℃低下した。
【0238】
上記混合物の注入は、液晶セル及び混合物を、混合物がIso相を示す100℃とし真空下で行った。注入後、液晶セルをSmC* 相まで冷却するが、セルを急速にSmC* 相まで転移させると配向欠陥が多量に発生するので、降温レートとして2〜20℃/hr、ここでは3℃/hrの割合で徐冷した。
【0239】
前記方法で室温までセルを徐冷し、セルの配向状態を、偏光顕微鏡で直交ニコル下で観察した。ステージを回転させたところある回転角で消光位、即ち片方の偏光板に入射した光が、他方の偏光板を透過せず、あたかも光が遮断された状態が得られた。このことは液晶材料が、層内及び層から層にわたって液晶分子の配向ベクトルが同じ方向に配向したユニフォーム配向となっていることを示している。
【0240】
また消光位の状態から20°程ステージを回してみると、顕微鏡の視野中に複屈折による光漏れを生じないで、黒状態のままの部分が点在していた。この部分は樹脂がカラム状に分離析出していることを示している。
【0241】
次に上記液晶材料中に混合した高分子樹脂を硬化させるため紫外線を照射した。光源は定格150WのHg−Xeランプを使用したもので、照射強度が3〜30mW/cm2 、ここでは10mW/cm2 となるような位置にセルを設置し照射した。照射時間は0. 5〜5min、ここでは1minとした。
【0242】
紫外線照射後、液晶セルの配向状態を上記と同様に偏光顕微鏡下で観察したが配向状態はほとんど変化しなかった。紫外線照射の配向状態に対する影響は見られなかった。
【0243】
上記配向状態でのコントラスト比を測定した。測定方法はハロゲンランプを宇光源とする偏光顕微鏡において、直交ニコル下で±30V、5Hzの三角波をセルの電極間に印加し、セルの透過光強度をフォトマルチプライヤーで検出するものである。コントラスト比は120であった。
【0244】
次に、上記セルのスイッチング過程を上記と同じ光学系にて観察した。セルには周波数の低い三角波を印加した。明暗のスイッチングは、従来の強誘電性液晶電気光学装置に見られたドメイン生成を伴うスイッチングとは異なり電界強度に依存して全体の透過光量が一様に変化するスイッチングであった。
【0245】
そこで、コントラスト−電圧特性を測定した。測定方法はまず直流20V印加時にセルを消光位に合わせ、次に一端電圧を0Vとして電圧を20Vまで増加させていったときの透過光強度の変化を示したものである。その結果を図11に示す。本発明のセルの特性値は□プロットで示したが、しきい値が約0.8Vとなった。
【0246】
また、電界方向反転時の液晶材料の応答性を測定した。駆動波形及びコントラストの変化の様子を図12に示す。このとき駆動波形は±3V、5Hzの矩形波であった。本実施例の装置の応答波形1401は矩形波の極性反転後急峻な立ち上がりを示す一段応答になった。
【0247】
更に、液晶材料の応答性の電圧依存性を調べた。駆動波形は矩形波5Hzであった。その結果を図13中の□プロットで示す。本発明のセルでは低電圧領域においても約1msecと速い応答速度を示す。また対数座標において電圧及び応答速度が線型の関係を有している。すなわち、電界強度と応答速度が常に一定の関係にある。これは本実施例のセルがゴールドストーンモードで動作していることを示唆している。
【0248】
次に、電流電圧特性を測定した。図14は±30V、5Hzの三角波を液晶セルに印加しそのときの電極間に流れる電流の値を測定したものである。図に示すように、電極間の容量成分1601及び強誘電性液晶材料の有する自発分極が電界の極性変化に伴い、反転する際に流れる電流1602以外は電流成分はなかった。
【0249】
次に、上記セルのパルスメモリー性を調べた。駆動波形はパルス幅が200μm、フレーム幅が20msであった。パルスメモリー性はほとんど無かった。
【0250】
また、このセルを用い、外部にFETによる駆動回路を接続し、アクティブ駆動を行った場合の電極間電圧および光学応答を図15に示す。駆動波形は、電圧14V、パルス幅1μs、フレーム幅16msである。図15に示すように良好な光学応答性となっており、この時のコントラスト比はフレーム終了時に120であった。
【0251】
また、液晶セルの全体を肉眼でみると、樹脂の存在は全く分からなかった。
【0252】
基板をはがして、液晶をアルコールで洗浄除去した後、基板上に残存する樹脂を走査型電子顕微鏡で観察すると、両基板を固定していたカラム状の樹脂を観察する事が出来た。硬化した樹脂は、樹脂や液晶材料の種類や硬化条件にもよるが、ここでは殆どの場合、側面から見た形が台形または長方形を有し、上面の断面(基板に垂直方向から見た面)が丸みをおびた正方形または長方形あるいは円形、楕円形を有し、全体として台地状をしている。これらの樹脂は、上面の断面の大きさ(円形状の場合は直径)が数μm〜数十μ程度であり、その高さは基板間隔と等しい。高さが太さの1/10程度のものから上面断面の大きさと高さが殆ど等しいサイコロ状のものもある。
【0253】
この樹脂の形状は、液晶材料の相転移系列や徐冷速度等によっても変化する。不定形のものや一軸配向方向に樹脂の長軸ができるものもある。またこのカラム状に硬化した樹脂の存在する間隔は10〜100μm程度であった。
【0254】
更に、表面の樹脂膜の状態をより詳細に見るため、上記方法により作製した基板をアルコール洗浄した後、原子間力顕微鏡(AFM)により観察した。これによれば、配向膜表面に高分子樹脂の被膜が形成されていた。被膜の厚さは作製条件にもよるが、約10〜30nm程度であり、微少な凹凸を有していた。ほとんど樹脂膜がないと思われる部分や50nm程度の厚さを有する部分もあった。
【0255】
また、比較のため樹脂が含まれていない以外は、セル構成及び液晶材料が同じセルについても上記と同様の測定を行った。まず、三角波によるスイッチング過程の観察ではドメインの発生を伴ったスイッチングとなった。また、透過光強度の電圧依存性は図11中○プロットに示すようにしきい値が約2Vであった。また、電界極性反転時の応答は図12の1402に示すように初めの立ち上がりは急峻であったものが途中から緩慢な変化となる、2段階応答を示した。また、応答速度の電圧依存性を調べると、図13中○プロットに示すように3V以下の電圧としたとき応答速度が急に遅くなり電界強度と応答速度の関係は線型ではなかった。
【0256】
また、電流電圧特性を測定すると図16に示すように、電極間の容量成分1801、自発分極が電界極性の変化に伴って反転する時に発生する電流成分1802の他に、余分な電流成分を示すピーク1803が見られた。また電流成分1802は本発明構成の装置と比較してピーク値は下がりかつ幅が広くなり、応答速度が低下していることがわかる。一方、パルスメモリー性は比較的良好であった。
【0257】
〔実施例4〕
ここではスイッチング素子として結晶性シリコンTFTを各画素に設けたアクティブマトリクス駆動型の装置の例を、図9と対応させて示す。
【0258】
基板1102としてコーニング7059ガラス板(300×300mm、厚さ1.1mm)上の酸化珪素膜(図示せず)上に、水素還元雰囲気下で600℃48時間の加熱アニールによりアモルファスシリコン膜を結晶化して形成した移動度100(cm2 /Vs)を有するNチャネル型の結晶性シリコンTFT1105、ITO(酸化インジューム・スズ)で画素電極1104、クロム/アルミニウムの多層膜で信号電極、走査電極を、640×480画素のマトリクスを構成して設けた。
【0259】
次に対向する基板1101として青板ガラス基板上にITOを1200Åスパッタ法により成膜して対向電極を形成した。電極材料としては他にSnO2 (酸化スズ)などが使用できる。また基板材料としてはガラス、石英等の無機性材料やアクリル樹脂、ポリエチレン樹脂等の有機性材料が使用できる。
【0260】
この対向電極を形成した基板のみに配向膜1106を形成していわゆる片側配向とした。配向膜材料としてポリイミド系もしくはポリアミド系の樹脂、または、ポリビニルアルコール等の樹脂を使用できる。ポリイミド系の樹脂としては例えばLQ−5200(日立化成製)、LP−64(東レ製)、RN−305(日産化学製)等であり、ここではLP−64を使用した。配向膜はn−メチル−2−ピロリドン等の溶媒により希釈しスピンコート法により塗布した。塗布した基板は250〜300℃、ここでは280℃で2. 5時間加熱し溶媒を乾燥させ、塗膜をイミド化し硬化させた。硬化後の膜厚は300Åであった。
【0261】
液晶材料を一軸配向して液晶材料の層を基板に垂直あるいは傾斜して配列させるため、配向膜にラビング法により一軸配向規制力を付与した。ラビングは通常の方法と同様に、レーヨン、綿等の布が巻いてある直径130mmのローラーで450〜900rpm、ここでは450rpmの回転数で一方向に擦った。ロール押し込み高さは0.1mm、ステージ速度は20mm/secで行った。
【0262】
基板間隔としては1〜10μm、スペーサ材料としてはシリカまたはアルミナ等が適当である。ここでは該セルの間隔を一定にするためスペーサーとして、配向膜が塗布されている側の基板には直径1. 5μmの真絲球(触媒化成製)(図示せず)を散布した。また、他方の基板上には、該2枚の基板を固定するために、シール剤として基板の周辺に2液製のエポキシ系接着剤をスクリーン印刷により印刷塗布し、その後2枚の基板を接着固定した。
【0263】
上記セルには液晶材料1108及び未硬化の高分子樹脂の混合物を注入した。液晶材料としてフェニルピリミジン系の強誘電性液晶を使用した。相系列はIso-SmA-SmC*-Cryを取った。また、高分子樹脂としては市販の紫外線硬化型の樹脂を使用した。高分子樹脂は、混合体を注入する時の液晶材料との分離を防ぐことを目的として、液晶材料との相溶性が高くなるように、モノマー量が重量比で90%を占めるものを使用した。液晶材料中の未硬化高分子樹脂の濃度としては、樹脂が多量に含まれると上下の基板間に樹脂柱が形成され開口率が低下するため、少量の方が良く、重量比で95:5の割合で混合した。該混合物は均一に混ざるようにIso相になる温度で攪拌した。該混合物はIso相からSmA相への転移点が液晶材料のみの場合より、5℃低下した。
【0264】
上記混合物の注入は、液晶セル及び混合物を、混合物がIso相を示す100℃とし真空下で行った。注入後、液晶セルをSmC* 相まで冷却するが、セルを急速にSmC* 相まで転移させると配向欠陥が多量に発生するので、降温レートとして2〜20℃/hr、ここでは3℃/hrの割合で徐冷した。
【0265】
前記方法で室温までセルを徐冷し、セルの配向状態を、偏光顕微鏡で直交ニコル下で観察した。ステージを回転させたところある回転角で消光位、即ち片方の偏光板に入射した光が、他方の偏光板を透過せず、あたかも光が遮断された状態が得られた。このことは液晶材料が、層内及び層から層にわたって液晶分子の配向ベクトルが同じ方向に配向したユニフォーム配向となっていることを示している。
【0266】
また消光位の状態から20°程ステージを回してみると、顕微鏡の視野中に複屈折による光漏れを生じないで、黒状態のままの部分が点在していた。この部分は樹脂がカラム状に分離析出していることを示している。
【0267】
次に上記液晶材料中に混合した高分子樹脂を硬化させるため紫外線を照射した。光源は定格150WのHg−Xeランプを使用したもので、照射強度が3〜30mW/cm2 、ここでは10mW/cm2 となるような位置にセルを設置し照射した。照射時間は0. 5〜5min、ここでは1minとした。
【0268】
紫外線照射後、液晶セルの配向状態を上記と同様に偏光顕微鏡下で観察したが配向状態はほとんど変化しなかった。紫外線照射の配向状態に対する影響は見られなかった。このときカラム状の樹脂は上下の基板を接着し基板間の距離の拡大を防いでおり、大面積化しても液晶材料の層構造の崩れを防ぐことができる。
【0269】
このようにして作製した装置はコントラスト比が約120を有していた。低周波の三角波を電極間に印加して偏光顕微鏡でスイッチング状態を観察したところ、ドメイン生成を伴わずに電極印加領域が一様に透過光量が変化した。
【0270】
両基板に偏光板1109、1110を貼り、駆動回路を接続して液晶電気光学装置を完成させた。1画面の書換えを1/60秒で行ない、印加電圧の大きさを制御することにより256階調表示を実現できた。
【0271】
上記方法により作製した基板をアルコール洗浄した後、原子間力顕微鏡(AFM)により観察したところ配向膜表面、画素電極表面ともに高分子樹脂の被膜が約10〜30nmの厚さに形成されていた。
【0272】
なお、本実施例においては、画素に接続するスイッチング素子としてNチャネル型の薄膜トランジスタを用いたが、Pチャネル型であっても、あるいはPチャネル型薄膜トランジスタとNチャネル型薄膜トランジスタとを用いて相補型に構成してもよい。またMIMダイオード等の非線型素子を用いた構成としてもよい。
【0273】
〔実施例5〕
本実施例では、スイッチング素子として結晶性シリコンTFTを各画素に設けたアクティブマトリクス駆動型の装置を作製し、かつフレーム階調表示を行った例を示す。構成は図17と対応させている。
【0274】
基板2102としてコーニング7059ガラス板(300×300mm、厚さ1.1mm)上の酸化珪素膜(図示せず)上に、水素還元雰囲気下で600℃48時間の加熱アニールによりアモルファスシリコン膜を結晶化して形成した移動度100(cm2 /Vs)を有するNチャネル型の結晶性シリコンTFT2105、ITO(酸化インジューム・スズ)で画素電極2104、クロム/アルミニウムの多層膜で信号電極、走査電極を、640×480画素のマトリクスを構成して設けた。
【0275】
次に対向する基板2101として青板ガラス基板上にITOを1200Åスパッタ法により成膜して対向電極を形成した。電極材料としては他に他にSnO2 (酸化スズ)などが使用できる。また基板材料としてはガラス、石英等の無機性材料やアクリル樹脂、ポリエチレン樹脂等の有機性材料が使用できる。
【0276】
この対向電極を形成した基板のみに配向膜2106を形成していわゆる片側配向とした。配向膜材料としてポリイミド系もしくはポリアミド系の樹脂、または、ポリビニルアルコール等の樹脂を使用できる。ポリイミド系の樹脂としては例えばLQ−5200(日立化成製)、LP−64(東レ製)、RN−305(日産化学製)等であり、ここではLP−64を使用した。配向膜はn−メチル−2−ピロリドン等の溶媒により希釈しスピンコート法により塗布した。塗布した基板は250〜300℃、ここでは280℃で2. 5時間加熱し溶媒を乾燥させ、塗膜をイミド化し硬化させた。硬化後の膜厚は300Åであった。
【0277】
液晶材料を一軸配向して液晶材料の層を基板に垂直あるいは傾斜して配列させるため、配向膜にラビング法により一軸配向規制力を付与した。ラビングは通常の方法と同様に、レーヨン、綿等の布が巻いてある直径130mmのローラーで450〜900rpm、ここでは450rpmの回転数で一方向に擦った。ロール押し込み高さは0.1mm、ステージ速度は20mm/secで行った。
【0278】
基板間隔としては1〜10μm、スペーサ材料としてはシリカまたはアルミナ等が適当である。ここでは該セルの間隔を一定にするためスペーサーとして、配向膜が塗布されている側の基板には直径1. 5μmの真絲球(触媒化成製)(図示せず)を散布した。また、他方の基板上には、該2枚の基板を固定するために、シール剤として基板の周辺に2液製のエポキシ系接着剤をスクリーン印刷により印刷塗布し、その後2枚の基板を接着固定した。
【0279】
上記セルには液晶材料2108及び未硬化の高分子樹脂の混合物を注入した。液晶材料としてフェニルピリミジン系の強誘電性液晶を使用した。相系列はIso-SmA-SmC*-Cryを取った。また、高分子樹脂としては市販の紫外線硬化型の樹脂を使用した。高分子樹脂は、混合体を注入する時の液晶材料との分離を防ぐことを目的として、液晶材料との相溶性が高くなるように、モノマー量が重量比で90%を占めるものを使用した。液晶材料中の未硬化高分子樹脂の濃度としては、樹脂が多量に含まれると上下の基板間に樹脂柱が形成され開口率が低下するため、少量の方が良く、重量比で95:5の割合で混合した。該混合物は均一に混ざるようにIso相になる温度で攪拌した。該混合物はIso相からSmA相への転移点が液晶材料のみの場合より、5℃低下した。
【0280】
上記混合物の注入は、液晶セル及び混合物を、混合物がIso相を示す100℃とし真空下で行った。注入後、液晶セルをSmC* 相まで冷却するが、セルを急速にSmC* 相まで転移させると配向欠陥が多量に発生するので、降温レートとして2〜20℃/hr、ここでは3℃/hrの割合で徐冷した。
【0281】
前記方法で室温までセルを徐冷し、セルの配向状態を、偏光顕微鏡で直交ニコル下で観察した。ステージを回転させたところある回転角で消光位、即ち片方の偏光板に入射した光が、他方の偏光板を透過せず、あたかも光が遮断された状態が得られた。このことは液晶材料が、層内及び層から層にわたって液晶分子の配向ベクトルが同じ方向に配向したユニフォーム配向となっていることを示している。
【0282】
また消光位の状態から20°程ステージを回してみると、顕微鏡の視野中に複屈折による光漏れを生じないで、黒状態のままの部分が点在していた。この部分は樹脂がカラム状に分離析出していることを示している。
【0283】
次に上記液晶材料中に混合した高分子樹脂を硬化させるため紫外線を照射した。光源は定格150WのHg−Xeランプを使用したもので、照射強度が3〜30mW/cm2 、ここでは10mW/cm2 となるような位置にセルを設置し照射した。照射時間は0. 5〜5min、ここでは1minとした。
【0284】
紫外線照射後、液晶セルの配向状態を上記と同様に偏光顕微鏡下で観察したが配向状態はほとんど変化しなかった。紫外線照射の配向状態に対する影響は見られなかった。このときカラム状の樹脂は上下の基板を接着し基板間の距離の拡大を防いでおり、大面積化しても液晶材料の層構造の崩れを防ぐことができる。
【0285】
このようにして作製した装置はコントラスト比が約120を有していた。低周波の三角波を電極間に印加して偏光顕微鏡でスイッチング状態を観察したところ、ドメイン生成を伴わずに電極印加領域が一様に透過光量が変化した。
【0286】
また液晶セルの電極部分を肉眼で見る際には樹脂の存在は全くわからない。これらの結果から、表示部の面積を樹脂材料が占める割合は0.1〜20%程度であれば従来の装置と比較して遜色のないものとすることができる。
【0287】
このようにして、均一な電極間距離を有するセルを作製することができた。完成したセルを垂直にしても表示ムラ等は全く認識できなかった。基板の変形等が生じることもなく、使用した強誘電性液晶の層構造が壊れることもなかった。
【0288】
また基板をアルコール洗浄した後、原子間力顕微鏡(AFM)により観察したところ配向膜表面、画素電極表面ともに高分子樹脂の被膜が約10〜30nmの厚さに形成されていた。
【0289】
この液晶電気光学装置において、両基板に偏光板2109、2110を貼り、デジタル階調駆動で32階調の表示を行った。図18に、ここで用いた表示方法における、1つの画素について注目した、ゲート電圧VG 、ドレイン電圧VD 、画素電圧VLC、画素の透過率TLCの変化を示す。まず、図18に示したように1フレームを5つのサブフレームによって構成する。各サブフレームの持続時間を第1フレームは0.5msec、第2サブフレームは8msec、第3サブフレームは1msec、第4サブフレームは4msec、第5サブフレームは2msecとし(図18では各サブフレーム間を等間隔で表している)、1フレームは15.5msecとした。すなわち第1フレームの持続時間を最短持続時間T0 とすると、第2サブフレームは16T0 、以下2T0 、8T0 、4T0 となり、これら5つのサブフレームの持続時間の組み合わせで32階調が表示できる。
【0290】
1サブフレーム内において、まず走査線にゲート電圧VG として矩形パルス信号を印加して1ライン(横640個)の画素のTFTのゲート電極をONにする。一方各TFTのドレイン電極に接続された信号線には、正または負のいずれかの状態を示すパルス列がドレイン電圧VD として印加される。このパルス列にはサブフレーム間隔中の総走査数ここでは480個の情報が含まれており、各情報は各ラインの走査に同期している。480ライン全ての走査を行って全画素のONまたはOFFの状態を決定し、1サブフレームを終了する。前述のごとく各サブフレームの間隔は異なり、その間各画素は、画素電位VLCが自然放電によって除々に0に近づいていっているのにかかわらず、透過率TLCは一定に保たれONまたはOFFの状態を維持する。本実施例においては、この間の透過率TLCは極めて安定し、経時変化等はなかった。
【0291】
このようにしてすべてのサブフレームを終了したときに、1フレーム内での階調表示がデジタルで実現できる。各TFTのゲート電極に印加する走査信号のパルス幅は2μsecとし、パルスの波高は−15V、ドレイン電極に印加するデータ信号は±10Vとした。この装置では表示のムラ、チラツキ等は全く現れず、32階調でコントラスト比120を得た。
【0292】
ここでドレイン電極に印加するデータ信号を±5Vとしても全く問題なく動作した。
【0293】
また、フレーム数による階調表示を行なわず、1画面の書換えを1/60秒で行ない、電界強度を変化させる、すなわち印加電圧の大きさを制御することによって32階調表示を行なったところ極めて明確な階調表示を得た。
【0294】
また、フレーム数によって16階調、印可電圧によって16階調の表示を行い、256階調の表示を行なうこともできた。
【0295】
なお、本実施例においては、画素に接続するスイッチング素子としてNチャネル型の薄膜トランジスタを用いたが、Pチャネル型であっても、あるいはPチャネル型薄膜トランジスタとNチャネル型薄膜トランジスタとを用いて相補型に構成してもよい。またMIMダイオード等の非線型素子を用いた構成としてもよい。
【0296】
本実施例においては図19に示すような、1つの薄膜トランジスタ(TFT)を1つの画素に用いて、各TFTのゲート電極が接続された走査電極に信号を印加して1ラインのTFTをオンにし、ソースまたはドレイン電極が接続された信号電極により透過、非透過の信号または階調信号を印加して表示を行なう一般的な駆動方式を用いた。
【0297】
本発明はこの方式以外に、例えば図20に示すような、TFTを2つ用いて各画素毎に書換えを行なう駆動方式に対しても有効である。
【0298】
〔実施例6〕
10cm□のガラス基板に電極材料であるインジウム・チン・オキサイド(ITOと省略する)をスパッタ法や蒸着法にて500〜2000Å、本実施例では1000Åの膜厚に成膜し、通常のフォトリソ工程で電極をストライプ状にパターニングした。この基板上にスピンコート法でポリイミドを塗布し、280℃で焼成した。ポリイミドとしては日産化学製RN−305、東レ製LP−64を用いた。ポリイミド膜厚は100〜800Å、本実施例では150Åであった。この基板にラビング処理を施して一軸配向処理を行った。この基板を2枚作製し、一方の基板上には、シリカ粒子である触媒化成製真し球をスペーサーとして散布し、一方の基板上には、エポキシ樹脂製のシール材をスクリーン印刷にて形成した。両基板は電極間距離を約1.5μmとして、ストライプ状の電極が互いに直交するように貼り合わせて、画素数が640×480の単純マトリクス型のセルを形成した。
【0299】
本実施例で使用した液晶材料としては、チッソ社製の強誘電性液晶、CS1014である。この液晶のPsは5.4nC/cm2 であり、相系列はI(等方相)−N(ネマチック相)−A(スメクチックA相)−C* (スメクチックC* 相)である。
【0300】
本実施例で用いた樹脂材料は市販の分子量約150から200程度のアクリル系モノマーと分子量約1500から3000程度のウレタン系オリゴマーを重量比で90:10で混合し、市販の反応開始剤を約3重量%程度混合した(以下未硬化樹脂材料という)。
【0301】
上記液晶材料、未硬化樹脂材料5%を、重量比で95:5で混合し、混合した樹脂が液晶材料中によりよく混合するように、90℃で液晶が等方相を示すまで加熱、攪はんして樹脂を液晶材料中に均一に混合した(以下液晶混合物という)。
【0302】
セルと液晶混合物を90℃に加熱し、前述のセルに注入後2〜20℃/hr、本実施例では2℃/hrで室温まで徐冷した。徐冷後の室温での配向状態を偏光顕微鏡下で観察すると、セル中に点在し柱状となっている樹脂材料は確認できるが基板上の樹脂形状は確認できなかった。しかし液晶材料の配向は樹脂を添加しない液晶材料と同様に、液晶は配向膜のラビング方向に沿って一軸配向となり、良好な消光位が得られていた。
【0303】
このセルに紫外線を、強度3〜30mW/cm2 、照射時間0.5〜5min、本実施例では強度20mW/cm2 で1min、照射して樹脂を硬化させた。紫外線照射後も液晶は配向膜のラビング方向に沿って一軸配向となり、良好な消光位が得られた。
【0304】
このセルの印加電圧変化に伴う透過光量の変化を観察したところ、暗から明また明から暗へ連続的に階調が変化し、明暗の中間調表示が可能できた。ドメインの発生は視覚的には確認できなかった。
【0305】
このセルの両基板を剥離し、200℃のオーブン中で5hr放置し、液晶を揮発させた。その後基板を偏光顕微鏡下で観察し、偏光していないことを確認し、基板上の樹脂形状をSEMで観察した。
【0306】
図24(A)、(B)に、このようにして基板上に形成された微細なパターンを表したSEM写真を示す。図24(B)は図24(A)を拡大したものである。図24に示すように、高さ数10nm、直径数10〜数100nm程度、約500nm以下程度の、樹脂により構成された微細な凸部が多数観察された。凸部は全体的に均一に表面上に分散しており、また部分的に複数の凸部が連なっているところもあった。
【0307】
また、本実施例において、画素数を1920×480とし、赤、青、緑の3色のカラーフィルターを設けて、640×480のフルカラー表示をさせてもよい。256階調であれば、約1670万色の表示が可能である。
【0308】
〔実施例7〕
本実施例における装置の構成および樹脂材料、作製方法、液晶材料と未硬化樹脂材料との混合比は、実施例6と同様とした。ただし本実施例における液晶材料はビフェニル系でPsが20.7nC/cm2 の相系列がI−A−C* を示す強誘電性液晶を用いた。形成されたセルの液晶材料の配向状態を偏光顕微鏡下で観察すると、樹脂を混合していない場合と同様に、配向膜のラビング方向に沿って一軸配向となり、良好な消光位が得られた。
【0309】
このセルの印加電圧変化に伴う透過光量の変化を観察したところ、暗から明また明から暗へ連続的に階調が変化し、明暗の中間調表示が可能となった。ドメインの発生は視覚的には確認できなかった。
【0310】
このセルの両基板を剥離し、280℃のオーブン中で5hr放置し、液晶を揮発させた。その後基板を偏光顕微鏡下で観察し、偏光していないことを確認し、基板上の樹脂形状をSEMで観察した。すると、平均的には高さ約30nm程度、直径約90nm程度の大きさの樹脂により構成された微細な凸部が多数観察された。
【0311】
〔実施例8〕
本実施例における装置の構成および液晶材料、作製方法、液晶材料と未硬化樹脂材料との混合比は実施例6と同様とした。ただし本実施例においては、市販の分子量約100から150程度のアクリル系モノマーと分子量約1000から2000程度のウレタン系オリゴマーを重量比で65:35で混合し、市販の反応開始剤を約3重量%程度混合したものを未硬化樹脂材料として使用した。
【0312】
形成されたセルの液晶材料の配向状態を、偏光顕微鏡下で観察すると、樹脂を混合していない場合と同様に、配向膜のラビング方向に沿って一軸配向となり、良好な消光位が得られた。
【0313】
このセルの印加電圧変化に伴う透過光量の変化を観察したところ、暗から明また明から暗へ連続的に階調が変化し、明暗の中間調表示が可能となった。ドメインの発生は視覚的には確認できなかった。
【0314】
このセルの両基板を剥離し、200℃のオーブン中で5hr放置し、液晶を揮発させた。その後基板を偏光顕微鏡下で観察し、偏光していないことを確認し、基板上の樹脂形状をSEMで観察した。すると平均的には高さ約30nm程度、直径約90nm程度の大きさの樹脂により構成された凸部が多数観察された。
【0315】
〔実施例9〕
本実施例においてはスイッチング素子として結晶性シリコンTFT(薄膜トランジスタ)を各画素に設けたアクティブマトリクス駆動型の液晶電気光学装置の例を示す。
【0316】
基板としてコーニング7059ガラス板(300×300mm、厚さ1.1mm)上の酸化珪素膜上に、水素還元雰囲気下で600℃48時間の加熱アニールによりアモルファスシリコン膜を結晶化して形成した移動度100(cm2 /Vs)を有するNチャネル型の結晶性シリコンTFT、ITO(酸化インジューム・スズ)で画素電極、クロム/アルミニウムの多層膜または表面が陽極酸化されたアルミニウムにより配線を形成し、640×480画素のマトリクスを構成して設けた。
【0317】
次に対向する基板として青板ガラス基板上にITOを1200Åスパッタ法により成膜して対向電極を形成した。電極材料としては他に他にSnO2 (酸化スズ)などが使用できる。また基板材料としてはガラス、石英等の無機性材料やアクリル樹脂、ポリエチレン樹脂等の有機性材料が使用できる。
【0318】
この対向電極を形成した基板のみに配向膜を形成していわゆる片側配向とした。配向膜材料としてポリイミド系もしくはポリアミド系の樹脂、または、ポリビニルアルコール等の樹脂を使用できる。ポリイミド系の樹脂としては例えばLQ−5200(日立化成製)、LP−64(東レ製)、RN−305(日産化学製)等であり、ここではLP−64を使用した。配向膜はn−メチル−2−ピロリドン等の溶媒により希釈しスピンコート法により塗布した。塗布した基板は250〜300℃、ここでは280℃で2. 5時間加熱し溶媒を乾燥させ、塗膜をイミド化し硬化させた。硬化後の膜厚は300Åであった。
【0319】
液晶材料を一軸配向して液晶材料の層を基板に垂直あるいは傾斜して配列させるため、配向膜にラビング法により一軸配向規制力を付与した。ラビングは通常の方法と同様に、レーヨン、綿等の布が巻いてある直径130mmのローラーで450〜900rpm、ここでは450rpmの回転数で一方向に擦った。ロール押し込み高さは0.1mm、ステージ速度は20mm/secで行った。
【0320】
基板間隔としては1〜10μm、スペーサ材料としてはシリカまたはアルミナ等が適当である。ここでは該セルの間隔を一定にするためスペーサーとして、配向膜が塗布されている側の基板には直径1. 5μmの真絲球(触媒化成製)を散布した。また、他方の基板上には、該2枚の基板を固定するために、シール剤として基板の周辺に2液製のエポキシ系接着剤をスクリーン印刷により印刷塗布し、その後2枚の基板を接着固定した。
【0321】
上記セルには液晶材料及び未硬化樹脂材料の混合物を注入した。本実施例で使用した液晶材料としては、チッソ社製の強誘電性液晶、CS1014である。この液晶のPsは5.4nC/cm2 であり、相系列はI(等方相)−N(ネマチック相)−A(スメクチックA相)−C* (スメクチックC* 相)である。
【0322】
本実施例で用いた樹脂材料は市販の分子量約150から200程度のアクリル系モノマーと分子量約1500から3000程度のウレタン系オリゴマーを重量比で90:10で混合し、市販の反応開始剤を約3重量%程度混合した。
【0323】
上記液晶材料と未硬化樹脂材料を重量比で95:5で混合し、混合した樹脂が液晶材料中によりよく混合するように、90℃で液晶が等方相を示すまで加熱、攪はんして樹脂を液晶材料中に均一に混合し、液晶混合物とした。
【0324】
セルと液晶混合物を90℃に加熱し、前述のセルに注入後2〜20℃/hr、本実施例では2℃/hrで室温まで徐冷した。徐冷後の室温での配向状態を偏光顕微鏡下で観察すると、セル中に点在し柱状となっている樹脂材料は確認できるが基板上の樹脂形状は確認できなかった。しかし液晶材料の配向は樹脂を添加しない液晶材料と同様に、液晶は配向膜のラビング方向に沿って一軸配向となり、良好な消光位が得られていた。
【0325】
また消光位の状態から20°程ステージを回してみると、顕微鏡の視野中に複屈折による光漏れを生じないで、黒状態のままの部分が点在していた。この部分は樹脂がカラム状に分離析出していることを示している。
【0326】
このセルに紫外線を、強度3〜30mW/cm2 、照射時間0.5〜5min、本実施例では強度20mW/cm2 で1min、照射して樹脂を硬化させた。紫外線照射後も液晶は配向膜のラビング方向に沿って一軸配向となり、良好な消光位が得られた。このときカラム状の樹脂は上下の基板を接着し基板間の距離の拡大を防いでおり、大面積化しても液晶材料の層構造の崩れを防ぐことができる。
【0327】
このようにして作製したセルに対し、偏光顕微鏡でスイッチング状態を観察したところ、各画素においてドメイン発生を伴わずに透過光量が連続的に変化した。また各画素領域内において階調は一様であった。
【0328】
両基板に偏光板を貼り、駆動回路を接続して液晶電気光学装置を完成させた。1画面の書換えを1/60秒で行ない、印加電圧の大きさを制御することにより256階調表示を実現できた。
【0329】
上記方法により作製した基板をSEMにより観察したところ配向膜表面、画素電極表面ともに、高さが数10nm、直径が数10〜数100nmの微細な凸部が多数確認された。
【0330】
なお、本実施例においては、画素に接続するスイッチング素子としてNチャネル型の薄膜トランジスタを用いたが、Pチャネル型であっても、あるいはPチャネル型薄膜トランジスタとNチャネル型薄膜トランジスタとを用いて相補型に構成してもよい。またMIMダイオード等の薄膜ダイオード、非線型素子を用いた構成としてもよい。
【0331】
また、本実施例において、画素数を1920×480とし、赤、青、緑の3色のカラーフィルターを設けて、640×480のフルカラー表示をさせてもよい。256階調であれば、約1670万色の表示が可能である。
【0332】
『比較例1』
本比較例は、実施例6に示したセルにおいて、未硬化樹脂材料を混入させなかった例を示す。
【0333】
形成されたセルの液晶材料の配向状態を、偏光顕微鏡下で観察すると、配向膜のラビング方向に沿って一軸配向となり、良好な消光位が得られた。
【0334】
このセルの印加電圧変化に伴う透過光量の変化を観察したところ、ドメインが発生する明暗2状態のみのスイッチングが行われ、透過光量が連続的に変化することはなかった。
【0335】
このセルに実施例6と同じ強度20mW/cm2 で1minの紫外線を照射後、印加電圧を変化して透過光量の変化を観察したところ、やはりドメインを伴う明暗2状態のみのスイッチングとなった。
【0336】
『比較例2』
本比較例は、実施例6に示したセルにおいて、樹脂を硬化させなかった例を示す。
実施例6と同様にセルを作製、液晶材料と未硬化樹脂との混合物をセル内に注入した。作製されたセルの液晶材料の配向状態を、偏光顕微鏡下で観察すると、樹脂を混合していない場合と同様に、配向膜のラビング方向に沿って一軸配向となり、良好な消光位が得られた。
【0337】
このセルには紫外線を照射せず、樹脂を硬化させない状態で印加電圧を変化させて透過光量の変化を観察したところ、ドメインが発生する明暗2状態のみのスイッチングが行われ、透過光量が連続的に変化することはなかった。
【0338】
このセルの基板上を、実施例6と同様にSEMで観察したが、実施例6のような樹脂により構成される凸部は観察されなかった。
【0339】
『比較例3』
本比較例においては、実施例6に示したセルにおいて、樹脂材料のモノマーとオリゴマーの混合比を異ならせた例を示す。
本比較例で用いた樹脂材料は市販の分子量約150から200程度のアクリル系モノマーと分子量約1500から3000程度のウレタン系オリゴマーを重量比で10:90で混合し、市販の反応開始剤を約3重量%程度混合して未硬化樹脂材料とした。
作製されたセルの液晶材料の配向状態を、偏光顕微鏡下で観察すると、樹脂を混合していない場合と同様に、配向膜のラビング方向に沿って一軸配向となり、良好な消光位が得られた。
【0340】
このセルに紫外線を、強度3〜30mW/cm2 、照射時間0.5〜5min、本比較例では強度20mW/cm2 で1min、照射して樹脂を硬化させた。紫外線照射後も液晶は配向膜のラビング方向に沿って一軸配向となり、良好な消光位が得られた。
【0341】
このセルの印加電圧変化に伴う透過光量の変化を観察したところ、ドメインが発生する明暗2状態のみのスイッチングが行われ、透過光量が連続的に変化することはなかった。
【0342】
このセルの基板上を、実施例6と同様にSEMで観察したが、実施例6のような凸状はほとんど観察されず、非常にフラットな表面状態であった。
【0343】
【発明の効果】
以上の如く、本発明により、従来問題とされてきた、一軸配向手段の配向規制力による液晶分子のスイッチングの阻害を防ぐことができた。その結果スイッチングを高速化できた。さらに配向欠陥を改善でき、また電極間の絶縁性を向上させてショート防止を図ることもできた。よって液晶電気光学装置としては高速でまた高いコントラスト比を有し、信頼性も高いものとすることができた。単純マトリクス型の装置においてはデューティー比の高い高精細なものとすることができ、アクティブマトリクス型の装置においても高速化、表示の安定化が得られる。
【0344】
また従来とほとんど同じ作製工程によって作製できるため、高い生産性も有する。また配向不良が発生した場合においてもそれを修復できる。
【0345】
また、ドメインの発生を伴わずに電界強度により透過光量を制御できた。したがって強誘電性液晶材料が有する高速応答性を維持したまま、電圧による階調表示制御が容易に実現できた。またしきい値が低下したため、低電圧駆動が可能となった。また、特に低電圧領域における応答速度が極めて高速となった。本発明の液晶電気光学装置は特に各画素にスイッチング素子を設けたアクティブマトリクス駆動を行うことにより、高速かつ多階調の表示を実現できる。
【0346】
また不所望な電荷の移動や配向膜液晶界面での電荷の蓄積がなくなり、強誘電性液晶の液晶分子の急峻な反転や反転後の分子状態の安定性が得られ、より高速かつ安定な光学特性が得られる。したがって強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置を高速かつ高コントラスト比を有する表示が実現できた。
【0347】
特に結晶性シリコン薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型の液晶電気光学装置において、強誘電性液晶材料と結晶性シリコン薄膜トランジスタの高速応答性を生かしきって、高速、高コントラストを有する装置とすることができ、フレーム階調を用いた階調表示の階調数とコントラスト比を向上させることができた。
【0348】
また、電界強度による階調表示も容易に行なうことができ、フレーム階調と合わせて非常に高い階調数で、優れた品質の階調表示を行なうことができた。
【0349】
強誘電性液晶材料のスイッチング電圧を従来の双安定型の装置と比較して大幅に低電圧化でき、低消費電力化できた。
【0350】
また、カラム状の樹脂により、配向の乱れを発生させずに基板間隔の拡大、減少を防ぎ、また基板の強度を向上させて液晶セル全体の歪みの発生を防ぐことができ、液晶の層構造の崩れの発生を抑えることができた。よって大面積の強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置実現でき、この装置を立てて使用することも可能となった。
【0351】
以上の如く、本発明により、強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置において、多階調表示、さらにはフルカラー化を、高い分解能を持たせつつ容易に実現することができるようになった。また、ネマチック液晶を用いた液晶電気光学装置と比較しても、極めて高速であり、かつ大型化が容易な、多階調表示、フルカラー表示の可能な液晶電気光学装置とすることがでた。
【0352】
このように、本発明の液晶電気光学装置は、高速、多階調、高分解能、低電圧駆動かつ大面積なものとすることができ、また作製も容易であり、ハイビジョン等の高画質な映像を表示するディスプレイ装置に適した、極めてすぐれた液晶電気光学装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による液晶電気光学装置の概略図を示す。
【図2】 実施例における本発明による液晶電気光学装置の電流電圧特性のオシロスコープ波形を示す写真。
【図3】 実施例における本発明による液晶電気光学装置の電流電圧特性の模式図を示す。
【図4】 従来の液晶電気光学装置の電流電圧特性のオシロスコープ波形を示す写真。
【図5】 従来の液晶電気光学装置の電流電圧特性の模式図を示す。
【図6】 原子間力顕微鏡により観察した本発明の実施例による液晶電気光学装置の基板表面の薄膜を示す写真。
【図7】 原子間力顕微鏡により観察した本発明の実施例による液晶電気光学装置の液晶材料等注入前の基板表面の薄膜を示す写真。
【図8】 本発明の実施例によるアクティブ駆動型液晶電気光学装置の画素電極間電圧及び光学応答を示す。
【図9】 本発明の液晶電気光学装置の概略図を示す。
【図10】 本発明の実施例による液晶電気光学装置の概略図を示す。
【図11】 本発明の実施例による液晶電気光学装置における透過光強度−電圧特性を示す。
【図12】 本発明の実施例による液晶電気光学装置の電界方向反転時の応答性を示す。
【図13】 本発明の実施例による液晶電気光学装置の応答速度−電圧特性を示す。
【図14】 本発明の実施例による液晶電気光学装置の電流電圧特性を示す。
【図15】 本発明の実施例による液晶電気光学装置においてアクティブ駆動を行った場合の画素電極電圧及び光学応答を示す。
【図16】 従来の構成の液晶電気光学装置の電流電圧特性を示す。
【図17】 本発明の液晶電気光学装置の概略図を示す。
【図18】 実施例における、デジタル階調表示を行う際の印加信号ならびに画素電位と画素の透過率を示す。
【図19】 本発明の実施例で用いた回路を示す。
【図20】 本発明の回路の一例を示す。
【図21】 本発明の液晶電気光学装置の基本的な構成を示す。
【図22】 従来の表面安定化型の液晶電気光学装置を±1.5Vの矩形波により駆動した際の光学特性を示す。
【図23】 本発明の液晶電気光学装置を±1.5Vの矩形波により駆動した際の光学特性を示す。
【図24】 基板上に形成された微細なパターンを表したSEM写真を示す。
【符号の説明】
101、102 基板
103、104 電極
105 配向膜
106 樹脂膜
107 液晶材料
108 スペーサー
109、110 偏光板
201 画素電極間に流れる電流の容量成分
202 液晶材料の有する自発分極による反転電流
203 余分な電流成分
204 液晶材料の有する自発分極による反転電流
1101、1102 基板
1103 対向電極
1104 画素電極
1105 スイッチング素子
1106 配向膜
1107 樹脂膜
1108 液晶材料
1109、1110 偏光板
1111、1112 基板
1113、1114 電極
1115 配向膜
1116 樹脂膜
1117 液晶材料
1118 スペーサ
1401 実施例における本発明の装置の光学応答波形
1402 実施例における従来の装置の光学応答波形
1601 画素電極間に流れる電流の容量成分
1602 液晶材料の有する自発分極による反転電流
1801 画素電極間に流れる電流の容量成分
1802 液晶材料の有する自発分極による反転電流
1803 余分な電流成分
2101、2102 基板
2103 対向電極
2104 画素電極
2105 スイッチング素子
2106 配向膜
2107 樹脂膜
2108 液晶材料
2109、2110 偏光板
3110、3111 透光性基板
3112、3113 電極
3114、3115 配向手段
3116 液晶材料
3117 凸部
3118 スペーサー
3119 シール剤
3120、3121 偏光板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a birefringence mode liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material.
[0002]
The present invention relates to a liquid crystal electro-optical device having a uniaxially oriented ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material and a cured resin material, and a method for manufacturing the same.
[0003]
The present invention relates to a liquid crystal electric material having a uniaxially oriented ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material and a cured resin material provided on a substrate sandwiching the liquid crystal material or an electrode or alignment film on the substrate. The present invention relates to an optical device and a manufacturing method thereof.
[0004]
The present invention relates to a method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device in which a resin containing a reaction initiator is added to a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material to cure the resin.
[0005]
The present invention relates to a liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material, in which the helical structure of the liquid crystal material exhibited in a bulk state is suppressed by a substrate interval, and does not involve generation of domains. The present invention relates to a liquid crystal electro-optical device that performs switching and a manufacturing method thereof.
[0006]
The present invention relates to a configuration and method for obtaining a halftone in a liquid crystal electro-optical device in which a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is used and a helical structure in which the liquid crystal material exhibits a bulk state is suppressed by a substrate interval. About.
[0007]
The present invention relates to a liquid crystal electro-optical device in which gradation is continuously changed using a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material and a method for manufacturing the same.
[0008]
The present invention relates to an active matrix liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material.
[0009]
[Prior art]
Recently, liquid crystal display devices (LCD) have attracted attention. In particular, a twisted nematic (hereinafter referred to as TN) type using a nematic liquid crystal or a super twisted nematic (hereinafter referred to as STN) type is widely known and put into practical use.
An active matrix type using a nematic liquid crystal material and provided with a switching element such as a thin film transistor (TFT) in each pixel has been actively developed as a display capable of high-speed, high-contrast and multi-gradation display.
[0010]
A basic configuration of a TN type or STN type liquid crystal electro-optical device is described below. An alignment film is applied and baked on a substrate having an electrode, and is rubbed as an alignment treatment to obtain a first substrate. Similarly, an alignment film is applied to a substrate having electrodes, baked, and rubbed to form a second substrate. The first substrate and the second substrate are provided so that the electrodes face each other, and a liquid crystal is sandwiched between the substrates.
[0011]
At the contact surface between the two substrates and the liquid crystal layer, the liquid crystals are aligned in the rubbing direction according to the regulating force by rubbing. In the upper and lower substrates, the rubbing direction is shifted so as to be positioned at 90 ° for the TN type and 200 ° to 290 ° for the STN type. The liquid crystal molecules in the vicinity of the middle of the liquid crystal layer are arranged in a spiral between the liquid crystal molecules located at 90 ° to 290 ° so that the energy becomes the smallest.
[0012]
These liquid crystal molecules arranged in a spiral form a spiral structure by being applied in parallel or perpendicular to the direction of the electric field by applying a voltage between the two substrates and by the dielectric anisotropy of the liquid crystal molecules. As described above, when the liquid crystal molecules are perpendicular to the substrate surface, the amount of transmitted light is changed so as to indicate a bright state, and when the liquid crystal molecules are parallel, a dark state is indicated. In addition, since the state of such liquid crystal molecules continuously changes depending on the voltage applied between the substrates and the amount of transmitted light changes accordingly, the light (transmission) state and darkness can be controlled by appropriately controlling the applied voltage. The gradation between the (non-transparent) states, ie the intermediate floor, is obtained.
[0013]
The fact that a halftone can be obtained in this way is very effective especially for colorization, and if the response speed of the liquid crystal is sufficient, it can cope with full colorization.
[0014]
However, the nematic liquid crystal has a slow response speed of several hundred milliseconds, and does not have sufficient characteristics for displaying moving images or the like that require a high-speed response.
Since nematic liquid crystal has fluidity, when the device is stood and used, the liquid crystal accumulates in the lower part of the device and the lower part of the cell swells. In this case, since the cell thickness greatly changes in the apparatus, coloring or color unevenness occurs, or the response of the liquid crystal is not uniform even when the same voltage is applied.
[0015]
In recent years, since it is desired to increase the screen size and speed of the apparatus, the above-described problems of nematic liquid crystal are becoming more and more serious.
[0016]
On the other hand, LCDs using ferroelectric liquid crystals have also been developed. Ferroelectric liquid crystals have spontaneous polarization of liquid crystal molecules and can be switched at high speed in several tens of microseconds. An active matrix type LCD using this ferroelectric liquid crystal and capable of displaying at higher speed has been developed.
[0017]
Ferroelectric liquid crystal or anti-ferroelectric liquid crystal has spontaneous polarization and can operate at a high response speed of several to several hundreds of microseconds. It responds at about three orders of magnitude faster than nematic liquid crystal. To do.
[0018]
Further, in a liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric liquid crystal or an anti-ferroelectric liquid crystal, the liquid crystal molecules are arranged on at least one substrate surface in accordance with the regulating force if the alignment treatment is performed. These liquid crystal molecules have a layered structure that is regularly stacked from one substrate surface to the other substrate surface. It also has a layer structure with respect to the parallel direction of the substrate.
[0019]
Because of this layer structure, ferroelectric liquid crystal or antiferroelectric liquid crystal has poor fluidity, and liquid crystal does not collect at the bottom of the device like nematic liquid crystal when the device is stood up. There is an advantage that the cell thickness is kept constant and uniform display is possible.
[0020]
SmC originally exhibited by ferroelectric liquid crystal materials * In the phase, the major axis of the liquid crystal molecule is tilted by a certain tilt angle with respect to the normal of the layer of the liquid crystal material (substantially parallel to the substrate), and in the bulk state, the liquid crystal molecules cross from layer to layer. As a result, the orientation of the orientation vector is twisted, and the spontaneous polarization of the liquid crystal molecules is canceled as a whole, so that the ferroelectricity cannot be expressed.
[0021]
Therefore, a so-called surface-stabilized liquid crystal electro-optical device that exhibits ferroelectricity by Clark or the like has been proposed. The basic structure is that a ferroelectric smectic liquid crystal material is sandwiched between a pair of substrates having electrodes, the liquid crystal molecules are aligned parallel and uniaxially to the substrate, and the layer having the liquid crystal material is perpendicular or inclined with respect to the substrate. It is to be formed. At this time, the spiral structure that the liquid crystal material takes in a bulk state is solved by setting the distance between the pair of substrates to about 1 μm. Further, as a result of solving the spiral structure, two stable alignment states in which the orientation vectors of the liquid crystal molecules take, that is, a bistable alignment state are obtained.
[0022]
With the above configuration, by reversing the polarity of the electric field applied to the pixel electrode, the torque generated by the product of the spontaneous polarization of the liquid crystal material and the electric field applied by the electrode is high-speed between the two states. Response is possible.
[0023]
The liquid crystal molecules change the direction of spontaneous polarization of the liquid crystal molecules themselves by 180 ° (hereinafter referred to as inversion) by applying a voltage between both substrates. The liquid crystal molecules have a direction changed by a certain angle from the uniaxial orientation direction, and the direction of the liquid crystal molecules is reversed by applying a voltage, and switching from the bright (transmission) state to the dark (non-transmission) state or from the dark state to the bright state. I do.
[0024]
Since these liquid crystal electro-optical devices using nematic, ferroelectric, or anti-ferroelectric liquid crystals utilize the optical anisotropy of liquid crystal molecules, they have polarizing plates outside both substrates, Electro-optical properties are obtained.
[0025]
When a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is used, the optical axis of one polarizing plate is aligned with one of two stable states in the direction indicating one alignment state, and the other polarizing plate is Make the optical axis vertical.
[0026]
As a method for uniaxially aligning the liquid crystal molecules, there is known a method of forming a means (hereinafter referred to as a uniaxial alignment means) for providing an alignment regulating force for uniaxially aligning the liquid crystal material on the surface of the substrate sandwiching the liquid crystal material in contact with the liquid crystal material. It has been. A rubbing method is typically known. In the rubbing method, an alignment film having a thickness of 100 to 500 mm, usually made of an organic polymer, is formed on the surface of the substrate having the electrodes, and the alignment film surface is rubbed in one direction with a cloth (rubbing process). Is applied, and the alignment film is provided with a uniaxial alignment regulating force for aligning liquid crystal molecules in one direction. The substrate surface or electrode surface may be directly rubbed. The rubbing method is widely used in TN type and STN type liquid crystal electro-optical devices using nematic liquid crystal, and is frequently used as an excellent alignment method that is simple and easy to increase in area even with a ferroelectric liquid crystal.
[0027]
In addition, since the ferroelectric liquid crystal has high order and has a layer structure, the alignment is not disturbed unless the layer structure is broken once it is aligned. Therefore, the alignment is not limited to the rubbing method, and liquid crystal molecules are sufficiently aligned even in an alignment method that does not use an alignment film, such as a shear stress method, a magnetic field alignment method, or a temperature gradient method, that is, only an initial alignment. Switching can be performed. However, these may be used experimentally, but it takes a long time to align the liquid crystal material, and is not practical for manufacturing a large-area device. Is not used much.
[0028]
In addition, there is an oblique vapor deposition method in which SiO or the like is vapor-deposited obliquely with respect to the substrate surface as another alignment method. However, there is a problem in mass productivity, and when performing on a large area substrate, There arises a problem that the difference in the vapor deposition angle and vapor deposition direction at each of the above points cannot be ignored. Therefore, the rubbing method is an alignment method widely used industrially in ferroelectric liquid crystal electro-optical devices.
[0029]
In addition, since the ferroelectric liquid crystal or the anti-ferroelectric liquid crystal can be switched about three orders of magnitude faster than the nematic liquid crystal, the so-called frame that controls ON and OFF for each display frame and performs gradation display according to the display time. Enables gradation display. By controlling the ON / OFF time with a digital value using a TFT, a multi-tone digital gradation display can be performed. Details are described in Japanese Patent Application No. 4-275413, which is the invention of the present applicant.
[0030]
In this case, an amorphous silicon TFT may be used as the TFT. However, in order to cope with high-speed switching of the ferroelectric liquid crystal and to achieve higher speed, multi-gradation, and high contrast ratio in this digital gradation display, The charge injection into the pixel needs to be performed more quickly. For this reason, a crystalline silicon TFT that operates at about four orders of magnitude faster than an amorphous silicon TFT and can flow a large current enough to sufficiently reverse spontaneous polarization is used.
[0031]
[Problems of the prior art]
When a cell was produced by forming a uniaxial alignment means on the surface of the substrate in contact with the liquid crystal material sandwiching the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material, there was a problem in switching of liquid crystal molecules.
[0032]
For example, in the case of the rubbing method, in the process of gradually cooling after injecting the liquid crystal material into the cell, in the SmA phase, the rubbing direction and the alignment vector are parallel. * When the phase transitions, the liquid crystal molecules have a tilt tilt angle from the layer normal, so that SmC * In the phase, the alignment vector of the liquid crystal molecules is not parallel to the rubbing direction. This gives a bistable state, but since the rubbing direction is between one stable state and the other stable state of the liquid crystal molecules, the influence of the uniaxial alignment regulating force due to the rubbing of the liquid crystal molecules during the switching. The switching of liquid crystal molecules was hindered.
[0033]
On the other hand, the alignment method by physical means such as the shear stress method, the magnetic field alignment method, the temperature gradient method described above is not practical, but there is no one that emits uniaxial alignment regulating force after alignment of the liquid crystal material. There is nothing that hinders switching, and good switching characteristics can be obtained.
[0034]
Therefore, in a ferroelectric liquid crystal electro-optical device in which liquid crystal molecules are aligned by forming uniaxial alignment means on the surface in contact with the liquid crystal material, the liquid crystal electro-optical device is aligned by a shear stress method, a magnetic field alignment method, a temperature gradient method, etc. Compared to the above, there are problems such as a decrease in switching speed and insufficient switching.
[0035]
Therefore, the regulating force to align the liquid crystal material uniaxially works only when the liquid crystal material is injected between the substrates and then the liquid crystal material is initially aligned in the course of slow cooling. There has been a demand for a configuration that does not have an alignment regulating force.
[0036]
That is, after the liquid crystal molecules are uniaxially aligned, it is possible to substantially reduce or eliminate the alignment regulating force of the uniaxial alignment means, which is a ferroelectric liquid crystal electro-optic with excellent switching characteristics and industrial productivity. It was needed to realize the device.
[0037]
Further, in a liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric liquid crystal or an antiferroelectric liquid crystal, a so-called surface-stabilized ferroelectric liquid crystal having a structure in which the substrate interval is set to several μm and the helical structure of liquid crystal molecules is suppressed. Since (SSFLC) has bistability, the obtained light transmission state is only two states, light and dark, and a halftone using nematic liquid crystal was not obtained. That is, the amount of transmitted light cannot be changed continuously due to the change in the state of the liquid crystal molecules.
[0038]
The surface-stabilized liquid crystal electro-optical device can switch between the first state and the second state by reversing the polarity of the electric field, and can be driven between the two states when driven with an electric field strength equal to or higher than the saturation voltage. It becomes switching. However, when the electric field strength is gradually changed, the amount of transmitted light of the entire liquid crystal material in the region to which the electric field is applied is not changed and switched, but usually the following switching is performed. For example, when switching from the first state to the second state, a region reversed to the second orientation state (hereinafter referred to as a domain) is generated in the region indicating the first state, and an electric field is further generated. As the strength increases, the area of the domain increases and the process moves to the second state.
[0039]
One of the methods for obtaining a halftone in a liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric liquid crystal or an anti-ferroelectric liquid crystal utilizing such properties is an area gradation method.
[0040]
When the process of inversion of the liquid crystal molecules of a ferroelectric liquid crystal or antiferroelectric liquid crystal is observed under a polarizing microscope, applying a voltage causes a dark state in a bright state region in a specific region where the voltage is applied. A bright state region (hereinafter referred to as a domain) occurs in the region or the dark state region, and when the voltage is further applied, the area of each domain expands, and the bright state in the specific region as a whole becomes a dark state. Or the dark state becomes brighter.
[0041]
In the area gradation method, by utilizing the fact that the size of the domain slightly changes depending on the applied voltage, the area of the bright or dark domain in one pixel is controlled by controlling the applied voltage. In this way, a halftone is obtained.
[0042]
In addition, there is a pixel division method as another method for obtaining a halftone in a surface stable liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric liquid crystal or an antiferroelectric liquid crystal. In this case, one pixel is formed by a plurality of small pixels, and a halftone is obtained by combining two states of light and dark by each small pixel.
[0043]
For example, when one pixel is composed of four small pixels, the darkest or brightest state makes all four small pixels dark or bright. When halftones are to be obtained, for example, one of the small pixels is set to the dark state and the remaining three are set to the bright state, so that one pixel has 75% of the brightest state. A halftone with a transmitted light quantity of 2 is obtained.
[0044]
As described above, when an intermediate tone is obtained with a liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric liquid crystal or an anti-ferroelectric liquid crystal, an area gray scale method in which the domain size is controlled as described above, or a pseudo pixel is used. It must be based on a pixel division method or the like that expresses the target.
[0045]
However, in the area gradation method, the inversion of the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal is steep, and in particular, even if the applied voltage value slightly changes, the domain greatly expands, so that the area gradation can be realized. Since the voltage width is very narrow and there is hysteresis, it is difficult to control the domain area with an applied voltage of several mV. Further, when the applied voltage is lowered, the response speed becomes extremely slow, and uniform display cannot be performed. In addition, it is difficult to increase the display resolution, which is not practical.
[0046]
In addition, the pixel division method is inefficient in using a plurality of pixels per pixel, and there is a technical limit in reducing one pixel and increasing the number of pixels. It is also unsuitable for high resolution.
[0047]
Further, since the conventional surface-stable liquid crystal electro-optical device using the ferroelectric liquid crystal or the anti-ferroelectric liquid crystal has a high threshold voltage, it cannot be driven at a low voltage.
[0048]
In addition, in a conventional surface-stable liquid crystal electro-optical device, the alignment treatment applied to a pair of substrates is different for both substrates, thereby making the alignment stability of the liquid crystal material monostable and changing the electric field strength for gradation display. There was a device that could do. However, even with this method, inversion is accompanied by a domain at the time of switching, and the same difficulty as the above-mentioned bistable type is caused, so that it is not sufficient as a gradation display.
[0049]
Accordingly, there has been a demand for a configuration capable of performing good halftone display in a liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material.
[0050]
In addition, when the frame gray scale method is used in an active matrix ferroelectric liquid crystal electro-optical device, in order to perform high-speed and high-contrast display, the inversion of the liquid crystal molecules of the ferroelectric liquid crystal when a signal is applied is extremely short. It is necessary to perform inversion over time and to fully invert, and that the state of the liquid crystal molecules after the inversion does not change and is constant. The state of the liquid crystal molecules is mainly determined by the magnitude of the voltage applied to the electrodes on both substrates.
[0051]
However, it is well known that impurities having a charge from the liquid crystal or the alignment film are present in the device, or extra charge that generates a voltage in the opposite direction to the voltage when a voltage is applied. These charges move freely in the liquid crystal material sandwiched between the two substrates with the application of voltage. Most of these charges move and reach the surface of the alignment film. However, since the alignment film is inherently insulating, the charge does not move any further, and is between the alignment film and the liquid crystal layer (layer of liquid crystal material) (alignment film). It is accumulated in the liquid crystal interface).
[0052]
These charges cause a problem that is undesirable for a liquid crystal electro-optical device.
For example, an effect of canceling the voltage applied between the electrodes occurs, and the contrast is attenuated. For example, when a pulse voltage is applied by driving a TFT, transmission and non-transmission switching is not steep with respect to the pulse application, and a two-step response in which switching occurs after a short delay after switching, or attenuation occurs immediately after switching I did. In order to solve this, it was necessary to make the voltage to be applied larger than the voltage necessary to reverse the spontaneous polarization, but this was not a sufficient measure.
[0053]
In addition, when a voltage is applied between the electrodes, the amount of charge in the liquid crystal layer changes with time, so the state of the liquid crystal molecules is not stable. Furthermore, since the liquid crystal molecules that are electrically adsorbed by the charge accumulated at the alignment film-liquid crystal interface require a larger voltage than the non-adsorbed liquid crystal molecules inside the liquid crystal layer, the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer However, there is a problem in that the state of light transmission does not change all at once, and the light transmission characteristic, which is the most important characteristic of the liquid crystal electro-optical device, is not stable.
[0054]
In the liquid crystal electro-optical device, the display becomes unstable, the response speed of the liquid crystal material cannot be fully utilized, and the display speed is inevitably lowered, and the contrast is lowered. In particular, when the frame gradation display is performed, the number of gradations is limited.
[0055]
In order to solve this problem, a method of aligning liquid crystal molecules by selecting an alignment film material that alleviates charge accumulation or obliquely depositing SiO or the like on an electrode instead of an alignment film that is an insulating film However, it requires a lot of preliminary experiments and is time consuming and expensive, and it cannot be said that the effect changes depending on the combination of materials. There is also a method of removing impurities by refining the liquid crystal, but this method is very unsuitable in view of mass productivity because there are very few liquid crystals that can be purified and used. In addition, a charge transfer complex or the like is used to adsorb or combine charges existing in the liquid crystal layer so that a plus or minus charge becomes a plus or minus 0 state (hereinafter referred to as cancellation or neutralization). Although there is a method, it is difficult to measure in the device a charge transfer complex that can completely cancel the charge, and the excess charge transfer complex moves in the liquid crystal layer in the same manner as the above-described charge.
[0056]
As described above, the charge that exists in the liquid crystal layer, which is a factor that causes a change in the voltage applied to the liquid crystal layer, that is, a factor that causes the state of the liquid crystal molecules to change over time and destabilizes the optical characteristics of the device, is canceled. Various methods have been proposed for this, but it is difficult to cancel easily and completely.
[0057]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been a problem when an alignment method in which uniaxial alignment means is formed on the surface of a substrate sandwiching a ferroelectric liquid crystal material, particularly when a rubbing method having excellent practicality is used for a ferroelectric liquid crystal. * Liquid crystal electro-optical device that eliminates the inhibition of switching of liquid crystal molecules due to the difference between the direction of the uniaxial alignment regulating force in the phase and the directions of the two stable states indicated by the liquid crystal molecules, and does not hinder the switching of the liquid crystal molecules Another object of the present invention is to provide a manufacturing method thereof.
[0058]
The present invention also relates to a liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material, in which the helical structure of the liquid crystal material exhibited in a bulk state is suppressed by the substrate spacing, and the generation of domains is suppressed. Another object of the present invention is to provide a device that performs optical switching without accompanying the device and a manufacturing method thereof.
[0059]
In addition, the present invention uses a ferroelectric liquid crystal or an antiferroelectric liquid crystal which can easily increase the area and speed of the device, and, as in a nematic liquid crystal, continuously changes in gradation and halftone due to a change in applied voltage. It is another object of the present invention to provide a liquid crystal electro-optical device and a method for manufacturing the same.
[0060]
Further, the present invention provides a liquid crystal electro-optical device using an active matrix ferroelectric liquid crystal having a crystalline silicon TFT, which eliminates the influence of undesired charges in the liquid crystal layer and increases the speed and optical characteristics of the device. It is another object of the present invention to provide a high-performance liquid crystal electro-optical device that can achieve high-speed multi-gradation display and has a high contrast ratio.
[0061]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the various problems described above.
The main configuration of the present invention is as follows.
A uniaxially oriented ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material sandwiched between a pair of opposing substrates;
A film made of a resin material or a plurality of convex portions provided on the inner surface of at least one of the pair of substrates;
A liquid crystal electro-optical device.
[0062]
In addition, other main configurations of the present invention are as follows:
A pair of opposing substrates;
A ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material sandwiched between the pair of substrates and having a spiral structure suppressed and uniaxially oriented;
Electrodes for applying a voltage to the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material provided on the pair of substrates;
Uniaxial orientation means for uniaxially orienting the liquid crystal material provided on one or both of the pair of substrates;
A liquid crystal electro-optical device having
A film or a plurality of convex portions made of a resin material in contact with the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material,
Having on the surface of the substrate or the electrode or the uniaxial orientation means
A liquid crystal electro-optical device.
[0063]
In addition, other main configurations of the present invention are as follows:
A pair of opposing substrates;
A ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material sandwiched between the pair of substrates and having a spiral structure suppressed and uniaxially oriented;
Electrodes for applying a voltage to the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material provided on the pair of substrates;
Uniaxial orientation means for uniaxially orienting the liquid crystal material provided on one or both of the pair of substrates;
A liquid crystal electro-optical device having
Part or all of the surface in contact with the liquid crystal material is made of a film made of a resin material or a plurality of convex portions.
A liquid crystal electro-optical device.
[0064]
That is, the present invention relates to a uniaxially oriented ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material and a surface sandwiching the liquid crystal material, that is, a substrate sandwiching the liquid crystal material, or a surface such as an electrode or an alignment film on the substrate. Between these, a film or a plurality of convex portions are provided by a resin material.
In other words, a film or a convex portion made of a cured resin material is provided on a part or the whole of a surface sandwiching the liquid crystal material, that is, a substrate, an electrode on the substrate, an alignment film, or the like, in contact with the liquid crystal material that is uniaxially aligned It is characterized by this.
[0065]
With this configuration, switching can be speeded up, alignment defects can be reduced, and unwanted charges can be removed.
Furthermore, in the liquid crystal electro-optical device in which the helical structure in which the liquid crystal material is exhibited in the bulk state is suppressed by the substrate interval, switching without domain generation (domainless switching) becomes possible, and the liquid crystal electro-optical device using nematic liquid crystal In this way, it is possible to obtain a halftone in which the transmitted light intensity changes uniformly and continuously according to the electric field intensity, and further, it is possible to obtain various effects such as a reduction in driving voltage.
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail.
[0066]
[Resin film]
Other main components of the present invention are:
A ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is sandwiched between a pair of substrates,
At least one of the inner surfaces of the pair of substrates is given an alignment regulating force for uniaxially aligning the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material,
And means for suppressing the orientation regulating force is provided on the surface to which the orientation regulating force is applied.
A liquid crystal electro-optical device.
[0067]
In addition, other main configurations of the present invention are as follows:
A liquid crystal electro-optical device in which a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is sandwiched between a pair of substrates having electrodes inside,
Having uniaxial orientation means on the inner surface of either or both of the substrates,
On the uniaxial orientation means, there is means for suppressing the orientation regulating force of the uniaxial orientation means.
A liquid crystal electro-optical device.
[0068]
In addition, other main configurations of the present invention are as follows:
A liquid crystal electro-optical device in which a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is sandwiched between a pair of substrates having electrodes inside,
Having uniaxial orientation means on the inner surface of either or both of the substrates,
Having a resin film on at least the uniaxial orientation means
A liquid crystal electro-optical device.
[0069]
In addition, other main configurations of the present invention are as follows:
A liquid crystal electro-optical device in which a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is sandwiched between a pair of substrates having electrodes inside,
Having uniaxial orientation means on the inner surface of either or both of the substrates,
The liquid crystal material and the uniaxial alignment means are separated from each other.
A liquid crystal electro-optical device.
[0070]
In addition, other main configurations of the present invention are as follows:
A liquid crystal electro-optical device in which a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is sandwiched between a pair of substrates having electrodes inside,
Having uniaxial orientation means on the inner surface of either or both of the substrates,
Having an insulating film on at least the uniaxial orientation means;
A liquid crystal electro-optical device.
[0071]
According to another aspect of the invention, in the liquid crystal electro-optical device,
Uniaxial orientation means is an orientation film that has been rubbed
A liquid crystal electro-optical device.
[0072]
According to another aspect of the invention, in the liquid crystal electro-optical device,
A switching element connected to the pixel electrode on one of the pair of substrates;
Active matrix drive
A liquid crystal electro-optical device.
[0073]
In addition, other main configurations of the present invention are as follows:
Between a pair of substrates having electrodes on both inner surfaces and uniaxial orientation means on one or both,
Sandwiching a mixture of a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material and an uncured resin,
After the liquid crystal material is uniaxially aligned according to the alignment regulating force of the alignment means,
Curing the uncured resin and curing the uncured resin in a film on the substrate surface
This is a method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device.
[0074]
According to another aspect of the present invention, in the method for manufacturing the liquid crystal electro-optical device,
Uncured resin must be UV curable resin
This is a method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device.
[0075]
In addition, the other main configuration of the present invention is
A ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is sandwiched between a pair of substrates having electrodes on both inner surfaces and uniaxial orientation means on one or both;
On the uniaxial orientation means, there is means for suppressing the orientation regulating force of the uniaxial orientation means,
And in the liquid crystal electro-optical device in which the liquid crystal material is aligned according to the alignment regulating force of the uniaxial alignment means,
The temperature of the liquid crystal material is changed from room temperature to the SmA phase or N * Raise the temperature to show the phase,
Maintain the temperature for a certain time and then cool to room temperature
This is a method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device.
[0076]
The present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a conceptual diagram of a simple matrix type liquid crystal electro-optical device using the above-described invention. In FIG. 1, 101 and 102 are translucent substrates, 103 and 104 are pixel electrodes, 105 is an alignment film that has been subjected to a rubbing process that is a uniaxial alignment means for aligning liquid crystal material and the like in a predetermined direction, Reference numeral 107 denotes a ferroelectric liquid crystal material. The liquid crystal material 107 is uniaxially aligned according to the alignment film 105. Between the alignment film 105 and the liquid crystal material 107, a resin film 106 that is a means for suppressing the alignment regulating force of the alignment film is formed. Further, polarizing plates 109 and 110 are provided on the outer surfaces of the translucent substrates 101 and 102.
[0077]
In order to fabricate this liquid crystal electro-optical device, the substrate is sandwiched between a pair of translucent substrates 101 and 102 having electrodes 103 and 104 and an alignment film 105 which is a uniaxial alignment means, the substrate interval being determined by a spacer 108. After the liquid crystal material is aligned according to the alignment film 105, a resin film that suppresses the alignment regulating force may be formed on the alignment film.
[0078]
Specifically, a mixture of a liquid crystal material and an uncured resin to which a reaction initiator is added is heated between a pair of translucent substrates having an electrode and an alignment film until it becomes isotropic phase, and is gradually injected. The liquid crystal material is cooled and uniaxially aligned by the alignment film. Thereafter, by applying means for curing the uncured resin mixed in the liquid crystal material, the uncured resin is cured as a film on the alignment means.
[0079]
At this time, since the resin is cured after the liquid crystal material is aligned according to the alignment means, the resin can be cured in a thin film on the alignment film while maintaining a good alignment state before curing. The cured resin does not adversely affect the alignment of the liquid crystal material.
[0080]
According to the present invention, switching can be speeded up, alignment defects can be prevented, and unwanted charges can be removed.
[0081]
In the present invention, the alignment film is formed on a substrate and an electrode by a rubbing process, as in the case of the conventional film, formed of a polyimide-based organic polymer resin or the like. The rubbing conditions may be the same as the conventional one.
[0082]
In addition, the present invention can be applied to any alignment means for uniaxially aligning the liquid crystal material depending on the surface characteristics of the surface in contact with the liquid crystal material. The same applies to the case where a uniaxial orientation regulating force is applied by directly rubbing the substrate or the electrode surface. It can also be applied to obliquely deposited films.
[0083]
A polymer resin or the like can be used as the resin film 106 as a means for suppressing the orientation regulating force.
[0084]
The material of the resin film 106 as a means for suppressing the alignment regulating force of the present invention is desirably a material mixed with the liquid crystal material at a high temperature and separated from the liquid crystal material when the temperature is lowered. Further, it is highly desirable that the uncured resin does not contain a solvent in order to cure the resin while being sandwiched between the two substrates. Furthermore, since the separation of the liquid crystal material and the resin and the formation of the alignment state of the liquid crystal material largely depend on the temperature, it is desirable that the resin be cured by a factor different from the temperature. Considering such matters, it is preferable to use, for example, an ultraviolet curable resin as an uncured resin and ultraviolet rays as a curing means.
[0085]
The concentration of the resin material in the mixture of the resin material and the liquid crystal material is arbitrary, but about 20% or less is appropriate.
[0086]
In the liquid crystal electro-optical device of the present invention shown in FIG. 1, the liquid crystal material 107 is separated from the alignment film 105 by the resin film 106 on the surface of the alignment film. Therefore, the alignment regulating force of the alignment film on the liquid crystal material is suppressed.
Alternatively, even if the resin film 106 is thin and the liquid crystal material 107 and the alignment film 105 are partially in contact with each other, the alignment regulating force is substantially suppressed by the presence of the resin film 106.
In the above-described manner, the present invention aligns the liquid crystal material with the alignment film which is a uniaxial alignment means, while substantially reducing or invalidating the alignment regulating force of the subsequent alignment film. Therefore, it is possible to prevent the alignment regulating force of the alignment film from hindering the switching of the liquid crystal molecules.
[0087]
Further, by increasing the concentration of the resin material added to the liquid crystal material in order to form the resin film 106, or by controlling the type of the alignment film, the curing method, etc., the resin is in a column shape between the two substrates. It may be formed in a (columnar) shape. However, since this columnar resin is also formed after the liquid crystal material is aligned, there is almost no influence on the alignment of the liquid crystal material. This columnar resin can be kept constant by preventing the interval between the substrates from being increased, for example, when the display device has a large area, and the collapse of the layer structure can be prevented.
[0088]
In addition, the liquid crystal electro-optical device of the present invention has fewer alignment defects than a conventional liquid crystal electro-optical device having no resin film. As a result, the contrast ratio as an apparatus can be improved.
[0089]
Further, when the resin material used for the resin film 106 has high insulating properties, it becomes an insulating film, so that it can have a function of a short-circuit preventing film for preventing a short circuit between the upper and lower electrodes.
[0090]
In a liquid crystal electro-optical device using a normal ferroelectric liquid crystal, when alignment failure occurs, the liquid crystal material is heated to a temperature at which it becomes an Iso (isotropic) phase, and then cooled to the liquid crystal phase. In the above-described present invention, since the alignment regulating force of the uniaxial alignment means is reduced by the resin film in the present invention, the alignment state is not sufficiently repaired even if this method is used.
[0091]
However, in the device of the present invention, the liquid crystal material is not Iso but SmA. * Phase or N * It was found that the alignment state was repaired by heating to a phase and maintaining the temperature for a certain period of time. Therefore, even if a poor alignment state occurs in the apparatus of the present invention, it can be repaired.
[0092]
That is, the liquid crystal electro-optical device is raised to the temperature shown below depending on the type of liquid crystal material, held at that temperature for a certain time, and then gradually cooled. First, as the temperature
(1) Iso-N * -SmA-SmC * In the case of liquid crystal material having a phase sequence of -Cry, N * Temperature showing phase or SmA phase.
(2) Iso-SmA-SmC * In the case of a liquid crystal material having a phase sequence of -Cry, the temperature indicating the SmA phase.
And
[0093]
Next, the apparatus is preferably maintained at the temperature shown above for several minutes or more, preferably for 10 to 60 minutes.
[0094]
By adopting the above method, the orientation of the device of the present invention in a state where the mixture of the liquid crystal material and the resin material is injected, slowly cooled, and then the resin is cured can be improved, and an orientation defect has occurred. In this case, good orientation can be obtained and the contrast ratio can be improved.
[0095]
In addition, when the resin film 106 is formed as in the present invention, undesired charges due to impurities in the liquid crystal material are substantially eliminated due to cleavage of the reaction initiator and curing of the resin material. Therefore, when a voltage is applied between the electrodes, a current flows only when the spontaneous polarization of the liquid crystal material is reversed, and no excess current flows at other times. Thereby, more stable and high-speed switching can be realized.
[0096]
The configuration of the present invention is effective not only in a simple matrix type liquid crystal electro-optical device but also in an active matrix type device in which a switching element is connected to each pixel.
[0097]
According to the present invention, after the alignment of the liquid crystal material, the uniaxial alignment regulating force with respect to the liquid crystal material disappears or decreases, and the inhibition of switching of the liquid crystal molecules can be prevented. As a result, switching speed could be increased. Moreover, orientation defects could be reduced. Moreover, the occurrence of a short circuit between the electrodes could be prevented.
[0098]
Further, even when the uniaxial orientation is suppressed, it is possible to improve the orientation of the liquid crystal material and repair the alignment disorder.
[0099]
[Domainless switching by resin film]
In addition, the other main configuration of the present invention is
Between a pair of substrates having electrodes inside,
When no electric field is applied, the spiral structure is solved,
And sandwiching a uniaxially oriented ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material,
The substrate surface has a resin film in contact with the liquid crystal material,
Switching of the liquid crystal material by an electric field applied to the electrode is performed without generating a domain.
A liquid crystal electro-optical device.
[0100]
In addition, the other main configuration of the present invention is
Between a pair of substrates having electrodes inside, a helical structure is unwound when no electric field is applied, and a uniaxially oriented ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is sandwiched,
The substrate surface has a resin film in contact with the liquid crystal material,
The orientation vector orientation of liquid crystal molecules is continuously changed by the electric field applied to the electrode.
A liquid crystal electro-optical device.
[0101]
In addition, the other main configuration of the present invention is
Between a pair of substrates having electrodes inside, a helical structure is unwound when no electric field is applied, and a uniaxially oriented ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is sandwiched,
At least one of the pair of substrates has an alignment film for uniaxially aligning the liquid crystal material,
The substrate surface and the alignment film surface have a resin film in contact with the liquid crystal material,
The orientation vector orientation of liquid crystal molecules is continuously changed by the electric field applied to the electrode.
A liquid crystal electro-optical device.
[0102]
In addition, the other main configuration of the present invention is
Between a pair of substrates having electrodes inside, a helical structure is unwound when no electric field is applied, and a uniaxially oriented ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is sandwiched,
One of the substrates has a switching element connected to the pixel electrode,
At least one of the pair of substrates has an alignment film for uniaxially aligning the liquid crystal material,
The substrate surface and the alignment film surface have a resin film in contact with the liquid crystal material,
The orientation vector orientation of liquid crystal molecules is continuously changed by the electric field applied to the electrode.
A liquid crystal electro-optical device.
[0103]
In addition, the other main configuration of the present invention is
Between a pair of substrates having electrodes on both inner surfaces and uniaxial orientation means on one or both,
Sandwiching a mixture of an uncured resin having a monomer amount of 60% or more by weight in a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material,
After the liquid crystal material is uniaxially aligned according to the alignment regulating force of the alignment means,
Curing the uncured resin and curing the uncured resin in a film on the substrate surface
This is a method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device.
[0104]
According to another aspect of the present invention, in the method for manufacturing the liquid crystal electro-optical device,
Uncured resin must be UV curable resin
This is a method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device.
[0105]
In the present invention, in a liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric or anti-ferroelectric liquid crystal material, switching without domain generation (domainless switching) is performed.
The present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows an active matrix driving type liquid crystal electro-optical device according to the present invention. 9, 1101 and 1102 are translucent substrates, 1103 is a counter electrode, 1104 is a pixel electrode, 1105 is a thin film transistor (TFT) as a switching element, and 1106 is a liquid crystal material such as an alignment film arranged in a certain direction. 1107 is a resin film, and 1108 is a ferroelectric liquid crystal material. Here, the liquid crystal material 1108 is uniaxially aligned according to the alignment means 1106. Polarizing plates 1109 and 1110 are provided on the outer surfaces of the translucent substrates 1101 and 1102.
[0106]
As the uniaxial alignment treatment method used in the above configuration, it is possible to use a rubbing treatment of an alignment film made of an organic polymer or the like as in the conventional method. Also, the rubbing condition is rubbed in one direction on the alignment film by a roller wound with a cloth or the like as in the conventional case. Further, the alignment film may be formed on both substrates or only on one substrate. As other uniaxial alignment methods, various alignment methods such as a magnetic field alignment method, a shear stress method, a temperature gradient method, and an oblique deposition method can be used.
[0107]
In order to fabricate this liquid crystal electro-optical device, a liquid crystal material and a reaction initiator are added to a pair of translucent substrates 1101 and 1102 having electrodes 1103 and 1104 whose substrate spacing is determined by a spacer (not shown). The liquid crystal material is uniaxially aligned by sandwiching the mixture with the uncured resin. After that, by applying means for curing the uncured resin mixed in the liquid crystal material, the uncured resin is cured as a film on the surface of the alignment means or the electrode in contact with the liquid crystal material, and the resin film 1107. It becomes. Some resins cure in columns between substrates (not shown).
[0108]
At this time, since the resin is cured after the liquid crystal material is aligned according to the alignment means, the resin can be cured in a thin film on the alignment film while maintaining a good alignment state before curing. As a result, the cured resin does not adversely affect the alignment of the liquid crystal material, the occurrence of alignment defects can be prevented, and the decrease in contrast can be prevented.
[0109]
The resin material used in the above structure desirably has a mixed state with a liquid crystal material at a high temperature and is separated from the liquid crystal material when the temperature is lowered. Further, it is highly desirable that the uncured resin does not contain a solvent in order to cure the resin while being sandwiched between the two substrates. Furthermore, since the separation of the liquid crystal material and the resin and the formation of the alignment state of the liquid crystal material largely depend on the temperature, it is desirable that the resin be cured by a factor different from the temperature. Considering such matters, it is preferable to use, for example, an ultraviolet curable resin as an uncured resin and ultraviolet rays as a curing means. Further, it is desirable that the resin has high compatibility with the liquid crystal material so that it is difficult to separate during injection, and the amount of monomer in the resin is preferably 60% or more, and more preferably 80% or more.
[0110]
The present inventors provide a resin film in contact with a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material on a substrate or an alignment film or electrode on the substrate, such as a device using a nematic liquid crystal material, It was discovered that a switching state (domainless switching) in which the gradation does not change evenly according to the electric field strength can be obtained without generating a domain.
[0111]
Originally, uniaxially oriented ferroelectric liquid crystal has SmC * In the phase, the liquid crystal molecules remain at the same angle with respect to the normal of the layer and remain at the same probability at any position on the side of the cone with the normal of the layer as the axis. The direction is free. This state is called goldstone mode. In the above-described surface stabilization type device, it is considered that the orientation of the orientation vector that the molecule can take in the goldstone mode is switching limited to two specific directions.
[0112]
If switching without this limitation can be realized, all the liquid crystal materials in the region to which the electric field is applied are uniformly generated without generating domains when an electric field is applied to the liquid crystal material continuously. In addition, it has been considered that switching in which the amount of transmitted light continuously changes according to the strength of the electric field becomes possible.
[0113]
In particular, the gradation display method using the electric field strength is a method already performed in the TN and STN type liquid crystal electro-optical devices, and therefore there is an advantage that this technique can be applied as it is.
[0114]
Even in cells that use ferroelectric liquid crystals, there have been reports of examples in which the amount of transmitted light in any region has been changed uniformly without domain generation, even though this is a limited range so far. However, it has been difficult to produce such a device with high productivity.
[0115]
According to the configuration of the present invention, the liquid crystal material in the entire region to which the electric field is applied can be switched in such a manner that the amount of transmitted light continuously changes uniformly according to the strength of the electric field without generation of domains. Also in the production, it can be produced in almost the same process as a conventional surface stable type apparatus, and has high productivity.
[0116]
The liquid crystal electro-optical device of the present invention is considered to be in a state in which the liquid crystal molecules can freely take the orientation vector, unlike the conventional surface stable type device. As a result, switching of a liquid crystal electro-optical device having a configuration in which a liquid crystal material using a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material suppresses a helical structure that the liquid crystal material exhibits in a bulk state is performed without causing domain generation. Thus, the entire region to which the electric field is applied can be changed uniformly, and high-speed halftone display due to the electric field change can be easily performed. Therefore, gradation display by electric field strength can be performed at extremely high speed.
[0117]
In the present invention, the resin film is considered to have an action of relaxing anchoring of the alignment film and the electrode with respect to the liquid crystal material.
[0118]
In addition, the response of the liquid crystal molecules has been improved, and when the liquid crystal material is driven, the conventional bistable type has a two-stage inversion state between light and dark because of switching with domains, and only one stage is required. The steepness is greatly improved.
[0119]
In the device of the present invention, the liquid crystal material does not have bistability. Therefore, the configuration of the present invention is particularly suitable for an active matrix drive type device having a switching element in each pixel.
[0120]
Further, in the configuration of the present invention, the threshold value at the time of switching is lower than that of the conventional bistable type device. For this reason, it is possible to perform low-voltage driving as compared with the conventional bistable type device.
[0121]
In the above-described apparatus of the present invention, in addition to the case where the amount of transmitted light changes uniformly over the entire pixel part, depending on the production conditions such as the liquid crystal used, the resin material, the resin curing conditions, etc. There may be a case in which domain generation (reversal) in a minute region is mixed.
[0122]
Note that the resin may be formed in a column shape (columnar shape) between two substrates depending on the concentration of the resin material added to the liquid crystal material. This is a useful method when it is necessary to keep the substrate interval constant, for example, when the display device has a large area.
[0123]
In addition, N * The temperature is increased to the temperature shown in the phase or SmA phase, and is kept constant for 10 min or more, preferably 10 to 30 min at that temperature, and then gradually cooled to room temperature again. By this method, the alignment state of the liquid crystal material can be further improved.
[0124]
[Domainless switching and frame gradation]
In addition, the other main configuration of the present invention is
Between a pair of substrates having electrodes inside, a helical structure is unwound when no electric field is applied, and a uniaxially oriented ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is sandwiched,
One of the substrates has a switching element connected to the pixel electrode,
At least one of the pair of substrates has an alignment film for uniaxially aligning the liquid crystal material,
The substrate surface and the alignment film surface have a resin film in contact with the liquid crystal material,
The direction of the orientation vector of the liquid crystal molecules is continuously changed by the electric field applied to the electrode,
Frame gradation display by controlling transmission and non-transmission of each pixel with multiple frames
A liquid crystal electro-optical device.
[0125]
In addition, the other main configuration of the present invention is
Between a pair of substrates having electrodes inside, a helical structure is unwound when no electric field is applied, and a uniaxially oriented ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material is sandwiched,
One of the substrates has a switching element connected to a pixel electrode, and at least one of the substrates has an alignment film for uniaxially aligning the liquid crystal material,
A resin film is provided on the substrate surface and the alignment film surface in contact with the liquid crystal material,
Controlling the amount of transmitted light by continuously changing the orientation vector orientation of the liquid crystal molecules by the electric field applied to the electrode,
In addition, frame gradation display is performed by controlling transmission and non-transmission of each pixel by a plurality of frames.
A liquid crystal electro-optical device.
[0126]
According to another aspect of the invention, in the liquid crystal electro-optical device,
One frame is divided into N (natural numbers of 2 or more) subframes having different durations,
T is the duration of the shortest subframe. 0 And the duration of these subframes is T 0 2T 0 2 2 T 0 ・ ・ ・ ・ ・ ・ 2 N T 0 Driven by a display method that is either
A liquid crystal electro-optical device.
[0127]
In the active matrix driving type liquid crystal electro-optical device in which each pixel is provided with a switching element using a ferroelectric or anti-ferroelectric liquid crystal material, switching without domain generation (domainless switching) is provided. And frame gradation display.
[0128]
An example of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 17 shows an active matrix driving type liquid crystal electro-optical device according to the present invention. In FIG. 17, 2101 and 2102 are translucent substrates, 2103 is a counter electrode, 2104 is a pixel electrode, 2105 is a thin film transistor (TFT) as a switching element, and 2106 is a liquid crystal material such as an alignment film arranged in a certain direction. The uniaxial orientation means, 2107 is a resin film, and 2108 is a ferroelectric liquid crystal material. Here, the liquid crystal material 2108 is uniaxially aligned according to the alignment means 2106. Polarizing plates 2109 and 2110 are provided on the outer surfaces of the translucent substrates 2101 and 2102.
[0129]
As the uniaxial alignment treatment method used in the above configuration, it is possible to use a rubbing treatment of an alignment film made of an organic polymer or the like as in the conventional method. Also, the rubbing condition is rubbed in one direction on the alignment film by a roller wound with a cloth or the like as in the conventional case. Further, the alignment film may be formed on both substrates or only on one substrate. As other uniaxial alignment methods, various alignment methods such as a magnetic field alignment method, a shear stress method, a temperature gradient method, and an oblique deposition method can be used.
[0130]
In order to fabricate this liquid crystal electro-optical device, a liquid crystal material and a reaction initiator are added to a pair of translucent substrates 2101 and 2102 having electrodes 2103 and 2104, the distance between the substrates being determined by a spacer (not shown). The liquid crystal material is uniaxially aligned by sandwiching the mixture with the uncured resin. After that, by applying means for curing the uncured resin mixed in the liquid crystal material, the uncured resin is cured as a film on the surface of the alignment means or the electrode in contact with the liquid crystal material, and the resin film 2107. It becomes. Some resins cure in columns between substrates (not shown).
[0131]
At this time, since the resin is cured after the liquid crystal material is aligned according to the alignment means, the resin can be cured in a thin film on the alignment film while maintaining a good alignment state before curing. As a result, the cured resin does not adversely affect the alignment of the liquid crystal material, the occurrence of alignment defects can be prevented, and the decrease in contrast can be prevented.
[0132]
The resin material used in the above structure desirably has a mixed state with a liquid crystal material at a high temperature and is separated from the liquid crystal material when the temperature is lowered. Further, it is highly desirable that the uncured resin does not contain a solvent in order to cure the resin while being sandwiched between the two substrates. Furthermore, since the separation of the liquid crystal material and the resin and the formation of the alignment state of the liquid crystal material largely depend on the temperature, it is desirable that the resin be cured by a factor different from the temperature. Considering such matters, it is preferable to use, for example, an ultraviolet curable resin as an uncured resin and ultraviolet rays as a curing means. Further, it is desirable that the resin has high compatibility with the liquid crystal material so that it is difficult to separate during injection, and the amount of monomer in the resin is preferably 60% or more, and more preferably 80% or more.
[0133]
As described above, the present inventors provide a device using a nematic liquid crystal material by providing a resin film in contact with a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material on a substrate or an alignment film or electrode on the substrate. It was found that a switching state (domainless switching) in which the gradation does not occur and the gradation changes uniformly according to the electric field strength can be obtained.
[0134]
According to the above-described configuration of the present invention, the liquid crystal material in the entire region to which the electric field is applied can be switched so that the amount of transmitted light continuously changes uniformly according to the strength of the electric field without generating the domain. Also in the production, it can be produced in almost the same process as a conventional surface stable type apparatus, and has high productivity.
[0135]
In addition, the response of the liquid crystal molecules has been improved, and when the liquid crystal material is driven, the conventional bistable type has a two-stage inversion state between light and dark because of switching with domains, and only one stage is required. The steepness is greatly improved.
[0136]
Further, in the configuration of the present invention, the threshold value at the time of switching is lower than that of the conventional bistable type device. For this reason, it is possible to perform low-voltage driving as compared with the conventional bistable type device.
[0137]
In addition, the present inventors undesirably destabilize the state of the liquid crystal present in the liquid crystal layer (material) by mixing an uncured resin in the liquid crystal material, injecting it between the substrates, and then curing it. It was discovered that the effects of various charges can be eliminated.
[0138]
As this action, the above-mentioned undesired charges are taken into the resin when the resin material is cured, or the reaction initiator generally mixed in the uncured resin is diffused into the liquid crystal material to cure the resin. It is conceivable that the electric charge is sometimes cleaved to generate an electric charge, and the undesired electric charge is adsorbed or bonded to the electric charge.
[0139]
According to the present invention, charge transfer and charge accumulation at the alignment film liquid crystal interface, which have been problems in the past, are eliminated. Therefore, when a voltage is applied between the electrodes, the spontaneous polarization is rapidly reversed and fully reversed. Moreover, the change with time of the display state after the inversion was also eliminated. In addition, since there are no liquid crystal molecules adsorbed on the substrate, the entire liquid crystal layer between the electrodes undergoes a state change at the same time as voltage is applied, and more stable optical characteristics can be obtained. Therefore, a display having a high speed and a high contrast ratio can be realized.
[0140]
In the configuration of the present invention, the liquid crystal material does not have bistability, but since the active matrix driving is performed, the bistability of the liquid crystal material itself is not necessary. In addition, gray scale display is possible by the electric field strength. Therefore, according to the present invention, high-speed and high-contrast gradation display can be realized both in halftone by frame gradation and halftone by electric field by domainless switching, and each can be used independently. By combining the two, a liquid crystal electro-optical device with very high speed and multi-gradation display and high image quality can be obtained.
[0141]
In the apparatus of the present invention, in addition to the case where the transmitted light amount changes uniformly over the entire pixel portion, depending on the manufacturing conditions such as the liquid crystal used, the resin material, and the resin curing conditions, the transmitted light amount varies with the uniform change. In some cases, domain generation (reversal) in a certain region is mixed.
[0142]
In addition, N * The temperature is increased to the temperature shown in the phase or SmA phase, and is kept constant for 10 min or more, preferably 10 to 30 min at that temperature, and then gradually cooled to room temperature again. By this method, the alignment state of the liquid crystal material can be further improved.
[0143]
Further, depending on the concentration of the resin material added to the liquid crystal material or the like, the resin may be deposited in a column shape (columnar shape) between the two substrates and may be scattered in the apparatus. This is a useful method when it is necessary to keep the substrate interval constant, for example, when the display device has a large area.
[0144]
This column-shaped resin prevents the expansion and reduction of the distance between the substrates, and improves the strength of the substrate to prevent the occurrence of distortion, suppresses the collapse of the liquid crystal layer structure and display unevenness, etc. Can also be used. Further, the alignment is not disturbed. Therefore, a liquid crystal electro-optical device using a large area ferroelectric liquid crystal can be realized.
[0145]
When the display portion of the device after separation and deposition of the resin is viewed from the substrate surface, sufficient performance as a liquid crystal electro-optical device can be obtained if the proportion of the area occupied by the column-cured resin is 0.1 to 20%. .
[0146]
With the above configuration, the present invention realizes a liquid crystal electro-optical device using a high-speed, high-contrast ferroelectric liquid crystal by removing undesired charges in the liquid crystal layer, and digital gradation using high-quality frame gradation Is possible.
[0147]
Further, gradation display by electric field strength can be easily performed, and excellent gradation display can be performed with a very high number of gradations in combination with the frame gradation.
[0148]
In addition, the liquid crystal electro-optical device of the present invention can greatly reduce the voltage at which the ferroelectric liquid crystal material switches at high speed compared to the conventional bistable device, and can reduce power consumption.
[0149]
Further, it is possible to realize a liquid crystal electro-optical device that prevents the increase in the area of the substrate by using a resin and does not break the layer structure of the liquid crystal material even when the area is increased.
[0150]
In addition, the function of removing the effect of unwanted charges was obtained by mixing only a reaction initiator usually added in a commercially available resin into the liquid crystal material and then cleaving with ultraviolet rays or the like. Even if the amount of the reaction initiator added to the resin is changed, the resin may be divided into a resin material (monomer or oligomer) and a reaction initiator and mixed separately.
[0151]
[Domainless switching with multiple protrusions]
In addition, the other main configuration of the present invention is
A pair of opposing substrates;
A ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material sandwiched between the pair of substrates and having a spiral structure suppressed and uniaxially oriented;
Electrodes for applying a voltage to the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material provided on the pair of substrates;
A plurality of convex portions provided on a surface in contact with the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material;
A liquid crystal electro-optical device.
[0152]
In addition, the other main configuration of the present invention is
A pair of opposing substrates;
A ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material sandwiched between the pair of substrates and having a spiral structure suppressed and uniaxially oriented;
Electrodes for applying a voltage to the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material provided on the pair of substrates;
A plurality of convex portions made of a resin material provided on a surface in contact with the ferroelectric liquid crystal or the anti-ferroelectric liquid crystal;
A liquid crystal electro-optical device.
[0153]
In addition, the other main configuration of the present invention is
A pair of opposing substrates;
A ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material sandwiched between the pair of substrates and having a spiral structure suppressed and uniaxially oriented;
Electrodes for applying a voltage to the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material provided on the pair of substrates;
A plurality of convex portions having a diameter of about 500 nm or less, made of a resin material, provided on a surface in contact with the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material;
A liquid crystal electro-optical device.
[0154]
In addition, the other main configuration of the present invention is
A pair of translucent substrates facing each other;
A plurality of stripe-shaped electrodes provided on the inner surface of one of the pair of translucent substrates;
A plurality of stripe-shaped electrodes provided on an inner surface of the other light-transmissive substrate of the pair of light-transmissive substrates and orthogonal to the plurality of stripe-shaped electrodes;
A polarizing plate provided on the outer surface of the pair of translucent substrates;
A ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material sandwiched between the pair of translucent substrates and having a spiral structure suppressed and uniaxially oriented;
A plurality of convex portions made of a resin material provided on a surface in contact with the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material;
A liquid crystal electro-optical device.
[0155]
In addition, the other main configuration of the present invention is
A pair of translucent substrates facing each other;
A plurality of switching elements and a pixel electrode connected to the switching elements provided on an inner surface of one of the pair of translucent substrates;
A counter electrode provided on the inner surface of the other translucent substrate of the pair of translucent substrates;
A polarizing plate provided on the outer surface of the pair of translucent substrates;
A ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material sandwiched between the pair of translucent substrates and having a spiral structure suppressed and uniaxially oriented;
A plurality of convex portions made of a resin material provided on a surface in contact with the ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material;
A liquid crystal electro-optical device.
[0156]
According to another aspect of the invention, in the liquid crystal electro-optical device,
The resin material must be UV curable
A liquid crystal electro-optical device.
[0157]
In addition, the other main configuration of the present invention is
Between a pair of translucent substrates having electrodes on the inner surface, a mixture of a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material and an uncured resin material containing 40% by weight or more of the monomer is filled. Process,
Precipitating the uncured resin material from the mixture;
Aligning the liquid crystal material;
Curing the uncured resin material;
A method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device.
[0158]
In addition, the other main configuration of the present invention is
Between a pair of translucent substrates having electrodes on the inner surface, a mixture of a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material and an uncured resin material containing 60 to 90% by weight of monomer is contained. Filling process,
Precipitating the uncured resin material from the mixture;
Aligning the liquid crystal material;
Curing the uncured resin material;
A method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device.
[0159]
In addition, the other main configuration of the present invention is
A monomer that is a mixture of a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material and an uncured resin material between a pair of translucent substrates having electrodes on the inner surface, the monomer being contained in the uncured resin material Filling the amount of which is 2.0% by weight or more of the mixture;
Precipitating the uncured resin material from the mixture;
Aligning the liquid crystal material;
Curing the uncured resin material;
A method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device.
[0160]
According to another aspect of the present invention, in the method for manufacturing the liquid crystal electro-optical device,
The uncured resin material is UV curable,
The process of curing the uncured resin material is UV irradiation
This is a method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device.
[0161]
The basic configuration of the present invention will be described with reference to FIG.
Here, an example of a simple matrix liquid crystal electro-optical device is shown.
Here, alignment means 3114 and 3115 for uniaxially aligning liquid crystal molecules are formed on at least one substrate surface over a light-transmitting substrate 3111 and 3110 having electrodes 3112 and 3113.
The distance between the substrates is uniformly controlled by the spacer 3118. The substrate interval is narrow enough to suppress the helical structure of the liquid crystal molecules. Both substrates are fixed with a sealant 3119. A liquid crystal material 3116 is sandwiched between the substrates. The liquid crystal material 3116 is uniaxially aligned according to the alignment means 3114 and 3115.
[0162]
On the other hand, a plurality of fine protrusions 3117 are mainly formed on the alignment means 3114 and 3115 in contact with the surface of the liquid crystal material. The convex portion 3117 is made of resin. Further, polarizing plates 3120 and 3121 are provided on the outer surface of the translucent substrate.
When the alignment means is formed only on one of the substrates, the convex portion 3117 is formed, for example, on the alignment means 3114 and the translucent substrate 3111 or the electrode 3113 on this substrate. Further, when an insulating film or a ferroelectric thin film is provided on one or both substrates in contact with the liquid crystal material, a convex portion 3117 is formed thereon.
[0163]
As the uniaxial alignment method, various methods such as a magnetic field alignment method, a shear stress method, a temperature gradient method, and an oblique deposition method can be used in addition to the rubbing method using an alignment film.
[0164]
In order to fabricate the liquid crystal electro-optical device, an uncured resin is mixed with a ferroelectric liquid crystal or an anti-ferroelectric liquid crystal, heated to an isotropic phase and mixed well, and this mixture is injected between substrates. The liquid crystal is again SmC * Cool until showing phase (usually room temperature). In this process, the liquid crystal is aligned according to the alignment regulating force of the uniaxial alignment means, and a good extinction position can be confirmed under a polarizing microscope. The resin is separated and deposited from the mixture in the form of being discharged between liquid crystal molecules or between layers. When the resin is almost completely separated from the liquid crystal, it is cured and insoluble in the liquid crystal. Since these resins are discharged along with the alignment of the liquid crystal and are separated and deposited, naturally the alignment of the liquid crystal is not disturbed.
[0165]
When the liquid crystal material was evaporated on the substrate after the resin was cured and observed with a scanning electron microscope (SEM), the substrate was composed of a resin having a height of about several tens of nm, a diameter of several tens to several hundreds of nm, and about 500 nm or less. A large number of fine convex portions can be confirmed. In some cases, the convex portions are uniformly distributed on the surface as a whole, and a plurality of convex portions are partially connected.
[0166]
In this manner, a plurality of fine protrusions can be provided on the surface in contact with the liquid crystal material, that is, on the surface of the substrate, the translucent substrate, the alignment film, the insulating film, or the like.
[0167]
Further, with respect to the liquid crystal electro-optical device having such a configuration, the applied voltage is controlled, and the switching in which the amount of transmitted light is continuously changed without the occurrence of a domain is possible, so that a halftone can be obtained. Further, a substantially uniform gradation can be obtained in a region to which the same voltage is applied, for example, in one pixel. Even if the switching state is observed with a polarizing microscope, the presence of the domain is not confirmed at least visually.
[0168]
Various resins can be used as the resin used here. Considering that the liquid crystal undergoes layer deformation due to heat and that the liquid crystal and the resin must be separated, it is desirable to use a resin that is cured by a factor other than heat.
For example, an ultraviolet curable resin that is cured by ultraviolet irradiation is extremely preferable.
[0169]
In addition, in order to produce fine protrusions composed of resin, the resin used should be low viscosity and easy to follow the alignment of the liquid crystal, and contains a lot of low molecular resin (hereinafter referred to as monomer) depending on the molecular weight. It is better to be
[0170]
Usually, the resin is composed of a monomer, an oligomer (polymer resin), and a reaction initiator. This resin is mixed in the liquid crystal material by about 0.1 to 20%, preferably about 1 to 10%.
[0171]
It is desirable that the composition of the resin material is such that the amount of the monomer is 2% by weight or more based on the mixture of the liquid crystal material and the resin material, and mixed in the liquid crystal material.
Further, it is desirable that the composition of the resin material is constituted so that the amount of the monomer is 40% by weight or more, preferably 60 to 90% by weight of the resin material, and mixed in the liquid crystal material.
[0172]
When the amount of monomer is small, the number of convex portions to be formed is reduced, and switching in which the amount of transmitted light continuously changes without generation of domains and switching between light and dark two states in which domains occur, or Only the latter switching is likely to occur, and conversely, if the amount of monomer is large, switching causes the amount of transmitted light to change continuously without the occurrence of domains, but optical characteristics such as contrast ratio tend to decrease.
The monomer is preferably an acrylic monomer.
[0173]
By making the composition of the resin in this way, the produced liquid crystal electro-optical device has a height of several tens of nm, a diameter of several tens to several hundreds of nm, and about 500 nm on the substrate or the surface of the electrode, alignment film, etc. on the substrate. The following convex parts are formed.
[0174]
Further, the resin may be formed in a column shape (columnar shape) between the substrates. This has a function of bonding the two substrates to prevent the substrate interval from being increased, and is useful when the substrate interval needs to be kept constant, and facilitates an increase in the area of the substrate.
[0175]
Further, after curing the resin, N * When the temperature is raised to the temperature at which the layer or SmA layer is shown, and kept at that temperature for 10 minutes or more, desirably 10 to 30 minutes, and then cooled to room temperature again, the alignment state of the liquid crystal material may be improved.
[0176]
In the liquid crystal electro-optical device of the present invention, it is extremely effective to provide each pixel with an active matrix drive type configuration having switching elements such as thin film transistors and thin film diodes.
[0177]
By adopting the above-described configuration, in the liquid crystal electro-optical device using the ferroelectric liquid crystal or the anti-ferroelectric liquid crystal, the transmitted light amount can be continuously changed to obtain a halftone. The reason for this is the alignment described above. In addition to the decrease in the anchoring force of the film, the following can also be considered.
[0178]
When the state of switching in a conventional liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric liquid crystal or an anti-ferroelectric liquid crystal is observed under a polarizing microscope, a dark domain is formed in a bright state by applying a gradually higher voltage. In addition, it can be seen that a bright domain appears in many places in a dark state, and each area gradually increases (hereinafter referred to as growth). That is, the switching of ferroelectric liquid crystal or antiferroelectric liquid crystal is a chain reaction in which the liquid crystal molecules present around the liquid crystal molecules are inverted one after another when a part of the liquid crystal molecules are inverted. Switching.
[0179]
On the other hand, when a plurality of fine protrusions are provided on a substrate as in the present invention, these exist in a size and shape that do not disturb the alignment of liquid crystal molecules between layers or adjacent liquid crystal molecules. . If there is such a convex portion as in the present invention, a part of the liquid crystal molecules are inverted, and adjacent liquid crystal molecules are inverted in a chain reaction, but the inversion chain is broken by the convex portion, I think that it will not induce further inversion of liquid crystal molecules.
[0180]
That is, the protrusions on these substrates prevent adjacent liquid crystal molecules from being inverted in a chain reaction, so that the liquid crystal molecules or extremely fine domains do not induce the inversion of the surrounding liquid crystal molecules, Each is considered to be independently inverted.
[0181]
Therefore, in a specific region, for example, in one pixel region, a very fine region that exhibits a bright state and a dark state appears at a specific ratio with respect to a specific applied voltage, and the amount of transmitted light is reduced by the applied voltage without generating a domain. It seems to change continuously and obtain a halftone.
[0182]
When the switching of the liquid crystal electro-optical device of the present invention is observed under a polarizing microscope, the entire region to which the voltage is applied is changed from the bright state to the dark state, or from the dark state to the bright state by changing the applied voltage value. It was confirmed that the amount of transmitted light changed uniformly and continuously without occurrence.
[0183]
In the liquid crystal electro-optical device of the present invention, the amount of transmitted light continuously and uniformly changes with the applied voltage value in the voltage application region, for example, in one pixel. Therefore, compared with the conventional area gradation method or pixel division method, the area required for obtaining gradation can be made extremely small, and a liquid crystal electro-optical device with high resolution and multiple gradations can be obtained.
[0184]
The liquid crystal electro-optical device of the present invention is characterized by its switching characteristics.
FIG. 22 shows optical characteristics when a conventional surface-stabilized liquid crystal electro-optical device is driven by a square wave of ± 1.5V.
[0185]
In FIG. 22, the optical characteristic with respect to the applied voltage at the time of switching from dark (Dark) to bright (Bright) or from bright to dark shows a two-stage response characteristic. That is, at the start of switching, first, the optical characteristics change very steeply, and then change gradually and the switching ends.
[0186]
On the other hand, FIG. 23 shows optical characteristics when the liquid crystal electro-optical device of the present invention is driven by a square wave of ± 1.5V.
In FIG. 23, the optical characteristics change sharply from the start to the end of switching, and do not have two stages as shown in FIG.
[0187]
Considering this difference, the two-step response in the conventional liquid crystal electro-optical device of FIG. 22 is that the first steep change in optical characteristics is caused by switching of liquid crystal molecules or micro domains at several locations. The gradual change in the optical characteristics in the second stage shows the state where the surrounding liquid crystal molecules are switched in a chain and the domain becomes larger according to the switching of the liquid crystal molecules or minute domains. It seems that there is.
[0188]
On the other hand, in the steep response in the liquid crystal electro-optical device of the present invention shown in FIG. 23, since the liquid crystal molecules or minute domains are switched in all regions, the optical characteristics change steeply from the start to the end of switching. I think that the.
[0189]
Further, as can be seen from the above, the liquid crystal electro-optical device of the present invention can perform high-speed and sufficient switching even at a low voltage as compared with the conventional one, so that the drive voltage can be lowered.
[0190]
As described above, according to the present invention, in a liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric liquid crystal or an anti-ferroelectric liquid crystal, continuous gradation change and halftone due to a change in applied voltage, such as nematic liquid crystal, can be easily performed. It came to be obtained. Therefore, it is possible to realize a liquid crystal electro-optical device in which transmitted light or reflected light is switched at high speed and has multiple gradations and high resolution. Moreover, the enlargement is easy. Furthermore, the drive voltage can be lowered.
[0191]
[Action]
As described above, in the liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric or antiferroelectric liquid crystal material, the present invention provides a resin or film on the surface of a substrate, electrode, alignment film, or the like that is in contact with the liquid crystal material. By providing it with a material or the like, problems such as switching and halftone display, which have been conventionally problematic, are solved.
[0192]
In the present invention, whether switching is accompanied by the generation of domains or changes continuously and continuously depends on the amount of monomer contained in the uncured resin material mixed in the liquid crystal material.
The uncured resin material is composed of a low molecular weight (molecular weight of about 1000 or less) monomer, a high molecular weight (molecular weight of about 1000 or more) oligomer, and a reaction initiator. Among these, when the amount of monomer is small, Switching is accompanied by the generation of domains, but as the amount of monomer is increased, the area in which each domain extends becomes smaller, while the number of areas in which the domain occurs increases. That is, in this state, it has bistability (memory property).
[0193]
As the amount of monomer is further increased, uniform and continuous switching is achieved without the occurrence of domains. In this state, no bistability (memory property) is observed.
In particular, when the amount of monomer in the resin material is 40% or more by weight, preferably 60% or more, and more preferably 80% or more, uniform and continuous switching without domain generation can be obtained. .
[0194]
Further, when the amount of oligomer contained in the resin material is increased, the amount of resin cured in a column shape increases. Conversely, when the amount of oligomer is decreased and the amount of monomer increases, the number of resins cured in a column shape decreases.
[0195]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples of the present invention are shown below.
[0196]
【Example】
[Example 1]
In this example, a simple matrix type liquid crystal electro-optical device shown in FIG. 1 was manufactured and each characteristic was evaluated. The substrates 101 and 102 of the liquid crystal cell are blue glass of 300 × 400 mm and a thickness of 1.1 mm, and pixel electrodes 103 and 104 are formed on the substrate by ITO (Indium Tin Oxide) to form a photoresist. It was fabricated by patterning.
[0197]
The alignment film material is a polyimide resin such as LQ-5200 (manufactured by Hitachi Chemical), LP-64 (manufactured by Toray), RN-305 (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.), and LP-64 is used here. The alignment film was diluted with a solvent such as n-methyl-2-pyrrolidone and applied to both substrates by spin coating. The coated substrate was heated at 250 to 300 ° C., here, 280 ° C. for 2.5 hours to dry the solvent, and the coating film was imidized and cured. The film thickness after curing was 300 mm.
[0198]
Next, the alignment film is rubbed. The rubbing may be performed by a normal method, and rubbed in one direction at a rotational speed of 450 to 900 rpm, here 450 rpm, with a roller having a diameter of 130 mm around which a cloth such as rayon or cotton is wound. The roll indentation height was 0.1 mm, and the stage speed was 20 mm / sec. Thus, the alignment film 105 was formed.
[0199]
Next, in order to make the space between the cells constant, 1.5 μm diameter brass balls (catalyst conversion) were sprayed on one substrate as a spacer 108. On the other substrate, in order to fix the two substrates, a two-component epoxy adhesive is printed and applied around the substrate as a sealing agent by screen printing, and then the two substrates are bonded and fixed. did.
[0200]
A mixture of liquid crystal material 107 and uncured polymer resin is injected into the cell. As the liquid crystal material, a phenyl pyrimidine-based ferroelectric liquid crystal was used. This liquid crystal has the phase sequence Iso-SmA-SmC * -Cry. The phase transition temperature is 85 ° C for Iso-SmA, SmA-SmC * Was 79 ° C. In addition, various kinds of ferroelectric liquid crystal materials such as biphenyl type and phenylnaphthalene type can be used. As the polymer resin, a commercially available ultraviolet curable resin was used. The liquid crystal material and the uncured polymer resin are mixed at a weight ratio of 95: 5. The mixture was stirred at a temperature at which it was in an Iso (isotropic) phase so as to mix uniformly. The phase transition temperature of the mixture was 5 to 20 ° C. lower than that of the liquid crystal material alone.
[0201]
The mixture was injected under vacuum by setting the liquid crystal cell and the mixture to 100 ° C. After the injection, the liquid crystal cell was gradually cooled at a rate of 2 to 20 ° C./hr, here 3 ° C./hr.
[0202]
The alignment state of this liquid crystal cell was observed with a polarizing microscope under crossed Nicols. The extinction position at a certain rotation angle, that is, the light incident on one polarizing plate did not pass through the other polarizing plate, as if the light was blocked. The state was obtained. This indicates that the liquid crystal material has a uniform alignment.
[0203]
At this time, when the stage was turned by about 20 ° from the extinction state, light leakage due to birefringence did not occur in the field of view of the microscope, and black portions were scattered. Since the uncured resin does not exhibit birefringence, this black state portion is a columnar shape formed by separating the uncured resin from the liquid crystal material.
[0204]
Next, ultraviolet rays were irradiated to cure the polymer resin in the mixture injected into the cell. Ultraviolet rays were irradiated from both sides of the cell in a direction perpendicular to the substrate surface with substantially the same intensity. By doing in this way, the thickness of the resin film formed in both board | substrates can be equal compared with the case where an ultraviolet-ray is irradiated only from one side. This is because the alignment regulating force of the alignment film may not be sufficiently suppressed. Irradiation intensity is 3-30mW / cm 2 Here, 10mW / cm 2 The irradiation time was 0.5 to 5 min, and here 1 min.
[0205]
After the ultraviolet irradiation, the alignment state of the liquid crystal cell was observed under a polarizing microscope in the same manner as described above, but the alignment state hardly changed. There was no effect on the alignment state of UV irradiation.
[0206]
Next, the optical characteristics of the liquid crystal cell were measured. In the measuring method, in a polarizing microscope using a halogen lamp as a light source, a triangular wave of ± 30 V and 5 Hz is applied between the electrodes under crossed Nicols, and the transmitted light intensity of the cell is detected by a photomultiplier. The contrast ratio measured at that time was 100, which was sufficient as a liquid crystal electro-optical device. Here, the contrast ratio is a ratio of transmitted light intensity when 30V is applied to transmitted light intensity when -30V is applied. On the other hand, a liquid crystal electro-optical device composed of a liquid crystal material alone without mixing resin has a contrast ratio of 80 in the measurement under the same conditions.
[0207]
Next, the current-voltage characteristics were measured in the liquid crystal electro-optical device of this example. FIG. 2 shows a waveform obtained by applying a triangular wave of ± 30 V, 5 Hz to a pair of electrodes of the liquid crystal cell of the present invention and measuring the applied voltage and the current between the electrodes with an oscilloscope. The value of the current is obtained by measuring the voltage across a 100 kΩ resistor connected in series with one electrode. As shown in FIG. 3 schematically showing the waveform of FIG. 2, the current 202 flowing when the spontaneous polarization of the ferroelectric liquid crystal material reverses with the change in the polarity of the electric field changes sharply, and the response speed Is extremely fast. There was no current component other than the current component 202 and the capacitance component 201 between the pixel electrodes.
[0208]
FIG. 4 shows the result of measuring the current-voltage characteristics with an oscilloscope in the same manner in a liquid crystal cell having a conventional structure (same conditions except that no resin is used). As shown in FIG. 5 schematically showing the waveform of FIG. 4, the current component 204 when the spontaneous polarization is reversed is larger than that of the liquid crystal cell of the present invention of FIG. It can be seen that the response speed is slow. This is considered to suggest that the alignment regulating force of the alignment film prevents the reversal of spontaneous polarization. In addition, a current component 203 that appears slightly later than the switching of spontaneous polarization appears. Such an excess current flows, resulting in a decrease in response speed and cotton last ratio. This is thought to be due to the presence of extra charges due to impurities or the like in the liquid crystal material.
[0209]
Even if the entire cell is viewed with the naked eye, the presence of the resin is completely unknown.
[0210]
In order to see the state of the resin film on the alignment film in more detail, the substrate prepared by the above method was cleaned with alcohol and then observed with an atomic force microscope (AFM). The results are shown in FIG. For comparison, an observation image of the alignment film after rubbing before injecting the mixture of the resin material and the liquid crystal material is shown in FIG. According to this, it can be seen that the resin film 106 having a thickness of 10 to 30 nm is formed so as to cover almost the entire surface of the alignment film 105, and the resin is also covered with scratches caused by the rubbing treatment. Therefore, it is considered that the alignment regulating force of the alignment film is remarkably suppressed. Further, since this resin film was transparent and extremely thin, there was almost no attenuation of transmitted light.
[0211]
The phase transition temperature after curing the resin was about several degrees lower than that of the liquid crystal material alone. Here, the cell was raised to 80 ° C. at which the liquid crystal material exhibited the SmA phase, held at the temperature for 10 to 60 minutes, here 20 minutes, and then gradually cooled at a rate of 3 ° C./hr. Then, the alignment defects were further improved, and the contrast ratio of 120 was obtained when the optical characteristics were measured.
[0212]
However, when the cell after the resin curing was once heated to 86 ° C. showing an isotropic phase, and the cell was gradually cooled in the same manner as described above, the alignment of the liquid crystal material was partially disturbed. This also shows that the alignment regulating force that imparts uniaxial alignment to the liquid crystal material is suppressed by the resin film on the alignment film.
[0213]
Moreover, the short circuit between electrodes was hardly seen, and it was found that the resin film on the alignment film functions as a short-circuit prevention film. By increasing the amount of the resin material to be mixed and increasing the thickness of the formed resin film, it is possible to more reliably prevent a short circuit.
[0214]
Polarizing plates 109 and 110 are provided on the outer surfaces of the substrates 101 and 102.
[0215]
In this example, a commercially available UV curable resin is used as it is as a resin material. However, the amount of the oligomer with respect to the entire resin material is increased to change the compatibility between the liquid crystal material and the resin, or the type of the alignment film material and rubbing. By changing the conditions, it is possible to control the amount of adhesion of the resin film on the alignment film.
[0216]
In addition, the amount of the resin can be intentionally varied between the two substrates by changing the type of the alignment film and the rubbing density on both the substrates, or by irradiating ultraviolet rays only from one side.
[0217]
[Example 2]
In this embodiment, an example is shown in which the present invention is applied to an active matrix liquid crystal electro-optical device in which a crystalline silicon TFT (thin film transistor) is provided in each pixel as a switching element.
[0218]
Mobility 100 formed by crystallizing an amorphous silicon film on a silicon oxide film on a Corning 7059 glass plate (300 × 300 mm, thickness 1.1 mm) as a substrate by heating annealing at 600 ° C. for 48 hours in a hydrogen reducing atmosphere. (Cm 2 / Vs), an N channel type crystalline silicon TFT, a pixel electrode made of ITO, a signal electrode and a scanning electrode made of a chrome / aluminum multilayer film, provided in a matrix of 640 × 480 pixels.
[0219]
Next, ITO was formed on the glass substrate as a counter substrate as a counter electrode, and then an alignment film was formed only on this substrate to form a so-called one-side alignment film. LP-64 (manufactured by Toray) was used as the alignment film material. The production method, production conditions, film thickness, and rubbing conditions are the same as in Example 1.
[0220]
Next, 1.5 μm-diameter true spheres (catalyst conversion) were dispersed as spacers on the substrate on which the alignment film was formed. Further, in order to fix both substrates on the other substrate, a two-component epoxy adhesive was printed and applied as a sealant around the substrate by screen printing, and then the two substrates were bonded and fixed.
[0221]
A mixture of a liquid crystal material and an uncured resin is injected into the cell. Liquid crystal materials take the phase sequence Iso-N * -SmA-SmC * -Cry. The phase transition temperature is Iso-N * Is 81 ° C, N * -SmA is 69 ° C, SmA-SmC * Was 54 ° C. The used resin and the mixing ratio of the resin and the liquid crystal material are the same as those in Example 1. The mixture was stirred at a temperature at which it was in an Iso (isotropic) phase so as to mix uniformly. The mixture had a phase transition temperature of 5 to 20 ° C. lower than that of the liquid crystal material alone.
[0222]
The mixture was injected under vacuum by setting the liquid crystal cell and the mixture to 100 ° C. After the injection, the liquid crystal cell was gradually cooled at a rate of 2 to 20 ° C./hr, here 3 ° C./hr.
[0223]
The alignment state of this liquid crystal cell was observed with a polarizing microscope under crossed Nicols. The extinction position at a certain rotation angle, that is, the light incident on one polarizing plate did not pass through the other polarizing plate, as if the light was blocked. A uniform orientation was obtained.
[0224]
At this time, when the stage was turned by about 20 ° from the extinction state, light leakage due to birefringence did not occur in the field of view of the microscope, and black portions were scattered. Since the uncured resin does not exhibit birefringence, this black state portion is a columnar shape formed by separating the uncured resin from the liquid crystal material.
[0225]
Next, in order to cure the polymer resin mixed in the liquid crystal material injected into the cell, ultraviolet rays were irradiated from the counter substrate side. Irradiation intensity is 3-30mW / cm 2 Here, 10mW / cm 2 The irradiation time was 0.5 to 5 min, and here 1 min.
[0226]
After the ultraviolet irradiation, the alignment state of the liquid crystal cell was observed under a polarizing microscope in the same manner as described above, but the alignment state hardly changed. There was no effect on the alignment state of UV irradiation.
[0227]
After the substrates were cleaned with alcohol, the surfaces of both substrates were observed with an atomic force microscope (AFM), and a resin film having a thickness of 10 to 30 nm was formed on both the substrate surfaces.
[0228]
Next, the optical characteristics of the liquid crystal cell were measured. FIG. 8 shows the interelectrode voltage and the optical response when measured. Drive voltage V LC This waveform has a voltage of 14 V, a pulse width of 1 μs, and a frame width of 16 ms. The optical response is the light transmittance T shown in the figure. LC The contrast ratio at this time was 100 at the end of the frame. On the other hand, a liquid crystal cell composed of a single liquid crystal material without mixing resin had a contrast ratio of 80 in the measurement under the same conditions.
[0229]
The phase transition temperature after curing the resin was about several degrees lower than that of the liquid crystal material alone. Here, the liquid crystal material of the cell according to the present invention is N * The temperature was raised to 70 ° C. showing the phase, held at the temperature for 10 to 60 minutes, here 20 minutes, and then gradually cooled to room temperature at a rate of 3 ° C./hr. Then, the alignment defects were further improved, and the contrast ratio of 120 was obtained when the optical characteristics were measured.
[0230]
Similarly, the cell of the present invention before the alignment improvement is raised to 55 ° C. where the liquid crystal material exhibits the SmA phase, held at the temperature for 20 minutes, and then gradually cooled to room temperature at a rate of 3 ° C./hr. But N mentioned above * Alignment defects were improved to the same extent as in the case where the temperature was maintained at a temperature showing a phase, and the contrast ratio was improved.
[0231]
However, when the cell after the resin curing was once heated to 83 ° C. which is an isotropic phase and the cell was gradually cooled in the same manner as described above, the alignment of the liquid crystal material was partially disturbed. This shows that after the resin is cured, a resin film is formed on the alignment film, and the liquid crystal material is not imparted with uniaxial orientation.
[0232]
A polarizing plate was provided on the outer surface of the substrate to complete the apparatus.
[0233]
Example 3
First, in this example, an experimental one-pixel cell shown in FIG. 10 was fabricated, and each characteristic was evaluated. The substrates 1111 and 1112 of the liquid crystal cell were blue plate glass having a thickness of 1.1 mm, and pixel electrodes 1113 and 1114 were formed on the substrate. The size of the pixel electrode was 5 mm □. An alignment film 1115 was formed on the surface on which the electrodes of both substrates were formed.
[0234]
A polyimide resin, here LP-64 (manufactured by Toray), was used as the alignment film material. The alignment film was diluted with a solvent such as n-methyl-2-pyrrolidone and applied by spin coating. The coated substrate was heated at 250 to 300 ° C., here 280 ° C. for 2.5 hours to dry the solvent, and the coating film was imidized and cured. The film thickness after curing was 300 mm.
[0235]
Next, in order to align the liquid crystal material uniaxially and align the liquid crystal material layer vertically or inclined with respect to the substrate, a uniaxial alignment regulating force was applied to the alignment film by a rubbing method. The rubbing was rubbed in one direction at a rotational speed of 450 to 900 rpm, here 450 rpm with a roller having a diameter of 130 mm around which a cloth such as rayon or cotton was wound in the same manner as in a normal method. The roll indentation height was 0.1 mm, and the stage speed was 20 mm / sec.
[0236]
Here, in order to make the space between the cells constant, 1.5 mm diameter true spheres (catalyst conversion) were sprayed on one substrate as a spacer 1118. On the other substrate, in order to fix the two substrates, a two-component epoxy adhesive is printed and applied as a sealant around the substrate by screen printing, and then the two substrates are bonded. Fixed.
[0237]
A mixture of liquid crystal material 1117 and uncured polymer resin was injected into the cell. A phenylpyrimidine-based ferroelectric liquid crystal was used as the liquid crystal material. The phase sequence was Iso-SmA-SmC * -Cry. As the polymer resin, a commercially available ultraviolet curable resin was used. For the purpose of preventing separation from the liquid crystal material when the mixture is injected, a polymer resin having a monomer amount of 90% by weight is used so as to increase compatibility with the liquid crystal material. . As the concentration of the uncured polymer resin in the liquid crystal material, if a large amount of resin is contained, a resin column is formed between the upper and lower substrates and the aperture ratio is lowered. The ratio was mixed. The mixture was stirred at a temperature at which it became the Iso phase so as to mix uniformly. In the mixture, the transition point from the Iso phase to the SmA phase was 5 ° C. lower than that of the liquid crystal material alone.
[0238]
The mixture was injected under vacuum by setting the liquid crystal cell and the mixture to 100 ° C. at which the mixture exhibited an Iso phase. After injection, the liquid crystal cell is SmC * Cool to phase, but rapidly cell * Since a large amount of alignment defects is generated when the phase is changed, the temperature is gradually cooled at a rate of 2 to 20 ° C./hr, here 3 ° C./hr.
[0239]
The cell was gradually cooled to room temperature by the above method, and the orientation state of the cell was observed with a polarizing microscope under crossed Nicols. When the stage was rotated, the extinction position at a certain rotation angle, that is, the light incident on one polarizing plate did not pass through the other polarizing plate, as if the light was blocked. This indicates that the liquid crystal material has a uniform alignment in which the alignment vectors of liquid crystal molecules are aligned in the same direction within the layer and from layer to layer.
[0240]
Further, when the stage was turned by about 20 ° from the extinction state, light leakage due to birefringence did not occur in the field of view of the microscope, and black portions were scattered. This portion indicates that the resin is separated and deposited in a column shape.
[0241]
Next, ultraviolet rays were irradiated to cure the polymer resin mixed in the liquid crystal material. The light source uses an Hg-Xe lamp rated at 150 W, and the irradiation intensity is 3 to 30 mW / cm. 2 Here, 10mW / cm 2 A cell was placed at a position where The irradiation time was 0.5 to 5 min, here 1 min.
[0242]
After the ultraviolet irradiation, the alignment state of the liquid crystal cell was observed under a polarizing microscope in the same manner as described above, but the alignment state hardly changed. There was no effect on the alignment state of UV irradiation.
[0243]
The contrast ratio in the orientation state was measured. In the measurement method, in a polarizing microscope using a halogen lamp as a light source, ± 30 V, 5 Hz triangular waves are applied between the electrodes of the cell under crossed Nicols, and the transmitted light intensity of the cell is detected by a photomultiplier. The contrast ratio was 120.
[0244]
Next, the switching process of the cell was observed with the same optical system as described above. A low-frequency triangular wave was applied to the cell. The light / dark switching is switching in which the total amount of transmitted light changes uniformly depending on the electric field strength, unlike the switching with domain generation found in the conventional ferroelectric liquid crystal electro-optical device.
[0245]
Therefore, contrast-voltage characteristics were measured. The measurement method shows the change in transmitted light intensity when the cell is first adjusted to the extinction position when DC 20V is applied, and then the voltage is increased to 20V with one end voltage set to 0V. The result is shown in FIG. The characteristic value of the cell of the present invention is shown by a square plot, but the threshold value was about 0.8V.
[0246]
In addition, the responsiveness of the liquid crystal material when the electric field direction was reversed was measured. FIG. 12 shows how the drive waveform and contrast change. At this time, the driving waveform was a rectangular wave of ± 3 V and 5 Hz. The response waveform 1401 of the apparatus of this example is a one-step response indicating a steep rise after the polarity inversion of the rectangular wave.
[0247]
Furthermore, the voltage dependence of the response of the liquid crystal material was investigated. The driving waveform was a rectangular wave of 5 Hz. The result is shown by the □ plot in FIG. The cell of the present invention exhibits a fast response speed of about 1 msec even in a low voltage region. Further, the voltage and response speed have a linear relationship in logarithmic coordinates. That is, the electric field strength and the response speed are always in a constant relationship. This suggests that the cell of this example is operating in goldstone mode.
[0248]
Next, current-voltage characteristics were measured. FIG. 14 shows the value of current flowing between the electrodes when a triangular wave of ± 30 V and 5 Hz is applied to the liquid crystal cell. As shown in the figure, there was no current component other than the current 1602 that flows when the capacitance component 1601 between the electrodes and the spontaneous polarization of the ferroelectric liquid crystal material are reversed due to the change in the polarity of the electric field.
[0249]
Next, the pulse memory property of the cell was examined. The drive waveform had a pulse width of 200 μm and a frame width of 20 ms. There was almost no pulse memory.
[0250]
FIG. 15 shows the interelectrode voltage and the optical response when this cell is used and an external driving circuit is connected and active driving is performed. The drive waveform has a voltage of 14 V, a pulse width of 1 μs, and a frame width of 16 ms. As shown in FIG. 15, the optical response was good, and the contrast ratio at this time was 120 at the end of the frame.
[0251]
Further, when the entire liquid crystal cell was observed with the naked eye, the presence of the resin was not known at all.
[0252]
After removing the substrate and washing and removing the liquid crystal with alcohol, the resin remaining on the substrate was observed with a scanning electron microscope, and the columnar resin on which both substrates were fixed could be observed. The hardened resin depends on the type of resin and liquid crystal material and the curing conditions, but in most cases, the shape seen from the side has a trapezoidal shape or a rectangle, and the cross section of the upper surface (the surface seen from the direction perpendicular to the substrate). ) Has a rounded square, rectangle, circle, or ellipse, and has a plateau as a whole. These resins have a top cross-sectional size (diameter in the case of a circular shape) of about several μm to several tens of μm, and the height is equal to the substrate interval. There are also dice-like ones whose height is about 1/10 of the thickness, and whose top cross-sectional size and height are almost equal.
[0253]
The shape of the resin also changes depending on the phase transition series of the liquid crystal material, the slow cooling rate, and the like. Some of them are indefinite and others have a long axis of resin in the uniaxial orientation direction. In addition, the interval between the resin cured in the column shape was about 10 to 100 μm.
[0254]
Furthermore, in order to see the state of the resin film on the surface in more detail, the substrate produced by the above method was washed with alcohol and then observed with an atomic force microscope (AFM). According to this, a polymer resin film was formed on the alignment film surface. The thickness of the film was about 10 to 30 nm depending on the production conditions, and had minute irregularities. There were some parts that seemed to have almost no resin film and parts that had a thickness of about 50 nm.
[0255]
For comparison, a cell having the same cell configuration and liquid crystal material was also subjected to the same measurement as described above except that no resin was contained. First, in the observation of the switching process using a triangular wave, switching was accompanied by the generation of a domain. Further, the voltage dependence of the transmitted light intensity had a threshold value of about 2 V as shown by the circle plot in FIG. Further, the response at the time of the electric field polarity reversal showed a two-step response in which the initial rise was abrupt as shown by 1402 in FIG. Further, when the voltage dependence of the response speed was examined, the response speed suddenly decreased when the voltage was 3 V or less as shown by the circle plot in FIG. 13, and the relationship between the electric field strength and the response speed was not linear.
[0256]
Further, when the current-voltage characteristics are measured, as shown in FIG. 16, in addition to the capacitance component 1801 between the electrodes and the current component 1802 generated when the spontaneous polarization is reversed as the electric field polarity changes, an extra current component is shown. A peak 1803 was observed. In addition, it can be seen that the peak value of the current component 1802 is lower and the width is wider than that of the device of the present invention, and the response speed is reduced. On the other hand, the pulse memory property was relatively good.
[0257]
Example 4
Here, an example of an active matrix driving type device in which a crystalline silicon TFT is provided in each pixel as a switching element is shown in correspondence with FIG.
[0258]
An amorphous silicon film is crystallized on a silicon oxide film (not shown) on a Corning 7059 glass plate (300 × 300 mm, thickness 1.1 mm) as a substrate 1102 by heat annealing at 600 ° C. for 48 hours in a hydrogen reducing atmosphere. Mobility (100 cm) 2 / Vs) N-channel crystalline silicon TFT 1105, ITO (Indium Tin Oxide) pixel electrode 1104, chromium / aluminum multilayer film for signal electrode and scanning electrode, and a 640 × 480 pixel matrix. Provided.
[0259]
Next, a counter electrode was formed by forming a film of ITO on a soda-lime glass substrate as a counter substrate 1101 by a 1200 mm sputtering method. Other electrode materials include SnO 2 (Tin oxide) can be used. As the substrate material, inorganic materials such as glass and quartz, and organic materials such as acrylic resin and polyethylene resin can be used.
[0260]
An alignment film 1106 is formed only on the substrate on which the counter electrode is formed, so as to achieve a so-called one-side alignment. As the alignment film material, a polyimide-based or polyamide-based resin, or a resin such as polyvinyl alcohol can be used. Examples of the polyimide resin include LQ-5200 (manufactured by Hitachi Chemical), LP-64 (manufactured by Toray), RN-305 (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.), and LP-64 was used here. The alignment film was diluted with a solvent such as n-methyl-2-pyrrolidone and applied by spin coating. The coated substrate was heated at 250 to 300 ° C., here, 280 ° C. for 2.5 hours to dry the solvent, and the coating film was imidized and cured. The film thickness after curing was 300 mm.
[0261]
In order to align the liquid crystal material uniaxially and align the liquid crystal material layer perpendicularly or inclined to the substrate, a uniaxial alignment regulating force was applied to the alignment film by a rubbing method. The rubbing was rubbed in one direction at a rotational speed of 450 to 900 rpm, here 450 rpm with a roller having a diameter of 130 mm around which a cloth such as rayon or cotton was wound in the same manner as in a normal method. The roll indentation height was 0.1 mm, and the stage speed was 20 mm / sec.
[0262]
The substrate interval is 1 to 10 μm, and the spacer material is silica or alumina. Here, in order to make the space between the cells constant, 1.5 mm diameter brass (catalyst conversion) (not shown) was sprayed on the substrate on which the alignment film was applied as a spacer. On the other substrate, in order to fix the two substrates, a two-component epoxy adhesive is printed and applied as a sealant around the substrate by screen printing, and then the two substrates are bonded. Fixed.
[0263]
A mixture of liquid crystal material 1108 and uncured polymer resin was injected into the cell. A phenylpyrimidine-based ferroelectric liquid crystal was used as the liquid crystal material. The phase sequence was Iso-SmA-SmC * -Cry. As the polymer resin, a commercially available ultraviolet curable resin was used. For the purpose of preventing separation from the liquid crystal material when the mixture is injected, a polymer resin having a monomer amount of 90% by weight is used so as to increase compatibility with the liquid crystal material. . As the concentration of the uncured polymer resin in the liquid crystal material, if a large amount of resin is contained, a resin column is formed between the upper and lower substrates and the aperture ratio is lowered. The ratio was mixed. The mixture was stirred at a temperature at which it became the Iso phase so as to mix uniformly. In the mixture, the transition point from the Iso phase to the SmA phase was 5 ° C. lower than that of the liquid crystal material alone.
[0264]
The mixture was injected under vacuum by setting the liquid crystal cell and the mixture to 100 ° C. at which the mixture exhibited an Iso phase. After injection, the liquid crystal cell is SmC * Cool to phase, but rapidly cell * Since a large amount of alignment defects is generated when the phase is changed, the temperature is gradually cooled at a rate of 2 to 20 ° C./hr, here 3 ° C./hr.
[0265]
The cell was gradually cooled to room temperature by the above method, and the orientation state of the cell was observed with a polarizing microscope under crossed Nicols. When the stage was rotated, the extinction position at a certain rotation angle, that is, the light incident on one polarizing plate did not pass through the other polarizing plate, as if the light was blocked. This indicates that the liquid crystal material has a uniform alignment in which the alignment vectors of liquid crystal molecules are aligned in the same direction within the layer and from layer to layer.
[0266]
Further, when the stage was turned by about 20 ° from the extinction state, light leakage due to birefringence did not occur in the field of view of the microscope, and black portions were scattered. This portion indicates that the resin is separated and deposited in a column shape.
[0267]
Next, ultraviolet rays were irradiated to cure the polymer resin mixed in the liquid crystal material. The light source uses an Hg-Xe lamp rated at 150 W, and the irradiation intensity is 3 to 30 mW / cm. 2 Here, 10mW / cm 2 A cell was placed at a position where The irradiation time was 0.5 to 5 min, here 1 min.
[0268]
After the ultraviolet irradiation, the alignment state of the liquid crystal cell was observed under a polarizing microscope in the same manner as described above, but the alignment state hardly changed. There was no effect on the alignment state of UV irradiation. At this time, the column-shaped resin adheres the upper and lower substrates to prevent the distance between the substrates from increasing, and even if the area is increased, the layer structure of the liquid crystal material can be prevented from collapsing.
[0269]
The device thus fabricated had a contrast ratio of about 120. When a low-frequency triangular wave was applied between the electrodes and the switching state was observed with a polarizing microscope, the amount of transmitted light was uniformly changed in the electrode application region without domain generation.
[0270]
Polarizers 1109 and 1110 were attached to both substrates, and a drive circuit was connected to complete a liquid crystal electro-optical device. By rewriting one screen in 1/60 second and controlling the magnitude of the applied voltage, 256 gray scale display could be realized.
[0271]
After the substrate produced by the above method was washed with alcohol and observed with an atomic force microscope (AFM), a coating of a polymer resin was formed to a thickness of about 10 to 30 nm on both the alignment film surface and the pixel electrode surface.
[0272]
Note that in this embodiment, an N-channel thin film transistor is used as a switching element connected to a pixel. However, a P-channel thin film transistor or a complementary type using a P-channel thin film transistor and an N-channel thin film transistor is used. It may be configured. A configuration using a non-linear element such as an MIM diode may also be used.
[0273]
Example 5
In this embodiment, an example is shown in which an active matrix driving type device in which a crystalline silicon TFT is provided as a switching element in each pixel and frame gradation display is performed. The configuration corresponds to that in FIG.
[0274]
An amorphous silicon film is crystallized by heating annealing at 600 ° C. for 48 hours in a hydrogen reduction atmosphere on a silicon oxide film (not shown) on a Corning 7059 glass plate (300 × 300 mm, thickness 1.1 mm) as the substrate 2102. Mobility (100 cm) 2 / Vs) N-channel crystalline silicon TFT 2105, ITO (indium tin oxide) pixel electrode 2104, chromium / aluminum multilayer film for signal electrode and scanning electrode, and a 640 × 480 pixel matrix. Provided.
[0275]
Next, a counter electrode was formed by forming a film of ITO on a soda-lime glass substrate as a counter substrate 2101 by a 1200 mm sputtering method. Other electrode materials include SnO 2 (Tin oxide) can be used. As the substrate material, inorganic materials such as glass and quartz, and organic materials such as acrylic resin and polyethylene resin can be used.
[0276]
An alignment film 2106 is formed only on the substrate on which the counter electrode is formed, so as to achieve a so-called one-side alignment. As the alignment film material, a polyimide-based or polyamide-based resin, or a resin such as polyvinyl alcohol can be used. Examples of the polyimide resin include LQ-5200 (manufactured by Hitachi Chemical), LP-64 (manufactured by Toray), RN-305 (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.), and LP-64 was used here. The alignment film was diluted with a solvent such as n-methyl-2-pyrrolidone and applied by spin coating. The coated substrate was heated at 250 to 300 ° C., here, 280 ° C. for 2.5 hours to dry the solvent, and the coating film was imidized and cured. The film thickness after curing was 300 mm.
[0277]
In order to align the liquid crystal material uniaxially and align the liquid crystal material layer perpendicularly or inclined to the substrate, a uniaxial alignment regulating force was applied to the alignment film by a rubbing method. The rubbing was rubbed in one direction at a rotational speed of 450 to 900 rpm, here 450 rpm with a roller having a diameter of 130 mm around which a cloth such as rayon or cotton was wound in the same manner as in a normal method. The roll indentation height was 0.1 mm, and the stage speed was 20 mm / sec.
[0278]
The substrate interval is 1 to 10 μm, and the spacer material is silica or alumina. Here, in order to make the space between the cells constant, 1.5 mm diameter brass (catalyst conversion) (not shown) was sprayed on the substrate on which the alignment film was applied as a spacer. On the other substrate, in order to fix the two substrates, a two-component epoxy adhesive is printed and applied as a sealant around the substrate by screen printing, and then the two substrates are bonded. Fixed.
[0279]
A mixture of liquid crystal material 2108 and uncured polymer resin was injected into the cell. A phenylpyrimidine-based ferroelectric liquid crystal was used as the liquid crystal material. The phase sequence was Iso-SmA-SmC * -Cry. As the polymer resin, a commercially available ultraviolet curable resin was used. For the purpose of preventing separation from the liquid crystal material when the mixture is injected, a polymer resin having a monomer amount of 90% by weight is used so as to increase compatibility with the liquid crystal material. . As the concentration of the uncured polymer resin in the liquid crystal material, if a large amount of resin is contained, a resin column is formed between the upper and lower substrates and the aperture ratio is lowered. The ratio was mixed. The mixture was stirred at a temperature at which it became the Iso phase so as to mix uniformly. In the mixture, the transition point from the Iso phase to the SmA phase was 5 ° C. lower than that of the liquid crystal material alone.
[0280]
The mixture was injected under vacuum by setting the liquid crystal cell and the mixture to 100 ° C. at which the mixture exhibited an Iso phase. After injection, the liquid crystal cell is SmC * Cool to phase, but rapidly cell * Since a large amount of alignment defects is generated when the phase is changed, the temperature is gradually cooled at a rate of 2 to 20 ° C./hr, here 3 ° C./hr.
[0281]
The cell was gradually cooled to room temperature by the above method, and the orientation state of the cell was observed with a polarizing microscope under crossed Nicols. When the stage was rotated, the extinction position at a certain rotation angle, that is, the light incident on one polarizing plate did not pass through the other polarizing plate, as if the light was blocked. This indicates that the liquid crystal material has a uniform alignment in which the alignment vectors of liquid crystal molecules are aligned in the same direction within the layer and from layer to layer.
[0282]
Further, when the stage was turned by about 20 ° from the extinction state, light leakage due to birefringence did not occur in the field of view of the microscope, and black portions were scattered. This portion indicates that the resin is separated and deposited in a column shape.
[0283]
Next, ultraviolet rays were irradiated to cure the polymer resin mixed in the liquid crystal material. The light source uses an Hg-Xe lamp rated at 150 W, and the irradiation intensity is 3 to 30 mW / cm. 2 Here, 10mW / cm 2 A cell was placed at a position where The irradiation time was 0.5 to 5 min, here 1 min.
[0284]
After the ultraviolet irradiation, the alignment state of the liquid crystal cell was observed under a polarizing microscope in the same manner as described above, but the alignment state hardly changed. There was no effect on the alignment state of UV irradiation. At this time, the column-shaped resin adheres the upper and lower substrates to prevent the distance between the substrates from increasing, and even if the area is increased, the layer structure of the liquid crystal material can be prevented from collapsing.
[0285]
The device thus fabricated had a contrast ratio of about 120. When a low-frequency triangular wave was applied between the electrodes and the switching state was observed with a polarizing microscope, the amount of transmitted light was uniformly changed in the electrode application region without domain generation.
[0286]
Further, when the electrode portion of the liquid crystal cell is viewed with the naked eye, the presence of the resin is not known at all. From these results, if the proportion of the area of the display portion occupied by the resin material is about 0.1 to 20%, it can be inferior to that of the conventional device.
[0287]
In this way, a cell having a uniform interelectrode distance could be produced. Even if the completed cell was made vertical, display irregularities could not be recognized at all. There was no deformation of the substrate and the layer structure of the ferroelectric liquid crystal used was not broken.
[0288]
When the substrate was washed with alcohol and then observed with an atomic force microscope (AFM), a polymer resin film was formed to a thickness of about 10 to 30 nm on both the alignment film surface and the pixel electrode surface.
[0289]
In this liquid crystal electro-optical device, polarizing plates 2109 and 2110 were attached to both substrates, and 32 gradation display was performed by digital gradation driving. FIG. 18 shows the gate voltage V focused on one pixel in the display method used here. G , Drain voltage V D , Pixel voltage V LC , Pixel transmittance T LC Shows changes. First, as shown in FIG. 18, one frame is composed of five subframes. The duration of each subframe is 0.5 msec for the first frame, 8 msec for the second subframe, 1 msec for the third subframe, 4 msec for the fourth subframe, and 2 msec for the fifth subframe (in FIG. 18, each subframe is 1 frame was set to 15.5 msec. That is, the duration of the first frame is set to the shortest duration T 0 Then, the second subframe is 16T 0 , 2T 0 , 8T 0 4T 0 Thus, 32 gradations can be displayed by combining the durations of these five subframes.
[0290]
In one subframe, first, the gate voltage V is applied to the scanning line. G As a result, a rectangular pulse signal is applied to turn on the TFT gate electrode of one line (horizontal 640 pixels). On the other hand, on the signal line connected to the drain electrode of each TFT, a pulse train indicating either a positive or negative state has a drain voltage V D As applied. This pulse train includes information of the total number of scans in this subframe interval, that is, 480 in this case, and each piece of information is synchronized with the scan of each line. All 480 lines are scanned to determine the ON or OFF state of all pixels, and one subframe is completed. As described above, the interval between the subframes is different, and each pixel has a pixel potential V LC Despite being gradually approaching zero due to spontaneous discharge, the transmittance T LC Is kept constant and remains ON or OFF. In this embodiment, the transmittance T during this period LC Was extremely stable and did not change over time.
[0291]
In this way, when all subframes are completed, gradation display within one frame can be realized digitally. The pulse width of the scanning signal applied to the gate electrode of each TFT was 2 μsec, the pulse height was −15 V, and the data signal applied to the drain electrode was ± 10 V. With this apparatus, display unevenness, flicker, etc. did not appear at all, and a contrast ratio of 120 was obtained with 32 gradations.
[0292]
Here, even if the data signal applied to the drain electrode was set to ± 5 V, it operated without any problem.
[0293]
Further, when gradation display by the number of frames is not performed, rewriting of one screen is performed in 1/60 second, and electric field intensity is changed, that is, 32 gradation display is performed by controlling the magnitude of applied voltage. A clear gradation display was obtained.
[0294]
Further, it was possible to display 16 gradations according to the number of frames and 16 gradations according to the applied voltage, and to display 256 gradations.
[0295]
Note that in this embodiment, an N-channel thin film transistor is used as a switching element connected to a pixel. However, a P-channel thin film transistor or a complementary type using a P-channel thin film transistor and an N-channel thin film transistor is used. It may be configured. A configuration using a non-linear element such as an MIM diode may also be used.
[0296]
In this embodiment, one thin film transistor (TFT) as shown in FIG. 19 is used for one pixel, and a signal is applied to the scanning electrode to which the gate electrode of each TFT is connected to turn on one line of TFTs. A general driving method is used in which display is performed by applying a transmission or non-transmission signal or a gradation signal by a signal electrode to which a source or drain electrode is connected.
[0297]
In addition to this method, the present invention is also effective for a driving method in which, for example, as shown in FIG.
[0298]
Example 6
An indium tin oxide (which is abbreviated as ITO), which is an electrode material, is formed on a 10 cm square glass substrate to a thickness of 500 to 2000 mm by sputtering or vapor deposition, and 1000 mm in this embodiment. The electrode was patterned in a stripe shape. On this substrate, polyimide was applied by spin coating and baked at 280 ° C. As polyimide, RN-305 manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd. and LP-64 manufactured by Toray were used. The polyimide film thickness was 100 to 800 mm, and 150 mm in this example. The substrate was rubbed and uniaxially aligned. Two of these substrates are produced. On one of the substrates, catalyst chemical-made spheres, which are silica particles, are dispersed as spacers, and an epoxy resin sealing material is formed on one of the substrates by screen printing. did. The two substrates were bonded to each other so that the distance between the electrodes was about 1.5 μm and the striped electrodes were orthogonal to each other to form a simple matrix type cell having 640 × 480 pixels.
[0299]
The liquid crystal material used in this example is a ferroelectric liquid crystal, CS1014, manufactured by Chisso Corporation. The Ps of this liquid crystal is 5.4 nC / cm 2 And the phase sequence is I (isotropic phase) -N (nematic phase) -A (smectic A phase) -C * (Smectic C * Phase).
[0300]
The resin material used in this example was prepared by mixing a commercially available acrylic monomer having a molecular weight of about 150 to 200 and a urethane oligomer having a molecular weight of about 1500 to 3000 at a weight ratio of 90:10 to obtain a commercially available reaction initiator. About 3% by weight was mixed (hereinafter referred to as uncured resin material).
[0301]
The above liquid crystal material and uncured resin material 5% are mixed at a weight ratio of 95: 5, and heated and stirred until the liquid crystal shows an isotropic phase at 90 ° C. so that the mixed resin mixes better in the liquid crystal material. The resin was uniformly mixed in the liquid crystal material (hereinafter referred to as a liquid crystal mixture).
[0302]
The cell and the liquid crystal mixture were heated to 90 ° C., poured into the aforementioned cell, and gradually cooled to room temperature at 2 to 20 ° C./hr, in this example at 2 ° C./hr. When the orientation state at room temperature after slow cooling was observed under a polarizing microscope, the resin material scattered in the cell and having a columnar shape could be confirmed, but the resin shape on the substrate could not be confirmed. However, the alignment of the liquid crystal material was uniaxially aligned along the rubbing direction of the alignment film, as in the liquid crystal material to which no resin was added, and a good extinction position was obtained.
[0303]
Ultraviolet rays are applied to this cell with an intensity of 3 to 30 mW / cm. 2 , Irradiation time 0.5 to 5 min, intensity 20 mW / cm in this example 2 The resin was cured by irradiation for 1 min. Even after UV irradiation, the liquid crystal was uniaxially aligned along the rubbing direction of the alignment film, and a good extinction position was obtained.
[0304]
When the change in the amount of transmitted light accompanying the change in the applied voltage of the cell was observed, the gradation continuously changed from dark to bright and from bright to dark, and a light / dark halftone display was possible. The occurrence of the domain could not be confirmed visually.
[0305]
Both substrates of this cell were peeled and left in an oven at 200 ° C. for 5 hours to volatilize the liquid crystal. Thereafter, the substrate was observed under a polarizing microscope to confirm that the substrate was not polarized, and the resin shape on the substrate was observed with an SEM.
[0306]
24A and 24B show SEM photographs showing the fine patterns formed on the substrate in this way. FIG. 24B is an enlarged view of FIG. As shown in FIG. 24, a large number of fine convex portions made of a resin having a height of several tens of nm, a diameter of several tens to several hundreds of nm, and about 500 nm or less were observed. The convex portions were uniformly distributed on the surface as a whole, and some convex portions were partially connected.
[0307]
In this embodiment, the number of pixels may be 1920 × 480, and a color filter of three colors of red, blue, and green may be provided to display a full color display of 640 × 480. With 256 gradations, approximately 16.7 million colors can be displayed.
[0308]
Example 7
The configuration of the apparatus, the resin material, the manufacturing method, and the mixing ratio of the liquid crystal material and the uncured resin material in this example were the same as those in Example 6. However, the liquid crystal material in this example is biphenyl and Ps is 20.7 nC / cm. 2 The phase sequence of I-A-C * Ferroelectric liquid crystal showing When the alignment state of the liquid crystal material of the formed cell was observed under a polarizing microscope, it was uniaxially aligned along the rubbing direction of the alignment film as in the case where the resin was not mixed, and a good extinction position was obtained.
[0309]
When the change in the amount of transmitted light accompanying the change in the applied voltage of the cell was observed, the gradation continuously changed from dark to bright and from bright to dark, and light and dark halftone display became possible. The occurrence of the domain could not be confirmed visually.
[0310]
Both substrates of this cell were peeled off and left in an oven at 280 ° C. for 5 hours to volatilize the liquid crystal. Thereafter, the substrate was observed under a polarizing microscope to confirm that the substrate was not polarized, and the resin shape on the substrate was observed with an SEM. Then, on average, a large number of fine convex portions made of a resin having a height of about 30 nm and a diameter of about 90 nm were observed.
[0311]
Example 8
The configuration of the apparatus, the liquid crystal material, the manufacturing method, and the mixing ratio of the liquid crystal material and the uncured resin material in this example were the same as those in Example 6. However, in this example, a commercially available acrylic monomer having a molecular weight of about 100 to 150 and a urethane oligomer having a molecular weight of about 1000 to 2000 are mixed at a weight ratio of 65:35, and a commercially available reaction initiator is about 3% by weight. What was mixed about% was used as an uncured resin material.
[0312]
When the alignment state of the liquid crystal material of the formed cell was observed under a polarizing microscope, it was uniaxially aligned along the rubbing direction of the alignment film as in the case where the resin was not mixed, and a good extinction position was obtained. .
[0313]
When the change in the amount of transmitted light accompanying the change in the applied voltage of the cell was observed, the gradation continuously changed from dark to bright and from bright to dark, and light and dark halftone display became possible. The occurrence of the domain could not be confirmed visually.
[0314]
Both substrates of this cell were peeled and left in an oven at 200 ° C. for 5 hours to volatilize the liquid crystal. Thereafter, the substrate was observed under a polarizing microscope to confirm that the substrate was not polarized, and the resin shape on the substrate was observed with an SEM. Then, on average, a large number of convex portions made of a resin having a height of about 30 nm and a diameter of about 90 nm were observed.
[0315]
Example 9
In this embodiment, an example of an active matrix driving type liquid crystal electro-optical device in which a crystalline silicon TFT (thin film transistor) is provided as a switching element in each pixel is shown.
[0316]
Mobility 100 formed by crystallizing an amorphous silicon film on a silicon oxide film on a Corning 7059 glass plate (300 × 300 mm, thickness 1.1 mm) as a substrate by heating annealing at 600 ° C. for 48 hours in a hydrogen reducing atmosphere. (Cm 2 / Vs) N channel type crystalline silicon TFT, ITO (Indium Tin Oxide), pixel electrode, chromium / aluminum multilayer film or wiring with anodized aluminum on the surface, 640 × 480 pixels The matrix was constructed and provided.
[0317]
Next, a counter electrode was formed by forming a film of ITO on a blue glass substrate as a counter substrate by a 1200 mm sputtering method. Other electrode materials include SnO 2 (Tin oxide) can be used. As the substrate material, inorganic materials such as glass and quartz, and organic materials such as acrylic resin and polyethylene resin can be used.
[0318]
An alignment film was formed only on the substrate on which the counter electrode was formed to achieve so-called one-side alignment. As the alignment film material, a polyimide-based or polyamide-based resin, or a resin such as polyvinyl alcohol can be used. Examples of the polyimide resin include LQ-5200 (manufactured by Hitachi Chemical), LP-64 (manufactured by Toray), RN-305 (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.), and LP-64 was used here. The alignment film was diluted with a solvent such as n-methyl-2-pyrrolidone and applied by spin coating. The coated substrate was heated at 250 to 300 ° C., here, 280 ° C. for 2.5 hours to dry the solvent, and the coating film was imidized and cured. The film thickness after curing was 300 mm.
[0319]
In order to align the liquid crystal material uniaxially and align the liquid crystal material layer perpendicularly or inclined to the substrate, a uniaxial alignment regulating force was applied to the alignment film by a rubbing method. The rubbing was rubbed in one direction at a rotational speed of 450 to 900 rpm, here 450 rpm with a roller having a diameter of 130 mm around which a cloth such as rayon or cotton was wound in the same manner as in a normal method. The roll indentation height was 0.1 mm, and the stage speed was 20 mm / sec.
[0320]
The substrate interval is 1 to 10 μm, and the spacer material is silica or alumina. Here, in order to make the space between the cells constant, 1.5 μm diameter brass balls (manufactured by Catalysts and Chemicals) were sprayed on the substrate on which the alignment film was applied as a spacer. On the other substrate, in order to fix the two substrates, a two-component epoxy adhesive is printed and applied as a sealant around the substrate by screen printing, and then the two substrates are bonded. Fixed.
[0321]
A mixture of a liquid crystal material and an uncured resin material was injected into the cell. The liquid crystal material used in this example is a ferroelectric liquid crystal, CS1014, manufactured by Chisso Corporation. The Ps of this liquid crystal is 5.4 nC / cm 2 And the phase sequence is I (isotropic phase) -N (nematic phase) -A (smectic A phase) -C * (Smectic C * Phase).
[0322]
The resin material used in this example was prepared by mixing a commercially available acrylic monomer having a molecular weight of about 150 to 200 and a urethane oligomer having a molecular weight of about 1500 to 3000 at a weight ratio of 90:10 to obtain a commercially available reaction initiator. About 3% by weight was mixed.
[0323]
The above liquid crystal material and uncured resin material are mixed at a weight ratio of 95: 5, and heated and stirred at 90 ° C. until the liquid crystal shows an isotropic phase so that the mixed resin mixes better in the liquid crystal material. The resin was uniformly mixed in the liquid crystal material to obtain a liquid crystal mixture.
[0324]
The cell and the liquid crystal mixture were heated to 90 ° C., poured into the aforementioned cell, and gradually cooled to room temperature at 2 to 20 ° C./hr, in this example at 2 ° C./hr. When the orientation state at room temperature after slow cooling was observed under a polarizing microscope, the resin material scattered in the cell and having a columnar shape could be confirmed, but the resin shape on the substrate could not be confirmed. However, the alignment of the liquid crystal material was uniaxially aligned along the rubbing direction of the alignment film, as in the liquid crystal material to which no resin was added, and a good extinction position was obtained.
[0325]
Further, when the stage was turned by about 20 ° from the extinction state, light leakage due to birefringence did not occur in the field of view of the microscope, and black portions were scattered. This portion indicates that the resin is separated and deposited in a column shape.
[0326]
Ultraviolet rays are applied to this cell with an intensity of 3 to 30 mW / cm. 2 , Irradiation time 0.5 to 5 min, intensity 20 mW / cm in this example 2 The resin was cured by irradiation for 1 min. Even after the ultraviolet irradiation, the liquid crystal was uniaxially aligned along the rubbing direction of the alignment film, and a good extinction position was obtained. At this time, the column-shaped resin adheres the upper and lower substrates to prevent the distance between the substrates from increasing, and even if the area is increased, the layer structure of the liquid crystal material can be prevented from collapsing.
[0327]
As a result of observing the switching state of the cell thus produced with a polarizing microscope, the amount of transmitted light continuously changed without generating a domain in each pixel. Further, the gradation is uniform within each pixel region.
[0328]
A polarizing plate was attached to both substrates, and a driving circuit was connected to complete a liquid crystal electro-optical device. By rewriting one screen in 1/60 second and controlling the magnitude of the applied voltage, 256 gray scale display could be realized.
[0329]
When the substrate produced by the above method was observed by SEM, many fine protrusions having a height of several tens of nm and a diameter of several tens to several hundreds of nm were confirmed on both the alignment film surface and the pixel electrode surface.
[0330]
Note that in this embodiment, an N-channel thin film transistor is used as a switching element connected to a pixel. However, a P-channel thin film transistor or a complementary type using a P-channel thin film transistor and an N-channel thin film transistor is used. It may be configured. Moreover, it is good also as a structure using thin film diodes, such as a MIM diode, and a non-linear element.
[0331]
In this embodiment, the number of pixels may be 1920 × 480, and a color filter of three colors of red, blue, and green may be provided to display a full color display of 640 × 480. With 256 gradations, approximately 16.7 million colors can be displayed.
[0332]
Comparative Example 1
This comparative example shows an example in which the uncured resin material was not mixed in the cell shown in Example 6.
[0333]
When the alignment state of the liquid crystal material of the formed cell was observed under a polarizing microscope, it was uniaxially aligned along the rubbing direction of the alignment film, and a good extinction position was obtained.
[0334]
When the change in the transmitted light amount accompanying the change in the applied voltage of the cell was observed, switching was performed only in the bright and dark two states in which the domain was generated, and the transmitted light amount did not change continuously.
[0335]
This cell has the same strength of 20 mW / cm as in Example 6. 2 Then, after irradiating UV light for 1 min, the applied voltage was changed and the change in the amount of transmitted light was observed.
[0336]
"Comparative Example 2"
This comparative example shows an example in which the resin was not cured in the cell shown in Example 6.
A cell was prepared in the same manner as in Example 6, and a mixture of a liquid crystal material and an uncured resin was injected into the cell. When the alignment state of the liquid crystal material of the fabricated cell was observed under a polarizing microscope, it was uniaxially aligned along the rubbing direction of the alignment film, as in the case where no resin was mixed, and a good extinction position was obtained. .
[0337]
When this cell was not irradiated with ultraviolet light and the applied voltage was changed without curing the resin, the change in the transmitted light amount was observed. As a result, only the two bright and dark states in which the domain was generated were switched, and the transmitted light amount was continuous. Never changed.
[0338]
The substrate of this cell was observed by SEM in the same manner as in Example 6. However, no convex portion made of resin as in Example 6 was observed.
[0339]
Comparative Example 3
In this comparative example, an example is shown in which the mixing ratio of the monomer and oligomer of the resin material is varied in the cell shown in Example 6.
The resin material used in this comparative example was prepared by mixing a commercially available acrylic monomer having a molecular weight of about 150 to 200 and a urethane oligomer having a molecular weight of about 1500 to 3000 at a weight ratio of 10:90 to obtain a commercially available reaction initiator. About 3% by weight was mixed to obtain an uncured resin material.
When the alignment state of the liquid crystal material of the fabricated cell was observed under a polarizing microscope, it was uniaxially aligned along the rubbing direction of the alignment film, as in the case where no resin was mixed, and a good extinction position was obtained. .
[0340]
Ultraviolet rays are applied to this cell with an intensity of 3 to 30 mW / cm. 2 , Irradiation time 0.5 to 5 min, intensity 20 mW / cm in this comparative example 2 The resin was cured by irradiation for 1 min. Even after UV irradiation, the liquid crystal was uniaxially aligned along the rubbing direction of the alignment film, and a good extinction position was obtained.
[0341]
When the change in the transmitted light amount accompanying the change in the applied voltage of the cell was observed, switching was performed only in the bright and dark two states in which the domain was generated, and the transmitted light amount did not change continuously.
[0342]
The substrate of this cell was observed by SEM in the same manner as in Example 6. However, the convex shape as in Example 6 was hardly observed, and the surface state was very flat.
[0343]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it has been possible to prevent the inhibition of switching of liquid crystal molecules due to the alignment regulating force of the uniaxial alignment means, which has been a problem in the past. As a result, switching speed could be increased. Furthermore, alignment defects could be improved and insulation between electrodes could be improved to prevent short circuits. Therefore, the liquid crystal electro-optical device has a high contrast ratio and a high reliability at a high speed. A simple matrix type device can have a high definition with a high duty ratio, and an active matrix type device can also achieve high speed and stable display.
[0344]
In addition, since it can be manufactured by almost the same manufacturing process as conventional, it has high productivity. Moreover, even when an orientation failure occurs, it can be repaired.
[0345]
In addition, the amount of transmitted light could be controlled by the electric field strength without the occurrence of domains. Therefore, gradation display control by voltage can be easily realized while maintaining the high-speed response of the ferroelectric liquid crystal material. Further, since the threshold value is lowered, low voltage driving is possible. In addition, the response speed particularly in the low voltage region is extremely high. The liquid crystal electro-optical device of the present invention can realize high-speed and multi-gradation display, particularly by performing active matrix driving in which each pixel is provided with a switching element.
[0346]
In addition, undesired charge transfer and charge accumulation at the alignment film liquid crystal interface are eliminated, and sharp inversion of the liquid crystal molecules of the ferroelectric liquid crystal and stability of the molecular state after the inversion are obtained, resulting in faster and more stable optics. Characteristics are obtained. Therefore, a liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric liquid crystal can realize a display having a high speed and a high contrast ratio.
[0347]
In particular, in an active matrix type liquid crystal electro-optical device using a crystalline silicon thin film transistor, the high speed response of the ferroelectric liquid crystal material and the crystalline silicon thin film transistor can be utilized to make a device having high speed and high contrast, It was possible to improve the number of gradations and contrast ratio of gradation display using frame gradations.
[0348]
Also, gradation display by electric field intensity can be easily performed, and excellent quality gradation display can be performed with a very high number of gradations in combination with the frame gradation.
[0349]
Compared with conventional bistable devices, the switching voltage of ferroelectric liquid crystal material can be greatly reduced, and power consumption can be reduced.
[0350]
In addition, the column-shaped resin prevents the expansion and reduction of the substrate interval without causing disorder of alignment, and improves the strength of the substrate to prevent the occurrence of distortion of the entire liquid crystal cell. It was possible to suppress the occurrence of collapse. Therefore, a liquid crystal electro-optical device using a large-area ferroelectric liquid crystal can be realized, and this device can be used upright.
[0351]
As described above, according to the present invention, in a liquid crystal electro-optical device using a ferroelectric liquid crystal or an anti-ferroelectric liquid crystal, it is possible to easily realize multi-gradation display and further full color with high resolution. I can do it now. Further, compared with a liquid crystal electro-optical device using nematic liquid crystal, it was possible to obtain a liquid crystal electro-optical device capable of multi-gradation display and full-color display that is extremely high speed and easy to increase in size.
[0352]
As described above, the liquid crystal electro-optical device of the present invention can be a high-speed, multi-gradation, high-resolution, low-voltage drive and large-area device, and can be easily manufactured. An extremely excellent liquid crystal electro-optic device suitable for a display device for displaying the image can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a liquid crystal electro-optical device according to the present invention.
FIG. 2 is a photograph showing an oscilloscope waveform of current-voltage characteristics of a liquid crystal electro-optical device according to the invention in an example.
FIG. 3 is a schematic diagram of current-voltage characteristics of a liquid crystal electro-optical device according to the present invention in Examples.
FIG. 4 is a photograph showing an oscilloscope waveform of current-voltage characteristics of a conventional liquid crystal electro-optical device.
FIG. 5 is a schematic diagram of current-voltage characteristics of a conventional liquid crystal electro-optical device.
FIG. 6 is a photograph showing a thin film on a substrate surface of a liquid crystal electro-optical device according to an embodiment of the present invention, which is observed with an atomic force microscope.
FIG. 7 is a photograph showing a thin film on the surface of a substrate before injection of a liquid crystal material or the like of a liquid crystal electro-optical device according to an embodiment of the present invention, observed with an atomic force microscope.
FIG. 8 shows a voltage between pixel electrodes and an optical response of an active drive type liquid crystal electro-optical device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view of a liquid crystal electro-optical device of the present invention.
FIG. 10 is a schematic view of a liquid crystal electro-optical device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 shows transmitted light intensity-voltage characteristics in a liquid crystal electro-optical device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 shows responsiveness of the liquid crystal electro-optical device according to the embodiment of the present invention when the electric field direction is reversed.
FIG. 13 shows response speed-voltage characteristics of a liquid crystal electro-optical device according to an embodiment of the invention.
FIG. 14 shows current-voltage characteristics of a liquid crystal electro-optical device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 shows a pixel electrode voltage and an optical response when active driving is performed in a liquid crystal electro-optical device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 16 shows current-voltage characteristics of a conventional liquid crystal electro-optical device.
FIG. 17 is a schematic view of a liquid crystal electro-optical device of the present invention.
FIG. 18 shows an applied signal, a pixel potential, and a pixel transmittance when performing digital gradation display in an example.
FIG. 19 shows a circuit used in an example of the present invention.
FIG. 20 shows an example of a circuit of the present invention.
FIG. 21 shows a basic configuration of a liquid crystal electro-optical device of the invention.
FIG. 22 shows optical characteristics when a conventional surface-stabilized liquid crystal electro-optical device is driven by a square wave of ± 1.5V.
FIG. 23 shows optical characteristics when the liquid crystal electro-optical device of the present invention is driven by a square wave of ± 1.5V.
FIG. 24 is a SEM photograph showing a fine pattern formed on a substrate.
[Explanation of symbols]
101, 102 substrate
103, 104 electrodes
105 Alignment film
106 Resin film
107 Liquid crystal materials
108 spacer
109, 110 Polarizing plate
201 Capacitance component of current flowing between pixel electrodes
202 Inversion current due to spontaneous polarization of liquid crystal material
203 Extra current component
204 Inversion current due to spontaneous polarization of liquid crystal material
1101 and 1102 substrates
1103 Counter electrode
1104 Pixel electrode
1105 switching element
1106 Alignment film
1107 Resin film
1108 Liquid crystal materials
1109, 1110 Polarizing plate
1111 and 1112 substrates
1113, 1114 electrode
1115 Alignment film
1116 Resin film
1117 Liquid crystal material
1118 Spacer
1401 Optical response waveform of the device of the present invention in the embodiment
1402 Optical Response Waveform of Conventional Device in Example
1601 Capacitance component of current flowing between pixel electrodes
1602 Inversion current due to spontaneous polarization of liquid crystal material
1801 Capacitance component of current flowing between pixel electrodes
1802 Inversion current due to spontaneous polarization of liquid crystal material
1803 Extra current component
2101 and 2102 substrates
2103 Counter electrode
2104 Pixel electrode
2105 Switching element
2106 Alignment film
2107 Resin film
2108 Liquid crystal materials
2109, 2110 Polarizing plate
3110, 3111 Translucent substrate
3112, 3113 electrodes
3114, 3115 orientation means
3116 Liquid crystal material
3117 Convex
3118 spacer
3119 sealant
3120 3121 Polarizing plate

Claims (7)

配向膜を有し、強誘電性液晶のらせん構造を抑制する基板間隔である一対の基板間に、強誘電性液晶と、未硬化の紫外線硬化樹脂とを混合した混合物を注入し、
前記強誘電性液晶を前記配向膜の配向方向に従って配向させた後、紫外線を照射して前記未硬化の紫外線硬化樹脂を硬化する液晶電気光学装置の作製方法であって、
前記未硬化の紫外線硬化樹脂は前記混合物の20重量%以下で含まれていることを特徴とする液晶電気光学装置の作製方法。
The alignment layer possess, between a pair of substrates which suppresses the substrate interval a helical structure of the ferroelectric liquid crystal was injected a ferroelectric liquid crystal, a mixture obtained by mixing the uncured UV-curable resin,
A method for producing a liquid crystal electro-optical device in which the ferroelectric liquid crystal is aligned according to the alignment direction of the alignment film, and then the uncured ultraviolet curable resin is cured by irradiating ultraviolet rays.
The method for producing a liquid crystal electro-optical device, wherein the uncured ultraviolet curable resin is contained in an amount of 20% by weight or less of the mixture.
配向膜を有し、強誘電性液晶のらせん構造を抑制する基板間隔である一対の基板間に、等方相状態の強誘電性液晶と、未硬化の紫外線硬化樹脂とを混合した混合物を注入し、
前記強誘電性液晶がSmC * を呈するまで冷却し、
前記強誘電性液晶を前記配向膜の配向方向に従って配向させた後、紫外線を照射して前記未硬化の紫外線硬化樹脂を硬化する液晶電気光学装置の作製方法であって、
前記未硬化の紫外線硬化樹脂は前記混合物の20重量%以下で含まれていることを特徴とする液晶電気光学装置の作製方法。
The alignment layer possess, between a pair of substrates which suppresses the substrate interval a helical structure of the ferroelectric liquid crystal, the injection a ferroelectric liquid crystal isotropic phase state, the mixture obtained by mixing uncured ultraviolet curing resin And
Cool until the ferroelectric liquid crystal exhibits an SmC * phase ,
A method for producing a liquid crystal electro-optical device in which the ferroelectric liquid crystal is aligned according to the alignment direction of the alignment film, and then the uncured ultraviolet curable resin is cured by irradiating ultraviolet rays.
The method for producing a liquid crystal electro-optical device, wherein the uncured ultraviolet curable resin is contained in an amount of 20% by weight or less of the mixture.
請求項において、前記冷却により、前記混合物から前記未硬化の紫外線硬化樹脂を析出することを特徴とする液晶電気光学装置の作製方法。 3. The method of manufacturing a liquid crystal electro-optical device according to claim 2 , wherein the uncured ultraviolet curable resin is precipitated from the mixture by the cooling. 請求項からのいずれか一において、前記未硬化の紫外線硬化樹脂はモノマーを60重量%以上含有していることを特徴とする液晶電気光学装置の作製方法。In any one of claims 1 to 3, the method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device, wherein the uncured UV-curable resin containing a monomer 60% by weight or more. 請求項において、前記モノマーはアクリル系モノマーを有することを特徴とする液晶電気光学装置の作製方法。5. The method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device according to claim 4 , wherein the monomer includes an acrylic monomer. 請求項からのいずれか一において、前記未硬化の紫外線硬化樹脂は配向膜上に膜状に硬化されることを特徴とする液晶電気光学装置の作製方法。In any of claims 1 5, wherein the uncured UV-curable resin is a method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device characterized in that it is cured into a film on the alignment film. 請求項からのいずれか一において、前記未硬化の紫外線硬化樹脂は配向膜上に複数の凸部を有して硬化されることを特徴とする液晶電気光学装置の作製方法。In any of claims 1 5, wherein the uncured UV-curable resin is a method for manufacturing a liquid crystal electro-optical device characterized in that it is hardened with a plurality of protrusions on the alignment film.
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