JP5052363B2 - 液晶素子 - Google Patents

Description

本発明は電気光学効果として液晶を利用した液晶素子であって、特に液晶にスメクチック液晶を用いた液晶素子に関する。

スメクチック相を示す液晶としては、強誘電性液晶や反強誘電性液晶が一般に知られている。どちらの液晶も、自発分極を有し、外部からの電界や磁界の影響を受けて自発分極の向きが変更されることによって、表示用ディスプレイとして利用される。強誘電性液晶を用いた液晶電気光学素子は、クラークらによって、メモリ性を有すること及び高速応答が可能なことなどが報告されている。

強誘電性液晶は、複数の光学的な状態を有し、電圧を印加しなくても特定の状態を保持し続ける特性を有している。強誘電性液晶分子は、電界等の外部からの影響に応じ、円錐（液晶コーン）の側面に沿って安定した２ヶ所の位置の何れかの位置を取る。強誘電性液晶を一対の基板間に挟持し、液晶表示装置として用いる際には、強誘電性液晶に印加する電圧の極性に応じて、強誘電性液晶分子が前述した安定した２ヶ所のいずれか一方に位置するように制御する。２ヶ所の安定した位置の一方を第１の強誘電状態、他方を第２の強誘電状態と言う。

図１に、強誘電性液晶１０を用いた液晶パネル２０の構成例を示す。図１において、偏光板１５ａ（偏光軸の方向をａ）及び１５ｂ（偏光軸の方向をｂ）をクロスニコルに合わせて配置した。また、第２の強誘電状態における強誘電性液晶１０の分子の長軸方向を偏光軸ａと一致させるように配置した。したがって、第１の強誘電状態の場合の液晶分子の長軸方向は、図１に示されるように、液晶コーンに沿った他の位置となる。

図１に示すように、偏光板１５ａ及び１５ｂと強誘電性液晶１０を配置し、印加電圧の極性を変化させて、強誘電性液晶１０を第２の強誘電状態とした場合（強誘電性液晶１０の分子の長軸方向が偏光板１５ａの偏光軸ａと一致した場合）、光は透過せず、液晶パネル２０は黒表示（非透過状態）となる。また、印加電圧の極性を変化させて、強誘電性液晶１０を第１の強誘電状態とした場合（強誘電性液晶１０の分子の長軸方向が、偏光板１５ａの偏光軸ａ及び偏光板５１ｂの偏光軸ｂの何れとも一致しない場合）、液晶分子の長軸方向が偏光軸に対してある角度を持って傾くため、例えばバックライトからの光が透過し、液晶パネル２０は白表示（透過状態）となる。なお、表示を行う場合には、バックライト以外の光源を利用することも可能である。

次に、図２を用いて強誘電性液晶１０のスイッチング、即ち一方の強誘電状態から他方の強誘電状態への転移について説明する。図２に示す様に、強誘電性液晶１０に印加される電圧を増加させ、光透過率が増加し始める電圧値をＶ１、さらに電圧を増加させ、光透過率の増加が飽和する電圧値をＶ２（正の閾値）とする。逆に、強誘電性液晶１０に印加される電圧を減少させ、光透過率が減少し始める電圧値をＶ３，さらに電圧を減少させ、光透過率の減少が飽和する電圧値をＶ４（負の閾値）とする。ここで、光透過率の高い状態が第１の強誘電状態であり、光透過率の低い状態が第２の強誘電状態である。

例えば、強誘電性液晶１０に、Ｖ２以上の電圧値を印加すると、強誘電性液晶は第１の強誘電性状態に転移し、その後電圧を印加せずとも（即ち、０Ｖ印加）、強誘電液晶は第１の誘電性状態を保持する。同様に、強誘電性液晶に、Ｖ４以下の電圧値を印加すると、強誘電性液晶は第２の強誘電性状態に転移し、その後電圧を印加せずとも（即ち、０Ｖ印加）、強誘電液晶は第２の誘電性状態を保持する。このように、強誘電性液晶は、正の閾値以上又は負の閾値以下の電圧を印加して、所定の強誘電性状態に転移させた後は、電圧を印加せずとも、そのままの状態を保持することとなる。このような、強誘電性液晶は、例えば、特許文献１に記載されている。

強誘電性液晶を用いた液晶パネルは、配向膜を備えた一対の基板に挟持して、ブックシェルフ型またはシェブロン型の層構造に配向する。液晶にパルス電界を印加することで、基板面と平行に液晶分子を駆動させることができる。また、強誘電性液晶を用い、メモリ性のある表示素子を作成する場合にＳｉＯ配向膜を使用する。

図３は、反強誘電性液晶をディスプレイとして用いる場合の偏光板配置を示す液晶セル２２構成図である。クロスニコルに合わせた偏光板２１ａ、２１ｂの間に、どちらかの偏光板の偏光軸と電圧無印加時に於ける平均的な分子の長軸方向がほぼ平行になるように液晶セル２２を置き、電圧無印加時に黒が、電界印加時には白が表示できるようにしている。

図４は、反強誘電性液晶を用いた液晶セル２２の透過率と印加電圧との関係を示す図である。電圧を印加し増加させていく場合に透過率が変化し始める電圧値をＶ１１、透過率の変化が飽和する電圧値をＶ１２、逆に電圧値を減少させていく場合に透過率が減少し始める電圧値をＶ１５、また逆極性の電圧を印加し、その絶対値を増加させた場合に透過率が変化し始める電圧値をＶ１３、透過率変化が飽和する電圧値をＶ１４、逆に電圧の絶対値を減少させた場合に透過率が変化し始める電圧値をＶ１６とする。

図４に示すように、電圧値が反強誘電性液晶分子の閾値以上をとる場合に第１の強誘電性状態が選択される。また、印加電圧の極性の違いによって、第２の強誘電性状態が選択される。このように、反強誘電性液晶では、強誘電性状態から、電圧値がある閾値より低い場合には反強誘電性状態が選択されることがわかる。このような、反強誘電性液晶は、例えば、特許文献２に記載されている。

図５は強誘電性液晶とＳｉＯ配向膜を用いた液晶素子での配向が不安定になりやすい領域を示す図である。図５において、２枚のガラス基板１及びシール材２の間に、注入孔３から注入された強誘電性液晶が封入されている。ここで、領域６は、配向が不安定になりやすい領域を示している。

強誘電性液晶のようなスメクチック液晶は、複数の組成物が所定の比率で混合された混合物であり、粘性が高い。一方、配向膜であるＳｉＯは多孔質であり、特に蒸着により形成された場合には、表面が活性である。このような状態で、注入孔からスメクチック液晶が注入されると、液晶と配向膜との間に、クロマト現象が発生すると、液晶の組成物が配向膜に吸着され、液晶が注入されるに従って、その組成が徐々に変化してしまう。したがって、注入孔３の付近と注入孔から遠い位置では液晶の組成が異なり、注入孔から遠い位置では、液晶の配向状態が不安定になりやすく、表示ムラが起きやすくなる。

特許文献３には、液晶材料の濃度ムラによる表示ムラをなくし且つ均一な表示品質を得るために、液晶の注入方向と平行に走査電極を配置し、走査信号を注入孔と反対側の端部から加える液晶表示素子が記載されている。特許文献３では、液晶の注入時に液晶材料中の高極性成分が配向膜に吸着され、注入孔からの位置によって液晶材料の濃度分布が生じることが記載されている。液晶材料に濃度分布が生じると、液晶表示素子内において駆動電圧分布が生じ、注入孔付近では駆動電圧が低く、奥側では駆動電圧が高くなる。また、走査電極のシート抵抗の影響で電圧低下が生じ、電極の位置によって印加される電圧が変化する。そこで、特許文献３に記載される液晶表示装置では、液晶の注入方向と平行に走査電極を配置し、走査信号を注入孔と反対側の端部から加える構成を採用している。このような構成によって、液晶材料の濃度分布によって生じた駆動電圧分布と走査電極の電圧低下とが補償しあい、適正な走査電圧を印加することができ、均一な表示品質を得られることが記載されている。

特開２００６−２３４８１号公報（第１図、第２図） 特開平１０−２３９６６４号公報（図２、図３） 特開平４−３５５４３３号公報（第３頁、第２図）

特に、スメクチック液晶の場合、液晶の配向状態が不安定になりやすい領域では、閾値電圧よりも低いパルスが繰り返し印加されることにより、ホモジニアス配向であったのがツイスト配向に移行しやすく、表示ムラとなってしまうことが明らかになった。

図６は、強誘電性液晶を用いたメモリ性のある表示素子を走査電極および信号電極を帯状に複数本ずつ形成した単純マトリックス駆動によって駆動した場合、それぞれのピクセルに印加される電圧を示す図である。図６（ａ）は1本目、２本目、ｎ本目の走査電極に印加する駆動パルスであり、図６（ｂ）は信号電極に印加する駆動パルスである。図７は、各走査電極にあるピクセルに印加される駆動電圧を示したものである。図７には、選択パルスを印加する期間である選択期間７、及び非選択パルスを印加する非選択期間８が示されている。

メモリ性のある表示素子では、一度書きこんだ画面表示が消えずにそのままの状態を保持される。また、静止画面を書き換えるためには、一度だけ全ての走査電極を走査し画面を書き換える必要がある。そのため、メモリ性のある表示素子では、全ての走査電極を走査する書き込み期間と、電圧を印加しない画面表示保持期間とを有する。任意の画面表示を行うには書き込み期間にのみ電圧を印加すればよく、画面表示を維持し続けるための保持期間では全く電圧を印加する必要はない。

書き込み期間では、走査電極には１本目から順番に±２／３Ｖの走査パルスが印加され、信号電極には白または黒に応じた±１／３Ｖの信号パルスが印加される。また、それぞれのピクセルに印加される駆動電圧は、走査電極と信号電極の和となる。

図７に図示するように、選択期間７では液晶を駆動させるための閾値よりも大きな電圧±Ｖが印加され、白または黒の表示を行う。非選択パルスは閾値より小さな電圧±１／３Ｖが印加される。１本目の走査電極上にあるピクセル（１，ｍ）では、選択パルスが印加された後に、非選択期間８での非選択パルスが、残りの走査電極の本数分が走査される間、繰り返し印加されることになる。一方、最後に走査されるｎ本目の走査電極上にあるピクセル（ｎ，ｍ）では、非選択パルスが繰り返し印加された後、最後に選択パルスが印加されることになる。

図８は、走査電極４が液晶が注入される方向と平行に配置されている、即ち、液晶の注入方向と平行に走査電極が配置されている強誘電性液晶素子を示す。また、信号電極５は、走査電極４と垂直に複数本、配置されている。このとき、走査電極４は、矢印の方向に沿って、図中の上から下に向かって順番に走査されていく。走査順が最初の走査電極４上のピクセル９（１，ｍ）では、図７に示した様に、最初に選択パルスが印加され、白または黒の表示がされる。その後に非選択パルスである電圧±１／３Ｖが残りの走査線の数だけ繰り返し印加される。走査順番が早い位置、例えば１本目の走査電極上で、かつ配向が不安定になりやすい領域６と重なるピクセルでは、選択パルスで白または黒の表示が行われても、選択パルスの後に非選択パルスが多く繰り返し印加されると、ツイスト配向が生じて白または黒の表示が変化してしまい、表示ムラが発生する場合がある。

図９は、走査電極４が液晶が注入される方向と平行に配置されている、即ち、液晶の注入方向と平行に走査電極が配置されている他の強誘電性液晶素子を示す。図９と図８との相違点は、走査電極４が、矢印の方向に沿って、図中の下から上に向かって順番に走査されていく点のみである。このときも、走査順が最初の走査電極４上のピクセル９´（１，ｍ）では、図７に示した様に、最初に選択パルスが印加され、白または黒の表示がされる。その後に非選択パルスである電圧±１／３Ｖが残りの走査線の数だけ繰り返し印加される。走査順番が早い位置、例えば１本目の走査電極上で、かつ配向が不安定になりやすい領域６と重なるピクセルでは、選択パルスで白または黒の表示が行われても、選択パルスの後に非選択パルスが多く繰り返し印加されると、ツイスト配向が生じて白または黒の表示が変化してしまい、表示ムラが発生する場合がある。

図１０は、走査電極４が液晶が注入される方向と垂直に配置されている、即ち、液晶の注入方向と垂直に走査電極が配置されている更に他の強誘電性液晶素子を示す。図１０と図８との相違点は、走査電極４と信号電極５との配置方向が逆である点と、走査電極４が、矢印の方向に沿って、図中の右から左に向かって順番に走査されていく点のみである。このときも、走査順が最初の走査電極４上のピクセル９（１，ｍ）では、図７に示した様に、最初に選択パルスが印加され、白または黒の表示がされる。その後に非選択パルスである電圧±１／３Ｖが残りの走査線の数だけ繰り返し印加される。走査順番が早い位置、例えば１本目の走査電極上で、かつ配向が不安定になりやすい領域６と重なるピクセルでは、選択パルスで白または黒の表示が行われても、選択パルスの後に非選択パルスが多く繰り返し印加されると、ツイスト配向が生じて白または黒の表示が変化してしまい、表示ムラが発生する場合がある。

なお、上記の図８から１０では、強誘電性液晶を用いた液晶素子を例にして説明したが、反誘電性液晶を用いた液晶素子においても、同様の問題がある。

このように、スメクチック液晶を用いたメモリ性の液晶素子の場合には、表示の書き込みをした後の表示画面保持期間では全く電圧を印加しないため、表示ムラが発生するとそのまま残ってしまい次の書き込みがされるまで消すことができず、均一な表示が得られないという問題があった。

本発明は上記の問題を解決することを可能とした液晶素子を提供することを目的とする。

また、本発明は、スメクチック液晶を用い、均一な表示が可能な液晶素子を提供することを目的とする。

本発明に係る液晶素子は、一対の基板と、一対の基板間に挟持されたスメクチック液晶と、スメクチック液晶を一対の基板間に注入するための注入孔と、一対の基板間にスメクチック液晶の注入方向に対して垂直に配置された複数の走査電極と、複数の走査電極に対して垂直に配置された複数の信号電極と、複数の走査電極及び複数の信号電極上に配置された配向膜と、複数の走査電極へ電圧を印加する走査順序を注入孔側から順番に奥側に向かって行う電圧印加手段を有することを特徴とする。

また、本発明に係る液晶素子は、一対の基板間に信号電極と、帯状に配置された走査電極とを備え、走査電極および信号電極上に配向膜を備え、一対の基板間に強誘電性液晶による液晶層を挟持してなる液晶素子において、強誘電性液晶の注入方向に対して垂直に前記帯状に配置された走査電極を配置し、走査電極への電圧印加を走査する順番は、注入孔側より奥側へ順に行われることを特徴とする。

さらに、本発明に係る液晶素子では、配向膜が斜方蒸着によるＳｉＯｘ膜であることが好ましい。

さらに、本発明に係る液晶素子では、電圧印加手段は、全ての前記複数の走査電極を注入孔側より奥側へ１回走査した後に、前記複数の走査電極への電圧印加を停止することが好ましい。

さらに、本発明に係る液晶素子では、スメクチック液晶は、強誘電性液晶又は反誘電性液晶であることが好ましい。

さらに、本発明に係る液晶素子では、複数の走査電極に対して垂直に配置された複数の信号電極を有することが好ましい。

本発明に係る液晶素子によれば、配向が不安定になりやすい領域にある走査電極は、走査される順番が最後の方になるので、選択パルスが印加された後に非選択パルスが印加される回数が少なくすることが可能となった。この為、ツイスト配向が生じて白または黒の表示が変化して表示ムラが発生することを防止することが可能となった。したがって、液晶素子の注入孔より遠い位置にある領域においても表示ムラをなくし、均一な表示を得ることが可能となった。

また、本発明に係る液晶素子では、特に、一対の基板にそれぞれ走査電極と信号電極を備え、前記電極上に斜方蒸着によるＳｉＯｘ配向膜を備え、基板に強誘電性液晶による液晶層を挟持してなる液晶素子において、表示ムラをなくし、均一な表示を得ることが可能となった。

以下図面を参照して、本発明に係る液晶素子について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

図１１は本発明に用いられる液晶パネル１００の概略を示す図であり、図１２は図１０のＡＡ´断面図である。

強誘電性液晶１０８は、２枚の透明ガラス基板１０１ａ及び１０１ｂとシール剤１０２との間に挟持されている。透明ガラス基板１０１ａ上には、複数の走査電極１０４が帯状に配置されている。また、複数の走査電極１０４は、注入孔１０３から液晶１０８が注入される方向と垂直方向に配置されている。透明ガラス基板１０１ｂ上には、複数の信号電極１０５が帯状に配置されている。前述したように、注入孔１０３から遠い領域１０６は、液晶１０８の配向が不安定になりやすい領域である。

強誘電性液晶１０８は、前述した図１及び図２に記載されるような挙動を示す。また、図１に示した偏光板１５ａ及び１５ｂが、透明ガラス基板１０１ａ及び１０１ｂの外側に、それぞれ配置されている。

液晶パネル１００では、ガラス基板１０１上に透明電極によってそれぞれ所定の走査電極１０４と信号電極０１５を形成し、それぞれの電極の上にＳｉＯｘ膜としてＳｉＯ配向膜１０７ａ及び１０７ｂが斜方蒸着により形成される。一対のガラス基板１０１はスペーサ（図示せず）によって１〜２μｍの厚さに保持され、シール剤１０２によって接着されている。組み上げられた空のセルを真空中に配置し、加熱溶融した強誘電性液晶１０８を注入孔１０３に配置することにより、セル内に強誘電性液晶１０８を注入する。

図１３は、液晶素子１２０の概略構成を示す図である。

液晶素子１２０は、液晶パネル１００、制御部１１０、駆動電圧波形制御回路１１１、各走査電極１０４に電圧波形を印加するための走査駆動電圧波形発生回路１１２、各信号電極１０５に電圧波形を印加するための信号駆動電圧波形発生回路１１３、表示データ記憶部１１４、ＲＡＭ１１５、及びＲＯＭ１１６等から構成される。

制御部１１０は、ＲＡＭ１１５又はＲＯＭ１１６に予め記憶されたプログラムに従い、表示データ記憶部１１４に記憶された表示用データが液晶パネル１００に表示されるように、駆動電圧波形制御回路１１１に制御信号を出力するように構成されている。また、駆動電圧波形制御回路１１１は、入力された制御信号に応じて、複数の走査電極１０４及び複数の信号電極１０５に所定の電圧波形が出力されるように、走査駆動電圧波形発生回路１１２及び信号駆動電圧波形発生回路１１３を制御する。

前述したように、走査電極１０４は液晶１０８の注入方向と垂直に配置されている。また、走査電極１０４へ電圧印加する順番は、矢印に示す様に、液晶１０８の注入方向と同じ順番で、注入孔１０３側より奥側へ、１本目から最終本目まで順々に進む。走査電極１０４及び信号電極１０５に印加される駆動パルスは、図６（ａ）及び図６（ｂ）と同じ波形である。また、各ピクセルに印加される駆動波形は、図７と同じである。このように、注入方向と同じ順番で、注入孔１０３側より奥側へ、１本目から最終本目までの走査電極１０４を走査したので、配向が不安定になりやすい領域１０６にある走査電極１０４は、走査される順番が最後の方になり、選択パルスが印加された後に非選択パルスが印加される回数が少なくなった。よって、配向が不安定になりやすい領域１０６においても、ツイスト配向に移行することはなく、表示ムラは起きなかった。

なお、液晶パネル１００の走査電極１０４は帯状の形状としたが、画素形状の電極であっても、縦方向に帯状に配列されていれば、同様の効果が得られる。また、液晶パネル１００では、配向膜１０７として、ＳｉＯ配向膜を用いたが、ＳｉＯ２膜なども使用することができる。

メモリ性のある表示素子では、一度書いた表示が消えずにそのままの状態を保持するために、書き込み期間で一度だけ走査すればよい。配向が不安定な領域１０６では、印加される駆動パルスの終わりの方で選択パルスが印加されるため、非選択パルスが繰り返される回数が少なくなり、ツイスト配向には移行せず表示ムラのない均一な表示が得られる。特に、本発明の方式は、画面サイズが大きくなると、液晶材料の濃度ムラも大きくなり、さらに走査電極の数が多くなると、非選択パルスの印加される回数も増えるため、ムラのない均一な表示を得るためには有効である。

上述した液晶素子１２０では強誘電性液晶を用いたが、図３及び４に示した反誘電性液晶を液晶素子に利用することも可能である。

強誘電性液晶を用いた液晶パネルの構成例を示す図である。 強誘電性液晶の印加電圧と光透過率との関係を示す図である。 反誘電性液晶を用いた液晶パネルの構成例を示す図である。 反誘電性液晶の印加電圧と光透過率との関係を示す図である。 強誘電性液晶の液晶パネルでの配向が不安定になりやすい領域を示す図である。 走査電極に印加するパルスの一例を示す図である。 信号電極に印加するパルスの一例を示す図である。 ピクセルに印加される駆動パルスの一例を示す図である。 走査方法の一例を示す図である。 走査方法の他の例を示す図である。 走査方法の更に他の例を示す図である。 本発明に用いられる液晶パネルの概略構成図である。 図１１における断面図である。 本発明に係る液晶素子の概略構成図である。

符号の説明

１００ 液晶パネル
１０１ ガラス基板
１０２ シール剤
１０３ 注入孔
１０４ 走査電極
１０５ 信号電極
１０６ 配向が不安定になりやすい領域
１０７ 配向膜
１０８ 液晶層
１１２ 走査駆動電圧波形発生回路
１１３ 信号駆動電圧波形発生回路
１２０ 液晶素子

Claims (5)

1. 一対の基板と、
   前記一対の基板間に挟持されたスメクチック液晶と、
   前記スメクチック液晶を一対の基板間に注入するための注入孔と、
   前記一対の基板間に、前記スメクチック液晶の注入方向に対して垂直に配置された複数の走査電極と、
   前記複数の走査電極上に配置された配向膜と、
   前記複数の走査電極へ電圧を印加する走査順序を、前記注入孔側から順番に奥側に向かって行う電圧印加手段と、
   を有することを特徴とする液晶素子。
2. 前記配向膜が斜方蒸着によるＳｉＯｘ膜である、請求項１に記載の液晶素子。
3. 前記電圧印加手段は、全ての前記複数の走査電極を注入孔側より奥側へ１回走査した後に、前記複数の走査電極への電圧印加を停止する、請求項１に記載の液晶素子。
4. 前記スメクチック液晶は、強誘電性液晶又は反誘電性液晶である、請求項１〜３の何れか一項に記載の液晶素子。
5. 前記複数の走査電極に対して垂直に配置された複数の信号電極を更に有する、請求項１〜４の何れか一項に記載の液晶素子。

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