JPH05188378A

JPH05188378A - 液晶電気光学装置

Info

Publication number: JPH05188378A
Application number: JP18760592A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Sato; 正彦佐藤
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1992-06-22
Filing date: 1992-06-22
Publication date: 1993-07-30

Abstract

(57)【要約】【目的】液晶の配向制御が非常に容易で、なおかつ応答
速度の非常に速い液晶電気光学装置を提案する。【構成】液晶材料に電界が印加されている際には液晶材
料中の液晶分子が基板に対して、その分子長軸が垂直と
なるように揃って、暗状態を表示し、電極を通じて液晶
材料に電界が印加されない際には液晶材料中の液晶分子
が基板に対して、その分子長軸が平行となるように揃っ
て、液晶分子の持つ屈折率の異方性により明状態を表示
する液晶電気光学装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速応答性と高コント
ラスト性を有するネマティック液晶を用いた電気光学装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、時計，電卓等の表示素子とし
てＴＮ（Twisted Nematic ）型液晶電気光学装置が用い
られてきた。このＴＮ型液晶電気光学装置の構成を図２
を用いて簡単に説明する。誘電率の異方性が正のネマテ
ィック液晶を、互いに90°の角度で配向処理された基板
（１）、（２）の間に注入することにより、液晶分子
（３）のツイスト配向が生じる（図２）。そしてこの液
晶に電界を加えると、電界と誘電率異方性の相互作用に
より液晶分子の長軸が基板と直角に配向する。そして液
晶に電圧を印加しない時の液晶分子の状態（ツイスト）
と印加した時の状態とを偏光板（４）を用いて識別して
いた。或いは、逆に誘電率の異方性が負のネマティック
液晶を、垂直配向処理を行った一方の基板間に介在せし
める方法もあった。

【０００３】また、最近になって強誘電性液晶の研究が
非常に進んできた。強誘電性液晶を用いた光学装置の構
成は、２μｍ程度とＴＮ型液晶装置に比較してかなり薄
い間隔を持たせて液晶配向処理を施した基板を貼りあわ
せ、その基板の間に液晶を注入する。強誘電性液晶分子
は、電界を印加しない状態で安定状態を２つ有してお
り、電界を印加することによって一方の安定状態に分子
が配向する。他方逆向きの電界を印加することによっ
て、他の安定状態に分子が配向する。そしてこの２つの
液晶の状態を偏光板を用いて識別することにより、明、
暗を表示していた。この強誘電性液晶を用いた光学装置
の場合、応答時間が概ね数十μ秒と非常に速いため、各
方面への応用が期待されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｔ
Ｎ型液晶電気光学装置は、一対の基板の両方に液晶配向
膜を形成しなければならず、さらにはその一対の基板上
の配向膜を互いに90°になるようにラビング処理を施さ
なければならなかった。さらにＴＮ型液晶電気光学装置
は、応答時間が数十ｍ秒と非常に遅いため、時計，電卓
などの小面積の表示以外への応用範囲がせばめられてい
た。応答速度をもっと速くするためには、基板間隔を短
くする方法が考えられるが、基板間隔を短くすると、一
方の基板と他方の基板の間で液晶を90°のツイスト配向
させることができなくなる。

【０００５】また、強誘電性液晶を用いた電気光学装置
においては応答時間は確かに速いが、問題点も数多く存
在する。まず第１の問題点として、液晶の配向制御が非
常に難しいことがあげられる。従来よりラビング処理の
他、酸化珪素の斜方蒸着，または磁場を印加する方法，
さらには温度勾配法等行われているが、どの方法を用い
ても現状では均一な配向を得ることができない。そのた
め、高いコントラストを得ることができない。

【０００６】第２に、強誘電性液晶として用いることが
できるのは、スメクチック相を示す液晶である。従って
強誘電性液晶はスメクチック液晶特有の層構造を有す
る。この層構造は一度外力によってくずされると、外力
を取り去っても元に戻らない。元に戻す為には、液晶材
料を加熱して一度等方相に相転移させる必要がある為、
外部からの微小な衝撃で崩れてしまう層構造を有する強
誘電性液晶は、実用的ではない。

【０００７】第３に強誘電性液晶は液晶自身の持つ自発
分極のために配向膜との界面に電荷が蓄積し、液晶の分
極と逆向きの電界が形成されるため、長時間同じ画面を
表示しておくと、次に違う画面を表示しようとしても、
前の表示が残ってしまう（「やけ」と称する）という問
題点を有する。

【０００８】第４に強誘電性液晶を用いた電気光学装置
のコントラスト比は、液晶のティルト角（またはコーン
角）に大きく依存するが、最も大きいコントラスト比を
得られるティルト角（コーン角）の値は22.5°（45°）
であることが知られている。しかし、ティルト角（コー
ン角）が22.5°（45°）という条件のみを満たす液晶
は、既に合成されているが、他の重要な条件，例えば液
晶が強誘電性を示す温度範囲の問題や、交流パルスに対
する応答性の問題などをも同時に十分満足できる強誘電
性液晶はまだ開発されていない。そのため、現状ではテ
ィルト角よりも前記温度範囲の問題等が重要視されてい
る。このような状況にあるので、現在研究段階にある強
誘電性液晶を用いた電気光学装置のコントラスト比はあ
まり大きくない。以上問題点により強誘電性液晶を表示
装置として応用することは現状では非常に困難である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本発明は、一対の基板、電極、偏光板と液晶材料を少
なくとも有する液晶電気光学装置であって、前記電極を
通じて前記液晶材料に電界が印加されている際には前記
液晶材料中の液晶分子が前記基板に対して、その分子長
軸が垂直となるように揃って、暗状態を表示し、前記電
極を通じて前記液晶材料に電界が印加されない際には前
記液晶材料中の液晶分子が前記基板に対して、その分子
長軸が平行となるように揃って、液晶分子の持つ屈折率
の異方性により明状態を表示することを特徴とする。

【００１０】本発明において液晶配向層は、一対の基板
の両方の液晶に接する面に液晶配向膜が形成されていて
も良く、その場合ラビング処理は一方の基板だけに施さ
れていても良く、両方の基板に施されていても良い。た
だし、両方の基板に施されている場合には、方向がほぼ
平行になるようにする。このように本発明においては、
従来のように液晶を90°のツイスト配向を生じせしめな
いため、従来のような施光性を利用した表示は行うこと
ができない。従って、本発明においては液晶の屈折率異
方性を利用した表示を行う。

【００１１】すなわち、電界を印加しない状態におい
て、基板間の液晶分子はその分子長軸を基板とほぼ平行
になるように揃った状態となっている。この時、液晶電
気光学装置を通過する光は一方の偏光板を通過して、そ
の振動方向を一方向とした後にこのような状態の液晶層
を通過する。この際に液晶分子の持つ屈折率異方性によ
ってその振動面を回転させ楕円偏光となって通過する。
この光は他方の直交する偏光板を通過することで明を表
示する。

【００１２】一方、電界を印加した状態においては、基
板間の液晶分子はその分子長軸を基板とほぼ垂直になる
ように揃った状態となっている。この時、液晶電気光学
装置を通過する光は一方の偏光板を通過して、その振動
方向を一方向とした後にこのような状態の液晶層を通過
する。この際には液晶分子には屈折率の異方性が存在し
ない方向なので、光は振動面を保持した状態で液晶層を
通過し、他方の直交する偏光板に到達するが、振動面は
ほとんど変化していないためにこの偏光板を光は通過で
きず、あるいは通過する量が少ない為、暗状態を表示す
る事が出来る。このようにして、本発明の液晶電気光学
装置では私費借りのオン、オフを表現するものである。

【００１３】本発明においてはネマティック液晶を用い
るため、液晶の配向制御が非常に容易であり、スメクテ
ィック液晶のように層を形成しないので、外力により一
度配向を乱されても外力が取り除かれた後は、すみやか
に配向がもとにもどるので等方相やネマティック相まで
加熱する必要がない。さらにネマティック液晶を用いて
いるにもかかわらず、配向層は基板の一方だけで良い
し、両方に形成しても良い。両方に形成した場合は、一
方の基板のみでラビング処理しても良く、両方の基板に
平行に処理しても良い。

【００１４】一方の基板のみ配向層を形成した場合に
は、従来に比較して工程数が削減でき、両方の基板に配
向層を形成した場合には、一般には凹凸の激しいＩＴＯ
等の透明電極表面の液晶の配向に与える悪影響を取り除
くことができ、両方の基板に配向層を形成し、平行にラ
ビング処理を行った場合、液晶分子に対する基板の配向
規制力が強くなるため、液晶に電界を加えて液晶分子の
長軸が基板に直角になった状態から電界を取り除いた状
態に変化した時の液晶の応答時間（立ち下がり時間と称
する）を短くすることができる。加うるに、本発明のど
の場合においても液晶の応答時間は、従来のＴＮ型液晶
に比較して非常に速く、電界を印加した時の立ち上が
り時間は概ね数十μ秒であって、この値はほぼ強誘電性
液晶の応答時間に相当する。以下に実施例を用いて本発
明を説明する。

【００１５】

【実施例】

『実施例１』本実施例によって得られた液晶セルの構
造を図１に示し、説明する。２枚のソーダガラス基板上
にＩＴＯをＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて形成
し、公知のフォトリソ工程により電極（５）を作製す
る。その後、一方の基板（１）の電極作製面にポリアミ
ック酸をオフセット印刷法により塗布し、２５０℃で３
時間加熱を行うことによって液晶配向層（６）としてポ
リイミド薄膜を得る。そして綿布を用いてラビングを行
った後、直径 2.8μｍのSiO₂粒子をスペーサーとして散
布した。ただし、スペーサーは図示しない。

【００１６】そして他方の基板（２）（ポリイミド薄膜
を作製しない方）の電極作製面上に公知のスクリーン印
刷法を用いてシール印刷を行い、スペーサー散布済の基
板と貼りあわせた基板の間隔を公知の干渉法により測定
した後、ネマティック液晶を真空注入法により注入し
た。なお、基板間隔については、５ヶ所測定したが２．
７〜２．８μｍであった。

【００１７】液晶注入後、偏光顕微鏡を用いて観察を行
った結果、液晶分子（３）が液晶層全体でラビング方向
に配向していることが判明した。そして、偏光板をクロ
スニコルにして液晶の注入されたセルをはさんだ状態
で、電極に電圧を印加することにより、液晶の応答をオ
シロスコープを用いて観察した。この時用いた電圧パル
スは、０Ｖ−15Ｖの矩形波で周波数は２０Ｈｚである。

【００１８】その結果、立ち上がり応答速度が６２μ
秒，立ち下がり応答速度が５．３ｍ秒であった。これは
従来のＴＮ型液晶電気光学装置と比較して立ち上がり速
度が、約1000倍でほぼ強誘電性液晶の応答時間に相当し
た。この液晶の応答の立ち上がりの様子としてオシロス
コープ像を図３（ａ）（ｂ）に示す。図３（ａ）は電圧
パルス、図３（ｂ）はそれに対する液晶分子の応答を示
す。なお立ち上がり時間の測定は、電圧パルス印加時か
ら90％立ち上がるまでの時間とした。そして、立ち下が
り時間でも従来のＴＮ型液晶電気光学装置に比較して約
10倍速くなっている。

【００１９】『実施例２』２枚のソーダガラス基板上に
実施例１と同様な方法により、ＩＴＯ電極を作製した
後、２枚の基板の電極作製面に、やはり実施例１と同様
な方法でポリイミド薄膜を得た。そして一方の基板のポ
リイミド作製面に綿布を用いて、ラビング処理を行っ
た。そしてラビング処理を行った基板上に直径 2.8μｍ
のガラスファイバーをスペーサーとして散布した。また
ラビング処理を行わなかった基板上には、実施例１と同
様にシール材を印刷して、スペーサー散布済の基板と貼
りあわせ、基板の間隔を干渉法により測定した後、液晶
を注入した。基板間隔はやはり2.7μｍ〜2.8μｍであっ
た。

【００２０】注入後、偏光顕微鏡を用いてセルを観察し
たところ実施例１のセルと比較して液晶の配向がさらに
均一であった。これは配向層を両方の基板に形成したた
め、ＩＴＯの表面の凹凸を配向層がカバーして凹凸の悪
影響を液晶に与えることを防ぐためである。また応答時
間とコントラストについては、実施例１と同じ電圧パル
スに対し、立ち上がり時間が55μ秒，立ち下がり時間が
4.5ｍ秒，コントラスト比が 330であった。コントラス
トが実施例１よりも上昇した原因は、液晶の配向性が上
昇したことにより、on時（黒表示）のセルを透過する光
の量を減少させたことによる。

【００２１】『実施例３』２枚のソーダガラス基板上に
実施例１と同様な方法により、ＩＴＯ電極を作製した
後、２枚の基板の電極作製面に、やはり実施例１と同様
な方法でポリイミド薄膜を得た。そして２枚の基板のポ
リイミド作製面に綿布を用いてラビング処理を行った。
そして一方の基板上に直径 2.8μｍのＳｉＯ₂粒子を散
布し、他方の基板上にはスクリーン印刷法を用いて、シ
ール材を印刷して前記ラビング処理の方向が平行になる
ように貼りあわせ工程を行った。ここで実施例１，２と
同様に基板間隔の測定をセルの５ヶ所について行った。
結果はやはり2.7μｍ〜2.8μｍであった。

【００２２】次に基板間に実施例１，実施例２で用いた
ものと同じ液晶を真空注入法で注入した。そして実施例
１，実施例２と同じ電圧パルスを印加して、同様に応答
時間とコントラストを測定したところ、立ち上がり時間
が83μ秒，立ち下がり時間が3.8 ｍ秒，コントラストは
320であった。

【００２３】本実施例においては、両方の基板にラビン
グ処理を施しているため、液晶が基板に平行な状態に保
持されやすくなるため、立ち上がり時間は実施例１，実
施例２に比較して若干おそくなっているが、立ち下がり
時間は速くなっている。すなわち、液晶分子の応答速度
を早めるなら、基板に対する液晶分子の保持状態を若干
角度を付けて保持することで解決できる。しかしその際
には、屈折率の異方性の寄与の効果が若干減少するの
で、光のオン、オフのコントラストは低下する。

【００２４】

【発明の効果】今まで述べたように本発明は従来の液晶
電気光学装置にはまったくなかった新しいモードで表示
を行うことができるものであって、本発明を用いること
により液晶の配向制御が非常に容易で、なおかつ応答速
度の非常に速い液晶電気光学装置が得られる。従って本
発明は例えば大画面の液晶ディスプレイなど多くの分野
に応用が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶電気光学装置の構造の一例を示
す。

【図２】従来のＴＮ型液晶電気光学装置の構造を示
す。

【図３】（ａ）、（ｂ）は本発明の液晶電気光学装置
の電圧パルスに対する液晶の応答を示す。

【符号の説明】

１，２・・・基板３・・・・・液晶分子４・・・・・偏光板５・・・・・電極６・・・・・液晶配向層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の基板、電極、偏光板と液晶材料を
少なくとも有する液晶電気光学装置であって、前記電極
を通じて前記液晶材料に電界が印加されている際には前
記液晶材料中の液晶分子が前記基板に対して、その分子
長軸が垂直となるように揃って、暗状態を表示し、前記
電極を通じて前記液晶材料に電界が印加されない際には
前記液晶材料中の液晶分子が前記基板に対して、その分
子長軸が平行となるように揃って、液晶分子の持つ屈折
率の異方性により明状態を表示することを特徴とする液
晶電気光学装置。