JPH05216033A

JPH05216033A - 強誘電液晶素子

Info

Publication number: JPH05216033A
Application number: JP4074192A
Authority: JP
Inventors: Shinjiro Okada; 伸二郎岡田; Yutaka Inaba; 豊稲葉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1993-08-27

Abstract

(57)【要約】【目的】セル内の温度むらやセル厚のばらつきに対し
ても安定な表示が行えるように駆動マージンを大きく
し、また、液晶分子の移動に起因する黄変現象を抑制す
る。【構成】液晶駆動用の電極をそれぞれ有する２枚の電
極基板間に強誘電性液晶を挟持してなる強誘電液晶素子
において、液晶分子のＳｍＡ相におけるプレチルト角が
両電極基板界面において異なるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強誘電液晶を用いた表
示素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】強誘電液晶（以下、ＦＬＣともいう）を
用いた表示素子に関しては、特開昭６１−９４０２３号
公報などに示されているように、対向面に透明電極を形
成し配向処理を施した１組のガラス基板を１〜３μｍ位
のセルギャップを保って向かい合わせて構成した液晶セ
ルに強誘電液晶を注入したものが知られている。

【０００３】強誘電液晶を用いた上記表示素子の特徴
は、強誘電液晶が自発分極を持つことにより、外部電界
と自発分極の結合力をスイッチングに使えることと強誘
電液晶分子の長軸方向が自発分極の分極方向と１対１に
対応しているため外部電界の極性によってスイッチング
できることである。

【０００４】強誘電液晶としては一般にカイラル・スメ
クチック液晶（ＳｍＣ＊、ＳｍＨ＊）を用いるので、バ
ルク状態では液晶分子長軸がねじれた配向を示すが、上
述の１〜３μｍ位のセルギャップのセルにいれることに
よって液晶分子長軸のねじれを解消することができる
（Ｐ２１３−Ｐ２３４，Ｎ．Ａ．ＣＬＡＲＫｅｔａ
ｌ，ＭＣＬＣ１９８３，Ｖｏｌ．９４）。実際の強誘
電液晶セルは、図１に示すような単純マトリックス基板
により構成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の強誘電液晶セルにおいては、液晶セルの耐久
性に関し、次のような問題点がある。

【０００６】ＦＬＣ分子は、マトリックス駆動時の非選
択信号によってもある程度動くことが知られている。こ
れは、非選択信号を印加した画素の光学応答を調べる
と、印加パルスと同期して光量に変動を生じていること
などからも明らかである。いわゆるスプレイ配向（上下
基板間で分子長軸の角度に大きくねじれのある配向）で
はこのような分子のゆらぎは、それによって分子の安定
位置が変化（スイッチング）することがなければ表示内
容を保持できるので、若干のコントラストの低下以外に
は問題とはならない。ところが、上下基板間での分子長
軸方向の角度の変化の比較的少ない配向（以下、ユニフ
ォーム配向）のセルにおいては、液晶分子が電圧（例え
ば非選択信号）の印加によって層内を移動するという現
象が見られる。この現象を図２を用いて詳しく説明す
る。

【０００７】図２（ａ）は電圧印加前のセル状態、
（ｂ）は電圧印加後のセル状態である。同図において、
ＦＬＣ３６は上下の電極基板間にシール部材３５によっ
て封入されている。配向膜層としては、ポリイミド薄膜
を用い、ラビング方向は、同図（ａ），（ｂ）いずれの
場合も矢印３７方向に上下基板とも平行に行っている。
このような処理を行うと、図２（ｃ）に拡大して示すよ
うに、スメクチック層３８はラビング方向と直交した方
向に生成される。

【０００８】セル厚をらせんピッチを解除できる位に十
分に薄くした場合においてＦＬＣ分子は２つの安定状態
を取り得るが、その内の１つの状態にセル内の全分子３
９の方向を揃えておき、この状態を、図２（ｄ）に示す
ように、層法線ベクトルｈと液晶分子３９とが成す角θ
により＋θの状態とすると、層法線に対してほぼ対称の
−θの位置に他の安定状態が存在する。

【０００９】この＋θ状態下でセル全面に電界（例え
ば、１０Ｈｚ、±８Ｖの矩形波）を印加すると、液晶分
子は＋θの層法線に対する傾きを保ったまま図２（ａ）
中の点Ａから点Ｂの方向へ層内を移動し始める。

【００１０】その結果、電圧印加を長時間続けると、図
２（ｂ）に示すようにＡ端には液晶のない部分Ｅを生
じ、セル厚はＢ部の方がＡ部より厚くなる。このような
現象は液晶分子が−θの状態にある場合には、Ｂ端から
Ａ端へ向って層内を液晶が移動してＥ部のような液晶の
ない空隙部がＢ端に生じる。そして、このような現象は
２０〜５０時間という比較的短い時間に生じる。Ｅ部の
ような電気光学的にコントロールのできない部分の存在
が表示品質上望ましくないのはもちろんのこと、Ａ部と
Ｂ部のセル厚が時間によって変化するのでは液晶パネル
全体の駆動制御が難しくＦＬＣを用いた光学素子として
は大きな問題となっている。

【００１１】更に、マトリックス・パネルの線順次駆動
を行う場合において次のような問題を生じている。大型
のＬＣＤパネルではどうしてもパネル内に若干のセル厚
むらや温度むらが存在する。そのため、図４に示すよう
な走査信号波形Ｓ１〜Ｓ３および情報信号波形Ｄ１，Ｄ
２による駆動信号をパネルに入力してＦＬＣを駆動した
ときに、全面を同じ駆動波形では駆動できない。これを
解決するには、「ある駆動波形を画素に印加したと
き」、「ある程度電圧やパルス幅が変化した場合で
も」、「その画素をＯＮ／ＯＦＦできる」というような
裕度（以下、マージンという）を有することが要求され
る。全ての画素でマージンがある程度あれば、パネル全
体が同じ駆動波形で駆動できるのである。そして一般
に、ＦＬＣは明確な閾値特性を有することから、上述の
条件をある程度満たすことができると考えられていた。
事実、上下界面上のプレチルト角が小さいスプレイ配向
においては、十分なマージンを確保することができる。

【００１２】ここで、マージンの大きさを比較する方法
として次のような方法を用いる。すなわち図４の波形Ｓ
３において示した書込みパルス幅△ｔを、電圧を固定し
て変化させた場合において、ＦＬＣのＯＮ／ＯＦＦが正
常に行われる（黒書込み波形で黒が書き込まれ、白書込
み波形で白が書き込まれる状態を言う）△ｔの値を用
い、次の数１式で示されるパラメータＭでマージンの大
きさを表現する。

【００１３】

【数１】パラメータＭは、ＦＬＣの温度特性で、その回転粘性が
対数的に変化するのを受けて、単なる可動パルス幅の
上、下限の差だけでなく比で表したものであり、実際の
パネルを駆動するときの目安として使用されている。こ
のような方法でマージンを評価すると、上下界面でのプ
レチルト角が１０°以上のユニホーム配向セルでは、各
画素のマージンがかなり小さくなってその結果として大
型パネルの全面駆動はしにくい状況を呈している。そし
て、両界面でのプレチルト角を小さくしてしまうと、ユ
ニホーム配向を取りにくく、上下基板界面にねじれを生
じ易くなってしまうという問題点がある。ここで、プレ
チルト角とは、図３に示すように、ラビング方向５４に
向かって液晶分子５２が基板５０となす角度θ_P であ
る。

【００１４】本発明の目的は、上記従来技術の問題点に
鑑み、強誘電液晶素子において、セル内の温度むらやセ
ル厚のばらつきに対しても安定な表示が行えるように駆
動マージンを大きくし、また、液晶分子の移動に起因す
る黄変現象を抑制することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、液晶駆動用の電極をそれぞれ有する２枚の
電極基板間に強誘電性液晶を挟持してなる強誘電液晶素
子において、液晶分子のＳｍＡ相におけるプレチルト角
が両電極基板面で異なるようにしている。ここで、プレ
チルト角とは、液晶分子が電極基板に対してなす平均角
度をいう。

【００１６】例えば、ライン消去およびライン書込み方
式で線順次に書込み駆動が行われる場合は、消去によっ
て形成される配向状態における界面分子のダイポール・
モーメントが電極基板側を向いている電極基板界面のＳ
ｍＡ相におけるプレチルト角が他方の界面でのＳｍＡ相
でのプレチルト角より大きくなるようにされる。

【００１７】また、前記電極基板の電極が、相互に交差
するように配置されたストライプ状の電極群であり、一
方の電極基板のストライプ状電極群とスメクチック液晶
の層とは平行もしくは略平行である場合は、その一方の
電極基板上のＳｍＡ相における液晶分子のプレチルト角
が、他方の電極基板上のそれよりも小さくなるようにさ
れる。

【００１８】いずれの電極基板界面におけるプレチルト
角も、ＳｍＣ^* 相でのスメクチック層の傾斜角よりも大
きいことが好ましい。

【００１９】

【作用】この構成によれば、駆動マージンが改善（拡
大）され、黄変現象が抑制されるが、それは次のような
理由によるものと考えられる。

【００２０】まず、ＦＬＣの駆動時のマージンの改善に
関して説明する。ＳＳＦＬＣ構成のセルにおいて、ＦＬ
Ｃ分子は２つの状態を双安定的に取り得る。その１つ
は、図５に示すように、自発分極の方向が下基板５１か
ら上基板５３へ向いている状態Ｗ（ＵＰ）、もう１つは
自発分極の方向が上基板５３から下基板５１へ向いてい
る状態Ｂ（ＤＯＷＮ）である。いずれの状態において
も、上、下いずれかの基板界面において、ＦＬＣ分子は
ダイポール・モーメントが界面へ向かう状態（以下アウ
トワードという）５７と、逆にダイポール・モーメント
が液晶層の方向へ向かう状態（以下、インワードとい
う）５９を取っている。

【００２１】例えば、表１に示す液晶は、自発分極Ｐ_s
の方向が負でかつスプレイ（ＳＰＬＡＹ）状態、すなわ
ち界面でのプレチルトが低く上下基板間でダイレクタが
ねじれを有する状態、での３０℃における界面分子の嗜
好状態は、アウトワードである。表１中、δは液晶層の
傾斜角、Θはチルト角（コーン角）である。なお傾斜角
δは、シェブロン構造の層上下における傾きの平均値で
ある。

【００２２】

【表１】そして、プレチルトを上下界面で大きくしてゆくと、Ｆ
ＬＣの配向はユニホーム配向となる。ユニホーム配向と
は、上下基板間でダイレクタのねじれがないかもしくは
少ない状態である。しかし、この場合でも、界面におけ
る分子の嗜好性には変化がなく、アウトワードの方が分
子・界面間の相互作用が強いと考えられる。また、プレ
チルトを大きくするということは、分子・界面間の束縛
力を弱める働きがある。図６（ｂ）に示すように両状態
間で弾性エネルギに差がなければプレチルトが小さい方
の基板上でアウトワードになる状態が優勢になると考え
られる。したがって、図５における２状態Ｗ，Ｂそれぞ
れのアウトワード側の基板におけるプレチルト角に差を
もたせることで、２状態Ｗ，Ｂの安定性を、分子・界面
の関係を通して変化させることができる。

【００２３】具体的には、図４に示すような、ライン消
去（リセット）後にライン書込みを行う方式では、リセ
ットの波形とそのクロストークの関係と、書込みの波形
とそのクロストークの関係とは異なり、従来の上下基板
におけるプレチルト角が均等な配向処理の場合、一般的
にリセット方向の状態の方が駆動上は安定である。図６
（ａ）はこれを示すもので、黒い短冊６１は黒状態が書
けるパルス幅△ｔの範囲を示し、白い短冊６３は白状態
が書けるパルス幅△ｔの範囲を示している。このような
状態では、そのマージンの広さは、パラメータＭで表現
するとＭ＝０．０７７である。したがって、このような
従来の配向処理方法（上下均等プレチルト角）を上下非
対称なプレチルト角となるような処理に変えることによ
り、上下基板界面における分子・界面間の相互作用に変
化を与え、駆動マージンを改善することができる。

【００２４】黄変現象の抑制に関してもほぼ同じ論議が
成立し、プレチルトの大きい基板界面では小さい界面よ
り液晶分子が流れ易く、さらに、インワード状態の界面
分子はアウト・ワード界面の分子より流れ易い。そし
て、界面の液晶分子が層内を流れる時は、基板表面の凹
凸状態に大きく影響される。したがって、動き易い界面
の方に層方向に垂直にストライプ電極パターンを設ける
ことにより、黄変現象が抑制される。

【００２５】

【実施例】実施例１図１は、本発明の一実施例に係る強誘電性液晶表示素子
を示し、図１（ａ）はそのセル構成を示す断面図、図１
（ｂ）はその電極基板の平面図である。このセルは上下
の電極基板１，２に強誘電性液晶１６を挟持して構成さ
れ、電極基板１，２はそれぞれ、ガラス基板１１上にス
トライプ状のＩＴＯ電極１２を形成し、その上にＴａ₂
Ｏ₅ の絶縁膜１３およびポリイミド配向膜１４を設けた
ものである。

【００２６】このセルは次のようにして作成される。す
なわちまず、ガラス基板１１上にＩＴＯ膜をスパッタ成
膜してからパターニングすることによりＩＴＯ電極１２
を形成し、その上に、上下基板間のショートを防止する
ためのＴａ₂ Ｏ₅ 膜１３をスパッタ形成する。この時、
ＩＴＯ膜、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜共、約１５００Åの膜厚となる
ようにコントロールし、ＩＴＯ膜は３０Ω□となるよう
にする。

【００２７】次に、その上に、ＦＬＣ１６の配向膜１４
として、日立化成社製の配向剤ＬＱ−１８０２を約４０
０Åの膜厚となるように成膜し焼成してから、ラビング
処理を施す。このラビング処理で基板界面でのプレチル
ト角をコントロールする。ラビング方向は上下基板１，
２間で平行であり、下基板２から上基板１に向けて右ま
わりに約３°クロスさせる。この時、上基板１には低プ
レチルト処理を施し、下基板２には高プレチルト処理を
施すが、その際の押込み量、送りスピード、およびロー
ラ回転数、ならびにそれにより得られるプレチルト角を
表２に示す。使用するラビング布はナイロン−６、毛の
長さは〜１ｍｍ、ドラム径は９５ｍｍである。

【００２８】

【表２】ここで、押込み量とは、ラビング植毛布の毛先が基板に
接する距離を０（基準）として毛先を基板側に押込んだ
長さであり、送りスピードとは、ローラが基板上を移動
する時の速度である。このように押込み量と送りスピー
ドを変化させることにより、プレチルト角を制御するこ
とができる。表２中に記したプレチルト角は反平行ラビ
ングセルに前記表１の液晶を入れ、スメクチックＡ（Ｓ
ｍＡ）状態で測定したものである。測定方法はクリスタ
ル・ローテーション法を用いている。

【００２９】このようにして、上下基板でプレチルトが
１５．５°および１７．５°と異なるようにして、リセ
ットパルスによって誘起される状態のアウトワードを持
つ基板界面のＳｍＡでのプレチルト（図５の状態Ｂのア
ウトワード界面におけるプレチルト）を他の状態のアウ
トワードを持つ基板界面のＳｍＡでのプレチルト（図５
の状態Ｗのアウトワード界面におけるプレチルト）より
相対的に大きくすることによって、安定状態に差異を設
けることができる。

【００３０】このことを、駆動マージンの大きさで調べ
ると、図６のようになる。上下基板界面とも対称に１
７．５°のプレチルトを持たせて構成したセルにおいて
は、図６（ａ）に示すように、図４の黒書込み信号ａ
（Ｖｏｐ＝１５ｖｏｌｔ／１．２μｍ）での黒書込み範
囲は△ｔ₁ ＝８０μｓ，△ｔ₂ ＝１２４μｓであり、図
４の白書込み信号ｂ（Ｖｏｐ＝１５ｖｏｌｔ／１．２μ
ｍ）での白書込み範囲は△ｔ₃ ＝９０μｓ，△ｔ₄ ＝１
０５μｓである。これをパラメータＭで示すとＭ₁＝
０．０７７となる。図６（ａ）からわかるように、この
書込み波形では黒のほうが良く書込まれる。そこで、黒
のアウトワード側のプレチルトを１５．５°、その対向
側基板のプレチルトを１７．５°にしたセルに図４の波
形ａ，ｂを印加して、そのマージンを見ると、波形ａの
場合は△ｔ₁ ＝８６μｓ，△ｔ₂ ＝１１４μｓであり、
黒書込み波形では、上下対称プレチルトのセルよりマー
ジンが狭くなっているが、波形ｂの場合は、△ｔ₃ ＝８
４μｓ，△ｔ₄ ＝１１２μｓであり、逆に広くなってい
る。これをパラメータＭで示すと、Ｍ₂ ＝０．１３１で
ある。したがって、Ｍ₂ ／Ｍ₁ ≒１．７であり、マージ
ンが拡大されていることがわかる。

【００３１】実施例２図７は本発明の第２の実施例に係る液晶表示素子のセル
断面図である。図中、図１と共通する要素は同じ符号で
示してある。７３はＭｏを１５００Åの厚さで積層して
形成した金属配線、７５は高プレチルト配向膜、７６は
低プレチルト配向膜である。このセルを作製する際のラ
ビング条件は実施例１の表２と同様である。ただし、上
基板１のストライプ電極１２がＦＬＣ１６のスメクチッ
ク層に平行となるように構成される。印５４はラビング
方向を示す。セル厚は１．０±０．０５μｍである。

【００３２】このセルに前記表１の液晶を注入し、図４
の波形ｂによる駆動信号を３０℃，Ｖｏｐ＝１５ｖｏｌ
ｔ／１．２μｍ，△ｔ＝９０μｓという条件で２４時間
印加し続けたときのセル厚変化を調べた結果を、上下基
板１，２のプレチルト角とともに表３に示す。また、上
下基板１，２共に高プレチルト処理を施した以外は同様
にして構成したセルに対し、同様の条件で駆動波形を印
加した場合のセル厚変化を比較例１として表３に示す。

【００３３】

【表３】表３は明かに、スメクチック液晶の層と平行にストライ
プ電極パターンを有する本実施例のセルでは液晶移動の
程度が改善されていることを示している。

【００３４】また、各基板界面のプレチルト角は、いず
れの場合も、前記表１に示す液晶層の傾斜角δより大き
いことがわかる。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明したように本発明によれば、
上下基板界面でのプレチルト角を異なる値に設定するこ
とにより、駆動マージンを改善するとともに、黄変現象
を抑制することができる。例えば、リセットで形成され
る状態におけるアウトワード側界面のプレチルト角を他
方のそれよりも小さく設定することにより、駆動マージ
ンを改善することができる。また、スメクチック層の層
方向と略平行に電極パターンが形成されている方の基板
面におけるプレチルト角を他方のそれよりも小さく設定
することにより、液晶層内の液晶分子の移動を防止し、
黄変現象を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る強誘電性液晶表
示素子のセル断面と電極基板面を示す模式図である。

【図２】液晶分子が電圧印加によって液晶層内を移動
する現象を説明するための説明図である。

【図３】プレチルト角とラビング方向の説明図であ
る。

【図４】図１および図７の液晶セルに印加される駆動
波形を示す波形図である。

【図５】強誘電性液晶の配向状態の説明図である。

【図６】従来例と実施例１における駆動マージンを比
較して説明する説明図である。

【図７】本発明の第２の実施例に係る強誘電性液晶表
示素子のセル断面図である。

【符号の説明】

１，２：電極基板、１１：ガラス基板、１２：ＩＴＯ電
極、１３：絶縁膜、１４：配向膜、１６：強誘電性液
晶、７３：金属配線、７５：高プレチルト配向膜、７
６：低プレチルト配向膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液晶駆動用の電極をそれぞれ有する２枚
の電極基板間に強誘電性液晶を挟持してなる強誘電液晶
素子において、液晶分子のＳｍＡ相におけるプレチルト
角が両電極基板界面で異なることを特徴とする強誘電液
晶素子。
【請求項２】ライン消去およびライン書込み方式で線
順次に書込み駆動が行われ、ライン消去によって形成さ
れる配向状態における界面分子のダイポール・モーメン
トが電極基板側を向いている方の電極基板界面のＳｍＡ
相におけるプレチルト角が他方の界面でのＳｍＡ相での
プレチルト角より大きいことを特徴とする請求項１記載
の強誘電液晶素子。
【請求項３】前記電極基板の電極は相互に交差するよ
うに配置されたストライプ状の電極群であり、一方の電
極基板のストライプ状電極群とスメクチック液晶の層と
は平行もしくは略平行であり、その一方の電極基板上の
ＳｍＡ相における液晶分子のプレチルト角は、他方の電
極基板上のそれよりも小さいことを特徴とする請求項１
項記載の強誘電液晶素子。
【請求項４】いずれの電極基板界面におけるプレチル
ト角も、ＳｍＣ^* 相でのスメクチック層の傾斜角よりも
大きいことを特徴とする請求項１〜３記載の強誘電液晶
素子。