JPH05216054A - 強誘電液晶素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶駆動時の液晶セル内での液晶分子の移動
を抑制し、表示品位を向上させる。 【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、両電極基板の電極は、強誘電性液晶のスメク
チック液晶層にほぼ平行な方向に対して凹凸を有するよ
うに厚さが位置的に変動しており、かつその厚さの変動
は、セル厚が位置によって変動しないように、対向電極
間で厚さの増減方向を逆向きにして位置的に対応してい
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．ＣＬＡＲＫ ｅｔａ
ｌ，ＭＣＬＣ １９８３，Ｖｏｌ．９４）。

【０００５】実際の強誘電液晶セルは、図８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。図８
（ａ）はセルの断面図、図８（ｂ）はその電極基板の平
面図である。このセルは、図８に示すように、２枚の電
極基板８１と８２間に強誘電性液晶６を挟持して構成さ
れる。電極基板８１と８２は、それぞれ、ガラス基板６
１、その上に形成された液晶駆動用のＩＴＯストライプ
電極６２、その上に形成されたＳｉＯ₂ 絶縁膜、および
その上に積層されたポリイミド配向膜を備える。６５は
シーリング部材である。

【０００６】

【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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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、液晶駆動時の液晶セル
内での液晶分子の移動を抑制し、表示品位を向上させる
ことにある。

【００１３】

【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、両電極基板の電極は、強誘電性液晶のスメ
クチック液晶層にほぼ平行な方向に対して凹凸を有する
ように厚さが位置的に変動しており、かつその厚さの変
動は、セル厚が位置によって変動しないように、対向電
極間で厚さの増減方向を逆向きにして位置的に対応して
生じていることを特徴とする。

【００１４】電極厚さの変動は、例えば周期的なもので
あり、また、電極は、例えば、ＩＴＯ膜等の透明な導電
層で構成されている。また、電極は、配線メタルや遮光
用メタルを有する場合は、これらの部分をも含む。

【００１５】

【作用】この構成において、電極を介して印加される電
界によって液晶分子がゆらぐとき、非常に僅かではある
が、液晶分子の重心も液晶層にほぼ平行な方向に移動さ
れる。これが何十時間にもわたって繰り返されることに
よって前記のような液晶セル内における液晶の移動が生
じる。そしてこの液晶分子の液晶層内の移動は、基板界
面に対する液晶分子のプレチルト角に大きく依存し、プ
レチルト角が大きい程液晶は流れやすく移動量が大き
い。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。

【００１６】このように液晶分子の移動がプレチルト角
に依存するということは、液晶分子の移動が界面・分子
間相互の作用効果に大きく影響されていることを示す。
そして、液晶セルの構成によっては、流れ易い基板界面
と流れにくい基板界面とがあることが判明している。こ
れらに基づけば、液晶分子の流れ易さは基板面からの距
離に依存し、かつセル厚方向に非対称な分布を有すると
考えられる。

【００１７】また、本発明者等によれば、このような液
晶の移動を抑えるには、セル厚が一定であっても、基板
面に凹凸を設けることによって液晶移動経路を長くする
ことが有効であることが判明している。したがって、本
発明の構成によれば、液晶層方向への液晶分子の移動が
抑制される。

【００１８】このような移動抑制作用を生じさせるため
には、スメクチック層と平行な方向に凹凸があればよい
ので、図７に示すように、ラビング方向７１が上下基板
上のストライプ電極７３および７５の双方と角度を有す
る場合でも、ストライプ電極７３および７５に斜めに凹
凸条７７を設けることによって液晶の移動が防止され
る。

【００１９】また、配線メタルや遮光用メタルを有する
ような場合、メタル部分の高さを高くすることによって
も、ある程度の液晶移動抑制効果が得られる。

【００２０】

【実施例】実施例１ 図１は本発明の第１の実施例に係る強誘電液晶素子の部
分的な断面図である。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
は、ガラス基板１１、この上に交互に形成されたストラ
イプ状のＩＴＯ電極１２および１３、各電極１２と１３
の両側部に設けられたメタル配線１４、ならびに、これ
らの上に形成された配向膜１８を有する。電極１２は電
極１３より薄く構成される。電極基板２は、ガラス基板
１１、この上に形成された凹凸を有するストライプ状の
ＩＴＯ電極１５、電極１５の凸部１９上両側に設けられ
た画素間遮光用メタル１７、ならびにこれらの上に形成
された配向膜１８を有する。電極１２，１３と電極１５
とは上から見れば相互に直交するように配置されてい
る。そして、電極１２と凸部１９とが対応し、電極１３
と凹部２０とが対応するように構成される。

【００２１】２１はラビング方向を示す印であり、電極
基板１，２におけるラビング方向は共に図の裏面から表
面へ向かう方向であるが、下側の電極基板２から上側の
電極基板１へかけて約６°右回りに回転する方向へ相互
にずらしてある。すなわち、電極基板２では図の紙面の
垂直上方向に対し左方向に約３°傾き、電極基板１では
右方向に約３°傾いている。このようにラビング方向を
上下基板間でねじれた方向とするのは、自発分極Ｐ_S が
負の液晶を用いたときに、ユニフォーム配向をとり易く
するためである。ユニフォーム配向とは、上下基板間で
ダイレクタのねじれが無いか、あるいは極めて少ない配
向であり、大きなねじれを有するスプレイ（ＳＰＬＡ
Ｙ）配向とは異なる。そしてこのようにねじれたラビン
グ処理によっても、スメクチック層は図の紙面と平行に
形成される。

【００２２】ラビングは、毛先が約１．０ｍｍのナイロ
ン植毛布を貼り付けた直径９５ｍｍのローラを約１００
０回転／分で回転させ、これを７０ｍｍ／ｓで移動さ
せ、これに対し、植毛布の毛先の基板上への押付け長さ
が０．３ｍｍとなるように基板を押し付けて行ってあ
る。

【００２３】このようにしてラビング処理した上下の電
極基板１，２を上下のラビング方向が反平行となるよう
に組み合わせて構成したセルに、表１に示す強誘電性液
晶を充填し、ＳｍＡ相におけるプレチルト角をクリスタ
ル・ローテーション法によって測定したところ、約１７
°という測定結果を得ている。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。

【００２４】

【表１】 ＩＴＯ電極１２の膜厚は約１５００Åであり、ＩＴＯ電
極１３の膜厚はその２倍の約３０００Åである。ＩＴＯ
電極１２とＩＴＯ電極１５間のセル厚すなわち液晶１６
部分の厚さｄ₁ およびＩＴＯ電極１３とＩＴＯ電極１５
間のセル厚ｄ₂は共に１．２μｍである。したがって、
両電極基板のＩＴＯ電極は、強誘電性液晶１６のスメク
チック層に平行な方向に対して周期的に凹凸を有し、か
つセル厚が変動しないようになっている。

【００２５】メタル配線１４は、Ｍｏを用い、膜厚が１
５００Åとなるようにスパッタ形成により形成される。
遮光用メタル１７は、画素間の光漏れを防止するために
形成されるもので、同様にＭｏを用い膜厚が１５００Å
となるようにスパッタ形成により形成される。

【００２６】配向膜１８は、日立化成社製のＬＱ−１８
０２を約３５０Åの厚さで成膜することにより形成され
る。

【００２７】このような本実施例の液晶セルと図５に示
す従来例に係る液晶セルとでは、液晶移動の様子が大き
く異なる。図５の液晶セルは、ＩＴＯ電極の厚さがすべ
て等しく、かつ凹凸を有していない点を除き、本実施例
の液晶セルと同様の構成を有する。

【００２８】これらの液晶セルに前記表１に示す強誘電
性液晶を注入し、３０℃において、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，Ｄ２に
より構成される黒書込み信号ａまたは白書込み信号ｂに
よる駆動信号を用い、Δｔ＝９０μｓ、Ｖ_OP＝１５ｖｏ
ｌｔ／１．２μｍ、デューティ比（ｄｕｔｙ）＝１／８
００として駆動し、１２時間および２４時間経過後のセ
ル厚変化を調べたところ、表２に示す結果が得られてい
る。セル厚の測定は、図２における点Ｂのように液晶が
移動する方向のセル端部で行っている。

【００２９】

【表２】 この表からわかるように、初期セル厚の相違を考慮して
も、従来例に対し、１２時間後で１／５、２４時間後で
１／３にセル厚の変動量を減少させることができる。

【００３０】なお、図１中に示す隣接画素間の段差ｄ₃
が大きいほど液晶の移動を抑制できるものと考えられ
る。また、液晶層に垂直な方向にも、液晶層に平行な方
向の前記段差と同様の周期的な段差を設けて、画素内の
液晶が液晶層に垂直な方向へ移動するのを抑制すること
も有効である。

【００３１】実施例２ 図６は本発明の他の実施例に係る強誘電液晶素子の部分
的な断面図である。この例では、電極基板１のすべての
ＩＴＯ電極６１の横断面形状を同じ凸状とし、この凸部
６３に対応する位置に、電極基板２のＩＴＯ電極６２上
の凹部６４を設け、画素間遮光用メタル１７は凸部６５
の中間に設けるようにしている。すなわち、実施例１に
比べスメクチック層に平行な方向の凹凸のピッチが短
く、すべての画素における電極形状が同一となるように
している。これ以外の構成は実施例１と同様である。

【００３２】この構成によれば、実施例１の液晶素子で
は隣接画素ごとに若干配向状態の異なる箇所が見られる
のに対し、安定した均質な配向状態が得られる。

【００３３】この液晶素子について実施例１と同様の駆
動テストを行いセル厚の変化を調べたところ、表３に示
す結果が得られている。なお。比較のため、表３には前
記従来例のデータも併せて示してある。

【００３４】

【表３】 これによれば、本実施例の場合も実施例１の場合と同様
に、１２時間後および２４時間後のいずれにおいても、
従来例よりセル厚変化分が減少していることがわかる。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明したように本発明によれば、
スメクチック液晶層にほぼ平行な方向に対して凹凸を有
するように両電極基板の電極の厚さを位置的に変動さ
せ、かつセル厚が位置によって変動しないようにしたた
め、液晶の駆動特性を劣化させることなく液晶の移動を
防止し、表示品位を向上させることができる。

【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液晶素子
の部分的な断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、図５および図６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】 従来例に係る強誘電液晶素子の部分的な断面
図である。

【図６】 本発明の第２の実施例に係る強誘電液晶素子
の部分的な断面を示す模式図である。

【図７】 ラビング方向が基板電極方向と角度を有する
場合の凹凸条を示す模式図である。

【図８】 他の従来例に係る強誘電液晶素子の断面図と
電極基板の平面図である。

【符号の説明】

１，２：電極基板、１１：ガラス基板、１２，１３，１
５，６１，６２：ＩＴＯ電極、１４：メタル配線、１
６：強誘電性液晶、１７：画素間遮光用メタル、１８：
配向膜、１９，６３，６５：凸部、２０，６４：凹部、
２１，７１：ラビング方向、７７：凹凸条

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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、両電極基板の電極は、強誘電性液晶のス
   メクチック液晶層にほぼ平行な方向に対して凹凸を有す
   るように厚さが位置的に変動しており、かつその厚さの
   変動は、セル厚が位置によって変動しないように、対向
   電極間で厚さの増減方向を逆向きにして位置的に対応し
   て生じていることを特徴とする強誘電液晶素子。
2. 【請求項２】 前記電極の厚さの変動は周期的であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の強誘電液晶素子。
3. 【請求項３】 前記電極は透明な導電層で構成されてい
   ることを特徴とする請求項１または２記載の強誘電液晶
   素子。
4. 【請求項４】 前記電極はＩＴＯ膜で構成されているこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の強誘電液晶素
   子。