JPH05341265A - 液晶素子とその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は強誘電性液晶素子の電極間間隙部の
配向を電圧印加により制御して、簡単な構成で高品位表
示を可能とすることを目的とする。 【構成】 絶縁膜および配向膜の抵抗値を制御すること
により電極間間隙部の応答しやすさを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は強誘電性液晶を用いた液
晶素子およびその製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜化した強誘電性液晶は、メモリー性
を示す。（図４）は強誘電性液晶パネルの断面の模式図
だが、液晶分子はコーン６０上を動き、電圧を切ると分
子は基板に平行に２つの位置に止まり、(a),(b),(c)の
３つの状態が安定状態となる。

【０００３】（図４）(a),(b)は液晶分子の方向がほぼ
揃った状態で、このとき自発分極は基板法線上方向及び
下方向に向いている。（図４）(c)は液晶分子が基板法
線方向で捻れた状態を取っている。（図５）(a),(b),
(c)は（図５）(a),(b),(c)の液晶を上基板から見た平面
図であるが、直交させた偏光子７１、７２の間に液晶セ
ルを挟むと、（図５）(a)は黒、(b)は白、(c)は灰色表
示となる。

【０００４】これらの安定状態は、液晶分子の自発分極
と基板表面との相互作用に依存し、上下基板表面の極性
が異なると黒または白の一方の状態がより安定になる。
良好なコントラストで表示を行うには、黒白の安定状態
が均等になるよう上下基板表面の性質をほぼ等しくする
方がよい。

【０００５】この場合、液晶を等方相から徐冷して配向
させると、電圧印加前は白黒まだら、または灰色状態と
なる。従って、複数の画素を有する液晶パネルの場合、
電極間間隙部から光がいつも漏れるので、黒の輝度を十
分低くできないのでコントラストあまり高くできない。
このため、従来は電極間間隙部を遮光層で覆っていた。
遮光層は遮光膜を塗布後、電極パターンに沿ってフォト
リソグラフィー・エッチング等のプロセスが必要であっ
た。

【０００６】出願人らは、特開平１−２４２２号公報に
おいて、隣接する画素に十分な電圧を印加すれば、電極
間間隙部の安定状態を切り替えることができることを開
示している。また、この中で、数値シミュレーションに
より電極間隙部の液晶層への印加電界強度が間隙部の幅
によっては、（図６）のように画素上の液晶層に印加さ
れる電界強度の４０％程度にもなり、一方に電極のな
い、間隙部の強誘電性液晶が電界に応答していることを
明らかにしている。

【０００７】また、画素を選択する前に所定の電圧を隣
接する画素に印加して、間隙部を黒状態に揃えておけば
ブラックマトリクス状態にできることも開示した。これ
により、プロセスが簡略化され低コストで高コントラス
ト表示を得ることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１−２４２２号公報では、電極間隙部が５μｍ程度と狭
い場合は比較的容易に間隙部の状態を切り替えることが
できるが、間隙部の幅が大きくなると安定状態の切り替
えに時間がかかり、イオン性不純物による逆電圧が発生
して、通常のパルス電圧印加では、完全には状態が切り
替わらないという問題があった。

【０００９】また、液晶材料だけでなく、配向膜やオー
バーコートの材質や、パネル作成プロセスによっても、
電極間隙部の安定状態の切り替わり方が大きく異なり、
特に、間隙部の幅が２０ミクロン以上の直視型表示パネ
ルの場合に、安定して間隙部の状態の切り替えが行えな
いという問題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の液晶素子は、複数の電極を有する基板上に絶
縁膜と配向膜を形成し、前記基板間に強誘電性液晶を挟
持する液晶パネルにおいて、一方の基板上の隣接する電
極と他方の基板上の電極間に電圧を印加したときに、前
記隣接する電極のそれぞれから、前記絶縁膜及び前記配
向膜を介して、前記電極間間隙部表面上の前記強誘電性
液晶の自発分極の反転による電荷が流れ、前記電極間間
隙部上の強誘電性液晶の安定状態を切り替えることによ
り、電極間間隙部が広い場合でも容易に間隙部の安定状
態を制御することができる。

【００１１】また、絶縁膜形成後に純水で洗浄した後、
絶縁膜および配向膜の抵抗値を、乾燥時間を制御するこ
とにより所定の範囲内とすることにより安定に製造でき
る。

【００１２】

【作用】強誘電性液晶分子は電界と自発分極の相互作用
により応答するが、安定状態が切り替わる時には、基板
表面（通常は配向膜表面）と接する液晶分子の自発分極
の反転により、自発分極量の２倍の電荷が液晶層と基板
表面の界面部に注入されなければならない。逆にいう
と、電荷の注入がなければ、界面部の液晶分子は電界印
加時に配向膜や絶縁膜内の誘起分極電荷で電気的に相殺
されるので、一旦反転しても、電圧を切れば、誘起分極
は緩和し、界面の液晶の自発分極は元の状態に戻ってし
まう。

【００１３】液晶層の電界強度は、配向膜や絶縁膜種が
変わっても数十パーセント程度しか変わらないが、電極
間間隙部の液晶安定状態のスイッチング時間は絶縁膜お
よび、配向膜の抵抗値によって大きく異なることが実験
により判明した。このことから、下部に電極のない電極
間間隙部上の界面の液晶への電荷は、電極端から絶縁膜
および配向膜の内部あるいは表面を伝わって伝導するこ
とが分かる。

【００１４】特開平１−２４２２号公報にも述べている
ように、電圧の印加時間が長すぎると不純物電荷による
逆電圧が大きくなり、安定状態が切り替わらなくなるの
で、絶縁膜及び配向膜の抵抗値には上限がある。しか
し、小さすぎると、画素への選択電圧で電極間隙部の状
態が変わってしまうので、この現象を避ける為の下限値
も設定した方がよい。

【００１５】

【実施例】以下、実施例について詳細に述べる。特開平
１−２４２２号公報では、数値シミュレーションにより
電極間隙部の電界強度を明かにし、電極間隙部が狭い場
合には強誘電性液晶が十分応答する電界を、電極間隙部
にも印加できることを明かにした。本実施例では、強誘
電性液晶パネルを構成する、絶縁膜及び配向膜が間隙部
の液晶のスイッチングに与える影響を明かにし、間隙部
の幅がより広い場合にも間隙部液晶の配向を電圧で制御
できることを明らかにする。

【００１６】はじめに、（表１）のような各種の絶縁
膜、配向膜を用いて、間隙部のスイッチングのしやすさ
を調べた。各パネルの構造は（図２）の断面図のような
ものを用いた。

【００１７】すなわち、ガラスからなる上下基板２０、
２１上に酸化インジウム錫からなるストライプの行およ
び列電極２２、２３があり、電極ピッチは０．３mm、電
極間間隙部２４は４０μm、電極厚は２００nmである。
その上に絶縁膜２５、配向膜２６があり、配向膜２６を
ラビング処理した後、液晶層２７の厚みが１．８μmと
なるよう組み立てて、自発分極が３０nC/cm²の強誘電性
液晶を注入した。

【００１８】パネルNo.１は絶縁膜はなく、配向膜は厚
みが約１０nmのシランカプラー、パネルNo.２は絶縁膜
は５０nm厚の二酸化珪素、配向膜は１０nm厚のシランカ
プラー、パネルNo.３は絶縁膜は５０nm厚の二酸化珪素
と酸化チタンが１：１の膜で、配向膜はシランカプラ
ー、パネルNo.４は絶縁膜は二酸化珪素で、配向膜は導
電性を付与したポリイミドである。

【００１９】（表１）の中央の欄はこれらの構成で、上
下電極間に２５ボルトの双極性パルスを印加したとき
に、液晶の安定状態が切り替わる電極間隙部の電極端か
らの幅を示している。液晶層に印加される電界強度は、
絶縁膜や配向膜はない方が大きくなる。

【００２０】ところが、絶縁膜のないパネル１では、全
く液晶の安定状態は変わらなかった。パネル２では約１
０μm、パネル３、４では完全に間隙部のスイッチング
が確認された。ただし、いずれの場合にも電圧印加中に
は液晶は十分応答しており、無電界時の安定状態に差が
でる。

【００２１】

【表１】

【００２２】これらのパネルの、間隙部の安定状態の切
り替わり易さは、絶縁膜の抵抗値のの低い順、同じ絶縁
膜では配向膜の抵抗の低い順になっている。作用で述べ
たように、強誘電性液晶の安定状態が切り替わるときに
は反転電荷が供給されなければならない。

【００２３】電圧印加時には、隣接電極の電位は等しく
しているので、電位勾配は隣接電極から間隙部の配向膜
−液晶界面へ傾斜している。従って、隣接電極から絶縁
膜・配向膜を介した電流は電位勾配に従って、配向膜−
液晶界面へ流れ、間隙部の反転電荷として供給されてい
ることは明らかである。前記の実験結果から、電極間間
隙部の安定状態のスイッチングをさせるためには、隣接
する電極から絶縁膜および配向膜を介して反転電荷が流
れる構成にしなければならないことがわかる。

【００２４】電圧を印加する時間が長すぎるとイオン性
不純物の偏りによる逆電圧が発生して、安定状態の反転
が阻害されるため、絶縁膜及び配向膜の抵抗値が高すぎ
てはいけない。二酸化珪素の絶縁膜の厚みが異なる種々
のパネルでは２５ボルトの双極性パルスで約１秒以内、
５ボルトのパルスで５秒以内に反転が完了しなければ、
逆電圧による間隙部の安定状態の戻りが観察された。

【００２５】最も、反転しやすかったパネル３の構成
で、製造方法による間隙部のスイッチングしやすさを比
較した。（図２）の構成で、絶縁膜は金属水酸化溶液を
印刷で塗布後、焼成したして二酸化珪素と酸化チタンか
らなる膜を形成する。絶縁膜の上には、厚さ約１０nmの
シランカプラー膜を塗布し、ラビング処理、パネル組立
て、液晶注入を行う。

【００２６】シランカプラー膜を塗布する前に、絶縁膜
の汚れを取るため、温アルカリ洗剤で洗浄し、超純水で
リンス後、１１０℃のオーブンで乾燥する。乾燥後、シ
ランカプラーを塗布し、１３０℃で１時間、オーブン中
で焼成し、ラビング処理をする。超純水洗浄後の乾燥時
間を３０分から１０時間の間で設定を変えた、多種類の
パネルを作成し、液晶を注入した。

【００２７】これらのパネルの行電極と列電極間の液晶
層に（図３）の様なパルス電圧を印加した。双極性パル
ス３１は負の極性で終わり、零ボルトになり、パルス３
２は正の極性で終わってから零ボルトになる。行、列電
極の交差する画素部の強誘電性液晶は、いずれのパネル
でも同じ電圧・パルス幅の双極性パルスで安定状態が白
から黒、黒から白へ切り替わる。

【００２８】特開平１−２４４２号公報で開示したよう
に、行および列電極の間隙部の液晶は、間隙部と隣接す
る電極を同電位にして、対向電極との間に電圧を印加す
ると安定状態が反転した。しかし、行及び列電極間間隙
部の強誘電性液晶の安定状態は、洗浄後の乾燥時間によ
って著しく異なった。

【００２９】（図１）は、乾燥時間の異なる各パネル
の、電極間隙部の安定状態を切り替えるのに必要なパル
ス幅（＋印、破線）と、それぞれの隣接電極間の抵抗値
の測定値（□印、実線）を示した相関図である。横軸に
乾燥時間、縦軸は左に抵抗値、右にパルス幅を示してい
る。

【００３０】但し、隣接電極間の抵抗値は電極の長さに
反比例するので、実測値に電極の長さ（本実施例では４
cm）を掛けて、単位長さ当りに換算している。乾燥時間
によって抵抗値が異なるのは絶縁膜中に水が残留してい
るためと考えられる。（図１）からわかるように、間隙
部の反転に必要なパルス幅の逆数は、明らかに隣接電極
間の抵抗値に比例している。（図１）の結果は、反転電
荷が隣接電極から絶縁膜および配向膜を介して供給され
ていることを、さらに証明するものである。

【００３１】実際に、間隙部を反転させるときには隣接
電極の電位は等しいので、電流はそれぞれの隣接電極か
ら間隙部の配向膜と液晶の界面に向かって流れるので、
この経路の抵抗値と反転電流が反比例する。この経路の
抵抗値を、実測することは困難であるが、（図１）の結
果は、隣接電極間の抵抗値が反転電流の経路の抵抗値と
比例していることを示唆しており、隣接電極間の抵抗値
を指標として絶縁膜および配向膜の素材・製造条件を制
御することで、間隙部の応答を制御できることがわか
る。

【００３２】膜抵抗の測定方法として、コロナ放電電荷
の消滅時間を測定することにより、膜厚方向の抵抗値を
測定してみたが、隣接電極間の抵抗値よりも高い体積抵
抗値を示していることから、隣接電極からの電流は膜中
だけでなく膜表面も流れているようなので、隣接電極間
抵抗を測定した方がよい。

【００３３】乾燥時間が４５分以上のパネルでは安定状
態は反転したが、３０分のものは、液晶の配向が悪く、
液晶の抵抗値が１０⁹台と非常に低いので、絶縁膜中の
残留水分が液晶中に混入してしまっており、信頼性に問
題がある。

【００３４】４時間以上乾燥したパネルでは印加パルス
幅が長くなるため、液晶のくの字層構造が電圧により伸
びてきて、特有の配向欠陥が生じて来る。また、（図
１）で使用したパネルでは液晶層の体積抵抗値は５×１
０¹²Ω・cmであったが、不純物のやや多い体積抵抗が２
×１０¹¹Ω・cmの液晶を用いた場合は、４時間以上乾燥
したパネルではイオンの移動による逆電圧発生による安
定状態の逆転現象が、間隙部内の電極エッジ近傍に生
じ、間隙部を均一に黒状態にすることができなかった。

【００３５】従って、乾燥時間としては、４５分以上３
時間以下が最も望ましく、隣接電極間の抵抗値としては
電極１cmあたり１．４×１０¹⁰Ω以下である場合が最も
よい。この値は、１１０℃で長時間、乾燥させたときに
飽和抵抗値の１／４以上、１／２以下が目安となる。た
だし、液晶の体積抵抗が５×１０¹²Ωの場合は、絶縁膜
が二酸化珪素の場合でも、双極性パルスを繰り返し印加
することで、４０μmの間隙部は完全に反転した。

【００３６】このときの、隣接電極間の抵抗値は電極１
cmあたり１０¹¹Ωであったので、本実施例で使用した自
発分極３０nC/cm²の液晶を使用した場合は１０¹¹Ω以下
であれば間隙部のスイッチングは可能である。自発分極
の値が小さい液晶を用いた場合は、電極間抵抗の上限は
自発分極に反比例して大きくなる。電極間隙部の幅が狭
いときにも、前記の上限は高くなる。

【００３７】応答速度の面から自発分極は１０nC/cm²程
度は必要で、電極間間隙部の幅は、直視型パネルでは３
０μmは現在でもエッチング加工可能な距離である。自
発分極１０nC/cm²の液晶で電極間が３０μmの場合は、
絶縁膜の二酸化珪素の厚みがやや厚くとも間隙部の安定
状態をスイッチでき、隣接電極間抵抗の上限は１０¹²Ω
である。

【００３８】一方、隣接電極間の抵抗値が１０⁶Ω以下
の場合は、駆動ＩＣへの負荷が大きすぎて波形がなまっ
てしまい、動作電圧マージンがなくなってしまう。ま
た、間隙部を温度アニール後の初期配向から、黒方向へ
スイッチさせて揃え、ブラックマトリクス状態とする場
合は、通常の画素への選択駆動波形で間隙部の状態が変
わってしまわない方が表示の均一性が優れている。その
ためには、電極間隙部の状態はあまり簡単に変わら無い
ことが必要なので、隣接電極間抵抗値は１cmあたり１０
⁸Ω以上がよい。このようなパネルを、画素の選択電圧
よりパルス幅と電圧の積の面積が大きなパルスで黒状態
に揃えてから、通常の駆動を行えばよい。

【００３９】また、間隙部の明暗の状態を、隣接する画
素への印加電圧に応じて選択的に変えたいときは、隣接
電極間の抵抗値は低い方がよく、電極長１cmあたり１０
¹⁰Ω以下、１０⁶Ω以上がよい。

【００４０】また、本実施例では、純水洗浄後の乾燥を
１１０℃のオーブンで行っているが、乾燥温度や乾燥方
法は、これに限定されるものではなく、隣接電極間の抵
抗値が同程度となればよい。さらに、純水洗浄は、ラビ
ング後に行うことも広く行われており、この場合も、隣
接電極間の抵抗値を基準に乾燥条件を設定すればよい。

【００４１】また、絶縁膜はセル厚の薄い強誘電性液晶
では必要であるが、駆動電圧を非常に小さくできれば絶
縁膜をなくすことができるので、この場合は、配向膜の
み抵抗値を制御することにより、隣接電極間の抵抗値を
所定の値に制御すればよい。

【００４２】

【発明の効果】以上のように、本発明の液晶素子とその
製造法は、隣接電極間の間隙部の強誘電性液晶の安定状
態を、隣接電極から絶縁膜と配向膜を介して反転電荷が
流れる構成・製造法とすることにより、隣接電極間間隙
部の幅が広い液晶パネルでも、前記間隙部の状態を電圧
により制御できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の液晶素子の特性図

【図２】本発明の実施例の液晶素子の断面図

【図３】本発明の実施例の液晶素子への印加電圧波形

【図４】強誘電性液晶パネルの断面図

【図５】強誘電性液晶パネルの平面図

【図６】強誘電性液晶パネルへの印加電界強度を示した
断面分布図

【符号の説明】

２０ 上基板 ２１ 下基板 ２２ 行電極 ２３ 列電極 ２４ 電極間間隙部 ２５ 絶縁膜 ２６ 配向膜 ２７ 液晶

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の電極を有する基板上に絶縁膜と配向
   膜を形成し、前記基板間に強誘電性液晶を挟持する液晶
   パネルにおいて、一方の基板上の隣接する電極と他方の
   基板上の電極間に電圧を印加したときに、前記隣接する
   電極のそれぞれから、前記絶縁膜及び前記配向膜を介し
   て、前記電極間間隙部表面上の前記強誘電性液晶の自発
   分極の反転による電荷が流れ、前記電極間間隙部上の強
   誘電性液晶の安定状態が切り替わることを特徴とする液
   晶素子。
2. 【請求項２】画素に選択パルスを印加する前に、前記選
   択パルスより電圧とパルス幅の積の大きいパルス電圧
   を、一方の基板上の隣接する電極と他方の基板上の電極
   の間に印加して、電極間間隙部上の強誘電性液晶の安定
   状態を黒状態へ揃えた請求項１記載の液晶素子。
3. 【請求項３】電荷量が電極間間隙部上の強誘電性液晶の
   自発分極の総量のほぼ２倍であり、絶縁膜および配向膜
   の抵抗値が、前記電荷が１秒以内に流れる値であること
   を特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
4. 【請求項４】隣接する電極間の抵抗値が電極の長さ１cm
   当り、１０¹²オーム以下、１０⁸オーム以上である請求
   項２記載の液晶素子。
5. 【請求項５】絶縁膜形成後に純水で洗浄した後、請求項
   ３記載の絶縁膜および配向膜の抵抗値を、乾燥時間を制
   御することにより実現することを特徴とする液晶素子の
   製造法。
6. 【請求項６】隣接する電極間の抵抗値が、１１０℃で長
   時間の乾燥したときの前記抵抗値の飽和値の１／４以
   上、１／２以下となるよう乾燥温度および乾燥時間を制
   御した請求項５記載の液晶素子の製造法。
7. 【請求項７】乾燥温度が１１０℃から１３０℃で乾燥時
   間が４５分から３時間である請求項５記載の液晶素子の
   製造法。