JPH0643483A

JPH0643483A - 液晶電気光学装置

Info

Publication number: JPH0643483A
Application number: JP21642492A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Konuma; 利光小沼
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】メモリー性を有し、大画面の駆動を可能にす
る。【構成】ホモジニアス配向させたネマティック液晶，
或いは分散型液晶を用い、強誘電体薄膜の自発分極によ
り、液晶の状態を規定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強誘電体薄膜を用い、
高速応答性とメモリー性、さらには低消費電力性を実現
した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簡単
に説明する。

【０００３】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の間に注入
することにより、液晶分子のツイスト配向が生じる。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対の基板間に介
在せしめる方法もあった。

【０００４】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。そして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マイクロ秒と非常に速いため、
各方面への応用が期待されていた。或いは、ＴＦＴ、Ｍ
ＩＭ等のスイッチング素子を各画素に配置したアクティ
ブタイプもある。

【０００５】さらには、ネマティック液晶のツイスト角
度を180 °〜270 °としたＳＴＮ型液晶もある。また、
一対の基板間に液晶と紫外線硬化樹脂等の樹脂が混合さ
れた状態で充填された分散型液晶もある。

【０００６】

【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、応答時間が数十ｍ秒と非常に
遅く、印加電圧に対する応答の急峻性も悪いため、時
計，電卓等の小面積の表示しかできなかった。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°のツイスト配向をさせること
ができなくなる。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。

【０００７】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。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。これを元に戻すためには、加熱して一度等方
相に相転移させる必要があるため、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。

【０００８】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。

【０００９】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
従来より存在するが、他の条件，例えば強誘電相を示す
温度範囲が広いという条件をも同時に満たす液晶は開発
が困難である。

【００１０】分散型液晶については、印加電圧に対する
透過強度の急峻性が悪いため、マトリックス駆動（時分
割駆動）を行なうことが難しい。

【００１１】

【発明の構成】上記問題点を解決するため本発明は、少
なくとも一方に強誘電体薄膜を有する一対の基板を有
し、前記一対の基板の間には液晶が充填されていて、か
つ外部から電界を印加しない状態で、前記液晶の分子は
基板の厚さ方向に、ほぼ同じ方向に配向していることを
特徴とする。そして特に、液晶を駆動するための電源と
して太陽電池を用いることを提案するものである。

【００１２】さらに、最近研究が進んできた分散型液晶
についても本発明は用いることができる。分散型液晶は
一対の基板間に紫外線硬化樹脂等の樹脂と液晶が混合さ
れた状態で充填されたもので、この場合には液晶配向層
を必要とせず、ラビング処理等の表面処理をも必要とし
ないため、熱心に研究が進んでいる。

【００１３】本発明において強誘電体薄膜層は、一対の
基板の両方の液晶に接する面に形成されていても良く、
両方の基板に形成されていても良いが、好ましくは一方
の基板のみに形成し、他方の基板には液晶配向層を形成
する方が良い。ただし、用いる液晶が分散型液晶の場合
は両側の基板に形成しても十分硬化が得られる。ラビン
グ方向が「平行」とは、互いの基板のラビング方向が０
°または180 °（反平行）になっているものを含むこと
とするが、０°のほうが、より好ましい。

【００１４】また、本発明に用いる液晶はコレステリッ
ク（カイラルネマティック）液晶でも良いが、ネマティ
ック液晶の方が好ましい。本発明においては、従来のＴ
Ｎ型液晶電気光学装置の基板間隔が概ね８μｍ程度であ
るのに対し、本発明は概ね５μｍ以下好ましくは３μｍ
以下という薄い基板間隔を用いる。

【００１５】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。また本発明は、従来から研究されているＴＦＴ等
のアクティブ素子と組合わせることも可能である。

【００１６】

【作用】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。

【００１７】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。加うるに、液晶をツイスト配向させず
に一方向に配向させるため、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
マイクロ秒であって、この値はほぼ強誘電性液晶の応答
時間に相当する。

【００１８】そのうえ、本発明においては強誘電体薄膜
を用いている。外部から印加された電界は強誘電体薄膜
の自発分極の向きを規定し、この自発分極により液晶分
子の状態を規定する。強誘電体薄膜の自発分極は逆向き
の外部電界が印加されるまで方向がかわらないから、液
晶分子は強誘電体薄膜の自発分極によりメモリー性を有
することができる。

【００１９】従って、本発明の液晶電気光学装置を液晶
シャッターとして用いる場合には、ＯＮ←→ＯＦＦの切
替え時のみに外部よりの印加電圧を必要とするため、簡
易な太陽電池でもその電源とすることができる。液晶デ
ィスプレイの用途に用いる場合でも例えばそのバックラ
イトを光源とする太陽電池を電源とすることも可能であ
る。

【００２０】さらに、ネマティック液晶，分散型液晶の
どちらを用いた場合でも、本発明は液晶の印加電界に対
する透過強度の急峻性が悪くとも、それを補うことがで
きるのでマトリックス駆動（時分割駆動）が可能にな
る。次に、本発明で用いる強誘電体薄膜について述べ
る。

【００２１】本発明で用いる強誘電体薄膜としては、例
えばビニリデンフロライドとトリフルオロエチレンとの
共重合体，ＴｉＢａＯ₃，ＰｂＴｉＯ₃，ＷＯ₃等のペ
ロブスカイト型の強誘電体，ロッシェル塩，重水素ロッ
シェル塩，酒石酸塩などのロッシェル塩系強誘電体，Ｋ
ＤＰ，リン酸塩，ひ酸塩，リン酸二水素カリウム，リン
酸二重水素カリウムなどのリン酸二水素アルカリ系強誘
電体，ＧＡＳＨ，ＴＧＳなどのグアニジン系強誘電体，
ニオブ酸カリウム，グリシン硫酸塩，硫酸アンモニウ
ム，亜硝酸ナトリウム，ヘキサシアノ鉄酸カリウム（黄
血塩），ヨウ化硫化アンチモンなどの非晶質強誘電体，
シアン化ビニリデンと酢酸ビニルなどとの共重合体など
の高分子強誘電体などを用いても良い。以下に実施例を
示す。

【００２２】

【実施例】

『実施例１』本実施例では、透過型液晶ディスプレイ
を作製した場合について説明する。第１，第２の基板と
して、青板ガラス上にスパッタ法を用いて、酸化珪素膜
を２０００Å積層した基板上に、やはりスパッタ法に
よりＩＴＯ（インジューム・スズ酸化膜）を形成した。
このＩＴＯは室温〜１５０℃で成膜し、２００〜４００
℃の酸素または大気中のアニ−ルにより成就した。その
後、前記第１の基板上のＩＴＯをパターニングした後に
ポリアミック酸をオフセット印刷法により塗布し、２５
０℃で３時間加熱を行なうことによって液晶配向膜とし
てのポリイミド膜を得る。そして綿布を用いてラビング
を行なった後、スクリーン印刷法を用いてシール印刷を
行なった。

【００２３】第２の基板上に成膜されたＩＴＯをパター
ニングすることにより電極を得る。その上に次に述べる
ような方法でビニリデンフロライドとトリフルオロエチ
レンとの共重合体薄膜を得る。

【００２４】ビニリデンフロライドとトリフロロエチレ
ンの共重合体（７：３）をＤＭＦ（ジメチルホルムアミ
ド）に４％の濃度に溶解する。この時攪拌しながら７０
℃に保つことにより１〜２時間で溶解する。ＩＴＯ電極
が作製された基板上にスピンコーターを用い回転数１０
００〜３０００ｒｐｍで塗布する。焼成温度１４０℃〜
２５０℃，焼成時間３０〜１２０分で焼成する。この時
ＤＭＦの沸点が１５７℃なのでそれ以上の温度で焼成を
行なうほうが好ましい。今回は１７０℃で焼成を行なっ
た。焼成後は室温まで放冷する（自然冷却）。膜厚は２
０００オングストロームであった。自発分極は１３００
０ｎＣ／ｃｍ²であった。この自発分極の値と膜の焼成
温度との間には密接な関係がある。それを図１に示す。

【００２５】第２の基板上に３ミクロンの粒子を散布
し、第１の基板と貼り合わせることによってパネルを作
製した。この後液晶を注入した。偏光板を基板の両面に
クロスニコルになるように貼る。この時一方の偏光板の
偏光軸がラビング方向と４５°になるようにする。

【００２６】以上のようにして高速でメモリー性を有す
る透過型液晶ディスプレイを得ることができた。

【００２７】『実施例２』本実施例では、透過型液晶
ディスプレイとして実施例１の場合をさらに改良したも
のについて説明する。第１，第２の基板として、青板ガ
ラス上にスパッタ法を用いて、酸化珪素膜を２０００Å
積層した基板上に、やはりスパッタ法によりＩＴＯ
（インジュ−ム・スズ酸化膜）を形成した。このＩＴＯ
は室温〜１５０℃で成膜し、２００〜４００℃の酸素ま
たは大気中のアニ−ルにより成就した。

【００２８】その後、前記第１の基板上のＩＴＯをパタ
ーニングした後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時間加熱を行なうことによっ
て液晶配向膜としてのポリイミド膜を得る。そして綿布
を用いてラビングを行なった後、スクリーン印刷法を用
いてシール印刷を行なった。

【００２９】第２の基板については図２を用いて説明す
る。図２（ａ）は断面図，図２（ｂ）は正面図である。

【００３０】第２の基板上に成膜されたＩＴＯをパター
ニングすることにより第１の電極１を得る。その上に実
施例１と同様な方法でビニリデンフロライドとトリフル
オロエチレンとの強誘電体薄膜を得、強誘電体薄膜をパ
ターニングして図２に示すような所定の形状の膜２を得
る。そして、第２の電極３をＩＴＯを成膜，パターニン
グして作製する。この基板上に第１の基板と同様にポリ
イミド膜を得る。そしてラビングを行なう。

【００３１】第２の基板上に３ミクロンの粒子を散布
し、第１の基板と貼り合わせることによってパネルを作
製した。この後液晶を注入した。偏光板を基板の両面に
クロスニコルになるように貼る。この時一方の偏光板の
偏光軸がラビング方向と４５°になるようにする。

【００３２】以上のようにして高速でメモリー性を有す
る透過型液晶ディスプレイを得ることができた。

【００３３】本実施例では第１の電極と第２の電極を用
い、その重なる部分の強誘電体薄膜５のみが駆動に影響
し、この部分の静電容量が実施例１に比較して十分小さ
くなっているため、外部からの印加電圧は液晶にはあま
りかからず、強誘電体薄膜にかかるため、駆動しやすく
なっている。

【００３４】『実施例３』実施例１では透過型のパネ
ルを作製した場合について述べたが、本実施例では反射
型について述べる。この場合、透過型と同じように偏光
板を２枚用いても良いが、１枚でも表示が可能になり、
通常の反射型表示と比較して明るい画面が得られる。

【００３５】実施例１と同様にＴＦＴを作製した基板上
にＩＴＯ電極を作製した後、２枚の基板のうち一方の基
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。そしてそ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。３．５ミクロンのＳ
ｉＯ₂粒子をスペーサーとして散布した。他方の基板に
は実施例１と同様に強誘電体薄膜を作製した後、ポリイ
ミド薄膜を重ねて作製し、ラビングを行なった。そし
て、シール印刷済の対向基板と貼りあわせたセルの間隔
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３．５〜３．８ミクロンであっ
た。本実施例においては重ね合わせの際にラビング方向
が同じ方向（０°）になるように貼り合わせた。また、
本実施例で重要なことは偏光板が１枚で反射モードにす
るために、セルのリターデーションを計算する際にはセ
ル厚を２倍にして計算する必要がある。

【００３６】そして、液晶注入口の封止を行った後、パ
ネルの表面に偏光板を、裏面に反射板を貼付した。この
時の偏光板の偏光軸の角度はラビング軸に対し、４５°
の角度とする。こうして、液晶を駆動するための回路を
接続し、反射型の液晶パネルが完成した。

【００３７】『実施例４』本実施例では本発明におい
て、分散型液晶を用いた場合について示す。実施例１と
同様に一対の基板上にＩＴＯ電極を作製し、両方の基板
に実施例１と同じ方法で強誘電体膜を作製した。そし
て、１０ミクロンのスペーサーを挟んで貼り合わせた。
この間に液晶を注入した。使用した液晶としては、屈折
率が１．５１８，屈折率異方性（Δｎ）が０．２２４０
のシアノビフェニルネマティック液晶，光硬化性樹脂と
して、屈折率が１．５７３のウレタン系オリゴマーとア
クリル系モノマーの混合系を用いた。この時の光硬化性
樹脂のウレタン系オリゴマーとアクリル系モノマーの混
合割合は本実施例ではオリゴマー：モノマーの重量比は
３５：６５で混合し、液晶と光硬化性樹脂の混合比は重
量比で５０：５０であった。この混合物の液滴析出温度
は約２５℃であった。

【００３８】液晶注入後、５０ｍＷ／ｃｍ²のＵＶ照射
強度で約６０秒間照射し、液晶と樹脂の相分離を起こさ
せながら樹脂を硬化させ、液晶電気硬化装置を作製し
た。この時の液晶粒の寸法は１〜３ミクロンであり、平
均約１．５ミクロンであった。本実施例で作製した分散
型液晶を用いた液晶表示装置を１／２００デューティー
駆動を行い、ＯＨＰ用に用いたところスクリーン上のコ
ントラストで１２０という大きな値が得られた。

【００３９】

【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。さらに本発明は
メモリー性を有するディスプレイであるので、消費電力
が小さくてすむ。さらに、本発明はネマティック液晶，
分散型液晶等種類を問わず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】本発明に用いることのできる強誘電体薄膜の
自発分極と乾燥温度の関係を示す。

【図２】本発明に用いた電極と強誘電体薄膜の形状を
示す。

【符号の説明】

１，３・・・・・電極２・・・・・・・強誘電体薄膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方に強誘電体薄膜を有する
一対の基板を有し、前記一対の基板の間にはネマティッ
ク液晶が充填されていて、かつ外部から電界を印加しな
い状態で、前記液晶の分子は基板の厚さ方向に、ほぼ同
じ方向に配向していることを特徴とする液晶電気光学装
置。
【請求項２】請求項１において、液晶を駆動するため
の電源として太陽電池を用いることを特徴とする液晶電
気光学装置。
【請求項３】請求項１において、一対の基板の液晶に
接する面はほぼ平行にラビング処理されていることを特
徴とする液晶電気光学装置。
【請求項４】少なくとも一方に強誘電体薄膜を有する
一対の基板を有し、前記一対の基板の間には分散型液晶
が充填されていることを特徴とする液晶電気光学装置。
【請求項５】請求項４において、液晶を駆動するため
の電源として太陽電池を用いることを特徴とする液晶電
気光学装置。