JPH0644115B2 - 液晶装置の動作方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 『発明の利用分野』 この発明は、電荷蓄積層を有する液晶装置であって、よ
りコントラスト比の向上を図り、マイクロ・コンピュー
タ、ワードプロセッサまたはテレビ等の表示部の薄型化
を図る液晶表示装置、更にディスクメモリ等のメモリ装
置、スピーカ等の音響機器、光学スイッチ機器へ応用す
る液晶装置に関する。

『従来技術』 従来、液晶を用いて液晶装置、例えば液晶ディスプレイ
を作製せんとする場合、この液晶の一対の基板の内側に
一対の電極を設け、その電極上に絶縁物の薄膜を形成
し、これを対称配向膜として用いる方式が知られてい
る。

しかし、単純マトリックス構造または各画素に非線型素
子が直列に連結されたアクティブ素子構造を有する液晶
表示装置において、最も重要な要素として、前記した液
晶が十分大きいEc（臨界電界またはスレッシュホールド
電界）を有することが重要である。このEcは、液晶が所
定の電界以下では初期の状態（例えば非透過）を維持
し、所定の電界以上においてきわめて急峻に反転し、他
の状態（例えば透過）を呈する現象、およびこの逆に透
過より非透過となる現象をいう。

しかしかかるEcは液晶材料、例えばスメクチック液晶そ
れ自体においてはきわめてその存在が乏しいことが判明
した。特にカイラルスメクチックＣ相を用いる強誘電性
液晶（以下ＦＬＣという）においては、この液晶を印加
するパルス電界の電界強度とそのパルス巾との値に大き
く依存している。そのため、マトリックス表示において
は「ACバイアス法」として知られている励起方式を用い
なければならないし、正方向に書換えんとする時、一度
負のパルスを加え、次に正のパルスを所定の電界強度と
時間とを精密に制御して加えなければならない。また逆
に負方向に書き換えんとする場合も一度正のパルスを加
え、次に負のパルスを所定の電界強度と時間との精密な
制御のもとに加えなければならない。

『発明が解決しようとする問題点』 このようなＥｃの存在が不明確な液晶、特に表面安定化
強誘電性液晶(Surface stabilized FLC)として用いんと
した時、これまでの技術では前記した如き「ACバイアス
法」を用いなければならない。しかし、このバイアス法
は、周辺回路がきわめて複雑になってしまう。

本発明では、液晶それ自体にEcを有することを求めるの
ではなく、電極より一定または概略一定の距離となるよ
うに誘電体膜により、電荷捕獲中心層（以下TLという）
となる部分を設け、このTLに所定の電荷を蓄積すること
により実質的に有効なEc₊,Ec_-を得んとしたものであ
る。

『問題を解決するための手段』 かかる問題を解くため、本発明は、基板の内側に一対の
電極、一般的には透光性電極を設ける。そしてこの一対
の電極の一方または双方の内側にこの電極または液晶よ
り一定または概略一定の距離（所定の膜厚のTLのないま
たは十分少ない誘電体膜でTLと液晶または電極との距離
を規定する）となるように有電体膜を設けて、電子およ
びホールを捕獲し得るTLを設ける。そしてこのTLを不揮
発性の電荷捕獲中心または中心層として機能せしめるも
のである。さらにこの電荷捕獲中心に所定の電界で注入
し捕獲させ保持されている電荷の種類に従って、それに
近接しているまたは隣接している液晶材料の動作が決め
られる。

例えばＦＬＣを用い、TLが１層の場合（一方の電極側の
みに作られた場合）、その中心に正の電荷が捕獲される
と、電界の印加を中止した後であっても、この正の電荷
によりFLC の負の側が引き寄せられる。結果として、例
えば、このパネルに対し光は「非透過」となる。また逆
に、捕獲中心に負の電荷が捕獲されると、FLC の正の側
が電界の印加を中止しても引き寄せられ、逆に例えば
「透過」とすることができる。そしてこの透過、非透過
は捕獲中心に電荷が捕獲されている限り、不揮発性を有
する。

即ち、本発明においては、このTLとして半導体を主成分
とするクラスタまたは半導体を過剰に有する誘電体膜を
用いる。そしてこの半導体が、正の電荷と負の電荷の双
方を注入、捕獲し得る特性を利用している。即ちこのク
ラスタまたは過剰に含有した材料がもし金属である場合
は、負の電荷のみの捕獲しか一般的に行わないため、半
導体、特に単体で半導体であるシリコンまたはゲルマニ
ュームを主成分とした材料が誘電体膜の一部を構成させ
た。このためここでは主として半導体はシリコンとし、
誘電体膜は酸化珪素または窒化珪素とした。そしてこの
誘電体膜に積層してTLを有さないまたは十分少ない、い
わゆる理想的な誘電体を設ける。かかる誘電体によりTL
を有する誘電体の一方またはこのTLを挟んでサンドウィ
ッチ構造に双方に設ける。

またTLを有する誘電体は含有する半導体により透光性を
妨げない、好ましくはかかる半導体が存在しない場合に
比べて可視光が30％以上の減衰をしない程度に薄いこと
が重要である。そのため、TLを有する誘電体の平均膜厚
は2000Åまたはそれ以下を一般には用いる。

そして所定のEcを有せしめるため、好ましくはこのTLを
有する誘電体膜の一方の側より電子またはホールのキャ
リアがトンネル電流またはフロア・ノード・ハイム電流
等の電界のべき乗に従った電流で注入されるよう他方に
比べてコンダクタンスを大きくしている。

その本発明の構成の１つの縦断面図を第１図に示す。

第１図において一対の透光性基板(4),(4′)を有する。
さらにこの基板(4),(4′)の内側には一対を構成する透
光性電極(3),(3′)を有する。

液晶材料としては電界の向きでスイッチングを行う液晶
等、すべてを用いることができる。このためゲストホス
ト型または複屈折型の液晶を用い、また光の検出方式も
反射型または透過型を用い得る。

しかし、ここでは視野角の大きい強誘電性液晶(5) を用
いる。TLを有さない第１の誘電体膜(1),TLを有さない第
３の誘電体膜(2) 及びその間にTLを有する第２の誘電体
膜を有する。

さらに透光性電極の一方（例えば(3)）上（図面では下
側であるが、形成してゆく順序に従って以下上側と表記
する）には第１のTLを有さない誘電体薄膜(1) とTLとを
有し、ここで１つのキャパシタを構成している。またこ
のTLと他の電極(3′)との間には他のTLを有さない第３
の誘電体膜(2) 及び液晶(5) よりなる他のキャパシタを
構成している。ここでは、液晶の配向処理層（膜）の一
方(7)はTLを有する誘電体膜(6) のない側（電極(3′)の
側）における液晶(1) の存在する側に設けられている。

この第１図に示されている縦断面の電気的等価回路を第
２図に示す。この等価回路を用い本発明を以下に記す。

この際のFLC(5)と第２の誘電体膜(2) とを電気的等価回
路としてG₂（コンダクタンス），C₂（キャパシタンス）
で示す。又第１の誘電体(1) の等価回路としてG₁（コン
ダクタンス），C₁（キャパシタンス）を有する。その境
界にはTLを有する誘電体膜(6) が設けられている。この
両端子(3),(3′)間にV₀の電圧を印加した時、C₁,G₁に加
わる電圧V₁,電荷Q₁,C₂,G₂に加わる電圧をV₂,電荷Q₂とす
ると、 でｔ＝０において分圧される。

そしてこのTLにはこの分圧に従って並列したコンダクタ
ンス(G₁),(G₂) より電流(8),(8′)が注入される。

この注入される電流は互いに逆向きになりその差により
ｔ秒後にＱの電荷が蓄積される。

例えば(8) の電流が(8′)の電流より大なる場合は、正
の電荷が(6) に注入捕獲される。また逆に(8′)の電流
が(8) より大なる場合は、負の電荷が注入捕獲される。
その結果、TLにｔ秒後に蓄積されるＱは次式で与えられ
る。

この一般式において前記したC₁＞C₂である条件を考慮す
る。また抵抗（コンダクタンスの逆数）は液晶を２μｍ
の厚さとし、１つのピクセルを300μｍ×300 μｍであ
る場合、10⁹Ωのオーダを有する。また第３のTLを有さ
ない誘電体は10〜100Åの平均厚さ、例えば20Åの厚さ
（非線型特性）を有するため、この薄膜に電界が加わっ
た状態で10⁵〜10⁶Ω、電界が除去された状態で10⁹Ωを
有する。他方第１の誘電体膜(G₁)は平均厚さ500Åの同
一条件で10¹²のオーダを有し、G₂に比べ十分大きい抵抗
を有する。このため、ここではG₁≒０として上式を略記
すると以下の式を得る。

上式よりV₂を求める。すると 上式を変形して で与えられる。

即ちG₂が大きいまたはｔが十分長いとV₂は速やかに飽和
し、その値は で与えられる電位差がFLC の両端に印加されることにな
る。この電位差はTLに捕獲された電荷Ｑにより作られた
ものであるため、V₀の電圧を除去しても残存し、液晶が
この捕獲されている電荷量に従って保持され、液晶が透
過または非透過の状態を不揮発に保持し得ることがわか
る。

その結果、液晶自体に十分なEcがなくても、TLに蓄積さ
れる電荷により実質的に決定されるEcを可変制御するこ
とにより、この電荷Ｑに従って液晶が従属的に従い、見
掛け上液晶が明確なEcを有するようにさせることができ
る。

以上の結果より、本発明は液晶と直列にTLを有する第２
の誘電体膜を存在せしめ、このTLの上側の第１の誘電体
膜と、下側の第３の誘電体膜及び液晶との分極に従って
液晶の反転、非反転を決定することをその思想としてい
る。そしてこのTLは、その内部においてそれぞれが電気
的に独立した電荷捕獲中心の集合体であるため、液晶側
または電極側より注入・捕獲された電荷量がそれぞれ同
一であることが重要である。このため、電荷の注入源で
ある液晶側または電極側とTLまでの距離が一定または概
略一定であることを他の必要条件としている。

以下に本発明の実施例を示す。

実施例１ 第１図を用いて本発明の実施例１を説明する。

図面において、ガラス基板(4),(4′)上に透明導電膜
(3),(3′)を例えばITO（酸化インジューム・スズ）によ
り形成した。更にこの一方の上面に第１のTLを有さない
誘電体薄膜、例えば窒化珪素(1)を形成する。

即ち、誘電体薄膜としての窒化珪素はプラズマCVD また
は光CVD 法により作成した。例えば本発明人の出願によ
るプラズマ気相反応装置（昭和59年４月20日出願、特願
昭59-079623）を用いた。特にかかる明細書の実施例1,
2,4 を用いた。そして基板および電極上を覆って350 ℃
に加熱し、シラン(SinH_2n+2 n≧1)とアンモニア(NH₃)
または窒素(N₂)を用いた。例えば、NH₃/SiH₄≧50の混合
比で混合し、０．１torrの反応圧力にした後13.56MHzの
高周波を加えた。

そしてこれら電極上を500 Åの厚さの被膜とした。更に
この上面にTLを有する誘電体膜を作成した。即ち、窒化
珪素膜(1) を形成した後、これら反応容器を10^-6torr以
下に十分に真空引きした。さらにこの後、NH₃/SiH₄＝0.
01〜１例えば０．５としシリコン半導体を過剰に含有す
る第２の誘電体膜(6) を形成した。

その他はTLを有さない第１の誘電体膜と同一作成条件と
した。

かかる時、TLを有する膜は100 〜2000Åとした。もちろ
ん2000Å以上０．５〜１μｍでも膜とすることができる
が、光の透過率が悪くなり、光読みだし装置としては必
ずしも適当でないため、ここでは光透過量がそれほど減
衰しない程度の厚さである2000Å以下とした。TLを有す
る誘電体膜の形成に際し、シランボンベでの圧力または
会合シランを利用することにより、過剰に含まれている
シリコンがクラスタ構造を有し、窒化珪素中に散在し得
る。

さらにこの後、これら全体を真空引きをし、この後、第
１の誘電体と同様に、第２のTLを有さない第３の誘電体
膜(2) を以下の要件のみを変更して形成した。かかる膜
は真空度を0.01torrとし、きわめて薄く形成されるよう
にした。その他は第１の窒化珪素膜の形成と同一条件で
あった。かくして窒化珪素膜を10〜100 Å、例えば30Å
の平均膜厚に形成させた。

また、他方の透明導電膜の電極(3′)上には同様にTLを
有さない窒化珪素膜を300 Åの平均膜厚に同様の方法に
て形成した。この窒化珪素膜はガラス、透明導電膜から
のナトリューム等の不純物の液晶内への混入を防ぎイオ
ン化率の小さい非対称配向処理層として有効であった。

さらにこの上面に有機物被膜を用いて配向処理膜(7) を
形成させた。例えば、本発明においてはナイロン６をス
ピナで形成し、120 ℃、30分で乾燥して形成した。この
上面に対してラビング処理を施し、配向処理層とした。

次にこの配向処理膜が形成された一対の基板の周辺部を
互いに封止（図示せず）し、公知の方法にてFLC を充填
した。このFLC は、例えばS8とB7との1:1 のブレンド品
を用いた。この液晶はOMOOPPとMBRAとのブレンド品を用
いてもよい。また、例えば特開昭56-107216,特開昭59-9
8051,特開昭59-118744 に示される液晶を用いてもよ
い。

かかるセルの電極は1mm ×1mm となり、マトリックス構
成させ、それぞれに±10V の電圧を加えた。するとこの
電界が加わっても画素はシランカップリング材のみを用
いた従来の方法では見られないきわめてきれいなEcを実
質的に有せしめることが可能となった。

第３図は縦軸に規格化した透過率、横軸に印加電圧を示
している。この図面において、従来例として示された曲
線(16),(16′)は本発明のTLを設けず、また図面におけ
る上側電極(3) 上にシランカップリング材のみを用いた
非対称配向処理法で得たものである。（そのEcはきわめ
て小さくばらつきやすい欠点を有する。）また第１図に
示す如き本発明の実施例においては、曲線(15),(15′)
を得ることができた。この特性において明らかなごと
く、きわめてきれいなEc+,Ec-を得ることができた。

そしてかかるEcを有するため、例えば720 ×480画素を
有する大面積のディスプレイに対してもまったくクロス
トークのない表示をさせることが可能となり得る。

本発明において、さらにシェアリング（液晶を充填した
後一方的に微小距離ずらすことにより配向を行う）法、
温度勾配法をラビング法に変えてまたはこれに加えて行
うことは有効である。

実施例２ この実施例は第４図(A) にその構造を示す。ガラス基板
(4),(4′)により挟まれた透明導電膜の電極(3),(3′)を
有する。それらの一方の側にTLを有する誘電体膜(6) を
有する。そしてこのTLに液晶(5) 側より電荷を注入せし
めるため、平均厚さが500 〜2000Åの厚い酸化珪素膜
(1) を電極(3) とTLを有する誘電体膜(6) との間に介在
させた。この酸化珪素膜はN₂O/SiH₄＝10として公知のプ
ラズマCVD 法で形成した。他方の電極(3′)上は窒化珪
素膜(1′)と有機配向膜(7) とを有する。

この場合、TL(6) への電荷の注入は液晶(5) 側より行
う。その他の記載のないことに関しては実施例１と同じ
である。

実施例３ この実施例は第４図(B) に示す。この図面において、一
対の基板(4),(4′)およびその内側の一対の電極(3),
(3′)を設け、TL(6) へは電極(3) 側より注入・捕獲さ
せている。このため、窒化珪素膜(1) は薄く10〜100 Å
とし、また他の窒化珪素膜(2) は500 〜2000Åとした。
TLの平均厚さは500Åとした。その結果、第３図に示さ
れたヒステリシスとは逆向きのヒステリシス特性を得る
ことができた。その他は実施例１と同様である。

実施例４ 第４図(C) は実施例１に示した液晶側より注入する方法
であって、TLを有する誘電体膜(6),(6′)が双方の電極
(3),(3′)の液晶の側に設けられている。そしてTLを有
する誘電体膜(6) より捕獲された電荷の液晶(5) への放
出を防ぐため、有機物配向膜(7) がTL(6) に密接して設
けている。かくすると電荷の液晶側からの注入が容易に
なり、実施例１のEcをさらに強調する効果を有する。

実施例５ この実施例は、第４図(D) に示してある一方の電極(3)
側にはTLを有する誘電体膜(6),(6′)の上側、下側にTL
を有さない誘電体膜(1),(2) および(1′),(2′)を有せ
しめている。

その他は実施例１と同じである。

『効果』 本発明は以上に示す如く、一方または双方の電極の内側
にTL（電荷捕獲中心層）を有する誘電体膜を設け、この
TLに蓄積された電荷の種類に従ってより一層Ecの明確な
液晶装置を得ることができた。

本発明において、TLを有する膜としてSi₃N_4-x(0＜X＜4
代表的には2＜X＜4)で示される窒化珪素とした。そして
シリコン半導体の過剰の程度を電荷の書き込みの容易
さ、および電荷の保持との兼ね合いで決めることは有効
である。その作成方法はかかる誘電体膜を形成する際の
半導体を有する気体と酸化物または窒化物気体との混合
比で決められる。

この液晶装置は単にディスプレイのみならずスピーカ、
プリンタまたはディスクメモリに対しても適用でき、液
晶の光学的異方性の適用可能な製品に適用できる。

本発明においてフローティング電極近傍の誘電体膜に窒
化珪素膜(Si₃N₄)を示した。しかしその一方または双方
を酸化珪素膜、酸化アルミニューム、酸化タンタル、リ
ンガラス、ホウ珪酸ガラスまたはこれらとの多層膜等も
用い得る。更にビニリデンフロライドを一部に用いた有
機誘電体薄膜をも用い得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液晶装置の縦断面図である。 第２図は本発明の等価回路図を示す。 第３図は本発明と従来例の特性の一例を示す。 第４図は本発明の他の実施例を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の基板の内側に設けられた一対の電極
   と、該一対の電極間に保持された液晶とを有する液晶装
   置の動作方法であって、 前記一対の電極の一方または双方上には、周囲より電気
   的に絶縁された半導体のクラスタまたは膜よりなる電荷
   捕獲中心を有するフローティング電極が設けられてお
   り、 前記フローティング電極に、正または負の電荷を捕獲さ
   せることによって、前記液晶に対して前記電荷の極性に
   従った電界を加え、液晶装置の透過、非透過を決定する
   ことを特徴とする液晶装置の動作方法。