JPH0651327A

JPH0651327A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH0651327A
Application number: JP4222289A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Shinjo; 克彦新庄; Shuzo Kaneko; 修三金子
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-07-30
Filing date: 1992-07-30
Publication date: 1994-02-25
Anticipated expiration: 2014-11-22
Also published as: JP2981805B2

Abstract

(57)【要約】【構成】上下基板にそれぞれピッチの異なるストライ
プ状パターンを有し、該ピッチの密な領域では分極反転
閾値電圧が低く、粗な領域では該電圧が高い強誘電性液
晶を用いた液晶表示素子。【効果】分極反転閾値電圧の制御が容易で画素間での
中間調表示特性のばらつきがなく、１画素の小面積化が
可能で高階調度、高精細なディスプレイが提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、テレビジョン等に利用
される液晶表示素子に関し、特に強誘電性液晶を用い、
階調性を持たせた液晶装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアクティブマトリクス駆動方式を
用いた液晶テレビジョンパネルでは、薄膜トランジスタ
（以下、「ＴＦＴ」と記す）を画素毎にマトリクス配置
し、ＴＦＴにゲートオンパルスを印加してソースとドレ
イン間を導通状態とし、この時画像信号がソースから印
加され、キャパシタに蓄積され、この蓄積された画像信
号に対応して液晶（例えばＴＮ液晶）が駆動し、同時に
画像信号の電圧を変調することによって諧調表示が行な
われている。

【０００３】しかしこのようなＴＮ液晶を用いたアクテ
ィブマトリクス駆動方式のテレビジョンパネルでは、使
用するＴＦＴが複雑な構造を有しているため、作製工程
数が多く、高い製造コストがネックとなっている上に、
ＴＦＴを構成している薄膜半導体（例えばポリシリコ
ン、アモルファスシリコン）を広い面積に渡って被膜形
成することが困難である。

【０００４】一方、低コストで製造できるものとしてＴ
Ｎ液晶を用いたパッシブマトリクス駆動方式の表示パネ
ルが知られているが、この表示パネルでは走査線数
（Ｎ）が増大するに従って、１画面（１フレーム）を走
査する間に一つの選択点に有効な電界が印加されている
時間（デューティー比）が１／Ｎの割合で減少し、この
ためクロストークが発生し、しかも画像のコントラスト
が低いという問題を有している上、デューティー比が小
さくなると各画素の階調を電圧変調により制御すること
が困難となるなど、高密度配線数の表示パネル、特に液
晶テレビジョンパネルには適していない。

【０００５】このような従来のＴＮ液晶が持つ根本的な
問題点を解決するものとして、クラークとラガヴァルら
の米国特許第４３６７９２４号などで双安定状態を持つ
強誘電性液晶素子が提案されている。この強誘電性液晶
素子は理想的には２つの双安定状態のいずれかに安定し
ようとして、中間的な分子位置をとらないため、階調表
現には不向きであると考えられてきた。これに対して、
デイザ法に代表されるようなディジタル的な手法による
階調表示が行なわれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
強誘電性液晶を用いた階調表示法では、解像度が低下し
てしまい、ＨＤＴＶ対応等の高解像度ディスプレイには
向かない。更に、画素分割数を上げずに輝度階調数を大
きくすることは困難である。また、１画素階調表示のた
めに多数の駆動電極を必要とし、複雑な演算処理回路も
必要で、歩留も低下してしまう。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、上記
問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で大き
な階調数を有する強誘電性液晶表示素子を提供すること
が目的である。

【０００８】上記目的は以下の構成により達成される。

【０００９】即ち本発明は、一対の対向電極と、該対向
電極間に強誘電性液晶を挟持してなる液晶表示素子であ
って、１画素内に分極反転閾値電圧の異なる複数の領域
と、上記対向電極の少なくとも一方の電極表面上に１画
素内で配置密度の異なる複数の領域を有する凹凸パター
ンを有し、該凹凸パターンの配置密度の高い領域が分極
反転閾値電圧の低い領域に、配置密度の低い領域が分極
反転閾値電圧の高い領域に対応することを特徴とする液
晶表示素子である。以下に本発明を詳細に説明する。

【００１０】本発明において、上記凹凸パターンは上下
両基板に設けるのが好ましく、その形状は具体的には、
凸部を設けた島状パターンや、凸状を平行に設けたスト
ライプ状が好ましいが、これらに限定されるものではな
い。また、これら凹凸パターンはその形状が液晶層に影
響するように、透明薄膜電極に直接、或いは該透明薄膜
電極上に設けた導電体又は絶縁体に形成される。本発明
に係る凹凸パターンの高さ或いは深さは好ましくは５〜
１０００ｎｍ、更に好ましくは５０〜３００ｎｍであ
る。また、本発明においては凹凸パターンは１画素内で
その配置密度の高い領域と低い領域を有しており、その
間隔は好ましくは２〜１０００μｍ、更に好ましくは５
〜１００μｍである。

【００１１】上記凹凸パターンの配置密度の高い領域、
低い領域はそれぞれ、本発明に係る分極反転閾値電圧の
低い領域、高い領域に対応している。

【００１２】以下に図１〜４を用いて本発明の原理を示
す。

【００１３】図１において、１１、１２はガラス基板、
１３、１４は透明薄膜電極（表面上にポリイミド等の配
向膜付き）、矢印１５は強誘電性液晶の分子軸方向を示
す。透明薄膜電極１３、１４上に凹凸が有る場合、その
凹凸のエッジ部で液晶分子軸方向は乱れる。つまり、エ
ッジ部では分子軸はガラス基板１１、１２に対して大き
な角度を持つことになり、自発分極Ｐ_s と電界との相互
作用が大きくなり、分子反転が起き易い（図１中、点線
に囲まれた１６部）。特にフォトリソグラフィー等によ
ってエッジ形状をシャープにした場合にこの現象が顕著
に見られる。

【００１４】次に、図２に透明薄膜電極に一定のサイズ
の凸部を異なるピッチで付与したセルの反転ドメイン領
域の様子を示す。（ａ）〜（ｃ）の順でピッチが大きく
なり、（ｄ）は凸部を設けていないものである。２１は
凸部で、初期状態ではセルは全黒２２である。（ａ）〜
（ｄ）のセルに対して等しい電圧を印加した後の反転ド
メイン２３の面積は（ａ）＞（ｂ）＞（ｃ）＞（ｄ）と
なり、またセル（ａ）〜（ｃ）では反転ドメインは付与
した凸部の位置に対応しているがセル（ｄ）ではランダ
ムである。図２より、セルに凹凸の修飾を施すことによ
って、修飾部位の閾値電圧が低下することが明確である
と共に、修飾密度の大きな領域に対しては修飾した凸部
のみならずその凸部と凸部の中間部の閾値電圧も低下し
ていることがわかる。このことは、閾値電圧の低下が、
単にセル間隔が小さい部分で実効的に電界が大きくなる
ことにより閾値電圧が小さくなったためだけでなく、修
飾部分付近の液晶の力学的な特性を変化させていること
を示唆する。従って、凹凸修飾はここに示したような凸
形状だけではなく、凹形状でも同様の効果を得ることが
できる。このように透明薄膜電極上に凹凸パターンを設
けたことにより、反転ドメイン位置を制御可能となる上
に、修飾部の配置密度を変えることにより、印加電圧−
透過率特性を変化させることができる。

【００１５】図４に印加電圧−透過率特性を示す。点線
Ａ〜Ｄは図２のセル（ａ）〜（ｄ）の特性を示す。閾値
電圧はそれぞれＶ_th.a、Ｖ_th.b、Ｖ_th.c、Ｖ_th.dであ
り、Ｖ_th.a＞Ｖ_th.b＞Ｖ_th.c＞Ｖ_th.dである。飽和電圧
はＶ_s.a 、Ｖ_s.b 、Ｖ_s.c 、Ｖ_s.d であり、Ｖ_s.a ＜Ｖ
_s.b ＜Ｖ_s.c ＜Ｖ_s.d である。ここで、閾値電圧の差
（例えばＶ_th.b−Ｖ_th.a）は、飽和電圧の差（例えばＶ
_s.b −Ｖ_s.a ）よりも大きい。従って、階調表示特性を
示す値としてγ＝飽和電圧／閾値電圧（Ｖ_s ／Ｖ_th）を
用いることにすると、γ_a ＞γ_b ＞γ_c ＞γ_d となる。
そこで、図３のように１画素内でも凹凸パターンの配置
密度に分布を持たせれば、反転ドメイン位置を制御でき
る上に、図４中の実線のように所望のγ特性を得ること
ができる。また、Ｖ_th.d−Ｖ_th.c＜Ｖ_th.c−Ｖ_th.b＜Ｖ
_th.b−Ｖ_th.a、つまり配置密度の高い領域で閾値電圧の
変化量が大きいので、１画素内に配置密度の違う領域を
設けることで所望の階調特性を得る際、全体として小さ
な面積内に納めることができ、結局１画素の面積を小さ
くすることが可能となる。また、前記閾値電圧の変化は
１００μｓ以下、特に４０μｓ以下の書込みパルスを印
加した際により顕著となり、走査線数が大きくなっても
十分な階調特性を得ることが可能である。

【００１６】尚、本発明で用いる液晶としては、カイラ
ルスメクティックＣ相（ＳｍＣ^* ）またはＨ相（ＳｍＨ
^* ）の液晶が適している。また、これらの液晶駆動時
に、所望の温度範囲内に保持するために熱的制御を行な
うことが望ましい。さらに、液晶配向のための配向膜と
しては、ポリイミド、ポリピロール、ポリビニルアルコ
ール等の有機膜、或いはＳＯＩの斜方蒸着膜等どのよう
なものでも良い。

【００１７】

【実施例】以下、実施例により、本発明を具体的に説明
する。

【００１８】（実施例１）図５に本実施例の画素パター
ンを示す。５１の正方形が各画素を示しており、５２は
透明薄膜電極上に設けられた修飾部（ここでは島状凸
部）である。この島状パターンは画素の中心部で密に、
周辺部で粗に配置されている。画素５１のサイズは２０
０μｍ角、島状パターンのサイズは２μｍ角である。画
素中心部における島状パターンのピッチは２μｍ、画素
周辺部においては１５μｍである。

【００１９】図６に図５中ａ−ａ’のセル断面図を示
す。ガラス基板６１、６２上にＩＴＯ６３、６４（１５
００Å）が成膜されており、２度のフォトリソグラフィ
ーの工程により、画素パターン、及び島状パターンが形
成されている。島状パターンの段差は約７００Åであ
る。更にその上にポリイミド２００Åを成膜し、ラビン
グ処理を施した後セルギャップ１．２μｍで貼り合わせ
られている。そのギャップ中に強誘電性液晶（ＣＳ１０
１４（商品名）をベースにブレンドしたもの）を注入し
てある。またセルの貼り合わせ方向は図７に示す平行セ
ルである。このセルは良好な配向を示した。このように
して作製したセルの上下電極間に図８に示すようなパル
ス電圧を印加し光学応答特性を測定した。尚、本実施例
ではΔｔ＝５０μｓ、Ｖ_ap＝１５〜３０Ｖであった。４
×４のマトリクスで初期黒状態で各列に異なるパルス電
圧Ｖ_apを印加した後の反転ドメイン形状を観察した結
果、図９のようになった。各電圧値毎の画素間の透過率
のばらつきは非常に小さく、且つ反転ドメインの重心は
各画素の中心付近で一定であった。また図１０に示すよ
うに表面に島状パターンを形成することにより階調表示
の制御性が向上した。

【００２０】（実施例２）実施例１と同様の島状パター
ンの構成部材をＳｉＯ₂ にしたものである。図１１に本
実施例のセル断面を示す。ガラス基板１１０４上にＩＴ
Ｏ１１０３が７００Å成膜されており、更にその上部に
ＳｉＯ₂ を８００Åスパッタ成膜した後、フォトリソグ
ラフィーにより島状パターン１１０１を形成した。更に
その上にＳｉＯを斜方蒸着したものを配向層１１０２と
した。尚、強誘電性液晶材料、セルギャップは実施例１
と同様で、セルの貼り合わせ方向は図７の平行セル、反
平行セル両方を作製した（ここでは斜方蒸着方向がラビ
ング方向に対応する）。次に、実施例１と同様の光学応
答特性を測定した結果、実施例１と同様の均一で高階調
度を持つ表示装置が得られた。尚、平行セルと反平行セ
ルでは反平行セルの方がより均一で大きなγ値が得られ
た。

【００２１】（実施例３）透明薄膜電極上にストライプ
状パターンを形成した例である。図１２にストライプ状
パターンの形状を示す。１２０１、１２０２は画素パタ
ーンを示しており、１２０３、１２０４は凸条である。
画素サイズは１００μｍ角、ストライプの幅は２μｍで
ある。ストライプ状パターンの最も密な部分の間隔は２
μｍ、最も粗な部分の間隔は１２μｍである。また、上
部基板と下部基板では対応する画素内でストライプ状パ
ターンは直交するように配置されている。図１３に図１
２中のｂ−ｂ’断面図を示す。１３０１はガラス基板、
１３０２はＩＴＯ（７００Å）、１３０３はＰｔ（２０
０Å）をパターニングして形成されたストライプ状パタ
ーンである。更にその上部にポリイミド（２００Å）１
３０４を塗布、上部基板のストライプ状パターンの方向
にラビング処理して、配向層とした。液晶材料、セルギ
ャップ等は実施例１と同様で、貼り合わせ方向は反平行
セルである。実施例１と同様に、４×４のマトリクスで
初期黒状態で各列に異なるパルス電圧Ｖａｐを印加した
後の反転ドメイン形状を観察した結果、図１４のように
なった。各電圧値毎の画素間の透過率のばらつきは非常
に小さく、均一で高階調度を持つ表示装置が得られた。

【００２２】（実施例４）実施例３のストライプ状パタ
ーンを画素の中心部で密に、周辺部で粗にした例であ
る。図１５に画素の模式図を示す。１５０１、１５０２
は上下基板上に設けられたストライプ状パターン、１５
０３は中間調表示電圧を印加した時の反転ドメインであ
る。本実施例の画素においては反転ドメインは必ず画素
中心部から生じ、且つ印加電圧を大きくしていくとドメ
イン面積が増加する。その際ドメインの重心は常に画素
中心に位置し、ディスプレイ全体での中間調表示が良好
に行なえた。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の液晶表示
素子ではγ値の制御性が高く、所望の値まで大きくする
ことができるため、１画素毎の中間調表示特性が良い。
また、反転ドメインの位置を制御できることから、画素
間での中間調表示特性のばらつきを非常に小さく抑える
ことができる。しかも１画素の面積を小さくでき、更に
高速駆動可能なため、高階調度、高精細ディスプレイを
作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】透明電極上に凹凸パターンを設けた液晶セルの
断面図である。

【図２】凹凸パターンのピッチを変えた場合の反転ドメ
インの比較図である。

【図３】本発明の液晶表示素子の１画素の中間調表示を
示す図である。

【図４】本発明の液晶表示素子における印加電圧−透過
率特性を示す図である。

【図５】本発明の実施例１の島状パターンを示す図であ
る。

【図６】図５のａ−ａ’断面図である。

【図７】液晶セルの貼り合わせ方向の説明図である。

【図８】液晶セルの駆動印加電圧を示す図である。

【図９】本発明の実施例１における異なる電圧値駆動で
の反転ドメインの比較図である。

【図１０】本発明の実施例１の印加電圧−透過率特性を
示す図である。

【図１１】本発明の実施例２の島状パターンの構成断面
図である。

【図１２】本発明の実施例３のストライプ状パターンを
示す図である。

【図１３】図１２のｂ−ｂ’断面図である。

【図１４】本発明の実施例３における異なる電圧値駆動
での反転ドメインの比較図である。

【図１５】本発明の実施例４の画素の模式図である。

【符号の説明】

１１、１２ガラス基板１３、１４透明薄膜電極１５液晶分子軸方向１６凹凸エッジ部２１凸部２２初期ドメイン（黒）２３反転ドメイン（白）５１画素パターン５２島状パターン６１、６２ガラス基板６３、６４ＩＴＯ６５、６６ポリイミド１１０１ＳｉＯ₂ １１０２ＳｉＯ１１０３ＩＴＯ１１０４ガラス基板１２０１、１２０２ガラス基板１２０３、１２０４ストライプ状パターン１３０１ガラス基板１３０２ＩＴＯ１３０３Ｐｔ１３０４ポリイミド１５０１、１５０２ストライプ状パターン１５０３反転ドメイン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の対向電極と、該対向電極間に強誘
電性液晶を挟持してなる液晶表示素子であって、１画素
内に分極反転閾値電圧の異なる複数の領域と、上記対向
電極の少なくとも一方の電極表面上に１画素内で配置密
度の異なる複数の領域を有する凹凸パターンを有し、該
凹凸パターンの配置密度の高い領域が分極反転閾値電圧
の低い領域に、配置密度の低い領域が分極反転閾値電圧
の高い領域に対応することを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】凹凸パターンが島状であることを特徴と
する請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項３】凹凸パターンがストライプ状であること
を特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項４】凹凸パターンの構成部材が透明薄膜電極
であることを特徴とする請求項２又は３記載の液晶表示
素子。
【請求項５】凹凸パターンの構成部材が透明薄膜電極
上に形成された導電体であることを特徴とする請求項２
又は３記載の液晶表示素子。
【請求項６】凹凸パターンが透明薄膜電極上に形成さ
れた絶縁体であることを特徴とする請求項２又は３記載
の液晶表示素子。