JPH0723942B2

JPH0723942B2 - 液晶装置

Info

Publication number: JPH0723942B2
Application number: JP60175193A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎; 喬犬島; 利光小沼; 敏次浜谷; 晃間瀬; 光範坂間; 稔宮崎; かおる小柳; 利治山口
Original assignee: 株式会社半導体エネルギ−研究所
Priority date: 1985-08-08
Filing date: 1985-08-08
Publication date: 1995-03-15
Anticipated expiration: 2010-03-15
Also published as: JPS6254232A; US4861143A

Description

【発明の詳細な説明】「発明の利用分野」この発明は、液晶装置に関するものであって、強誘電性
液晶（以下FLCという）等のスメクチック液晶を用いた
液晶表示装置を設けることにより、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膜化
を図るものである。この発明は特に実質的にグレースケ
ールを構成せしめフルカラー表示を行わんとする時の階
調表示の可能な液晶表示装置に関するものである。

「従来の技術」固体表示パネルは各絵素を独立に制御する方式が大面積
用として有効である。このようなパネルとして、従来
は、二周波液晶例えばツウィスティック・ネマチック液
晶（以下TN液晶という）を用い、横方向400素子また縦
方向200素子とするA4判サイズの単純マトリックス構成
にマルチプレキシング駆動方式を用いた表示装置が知ら
れている。

しかし、かかるTN液晶を用いた場合、その周波数応答特
性がミリ秒のオーダであり、きわめて遅い。このため64
0×400セグメントまたはそれ以上とすることが実質的に
不可能であった。

さらにかかるTNを用いた表示装置において、フルカラー
化に必要不可欠なグレースケール（灰色の色調）を出す
ことは周辺回路が複雑になり実質的に不可能であった。

「発明が解決しようとする問題点」かかるTN液晶を用いると、（１）液晶が揮発性であるため、繰り返し「０」，
「１」を保持するのに信号を与えなければならない。こ
のためフルカラー化のためにまず必要とされるグレース
ケールを出そうとしても周辺回路がきわめて複雑になっ
てしまう。

（２）また他方、強誘電性液晶が知られている。しかし
これまで知られているFLCを用いた液晶装置はモノドメ
イン（大面積を１つのドメイン（同一の特性を有する領
域、範囲））とすることにより、「０」，「１」のコン
トラスト比を向上させんとするものであった。

そしてこのFLCを用いてグレースケールを出すことは理
論的に不可能であるとされていた。

しかし本発明はかかるFLCを用いて実質的にグレースケ
ールを得んとするものである。かつ周辺回路をFLCの不
揮発性メモリ作用を用いて簡略化することを特徴として
いる。

「問題点を解決するための手段」本発明はかかる問題を解決するため、液晶材料としてス
メクチックＣ相（SmC^＊）を呈する強誘電性液晶（FLCと
いう）を用いたゲスト・ホスト型または複屈折型の構成
を有せしめる。さらにこの強誘電性液晶をマルチドメイ
ン（ドメインが多数同一領域（画素）内に存在してい
る）好ましくはマイクロマルチドメイン化（一領域即ち
一対の対抗電極を構成する領域に少なくとも10²個以上
の無数のドメインを存在させる）して構成せしめる。即
ち一対の基板により構成する液晶装置の全面にわたって
１つのドメインとするのではなく、その中の対抗する電
極により構成する領域内に複数好ましくは多数のドメイ
ンを構成せしめる。そして好ましくはこの対抗電極によ
り構成する領域をマトリックス化し、表示装置として用
いる液晶表示装置に応用する。この場合、対抗する電極
により構成する領域（以下表示装置に応用する場合は単
に画素と表記する）よりもドメインの大きさを小さくし
好ましくは数十分の１とする。するとこのFLCに対し十
分正または負の電圧を印加すればそれに従って透過即ち
「１」，または不透過即ち「０」を表示し得る。しかし
もし中間の電圧を印加すると、１つの画素内においてあ
るドメインは「０」を他のドメインは「１」を表示しそ
の混在状態を得ることができる。その結果、実質的に灰
色（半透過）状態を得ることができる。

即ち液晶装置一対の電極間の間隔を４μｍまたはそれ以
下とし、そしてかかる薄いセルに等方性の液晶状態で液
晶を混入して、温度降下させ、SmAを得、さらに双安定
なSmC^＊を得ることができる。かかるSmC^＊に正の十分大
きな電圧を印加すると、分子が−方向に並びその角度は
一般に約25度（FLCの種類により異なる）を得ることが
できる。

また逆の負の十分大きな電圧を印加すると逆に約−25度
を得ることができる。そしてこの２つの状態は電圧を切
ってもほとんど変化しない不揮発性（双安定性）を有
し、かつ互いに約45度の角度を有する。このため偏向板
は２枚で光の透過、不透過を成就し、複屈折型の表示装
置を得ることができることがわかった。

そしてこの電圧を再び正の中間の電圧とすると画素の中
の複数のドメインの一部は＋約25度となり他の一部はも
との−約25度を保持することになる。

即ち１つの領域または画素内にドメインのそれぞれがS₁
・・・Si・・・Snの面積を有し、それぞれが分極Ｐとし
てP₁・・・Pi・・・Pnを有する。さらに中間の電圧Vmに
より１・・・・ｍまでが反転するならば、この領域の分
極はで与えられる。そしてこの分極ＰはVjによりすべてのド
メインが反転するよりも小さい値となり、実質的に１つ
の画素が中間の分極、即ち透過状態即ちグレースケール
を得ることができる。これは階調を実質的に行い得るも
のでフルカラーディスプレイに応用せんとする時、きわ
めて有効である。

かかる目的のため、本発明は一対の基板（光の入射側を
対抗電極、反射側を単に基板という）とその内側に存在
する電極（光の入射側の電極を対抗電極、内部側を単に
電極という）と、さらにその間に封入されたFLCとを有
する。そして偏向板を入射光側に１枚および基板の反対
側に１枚の計２枚を配設した。

特に本発明の液晶装置を反射型とするには、この偏向板
の外側に反射板を配設した。また透過型とする場合は裏
面側より透過光を照射した。

その場合、入射光の経路は第１の偏向板、対抗基板、対
抗電極、FLC、電極、基板、第２の偏光板，反射面、さ
らにここで反射され、逆の経路をたどる。さらに本発明
は大面積の素子に対し、電極の下側（基板側）に直列に
連結されたアクティブ素子を設けた。即ち本発明はアク
ティブ素子として例えば双方向性の非線型素子（以下NE
という）とFLCとを結合せしめ液晶表示装置とするよう
に努める。

「作用」かくの如きマルチ・ドメインのFLCを用いることによ
り、（１）グレースケールの成就が可能になる。

（２）モノドメインをA4版レベルで作ることは技術的に
不可能であるが、逆にマルチドメインを用い、さらにそ
のドメインを画素の大きさと同等または好ましくは十分
小さくすることにより、FLCの配向が容易になる。

（３）マルチドメインとするため電極間隔は形成される
透明導電膜に対しミクロに凹凸を有せしめ、例えば電極
間隔を３μとするならば３μ±0.3μとすることにより
局部的な電界強度を十分細かくばらつかせることが可能
である。

（４）FLCを用いるため視野角が大きく、使いやすい。

さらに、非線型素子、TFT等のアクティブ素子とFLCとを
用い、双方を相乗的に動作せしめて、クロス・トークが
なく、プロセスがそれほど複雑にならず、またFLCを用
いるため視野角も向上でき、理想型にきわめて近い構成
であることがわかった。

また本発明でも残された問題点の使用温度範囲は、現在
複数の異なったFLCを組合わせて（ブレンドして）０〜5
0℃において使用が可能となっている。このため実用上
はそれほど問題とならず、また階調に関しては本発明に
おいて初めてグレースケール化を成就し得るため、Ｒ
（赤）,G（緑）,B（青）のフィルタを各画素に対応して
設け、このフィルタを光が透過することによりフルカラ
ー化が可能となり、マイクロコンピュータ等のディスプ
レイとしては十分実用が可能であることが判明した。

以下の実施例において、非線型素子としてSCLAD（空間
電荷制限電流を用いた双方向性複合ダイオード）を用い
たもので、この非線型素子と画素との構成を直列に連結
した一体化した。

即ち、この発明に用いられる非線型素子はＮ型半導体−
Ｉ型半導体−Ｎ型半導体構造を主としている。

さらに本発明は、かかるSCLADとマトリックスを構成す
る画素とをセルファライン方式とし得るため、２枚のみ
のマスク数でプロセスさせることができる。この本発明
の構造の代表例を第４図にまたその製造工程を第２図に
示してある。

以下に実施例に従って本発明を説明する。

「実施例１」第１図はアクティブ素子型の液晶表示装置に本発明を用
いた回路図を示す。

図面において、画素はSCLAD（２）の電極（21）（第１
の電極）（図面では数字を矩形で取り囲む記号で示す）
より強誘電性液晶（３）の一方の電極（23）（第３の電
極）に連結している。SCLADはＹ配線（４），（５）に
第２の電極（22）により連結している。他方、FLC
（３）の第４の電極（24）（対抗電極）はＸ配線
（６），（７）に連結している。Ｘ配線は他の透光性絶
縁基板代表的にはガラス基板（第４図（Ｃ）における
（20′））側に密接して設けている（第１図、第４図
（Ｃ）における（６）または（24））。また入射光（10
0）は第３の電極にて反射され反射光（100′）を作る。

かくの如き複合ダイオード（２）を用いた画素の一部で
ある非線形素子の製造工程およびその特性の例を第２
図，第３図に示す。

第４図（Ａ）は第１図破線で囲んだ領域（１）を示す
が、この第２図の製造工程は、この第４図（Ａ）におけ
る（40）の領域を特に拡大して製造する場合に対応して
いる。

第２図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は第４図（Ｄ）
に対応している。

第２図（Ａ）において、透光性絶縁基板としてコーニン
グ7059ガラス（20）を用いた。この上面にスパッタ法ま
たは電子ビーム蒸着法により、導電膜（22）であるモリ
ブデンを0.1〜0.5μの厚さに形成した。

この後、これらの全面に光CVD法またはプラズマCVD法を
用いて非単結晶半導体膜を形成した。その厚さはＮ型半
導体（13）（0.1μ）−Ｉ型半導体（14）（0.3μ）−Ｎ
型半導体（15）（500Å）のNIN接合を有するSCLADとし
た。

この後、この上面に、クロム（21）を電子ビーム蒸着法
またはスパッタ法により0.1〜0.2μの厚さに積層した。

さらに第２図（Ｂ）に示す如く、第１のフォトマスク
により周辺部を垂直になるように異方性プラズマエッチ
を行い、積層体（50）を設けた。

次にこれらの全面に感光性ポリイミド樹脂（27）をコー
ティング法にて約１μの厚さに形成させた。

かくして、積層体（50）の電極（21）上面とポリイミド
樹脂（27）の上面（39）とは積層体の凸部を除きキュア
後で絶縁物表面と積層体表面とがなめらかに連続した構
造となるようにさせた。即ち、ガラス基板（20）側の裏
面側より紫外光を公知のマスクアライナによりマスクを
用いることなくガラス面側から露光させた。

すると、側面（26）を有する積層体（厚さ約１μ）（5
0）に対し蔭となるその上方の凸領域は感光せず、その
側周辺のみが感光する。さらに現像を行った後、リンス
液により非感光性の凸部を溶去した。

次にこれらすべてを180℃30分＋300℃30分＋400℃30分
の加熱を窒素中で行いキュアさせた。かくして積層対の
上面である非線型素子の第２の電極をフォトマスクを用
いることなく露呈せしめるに加えて、この上面と周辺部
のポリイミド樹脂の絶縁物の表面とをなめらかに連続さ
せ、第２図（Ｃ）を得ることが可能となった。

次にこの第２図（Ｃ）の上面全面にFLCの反射用電極
（第３の電極）（23）として、ITO（酸化インジューム
・スズ）を平均厚さ0.1〜0.3μの厚さにスパッタ法また
は電子ビーム蒸着法により形成させた。このITOは被膜
形成において凹凸（図面ではITO（25）上面ギザギザで
示す）を構成せしめ、その高低差は約0.2μであった。
そして凸部のある場所では上側の電極（図示せず）との
間の距離が短くなり、実質的に強い電界強度となる。さ
らにFLC用の配向膜にみだれを生ぜしめ得、結果として
マルチドメインのFLCとさせ得る。さらにこの電極を所
定の形状、例えば120μ×420μの１画素の電極に第２の
フォトマスク（）により選択エッチングを行った。さ
らにこの上面に非対称配向層の一方の非ラビング層（ラ
ビング処理を行わない層）（25）としてシランカップリ
ング剤等の有機膜を形成した。

かくしてＹ方向のリード（６）に連結した第２の電極
（22）とその上のSCLAD（２）さらに上側の第１の電極
（21）の積層体（50）を有し、この第１の電極に密接し
てFLCの第３の電極（23）を設け得る。そしてこのため
には２枚のフォトマスク即ち１回のマスク合わせにより
各画素に対応したアクティブ素子を設けることができ
た。このSCLAD構造の記号が第１図において（２）とし
て記されている。

第３図（Ａ）に示す如き非線型特性（電極面積120μ×4
20μ）を第２図（縦軸は絶対値をログスケールにて示し
ている）に対応して有せしめることができた。

液晶表示素子としての画素を構成するため、第４図
（Ｃ），（Ｄ）に示す如く、互いに対抗した基板の内側
にＸ方向のリードおよび対抗電極（24）を設けた。そし
てこの一対の電極（23），対抗電極（24）の内側には、
カラーフィルタ（26），（26′）をR,G,Bより選択して
設けている。

この内側に非対称配向膜（25），（25′）を設け、これ
によりFLC（厚さ1.5μ）を挟んである。即ち一方の平坦
な表面を有する対抗電極（24）側にはPAN（ポリアクリ
ルニトリル）,PVA（ポリビニールアルコール）を0.1μ
の厚さにスピン法により設け、公知のラビング処理をし
た。ラビング処理の一例として、ナイロンをラビング装
置に900PPMで回転させ、その表面を2m/分の速度で基板
を移動させて形成した。さらに他方の凹凸表面を有する
電極（23）上にはシランカップリング剤の単層の膜を形
成してラビング処理を行わない配向膜とした。この配向
膜間にはFLC例えばS8（Ｐ−オクチル・オキシ・ベンジ
リデン−Ｐ′−アミノ・メチル・ブチル・ベンゾエイ
ト）とB8（９−オクチル・オキシ−４′−ビフェニル・
カルボン酸−２−メチル・ブチル・エステル）との1:1
のブレンド液晶を用いた。これ以外のFLCまたは複数の
ブレンドを施したFLCも充填し得る。その一例は特開昭5
9−98051,特開昭59−118744,特開昭59−118745を用い
る。

本発明のマルチドメイン方式の液晶画素の特性を第３図
（Ｂ）に示す。図面において0Vより＋15Vを加えると点
（31）より曲線（29）を得、点（32）に至る。さら
に、再び0Vとしても曲線（30）をへて点（31）となり
「１」即ち透過が得られる。また−15Vを加えると、曲
線（29′）を経て点（32′）が得られ、再び0Vとすると
点（31）の「０」即ち非透過が得られる。さらに本発
明のマルチドメインにおいては、例えば＋6Vを加えて再
び0Vとすると、曲線（30′）を経て点（31′）が得ら
れ、半透明となる。またこれを（31）の点より＋4Vを
加えると曲線（30″）をへて点（31″）の半不透明とな
る。即ち、十分負の電圧を加えた後、中途の正の電圧を
加えると半透明、半不透明のグレースケールを作ること
ができる。これは逆に十分正の電圧を加えた画素に対し
逆回転に中間の負の電圧を加えても同様の傾向が得られ
る。そしてこのグレースケールの程度は使用するFLCの
種類、特性に依存し、また１つのドメインの大きさにも
依存する。そして１つの画素より各ドメインが十分小さ
いように実質的にグレースケールを作ることができる。

「実施例２」第４図に本発明の構成を示すが、第１図における破線で
囲んだ領域（１）での平面図（Ａ）及び縦断面図
（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）が示されている。

さらに、第４図（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は（Ａ）におけ
るそれぞれＡ−Ａ′,B−Ｂ′,C−Ｃ′での縦断面図を記
す。加えて、第４図（Ｃ），（Ｄ）は偏向板（30），液
晶（３），配向処理層（25′），（25），カラーフィル
タ（26），（26′），対抗電極（24）および対抗基板
（20′）をも示している。他の（Ａ），（Ｂ）は非線型
素子（２）を有する側のみを簡単のため示した。

本発明は第４図（Ａ）に示す１つの画素（23）の内部に
複数のFLCのドメインを有せしめ、中間の電圧の印加の
際、その一部が「１」、他方が「０」を構成せしめてグ
レースケールを表示させるものである。

この画素に連結する素子の製造方法は実施例１と同様で
ある。即ち、２つのマスク，により矩形の第１の電
極（21）、第３の電極（23）およびその間に第１の電極
と同一形状の半導体、第２の電極（22），リード（４）
を構成する。また第３の電極構成する透光性導電膜の形
状は420μ×420μとした。

図面においてFLC（３）は一対の基板（20）および対抗
基板（20′）、一対の電極（23）及び対抗電極（24）、
非対称配向層（25）及び（25′）の間に充填されてい
る。

さらに第１図に示す周辺回路（８），（９）をプリント
基板に配設し、このプリント基板のリードを表示素子の
各リードとを対応させて連結した。

「効果」本発明は以上に示す如く、透過型液晶表示装置におい
て、液晶としてFLCを用いたものである。そして一方の
電極に凹凸を有せしめることによりマルチドメインをよ
り細かく、例えば好ましくは平均300〜2500μm²（形状
は一般に顕微鏡で観察して定型を有さないため、面積は
概略を示す）の１つの画素が420μｍ×420μｍの1/600
〜1/70と１つのドメインを小さくすることにより得るこ
とができる。

さらに本発明は実施例１〜２に示した如く、フルカラー
化方式であり、グレースケールの表示をさせた際、隣の
画素でのクロストークを防ぐためアクティブ素子方式で
あることが有効である。

本発明の実施例は２×２のマトリックスを示した。しか
し実験は100×100のマトリックスを作成して試みたもの
である。そして文字等の表示を十分に行うことが確認で
きた。周波数特性を考慮するならば、８ビットパラレル
処理を施し、1920（640×３）×400のフルカラーの表示
装置を作成することも可能であると推定される。

本発明のFLCを用いた液晶装置において、マルチドメイ
ン特に所定の大きさの領域、例えば画素に比べて十分小
さい（少なくとも数個以上好ましくは数十個またはそれ
以上のドメインを含む）構成とすることにより、初めて
得るものである。そしてその大きな応用の１つとしてフ
ルカラーディスプレイが示される。しかし表示装置では
なく、光ディスクメモリ装置、スピーカー等の音響機
器、プリンタさらに複写機等への応用を試みてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液晶表示パネルの回路図を示す。第２図は本発明の空間電荷制限電流型複合ダイオードの
製造工程を示す一方の縦断面図である。第３図は本発明の空間電荷制限電流型複合ダイオードの
非線形素子および強誘電性液晶の動作特性を示す。第４図は本発明の表示パネルの平面図および縦断面図を
示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者間瀬晃東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者坂間光範東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者宮崎稔東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者小柳かおる東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者山口利治東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号株式会社半導体エネルギー研究所内審査官小林紀史 (56)参考文献特開昭59−193427（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極を互いに有する一対の基板を電極を内
側にして対向して設け、前記一対の基板のうちの一方の基板側の電極に凹凸表面
を設け、他方の基板側の電極に平坦な表面を設け、前記平坦な表面にラビング処理を施した配向膜を設け、かつ前記配向膜と前記凹凸表面との間にスメクチック液
晶を介在せしめたことにより、実質的な階調処理を施すことを特徴とする液晶装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、凹凸表面
は一つの画素内でその高さをばらつかせることにより、
一対の電極間隔を局部的にばらつかせることを特徴とす
る液晶装置。