JPH08136915A

JPH08136915A - 強誘電性液晶表示素子

Info

Publication number: JPH08136915A
Application number: JP6296009A
Authority: JP
Inventors: Takashi Miyashita; 崇宮下
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1994-11-07
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 1996-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】セルギャップが大きく、高歩留率で製造する
ことができる強誘電性液晶表示素子を提供することであ
る。【構成】強誘電性液晶は、対向面に電極２２、３１と
配向膜２３、３２が形成された一対の基板１１、１２
と、強誘電性液晶１３と、一対の偏光板１４、１５と、
位相板１６と、より構成される。強誘電性液晶１３の屈
折率異方性Δｎとその厚さｄの積Δｎ・ｄの積と可視領
域の所定波長λとの比Δｎ・ｄ／λが、１以上の整数ｍ
に対してΔｎ・ｄ／λ＝ｍ＋１／２の関係をほぼ充足す
る。これにより、ｄを６μｍ程度以上に大きくすること
ができる。ｄの増加による表示の着色を位相板１６が防
止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は強誘電性液晶表示素子
に関し、特に、セルギャップがＴＮ液晶表示素子と同程
度に大きく且つ表示画像の着色が少ない強誘電性液晶表
示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】強誘電性液晶表示素子は、電極と配向膜
を形成した一対の基板を対向して配置して形成した液晶
セル内に、強誘電性液晶を充填し、この液晶セルを挟ん
で一対の偏光板を配置した構造を有する。強誘電性液晶
表示素子は、ＴＮ液晶表示素子等と比較すると、応答速
度が速く、また、視野角が広いという長所を有する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の強誘電
性液晶表示素子は、そのセルギャップが約１．５ないし
２．０μｍ程度であり、通常のＴＮ液晶表示素子のセル
ギャップである６μｍの１／３程度と、非常に小さい。
このため、液晶セルの形成、特に、適正なセルギャップ
の形成が困難であり、製造時の歩留まり率が低いという
問題がある。

【０００４】この発明は上記実状に鑑みてなされたもの
で、高歩留率で製造することができる強誘電性液晶表示
素子を提供することを目的とする。また、この発明はセ
ルギャップの大きい強誘電性液晶表示素子を提供するこ
とを他の目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の強誘電性液晶表示素子は、対向面に電極
と配向膜がそれぞれ形成された一対の基板と、前記一対
の基板間に挟持され、有効屈折率Δｎとその厚さｄの積
Δｎ・ｄと可視領域の所定波長λとの比Δｎ・ｄ／λ
が、１以上の整数ｍに対してΔｎ・ｄ／λ＝ｍ＋１／２
の関係をほぼ充足する強誘電性液晶と、前記一対の基板
を挟んで配置された一対の偏光板と、前記一対の偏光板
の間に配置された位相差板と、より構成されることを特
徴とする。

【０００６】

【作用】Δｎ・ｄ／λ＝ｍ＋１／２の関係が成立すると
き、液晶表示素子の透過率は最大値になる。また、この
とき、強誘電性液晶の層の厚さｄは６μｍ程度と、強誘
電性液晶表示素子としては大きな値となる。従って、こ
の発明によれば液晶表示素子の最大透過率を確保しつつ
大きなセルギャップを確保できる。しかし、ｄが大きく
なるに従って、強誘電性液晶を通過した光の波長毎の偏
光状態の差が大きくなり、表示画像が着色する。位相差
板は波長毎の偏光状態の差を小さくし、表示画像が着色
の着色を防止する。

【０００７】

【実施例】以下、この発明の実施例にかかる強誘電性液
晶表示素子をその論理面から説明し、次に、その具体的
な構成及び作用を説明する。

【０００８】偏光子と強誘電性液晶セルと検光子とより
形成される強誘電性液晶表示素子の光学特性は、近似的
に強誘電性液晶の有効屈折率Δｎと有効チルト角Θの２
つの物理量に依存する。有効屈折率Δｎは、強誘電性液
晶を通過する光の波長（λ）に対する依存性と印加され
る電圧（Ｖ）に対する依存性を共に有し、Δｎ（λ、
Ｖ）と表現することができる。

【０００９】有効チルト角Θは、液晶表示素子の表示面
の法線方向から見た時の、カイラルスメクティックＣ^*
相の液晶分子の螺旋軸の方向と液晶分子の長軸方向の成
す角の平均値を意味し、印加電圧Ｖに対する依存性を有
し、Θ（Ｖ）と表現することができる。

【００１０】強誘電性液晶に閾値（正極性の閾値Ｖth、
負極性の閾値−Ｖth）を越える電界ＶA、ＶBを印加する
と、それぞれ螺旋構造を完全にほどいた第１の配向状態
と第２の配向状態となる。ここでは、有効屈折率はその
最大値Δｎmax（λ）≡Δｎ（λ、ＶA）≡Δｎ（λ、Ｖ
B）をとる。有効チルト角もその最大値Θmax（λ）≡Θ
（ＶA）≡Θ（ＶB）をとる。

【００１１】一方、強誘電性液晶を無電界状態にして、
自然な螺旋構造を保った状態では、有効屈折率はその最
小値Δｎmin（λ）≡Δｎ（λ、０）をとる。有効チル
ト角もその最小値０＝Θmin（λ）≡Θ（０）をとる。

【００１２】図４に、強誘電性液晶の例として、ＤＨＦ
（Deformed Helix Ferroelectric）液晶のΔｎmax
（λ）の波長依存性の一例を示す。

【００１３】ポジタイプ（印加電圧０Ｖで光を透過）の
強誘電性液晶表示素子の場合、透過率Ｔ（λ、Ｖ）は数
式１で与えられる。

【数１】Ｔ（λ、Ｖ）＝Ｔ₀・sin²［２｛Θ（Ｖ）＋
α｝］・sin²［πΔｎ（λ、Ｖ）ｄ／λ］

【００１４】αはラビング方向と検光子１５の光学軸１
５Aの成す角度であり、図３に示すように、Ｖ＝ＶBでΘ
max＋α＝π／４となるように設定する。また、偏光子
１４の光学軸１４Aは検光子１５の光学軸１５Aに対しほ
ぼπ／２となるように設定する。

【００１５】この場合、Ｖ＝ＶBでの透過率Ｔ（λ、
Ｖ）は数式２に示す最大値をとる。

【数２】Ｔmax（λ）≡Ｔ（λ、ＶB）＝Ｔ₀・sin²［π
Δｎmax（λ）ｄ／λ］

【００１６】数式２が最大となるための条件は数式３で
与えられる。

【数３】 Δｎmax（λ）ｄ／λ＝ｍ＋１／２ｍ＝０、１、
２、・・・・・・図４に示すように、可視領域における代表的な波長であ
るλ＝５８９ｎｍにおいて、Δｎmaxは０．１６程度と
なる。ここで、ｍ＝０を選択すると、液晶表示素子のセ
ルギャップｄが約２μｍと、小さくなる。

【００１７】一方、この実施例ではｍ＝１、２、３・・・・
・・を選択する。ここで、λ＝５８９ｎｍに対してｍ＝１
を選択すると、セルギャップが約６μｍとなる。この値
は、代表的なＴＮ型液晶表示素子のセルギャップの値と
同等であり、素子の製造が容易であり、量産時の生産性
が非常に高くなる。

【００１８】しかし、ｍ＝１、２、・・・・・・の場合には、
ｍ＝０の場合と比較して表示が着色するという問題があ
る。即ち、有効屈折率Δｎが光の波長λに依存するため
に、ＲＧＢの光毎に数式３を満たすギャップ長ｄが異な
り、図５（Ａ）に模式的に示すように、強誘電性液晶を
通過した各色の光の偏光状態が大きく異なってしまい、
波長毎に検光子の透過軸を通過する光の強度が異なり、
表示が着色する。表示の着色はｍが大きい程顕著であ
る。

【００１９】この問題は、位相差板（位相板）を使用
し、検光子に入射するＲＧＢ各色の光の楕円偏光の楕円
率を減少させたり、図５（Ｂ）に模式的に示すように、
楕円偏光の主軸を一定方向に回転させてほぼ一致させる
ことにより、低減できる。

【００２０】そこで、この発明の第１実施例では、強誘
電性液晶表示素子を、偏光子と、６μｍ程度の厚さｄを
有するの強誘電性液晶と、位相差板と、検光子とより構
成することとした。

【００２１】第１実施例の強誘電性液晶表示素子の具体
的構成を図１に断面で示す。図示するように、この強誘
電性液晶表示素子は、アクティブマトリクス型のもので
あり、一対の透明基板１１、１２と、一対の透明基板１
１、１２間に封止された強誘電性液晶１３と、透明基板
１１、１２を挟んで配置された偏光子１４と、検光子１
５と、透明基板１２と検光子１５の間に配置された位相
差板１６とより構成される。

【００２２】透明基板１１、１２はガラス等から構成さ
れる。一方の透明基板（以下、ＴＦＴ基板）１１には、
アクティブ素子としてのＴＦＴ２１と画素電極２２がマ
トリクス状に配置され、これらの上に配向膜２３が配置
されている。ＴＦＴ２１はＴＦＴ基板１１上に形成され
たゲート電極２４と、ゲート電極２４を覆って形成され
たゲート絶縁膜２５と、ゲート電極２４に対向してゲー
ト絶縁膜２５上に形成された半導体層２６と、半導体層
２６に接続されたソース電極２７とドレイン電極２８
と、より構成される。

【００２３】図２に示すように、各ＴＦＴ２１のソース
電極２７は対応する画素電極２２に接続され、各行のＴ
ＦＴ２１のゲート電極２４は対応するゲートラインＧＬ
に接続され、各列のＴＦＴ２１のドレイン電極２８は対
応するデータラインＤＬに接続されている。画素電極２
２は、ＩＴＯ等の透明導電膜から形成される。

【００２４】他方の透明基板（以下、対向基板）１２に
は、画素電極２２と対向して一面に対向電極３１と対向
電極３１の上に形成された配向膜３２が形成されてい
る。対向電極３１はＩＴＯ等の透明導電材料からなる。

【００２５】強誘電性液晶１３は、ＤＨＦ（Deformed H
elix Ferroelectric）液晶から構成される。ＤＨＦ液晶
１３は、カイラルスメクティック相の螺旋ピッチが表示
素子の基板間隔より小さく、メモリ性を有していない強
誘電性液晶であり、カイラルスメクティック相の層の法
線方向を配向方向にほぼ一致させた状態にある。

【００２６】ＤＨＦ液晶１３は、螺旋構造をもった状態
で透明基板間１１、１２の間にシール材ＳＣにより封止
されており、ＤＨＦ液晶１３を挟んで対向する画素電極
２２と対向電極３１間に所定値の正極性の閾値Ｖthを超
える正電圧ＶAを印加した時、第１の配向状態になり、
所定の負極性の閾値−Ｖthを超える負電圧ＶBを印加し
た時、第２の配向状態になる。第１の配向状態は液晶分
子の螺旋構造がほとんど解けて、そのダイレクタが図３
に示す第１の方向１３Ａにほぼ配向した状態である。第
２の配向状態は液晶分子の螺旋構造がほとんど解けて、
液晶分子のダイレクタが図３に示す第２の方向１３Ｂほ
ぼ配向した状態である。また、印加電圧の絶対値が前記
所定値以下の場合、ＤＨＦ液晶１３は、分子配列の螺旋
の歪みにより、液晶分子のダイレクタの平均的な方向が
前記第１と第２の方向１３Ａと１３Ｂの間となる中間の
配向状態になる。

【００２７】このため、ＴＦＴ２１のオンオフを制御し
て、前記中間の配向状態を維持する電圧を画素電極２２
と対向電極３１間に保持するようにすれば、ＤＨＦ液晶
１３を用いて階調表示が可能となる。

【００２８】配向膜２３と３２の表面にはラビング等の
配向処理が施されている。検光子１５の光学軸（透過軸
又は吸収軸）は、図３に示すように、ラビング方向ＲＵ
Ｂと検光子１５の光学軸１５Aとの交差角αとＶ＝ＶBで
の有効チルト角Θmaxとの和がほぼ４５°、即ち、Θmax
＋α＝π／４に近づくように設定する。また、偏光子１
４の光学軸１４Aは検光子１５の光学軸１５Aに対しπ／
２となるように設定する。

【００２９】位相差板１６は、色補償のために、異なっ
た偏光状態にあるＲ、Ｇ、Ｂ各色の光の偏光軸を図５
（Ｂ）に示すようにほぼ揃える。

【００３０】このような構成の強誘電性液晶表示素子に
おいて、ゲートラインＧＬに順次ゲートパルスを印加し
てＴＦＴ２１をオンし、データラインＤＬに階調電圧を
印加すると、オンしたＴＦＴ２１を介して画素電極２２
と対向電極３１の間に表示階調に対応する階調電圧が書
き込まれる。この階調電圧に応じて、ＤＨＦ液晶の平均
的な配向状態が変化し、それに伴って偏光子１４の透過
軸を通過した直線偏光の偏光状態が波長毎に変化し、こ
れを位相差板１６が各色の偏光軸を揃えるように回転す
る。さらに、位相差板１６を通過した光が検光子１５に
入射し、その透過軸を通過し、出射する。

【００３１】このため、画素電極２２に印加電圧する電
圧（自発分極を有するＤＨＦ液晶の分子の配向状態を変
化させるための電荷）を制御することにより、ＤＨＦ液
晶１３の液晶分子の平均的な配向方向を制御して、透過
率を制御し、画像を表示することができる。

【００３２】しかも、位相差板１６により、Ｒ、Ｇ、Ｂ
各色の光の偏光状態を揃えるようにしているので、表示
画像の着色を防止できる。さらに、数式３の定数ｍとし
て１を選択して、セルギャップｄを約６μｍとしたの
で、液晶セルの形成が容易となる。

【００３３】次に、上記構成の強誘電性液晶表示素子の
製造方法について説明する。まず、ＴＦＴ基板１１上に
ＴＦＴ２１と画素電極２２と配向膜２３を形成し、対向
基板１２上に対向電極３１と配向膜３２を形成する。次
に、ＴＦＴ基板１１と対向基板１２を、配向膜２３と３
２の間隔が実質的に６μｍとなるように、スペーサ及び
シール材ＳＣを介して接合し、液晶セルを形成する。液
晶セルに真空注入法等を用いてＤＨＦ液晶１３を充填す
る。その後、位相差板１６、偏光子１４、検光子１５を
配置して強誘電性液晶表示素子を完成する。

【００３４】この製造方法によれば、セルギャップ（液
晶層の厚さ）ｄが約６μｍと通常のＴＮ液晶表示素子の
セルギャップと同程度に大きいため、セルギャップｄの
調整及び維持が容易であり、製造が容易となる。

【００３５】この発明は上記実施例に限定されず、種々
の変形応用が可能である。例えば、上記実施例において
は、色補償用の位相差板１６を対向基板１２と検光子１
５の間に配置したが、図６に示すように、位相差板１６
をＴＦＴ基板１１と偏光子１４の間に配置してもよい。
図６の構成においても、数式３の定数ｍを１以上の整数
の中から選定し、セルギャップｄを例えば約６μｍに設
定する。

【００３６】図１及び図６の構成では、色補償のために
１枚の位相差板１６を配置したが、例えば、図７に示す
ように、位相差板１６Ａを対向基板１２と検光子１５の
間に配置し、位相差板１６ＢをＴＦＴ基板１１と偏光子
１４の間に配置し、２枚の位相差板で、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色
の光の偏光状態を揃えて色補正を行ってもよい。このよ
うに２枚の位相差板を用いると、１枚の位相差板の時に
比べ、視野角の対象性が良好になる。

【００３７】上記実施例では、数式３のｍを１とし、基
準波長λを５８９ｎｍ、定数ｍを１とする場合を中心に
説明したが、基準となる波長λを他の値としても良く、
又、ｍを２以上としてもよい。

【００３８】また、図４に示すΔｎmaxの波長依存性は
選択する強誘電性液晶毎に異なり、選択した強誘電性液
晶に合致するセルギャップｄを選択する。上記実施例に
おいては、強誘電性液晶１３としてＤＨＦ（Deformed H
elix Ferroelectric）液晶を使用したが、例えば、ＳＢ
Ｆ（Short pitch Bistable Ferroelectric）液晶を使用
してもよい。ＳＢＦ液晶はカイラルスメクティック相の
螺旋ピッチが表示素子の基板間隔より小さく、メモリ性
を有する強誘電性液晶であり、カイラルスメクティック
相の層の法線方向を配向方向ＲＵＢにほぼ一致させた状
態で、螺旋構造をもった状態で透明基板１１と１２との
間に封入される。

【００３９】ＳＢＦ液晶は、電極２２と３１との間に絶
対値が所定値以上の電圧を印加した時、印加電圧の極性
に応じて、第１の配向状態と第２の配向状態とのいずれ
かになる。第１の配向状態は液晶分子の長軸の方向（ダ
イレクタ）が第１の方向１３Ａにほぼ配向した状態であ
り、第２の配向状態は液晶分子のダイレクタが第２の方
向１３Ｂにほぼ配向した状態である。また、ＳＢＦ液晶
は、印加電圧の絶対値が前記所定値以下の場合、ダイレ
クタが第１の方向に配向した液晶分子とダイレクタが第
２の方向に配向した液晶分子が混在した中間の配向状態
になる。このため、階調電圧とＴＦＴのオン・オフを制
御して、液晶分子が第１の配向状態にあるドメインと第
２の配向状態にあるドメインの割合を調整することによ
り、階調表示が可能となる。

【００４０】上記実施例においては、図３に示すよう
に、ラビング方向ＲＵＢと検光子１５の光学軸１５Aと
の交差角αとＶ＝ＶBでの有効チルト角Θmax（ＶB）の
和をπ／４に設定し、偏光子１４の光学軸１４Aと検光
子１５の光学軸１５Aとの交差角をπ／２に設定した
が、図８に示すように、交差角αとＶ＝ＶBでの有効チ
ルト角Θmax（ＶB）の和をπ／４に、第２の配向方向１
３Ｂを検光子１５の光学軸１５Aに近づけるように設定
してもよい。

【００４１】さらに、図９に示すように、光学軸１４A
又は１５Aの一方とラビング方向ＲＵＢをほぼ平行と
し、光学軸１４Aと１５Aを直交させるように配置しても
よい。

【００４２】また、上記実施例において、光学軸１５A
とラビング方向Ｒとのなす角をαとしたが、光学軸１４
Aとラビング方向ＲＵＢのなす角をαとし、αとΘmaxと
の和をπ／４に設定し、光学軸１４Aと１５Aとを直交さ
せるように配置してもよい。上記実施例では、アクティ
ブ素子としてＴＦＴを使用したが、ＭＩＭなどを使用し
てもよい。上記実施例においては、螺旋構造を有する液
晶を用い、多階調表示を行ったが、中間の配向状態のな
い第１及び第２の配向状態のみの強誘電性液晶或いは反
強誘電性液晶を用いて表示を行っても良い。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、強誘電性液晶表示素子のセルギャップｄを大きくと
ることが可能となり、その製造が容易となる。また、位
相差板を配置することにより、表示の着色を防止すると
共に視野角を広くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例にかかる液晶表示素子の
構成を示す断面図である。

【図２】図１に示すＴＦＴパネルの平面構成を示す図で
ある。

【図３】配向処理の方向と液晶の配向方向と一対の偏光
板の光学軸との関係を示す図である。

【図４】波長毎の最大有効屈折率を示すグラフである。

【図５】（Ａ）は位相差板を配置しない場合の検光子へ
の入射光の偏光状態を示し、（Ｂ）は位相差板により色
補償を行った場合の検光子への入射光の偏光状態を示
す。

【図６】この発明の第２実施例にかかる液晶表示素子の
構成を示す断面図である。

【図７】この発明の第２実施例にかかる液晶表示素子の
構成を示す断面図である。

【図８】配向処理の方向と液晶の配向方向と一対の偏光
板の光学軸との関係の他の例を示す図である。

【図９】配向処理の方向と液晶の配向方向と一対の偏光
板の光学軸との関係の他の例を示す図である。

【符号の説明】

１１・・・ＴＦＴ基板、１２・・・対向基板、１３・・・ＤＨＦ
液晶、１４・・・偏光子、１５・・・検光子、１６・・・位相差
板、２１・・・ＴＦＴ、２２・・・画素電極、２３・・・配向
膜、２４・・・ゲート電極、２５・・・ゲート絶縁膜、２６・・
・半導体層、２７・・・ソース電極、２８・・・ドレイン電
極、３１・・・対向電極、３２・・・配向膜、ＳＣ・・・シール
材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向面に電極と配向膜がそれぞれ形成され
た一対の基板と、前記一対の基板間に挟持され、有効屈折率Δｎとその厚
さｄの積Δｎ・ｄと可視領域の所定波長λとの比Δｎ・
ｄ／λが、１以上の整数ｍに対してΔｎ・ｄ／λ＝ｍ＋
１／２の関係をほぼ充足する強誘電性液晶と、前記一対の基板を挟んで配置された一対の偏光板と、前記一対の偏光板間に配置された位相差板と、より構成
されることを特徴とする強誘電性液晶表示素子。
【請求項２】前記強誘電性液晶は、印加電圧に応じて、液晶の分子方向が第１の方向にほぼ
配列した第１の配向状態と、第１の方向と異なる第２の
配向方向にほぼ配列した第２の配向状態と、液晶の分子
の平均的な配列が前記第１と第２の方向の間の任意の方
向となる第３の配向状態とのいずれかに設定される強誘
電性液晶であることを特徴とする請求項１に記載の強誘
電性液晶表示素子。
【請求項３】前記強誘電性液晶は、印加電圧に応じて、液晶の分子方向が第１の方向にほぼ
配列した第１の配向状態と、第１の方向と異なる第２の
配向方向にほぼ配列した第２の配向状態と、前記第１の
配向状態と第２の配向状態とが混在する第３の配向状態
とのいずれかに設定される強誘電性液晶であることを特
徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶表示素子。
【請求項４】前記位相差板は、表示の着色を低減するこ
とを特徴とする請求項１、２又は３に記載の強誘電性液
晶表示素子。
【請求項５】前記位相差板は、前記一対の基板の一方と
この基板に隣接する偏光板の間に配置されていることを
特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の強誘
電性液晶表示素子。
【請求項６】前記位相差板は、前記一対の基板の一方と
この一方の基板に隣接する偏光板の間と、前記一対の基
板の他方とこの他方の基板に隣接する偏光板の間の両方
に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のい
ずれか１つに記載の強誘電性液晶表示素子。
【請求項７】前記一対の基板の電極の一方は画素電極で
あり、アクティブ素子に接続されていることを特徴とす
る請求項１乃至６のいずれか１つに記載の強誘電性液晶
表示素子。