JPH08328011A - 強誘電相を有する液晶を用いた液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強誘電性又は反強誘電性液晶表示素子を低電
圧で駆動可能とすることである。 【構成】 基板１と基板２の内面に配向膜８、９を形成
する。駆動電圧を低下し且つ光学特性のヒステリシスを
低減するため、配向膜８、９の厚さを３５ｎｍ以下と
し、且つ、配向膜面上での表面エネルギーを小さくする
ため、１０ｎｍ以上とする。基板１と基板２の間に強誘
電性液晶又は反強誘電性液晶を封止して、液晶表示素子
を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は強誘電相及び／又は反
強誘電相を有する強誘電性液晶（反強誘電性液晶を含
む）を用いた液晶表示素子に関し、特に、低電圧で駆動
可能で、且つ、配向欠陥が少ない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、ＴＮ液晶表示
素子等と比較して、高速動作可能で、視野角が広く、メ
モリ性を有する等の理由から注目されている。

【０００３】強誘電性液晶表示素子は、強誘電性液晶を
電極を備える一対の基板間に強誘電性液晶を封止し、偏
光板を液晶の配向方向を基準として設定することにより
形成されている。強誘電性液晶は、液晶層を挟んで対向
する電極間に絶対値が十分大きい値の電圧を印加した
時、印加電圧の極性に応じて、液晶分子の平均的な配向
方向が第１の配向方向となる第１の配向状態（第１の強
誘電相）と液晶分子の平均的な配向方向が第２の配向方
向にとなる第２の配向状態（第２の強誘電相）とのいず
れかになる。この配向状態を制御することにより、光の
透過／遮断を制御して画像を表示する。

【０００４】また、近時は、印加電圧に応じて液晶分子
の平均的な配向方向が第１の配向方向と第２の配向方向
の中間の配向方向になる強誘電性液晶も開発されてお
り、階調表示も試みられている。

【０００５】また、強誘電性液晶の一種として、２つの
強誘電相と共に１つの反強誘電相を備える反強誘電性液
晶も開発されており、一部実用化もされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、強誘電
相を備える液晶を用いた液晶表示素子は、ＴＮ液晶表示
素子等と比較して、駆動電圧が高く、消費電力が大きい
という問題がある。また、配向条件が厳しく、配向欠陥
が起こり易いという欠点もある。

【０００７】この発明は、上記実状に鑑みてなされたも
ので、低駆動電圧で駆動でき、且つ、配向欠陥の少ない
強誘電相を有する液晶を用いた液晶表示素子を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の第１の観点に係る強誘電相を有する液晶
を用いた液晶表示素子は、第１の電極が形成された第１
の基板と、前記第１の電極に対向する対向電極が形成さ
れた第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板の
対向面の少なくとも一方に形成され、厚さの和が７０ｎ
ｍ以下の厚さに形成された配向膜と、前記第１と第２の
基板間に封止され、強誘電相を有する液晶と、を備える
ことを特徴とする。

【０００９】また、この発明の第２の観点に係る強誘電
相を有する液晶を用いた液晶表示素子は、第１の電極が
形成された第１の基板と、前記第１の電極に対向する対
向電極が形成された第２の基板と、前記第１の基板と前
記第２の基板の対向面にそれぞれ形成され、それぞれ３
５ｎｍ以下の厚さに形成された配向膜と、前記第１と第
２の基板間に封止され、強誘電相を有する液晶と、を備
えることを特徴とする。

【００１０】

【作用】第１の観点にかかる液晶表示素子によれば、一
方の基板のみに配向膜を形成する。強誘電相を有する液
晶はスメクティック相の層構造を有しており、一方の基
板のみに配向膜を配置した場合でも配向が可能である。
このような構成とすることにより、素子の構造が簡略化
され、また、製造も容易となる。さらに、この発明で
は、配向膜の厚さを７０ｎｍ以下としているので、低電
圧で液晶表示素子を駆動することができる。また、その
厚さを１０ｎｍ以上とすることにより、配向膜面上で表
面エネルギーを抑えて、配向欠陥の少ない液晶表示素子
をうることができる。

【００１１】また、第２の観点にかかる液晶表示素子に
よれば、対向する基板に配置された各配向膜の厚さを３
５ｎｍ以下としているので、低電圧で液晶表示素子を駆
動することができる。また、その厚さを１０ｎｍ以上と
することにより、配向膜面上での表面エネルギーを抑え
て、配向欠陥の少ない液晶表示素子をうることができ
る。

【００１２】

【実施例】まず、この実施例の強誘電性液晶表示素子の
構成を説明する。図１は強誘電性液晶表示素子の断面
図、図２は強誘電性液晶表示素子の画素電極とアクティ
ブ素子を形成した透明基板の平面図である。この強誘電
性液晶表示素子は、アクティブマトリクス方式のもので
あり、図１に示すように、一対の透明基板（例えば、ガ
ラス基板）１、２間に液晶１１を封入して形成した液晶
セルと、該液晶セルを挟んで配置された一対の偏光板１
３，１４と、から構成される。

【００１３】図１において下側の透明基板（以下、下基
板）１には、図１、図２に示すように、ＩＴＯ等の透明
導電材料から構成された画素電極３と画素電極３にソー
スが接続された薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ）４と
がマトリクス状に形成されている。

【００１４】図２に示すように、画素電極３の行間にゲ
ートライン５が配線され、画素電極３の列間にデータラ
イン（階調信号ライン）６が配線されている。各ＴＦＴ
４のゲート電極は対応するゲートライン５に接続され、
ドレイン電極は対応するデータライン６に接続されてい
る。ゲートライン５は、行ドライバ２１に接続され、デ
ータライン６は列ドライバ２２に接続される。行ドライ
バ２１は、後述するゲート電圧を印加して、ゲートライ
ン５をスキャンする。一方、列ドライバ２２は、画像デ
ータを受け、データライン６に画像データに対応するデ
ータ信号を印加する。

【００１５】図１において、上側の透明基板（以下、上
基板）２には、下基板１の各画素電極３と対向し、基準
電圧Ｖ０が印加されている対向電極７が形成されてい
る。下基板１と上基板２の電極形成面には、それぞれ配
向膜８、９が設けられている。配向膜８、９は、例え
ば、ポリイミドを主成分とする有機高分子化合物等から
構成されている。この有機高分子化合物はその双極子モ
ーメントが小さいものが望ましい。配向膜８と９の表面
には、図３に示す方向１１Ｃにラビングによる配向処理
が施されている。また、配向膜８、９は、後述する理由
により、駆動電圧を低電圧化し、且つ、配向欠陥を防止
するため、１０〜３５ｎｍの厚さに形成されている。

【００１６】下基板１と上基板２は、その外周縁部にお
いて枠状のシール材１０を介して接着されている。基板
１、２とシール材１０で囲まれた領域には液晶１１が封
入されている。

【００１７】液晶１１は、カイラルスメクティックＣ相
の螺旋ピッチが両基板１、２の間隔より小さく、かつ、
配向状態のメモリ性を有さない強誘電性液晶（ＤＨＦ液
晶）である。液晶１１は、螺旋ピッチが、可視光帯域の
波長である７００nm〜４００nm以下（例えば、４００nm
〜３００nm）であり、自発分極が大きく、コーンアング
ルが約２７度ないし４５゜（望ましくは、２７゜ないし
３０゜）の強誘電性液晶組成物からなる。液晶１１の層
の厚さ、即ち、ギャップ長はギャップ材１２により約
１．５μｍに均一に保持されている。

【００１８】液晶１１は、カイラルスメクティックＣ相
が有する層構造の層の法線を配向膜８の配向処理の方向
１１Ｃにほぼ向けてほぼ均一な層構造を形成する。な
お、層構造の層の法線方向と配向処理の方向１１Ｃは必
ずしも一致せず、わずかにずれている。液晶１１は、そ
の螺旋ピッチが基板間隔より小さいため、螺旋構造をも
った状態で基板１、２間に封入されている。画素電極３
と対向電極７との間に絶対値が十分大きい電圧を印加し
たとき、液晶１１は印加電圧の極性に応じて、液晶分子
の配向方向がほぼ第１の配向方向となる第１の配向状態
と液晶分子の配向方向がほぼ第２の配向方向となる第２
の配向状態のいずれかの状態に設定される。また、絶対
値が液晶分子を第１又は第２の配向状態に配向させる電
圧より低い電圧を画素電極３と対向電極７間に印加した
とき、液晶１１の分子配列の螺旋が歪み、液晶１１の平
均的な配向方向が第１の配向方向と第２の配向方向の間
の方向となる中間配向状態となる。

【００１９】液晶表示素子の上下には、一対の偏光板１
３、１４が配置されている。偏光板１３の透過軸１３Ａ
は上述の配向処理の方向１１Ｃにほぼ平行に設定され、
偏光板１４の透過軸１４Ａは透過軸１３Ａに直交するよ
うに設定されている。なお、図３において、符号１１
Ａ、１１Ｂは、液晶１１の第１と第２の配向状態におけ
る液晶分子の配向方向（ダイレクタの方向）を示す。

【００２０】図３に示すように偏光板１３、１４を設定
した強誘電性液晶表示素子は、液晶分子を第１又は第２
の配向方向１１Ａ、１１Ｂに配向させた第１又は第２の
配向状態の時に透過率が最も高く（表示が最も明るく）
なり、液晶分子を前記スメクティック相の層の法線方向
とほぼ平行な中間方向１１Ｃに配向させた時に透過率が
最も低く（表示が最も暗く）なる。

【００２１】次に、上記構成の液晶表示素子の配向膜８
と９の厚さと、画素電極３と対向電極７の間に印加する
電圧の関係について説明する。図４（Ａ）は配向膜８と
９それぞれの厚さを６０ｎｍとし、周期が比較的長い
（０．１Ｈｚ程度）三角波電圧を画素電極３と対向電極
７の印加した時の印加電圧と透過率の関係を示す。図４
（Ｂ）は、配向膜８と９それぞれの厚さを３０ｎｍと
し、周期が比較的長い三角波電圧を印加した時の印加電
圧と透過率の関係を示す。実質的に同一の透過率の変化
を得るための印加電圧の幅（最大印加電圧と最小印加電
圧の差）は図４（Ａ）では２０Ｖであり、図４（Ｂ）で
は１０Ｖである。即ち、配向膜８と９の厚さを６０ｎｍ
から３０ｎｍに薄くすることにより、駆動電圧が約１／
２に減少する。液晶１１の層厚は約１．５μｍであり、
この駆動電圧の減少率は配向膜８、９の薄膜化による印
加電圧の減少率の期待値よりも遥かに大きい。

【００２２】図５に、配向膜８、９の膜厚と駆動電圧と
の関係を示す。図から明らかなように、膜厚が４０ｎｍ
〜５０ｎｍの範囲で、印加電圧が非連続的に変化する領
域が存在する。このため、この実施例では、配向膜８、
９の厚さとして、３５ｎｍ以下の厚さ、例えば、３０ｎ
ｍを採用する。

【００２３】一方、配向膜８、９を薄すると、配向膜
８、９の下層に位置する部材、特に、ＩＴＯなどの表面
エネルギーの高い物質の影響により、配向膜８、９の表
面上での見かけ上の表面エネルギーγ（表面エネルギー
の極性力成分）が高くなる。この見かけ上の表面エネル
ギーが高くなると、配向膜と液晶分子の相互作用が大き
くなり、液晶分子の配向が乱れ、配向欠陥が生じ易くな
る。

【００２４】図６（Ａ）は、配向膜面上での表面エネル
ギーが高い（８dyne/cm）場合の配向欠陥の発生状況を
示し、図６（Ｂ）は、配向膜面上での表面エネルギー
（４dyne/cm）が低い場合の配向欠陥の発生状況を示
す。図６（Ａ）では、配向が乱れて、印加電圧が０であ
るにも関わらず光が透過する微小領域が多数形成されて
いる。このため、表示は灰色になってしまう。これに対
し、図６（Ｂ）では、配向が安定しており、表示は黒と
なる。

【００２５】そこで、下層に形成された膜の表面エネル
ギーの影響をなくして、配向膜面上での表面エネルギー
の極性力成分を抑えるために、この発明では、配向膜
８、９の厚さとして１０ｎｍ以上を採用する。また、カ
ラー液晶表示素子の場合には、カラーフィルタやブラッ
クマスクの表面の凹凸（表面荒さ）による配向膜表面の
荒れを低減するためにも、１０ｎｍ以上とすることが望
ましい。

【００２６】以上説明したように、この実施例の液晶表
示素子によれば、配向膜８、９の厚さを１０ｎｍ〜３５
ｎｍとしたので、低駆動電圧で液晶表示素子を駆動する
ことができる。また、液晶を均一に配向させ、配向欠陥
を低減することができる。

【００２７】なお、上記実施例においては、液晶１１と
して強誘電性液晶であるＤＨＦ液晶を使用する例を示し
たが、液晶１１はＳＢＦ液晶あるいは反強誘電性液晶
（以下、ＡＦＬＣ）でもよい。

【００２８】ＡＦＬＣは、液晶層を挟んで対向する電極
間に絶対値が十分大きい値の電圧を印加した時、印加電
圧の極性に応じて、液晶分子の平均的な配向方向が第１
の配向方向となる第１の配向状態（第１の強誘電相）と
液晶分子の平均的な配向方向が第２の配向方向にとなる
第２の配向状態（第２の強誘電相）とのいずれかにな
り、印加電圧が０の時、配向方向が第１の配向方向の液
晶分子と第２の配向方向の液晶分子が層毎に交互に配列
する反強誘電相とを持っている。このＡＦＬＣを用いた
液晶表示素子は、上記配向状態を切り替えることによ
り、表示を切り替えることができる。

【００２９】ＡＦＬＣとしては、以下のような液晶分子
の挙動あるいはこれらの複合的な作用により、中間の配
向状態を取りうるものを用いることができる。(1)スメ
クティックＣA^*相の液晶分子の描く二重螺旋構造が印加
電圧と液晶分子の自発分極の相互作用により歪むことに
より液晶分子の平均的な配向方向が連続的に変化する作
用、(2)液晶分子の自由回転が印加電界により抑制され
ることにより、液晶分子が印加電界と垂直な方向に傾く
ことにより液晶分子の平均的な配向方向が連続的に変化
する作用、(3)各液晶分子が印加電圧に応じた量だけコ
ーンに沿って移動することにより液晶分子の平均的な配
向方向が連続的に変化する作用、(4)第１又は第２の配
向状態にある液晶分子の一部が印加電圧に応じて第２又
は第１の配向状態に変化するため、第１の配向状態にあ
る液晶分子と第２の配向状態にある液晶分子の割合が変
化することにより液晶分子の平均的な配向方向が連続的
に変化する作用。この中間の配向状態を用いて階調表示
が可能となる。

【００３０】液晶１１としてＡＦＬＣを使用する場合に
も、配向膜８及び９の厚さを１０〜３５ｎｍとすること
により、駆動電圧を低減し、さらに、配向膜面上での表
面エネルギーの極性力成分を抑えて配向欠陥の少ない液
晶表示素子を得ることができる。

【００３１】以上の説明においては、基板１と基板２の
両方に配向膜８と９を配置したが、例えば、基板１と基
板２の一方のみに配向膜を配置することも可能である。
強誘電性液晶及び反強誘電性液晶は、スメクティック相
の層構造を有しており、この配向膜の配向処理の方向に
層の法線方向をほぼ一致させて配向する。この場合は、
この配向膜の厚さを１０ｎｍ〜３５又は４０ｎｍとす
る。このような厚さとすることにより、上述と同様に低
電圧駆動が可能となると共に配向欠陥の少ない液晶表示
素子が得られる。

【００３２】なお、偏光板１３の透過軸１３Ａと偏光板
１４の透過軸１４Ａを平行に配置してもよい。また、第
１の配向方向１１Ａと第２の配向方向１１Ｂの中間の方
向１１Ｃに一方の偏光板１４の吸収軸を一致させ、他方
の偏光板１３の吸収軸を一方の偏光板１４の吸収軸に直
交させるようにしてもよい。さらに、第１の配向方向１
１Ａと第２の配向方向１１Ｂの一方と偏向板１３、１４
の一方の光学軸を平行又は直行させ、他方の偏向板の光
学軸を一方の偏向板の光学軸と平行又は直行させてもよ
い。また、ＭＩＭをアクティブ素子としたアクティブマ
トリクス液晶表示素子にも適用可能であり、さらに、単
純マトリクスタイプの液晶表示素子にも適用可能であ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、強誘電相を有する液晶を用いた液晶表示素子の配向
膜の厚さを１０〜３５ｎｍとしたので、低駆動電圧で液
晶表示素子を駆動することができ、また、液晶の配向欠
陥を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の液晶表示素子の構造を示
す断面図である。

【図２】図１に示す液晶表示素子の下基板の構成を示す
平面図である。

【図３】上下偏光板の透過軸の方向と液晶分子の配向方
向を示す平面図である。

【図４】（Ａ）は配向膜の厚さを６０ｎｍとした時の印
加電圧と透過率の関係を示すグラフ、（Ｂ）は配向膜の
厚さを３０ｎｍとした時の印加電圧と透過率の関係を示
すグラフ図である。

【図５】配向膜厚と印加電圧の関係を示すグラフであ
る。

【図６】液晶分子の配向欠陥の発生状態を説明するため
の図であり、（Ａ）は配向膜の表面エネルギーが大きい
場合の配向欠陥の発生状態を示す拡大図であり、（Ｂ）
は配向膜の表面エネルギーが小さい場合の配向欠陥発生
状態を示す拡大図である。

【符号の説明】

１・・・透明基板、２・・・透明基板、３・・・画素電極、４・・・
ＴＦＴ、５・・・ゲートライン、６・・・データライン、７・・
・対向電極、８・・・配向膜、９・・・配向膜、１０・・・シール
材、１１・・・液晶、１２・・・ギャップ材、１３・・・偏光
板、１４・・・偏光板、２１・・・行ドライバ、２２・・・列ド
ライバ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の電極が形成された第１の基板と、 前記第１の電極に対向する対向電極が形成された第２の
   基板と、 前記第１の基板と前記第２の基板の対向面の少なくとも
   一方に形成され、厚さの和が７０ｎｍ以下の厚さに形成
   された配向膜と、 前記第１と第２の基板間に封止され、強誘電相を有する
   液晶と、 を備えることを特徴とする強誘電相を有する液晶を用い
   た液晶表示素子。
2. 【請求項２】第１の電極が形成された第１の基板と、 前記第１の電極に対向する対向電極が形成された第２の
   基板と、 前記第１の基板と前記第２の基板の対向面にそれぞれ形
   成され、それぞれ３５ｎｍ以下の厚さに形成された配向
   膜と、 前記第１と第２の基板間に封止され、強誘電相を有する
   液晶と、 を備えることを特徴とする強誘電相を有する液晶を用い
   た液晶表示素子。
3. 【請求項３】前記配向膜は１０ｎｍ以上の厚さに形成さ
   れていることを特徴とする請求項１又は２に記載の強誘
   電相を有する液晶を用いた液晶表示素子。
4. 【請求項４】前記液晶は、強誘電誘電相と共に反強誘電
   相を有する反強誘電性液晶から構成されていることを特
   徴とする請求項１、２又は３に記載の強誘電相を有する
   液晶を用いた液晶表示素子。