JPH08328016A - 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。スメクティック相の配向の均一性を確保するた
め、プレチルト角を１°以下とし、且つ、配向膜８、９
の表面エネルギーを小さくする。両条件を満足するた
め、配向膜８、９を１０ｎｍ以上の厚さとし、反対方向
にプレチルト角が５°のラビングと６°のラビングを順
次実行する。続いて、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
強誘電相を有する液晶を用いた液晶表示素子に関し、特
に、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の方向になる
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い
る。また、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、階調表示を行わ
せることが試みられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、配向膜のプレ
チルト角は、ＴＮ液晶表示素子に使用した場合のＴＮ液
晶分子のプレチルト角として定義される。そして、従来
は、強誘電性液晶がシェブロン構造となることを防止す
るため、高プレチルト角の配向膜が使用されている。し
かし、高プレチルト角の配向膜は配向欠陥を起こしやす
く、表示品質を低下させるという問題がある。

【０００６】この発明は、上記実状に鑑みてなされたも
ので、強誘電相を有する液晶を用いた配向欠陥の少ない
液晶表示素子を提供することを目的とする。

【０００７】

【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と第２の基板間に封止され、強誘電相を有
する液晶と、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、前記液晶に１゜以下のプ
レチルト角を与える配向膜と、を備えることを特徴とす
る。

【０００８】

【作用】上記構成によれば、液晶分子を１°以下のプレ
チルト角で配向させる配向膜を使用しているので、液晶
の配向が安定し、配向欠陥の少ない液晶表示素子を提供
することができる。一般に、配向プレチルト角の小さい
配向膜は、表面エネルギーの大きい、即ち、液晶と分子
との相互作用の大きい配向膜である。しかし、配向膜の
表面エネルギーが高いと、安定な配向が得られず、配向
欠陥の原因となる。そこで、この発明では、表面エネル
ギーを小さくし、且つ、小さいプレチルト角を得るた
め、例えば、配向膜の表面に反対方向に複数回配向処理
を施すことにより、トレードオフの関係にある両者を調
和している。

【０００９】

【実施例】以下、この発明の一実施例にかかる強誘電相
を備えた液晶を用いた液晶表示素子について説明する。
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１３、１４
と、から構成される。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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、即ち、プレチルト角が大きい高分子
材料を用いるものが望ましい。配向膜８と９の表面に
は、図４に示す方向１１Ｄにまずラビングが施され、続
いて、平行で且つ反対の方向１１Ｃに配向処理が施され
ている。

【００１３】この配向処理は、例えば、方向１１Ｄにプ
レチルト角が５°となる配向処理を施し、続いて、方向
１１Ｃにプロチルト角が６°となる配向処理を施すこと
により実行される。このような配向膜のプレチルト角は
ラビングの強さによって制御することができ、この配向
処理を施すことにより、最終的には、１１Ｃの方向に１
°の配向処理を施したものと同等の効果を得ることがで
きる。但し、配向膜材料は高いプレチルト角用のものを
用いているので、その表面エネルギーは低い値となる。
なお、ここで用いる「プレチルト角」は、ネマティック
液晶をこの配向膜上に配置した際にこのネマティック液
晶のプレチルト角として定義する。

【００１４】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。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（ＤＨ
Ｆ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、４０
０nm〜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。

【００１５】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、９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
必ずしも一致しない。液晶１１は、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、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絶対値
が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。

【００１６】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。図３に示すように、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１１Ａ、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。

【００１７】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。

【００１８】次に、上記構成の液晶表示素子の配向膜８
と９が液晶１１に与えるプレチルト角と液晶の配向との
関係を説明する。図５（Ａ）は、配向処理及び偏光板を
図３に示すように配置した場合でチルト角が大きい（１
０°以上）の場合の電圧無印加状態での配向欠陥の発生
状態を示し、図５（Ｂ）は、チルト角が小さい（１°以
下）の場合の電圧無印加状態での配向欠陥の発生状態を
示す。図５（Ａ）及び（Ｂ）から明らかなように、高チ
ルト角では、液晶分子の配向が乱れて、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。これに対し、図５（Ｂ）では、配向が安定して
おり、表示は黒となる。これらの測定より、配向膜が液
晶に与えるプレチルト角は１°以下であることが望まし
いことが理解できる。

【００１９】プレチルト角を小さくするためには、配向
膜８、９自体を表面エネルギー（表面エネルギーの極性
力成分）の大きい配向材料で形成すればよい。あるい
は、配向膜８、９を薄くし、下地となっている高表面エ
ネルギー物質（ＩＴＯ等）の影響を配向膜８、９の表面
に及ぼせばよい。しかし、表面エネルギーの大きい配向
膜８、９を使用すると、配向膜８、９と液晶分子の相互
作用が大きくなり、この相互作用による配向欠陥が生じ
易くなるという新たな問題が生ずる。

【００２０】図６（Ａ）は、表面エネルギーが高い（８
dyne/cm ）配向膜８、９を使用し、偏光板１３、１４を
図３に示すように設定し、且つ、印加電圧が０の場合の
配向欠陥の発生状態を示し、図６（Ｂ）は、表面エネル
ギーが低い（４dyne/cm ）配向膜８、９を使用し、偏光
板１３、１４を図３に示すように設定し、且つ、印加電
圧が０の場合の配向欠陥の発生状態を示す。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、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。この図からも、表面エネル
ギーを抑える必要があることが理解できる。

【００２１】配向膜８、９の表面エネルギーを小さくす
るため、この実施例では、配向膜８、９として比較的表
面エネルギーの小さい物質でこれらを形成し、且つ、厚
さを１０ｎｍ以上として下地膜の影響を低減する。そし
て、配向膜８、９の表面を２方向にラビングする。即
ち、図４に示すように、ラビング布３２を巻いたラビン
グドラム３１を回転させながら移動することにより、配
向膜８、９を方向１１Ｄに５°のプレチルト角が得られ
る強さにラビングを施し、続いて、反対の方向１１Ｃに
６°のプレチルト角が得られる強さに配向処理を施す。
このような配向処理を施すことにより、方向１１Ｃにプ
レチルト角１°の配向処理を施した時と同等に１°のプ
レチルト角を得ることができる。しかも、それぞれ高い
プレチルト角用の配向処理を施しているので、その表面
エネルギーは低い値を維持する。

【００２２】従って、チルト角の観点からは図５（Ｂ）
に示す均一な配向状態を、表面エネルギーの観点からは
図６（Ｂ）に示す均一な配向状態を確保することができ
る。従って、配向欠陥のすくない強誘電性液晶表示素子
を得ることができる。

【００２３】なお、上記実施例においては、液晶１１と
してＤＨＦ液晶を使用する例を示したが、液晶１１はＳ
ＢＦ液晶でもよい。ＳＢＦ液晶は、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、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絶対値
が小さい電圧を画素電極３と対向電極７間に印加したと
き、第１の配向状態の液晶からなる微小領域と第２の配
向状態の液晶からなる微小領域が混在して、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。

【００２４】液晶１１としてＳＢＦ液晶を使用する場合
にも、プレチルト角を１°以下とし、且つ、表面エネル
ギーの極性力成分が小さい配向膜８、９を使用すること
により配向欠陥の少ない良好な配向状態を得ることがで
きる。

【００２５】ＤＨＦ液晶、ＳＢＦ液晶は、スメクティッ
クＣ^*相の螺旋構造を保持した状態で基板１と２の間に
封止された液晶であるが、この発明は螺旋構造の消失し
た状態で基板１と２の間に封止された強誘電性液晶を用
いる液晶表示素子、いわゆるＳＳＦ液晶表示素子にも同
様に適用可能である。

【００２６】また、上記実施例においては、液晶１１と
して強誘電性液晶を使用する例を示したが、液晶１１は
反強誘電性液晶（以下、ＡＦＬＣ）でもよい。

【００２７】ＡＦＬＣは、スメクティックＣA^*相が有す
る層構造の層の法線を配向膜８、９の配向処理の方向１
１Ｃにほぼ向けてほぼ均一な層構造を形成し、スメクテ
ィックＣA^*相の有する二重螺旋構造を有した状態で又は
消失した状態で基板１、２の間に封入される。ＡＦＬＣ
は、液晶層を挟んで対向する電極３、７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、液晶分子の配向方向がほぼ第１の配向方向となる第
１の配向状態（第１の強誘電相）と液晶分子の配向方向
がほぼ第２の配向方向に配列する第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になる。

【００２８】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。

【００２９】液晶１１としてＡＦＬＣを使用する場合に
も、プレチルト角を１°以下とし（ネマティック液晶に
対して１°以下のプレチルト角を与える配向膜８、９を
使用し）、且つ、表面エネルギーの極性力成分が小さい
配向膜８、９を使用することにより配向欠陥の少ない良
好な配向状態を得ることができる。

【００３０】なお、この発明は上記実施例に限定され
ず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、第１と
第２のラビング処理は５°と６°のラビングに限定され
ず、第１の方向に任意のｎ°のプレチルト角用のラビン
グを行い、第１の方向と反対の第２の方向にｎ°±１°
のプレチルト角用のラビングを行うことができる。ま
た、ラビング回数は２回に限定されず、３回以上であっ
てもよい。

【００３１】例えば、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の方向１１Ａ又は第２の方向１１Ｂに偏光板１３と
１４の一方の偏光板の透過軸１３Ａ又は１４Ａを平行に
配置し、他方の偏光板１４又は１３の透過軸１４Ａ又は
１３Ａを一方の偏光板１４の透過軸に直交又は平行に配
置させるようにしてもよい。

【００３２】

【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
膜として、１°以下のプレチルト角を与え、且つ、表面
エネルギーの小さいものを使用するので、配向欠陥の少
ない液晶表示素子を提供することができる。

【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】ラビング処理を説明する図である。

【図５】プレチルト角と液晶の配向状態の関係を説明す
るための図であり、（Ａ）はプレチルト角が１０°で、
図３に示すように光学軸を設定し、無電界状態での配向
欠陥の発生状態を示す図、（Ｂ）はプレチルト角が０．
８°で、図３に示すように光学軸を設定し、無電界状態
での配向欠陥の発生状態を示す図である。

【図６】配向膜の表面エネルギーと液晶の配向状態の関
係を説明するための図であり、（Ａ）は表面エネルギー
が大きい配向膜を使用し、図３に示すように光学軸を設
定し、無電界状態での配向欠陥の発生状態を示す図、
（Ｂ）は表面エネルギーが小さい配向膜を使用し、図３
に示すように光学軸を設定し、無電界状態での配向欠陥
の発生状態を示す図である。

【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、１
０・・・ 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、３１・・・ラビングドラム、３
２・・・ラビング布

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と第２の基板間に封止され、強誘電相を有する
   液晶と、 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、前記液晶に１゜以下のプレチルト角を
   与える配向膜と、 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】前記配向膜は交互に反対方向に偶数回配向
   処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の
   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、表面エネルギーの小さい配
   向膜から構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】前記強誘電相を有する液晶は、２つの強誘
   電相を有する強誘電性液晶、又は、２つの強誘電相と反
   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。