JPH10186411A

JPH10186411A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH10186411A
Application number: JP8345168A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Takatori; 憲一高取; Ken Sumiyoshi; 研住吉
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-12-25
Filing date: 1996-12-25
Publication date: 1998-07-14
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: US6040889A; JP3144329B2

Abstract

(57)【要約】【課題】連続階調表示が可能であり、液晶の配向が容易
であり、広視野な特性を有し、耐衝撃性に優れ、さらに
は、アクティブマトリクス駆動が容易であって応答が速
い液晶表示素子を提供する。【解決手段】少なくとも一方の基板に配向処理が施され
た一対の基板１,２で形成された液晶セル内に、基板１,
２間の間隔（セルギャップ）よりも短く、かつ、使用光
の波長範囲（典型的には可視光の波長範囲）の下限波長
の２倍より短い自然な螺旋ピッチを有する反強誘電性液
晶物質を注入する。このとき、螺旋ピッチがセルギャッ
プよりも短いことにより、表面安定化により螺旋が抑制
されず、液晶の螺旋構造の螺旋軸１５は基板１,２の表
面と平行な方向を向いている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液晶表示素子に関す
るものであり、特に、反強誘電相を有する液晶材料を用
いた新規な液晶表示素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、製品化されている液晶ディスプレ
イとしては、ＳＴＮ（スーパー・ツィステッド・ネマチ
ック; Super Twisted Nematic）液晶をマルチプレック
ス駆動するものや、ＴＮ（ツィステッド・ネマチック;
Twisted Nematic）液晶をＴＦＴ（薄膜トランジスタ; t
hin film transistor）によってアクティブマトリクス
駆動するものが主流である。しかしながらこれらの液晶
ディスプレイは、中間調表示時における応答速度が十分
でなく、より高速なデバイスの必要性が指摘されてい
る。

【０００３】そのような状況下で、カイラルスメクチッ
クＣ相を有する強誘電性液晶が注目されており、強誘電
性液晶を用いた表面安定化強誘電性液晶（ＳＳＦＬＣ：
Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal）
デバイスも実用化されている。このＳＳＦＬＣは、原理
的に明と暗の２状態間のスイッチングに限られ、メモリ
ー性を有するが階調表示を行うことができない。ＳＳＦ
ＬＣにより階調表示を得るための工夫として、閾値の異
なるマルチドメインを制御して面積階調を行う方法も提
案されているが、この方法では連続的な階調が得られな
い。さらに、強誘電性液晶は耐衝撃性がなく、少しのシ
ョックが与えられても液晶配向の変化が生じることがあ
る。実際、現在商品化されているＳＳＦＬＣ液晶ディス
プレイには、崩れた配向状態を初期化するためのヒータ
を有しているものもある。

【０００４】このような問題を解決するために、例え
ば、Ostovski等のAdvance in LiquidCrystal Resarch a
nd Applications, Oxford/Budapest, (1980)の４６９頁
及び特開平１−１５２４３０号公報に示されているよう
に、ひずみ螺旋強誘電効果（ＤＨＦ：Deformed Helix F
erroelectrics）を用いた液晶ディスプレイが知られて
いる。このＤＨＦモードによる液晶ディスプレイでは、
ＳｍＣ^*相中での自然の螺旋ピッチが十分に短い、すな
わちセルギャップｄよりも短い強誘電性液晶を使用す
る。螺旋ピッチが十分に短いことにより、ＤＨＦモード
の液晶ディスプレイでは、表面安定化により螺旋が抑制
されることがない。図１３は、ＤＨＦモードを用いた従
来の強誘電性液晶表示素子の構造の概略を示す斜視図で
ある。

【０００５】図１３に示す液晶表示素子では、一対の透
明な基板８１,８２の間に液晶層が封じ込められてお
り、基板８１,８２の対向する面にはそれぞれ透明電極
８３が形成されている。液晶層中の液晶分子８６は円錐
状の軌跡を描くので、この軌跡が図では円錐８４として
描かれている。また、液晶分子８６の自発分極の方向が
図では矢印８５として示されている。

【０００６】図１３に示すように、ＤＨＦモードによる
液晶表示素子では、液晶配向は、最も典型的には「ブッ
クシェルフ」配置（層構造８８）にあり、かつ、基板面
と平行方向に螺旋を描くように配列するものとなる。た
だし、この液晶表示素子では、液晶配向での螺旋ピッチ
が可視光の波長範囲に相当する時、ストライプパターン
が現れて回折格子が形成される。螺旋ピッチを可視光の
波長範囲より短く（好ましくは、半波長１／２λより短
く）すると回折は最小となり、みかけ上の屈折率は平均
化される。すなわち１軸の複屈折を有する媒体と同様に
扱うことが可能になる。図１４が１軸の複屈折媒体とし
て扱ったときのＤＨＦモード液晶表示素子の動作を説明
する図である。図１４(a),(b)では、一対の透明な基板
に付随する偏光板の透過軸が上側の偏光板について太線
で、下側の偏光板について細線で表わされており、ま
た、図１４(c)〜(e)は、印加電圧の極性に応じた屈折率
楕円体の断面を示している。図１４に示すように、電圧
無印加時には、螺旋軸方向に軸を有する１軸性の複屈折
を有するが、電圧印加時には、液晶配向の螺旋配列から
徐々に外れて歪んだ螺旋構造となり、複屈折を変化させ
透過率が変化するため、連続的な階調表示が得られる。
その駆動方法については、例えば特開平６−１９４６２
５号公報等に示されている。

【０００７】一方で、例えばエレクトロニクス誌１９９
４年３月号第４５頁に記載されるように、カイラルスメ
クチックＣａ相を有する反強誘電性液晶を用い、３安定
状態間をスイッチングする液晶表示素子が提案されてい
る。図１５は、この従来の反強誘電性液晶を用いた３安
定状態間のスイッチングを行う液晶表示素子を示す図で
あって、(a)は模式図、(b)は図１５(a)でのｘ軸方向か
ら見た動作の模式図、(c)は図１５(a)でのｙ軸正方向か
ら見た動作の模式図、(d)は図１５(a)でのｚ軸正方向か
ら見た動作の模式図、(e)は図１５(a)のｚ軸正方向から
見た偏光板の透過軸の配置を示す図である。

【０００８】この素子は、図１５(a)に示すように、一
対の基板９１,９２間に反強誘電性液晶を封止した構成
を有し、液晶分子９６,９７は、それぞれ、図示円錐９
４で示されるようなコーンを描く。そして、電圧無印加
時、液晶配向は、隣り合う層間で互いの自発分極を打ち
消しあうように並んだ反強誘電状態で安定している。こ
の状態で図１５(e)のように偏光板を配置すると、黒の
表示が実現できる。また、電界を印加していくと、図１
５(b),(c),(d)にそれぞれ模式的に示すように、電界の
正負に応じて配向が変化し透過率が増大する。この素子
は、基本的には３安定状態間スイッチングであるが、印
加パルスを工夫することにより完全な連続階調ではない
が擬似的に階調表示が可能である。また、この素子は、
強誘電性液晶による素子に比べると耐衝撃性があり、駆
動電界の印加により、液晶配向を自ら修復する特徴を有
している。なお、図１６は、この反強誘電性液晶を用い
た３安定状態間のスイッチングを行う液晶表示素子の、
周波数０.０１Ｈｚの三角波を印加した時の電圧・透過
率特性を示す図である。図１６に示されるように、この
液晶表示素子の電圧・透過率特性は、ヒステリシス特性
を示している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
ＤＨＦモードを用いた液晶表示素子では、実際の使用に
当たっては、螺旋が光学的に識別できない程度の短い螺
旋ピッチ、すなわち、使用する範囲の可視光の波長より
短い螺旋ピッチを必要とするが、このように極めて短い
螺旋ピッチは、螺旋構造を変化させるための電圧すなわ
ち閾値電圧を増大させる。この結果、従来のＤＨＦモー
ドを用いた液晶表示素子の使用時の駆動電圧は高くなら
ざるを得なかった。また、ＤＨＦ効果を使用する場合、
強誘電性液晶を使用するため、配向膜界面での自発分極
の向きに応じて、ＳＳＦＬＣによる液晶表示素子の場合
と同様に、自発分極に起因する焼き付き等の残像現象が
生じていた。

【００１０】一方、従来の３安定状態を利用した反強誘
電性液晶表示素子には、上述のように完全な連続階調が
実現できず、また、印加電圧が高くかつ図１６に示すよ
うにヒステリシス特性を有するため、アクティブマトリ
クス素子との組み合わせは不可能であるという問題点が
ある。

【００１１】本発明の目的は、連続階調表示が可能であ
り、液晶の配向が容易であり、かつ、広視野な特性を有
し、耐衝撃性に優れた、新規な液晶表示素子を提供する
ことにあり、さらには、アクティブマトリクス駆動が容
易であり応答速度が高速な新規な液晶表示素子を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、一対の基板を有し一対の基板の少なくとも一方に配
向処理が施され一対の基板の間に反強誘電相を有する液
晶物質が挟持された液晶表示素子において、液晶物質の
自発的な螺旋ピッチが、基板間の間隔よりも小さく、か
つ、液晶表示素子での使用光の波長範囲の下限波長の２
倍よりも小さい。

【００１３】すなわち本発明の液晶表示素子は、少なく
とも一方の基板に配向処理が施された一対の基板で形成
された液晶セル内に、基板間の間隔（セルギャップ）よ
りも短く、かつ、使用光の波長範囲（典型的には可視光
の波長範囲）の下限波長の２倍より短い自然な螺旋ピッ
チを有する反強誘電性液晶物質が注入されたものであ
る。螺旋ピッチがセルギャップよりも短いことにより、
表面安定化により螺旋が抑制されず、液晶の螺旋構造の
螺旋軸は基板表面と平行な方向を向いている。また、反
強誘電性相の液晶物質を使用いていることから、後述す
る「発明の実施の形態」での説明から明らかなように、
液晶層中では二重螺旋構造が形成されている。二重螺旋
構造であることから、光学的な干渉などの観点からみた
見かけ上のピッチは、実際の螺旋ピッチの半分となって
いる。このため、この見かけ上のピッチが、使用光の波
長範囲の下限波長より小さければ、言い替えれば、実際
の螺旋ピッチが使用光の波長範囲の下限波長の２倍より
も小さければ、回折が抑制され、良好な表示が可能にな
る。特に、実際の螺旋ピッチが使用光の波長範囲の下限
波長よりも小さくすることによって、回折を最小のもの
とすることができる。

【００１４】本発明では、薄膜トランジスタなどの能動
素子を例えばマトリクス状に配置した基板を使用するこ
とができ、この場合、基板面に平行な電界成分のうち最
大の電界成分の方向と、液晶物質における螺旋軸の方向
とがほぼ一致するようにすることが好ましい。

【００１５】本発明によれば、反強誘電相を示す液晶物
質を、その使用光の波長範囲の下限波長の２倍より短い
螺旋ピッチで使用できるため、低い印加電圧で液晶表示
素子を動作させることが可能である。この点は、強誘電
性液晶を用いたＤＨＦモードの液晶表示素子では、使用
光の波長範囲の下限波長より短い螺旋ピッチを有する液
晶を使用する点とは大きな相違がある。

【００１６】また、反強誘電相では、自発分極が互いに
逆方向を向く液晶分子が存在するため、自発分極の方向
を同一方向に揃える強誘電性液晶とは異なり、自発分極
に起因した焼き付き等が発生しない。反強誘電相には、
液晶配向の自己修復の性質があるため、強誘電性液晶を
使用した液晶素子と異なり、本発明の液晶表示素子は耐
衝撃性に富む。さらに、電界の強度に応じて螺旋構造が
容易に変化するため、アナログ階調（連続階調）を実現
できる。本発明の液晶表示素子は、このようにアナログ
階調特性を有するため、薄膜トランジスタ等の能動素子
と組み合わせることにより、極めて良好なスイッチング
特性と高速応答特性が得られる。さらにまた、基板面と
平行な面内で光学的な１軸媒体が動作するのと同じ光学
的な動作が得られるため、本発明の液晶表示素子の視角
特性とコントラストはさらによくなる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００１８】《第１の実施の形態》図１は、本発明の第
１の実施の形態の液晶表示素子の構成を模式的に示す斜
視図である。この液晶表示素子（液晶セル）では、一対
の透明な基板１,２の間に、螺旋構造を有する反強誘電
性液晶からなる液晶層が封じ込められており、基板１,
２の対向する面にはそれぞれ透明電極３が形成されてい
る。反強誘電性液晶の螺旋構造において、自然な螺旋ピ
ッチは、この液晶表示素子での使用光の波長範囲（典型
的には可視光の波長範囲）の下限波長の２倍以下であ
り、また、螺旋軸１５（図２参照）は基板面と平行な方
向に延びている。なお、液晶分子６,７は層構造１３を
形成して配列している。図２は、自発分極や液晶分子、
層構造を除き、この液晶分子が形成する螺旋構造の様子
のみを模式的に示したものである。自発分極が逆方向を
向いた液晶分子がそれぞれに螺旋１４を形成しており、
その位相が１８０°ずれている結果、二重螺旋構造を形
成している。

【００１９】次に、この液晶表示素子の動作を説明す
る。図３(a)〜(c)は、液晶層での螺旋構造の状態及び複
屈折の様子と印加電圧の極性との関係を説明する図であ
って、液晶表示装置としてのパネル面に鉛直な方向から
観察した図である。図３(b)に示すように、電圧を印加
しない時には、歪みのない二重螺旋構造が形成される。
その結果、液晶層は、螺旋軸方向に光学軸を有する複屈
折を示す。これに対し図３(a)は、紙面奥方向に向かう
電界を印加した時の状態を示す。二重螺旋を構成する両
方の螺旋がともに紙面下方向に歪み、複屈折も図示する
ように左上から右下方向に変化する。一方、図３(c)
は、紙面手前方向に向かう電界を印加した時の状態を示
し、図３(a)とは逆に、二重螺旋を構成する２つの螺旋
がともに紙面上方向に歪み、複屈折は左下から右上方向
に変化する。すなわち、印加される正もしくは負の電界
に応じて、液晶層の複屈折の回転する方向が異なってい
る。

【００２０】１対の透明な基板１,２にはそれぞれ偏光
板が付随しているが、これら２枚の偏光板の透過軸（も
しくは吸収軸）が相互に直交するように配置し、かつ、
電界無印加時の液晶層の光学軸方向に一方の偏光板の光
学軸を一致させると黒表示が実現でき、この配置におい
て電界を印加することにより白表示が実現できる。この
白表示は、螺旋を完全にほどいてしまうような電界より
弱い電界領域では、電界の強度に応じて透過光量が連続
的に変化する。図４は、駆動電圧と透過率の関係の一例
を示すグラフであって、図４(b)に示されるような変化
をする矩形波（ピーク電圧が徐々に大きくなる）を印加
したときに、図４(a)に示すような透過率変化を示し
た。

【００２１】《第２の実施の形態》第１の実施形態のお
ける液晶物質の自然な螺旋ピッチを使用光の波長範囲の
下限波長以下とした液晶表示素子を第２の実施形態とし
て示す。この実施の形態では、螺旋ピッチが使用光の波
長範囲の下限波長以下であり、このような螺旋ピッチを
有する二重螺旋が形成されるため、上述の「従来の技
術」の欄でのＤＨＦモードを用いる液晶表示素子におい
て可視光の波長範囲の半分以下の螺旋ピッチを採用した
ときと同様の効果が得られる。その結果、回折による光
学特性の劣化がなくなり、良好な特性となる。

【００２２】《第３の実施の形態》この第３の実施の形
態では、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板と組み合わせ
てアクティブマトリクス駆動とした構造を説明する。図
１及び図２に示す第１の実施の形態の液晶表示素子にお
いて、透明な２つの基板１,２のうち一方をＴＦＴ基板
とし他方を対向基板とした構成のものである。ＴＦＴ基
板には、図５に示すように、各画素に対応して少なくと
も１つの画素電極１２が形成されており、各画素を個別
に駆動するために、図示左右方向に延びる複数のゲート
バスライン１０と、図示上下方向に延びるドレインバス
ライン１１と、ゲートバスライン１０とドレインバスラ
イン１１の各交点に配置された薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）９とが設けられている。薄膜トランジスタ９のゲー
トとドレインはそれぞれ対応するゲートバスライン１０
とドレインバスライン１１に接続し、また、薄膜トラン
ジスタ９のソースは対応する画素電極１２に接続してい
る。対向基板には、各画素電極１２に共通に対向電極
（共通電極）が形成されている。

【００２３】この第３の実施の形態の液晶表示装置（液
晶パネル）の内部では、反強誘電性液晶の層構造１３
（図１）の層法線方向が一定方向にほぼ揃っており、か
つ、液晶分子６,７の基板表面への投影成分がある一定
方向にほぼ揃っている状態で、単安定化されている。

【００２４】次に、第３の実施の形態の液晶表示素子の
動作を詳細に説明する。各ドレインバスライン１１に
は、所定の周波数（通常は３０Ｈｚ、フリッカを考慮す
るときは６０Ｈｚ等の周波数を採用することもあり、ま
た、液晶の応答が遅い場合にはもっと低い周波数とする
こともある）での駆動信号をゲートライン数で分割した
波形が、各ゲートバスライン１０に対応して印加され
る。一方、各ゲートバスライン１０には、そのラインが
選択される時に薄膜トランジスタ９が導通状態となるよ
うな波形が印加され、これにより、ドレインバスライン
１１の波形が画素電極１２により画素ごとの液晶層に印
加される。再度、ゲートバスライン１０が選択されるま
で、該当する画素の液晶部の電圧が保持される。これに
より液晶が、メモリ性を持たなくても、表示の保持動作
が可能である。また、ここで使用している液晶の配向構
造によれば、第１の実施の形態において説明したよう
に、アナログ階調表示が可能であるため、ドレインバス
ライン１１に印加する電圧波形を各階調に対応したもの
とすることで、階調表示が実現される。

【００２５】《第４の実施の形態》次に、本発明の第４
の実施の形態として、第３の実施の形態で使用したＴＦ
Ｔ基板のような能動素子基板を用い、かつ、支持基板面
と平行な電界が最大である方向と、螺旋軸方向とがほぼ
一致している構造の液晶表示素子を説明する。図６は、
この第４の実施の形態の液晶表示素子における液晶配向
と薄膜トランジスタ（能動素子）を用いた画素構造との
関係を示す図であって、(a)は螺旋構造の配置を示し、
(b)は、画素構造に対する、液晶の層構造１３及び液晶
の描く円錐４の配置を示している。この液晶表示素子で
はゲートバスライン１０と画素電極１２を結ぶ方向に最
大電位差が形成されるが、図６(a)から分かるよう、こ
の最大電位差の方向と、液晶の描く螺旋１４の螺旋軸１
５とがほぼ一致している。

【００２６】次に、この液晶表示素子の動作を説明す
る。図７は、この液晶表示素子の動作を説明する図であ
って、液晶層に印加される電界と液晶分子６との関係を
示している。一方の基板はゲートバスライン１０や画素
電極１２を有する能動素子基板であるとし、他方の基板
は対向電極１９を有する対向基板であるとして、図示上
下方向の大きな矢印は、これら一対の基板間の電界１６
を示している。液晶分子６の自発分極の方向５は、この
基板間の電界１６とほぼ平行になっていると考えられ
る。一方、能動素子基板上の画素電極１２とゲートバス
ライン１０との間には横方向電界１７が形成されるが、
この横方向電界１７の方向と、液晶分子６の有する自発
分極の方向５とが垂直となる。その結果、この液相表示
素子では、液晶分子６が横方向電界１７の影響を受ける
ことがほとんどなくなる。また、液晶配向が層構造１３
を変形させるように動くには多大なエネルギーを必要と
するが、この実施の形態では、横方向電界１７の方向が
層構造１３による面に垂直になっているので、層構造１
３の変形が発生し難い。この結果、この液晶表示素子で
は、表示欠陥が発生しにくい。

【００２７】

【実施例】次に、実施例により、本発明をさらに詳しく
説明する。

【００２８】《実施例１》上述した第１の実施の形態に
基づく実施例であり、図１に示す構成の液晶表示素子
（液晶セル）を作製した。透明な一対の基板１,２とし
て透明ガラスを使用し、この基板１,２上に、ＩＴＯ
（酸化インジウムスズ）を用いた透明電極３をパターニ
ングした。この際、直径９ｍｍの円状の領域が対向する
基板の透明電極３と重なりあうような、パターニング形
状とした。その後、スピンコート法により可溶性ポリイ
ミドを塗布し、ベーキングによりポリイミド膜を形成し
た。このポリイミド膜をナイロンを使用したバフ布で一
方向に２回ラビング処理を施すことにより配向膜とし
た。接触段差計で測定した配向膜の厚さは約６０ｎｍで
あり、クリスタルローテーション法で測定したプレチル
ト角は１.２°であった。

【００２９】このような一対のガラス基板１,２の一方
に約２μｍ径の球状スペーサである真絲球（ミクロパー
ル）を散布し、また他方に約２μｍ径の円柱状のガラス
製ロッドスペーサを分散させた熱硬化性のシール材を塗
布した。ラビング処理方向が互いに平行（パラレル）と
なりかつ透明電極３が相対するようにこれらの基板１,
２を配置し、熱処理によりシール材を硬化させて、ギャ
ップが２μｍである液晶セルを組み立てた。

【００３０】次に、この液晶セルに、図８に示すような
相転移挙動を示しＳｍＣ_A ^*相を有する反強誘電性液晶
を、真空中において８０℃の等方相（Ｉｓｏ）の状態で
注入し、室温まで０.１℃／ｍｉｎの速度で徐冷した。
この液晶材料の自然な螺旋ピッチは０.８μｍであり、
自発分極は１４０ｎＣ／ｃｍ²（２５℃）、チルト角は
３０°であった。この液晶セルは、可視光（一般には波
長３９０ｎｍ〜７７０ｎｍとされる）を対象としたもの
であるが、いずれかの基板にカラーフィルタ（不図示）
が設けられており、このため、液晶セルを透過する光の
下限波長はせいぜい４２０〜４４０ｎｍとなる。したが
って、この液晶セルでの使用光の波長範囲の下限もせい
ぜい４２０〜４４０ｎｍとなり、上述した螺旋ピッチ
は、使用光の波長範囲の下限波長の２倍の範囲内に収ま
っている。

【００３１】このように作製した液晶セルを偏光顕微鏡
で観察すると、きれいな光学的１軸配向が観察された。
また、複屈折測定における光学軸がラビング方向とほぼ
一致することから、螺旋軸がラビング方向に向いている
と推定された。この液晶セルのヒステリシス特性を観察
するために、周波数０.０１Ｈｚの三角波を印加して電
圧・透過率特性を測定した。電圧・透過率特性の測定結
果を図９に示す。図１６に示す従来のＤＨＦモードを用
いた強誘電性液晶表示素子での電圧・透過率特性と比較
すれば明白なように、この実施例１の液晶セルではヒス
テリシス特性がほとんどなく、また、はるかに低い電圧
で応答している。一方、従来の強誘電性液晶を使用した
ＤＨＦモードのセルに対する印加電圧は、本実施例と同
様のセル条件では３０Ｖと極めて高く、本実施例の液晶
セルは、ＤＨＦモードのものと比較しても、はるかに低
い電圧で応答することが分かる。また、ＤＨＦモードの
ものと比較すると、ヒステリシスに関しても格段に減少
している。ヒステリシスが減少した理由は定かではない
が、強誘電性液晶では自発分極が一方向に揃っており一
方の極性のみのため特性に偏りが生じるが、反強誘電性
液晶では自発分極が逆向きの液晶がペアを作っており、
特性を相補的に改善するためと考えられる。これらの低
電圧およびヒステリシスのほとんどないアナログ階調特
性から、本実施例の液晶表示素子は、ＴＦＴ等のアクテ
ィブ素子との組み合わせが容易に可能であることが分か
る。

【００３２】《実施例２》上述した第２の実施の形態に
対応する実施例である。実施例１と同様にして液晶セル
を作製したが、液晶材料と配向膜を変更した。使用した
液晶材料は、図１０のような相転移挙動を示しＳｍＣ_A ^*
相を有する反強誘電性液晶であって、螺旋ピッチは０.
３３μｍであり、自発分極は１００ｎＣ／ｃｍ²（２５
℃）、チルト角は３３°であった。また使用した配向膜
を接触段差計で測定した厚さは約５０ｎｍであり、クリ
スタルローテーション法で測定したプレチルト角は０.
６°であった。明らかに、螺旋ピッチの０.３３μｍは
可視光のいかなる成分の光の波長よりも短く、この螺旋
ピッチは、使用光の波長範囲の下限波長より小さいとい
う条件を満足している。なお、透明電極は上述したよう
に直径９ｍｍの円状であって、その電極面積は約６８ｍ
ｍ²である。

【００３３】作製した液晶セルを偏光顕微鏡で観察した
ところ、上述の実施例１では、薄い縞状の組織が観察さ
れたが、この実施例２の液晶セルでは縞状組織は全く観
察されず、極めて良好な表示であった。これは、２重螺
旋を形成しつつ液晶の螺旋ピッチが可視光のいかなる光
の波長未満であることにより、実質的な螺旋ピッチが可
視光のいかなる光の波長の半分より短くなっているため
である。次に、この液晶セルの応答速度を測定した。電
圧値Ａからこれとは異なる電圧値Ｂに印加電圧を変えた
時に、電圧値Ａを印加しつづけた時の透過率Ｔ_Aから電
圧値Ｂを印加しつづけた時の透過率Ｔ_Bの差を１００％
とした時、９０％の透過率まで変化した時の時間を応答
時間とした。印加電圧を０Ｖから±１０Ｖまで変えた時
のスイッチング時間は電圧印加時の応答時間τ_ONで７０
〜１０００マイクロ秒、電圧印加状態からオフ（０Ｖ）
への応答速度τ_OFFで１００〜３００マイクロ秒であ
り、非常に速い応答速度を示した。

【００３４】《実施例３（ラビング条件の検討）》実施
例１および実施例２では、ラビング方向を平行（パラレ
ル）としたが、反平行（アンチパラレル）とした場合を
実施例３として実験した。平行ラビングでも反平行ラビ
ングでも作製された液晶セルは同様の特性を示したが、
反平行ラビングセルの方が最大透過率が低かった。液晶
材料を変えると、逆に反平行ラビングの方が最大透過率
が高くなる場合も見られた。

【００３５】《実施例４》より高コントラストの液晶セ
ルを得るために、ラビング角度をより精密に調整した実
験を実施例４として行った。

【００３６】片方の基板の表面のみをラビングした液晶
セルを作製して、ラビング方向と液晶配向方向のずれを
測定した。その結果、実施例２の液晶材料と配向膜の組
み合わせでは、ラビング方向と液晶配向が３°ずれてい
ることが判明した。そこで、実施例２の液晶セルにおい
て、上下の基板のラビング方向を６°ずらすことによ
り、液晶配向をラビング方向の平均方向に揃える試みを
行った。６°ラビング方向をずらした平行（パラレル）
の構成に近い６°交差（クロス）ラビング液晶セルと、
１７４°ラビング方向をずらした反平行（アンチパラレ
ル）の構成に近い１７４°交差（クロス）ラビング液晶
セルを作製した。その結果、６°クロスラビング液晶セ
ルでは層構造の垂線が完全にラビング平均方向に揃い、
コントラスト比が２３５という極めて高コントラストな
セルが得られた。また、最大透過率も平行ラビングセル
の最大透過率より約３割ほど高くなった。以上より、高
コントラストで明るい液晶表示素子が得られることが分
かった。

【００３７】このようなラビング条件の最適値は、液晶
材料と配向膜の組み合わせで異なっていた。また、ラビ
ング時のラビング条件（バフ布の種類、接触量、ステー
ジ移動速度、回転数、回数等）にも依存することが判明
した。

【００３８】次に、この液晶セルの視野角特性を測定し
た。視角特性の測定には、フランスのＥＬＤＩＭ社製の
ＥＺｃｏｎｔｒａｓｔを用いた。この装置は、フーリエ
光学系と冷却ＣＣＤを使用して、偏光顕微鏡でのコノス
コープ像に相当する天頂角６０°までの全方位の視角特
性を一度に測定するものである。この実施例４の液晶セ
ルの電圧無印加時の視角特性を測定した結果を図１１に
示す。偏光板及びラビング方向の配置は図１１(a)に示
す通りであり、測定された視角特性を図１１(b)に示し
た。図１１(b)では、測定された輝度を、±８Ｖを印加
した時の正面での透過率を１００％とした値に、変換し
てある。図１１(b)は、液晶セルの鉛直方向を中心とし
て天頂角及び方位角方向に視角が変化した時の等透過率
曲線を示しており、各曲線の近傍にその曲線での透過率
が示してある。図より分かるように、ほとんどの方向で
ほぼ対称な良好な特性が得られている。

【００３９】《実施例５》上述の第３の実施の形態（図
５参照）に対応した実施例である。ＴＦＴ基板には、４
８０本のゲートバスライン１０及び６４０本のドレイン
バスライン１１を、スパッタ法で形成されたクロム（Ｃ
ｒ）により形成した。これらの線幅を１０μｍとした。
ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）９のゲート絶縁膜には、窒
化シリコン（ＳｉＮ_x）を用いた。一単位画素の大きさ
は、縦３３０μｍ、横１１０μｍとし、アモルファスシ
リコンを用いてＴＦＴ９を形成し、画素電極１２は、透
明電極材料である酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用
い、スパッタ法で形成した。このようにＴＦＴをアレイ
状に形成したガラス基板をＴＦＴ基板とした。このＴＦ
Ｔ基板に対向する対向基板には、ガラス基板を使用し、
クロムを用いた遮光膜を形成した後、ＩＴＯを用いた透
明電極（共通電極）を形成し、さらにカラーフィルタを
染色法によりマトリクス状に形成し、その上面にシリカ
を用いた保護層を設けた。その後、スピンコート法によ
りポリアミック酸を塗布し、２００℃でベーキングして
イミド化し、ポリイミド膜を形成した。このポリイミド
膜を、ナイロンを使用したバフ布を直径５０ｍｍのロー
ラーに巻き付け、ローラーの回転数６００ｒｐｍ、ステ
ージ移動速度４０ｍｍ／秒、押し込み量０.７ｍｍ、ラ
ビング回数２回で１０°クロスラビングとなるような方
向に、ラビングした。接触段差計で測定した配向膜の厚
さは約５０ｎｍであり、クリスタルローテーション法で
測定したプレチルト角は１.５°であった。

【００４０】このような一対のガラス基板（ＴＦＴ基板
と対向基板）の一方に、約２μｍ径の球状スペーサであ
る真絲球（ミクロパール）を散布し、また他方に約２μ
ｍ径の円柱状のガラス製ロッドスペーサを分散させた熱
硬化性のシール材を塗布した。これらの基板をラビング
処理方向が互いに１０°クロスラビングとなるように対
向させて配置し、熱処理によりシール材を硬化させてギ
ャップ２μｍのパネルを組み立てた。

【００４１】このパネルに、図８のような相転移挙動を
示しＳｍＣ_A ^*相を有する反強誘電性液晶を、真空中にお
いて８０℃の等方相（Ｉｓｏ）の状態で注入した。８０
℃のまま、任意波形発生器と高出力アンプを用いてパネ
ル全面に周波数が３ｋＨｚで振幅が±１０Ｖの矩形波を
印加し、電界を印加しながら、室温まで０.１℃／ｍｉ
ｎの速度で徐冷した。このようにして作製した液晶パネ
ルの電圧無印加時の視角特性も、実施例４で図１１を用
いて示したのと同様の非常に広い視角特性が得られた。

【００４２】この液晶パネルの白表示と黒表示のコント
ラスト比の視角特性を測定した結果を図１２に示す。電
圧無印加時の視角特性が図１１に示されるように広いた
め、コントラスト比の視角特性も広くなっていることが
分かる。この実施例では、ＴＦＴのゲートの選択時間が
十分に長くないため、ドレインに印加する電圧波形の振
幅電圧には、最大で±１１Ｖと、周波数０.０１Ｈｚで
の飽和電圧７Ｖの約１.５倍の電圧が必要であった。

【００４３】《実施例６》上述した第３の実施の形態に
対応する別の実施例である。この実施例６では、実施例
５と同様にして液晶パネルを作製したが、ゲート・ス
トレージ構造の蓄積容量を設けたことと、ＴＦＴ基板
側の配向膜を変えたことで、実施例５の液晶パネルと異
なっている。

【００４４】ゲート・ストレージ構造の蓄積容量は、各
画素電極１２について、その画素電極１２を選択するゲ
ートバスライン１０ではないがその画素電極１２に隣接
するゲートバスライン１０上に、絶縁膜を介してその画
素電極１２の一部を延長して重ね合わせることによって
形成した。この蓄積容量は、液晶部の容量に対して並列
に容量を付加することにより保持容量部の容量を増大
し、ＴＦＴ９のゲートの選択期間中に保持容量部に十分
に電荷を貯え、ゲートが非選択となりＴＦＴ９が保持動
作に入ったときに、液晶部の容量に電荷を供給する役割
を果たす。選択期間中に液晶配向が十分に変化しなくて
も、この供給される電荷が大きければ、非選択期間の初
期に液晶配向が変化する。この点で、蓄積容量は大きい
方が好ましい。ここではゲート・ストレージ構造とした
が、容量を確保するために、保持容量線や保持容量電極
を設けて蓄積容量を形成してもよいし、ゲート・ストレ
ージと他の保持容量構造を組み合わせてもよい。

【００４５】一方、ＴＦＴ基板側の配向膜としては、Ｉ
ＴＯで形成された画素電極１２上に、実施例５における
ものよりも固形成分を減らして粘性を低下させた配向膜
を塗布した。この配向膜の変更は、液晶部の容量に直列
に接続される配向膜による容量を増加して、書き込み動
作を容易とするのが目的である。画素電極１２の上に配
向膜を塗布した場合、配向膜が直列に接続される容量を
形成することになる。多くの場合、この配向膜の厚みは
液晶部のセルギャップに比べると小さく配向膜の容量が
大きくなる。ここでは配向膜をさらに薄くすることによ
り、直列に接続される容量の厚みを減らし合成容量を大
きくしている。

【００４６】ここでは、液晶セルに印加する振幅電圧を
下げることを目的として、蓄積容量の採用と配向膜の変
更を行っている。これらの２点により、ＴＦＴ９のドレ
インへの印加波形の振幅電圧は、最大で±４Ｖと、実施
例５の３６％程度とすることができた。この振幅電圧
は、容量値を設計することにより、さらに小さくするこ
とも可能である。この実施例の液晶パネルでは、焼き付
き等がなく、良好な表示が行えた。これは、ＳＳＦＬＣ
や強誘電性液晶を用いた単安定化液晶表示素子と異な
り、自発分極が一方向に揃っていないためと考えられ
る。

【００４７】《実施例７》上述の第３の実施の形態（図
６及び図７参照）に対応した実施例である。ＴＦＴ基板
は、実施例５と同様に作製し、図６に示すように液晶配
向が配置するように、各基板には６°交差したラビング
を施した。この実施例の液晶パネルでは、実施例５や実
施例６の液晶パネルに比べ、さらに、焼き付きや表示欠
陥が発生しなかった。また、長期間の使用によっても、
配向の乱れによる表示欠陥が発生しなかった。

【００４８】上述の各実施例では、ＴＦＴを形成した基
板（ＴＦＴ基板）に対向する基板（対向基板）上にカラ
ーフィルタを形成したが、対向基板でなくＴＦＴ基板上
にカラーフィルタを形成してもよい。また、カラーフィ
ルタは全く形成しなくてもよく、画素によってもカラー
フィルタを形成するかしないかを選択してもよい。さら
に、各実施例では、黒及び白の表示が波長依存性を生じ
にくいような屈折率異方性と液晶セルの厚みを選択した
が、干渉色を利用する目的や偏光板・光源等を含めた全
体的な設計の目的で、液晶セルのギャップを薄く、もし
くは、厚く設定することも可能である。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、基板間の
間隔（セルギャップ）よりも短く、かつ、使用光の波長
範囲（典型的には可視光の波長範囲）の下限波長の２倍
より短い自然な螺旋ピッチを有する反強誘電性液晶物質
をセル内に注入して液晶表示素子を構成することによ
り、以下に述べるような効果がある。

【００５０】反強誘電相を有する液晶の螺旋構造が電
界印加により容易に変形するため、連続階調表示が可能
で応答速度が速い。螺旋ピッチを従来の強誘電性液晶
を用いたものよりも長くすることができるので、液晶表
示素子への印加電圧を低くすることができる。反強誘
電相液晶の自然な螺旋ピッチを基板間の厚みより小さ
く、かつ使用光の波長範囲の下限波長の２倍より小さく
していることにより、極めて広い視野角を得ることがで
きる。能動素子と組み合わせてのアクティブマトリク
ス駆動が可能であって、液晶層自体にはメモリ性がなく
ても、上述したような効果を活かした表示を行うことが
できる。反強誘電性液晶を使用しているため、液晶分
子の自発分極の方向が一方向に揃ってしまうことがほと
んどなく、焼き付きが少ない。同一基板上での横方向
電界が最大である方向と液晶の螺旋構造における螺旋軸
とをほぼ一致させることにより、横方向電界に液晶配向
が応答しないようになって、表示欠陥が少なくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の液晶表示素子（液晶セル）
を模式的に示す図である。

【図２】図１に示す液晶セル内で液晶が描く螺旋構造を
模式的に示す図である。

【図３】(a)〜(c)は、図１の液晶セルの液晶層での螺旋
構造の状態及び複屈折の様子と印加電圧の極性との関係
を説明する図である。

【図４】第１の実施の形態の液晶セルに、駆動評価用波
形を印加した時の応答波形を示す図であって、(a)は応
答波形、(b)は印加波形を示している。

【図５】第３の実施の形態の液晶表示素子におけるＴＦ
Ｔ基板を説明する平面図である。

【図６】第４の実施の形態の液晶表示素子における液晶
配向と薄膜トランジスタを用いた画素構造との関係を示
す図であって、(a)は螺旋構造の配置を示す図、(b)は液
晶の層構造及び液晶の描く円錐の配置を示す図である。

【図７】第４の実施の形態の液晶表示素子の動作を説明
する斜視図である。

【図８】実施例１及び実施例５で使用した液晶材料の相
転移温度を説明する図である。

【図９】実施例１の液晶表示素子の、周波数０.０１Ｈ
ｚの三角波を印加した時の電圧・透過率特性を示す図で
ある。

【図１０】実施例２で使用した液晶材料の相転移温度を
説明する図である。

【図１１】実施例４の液晶表示素子の電圧無印加時の視
角特性を測定した図であって、(a)はセルのラビング方
向と偏光板の配置を示す図、(b)は測定された視角特性
を示す図である。

【図１２】実施例５の液晶表示素子の白表示と黒表示の
コントラスト比の視角特性を測定した図である。

【図１３】従来のＤＨＦモードを用いた強誘電性液晶表
示素子の構造の概略を示す斜視図である。

【図１４】従来のＤＨＦモードを用いた強誘電性液晶表
示素子の動作の説明図である。

【図１５】従来の反強誘電性液晶を用いた３安定状態間
のスイッチングを行う液晶表示素子を示す図であって、
(a)は模式図、(b)は図１５(a)でのｘ軸方向から見た動
作の模式図、(c)は図１５(a)でのｙ軸正方向から見た動
作の模式図、(d)は図１５(a)でのｚ軸正方向から見た動
作の模式図、(e)は図１５(a)のｚ軸正方向から見た偏光
板の透過軸の配置を示す図である。

【図１６】従来の反強誘電性液晶を用いた３安定状態間
のスイッチングを行う液晶表示素子の、周波数０.０１
Ｈｚの三角波を印加した時の電圧・透過率特性を示す図
である。

【符号の説明】

１,２基板３透明電極４液晶分子が描く円錐５自発分極の方向６,７液晶分子９薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１０ゲートバスライン１１ドレインバスライン１２画素電極１３層構造１４液晶の描く螺旋１５螺旋軸１６上下基板間の電界１７横方向電界１９対向電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の基板を有し前記一対の基板の少な
くとも一方に配向処理が施され前記一対の基板の間に反
強誘電相を有する液晶物質が挟持された液晶表示素子に
おいて、前記液晶物質の自発的な螺旋ピッチが、前記基板間の間
隔よりも小さく、かつ、前記液晶表示素子での使用光の
波長範囲の下限波長の２倍よりも小さいことを特徴とす
る液晶表示素子。
【請求項２】前記液晶物質の自発的な螺旋ピッチが、
前記使用光の波長範囲の下限波長よりも小さい、請求項
１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】前記使用光の波長範囲が、可視光の波長
範囲である請求項１または２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】前記一対の基板のうちの少なくとも一方
に能動素子が形成されている請求項１乃至３いずれか１
項に記載の液晶表示素子。
【請求項５】前記能動素子が薄膜トランジスタであっ
て、マトリクス状に画素が配置し、前記各画素に対応す
る領域ごとに画素電極と前記薄膜トランジスタとが設け
られている請求項４に記載の液晶表示素子。
【請求項６】前記基板面に平行な電界成分のうち最大
の電界成分の方向と、前記液晶物質における螺旋軸の方
向とがほぼ一致している、請求項４または５に記載の液
晶表示素子。