JPH10253994A - 液晶表示装置 - Google Patents

液晶表示装置

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JPH10253994A
JPH10253994A JP9061030A JP6103097A JPH10253994A JP H10253994 A JPH10253994 A JP H10253994A JP 9061030 A JP9061030 A JP 9061030A JP 6103097 A JP6103097 A JP 6103097A JP H10253994 A JPH10253994 A JP H10253994A
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liquid crystal
layer
display device
crystal layer
film
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JP9061030A
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Tatsuo Saishiyu
達夫 最首
Rieko Iida
理恵子 飯田
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Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高コントラストが得られるとともに高速応答
を可能とする。 【解決手段】 液晶材料にカイラルスメクティックC相
又はその副次相の液晶を用いた液晶層115と、液晶層
115の一方の側に設けられた画素電極112と、液晶
層115の他方の側に設けられた対向電極105と、画
素電極112に所定の電位を供給する能動素子と、画素
電極112と液晶層115との間及び対向電極105と
液晶層115との間に設けられ少なくとも配向膜10
7、118を含む少なくとも2層以上の絶縁層とを有
し、各絶縁層の各膜厚dを周波数1kHzにおける各比
誘電率εで除した値(d/ε)の総和が15nmから4
0nmの間に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶材料として強
誘電性液晶或いは反強誘電性液晶等のカイラルスメクテ
ィックC相或いはその副次相の液晶を用いた液晶表示装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】TFT−LCDの応答速度と視野角の改
善のため、液晶材料として強誘電性液晶や反強誘電性液
晶を用いる方式がいくつか検討されている。これらの自
発分極を有する液晶(より一般的にはカイラルスメクテ
ィックC相或いはその副次相の液晶)をTFTで駆動す
ると、液晶の応答時間が書込時間より大きい場合に、反
電場により保持電圧が低下する現象が起こることが知ら
れている(Hartmann: J.Appl.Phys. 66,1132(1989))。
この保持率の低下はいわゆる書込不足であり、実効印加
電圧の低下をもたらし、コントラスト比を低下させ、実
用上大きな問題となる。
【0003】また、印加電圧をフレームごとに極性反転
し正負対称のモードで駆動(交流駆動)する場合は、も
う一つの問題として、あるフレームを境に信号電圧の絶
対値が変化した場合、すなわち表示画像が変化した場合
に、「ステップ応答」、すなわち数フレームにわたって
明暗を繰り返しながら定常の透過光量に落ちつくという
現象が発生する(Verhulst et al.: IDRC'94 digest,37
7(1994) )ことも知られている。対称モード(交流駆
動)ではなく非対称モード(直流駆動)の方式(Tanaka
et al.: SID'94 digest,430(1994))をとると、「ステ
ップ応答」は発生せず、コントラスト比も向上する。し
かし、応答は累積応答的になり、応答速度が低下する。
これも保持電圧低下の結果起こる現象であり、書込時間
が短くなるほど、応答速度は低下する。また、直流駆動
では、不純物による焼き付きや残存ヒステリシスによる
残像の問題もある。
【0004】このように、対称モード交流駆動及び非対
称モード直流駆動いずれにおいても、保持電圧低下と
「ステップ応答」の二つの問題を解消することが、実用
化のための最重要の課題である。
【0005】液晶材料の特性面での対策としては、応答
速度の高速化と自発分極の低減の二つが考えられる。低
電圧駆動時や常温よりもやや低い温度範囲でも十分高速
で、応答時間が書込時間より短い液晶材料を用いれば、
上記二つの問題は解決されるが、現状ではその条件を満
たす液晶材料は存在しない。今後も特に低温域での高速
化の実現は疑問視されている。また、液晶表示素子はさ
らに大画面化・高精細化が求められてくるが、それには
必然的に1ライン当たりの書込時間の短縮が伴う。した
がって、液晶材料の高速化の限界から上記二つの問題を
解決するのは困難である。また、自発分極の低減によっ
て保持電圧の低下を抑えることが期待できるが、自発分
極の低減は原理的に応答速度の低下を招き、結局のとこ
ろ上記二つの問題は解決されない。このように、液晶材
料の特性改善のみでは、保持電圧低下と「ステップ応
答」という二つの問題の対策としては不十分である。
【0006】次に、駆動方法や回路構造の改善による対
策を考える。まず、補助容量を増大させるという方法が
考えられる。通常のtwisted nematic 液晶を用いる能動
マトリクス液晶表示素子においては、補助容量は液晶の
充填された画素の容量と同程度の値であるが、これを1
0倍或いはそれ以上に増大させることにより、保持電圧
の低下は解決することができる。しかし、液晶材料の応
答速度が現状程度に遅い限り、「ステップ応答」は解決
しない。また、補助容量の増大に伴い電流量もそれに対
応して増加するため、消費電力の増加を招き、駆動回路
の負担も大きくなる。従って、実用化に適しているとは
いえず、用途も限定されたものとなってしまう。
【0007】また、「ステップ応答」の解決策として、
書込直前に0V付近の電圧を書き込み、前に保持してい
た電荷を消去或いは相殺するリセット動作を行う方法が
知られている。TFTやTFDを用いた駆動方法が発表
されているが、これらの方法は書込時間の一部をリセッ
ト動作に充てている。このため「ステップ応答」は解決
するが、ライン数を減らさない限り実質的な書込時間が
短くなるため、コントラストの十分な向上は見られな
い。高精細化に伴って書込時間が短くなった場合には、
書込時間がリセット動作のためにさらに短くなることか
ら、書込不足が深刻になってくる。TFDと信号線を各
画素あたり2個有する回路構造(Verhulstet al.: IDR
C'94 digest,377(1994) )を用いれば、他のラインの書
込中にリセット動作を行うことも可能である。しかし、
各画素あたりの素子数や配線数が多く、また駆動波形も
複雑であり、製造上の歩留まりやコストの点で問題があ
る。また、TFDでは表示素子全体の素子特性のばらつ
きが抑えにくいという問題もあり、実用化には不適当で
ある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、能
動素子を備えた強誘電性液晶・反強誘電性液晶を用いた
表示素子において、従来の液晶材料やセル構造では、反
電場によるコントラスト低下や応答速度低下の問題を解
決するには不十分であった。本発明は、高コントラスト
が得られるとともに高速応答が可能な液晶表示素子を提
供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係る液晶表示装
置は、液晶材料にカイラルスメクティックC相又はその
副次相の液晶(代表的には強誘電性液晶や反強誘電性液
晶)を用いた液晶層と、この液晶層の一方の側に設けら
れた画素電極と、前記液晶層の他方の側に設けられた対
向電極と、前記画素電極に所定の電位を供給する能動素
子と、前記画素電極と前記液晶層との間及び前記対向電
極と前記液晶層との間に設けられ配向膜を含む少なくと
も2層以上の絶縁層とを有し、前記各絶縁層の各膜厚d
を周波数1kHzにおける各比誘電率εで除した値(d
/ε)の総和が15nmから40nmの間に設定されて
いることを特徴とする。
【0010】前記2層以上の絶縁層には、前記画素電極
と前記液晶層との間及び前記対向電極と前記液晶層との
間にそれぞれ設けられる配向膜の他、必要に応じて各配
向膜の一方又は両方の下に設けられる下地絶縁膜が含ま
れる。
【0011】液晶材料としてカイラルスメクティックC
相或いはその副次相の液晶(代表的には強誘電性液晶や
反強誘電性液晶)を用いた場合、液晶表示素子の飽和電
圧と応答速度は配向膜の膜厚を変化させると同程度のオ
ーダーの変化を示す。ネマティック液晶の場合、典型値
として液晶層に比べ1/50の厚さしかない配向膜は、
誘電率の違いを考慮しても電気的容量は液晶層に比べ非
常に大きく、膜厚を数倍程度変えても液晶表示素子の飽
和電圧や応答速度に対する影響は小さい。
【0012】しかし、(反)強誘電性液晶は自発分極P
s を持つため、Ps が応答する周波数・印加電圧域では
誘電率が巨大な値(Ps の値により数10から数100
0)となることを考慮すれば、液晶層と配向膜の分圧や
容量は同程度のオーダーになり得るため、飽和電圧や応
答速度は膜厚に大きく依存する。なお、電気的には、通
常用いられるポリイミド配向膜とその下地に形成される
絶縁膜(無機絶縁膜等)はともに絶縁層として機能す
る。したがって、以下では配向膜と下地絶縁膜を合わせ
て絶縁層と呼ぶことにする。
【0013】絶縁層を薄膜化或いは高誘電率化して飽和
電圧を下げると、単位印加電圧あたりの光学応答量は増
加し、より低電圧の駆動で高コントラストが得られるよ
うになる。しかし、さらに薄膜化或いは高誘電率化する
と、逆に単位印加電圧あたりの光学応答量は低下し、コ
ントラストは低下する。これは、薄膜化或いは高誘電率
化によって絶縁層の容量が増加し、液晶セルの直列容量
成分が増加するため、応答速度が下がることによる。結
局、絶縁層の膜厚或いは誘電率を変化させると、飽和電
圧と応答速度が大きく変化するが、これらはトレードオ
フの関係を示し、実用上重要な単位印加電圧あたりの光
学応答量は、ある膜厚或いは誘電率のところで極値(最
適値)をとる。駆動系の電圧が一定の場合、この最適値
において最も高いコントラストが得られる。動作温度が
変化した場合は、飽和電圧の変化は比較的小さく、応答
速度が主に変化する。このため、応答が速くなる高い温
度ではより薄い膜厚が最適値となる。ただし、以上の結
果は、絶縁層厚により液晶の初期配向が変化しないこと
が前提である。
【0014】以上述べたような検討の結果、実用に適し
た自発分極値と応答速度を有する液晶材料の場合、各絶
縁層(配向膜及び必要に応じて設けられる下地絶縁膜)
の各膜厚dを各比誘電率εで除した値(d/ε)の総和
を前記範囲に設定すれば、単位印加電圧あたりのコント
ラストが最も高くなることを見出だした。
【0015】前記絶縁層を構成する前記配向膜は、周波
数1kHzにおける比誘電率が3.0以上の材料を用い
て形成されていることが好ましく、必要に応じて設けら
れる下地絶縁膜は、周波数1kHzにおける比誘電率が
3.0以上の材料を用いて形成されていることが好まし
い。
【0016】通常用いられる配向膜材料や下地絶縁膜材
料の比誘電率で前記範囲(d/εの総和の範囲)を実現
するためには、膜厚を30nm以下まで薄くする必要が
生じる。しかし、この程度の薄さになると、製造マージ
ンが小さくなり、性能の安定した製品を歩留まりよく量
産することが困難となる。したがって、製造マージンを
大きくするために、前記所定の比誘電率を有する高誘電
率材料を用いて配向膜や下地絶縁膜を形成することが望
ましい。
【0017】また、前記液晶層に用いる液晶材料は、歪
螺旋型強誘電性液晶又は無閾反強誘電性液晶であること
が好ましい。能動素子を有する液晶表示素子に使用する
液晶材料としては、カイラルスメクティックC相或いは
その副次相の液晶のうち、メモリ性やヒステリシスを示
さず、輝度−電圧特性が線形に近く、駆動電圧が低く、
しかも配向性が安定している歪螺旋型強誘電性液晶或い
は無閾反強誘電性液晶が最も適している。従来知られて
いる表面安定化型強誘電性液晶、表面安定化型反強誘電
性液晶、マルチドメイン状態を利用する強誘電性液晶、
長螺旋ピッチの単安定型強誘電性液晶、或いはエレクト
ロクリニック効果を利用する強誘電性液晶は、歪螺旋型
強誘電性液晶や無閾反強誘電性液晶が有する前記特徴を
部分的にしか満たしていない。したがって、液晶材料と
して歪螺旋型強誘電性液晶或いは無閾反強誘電性液晶を
用いることが好ましい。
【0018】また、液晶材料として前記歪螺旋型強誘電
性液晶或いは無閾反強誘電性液晶を用いた液晶表示装置
では、リセット動作を含む交流駆動、すなわち印加電圧
をフレームごとに極性反転する正負対称モードの駆動を
行うこと、或いは、各画素の信号電圧が複数フレーム毎
にのみ反転するような擬似的な直流駆動を行い、かつ、
hライン反転、vライン反転又はドット反転のいずれか
を行うことが好ましい。
【0019】ヒステリシスが完全にはなくなっていない
歪螺旋型強誘電性液晶或いは無閾反強誘電性液晶を用い
る場合、直流駆動では「残存ヒステリシスによる焼き付
き」問題が発生するため、交流駆動を適用することが好
ましい。また、書込不足対策と「ステップ応答」対策の
ため、前述のリセット動作を行うことが好ましい。
【0020】ヒステリシスが非常に小さい、或いはヒス
テリシスを示さない歪螺旋型強誘電性液晶或いは無閾反
強誘電性液晶を用いる場合、いわゆる「残存ヒステリシ
スによる焼き付き」は実用上問題とならないため、直流
駆動を適用することが可能である。しかし、単純な直流
駆動では不純物の偏りによる焼き付きが発生する。した
がって、各画素の信号電圧が複数フレーム毎にのみ反転
するような擬似的な直流駆動を行うことが望ましい。各
画素の反転は同時に行う必要はなく、反転時の表示乱れ
を目立たなくするためには、領域毎にタイミングを異な
らせて反転させることが効果的である場合がある。ま
た、疑似直流駆動では、書込信号の極性による表示の非
対称性が目立つことがある。これを解消するために、h
ライン反転、vライン反転又はドット反転のいずれかを
併用することが望ましい。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。図1は実施形態に係る液晶表
示装置の一例についてその断面構成を示した図、図2は
図1の液晶表示装置の画素部分の断面構成を示した図で
ある。
【0022】101は偏光板、102はガラス基板、1
03はカラーフィルタ、104はオーバーコート層、1
05はITO対向電極、106は下地絶縁膜(膜厚d1
、比誘電率ε1 )、107は配向膜(膜厚d2 、比誘
電率ε2 )、108はスペーサ、109は偏光板、11
0は信号線、111はTFTゲート電極、112はIT
O画素電極、113はゲート絶縁膜、114はガラス基
板、115は液晶層(強誘電性液晶或いは反強誘電性液
晶を用いる)、116はTFT活性層、117は保護
膜、118は配向膜(膜厚d3 、比誘電率ε3 )、11
9はエポキシ接着剤である。
【0023】以下、図1〜図2に示した構成を有する液
晶表示装置のいくつかの具体例について説明する。ま
ず、第1の具体例について説明する。
【0024】透明電極を形成したカラーフィルタ基板の
透明電極上に、絶縁性を有する下地膜としてTa25
薄膜(比誘電率20〜30)をスパッタにより75nm
の厚さに成膜した。アレイ基板及び下地膜を成膜したカ
ラーフィルタ基板に、配向膜としてのポリイミド(オプ
トマーAL1051:日本合成ゴム(株)、比誘電率
2.6)を、両側合計で図5に示した厚さになるよう成
膜し、焼成した。上下基板面には貼り合わせのためのエ
ポキシ接着剤を所定の位置に常法により付与した。液晶
材料として、自発分極200nC/cm2 、応答時間1
50μs、飽和電圧6Vの無閾反強誘電性液晶(TLA
F液晶)TLAF−1(Saishu et al.: SID'96 diges
t,703(1996))を用い、セルに注入した。この液晶材料
は印加電圧−光透過率曲線において若干のヒステリシス
を有する。電界印加配向処理を行うと、良好な初期配向
状態が得られた。TFT駆動系には、最大印加電圧±6
V、1ラインの選択時間64又は32μsのものを用い
た。
【0025】図5に、6V印加時コントラストの配向膜
膜厚依存性を示す。今回使用した液晶材料で膜厚を変化
させた範囲では、初期配向状態に膜厚依存性はなく、良
好であった。比誘電率2.6の配向膜AL1051の場
合、配向膜膜厚が両基板各30nmの条件において、単
位印加電圧あたりの光学応答量とコントラストが最大と
なった。比誘電率25、膜厚75nmのTa25 膜を
用いた下地絶縁膜の(d/ε)は3[nm]程度である
から、両側の配向膜及び下地絶縁膜の各(d/ε)を合
計したΣ(d/ε)[nm]は、表中の値となる。
【0026】配向膜膜厚を両基板各30nmとしたセル
について、図3の回路構成を持つ図4に示すアレイ構成
で、線順次駆動を行い、画像信号の書込と同時に隣接す
る行のリセット動作がなされるような駆動を行った。こ
の駆動法はステップ応答の解消に有効である。なお、図
3及び図4において、201は走査線、202は信号
線、203は補助容量(Cs)線、204は画像信号の
書き込み用TFT素子、205はリセット用TFT素
子、206はITO画素電極、207は補助容量であ
る。その結果、コントラスト比は、書込時間64μsの
場合100:1、書込時間32μsの場合40:1と十
分な値が得られ、ステップ応答による残像は認められな
かった。
【0027】比較例として、下地絶縁膜材料に90nm
厚のSiO2 (比誘電率4.5)、配向膜材料に各基板
50nm厚のポリイミド(オプトマーAL1051)を
用いる他は、第1の具体例と同じ条件でセルを作成し
た。この条件では、両側の配向膜と下地絶縁膜の各(d
/ε)を合計したΣ(d/ε)は58[nm]であり、
大きな値となる。この場合、前述したように、応答速度
は高速化するが飽和電圧は上がり、結果的に単位印加電
圧あたりの光学応答量とコントラストは低下する。この
条件のセルで行った実測結果でも、コントラスト比は書
込時間64μsの場合40:1に低下した。TFT駆動
系を最大印加電圧±15Vのものに変更した場合、コン
トラスト比は100:1を達成できるが、消費電力は5
倍に増大し、アレイの信頼性やコストの面からも実用化
は困難となる。
【0028】つぎに、第2の具体例について説明する。
画像表示域内で対向するアレイ基板上のTFT素子及び
信号線に向き合う部分の透明電極をなくし、それ以外の
部分にのみ透明電極を形成したカラーフィルタ基板を使
用した。このカラーフィルタ基板の液晶材料と接する側
に、絶縁性を有する下地膜としてSiO2 薄膜(比誘電
率4.5)をスパッタにより30nmの厚さに成膜し
た。この例では下地膜が薄いため、基板間ショートを防
ぐ目的で、上記のようにカラーフィルタ基板側の透明電
極のパターニングを行った。アレイ基板及び下地膜を成
膜したカラーフィルタ基板に、配向膜としてのポリイミ
ド(オプトマーAL3456:日本合成ゴム(株)、比
誘電率3.4)を、各30nmの厚さになるよう成膜し
焼成した。上下基板面には貼り合わせのためのエポキシ
接着剤を所定の位置に常法により付与した。比誘電率
4.5、膜厚30nmのSiO2 を用いた下地膜の(d
/ε)は7[nm]程度であるから、両側の配向膜と下
地絶縁膜の各(d/ε)を合計したΣ(d/ε)は25
[nm]となる。液晶材料として、自発分極200nC
/cm2 、応答時間100μs、飽和電圧5Vの無閾反
強誘電性液晶(Fukuda: Asia Display '95 digest,61(1
995))を用い、セルに注入した。この液晶材料は印加電
圧−光透過率曲線においてほとんどヒステリシスを示さ
ない。電界印加配向処理を行うと、AL1051を使用
した場合と同様、良好な初期配向状態が得られた。TF
T駆動系は最大印加電圧±6V、1ラインの選択時間3
2μsのVGAのものを用いた。
【0029】従来のTFT−TN型と同様のアレイ構造
で、各画素の信号電圧が520フレーム毎にのみ反転す
るような擬似的な直流駆動を行い、かつドット反転駆動
を行った。各フレームで0或いは1ラインずつの極性反
転を行った。駆動条件によっては、極性反転時の輝度低
下が視認されてしまうため、その場合には反転するライ
ンのみ書き込み時間を数倍長くとる駆動方法を行った。
その結果、コントラスト比は100:1と十分な値が得
られ、累積応答による残像やフリッカは認められなかっ
た。
【0030】第2の比較例として、下地絶縁膜材料に3
0nm厚のTa25 を用いる他は、第2の具体例と同
じ条件でセルを作成した。比誘電率25、膜厚30nm
のTa25 の下地膜の(d/ε)は1[nm]程度で
あるから、両側の配向膜と下地絶縁膜の各(d/ε)を
合計したΣ(d/ε)は13[nm]であり、小さい値
となる。この場合、前述したように、飽和電圧は下がる
が応答速度が低下し、結果的に単位印加電圧あたりの光
学応答量とコントラストは低下する。この条件のセルで
行った実測結果では、コントラスト比は書込時間64μ
sの場合30:1に低下し、また累積応答性の低下によ
り応答速度は100msに低下した。この応答速度は従
来のTN型と同程度であり、この条件では強誘電性液晶
の高速性という特徴が失われることが示された。なお、
上記実施形態等で示したもの以外にも、本発明はその趣
旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能で
ある。
【0031】
【発明の効果】本発明によれば、従来の能動素子を備え
た強誘電性液晶又は反強誘電性液晶表示装置と比較し
て、書込不足が解消されるとともに、より低電圧で高コ
ントラストの表示を得ることができ、応答速度を向上さ
せることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る液晶表示装置の一例に
ついて、その断面構成を示した図。
【図2】図1の液晶表示装置の画素部分の断面構成を示
した図。
【図3】本発明の実施形態に係る液晶表示装置につい
て、他のラインの書込と同時のリセット動作を含む駆動
を行う場合の回路構成の一例を示した図。
【図4】図3に示した回路構成に対するアレイ構成を示
した図。
【図5】コントラストの配向膜膜厚依存性を示した図。
【符号の説明】
101…偏光板 102…ガラス基板 103…カラーフィルタ 104…オーバーコート層 105…対向電極 106…下地絶縁膜 107…配向膜 108…スペーサ 109…偏光板 110…信号線 111…TFTゲート電極 112…画素電極 113…ゲート絶縁膜 114…ガラス基板 115…液晶層 116…TFT活性層 117…保護膜 118…配向膜 119…接着剤 201…走査線 202…信号線 203…補助容量線 204…画像信号書き込み用TFT素子 205…リセット用TFT素子 206…画素電極 207…補助容量

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 液晶材料にカイラルスメクティックC相
    又はその副次相の液晶を用いた液晶層と、この液晶層の
    一方の側に設けられた画素電極と、前記液晶層の他方の
    側に設けられた対向電極と、前記画素電極に所定の電位
    を供給する能動素子と、前記画素電極と前記液晶層との
    間及び前記対向電極と前記液晶層との間に設けられ配向
    膜を含む少なくとも2層以上の絶縁層とを有し、前記各
    絶縁層の各膜厚dを周波数1kHzにおける各比誘電率
    εで除した値(d/ε)の総和が15nmから40nm
    の間に設定されていることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 【請求項2】 前記絶縁層を構成する前記配向膜は、周
    波数1kHzにおける比誘電率が3.0以上の材料を用
    いて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の
    液晶表示装置。
  3. 【請求項3】 前記液晶層に用いる液晶材料は、歪螺旋
    型強誘電性液晶又は無閾反強誘電性液晶であることを特
    徴とする請求項1又は2に記載の液晶表示装置。
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