JPH11153815A - 液晶素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ネマティック液晶素子の広視野角、高速応
答、高生産性を実現する。 【解決手段】 電極膜と該電極膜を覆うように形成され
た絶縁性膜とを有した対向する一対の基板を具備した液
晶素子において、前記基板間の間隔ｄが０．５〜３μｍ
で、少なくとも０〜５０度の温度範囲でネマティック相
を示す液晶材料が挟持され、、該液晶材料の誘電異方性
が正であり、該ネマティック相のらせんピッチｐと基板
間隔ｄの間に、 ｄ／ｐ＜０．１２５ の関係が成立することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般のディスプレ
イや光シャッタ、光学フィルタ、光センサ等に適用可能
な液晶素子とその製造方法に関するもので、特に広視野
角、高速応答を実現する液晶素子およびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、ネマティック液晶を用いたＴＮ
（Twisted Nematic）型およびＳＴＮ（Super Twisted N
ematic）型の液晶表示素子が知られている。これらのネ
マティック液晶を使用した液晶セルでは、ガラス基板の
表面にラビング等の配向処理を行い、無電界時（電界オ
フ）に液晶をある特定の状態に配列させる方法が通常良
く用いられる。

【０００３】一方、配向処理に起因する問題を発生させ
ない目的により、ラビング処理などの配向処理不要なマ
ルチドメインを形成する液晶表示素子も研究されてい
る。特開平６−１９４６５５号公報では、巨視的には液
晶分子がランダムに配向しているが、基板法線方向にほ
ぼ一定のツイスト角を示す液晶表示素子が提案されてい
る。また、特開平６−２０２１６３号公報では、積極的
に配向構造を有さない一対の基板間にカイラルネマティ
ック液晶を挟持する液晶表示素子が提案されている。こ
れらの液晶表示素子においては多数の微小ドメインから
なるマルチドメインを形成しており、おのおのが入射光
の偏光軸を所定の角度回転させている。

【０００４】また、特開平５−２５７１４７号公報で
は、ツイストネマティック型の液晶に画素分割を適用す
ることによって輝度やコントラストのムラを低減する液
晶表示素子が提案されており、特開平８−２０１８２６
号公報では、１画素を２領域に分割し、それぞれの領域
における液晶のダイレクタが互いに離れる方向を向いて
立ち上がるように配向処理を施すことによって広視野角
を実現する液晶表示素子が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記Ｔ
Ｎ（Twisted Nematic）型およびＳＴＮ（Super Twisted
Nematic）型液晶セルにおいては、配向処理により、液
晶分子の配向方向が一様なため、観察者が見る方向によ
って表示の様子が異なるといった視角特性が生じる。ま
た、液晶分子が捻れているため電界に対する応答速度が
遅く、動画の表示が乱れるといった問題もある。特に、
中間調間の応答速度が遅く、１００ｍｓｅｃ以上になっ
てしまう。

【０００６】また、配向処理を施さない特開平６−１９
４６５５号公報、特開平６−２０２１６３号公報、配向
分割を用いた特開平５−２５７１４７号公報、特開平８
−２０１８２６号公報などに開示の表示方法において
は、視角特性については改善されているものの、依然と
して基板法線方向に液晶分子の捻れがあり、セル厚も厚
い（６μｍ程度）ため応答速度が遅い。例えば、白−黒
表示のときに２０ｍｓｅｃ程度の応答速度を示す液晶材
料でも、中間調間の応答速度は１００ｍｓｅｃ以上にな
り、画像表示において輪郭ぼけなどの問題を引き起こ
す。

【０００７】応答速度に対する単純な解決策の一つはセ
ル厚を薄くすることであるが、ＴＮ液晶において単純に
セル厚を薄くすると、着色が生じてしまう。これは、最
適なｄΔｎ（層厚×屈折率差）が決まっているためで、
例えば、良好な白黒表示を維持しつつセル厚を従来の５
μｍから半分の２．５μｍにするためには、Δｎを２倍
にしなくてはならない。しかし、Δｎを２倍にすること
は材料設計の点でも容易ではなく、仮にできたとして
も、粘度が上昇して応答速度が遅くなる、また誘電率が
増加し、ＴＦＴ駆動において重要な比抵抗が低くなる、
閾値電圧が上昇するなどの新たな問題点を引き起こして
しまう。

【０００８】そこで、本発明はかかる問題点に鑑みてな
されたものであり、セル厚を薄くしつつ、良好な白黒表
示、広視野角、高速応答を同時に実現する液晶素子およ
びその製造方法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】上記目的を達成するため
に、本発明による請求項１記載の液晶素子は、電極膜と
該電極膜を覆うように形成された絶縁膜とを有した対向
する一対の基板を具備した液晶素子において、前記基板
間の間隔ｄが０．５〜３μｍで、少なくとも０〜５０度
の温度範囲でネマティック相を示す液晶材料が挟持さ
れ、該液晶材料の誘電異方性が正であり、該ネマティッ
ク相のらせんピッチｐと基板間隔ｄの間に 、 ｄ／ｐ＜０．１２５ の関係が成立することを特徴とする。

【００１０】このように構成することにより、液晶分子
長軸の平均方向が異なる複数の領域が形成され、液晶分
子に方向性がないため、広視野角特性を実現することが
可能となる。また、セル厚を薄くし、かつｄ／ｐ＜０．
１２５と設定することにより、基板法線方向に対するツ
イスト角度は４５度以下にでき、高速応答性が実現でき
る。

【００１１】また、液晶分子長軸の平均方向が異なる複
数の領域が形成されるため、透過光強度の波長依存性は
全体として打ち消され、無電界時に白色を示す。ここで
ＤＣ電圧を電極に印加すると正の誘電異方性をもったネ
マティック液晶分子はその分子長軸が基板法線方向を向
くように配置する。よってこのとき、光はクロスニコル
配置にある一対の偏光子に阻まれ透過せず、黒の表示と
なる。ここで、一対の基板間隔を０．５〜３μｍとした
薄いセルを用いているため、導通防止に絶縁性膜が基板
の電極面上に形成されている。また、好ましくは、請求
項２記載の発明のように、前記絶縁性膜が配向規制力を
有しないことを特徴とし、このように構成することによ
り、液晶分子に方向性がないため、広視野角の液晶素子
を実現できる。さらに、配向処理工程が不必要となるた
め、生産性の向上も図ることが可能となる。

【００１２】また、好ましくは、請求項３記載の発明の
ように、前記絶縁性膜が液晶分子の長軸の平均方向を基
板に水平にさせる配向規制力を有することを特徴とし、
このように構成することにより、コントラスト、輝度を
向上させることができる。配向規制力は、基板界面での
液晶分子にプレチルトを付けさせるようなものでも良
い。プレチルトは基板界面において、液晶分子の長軸の
平均方向と基板とのなす角度をいう。プレチルト角度が
２０度を越えると、安定は配向が得られにくくなり為、
２０度以下が好ましい。より好ましくは、１０度以下で
ある。

【００１３】さらに、請求項４記載の発明のように、請
求項１乃至３記載の液晶素子を、直交ニコル配置を有す
る一対の偏光板間に配置することを特徴とする。このよ
うに構成することにより、とくに、透過型液晶素子とし
て用いた場合、電界印加時すなわち液晶分子の長軸が電
界と平行に配置したときに、光を十分に遮断することが
でき、高コントラストが実現できる。

【００１４】また、請求項５記載の液晶素子の製造方法
は、一対の基板上のそれぞれに電極膜を形成する工程
と、該一対の基板上のそれぞれに絶縁性膜を形成する工
程と、該一対の基板を対向させて、０．５〜３μｍの間
隔で貼り合わせる工程と、０〜５０℃の温度範囲でネマ
ティック相を示し、誘電異方性が正であり、さらに、ネ
マティック相のらせんピッチｐと基板間の間隔ｄの間
に、 ｄ／ｐ＜０．１２５ の関係が成立する液晶材料を、該液晶材料が等方性液体
相を示す温度で基板間に注入する工程とを有することを
特徴とする。

【００１５】このような製造方法によれば、液晶を等方
性液体相を示す温度で基板間に注入することによって、
液晶分子の注入方向への配向を防ぎ、生じる転傾（液晶
の配向ベクトルの不連続点または線）を１画素に対して
十分に小さくすることができる。また、配向処理工程を
用いずに作製することにより、前記工程中の静電気の発
生、ごみの付着による生産の歩留まりの低下という問題
の改善をはかることが可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明による実施の形態を図面を
用いて、以下に説明する。 ＜実施形態１＞実施形態１にかかる液晶素子構造を図１
に示す。該液晶素子の製造工程は次の通りである。

【００１７】まず、透明電極を有する一対のガラス基板
に厚さ３０ｎｍの絶縁性膜を塗布し、直径１．４μｍの
スペーサーを片方の基板に散布した後、張り合わせる。
次にメルク社製の商品名「Ｅ８」をアイソトロピック相
を示す１００度で注入し、室温まで徐冷して封止する。
本実施形態では配向処理を施す事なく、液晶を注入して
いる。なお、メルク社製の商品名「Ｅ８」は正の誘電異
方性をもつネマティック液晶で、ここではキラリティー
をもたないものを使用している。すなわち、本実施形態
における液晶相の螺旋ピッチは無限大であり、ｄ／ｐ＜
０．１２５の条件を満足する設定である。

【００１８】ここで、ｄ／ｐ＜０．１２５の条件につい
て、詳細に説明する。通常のカイラルネマティック液晶
材料は、カイラルピッチｐで液晶分子の配向方向が３６
０゜回転する。液晶層が厚さｄを有するとき、液晶分子
は、一方の基板表面から離れるに従って、次第に旋回
し、他方の基板ではｄ／ｐで規定される角度まで旋回す
る。しかし、本実施形態１におけるようなネマティック
液晶の場合、ピッチｐは無限大である。ｄ／ｐ＜０．１
２５の条件下では、一対の基板間での液晶分子のツイス
ト角は４５゜未満となり、旋光による着色を防ぐことが
可能となる。すなわち、旋光能とリタデーション（Δｎ
・ｄ）によって、出射光のツイスト角が決まり、それは
波長依存性を有しているため、透過光は色づくことにな
るが、液晶分子のツイストを抑えたマルチドメイン内で
の配向方向は、全ての方向に対して等確立で存在してい
るため、出射光の波長依存性は全体として打ち消し合
い、色づきの無い白状態が得られることとなる。

【００１９】＜比較例１＞比較例１にかかる液晶素子の
製造工程は次の通りである。まず、透明電極を有する一
対のガラス基板に厚さ３０ｎｍの絶縁性膜を塗布し、直
径１．４μｍのスペーサーを片方の基板に散布した後、
張り合わせる。次にメルク社製の商品名「Ｅ８」をネマ
ティック相を示す２５度で注入し、室温まで徐冷して封
止する。

【００２０】＜比較例２＞比較例２にかかる液晶素子の
製造工程は次の通りである。まず、透明電極を有する一
対のガラス基板に厚さ３０ｎｍの配向膜を塗布し、一方
向にラビング処理を施す。次に、直径５μｍのスペーサ
ーを片方の基板に散布した後、ラビング方向が直交する
配置で２枚の基板を張り合わせる。次にメルク社製の商
品名「Ｅ８」をアイソトロピック相を示す１００度で注
入し、室温まで徐冷して封止する。

【００２１】＜比較例３＞比較例３にかかる液晶素子の
製造工程は次の通りである。まず、透明電極を有する一
対のガラス基板を１２μｍのスペーサーを挟んで張り合
わせる。次に、メルク社製の商品名「Ｅ８」をアイソト
ロピック相を示す１００度で注入し、室温まで徐冷して
封止する。

【００２２】＜上記実施形態および比較例におけるセル
の特性＞以下に、上記実施形態１および比較例１乃至３
の液晶素子の特性について説明する。クロスニコル配置
の偏光板２枚の間に上記液晶セル配置したときの初期配
向状態は、実施形態、比較例２、比較例３が白を表示
し、比較例１は注入時にできた多数の大きな黒い転傾欠
陥が現れていた。この転傾欠陥は、１２０度で再配向し
ても消去できなかった。

【００２３】表１に実施形態１、比較例２、比較例３の
輝度の比較を示す。表１では比較例２の輝度を１と定義
して比較している。比較例２はネマティック液晶を基板
法線方向に９０度ツイストしているため、実施形態１、
比較例３に比べて明るい。

【００２４】

【表１】

【００２５】しかし、逆に視野角特性に関しては、比較
例２は実施形態１に比べて劣る。すなわち、配向処理を
施した比較例２のセルにおいては、液晶分子の配向に方
向性が生じるため、見る方向から表示の様子が異なるか
らである。

【００２６】図２に、液晶素子１２Ｖの電圧を印加した
時の黒、無電界時の白の、それぞれの状態における透過
光強度比によってコントラストを求めた実施形態１の視
野角特性を示す。斜め４５度方向からのコントラストの
低下は、偏光板の特性によるもので、液晶の特性とは無
関係である。図１からわかるように、実施形態１では上
下左右４５度においてもコントラスト３０が達成されて
おり、広視野角が実現されている。しかしながら、図３
に示すように、（ａ）の比較例２では、コントラスト２
０しか得られず、（ｂ）の比較例３ではコントラスト１
５しか得られなかった。

【００２７】次に実施形態１、比較例２、比較例３にお
ける液晶素子に対して、電圧を印加したときの透過光強
度の時間依存性を図４に示す。図４に示す測定において
は、実施形態１では１２Ｖ、１６．７ｍｓのパルス電圧
を印加し（図４（ａ））、比較例２では１２Ｖ、５０ｍ
ｓのパルス電圧を印加（図４（ｂ））、比較例３では１
５Ｖ、５０ｍｓのパルス電圧をそれぞれ印加（図４
（ｃ））している。それぞれ電界印加時、すなわち明か
ら暗への応答は十分な高速応答性を示しているが、電界
除去時の暗から明の応答には時間がかかっていることが
わかる。

【００２８】次に、透過光強度の値が明状態の１０％か
ら９０％まで変化するまでに要する時間を応答時間と定
義し、その測定結果を表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】表２からわかるように、ツイスト配向の比
較例２は応答時間が長いが、これは配向ひずみのエネル
ギーが存在するためである。一方、実施形態１と比較例
３を比べると、セル厚の薄い実施形態１の方が応答時間
はより短い。これは一般に電界を除去したときの応答時
間τが、

【００３１】

【数１】

【００３２】で表され、セル厚の２乗に比例するからで
ある。ここで、ｔは電荷除去時の応答時間、ｄはセル
厚、ｈは初期配向によって決まる有効粘性率、Ｋは初期
配向構造によって決まるフランクの弾性定数である。す
なわち、表２からわかるように、本発明によれる実施形
態１は、比較例と比べても格段に応答速度を短くするこ
とが可能となる。

【００３３】ここで、前記基板間隔（セル厚）につい
て、詳細に説明する。従来のツイストネマティックを用
いた液晶ディスプレイは応答速度が遅く、動画表示に適
さず、特に、中間調表示の応答速度は１００ｍｓｅｃ以
上となることも起こり得る。そこで、応答速度τを向上
させるには、上記式（１）からも分かるように、基板間
隔ｄを低下させることが有効かつ設計しやすい。また、
現在の応答速度が半分となったとしても、まだ動画表示
には不十分であり、１／４以下の応答速度にする必要が
ある。そこで、本発明では、基板間隔を３μｍ以下に設
定し、かつデバイスを作製する上で、取り扱い不可能と
ならない０．５μｍ以上に設定することが必要である。

【００３４】すなわち、実施形態１では、基板間隔を３
μｍ以下と設定したことにより、表２からわかるよう
に、比較例と比べても格段に応答速度を短くすることが
可能となった。

【００３５】以上説明したように、実施形態１による液
晶素子は、比較例１、２、３のいずれの液晶素子と比較
しても、視野角特性、応答速度ともに優れた特性の液晶
素子が得られ、かつ輝度においても、使用に際し十分満
足できるものが得られた。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、広視野
角かつ高速応答なネマティック液晶素子を得ることがで
き、さらに、配向膜による制御を必要としないことか
ら、高生産性も実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態および比較例に用いた液晶素子の構造
模式図である。

【図２】実施形態１にかかる視野角特性を示すグラフで
ある。

【図３】（ａ）は比較例２にかかる、（ｂ）は比較例３
にかかる視野角特性を示すグラフである。

【図４】（ａ）は実施形態１にかかる、（ｂ）は比較例
２にかかる、（ｃ）は比較例３にかかる電気光学応答を
示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 向殿 充浩 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極膜と該電極膜を覆うように形成され
   た絶縁膜とを有した対向する一対の基板を具備した液晶
   素子において、前記基板間の間隔ｄが０．５〜３μｍ
   で、少なくとも０〜５０度の温度範囲でネマティック相
   を示す液晶材料が挟持され、、該液晶材料の誘電異方性
   が正であり、該ネマティック相のらせんピッチｐと基板
   間隔ｄの間に、 ｄ／ｐ＜０．１２５ の関係が成立することを特徴とする液晶素子。
2. 【請求項２】 前記絶縁膜が配向規制力を有しないこと
   を特徴とする請求項１記載の液晶素子。
3. 【請求項３】 前記絶縁膜が液晶分子の長軸の平均方向
   を基板に水平にさせる配向規制力を有することを特徴と
   する請求項１記載の液晶素子。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載の液晶素子を、直交
   ニコル配置を有する一対の偏光板間に配置することを特
   徴とする液晶素子。
5. 【請求項５】 一対の基板上のそれぞれに電極膜を形成
   する工程と、該一対の基板上のそれぞれに絶縁性膜を形
   成する工程と、該一対の基板を対向させて、０．５〜３
   μｍの間隔で貼り合わせる工程と、０〜５０℃の温度範
   囲でネマティック相を示し、誘電異方性が正であり、さ
   らに、ネマティック相のらせんピッチｐと基板間の間隔
   ｄの間に、 ｄ／ｐ＜０．１２５ の関係が成立する液晶材料を、該液晶材料が等方性液体
   相を示す温度で基板間に注入する工程とを有することを
   特徴とする液晶素子の製造方法。