KR20150021879A - 액정소자, 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메모리성을 이용한 광제어와 동영상 표시 등에 대응 가능한 광제어의 양립을 가능하게 하고, 더욱이 콘트라스트비가 높은 액정소자를 제공하는 것을 과제로 한다. 제1 기판 및 제2 기판은 배향처리에 의한 배향규제력에 의하여 액정층의 액정분자에 트위스트를 포함한 제1 배향상태를 발생시킬 수 있도록, 각각으로의 배향처리방향이 이루는 각도를 0°이상 70°미만으로 하여 배치된다. 액정층은, 액정층의 액정분자에 제1 배향상태와는 다른 트위스트를 포함한 제2 배향상태를 발생시킬 수 있는 키랄재를 포함한다. 액정층은, 그 층두께 방향의 전계가 부여됨으로써 제2 배향상태에서 제1 배향상태로 천이하고, 층두께 방향에 직교방향의 전계가 부여됨으로써 제1 배향상태에서 제2 배향상태로 천이하며, 더욱이 제2 배향상태에 있어서 층두께 방향에 직교방향의 전계가 부여됨으로써 그 전계의 크기에 따른 배향변화를 발생시켜 그 전계를 해제하면 제2 배향상태가 복원된다.

Description

액정소자, 액정표시장치{Liquid crystal element, liquid crystal display}
본 발명은 2개의 배향상태 사이의 천이를 이용한 신규의 액정소자 및 액정표시장치에 관한 것이다.
일본특허공보 제2510150호(특허문헌 1)에는, 대향배치된 한쌍의 기판의 각각에 실시된 배향처리방향의 조합으로 규제되는 선회방향과는 반대의 선회방향으로 액정분자를 트위스트 배향시킴으로써, 전기광학특성을 향상시킨 액정표시장치가 개시되어 있다(선행예 1). 또한, 일본공개특허공보 2007-293278호(특허문헌 2)에는, 대향배치된 한쌍의 기판의 각각에 실시된 배향처리방향의 조합으로 규제되는 선회방향(제1 선회방향)과는 반대의 선회방향(제2 선회방향)으로 트위스트되는 키랄제를 첨가하면서도 액정분자를 상술한 제1 선회방향으로 트위스트 배향시킴으로써 액정층 내의 변형을 증가시키고, 그에 따라 임계값 전압을 저하시켜 저전압 구동을 가능하게 하는 액정소자가 개시되어 있다(선행예 2).
그런데, 상술한 선행예 1의 액정표시장치는, 역 트위스트 배향상태가 불안정하고, 액정층에 대하여 비교적 높은 전압을 인가함으로써 역 트위스트의 배향상태를 얻는 것은 가능하지만, 시간경과와 함께 순 트위스트의 배향상태로 천이해버린다는 결함이 있다. 또한, 선행예 2의 액정소자는, 상기한 바와 같이 임계값 전압을 저하시키는 이점이 있는데, 전압을 끄면 바로(예를 들어, 수초 정도) 순 트위스트의 배향상태로 천이해버리고, 거꾸로 임계값 전압을 높여버린다는 불량이 있다. 그리고, 선행예 1, 2의 어느 것에 있어서도, 순 트위스트와 역 트위스트의 2개의 배향상태를 표시 등의 용도로서 적극적으로 이용하는 것에 대하여는 상정되어 있지 않았다. 즉, 쌍안정성을 적극 이용하기 위하여 필요한 구성, 구동방법 등의 기술사상에 대한 개시, 시사는 모두 전혀 존재하지 않았다.
그래서, 본원의 발명자들은 상기한 선행예에서의 결함을 해소할 수 있는 신규의 리버스 TN형 액정소자에 대하여 검토를 진행하고 있다. 예를 들어, 일본공개특허공보 2011-203547호(특허문헌 3)에는, 초기상태에서는 스프레이 트위스트 배향이지만 세로전계를 인가하면 리버스 트위스트 배향으로 안정되는 리버스 TN(Reverse Twisted Nematic)형의 액정소자에 관한 기술이 개시되어 있다. 또한, 본원의 발명자들은, 상기한 리버스 TN형의 액정소자를 이용한 액정표시장치의 일 실시형태로서, 복수의 액정소자를 배열하고, 박막 트랜지스터 등의 스위칭 소자를 이용하여 각 액정소자를 개별로 구동하는 액정표시소자에 대하여도 검토를 진행하고 있다. 여기에서, 수평전계를 이용한 구동을 행하기 위한 스위칭 소자 및 전극의 구조예는, 예를 들어 일본특허공보 제4238877호(특허문헌 4)에 개시되어 있다(선행예 4). 하지만, 이러한 선행예 4에 개시되는 바와 같은 스위칭 소자 및 전극의 구조는, 본원의 발명자들에 의한 신규의 리버스 TN형의 액정소자를 구동하기에는 적합하지 않다.
그런데, 특허문헌 3에 개시되는 리버스 TN형의 액정소자는, 그 메모리성을 이용하여 정지화상표시를 행하는 것은 가능하였지만, 기본적으로 2개의 배향상태 사이의 어느 것을 선택적으로 이용하는 것이므로, 중간조 표시나 동영상 표시에 대응하는 광제어에는 적합하지 않았다. 그리고, 특허문헌 3에 개시되는 리버스 TN형 액정소자는, 정면으로부터의 콘트라스트비가 그 정도로 높지 않기 때문에 콘트라스트비가 더욱 향상될 것이 요구되고 있었다.
선행기술문헌
(특허문헌)
특허문헌 1: 일본특허공보 제2510150호
특허문헌 2: 일본공개특허공보 2007-293278호
특허문헌 3: 일본공개특허공보 2011-203547호
특허문헌 4: 일본특허공보 제4238877호
본 발명에 따른 구체적인 실시형태는, 메모리성을 이용한 광제어와 동영상 표시 등에 대응 가능한 광제어의 양립을 가능하게 하고, 더욱이 콘트라스트비가 높은 액정소자를 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
또한, 본 발명에 따른 구체적 실시형태는, 메모리성을 이용한 표시와 동영상 표시 등의 양립을 가능하게 하고, 더욱이 콘트라스트비가 높은 액정표시장치를 제공하는 것을 다른 목적의 하나로 한다.
본 발명에 따른 일 실시형태의 액정소자는, (a)각각의 일면에 배향처리가 실시되어 있고, 대향배치된 제1 기판 및 제2 기판과, (b)제1 기판과 제2 기판의 사이에 설치된 액정층과, (c)액정층에 전계를 부여하는 전계인가수단을 포함하고, (d)제1 기판 및 제2 기판은, 배향처리에 의한 배향 규제력에 의하여 액정층의 액정분자에 트위스트를 포함한 제1 배향상태를 발생시킬 수 있도록, 각각으로의 배향처리 방향이 이루는 각도를 0°이상 70°미만으로 하여 배치되며, (e)액정층은, 액정층의 액정분자에 제1 배향상태와는 상이한 트위스트를 포함한 제2 배향상태를 발생시킬 수 있는 키랄재를 포함하고, (f)액정층은, 전계인가수단에 의하여 당해 액정층의 층두께 방향의 전계가 부여됨으로써 제2 배향상태로부터 제1 배향상태로 천이하며, 또한 전계인가수단에 의하여 층두께 방향에 직교방향의 전계가 부여됨으로써 제1 배향상태로부터 제2 배향상태로 천이하고, 더욱이 제2 배향상태에 있어서 전계인가수단에 의하여 직교방향의 전계를 부여 받음으로써 당해 전계의 크기에 따른 배향 변화를 발생하여 당해 전계를 해제하면 제2 배향상태가 복원되는 액정소자이다.
상기 구성에 따르면, 제1 배향상태와 제2 배향상태 사이의 천이를 이용함으로써 메모리성을 이용한 광제어가 가능해지고, 또한 제2 배향상태에 있어서 더욱이 액정층의 층두께 방향에 대하여 직교방향의 전계를 이용함으로써 전계의 크기에 따라서 배향변화를 발생시킴으로써, 중간조 표시나 동영상 포시에 대응하는 광제어가 가능해진다. 또한, 상기한 배향처리방향이 이루는 각도의 범위를 채용함으로써 콘트라스트비를 향상시킬 수 있게 된다.
상기 액정소자에 있어서, 전계인가수단은, 제1 기판의 일면측에 설치된 제1 전극과, 제1 전극과 이간하여 제1 기판의 일면측에 설치된 제2 전극과, 적어도 일부가 제1 전극 및 제2 전극과 중첩하도록 하여 제2 기판의 일면측에 설치된 공통전극을 가지는 것도 바람직하다.
그에 따라, 액정층의 층두께 방향의 전계와 이에 대하여 직교방향의 전계를 자유롭게 발생시킬 수 있다.
상기 액정소자는, 제1 기판의 일면측에 설치되고, 제1 전극 또는 제2 전극에 접속된 스위칭 소자를 더 포함하는 것도 바람직하다.
그에 따라, 액티브 매트릭스형의 표시장치에 적합한 액정소자가 얻어진다.
상기 액정소자에 있어서, 제1 기판과 제2 기판은, 각각 액정층과의 전계에 있어서 당해 액정층의 액정분자에 35°이상 47°이하의 프리틸트각을 부여하는 것도 바람직하다.
이에 따라, 2개의 배향상태의 쌍안정성을 보다 높일 수 있다.
상기 액정소자에 있어서, 제1 전극과 제2 전극의 적어도 한쪽은, 서로 이간하여 평행 배치된 복수의 직선부를 가지는 것도 바람직하다. 이러한 경우에 있어서, 제1 배향상태에서의 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙에서의 액정분자의 배향방향이 복수의 직선부의 각각의 연장방향에 대하여 0°이상 45°의 각도를 가지는 것이 보다 바람직하다.
이에 따라, 2개의 배향상태 사이의 천이를 발생시키기 위하여 필요한 기판면과 평행방향의 전계(가로전계)를 보다 효과적으로 액정층으로 인가할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시형태의 액정표시장치는, 복수의 화소부를 구비하고, 당해 복수의 화소부의 각각이 상기한 본 발명에 따른 액정소자를 이용하여 구성된 액정표시장치이다.
상기 구성에 따르면, 액정소자의 2개의 배향상태의 쌍안정성(메모리성)을 이용한 저소비 전력의 액정표시장치이고, 또한 중간조 표시나 동영상 표시도 가능한 액정표시장치가 얻어진다. 또한, 특정 트위스트각의 값을 채용함으로써 콘트라스트비를 향상시키는 것이 가능해진다.
도 1은 리버스 TN형 액정소자의 원리를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2의 (a)는 리버스 트위스트 상태에서 스프레이 트위스트 상태로 천이시킬 때의 액정층의 배향상태와 전계방향의 관계에 대하여 설명하기 위한 개념도이다. 도 2의 (b)는 스프레이 트위스트 상태에서 더욱 배향 변화시킬 때의 개념도이다.
도 3의 (a), (b) 및 (c)는, 각각 배향처리방향과 가로전계의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 리버스 TN형 액정소자의 투과율 및 콘트라스트의 트위스트각 의존성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 리버스 TN형 액정소자의 투과율 및 콘트라스트의 d/p 의존성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 다양한 프리틸트각 설정값에서의 트위스트각과 콘트라스트비의 관계의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 7의 (a)는 프리틸트각 40°일 때의 시뮬레이션 결과를 상세하게 나타내는 도면이고, (b)는 프리틸트각 45°일 때의 시뮬레이션 결과를 상세하게 나타내는 도면이며, (c)는 프리틸트각 47°일 때의 시뮬레이션 결과를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 8은 트위스트각 0°인 경우의 배향분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 제1 실시형태의 리버스 TN형 액정소자의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 9에 나타내는 리버스 TN형 액정소자의 평면도이다.
도 11은 제1 실시형태에 따른 리버스 TN형 액정소자의 제조방법의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 12는 제1 실시형태에 따른 리버스 TN형 액정소자의 제조방법의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 13은 제2 실시형태의 리버스 TN형 액정소자의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 14는 도 13에 나타내는 리버스 TN형 액정소자의 평면도이다.
도 15는 제2 실시형태에 따른 리버스 TN형 액정소자의 제조방법의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 16은 제2 실시형태에 따른 리버스 TN형 액정소자의 제조방법의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 17의 (a)는 제3 실시형태의 리버스 TN형 액정소자의 구성예를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 17의 (b)는 제3 실시형태의 액정패널에서의 하측기판의 러빙방향과 상측기판의 러빙방향이 이루는 각도를 설명하는 도면이다.
도 18은 제3 실시형태의 리버스 TN형 액정소자의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 19는 제4 실시형태의 액정표시장치의 구성예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 리버스 TN형 액정소자의 원리를 개략적으로 나타내는 모식도이다. 리버스 TN형 액정소자는, 기본적인 구조로서, 대향배치된 상측기판(1) 및 하측기판(2)과, 그들 사이에 설치된 액정층(3)을 구비한다. 상측기판(1)과 하측기판(2)의 각각의 표면에는 러빙 처리로 대표되는 배향처리가 실시된다. 이들의 배향처리방향(도면 중에 화살표로 나타냄)이 서로 교차하도록 하여 상측기판(1)과 하측기판(2)이 상대적으로 배치된다. 액정층(3)은 네마틱 액정재료를 상측기판(1)과 하측기판(2) 사이에 주입함으로써 형성된다. 이러한 액정층(3)에는, 액정분자를 그 방위각 방향에 있어서 특정 방향(도시한 예에서는 우측 선회방향)으로 트위스트시키는 작용을 발생시키는 키랄재가 첨가된 액정재료가 사용된다. 상측기판(1)과 하측기판(2)의 상호간격(셀두께)을 d, 키랄재의 키랄피치를 p로 하면, 이들의 비(d/p)의 값은, 예를 들어 0.04~0.75 정도로 설정된다. 이와 같은 리버스 TN형 액정소자는, 키랄재의 작용에 의하여, 초기상태에 있어서는 액정층(3)이 스프레이 배향하면서 트위스트되는 스프레이 트위스트 상태(제2 배향상태)가 된다. 이러한 스프레이 트위스트 상태의 액정층(3)에 대하여 그 층두께 방향으로 포화전압을 넘는 전압을 인가하면, 액정분자가 좌측 선회방향으로 트위스트되는 리버스 트위스트 상태(제1 배향상태)로 천이한다. 이와 같은 리버스 트위스트 상태의 액정층(3)에 있어서는, 벌크 중의 액정분자가 기울어져 있으므로 액정소자의 구동전압을 저감하는 효과가 나타난다.
도 2의 (a)는 리버스 트위스트 상태에서 스프레이 트위스트 상태로 천이시킬 때의 액정층의 배향상태와 전계방향의 관계에 대하여 설명하기 위한 개념도이다. 한편, 여기에서는 유전율 이방성(Δε)이 플러스인 액정재료를 생각한다. 도 2의 (a)의 좌측에 나타내는 바와 같이, 기판면에 수평한 방향의 전계(Electric field)에 대하여, 리버스 트위스트 상태에서의 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙의 액정분자(도면 중, 모양을 부여한 액정분자)의 장축(長軸)방향이 가급적 평행하지 않고, 직교 또는 그에 가까운 상태가 되도록 전계의 인가방향을 설정한다. 이에 따라, 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙의 액정분자가 전계방향을 따라서 재배향하므로, 도 2의 (a)의 우측에 나타내는 바와 같이 액정층의 배향상태는 리버스 트위스트 상태(R-t states)에서 스프레이 트위스트 상태(S-t states)로 천이한다. 한편, 리버스 트위스트 상태의 액정층에 대하여, 그 층두께 방향의 대략 중앙의 액정분자의 장축방향과 평행 또는 그에 가까운 상태가 되도록 하여 전계를 인가한 경우에는, 리버스 트위스트 상태에서 스프레이 트위스트 상태로의 천이는 거의 발생하지 않는다. 이것은, 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙에 있어서 전계에 의한 액정분자의 재배향이 거의 발생하지 않기 때문이다.
이상으로부터, 리버스 TN형 액정소자에 있어서 2개의 배향상태 사이를 자유롭게 천이시키기 위하여는, 액정층의 층두께 방향에 대한 전계(세로전계)와 이에 직교하는 방향의 전계(가로전계)를 발생시킬 필요가 있다. 단, 후술하는 중간조 표시를 생각한 경우, 반드시 스프레이 트위스트 상태의 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙에서의 액정분자의 장축방향과 가로전계의 방향을 완전히 평행으로 하는 것이 최적은 아니며, 평행(0°)에서 45°범위이면 리버스 트위스트 상태에서 스프레이 트위스트 상태로의 천이는 가능하다.
도 2의 (b)는 스프레이 트위스트 상태에서 더욱 배향 변화시킬 때의 개념도이다. 상기한 리버스 TN형 액정소자에 있어서는, 스프레이 트위스트 상태의 액정층에 대하여 더욱 가로전계를 주어도 리버스 트위스트 상태로 천이하는 일은 없는데, 액정층의 기판과의 계면 부근을 제외한 벌크에서는 액정분자가 전계방향으로 모이도록 배향 변화한다. 이 경우, 전계의 크기에 따라서 연속적으로 액정층의 배향상태를 변화시킬 수 있어, 전계를 어느 정도 이상 크게 하면 호모지니어스 배향에 가까운 배향상태로 할 수 있으므로, 투과광 또는 반사광의 제어를 할 수 있다. 또한, 액정층의 배향상태는 전계를 해제하면 원래의 스프레이 트위스트 상태로 복원된다. 즉, 여기에서의 배향변화는 탄성변형이고, 이것을 이용함으로써 중간조 표시나 동영상 표시에 대응 가능한 광제어가 가능하게 된다.
원리상, 스프레이 트위스트 상태에서의 액정층의 층두께 방향에서의 대략 중앙의 액정분자의 배향방향이 가로전계의 방향과 평행하거나 그에 가까운 방향일수록, 가로전계를 인가하였을 때에 액정층의 액정분자가 전계방향으로 모이기 쉽다. 이 점에서는, 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 액정층(3)의 층두께 방향의 대략 중앙에서의 액정분자의 배향방향은, 상측기판(1)의 배향처리방향(RU)과 하측기판(2)의 배향처리방향(RL)이 이루는 각도(Ø)의 이등분선의 방향에 거의 일치하므로, 이러한 액정분자의 배향방향과 가로전계 방향이 이루는 각도가 0°, 즉 양자가 평행이 되는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 한편, 상술한 바와 같이 중간조 표시도 고려하면, 도 3의 (b), (c)에 나타내는 바와 같이, 스프레이 트위스트 상태의 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙에서의 액정분자의 장축방향과 가로전계의 방향의 관계는 0°보다 크고 45°이하의 범위에서 적합한 조건을 적절히 선택할 수 있다. 도 3의 (a)에 나타낸 경우에서의 액정층(3)의 배향상태는, 스프레이 트위스트 상태에서의 트위스트 배향이 무너진(트위스트가 풀린) 상태이다. 이에 대하여, 도 3의 (b), (c)에 나타낸 경우에서의 액정층(3)의 배향상태는, 액정분자의 다이렉터 방향이 스프레이 트위스트 상태와는 다른 상태로 되어 있고, 구체적으로는 트위스트 배향이 무너진 상태와 다이렉터 방향이 다른 상태가 혼재하고 있는 상태이다.
한편, 도 2의 (a) 및 (b)는, 도시의 편의상 기판 계면 부근의 액정분자도 전계방향으로 배향하고 있도록 그려져 있는데, 실제로는 기판 계면에서의 앵커링 에너지에 의하여 기판 계면 부근의 액정분자는 전계방향으로 배향하고 있지 않다고 생각된다. 그리고, 기판 계면 부근에서 조금 떨어진 위치(대략 분자 몇개 분량)의 액정분자는 전계 방향으로 조금씩 기울어져 배향하고 있다고 생각되며, 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙에서의 액정분자는 거의 전계방향으로 배향하고 있다고 생각된다.
다음으로, 액정소자의 정면방향에서의 콘트라스트비를 향상시키는 관점에서, 프리틸트각 및 트위스트각의 적합한 범위에 대하여 계산기 시뮬레이션에 의하여 검토한 결과를 설명한다. 계산조건으로는, 상기한 도 1에 나타낸 구조의 액정소자를 전제로 하여, 셀두께(d)를 6.5㎛, 굴절률 이방성(Δn)을 0.066으로 설정하는 동시에, 트위스트각을 0°~90°의 범위로 설정하며, 키랄재의 첨가량을 d/p가 0~0.5의 범위가 되도록 설정하였다. 또한, 각 편광판의 배치에 대하여는, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙에서의 액정분자의 배향방향에 대하여 각 편광판의 흡수축(A, P)의 적어도 한쪽이 0°또는 90°의 각도를 가지며, 또한 각 편광판의 흡수축끼리가 교차하도록 설정하였다. 또한, 프리틸트각에 대하여도 다양한 값으로 설정하였다.
도 4는 리버스 TN형 액정소자의 투과율 및 콘트라스트의 트위스트각 의존성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 여기에서 말하는 '트위스트각'이란, 스프레이 트위스트 상태에서의 트위스트각이다(이하에서도 동일). 한편, 도면 중에 'S-t'는 스프레이 트위스트 상태를 나타내고, 'R-t'는 리버스 트위스트 상태를 나타내며, 'CR'은 액정소자의 기판면 법선방향으로부터의 콘트라스트비를 나타낸다(이하에서도 동일). 또한, 여기에서는 리버스 TN형 액정소자의 프리틸트각을 45°로 설정하고, d/p를 0.1로 설정하며, 트위스트각을 0°~90°의 범위로 설정하였다. 도시와 같이, 전체적으로는 트위스트각이 작을수록 콘트라스트비가 높아지는 경향에 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 콘트라스트비가 특히 높아지는 트위스트각의 수치범위가 존재하는 것도 알 수 있다.
도 5는 리버스 TN형 액정소자의 투과율 및 콘트라스트의 d/p 의존성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 여기에서는 리버스 TN형 액정소자의 프리틸트각을 40°로 설정하고, 트위스트각을 70°로 설정하며, d/p를 0.05~0.45의 범위로 설정하였다. 도시와 같이, 이러한 조건 하에서는 d/p가 낮을수록 콘트라스트비가 높아지는 것을 알 수 있다.
도 6은 다양한 프리틸트각 설정값에서의 트위스트각과 콘트라스트비의 관계의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 여기에서는, d/p를 0.1로 설정하였다(피치는 65㎛). 또한, 프리틸트각에 대하여는 20°, 30°, 35°, 40°, 45°, 47°의 각각으로 설정하였다. 또한, 도 7의 (a)는 프리틸트각 40°일 때의 시뮬레이션 결과를 상세하게 나타내는 도면이고, 도 7의 (b)는 프리틸트각 45°일 때의 시뮬레이션 결과를 상세하게 나타내는 도면이며, 도 7의 (c)는 프리틸트각 47°일 때의 시뮬레이션 결과를 상세하게 나타내는 도면이다. 각 도면에 나타내는 바와 같이, 전체적으로는 프리틸트각을 높게 할수록 콘트라스트비가 높아지는 경향이 보였다. 상세하게는, 프리틸트각의 설정값이 35°및 40°일 때에는 트위스트각이 20°일 때에 가장 콘트라스트비가 높아지고, 프리틸트각의 설정값이 45°및 47°일 때에는 트위스트각이 30°일 때에 가장 콘트라스트비가 높아지는 것을 알 수 있었다. 또한, 트위스트각이 0°~40°의 범위에서 어느 프리틸트각의 설정값에서도 비교적 높은 콘트라스트비가 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 트위스트각이 70°에 도달하면 콘트라스트비가 4를 하회하는 것을 알 수 있다. 여기에서 콘트라스트비 4란, 신문지에서의 대표적인 콘트라스트비이다. 콘트라스트비가 4를 상회함으로써 실용상 바람직한 콘트라스트비가 얻어지고 있다고 판단할 수 있다. 한편, 프리틸트각의 설정값을 더욱 높게 설정한 바, 대략 48°보다 높은 설정값에서는 쌍안정성을 얻기 어려워지고, 프리틸트각을 50°로 한 경우에는 쌍안정성을 얻을 수 없었다. 이러한 것으로부터 적합한 프리틸트각의 상한값은 47°라고 할 수 있다.
이상과 같은 시뮬레이션 결과로부터, 프리틸트각을 35°~47°로 비교적 높게 설정하고, 또한 스프레이 트위스트 상태에서의 액정층(60)의 트위스트각을 0°~70°미만(보다 바람직하게는 0°~40°, 더욱 바람직하게는 20°~30°)으로 함으로써 정면방향으로부터의 콘트라스트비를 향상시키는 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다. 한편, 특성 면에서 이상적인 프리틸트각은 45°부근인데 액정소자를 재현성 좋게(즉, 높은 수율로) 제작한다는 관점에서는 35°~40°정도의 프리틸트각이 바람직하다.
한편, 상기와 같이 트위스트각이 0°인 경우에 대하여도 비교적 적합한 결과가 얻어진 이유에 대하여, 시뮬레이션 결과에 근거하여 액정층 내에서의 액정분자의 배향분포를 확인하였다. 도 8은 트위스트각 0°인 경우의 배향분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 각 기판의 배향처리 방향의 관계로부터 규정되는 외관상의 트위스트각으로는 0°여도, 액정층의 벌크 중에서는 액정분자의 배향에 트위스트를 발생시키고 있는 것을 알 수 있었다(d/p=0인 경우를 제외). 구체적으로는, 한쪽의 기판측에서는 트위스트각이 마이너스 값을 취하고, 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙에 있어서는 트위스트각이 0°가 되며, 다른 쪽의 기판측에서는 트위스트각이 플러스 값을 취하는 배향분포가 얻어지고 있다. 한편, 도 8에 나타내는 결과를 얻은 시뮬레이션 조건으로는, 상기한 조건 이외에, 탄성정수를 K11=11.4(pN), K22=5.7(pN), K33=16.2(pN)으로 하고, 전계 앵커링 에너지는 이른바 스트롱 앵커링 조건으로 하며, 프리틸트각은 45°로 하였는데, 이것은 일례이며, 다른 수치조건으로도 마찬가지의 경향이 얻어진다.
다음으로, 리버스 TN형 액정소자의 보다 상세한 실시형태에 대하여 설명한다.
(제1 실시형태)
도 9은 제1 실시형태의 리버스 TN형 액정소자의 구성예를 나타내는 단면도이다. 또한, 도 10은 도 9에 나타내는 리버스 TN형 액정소자의 평면도이다. 한편, 도 9는 도 10에 나타내는 a-a선에서의 단면을 나타내고 있다. 각 도면에 나타내는 본 실시형태의 리버스 TN형 액정소자는, 제1 기판(하측기판)(11), 제2 기판(상측기판)(12), 제1 전극(13), 공통선(14), 주사선(15), 절연막(16), 반도체막(17), 소스 전극(18), 드레인 전극(19), 제2 전극(20), 제1 배향막(21), 제2 배향막(22), 공통전극(23), 액정층(24), 신호선(25), 절연막(26), 제1 편광판(하측편광판)(31) 및 제2 편광판(상측편광판)(32)을 포함하여 구성되어 있다.
제1 기판(11) 및 제2 기판(12)은, 상호 대향배치되어 있고, 각각 예를 들어, 글라스 기판, 플라스틱 기판 등의 투명기판이다. 제1 기판(11)과 제2 기판(12)의 상호간에는, 예를 들어 다수의 스페이서(입상체)가 분산되어 배치되어 있으며(미도시), 그들의 스페이서에 의하여 제1 기판(11)과 제2 기판(12)의 상호간격이 유지된다.
제1 전극(13)은 제1 기판(11)의 일면측에 설치되어 있다. 이러한 제1 전극(13)은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 대략 직사각형 형상으로 형성되어 있고, 또한 일부가 드레인 전극(19)과 접속되어 있다. 이러한 제1 전극(13)은, 예를 들어 인듐주석 산화물(ITO) 등의 투명도전막을 패터닝함으로써 얻어진다.
공통선(14)은 제1 기판(11)의 일면측의 절연막(26) 상에 설치되어 있고, 일방향(도 10에 나타내는 Y방향)으로 연장된다. 이러한 공통선(14)은, 도 10에 나타내는 바와 같이 제2 전극(20)과 접속되어 있고, 이러한 공통선(14)을 통하여 제2 전극(20)에 대하여 소정의 전위가 얻어진다. 공통선(14)으로서는, 예를 들어 알루미늄과 몰리브덴의 적층막 등의 금속막이 이용된다. 한편, 공통선(14)은 절연막(16)의 일면측에 설치되고, 신호선(25)과 평행하며 주사선(15)과 대략 직교하는 일방향(도 10에 나타내는 X방향)으로 연장되어도 좋다. 이러한 경우, 신호선(25)과 공통선(14)은 교차하는 일이 없으므로, 공통선(14)은 신호선(25) 및 소스 전극(18)과 일체로 형성하여도 좋다. 이러한 배선으로는, 신호선(25)과 마찬가지로, 예를 들어 알루미늄과 몰리브덴의 적층막 등의 금속막이 이용된다. 또한, 이러한 경우, 후술하는 절연막(26)의 형성을 생략할 수 있다.
주사선(15)은 제1 기판(11)의 일면측에 설치되어 있고, 일방향(도 10에 나타내는 Y방향)으로 연장된다. 도 10에 나타내는 바와 같이 본 예의 주사선(15)은, 평면에서 볼 때 공통선(14)과의 사이에 제1 전극(13)을 사이에 끼우고 배치되어 있다. 주사선(15)으로서는, 예를 들어 알루미늄과 몰리브덴의 적층막 등의 금속막이 이용된다.
절연막(16)은 제1 기판(11)의 일면측에, 제1 전극(13) 및 주사선(15)을 덮으며 설치되어 있다. 이러한 절연막(16)으로는, 예를 들어 질화 실리콘막, 산화 실리콘막 또는 이들의 적층막이 사용된다.
반도체막(17)은 절연막(16) 상이며 주사선(15)과 중첩되는 소정 위치에 설치되어 있다. 이러한 반도체막(17)은, 도 10에 나타내는 바와 같이 섬 모양으로 패터닝되어 있다. 반도체막(17)으로서는, 예를 들어 아모퍼스 실리콘막이 사용된다. 주사선(15)의 반도체막(17)과 겹치는 부분은 박막 트랜지스터의 게이트 전극으로서 기능한다. 또한, 절연막(16)의 반도체막(17)과 겹치는 부분은 박막 트랜지스터의 게이트 절연막으로서 기능한다.
소스 전극(18)은, 절연막(16) 상의 소정 위치에 설치되어 있고, 일부가 반도체막(17)과 접속되어 있다. 본 예의 소스 전극(18)은, 도 10에 나타내는 바와 같이 신호선(25)과 일체로 형성되어 있다. 이러한 소스 전극(18) 및 신호선(25)으로서는, 예를 들어 알루미늄과 몰리브덴의 적층막 등의 금속막이 이용된다.
드레인 전극(19)은 절연막(16) 상의 소정 위치에 설치되어 있고, 또한 일부가 절연막(16)을 관통하여 제1 전극(13)과 접속되어 있다. 이러한 드레인 전극(19)으로서는, 예를 들어 알루미늄과 몰리브덴의 적층막 등의 금속막이 이용된다.
제2 전극(20)은 절연막(26) 상이며, 적어도 일부가 상기한 제1 전극(13)과 중첩되는 소정 위치에 설치되어 있다. 이러한 제2 전극(20)은, 도 10에 나타내는 바와 같이 복수의 개구부(슬릿)(20a)를 가진다. 이러한 제2 전극(20)은, 도 10에 나타내는 바와 같이 공통선(14)과 접속되어 있다. 본 예에서는, 제2 전극(30)은 공통선(14)과 일체로 형성되어 있고, 예를 들어 인듐주석 산화물(ITO) 등의 투명도전막을 패터닝함으로써 얻어진다. 제2 전극(20)의 크기는, 예를 들어 각 개구부(20a) 사이에 존재하는 직선부의 폭(도 10의 X방향에서의 길이)이 약 20㎛, 각 개구부(20a)의 폭(도 10의 X방향에서의 길이)을 약 20㎛로 할 수 있다. 이러한 제2 전극(20)과 상기 제1 전극(13) 사이에 전압을 인가함으로써, 액정층(24)에 가로전계를 부여할 수 있다.
제1 배향막(21)은 제1 기판(11)의 일면측이며 절연막(26) 상에 반도체막(17), 소스 전극(18), 드레인 전극(19) 및 제2 전극(20)을 덮으며 설치되어 있다. 마찬가지로, 제2 배향막(22)은 제2 기판(12)의 일면측에 공통전극(23)을 덮으며 설치되어 있다. 제1 배향막(21)과 제2 배향막(22)의 각각에 대하여는, 일축 배향처리(예를 들어, 러빙처리, 광배향처리 등)가 실시되어 있다. 본 실시형태의 제1 배향막(21) 및 제2 배향막(22)으로는, 비교적 높은 프리틸트각(20°이상, 보다 바람직하게는 35°±10°정도)을 발현시키는 것이 이용된다. 제1 배향막(21)의 배향처리방향과 제2 배향막(22)의 배향처리방향은, 액정층(24)의 배향상태가 리버스 트위스트 상태일 때의 층두께 방향의 대략 중앙에서의 액정분자의 배향방향(D)이 제1 전극(13)과 제2 전극(20)에 의하여 발생하는 전계방향(E)과 대략 직교하도록 설정되어 있다(도 10을 참조).
공통전극(23)은 제2 기판(12)의 일면측에 설치되어 있다. 이러한 공통전극(23)은 적어도 일부가 제1 전극(13) 및 제2 전극(20)과 중첩되도록 형성되어 있다. 이러한 공통전극(23)은, 예를 들어 인듐주석 산화물(ITO) 등의 투명도전막을 패터닝함으로써 얻어진다. 이러한 공통전극(23)과 상기 제1 전극(13)(또는 제2 전극(20)) 사이에 전압을 인가함으로써, 액정층(24)에 대하여 세로전계를 부여할 수 있다.
액정층(24)은 제1 기판(11)의 일면과 제2 기판(12)의 일면의 상호간에 설치되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 유전율 이방성(Δω)이 플러스(Δω>0)인 네마틱 액정재료를 이용하여 액정층(24)이 구성되어 있다. 액정층(24)에 도시된 굵은 선은, 액정층(24) 내의 액정분자를 모식적으로 나타낸 것이다. 전압 무인가시의 액정분자는, 제1 기판(11) 및 제2 기판(12)의 각 기판면에 대하여 소정의 프리틸트각을 가지고 배향한다. 또한, 제1 배향막(21)과 제2 배향막(22)의 각각의 배향처리방향(RU, RL)(도 10을 참조)이 이루는 각도가, 예를 들어 0°~40°전후로 설정됨으로써, 전압 무인가시의 액정층(24)의 액정분자는 제1 기판(11)과 제2 기판(12) 사이에서 방위각 방향으로 트위스트 배향한다.
신호선(25)은 절연막(16)의 일면측에 설치되어 있고, 공통선(14) 및 주사선(15)과 대략 직교하는 일방향(도 10에 나타내는 X방향)으로 연장된다. 도 10에 나타내는 바와 같이 본 예의 신호선(25)은, 소스 전극(18)과 일체로 형성되어 있다. 신호선(25)으로서는, 예를 들어 알루미늄과 몰리브덴의 적층막 등의 금속막이 사용된다. 한편, 신호선(25)은 절연막(16)의 일면측에 설치되고, 공통선(14) 및 주사선(15)과 대략 직교하는 일방향(도 10에 나타내는 X방향)으로 연장되는 경우에 대하여 서술하였는데, 신호선(25)은 절연막(16)의 일면측에 설치되고, 공통선(14)과 평행하고 주사선(15)과 대략 직교하는 일방향(도 10에 나타내는 X방향)으로 연장되어도 좋다. 이러한 경우, 신호선(25)과 공통선(14)은 교차하는 일이 없으므로, 공통선(14)은 신호선(25) 및 소스 전극(18)과 일체로 형성하여도 좋다. 이들 배선으로는, 공통선(14)과 마찬가지로, 예를 들어 알루미늄과 몰리브덴의 적층막 등의 금속막이 사용된다. 또한, 이러한 경우, 후술하는 절연막(26)의 형성을 생략할 수 있다.
절연막(26)은 제1 기판(11)의 일면측의 절연막(16) 상에 반도체막(17), 소스 전극(18) 및 드레인 전극(19)을 덮으며 설치되어 있다. 이러한 절연막(26)으로는, 예를 들어 질화 실리콘막, 산화 실리콘막 또는 이들의 적층막이 이용된다.
제1 편광판(31)은 제1 기판(11)의 외측에 배치되어 있다. 제2 편광판(32)은 제2 기판(12)의 외측에 배치되어 있다. 본 실시형태에서는 이러한 제2 편광판(32)측에서 이용자에 의하여 시인된다. 이러한 제1 편광판(31)과 제2 편광판(32)은, 예를 들어 서로의 투과축을 대략 직교시켜서 배치된다(크로스니콜 배치).
다음으로, 제1 실시형태에 따른 리버스 TN형 액정소자의 제조방법의 일례에 대하여 도 11, 도 12를 참조하면서 설명한다.
우선, 제1 기판(11) 및 제2 기판(12)으로서 사용하기 위한 글라스 기판을 준비한다. 예를 들어, 판두께가 0.7mm인 무알칼리 글라스로 이루어지는 글라스 기판이 사용된다. 그리고, 제1 기판(11)의 일면 상에 소정의 금속막으로 이루어지는 주사선(15)을 형성한다(도 11의 (a)). 구체적으로는, 예를 들어 스퍼터법 등의 성막법에 의하여, 제1 기판(11)의 일면 전체에 걸쳐서 알루미늄막을 형성하고, 더욱이 그 위에 몰리브덴막을 형성한다. 그 후, 알루미늄막 및 몰리브덴막의 적층막을 드라이 에칭법 등에 의하여 패터닝한다.
다음으로, 제1 기판(11)의 일면측의 소정 위치에 ITO막 등으로 이루어지는 제1 전극(13)을 형성한다(도 11의 (b)). 구체적으로는, 예를 들어 스퍼터법 등의 성막법에 의하여, 제1 기판(11)의 일면 전체에 걸쳐서 인듐주석 산화물막(ITO막)을 형성한다. 그 후, 이 ITO막을 웨트 에칭법 등에 의하여 패터닝한다.
다음으로, 제1 기판(11)의 일면측에, 제1 전극(13) 및 주사선(15)을 덮도록 하여 절연막(16)을 형성한다(도 11의 (c)). 구체적으로는, 예를 들어 스퍼터법이나 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)법 등의 성막법에 의하여 질화 실리콘막을 형성한다.
다음으로, 제1 기판(11)의 절연막(16) 상의 소정 위치에 반도체막(17)을 형성한다(도 11의 (d)). 구체적으로는, 예를 들어 플라즈마 CVD법 등의 성막법에 의하여 아모퍼스 실리콘막을 제1 기판(11)의 일면 전체에 걸쳐서 형성한다. 그 후, 이 아모퍼스 실리콘막을 드라이 에칭법 등에 의하여 섬 모양으로 패터닝한다.
다음으로, 제1 기판(11)의 절연막(16) 상의 소정 위치에 소스 전극(18), 드레인 전극(19) 및 신호선(25)을 형성한다(도 11의 (e)). 구체적으로는, 예를 들어 스퍼터법 등의 성막법에 의하여, 제1 기판(11)의 일면 전체에 걸쳐서 몰리브덴막/알루미늄막/몰리브덴막의 적층막을 형성한다. 그 후, 이러한 적층막을 드라이 에칭법 등에 의하여 패터닝한다. 드레인 전극(19)에 대하여는, 미리 절연막(16)의 소정 위치에 제1 전극(13)의 일부를 노출시키는 개구부를 설치해 두고, 그 후에 스퍼터법 등에 의하여 금속막을 성막하며, 패터닝함으로써 형성 가능하다.
다음으로, 제1 기판(11)의 절연막(16) 상에, 반도체막(17), 소스 전극(18), 드레인 전극(19) 및 신호선(25)을 덮는 절연막(26)을 형성한다(도 11의 (f)). 구체적으로는, 예를 들어 스퍼터법이나 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)법 등의 성막법에 의하여 질화 실리콘막을 형성한다.
다음으로, 제1 기판(11)의 절연막(26) 상의 소정 위치에, 공통선(14) 및 제2 전극(20)을 형성한다(도 11의 (g)). 구체적으로는, 예를 들어 스퍼터법 등의 성막법에 의하여, 제1 기판(11)의 일면 전체에 걸쳐서 ITO막을 형성한다. 그 후, 이 ITO막을 웨트 에칭법 등에 의하여 패터닝한다. 한편, 절연막(26) 상에 패시베이션막을 더 설치하여도 좋다(미도시).
한편, 제2 기판(12)의 일면 상에는 공통전극(23)을 형성한다(도 12의 (a)). 구체적으로는, 예를 들어 스퍼터법 등의 성막법에 의하여, 제2 기판(12)의 일면 전체에 걸쳐서 ITO막을 형성한다. 한편, 실제 제조공정에 있어서는, 기판 전면에 공통전극(23)이 존재한 경우에는, 메인 씰부에 의한 쇼트, 스크라이브로부터 브레이킹시의 막 박리 등을 발생할 가능성이 있으므로, 스퍼터링시에 메탈 마스크 등으로 외주를 차폐(규제)하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제1 기판(11)의 절연막(16) 상의 전체에 걸쳐서 제1 배향막(21)을 형성하고(도 12의 (b)), 제2 기판(12)의 공통전극(23) 상의 전체에 걸쳐서 제2 배향막(22)을 형성한다(도 12의 (c)). 여기에서는, 예를 들어 일반적으로는 수직배향막으로서 사용되는 재료의 측쇄밀도를 낮게 한 폴리이미드막을 이용하여 각 배향막을 형성한다. 플렉소 인쇄법, 잉크젯법, 스핀코트법, 슬릿코트법, 슬릿법과 스핀코트법의 조합 등의 적절한 방법으로 배향막 재료를 제1 기판(11) 상, 제2 기판(12) 상에 각각 적당한 막두께(예를 들어, 500~800Å 정도)로 도포하고, 열처리(예를 들어, 160~250℃, 1시간 소성)를 행한다. 그 후, 제1 배향막(21), 제2 배향막(22)의 각각에 대하여 배향처리를 행한다. 여기에서는, 예를 들어 러빙 처리를 행하고, 그 조건인 러빙양을 0.8mm로 한다(스트롱 러빙 조건). 여기에서는, 제1 기판(11)과 제2 기판(12)을 서로 겹치게 할 때에 각 기판 상의 액정분자의 트위스트각이 소정 각도가 되도록 러빙 방향을 설정한다.
다음으로, 한쪽 기판(예를 들어, 제1 기판(11)) 상에 갭 컨트롤제를 적당량(예를 들어, 2~5wt%) 포함한 메인 씰제를 형성한다. 메인 씰제의 형성은, 예를 들어 스크린 인쇄나 디스펜서에 의한다. 또한, 갭 컨트롤제의 직경은 액정층(24)의 두께가 4㎛ 정도가 되도록 하였다. 또한, 다른 쪽 기판(예를 들어, 제2 기판(12)) 상에는 갭 컨트롤제를 산포한다. 예를 들어, 본 실시형태에서는, 입자직경 4㎛의 플라스틱볼을 건식의 갭 산포기에 의하여 산포한다. 그 후, 제1 기판(11)과 제2 기판(12)을 서로 겹치게 하고, 프레스기 등으로 압력을 일정하게 가한 상태로 열처리함으로써, 메인 씰제를 경화시킨다. 여기에서는, 예를 들어 150℃에서 3시간의 열처리를 행한다(도 12의 (d)).
다음으로, 제1 기판(11)과 제2 기판(12)의 간극에 액정재료를 충전함으로써 액정층(24)을 형성한다(도 12의 (e)). 액정재료의 충전은, 예를 들어 진공주입법에 의하여 행한다. 본 실시형태에서는, 유전율 이방성(Δω)이 플러스이고, 또한 키랄재를 첨가한 액정재료를 사용한다. 키랄재의 첨가량은, d/p가 0.04 이상 0.6 이하가 되도록 설정하는 것이 바람직하고, 예를 들어 d/p가 0.16이 되도록 설정한다. 이러한 액정재료의 주입 후에, 그 주입구에 엔드 씰제를 도포하여 밀봉한다. 그리고, 액정재료의 상전이 온도 이상의 온도로 적절하게 열처리(예를 들어, 120℃에서 1시간)를 행함으로써, 액정층(24)의 액정분자의 배향상태를 정리한다.
다음으로, 제1 기판(11)의 외측에 제1 편광판(31)을 접합하고, 제2 기판(12)의 외측에 제2 편광판(32)을 접합한다. 이러한 제1 편광판(31)과 제2 편광판(32)은, 서로의 투과축을 대략 직교배치(크로스니콜 배치)로 한다. 이상과 같이 하여 제1 실시형태의 리버스 TN형 액정소자가 완성된다(도 9를 참조).
이상과 같은 공정을 거쳐 완성된 리버스 TN형 액정소자에 대하여, 각 전극을 이용하여 액정층에 전압을 인가하고, 스프레이 트위스트 상태와 리버스 트위스트 상태를 상호 천이시킬 때의 모습을 확인한 것은 다음과 같다.
본 실시형태의 리버스 TN형 액정소자는, 초기상태에 있어서 액정층(24)의 액정분자가 스프레이 트위스트 상태로 배향한다. 이러한 스프레이 트위스트 상태에 있어서는, 외관 상, 비교적 밝은 상태의 백색 표시(밝은 표시)가 얻어진다. 이에 대하여, 상기한 바와 같이 제1 전극(13)과 공통전극(23)을 이용하여 세로전계를 발생시킨다. 예를 들어, 10V, 100Hz의 교류전압(직사각형파)을 약 0.01~0.5초간 인가하고, 그 후에 바로 전압의 인가를 멈춘다. 이에 따라, 액정층(24)의 배향상태가 리버스 트위스트 상태로 천이한다. 이러한 리버스 트위스트 상태에 있어서는, 외관 상, 비교적 어두운 상태의 검은색 표시(어두운 표시)가 얻어진다. 예를 들어, 이러한 리버스 TN형 액정소자를 매트릭스 형상으로 배열하여 액정표시장치를 구성하였다고 하면, 이러한 스프레이 트위스트 상태에서 리버스 트위스트 상태로의 천이시에는 개별의 화소마다(각 소자마다) 제어할 수 있다. 이때, 제1 전극(13)은 전기적으로 자유로운 상태인 것이 요구된다.
다음으로, 주사선(15)에 소정의 전압을 인가함으로써 박막 트랜지스터를 도통 상태로 하고, 또한 신호선(25)에 소정의 전압을 인가함으로써 제2 전극(20)에 전압을 부가한다. 이에 따라, 제1 전극(13)과 제2 전극(20) 사이에 상대적인 전위차가 발생하므로 액정층(24)에는 가로전계가 인가되게 되어, 액정층(24)의 배향상태는 리버스 트위스트 상태에서 스프레이 트위스트 상태로 천이한다. 주사선(15)으로 인가하는 전압(게이트 전압)은, 예를 들어 10V의 펄스파, 신호선(25)에 인가하는 전압은, 예를 들어 ±10V를 프레임마다 반전시킨 전압으로 한다. 가로전계를 인가하는 시간은, 예를 들어 약 0.01~0.5초 정도이다.
상기한 스프레이 트위스트 상태, 리버스 트위스트 상태의 어느 것에 대하여도, 전압인가를 해제한 후에도 그 배향상태가 유지되므로, 표시를 바꾼 후에는 전혀 전압을 인가할 필요가 없어, 소비전력을 매우 낮게 억제할 수 있다. 예를 들어, 이러한 리버스 TN형 액정소자를 매트릭스 형상으로 배열하여 액정표시장치를 구성하였다고 하면, 본 실시형태에서는, 스프레이 트위스트 상태에서 리버스 트위스트 상태로의 천이, 및 리버스 트위스트 상태에서 스프레이 트위스트 상태로의 천이의 어느 것이나 각 화소마다 제어할 수 있다. 따라서, 후술하는 제2 실시형태와 비교하여 표시 전환 자유도는 보다 높아진다. 예를 들어, 현재 제안되어 있는 전기영동방식의 전자 페이퍼 디스플레이에서는 모두 일단 화면 전체를 백색 표시 또는 검은색 표시로 리셋할 필요가 있고, 이것을 행하지 않으면 원하는 위치에 모든 전기영동입자를 이동시킬 수 없게 되거나, 반복 표시 전환을 행하고 있으면 전기영동입자가 치우치거나 하는 경우가 있는데, 본 실시형태에 따르면 그러한 결함을 발생시키지 않는다.
한편, 스프레이 트위스트 상태의 액정층에 대하여 가로전계를 더욱 인가하면, 상기한 바와 같이 액정층에서는 트위스트 배향이 풀리도록 배향상태가 변하고, 또한 이러한 배향상태의 변화는 전계의 크기에 따라서 연속적으로 발생한다. 상세하게는, 액정층의 벌크에서는 전계방향을 따라서 거의 같은 모양으로 액정분자가 배향되는데, 기판과의 전계 부근에서는 배향막에 의한 배향 규제력을 받아 배향방향이 거의 변화하지 않는다. 그 결과, 스프레이 트위스트 상태의 트위스트 배향이 무너지고, 이러한 액정층을 투과하는 빛의 편광상태도 변화한다.
(제2 실시형태)
도 13은 제2 실시형태의 리버스 TN형 액정소자의 구성예를 나타내는 단면도이다. 또한, 도 14는 도 13에 나타내는 리버스 TN형 액정소자의 평면도이다. 한편, 도 13은 도 14에 나타내는 b-b선에서의 단면을 나타내고 있다. 각 도면에 나타내는 본 실시형태의 리버스 TN형 액정소자는, 제1 기판(하측기판)(11), 제2 기판(상측기판)(12), 제1 전극(13), 공통선(14a), 주사선(15), 절연막(16), 반도체막(17), 소스 전극(18), 드레인 전극(19a), 제2 전극(화소전극)(20), 제1 배향막(21), 제2 배향막(22), 공통전극(23), 액정층(24), 신호선(25), 제1 편광판(하측 편광판)(31) 및 제2 편광판(상측 편광판)(32)을 포함하여 구성되어 있다. 한편, 제1 실시형태와 공통되는 구성요소에 대하여는 동일한 부호를 사용하고 있고, 그들의 상세한 설명은 생략한다.
공통선(14a)은 제1 기판(11)의 일면측에 설치되어 있고, 일방향(도 14에 나타내는 Y방향)으로 연장된다. 이러한 공통선(14a)을 통하여 제1 전극(13)에 대하여 소정의 전위가 부여된다. 공통선(14a)으로서는, 예를 들어 알루미늄과 몰리브덴의 적층막 등의 금속막이 사용된다.
절연막(16)은 제1 기판(11)의 일면측에, 제1 전극(13), 공통선(14a) 및 주사선(15)을 덮으며 설치되어 있다. 이러한 절연막(16)으로서는, 예를 들어 질화 실리콘막, 산화 실리콘막 또는 이들의 적층막이 사용된다.
드레인 전극(19a)은 절연막(16) 상의 소정 위치에 설치되어 있고, 일부가 반도체막(17)과 접속되어 있다. 이러한 드레인 전극(19a)으로서는, 예를 들어 알루미늄과 몰리브덴의 적층막 등의 금속막이 이용된다.
제2 전극(20)은 절연막(16) 상이며, 적어도 일부가 상기한 제1 전극(13)과 중첩되는 소정 위치에 설치되어 있다. 이러한 제2 전극(20)은, 도 14에 나타내는 바와 같이 복수의 개구부(슬릿)(20a)를 가진다. 이러한 제2 전극(20)은, 예를 들어 인듐주석 산화물(ITO) 등의 투명도전막을 패터닝함으로써 얻어진다. 제2 전극(20)의 크기는, 예를 들어 각 개구부(20a) 사이에 존재하는 직선부의 폭(도 14의 X방향에서의 길이)이 약 20㎛, 각 개구부(20a)의 폭(도 14의 X방향에서의 길이)을 약 20㎛로 할 수 있다. 이러한 제2 전극(20)과 상기 제1 전극(13) 사이에 전압을 인가함으로써, 액정층(24)에 가로전계를 부여할 수 있다.
제1 배향막(21)은 제1 기판(11)의 일면측이며 절연막(16) 상에, 반도체막(17), 소스 전극(18), 드레인 전극(19a) 및 제2 전극(20)을 덮으며 설치되어 있다. 마찬가지로, 제2 배향막(22)은 제2 기판(12)의 일면측에 공통전극(23)을 덮으며 설치되어 있다.
다음으로, 제2 실시형태에 따른 리버스 TN형 액정소자의 제조방법의 일례에 대하여 도 15, 도 16을 참조하면서 설명한다.
우선, 제1 기판(11) 및 제2 기판(12)으로서 사용하기 위한 글라스 기판을 준비한다. 다음으로, 제1 기판(11)의 일면 상에 공통선(14a) 및 주사선(15)을 형성하고(도 15의 (a)), 더욱이 제1 기판(11)의 일면측의 소정 위치에 제1 전극(13)을 형성한다(도 15의 (b)).
다음으로, 제1 기판(11)의 일면측에, 제1 전극(13), 공통선(14a) 및 주사선(15)을 덮도록 하여 절연막(16)을 형성하고(도 15의 (c)), 더욱이 제1 기판(11)의 절연막(16) 상의 소정 위치에 반도체막(17)을 형성한다(도 15의 (d)).
다음으로, 제1 기판(11)의 절연막(16) 상의 소정 위치에 소스 전극(18), 드레인 전극(19a) 및 신호선(25)을 형성하고(도 15의 (e)), 더욱이 제1 기판(11)의 절연막(16) 상의 소정 위치에 제2 전극(20)을 형성한다(도 15의 (f)). 한편, 더욱이 절연막(16) 상에 패시베이션막을 설치하여도 좋다(미도시). 한편으로, 제2 기판(12)의 일면 상에 공통전극(23)을 형성한다(도 15의 (g)).
다음으로, 제1 기판(11)의 절연막(16) 상의 전체에 걸쳐서 제1 배향막(21)을 형성하고(도 16의 (a)), 제2 기판(12)의 공통전극(23) 상의 전체에 걸쳐서 제2 배향막(22)을 형성한다(도 16의 (b)).
다음으로, 한쪽 기판 상에 메인 씰제를 형성하고, 다른 쪽 기판 상에는 갭 컨트롤제를 산포한 후, 제1 기판(11)과 제2 기판(12)을 서로 겹치게 하여, 프레스기 등으로 압력을 일정하게 가한 상태로 열처리함으로써, 메인 씰제를 경화시킨다(도 16의 (c)). 다음으로, 제1 기판(11)과 제2 기판(12)의 간극에 액정재료를 충전함으로써 액정층(24)을 형성한다(도 16의 (d)).
다음으로, 제1 기판(11)의 외측에 제1 편광판(31)을 접합하고, 제2 기판(12)의 외측에 제2 편광판(32)을 접합한다. 이들 제1 편광판(31)과 제2 편광판(32)은, 서로의 투과축을 대략 직교배치(크로스니콜 배치)로 한다. 이상과 같이 하여서 제2 실시형태의 리버스 TN형 액정소자가 완성된다(도 13을 참조).
이상과 같은 공정을 거쳐 완성된 리버스 TN형 액정소자에 대하여, 각 전극을 이용하여 액정층에 전압을 인가하고, 스프레이 트위스트 상태와 리버스 트위스트 상태로 서로 천이시킬 때의 모습을 확인한 것은 다음과 같다.
본 실시형태의 리버스 TN형 액정소자는, 초기상태에 있어서 액정층(24)의 액정분자가 스프레이 트위스트 상태로 배향된다. 이러한 스프레이 트위스트 상태에 있어서는, 외관상 비교적 밝은 상태의 백색 표시(밝은 표시)가 얻어진다. 이에 대하여, 제1 전극(13)과 공통전극(23)의 각각에 전압을 부여함으로써 세로전계를 발생시킨다. 예를 들어, 10V, 100Hz의 교류전압(직사각형파)을 약 0.5~1초간 인가하고, 그 후에 바로 전압인가를 해제한다. 이에 따라, 액정층(24)의 배향상태가 리버스 트위스트 상태로 천이한다. 이러한 리버스 트위스트 상태에 있어서는, 외관상 비교적 어두운 상태의 검은색 표시(어두운 표시)가 얻어진다. 예를 들어, 이러한 리버스 TN형 액정소자를 매트릭스 형상으로 배열하여 액정표시장치를 구성하였다고 하면, 이러한 스프레이 트위스트 상태에서 리버스 트위스트 상태로의 천이 시에는 개별의 화소마다(각 화소마다) 제어하는 것이 어려우므로, 상태 천이는 전체 화소 동시에, 또는 공통선(14)을 공유하는 복수의 제1 전극(13)의 라인마다 제어된다.
다음으로, 주사선(15)에 소정의 전압을 인가함으로써 박막 트랜지스터를 도통 상태로 하고, 또한 전압 인가수단에서 신호선(25)에 소정의 전압을 인가함으로써 박막 트랜지스터를 통하여 제2 전극(20)에 전압을 부여한다. 이에 따라, 제1 전극(13)과 제2 전극(20) 사이에 상대적인 전위차가 발생하므로, 액정층(24)에는 가로전계가 인가되게 되어, 액정층(24)의 배향상태는 리버스 트위스트 상태에서 스프레이 트위스트 상태로 천이한다. 주사선(15)으로 인가하는 전압(게이트 전압)은, 예를 들어 10V의 펄스파, 신호선(25)에 인가하는 전압은, 예를 들어 ±10V를 프레임마다 반전시킨 전압으로 한다. 가로전계를 인가하는 시간은, 예를 들어 약 0.01에서 0.5초간 정도이다.
상기한 스프레이 트위스트 상태, 리버스 트위스트 상태 모두에 대하여도, 전압인가를 해제한 후에도 그 배향상태가 유지되므로, 표시를 바꾼 후에는 기본적으로 전압을 인가할 필요가 없어, 소비전력을 매우 낮게 억제할 수 있다. 예를 들어, 이러한 리버스 TN형 액정소자를 매트릭스 형상으로 배열하여 액정표시장치를 구성하였다고 하면, 다시 표시를 바꾸고 싶은 경우에는, 모든 화소 동시 또는 공통선(14)을 공유하는 복수의 제1 전극(13)의 라인마다 제어하여 세로전계를 인가하고, 이어서 박막 트랜지스터를 이용하여 제2 전극(20)으로의 전압 인가/비인가를 제어함으로써 각 화소마다 가로전계를 선택적으로 인가함으로써 원하는 화상표시를 행할 수 있다. 라인마다 표시를 바꾸는 방식은 소설 등의 문장을 읽는 경우에는 다 읽은 라인을 순서대로 바꾸어 가면 좋으므로 전환에 다소의 시간을 필요로 하더라도 독자의 스트레스를 경감시킬 수 있다.
한편, 스프레이 트위스트 상태의 액정층에 대하여 가로전계를 더욱 인가하면 상기한 바와 같이 액정층에서는 트위스트 배향이 풀어지도록 배향상태가 변화하고, 또한 이러한 배향상태의 변화는 전계의 크기에 따라서 연속적으로 발생한다. 상세하게는, 액정층의 벌크에서는 전계방향을 따라서 거의 동일하게 액정분자가 배향되는데, 기판과의 계면 부근에서는 배향막에 의한 배향규제력을 받아 배향방향이 거의 변화하지 않는다. 그 결과, 스프레이 트위스트 상태의 트위스트 배향이 무너져, 이 액정층을 통과하는 빛의 편광상태도 변화한다.
(제3 실시형태)
도 17의 (a)는 제3 실시형태의 리버스 TN형 액정소자의 구성예를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 17의 (a)에 나타내는 제3 실시형태의 리버스 TN형 액정소자는, 외부로부터의 빛을 이용하여 표시를 행하는 반사형의 액정소자이고, 액정패널(50)과, 이 액정패널(50)의 하면측에 배치되는 반사판(51)과, 액정패널(50)의 상면측에 배치되는 산란판(52), 이 산란판(52)에 겹쳐서 배치되는 λ/4파장판(53), 이 λ/4파장판(53)에 겹쳐서 배치되는 편광판(54)을 구비한다. 반사판(51)으로서는, 예를 들어 은필름을 이용할 수 있다. 또한, 산란판(52)으로서는, 예를 들어 헤이즈값이 43%~45%인 것을 복수장 겹친 것을 이용할 수 있다. 또한, λ/4파장판(53)으로서는, 예를 들어 위상차가 약 137nm인 것을 이용할 수 있다. 한편, 산란판(52)은 액정패널(50)의 하면측에 배치되어도 좋다. 이러한 경우에는 반사판(51)과 액정패널(50)의 상호간에 산란판(52)이 배치된다.
도 17의 (b)에 나타내는 바와 같이, 액정패널(50)에 있어서의 하측기판의 러빙방향(RL), 상측기판의 러빙방향(RU)이 이루는 각도(Ø)는, 예를 들어 30°로 설정된다. 액정층의 액정재료에는, 예를 들어 d/p=0.1이 되도록 키랄재가 첨가된다. 액정층의 액정재료의 Δn의 값은, 예를 들어 0.065~0.15 정도이다. λ/4파장판(53)의 위상차축(P')은 편광판(54)의 투과축과 대략 45°의 각도로 설정된다. 액정패널(50)의 내부구조에 대하여는, 상기한 제1 실시형태 또는 제2 실시형태의 액정소자와 동일하다(모두 편광판을 제외).
도 18은 제3 실시형태의 리버스 TN형 액정소자의 구성예를 나타내는 단면도이다. 여기에서는, 일례로서, 액정패널(50)로서 제1 실시형태의 액정소자를 채용한 경우에 대하여 도시하는데, 제2 실시형태의 액정소자를 채용한 경우에도 마찬가지이다. 이러한 액정패널(50)에서의 제1 전극(13b)은 금속막으로 이루어지고, 더욱이 표면에 요철이 형성되어 있다. 이에 따라, 제1 전극(13b)은 반사판(51) 및 산란판(52)의 기능도 겸할 수 있다. 제3 실시형태의 리버스 TN형 액정소자의 제조방법에 대하여는 상기한 제1 실시형태 또는 제2 실시형태와 마찬가지이고, 예를 들어 제1 전극(13b)의 형성공정을 주사선(15)의 형성공정과 공통화하면, 그 이외에는 공통의 공정을 채용할 수 있다. 한편, 제1 전극(13b)이 반사판(51)의 기능만을 겸하고, 산란판(52)에 대하여는 상기와 같이 외부장착으로 하여도 좋다.
(제4 실시형태)
다음으로, 상기한 제1 내지 제3 실시형태의 어느 것의 액정소자가 가지는 메모리성을 이용한 저소비전력 구동이 가능한 액정표시장치의 구성예에 대하여 설명한다.
도 19는 제4 실시형태의 액정표시장치의 구성예를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 19에 나타내는 액정표시장치는, 복수의 화소부(100)를 매트릭스 형상으로 배열하여 구성되는 액티브 매트릭스형의 액정표시장치이고, 각 화소부(100)로서 상기한 어느 실시형태의 액정소자가 이용되고 있다. 구체적으로는, 액정표시장치는, 제1 방향으로 연장되는 복수의 주사선(101)과, 각 주사선(101)에 대하여 전압을 공급하는 드라이버(104)와, 각각이 주사선(101)과 직교하여 제2 방향으로 연장되는 복수의 신호선(102) 및 공통선(103)과, 각 신호선(102)에 대하여 전압을 공급하는 드라이버(105)와, 각 공통선(103)에 대하여 전압을 공급하는 드라이버(106)와, 각 주사선(101)과 각 신호선(102)의 교점에 설치된 화소부(100)를 포함하여 구성되어 있다. 각 화소부(100)는 제1 전극 또는 제2 전극의 한쪽이 공통선(103)에 접속되고, 다른 쪽이 박막 트랜지스터에 접속된다. 또한, 공통전극에 대하여는 각 화소부(100)에 공통으로 설치된다.
이상과 같은 각 실시형태에 따르면, 2개의 배향상태 사이의 천이를 발생시키는 데에 적합한 스위칭 소자 및 전극의 구조를 가지는 신규 액정소자가 얻어진다. 또한, 액정소자의 2개의 배향상태의 쌍안정성(메모리성)을 이용함으로써 표시 전환시 이외에는 기본적으로 전력을 필요로 하지 않는 저소지 전력의 액정표시장치가 얻어진다. 더욱이, 중간조 표시나 동영상 표시에도 대응 가능한 액정표시장치가 얻어진다. 또한, 콘트라스트비도 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 내용으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
예를 들어, 상기한 실시형태에서는 제1 편광판과 제2 편광판의 각 투과축이 이루는 각도를 90°정도로 한 노멀리 화이트(normally white) 상태의 액정소자에 대하여 예시하고 있었는데, 노멀리 블랙 상태의 액정소자로 하여도 상관없다. 그리고, 배향처리방법에 대하여는 러빙법으로 한정되지 않는다.
또한, 스위칭 소자의 일례로서의 박막 트랜지스터의 구조는 예시의 보텀 게이트형으로 한정되지 않으며, 탑 게이트형이어도 좋다.
그리고, 제2 전극은 상기와 같은 복수의 슬릿을 가지는 것으로 한정되지 않으며, 예를 들어 복수의 전극가지(직선부)를 가지는 빗살 형상 전극이어도 좋다. 더욱이, 제1 전극에 대하여도 빗살 형상 전극으로 하고, 제2 전극의 각 전극가지와 제1 전극의 각 전극가지를 서로 다르게 배치하여도 좋다. 이러한 경우에는, 제1 전극과 제2 전극을 동일면 상에 배치하여 가로전계를 발생시키는 것이 가능해진다(IPS모드).
1: 상측기판
2: 하측기판
3: 액정층
11: 제1 기판(하측기판)
12: 제2 기판(상측기판)
13, 13b: 제1 전극
14, 14b: 공통선
15: 주사선
16: 절연막
17: 반도체막
18: 소스 전극
19, 19a: 드레인 전극
20: 제2 전극
21: 제1 배향막
22: 제2 배향막
23: 공통전극
24: 액정층
25: 신호선
26: 절연막
31: 제1 편광판(하측편광판)
32: 제2 편광판(상측편광판)
50: 액정패널
51: 반사판
52: 산란판
53: λ/4파장판
54: 편광판
100: 화소부
101: 주사선
102: 신호선
103: 공통선
104, 105, 106: 드라이버

Claims (13)

  1. 각각의 일면에 배향처리가 실시되어 있고, 대향배치된 제1 기판 및 제2 기판과,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 설치된 액정층과,
    상기 액정층에 전계를 부여하는 전계인가수단을 포함하고,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은, 상기 배향처리에 의한 배향규제력에 의하여 상기 액정층의 액정분자에 트위스트를 포함한 제1 배향상태를 발생시킬 수 있도록, 각각으로의 배향처리방향이 이루는 각도를 0°이상 70°미만으로 하여 배치되며,
    상기 액정층은, 상기 액정층의 상기 액정분자에 상기 제1 배향상태와는 다른 트위스트를 포함한 제2 배향상태를 발생시킬 수 있는 키랄재를 포함하고,
    상기 액정층은, 상기 전계인가수단에 의하여 그 액정층의 층두께 방향의 전계가 부여됨으로써 상기 제2 배향상태에서 상기 제1 배향상태로 천이하며, 또한 상기 전계인가수단에 의하여 상기 층두께 방향에 직교방향의 전계가 부여됨으로써 상기 제1 배향상태에서 상기 제2 배향상태로 천이하고, 더욱이 상기 제2 배향상태에 있어서 상기 전계인가수단에 의하여 상기 직교방향의 전계를 부여받음으로써 그 전계의 크기에 따른 배향변화를 발생시켜 그 전계를 해제하면 상기 제2 배향상태가 복원되는 액정소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전계인가수단은,
    상기 제1 기판의 일면측에 설치된 제1 전극과,
    상기 제1 전극과 이간하여 상기 제1 기판의 일면측에 설치된 제2 전극과,
    적어도 일부가 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 중첩되도록 하여 상기 제2 기판의 일면측에 설치된 공통전극을 가지는 액정소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 기판의 일면측에 설치되고, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 접속된 스위칭 소자를 더 포함하는 액정소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판은, 각각 상기 액정층과의 계면에 있어서 그 액정층의 액정분자에 35°이상 47°이하의 프리틸트각을 부여하는 액정소자.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판은, 각각 상기 액정층과의 계면에 있어서 그 액정층의 액정분자에 35°이상 47°이하의 프리틸트각을 부여하는 액정소자.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판은, 각각 상기 액정층과의 계면에 있어서 그 액정층의 액정분자에 35°이상 47°이하의 프리틸트각을 부여하는 액정소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 적어도 한쪽은, 서로 이간하여 평행배치된 복수의 직선부를 가지는 액정소자.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 적어도 한쪽은, 서로 이간하여 평행배치된 복수의 직선부를 가지는 액정소자.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 적어도 한쪽은, 서로 이간하여 평행배치된 복수의 직선부를 가지는 액정소자.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 배향상태에서의 상기 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙에서의 액정분자의 배향방향이 상기 복수의 직선부의 각각의 연장방향에 대하여 0°이상 45°의 각도를 가지는 액정소자.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 배향상태에서의 상기 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙에서의 액정분자의 배향방향이 상기 복수의 직선부의 각각의 연장방향에 대하여 0°이상 45°의 각도를 가지는 액정소자.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 배향상태에서의 상기 액정층의 층두께 방향의 대략 중앙에서의 액정분자의 배향방향이 상기 복수의 직선부의 각각의 연장방향에 대하여 0°이상 45°의 각도를 가지는 액정소자.
  13. 복수의 화소부를 구비하고, 그 복수의 화소부의 각각이 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 액정소자를 이용하여 구성된 액정표시장치.
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