JP3471851B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
て、使用する液晶材料が高速応答性に優れた強誘電性も
しくは反強誘電性を示す液晶材料である液晶表示装置に
関する。
を印加し、材料の光学的異方性を変化させることで電気
信号を光信号に変換し表示を行う。
す。液晶表示装置は基板101、102上に形成された
液晶材料を駆動させるための電極103、104を有
し、電極面を内側に向けるようにして該基板が対向する
ように配置されており、該基板間に液晶材料105が挟
持されている。液晶表示装置は液晶材料の複屈折性を利
用するものが広く知られている。該液晶表示装置は液晶
材料の複屈折性を有効に利用するために、基板面の液晶
材料と接する側になんらかの配向処理106を施し、液
晶材料の光軸を任意の方向に配向させている。
は反強誘電性を示す液晶材料を使用したものは、TN
型、STN型液晶表示装置に比べ約1000倍の応答速
度を示す優れた特性を有している。
料を使用した液晶表示装置は上述のように液晶材料を挟
持する2枚の基板の液晶材料が接する側の面に配向処理
を施し、該液晶材料を使用する場合は液晶材料に一軸の
配向性を有せしめる。配向処理方法として、液晶材料を
挟持する2枚の基板にSiO2 を斜方蒸着する方法、2
枚の基板の電極が形成されている面上に誘電体の薄膜を
形成して配向膜とし、該膜の表面を擦るラビング法、液
晶材料に対して外部から電界あるいは磁界を印加する方
法があるが、工業的にはラビング法が優れている。
2枚の基板上の、少なくとも一方の液晶材料が接する側
に配向膜を100〜1000Åの膜厚で成膜し、該膜の
表面を綿、ナイロンの布などで擦るラビング処理をす
る。配向膜としては、ポリビニールアルコール、ナイロ
ン、ポリイミド等といった有機化合物や、酸化珪素とい
った無機化合物が用いられる。
せると、液晶を挟持する基板に対し液晶分子が平行にな
るのではなく、ある一定の傾斜角を有して斜めに配向す
るようになる。一般的には、この角度をプレチルト角と
称している。そして従来はこのプレチルト角が5°以上
であることが、様々な点から良好とされていた。
くは反強誘電性を示す液晶材料を使用した液晶表示装置
の場合、以下に示す問題が生じることが多かった。
料を配向させ、液晶表示装置を作製したものについて矩
形波により動作させたとき、暗状態を表示しているとき
に画素の中に光漏れする部分が生じることがある。この
ような光漏れは液晶表示装置のコントラストを低下させ
るものである。
り直交ニコル下で液晶材料の配向状態を観察すると大部
分は一軸に配向しているが、一部分筋状あるいはジグザ
グに欠陥が生じている。
グさせると、明状態または暗状態に変化してから一定の
透過光量を示すのに時間を要するようになる。またどち
らかの状態のままにしておくと透過光量が変化する場合
もあり、たとえば暗状態時には徐々に画素の透過光量が
増大してくる現象も見られる。
安定なため、パルスの波形で駆動する単純マトリクス駆
動や、アクティブマトリクス駆動には不適当である。
特性を示す。図には強誘電性を示す液晶材料を使用した
場合を示した。該電流電圧特性は液晶表示装置と直列に
100kΩの抵抗を接続し、これらの素子に対し5H
z、±30Vの三角波を印加したときの抵抗の電圧降下
をオシロスコープにより測定したものである。図中の電
流値は、オシロスコープで読み取った電圧を前記抵抗値
で割った値である。図に示すように電流成分として、3
通りに分けられる。すなわち、液晶表示装置の電極間の
コンデンサーとしての成分201、液晶材料の有する自
発分極が電界方向の変化にともない反転するときに流れ
る電流成分202、その他の電流成分203である。こ
の3番目の電流成分を以下の記述では2ndピーク電流
と表す。
過率が保持されず光学特性が不安定となっていた。した
がって2ndピーク電流の減少が求められていた。
である。即ち本発明は安定した光学特性を有する液晶表
示装置を得ることを目的とする。
に本発明は、表面に電極を有する第1及び第2の基板か
らなる一対の基板間に、強誘電性もしくは反強誘電性を
示す液晶材料を挟持し、前記第1及び/又は第2の基板
表面の電極と液晶材料との間には、前記液晶材料に一軸
配向性を有せしめる処理が表面に施されたポリイミド系
の樹脂よりなる配向膜を有し、該配向膜はネマチック液
晶に対して1. 6〜3. 1°の範囲のプレチルト角を有
せしめるものであることを特徴とする液晶表示装置であ
る。
び第2の基板からなる一対の基板間に、強誘電性もしく
は反強誘電性を示す液晶材料を挟持し、前記第1及び/
又は第2の基板表面の電極と液晶材料との間には、前記
液晶材料に一軸配向性を有せしめる処理が表面に施され
たポリイミド系の樹脂よりなる配向膜を有し、該配向膜
表面の表面張力の極性項の値が11〜15dyne/cm の範
囲であることを特徴とする液晶表示装置である。
のうち少なくとも一方が透光性を有した基板であること
を特徴とするものである。
号電極と走査電極の各交点に駆動用スイッチング素子を
有し、第2の基板には対向電極を有することを特徴と
し、これにおいて駆動用スイッチング素子は薄膜トラン
ジスタであることを特徴とするものである。
る特徴的な特性を研究の結果から確認した。
イミド系の樹脂よりなる配向膜の成膜条件を変化させて
液晶セルを作製し、液晶セルの電流−印加電圧特性及び
プレチルト角を測定し、プレチルト角と2ndピーク電
流の関係を調べた。
であるクリスタルローテーション法により行った。本方
法は強誘電性液晶材料の様な光学的に2軸性のものは測
定が困難なため、プレチルト角の測定は、本明細書では
光学的に1軸性のネマチック液晶を用いて、配向膜と接
するネマチック液晶材料のプレチルト角を測定した値を
用いることとする。
成温度250℃)。2ndピーク電流の小さいものは初
期透過率が保持される傾向にある。図3の結果からプレ
チルト角の小さいものの方が2ndピーク電流が小さく
なる。すなわち初期透過率が保持されやすい。
ものは特に、プレチルト角を1. 6〜3. 1°の範囲に
した時に顕著であった。またこのときの配向膜表面の表
面張力の極性項の値は11〜15dyne/cmの範囲
であった。本発明はこの結果を利用することにより、光
学的特性の安定した高コントラスト表示の液晶表示装置
としたものである。
の成膜条件および一軸配向処理すなわちラビングの条件
を適宜定めることにより成就する。
条件として、焼成温度200℃以上、膜厚100〜20
0Åが適当であった。
化していなければ、ラビングのため膜がかなり削れてし
まい、液晶材料の配向乱れを生じてしまったので、焼成
温度は200℃以上が好ましい。
グするとプレチルト角が大きくなり配向性が悪くなる。
一般にラビング密度が高いと強くラビングされる。ラビ
ング密度とプレチルト角の関係としては図4のようにな
る(膜厚200Å、焼成温度250℃)。但し、ここで
いうラビング密度とは数1から求めた値である。
回数、rはラビングロールの半径[mm]、nはラビングロ
ールの回転数[rpm] 、vは基板を乗せるステージの速度
[mm/sec]である。
ト角は小さい方が望ましいので、強くラビングする方が
望ましい。しかし、強すぎると今度は配向膜が剥離する
等の問題があるため、ラビング密度として100〜50
0の範囲にあることが望ましい。プレチルト角は、1.
6°より小さくすると、ラビングにより配向膜が剥がれ
やすくなり、また3.1°より大きくすると配向欠陥が
多くなり、2ndピークも大きくなる。
レチルト角は1. 6〜3. 1°の範囲となる。
の値は11〜15dyne/cmの範囲となる。
一軸配向させた液晶表示装置について、外部から電界を
印加して液晶材料を駆動させる場合、電場の反転により
自発分極が反転し液晶分子の長軸の向きが変わることで
スイッチングする。電場の反転後、自発分極は基板に垂
直な方向に対してどちらか一方に平行になるように揃
う。結果として液晶材料の表面に分極が発生するため残
留電圧が生じ、液晶材料内部に逆向きの電界が生じる。
この逆向きの電界のため自発分極を反転させるようなト
ルクが働き、図5に示すように自発分極502の向きを
変え基板の垂直方向で捻れた配向となる。このような捻
れ配向はスイッチングの際には一旦垂直に配向した自発
分極がさらに配向状態を変えた結果なので2段応答とな
り、このため電流−印加電圧特性を測定するとピークが
2つ出てくる。
捻れ配向が無くなった。このためスイッチング過程が1
段階で済むので2ndピーク電流が低減した。
膜し、さらに適切なラビング密度でラビングすることに
より、プレチルト角、配向膜の表面張力が上記範囲とな
ることで、配向状態が良好となり、しかも余分な電流成
分、ここでは2ndピーク電流を除くことができた。こ
のため光学応答性が改善され、高コントラストで安定な
表示を行うことが可能となる。以下に本発明の実施例を
示す。
るため1画素の液晶セルにより諸特性の評価を行った。
特性の評価用セルを作製した。図6にこの液晶セルの構
成を示す。液晶セルは2枚の基板601から成り、該2
枚の基板上には液晶材料を駆動するための電極602を
有し、該基板間には液晶材料603が挟持されている。
ここで、2枚の基板は厚さ1. 1mmの青板ガラスを使
用した。青板ガラス上には透明電極ITOが成膜されて
いる。画素部分の大きさは、5mm□である。
向膜604を成膜した。本実施例で使用した配向膜はポ
リイミド系の樹脂RN−305(日産化学(株)製)で
ある。該配向膜は原液(固形分6%)を、n−メチル−
2−ピロリドンを使用して希釈した。希釈濃度は2通
り、即ち16、32倍である。希釈した配向膜はスピン
コート法により2枚の基板上に塗布した。塗布した基板
は高温で2. 5時間加熱して溶媒を乾燥させ塗膜を焼成
し硬化させた。焼成温度を150、200、250、3
00℃とし4種類の膜を成膜した。
ングする。ラビングはレーヨン等の布が巻いてある半径
65mmのローラーで450rpmの回転数で一方向に
擦った。この時基板を乗せているステージの進行速度は
20mm/secであった。ラビングの回数は1回とし
た。従って、この時のラビング密度は数1から154と
なる。
め、前記基板上に、直径2. 5μmの無機製のシリカビ
ーズをスペーサーとして散布し、2液性のエポキシ系接
着剤により2枚の基板を固定した。これら2枚の基板間
に液晶材料603を注入した。
(株)製の強誘電性液晶、CS−1014である。この
液晶はその相系列がIso-N * -SmA-SmC* -Cryを取るもの
であり、その転移温度はIso−N* は81℃、N* −
SmAは69℃、SmA−SmC* は54℃、SmC*
−Cryは−21℃であった。液晶の自発分極は5nC
/cm2 であった。液晶材料のしきい値は1Hz以下の
矩形波を印加して電気光学特性を測定した結果、1Vで
あった。
光顕微鏡で直交ニコル下で観察したところ、配向膜の成
膜条件として焼成温度が200℃以上のセルでは筋状あ
るいはジグザグ状の欠陥はほとんど見られなかった。一
方焼成温度150℃のセルについては配向の乱れがめだ
った。
た状態でステージを回転させたところ、前記の配向状態
の良好なセルでは、ある回転角で消光位、即ち片方の偏
光板に入射した光が、他方の偏光板を透過せずあたかも
光が遮断された状態が得られた。このことは、液晶分子
が電界を印加しないでもすべて一方向に配向し、かつ図
6に示すように液晶材料603の有する自発分極605
が該液晶表示装置の基板に対して、垂直方向に配列して
いることを示す。
示す。上記と同様に±30V、5Hzの三角波を印加し
て測定した。図によれば、前記配向条件の良好な液晶セ
ルにおいては、電流成分が該液晶セルのコンデンサーと
しての容量成分201、液晶材料の有する自発分極が反
転するときの電流成分202以外はほとんど観察されな
い。表1には2ndピーク電流の値を示した。2ndピ
ーク値はピークの頂点から容量成分を引いた値を示す。
測定方法は、ハロゲンランプを光源とする偏光顕微鏡に
より、直交ニコル下で液晶セルを±30V、5Hzの矩
形波で駆動し、透過光強度をフォトマルチプライヤーで
検出するものである。この時液晶セルは−30V印加時
にフォトマルチプライヤー出力が最小レベルとなるよう
な位置に固定した。図によれば前記配向状態の良好なセ
ルではコントラスト比が100、しかもメモリー性の判
断材料となるヒステリシスループが大きくなった。な
お、表1において配向膜成膜条件として、16倍希釈、
200℃焼成のセルは2ndピークがやや出る傾向にあ
ることを示しているが、光学応答性にはとくに問題はな
かった。一方150℃焼成のセルは2ndピークは小さ
いが、膜の硬化が十分でないためラビングにより不必要
に配向膜が削られてしまうことで一軸配向性を十分に有
せしめることができず、光学応答性は極めて悪かった。
い液晶セルが得られた。液晶セルの光学特性及び電気特
性は配向膜材料の特性及び配向膜/液晶界面相互作用に
依存するところが大きい。本実施例では成膜条件及び表
面処理により配向膜の物性が及び配向膜表面の状態が変
化していることが容易に予想されたため、次に配向膜及
び配向膜/液晶界面相互作用の諸特性を測定した。
2に、比誘電率を表3に示す。膜厚の測定は顕微分光光
度計TFM−120AFT(オーク製作所(株))によ
って、また、比誘電率の測定はインピーダンス・アナラ
イザー4192A(HEWLETT・PACKARD 社製)によって
行った。
料の配向への影響を確認するため、液晶分子のプレチル
ト角を測定した。その測定結果を表4に示す。
測定法であるクリスタルローテーション法により行っ
た。測定は本来ならば実施例において使用する液晶、本
実施例の場合強誘電性を示す液晶材料を使用するべきで
あるが、本方法は強誘電性液晶材料の様な光学的に2軸
性のものは測定が困難なため、光学的に1軸性のネマチ
ック液晶を利用して測定した値とし、間接的な測定とし
た。
じ1画素のものを使用した。該2枚の基板上には上記配
向膜を成膜した。成膜条件は上記評価用セルと同じく、
16、32倍希釈、焼成温度150、200、250、
300℃、ラビング密度は154である。
は配向膜のラビング方向が2枚の基板で反平行になるよ
うにする。該液晶セルはスペーサーとしてPETフィル
ムを用い、ギャップを50μmとした。測定に用いた液
晶材料はネマチック液晶ZLI-4455-100(メルク・ジャパ
ン製)である。
膜/液晶界面とバルクの配向不一致等の影響をなくすた
め、液晶注入後120℃、2時間のエージング処理をし
た。
2ndピーク電流が小さくなる傾向にあることが分か
る。1.6°〜3.1°の間において、2ndピークは
十分に小さい。ただし150℃焼成のセルはプレチルト
角が小さいが光学応答性は悪かった。
ら表面エネルギーを算出した。接触角の測定は(株)エ
ルマ製接触角計G−T−1000を使用した。接触角の
測定には2種類の液体H2 O及びCH2 I2 を使用し、
各々の液体を使用した場合の接触角から数2により表面
張力の極性項、分散項を算出した。その結果を表5に示
す。但し、表面張力のうちプレチルト角と関係があるの
は極性項なので表には極性項の値のみ記載した。
す。 WSL:付着仕事[dyne/cm] γL :既知液体の表面張力[dyne/cm] γL p :既知液体の表面張力の極性項 γL d :既知液体の表面張力の分散項 θ :接触角 [°] γS :固体の表面張力[dyne/cm] γS p :固体の表面張力の極性項 γS d :固体の表面張力の分散項i :液体ij :液体j
5dyne/cm の範囲にあることがわかる。一方、特性の良
くない150℃焼成のセルは表面張力が18dyne/cm 以
上と極めて大きかった。
て作製したもののうち、配向状態が良好だったものに対
して、単純マトリクス駆動時に重要なパルスメモリー性
の評価を行った結果を示す。本評価では正負のパルスを
交互に印加した。パルス波形は、20V、パルス幅30
0μs、パルス間隔30msである。パルスが印加され
ていない時間は電極間は短絡状態に等しい。図に示すよ
うに透過光強度の応答性は急峻で、画素の表示状態が反
転してから即座に飽和する。またパルス印加終了後も透
過光強度は一定に保持されている。
動するときに印加する4パルス法の波形を試験用に規格
化したものを駆動波形としたときの該液晶セルの電気光
学特性を図10に示す。非選択時の揺らぎが少なくコン
トラスト比が100と良好である。
クス駆動パネルを作製した。
ガラスを使用した。電極としては双方の基板ともITO
膜を形成した。液晶セルのマトリクスの規模は1920
×480である。
して、希釈濃度16倍、焼成温度250℃、また配向膜
のラビング条件としてラビング密度154とした。配向
膜は2枚の基板に塗布しラビングも2枚の基板上の配向
膜に行った。ラビングの向きは2枚の基板で平行とし
た。液晶材料は上記のCS−1014である。
動で最大コントラスト比120の表示を行うことが可能
であった。
誘電性を示す液晶材料を使用しても同等の結果が得られ
た。
効果を確認するため液晶表示装置作製の前段階として1
画素の液晶セルによる物性の評価を行った。
動用のスイッチング素子を設け、該スイッチング素子に
よりアクティブマトリクス駆動を行って、デジタル階調
表示を行うことが可能な装置を作製することを目的とす
る。そのため本実施例においては液晶セルの評価とし
て、実際に液晶表示装置内にスイッチング素子を設けて
液晶材料を駆動した時と等価の特性を示す信号発生装置
を液晶セルの外部に接続し、該装置によって液晶材料を
駆動させることで液晶セルの光学応答性を評価した。
使用したのは構成としては実施例1における評価用セル
に等しい。また、配向膜の成膜条件は希釈濃度16倍、
焼成温度250℃、ラビング密度154である。
び画素透過光強度の波形を示す。本評価の駆動波形は、
データ信号電圧±14V、ゲートパルス電圧−15V、
ゲートパルス幅1μs、1フレーム1sである。画素電
極間電圧は液晶材料のしきい値を上回る電圧でフレーム
終了時まで保持されている。また、光学応答もゲートパ
ルスの印加に対し急峻に応答し、しかもフレーム終了時
まで一定の透過光強度で保持されている。
トリクス駆動のパネルを作製した。
装置の構成を示す。セルの片方の基板1201は無アル
カリガラスであり、該基板上には画素電極1203及び
結晶性シリコンTFT1205を用いたアクティブマト
リクスを作製した。なお、該基板上には絶縁膜1208
を形成した。他方の基板には全面にITO膜1204を
形成した。電極等が形成されている基板上には、配向膜
1206を塗布した。使用した配向膜は上記と同じRN
−305である。該配向膜の成膜条件は、16倍希釈、
焼成温度250℃である。該配向膜表面はラビング密度
154の強度でラビングした。該2枚の基板は、上下で
ラビングの方向が平行となるように配置する。上記2枚
の基板間には液晶材料1207が挟持されている。
のPMOSを用いたが、これはリーク電流が小さく、O
N/OFFが大きく取れるためである。典型的にはリー
ク電流は1pA以下(ゲイト電圧+15V、ドレイン電
圧−10V以下)、ON/OFF比7. 5桁以上(ゲイ
ト電圧−15V/+15V、ドレイン電圧−10V)で
あった。
マトリクスの規模1920×480であった。各画素の
電荷保持特性を調べたところ、データ信号として、−1
0Vを印加した時の最も悪いものは3msec後の電圧
で約−9Vであった。従って本実施例ではマトリクスに
印加する走査信号パルスの幅は1μsecとしパルスの
波高は−15V、データ信号は±15Vとした。
比120の表示を得ることができた。
誘電性を示す液晶材料を使用しても同等の結果が得られ
た。
し、かつ2ndピークの低い状態を実現し、その結果、
光学応答性が極めて良好な液晶表示装置とすることがで
きた。
リクス駆動、TFTによるアクティブマトリクス駆動を
行った場合、高速応答性、高コントラスト比の表示を行
うことが可能となった。
示す。
の関係を示す。
の関係を示す。
向きを示す。
分極の向きを示す。
特性を示す。
示す。
性を示す。
形駆動時の光学特性を示す。
の光学特性を示す。
示す。
成分 202 液晶材料の有する自発分極が、電界方向の
変化に伴い反転するときに発生する電流成分 203 2ndピーク電流 501 液晶材料 502 自発分極 601 基板 602 電極 603 液晶材料 604 配向膜 605 自発分極 1201 基板 1202 基板 1203 画素電極 1204 ITO膜 1205 薄膜トランジスタ 1206 配向膜 1207 液晶材料 1208 絶縁膜
Claims (6)
- 【請求項1】第1の基板及び第2の基板と、 前記第1の基板及び前記第2の基板それぞれの上に形成
された電極と、 前記第1の基板及び前記第2の基板の間に注入された強
誘電性または反強誘電性を示す液晶材料と、 前記第1の基板上の前記電極と前記液晶材料との間に形
成されたポリイミド樹脂からなる第1の配向膜とを有
し、 前記第1の配向膜には前記液晶材料に一軸配向性を有せ
しめる処理が施され、 前記第1の配向膜の表面張力の極性項の値は11〜15
dyne/cmの範囲であることを特徴とする液晶表示
装置。 - 【請求項2】第1の基板及び第2の基板と、 前記第1の基板及び前記第2の基板それぞれの上に形成
された電極と、 前記第1の基板及び前記第2の基板の間に注入された強
誘電性を示す液晶材料と、 前記第1の基板上の前記電極と前記液晶材料との間に形
成されたポリイミド樹脂からなる第1の配向膜とを有
し、 前記第1の配向膜には前記液晶材料に一軸配向性を有せ
しめる処理が施され、 前記第1の配向膜の表面張力の極性項の値は11〜15
dyne/cmの範囲であり、前記液晶材料はIso−N * −SmA−SmC * −Cr
yの相系列をとること を特徴とする液晶表示装置。 - 【請求項3】請求項1または請求項2において、前記第
1の基板及び前記第2の基板の少なくとも一方は透光性
を有する基板であることを特徴とする液晶表示装置。 - 【請求項4】請求項1乃至請求項3のいずれか一項にお
いて、前記第2の基板上の前記電極と前記液晶材料との
間にポリイミド樹脂からなる第2の配向膜を有し、前記
第2の配向膜は前記液晶材料に一軸配向性を有せしめる
処理が施されていることを特徴とする液晶表示装置。 - 【請求項5】請求項4において、前記第1の配向膜及び
前記第2の配向膜は200℃以上の焼成温度で形成され
てなることを特徴とする液晶表示装置。 - 【請求項6】請求項4または請求項5において、前記第
1の配向膜及び前記第2の配向膜の膜厚は100〜20
0Åであることを特徴とする液晶表示装置。
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