JP2564514B2 - 液晶装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 『発明の利用分野』 この発明は、液晶の代表例の１つであるスメクチック
液晶、特に強誘電性液晶（以下FLCという）を用いた液
晶装置に関し、マイクロ・コンピュータ、ワードプロセ
ッサまたはテレビ等の表示部の薄膜化を図る液晶装置、
さらにディスクメモリ等のメモリ装置、スピーカ等の音
響機器へ応用する液晶装置に関する。

『従来技術』 従来、液晶を用いて液晶装置を作製せんとする場合、
この液晶の一対の基板の内側に一対の電極を設け、その
電極上に対称配向膜を設ける方式が知られている。

しかし、かかる単純マトリックス構造または各画素に
非線型素子が直列に連結されたアクティブ素子構造にお
いて、最も重要な要素として、前記したスメクチック液
晶が十分大きいEc（臨界電界またはスレッシュホールド
電界）を有することが重要である。このEcは液晶が所定
の電界以下では初期の状態（例えば非透過）を維持し、
所定の電界以上においてきわめて急峻に反転し、他の状
態（例えば透過）を呈する現象、およびこの逆に透過よ
り非透過となる現象をいう。即ち、このEcはEc⁺（正に
電界を加える場合に観察される臨界電界）と、逆にEc^-
（負に電界を加える場合に存在する電界）とがある。こ
のEc⁺とEc^-は必ずしも絶対値において同じではないが、
液晶に接する配向処理のプロセス条件により概ね一致さ
せることができるがその制御はきわめてむつかしい。

しかしかるEc⁺とEc^-は液晶それ自体においてはきわめ
てその存在が乏しく、特にカイラルスメクチックＣ相を
用いる強誘電性液晶においては、この液晶を印加するパ
ルス電界の電界強度とそのパルス巾との値に大きく依存
している。そのためマトリックス表示においては「ACバ
イアス法」として知られている励起方式を用いなければ
ならないし、正方向に書換えんとする時は一度負のパル
スを加え、次に正のパルスを所定の電界強度と時間とを
精密に制御して加える。また逆に負方向に書き換えんと
する場合も、一度正のパルスを加え、次に負のパルスを
所定の電界強度と時間との精密な制御のもとに加えなけ
ればならない。

『発明が解決しようとする問題点』 かくの如き液晶、特に強誘電性液晶を用いんとした
時、これまでの技術では前記した如き「ACバイアス法」
を用いなければならない。しかしこのバイアス法は周辺
回路がきわめて複雑になってしまうため、ディスプレイ
装置とした時、これよりも簡単な周辺回路が求められて
いる。そのためには、液晶それ自体が十分明確なEcを有
していることが重要になる。さらにこのため非対称配向
処理（一方の配向処理層と他方の配向処理層の主成分を
異ならせる）を行う場合、このEc⁺とEc^-とが異なり、液
晶に直列のバイアス電圧も加えなければならない。また
加えて、不十分なEcで満足せざるを得ないのが実情であ
った。本発明はかかる強誘電性液晶を用いた場合、液晶
それ自体にEcを有することを求めるのではなく、この液
晶と電極上の窒化物被膜とを一体物とみなし、その全体
で実質的に有効なEcを得んとしたものである。

『問題を解決するための手段』 本発明は電界の有無で光のスイッチを行う液晶ではな
く、電界の方向で光のスイッチングを行う液晶に対し特
に有効である。このため特にその代表例として強誘電性
液晶（FLCという）を液晶材料として用いる。さらにか
かる液晶のEcを決定する要素としてFLCに密接または実
質的に密接させて、誘電体膜窒化物被膜の薄膜またはク
ラスタを一対の基板の両方に設けたものである。そして
この強誘電性液晶のEcを実質的に誘電体膜により決定す
るべく試みたものである。

その縦断面図を第１図に示す。

第１図において強誘電性液晶（FLC）（１），誘電体
膜（２），（２′），一対を構成する透光性電極
（３），（３′），さらに透光性基板（４），（４′）
液晶分子を一軸方向に配向させる配向膜（５）を有す
る。

この第１図の電気的等価回路を第２図に示す。

第２図（Ａ）は第１図の等価回路である。即ち端子
（８），（９）間では窒化物被膜（２）または端子
（６），（７）間には窒化物被膜（２′）が存在する。
この窒化物被膜（２），（２′）は材料の種類・厚さを
同一にした。すると誘電体（２），（２′）はそれぞれ
キャパシタ（C₁）、コンダクタンス（G₁）を有する。ま
たふし（８），（７）間にはFLCが存在する。このFLCは
絶縁性であるため同様にキャパシタ（1/2C₂）、コンダ
クタンス（2G₂）で表現する。さらにC₁,G₁にかかる電圧
をV₁,2G₂,1/2C₂にかかる電圧を2V₂とし、全体には2V₀の
電圧が印加される。するとC₁にはQ₁が加わりC₂にはQ₂の
電荷が誘起される。

またふし（８）には電荷Q₂₁が、またふし（７）にはQ
₁₂が存在する。かかる場合第２図（Ｂ）に示すごとき等
価回路に変形できる。

この等価回路はＡ−Ａ′に対して上下対称（鏡面対
称）で表現でき、（10）と（10′）とは同一電圧とな
る。このためかかる第２図（Ｂ）の回路の上側は第２図
（Ｃ）に変形できる。このためFLC（１）の両端に存在
する電荷Ｑは Ｑ＝Q₂₁−Q₁₂ Q₂₁＝−Q₁₂ Ｑ＝2Q₂₁ で表現できる。

このため以下においては第２図（Ｃ）で検討する。

この第２図（Ｃ）において、この両端子間にV₀の電圧
を印加した時、C₁,G₁に加わる電圧V₁,電荷Q₁,C₂,G₂に加
わる電圧をV₂,電荷Q₂とすると、 V₀＝V₁＋V₂ でｔ＝０において分圧される。

この時、窒化物被膜の厚さは1000Å以下であり、FLC
の厚さは２〜３μであるため、C₁はC₂より十分大であ
る。その結果、初期において V₂≒V₀ となり、初期状態においては印加電圧のほとんどすべて
がFLCに印加される。

さらに窒化物被膜とFLCとの界面においてｔ秒後に蓄
積されるQ₂₁は次式で与えられる。

この一般式において前記したC₁＞C₂である条件を考慮
する。また抵抗（コンダクタンスの逆数）は液晶が約２
μの厚さを有し、１つのピクセルを300μ×300μである
場合、10⁹Ωのオーダを有する。

他方窒化物被膜は厚さ1000Åにおいて10¹²Ω以上のオ
ーダを有し、液晶に比べて十分大きい抵抗となる。この
ためここではG₁≒０として上式を変形すると以下の式を
得る。

で与えられる。するとその結果、V₁,V₂は 上式を変形して で与えられる。

さらにこのV₁に対しｔが十分大きくなると、 V₁＝V₀ に近づく。

即ち、印加の初期においては電極間に印加した電圧は
ほとんどがFLCに印加され、その値は殆どの電圧が窒化
物被膜に印加されることになる。言い換えるならば、最
初FLCを動の状態にする。その後窒化物被膜にこの電圧
が印加され、この窒化物被膜に電荷が蓄えられる。この
電荷の種類及び量によりEcが十分小さいFLCの反転また
は非反転が決められる。

その結果、FLCに十分なFcがなくても、窒化物被膜に
蓄えられる電荷の種類及び量を可変制御することによ
り、FLCが従属的に従い、結果として見掛け上FLCが大き
なEcを有するようにさせることができる。以上の結果よ
り、本発明はスメクチック液晶と直列に窒化物被膜を存
在せしめ、この窒化物被膜にたくわえられた電荷の種類
及び量に従って液晶の反転、非反転を決定することをそ
の思想としている。

そして第１図の窒化物被膜（２），（２′）の種類、
厚さを可変することによりC₁,G₁,C₂,G₂を可変でき、E
c^-,EC⁺の値を制御できる。また厚さを厚くするとEcがよ
り大きくなるため、実用上の駆動を考えるならば、100
〜4000Åの範囲が適当であった。また、Ec^-,EC⁺の値を
絶対値として、同一とするために一対の基板上の窒化物
被膜（２）（２′）を同一材料を用い同一プロセスにし
て同じ被膜に制御することが好ましかった。

以下に本発明の実施例を示す。

実施例１ 第１図は本発明の構成の縦断面図である。

図面において、ガラス基板（４），（４′）上に透明
導電膜（３）（３′）、例えばITO（酸化インジューム
・スズ）、さらにこの一方の上面に誘電体膜として窒化
珪素膜（２）を同様に他の電極（２′）の上面に窒化珪
素膜（２′）を設けた。

即ち、プラズマCVD法または光CVD法によりシラン（Si
nH₂n＋2,n≧１）とアンモニア（NH₃）または窒素とより
窒化珪素膜を形成する。特に光CVD法にて該誘電体膜を
形成した場合下地のITO膜にダメージを与えることなく
誘電体膜を形成することができ、良好な界面特性が得ら
れる液晶装置を鋭い（急峻な）Ecを与えることができ
る。そしてこの窒化珪素の厚さは50〜4000Å程度で光の
透過光量の減衰が少ない1000Å程度が良好であった。平
均厚さが200Å以下ではクラスタ状またはその中間では
両者の混合状態であった。本発明においては、さらにこ
の誘電体膜の一方（２）に対し公知の配向膜（５）例え
ばナイロン,PVA,ポリイミド等の透光性の有機被膜を形
成し公知のラビング処理を施し、配向膜（配向処理層）
とした。

次にこの一方に配向膜が形成された一対の基板の周辺
部を互いに封止（図示せず）し、公知の方法にてFLCを
充填した。この充填される液晶は電界の方向でスイッチ
ング特性を有する液晶特にFLCを用いた。例えばエステ
ル系のビフェニル系のFLCを2:3の比率でブレンドした物
を使用した。使用する液晶として好ましくは、50℃〜０
℃程度の温度範囲にて強誘電性を呈するものがよい。

かかるセルの電極は1mm×1mmであり、マトリックス構
成させ、その電極間に±5Vの電圧を走査しつつ加えた。
するとこの電界が加わっても画素はシランカップリング
状のみを用いた従来の方法では見られないきわめてきれ
いなEcを実質的に有せしめることが可能となった。

そして一度Ec⁺以上の正の電荷を加えると電圧を除去
しても直前の状態を保ちつづける。他方Ec−以上の負の
電圧を加えると電圧を除去しても同様に直前の状態を持
続し得ることがわかる。

第３図（ｂ）は同図（ａ）の測定系により測定した結
果をしめす。縦軸は規格化したフォトマルの感度、横軸
の印加電圧を示している。この図面において比較例とし
て示された曲線（20），（20′）は片側のみに誘電体膜
を形成したセル構成を有するものである。本発明におい
ては、曲線（19），（19′）を得ることができ、きわめ
てきれいは左右対称のEc⁺,EC^-を得ることができた。そ
してこのEc⁺,EC^-以下の電圧が印加されても、透過、非
透過は変化しない。このためマトリックス表示が可能と
なる。かかる明確な左右対称のEcを有するため、例えば
720×480画素を有する大面積のディスプレイに対しても
まったくクロストークのない表示をさせることが可能と
なり得る。

本発明において、さらにシュアリング（液晶を充填し
た後一方的に微小距離ずらすことにより配向を行う）
法、温度勾配法をラビング法に変えてまたはこれに加え
て行うことは有効である。

『効果』 本発明は以上に示す如く、窒化物被膜を一対の電極の
双方に薄膜状またはクラスタ状に配設したものである。
そのため、従来の窒化物被膜をまったく用いない、また
は一方のみに用いる方法に比べてより一層Ecが明確であ
りかつEc⁺,EC^-の絶対値が等しい液晶装置を得ることが
できた。

このようにEc⁺,EC^-の絶対値が等しければ液晶装置を
駆動する際に、巾広いマージンを得られることになる。

また、この窒化物被膜は第１図の電極等の上のみに選
択的に形成しても、また電極を含む全面に形成してもよ
い。

また、加えてこの誘電体膜は基板及び透明導電膜より
の不純物物の混入を防止する働きを有する。この誘電体
膜としては安定な性質を有する窒化物被膜、例えば窒化
珪素、窒化アルミニューム、窒化ホウ素、窒化マグネシ
ューム、窒化スズ、窒化アンチモン、窒化インジューム
またはこれらの混合物よりなる窒化物被膜が好ましい。

この液晶装置は単にディスプレイのみならずスピー
カ、プリンタまたはディスクメモリに対しても適用で
き、スメクチック液晶の光学的異方性を用いるすべての
液晶装置に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液晶装置の縦断面図である。 第２図は本発明の等価回路図を示す。 第３図は本発明と従来例の特性の一例を示す。 （１）……液晶 （２）（２′）……窒化物被膜 （３）（３′）……電極 （４）（４′）……基板 （５）……配向処理（膜） （12）（14）……偏光板 （15）……フォトマル （13）……サンプル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浜谷 敏次 東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号 株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者 山口 利治 東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号 株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者 犬島 喬 東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号 株式会社半導体エネルギー研究所内 審査官 田部 元史 (56)参考文献 特開 昭60−156043（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の基板の内側に液晶が充填された液晶
   装置において前記一対の基板の内側面上に電極を有し、 前記電極の双方の上に窒化物被膜が設けられ、 前記窒化物被膜の少なくとも一方の上には、前記液晶の
   分子長軸をそろえるための配向処理層が設けられ、 前記窒化物被膜または前記窒化物被膜と前記電極との界
   面付近に蓄積された電荷の種類及び量により、前記液晶
   が第１の状態または第２の状態を取ること を特徴とする液晶装置。