JP3540592B2 - Liquid crystal display - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に係り、特に、固有に自発分極を有する、或いは電圧の印加により自発分極を誘起される液晶材料を用いた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は、消費電力が低い及び軽量である等の特徴を有しているため、ワープロ、パソコン、及びカーナビゲーション等のディスプレイとして広く使用されている。特に、液晶材料としてネマチック液晶材料を用い、それぞれの画素毎にＴＦＴ（薄膜トランジスタ）等のスイッチング素子が形成されたＴＮモードのＴＦＴ−ＬＣＤは優れた表示性能を有しているとされている。しかしながら、その一方で、ＴＮモードの液晶表示装置は視野角が狭い及び応答速度が遅いという問題点を有している。
【０００３】
反強誘電性液晶、ＤＨＦ（deformed helix ferroelectric）液晶、ねじれＦＬＣ、電傾効果、強誘電性液晶、ＡＰＤ（alternating polarization domain ）等を用いた表示モードの液晶表示装置のように、固有に自発分極を有する、或いは電圧の印加により自発分極を誘起される液晶材料を用いた液晶表示装置は、広視野角でありかつ高速応答が可能であるため注目されている。
【０００４】
上記液晶表示装置に用いられる液晶材料の多くは、電圧非印加状態、正電圧印加状態、及び負電圧印加状態の３つの配向状態しか取ることができない。しかしながら、近年、固有に自発分極を有する、或いは電圧の印加により自発分極を誘起される液晶材料の中に、例えば、無閾値反強誘電性液晶、ＤＨＦ液晶、ＡＰＤ、ねじれＦＬＣ等のように、印加電圧の大きさに応じて、上記３つの配向状態だけでなく、これら配向状態の中間の配向状態を取り得るものがあることが見出された。
【０００５】
このような液晶材料はメモリ性はない。したがって、それぞれの画素毎にＴＦＴ、ＴＦＤ（薄膜ダイオード）、及びＭＩＭ等のスイッチング素子を形成して、すなわちアクティブマトリクス方式を採用して非選択期間中も印加電圧を保持することにより任意の配向状態を保持し、かつ印加電圧の大きさを制御することにより中間調表示が可能となる。すなわち、広視野角でありフルカラー表示が可能な液晶表示装置を実現することができるのである。
【０００６】
図９に、無閾値反強誘電性液晶を用いた従来の液晶表示装置の液晶分子の配向状態を概略的に示す。
図９において、液晶表示装置１００は、それぞれの対向面に電極（図示せず）が形成された１対の基板１０１，１０２と、１対の基板１０１，１０２間に挟持され、無閾値反強誘電性液晶材料からなる液晶層１０３とで構成されている。液晶層１０３において、液晶分子１０４は層状構造を呈している。この液晶分子１０４が形成する層の積層方向は基板面に平行であり、層内でそれぞれの液晶分子１０４は並進により関係づけられる。
【０００７】
なお、図中、参照番号１０７-nは、液晶分子１０４のダイポールモーメントの向きを示している。すなわち、基板１０２から基板１０１への向きを参照番号１０７-1で示し、基板１０１から基板１０２への向きを参照番号１０７-2で示し、基板面に平行な向きを参照番号１０７-3で示している。
【０００８】
図９において、状態１１０-3は、電圧非印加時の液晶配向を示しており、状態１１０-1及び１１０-5は、飽和電圧以上の電圧を印加した場合の液晶配向を示している。なお、状態１１０-1と状態１１０-5とでは電圧の印加方向が逆となっている。また、状態１１０-2は、飽和電圧未満の電圧を状態１１０-1と同方向に印加した場合の液晶配向を示しており、状態１１０-4は、飽和電圧未満の電圧を状態１１０-5と同方向に印加した場合の液晶配向を示している。
【０００９】
状態１１０-3に示すように、電圧非印加時において、液晶層１０３を構成する液晶分子１０４の配向方向は、それぞれの層間で互い違いとなっているか、或いはランダムとなっている。そのため、それぞれの分子のダイポールモーメントは打ち消し合い、自発分極は発現しない。また、このときの液晶層１０３の光軸１０５は、液晶分子１０４が形成する層状構造における積層方向、すなわち層法線方向１０６と平行となる。なお、電圧非印加時の光軸１０５と層法線方向１０６とは一致するため、液晶表示装置１００をクロスニコル下に配置し、その消光位置から電圧非印加時の光軸１０５を求めることにより、層法線方向１０６を決定することができる。
【００１０】
状態１１０-2及び１１０-4に示すように、液晶表示装置１００の液晶層１０３に印加する電圧の絶対値を増加させると、液晶分子１０４の配向状態が徐々に変化し、その結果、液晶層１０３の光軸１０５は基板面に対する垂線を回転軸として徐々に回転する。すなわち、液晶層１０３に印加する電圧の絶対値の大きさに応じて、層法線方向１０６と光軸１０５とがなす角θは連続的に変化する。このように、飽和電圧未満の電圧を印加した場合には、液晶分子１０４は印加された電圧の大きさに応じて異なる配向状態をとる。
【００１１】
液晶層１０３に飽和電圧以上の電圧を印加した場合、状態１１０-1及び１１０-5に示すように、全ての層間で液晶分子１０４の配向方向が一致し、ダイポールモーメントの向きも揃う。なお、飽和電圧以上の電圧を印加した場合には、液晶分子１０４の配向状態は電圧の大きさに依存することはない。
【００１２】
以上示したように、無閾値反強誘電性液晶を用いた液晶表示装置においては、印加する電圧の大きさに応じて層法線方向１０６と光軸１０５とがなす角θは連続的に変化する。したがって、基板１０１に、透過軸が層法線方向１０６と平行になるように偏光板を設け、基板１０２に、透過軸が層法線方向１０６と垂直になるように偏光板を設けた場合、電圧非印加時には黒色（最も暗い状態）が表示され、印加電圧を増加することにより、θが増加するため透過光量を増加させることができる。すなわち、ＴＮモードと同様に、液晶層に印加する電圧値を適宜変化させることにより、中間調を表示することが可能となるのである。
【００１３】
しかしながら、固有に自発分極を有する、或いは電圧の印加により自発分極を誘起される液晶材料を用いた従来の液晶表示装置は、期待されるほどの高い応答速度が得られない場合がある、或いは印加電圧−透過率特性においてヒステリシスを生ずる場合があるという問題を有している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、固有に自発分極を有する、或いは電圧の印加により自発分極を誘起される液晶材料を用い、応答速度が速く、印加電圧−透過率特性にヒステリシスを生ずることのない液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、対向して配置され、それぞれの対向面に電極が形成された１対の基板、前記１対の基板間に挟持され、固有に自発分極を有する、或いは所定の電場により自発分極を誘起される液晶材料から実質的になり、前記液晶材料は層状構造を呈し、その層法線方向と光軸とがなす角θが０Ｖから飽和電圧までの範囲内で印加する電圧の大きさに応じて連続的に変化する液晶層、及び、表示可能な全階調の一部を表示する場合に前記電極間に印加する第１電圧の極性を第１極性とし、表示可能な全階調の残りを表示する場合に前記電極間に印加する第２電圧の極性を前記第１極性とは逆極性の第２極性とし、前記第１及び第２電圧を前記飽和電圧の３０％以上の範囲内で制御して、前記液晶材料の配向状態を変化させる制御手段を具備することを特徴とする液晶表示装置を提供する。
【００１６】
上記液晶表示装置において好ましい態様を以下に示す。
（１）前記駆動手段は、駆動時に、前記液晶材料のチルト角を７°〜４５°の範囲内で変化させること。
【００１７】
（２）前記１対の基板の一方の電極が形成された面の裏面に設けられた第１の偏光板、及び前記１対の基板の他方の電極が形成された面の裏面に、透過光軸が前記第１の偏光板の透過光軸と実質的に直交するように設けられた第２の偏光板をさらに具備し、前記液晶材料の層法線方向と前記第１及び第２の偏光板のいずれか一方の透過光軸とがなす角φと、前記電極間に前記飽和電圧の３０％以上の電圧を印加した場合に液晶材料のチルト角が取り得る最小値θ _min と、前記液晶材料のコーン角θ_max とが下記不等式に示す関係を満たすこと
【００１８】
θ _min ≦φ≦θ _max
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を参照しながらより詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）に、本発明の実施形態に係る液晶表示装置の平面図及び断面図をそれぞれ示す。図１（ａ）に示すように、液晶表示装置１は板状の形状を有している。この液晶表示装置１は、図１（ｂ）に示すように、対向して配置された１対の基板２，３と、基板２，３間に挟持された液晶層６とで主に構成されている。
【００２０】
基板２の基板３と対向する面には、スイッチング素子７と、スイッチング素子７のソース電極と電気的に接続された画素電極４とが、マトリクス状に配列されている。また、スイッチング素子７及び画素電極４上には、配向膜８が形成されている。基板３の基板２と対向する面には、カラーフィルタ層１２、対向電極５、及び配向膜９が順次積層されている。
【００２１】
基板２，３は、それぞれ電極４，５が形成された面が対向するように配置されており、基板２，３間の間隔はスペーサ１３により一定に保たれている。また、基板２，３の電極４，５が形成された面の裏面には、それぞれ偏光板１０，１１が貼付けられている。
【００２２】
上記液晶表示装置１において、基板２，３としてはガラス等からなる透明基板を用いることができ、電極４，５としてはＩＴＯ等からなる透明導電膜を用いることができる。また、配向膜８，９に用いられる材料としては、ポリイミド樹脂等を挙げることができる。
【００２３】
また、液晶層６に用いられる液晶材料としては、無閾値反強誘電性液晶（ＴＬＡＦ）、ＤＨＦ、ねじれＦＬＣ、及びＡＰＤ等のように、固有に自発分極を有する或いは所定の電場を形成することにより自発分極を誘起される液晶材料を挙げることができる。
【００２４】
基板３の対向電極５が形成された面には、カラーフィルタ層１２の他に、ブラックマトリクスを設けてもよい。また、カラーフィルタ層１２と対向電極５との間に、アクリル、ベンゾシクロブテンポリマー、及びポリイミド等を用いて平坦化樹脂層を形成してもよい。
【００２５】
上記液晶表示装置１に設けられるスイッチング素子７は、例えば、図２に示すように構成される。
図２は、本発明の実施形態に係る液晶表示装置に用いられるスイッチング素子の一例を概略的に示す平面図である。図２に示すように、基板２上には、補助容量線１５及びゲート（走査）線１６が形成されている。補助容量線１５及びゲート線１６は、ゲート酸化膜と酸化シリコン膜とを積層してなるゲート絶縁膜により被覆されており、ゲート絶縁膜上にはアモルファスシリコンからなる半導体薄膜が形成されている。
【００２６】
この半導体薄膜上には、チャネル形成時に半導体薄膜を保護するための、窒化シリコンからなるチャネル保護膜が形成されている。半導体薄膜及びチャネル保護膜上には、それぞれオーミック層を介して半導体薄膜に電気的に接続されたソース電極、及び信号線１７と一体的に形成されたドレイン電極が配置されている。また、ソース電極は画素電極４と電気的に接続されている。
【００２７】
上述のように構成されるスイッチング素子（ＴＦＴ）７、ゲート線１６、信号線１７、及び画素電極４は、酸化シリコン或いは窒化シリコンからなる保護膜により被覆されている。このように、ゲート線１６や信号線１７等を保護層で被覆することにより、対向電極５との間での電気的短絡を防止することができる。
【００２８】
次に、本発明の原理について説明する。上述したように、固有に自発分極を有する、或いは電圧の印加により自発分極を誘起される液晶材料を用いた従来の液晶表示装置は、期待されるほどの高い応答速度が得られない場合がある、或いは印加電圧−透過率特性においてヒステリシスを生ずる場合があるという問題を有している。
【００２９】
本発明者らは、無閾値反強誘電性液晶、ＤＨＦ液晶、及びＡＰＤ等のように自発分極を有しかつ中間調表示が可能な液晶材料を用いた液晶表示装置について、応答速度及び印加電圧−透過率特性におけるヒステリシスを調べたところ、以下に示す共通点を見出した。すなわち、（１）応答速度の低下は、液晶層に印加する電圧の絶対値が比較的小さい領域で生じ、（２）印加電圧−透過率特性におけるヒステリシスは、低電圧領域でのみ生ずるのである。
【００３０】
以下に、低電圧を印加した場合に応答速度が低下するなる理由を説明する。一般に、自発分極Ｐ_s を有する液晶材料の応答速度τは、下記等式であらわされる。
【００３１】
１／τ＝（Ｐ_s ・Ｖ）／（η・ｄ）
なお、上記等式において、Ｖは印加電圧を示し、ｄはセルギャップを示し、ηは液晶材料の粘度を示している。自発分極を有し、かつ中間調表示が可能な液晶材料の場合、Ｐ_s は印加電圧の関数であり、印加電圧の減少に応じて減少する。そのため、印加電圧が低い場合、Ｐ_s 及びＶがともに減少し、応答時間の上昇を生ずる。
【００３２】
本発明者らは、自発分極を有し、かつ中間調の表示が可能な種々の液晶材料について、印加電圧と応答時間との関係を調べた。その結果、全ての液晶材料について、同様の結果を得ることができた。その一例を図３に示す。
【００３３】
図３は、無閾値反強誘電性液晶を用いた液晶表示装置における印加電圧と応答時間との関係を示すグラフである。なお、図中、横軸は印加電圧を飽和電圧により規格化した規格化電圧（飽和電圧を１とする）を示しており、縦軸は応答時間を示している。
【００３４】
この図に示すように、規格化電圧が０．１５以上の場合、応答時間は１０００μｓ未満まで低減されている。液晶表示装置をモニターとして使用する場合、応答時間は１０００μｓ未満であれば十分とされている。したがって、印加電圧を飽和電圧の１５％以上の領域で制御することにより、モニターとして十分な性能を得ることができる。
【００３５】
また、規格化電圧が０．２以上の場合、応答時間は８００μｓ程度以下まで低減される。したがって、印加電圧を飽和電圧の２０％以上の領域で制御することにより、ワープロやパソコンによる表計算への使用に十分な表示性能を得ることができる。
【００３６】
さらに、規格化電圧を０．２５以上とすることにより、応答時間は６００μｓ程度以下まで低減される。すなわち、印加電圧を飽和電圧の２５％以上の領域で制御することにより、良好な動画表示を行うことが可能となる。この場合、印加電圧を飽和電圧の３０％以上の領域で制御することにより、より良好な動画表示を行うことができる。
【００３７】
なお、応答時間τは、以下に示す方法により求めた。図４を参照しながら説明する。
図４は、本発明の実施形態に係る液晶表示装置における、電圧の印加に対する輝度変化を示すグラフである。図中、横軸は時間を示し、縦軸は印加電圧及び輝度を示している。この図に示すように、液晶層に対して矩形の電圧を印加した場合、液晶表示素子を透過する透過光の輝度が飽和値に達するまでに所定の時間を要する。本発明においては、電圧印加時から、飽和輝度の９０％に達するまでの時間を応答時間と定義する。
【００３８】
実際に応答速度を測定するために、例えば、以下に示す方法を用いることができる。すなわち、まず、液晶表示装置にバックライトが設けられている場合はバックライトを点燈し、バックライトが設けられていない場合は、液晶表示装置を適当な光源上に配置する。測定を簡略化するために、ＴＦＴ等の形成されていない小型簡易液晶セルを作製し、これを透過型変更顕微鏡上に配置して測定してもよい。なお、この場合、小型簡易液晶セルと実際の液晶表示装置とで、画素電極−対向電極間の容量（液晶容量及び配向膜や絶縁膜の容量）を等しくする必要がある。
【００３９】
次に、液晶表示装置を透過した透過光の量を、フォトダイオード、フォトマルチプライヤ、或いは輝度計を用いて、以下の要領で測定する。すなわち、画素電極と対向電極との間に、図４に示す矩形の電圧を印加する。なお、液晶表示装置がＴＦＴ等のスイッチング素子を有するのであれば、ゲート線に２０Ｖ以上の直流電圧を印加すること等により、スイッチング素子をオン状態とする必要がある。
【００４０】
このとき、透過光の輝度は図４に示すように変化する。電圧印加開始時（ｔ＝０）の透過光の輝度をＴ₁ 、輝度が概ね飽和状態となったとき（例えば、ｔ＝１６．７ｍｓ）の輝度をＴ₂ とすると、応答時間τは、輝度が飽和輝度に対して９０％となるのに要する時間であるので、輝度が０．９×（Ｔ₂ −Ｔ₁ ）＋Ｔ₁ に達するのに必要な時間を求めることにより得ることができる。
【００４１】
なお、電圧の印加方向に応じて応答速度が異なる場合は、絶対値の等しい電圧を正及び負の方向に印加することにより、正方向の応答時間及び負方向の応答時間を測定し、これらを平均したものを応答時間とする。また、上記測定は、外光の影響を防ぐために暗室内で行うことが望ましい。
【００４２】
次に、印加電圧−透過率特性におけるヒステリシスについて、図５を参照しながら説明する。
図５は、無閾値反強誘電性液晶を用いた液晶表示装置における印加電圧と透過輝度との関係を示すグラフである。なお、図中、横軸は印加電圧を飽和電圧により規格化した規格化電圧（飽和電圧を１とする）を示しており、縦軸は透過輝度を示している。また、図５に示すデータは、上記液晶表示装置に０．１Ｈｚの三角波を印加することにより得られたものである。
【００４３】
この図に示すように、低電圧領域においては、電圧上昇時と電圧下降時とで曲線が一致せず、僅かにヒステリシスが観測されている。このようなヒステリシスは、例えば、動画を表示する場合、表示中の画像が直前に表示していた画像の影響を受ける、所謂「焼付き」現象を引き起こす。そのため、動画を表示する場合、表示品位が大幅に低下してしまう。
【００４４】
同様の試験を、無閾値反強誘電性液晶を用いた液晶表示装置だけでなく、自発分極を有し、かつ中間調表示が可能な液晶材料を用いた様々な液晶表示装置について行った。その結果、全ての液晶表示装置において、印加電圧が低いほど、特に印加電圧が飽和電圧の１５％未満の場合にヒステリシスの発現或いは増大が生じた。したがって、常に、飽和電圧の１５％以上の電圧を印加しつつ表示を行うことにより、焼付きを防止することができる。
【００４５】
なお、ここでは、印加電圧は、飽和電圧の３０％以上とする。
【００４６】
以上、印加電圧を制御することについて説明したが、これは、液晶分子の配向状態を制御することに等しい。以下、本発明について、液晶分子の配向状態に基づいて説明する。
【００４７】
図６（ａ），（ｂ）に、本発明の実施形態に係る液晶表示装置の駆動方法を概略的に示す。図６（ａ），（ｂ）において、参照番号６１，６２は、液晶表示装置の両主面にそれぞれ設けられた偏光板の偏光方向（透過軸）を示している。また、参照番号６３は、液晶分子が形成する層の積層方向（層法線方向）を示しており、参照番号６４-1，６４-2は、それぞれ、液晶層の光透過軸（光軸）を示している。また、層法線方向６３と液晶層の光軸６４-1，６４-2とがなす角度（チルト角）はθで表されている。なお、θの最大値θ_max をコーン角という。
【００４８】
図６（ａ）に示すように、液晶層の光軸６４-1または６４-2と、一方の偏光板の透過軸６１または６２とがなす角度をαとした場合、光透過性Ｔは下記等式から求めることができる。
【００４９】
Ｔ＝ｓｉｎ² （２α）・ｓｉｎ² （π・Ｒ／λ）
上記等式において、Ｒはリタデーションを示し、λは入射光の波長を示す。上記等式から明らかなように、αが４５°である場合にＴは最大（明表示）となり、αが０°である場合にＴは最小（暗表示）となる。
【００５０】
上記液晶表示装置１によると、上述したように、電圧非印加時において、液晶層の光軸６４-1，６４-2は層法線方向６３と一致する。すなわち、液晶層に低電圧を印加した場合、チルト角θは０°に近い値となる。また、上記液晶表示装置１によると、所定値未満の電圧領域を使用することなく表示が行われる。したがって、上記液晶表示装置１においては、液晶層の光軸６４-1，６４-2と層法線方向６３とがなす角度θは所定値以上である必要がある。すなわち、上記液晶表示装置１においては、層法線方向６３に対して光軸６４-1，６４-2が取り得る配向範囲が狭いのである。
【００５１】
そのため、上記液晶表示装置１によると、層法線方向６３と、一方の偏光板の透過軸６１または６２とがなす角度φ（０°≦φ≦４５°となるように透過軸６１または６２を選ぶ）が０°の場合においては、α≠０となり、十分な暗表示を行うことができなくなる場合がある。
【００５２】
このような問題を解決するためにθ_min ≦φ≦θ_max とすることが好ましい。なお、θ_min とは、所定値以上の電圧を印加した場合にチルト角θが取り得る最小値である。上記液晶表示装置１において、液晶層に所定の電圧を印加した場合はα＝θ−φとなり、それとは逆の方向に電圧を印加した場合はα＝θ＋φとなる。したがって、φ≠０である場合、印加する電圧の方向に応じて、αは２つの値を取ることができる。
【００５３】
ここで、θ_min ≦φ≦θ_max とすると、図６（ｂ）に示すように、αは参照番号６５，６６に示す範囲を取り得る。したがって、このようにφを適切に選ぶことにより、低電圧領域を使用することなく、ほぼ全ての階調を表示することが可能となるのである。
【００５４】
なお、上記不等式において、θ_max は用いる液晶材料の種類等により決定される値であり、θ_min は液晶層に印加する最小電圧等により決定される値である。印加電圧とθとはほぼ比例関係にあるので、印加電圧の最低値が飽和電圧の１５％、２０％、２５％、及び３０％である場合は、θ_min はそれぞれ、３．６°以上、５°以上、６°以上、及び７°以上となる。
【００５５】
また、印加電圧とチルト角θとがほぼ比例関係にあることを利用して、飽和電圧を正確に測定できない場合に、チルト角θが所定の範囲内になるように印加電圧を制御することにより、焼付きを生ずることなく、高い応答速度を得ることができる。
【００５６】
次に、図７を用いて、適切なφの選び方の一例を説明する。図７は、本発明の実施形態に係る液晶表示装置の駆動方法を概略的に示す図である。
例えば、コーン角θ_max が３５°である液晶材料を用い、φ＝１０°とした液晶表示装置を考える。この液晶表示装置における暗表示は、液晶層に対して、所定の方向に電圧を印加して、液晶層の光軸６４-1を０〜２２．５°の範囲６５で変化させることにより行う。すなわち、チルト角θを１０〜３２．５°の範囲で変化させる。また、この液晶表示装置における明表示は、液晶層に対して、上記電圧印加方向とは逆の方向に電圧を印加して、液晶層の光軸６４-2を２２．５〜４５°の範囲６６で変化させることにより行う。すなわち、チルト角θを１２．５〜３５°の範囲で変化させる。
【００５７】
これにより、αは０〜４５°の範囲内の全ての値をとることが可能となる。このように、φを適切に選択することにより、チルト角θを１０°未満とすることなく、全ての階調を表示することが可能となる。
【００５８】
上述した方法によると、所定の方向に電圧を印加することにより明表示が行なわれ、その逆の方向に電圧を印加することにより暗表示が行われる。このように上記液晶表示装置１によると、印加する電圧の方向を変えることにより異なる階調が表示されるため、ＴＶ画像のような動画を表示する場合には、イオン性不純物が配向膜−液晶界面に吸着することによる焼付き不良を防止することができる。すなわち、ＴＶ画像のような動画は、特定の階調に偏ることが少なく、短時間に明から暗まで様々な階調が表示される。そのため、数秒間にそれぞれの画素に印加される電圧値の和は概略ゼロとなり、交流駆動するのと同様に電荷の偏りを防止することができるのである。
【００５９】
しかしながら、液晶材料の純度が著しく低く、かつ特定の影像を長時間表示し続ける場合は、それぞれの画素には常に一方向の電圧が印加される。その結果、液晶材料中のイオン性不純物が配向膜表面に吸着し、焼付きを生じる場合がある。このように、静止画等を表示する場合は、任意のタイミング（例えば、液晶表示装置に通電した直後等）で交流電圧を印加することにより、吸着されたイオン性不純物を液晶材料中に拡散することができ、これにより表示品位を回復することができる。
【００６０】
上記液晶表示装置１において、配向膜には以下に示す配向処理が施されることが好ましい。
図８（ａ），（ｂ）に、本発明の実施形態に係る液晶表示装置における配向処理の例を概略的に示す。図８（ａ），（ｂ）において、隣接して配置された第１の領域７１と第２の領域７２とでは、配向方向が異なっている。図８（ａ）においては、第１及び第２の領域７１，７２間で、層法線方向６３-1，６３-2が９０°程度異なっている。また、図８（ｂ）においては、第１及び第２の領域７１，７２間で、層法線方向６３-1，６３-2は偏光板の透過軸６１に対してほぼ対称の関係にある。このように、第１及び第２の領域７１，７２間で層法線方向６３-1，６３-2が異なるように配向処理を施すことにより、視野角を拡大することができる。
【００６１】
上述の配向処理は、例えば、マスクラビング法により、それぞれの領域７１，７２に対して異なる方向にラビング処理を施すことにより行うことができる。なお、用いる液晶材料の種類によっては、ラビング等の配向処理方向と、層法線方向とが、エレクトロクリニック効果により数度程度ずれることがある。したがって、このような場合は、層法線方向が上記関係を満たすように、配向処理方向を補正する。
【００６２】
領域７１，７２は、例えば、ストライプ状に形成することができる。この場合、ストライプ状の領域７１，７２は、画素の配列方向に沿って形成することが好ましい。また、領域７１，７２を市松模様状に形成してもよい。特に、領域７１，７２を各画素に対応したパターンで市松模様状に形成することが好ましい。領域７１，７２のサイズを小さくすることにより、視野角を拡大し、かつよりきめ細やかな表示を行うことができる。
【００６３】
領域７１，７２間で層法線方向６３-1，６３-2が偏光板の透過軸６１に対してほぼ対称の関係となるように配向処理を施した場合、領域７１，７２に対して同方向に電圧を印加すると、一方の領域は明表示となり、他方の領域は暗表示となる。したがって、この場合、１つの画素に領域７１，７２の双方を形成せずに、例えば、領域７１を１つの画素に形成し、それに隣接する他の画素に領域７２を形成する。このように領域７１，７２を形成した場合、領域７１，７２のそれぞれにおいて同じ階調を表示させるには、一方の領域に対して所定の方向に印加する電圧を、他方の領域に対して逆の方向に印加する。
【００６４】
それに対し、領域７１，７２間で層法線方向６３-1，６３-2が９０°程度異なるように配向処理を施した液晶表示装置１においては、所定の電圧を領域７１，７２に対しそれぞれ同方向に印加した場合、領域７１，７２においては同じ階調が表示される。したがって、この場合、領域７１，７２のサイズを画素のサイズよりも小さくすることができる。すなわち、１つの画素に領域７１，７２の双方を形成することができる。したがって、１つの画素により多くの領域７１，７２を形成することにより、さらにきめ細やかな表示を行うことが可能となる。
【００６５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
図１（ａ），（ｂ）に示す液晶表示素子１を以下に示す方法により作製した。
【００６６】
まず、一方の主面にＴＦＴ素子７及び画素電極４がマトリクス状に形成されたガラス基板２の画素電極４が形成された面に、可溶性ポリイミド（日本合成ゴム社製ＡＬ−１０５１）をオフセット印刷した。また、一方の主面にカラーフィルタ層１２、ブラックマトリクス、及び対向電極５が設けられたガラス基板３の対向電極５が形成された面にも、上記可溶性ポリイミドをオフセット印刷した。
【００６７】
これらガラス基板２，３上に形成したポリイミド膜を、ホットプレートを用いて９０℃で３分間加熱した後、さらにＮ₂ ガス雰囲気下、１８０℃で３０分間ベークした。以上のようにして、ガラス基板２，３上に配向膜８，９を形成した。
【００６８】
次に、配向膜８，９にラビング処理を施した。なお、配向膜８，９へのラビング処理は、ガラス基板２，３を対向させた場合にそれぞれのラビング方向が約１０°の角度をなすように行った。このようにラビング処理を行うことにより、ガラス基板２，３のそれぞれの表面上で、液晶材料の層法線方向を一致させることが可能となる。
【００６９】
また、液晶ラビング布には、毛先の直径が０．１〜１０μｍのレーヨン製の布を用いた。ラビング条件は、ローラ回転数を５００ｒｐｍ、基板移動速度を２０ｍｍ／ｓ、押し込み量を０．７ｍｍとした。なお、ラビング回数は１回である。以上の条件下で配向膜８，９にラビング処理を施した後、中性の界面活性剤を主成分とする水溶液で洗浄することにより、ラビング布から配向膜８，９に付着したラビング布の毛等の汚れを除去した。
【００７０】
次に、ガラス基板２の配向膜８を形成した面に、粒径２μｍのスペーサ粒子を散布した。また、ガラス基板３の配向膜９を形成した面の周辺部には、紫外線硬化性シール剤を印刷した。これらガラス基板２，３を、配向膜８，９が形成された面が対向するように貼り合わせた。貼り合わされたガラス基板２，３を加圧した状態で、紫外線を照射することにより紫外線硬化性シール剤を硬化させ、さらに１６０℃の温度で１時間加熱することにより、セルギャップが２μｍの液晶セルを作製した。
【００７１】
この液晶セルを真空チャンバー内に配置し、液晶セル内を真空とした後、液晶セルの周辺部に予め形成しておいた注入口から、１２０℃に加熱して等方相とした無閾値反強誘電性液晶組成物を注入した。なお、この無閾値反強誘電性液晶組成物は、固体相−スメクティックＣ相−スメクティックＡ相−等方相間で相変化可能であり、それぞれの相転移温度は−３０℃、８０℃、及び８５℃である。また、この液晶組成物のコーン角は３０°である。液晶組成物を注入した後、液晶セルの注入口をエポキシ系接着剤で封止した。
【００７２】
次に、この液晶セルの両主面に、偏光板１０，１１をそれぞれ貼り付けた。なお、偏光板１０は、φ＝８°となるようにガラス基板２に貼り付けた。また、偏光板１１は、偏光板１０の偏光方向に対し偏光方向が９０°異なるように、ガラス基板３に貼り付けた。
【００７３】
以上のようにして、対角の長さが１５インチの液晶表示素子を作製した。この液晶表示素子に、さらに、ドライバＩＣ等の駆動回路（図示せず）を実装し、バックライト付きベゼル内に収容することにより、液晶表示装置１を作製した。
【００７４】
この液晶表示装置１で全ての階調を表示するために、暗表示（αが０〜１９°）を正極性の電圧を印加することにより行い、明表示（αが１９〜３８°）を負極性の電圧を印加することにより行った。なお、このとき、θはそれぞれ８〜２７°及び１１〜３０°となる。θ＝８°とするのに必要な印加電圧を調べたところ、飽和電圧の２７％であった。したがって、上記液晶表示装置１によると、飽和電圧の２７％未満の電圧領域を使用することなく、全ての階調を表示することができた。
【００７５】
また、この液晶表示装置１を飽和電圧の２７％以上の電圧領域内で駆動したところ、応答速度が高く、焼付き等を生ずることがないことが確認された。
（実施例２）
図１（ａ），（ｂ）に示す液晶表示素子１を以下に示す方法により作製した。
【００７６】
まず、一方の主面にＴＦＴ素子７及び画素電極４がマトリクス状に形成されたガラス基板２の画素電極４が形成された面に、低プレチルト角ポリイミド（日産化学社製ＲＮ−１１９９）をオフセット印刷した。また、一方の主面にカラーフィルタ層１２、ブラックマトリクス、及び対向電極５が設けられたガラス基板３の対向電極５が形成された面にも、上記低プレチルト角ポリイミドをオフセット印刷した。
【００７７】
これらガラス基板２，３上に形成したポリイミド膜を、ホットプレートを用いて９０℃で３分間加熱した後、さらにＮ₂ ガス雰囲気下、２２０℃で３０分間ベークした。以上のようにして、ガラス基板２，３上に配向膜８，９を形成した。
【００７８】
次に、配向膜８，９に、実施例１に示したのと同様の条件下でラビング処理を施した。なお、配向膜８，９へのラビング処理は、ガラス基板２，３を対向させた場合にそれぞれのラビング方向が約５°の角度をなすように行った。このようにラビング処理を行うことにより、ガラス基板２，３のそれぞれの表面上で、液晶材料の層法線方向を一致させることが可能となる。
【００７９】
次に、これらガラス基板２，３を用いて実施例１に示したのと同様の方法により液晶セルを作製した。この液晶セルを真空チャンバー内に配置し、液晶セル内を真空とした後、液晶セルの周辺部に予め形成しておいた注入口から、１２０℃に加熱して等方相とした無閾値反強誘電性液晶組成物を注入した。なお、この無閾値反強誘電性液晶組成物は、固体相−スメクティックＣ相−スメクティックＡ相−等方相間で相変化可能であり、それぞれの相転移温度は−３０℃、８０℃、及び８５℃である。また、この液晶組成物のコーン角は３５°である。液晶組成物を注入した後、液晶セルの注入口をエポキシ系接着剤で封止した。
【００８０】
次に、この液晶セルの両主面に、偏光板１０，１１をそれぞれ貼り付けた。なお、偏光板１０は、φ＝１２°となるようにガラス基板２に貼り付けた。また、偏光板１１は、偏光板１０の偏光方向に対し偏光方向が９０°異なるように、ガラス基板３に貼り付けた。
【００８１】
以上のようにして、対角の長さが１５インチの液晶表示素子を作製した。この液晶表示素子に、さらに、ドライバＩＣ等の駆動回路（図示せず）を実装し、バックライト付きベゼル内に収容することにより、液晶表示装置１を作製した。
【００８２】
この液晶表示装置１で全ての階調を表示するために、暗表示（αが０〜２３°）を正極性の電圧を印加することにより行い、明表示（αが２２〜４５°）を負極性の電圧を印加することにより行った。なお、このとき、θはそれぞれ１２〜３５°及び１０〜３３°となる。θ＝１０°とするのに必要な印加電圧を調べたところ、飽和電圧の２８．５％であった。したがって、上記液晶表示装置１によると、飽和電圧の２８．５％未満の電圧領域を使用することなく、全ての階調を表示することができた。
【００８３】
上記液晶表示装置１において、αを２２〜２３°とする場合、印加電圧の極性は正負のどちらでもよいが、極性の変化の頻度が高くなると消費電力の増加を生ずる。したがって、本実施例においては、αを２２〜２３°とする場合、印加電圧の極性が、直前のフレームに印加した電圧の極性と同極性となるように制御した。
【００８４】
また、この液晶表示装置１を飽和電圧の２８．５％以上の電圧領域内で駆動したところ、非常に高い応答速度が得られ、焼付き等を生ずることがないことが確認された。
【００８５】
（実施例３）
図１（ａ），（ｂ）に示す液晶表示素子１を以下に示す方法により作製した。なお、本実施例においては、図８（ａ）に示すように配向処理を施した。
【００８６】
まず、実施例１に示したのと同様の方法により、ガラス基板２，３に配向膜８，９をそれぞれ形成した。これら配向膜８，９に対し、実施例１に示したのと同様の条件下で第１のラビング処理を施した。なお、ラビング方向は、図８（ａ）に示す層法線方向６３-1の方向と平行とした。
【００８７】
次に、ネガ型フォトレジスト（東京応化社製ＯＭＲ−８３）を配向膜８，９上に塗布し、フォトリソグラフィープロセスによりストライプ状のマスクを形成した。なお、このストライプ状のマスクは、画素のサイズの半分の幅で、及びそれぞれの画素がその半分の領域をマスクにより被覆されるように形成した。このマスクの上から配向膜８，９に対し、図８（ａ）に示す層法線方向６３-2の方向と平行に第２のラビング処理を施した。すなわち、第２のラビング処理は、第１のラビング処理のラビング方向と直交する方向に行った。なお、第２のラビング処理は、マスクを用いたこと以外は実施例１に示したのと同様の条件下で行った。
【００８８】
次に、ガラス基板２，３を剥離液に浸漬させてマスクを除去した後、リンス液で洗浄した。さらに、中性の界面活性剤を主成分とする水溶液で洗浄することにより、ラビング布から配向膜８，９に付着したラビング布の毛等の汚れを除去した。以上のようにして、配向膜８，９のそれぞれに、図８（ａ）に示すように、第１の領域７１と、第１の領域７１と配向方向が９０°異なる第２の領域７２とを形成した。
【００８９】
次に、これらガラス基板２，３を用いて実施例１に示したのと同様の方法により液晶セルを作製した。この液晶セルを真空チャンバー内に配置し、液晶セル内を真空とした後、液晶セルの周辺部に予め形成しておいた注入口から、１２０℃に加熱して等方相としたＤＨＦ液晶組成物を注入した。なお、このＤＨＦ液晶組成物は、固体相−スメクティックＣ相−スメクティックＡ相−等方相間で相変化可能であり、それぞれの相転移温度は−３０℃、８０℃、及び８５℃である。また、この液晶組成物のコーン角は２４°である。液晶組成物を注入した後、液晶セルの注入口をエポキシ系接着剤で封止した。
【００９０】
この液晶セルを偏光顕微鏡により観察したところ、第１の領域７１と第２の領域７２とで層法線方向が９０°異なることが、それらの消光位から確認された。次に、この液晶セルの両主面に、偏光板１０，１１をそれぞれ貼り付けた。なお、偏光板１０は、φ＝６°となるようにガラス基板２に貼り付けた。また、偏光板１１は、偏光板１０の偏光方向に対し偏光方向が９０°異なるように、ガラス基板３に貼り付けた。
【００９１】
以上のようにして、対角の長さが１５インチの液晶表示素子を作製した。この液晶表示素子に、さらに、ドライバＩＣ等の駆動回路（図示せず）を実装し、バックライト付きベゼル内に収容することにより、液晶表示装置１を作製した。
【００９２】
この液晶表示装置１ですべての階調を表示するために、暗表示（αが０〜１５°）を正極性の電圧を印加することにより行い、明表示（αが１５〜３０°）を負極性の電圧を印加することにより行った。なお、このとき、θはそれぞれ６〜２１°及び９〜２４°となる。θ＝６°とするのに必要な印加電圧を調べたところ、飽和電圧の２５％であった。したがって、上記液晶表示装置１によると、飽和電圧の２５％未満の電圧領域を使用することなく、全ての階調を表示することができた。
【００９３】
また、この液晶表示装置１を飽和電圧の２５％以上の電圧領域内で駆動したところ、広視野角であり、応答速度が高く、焼付き等を生ずることがないことが確認された。
【００９４】
（実施例４）
図１（ａ），（ｂ）に示す液晶表示素子１を以下に示す方法により作製した。なお、本実施例においては、図８（ｂ）に示すように配向処理を施した。
【００９５】
まず、一方の主面にＴＦＴ素子７及び画素電極４がマトリクス状に形成されたガラス基板２の画素電極４が形成された面に、感光性ポリイミド（富士ハント社製プロビミド４０８）をスピンコートした。また、一方の主面にカラーフィルタ層１２、ブラックマトリクス、及び対向電極５が設けられたガラス基板３の対向電極５が形成された面にも、上記感光性ポリイミドをスピンコートした。
【００９６】
これらガラス基板２，３上に形成したポリイミド膜を、ホットプレートを用いて９０℃で３分間プリベークした後、所定のパターンで露光・現像した。さらに、このポリイミド膜を、Ｎ₂ ガス雰囲気下、２２０℃で３０分間ポストベークした。以上のようにして、ガラス基板２，３上に、０．５μm 間隔のストライプ（マイクログルーブ）パターンを形成した。このようにストライプパターンを形成した場合、液晶分子はこのストライプと平行に配向する。したがって、ストライプの方向は層法線方向に垂直であると考えられる。
【００９７】
本実施例においては、このストライプパターンを、隣接する画素間で方向が異なるように市松模様状に形成して、図８（ｂ）に示すように、画素（第１の領域）７１の層法線方向６３-1に対して，この画素７１に隣接する画素（第２の領域）の層法線方向６３-2が２２°の角度をなすように制御した。
【００９８】
次に、これらガラス基板２，３を用いて実施例１に示したのと同様の方法により液晶セルを作製した。この液晶セルを真空チャンバー内に配置し、液晶セル内を真空とした後、液晶セルの周辺部に予め形成しておいた注入口から、１２０℃に加熱して等方相とした無閾値反強誘電性液晶組成物を注入した。なお、この無閾値反強誘電性液晶組成物は、固体相−スメクティックＣ相−スメクティックＡ相−等方相間で相変化可能であり、それぞれの相転移温度は−３０℃、８０℃、及び８５℃である。また、この液晶組成物のコーン角は３５°である。液晶組成物を注入した後、液晶セルの注入口をエポキシ系接着剤で封止した。
【００９９】
次に、この液晶セルの両主面に、偏光板１０，１１をそれぞれ貼り付けた。なお、偏光板１０は、第１の領域７１及び第２の領域７２において、それぞれφ＝１１°となるようにガラス基板２に貼り付けた。また、偏光板１１は、偏光板１０の偏光方向に対し偏光方向が９０°異なるように、ガラス基板３に貼り付けた。
【０１００】
以上のようにして、対角の長さが１５インチの液晶表示素子を作製した。この液晶表示素子に、さらに、ドライバＩＣ等の駆動回路（図示せず）を実装し、バックライト付きベゼル内に収容することにより、液晶表示装置１を作製した。
【０１０１】
この液晶表示装置１で全ての階調を表示するために、第１の領域の画素については、暗表示（αが０〜２２．５°）を正極性の電圧を印加することにより行い、明表示（αが２２．５〜４５°）を負極性の電圧を印加することにより行った。一方、第２の領域の画素については、暗表示（αが０〜２２．５°）を負極性の電圧を印加することにより行い、明表示（αが２２．５〜４５°）を正極性の電圧を印加することにより行った。なお、このとき、θはそれぞれ１１〜３３．５°及び１１．５〜３４°となる。θ＝１１°とするのに必要な印加電圧を調べたところ、飽和電圧の３１％であった。したがって、上記液晶表示装置１によると、飽和電圧の３１％未満の電圧領域を使用することなく、全ての階調を表示することができた。
【０１０２】
また、この液晶表示装置１を飽和電圧の３１％以上の電圧領域内で駆動したところ、広視野角であり、応答速度が高く、焼付き等を生ずることがないことが確認された。さらに、この液晶表示装置１においては、配向破壊が低減されるという効果も認められた。
【０１０３】
【発明の効果】
以上示したように、本発明によると、液晶層に常に所定値以上の電圧を印加することにより表示が行われる。すなわち、応答速度が極端に低く、ヒステリシスを生ずる低電圧領域を使用することなく表示が行われる。したがって、本発明によると、固有に自発分極を有する、或いは電圧の印加により自発分極を誘起される液晶材料を用い、応答速度が速く、印加電圧−透過率特性にヒステリシスを生ずることのない液晶表示装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施形態に係る液晶表示装置の平面図及び断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る液晶表示装置に用いられるスイッチング素子の一例を概略的に示す平面図。
【図３】無閾値反強誘電性液晶を用いた液晶表示装置における印加電圧と応答時間との関係を示すグラフ。
【図４】本発明の実施形態に係る液晶表示装置における、電圧の印加に対する輝度変化を示すグラフ。
【図５】無閾値反強誘電性液晶を用いた液晶表示装置における印加電圧と透過輝度との関係を示すグラフ。
【図６】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施形態に係る液晶表示装置の駆動方法を概略的に示す図。
【図７】本発明の実施形態に係る液晶表示装置の駆動方法を概略的に示す図。
【図８】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施形態に係る液晶表示装置における配向処理の例を概略的に示す図。
【図９】無閾値反強誘電性液晶を用いた従来の液晶表示装置の液晶分子の配向状態を概略的に示す斜視図。
【符号の説明】
１，１００…液晶表示装置
２，３，１０１，１０２…基板
４，５…電極
６，１０３…液晶層
７…スイッチング素子
８，９…配向膜
１０，１１…偏光板
１２…カラーフィルタ層
１３…スペーサ
１５…補助容量線
１６…ゲート線
１７…信号線
６１，６２…偏光板の透過軸
６３-n，１０６…層法線方向
６４-n，１０５…液晶層の光軸
６５，６６…範囲
７１，７２…領域
１０４…液晶分子
１０７-n…液晶分子のダイポールモーメントの向き
１１０-n…状態[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid crystal display device, and more particularly, to a liquid crystal display device using a liquid crystal material having intrinsic spontaneous polarization or inducing spontaneous polarization by applying a voltage.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Liquid crystal display devices have characteristics such as low power consumption and light weight, and are therefore widely used as displays for word processors, personal computers, and car navigation systems. In particular, a TN mode TFT-LCD in which a nematic liquid crystal material is used as a liquid crystal material and a switching element such as a TFT (thin film transistor) is formed for each pixel is said to have excellent display performance. However, on the other hand, the TN mode liquid crystal display device has a problem that the viewing angle is narrow and the response speed is slow.
[0003]
Intrinsic spontaneous polarization such as a display mode liquid crystal display device using an antiferroelectric liquid crystal, a DHF (deformed helix ferroelectric) liquid crystal, a twisted FLC, an electrogradient effect, a ferroelectric liquid crystal, an APD (alternating polarization domain) Or a liquid crystal display device using a liquid crystal material in which spontaneous polarization is induced by application of a voltage has been attracting attention because of its wide viewing angle and high-speed response.
[0004]
Most of the liquid crystal materials used in the above liquid crystal display device can take only three alignment states, that is, a voltage non-applied state, a positive voltage applied state, and a negative voltage applied state. However, in recent years, among liquid crystal materials that have intrinsic spontaneous polarization or induce spontaneous polarization by applying a voltage, for example, thresholdless antiferroelectric liquid crystal, DHF liquid crystal,APDIt has been found that, depending on the magnitude of the applied voltage, there may be a twisted FLC or the like that can take not only the above three orientation states but also an orientation state intermediate between these orientation states.
[0005]
Such a liquid crystal material does not have a memory property. Therefore, a switching element such as a TFT, a TFD (thin film diode), and a MIM is formed for each pixel, that is, by applying an active matrix method and holding an applied voltage even during a non-selection period, an arbitrary alignment state can be obtained. , And controlling the magnitude of the applied voltage enables halftone display. That is, a liquid crystal display device having a wide viewing angle and capable of full color display can be realized.
[0006]
FIG. 9 schematically shows an alignment state of liquid crystal molecules of a conventional liquid crystal display device using a thresholdless antiferroelectric liquid crystal.
In FIG. 9, a liquid crystal display device 100 is sandwiched between a pair of substrates 101 and 102 having electrodes (not shown) formed on respective opposing surfaces, and a pair of substrates 101 and 102. And a liquid crystal layer 103 made of a dielectric liquid crystal material. In the liquid crystal layer 103, the liquid crystal molecules 104 have a layered structure. The stacking direction of the layers formed by the liquid crystal molecules 104 is parallel to the substrate surface, and the respective liquid crystal molecules 104 are related by translation in the layers.
[0007]
In the figure, reference numeral 107-n indicates the direction of the dipole moment of the liquid crystal molecules 104. That is, the direction from the substrate 102 to the substrate 101 is indicated by reference numeral 107-1, the direction from the substrate 101 to the substrate 102 is indicated by reference numeral 107-2, and the direction parallel to the substrate surface is indicated by reference numeral 107-3. ing.
[0008]
In FIG. 9, state 110-3 shows the liquid crystal alignment when no voltage is applied, and states 110-1 and 110-5 show the liquid crystal alignment when a voltage higher than the saturation voltage is applied. Note that the voltage application direction is reversed between the state 110-1 and the state 110-5. In addition, state 110-2 shows the liquid crystal alignment when a voltage lower than the saturation voltage is applied in the same direction as state 110-1, and state 110-4 shows a voltage lower than the saturation voltage as state 110-5. The figure shows the liquid crystal alignment when applied in the same direction.
[0009]
As shown in the state 110-3, when no voltage is applied, the orientation direction of the liquid crystal molecules 104 constituting the liquid crystal layer 103 is alternated between the respective layers or is random. Therefore, the dipole moments of the molecules cancel each other out, and no spontaneous polarization occurs. At this time, the optical axis 105 of the liquid crystal layer 103 is parallel to the laminating direction in the layered structure formed by the liquid crystal molecules 104, that is, the layer normal direction 106. Since the optical axis 105 when no voltage is applied coincides with the layer normal direction 106, the liquid crystal display device 100 is arranged under crossed Nicols, and the optical axis 105 when no voltage is applied is obtained from the extinction position. , The layer normal direction 106 can be determined.
[0010]
As shown in states 110-2 and 110-4, when the absolute value of the voltage applied to the liquid crystal layer 103 of the liquid crystal display device 100 is increased, the alignment state of the liquid crystal molecules 104 gradually changes, and as a result, The optical axis 105 of 103 gradually rotates around a perpendicular to the substrate surface as a rotation axis. That is, the angle θ between the layer normal direction 106 and the optical axis 105 changes continuously according to the magnitude of the absolute value of the voltage applied to the liquid crystal layer 103. As described above, when a voltage lower than the saturation voltage is applied, the liquid crystal molecules 104 assume different alignment states according to the magnitude of the applied voltage.
[0011]
When a voltage equal to or higher than the saturation voltage is applied to the liquid crystal layer 103, as shown in states 110-1 and 110-5, the alignment directions of the liquid crystal molecules 104 match between all layers, and the dipole moments also align. When a voltage higher than the saturation voltage is applied, the alignment state of the liquid crystal molecules 104 does not depend on the magnitude of the voltage.
[0012]
As described above, in the liquid crystal display device using the thresholdless antiferroelectric liquid crystal, the angle θ between the layer normal direction 106 and the optical axis 105 changes continuously according to the magnitude of the applied voltage. I do. Therefore, when a polarizing plate is provided on the substrate 101 so that the transmission axis is parallel to the layer normal direction 106, and a polarizing plate is provided on the substrate 102 so that the transmission axis is perpendicular to the layer normal direction 106, When no voltage is applied, black (darkest state) is displayed, and by increasing the applied voltage, θ increases, so that the amount of transmitted light can be increased. That is, similarly to the TN mode, it is possible to display a halftone by appropriately changing the voltage value applied to the liquid crystal layer.
[0013]
However, a conventional liquid crystal display device using a liquid crystal material having intrinsic spontaneous polarization or inducing spontaneous polarization by application of a voltage may not be able to obtain a response speed as high as expected. There is a problem that hysteresis may occur in the voltage-transmittance characteristics.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems, and uses a liquid crystal material having intrinsic spontaneous polarization, or inducing spontaneous polarization by application of a voltage, and has a high response speed and an applied voltage-transmittance characteristic. It is an object of the present invention to provide a liquid crystal display device that does not cause hysteresis.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a pair of substrates, which are arranged to face each other and have electrodes formed on respective opposing surfaces, are sandwiched between the pair of substrates, and have spontaneous spontaneous polarization. Alternatively, a liquid crystal material substantially induced from spontaneous polarization by a predetermined electric fieldThe liquid crystal material has a layered structure, and the angle θ between the normal direction of the layer and the optical axis changes continuously according to the magnitude of the voltage applied within a range from 0 V to a saturation voltage.A liquid crystal layer, andThe polarity of the first voltage applied between the electrodes when displaying part of all displayable gray scales is set to the first polarity, and is applied between the electrodes when displaying the rest of all displayable gray scales. The second voltage has a second polarity opposite to the first polarity, and the second voltage has a second polarity.VoltageSaidOf saturation voltage30%There is provided a liquid crystal display device comprising a control means for changing the alignment state of the liquid crystal material by controlling within the above range.
[0016]
Preferred embodiments of the above liquid crystal display device will be described below.
(1) The driving means changes the tilt angle of the liquid crystal material during driving within a range of 7 ° to 45 °.
[0017]
(2)The first polarizing plate provided on the back surface of the pair of substrates on which one electrode is formed, and the transmission optical axis is formed on the back surface of the pair of substrates on which the other electrode is formed. The second polarizing plate provided so as to be substantially perpendicular to the transmission optical axis of the first polarizing platefurtherEquipped,Of the liquid crystal materialAngle φ between the layer normal direction and the transmitted optical axis of one of the first and second polarizing platesWhen,The minimum value θ that the tilt angle of the liquid crystal material can take when a voltage of 30% or more of the saturation voltage is applied between the electrodes. _min When,The cone angle θ of the liquid crystal material_max AndSatisfy the relationship shown in the following inequality
[0018]
θ _min ≦ φ ≦ θ _max
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view, respectively, of a liquid crystal display device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, the liquid crystal display device 1 has a plate shape. As shown in FIG. 1B, the liquid crystal display device 1 is mainly composed of a pair of substrates 2 and 3 arranged facing each other and a liquid crystal layer 6 sandwiched between the substrates 2 and 3. ing.
[0020]
On the surface of the substrate 2 facing the substrate 3, switching elements 7 and pixel electrodes 4 electrically connected to the source electrodes of the switching elements 7 are arranged in a matrix. Further, an alignment film 8 is formed on the switching element 7 and the pixel electrode 4. On the surface of the substrate 3 facing the substrate 2, a color filter layer 12, a counter electrode 5, and an alignment film 9 are sequentially laminated.
[0021]
The substrates 2 and 3 are arranged such that the surfaces on which the electrodes 4 and 5 are formed face each other, and the distance between the substrates 2 and 3 is kept constant by the spacer 13. Polarizing plates 10 and 11 are attached to the back surfaces of the substrates 2 and 3 on which the electrodes 4 and 5 are formed, respectively.
[0022]
In the liquid crystal display device 1, a transparent substrate made of glass or the like can be used as the substrates 2 and 3, and a transparent conductive film made of ITO or the like can be used as the electrodes 4 and 5. In addition, as a material used for the alignment films 8 and 9, a polyimide resin or the like can be given.
[0023]
The liquid crystal material used for the liquid crystal layer 6 includes,NothingLiquid crystal materials having intrinsic spontaneous polarization or inducing spontaneous polarization by forming a predetermined electric field, such as threshold antiferroelectric liquid crystal (TLAF), DHF, twisted FLC, and APD can be given. .
[0024]
In addition to the color filter layer 12, a black matrix may be provided on the surface of the substrate 3 on which the counter electrode 5 is formed. Further, a flattening resin layer may be formed between the color filter layer 12 and the counter electrode 5 using acrylic, benzocyclobutene polymer, polyimide, or the like.
[0025]
The switching element 7 provided in the liquid crystal display device 1 is configured, for example, as shown in FIG.
FIG. 2 is a plan view schematically showing an example of a switching element used in the liquid crystal display device according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, an auxiliary capacitance line 15 and a gate (scan) line 16 are formed on the substrate 2. The auxiliary capacitance line 15 and the gate line 16 are covered with a gate insulating film formed by laminating a gate oxide film and a silicon oxide film, and a semiconductor thin film made of amorphous silicon is formed on the gate insulating film.
[0026]
On this semiconductor thin film, a channel protective film made of silicon nitride is formed to protect the semiconductor thin film when forming a channel. On the semiconductor thin film and the channel protective film, a source electrode electrically connected to the semiconductor thin film via an ohmic layer and a drain electrode formed integrally with the signal line 17 are arranged. The source electrode is electrically connected to the pixel electrode 4.
[0027]
The switching element (TFT) 7, the gate line 16, the signal line 17, and the pixel electrode 4 configured as described above are covered with a protective film made of silicon oxide or silicon nitride. Thus, by covering the gate line 16 and the signal line 17 with the protective layer, an electrical short circuit with the counter electrode 5 can be prevented.
[0028]
Next, the principle of the present invention will be described. As described above, a conventional liquid crystal display device using a liquid crystal material having intrinsic spontaneous polarization or inducing spontaneous polarization by application of a voltage may not be able to obtain a high response speed as expected. Alternatively, there is a problem that hysteresis may occur in the applied voltage-transmittance characteristics.
[0029]
The present inventors have proposed a thresholdless antiferroelectric liquid crystal, a DHF liquid crystal, andAPDFor a liquid crystal display device using a liquid crystal material having spontaneous polarization and capable of halftone display such as, for example, the response speed and the hysteresis in the applied voltage-transmittance characteristics were examined, and the following common points were found. . That is, (1) the decrease in the response speed occurs in a region where the absolute value of the voltage applied to the liquid crystal layer is relatively small, and (2) the hysteresis in the applied voltage-transmittance characteristic occurs only in the low voltage region.
[0030]
The reason why the response speed decreases when a low voltage is applied will be described below. In general, the spontaneous polarization P_s Is expressed by the following equation.
[0031]
1 / τ = (P_s ・ V) / (η ・ d)
In the above equation, V indicates the applied voltage, d indicates the cell gap, and η indicates the viscosity of the liquid crystal material. In the case of a liquid crystal material having spontaneous polarization and capable of halftone display, P_s Is a function of the applied voltage and decreases as the applied voltage decreases. Therefore, when the applied voltage is low, P_s And V both decrease, resulting in an increase in response time.
[0032]
The present inventors investigated the relationship between applied voltage and response time for various liquid crystal materials having spontaneous polarization and capable of displaying halftones. As a result, similar results were obtained for all liquid crystal materials. An example is shown in FIG.
[0033]
FIG. 3 is a graph showing a relationship between an applied voltage and a response time in a liquid crystal display device using a thresholdless antiferroelectric liquid crystal. Note that, in the figure, the horizontal axis represents a normalized voltage (saturation voltage is set to 1) in which the applied voltage is normalized by the saturation voltage, and the vertical axis represents the response time.
[0034]
As shown in this figure, when the normalized voltage is 0.15 or more, the response time is reduced to less than 1000 μs. When a liquid crystal display device is used as a monitor, it is sufficient if the response time is less than 1000 μs. Therefore, by controlling the applied voltage in a region of 15% or more of the saturation voltage, sufficient performance as a monitor can be obtained.
[0035]
When the normalized voltage is 0.2 or more, the response time is reduced to about 800 μs or less. Therefore, by controlling the applied voltage in a region of 20% or more of the saturation voltage, display performance sufficient for use in a spreadsheet by a word processor or a personal computer can be obtained.
[0036]
Further, by setting the normalized voltage to 0.25 or more, the response time is reduced to about 600 μs or less. That is, by controlling the applied voltage in a region of 25% or more of the saturation voltage, it is possible to display a good moving image. In this case, by controlling the applied voltage in a region of 30% or more of the saturation voltage, more favorable moving image display can be performed.
[0037]
The response time τ was determined by the following method. This will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a graph showing a change in luminance with respect to application of a voltage in the liquid crystal display device according to the embodiment of the present invention. In the figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents applied voltage and luminance. As shown in this figure, when a rectangular voltage is applied to the liquid crystal layer, a predetermined time is required until the luminance of the transmitted light passing through the liquid crystal display element reaches a saturation value. In the present invention, the time from when a voltage is applied to when the saturation luminance reaches 90% is defined as a response time.
[0038]
In order to actually measure the response speed, for example, the following method can be used. That is, first, when the liquid crystal display device is provided with a backlight, the backlight is turned on. When the backlight is not provided, the liquid crystal display device is arranged on an appropriate light source. In order to simplify the measurement, a small and simple liquid crystal cell without a TFT or the like may be manufactured and placed on a transmission-type modified microscope for measurement. In this case, the capacitance between the pixel electrode and the counter electrode (the liquid crystal capacitance and the capacitance of the alignment film and the insulating film) needs to be equal between the small simple liquid crystal cell and the actual liquid crystal display device.
[0039]
Next, the amount of transmitted light transmitted through the liquid crystal display device is measured using a photodiode, a photomultiplier, or a luminance meter in the following manner. That is, a rectangular voltage shown in FIG. 4 is applied between the pixel electrode and the counter electrode. If the liquid crystal display device has a switching element such as a TFT, the switching element needs to be turned on by applying a DC voltage of 20 V or more to the gate line.
[0040]
At this time, the luminance of the transmitted light changes as shown in FIG. The luminance of transmitted light at the start of voltage application (t = 0) is represented by T₁ The luminance when the luminance is substantially saturated (for example, t = 16.7 ms) is represented by T_Two Then, since the response time τ is a time required for the luminance to become 90% of the saturation luminance, the response time τ is 0.9 × (T_Two −T₁ ) + T₁ Can be obtained by determining the time required to reach
[0041]
If the response speed differs depending on the direction in which the voltage is applied, by applying voltages having the same absolute value in the positive and negative directions, the response time in the positive direction and the response time in the negative direction are measured. The average is taken as the response time. In addition, it is desirable that the measurement be performed in a dark room to prevent the influence of external light.
[0042]
Next, hysteresis in the applied voltage-transmittance characteristic will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between applied voltage and transmission luminance in a liquid crystal display device using a thresholdless antiferroelectric liquid crystal. In the figure, the horizontal axis represents a normalized voltage (saturation voltage is set to 1) in which the applied voltage is normalized by the saturation voltage, and the vertical axis represents the transmission luminance. The data shown in FIG. 5 was obtained by applying a triangular wave of 0.1 Hz to the liquid crystal display device.
[0043]
As shown in this figure, in the low voltage region, the curves do not coincide between when the voltage rises and when the voltage falls, and a slight hysteresis is observed. Such a hysteresis, for example, when displaying a moving image, causes a so-called “burn-in” phenomenon in which the image being displayed is affected by the image displayed immediately before. Therefore, when displaying a moving image, the display quality is significantly reduced.
[0044]
Similar tests were performed not only on liquid crystal display devices using thresholdless antiferroelectric liquid crystal but also on various liquid crystal display devices using a liquid crystal material having spontaneous polarization and capable of halftone display. As a result, in all the liquid crystal display devices, as the applied voltage was lower, particularly when the applied voltage was less than 15% of the saturation voltage, the occurrence or increase of hysteresis occurred. Therefore, by always displaying while applying a voltage of 15% or more of the saturation voltage, it is possible to prevent burn-in.
[0045]
In addition,Here, the applied voltage is 30% or more of the saturation voltage.
[0046]
The control of the applied voltage has been described above, but this is equivalent to controlling the alignment state of the liquid crystal molecules. Hereinafter, the present invention will be described based on the alignment state of liquid crystal molecules.
[0047]
6A and 6B schematically show a driving method of the liquid crystal display device according to the embodiment of the present invention. 6A and 6B, reference numerals 61 and 62 indicate polarization directions (transmission axes) of polarizing plates provided on both main surfaces of the liquid crystal display device, respectively. Reference numeral 63 indicates a lamination direction (layer normal direction) of layers formed by liquid crystal molecules, and reference numerals 64-1 and 64-2 indicate light transmission axes (optical axes) of the liquid crystal layers, respectively. Is shown. The angle (tilt angle) between the layer normal direction 63 and the optical axes 64-1 and 64-2 of the liquid crystal layer is represented by θ. Note that the maximum value θ of θ_max Is called cone angle.
[0048]
As shown in FIG. 6A, when the angle between the optical axis 64-1 or 64-2 of the liquid crystal layer and the transmission axis 61 or 62 of one polarizing plate is α, the light transmittance T is as follows. It can be obtained from the equation.
[0049]
T = sin^Two (2α) · sin^Two (Π · R / λ)
In the above equation, R indicates retardation, and λ indicates the wavelength of incident light. As is apparent from the above equation, when α is 45 °, T becomes maximum (bright display), and when α is 0 °, T becomes minimum (dark display).
[0050]
According to the liquid crystal display device 1, as described above, the optical axes 64-1 and 64-2 of the liquid crystal layer coincide with the layer normal direction 63 when no voltage is applied. That is, when a low voltage is applied to the liquid crystal layer, the tilt angle θ becomes a value close to 0 °. Further, according to the liquid crystal display device 1, display is performed without using a voltage region smaller than a predetermined value. Therefore, in the liquid crystal display device 1, the angle θ between the optical axes 64-1 and 64-2 of the liquid crystal layer and the layer normal direction 63 needs to be equal to or larger than a predetermined value. That is, in the liquid crystal display device 1, the alignment range that the optical axes 64-1 and 64-2 can take with respect to the layer normal direction 63 is narrow.
[0051]
Therefore, according to the liquid crystal display device 1, the transmission axis 61 or 62 is formed so that the angle φ between the layer normal direction 63 and the transmission axis 61 or 62 of one of the polarizing plates (0 ° ≦ φ ≦ 45 °). When (select) is 0 °, α ≠ 0, and it may not be possible to perform a sufficient dark display.
[0052]
To solve such a problem, θ_min ≦ φ ≦ θ_max It is preferable that Note that θ_min Is the minimum value that the tilt angle θ can take when a voltage higher than a predetermined value is applied. In the liquid crystal display device 1, when a predetermined voltage is applied to the liquid crystal layer, α = θ−φ, and when a voltage is applied in the opposite direction, α = θ + φ. Therefore, when φ ≠ 0, α can take two values depending on the direction of the applied voltage.
[0053]
Where θ_min ≦ φ ≦ θ_max Then, as shown in FIG. 6B, α can take a range indicated by reference numerals 65 and 66. Therefore, by appropriately selecting φ as described above, it is possible to display almost all gradations without using a low-voltage region.
[0054]
In the above inequality, θ_max Is a value determined by the type of the liquid crystal material used, etc., and θ_min Is a value determined by the minimum voltage or the like applied to the liquid crystal layer. Since the applied voltage is substantially proportional to θ, when the minimum value of the applied voltage is 15%, 20%, 25%, and 30% of the saturation voltage, θ_min Are respectively at least 3.6 °, at least 5 °, at least 6 °, and at least 7 °.
[0055]
Further, by utilizing the fact that the applied voltage and the tilt angle θ are in a substantially proportional relationship, when the saturation voltage cannot be measured accurately, by controlling the applied voltage so that the tilt angle θ is within a predetermined range. A high response speed can be obtained without causing image sticking.
[0056]
Next, an example of how to select an appropriate φ will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a driving method of the liquid crystal display device according to the embodiment of the present invention.
For example, cone angle θ_max Consider a liquid crystal display device in which φ = 10 ° using a liquid crystal material of which is 35 °. The dark display in this liquid crystal display device is performed by applying a voltage to the liquid crystal layer in a predetermined direction and changing the optical axis 64-1 of the liquid crystal layer in a range 65 of 0 to 22.5 °. That is, the tilt angle θ is changed in the range of 10 to 32.5 °. In the bright display in this liquid crystal display device, a voltage is applied to the liquid crystal layer in a direction opposite to the above-described voltage application direction so that the optical axis 64-2 of the liquid crystal layer is in a range of 22.5 to 45 °. This is done by changing at 66. That is, the tilt angle θ is changed in the range of 12.5 to 35 °.
[0057]
Thus, α can take all values within the range of 0 to 45 °. As described above, by appropriately selecting φ, it is possible to display all gradations without setting the tilt angle θ to less than 10 °.
[0058]
According to the above-described method, bright display is performed by applying a voltage in a predetermined direction, and dark display is performed by applying a voltage in the opposite direction. As described above, according to the liquid crystal display device 1, different gradations are displayed by changing the direction of the applied voltage. Therefore, when a moving image such as a TV image is displayed, the ionic impurities include the alignment film-liquid crystal. Seizure failure due to adsorption to the interface can be prevented. That is, a moving image such as a TV image is less likely to be biased to a specific gradation, and various gradations from light to dark are displayed in a short time. Therefore, the sum of the voltage values applied to the respective pixels in several seconds becomes substantially zero, and the bias of the electric charges can be prevented as in the case of the AC driving.
[0059]
However, when the purity of the liquid crystal material is extremely low and a specific image is continuously displayed for a long time, a voltage in one direction is always applied to each pixel. As a result, ionic impurities in the liquid crystal material may be adsorbed on the surface of the alignment film to cause burning. As described above, when a still image or the like is displayed, the adsorbed ionic impurities are diffused into the liquid crystal material by applying an AC voltage at an arbitrary timing (for example, immediately after energizing the liquid crystal display device). Thus, display quality can be restored.
[0060]
In the liquid crystal display device 1, the alignment film is preferably subjected to the following alignment treatment.
8A and 8B schematically show an example of an alignment process in the liquid crystal display device according to the embodiment of the present invention. 8A and 8B, the first region 71 and the second region 72 arranged adjacent to each other have different orientation directions. In FIG. 8A, the layer normal directions 63-1 and 63-2 differ by about 90 ° between the first and second regions 71 and 72. In FIG. 8B, the layer normal directions 63-1 and 63-2 are substantially symmetric with respect to the transmission axis 61 of the polarizing plate between the first and second regions 71 and 72. . As described above, by performing the alignment processing so that the layer normal directions 63-1 and 63-2 are different between the first and second regions 71 and 72, the viewing angle can be increased.
[0061]
The above-described alignment processing can be performed by performing rubbing processing in different directions on the respective regions 71 and 72 by a mask rubbing method, for example. Note that, depending on the type of liquid crystal material used, the direction of the alignment treatment such as rubbing and the direction of the layer normal may be shifted by several degrees due to the electroclinic effect. Therefore, in such a case, the orientation processing direction is corrected so that the layer normal direction satisfies the above relationship.
[0062]
The regions 71 and 72 can be formed, for example, in a stripe shape. In this case, it is preferable that the stripe-shaped regions 71 and 72 are formed along the pixel arrangement direction. Further, the regions 71 and 72 may be formed in a checkered pattern. In particular, it is preferable to form the regions 71 and 72 in a checkerboard pattern with a pattern corresponding to each pixel. By reducing the size of the regions 71 and 72, the viewing angle can be increased and a more detailed display can be performed.
[0063]
When the orientation processing is performed so that the layer normal directions 63-1 and 63-2 are substantially symmetrical with respect to the transmission axis 61 of the polarizing plate between the regions 71 and 72, the regions 71 and 72 are the same. When a voltage is applied in the direction, one area becomes a bright display and the other area becomes a dark display. Therefore, in this case, without forming both the regions 71 and 72 in one pixel, for example, the region 71 is formed in one pixel, and the region 72 is formed in another pixel adjacent thereto. When the regions 71 and 72 are formed as described above, in order to display the same gradation in each of the regions 71 and 72, a voltage applied in a predetermined direction to one of the regions and a voltage applied to the other region in reverse are applied. In the direction of.
[0064]
On the other hand, in the liquid crystal display device 1 in which the alignment processing is performed so that the layer normal directions 63-1 and 63-2 differ by about 90 ° between the regions 71 and 72, a predetermined voltage is applied to the regions 71 and 72, respectively. When applied in the same direction, the same gradation is displayed in the regions 71 and 72. Therefore, in this case, the size of the regions 71 and 72 can be made smaller than the size of the pixel. That is, both the regions 71 and 72 can be formed in one pixel. Therefore, by forming more regions 71 and 72 in one pixel, it is possible to perform more detailed display.
[0065]
【Example】
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
(Example 1)
The liquid crystal display device 1 shown in FIGS. 1A and 1B was manufactured by the following method.
[0066]
First, soluble polyimide (AL-1051 manufactured by Nippon Synthetic Rubber Co., Ltd.) is offset-printed on the surface of the glass substrate 2 on which the TFT elements 7 and the pixel electrodes 4 are formed in a matrix on one main surface. did. The soluble polyimide was also offset-printed on the surface of the glass substrate 3 on which the color filter layer 12, the black matrix, and the counter electrode 5 were provided on one main surface.
[0067]
After heating the polyimide films formed on these glass substrates 2 and 3 at 90 ° C. for 3 minutes using a hot plate,_Two Baking was performed at 180 ° C. for 30 minutes in a gas atmosphere. As described above, the alignment films 8 and 9 were formed on the glass substrates 2 and 3.
[0068]
Next, rubbing treatment was performed on the alignment films 8 and 9. The rubbing treatment on the alignment films 8 and 9 was performed so that the rubbing directions of the glass substrates 2 and 3 faced each other at an angle of about 10 °. By performing the rubbing treatment in this manner, it is possible to make the layer normal directions of the liquid crystal material coincide with each other on the surfaces of the glass substrates 2 and 3.
[0069]
The liquid crystal rubbing cloth used was rayon cloth having a hair tip diameter of 0.1 to 10 μm. The rubbing conditions were as follows: the roller rotation speed was 500 rpm, the substrate moving speed was 20 mm / s, and the pushing amount was 0.7 mm. The number of times of rubbing is one. After the rubbing treatment is performed on the alignment films 8 and 9 under the above conditions, the alignment films 8 and 9 are washed with an aqueous solution mainly containing a neutral surfactant to remove the rubbing cloth adhered to the alignment films 8 and 9 from the rubbing cloth. Dirt such as hair was removed.
[0070]
Next, spacer particles having a particle diameter of 2 μm were sprayed on the surface of the glass substrate 2 on which the alignment film 8 was formed. Further, an ultraviolet curable sealant was printed on the periphery of the surface of the glass substrate 3 on which the alignment film 9 was formed. These glass substrates 2 and 3 were bonded so that the surfaces on which the alignment films 8 and 9 were formed faced each other. In a state where the bonded glass substrates 2 and 3 are pressurized, the ultraviolet curable sealant is cured by irradiating ultraviolet rays, and further heated at a temperature of 160 ° C. for 1 hour, whereby a liquid crystal cell having a cell gap of 2 μm is formed. Was prepared.
[0071]
This liquid crystal cell is placed in a vacuum chamber, and after the inside of the liquid crystal cell is evacuated, the liquid crystal cell is heated to 120 ° C. through an injection port formed in advance in the periphery of the liquid crystal cell to form a isotropic phase-less thresholdless counter electrode. A ferroelectric liquid crystal composition was injected. In addition, this thresholdless antiferroelectric liquid crystal composition can be changed in phase between a solid phase, a smectic C phase, a smectic A phase, and an isotropic phase, and each has a phase transition temperature of -30 ° C, 80 ° C, and 85 ° C. ° C. The cone angle of this liquid crystal composition is 30 °. After injecting the liquid crystal composition, the injection port of the liquid crystal cell was sealed with an epoxy adhesive.
[0072]
Next, polarizing plates 10 and 11 were attached to both main surfaces of the liquid crystal cell, respectively. The polarizing plate 10 was attached to the glass substrate 2 so that φ = 8 °. The polarizing plate 11 was attached to the glass substrate 3 such that the polarizing direction of the polarizing plate 10 was different from that of the polarizing plate 10 by 90 °.
[0073]
As described above, a liquid crystal display element having a diagonal length of 15 inches was produced. A driving circuit (not shown) such as a driver IC was mounted on the liquid crystal display element, and the liquid crystal display element was housed in a bezel with a backlight, thereby producing a liquid crystal display device 1.
[0074]
In order to display all gradations in the liquid crystal display device 1, a dark display (α is 0 to 19 °) is performed by applying a positive voltage, and a bright display (α is 19 to 38 °) is performed. The test was performed by applying a voltage of the nature. In this case, θ is 8 to 27 ° and 11 to 30 °, respectively. When the applied voltage required to set θ = 8 ° was examined, it was 27% of the saturation voltage. Therefore, according to the liquid crystal display device 1, all gradations could be displayed without using a voltage region of less than 27% of the saturation voltage.
[0075]
Further, when this liquid crystal display device 1 was driven in a voltage range of 27% or more of the saturation voltage, it was confirmed that the response speed was high and no image sticking occurred.
(Example 2)
The liquid crystal display device 1 shown in FIGS. 1A and 1B was manufactured by the following method.
[0076]
First, a low pre-tilt angle polyimide (RN-1199 manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.) is offset on the surface of the glass substrate 2 on which the TFT elements 7 and the pixel electrodes 4 are formed in a matrix on one main surface. Printed. Also, the low pretilt angle polyimide was offset-printed on the surface of the glass substrate 3 on which the color filter layer 12, the black matrix, and the counter electrode 5 were provided on one main surface.
[0077]
After heating the polyimide films formed on these glass substrates 2 and 3 at 90 ° C. for 3 minutes using a hot plate,_Two Baking was performed at 220 ° C. for 30 minutes in a gas atmosphere. As described above, the alignment films 8 and 9 were formed on the glass substrates 2 and 3.
[0078]
Next, rubbing treatment was performed on the alignment films 8 and 9 under the same conditions as those described in Example 1. Note that the rubbing treatment on the alignment films 8 and 9 was performed so that the rubbing directions of the glass substrates 2 and 3 faced each other at an angle of about 5 °. By performing the rubbing treatment in this manner, it is possible to make the layer normal directions of the liquid crystal material coincide with each other on the surfaces of the glass substrates 2 and 3.
[0079]
Next, using these glass substrates 2 and 3, a liquid crystal cell was fabricated in the same manner as in Example 1. This liquid crystal cell is placed in a vacuum chamber, and after the inside of the liquid crystal cell is evacuated, the liquid crystal cell is heated to 120 ° C. through an injection port formed in advance in the periphery of the liquid crystal cell to form a isotropic phase-free thresholdless liquid crystal cell. A ferroelectric liquid crystal composition was injected. In addition, this thresholdless antiferroelectric liquid crystal composition is capable of phase change between a solid phase, a smectic C phase, a smectic A phase, and an isotropic phase, and has a phase transition temperature of −30 ° C., 80 ° C., and 85 ° C. ° C. The cone angle of this liquid crystal composition is 35 °. After injecting the liquid crystal composition, the injection port of the liquid crystal cell was sealed with an epoxy adhesive.
[0080]
Next, polarizing plates 10 and 11 were attached to both main surfaces of the liquid crystal cell, respectively. Note that the polarizing plate 10 was attached to the glass substrate 2 so that φ = 12 °. The polarizing plate 11 was attached to the glass substrate 3 such that the polarizing direction of the polarizing plate 10 was different from that of the polarizing plate 10 by 90 °.
[0081]
As described above, a liquid crystal display element having a diagonal length of 15 inches was produced. A driving circuit (not shown) such as a driver IC was mounted on the liquid crystal display element, and the liquid crystal display element was housed in a bezel with a backlight, thereby producing a liquid crystal display device 1.
[0082]
In order to display all gradations on the liquid crystal display device 1, dark display (α is 0 to 23 °) is performed by applying a positive voltage, and bright display (α is 22 to 45 °) is performed on the negative electrode. The test was performed by applying a voltage of the nature. In this case, θ is 12 to 35 ° and 10 to 33 °, respectively. When the applied voltage necessary for setting θ = 10 ° was examined, it was 28.5% of the saturation voltage. Therefore, according to the liquid crystal display device 1, all gradations could be displayed without using a voltage region of less than 28.5% of the saturation voltage.
[0083]
In the liquid crystal display device 1, when α is set to 22 to 23 °, the polarity of the applied voltage may be either positive or negative. However, if the frequency of the polarity change increases, the power consumption increases. Therefore, in the present embodiment, when α is set to 22 to 23 °, the polarity of the applied voltage is controlled to be the same as the polarity of the voltage applied to the immediately preceding frame.
[0084]
In addition, when this liquid crystal display device 1 was driven in a voltage range of 28.5% or more of the saturation voltage, it was confirmed that a very high response speed was obtained and no image sticking or the like was caused.
[0085]
(Example 3)
The liquid crystal display device 1 shown in FIGS. 1A and 1B was manufactured by the following method. In this example, an orientation treatment was performed as shown in FIG.
[0086]
First, alignment films 8 and 9 were formed on glass substrates 2 and 3 by the same method as that shown in Example 1. These alignment films 8 and 9 were subjected to a first rubbing treatment under the same conditions as described in Example 1. The rubbing direction was parallel to the layer normal direction 63-1 shown in FIG.
[0087]
Next, a negative photoresist (OMR-83 manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd.) was applied on the alignment films 8 and 9, and a stripe mask was formed by a photolithography process. The stripe-shaped mask was formed so as to have a half width of the pixel size and to cover each half area of the pixel with the mask. A second rubbing process was performed on the alignment films 8 and 9 from above the mask in a direction parallel to the layer normal direction 63-2 shown in FIG. That is, the second rubbing process was performed in a direction orthogonal to the rubbing direction of the first rubbing process. Note that the second rubbing treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that a mask was used.
[0088]
Next, the glass substrates 2 and 3 were immersed in a stripping solution to remove the mask, and then washed with a rinse solution. Further, by washing with an aqueous solution containing a neutral surfactant as a main component, dirt such as hair of the rubbing cloth adhered to the alignment films 8 and 9 was removed from the rubbing cloth. As described above, each of the alignment films 8 and 9 has, as shown in FIG. 8A, a first region 71 and a second region 72 whose orientation direction differs from that of the first region 71 by 90 °. Was formed.
[0089]
Next, using these glass substrates 2 and 3, a liquid crystal cell was fabricated in the same manner as in Example 1. This liquid crystal cell was placed in a vacuum chamber, and after the inside of the liquid crystal cell was evacuated, a DHF liquid crystal composition was heated to 120 ° C. and made into an isotropic phase from an injection port formed in advance around the liquid crystal cell. Things were injected. In addition, this DHF liquid crystal composition can be changed in phase between a solid phase, a smectic C phase, a smectic A phase, and an isotropic phase, and the respective phase transition temperatures are -30 ° C, 80 ° C, and 85 ° C. The cone angle of this liquid crystal composition is 24 °. After injecting the liquid crystal composition, the injection port of the liquid crystal cell was sealed with an epoxy adhesive.
[0090]
Observation of this liquid crystal cell with a polarizing microscope confirmed that the layer normal direction differs by 90 ° between the first region 71 and the second region 72 from their extinction positions. Next, polarizing plates 10 and 11 were attached to both main surfaces of the liquid crystal cell, respectively. Note that the polarizing plate 10 was attached to the glass substrate 2 so that φ = 6 °. The polarizing plate 11 was attached to the glass substrate 3 such that the polarizing direction of the polarizing plate 10 was different from that of the polarizing plate 10 by 90 °.
[0091]
As described above, a liquid crystal display element having a diagonal length of 15 inches was produced. A driving circuit (not shown) such as a driver IC was mounted on the liquid crystal display element, and the liquid crystal display element was housed in a bezel with a backlight, thereby producing a liquid crystal display device 1.
[0092]
In order to display all gradations in this liquid crystal display device 1, dark display (α is 0 to 15 °) is performed by applying a positive voltage, and bright display (α is 15 to 30 °) is performed by applying a negative voltage. The test was performed by applying a voltage of the nature. At this time, θ is 6 to 21 ° and 9 to 24 °, respectively. When the applied voltage required to set θ = 6 ° was examined, it was 25% of the saturation voltage. Therefore, according to the liquid crystal display device 1, all gradations could be displayed without using a voltage region of less than 25% of the saturation voltage.
[0093]
Further, when this liquid crystal display device 1 was driven in a voltage range of 25% or more of the saturation voltage, it was confirmed that the liquid crystal display device 1 had a wide viewing angle, a high response speed, and no image sticking.
[0094]
(Example 4)
The liquid crystal display device 1 shown in FIGS. 1A and 1B was manufactured by the following method. In this example, an orientation treatment was performed as shown in FIG.
[0095]
First, photosensitive polyimide (Provimide 408 manufactured by Fuji Hunt Co.) was spin-coated on a surface of the glass substrate 2 on which the TFT elements 7 and the pixel electrodes 4 were formed in a matrix on one main surface. . The photosensitive polyimide was also spin-coated on the surface of the glass substrate 3 on which the color filter layer 12, the black matrix, and the counter electrode 5 were provided on one main surface.
[0096]
The polyimide films formed on these glass substrates 2 and 3 were prebaked at 90 ° C. for 3 minutes using a hot plate, and then exposed and developed in a predetermined pattern. Further, this polyimide film is_Two Post-baking was performed at 220 ° C. for 30 minutes in a gas atmosphere. As described above, stripe (micro-groove) patterns were formed on the glass substrates 2 and 3 at intervals of 0.5 μm. When the stripe pattern is formed as described above, the liquid crystal molecules are aligned in parallel with the stripe. Therefore, the direction of the stripe is considered to be perpendicular to the layer normal direction.
[0097]
In the present embodiment, this stripe pattern is formed in a checkered pattern so that the direction differs between adjacent pixels, and as shown in FIG. 8B, the layer method of the pixel (first region) 71 is formed. The layer normal direction 63-2 of the pixel (second region) adjacent to the pixel 71 is controlled to form an angle of 22 ° with respect to the line direction 63-1.
[0098]
Next, using these glass substrates 2 and 3, a liquid crystal cell was fabricated in the same manner as in Example 1. This liquid crystal cell is placed in a vacuum chamber, and after the inside of the liquid crystal cell is evacuated, the liquid crystal cell is heated to 120 ° C. through an injection port formed in advance in the periphery of the liquid crystal cell to form a isotropic phase-free thresholdless liquid crystal cell. A ferroelectric liquid crystal composition was injected. In addition, this thresholdless antiferroelectric liquid crystal composition is capable of phase change between a solid phase, a smectic C phase, a smectic A phase, and an isotropic phase, and has a phase transition temperature of −30 ° C., 80 ° C., and 85 ° C. ° C. The cone angle of this liquid crystal composition is 35 °. After injecting the liquid crystal composition, the injection port of the liquid crystal cell was sealed with an epoxy adhesive.
[0099]
Next, polarizing plates 10 and 11 were attached to both main surfaces of the liquid crystal cell, respectively. The polarizing plate 10 was attached to the glass substrate 2 such that φ = 11 ° in the first region 71 and the second region 72. The polarizing plate 11 was attached to the glass substrate 3 such that the polarizing direction of the polarizing plate 10 was different from that of the polarizing plate 10 by 90 °.
[0100]
As described above, a liquid crystal display element having a diagonal length of 15 inches was produced. A driving circuit (not shown) such as a driver IC was mounted on the liquid crystal display element, and the liquid crystal display element was housed in a bezel with a backlight, thereby producing a liquid crystal display device 1.
[0101]
In order to display all gradations in the liquid crystal display device 1, dark display (α is 0 to 22.5 °) is performed by applying a positive voltage to the pixels in the first region, and a bright display is performed. The display (α is 22.5 to 45 °) was performed by applying a negative voltage. On the other hand, for the pixels in the second region, dark display (α is 0 to 22.5 °) is performed by applying a negative voltage, and bright display (α is 22.5 to 45 °) is applied to the positive polarity. By applying a voltage of In this case, θ is 11 to 3.5 ° and 11.5 to 34 °, respectively. When the applied voltage required to set θ = 11 ° was examined, it was 31% of the saturation voltage. Therefore, according to the liquid crystal display device 1, all gradations could be displayed without using a voltage region of less than 31% of the saturation voltage.
[0102]
When the liquid crystal display device 1 was driven in a voltage range of 31% or more of the saturation voltage, it was confirmed that the liquid crystal display device 1 had a wide viewing angle, a high response speed, and no image sticking. Further, in the liquid crystal display device 1, an effect of reducing the alignment breakdown was also recognized.
[0103]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, display is performed by constantly applying a voltage of a predetermined value or more to the liquid crystal layer. That is, display is performed without using a low voltage region in which the response speed is extremely low and hysteresis occurs. Therefore, according to the present invention, a liquid crystal material having a spontaneous polarization or having a spontaneous polarization induced by application of a voltage is used. An apparatus is provided.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view, respectively, of a liquid crystal display device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view schematically showing an example of a switching element used in the liquid crystal display device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between an applied voltage and a response time in a liquid crystal display device using a thresholdless antiferroelectric liquid crystal.
FIG. 4 is a graph showing a change in luminance with respect to application of a voltage in the liquid crystal display device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between applied voltage and transmission luminance in a liquid crystal display device using a thresholdless antiferroelectric liquid crystal.
FIGS. 6A and 6B are diagrams schematically illustrating a driving method of the liquid crystal display device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view schematically showing a driving method of the liquid crystal display device according to the embodiment of the present invention.
FIGS. 8A and 8B are diagrams schematically illustrating an example of an alignment process in a liquid crystal display device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view schematically showing an alignment state of liquid crystal molecules of a conventional liquid crystal display device using a thresholdless antiferroelectric liquid crystal.
[Explanation of symbols]
1,100 ... Liquid crystal display device
2,3,101,102 ... substrate
4,5 ... electrode
6,103 ... Liquid crystal layer
7 Switching element
8,9 ... Orientation film
10,11 ... Polarizing plate
12 ... Color filter layer
13: Spacer
15 ... Auxiliary capacitance line
16 ... Gate line
17 ... signal line
61, 62: transmission axis of polarizing plate
63-n, 106 ... layer normal direction
64-n, 105: Optical axis of liquid crystal layer
65, 66 ... range
71, 72 ... area
104: liquid crystal molecules
107-n: Direction of dipole moment of liquid crystal molecules
110-n ... state

Claims (3)

対向して配置され、それぞれの対向面に電極が形成された１対の基板、
前記１対の基板間に挟持され、固有に自発分極を有する、或いは所定の電場により自発分極を誘起される液晶材料から実質的になり、前記液晶材料は層状構造を呈し、その層法線方向と光軸とがなす角θが０Ｖから飽和電圧までの範囲内で印加する電圧の大きさに応じて連続的に変化する液晶層、及び、
表示可能な全階調の一部を表示する場合に前記電極間に印加する第１電圧の極性を第１極性とし、表示可能な全階調の残りを表示する場合に前記電極間に印加する第２電圧の極性を前記第１極性とは逆極性の第２極性とし、前記第１及び第２電圧を前記飽和電圧の３０％以上の範囲内で制御して、前記液晶材料の配向状態を変化させる制御手段を具備することを特徴とする液晶表示装置。A pair of substrates that are arranged to face each other and have electrodes formed on respective facing surfaces;
Sandwiched between the pair of substrates, have a unique spontaneous polarization, or Ri substantially name a liquid crystal material is induced spontaneous polarization by a predetermined electric field, the liquid crystal material exhibits a layered structure, the layer normal line A liquid crystal layer in which the angle θ between the direction and the optical axis continuously changes according to the magnitude of the voltage applied within a range from 0 V to a saturation voltage ; and
The polarity of the first voltage applied between the electrodes when displaying part of all displayable gray scales is set to the first polarity, and is applied between the electrodes when displaying the rest of all displayable gray scales. from the first polarity to the polarity of the second voltage and the second polarity of opposite polarity, by controlling the first and second voltage in the range of 30% or more of the saturation voltage, the alignment state of the liquid crystal material A liquid crystal display device comprising control means for changing. 前記駆動手段は、駆動時に、前記液晶材料のチルト角を７°〜４５°の範囲内で変化させることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。2. The liquid crystal display device according to claim 1, wherein the driving unit changes a tilt angle of the liquid crystal material within a range of 7 ° to 45 ° during driving. 3. 前記１対の基板の一方の電極が形成された面の裏面に設けられた第１の偏光板、及び
前記１対の基板の他方の電極が形成された面の裏面に、透過光軸が前記第１の偏光板の透過光軸と実質的に直交するように設けられた第２の偏光板をさらに具備し、
前記液晶材料の層法線方向と前記第１及び第２の偏光板のいずれか一方の透過光軸とがなす角φと、前記電極間に前記飽和電圧の３０％以上の電圧を印加した場合に液晶材料のチルト角が取り得る最小値θ _min と、前記液晶材料のコーン角θ_max とが下記不等式に示す関係を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示装置。
θ _min ≦φ≦θ_max A first polarizing plate provided on the back surface of the pair of substrates on which one electrode is formed, and a transmission optical axis on the back surface of the surface on which the other electrode of the pair of substrates is formed; Further comprising a second polarizing plate provided substantially orthogonal to the transmission optical axis of the first polarizing plate,
When an angle φ between the normal direction of the layer of the liquid crystal material and the transmission optical axis of one of the first and second polarizing plates and a voltage of 30% or more of the saturation voltage is applied between the electrodes. the liquid crystal display device according to claim 1 or 2, and the minimum value theta _min that can take the tilt angle of the liquid crystal material, and the cone angle theta _max of the liquid crystal material is characterized by satisfying the relationship shown below inequality.
θ _min ≦ φ ≦ θ _max

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