JPH08184837A

JPH08184837A - 液晶装置

Info

Publication number: JPH08184837A
Application number: JP34006494A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Shimamune; 正幸島宗; Masaaki Suzuki; 正明鈴木; Noriyuki Nakai; 法行中井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-12-29
Filing date: 1994-12-29
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】長時間駆動に伴う液晶分子の移動を抑制し、駆
動特性の悪化を防止する。【構成】液晶表示素子の製造に際しては、透明電極のパ
ターニングが終了したガラス基板２ａをエッチング液に
浸漬し、透明電極３ａの表面に凹凸Ｍ，…を形成する
（図６(a) 及び(b) 参照）。そして、この透明電極３ａ
を覆うようにして、無機絶縁膜５ａや有機配向膜６ａを
形成する。この有機配向膜６ａの表面には、前記凹凸
Ｍ，…に基づく凹凸Ｎ，…が形成される。このガラス基
板２ａを用いて液晶セルを組み立て、基板間隙に液晶を
注入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的には、強誘電性
液晶を注入した液晶装置に係り、特に、カイラルスメク
チック液晶を注入した液晶装置に用いて好適であり、詳
しくは液晶分子の移動を抑制する構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】強誘電性液晶分子の屈折率異方性を利用
して偏光素子との組み合わせにより透過光線を制御する
型の液晶表示素子（液晶装置）がクラーク（Ｃｌａｒ
ｋ）及びラガーウォル（Ｌａｇｅｒｗａｌｌ）により提
案されている（特開昭５６−１０７２１６号公報、米国
特許第４３６７９２４号明細書等）。

【０００３】この強誘電性液晶は、一般に特定の温度域
において、非らせん構造のカイラルスメクチックＣ相
（ＳｍＣ^* ）又はＨ相（ＳｍＨ^* ）を有し、この状態に
おいて、加えられる電界に応答して第１の光学的安定状
態と第２の光学的安定状態のいずれかを取り、且つ電界
の印加のないときはその状態を維持する性質、すなわち
双安定性を有し、また電界の変化に対する応答も速やか
である。そのため、この強誘電性液晶を有する液晶表示
素子は、高速ならびに記憶型の表示素子としての広い利
用が期待されており、特にその機能から大画面で高精細
なディスプレイへの応用が期待されている。

【０００４】ところで、この液晶表示素子（双安定性を
有する液晶を用いた光学変調素子）が所定の駆動特性を
発揮するためには、一対の平行基板間に挟持される液晶
が、電界の印加状態とは無関係に上記２つの安定状態の
間での変換が効果的に起こるような分子配列状態にある
ことが必要である。

【０００５】また、液晶の複屈折を利用した透過型の液
晶表示素子の場合、直交ニコル下での透過率は次式で表
される。

【０００６】

【数１】但し、Ｉ₀ ；入射光強度、Ｉ；透過光強度、 θ ；チルト角、 Δｎ；屈折率異方性、ｄ；液晶層の膜厚、 λ ；入射光の波長。

【０００７】ここで、上式中のチルト角θは、第１と第
２の配向状態でのねじれ配列した液晶分子の平均分子軸
方向の角度として現れることになる。そして、液晶表示
素子の透過率を大きくして表示品質を良好にするために
は、上式よりチルト角θを２２．５度に設定すれば良い
ことが理解できる。

【０００８】一方、このような強誘電性液晶、特に非ら
せん構造のカイラルスメクチック液晶の配向方法は、例
えば米国特許第４５６１７２６号公報に記載されてい
る。そして、ラビング処理方法は、大きな面積に亘っ
て、スメクチック液晶を形成する複数の分子で組織され
た分子層を、その法線に沿って一軸方向に配向させるこ
とができ、製造プロセスも簡単であるという点で好まし
い。

【０００９】ここで、スメクチック層のシェブロン構造
を含む配向を、図１に沿って、Ｃ１及びＣ２の２種類の
配向モデルで説明する。図１において、符号３１はスメ
クチック層を、符号３２はＣ１配向領域を、符号３３は
Ｃ２配向領域を、それぞれ示している。

【００１０】スメクチック液晶は、一般に層構造を持つ
が、ＳｍＡ相からＳｍＣ相またはＳｍＣ^* 相に転移する
と層間隔が縮むので、図１に示すように、層が上下基板
（２ａ，２ｂ）の中央付近で折れ曲がった構造（シェブ
ロン構造）をとる。ここで、折れ曲がる方向（配向状
態）は、図１に示すように、Ｃ１とＣ２の２つ有り得る
が、良く知られているようにラビングによって基板界面
の液晶分子は基板に対して角度をなし（プレチルト）、
その方向はラビング方向Ａに向かって液晶分子が頭をも
たげる（先端が浮いた格好になる）向きである。このプ
レチルトのためにＣ１配向とＣ２配向とは弾性エネルギ
ー的に等価でなく、ある温度で転移が起こることがあ
る。また、機械的な歪みで転移が起こることもある。図
１の層構造を平面的に見ると、ラビング方向Ａに向かっ
てＣ１配向からＣ２配向に移るときの境界３４はジグザ
グの稲妻状でライトニング欠陥と呼ばれ、Ｃ２配向から
Ｃ１配向に移るときの境界３５は幅の広いゆるやかな曲
線状で、ヘアピン欠陥と呼ばれる。

【００１１】ここで、強誘電性液晶を配向するためにラ
ビング処理が施された一対の基板を備え、該一対の基板
を、ラビング方向が相互にほぼ平行で同一方向になるよ
うに対向配置した液晶表示素子において、強誘電性液晶
のプレチルト角をαとし、チルト角（コーン角の１／
２）をΘとし、ＳｍＣ^* 層の傾斜角をδとし、強誘電性
液晶は、次式で表される配向状態を有するようにする
と、Ｃ１配向状態に於いてシェブロン構造を有する４つ
の状態が存在する。

【００１２】

【数２】Θ＜α＋δ この４つのＣ１配向状態は、従来のＣ１配向状態とは異
なっており、なかでも４つのＣ１配向状態のうちの２つ
の状態は、双安定状態（ユニフォーム状態）を形成して
いる。ここで、無電界時のみかけのチルト角をθａとす
れば、Ｃ１配向状態における４つの状態のうち、次式の
関係を示す状態をユニフォーム状態という。

【００１３】

【数３】Θ＞θａ＞Θ／２ユニフォーム状態においては、その光学的性質からみて
液晶分子（ダイレクタ）が上下基板間でねじれていない
と考えられる。図２(a) はＣ１配向の各状態における基
板間の各位置でのダイレクタの配置を示す模式図であ
る。図中５１〜５４は各状態においてダイレクタをコー
ンの底面に投影し、これを底面方向から見た様子を示し
ており、Ｃダイレクタといわれる。この図で、符号５１
および５２がスプレイ状態、符号５３および５４がユニ
フォーム状態と考えられるＣダイレクタの配置である。
同図から分かるとおり、ユニフォームの２状態５３と５
４においては、上下いずれかの基板界面の液晶分子の位
置がスプレイ状態の位置と入れ替わっている。図２(b)
はＣ２配向を示しており、界面のスイッチングはなく内
部のスイッチングで２状態５５と５６がある。このＣ１
配向のユニフォーム状態は、従来用いていたＣ２配向に
おける双安定状態より大きなチルト角θａを生じ、輝度
大きくしかもコントラストが高い。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなユニフォーム状態の液晶表示素子を長時間駆動し続
けると、液晶分子が移動し、一方のセル端部のセル厚が
増加して該セル端部が黄色に色付くと共に（以下この現
象を“黄変”とする）、他方のセル端部には空隙が発生
する。そして、この液晶分子の移動に伴って、液晶表示
素子の駆動特性が不均一になるという問題があった。

【００１５】なお、この液晶分子の移動方向はラビング
方向と液晶分子の平均分子軸方向とによって決まる。す
なわち、液晶がスイッチングしない程度の適当な交流電
界を液晶表示素子に印加し、液晶分子の平均分子軸方向
が図３の符号２１で示すものであり、かつラビング方向
が同図の符号２０で示す方向であるとすると、この場合
には液晶分子の移動方向は、ラビング方向２０に対して
垂直な方向（矢印２２で示す方向）となる。そして、こ
の場合には、図３(b) に示すセル端部２３のセル厚が増
加し、該端部にて黄変が発生することとなる。また、液
晶分子の平均分子軸方向が符号２１′となるように電界
を印加した場合には、液晶分子の移動方向は逆となる。
但し、ここでは自発分極の向きが負である液晶材料を用
いた場合について述べている。また、本発明者が、ポリ
イミド膜によるハイプレチルト配向構造を有する非らせ
ん構造の強誘電性液晶表示素子を用い、図４に示すよう
に白又は黒の定型パターンを書き込んだところ、各表示
領域における液晶分子は、それぞれ矢印Ｂ，Ｃに示す方
向に移動することが確認された。この場合にはセル端部
６５にて黄変が発生し、セル端部６７にて空隙領域が発
生した。ここで、ラビング方向は符号Ａで示している。

【００１６】なお、上述のように液晶分子が移動する原
因は解明されてはいないが、本発明者は、駆動パルスに
よる交流的な電界で液晶分子の双極子モーメントが揺ら
ぐことにより発生する電気力学的効果によるものと推察
している。また、上述のように液晶分子の移動方向がラ
ビング方向に依存することから、この移動現象は基板界
面でのプレチルトの状態に依存していることが推測され
る。

【００１７】そこで、本発明は、電極の表面に凹凸を形
成することに基づき薄膜の表面に凹凸を形成することに
より、液晶分子の移動を抑えて表示品質を良好に保つ液
晶装置を提供することを目的とするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述事情に鑑
みなされたものであって、相対向するように配置された
一対の基板と、これら各基板に形成された電極と、該電
極を覆うように配置された薄膜と、前記一対の基板間に
挟持された液晶と、を備えた液晶装置において、前記電
極の表面に凹凸が形成され、かつ、前記薄膜の表面に前
記電極の凹凸に基づく凹凸が形成された、ことを特徴と
する。この場合、前記液晶が、強誘電性液晶であり、か
つ、そのチルト角をΘとし、見かけのチルト角をθａと
した場合に、Θ＞θａ＞Θ／２なる関係を有するユニフ
ォーム配向である、ようにすると好ましい。

【００１９】

【作用】以上構成に基づき、液晶装置を駆動したときに
液晶分子が移動しようとしても、該液晶分子の移動は、
前記薄膜の表面に形成された凹凸によって抑制される。

【００２０】

【実施例】以下、図５乃至図７に沿って、本発明の実施
例について説明する。

【００２１】本実施例に係る液晶表示素子（液晶装置）
１は、図５に示すように、２枚のガラス基板２ａ，２ｂ
を備えており、各ガラス基板２ａ，２ｂの表面にはＩＴ
Ｏからなる透明電極３ａ，…，３ｂ，…がそれぞれ形成
されている。また、この透明電極３ａ，…，３ｂ，…を
覆うようにして無機絶縁層５ａ，５ｂが形成されてお
り、各無機絶縁層５ａ，５ｂの表面には有機配向膜（薄
膜）６ａ，６ｂが形成されている。なお、絶縁層５ａ，
５ｂは、タンタルの酸化物（ＴａＯ_X ）を真空スパッタ
リングすることにより形成されており、その厚さは６０
０Åである。また、上述した有機配向膜６ａ，６ｂには
ラビング処理が施されている。そして、このような構成
のガラス基板２ａ，２ｂはスペーサ７，…を介して貼り
合わされており、その間隙には一様なユニフォーム配向
を有する強誘電性液晶９が挟持されている。

【００２２】ところで、本実施例においては、透明電極
３ａ，…の表面には、図６(b) に詳示するように微細な
凹凸Ｍ，…が形成されており、この凹凸Ｍに基づき、配
向膜６ａの表面にも凹凸Ｎ，…が形成されている。な
お、他方の透明電極３ｂ，…及び配向膜６ｂの表面にも
同様に凹凸が形成されている。

【００２３】次に、透明電極３ａ，…の製造方法につい
て、図６(a) 〜(d) に沿って説明する。

【００２４】透明電極３ａ，…を製造するには、まず、
ガラス基板２ａの表面にスパッタ装置によってＩＴＯ膜
１０を形成する。ここで、ＩＴＯ膜１０は、膜厚が１５
００Åであり、結晶格子指数が２，２，２面と４，０，
０面をピーク強度比で２：１の比でできている。なお、
スパッタ条件としては、基板２ａの加熱温度；３５０℃ スパッタ圧力；５ mTorr Ａｒ／Ｏ₂ ；２００／１スパッタ時間；１０００秒放電パワー；０．７ｋＷである。次に、フォトリソグラフィ法によってＩＴＯ膜
１０をパターニングする。なお、このパターニングに際
しては、エッチング液としてヨウ化水素酸９７部，次亜
燐酸３部（容量比）の混合液を用い、液温が４５℃の混
合液に１００秒間浸漬することとした。さらに、該エッ
チング終了後にフォトレジストを剥離し、前記混合液に
２０秒間浸漬することとした。上述したＩＴＯ膜１０
は、微細に結晶性の違う領域の集合体であるため、微視
的には耐腐食性が異なる。したがって、エッチング液へ
の浸漬により、耐腐食性に劣る部分がより多く腐食され
る。その結果、透明電極３ａ，…の表面には、高さが３
００〜５００Å、厚さが０．１〜１．０μｍの多数の凹
凸Ｍ，…が形成されることとなる（図７(a) 及び(b) 参
照）。そして、この透明電極３ａ，…の表面には絶縁層
５ａをスパッタ法によって形成し、さらに絶縁層５ａの
表面には配向膜６ａを形成する。

【００２５】次に、本実施例の効果について説明する。

【００２６】本実施例によれば、液晶表示素子１をマル
チプレクシング駆動した場合でも、液晶分子の移動や黄
変の発生は阻止され、セル厚の増大や空隙の発生が防止
される。その結果、液晶表示素子の駆動特性は均一化さ
れ、良好な表示が維持される。なお、このように液晶分
子の移動が抑制されるのは、配向膜表面の凹凸Ｎ，…が
ＳｍＣ^* 層の連続一様性を画素内において崩し、液晶分
子の移動トルクの中心になる部位が液晶層の方向に不連
続となり、液晶移動の速度が著しく低減されるためと考
えられる。但し、この凹凸Ｎ，…は、配向の一様性が損
なわれない範囲で形成することが必要である。

【００２７】なお、本発明者が液晶表示素子を実際に作
成し、駆動電圧Ｖ_OP＝２０Ｖを印加して５００時間の耐
久テストを行なったところ、液晶分子の移動による黄変
現象は全く観察されなかった。これに対し、透明電極３
ａ，…，３ｂ，…の表面に凹凸を形成せず、他の条件は
同一で液晶表示素子を製造し、その液晶分子の移動を観
察したところ、数十時間の駆動で黄変現象が観察され、
本発明の効果が確認された。

【００２８】また、本実施例によれば、フォトリソ工程
に使用するエッチング液を用いて凹凸Ｍ，…を形成する
ようにしたため、凹凸Ｍ，…の形成が簡単である。ま
た、エッチング液への浸漬時間を設定することにより、
凹凸Ｍ，…の形状を簡単に変えることができ、液晶分子
の移動を最適に抑制することができる。

【００２９】なお、プレチルト角αの測定は以下の方法
により行った。

【００３０】すなわち、「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｖｏ．１１９（１９８０）Ｎｏ．１０．Ｓｈｏ
ｒｔＮｏｔｅｓ２０１３」に記載されている方法
（クリスタルローテーション法）に従って求めた。な
お、測定用のセルは上下界面での液晶の傾きが平行かつ
反対方向になるように２枚の基板を張り合わせて作成し
た（セル厚２０μｍ）。また、液晶には、０〜６０℃の
範囲でＳｍＡ相を有するものを使用した。そして、この
液晶セルを上下基板に垂直かつ配向処理軸を含む面で回
転させながら、回転軸と４５°の角度をなす偏光面を持
つヘリウム・ネオンレーザー光を回転軸に垂直な方向か
ら照射して、その反対側で入射偏光面と平行な透過軸を
持つ偏光板を通してしてホトダイオードで透過光強度を
測定した。そして、干渉によってできた透過光強度の双
曲線群の中心となる角と液晶セルに垂直な線とのなす角
をφｘとし、下式に代入してプレチルト角θａを求め
た。

【００３１】

【数４】ここで、ｎｏ；常光屈折率ｎｅ；以上光屈折率なお、上述実施例においては無機絶縁層５ａ，５ｂの材
質をタンタルの酸化物（ＴａＯ_X ）としたが、もちろん
これに限る必要はなく、チタン−シリコン膜（Ｔｉ−Ｓ
ｉ、東京応化製、商品名“ＭＯＦ”）を用いてもよい。
また、上述実施例においては、無機絶縁層５ａ，５ｂを
真空スパッタリングによって形成するものとしたが、も
ちろんこれに限る必要はなく、例えば印刷法によって形
成するようにしてもよい。本発明者が、チタン−シリコ
ン膜を印刷法によって形成し、これを３００℃の温度で
焼結して液晶表示素子を作成し、液晶の移動を観察した
ところ、該移動が抑制されていることが確認された。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
長時間駆動に際する液晶の移動を抑制でき、セル厚の変
化を防止し、駆動特性を均一に維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】スメクチック層の配向モデルを示した図。

【図２】(a) はＣ１配向の各状態における基板間の各位
置でのダイレクタの配置を示す模式図、(b) はＣ２配向
を示す模式図。

【図３】(a) はラビング方向と液晶の移動方向との関係
を説明するための図、(b) は液晶の移動に伴い黄変する
領域等を説明するための図。

【図４】液晶分子の移動状態の一例を示す平面図。

【図５】本発明に係る液晶表示素子の構造を説明するた
めの断面図。

【図６】本発明に係る液晶表示素子の製造方法を説明す
るための図。

【図７】電極の表面の粒子構造を示した図面に代わる写
真であり、(a) は１万倍に拡大したもの、(b) は５万倍
に拡大したもの。

【符号の説明】

１液晶表示素子（液晶装置）２ａ，２ｂガラス基板（基板）３ａ，…，３ｂ，… 透明電極（電極）６ａ，６ｂ有機配向膜（薄膜）９強誘電性液晶（液晶）Ｍ，… 凹凸（電極の表面に形成された凹凸）Ｎ，… 凹凸（電極の凹凸に基づき薄膜の表面に形成
された凹凸）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対向するように配置された一対の基板
と、これら各基板に形成された電極と、該電極を覆うよ
うに配置された薄膜と、前記一対の基板間に挟持された
液晶と、を備えた液晶装置において、前記電極の表面に凹凸が形成され、かつ、前記薄膜の表面に前記電極の凹凸に基づく凹凸が形成さ
れた、ことを特徴とする液晶装置。
【請求項２】前記液晶が、強誘電性液晶であり、か
つ、そのチルト角をΘとし、見かけのチルト角をθａと
した場合に、 Θ＞θａ＞Θ／２なる関係を有するユニフォーム配向である、ことを特徴とする請求項１記載の液晶装置。