JP4797451B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶の双安定性を利用した液晶表示装置に関する。より詳しくは、液晶に双安定性を付与する為グレーティング層を利用した表示装置の電極構造に関する。

双安定性を利用した液晶表示装置は、液晶の２つの安定状態を電圧印加で切り替える事により表示を行う。電圧印加後次の切り替えまで表示状態を無電力にて維持できる為、いわゆるメモリ性を有する。電源をオフしても表示された画像を永久的に保持できる事から、従来の表示素子にない有意な特徴を有する。このため双安定性液晶表示装置は従来にない新規なアプリケーションへの応用が期待されている。しかしながら、メモリ性を維持できるデバイス構造は、現在のところ表示切替の為の駆動電圧が著しく高く、アプリケーションの上で制約があり普及の障害となっている。また構造上も、有機物層が直接液晶分子と接触する為、有機物層に含まれる可動イオンの影響により信頼性にも悪影響を与えている。

近年、液晶に双安定性を付与する為グレーティング層を利用した液晶表示装置が開発されており、以下の特許文献１に記載がある。この液晶表示装置は、基本的に所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、この間隙に保持された液晶とからなる。一対の基板には液晶に駆動電圧を印加する為にそれぞれ電極が形成されている。一対の基板の一方には、厚みが周期的に変化するグレーティング層が形成されている。このグレーティング層は両基板の間隙に保持された液晶に作用して、２つの安定状態を発現可能な双安定性を付与する。液晶は、両基板に形成された電極に印加される駆動電圧に応答して２つの安定状態の間で切り替わり、以って基板に入射する光の透過率を制御する。
特表平１１‐５１３８０９号公報

上述した液晶表示装置は、電極上にポリマー樹脂あるいはレジスト樹脂などでグレーティング層を形成し、その表面を活性化させるのみで、液晶に双安定性を付与している。しかしながらこの構造では、液晶と電極との間に樹脂の層が介在する為、樹脂層による電圧降下が著しく、２つの安定状態を切り替える為に必要な駆動電圧（ラッチング電圧）が３０Ｖ以上と著しく高く、実用に供する上で解決すべき課題となっている。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は双安定性液晶表示装置の駆動電圧を下げる為に有用な電極構造を提供する事を目的とする。かかる目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明は、所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された液晶とからなり、一対の基板には該間隙に保持された液晶に駆動電圧を印加するために夫々電極が形成されており、一対の基板の少なくとも一方には、厚みが周期的に変化するグレーティング層が形成されており、前記グレーティング層は該間隙に保持された液晶に作用して、二つの安定状態を発現可能な双安定性を付与し、前記液晶は、該電極に印加された駆動電圧に応答して二つの安定状態の間で切り替わり、以って基板に入射する光の透過率を制御可能な液晶表示装置において、前記一方の基板は、その上に該グレーティング層が形成され、更に該グレーティング層の表面に該電極が形成されており、該グレーティング層を介することなく該駆動電圧を直接該液晶に印加可能にしたことを特徴とする。

好ましくは前記一方の基板は、該電極の表面に所定の活性化処理が施されており、該電極の表面に接する液晶の分子にホメオトロピック配向に準じたプレチルト角を付与する。この場合、前記電極はパルス状の駆動電圧を該液晶に印加し、以って該液晶は該パルス状の駆動電圧に応答して二つの安定状態の間で切り替わり、且つ該パルス状の駆動電圧が解除された後該切り替わった安定状態を維持する。又前記一対の基板の他方は、該電極の表面に所定の配向処理が施されており、該電極の表面に接する液晶をホモジニアスに配向する。一態様では、前記一対の基板の片方は、該電極が複数の画素電極としてマトリクス状に形成されており、且つ個々の画素電極に駆動電圧を印加するためにスイッチング素子が形成されており、前記一対の基板のもう片方は、該電極が対向電極として形成されており、液晶を間にして複数の画素電極に対向している。

本発明によれば、基板の上にグレーティング層を形成し、その上に電極を設けている。換言すると、電極は液晶とグレーティング層との間に介在している。かかる構成により、グレーティング層を介する事なく駆動電圧を直接液晶に印加できる。この様にしてグレーティング層による実効電圧の低下を防ぎ、２つの安定状態をスイッチングする為の駆動電圧を引き下げる事が可能となり、双安定性液晶表示装置の低電圧化に寄与する事ができる。また液晶に対して効率的に駆動電圧を印加する事ができ、良好なスイッチング駆動が可能である。加えて、樹脂などからなるグレーティング層と液晶との間に電極を介在させる事で、樹脂中に含まれる可動イオンを電極でブロックする事ができ、液晶表示装置の高い信頼性を維持する事が可能である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明にかかる液晶表示装置の第１実施例を示す模式的な断面図である。図示するように、本液晶表示装置は、所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板１，２と、この間隙に保持された液晶３とからなる。一対の基板１，２には、両者の間隙に保持された液晶３に駆動電圧を印加する為にそれぞれ電極４，５が形成されている。一対の基板１，２の少なくとも一方には、厚みが周期的に変化するグレーティング層６が形成されている。本実施例では、基板１の上に下地膜１０を介してグレーティング層６が形成されている。このグレーティング層６は、一対の基板１，２の間隙に保持された液晶３に作用して、２つの安定状態を発現可能な双安定性を付与する。液晶３は、上下の電極５，４間に印加された駆動電圧Ｖ１に応答して２つの安定状態の間で切り替わり、以って基板１または２に入射する光の透過率を制御可能である。本発明の特徴事項として、一方の基板１は、その上にグレーティング層６が形成され、さらにグレーティング層６の表面に電極４が形成されている。換言すると、グレーティング層６と液晶３との間に電極４が介在している。かかる構成により、グレーティング層６を介する事なく駆動電圧Ｖ１を直接液晶３に印加する事ができる。

駆動電圧Ｖ１がそのまま液晶３に印加される為、実効電圧の低下が生じない。その分駆動電圧Ｖ１を予め低く設定する事ができる。また駆動電圧Ｖ１を効率的に液晶３に印加できる為、良好なスイッチング駆動を実現可能である。さらに、グレーティング層６に含まれる可動イオンや不純物を電極４で液晶３からブロックできる為、信頼性も高くなる。

一方の基板１は、電極４の表面に所定の活性化処理が施されており、電極４の表面に接する液晶３の分子にホメオトロピック配向に準じたプレチルト角を付与している。具体的には、電極４の表面にシランカップリング剤などの表面活性層７が形成されている。

本実施例では、上下の基板１，２に形成された電極４，５が、パルス状の駆動電圧Ｖ１を液晶３に印加している。これにより、液晶３はパルス状の駆動電圧Ｖ１に応答して２つの安定状態の間で切り替わる。さらに、パルス状の駆動電圧Ｖ１が解除された後切り替わった安定状態をそのまま維持する。即ち、本液晶表示装置はメモリ性を有する。そしてメモリを書き換える為に、極性反転した電圧パルスを用いている。

他方の基板２は、電極５の表面に所定の配向処理が施されている。本実施例では、例えばポリイミドからなる配向膜８が形成されており、電極５の表面に接する液晶をホモジニアスに配向している。但し本発明はこれに限られるものではなく、配向膜８は液晶３をホメオトロピックに配向するものであっても良い。図は、ホメオトロピックな配向状態を例示している。

下側の基板１は、電極４が複数の画素電極としてマトリクス状に形成されている。また図示しないが、下側の基板１には個々の画素電極４に駆動電圧Ｖ１を印加する為にスイッチング素子が形成されている。このスイッチング素子は薄膜トランジスタＴＦＴなどで作製されている。本実施例では、基板１にスイッチング素子としてＴＦＴが集積形成されているので、以下基板１をＴＦＴ基板と呼ぶ場合がある。一方、上側の基板２には、電極５が対向電極として形成されており、液晶３を間にして複数の画素電極４に対向している。上側の基板２には各画素を着色する為にカラーフィルタ１１が形成されており、平坦化膜１２を介してその上に対向電極５が形成されている。以下カラーフィルタ（ＣＦ）１１が形成された基板２をＣＦ基板と呼ぶ場合がある。この様に図１の実施例は画素電極と対向電極を組み合わせ且つ画素電極をＴＦＴで駆動したアクティブマトリクス型である。但し本発明はこれに限られるものではなく、電極４を行状に形成し、電極５を列状に形成して、いわゆる単純マトリクス構造とした液晶表示装置も包含する。

引き続き図１を参照して、第１実施例の具体的な構成並びに製造方法を詳細に説明する。ＴＦＴ基板１は、対角寸法が３．８６ｃｍで、１８万個の画素電極４がマトリクス状に形成されている。個々の画素電極４の寸法は、８０μｍ×４０μｍ程度である。個々の画素電極４を駆動する為、低温ポリシリコンＴＦＴも集積形成されている。予め薄膜半導体プロセスでＴＦＴが集積形成された基板１を純水にて表面洗浄し、アクリル系のフォトポリマー樹脂をコーティングする。コーティングされたフォトポリマー樹脂にエンボシング法で所定の凹凸パターンを転写し、グレーティング層６に加工する。このグレーティング層６に紫外線を照射し、硬化して凹凸パターンを固定する。形成したグレーティングのピッチは１．０μｍで深さは０．８μｍである。また、所定の方位に液晶３の分子を整列させる為、グレーティング層６の凹凸面に１５°の傾斜角を付与している。この様にして作製したグレーティング層６の表面に、常温スパッタ法でＩＴＯを１５５ｎｍ成膜する。ＩＴＯは透明導電材料である。一般に、ＩＴＯの厚みは５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下が適当である。これをエッチングでパターニングする事により、個々の画素電極４に加工している。その後、画素電極４の上に表面活性層７を形成する。この表面活性層７は、液晶３の分子にホメオトロピック配向に準ずるプレチルト角を誘発させるものであって、例えばシランカップリング剤などの表面活性剤が用いられる。

一方上側の基板２は、カラーフィルタ１１を形成した後、平坦化層１２を介してＩＴＯを例えば１５５ｎｍの厚みで成膜し、これを対向電極５とする。さらに対向電極５の上に配向膜８を形成する。この配向膜８は例えばポリイミド膜をコーティングしたもので、所定の方向にラビング処理が施されている。これにより、液晶３の分子をラビング方向にホモジニアス配向させると共に、約７．５°のプレチルト角を付与している。ポリイミドからなる配向膜８の厚みは例えば３５ｎｍである。

この様にして作製されたＣＦ基板２は３．５μｍの間隙を介してＴＦＴ基板１に張り合わされる。両基板１，２の間隙にはネマチック液晶３が注入され、双安定性の液晶セルが完成する。この液晶セルに画素単位で生じる透過率変化を画像として取り出す為、上下から偏光板が装着されている。図示しないが、一対の偏光板は、その偏光軸を配向軸に直交させた配置でありいわゆるノーマリーホワイト表示とした。

図２は、液晶表示装置の第１比較例を示す模式的な断面図である。基本的には図１に示した第１実施例と同様であり、対応する部分には対応する参照番号を付与して理解を容易にしている。異なる点は画素電極４とグレーティング層６の位置が逆転している事である。即ちＴＦＴ基板１の上に下地膜１０を介して画素電極４が形成されており、その上にグレーティング層６を配置している。この為、液晶３にはグレーティング層６を介して駆動電圧Ｖ２が印加される事になる。この場合、グレーティング層６で電圧降下が生じる為、液晶３に印加される実効電圧が低下する。その分、第１比較例の定格駆動電圧Ｖ２は、図１に示した第１実施例の定格駆動電圧Ｖ１よりも高く設定する必要がある。

図３は、本発明にかかる液晶表示装置の第２実施例を示す模式的な断面図である。理解を容易にする為、図１に示した第１実施例と対応する部分には対応する参照番号を付してある。異なる点は、本実施例がＣＦ基板２側にグレーティング層６を形成している事である。図示のように、ＣＦ基板２にグレーティング層６を形成した後、ＩＴＯからなる透明対向電極５を形成し、その上に表面活性層７を形成している。この表面活性層７は液晶３の分子にホメオトロピックに準ずるプレチルト角を誘発させる為に、所定の表面活性剤で形成されている。一方、基板１には予め薄膜半導体プロセスでＴＦＴからなるスイッチング素子９が形成されている。このＴＦＴ基板１にはさらに画素電極４も形成されている。このＴＦＴ基板１の表面を純水にて洗浄した後、ポリイミドをコーティングして配向膜８を形成する。配向膜８は所定の方向にラビング処理を施されており、液晶３の分子は所定のプレチルト角でラビング方向にホモジニアス配向している。本実施例ではポリイミド配向膜８の厚みは４５ｎｍである。またプレチルト角は８．２°である。この様にして配向処理が終わったＴＦＴ基板１及びＣＦ基板２は３．５μｍのセルギャップとなるように張り合わせた後、両者の間にネマチック液晶３が注入され、液晶セルが完成する。偏光板配置は第１実施例と同様に、配向軸に偏光軸を直交させたノーマリーホワイトモードとしてある。

図４は、液晶表示装置の第２比較例を示す模式的な断面図である。基本的には図３に示した第２実施例と同様であり、理解を容易にするため対応する部分には対応する参照番号を付してある。異なる点は、グレーティング層６と対向電極５の位置が逆転していることである。図示するように、ＣＦ基板２の上にカラーフィルタ１１を介して対向電極５が形成されており、さらにその上にグレーティング層６が形成されている。したがって、駆動電圧Ｖ４はグレーティング層６を介して液晶３に印加される為、その分実効電圧が低下する。したがって第２比較例の定格駆動電圧Ｖ４は、図３に示した第２実施例の定格駆動電圧Ｖ３に比べて高く設定する必要がある。

図５は、図１または図３に示した実施例で行われるグレーティング層の製造方法を示すフローチャートである。まずステップＳ１で、グレーティング層を形成しようとする基板を用意し、その表面を洗浄する。第１実施例の場合、ＴＦＴ基板が処理対象となる。第２実施例の場合ＣＦ基板が処理対象となる。ステップＳ１で行われる基板洗浄は、ＴＦＴ基板もしくはＣＦ基板のいずれか一方である。

続いてステップＳ２で、洗浄済みの基板の表面に感光性ポリマーを所定の厚みで塗布する。さらにステップＳ３で、塗布された感光性ポリマーの層にインプリント成型を行う。このインプリント成型は、予め所定の周期で凹凸パターンが形成された原盤を感光性ポリマー層に押圧し、凹凸パターンを感光性ポリマー側に転写するものである。この転写された凹凸パターンがグレーティングを構成する。このインプリント成型はエンボス加工とも呼ばれる。この後ステップＳ４で原盤と反対側から紫外線を照射し、感光性ポリマーを硬化する。基板は透明であり、紫外線を透過して感光性ポリマーを硬化する事ができる。この紫外線硬化処理により、感光性ポリマーに転写されたグレーティングはその形状が固定される。続いてステップＳ５で原盤を基板から離型する。さらにステップＳ６でグレーティング層の表面を洗浄する。

ステップＳ７に進み、ＩＴＯなどの透明導電材料をグレーティング層の表面にスパッタし、電極を形成する。さらにステップＳ８で、電極の上に垂直配向処理を施す。この垂直配向処理は例えばシランカップリング剤などの表面活性剤を電極の表面に適用したものであり、液晶の分子をホメオトロピック配向（垂直配向）するものである。この場合、適切な表面活性剤を選択する事で、液晶の分子を垂直方向から若干偏らせ、以って所定のプレチルト角を付与する事ができる。以下ステップＳ９で通常のセル組立工程を行い、双安定性の液晶セルを完成する。

図６は、図１ないし図４に示した実施例及び比較例の動作説明に供する模式図である。前述したように、双安定性の液晶表示装置は、駆動電圧の印加により第１安定状態と第２安定状態とをスイッチングする事ができる。図６は、第１安定状態を（Ａ）に示し、第２安定状態を（Ｂ）で示してある。

第１安定状態（Ａ）では、液晶３はいわゆるＨＡＮ配向となっている。そこで本明細書は第１安定状態をＨＡＮ状態と呼ぶ。ＨＡＮ状態では、グレーティング層６の形成された基板１または２側で、液晶３の分子がほぼホメオトロピック配向している。一方グレーティング層６の形成されていない基板２または１側で、液晶３の分子はホモジニアス配向となっている。この様に、液晶セルの一方の面でホメオトロピック配向となり、他方の面でホモジニアス配向となっている整列状態が、いわゆるＨＡＮ配向である。

これに対し第２安定状態（Ｂ）は液晶３の分子がいわゆるツイストネマチック（ＴＮ）配向となっている。そこで本明細書はこの第２安定状態（Ｂ）をＴＮ状態と呼ぶ場合がある。ＴＮ状態では、グレーティング層６の形成された基板１または２側で液晶３の分子の配向状態が切り替わっており、ホメオトロピック配向から所定のプレチルト角を伴ったホモジニアス配向となっている。一方グレーティング層６が形成されていない基板２または１側では、液晶３の分子の配向状態は変化しておらず、ホモジニアス状態を維持している。但し、グレーティング層６に接した液晶３の分子軸と上側の基板表面に接した液晶３の分子軸とは互いに直交している。この為、液晶３の分子は上から下に向かって９０°捩れた構造となっており、いわゆるＴＮ配向である。第２安定状態（Ｂ）で液晶３がＴＮ状態となるように、予めグレーティング層６の周期配列の方向と上側の基板の配向膜のラビング方向とが互いに直交するように選ばれている。

ＨＡＮ状態からＴＮ状態にスイッチングする為、液晶３に駆動電圧として双極性パルスＶａｂが印加される。この双極性パルスは先発の正極性パルスと後発の負極性パルスを組み合わせたもので、各パルスの幅Ｗは印加時間を表し、高さＨは印加電圧を表している。一方ＴＮ状態からＨＡＮ状態に切り替えるとき、液晶３に別の双極性パルスＶｂａを印加する。この双極性パルスは先発の負極性パルスと後発の正極性パルスを組み合わせたものである。

図７は、図１乃至図４に示した実施例及び比較例について、ＨＡＮ状態とＴＮ状態を切り替える為に必要な駆動電圧パルスを実際に測定した結果を示す表図である。図１に示した第１実施例の場合、ＨＡＮ状態とＴＮ状態のスイッチングに必要な駆動電圧パルスは、パルス高さＨが４．６Ｖでパルス幅Ｗが５０μｓｅｃである。第２実施例の場合、スイッチングに必要な駆動電圧パルスは、パルス高さＨが４．８Ｖでパルス幅Ｗが５０μｓｅｃである。一方第１比較例の場合、スイッチングに必要な双極性パルスの高さＨは１８．５Ｖで幅は１００μｓｅｃである。同様に第２比較例の場合も、パルス高さＨが１８．５Ｖでパルス幅が１００μｓｅｃである。以上の測定結果から明らかなように、グレーティング層を介する事なく直接に駆動電圧パルスを液晶に印加する電極構造とする事で、電圧レベルをほぼ３分の１に抑制でき、パルス幅も半分に抑える事が可能である。この様にして、大幅な駆動電圧の低減効果が得られた。

本発明にかかる液晶表示装置の第１実施例を示す断面図である。 液晶表示装置の第１比較例を示す断面図である。 本発明にかかる液晶表示装置の第２実施例を示す断面図である。 液晶表示装置の第２比較例を示す断面図である。 図１及び図３に示した本発明にかかる実施例の製造方法を示すフローチャートである。 図１及び図３に示した液晶表示装置の動作説明に供する模式図である。 実施例及び比較例の動作特性を示した表図である。

符号の説明

１・・・基板、２・・・基板、３・・・液晶、４・・・電極、５・・・電極、６・・・グレーティング層、７・・・表面活性層、８・・・配向膜

Claims (5)

1. 所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、間隙に保持された液晶とからなり、
   一対の基板には間隙に保持された液晶に駆動電圧を印加するために夫々電極が形成されており、
   一対の基板の少なくとも一方には、厚みが周期的に変化するグレーティング層が形成されており、
   グレーティング層は間隙に保持された液晶に作用して、２つの安定状態を発現可能な双安定性を付与し、
   液晶は、電極に印加された駆動電圧に応答して２つの安定状態の間で切り替わり、以って基板に入射する光の透過率を制御可能な液晶表示装置において、
   一対の基板の少なくとも一方は、その上にグレーティング層が形成され、グレーティング層の表面に電極が形成されており、更に電極の表面には、液晶に所定のプレチルト角を付与する表面活性層が形成されている液晶表示装置。
2. 表面活性層は、電極の表面に接する液晶の分子にホメオトロピック配向に準じたプレチルト角を付与する請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 電極はパルス状の駆動電圧を液晶に印加し、以って液晶はパルス状の駆動電圧に応答して２つの安定状態の間で切り替わり、且つ、パルス状の駆動電圧が解除された後、切り替わった安定状態を維持する請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 一対の基板の他方は、その上に電極が形成されており、更に電極の表面には、液晶をホモジニアスに配向する配向膜が形成されている請求項２に記載の液晶表示装置。
5. 一対の基板の片方は、電極が複数の画素電極としてマトリクス状に形成されており、且つ、個々の画素電極に駆動電圧を印加するためにスイッチング素子が形成されており、
   一対の基板のもう片方は、電極が対向電極として形成されており、液晶を間にして複数の画素電極に対向している請求項１に記載の液晶表示装置。

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