JPH0651283A

JPH0651283A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH0651283A
Application number: JP4222288A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Shinjo; 克彦新庄
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-07-30
Filing date: 1992-07-30
Publication date: 1994-02-25

Abstract

(57)【要約】【目的】強誘電性液晶素子において、解像度を低下さ
せることなく簡単に階調表現を行う。【構成】対向電極の一方に、並列したライン状凹凸パ
ターン１０２３を形成し、他方の対向電極で、このライ
ン方向に沿って勾配を持たせた電界を付与する。【効果】ライン状凹凸パターンに沿った線状の一次元
的ドメイン変化により、階調特性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば液晶テレビジョ
ン等に利用される液晶表示素子に関するもので、更に詳
しくは強誘電性液晶を用いた階調表示可能な液晶表示素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばアクティブマトリクス駆動
方式を用いた液晶テレビジョンパネルでは、薄膜トラン
ジスタ（ＴＦＴ）を画素ごとにマトリクス配置し、ＴＦ
Ｔにゲートオンパルスを印加してソースとドレイン間を
通電状態とし、この状態で画像信号をソースから印加し
てキャパシタに蓄積し、この蓄積した画像信号に対応し
て液晶（例えばＴＮ液晶）を駆動し、同時に画像信号の
電圧を変調することによって階調表示が行われている。

【０００３】しかし、このようなＴＮ液晶を用いたアク
ティブマトリクス駆動方式のテレビジョンパネルでは、
使用するＴＦＴが複雑な構造を有しているため、製作工
程数が多く、高い製造コストがネックとなっている。加
えて、ＴＦＴを構成する薄膜半導体（例えばポリシリコ
ンやアモルファスシリコンの薄膜）を広い面積に亙って
被膜形成するのが困難で、大面積化の妨げとなってい
る。

【０００４】一方、低コストで製造できる表示パネルと
して、ＴＮ液晶を用いたアクティブマトリクス駆動方式
の表示パネルが知られている。

【０００５】しかし、この表示パネルでは、画面の大型
化及び高精細化に伴って走査線数（Ｎ）が増大するに従
い、１画面（１フレーム）を走査する間に１つの選択点
に有効な電界が印加されている時間（デューティー比）
が１／Ｎの割合で減少するため、クロストークが発生し
やすく、しかも高コントラストの画像が得にくい問題を
有している。加えて、デューティー比が小さくなると、
各画素の階調を電圧変調により制御しにくくなることも
あり、高密度配線数の表示パネル、特に液晶テレビジョ
ンパネルには適さないものである。

【０００６】このような従来のＴＮ液晶の持つ根本的な
問題点を解決するものとして、クラークとラガヴァル等
の米国特許第４３６７９２４号特許明細書等に、双安定
性を持つ強誘電性液晶素子が提案されている。

【０００７】ところで、この強誘電性液晶素子は、２つ
の双安定状態のいずれかに安定しようとして中間的な分
子位置をとらないため、階調表現には不向きであると考
えられてきたが、一部ではデイザ法に代表されるような
デジタル的な手法による階調表示が試みられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記強
誘電性液晶を用いた階調表示は、解像度が低下してしま
い、ＨＤＴＶ対応等の高解像度ディスプレイには向かな
い問題がある。また、画素分割数を上げずに輝度階調数
を大きくすることが困難である。加えて、１画素階調表
示のために多数の駆動電極を必要とし、複雑な演算処理
回路も必要で、歩留まりが低下してしまう問題もある。

【０００９】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、強誘電性液晶素子において、解像度を低下
させることなく簡単に階調表現ができるようにすること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】このために本発
明では、一対の対向電極と、この一対の対向電極間に配
置した強誘電性液晶とからなる液晶表示素子において、
少なくとも一方の対向電極上に、強誘電性液晶の分極反
転閾値をライン状に低下させる手段が施されており、か
つ少なくとも一方の対向電極が、分極反転領域の形状を
上記分極反転閾値の低下ライン方向に変化させる手段を
有する液晶表示素子としているものである。

【００１１】図１〜図５を用いて本発明の原理を説明す
る。

【００１２】図１において、１１，１２はガラス製の基
板、１３，１４は透明な導電性薄膜で構成された一対の
対向電極、１５，１６はポリイミド等の配向膜、１８は
自発分極が下向きの部分（図では光学的に白ドメイ
ン）、１９は自発分極が上向き部分（図では光学的に黒
ドメイン）、断面図に示される矢印は強誘電性液晶の自
発分極方向を指す。

【００１３】断面図に示すように、白あるいは黒ドメイ
ンは上下の基板１１，１２に垂直な方向でほぼ一様であ
ると考えてよく、自発分極が下向きの分子の数と上向き
の分子の数間の比（光学的には１画素全体での透過率）
は、二次元的な白ドメインと黒ドメインの面積比とな
る。

【００１４】また、図２に示すように、白（あるいは
黒）ドメインは、外部からの電圧を印加し続ける間、成
長（あるいは縮小）していくことから、印加電圧値又は
印加時間を制御することにより、１画素内の白／黒比を
コントロールでき、中間表示が可能となる。

【００１５】ところで、図２に示したドメインの成長
（もしくは縮小）は、ドメインが二次元的に形状を変え
るか、一次元的に形状を変えるかでその様相は大きく異
なるものとなる。

【００１６】図３に一次元的変化のドメインと、二次元
的変化のドメインの模式図を示す。

【００１７】一次元的とは図に示す長さＬの成長／縮小
が主となるかＬの成長／縮小のみとなる場合で、幅Ｄは
ほとんど変化しない。また、二次元的とは図に示すＲが
変化するものである。

【００１８】ここで、それぞれのドメインを含む系が電
界印加時に持つ自由エネルギーＧを考えてみると、ドメ
インの境界壁での弾性的エネルギーが境界壁面積に比例
し、また電気エネルギーはドメインの占める体積に比例
することから、一次元的ドメインではＧ＝αＬ−βＬ＝
ｋ１＊Ｌとなり、二次元的ドメインではＧ＝α’Ｒ−ｒ
Ｒ＾２となる。

【００１９】図４にその様子を示す。このグラフから明
らかなように、二次元的ドメインではＲ₀ という臨界値
より小さなドメインは電界を印加し続けると消失してし
まう。

【００２０】また、図５において、一次元的ドメイン
は、低電圧印加時、高電圧印加時ともに電圧印加の初
期、定常状態でドメインはほとんど変化しないが、二次
元的ドメインでは、特に低電圧印加時の初期に存在した
小さなドメインは消滅してしまう。つまり、閾値付近で
駆動する場合、二次元的ドメインの場合、なかなか透過
率は増加せず、印加電圧−透過率の関係は図６に点線で
示したようになる。この特性は、一次元ドメインに比べ
て中間調表示には不利である。

【００２１】以上のことから、強誘電製液晶を用いて中
間調表示を行うには、一次元的に変化するドメインを制
御した方が、二次元的に変化するドメインを制御するよ
り好ましいことがわかる。尚、図６に示した特性は、後
述する方法で分極反転閾値電Å圧を低下させた時により
顕著になる性質を有する。

【００２２】本発明は、上記一次元的に変化するドメイ
ンを制御して階調表示ができるようにしたものである。

【００２３】まず、本発明において、強誘電製液晶の分
極反転閾値をライン状に低下させる手段は、強誘電製液
晶の閾値をライン状に低下させておくことによって、こ
のラインに沿った分極反転形状の変化を生じやすくする
ものである。即ち、上述の一次元的ドメイン変化を生じ
させやすくするためのものである。

【００２４】上記強誘電製液晶の分極反転閾値をライン
状に低下させる手段としては、ライン状に並べて形成さ
れた島状の凹凸パターンや並列されたストライプ状凹凸
パターンが挙げられる。

【００２５】凹凸パターンは、特にそのコーナー部付近
で強誘電製液晶の配向に乱れを発生させ、当該部分を不
安定化させることで、その閾値を引き下げるものであ
る。島状の凹凸パターンの場合、凹凸が近接しているこ
とで、上記配向の乱れがあたかも一連に連なり、閾値の
低下部分をライン状に形成することができる。また、ス
トライプ状凹凸の場合、その凹凸に沿ってライン状に閾
値の低下部分が形成されることになる。

【００２６】上記島状又はストライプ状凹凸の高さは、
５０〜１００００Åであることが好ましく、更に好まし
くは５００〜３０００Åであり、隣接する凹凸間の間隔
は、１〜５０μｍであることが好ましい。島状の場合、
その平面形状は方形の他円形等どのような形状でもよい
が、方形として、１〜５０μｍ角程度の大きさが好まし
い。また、ストライプ状の場合、その幅は１〜５０μｍ
であることが好ましい。

【００２７】一方、分極反転領域の形状を閾値の低下ラ
イン方向に低下させる手段は、上記分極反転閾値をライ
ン状に低下させる手段と相挨って一次元ドメイン変化を
生じさせるもので、具体的には次のような手段が挙げら
れる。

【００２８】まず、閾値の低下ラインに沿った島状又は
ストライプ状の凹凸パターンである。この手段の場合、
閾値が低下したラインに優先的に電界を印加することが
でき、これによってストライプ状のドメイン変化を発生
させることができる。

【００２９】上記島状又はストライプ状の凹凸パターン
の高さは、一般的に５０〜１００００Åであることが好
ましく、更に好ましくは５００〜１００００Åである。

【００３０】他の手段としては、閾値の低下ライン方向
に沿って、強誘電製液晶に加わる電界を漸減もしくは漸
増させる手段が挙げられる。このような手段を有する対
向電極の場合、閾値の低下ラインにおいて、印加される
電界が高い領域から低い領域へと、分極反転領域を線状
に徐々に伸ばす形状変化を得ることができる。

【００３１】このような手段を有する対向電極を更に具
体的に説明すると、その一つとして、閾値の低下ライン
方向に、粗から密もしくは密から粗に間隔を変化させて
配置された島状もしくはストライプ状凹凸パターンを有
する対向電極が挙げられる。他の対向電極のとしては、
閾値の低下ライン方向に沿った勾配を有する対向電極及
び閾値の低下ラインに沿ってバイアス電圧を印加する手
段を備えた対向電極が挙げられる。

【００３２】上記島状もしくはストライプ状凹凸パター
ンを有する対向電極においては、その密な領域が高い電
界を印加する領域となり、その粗な領域が低い電界を印
加する領域となる。また、上記勾配を有する対向電極に
おいては、勾配の上方が高い電界を印加する領域とな
り、勾配の下方が低い電界を印加する領域となり、バイ
アス電圧印加手段を有する対向電極においては、その印
加方向に応じて強誘電性液晶に加わる電界強さが漸増も
しくは漸減されることになる。

【００３３】

【実施例】以下、実施例によって本発明を更に具体的に
説明する。

【００３４】実施例１図７に本実施例の画素パターンを示す。

【００３５】７１で示される正方形部分が各画素を示し
ており、７２が、透明導電性薄膜で形成された対向電極
上に設けられたストライプ状凹凸である。

【００３６】画素７１のサイズは２００μｍ角、ストラ
イプ状凹凸の幅は２μｍ、間隔は１０μｍである。

【００３７】図８に図７中のａ−ａ’のセル断面を示
す。

【００３８】ガラス製の基板８１，，８２上にＩＴＯ
（１５００Å）が対向電極８３，８４として成膜されて
おり、２度のフォトリソグラフィーの工程により、画素
パターン及びストライプ状凹凸パターンが形成されてい
る。このストライプ状凹凸パターンの段差は約２００Å
である。

【００３９】更にその上に配向膜８５，８６としてポリ
イミド（２００Å）を塗布し、ストライプ状凹凸パター
ンの方向にラビング処理を施した後、セルギャップ１．
２μｍで貼り合わされている。

【００４０】上記ギャップ中に強誘電性液晶（商品名
「ＣＳ１０１４」をベースにブレンドしたもの）８７を
注入してある。また、セルの貼り合わせ方向を変えて、
図９に示す平行セル及び反平行方向セルの両方を作成し
たが、どちらのセルも良好な配向を示した。

【００４１】このようにして作成したセルの上下の対向
電極８３，８４間に、図１０に示すようなパルス電圧を
印加し、光学応答特性を測定した。尚、本実施例では△
ｔ＝５０μｓ、Ｖａｐ＝１５〜３０Ｖであった。

【００４２】２＊２のマトリクスで、初期黒状態で全画
素に共通にパルス電圧Ｖａｐ〜２０Ｖを印加した後の反
転ドメイン形状を観察した結果、図１１（反平行セル）
のようになった。

【００４３】ここで比較のためにストライプ状凹凸パタ
ーンを配置しないセルも作成したが、ストライプ状凹凸
パターンを配置したセルの方が明らかに分極反転閾値電
圧は低下した。また、ドメイン形状は線状で、印加電圧
を変化させることによって線ドメインの数、長さが主と
なって変化し、一次元的なドメイン変化が得られること
が確認された。

【００４４】各画素間の透過率のばらつきは非常に小さ
く、かつ反転ドメインの中心は各画素の中心付近で一定
であり、非常に良好な中間調表示を行うことができ、こ
れは平行セルについてもほぼ同様であった。

【００４５】更に片側の基板８１又は８２にのみストラ
イプ状凹凸パターンを施したものを作成したが、本実施
例のものに比べ分極反転閾値電圧の低下が少なく、ドメ
インの一次元的挙動は弱かった。

【００４６】実施例２セルの上部基板には実施例１と同様のストライプ状凹凸
パターンを設け、下部基板にはストライプの配置密度を
画素内で変え、かつストライプ状凹凸パターンの構成材
料をＳｉＯ₂ にしたものである。

【００４７】図１２に本実施例の画素パターンを示す。

【００４８】図中１２０１と１２０２は画素パターンを
示しており、１２０３と１２０４はストライプ状凸部で
ある。

【００４９】画素サイズは１００μｍ角、ストライプの
幅は２μｍで、上部基板と下部基板とでストライプ状凹
凸パターンは直交している。また、下部基板で最もスト
ライプ状凹凸パターンの密なところは２μｍの間隔で、
最も粗な箇所の間隔は１５μｍである。

【００５０】図１３に図１２中のｂ−ｂ’断面図を示
す。

【００５１】１３０１はガラス製の基板、１３０２はＩ
ＴＯ（７００Å）製の対向電極、１３０３はＳｉＯ₂
（２５００Å）をパターニングして形成されたストライ
プ状凹凸パターンである。

【００５２】更にその上に配向膜１３０４としてポリイ
ミド（２００Å）を塗布し、上部基板のストライプ方向
にラビング処理した。強誘電製液晶材料は、螺旋ピッチ
の短い材料を用い、スメクチックＡ層からスメクチック
Ｃ層に冷却する時、＋１５Ｖ〜−１５Ｖ、１０ＨｚのＡ
Ｃを印加したところ、良好な配向が得られた。尚、セル
ギャップは１．６μｍで、貼り合わせ方向は平行セルで
ある。

【００５３】上記のようにして作成した４＊４のマトリ
クスで、初期黒状態で各列に異なるパルス電圧Ｖａｐを
印加した後の反転ドメイン形状を観察した結果、図１４
のようになった。

【００５４】各画素内のドメインは良好な一次元的挙動
を示し、また電圧が小さい時は各画素の上部のみ反転ド
メインが形成され、下部基板に設けたＳｉＯ₂ のストラ
イプ状凹凸パターンによって、ドメイン発生位置を制御
できることが確認された。即ち、規則的な閾値分布を付
与することができた。更に各電圧値ごとの画素間の透過
率のばらつきは非常に小さく、均一で高階調度を持つ表
示装置が得られた。

【００５５】実施例３図１５に本実施例の画素の断面図を示す。

【００５６】上部基板１６０１上に、透明な対向電極１
６０２としてＩＴＯを５００Å積層し、その上にリフト
オフによってＩＴＯの島状凹凸パターン１６０３を形成
した。更にその上に配向膜１６０４としてポリイミドを
１００Å積層し、ラビング処理した。

【００５７】一方、下部基板１６０５は画素内で勾配を
付与してあり、その上部に透明な対向電極１６０６とし
てＩＴＯを５００Å、更にその上に配向膜１６０７とし
てポリイミドを１００Å積層し、ラビング処理を行っ
た。

【００５８】このようにして作成した上下基板１６０
１，１６０５をスぺーサーを介して反平行方向に貼り合
わせ、強誘電性液晶を注入した。尚、勾配の方向はラビ
ング方向に平行である（勾配の最大傾斜方向がラビング
方向）。

【００５９】図１６に上部基板１６０１の平面図を示
す。

【００６０】１７０１が画素、１７０２が島状凹凸パタ
ーンである。

【００６１】島状凹凸パターン１７０２は１辺が１０μ
ｍの正方形で、高さは１０００Åである。

【００６２】このようなセルに異なる電圧値を印加した
場合の分極反転ドメインの形状を観察した結果、図１７
のようになった。低電圧印加時はＡ、中程度電圧印加時
はＢ、高電圧印加時はＣのように、反転ドメインは線状
となり、一次元的挙動を示し、良好な階調特性が得られ
た。

【００６３】ここで、比較のために上部基板１６０１に
島状凹凸パターン１７０２を設けないセルも作成した
が、分極反転閾値電圧の低下が小さく、透過率０％の閾
値Ｖｔｈと１００％の飽和値Ｖｓａｔとの比Ｖｓａｔ／
Ｖｔｈは大きくとれず、精密な階調制御はできなかっ
た。

【００６４】実施例４図１８に本実施例の画素の断面図を示す。

【００６５】上部基板１９０１上に透明な対向電極１９
０２としてＩＴＯを５００Å積層し、その上にリフトオ
フによってＩＴＯの島状凹凸パターン１９０３を形成し
た。更にその上に配向膜１９０４としてポリイミドを１
００Å積層し、ラビング処理を施した。

【００６６】一方、下部基板１９０５上には高抵抗ＩＴ
Ｏ膜を対向電極１９０６として３００Å積層した。尚、
この高抵抗ＩＴＯ膜のシート抵抗は１〜１００ＭΩであ
る。

【００６７】上記対向電極１９０６上の画素両端に、ア
ルミニウム電極１９０７を１０００Å厚で設け、更にそ
の上から配向膜１９０８としてポリイミドを１００Å積
層してラビング処理した。

【００６８】このようにして作成した上下基板１９０
１，１９０５をスぺーサーを介して反平行方向に貼り合
わせ、強誘電性液晶を注入した。

【００６９】前記アルミニウム電極１９０７の一方を接
地し、他方にバイアス電圧Ｖｂ（〜１０Ｖ）を印加し、
画素内に一次元的電位勾配を発生させた。尚、この電位
勾配の方向はラビング方向に平行とした。

【００７０】このセルに異なる電圧値を印加した場合の
分極反転ドメインの形状を観察した結果、実施例３とほ
ぼ同様に図１７のようになり、良好な階調特性が得られ
た。

【００７１】

【発明の効果】本発明は、以上説明した通りのものであ
り、小さなドメインまで有効に制御性良く利用して階調
表示を行うことができるので、１画素ごとの中間調表示
特性を向上させることができる。また、補助的な凹凸等
の形成によって反転ドメインの位置を制御できるので、
画素間での中間調表示特性のばらつきを非常に小さく押
えることができ、高階調度、高精細ディスプレイを実現
することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】白／黒ドメインの発生状態の説明図である。

【図２】電圧印加時の反転ドメインの成長を示す図であ
る。

【図３】一次元的ドメインと二次元的ドメインの模式図
である。

【図４】一次元的ドメインと二次元的ドメイン系の自由
エネルギーを示す図である。

【図５】一次元的ドメインと二次元的ドメインの電圧印
加時の変化を示す図である。

【図６】一次元的ドメインと二次元的ドメインの印加電
圧と透過率の関係を示す図である。

【図７】実施例１の画素パターンを示す図である。

【図８】図７におけるａ−ａ’断面図である。

【図９】セルの貼り合わせ方向の説明図である。

【図１０】セル駆動印加電圧を示す図である。

【図１１】実施例１で観察された分極反転ドメインの形
状を示す図である。

【図１２】実施例２の画素パターンを示す図である。

【図１３】図１２におけるｂ−ｂ’断面図である。

【図１４】実施例２で観察された分極反転ドメインの形
状を示す図である。

【図１５】実施例３の画素の断面図である。

【図１６】実施例３の画素の平面図である。

【図１７】実施例３で観察された分極反転ドメインの形
状を示す図である。

【図１８】実施例４の画素の断面図である。

【符号の説明】

１１，１２基板１３，１４対向電極１５，１６配向膜１８白ドメイン１９黒ドメイン７１画素パターン７２ストライプ状凹凸パターン８１，８２基板８３，８４対向電極８５，８６配向膜８７強誘電性液晶１２０１，１２０２基板１２０３，１２０４ストライプ状凹凸パターン１３０１基板１３０２対向電極１３０３ストライプ状凹凸パターン１３０４配向膜１６０１，１６０５基板１６０２，１６０６対向電極１６０３島状凹凸パターン１６０４，１６０７配向膜１７０１画素１７０２島状凹凸パターン１９０１，１９０５基板１９０２対向電極１９０３島状凹凸パターン１９０４，１９０８配向膜１９０６対向電極１９０７アルミニウム電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の対向電極と、この一対の対向電極
間に配置した強誘電性液晶とからなる液晶表示素子にお
いて、少なくとも一方の対向電極上に、強誘電性液晶の
分極反転閾値をライン状に低下させる手段が施されてお
り、かつ少なくとも一方の対向電極が、分極反転領域の
形状を上記閾値の低下ライン方向に変化させる手段を有
することを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】強誘電性液晶の分極反転閾値をライン状
に低下させる手段が、ライン状に並べて形成された島状
凹凸パターンであることを特徴とする請求項１の液晶表
示素子。
【請求項３】強誘電性液晶の分極反転閾値をライン状
に低下させる手段が、並列されたストライプ状凹凸パタ
ーンであることを特徴とする請求項１の液晶表示素子。
【請求項４】分極反転領域の形状を分極反転閾値の低
下ライン方向に変化させる手段が、閾値の低下ラインに
沿った島状又はストライプ状凹凸パターンであることを
特徴とする請求項１の液晶表示素子。
【請求項５】分極反転領域の形状を分極反転閾値の低
下ライン方向に変化させる手段が、閾値の低下ラインの
方向に沿って強誘電性液晶に加わる電界を漸減もしくは
漸増させる手段であることを特徴とする請求項１の液晶
表示素子。
【請求項６】分極反転閾値の低下したライン方向に沿
って強誘電性液晶に加わる電界を漸減もしくは漸増させ
る手段が、閾値の低下ライン方向に粗から密もしくは密
から粗に配置された島状もしくはストライプ状凹凸パタ
ーンであることを特徴とする請求項５の液晶表示素子。
【請求項７】分極反転閾値の低下ラインの方向に沿っ
て強誘電性液晶に加わる電界を漸減もしくは漸増させる
手段が、閾値の低下ライン方向に沿った勾配であること
を特徴とする請求項５の液晶表示素子。
【請求項８】分極反転閾値の低下ラインの方向に沿っ
て強誘電性液晶に加わる電界を漸減もしくは漸増させる
手段が、閾値の低下ライン方向に沿って対向電極にバイ
アス電圧を印加する手段であることを特徴とする請求項
５の液晶表示素子。