JPH0895048A

JPH0895048A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH0895048A
Application number: JP22984794A
Authority: JP
Inventors: Susumu Kondo; 進近藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-26
Filing date: 1994-09-26
Publication date: 1996-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】液晶層の劣化を解消するとともにさらなる低
消費電力化を達成した液晶表示素子を提供する。【構成】ゴム膜３上の微細凹凸形状６が、延伸方向に
細長く引き伸ばされて、この形状異方性によって液晶層
５の液晶分子の配向がゴム膜３の延伸方向に配向すると
いう作用を用いて表示を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄型・軽量、低消費電力という大
きな利点を持つ液晶表示素子は、日本語ワードプロセッ
サやデスクトップパーソナルコンピュータ等のパーソナ
ルＯＡ機器の表示装置として多用されている。その最も
代表的な方式の一例としては、ＴＮ（Twisted Nematic
）方式がある。

【０００３】このＴＮ方式の液晶表示素子は、液晶パネ
ルを構成している主要部品である 2枚の基板が間隙を有
して対向配置され、その間隙に周囲を封止されて液晶層
が挟持されている。その液晶層は、前記 2枚の基板間で
90°捩じれた分子配列を取っているが、液晶パネル（液
晶セル）の基板面上では液晶分子はわずかにプレチルト
があるが基板にほぼ平行な姿勢に配向しており、ＯＦＦ
状態（電圧無印加状態）では液晶層内での全分子はこれ
にならって基板に対してほぼ平行方向に配列が揃ってい
る。

【０００４】そして、誘電異方性が正のネマティック液
晶を用いた場合にはＯＮ（電圧印加）状態では液晶層内
の分子は基板面に垂直な電界方向に立ち上がり、前述の
平行配列の捩じれ配列構造は崩れる。このような、分子
配列の変化によるＯＦＦ状態とＯＮ状態での液晶分子配
列の変化による液晶層の旋光性の変化を利用して、表示
を行なっている。ＴＮ方式ではこのようにして、白黒表
示あるいはカラーフィルタと組み合わせてカラー表示を
行なうことができる。

【０００５】このようなＴＮ方式以外にも、ＳＴＮ（Su
per Twisted Nematic ）方式、ＥＣＢ（Electrically C
ontrolled Birefringence ）方式、ＰＣ（Phase Chang
e）方式、ＦＬＣ（Ferroelectric Liquid Crystal）方
式など、様々な表示方式があるが、ほとんどの表示方式
は基板に電極を形成し、両基板に挟持された液晶層に対
して両基板の電極から直接に電界を印加するものであ
る。このため、このような従来の方式の液晶表示素子に
おいては、長時間電界を印加して液晶表示素子を駆動し
続けると、液晶層の液晶組成物が電気分解等の作用によ
り次第に劣化していくという問題がある。これを避ける
ために、従来は、印加する電圧を例えば 1フレーム毎な
ど特定期間毎に極性反転して、交流的に液晶層を駆動し
ていた。

【０００６】しかしながら、そのような交流的駆動方法
も、小さな時間単位でみると、液晶層には直流の電圧が
印加されていることになる。このような液晶層にとって
は比較的大きな電界が長時間にわたって液晶層に直接に
印加されると、交流的な駆動方式と言えども、やはり液
晶層が次第に劣化していくことは避けられないという問
題がある。

【０００７】また、電界を液晶層に印加するにあたって
は、実際には配向膜を介して液晶層に電界を印加してい
る。このため、電極に印加した電圧のうち配向層での電
界のロス等も不可避的に存在しているので、印加電圧の
ロスによるエネルギ損失があり、駆動電圧を実際の表示
に有効な電界を作り出すための電圧よりも高くするある
いは消費電力量が高くなるという問題もある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
液晶表示素子においては、駆動時の液晶層への電界印加
を行なうための消費電力損失や、液晶層の劣化の問題が
あった。本発明は、このような問題を解決するために成
されたもので、その目的は、液晶層の劣化を解消すると
ともにさらなる低消費電力化を達成した液晶表示素子を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、平行に対向配置された 2枚の基板間に、液晶層を周
囲を封止して挟持し、該液晶層の光の透過状態を制御し
て画像を表示する液晶表示素子において、前記液晶層が
接する基板主面に形成された配向膜の表面の物理形状が
変化し、該配向膜の表面の物理形状変化によって前記液
晶層の液晶分子の配列を変化させて、該液晶層の光の透
過状態を制御して表示を行なうことを特徴としている。

【００１０】また上記の液晶表示素子において、電圧印
加によって表面の物理形状が変化する圧電素子を用いて
前記配向層表面の物理形状を変化させることを特徴とし
ている。

【００１１】

【作用】液晶表示素子において、その基板面上に形成さ
れた液晶配向膜の表面に液晶分子が配向するのは、液晶
層の液晶分子が接する配向層の表面の分子と液晶分子の
間のファンデルワールス力などの分子間相互作用やラビ
ング処理などにより発生する表面の物理形状によるもの
と考えられている。このような配向膜表面の物理形状に
従って液晶分子が配向することを示す例としては、例え
ば基板に感光性ポリイミドを塗布しフォトリソグラフィ
によって例えばピッチが 5μｍ程度以下の微細な溝を形
成した場合、液晶分子はこの溝方向に配列する。このこ
とは良く知られているが、この場合、表面のポリイミド
膜分子の配列には異方性は与えられていないので、配向
膜表面の分子間相互作用ではなく物理形状（微細な溝）
が配向の原因であると考えられるのである。

【００１２】従来の液晶表示素子では、液晶配向膜によ
り与えられる液晶分子配列と電界印加によって変形され
た液晶分子配列の違いを用いて光透過を制御して表示を
行なっているが、本発明者は、液晶層と接する配向膜の
表面の物理形状を変化させることによって、その配向膜
表面に接している液晶分子の配向を変化させ、これに伴
って両基板間に存在する捩じれネマティック状の液晶分
子全体をも配向制御をできることを見出した。

【００１３】液晶層の接する配向膜表面の物理形状を上
述のごとく変化させる方法としては、具体的には、例え
ば電圧印加によって形状が変化する圧電素子や、電流が
流れることによって膨脹・収縮する高分子ゲル、熱を印
加することによって形状が変化する形状記憶合金あるい
はバイメタル、更には機械的な外力によって容易に変形
するゴムあるいは弾性材料からなる膜などを好適に用い
ることができる。

【００１４】そしてこれらの物理形状を変化させる材料
で形成された配向膜あるいはこのような物理形状の変化
する材質からなる素子を各画素毎に形成し、この画素上
を覆うように変形可能な配向膜を成膜し、その表面に溝
や凹凸など液晶分子の配向を誘起する形状を形成し、電
気・熱・外力等の印加をコントロールすることによって
液晶分子の配向を制御して表示を行なうことができる。

【００１５】なお、液晶層としては、ＴＮ型液晶や、そ
の他にもＳＴＮ型液晶、更にはネマティック型液晶に染
料を添加してなるＧＨ（ゲストホスト）型液晶、あるい
はネマティック系の液晶のみならずコレステリック液晶
やスメクティック液晶等を用いることも可能である。

【００１６】また、圧電素子としては、例えばＳＡＷフ
ィルタに用いられるようなＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ
Ｏ₃、Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀、ＬＢＯ、ＺｎＯ、ＰＴＺ系セラ
ミックス、発振用水晶などを好適に用いることができ
る。そのような材料を用いて、例えば 1画素ごとに電圧
が印加されてその画素ごとの配向膜の物理的状態つまり
例えば配向膜の溝の幅や長さあるいは方向を変化させる
ことにより、上記のような液晶分子の配向を変化させ
て、画像を表示することができる。

【００１７】あるいは上記の圧電素子の他にも、例えば
バイメタルで形成された素子を用いてもよい。その他、
画像データに対応して物理的に状態が変化する材質を用
いて形成することができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の液晶表示素子の実施例を、図
面に基づいて詳細に説明する。

【００１９】（実施例１）片面に配向膜１として水平配
向性の樹脂膜を塗布して一方向にラビング処理を行なっ
たガラス基板２と、片側の主面が図２な示すように微細
な凹凸形状に形成された透明性の高い例えばシリコーン
ゴムのような材料から形成されたゴム膜３を用いて、図
１に示すようなガラス基板４の配向膜が形成された側の
主面とゴム膜３の微細凹凸形状が形成された側の主面と
を間隙を有して向かい合うように対向配置し、その間隙
に 2色性染料を微量添加したネマティック液晶材料を加
熱しながら等方性状態で浸透させた後、冷却して液晶状
態に戻して液晶層５を形成して液晶表示素子セルを作製
した。

【００２０】初期状態においては、ガラス基板２に形成
された配向膜１のラビング方向に偏光した光の透過率と
これに対して垂直方向に偏光した光の透過率との比は、
ガラス基板２の背面からの透過光で測定すると、約 1：
2であり、液晶層５の液晶分子はほぼラビング方向に配
向していることが分かった。しかし、偏光顕微鏡で観察
すると、配向方向の異なる微細なドメインが多数観察さ
れた。

【００２１】次に、ゴム膜３を前記ラビング方向と同じ
方向に沿って機械的な引張力を加えて延伸して行くと、
ガラス基板２側の配向膜１のラビング方向に偏光した光
の透過率と、これに対して垂直方向に偏光した光の透過
率との比は、次第に増加して行き、10％程度延伸したと
きに約 1： 3となった。偏光顕微鏡で観察すると、配向
方向の異なる微細なドメインは減少し配向がより均一化
している様子が観察された。

【００２２】また、ゴム膜３を前記のラビング方向と垂
直な方向に延伸して行くと、ガラス基板２側の配向膜１
のラビング方向に偏光した光の透過率と、これと垂直方
向に偏光した光の透過率との比は、ラビング方向に延伸
した場合と同様に次第に増加して、約10％延伸したとき
に約 1： 3となった。しかし、偏光顕微鏡で観察する
と、配向方向の異なる微細なドメインは減少し、配向が
さらに均一化している様子が観察されるとともに、90°
捩れのＴＮ素子と同様の旋光性が生じている様子が確認
された。これは、ゴム膜３上の微細凹凸形状６が、延伸
方向に細長く引き伸ばされて、この形状異方性によって
液晶層５の液晶分子の配向がゴム膜３の延伸方向に配向
するためであると考えられる。

【００２３】ところでゴム膜３の微細凹凸形状６の一つ
一つの下にはそれぞれ、圧電素子を用いて形成された、
電圧が印加されるとその表面が物理的に変形する形状変
化素子（図示省略）が形成されている。この形状変化素
子は、従来のアクティブマトリックス型液晶表示装置の
直交する走査配線および信号配線（図１においてはいず
れも図示省略）の一本ずつが一つの形状変化素子ごとに
接続されており、走査配線から印加される電圧と信号配
線から印加される電圧との重畳でマトリックス駆動され
る。

【００２４】このような液晶セルをガラス基板の背面に
前記ラビング方向と平行に偏光板を置き、ゴム膜３の前
面に前記偏光板と吸収軸を直交させた偏光板を置いて、
ラビング方向に延伸した場合とラビング方向と垂直な方
向に延伸した場合の様子を目視比較した。その結果、ラ
ビング方向に延伸した場合には透過光が遮断され黒色の
表示状態を、ラビング方向と垂直な方向に延伸した場合
には透過状態となり白色の表示状態を示す様子が見られ
た。このときの透過率の比をとると、 1：30であった。
また、ゴム膜前面の偏光板のみを90°回転すると、延伸
方向と白黒の表示状態との関係が逆転した。

【００２５】このような本実施例の液晶表示素子を、今
度は形状変化素子を用いて駆動し、白色表示状態及び黒
色表示状態にして、その表示を1000時間保持させた。そ
の結果、使用した液晶材料の劣化は見受けられなかっ
た。

【００２６】これに対して、従来のＴＮ方式のノーマリ
ブラックの液晶表示素子を電圧が印加されている白色表
示状態にしてその表示状態を1000時間保持させたとこ
ろ、液晶材料の電気分解による液晶層５の劣化で、画面
に表示むらが発生した。

【００２７】（実施例２）第１の実施例の液晶表示素子
において、ゴム膜３が形成された基板の代りに、図３の
ようにガラス基板４上にＢａＴｉＯ₃（チタン酸バリウ
ム）を用いて形成され、走査線３００と信号線３０１に
印加される電圧とで駆動される圧電素子３０２を配設
し、圧電素子３０２上に感光性ポリイミドを塗布しフォ
トリソグラフィによって実施例１の図２と同様の微細凹
凸形状６が形成されており表面の物理的状態が可変であ
る透明な物理的状態可変配向膜３０３を形成した。

【００２８】また、本実施例では液晶材料に染料は添加
しなかった。他の条件は実施例１と同様にした液晶表示
素子を作製した。なお、この第２の実施例においても第
１の実施例と同様の部位には同じ番号を付して示してい
る。

【００２９】初期状態には、第１の実施例と同様に、液
晶層５の液晶分子はほぼラビング方向に配向している。
圧電素子に5kv ／cmの電界を印加すると、圧電素子３０
２は前記ラビング方向と垂直な方向に延伸され、これと
ともに90°ＴＮ素子と同様の旋光性が生じている様子が
確認された。これは、圧電素子３０２上の微細凹凸形状
６が延伸方向に細長く引き伸ばされ、この形状異方性に
よって液晶分子配向が延伸方向に配向するためである。

【００３０】この液晶セルと圧電素子３０２の無いガラ
ス基板２の側の背面に前記ラビング方向と吸収軸（偏光
軸）が平行になるように偏光板を配置し、圧電素子３０
２のあるガラス基板４の側の外向きの主面には前記偏光
板と吸収軸（偏光軸）を直交させた（圧電素子の電界印
加方向に一致する）偏光板を配置して、圧電素子に電界
を印加した場合と印加しない場合の様子を比較した。

【００３１】その結果、電界を印加しない場合には、透
過光が遮断されて黒色の表示状態を、電界を印加した場
合には、透過状態となり白色の表示状態を示す様子が見
られた。透過率の比を調べると 1：10であった。

【００３２】本実施例の液晶表示素子を、白色表示状態
及び黒色表示状態にして1000時間保持したが、使用した
液晶材料の劣化は見られなかった。

【００３３】これに対して従来構成のＴＮ方式のノーマ
リブラックタイプの液晶表示素子を電界印加した白色表
示状態にして1000時間保持したところ、液晶材料の電気
分解による劣化で表示むらが発生した。

【００３４】なお、上記各実施例においては、ネマティ
ック液晶材料を用い、液晶分子を基板に対して平行配向
させ、透過タイプの表示素子として構成した。しかし、
本発明の効果が得られるのは、これらの実施例の条件に
限らず、液晶材料としてはネマティック液晶以外のコレ
ステリック液晶やスメクティック液晶等を用いても良
い。液晶分子配向としては基板に対する水平配向、傾斜
水平配向、垂直配向、傾斜垂直配向あるいはこれらを組
み合わせたものを用いても良い。また透過、半透過、反
射のいずれのタイプとしても良い。

【００３５】また、上記各実施例においては、微細凹凸
形状６は一つ一つの形状が平面的に矩形の突起を島状に
配列した形としたが、本発明に係る物理的状態可変配向
膜３０３やゴム膜３の表面の配向溝（配向突起）の形状
としては、これのみには限定されない。上記の他にも、
例えば細長い溝状に形成する、あるいは曲面の隆起状に
形成することなども可能である。あるいは、角柱状、角
錐状、円錐状、半球状、の隆起または溝の周期的配列
や、さらにこれらの隆起や溝に傾斜をつけたものとして
もよい。

【００３６】また、物理的状態可変配向膜３０３やゴム
膜３の表面の微細凹凸形状６の寸法および配向溝（配向
突起）の寸法としては、上記実施例においては 1画素の
画素サイズが 300μｍ〜 300μｍであり、このとき微細
凹凸形状６の一つの寸法を 1μｍ（縦）× 1μｍ（横）
× 0.3μｍ（高さ）とし、隣り合う微細凹凸形状６どう
しの間隔を 1μｍとした。このような配向溝の寸法は、
液晶層として一般的なＴＮ型液晶を用いる場合などに
は、隣り合う配向溝どうしの間隙は 2μｍ以下、微細凹
凸形状６の寸法は 2μｍ以下が好適である。あるいはＴ
Ｎ型液晶以外の液晶を用いる場合、ＳＴＮ型液晶の場合
には、隣り合う配向溝どうしの間隙は 1.5μｍ以下、微
細凹凸形状６の寸法は 1.5μｍ以下μｍが好適である。

【００３７】また、上記実施例においては、圧電素子に
印加する電圧は直流電圧を用いたが、本発明は直流電圧
印加のみには限定しないことは言うまでもない。この他
にも、用いる液晶の応答特性とのマッチング等を考慮し
つつ、例えばその液晶層の応答時間よりも短い周期の交
流波形の電圧を、 1走査選択期間中に複数パルス印加す
ることなども可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上、詳細な説明で明示したように、本
発明によれば、液晶層の劣化を解消して耐久性のさらな
る向上を達成するとともに、更なる低消費電力化を達成
した、液晶表示素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の液晶表示装置を示す図
である。

【図２】本発明の第１の実施例の液晶表示装置の微細凹
凸形状６を部分的に示す図である。

【図３】本発明の第２の実施例の液晶表示装置を示す図
である。

【図４】本発明の第２の実施例の液晶表示装置の微細凹
凸形状６を部分的に示す図である。

【符号の説明】

１………配向膜２………ガラス基板３………ゴム膜４………ガラス基板５………液晶層６………微細凹凸形状３０２…圧電素子３０３…物理的状態可変配向膜

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【手続補正書】

【提出日】平成７年２月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】（実施例１）片面に配向膜１として水平配
向性の樹脂膜を塗布して一方向にラビング処理を行なっ
たガラス基板２と、片側の主面が図２に示すような微細
な凹凸形状に形成された透明性の高い例えばシリコーン
ゴムのような材料から形成されたゴム膜３を用いて、図
１に示すようなガラス基板２の配向膜が形成された側の
主面とゴム膜３の微細凹凸形状が形成された側の主面と
を間隙を有して向かい合うように対向配置し、その間隙
に２色性染料を微量添加したネマティック液晶材料を加
熱しながら等方性状態で浸透させた後、冷却して液晶状
態に戻して液晶層５を形成して液晶表示素子セルを作製
した。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】ところでゴム膜３の微細凹凸形状６の下に
は、圧電素子を用いて形成された、電圧が印加されると
その表面が物理的に変形する形状変化素子（図示省略）
が形成されている。この形状変化素子は、従来のアクテ
ィブマトリックス型液晶表示装置の直交する走査配線お
よび信号配線（図１においてはいずれも図示省略）の一
本ずつが一つの形状変化素子ごとに接続されており、走
査配線から印加される電圧と信号配線から印加される電
圧との重畳でマトリックス駆動される。

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平行に対向配置された２枚の基板間に、
液晶層を周囲を封止して挟持し、該液晶層の光の透過状
態を制御して画像を表示する液晶表示素子において、前記液晶層が接する基板主面に形成された配向膜であっ
て該膜の表面の物理形状が変化し、該配向膜の表面の物
理形状変化によって前記液晶層の液晶分子の配列を変化
させて、該液晶層の光の透過状態を制御して表示を行な
う物理的状態可変配向膜を具備するとを特徴とする液晶
表示素子。
【請求項２】請求項１記載の液晶表示素子において、電圧印加によって表面の物理形状が変化する圧電素子を
用いて前記物理的状態可変配向膜の表面の物理形状を変
化させることを特徴とする液晶表示素子。