液晶元件、液晶显示装置制造方法
液晶元件、液晶显示装置制造方法
【专利摘要】液晶元件、液晶显示装置，减少利用两种取向状态间的转变的液晶元件中的液晶层的状态转变所需的时间。液晶元件包含第1基板、第2基板、设置于第1基板与第2基板之间的液晶层、用于向液晶层施加与基板面大致垂直方向的第1电场和与该基板面大致平行方向的第2电场的电极、和向该电极供给驱动电压的驱动电路。第1基板和第2基板的取向处理的方向被设定成使液晶层的液晶分子产生朝第1方向扭转的第1取向状态，液晶层含有产生第2取向状态的性质的手征材料，第2取向状态是液晶分子朝向与第1方向相反的第2方向扭转。从驱动电路供给的驱动电压在向液晶层施加第1电场后施加第2电场，液晶层通过被施加第1电场和第2电场而从第1取向状态转变为第2取向状态。
【专利说明】液晶元件、液晶显示装置【技术领域】
[0001]本发明涉及液晶元件和液晶显示装置中的光电特性的改良技术。
【背景技术】
[0002]在日本特开2011-203547号公报(专利文献1)中，公开了利用两种取向状态间的转变的新颖的液晶显示元件(反向TN型液晶元件)。该现有例的液晶显示元件具有进行了取向处理的第1基板、第2基板以及配置于这些基板之间并进行扭转取向的液晶层，液晶层中含有手征材料。并且，在液晶层中不含有手征材料的情况下将液晶分子扭转的旋转方向设为第1旋转方向时，手征材料向液晶分子赋予朝与第1旋转方向相反的第2旋转方向的旋转性。此外，第1基板和第2基板取向处理成分别发现20°以上45°以下的预倾角。在第1基板和第2基板上，设置有能够在液晶层的层厚方向和与其垂直的方向上分别产生电场的电极。根据上述结构，能够得到具有可维持显示状态的存储性、且可得到高对比度比的显示品质优异的液晶显示元件。
[0003]但是，上述现有例的液晶显示元件在以下方面还有改良的余地，即在使液晶层的液晶分子的取向状态从向第2旋转方向扭转的状态转变为向第1旋转方向扭转的状态时所需的时间较长。特别在需要比较短时间地进行显示的写入和消除的多个用途(例如钟表的显示部、车辆用信息显示面板等)方面期望改良这点。
[0004]【专利文献1】日本特开2011-203547号公报
【发明内容】
[0005]本发明的具体方式的目的之一在于提供一种能够减少利用两种取向状态间的转变的液晶元件以及使用该液晶元件的液晶显示装置中的液晶层的状态转变所需的时间的技术。
[0006]本发明的一个方式的液晶元件的特征在于，该液晶元件包含:(a)相对配置的第1基板以及第2基板，它们各自的一个面被实施了取向处理；(b)液晶层，其设置在第1基板的一个面与第2基板的一个面之间；(c)用于向液晶层施加与第1基板以及第2基板的各一个面大致垂直方向的第1电场和与该各一个面大致平行方向的第2电场的电极；以及(d)驱动电路，其向电极供给驱动电压，(e)第1基板和第2基板的取向处理的方向被设定成使液晶层的液晶分子产生朝第1方向扭转的第1取向状态，(f)液晶层含有产生第2取向状态的性质的手征材料，第2取向状态是液晶分子朝向与第1方向相反的第2方向扭转的状态，(g)从驱动电路供给的驱动电压至少在经由电极向液晶层施加第1电场后施加第2电场，(h)液晶层通过被施加第1电场和第2电场而从第1取向状态转变为第2取向状态。
[0007]根据上述结构，能够通过组合两种电场并施加给液晶层，减少从第1取向状态向第2取向状态的转变所需的时间。
[0008]在上述液晶元件中，可以在施加第1电场后接着施加第2电场。
[0009]由此，能够在通过第1电场产生的取向状态的转变开始返回到原来前施加第2电场。
[0010]在上述液晶元件中，还优选施加第1电场的期间与施加第2电场的期间至少一部分重合。此时，重合的期间能够设为例如3秒以上。
[0011]由此，在重合期间中，同时施加第1电场和第2电场，从而能够进一步减少取向状态的转变所需的时间。
[0012]本发明的一个方式的液晶显示装置具备多个像素部，该多个像素部分别用上述本发明的液晶元件构成。
[0013]根据上述结构，能够通过利用液晶元件的两种取向状态的双稳定性(存储性)，得到除了显示改写时以外基本不需要功率、并且减少了液晶层的取向状态的转变所需的时间(即减少了显示切换时间)的液晶显示装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是概略地示出反向TN型液晶元件的动作的示意图。
[0015]图2是用于说明从反向扭转状态向延展扭转(Spray Twist)状态转变时的液晶层的取向状态与电场方向的关系的概念图。
[0016]图3是示出反向TN型液晶元件的结构例的截面图。
[0017]图4的(A)是以俯视图表示第1?第4电极的配置的示意图。图4的(B)?图4的(D)是以截面表示第1?第4电极的配置的示意图。
[0018]图5的(A)?图5的(C)是示出在将液晶元件的液晶层设为反向扭转状态后施加纵向电场时的显微镜观察像的图。此外，图5的(D)是示出用于该观察的液晶元件的摩擦方向以及偏振片的透射轴的方向的图。
[0019]图6是示出使得产生暂时的取向状态的转变的纵向电场的大小与透射率之间的关系的图。
[0020]图7的(A)和图7的(B )是用于说明从驱动电路供给的驱动电压的波形图。
[0021]图8是示出使用驱动电压驱动实施例的液晶元件时的透射率的经时变化的图。
[0022]图9的(A)?图9的(C)是示出实施例的液晶元件的显微镜观察像的图，图9的(D)是示出偏振片的透射轴以及摩擦方向的图。
[0023]图10的(A)?图10的(D)是示出比较例的液晶元件的显微镜观察像的图，图10的(E)是示出偏振片的透射轴以及摩擦方向的图。
[0024]图11是示出驱动电压的频率与转变时间之间的关系的图。
[0025]图12是示意性示出液晶显示装置的结构例的图。
[0026]标号说明
[0027]1:上侧基板
[0028]2:下侧基板
[0029]3:液晶层
[0030]51:第 1 基板
[0031]52:第 1 电极
[0032]53、57:取向膜
[0033]54:第 2 基板[0034]55:第 2 电极
[0035]56:绝缘膜
[0036]58:第 3 电极
[0037]59:第 4 电极
[0038]60:液晶层
[0039]65:驱动电路
[0040]71、72、73:驱动器
[0041]74:像素部
[0042]A1 ?An、B1 ?Bm、Cl ?Cn、Dl ?Dn:控制线【具体实施方式】
[0043]以下，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
[0044]图1是概略地示出反向TN型液晶元件的动作的示意图。在反向TN型液晶元件中，作为基本结构，具备相对配置的上侧基板1和下侧基板2以及设置于它们之间的液晶层
3。上侧基板1与下侧基板2各自的表面被实施了摩擦处理等取向处理。以它们的取向处理的方向(在图中用箭头表示)按照90°左右的角度彼此交叉的方式，相对地配置上侧基板1与下侧基板2。通过向上侧基板1与下侧基板2之间注入向列型液晶材料来形成液晶层
3。该液晶层3采用了添加有手征材料的液晶材料，该手征材料产生使液晶分子在其方位角方向上朝向特定的方向(在图1的例子中为右旋转方向)扭转的作用。这样的反向TN型液晶元件通过手征材料的作用而在初始状态下成为液晶层3在延展取向的同时进行扭转的延展扭转状态。当在其层厚方向上对该延展扭转状态的液晶层3施加超过饱和电压的电压时，液晶分子转变为朝向左旋转方向扭转的反向扭转状态(均匀扭转(Uniform Twist)状态)。在这种反向扭转状态的液晶层3中，主体中的液晶分子倾斜，所以表现出降低液晶元件的驱动电压的效果。
[0045]图2是用于说明从反向扭转状态向延展扭转(Spray Twist)状态转变时的液晶层的取向状态与电场方向的关系的概念图。如图2 (A)所示，针对相对于基板面处于水平方向的电场(Electric f ie 1 d)，将电场的施加方向设定为，使其与反向扭转状态下的液晶层的层厚方向的大致中央的液晶分子(图中为附有图样的液晶分子)的长轴方向尽量不平行，而是成为垂直或接近垂直的状态。由此，液晶层的层厚方向的大致中央的液晶分子沿着电场方向重新进行取向，所以如图2 (B)所示，液晶层的取向状态从反向扭转状态转变至延展扭转状态。此外，当对反向扭转状态的液晶层施加了电场而使其成为与该层厚方向的大致中央的液晶分子的长轴方向平行或接近平行的状态时，难以产生从反向扭转状态向延展扭转状态的转变。这是因为，在液晶层的层厚方向的大致中央，几乎不会因电场而产生液晶分子的重新取向。根据以上情况，为了在反向TN型液晶元件中在两种取向状态之间自如地转变，基本需要产生与液晶层的层厚方向相应的电场(纵向电场)和与其垂直的方向的电场(横向电场)，而且对于横向电场而言，优选成为与反向扭转状态的液晶层的层厚方向的大致中央的液晶分子的长轴方向大致垂直或者接近于垂直的方向。关于具备用于自如地施加这些纵向电场和横向电场的电极构造的反向TN型液晶元件，以下举出具体例子进行说明。
[0046]图3是示出反向TN型液晶元件的结构例的截面图。图3所示的液晶元件具有在第I基板(上侧基板)51与第2基板(下侧基板)54之间夹设有液晶层60的基本结构，并且具有用于向该液晶层60供给驱动电压的驱动部65。下面进一步详细说明液晶元件的构造。另外，对于密封液晶层60周围的密封材料等部件省略图示和说明。
[0047]第I基板51和第2基板54分别是例如玻璃基板、塑料基板等透明基板。如图所示，第I基板51和第2基板54彼此的一个面相对，以预定间隙(例如几μ m)贴合起来。另夕卜，虽然省略了特别的图示，然而也可以在任意一个基板上形成薄膜晶体管等开关元件。
[0048]第I电极52设置于第I基板51的一面侧。此外，第2电极55设置于第2基板54的一面侧。第I电极52和第2电极55分别通过对例如氧化铟锡(ITO)等透明导电膜进行适当图形化来构成。
[0049]绝缘膜(绝缘层)56以覆盖第2电极55的方式设置在第2基板54上。该绝缘膜56例如是二氧化硅膜、氮化硅膜、氮氧化硅膜或它们的层叠膜等无机绝缘膜，或者有机绝缘膜(例如丙烯类有机绝缘膜)。
[0050]第3电极58、第4电极59分别设置在第2基板54上的上述绝缘膜56上。本实施方式的第3电极58和第4电极59是分别具有多个电极指的梳齿状电极，配置为各电极指交替排列(参照后述的图4)。第3电极58和第4电极59分别通过对例如氧化铟锡(ITO)等透明导电膜进行适当图形化来构成。第3电极58、第4电极59各自的电极指例如电极宽度为20?30 μ m左右，电极间隔为20?200 μ m左右。
[0051]取向膜53以覆盖第I电极52的方式设置于第I基板51的一面侧。此外，取向膜57以覆盖第3电极58和第4电极59的方式设置于第2基板54的一面侧。对各取向膜53、57实施预定的取向处理(例如摩擦处理)。通过各取向膜53、57在与液晶层60的界面处赋予给液晶层60的液晶分子的预倾角比较高，例如为20°以上。
[0052]液晶层60设置于第I基板51和第2基板54彼此之间。构成液晶层60的液晶材料的介电常数各向异性Λ ε为正(Λ ε >0)。在该液晶材料中添加了用于使液晶分子扭转取向的手征材料。
[0053]驱动电路65与第I电极53、第2电极56、第3电极58以及第4电极59连接，向这些电极供给驱动电压。
[0054]图4 (A)是以俯视图表示第I?第4电极的配置的示意图。图4 (B)?图4 (D)是以截面表示第I?第4电极的配置的示意图。参照这些图说明使用各电极对液晶层施加的电场。
[0055]如图4 (A)所示，第I电极52与第2电极55彼此相对配置，在两者重叠的区域内配置有第3电极58和第4电极59。此外,第3电极58的多个电极指和第4电极59的多个电极指以逐个交替重复的方式配置。
[0056]如图4 (B)所示，能够通过由驱动电路65对第I电极52与第2电极55之间施加电压，在两个电极之间产生电场。这种情况下的电场如图所示成为沿着第I基板51和第2基板54的厚度方向(单元厚度方向)的电场、即“纵向电场(第I电场)”。
[0057]此外，如图4 (C)所示，能够通过由驱动电路65对第3电极58与第4电极59之间施加电压，在两个电极之间产生电场。这种情况下的电场如图所示成为与第I基板51和第2基板54的各一个面大致平行的方向的电场、即“横向电场(第2电场)”。此后有时将使用这种电场的模式称作“IPS模式”。[0058]此外，如图4 (D)所示，能够通过由驱动电路65向隔着绝缘膜56相对配置的第2电极55与第3电极58以及第4电极59之间施加电压，由此在两个电极之间产生电场。这种情况下的电场如图所示成为沿着与第I基板51和第2基板54的各一个面大致平行的方向的电场、即“横向电场(第2电场)”。此后有时将使用这种电场的模式称作“FFS模式”。
[0059]本实施方式的液晶元件在初始状态下将液晶层60的液晶分子取向为延展扭转状态。与此相对，在如上述那样使用第I电极52和第2电极55产生纵向电场时,液晶层60的液晶分子的取向状态转变为反向扭转状态。此后，若使用第3电极58和第4电极59产生横向电场(IPS模式)，则液晶层60的取向状态转变为延展扭转状态。此外，在使用第2电极55、第3电极58、第4电极59产生横向电场的情况下(FFS模式),液晶层60的取向状态也同样从反向扭转状态转变到延展扭转状态。与IPS模式进行比较，处于FFS模式能使液晶层60的取向状态更为均匀地转变的趋势。认为这是由于对第3电极58、第4电极59的各电极上也施加了横向电场。因此可以说基于开口率(透射率、对比度比)的观点FFS模式更合适。
[0060]关于液晶层60的取向状态能够在延展扭转状态与反向扭转状态之间切换的理由研究如下。在延展扭转状态下，液晶层60的层厚方向的大致中央处的液晶分子取向为大致水平，但在由于纵向电场而成为反向扭转状态后，层厚方向的大致中央处的液晶分子取向为接近垂直的状态。此后，通过IPS模式或FFS模式的横向电场对反向扭转状态的液晶层60的层厚方向的大致中央处的液晶分子施加横向电场，由于处于延展扭转状态的液晶层60的该大致中央处的液晶分子朝向应有的指向矢方向，因此再次转变到作为初始状态的延展扭转状态。通过以上叙述，可认为有效应用了纵向电场和横向电场来切换延展扭转状态和反向扭转状态。
[0061]接着详细说明液晶元件的实施例。
[0062]通过对带ITO膜的玻璃基板的ITO膜进行图形化，制作具有第I电极52的第I基板51。这里可以通过通常的光刻技术进行ITO膜的图形化。作为ITO蚀刻方法，使用湿蚀亥lj(氯化铁)。此处的第I电极52的形状图形会在取出电极部分和相当于显示像素的部分残留ITO膜。同样地，通过对带ITO膜的玻璃基板的ITO膜进行图形化，制作具有第2电极55的第2基板54。
[0063]然后在第2基板54的第2电极55上形成绝缘膜56。此时，需要采取在取出电极部分不形成绝缘膜56的措施。作为该方法，可举出预先在取出电极部分形成抗蚀剂并在绝缘膜56形成后提离的方法、在通过金属掩模等隐藏了取出电极部分的状态下通过溅射法等形成绝缘膜56的方法等。此外，作为绝缘膜56可举出有机绝缘膜、二氧化硅膜或氮化硅膜等无机绝缘膜以及它们的组合等。这里使用丙烯类有机绝缘膜和二氧化硅膜(SiO2膜)的层叠膜作为绝缘膜56。
[0064]在取出电极部分(端子部分)贴附耐热性的薄膜(聚酰亚胺带)，在该状态下旋涂有机绝缘膜的材料液。例如在以2000rpm旋转30秒的条件下，获得膜厚I μ m。对其进行洁净烘烤使其烧结(例如220°C、1小时)。在贴附有耐热性薄膜的情况下通过溅射法(交流放电)形成SiO2膜。例如将基板加热至80°C，形成1000埃。这里，当剥离了耐热性薄膜时，能够将有机绝缘膜、SiO2膜一并良好剥离。此后进行洁净烘烤使其烧结(例如220°C、1小时)。这是为了提高SiO2膜的绝缘性和透明性。虽然未必有形成SiO2膜的必要性，然而通过形成该膜能提高在其上形成的ITO膜的紧密贴合性和图形化性能，因此优选形成。还能提高绝缘性。另一方面，虽然也可以考虑不形成有机绝缘膜而仅由SiO2膜来获取绝缘性的方法，然而此时SiO2膜易于变为多孔质，因而优选确保4000埃?8000埃左右的膜厚。此外，还可以成为与SiNx的层叠膜。另外，作为无机绝缘膜的形成方法叙述的是溅射法，然而也可以使用真空蒸镀法、离子束法、CVD法(化学气相沉积法)等形成方法。
[0065]然后，在绝缘膜56上形成第3电极58和第4电极59。具体而言，首先通过溅射法(交流放电)在绝缘膜56上形成ITO膜。例如将基板加热至100°C，在整个表面形成大约1200埃左右的ITO膜。通过通常的光刻技术对该ITO膜进行图形化。作为此时的光掩模，使用具有与上述图4所示的梳齿状电极对应的遮光部分的掩模。作为梳齿状的电极，例如能够设电极指的宽度为20 μ m?30 μ m、电极间隔20 μ m?200 μ m。另外，若上述取出电极部分不存在图形则通过蚀刻一并除去下侧的ITO膜，因此使用在取出电极部分也形成有图形的光掩模。
[0066]清洗如上制作出的第I基板51和第2基板54。具体而言，首先进行水洗(刷洗或冲洗、纯水清洗)，在水干后进行UV清洗,最后进行IR干燥。
[0067]接着在第I基板51、第2基板54上分别形成取向膜53、57。作为取向膜53、57，例如使用将通常用作垂直取向膜的材料的侧链密度降低后的聚酰亚胺膜。将取向膜的材料液(取向材料)涂覆于第I基板51、第2基板54的各自的一个面上，通过洁净烘烤对其进行烧结(例如160?260°C、1小时)。作为取向膜的材料液的涂敷方法，可使用柔性印刷、喷墨印刷或旋涂。这里使用的是旋涂，而使用其他方式结果也相同。取向膜53、57的膜厚例如为500?800埃。接着对各取向膜53、57进行作为取向处理的摩擦处理。将摩擦时的推入量例如设定为0.8_。由此，各取向膜53、57相对于液晶分子可发现20°?60°左右的预倾角。关于摩擦方向，设定为初始状态(延展扭转状态)下的扭转角Φ为例如70°。
[0068]接着将第I基板51与第2基板54贴合起来。用分配器在第I基板51上将密封材料涂覆为期望的图形，该密封材料中混入有大致2wt%的粒径大约4 μ m的柱状玻璃间隔部件。此外，用干式分布法在第2基板54上分布粒径大约4μπι的塑料间隔部件。在贴合两基板后，通过热压接使密封材料固化。
[0069]进而，通过在第I基板51与第2基板54之间注入液晶材料来形成液晶层60。在液晶材料中添加例如CB15作为手征材料。手征材料的添加量被设定为使得d/p为0.25?
0.53。
[0070]最后，在第I基板51和第2基板54的各个外侧贴合偏振片。偏振片设为正交尼科耳配置。此处，以各偏振片的透射轴与摩擦方向成10°角度的方式配置偏振片。
[0071]通过以上过程，实施例的液晶元件完成。该液晶元件在完成时刻将液晶层60取向成延展扭转状态。此时，成为透射率(或反射率)比较高的明亮状态的外观。并且，在对液晶层60施加纵向电场时，液晶层60的取向转变成反向扭转状态，即使在关闭电场后也维持该状态。此时，成为透射率(或反射率)比较低的较暗状态的外观。并且，在对液晶层60施加横向电场时，液晶层60的取向再次转变成延展扭转状态，即使在关闭电场后也维持该状态。
[0072]接着详细说明本实施方式的液晶元件的驱动方法。
[0073]图5 (A)?图5 (C)是示出在将液晶元件的液晶层设为反向扭转状态后施加纵向电场时的显微镜观察像的图。此外，图5(D)是示出用于该观察的液晶元件的摩擦方向以及偏振片的透射轴的方向的图。如图5 (D)所示，该液晶元件将各偏振片的透射轴分别设定为图中沿顺时针方向的45°方向和沿逆时针方向的45°方向，将第I基板51的摩擦方向RL设定为沿顺时针方向的35°，第2基板54的摩擦方向RU设定为沿逆时针方向的35°。本申请的发明人研究后得到以下见解:在对图5 (A)所示的反向扭转状态的液晶层施加纵向电场后关闭电场时，如图5 (B)所示，液晶层的取向状态从反向扭转状态暂时转变为延展扭转状态，在几秒后如图5 (C)所示那样开始再次返回到反向扭转状态。另外，这里作为纵向电场，在对第I电极52与第2电极55之间施加2.5V的电压后设为了 0V。详细观察可知，从暂时的延展扭转状态向反向扭转状态的再次转变以间隔部件(间隔材料)为起点开始产生。
[0074]图6是示出使得产生暂时的取向状态转变的纵向电场的大小与透射率之间的关系的图。在图6中横轴与经过时间对应，左侧纵轴与从液晶元件的正面方向计测的透射率对应，右侧纵轴与纵向电场的大小(施加电压)对应，实线表透射率，柱状图的柱表不施加电压。在经过时间O?15秒的期间，液晶元件的液晶层处于初始状态(延展扭转状态)，此时的透射率比较高。在经过时间15?30秒的期间，液晶元件的液晶层通过纵向电场的施加转变成反向扭转状态，此时的透射率比较低。在经过时间30?50秒的期间，处于没有液晶元件的液晶层施加电压的状态，维持反向扭转状态，因此透射率较低。在经过时间50秒之后以10秒间隔分别向液晶层施加IOV (伏特)、9V、8V、7V、6V、5V、4V、3.5V、3V、2.5V、2V、IV的交流电压。另外，施加的交流电压的频率是20Hz，施加的时间分别是大致I秒。如图所示，可知在本实验例中，在施加电压2.5V?3.5V的情况下，电场关闭后，透射率瞬间变大为与初始状态同等程度，该透射率上升的状态大概维持3秒。但是，在施加电压2V的条件和3.5V以上的条件下电场关闭后没有出现透射率急剧上升的现象。即，能够得到以下见解:通过向反向扭转状态的液晶层施加比较低的纵向电场，能够瞬间转变为延展扭转状态，而且该暂时的转变所需的时间比较短。
[0075]本申请的发明人根据这种见解进行研究后得到以下构思:通过在对反向扭转状态的液晶层施加纵向电场而使其暂时转变为延展扭转状态后，进一步施加横向电场，能够使转变为该延展扭转状态的状态稳定，并且与不向反向扭转状态的液晶层施加纵向电场而施加横向电场的情况相比，能够缩短转变到延展扭转状态所需的时间。接着详细说明用于使该构思具体化的驱动方法。
[0076]图7 (A)和图7 (B)是用于说明从驱动电路供给的驱动电压的波形图。本实施方式的驱动电路65中存在V1、V2、V3的电压输出，均为矩形波。在使液晶元件60的液晶层的取向状态从延展扭转状态转变为反向扭转状态时，通过驱动电路65对第I电极52与第2电极55之间施加电压Vl (纵向电场)。另一方面，在使液晶元件60的液晶层的取向状态从反向扭转状态转变为延展扭转状态时，通过驱动电路65，首先对第I电极52与第2电极55之间施加电压V2 (纵向电场)，接着对第3电极58与第4电极59之间施加电压V3 (横向电场)。
[0077]详细地说，首先如图7 (A)所示那样在时间tl的期间内对第I电极52与第2电极55之间施加电压V2。接着，如图7 (B)所示，在从施加电压V2起经过时间t2后，在时间t3的期间内对第3电极58与第4电极59之间施加电压V3。此时，在将时间t2设定得比时间tl小的情况下，如图示的例子那样，电压V2的施加期间与电压V3的施加期间暂时重合。即，暂时向液晶层60同时施加纵向电场和横向电场。另外,关于电压Vl?V3的任意一个，都能适当调整频率和电压的大小。在电压V3大于电压V1、V2的情况下，为了防止电压V3作为噪声混入到第I电极52和第2电极55，相比接地驱动，优选为高阻抗驱动。
[0078]对使用这种驱动电压时的详细驱动条件进行研究可知，为了进一步缩短从反向扭转状态向延展扭转状态的转变时间，优选满足tl > t2的条件。即，可知优选存在同时施加纵向电场和横向电场的期间。另外，也可以设为tl=t2，该情况下在电压V2的施加后接着施加电压V3。由此，在向液晶层60施加纵向电场后，接着施加横向电场。此外，也可以设为tl < t2，该情况下在电压Vl的施加后隔着无电压施加的期间施加电压V2。由此，在向液晶层60施加纵向电场后，隔着电场O的期间施加横向电场。该情况下，为了发现更大的利用纵向电场和横向电场的组合来提高响应性的效果，需要满足tl+3 (秒)3t2的条件。关于与该时间tl相加的“3秒”，如上述图6所示，根据是在电场关闭后，透射率瞬间变大为与初始状态同等程度的状态维持的时间大概是3秒。
[0079]图8是示出使用上述驱动电压驱动实施例的液晶元件时的透射率的经时变化的图。此处，将驱动电压设定为电压V1=10V、电压V2=2.5V、电压V3=10V、时间tl=l.0秒、时间t2=0.5秒、时间t3=l.0秒，计测从反向扭转状态转变成延展扭转状态时的透射率的经时变化。此外，作为比较例，还计测了仅使用横向电场时的透射率的经时变化。将此时的电压V3设为了 10V。如图所示，在仅施加横向电场的比较例的液晶元件中，液晶层的取向状态从反向扭转状态向延展扭转状态转变，伴随于此，到透射率发生变化为止需要大约25秒，与此相对，在实施例的液晶元件中，该时间被大幅度缩短为大约6秒。
[0080]图9 (A)?图9 (C)是示出实施例的液晶元件的显微镜观察像的图，图9 (D)是示出偏振片的透射轴以及摩擦方向的图。在实施例的液晶元件中，如图9 (A)所示，在向液晶层为反向扭转状态的液晶层供给了上述组合纵向电场和横向电场而成的驱动电压时，观察到通过纵向电场而瞬间转变为延展扭转状态(图9 (B))，之后，向延展扭转状态的转变通过横向电场而稳定的情形(图9 (C))。
[0081]图10 (A)?图10 (D)是示出比较例的液晶元件的显微镜观察像的图，图10 (E)是示出偏振片的透射轴以及摩擦方向的图。在比较例的液晶元件中，如图10 (A)所示，在向液晶层为反向扭转状态的液晶层供给了横向电场的驱动电压时，观察到在梳齿状的第3电极和第4电极的电极指之间随机产生转变成延展扭转状态的区域(图10 (B))，之后转变成延展扭转状态的区域逐渐扩大(图10 (C):经过5秒后)，进而转变成延展扭转状态的区域波及整体的情形(图10 (D):经过25秒后)。
[0082]与上述实施例的液晶元件相比，在比较例中，从反向扭转状态向延展扭转状态转变时的情形不同。即，在实施例中，通过开始的纵向电场的施加大范围产生转变成延展扭转状态的区域，并通过之后的横向电场的施加维持这些区域。因此，外观上美观性良好。与此相对，在比较例中转变成延展扭转状态的区域在电极指间局部产生后其区域扩大。因此，夕卜观上美观性不佳。
[0083]图11是示出驱动电压的频率与转变时间之间的关系的图。计测了分别在20Hz?IOOHz期间可变地设定电压V2的频率f2和电压V3的频率f3来对实施例的液晶元件供给驱动电压时的从反向扭转状态转变成延展扭转状态的转变时间。另外，将转变时间设为到透射率的变化饱和为止的时间。此外，关于频率以外的条件，将电压V2设定为2.5V和3.0V两种，电压V3在任意一个情况下均设定为10V，将时间tl设定为1.0秒，时间t2设定为0.5秒，时间t3设定为1.0秒。如图所示，在频率比较高的情况下，具体而言在50Hz~IOOHz的情况下，基本观察不到转变时间T对频率的依存性，但在频率比较低的情况下，具体而言在20Hz~40Hz的情况下，能观察到频率越低转变时间T越缩短的趋势。
[0084]接着说明使用了上述液晶元件具有的存储性的能实现低功耗驱动的液晶显示装置的结构例。
[0085]图12是示意性示出液晶显示装置的结构例的图。图12所示的液晶显示装置是矩阵状地排列多个像素部74而构成的单纯矩阵型的液晶显示装置，作为各像素部74，可采用上述液晶元件。具体而言，液晶显示装置构成为包含:在X方向延伸的m根控制线BI~Bm ；对这些控制线BI~Bm提供控制信号的驱动器71 ;分别与控制线BI~Bm交叉并在Y方向延伸的η根控制线Al~An ;对这些控制线Al~An提供控制信号的驱动器72 ;分别与控制线BI~Bm交叉并在Y方向延伸的η根控制线Cl~Cn和Dl~Dn ;对这些控制线Cl~Cn和Dl~Dn提供控制信号的驱动器73 ;设置于控制线BI~Bm与控制线Al~An的各交点处的像素部74。
[0086]各控制线BI~Bm、Al~An、Cl~Cn和Dl~Dn例如由ITO等透明导电膜构成。控制线BI~Bm与Al~An交叉的部分作为上述第I电极52和第2电极55发挥作用(参照图4 (B))。另外，控制线Cl~Cn与设置于与各像素部74相当的区域中且作为第3电极58的梳齿状的电极指(图12中省略了图示)连接。同样地，控制线Dl~Dn与设置于与各像素部74相当的区域中且作为第4电极59的梳齿状的电极指(图12中省略了图示)连接。
[0087]作为图12所示结构的液晶显示装置的驱动法，可考虑各种方法。例如说明按照每个控制线B1、B2、B3…Bm和行进行显示改写的方法(线依次驱动法)。这种情况下，对希望进行相对明亮显示(反向扭转状态)的像素部74施加纵向电场的驱动电压，对希望进行相对较暗显示(延展扭转状态)的像素部74施加组合纵向电场和横向电场而成的驱动电压即可。
[0088]依次选择控制线B2、B3...，将这种驱动电压施加到对应的像素部74，从而能进行点矩阵显示。通过这种驱动而改写的显示状态能够半永久性地保持。为了改写该显示只要再次从控制线BI起执行上述控制即可。另外，此处示出将本发明用于所谓的单纯矩阵型液晶显示装置的例子，然而本发明还能应用于使用了薄膜晶体管等的有源矩阵型液晶显示装置。在有源矩阵型液晶显示装置的情况下无需对控制线BI等的每行进行改写，因此能缩短改写时间。此外，还能施加阈值2倍以上的电压，因此能更高速地进行改写。其中，单侧基板具有横向电场用和纵向电场用的电极，因此每个像素需要2个薄膜晶体管等。
[0089]如上所述，根据本实施方式以及各实施例，能够减少利用两种取向状态间的转变的液晶元件中的液晶层的状态转变所需的时间。
[0090]此外，液晶元件的制造工序基本上与通常的液晶元件的制造工序大致相同，从而成本增高的原因较少。即，能够以与通常的液晶元件相同的制造技术价廉地制造。
[0091]此外，本实施方式等的液晶元件在改写显示时以外不需要功率，因此能够进行超低功耗驱动，在透射型显示器、反射型显示器的任意一个情况下均能够实现合适的显示器。尤其在应用于反射型显示器的情况下有较大优点。[0092]此外，能够应用利用了取向状态的存储性的驱动方法(线依次改写法等)，因此能够在不使用薄膜晶体管等开关元件的情况下利用单纯矩阵显示进行大容量的点矩阵显示。因此，能够以低成本进行大容量显示。
[0093]另外，本发明不限于上述实施方式的内容，能够在本发明的主旨范围内进行各种变形并实施。例如，在上述实施方式等中列举摩擦处理作为取向处理的具体例子，但还能够使用除此以外的取向处理(例如光取向法、斜角蒸镀法等)。此外，关于在说明中列举的数值条件等，只不过是恰当的一个例子，不一定限定于这些数值条件。
【权利要求】
1.一种液晶兀件,其包含:相对配置的第1基板以及第2基板，它们各自的一个面被实施了取向处理；液晶层，其设置在所述第1基板的一个面与所述第2基板的一个面之间；用于向所述液晶层施加与所述第1基板以及所述第2基板的各一个面大致垂直方向的第1电场和与该各一个面大致平行方向的第2电场的电极；以及驱动电路，其向所述电极供给驱动电压，所述第1基板和所述第2基板的所述取向处理的方向被设定成使所述液晶层的液晶分子产生朝第1方向扭转的第1取向状态，所述液晶层含有产生第2取向状态的性质的手征材料，所述第2取向状态是所述液晶分子朝向与所述第1方向相反的第2方向扭转的状态，从所述驱动电路供给的所述驱动电压至少在经由所述电极向所述液晶层施加所述第1电场后施加所述第2电场，所述液晶层通过被施加所述第1电场和所述第2电场而从所述第1取向状态转变为所述第2取向状态。
2.根据权利要求1所述的液晶元件，其中，在施加所述第1电场后接着施加所述第2电场。
3.根据权利要求2所述的液晶元件，其中，施加所述第1电场的期间与施加所述第2电场的期间至少一部分重合。
4.根据权利要求3所述的液晶元件，其中，所述重合的期间为3秒以上。
5.一种液晶显示装置，该液晶显示装置具备多个像素部，该多个像素部分别用权利要求1?4中的任意1项所述的液晶元件构成。
【文档编号】G02F1/1337GK103631057SQ201310346565
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月9日 优先权日:2012年8月22日
【发明者】加藤惠介, 都甲康夫 申请人:斯坦雷电气株式会社
【专利摘要】液晶元件、液晶显示装置，减少利用两种取向状态间的转变的液晶元件中的液晶层的状态转变所需的时间。液晶元件包含第1基板、第2基板、设置于第1基板与第2基板之间的液晶层、用于向液晶层施加与基板面大致垂直方向的第1电场和与该基板面大致平行方向的第2电场的电极、和向该电极供给驱动电压的驱动电路。第1基板和第2基板的取向处理的方向被设定成使液晶层的液晶分子产生朝第1方向扭转的第1取向状态，液晶层含有产生第2取向状态的性质的手征材料，第2取向状态是液晶分子朝向与第1方向相反的第2方向扭转。从驱动电路供给的驱动电压在向液晶层施加第1电场后施加第2电场，液晶层通过被施加第1电场和第2电场而从第1取向状态转变为第2取向状态。
【专利说明】液晶元件、液晶显示装置【技术领域】
[0001]本发明涉及液晶元件和液晶显示装置中的光电特性的改良技术。
【背景技术】
[0002]在日本特开2011-203547号公报(专利文献1)中，公开了利用两种取向状态间的转变的新颖的液晶显示元件(反向TN型液晶元件)。该现有例的液晶显示元件具有进行了取向处理的第1基板、第2基板以及配置于这些基板之间并进行扭转取向的液晶层，液晶层中含有手征材料。并且，在液晶层中不含有手征材料的情况下将液晶分子扭转的旋转方向设为第1旋转方向时，手征材料向液晶分子赋予朝与第1旋转方向相反的第2旋转方向的旋转性。此外，第1基板和第2基板取向处理成分别发现20°以上45°以下的预倾角。在第1基板和第2基板上，设置有能够在液晶层的层厚方向和与其垂直的方向上分别产生电场的电极。根据上述结构，能够得到具有可维持显示状态的存储性、且可得到高对比度比的显示品质优异的液晶显示元件。
[0003]但是，上述现有例的液晶显示元件在以下方面还有改良的余地，即在使液晶层的液晶分子的取向状态从向第2旋转方向扭转的状态转变为向第1旋转方向扭转的状态时所需的时间较长。特别在需要比较短时间地进行显示的写入和消除的多个用途(例如钟表的显示部、车辆用信息显示面板等)方面期望改良这点。
[0004]【专利文献1】日本特开2011-203547号公报
【发明内容】
[0005]本发明的具体方式的目的之一在于提供一种能够减少利用两种取向状态间的转变的液晶元件以及使用该液晶元件的液晶显示装置中的液晶层的状态转变所需的时间的技术。
[0006]本发明的一个方式的液晶元件的特征在于，该液晶元件包含:(a)相对配置的第1基板以及第2基板，它们各自的一个面被实施了取向处理；(b)液晶层，其设置在第1基板的一个面与第2基板的一个面之间；(c)用于向液晶层施加与第1基板以及第2基板的各一个面大致垂直方向的第1电场和与该各一个面大致平行方向的第2电场的电极；以及(d)驱动电路，其向电极供给驱动电压，(e)第1基板和第2基板的取向处理的方向被设定成使液晶层的液晶分子产生朝第1方向扭转的第1取向状态，(f)液晶层含有产生第2取向状态的性质的手征材料，第2取向状态是液晶分子朝向与第1方向相反的第2方向扭转的状态，(g)从驱动电路供给的驱动电压至少在经由电极向液晶层施加第1电场后施加第2电场，(h)液晶层通过被施加第1电场和第2电场而从第1取向状态转变为第2取向状态。
[0007]根据上述结构，能够通过组合两种电场并施加给液晶层，减少从第1取向状态向第2取向状态的转变所需的时间。
[0008]在上述液晶元件中，可以在施加第1电场后接着施加第2电场。
[0009]由此，能够在通过第1电场产生的取向状态的转变开始返回到原来前施加第2电场。
[0010]在上述液晶元件中，还优选施加第1电场的期间与施加第2电场的期间至少一部分重合。此时，重合的期间能够设为例如3秒以上。
[0011]由此，在重合期间中，同时施加第1电场和第2电场，从而能够进一步减少取向状态的转变所需的时间。
[0012]本发明的一个方式的液晶显示装置具备多个像素部，该多个像素部分别用上述本发明的液晶元件构成。
[0013]根据上述结构，能够通过利用液晶元件的两种取向状态的双稳定性(存储性)，得到除了显示改写时以外基本不需要功率、并且减少了液晶层的取向状态的转变所需的时间(即减少了显示切换时间)的液晶显示装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是概略地示出反向TN型液晶元件的动作的示意图。
[0015]图2是用于说明从反向扭转状态向延展扭转(Spray Twist)状态转变时的液晶层的取向状态与电场方向的关系的概念图。
[0016]图3是示出反向TN型液晶元件的结构例的截面图。
[0017]图4的(A)是以俯视图表示第1?第4电极的配置的示意图。图4的(B)?图4的(D)是以截面表示第1?第4电极的配置的示意图。
[0018]图5的(A)?图5的(C)是示出在将液晶元件的液晶层设为反向扭转状态后施加纵向电场时的显微镜观察像的图。此外，图5的(D)是示出用于该观察的液晶元件的摩擦方向以及偏振片的透射轴的方向的图。
[0019]图6是示出使得产生暂时的取向状态的转变的纵向电场的大小与透射率之间的关系的图。
[0020]图7的(A)和图7的(B )是用于说明从驱动电路供给的驱动电压的波形图。
[0021]图8是示出使用驱动电压驱动实施例的液晶元件时的透射率的经时变化的图。
[0022]图9的(A)?图9的(C)是示出实施例的液晶元件的显微镜观察像的图，图9的(D)是示出偏振片的透射轴以及摩擦方向的图。
[0023]图10的(A)?图10的(D)是示出比较例的液晶元件的显微镜观察像的图，图10的(E)是示出偏振片的透射轴以及摩擦方向的图。
[0024]图11是示出驱动电压的频率与转变时间之间的关系的图。
[0025]图12是示意性示出液晶显示装置的结构例的图。
[0026]标号说明
[0027]1:上侧基板
[0028]2:下侧基板
[0029]3:液晶层
[0030]51:第 1 基板
[0031]52:第 1 电极
[0032]53、57:取向膜
[0033]54:第 2 基板[0034]55:第 2 电极
[0035]56:绝缘膜
[0036]58:第 3 电极
[0037]59:第 4 电极
[0038]60:液晶层
[0039]65:驱动电路
[0040]71、72、73:驱动器
[0041]74:像素部
[0042]A1 ?An、B1 ?Bm、Cl ?Cn、Dl ?Dn:控制线【具体实施方式】
[0043]以下，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
[0044]图1是概略地示出反向TN型液晶元件的动作的示意图。在反向TN型液晶元件中，作为基本结构，具备相对配置的上侧基板1和下侧基板2以及设置于它们之间的液晶层
3。上侧基板1与下侧基板2各自的表面被实施了摩擦处理等取向处理。以它们的取向处理的方向(在图中用箭头表示)按照90°左右的角度彼此交叉的方式，相对地配置上侧基板1与下侧基板2。通过向上侧基板1与下侧基板2之间注入向列型液晶材料来形成液晶层
3。该液晶层3采用了添加有手征材料的液晶材料，该手征材料产生使液晶分子在其方位角方向上朝向特定的方向(在图1的例子中为右旋转方向)扭转的作用。这样的反向TN型液晶元件通过手征材料的作用而在初始状态下成为液晶层3在延展取向的同时进行扭转的延展扭转状态。当在其层厚方向上对该延展扭转状态的液晶层3施加超过饱和电压的电压时，液晶分子转变为朝向左旋转方向扭转的反向扭转状态(均匀扭转(Uniform Twist)状态)。在这种反向扭转状态的液晶层3中，主体中的液晶分子倾斜，所以表现出降低液晶元件的驱动电压的效果。
[0045]图2是用于说明从反向扭转状态向延展扭转(Spray Twist)状态转变时的液晶层的取向状态与电场方向的关系的概念图。如图2 (A)所示，针对相对于基板面处于水平方向的电场(Electric f ie 1 d)，将电场的施加方向设定为，使其与反向扭转状态下的液晶层的层厚方向的大致中央的液晶分子(图中为附有图样的液晶分子)的长轴方向尽量不平行，而是成为垂直或接近垂直的状态。由此，液晶层的层厚方向的大致中央的液晶分子沿着电场方向重新进行取向，所以如图2 (B)所示，液晶层的取向状态从反向扭转状态转变至延展扭转状态。此外，当对反向扭转状态的液晶层施加了电场而使其成为与该层厚方向的大致中央的液晶分子的长轴方向平行或接近平行的状态时，难以产生从反向扭转状态向延展扭转状态的转变。这是因为，在液晶层的层厚方向的大致中央，几乎不会因电场而产生液晶分子的重新取向。根据以上情况，为了在反向TN型液晶元件中在两种取向状态之间自如地转变，基本需要产生与液晶层的层厚方向相应的电场(纵向电场)和与其垂直的方向的电场(横向电场)，而且对于横向电场而言，优选成为与反向扭转状态的液晶层的层厚方向的大致中央的液晶分子的长轴方向大致垂直或者接近于垂直的方向。关于具备用于自如地施加这些纵向电场和横向电场的电极构造的反向TN型液晶元件，以下举出具体例子进行说明。
[0046]图3是示出反向TN型液晶元件的结构例的截面图。图3所示的液晶元件具有在第I基板(上侧基板)51与第2基板(下侧基板)54之间夹设有液晶层60的基本结构，并且具有用于向该液晶层60供给驱动电压的驱动部65。下面进一步详细说明液晶元件的构造。另外，对于密封液晶层60周围的密封材料等部件省略图示和说明。
[0047]第I基板51和第2基板54分别是例如玻璃基板、塑料基板等透明基板。如图所示，第I基板51和第2基板54彼此的一个面相对，以预定间隙(例如几μ m)贴合起来。另夕卜，虽然省略了特别的图示，然而也可以在任意一个基板上形成薄膜晶体管等开关元件。
[0048]第I电极52设置于第I基板51的一面侧。此外，第2电极55设置于第2基板54的一面侧。第I电极52和第2电极55分别通过对例如氧化铟锡(ITO)等透明导电膜进行适当图形化来构成。
[0049]绝缘膜(绝缘层)56以覆盖第2电极55的方式设置在第2基板54上。该绝缘膜56例如是二氧化硅膜、氮化硅膜、氮氧化硅膜或它们的层叠膜等无机绝缘膜，或者有机绝缘膜(例如丙烯类有机绝缘膜)。
[0050]第3电极58、第4电极59分别设置在第2基板54上的上述绝缘膜56上。本实施方式的第3电极58和第4电极59是分别具有多个电极指的梳齿状电极，配置为各电极指交替排列(参照后述的图4)。第3电极58和第4电极59分别通过对例如氧化铟锡(ITO)等透明导电膜进行适当图形化来构成。第3电极58、第4电极59各自的电极指例如电极宽度为20?30 μ m左右，电极间隔为20?200 μ m左右。
[0051]取向膜53以覆盖第I电极52的方式设置于第I基板51的一面侧。此外，取向膜57以覆盖第3电极58和第4电极59的方式设置于第2基板54的一面侧。对各取向膜53、57实施预定的取向处理(例如摩擦处理)。通过各取向膜53、57在与液晶层60的界面处赋予给液晶层60的液晶分子的预倾角比较高，例如为20°以上。
[0052]液晶层60设置于第I基板51和第2基板54彼此之间。构成液晶层60的液晶材料的介电常数各向异性Λ ε为正(Λ ε >0)。在该液晶材料中添加了用于使液晶分子扭转取向的手征材料。
[0053]驱动电路65与第I电极53、第2电极56、第3电极58以及第4电极59连接，向这些电极供给驱动电压。
[0054]图4 (A)是以俯视图表示第I?第4电极的配置的示意图。图4 (B)?图4 (D)是以截面表示第I?第4电极的配置的示意图。参照这些图说明使用各电极对液晶层施加的电场。
[0055]如图4 (A)所示，第I电极52与第2电极55彼此相对配置，在两者重叠的区域内配置有第3电极58和第4电极59。此外,第3电极58的多个电极指和第4电极59的多个电极指以逐个交替重复的方式配置。
[0056]如图4 (B)所示，能够通过由驱动电路65对第I电极52与第2电极55之间施加电压，在两个电极之间产生电场。这种情况下的电场如图所示成为沿着第I基板51和第2基板54的厚度方向(单元厚度方向)的电场、即“纵向电场(第I电场)”。
[0057]此外，如图4 (C)所示，能够通过由驱动电路65对第3电极58与第4电极59之间施加电压，在两个电极之间产生电场。这种情况下的电场如图所示成为与第I基板51和第2基板54的各一个面大致平行的方向的电场、即“横向电场(第2电场)”。此后有时将使用这种电场的模式称作“IPS模式”。[0058]此外，如图4 (D)所示，能够通过由驱动电路65向隔着绝缘膜56相对配置的第2电极55与第3电极58以及第4电极59之间施加电压，由此在两个电极之间产生电场。这种情况下的电场如图所示成为沿着与第I基板51和第2基板54的各一个面大致平行的方向的电场、即“横向电场(第2电场)”。此后有时将使用这种电场的模式称作“FFS模式”。
[0059]本实施方式的液晶元件在初始状态下将液晶层60的液晶分子取向为延展扭转状态。与此相对，在如上述那样使用第I电极52和第2电极55产生纵向电场时,液晶层60的液晶分子的取向状态转变为反向扭转状态。此后，若使用第3电极58和第4电极59产生横向电场(IPS模式)，则液晶层60的取向状态转变为延展扭转状态。此外，在使用第2电极55、第3电极58、第4电极59产生横向电场的情况下(FFS模式),液晶层60的取向状态也同样从反向扭转状态转变到延展扭转状态。与IPS模式进行比较，处于FFS模式能使液晶层60的取向状态更为均匀地转变的趋势。认为这是由于对第3电极58、第4电极59的各电极上也施加了横向电场。因此可以说基于开口率(透射率、对比度比)的观点FFS模式更合适。
[0060]关于液晶层60的取向状态能够在延展扭转状态与反向扭转状态之间切换的理由研究如下。在延展扭转状态下，液晶层60的层厚方向的大致中央处的液晶分子取向为大致水平，但在由于纵向电场而成为反向扭转状态后，层厚方向的大致中央处的液晶分子取向为接近垂直的状态。此后，通过IPS模式或FFS模式的横向电场对反向扭转状态的液晶层60的层厚方向的大致中央处的液晶分子施加横向电场，由于处于延展扭转状态的液晶层60的该大致中央处的液晶分子朝向应有的指向矢方向，因此再次转变到作为初始状态的延展扭转状态。通过以上叙述，可认为有效应用了纵向电场和横向电场来切换延展扭转状态和反向扭转状态。
[0061]接着详细说明液晶元件的实施例。
[0062]通过对带ITO膜的玻璃基板的ITO膜进行图形化，制作具有第I电极52的第I基板51。这里可以通过通常的光刻技术进行ITO膜的图形化。作为ITO蚀刻方法，使用湿蚀亥lj(氯化铁)。此处的第I电极52的形状图形会在取出电极部分和相当于显示像素的部分残留ITO膜。同样地，通过对带ITO膜的玻璃基板的ITO膜进行图形化，制作具有第2电极55的第2基板54。
[0063]然后在第2基板54的第2电极55上形成绝缘膜56。此时，需要采取在取出电极部分不形成绝缘膜56的措施。作为该方法，可举出预先在取出电极部分形成抗蚀剂并在绝缘膜56形成后提离的方法、在通过金属掩模等隐藏了取出电极部分的状态下通过溅射法等形成绝缘膜56的方法等。此外，作为绝缘膜56可举出有机绝缘膜、二氧化硅膜或氮化硅膜等无机绝缘膜以及它们的组合等。这里使用丙烯类有机绝缘膜和二氧化硅膜(SiO2膜)的层叠膜作为绝缘膜56。
[0064]在取出电极部分(端子部分)贴附耐热性的薄膜(聚酰亚胺带)，在该状态下旋涂有机绝缘膜的材料液。例如在以2000rpm旋转30秒的条件下，获得膜厚I μ m。对其进行洁净烘烤使其烧结(例如220°C、1小时)。在贴附有耐热性薄膜的情况下通过溅射法(交流放电)形成SiO2膜。例如将基板加热至80°C，形成1000埃。这里，当剥离了耐热性薄膜时，能够将有机绝缘膜、SiO2膜一并良好剥离。此后进行洁净烘烤使其烧结(例如220°C、1小时)。这是为了提高SiO2膜的绝缘性和透明性。虽然未必有形成SiO2膜的必要性，然而通过形成该膜能提高在其上形成的ITO膜的紧密贴合性和图形化性能，因此优选形成。还能提高绝缘性。另一方面，虽然也可以考虑不形成有机绝缘膜而仅由SiO2膜来获取绝缘性的方法，然而此时SiO2膜易于变为多孔质，因而优选确保4000埃?8000埃左右的膜厚。此外，还可以成为与SiNx的层叠膜。另外，作为无机绝缘膜的形成方法叙述的是溅射法，然而也可以使用真空蒸镀法、离子束法、CVD法(化学气相沉积法)等形成方法。
[0065]然后，在绝缘膜56上形成第3电极58和第4电极59。具体而言，首先通过溅射法(交流放电)在绝缘膜56上形成ITO膜。例如将基板加热至100°C，在整个表面形成大约1200埃左右的ITO膜。通过通常的光刻技术对该ITO膜进行图形化。作为此时的光掩模，使用具有与上述图4所示的梳齿状电极对应的遮光部分的掩模。作为梳齿状的电极，例如能够设电极指的宽度为20 μ m?30 μ m、电极间隔20 μ m?200 μ m。另外，若上述取出电极部分不存在图形则通过蚀刻一并除去下侧的ITO膜，因此使用在取出电极部分也形成有图形的光掩模。
[0066]清洗如上制作出的第I基板51和第2基板54。具体而言，首先进行水洗(刷洗或冲洗、纯水清洗)，在水干后进行UV清洗,最后进行IR干燥。
[0067]接着在第I基板51、第2基板54上分别形成取向膜53、57。作为取向膜53、57，例如使用将通常用作垂直取向膜的材料的侧链密度降低后的聚酰亚胺膜。将取向膜的材料液(取向材料)涂覆于第I基板51、第2基板54的各自的一个面上，通过洁净烘烤对其进行烧结(例如160?260°C、1小时)。作为取向膜的材料液的涂敷方法，可使用柔性印刷、喷墨印刷或旋涂。这里使用的是旋涂，而使用其他方式结果也相同。取向膜53、57的膜厚例如为500?800埃。接着对各取向膜53、57进行作为取向处理的摩擦处理。将摩擦时的推入量例如设定为0.8_。由此，各取向膜53、57相对于液晶分子可发现20°?60°左右的预倾角。关于摩擦方向，设定为初始状态(延展扭转状态)下的扭转角Φ为例如70°。
[0068]接着将第I基板51与第2基板54贴合起来。用分配器在第I基板51上将密封材料涂覆为期望的图形，该密封材料中混入有大致2wt%的粒径大约4 μ m的柱状玻璃间隔部件。此外，用干式分布法在第2基板54上分布粒径大约4μπι的塑料间隔部件。在贴合两基板后，通过热压接使密封材料固化。
[0069]进而，通过在第I基板51与第2基板54之间注入液晶材料来形成液晶层60。在液晶材料中添加例如CB15作为手征材料。手征材料的添加量被设定为使得d/p为0.25?
0.53。
[0070]最后，在第I基板51和第2基板54的各个外侧贴合偏振片。偏振片设为正交尼科耳配置。此处，以各偏振片的透射轴与摩擦方向成10°角度的方式配置偏振片。
[0071]通过以上过程，实施例的液晶元件完成。该液晶元件在完成时刻将液晶层60取向成延展扭转状态。此时，成为透射率(或反射率)比较高的明亮状态的外观。并且，在对液晶层60施加纵向电场时，液晶层60的取向转变成反向扭转状态，即使在关闭电场后也维持该状态。此时，成为透射率(或反射率)比较低的较暗状态的外观。并且，在对液晶层60施加横向电场时，液晶层60的取向再次转变成延展扭转状态，即使在关闭电场后也维持该状态。
[0072]接着详细说明本实施方式的液晶元件的驱动方法。
[0073]图5 (A)?图5 (C)是示出在将液晶元件的液晶层设为反向扭转状态后施加纵向电场时的显微镜观察像的图。此外，图5(D)是示出用于该观察的液晶元件的摩擦方向以及偏振片的透射轴的方向的图。如图5 (D)所示，该液晶元件将各偏振片的透射轴分别设定为图中沿顺时针方向的45°方向和沿逆时针方向的45°方向，将第I基板51的摩擦方向RL设定为沿顺时针方向的35°，第2基板54的摩擦方向RU设定为沿逆时针方向的35°。本申请的发明人研究后得到以下见解:在对图5 (A)所示的反向扭转状态的液晶层施加纵向电场后关闭电场时，如图5 (B)所示，液晶层的取向状态从反向扭转状态暂时转变为延展扭转状态，在几秒后如图5 (C)所示那样开始再次返回到反向扭转状态。另外，这里作为纵向电场，在对第I电极52与第2电极55之间施加2.5V的电压后设为了 0V。详细观察可知，从暂时的延展扭转状态向反向扭转状态的再次转变以间隔部件(间隔材料)为起点开始产生。
[0074]图6是示出使得产生暂时的取向状态转变的纵向电场的大小与透射率之间的关系的图。在图6中横轴与经过时间对应，左侧纵轴与从液晶元件的正面方向计测的透射率对应，右侧纵轴与纵向电场的大小(施加电压)对应，实线表透射率，柱状图的柱表不施加电压。在经过时间O?15秒的期间，液晶元件的液晶层处于初始状态(延展扭转状态)，此时的透射率比较高。在经过时间15?30秒的期间，液晶元件的液晶层通过纵向电场的施加转变成反向扭转状态，此时的透射率比较低。在经过时间30?50秒的期间，处于没有液晶元件的液晶层施加电压的状态，维持反向扭转状态，因此透射率较低。在经过时间50秒之后以10秒间隔分别向液晶层施加IOV (伏特)、9V、8V、7V、6V、5V、4V、3.5V、3V、2.5V、2V、IV的交流电压。另外，施加的交流电压的频率是20Hz，施加的时间分别是大致I秒。如图所示，可知在本实验例中，在施加电压2.5V?3.5V的情况下，电场关闭后，透射率瞬间变大为与初始状态同等程度，该透射率上升的状态大概维持3秒。但是，在施加电压2V的条件和3.5V以上的条件下电场关闭后没有出现透射率急剧上升的现象。即，能够得到以下见解:通过向反向扭转状态的液晶层施加比较低的纵向电场，能够瞬间转变为延展扭转状态，而且该暂时的转变所需的时间比较短。
[0075]本申请的发明人根据这种见解进行研究后得到以下构思:通过在对反向扭转状态的液晶层施加纵向电场而使其暂时转变为延展扭转状态后，进一步施加横向电场，能够使转变为该延展扭转状态的状态稳定，并且与不向反向扭转状态的液晶层施加纵向电场而施加横向电场的情况相比，能够缩短转变到延展扭转状态所需的时间。接着详细说明用于使该构思具体化的驱动方法。
[0076]图7 (A)和图7 (B)是用于说明从驱动电路供给的驱动电压的波形图。本实施方式的驱动电路65中存在V1、V2、V3的电压输出，均为矩形波。在使液晶元件60的液晶层的取向状态从延展扭转状态转变为反向扭转状态时，通过驱动电路65对第I电极52与第2电极55之间施加电压Vl (纵向电场)。另一方面，在使液晶元件60的液晶层的取向状态从反向扭转状态转变为延展扭转状态时，通过驱动电路65，首先对第I电极52与第2电极55之间施加电压V2 (纵向电场)，接着对第3电极58与第4电极59之间施加电压V3 (横向电场)。
[0077]详细地说，首先如图7 (A)所示那样在时间tl的期间内对第I电极52与第2电极55之间施加电压V2。接着，如图7 (B)所示，在从施加电压V2起经过时间t2后，在时间t3的期间内对第3电极58与第4电极59之间施加电压V3。此时，在将时间t2设定得比时间tl小的情况下，如图示的例子那样，电压V2的施加期间与电压V3的施加期间暂时重合。即，暂时向液晶层60同时施加纵向电场和横向电场。另外,关于电压Vl?V3的任意一个，都能适当调整频率和电压的大小。在电压V3大于电压V1、V2的情况下，为了防止电压V3作为噪声混入到第I电极52和第2电极55，相比接地驱动，优选为高阻抗驱动。
[0078]对使用这种驱动电压时的详细驱动条件进行研究可知，为了进一步缩短从反向扭转状态向延展扭转状态的转变时间，优选满足tl > t2的条件。即，可知优选存在同时施加纵向电场和横向电场的期间。另外，也可以设为tl=t2，该情况下在电压V2的施加后接着施加电压V3。由此，在向液晶层60施加纵向电场后，接着施加横向电场。此外，也可以设为tl < t2，该情况下在电压Vl的施加后隔着无电压施加的期间施加电压V2。由此，在向液晶层60施加纵向电场后，隔着电场O的期间施加横向电场。该情况下，为了发现更大的利用纵向电场和横向电场的组合来提高响应性的效果，需要满足tl+3 (秒)3t2的条件。关于与该时间tl相加的“3秒”，如上述图6所示，根据是在电场关闭后，透射率瞬间变大为与初始状态同等程度的状态维持的时间大概是3秒。
[0079]图8是示出使用上述驱动电压驱动实施例的液晶元件时的透射率的经时变化的图。此处，将驱动电压设定为电压V1=10V、电压V2=2.5V、电压V3=10V、时间tl=l.0秒、时间t2=0.5秒、时间t3=l.0秒，计测从反向扭转状态转变成延展扭转状态时的透射率的经时变化。此外，作为比较例，还计测了仅使用横向电场时的透射率的经时变化。将此时的电压V3设为了 10V。如图所示，在仅施加横向电场的比较例的液晶元件中，液晶层的取向状态从反向扭转状态向延展扭转状态转变，伴随于此，到透射率发生变化为止需要大约25秒，与此相对，在实施例的液晶元件中，该时间被大幅度缩短为大约6秒。
[0080]图9 (A)?图9 (C)是示出实施例的液晶元件的显微镜观察像的图，图9 (D)是示出偏振片的透射轴以及摩擦方向的图。在实施例的液晶元件中，如图9 (A)所示，在向液晶层为反向扭转状态的液晶层供给了上述组合纵向电场和横向电场而成的驱动电压时，观察到通过纵向电场而瞬间转变为延展扭转状态(图9 (B))，之后，向延展扭转状态的转变通过横向电场而稳定的情形(图9 (C))。
[0081]图10 (A)?图10 (D)是示出比较例的液晶元件的显微镜观察像的图，图10 (E)是示出偏振片的透射轴以及摩擦方向的图。在比较例的液晶元件中，如图10 (A)所示，在向液晶层为反向扭转状态的液晶层供给了横向电场的驱动电压时，观察到在梳齿状的第3电极和第4电极的电极指之间随机产生转变成延展扭转状态的区域(图10 (B))，之后转变成延展扭转状态的区域逐渐扩大(图10 (C):经过5秒后)，进而转变成延展扭转状态的区域波及整体的情形(图10 (D):经过25秒后)。
[0082]与上述实施例的液晶元件相比，在比较例中，从反向扭转状态向延展扭转状态转变时的情形不同。即，在实施例中，通过开始的纵向电场的施加大范围产生转变成延展扭转状态的区域，并通过之后的横向电场的施加维持这些区域。因此，外观上美观性良好。与此相对，在比较例中转变成延展扭转状态的区域在电极指间局部产生后其区域扩大。因此，夕卜观上美观性不佳。
[0083]图11是示出驱动电压的频率与转变时间之间的关系的图。计测了分别在20Hz?IOOHz期间可变地设定电压V2的频率f2和电压V3的频率f3来对实施例的液晶元件供给驱动电压时的从反向扭转状态转变成延展扭转状态的转变时间。另外，将转变时间设为到透射率的变化饱和为止的时间。此外，关于频率以外的条件，将电压V2设定为2.5V和3.0V两种，电压V3在任意一个情况下均设定为10V，将时间tl设定为1.0秒，时间t2设定为0.5秒，时间t3设定为1.0秒。如图所示，在频率比较高的情况下，具体而言在50Hz~IOOHz的情况下，基本观察不到转变时间T对频率的依存性，但在频率比较低的情况下，具体而言在20Hz~40Hz的情况下，能观察到频率越低转变时间T越缩短的趋势。
[0084]接着说明使用了上述液晶元件具有的存储性的能实现低功耗驱动的液晶显示装置的结构例。
[0085]图12是示意性示出液晶显示装置的结构例的图。图12所示的液晶显示装置是矩阵状地排列多个像素部74而构成的单纯矩阵型的液晶显示装置，作为各像素部74，可采用上述液晶元件。具体而言，液晶显示装置构成为包含:在X方向延伸的m根控制线BI~Bm ；对这些控制线BI~Bm提供控制信号的驱动器71 ;分别与控制线BI~Bm交叉并在Y方向延伸的η根控制线Al~An ;对这些控制线Al~An提供控制信号的驱动器72 ;分别与控制线BI~Bm交叉并在Y方向延伸的η根控制线Cl~Cn和Dl~Dn ;对这些控制线Cl~Cn和Dl~Dn提供控制信号的驱动器73 ;设置于控制线BI~Bm与控制线Al~An的各交点处的像素部74。
[0086]各控制线BI~Bm、Al~An、Cl~Cn和Dl~Dn例如由ITO等透明导电膜构成。控制线BI~Bm与Al~An交叉的部分作为上述第I电极52和第2电极55发挥作用(参照图4 (B))。另外，控制线Cl~Cn与设置于与各像素部74相当的区域中且作为第3电极58的梳齿状的电极指(图12中省略了图示)连接。同样地，控制线Dl~Dn与设置于与各像素部74相当的区域中且作为第4电极59的梳齿状的电极指(图12中省略了图示)连接。
[0087]作为图12所示结构的液晶显示装置的驱动法，可考虑各种方法。例如说明按照每个控制线B1、B2、B3…Bm和行进行显示改写的方法(线依次驱动法)。这种情况下，对希望进行相对明亮显示(反向扭转状态)的像素部74施加纵向电场的驱动电压，对希望进行相对较暗显示(延展扭转状态)的像素部74施加组合纵向电场和横向电场而成的驱动电压即可。
[0088]依次选择控制线B2、B3...，将这种驱动电压施加到对应的像素部74，从而能进行点矩阵显示。通过这种驱动而改写的显示状态能够半永久性地保持。为了改写该显示只要再次从控制线BI起执行上述控制即可。另外，此处示出将本发明用于所谓的单纯矩阵型液晶显示装置的例子，然而本发明还能应用于使用了薄膜晶体管等的有源矩阵型液晶显示装置。在有源矩阵型液晶显示装置的情况下无需对控制线BI等的每行进行改写，因此能缩短改写时间。此外，还能施加阈值2倍以上的电压，因此能更高速地进行改写。其中，单侧基板具有横向电场用和纵向电场用的电极，因此每个像素需要2个薄膜晶体管等。
[0089]如上所述，根据本实施方式以及各实施例，能够减少利用两种取向状态间的转变的液晶元件中的液晶层的状态转变所需的时间。
[0090]此外，液晶元件的制造工序基本上与通常的液晶元件的制造工序大致相同，从而成本增高的原因较少。即，能够以与通常的液晶元件相同的制造技术价廉地制造。
[0091]此外，本实施方式等的液晶元件在改写显示时以外不需要功率，因此能够进行超低功耗驱动，在透射型显示器、反射型显示器的任意一个情况下均能够实现合适的显示器。尤其在应用于反射型显示器的情况下有较大优点。[0092]此外，能够应用利用了取向状态的存储性的驱动方法(线依次改写法等)，因此能够在不使用薄膜晶体管等开关元件的情况下利用单纯矩阵显示进行大容量的点矩阵显示。因此，能够以低成本进行大容量显示。
[0093]另外，本发明不限于上述实施方式的内容，能够在本发明的主旨范围内进行各种变形并实施。例如，在上述实施方式等中列举摩擦处理作为取向处理的具体例子，但还能够使用除此以外的取向处理(例如光取向法、斜角蒸镀法等)。此外，关于在说明中列举的数值条件等，只不过是恰当的一个例子，不一定限定于这些数值条件。
【权利要求】
1.一种液晶兀件,其包含:相对配置的第1基板以及第2基板，它们各自的一个面被实施了取向处理；液晶层，其设置在所述第1基板的一个面与所述第2基板的一个面之间；用于向所述液晶层施加与所述第1基板以及所述第2基板的各一个面大致垂直方向的第1电场和与该各一个面大致平行方向的第2电场的电极；以及驱动电路，其向所述电极供给驱动电压，所述第1基板和所述第2基板的所述取向处理的方向被设定成使所述液晶层的液晶分子产生朝第1方向扭转的第1取向状态，所述液晶层含有产生第2取向状态的性质的手征材料，所述第2取向状态是所述液晶分子朝向与所述第1方向相反的第2方向扭转的状态，从所述驱动电路供给的所述驱动电压至少在经由所述电极向所述液晶层施加所述第1电场后施加所述第2电场，所述液晶层通过被施加所述第1电场和所述第2电场而从所述第1取向状态转变为所述第2取向状态。
2.根据权利要求1所述的液晶元件，其中，在施加所述第1电场后接着施加所述第2电场。
3.根据权利要求2所述的液晶元件，其中，施加所述第1电场的期间与施加所述第2电场的期间至少一部分重合。
4.根据权利要求3所述的液晶元件，其中，所述重合的期间为3秒以上。
5.一种液晶显示装置，该液晶显示装置具备多个像素部，该多个像素部分别用权利要求1?4中的任意1项所述的液晶元件构成。
【文档编号】G02F1/1337GK103631057SQ201310346565
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月9日 优先权日:2012年8月22日
【发明者】加藤惠介, 都甲康夫 申请人:斯坦雷电气株式会社
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