(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｓｍＣ* 相の液晶層に対する法線ｚが明確に規定された方向を有する単安定モノドメインの形態で液晶層を含有し、前記液晶層に対する法線ｚと前記液晶層がネマティックまたはコレステリック相（Ｎ* 相）となっている温度にある時の配向ベクトルの方向ｎとが、５゜よりも大きい角度を形成している単安定強誘電性アクティブマトリックスディスプレイであって、前記液晶層を前記ディスプレイのラビングした上方基板とラビングした下方基板との間の空隙に導入し、ここで前記上方基板および下方基板のラビング方向は本質的に平行であり、次いで液晶相がアイソトロピック相から冷却されることを包含し、少なくともＮ* →ｓｍＣ* またはＮ* →ｓｍＡ* →ｓｍＣ* 相転移の間、前記ディスプレイに電気ＤＣ電圧が印加されるなる方法により製造される、前記アクティブマトリックスディスプレイ。
【請求項２】
ｓｍＣ* 相の液晶層に対する法線ｚと前記液晶層がネマティックまたはコレステリック相（Ｎ* 相）となっている温度にある時の配向ベクトルの方向ｎとが、ｓｍＣ* チルト角すなわちｓｍＣ* 相の液晶層に対する法線ｚと液晶の配向ベクトルの方向ｎとの成す角の０．５倍〜１．０倍の範囲にある、請求項１に記載のアクティブマトリックスディスプレイ。
【請求項３】
強誘電性液晶層が、
Ｉ* −Ｎ* −ｓｍＣ* 
で表される相配列を有し、ここで、Ｎ* 相とｓｍＣ* 相との間に、最大で２℃の存在範囲を有するｓｍＡ* 相があってもよい、請求項１または２に記載のアクティブマトリックスディスプレイ。
【請求項４】
強誘電性液晶相の自発分極値が、１５ｎＣ／ｃｍ2 よりも小さい、請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクティブマトリックスディスプレイ。
【請求項５】
液晶層において、そのカイラル−ネマティックまたはコレステリックピッチの長さが、スメクティック相への転移を超えた少なくとも２℃の温度範囲で、５０μｍよりも長い、請求項１〜４のいずれか一項に記載のアクティブマトリックスディスプレイ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のアクティブマトリックスディスプレイの製造方法であって、液晶層をアクティブマトリックスディスプレイのラビングした上方基板とラビングした下方基板との間の空隙に導入し、ここで前記上方基板および下方基板のラビング方向は本質的に平行であり、次いで液晶相がアイソトロピック相から冷却されることを包含し、少なくともＮ* →ｓｍＣ* またはＮ* →ｓｍＡ* →ｓｍＣ* 相転移の間、前記ディスプレイに電気ＤＣ電圧が印加される、前記製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
ブラウン管（受像管）の代わりに平坦な画面を使用するには、高解像力、すなわちライン１０００以上の高画像解像力、高い画像輝度（＞２００ｃＤ／ｍ2 ）、大きいコントラスト（＞１００：１）、大きいフレーム周波数（＞６０Ｈｚ）、適度の色表示（＞１６００万色）、大きい画面構成（＞４０ｃｍの画面対角線）、少ない電力消費量および広い視野角を同時に達成することを可能にし、さらにまた価格的に効果的に製造することができるデイスプレイ技術が必要である。現時点まで、これらの特性の全部を同時に充分に満たす技術は存在していない。
多くの製造業者が、ネマティック液晶に基づいており、また最近の数年間、ノートブックＰＣ、パーソナルデジタルアシスタント(personal digital assistants) およびデスクトップモニターの分野で使用されている画面を開発した。
【０００２】
これらの場合、ＳＴＮ（スーパーツィストネマティック）、ＡＭ−ＴＮ（アクティブマトリックス−ねじれネマティック）、ＡＭ−ＩＰＳ（アクティブマトリックス−インプレーンスイッチング）、ＡＭ−ＭＶＡ（アクティブマトリックス−垂直配向されたマルチドメイン）(Active Matrix-Multidomain Vertically Aligned)の技術が用いられており、これらの技術は、刊行物に広く開示されており、例えば下記刊行物を参照することができる： T.TsukudaによるTFT/LCD:Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors,Gordon and Breach,1996,ISBN 2-919875-01-9およびこの刊行物中で引用されている刊行物；SID Symposium,1997,ISSN-0097-966X,7D〜10頁、15〜18頁、47〜51頁、213 〜216 頁、383 〜386 頁、397 〜404 頁およびここに引用されている刊行物。さらにまた、ＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）(Plasma display Panel)、ＰＡＬＣ（プラズマアドレス液晶）(Plasma Addressed Liquid Crystal) 、ＥＬＤ（エレクトロルミネセント）(Electro Luminescent Display) およびＦＥＤ（電界放射型ディスプレイ）(Field Emission Display)技術を使用することもでき、これらの技術はまた、上記で引用した SID報告書で説明されている。
【０００３】
クラーク(Clark) およびラガーウォル(Lagerwall) は、非常に薄いセルでの強誘電性液晶を使用すると、慣用のＴＮ（ねじれネマティック）セルに比較して、１０００までのファクターで迅速である切換え時間を有する光電気駆動素子または表示素子が得られることを証明することができた(US 4,367,924)。EP-A 0 032 362をまた、参照することができる。
このおよびその他の好ましい性質、例えば双安定駆動の可能性およびコントラストが視野角からほとんど独立しているという事実に基づいて、ＦＬＣは基本的、コンピュター用ディスプレイおよびテレビジョン受像機などの用途分野に適しており、これは１９９５年５月からキャノン社(Canon) から日本国で販売されているモニターにより証明されている。
【０００４】
ＦＬＣを電気光学部品または完全光学部品で使用するには、スメクティック相を形成し、またそれら自体が光学的に活性である化合物、またはこのようなスメクティック相を形成するが、それら自体が光学活性ではない化合物に、光学活性化合物をドーピングすることによって強誘電性スメクティック相を誘発させるかのどちらかが要求される。この場合、望ましい相は、できるだけ広い温度範囲にわたり安定でなければならない。
液晶ディスプレイの各画素は通常、ディスプレイの下方側または上方側上に横配列(rows)および縦配列(columns) に沿って一連の電極（コンダクタートラック）をそれぞれ配置することにより形成されるｘ−ｙマトリックスに配置される。水平（横配列）電極と垂直（縦配列）電極との交差点が、アドレス可能な画素を形成する。
【０００５】
この画素の配置は通常、受動マトリックス(passive matrix)と称される。アドレスする場合、各種時分割方式が開発されており、例えば Displays,1993,vol.14,No.2,86 〜93頁および Kontakte,1993(2),3 〜14頁に記載されている。受動マトリックスアドレス法は、ディスプレイの製造が簡単であり、従って製造価格が安価であるという利点を有するが、この受動マトリックスアドレス法は常に、一ライン毎に行うことができるのみであるという欠点を有し、これによりＮ本のラインを有する画面全体のアドレス時間は、ラインアドレス時間のＮ倍を要する結果になる。約５０ミリ秒の慣用のラインアドレス時間の場合、これは、例えばＨＤＴＶ標準型［高解像度ＴＶ(High Definition TV)、ライン１１５２）の場合、すなわち約１６Ｈｚの最高フレーム周波数の場合、約６０ミリ秒の画面アドレス時間を意味する。
【０００６】
後者の周波数は、動いている画像を表示するには小さ過ぎる。さらにまた、中間調の表示は、困難である。フランス国ブレスト、（Brest,France) におけるＦＬＣ会議の場(1997 年7 月20〜24日、Abstract Book 6th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals,Brest/France参照）で、Mizutani等は、ＲＧＢ画素(RGB= 赤、緑、青) のそれぞれが、サブピクセル(sub-pixel) に分割されており、これにより部分的切換えによって中間調をデジタル形態で表示することが可能にされるデジタル中間調を有する受動ＦＬＣディスプレイを提供した。三原色（赤、緑、青）を用いるＮ中間調をもって、３N 色が生成される。この方法の欠点は、必要な画面ドライバー(drivers) の数を格別に増加させ、従って価格を格別に高くすることにある。ブレストで提示された画面の場合、デジタル中間調を有していない通常のＦＬＣディスプレイに比較して、３倍よりも多くの駆動機が必要である。
【０００７】
アクティブマトリックステクノロジー（ＡＭＬＣＤ）と称される技術においては、非構造化基板を通常、アクティブマトリックス基板と組合わせる。電気的に非線型の素子、例えば薄膜トランジスターを、アクティブマトリックス基板の各画素に集積する。この非線型素子はまた、ダイオード、金属−絶縁体−金属および類似素子であることもでき、これらは薄膜処理法により有利に製造することができ、また関連刊行物に開示されている（例えば、T.Tsukuda,TFT/LCD:Liquid Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistors,Gordon and Breach,1996,ISBN,2-919875-01-9、およびこの刊行物で引用されている文献参照）。
アクティブマトリックスＬＣＤは通常、ネマティック液晶をＴＮ（ねじれネマティック）、ＥＣＢ（電気制御した複屈折）、ＶＡ（垂直配向）またはＩＰＳ  （イン・プレーン・スイッチング）モードで作動させる。
【０００８】
各場合、アクティブマトリックスは、各画素上に個別の強度の電場を発生し、配向における変化を生じさせ、これにより複屈折値を変化させる。これは次いで偏光光中で可視化される。これらの方法の重大な欠点は、ネマティック液晶の過度に長い切換え時間に起因する貧弱な映像能(video capability)、にある。
この理由およびその他の理由で、強誘電性液晶材料とアクティブマトリックス素子との組合わせに基づく液晶ディスプレイが提供された（例えば、WO97/12355またはFerroelectrics,1996,179,141 〜152,W.J.A.M.Hartmann,IEEE Trans.Electron.Devices,1989,36,(9;Pt.1),1895〜9,およびDissertation Eindhoven,the Netherlands,1990 参照）。
ハートマン(Hartmann)は、通称、「本棚型配置」(quasi-bookshelf geometry)  （ＱＢＧ）のＦＬＣとＴＦＴ（薄膜トランジスター）アクティブマトリックスとの組合わせを使用し、早い切換え速度、中間調および高い透過性を同時に達成した。
【０００９】
しかしながら、ＱＢＧは、スメクティック層厚が電場誘発層構造を破壊または循環させることから、広い温度範囲にわたる安定性を有していない。さらにまた、ハートマンは、２０ｎＣ／ｃｍ2 よりも大きい自発分極値を有するＦＬＣ材料を使用している。例えば０．０１ｍｍ2 面積の実際寸法を有する画素の場合、例えば価格的に効果的に製造することができる無定形シリコンＴＦＴを用いては、ＴＦＴの動作時間中に画素が到達することができないほど大きい電気的変化が生じる（Ｑ＝２ＡＰ、Ａ＝画素面積、Ｐ＝自発分極値）。これらの理由で、この技術は、従来では、引き続いて研究されなかった。
ハートマンは、ほとんど連続する中間調を表示するために、電荷−制御された双安定性を利用したが、ニト(Nito)等は、単安定ＦＬＣ構造を提案した  （Journal of the SID,1/2,1993,163v〜169i頁参照）。この場合、ＦＬＣ材料を、一つのみの安定な位置が生じるように、比較的高い電圧を用いて配向させ、ここから薄膜トランジスターを介して電場を適用することによって、多くの中間状態を発生させる。これらの中間状態は、セル形態が交差偏光板間で一致する場合、多数の相違する輝度レベル（中間調）に相当する。
【００１０】
しかしながら、この方法の欠点の一つは、このセルのコントラストおよび輝度を制限するすじ状構造がディスプレイに発生することにある（上記刊行物の図８参照）。この欠点であるすじ状構造は、ネマティックまたはコレステリック相を高電圧（２０〜５０Ｖ）で処理することによって補正することができるが（上記刊行物 168頁参照）、このような電場処理は画面の大量生産には適しておらず、また一般に温度安定構造をもたらさない。さらにまた、この方法は、一旦生じたチルト角の最高値までの角度範囲での切換えが生じるのみである。ニト等により使用されている材料の場合、この最高角度は約２２゜であり  （165 頁、図 6) 、従って生じる最高透過率は、２枚の平行偏光板の透過率の５０％に過ぎない。
【００１１】
本発明の目的は、強誘電性液晶混合物を含有する強誘電性アクティブマトリックス液晶ディスプレイであって、この液晶混合物が単安定位置にあるものと見做されるが、これによるすじ状構造の形成を伴うことなく、温度安定性であり、また非常に大きい最高透過率および非常に高いコントラストの達成を可能にする、強誘電性アクティブマトリックス液晶ディスプレイを提供することにある。
この目的が、本発明に従い、液晶層を、ｓｍＣ* 相の層に対する法線ｚ(normal)の明確に定められた方向を有するモノドメイン(monodomain)の形態で含有する単安定強誘電性アクティブマトリックスディスプレイであって、液晶層に対する法線ｚとネマティックまたはコレステリック相（Ｎ* 相）の優先方向ｎとが、５゜よりも大きい角度を形成している、上記アクティブマトリックスディスプレイによって達成される。
【００１２】
本発明によるアクティブマトリックスＦＬＣＤは、光学活性層として、下記相配列：
アイソトロピック−ネマティックまたはコレステリック（Ｎ* ）−スメクティ  ックＣ* 
または下記相配列：
アイソトロピック−ネマティックまたはコレステリック（Ｎ）−スメクティッ  クＡ* −スメクティックＣ* 
を有し、ただしスメクティックＡ* 相が、高くて２℃、好ましくは高くて１℃、特に好ましくは高くて０．５℃に存在範囲（相範囲）を有する、強誘電性液晶媒体（液晶相）を含有する。上記相の表示における星印（* ）は、カイラル相が包含されることを表わす。
【００１３】
このようなディスプレイは、アクティブマトリックスディスプレイのラビングした上方基板とラビングした下方基板との間の空隙に液晶層を導入し、ここで上記上方基板および下方基板のラビング方向は基本的に平行であり、次いでこの液晶層をアイソトロピック相から冷却させることを包含し、少なくともＮ* →ｓｍＣ* またはＮ* →ｓｍＡ* →ｓｍＣ* 相転移中、当該ディスプレイに電気ＤＣ電圧を印加することによって製造すると好ましい。
このようなＦＬＣ混合物を、アクティブマトリックスディスプレイに充填する。このようなＡＭディスプレイの製造および構成部品は、上記で引用したTsukuda の刊行物に、広く開示されている。しかしながら、ネマティックディスプレイとは異なり、ＦＬＣ層の厚みは、僅かに０．７〜２．５μｍ、好ましくは１〜２μｍである。さらにまた、上方基板および下方基板のラビング方向は、基本的に平行である。「基本的に平行」の用語は、逆平行ラビング方向、または僅かに、すなわち１０゜まで交差しているラビング方向を包含する。
【００１４】
このディスプレイを機能させる場合に重要なことは、ディスプレイ製造期間中、制御冷却期間中、好ましくは５Ｖよりも低い電気ＤＣ電圧を印加し、Ｎ* →ｓｍＣ* またはＮ* →ｓｍＡ* →ｓｍＣ* 相転移期間中、維持することにある。これは、ディスプレイ全体が、交差偏光板間で完全に暗くみえる単安定モノドメインであると見做させる。
このドメインが得られた時点で、ＤＶ電圧のスイッチを切る。このようにして得られた構造は、上記で引用したHartmannの試作に反して、または慣用の双安定ＦＬＣＤに反して、単安定である。このことは、好適ｎ−配向方向（これは、分子縦軸の優先方向を示す）が、セルのラビング方向であるのに対して、ｚ−配向方向（これは、液晶層に対するスメクティック法線の優先方向を示す）は、ほぼチルト角の大きさに基づいて、ラビング方向に対して傾斜していることを意味する。この配置は、ｚ−配向方向がラビング方向であるクラークおよびラガーウォルによる通常の双安定セルとは、全く相反する。
【００１５】
ニトの試作に反して、この配向の場合、層に対する二本の法線は正確に存在しておらず、従って上記の乱れたすじ状構造を究極的にもたらす二種の配向ドメンは存在していない。むしろｚ−配向方向の一つのみの疑いの余地のない方向、すなわち一つのモノドメインが存在する。さらにまた、ここでは、平行偏光板にかかわり１００％透過率をもたらす２倍のチルト角を利用することができる、すなわち２倍の輝度が得られる。
このようにして得られるディスプレイは、交差偏光板間で適当な回転角度において完全に暗く見える。数ボルトのみの駆動電圧を印加するだけで、明るく見え、この輝度は、印加電圧により連続的に変化し、飽和電圧で、ほとんど２枚の平行偏光板の輝度に達する。このディスプレイの重要な特徴は、ネマティック（またはコレステリック）相の優先方向と層に対する法線（ｚ−配向方向）との間の角度が、スメクティックＣ相のチルト角に理想的に等しいかまたは少なくとも実質的にこのチルト角に等しいことにある。本発明の観点において、「実質的に」の用語は、好ましくはチルト角の半分から全部までの数値範囲、特に好ましくはチルト角の０．８〜１倍で、少なくとも５゜を意味する。
【００１６】
本発明による強誘電性アクティブマトリックス液晶ディスプレイは、高透過率、短い切換え時間、中間調（従ってフルカラー能力）、価格的に有効な製造および広い温度範囲を組合わせて有することから、特にＴＶおよびＨＤＴＶに、もしくはマルチメディアに、特に実用性を有する。さらにまた、このディスプレイは、≦１０ボルト、好ましくは≦８Ｖ、特に好ましくは≦５Ｖの電圧で動作させることができる。
本発明によるアクティブマトリックスＦＬＣＤの自発分極値は、好ましくは１５ｎＣ／ｃｍ2 よりも小さく、好ましくはディスプレイの動作温度で、０．０１〜１０ｎＣ／ｃｍ2 の範囲にある。
好ましくは、液晶層において、スメクティック相への転移を超えた少なくとも２℃の温度範囲におけるカイラル−ネマティックまたはコレステリックピッチの長さは、５０μｍよりも長い。
【００１７】
特に、本発明の観点から、アクティブマトリックスディスプレイはまた、例えば D.M.Walbaにより Science,270,250〜251 (1995)に記載されているように、２枚の基板の一方の代わりに、ＩＣチップ（ＩＣ＝集積回路）の裏面を使用したＬＣＤを意味するものと理解する。
このディスプレイは、例えばＴＶ、ＨＤＴＶまたはマルチメディア分野で、もしくは情報処理分野、例えばノートブックＰＣ、パーソナルデジタルアシスタントまたはディスクトップ・モニターで使用することができる。
下記の例は、本発明をさらに詳細に説明しようとするものである。
【例】
【００１８】
例１
下記組成を有するＦＬＣ混合物を調製する：
４−（５−ドデシルピリミジン−２−イル）フェニル−
４−（トランス−ペンチルシクロヘキサン）カルボン
酸エステル                                            ２７重量％
２−（４−ヘキシルオキシフェニル）−５−オクチル
ピリミジン                                            １９．７重量％
２−（４−デシルオキシフェニル）−５−オクチル
ピリミジン                                            ２５．６重量％
（Ｓ）−２−フルオロデシル−［４−（５−デシル
ビリミジン−２−イル）フェニル］エーテル              ３重量％
この相配列は、下記のとおりである：
アイソトロピック８３．１℃、コレステリック５７．７℃、スメクティックＡ* ５７．６℃、スメクティックＣ* 。
チルト角は、３０℃で２５゜である。自発分極値は、２ｎＣ／ｃｍ2 である。
【００１９】
例２
透明な導電性インジウムスズ酸化物を被覆したガラス基板を、フォトリトグラフ法によりパターン形成し、電極パターンを得る。この電極構造体の透明な導電性トラックを使用し、関数発生器(function generator)を用いてディスプレイを電気的に駆動させ、薄膜トランジスターの切換え挙動をシュミレーションする。この方法でパターン形成されており、ディスプレイの上方側と下方側とを形成している２枚のガラス板（これは支持板と称される）を、接着性フレームを用いて一緒に結合させる。この層厚みは、１．３μｍである。接着剤を注意深い加熱により硬化させ、１００℃で、例１からの液晶混合物を充填し、次いでこのセルを、ゆっくりと冷却させることによって６０℃の温度にする。この温度において、４ＶのＤＣ電圧を印加し、次いで冷却処理を、２２℃に降下するまで継続する。このＤＣ電圧のスイッチを切る。単安定モノドメインが得られ、このドメインは、交差偏光板間で充分に暗く見える。
このセルを、可視周波数の矩形波パルスに連結し、フォトダイオードおよびオシロスコープを用いて透過率を測定する。下記の透過率値が得られる：
【００２０】
【表１】
0004790121.tif 000002
連結した後、セルは、もう一度、暗い状態（透過率０％）に戻る。
下表は、印加された矩形波電圧の関数として、最高輝度のゼロ状態への緩和時間および切換え時間を示している：
【００２１】
【表２】
0004790121.tif 000003
数値の全部は、２２℃の温度における数値である。
【００２２】
例３
２−（４−ヘキシルオキシフェニル）−５−オクチル
ピリミジン                                          １８．９重量％
２−（４−デシルオキシフェニル）−５−オクチル
ピリミジン                                          ２４．５重量％
２−（４−オクチルオキシフェニル）−５−オクチル
ピリミジン                                          ２３．６重量％
２−（２，３−ジフルオロ−４´−ペンチル−ビフェ
ニル−４−イル）−５−ノニル−ピリミジン            ３０．０重量％
（Ｓ）−２−フルオロデシル−［４−（５−デシル
ピリミジン−２−イル）フェニル］エーテル            ３重量％
この相配列は、下記のとおりである：
アイソトロピック８０℃、コレステリック６０℃、スメクティックＣ* 。
自発分極値は、１．７ｎＣ／ｃｍ2 である。
【００２３】
例４
透明な導電性インジウムスズ酸化物を被覆したガラス基板を、フォトリトグラフ法によりパターン形成し、電極パターンを得る。この電極構造体の透明な導電性トラックを使用し、ディスプレイを関数発生器を用いて電気的に駆動させ、薄膜トランジスターの切換え挙動をシュミレーションする。この方法でパターン形成されており、ディスプレイの上方側と上方側とを形成している２枚のガラス板  （これは支持板と称される）を、接着性フレームを用いて一緒に結合させる。この層厚みは、１．３μｍである。この接着剤を注意深い加熱により硬化させ、１００℃で、例３からの液晶混合物を充填し、次いでこのセルを、ゆっくりと冷却させることによって、６３℃の温度にする。この温度において、４ＶのＤＣ電圧を印加し、次いで冷却処理を、２２℃に降下するまで継続する。このＤＣ電圧のスイッチを切る。単安定モノドメインが得られ、このドメインは、交差偏光板間で充分に暗く見える。
このセルを、可視周波数の矩形波パルスに連結し、フォトダイオードおよびオシロスコープを用いて透過率を測定する。下記の透過率値が得られる：
【００２４】
【表３】
0004790121.tif 000004
連結した後、セルは、もう一度、暗い状態（透過率０％）に戻る。
下表は、印加された矩形波電圧の関数として、最高輝度のゼロ状態への緩和時間および切換え時間を示している：
【００２５】
【表４】
0004790121.tif 000005
数値の全部は、２２℃の温度における数値である。