(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にセグメント電極が平行に設けられたセグメント基板と、表面にコモン電極が平行に設けられたコモン基板とが、前記セグメント電極とコモン電極とが相互に交差し、該交差する部分に画素が形成されるように一定間隙部を設けてセルの外周部で貼着され、該間隙部に液晶材料が注入される液晶表示素子であって、前記画素を構成する部分で、セグメント電極およびコモン電極の一方の一部に誘電体層を介して容量電極が設けられ、該容量電極と前記セグメント電極およびコモン電極の他方とが、導電粒を含むシール剤により前記セルの外周部の貼着と同時に貼着されて電気的に接続されることにより、前記各画素のセグメント電極とコモン電極との間に補助容量が形成されてなる液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング素子を有しない安価な構成でマトリクス状に画素が形成され、デューティ駆動をする液晶表示素子に関する。さらに詳しくは、携帯電話などの携帯機器に使用され、駆動電圧が低く、デューティ駆動で動作し、しかもクロストークしないで鮮明な表示が得られる液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子は、２枚の絶縁性基板により液晶層が挟持され、その絶縁性基板に設けられる電極パターンによりその間に挟持される液晶層に電圧を印加することができるようにし、印加する電圧の制御により表示を行う。この一方の絶縁性基板であるセグメント基板に平行に設けられるセグメント電極と他方のコモン基板に平行に設けられるコモン電極とが交差するように、両基板が一定間隙を保持して貼着されることにより、液晶層を介在させた電極パターンの交差部に画素がマトリクス状に形成されてマトリクス型の液晶表示素子が形成される。テレビや繊細な表示機器用の液晶表示素子では、各画素のオンオフの閾値を確実に制御するため、各画素に薄膜トランジスタなどのスイッチング素子が設けられ、走査線（コモンライン）の制御によりスイッチング素子のオンオフが制御されている。
【０００３】
最近の携帯機器の普及に伴い、携帯機器の液晶表示素子においても、多種の表示がなされ、表示事項が多くなってマトリクス型の液晶表示素子が用いられ始めている。しかし、これらの携帯機器においては、大衆の利用に供すべく、安価に形成する必要があるため、薄膜トランジスタなどのスイッチング素子を付けてコストアップになるようなことはできない。
【０００４】
一方、携帯機器では電池の消耗をできるだけ防ぐため、電圧を余り昇圧しないで、低電圧で駆動する必要がある。液晶表示素子を低電圧で駆動するためには、液晶材料の誘電率異方性（配向べクトルに平行な方向の誘電率と配向ベクトルに垂直な方向の誘電率との差：Δε）を大きくするのが一般的であるが、Δεを大きくすると、比抵抗（ρLC）は小さくなる。比抵抗（ρLC）が小さくなると、画素部の液晶層の時定数が小さくなり、デューティ駆動（時分割駆動）するときに、電圧を保持することができなくなり、電圧保持率が低下する。電圧保持率が低下すると、図６（ｂ）に駆動電圧に対する液晶層の透過率の関係でＡとＣに示されるように、同じオフの駆動波形でも、駆動波形の周波数によってその差（ＡとＣのズレ）が出てくる。すなわち、デューティ駆動では、表示画面により、たとえば市松模様やドットごとに表示が変化する場合には、図７のＡ波形に示されるように、高い周波数の駆動波形となり、全オン表示または全オフ表示では、図７のＢ〜Ｃ波形に示されるように、低い周波数の駆動波形となる。なお、図７のＡ波形およびＣ波形はオフ波形を、Ｂ波形はオン波形をそれぞれ示し、図７の全横幅が１周期Ｔ、高いパルスの間隔Ｆがフレーム周期を表している。また、このＡ〜Ｃ波形のときの電圧保持率の低下した場合の、電圧に対する透過率が図６（ｂ）にＡ〜Ｃを付して示されている。図６（ｂ）に示されるように、電圧保持率が低下してＡ波形とＣ波形のように駆動周波数が異なると、コントラスト許容最大電圧Ｍが３.６Ｖの駆動電圧で、透過率に約５％の差ΔＴが生じ、この差ΔＴが５％以上になると、コントラストムラとなり、クロストークが生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、デューティ駆動で液晶表示素子の電圧の保持率が低下すると、駆動波形の周波数によりその差が生じ、クロストークが生じるという問題がある。
【０００６】
一方、薄膜トランジスタなどのスイッチング素子を使用した繊細な液晶表示素子では、低い駆動電圧にするための液晶材料を使用しない場合でも、同様に保持率の低下によるコントラストの低下を防止するため、たとえば薄膜トランジスタのゲート配線と画素電極との間に補助容量を設ける構造のものが用いられることがある。このようにゲート配線などの画素電極とは異なる電極配線が同一基板上に設けられる構造の液晶表示素子であれば、一方の基板に２種類の電極があるため補助容量を簡単に形成することができ、容易に補助容量を設けてデューティ駆動に対しても電圧を充分に保持することができる。しかし、前述のように安価な液晶表示素子では、コスト的にスイッチング素子を設けることができず、一方の基板にはセグメント電極またはコモン電極のみしか設けられていないため、一方の基板のみに補助容量を設けることができない。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、比抵抗の小さい液晶材料を使用し、しかも薄膜トランジスタなどのスイッチング素子を使用しない構造でデューティ駆動する液晶表示素子において、簡単な構成で電圧保持率を向上させ、クロストークの生じないコントラストの優れた液晶表示素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による液晶表示素子は、表面にセグメント電極が平行に設けられたセグメント基板と、表面にコモン電極が平行に設けられたコモン基板とが、前記セグメント電極とコモン電極とが相互に交差し、該交差する部分に画素が形成されるように一定間隙部を設けてセルの外周部で貼着され、該間隙部に液晶材料が注入される液晶表示素子であって、前記画素を構成する部分で、セグメント電極およびコモン電極の一方の一部に誘電体層を介して容量電極が設けられ、該容量電極と前記セグメント電極およびコモン電極の他方とが、導電粒を含むシール剤により前記セルの外周部の貼着と同時に貼着されて電気的に接続されることにより、前記各画素のセグメント電極とコモン電極との間に補助容量が形成されている。
【０００９】
この構造にすることにより、セグメント電極とコモン電極との間に補助容量が設けられるため、デューティ駆動をしても電圧を充分に保持することができ、コントラストの優れた液晶表示素子となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の液晶表示素子について説明をする。
【００１１】
本発明による液晶表示素子は、その一実施形態の一部の断面説明図が図１に示されるように、表面にセグメント電極１３が平行に設けられたセグメント基板１１と、表面にコモン電極２３が平行に設けられたコモン基板２１とが、図２に電極部の一部の平面説明図が示されるように、セグメント電極１３とコモン電極２３とが相互に交差し、交差する部分に画素Ｇが形成されるように一定間隙部を設けて貼着されされている。そして、その間隙部に液晶材料が注入されることにより液晶層８が形成されている。本発明では、画素Ｇを構成するセグメント電極の一部の上に誘電体層５を介して容量電極６が設けられ、その容量電極６とコモン電極２３とを導電粒７を介して電気的に接続することにより、各画素Ｇの一部のセグメント電極１３とコモン電極２３との間に補助容量ＨＣが形成されていることに特徴がある。
【００１２】
セグメント基板１１およびコモン基板２１にそれぞれ電極１３、１４が設けられて一定間隙を有するようにスペーサ９を介して貼着される液晶表示パネルの構成は従来の液晶表示素子と同じ構造である。図１に示される例では、ガラス基板からのアルカリイオンなどの染み出しを防止するため、そのセグメント基板１１およびコモン基板２１の表面にＳｉＯ2 膜などの保護膜１２、２２が設けられ、その表面にＩＴＯ膜などの透明導電膜がスパッタリングおよびパターニングなどの方法により設けられ、セグメント電極１３およびコモン電極２３の電極パターンが形成されている。そして、電極の表面には、液晶材料の分子の配列方向を定める配向膜１４、２４がそれぞれ設けられている。なお、図示されていないが、セグメント基板１１およびコモン基板２１のそれぞれ外面側には偏光板が設けられる。
【００１３】
本発明では、セグメント電極１３の画素を構成する部分の一部にＣＶＤ法やスパッタリング法とリフトオフ法などにより、たとえばＳｉＯ2 などからなる誘電体層５を介してクロムなどからなる容量電極６が形成されている。この容量電極６の上には、配向膜１４が付着しないようにし、その部分に導電粒７をエポキシ樹脂７ａなどに混入したシール剤がセルの周囲と共に塗布され、セグメント基板１１とコモン基板２１とが貼着される際に、対向する部分のコモン電極２３と容量電極６とが導電粒７を介して電気的に接続されて、各画素のセグメント電極１３とコモン電極２３との間に補助容量ＨＣが形成されている。誘電体層５は、比誘電率の大きい材料のものを使用すれば、膜厚が厚くなっても大きい容量が得られ、耐圧を充分に保持しながら大きい容量の保持容量ＨＣを形成することができるが、通常のＳｉＯ2 の他に、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＴａＯｘなどを使用することができる。容量電極６は、この上面が導電粒７やエポキシ樹脂などにより光が不透過であるとともに、液晶材料がないため画素としては使用できなく、不透明のＣｒ、Ａｌ、Ｍｏなどを使用することができるが、ＩＴＯなどの透明導電膜を使用することもできる。
【００１４】
つぎに、具体的な例でこの液晶表示素子の製法を説明する。まず、３００ｍｍ×３００ｍｍ、厚さが１.１ｍｍのソーダガラスの２枚に、それぞれパッシベーション用のＳｉＯ2 膜１２、２２を２５０Åと、電極用ＩＴＯ膜を３５０Å連続してスパッタリングにより形成し、フォトレジスト、エッチング工程によりＩＴＯ膜をパターニングし、セグメント電極１３およびコモン電極２３をそれぞれ形成した。
【００１５】
その後、セグメント基板にレジストを塗布し、セグメント電極の補助容量を形成する場所が露出するように露光して現像後１２０℃程度で３０分程度ポストベーク処理をした後、スパッタ法によりＳｉＯ2 膜を０.２μｍ程度、Ｃｒを５００Å程度それぞれ成膜し、レジスト膜を除去することによりレジスト膜上のＳｉＯ2 膜およびＣｒ膜を除去し、補助容量ＨＣの誘電体層５および容量電極６を形成した。この誘電体層５および容量電極６を設ける面積は、たとえば画素の大きさが５ｍｍ角に対して、０.５ｍｍ角程度の大きさに設けられ、画素面積が１％程度小さくなる。この誘電体層５としたＳｉＯ2 の比誘電率は、３.７であった。つぎに、ポリイミド（日産化学製ＳＥ−１５０）をオフセット印刷により印刷し、２５０℃程度のホットプレートにて３０分程度焼成した。このポリイミドを印刷する際に、セグメント基板およびコモン基板ともに、補助容量ＨＣの形成場所にポリイミドが付着しないで切欠部が形成されるようにポリイミドを設けた。また、従来と同様に電極パターンの外部に露出して駆動回路と接続する部分にもポリイミドが印刷されないようにした。
【００１６】
つぎに、配向膜にラビング処理をし、この例では２２０゜ツイストになるようにラビングし、純水により洗浄した。その後、５.６μｍφのスペーサをコモン基板に４０個／ｍｍ2 の割合で散布した。また、セグメント基板には、たとえば三井東圧化学（株）製のストラクトボンドというエポキシ樹脂に、たとえば積水ファインケミカル（株）製の６μｍφの導電粒を１.５ｗｔ％程度と、たとえば日本電気ガラス（株）製の５.８μｍφのファイバを１ｗｔ％程度とを混合したものを、セルの外周部と補助容量ＨＣの両基板の接続部に、スクリーン印刷により同時に形成した。
【００１７】
その後、両基板を貼り合せ、０.５ｋｇ／ｃｍ2 の圧力をかけたまま１５０℃程度にて３時間程度加熱し、エポキシ樹脂を硬化させた。その後、スクライブブレークにより、セルに切り出し、真空注入法により液晶材料を注入し、加圧封口により注入口を封止した。注入した液晶材料は、Δｎ（異常光屈折率と常光屈折率との差）＝０.１４５、配向ベクトルに平行な方向の誘電率ε＝２５、配向ベクトルに垂直な方向の誘電率ε＝６、Δε＝１９の誘電異方性で、比抵抗ρLC＝５×１０9 Ω・ｃｍのものを使用し、ＳＴＮ（スーパーツイストネマティック）液晶パネルとした。その後、両外面に偏光板を貼り付け、駆動回路を取り付けて完成させた。なお、画素の構成は、コモン電極（走査線）を１６本、セグメント電極（信号線）を５０本形成した１６×５０ドットの画素により構成した。
【００１８】
前述の条件で、液晶材料の比抵抗が、５×１０9 Ω・ｃｍのものの他に、１×１０9 Ω・ｃｍ、６×１０8 Ω・ｃｍのものを用い、それぞれについて、誘電体層５の膜厚を変化させることによりその容量値を１０-10 〜１０-7Ｆまで変化させたときの電圧保持率を測定した。その結果を図３に示す。なお、電圧の保持率は、つぎの方法により測定した。図４に等価回路図で示されるように、ＦＥＴと液晶セルＬＣとを直列に接続し、ＦＥＴのゲート電極に６０μｓのスイッチングパルスＳを印加してＦＥＴのドレインにピークが５Ｖで３０ＨｚのパルスＰを入力して、ソースと液晶セルＬＣとの接続点の出力を増幅器Ａｍｐを介して取り出した出力波形Ｑの根平均二乗（ＲＭＳ（Ｑ））の入力波形の根平均二乗（ＲＭＳ（Ｐ））に対する割合（％）で表している。すなわち、
電圧保持率＝ＲＭＳ（Ｑ）／ＲＭＳ（Ｐ）×１００（％）
で表している。
【００１９】
図３において、液晶材料が５×１０9 Ω・ｃｍのものＤが、１×１０9 Ω・ｃｍのものＥや、６×１０8 Ω・ｃｍのものＦより電圧保持率がよいことが分るが、いずれにおいても、０で示した補助容量を付加しないものに比べて、補助容量を付加することにより改善され、デューティ駆動では駆動条件によっても多少変動するが、表示品位の観点から電圧保持率が７０％以上であることが必要であり、５×１０9 Ω・ｃｍのものＤで２.３×１０-9Ｆ以上、１×１０9 Ω・ｃｍのものＥで３.３×１０-8Ｆ以上、６×１０8 Ω・ｃｍのものＦで５.２×１０-8Ｆ以上の補助容量が必要であることが分る。
【００２０】
前述の構成で、液晶材料に５×１０9 Ω・ｃｍのものＤを使用し、１／１６デューティ、１／４バイアス、フレーム周波数７８.１Ｈｚで表示の画面を変え、前述と同様のＡ波形、Ｂ波形、およびＣ波形の３種類を用い、前述と同様に駆動電圧に対する透過率の変化を調べた。その結果を図６（ａ）に、同条件で製造し補助容量のない従来の液晶表示素子の同様の結果である図６（ｂ）と対照して示す。なお、この駆動電圧に対する透過率の関係は、光源とフォトマルの間にセルを配置し、セルに徐々に駆動電圧を印加し、そのときの光の透過率を測定する方法により行った。図６から明らかなように、補助容量のない従来の液晶表示素子では、周波数の異なる非選択波形ＡとＣにズレが発生し、透過率に５％の差があるのに対して、本発明の補助容量を設けた液晶表示素子では、ＡとＣの波形が重なり、非表示領域でのコントラストムラがなく表示品位の優れた液晶表示素子が得られた。なお、電圧保持率を１画素で測定してみると、本発明の液晶表示素子では８９％で、従来の補助容量のない液晶表示素子では５６％と７０％を大きく下回っており、充分に電荷を保持できていないことが原因であることが明確になった。
【００２１】
本発明によれば、各画素のセグメント電極の一部に誘電体層と容量電極を設けることにより補助容量を形成し、さらに導電粒を介してコモン電極と容量電極とを電気的に接続しているため、薄膜トランジスタなどの画素電極以外の電極を設ける構造ではない安価な構造の液晶表示素子においても、セグメント電極とコモン電極との間に補助容量を設けることができる。この状態を等価回路で示すと、図５に示されるように、コモン電極２３とセグメント電極１３との間に、液晶材料の抵抗Ｒと、液晶材料の容量ＣL と、補助容量の容量ＣH とが共に並列に接続された回路となる。その結果、各画素のセグメント電極とコモン電極との間に蓄積された電荷は、補助容量分大きな容量で保持することができ、液晶材料の抵抗Ｒにより放電しても、デューティ駆動の周期の間必要な電荷量を保持することができ、周波数の異なる信号波形が印加されても、クロストークすることなくコントラストの優れた表示をすることができる。なお、補助容量が設けられることにより、画素の開口率が減少するが、前述のようにその減少する割合は、１％程度であり、殆どその影響を受けない。
【００２２】
前述の例では、セグメント電極上に誘電体層と容量電極とを形成したが、コモン電極側に誘電体層と容量電極とを形成しても同様である。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、薄膜トランジスタなどを使用しない安価な構造の液晶表示素子においても、比抵抗の小さい液晶材料を使用して低い駆動電圧で動作させながら、優れた表示特性の液晶表示素子が得られる。その結果、携帯機器に適した安価で、低電圧、デューティ駆動が要求される液晶表示素子においてもコントラストの優れた液晶表示素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示素子の一実施形態の一部の断面構造説明図である。
【図２】図１の液晶表示素子の電極および補助容量部を示した平面説明図である。
【図３】図１の液晶表示素子の補助容量の大きさを変えたときの電圧保持率の変化を示す図である。
【図４】電圧保持率の測定方法の説明図である。
【図５】図１の液晶表示素子の各画素の等価回路を示す図である。
【図６】図１の液晶表示素子および従来の液晶表示素子の駆動電圧に対する透過率の関係を示す図である。
【図７】液晶表示素子に印加する印加波形の例を示す図である。
【符号の説明】
５    誘電体層
６    容量電極
７    導電粒
８    液晶層
１１    セグメント基板
１３    セグメント電極
２１    コモン基板
２３    コモン電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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