Microsoft PowerPoint - LCD基礎編ｐｄｆ.ppt

LCD（基礎編）

東京工業大学有機・高分子物質

石川 謙

全体の構成

• 液晶

• ネマチック液晶の物性

• 複屈折物体と偏光

• 液晶表示装置

• 付録

液晶

• 物質の３態

• 位置と方向の長距離秩序

• ３種類の融解過程

• 柔軟性結晶

• ネマチック液晶

• １次元固体とスメクチック液晶

• 不斉分子の効果

物質の３態 P-T相図

温度、Ｋ

圧力、Ｐ

臨界点

三重点

結晶

液体

気体

超臨界流体

気体と液体の違いは 密度のみで、対称性に は違いはない。 結晶は長距離の並進 対称性がある点で、液 体・気体と違う

結晶の長距離秩序

半導体やイオン性結晶で は多くの場合原子の方向 性は意識されない。異方的 な有機分子では方向の長 距離秩序も重要である。

位置秩序

方向秩序

物質の融解

• 通常の融解過程では、

位置の秩序と方向の

秩序は同時

に失われる。

• 原理的には位置の秩序と方向の秩序が

同時

に失われる必然はない

。実際

– 球形に近い分子には、加熱により方向秩序が失

われた後も位置の秩序が保たれる場合

– 棒状や円盤状の分子には、加熱により位置の秩

序が失われた後も方向の秩序が保たれる場合

がある。

柔軟性結晶を経る融解過程

位置秩序

方向秩序

結晶

柔軟性結晶

液体

液晶を経る融解過程

位置秩序 方向秩序 結晶 液晶 液体

液晶と柔軟性結晶

結晶 ３次元周期構造 方向秩序有 液晶 ０次元周期構造 方向秩序有 柔軟性結晶 ３次元周期構造 方向秩序無 液体 ０次元周期構造 方向秩序無 ３次元の周期構造が 一気に０次元になる 必然はない

液晶になるもの

O N O O O N Anisylidene-p-aminophenylacetate(APAPA) K-81.5-N-108-Iso p-methoxybenzylidene-p'-butylaniline(MBBA) K-20-47-Iso 棒状低分子 棒状高分子（主鎖型） 円盤状低分子 αへリックス、ＤＮＡ… 要するに適度に細長いか平べったいもの N N O O n 芳香族ポリアミド（硫酸溶液中） 加熱過程で液晶になるのをサーモトロピック、溶液で液晶になるのをライオトロピックという O O O O O O O O O O O O K - 154 - Dr - 183 - ND - 227 - Iso

融解過程での半端な重心秩序

位置秩序 方向秩序 結晶 １次元結晶 液体

１次元周期構造と２次元周期構造

１次元周期構造（層構造）

スメクチック液晶

２次元周期構造（カラム構造）

ディスコチックカラムナー液晶

スメクチック液晶の内部分類

詳細は、スメクチック液晶 の研究を学術的にやるの でなければ、知らなくても 全く困らない ２次元液体相 (層内無秩序） ヘキサチック秩序相 (層内方向秩序のみ） 異方的柔軟結晶相（層内位置秩序あり） 分子長軸は層法 線方向に平行 分子長軸が層法 線に対して傾く SmA SmC SmB(HexB) SmI(HexI) SmF(HexF) SmB(CryB or SmL) SmE(CryE) SmK(CryK) ６方晶から斜方晶へ SmJ(CryJ) SmG(CryG) SmH(CryH)

分子キラリティ（掌性）の効果

Ｓ体 光学異性体（鏡像異性体） Ｒ体 液晶分子がキラル構造を持ちラセミ体ではないと、巨視的に鏡映面を持たなくなる 鏡映面を持たなくなると、ねじれ（ラセン）構造が許容となる。

不斉構造とねじれ

平行配置

_{ねじれ配置}

正面 上面 側面 _正面 上面 側面 ２つのラセンをねじって重ねるとたいがいにぶつからずに近づける

キラルネマチック（コレステリック）液晶

ねじれを１方向に制限すると欠陥なしに空間を重 点できる →コレステリック液晶 ラセン軸 全ての方向にねじれるとねじれ方向 が矛盾する場所が出現してしまう

コレステリック液晶の特性反射

400 500 600 700 800 相対反射率 波長（ナノメートル） コレステリック液晶は１次元周期構造を持ち、その周期が可視光程度 だと周期構造由来の、ブラッグ反射（構造色）を示す →液晶温度計 ちなみに、上のスペクトルは コレステリック様構造を持つ コガネムシの鞘翅の反射

これらのコガネムシからの反射光は円偏光になっている

右円偏光板を通して観察

液晶

• ０次元重心秩序系

– ネマチック液晶

– キラルネマチック液晶（コレステリック液晶）

– ディスコティックネマチック液晶

• １次元周期構造系

– スメクチック液晶

• ＳｍＡ，ＳｍＢ，ＳｍＣ…

– バナナ型スメクチック液晶

• Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…

• ２次元周期構造系

– ディスコチックカラムナー相

• ３次元周期構造系

– キュービック相

– 各種ブルー相

結晶と液体の中間には驚くほど多様な_{中間状態が存在する} 現時点で応用的に最も重要なのはネマチック液晶

ネマチック液晶の特徴的な性質

• 異方性

– 複屈折の存在

– 誘電異方性

– 外場に対する応答

– 復元力の存在

• 流動性

– 低電圧駆動

– 自己修復性

– 易製造工程

– 支持体の必要

– 柔軟基板への適合性の

低さ

液晶表示装置は液晶の異方性と流動性を巧に組み合わせて用いている

液晶分子とネマチック相の異方性

α x αy

α

_z ε x εy

ε

_z

α ≠α ≠α ≠α

_{z y x z}

ε ≠ε =ε

_{z y x}

分子の対称性はC

1

程度。一方ネマチック液晶は円筒対称性（D

∞

）を示す

液晶分子 ネマチック液晶

円筒対称性が成立する条件

• 頭が上の分子と、頭が下の分子が同数いる

• 分子長軸回りに特定の配向は存在しない

これらの２つは、実際のネマチック液晶に関する実験結果から

結論された物であり、第１原理から要請されたものではない

（例外が存在する）

左に図は長軸回りに４つの方向 しか描いていないけれど、実際 のネマチックではアボガドロ数 の分子が連続して分布している

通常のネマチック液晶

ｎ：配向ベクトル

ディレクターと発音する人とダ

イレクターと発音する人がいる。

ｎ＝－ｎなので、頭に矢印（→）

を付けない

偏光顕微鏡で暗くなるところは

ｎが偏光子か検光子に平行

n

配向の程度は完全からはかなり遠い

液晶の巨視的な異方性は配向の程度に大きく依存

しており、どの程度並んでいるかは極めて重要

液晶相を安定化する要因

8LD2 2D(L+D)2 異方的なポテンシャルがあるから、液晶状態が存在する。 ポテンシャルの形状が分かれば、配向分布を計算できる。 しかし、第１原理からポテンシャルを計算することはできていない。 U=F(R,θ)

異方的な引力

斥力（排除体積）

分子配向を決める因子

• 配向軸からθ傾いた時にどれだけエネルギーが不利になる

かで配向分布が決まる

0

π /

2

θ

`sinθ

exp

(-Δ

E kT)

/

f(θ )

P( )= 2 e d 2 e θ π⌠ ⌡

sin

θ -kT Δ ε(θ) θ π

sin

θ - kT Δ ε(θ) Δε(θ) 残念ながら未知

実験による配向分布の測定

n cos

∑

_i

2

_θ

i

θ θ 0 90 180 270 360 A b s o rb a n ce( a rb. u n it s ) つまり、吸収異方性では分布n_i（θ)にcos2_{θで重みがついた分布平均} ＜cos2_{θ＞しか分からない} 分子の長軸方向に偏光した光のみ吸収されるとする。 この時、偏光面と分子の長軸の角度をθとすると、吸光度Absは Abs∝cos2_θ となる。N個の分子からなる系での吸収の角度依存性は、個々の分子の 吸収の和なので となる。但しn_iは角度θ_iの分子の個数であ る。

n cos

∑ _i 2_θ i

＜cos

2

θ＞に依存する物性

• 屈折率異方性

• 誘電異方性

• 磁気感受率異方性

• 吸収異方性

• （弾性定数）

実用上重要な物性は、液晶の配向分布ではなく、＜cos

2

_θ＞

に依存している。

それ故に、配向分布が分かっていなくても、＜cos

2

_{θ＞分かっ}

ていれば大丈夫なことが多い。

２次の配向秩序度

P =

2

1

<3cos -1>

2

2

θ

P2=1 P2=0(多分…) 1>P2>0 θ=90でP2=-1/2になる。これは（ｎをｚ軸として）ｘｙ平面内に分子長軸 がランダムに分布している状態に対応する。現実の液晶でP2が0以下 の状態は見付かっていない

配向秩序度の温度依存性

等方相－N相相転移は潜熱の小さい１次転 移で２次転移的な様相を示し、オーダーパラ メータは温度低下にともない上昇する P₂=0.7程度の配向イメージ あんまりキチンとは並んでいない 0 1 0.5 T/K TN-IS O 等方液体相 N液晶相 配 向 秩 序 度 温度 P =a(T -T)2 * β T*

配向秩序度と異方性

局所場を考えなくてもよい物性値（磁気異方性）では、完全に並

んだときの異方性にオーダーパラメーターを掛けるとその状態

の異方性となる

=N< >=

₃

1

[

(2P +1)+ (2-2P )]

Χ

_//

χ

_//

Χ

_l

₂

Χ

_t

₂

=N< >=

₃

1

[

(1-P )+ (2+P )]

Χ

_⊥

χ

_⊥

Χ

_l

₂

Χ

_t

₂

- =( - ) P =

P

Χ

_//

Χ

_⊥

Χ

_l

Χ

_t

₂

ΔΧ

₂

局所場を考えた異方性

+2

-1

=

₉

N

{

( 2P +1) + ( 2-2P )}

ε

_av

ε

_//

ε

₀

α

l. 2

α

t 2

+2

-1

=

₉

N

{

( 1-P ) + ( 2+P )}

ε

_av

ε

_⊥

ε

₀

α

l. 2

α

t 2 誘電率の平均値で空洞場を計算する近似では等方状態と類似の関係が得られる ただし、使うにあたっては慎重さが必要（さらに、分子の永久双極子も考慮されてない）

n

P

Δ ∼ ρ

1/2 2 屈折率異方性は密度が変わらなければ近似的にオーダーパラメータに比例する

第１近似としては、異方性は分子の異方性×オーダーパラメータ

固体の弾性と液体の弾性

拗_り 引っ 張り 曲_げ 形状の変化に対しては復元力はない 体積変化に対しては復元力が働く 固体 _液体 捻り、曲げ、引っ張り、体積変 化に復元力が働く

ネマチック液晶の弾性

外形の変化 復元力無

体積の変化 復元力有

配向ベクトルの不均一な変化

復元力有

配向ベクトルの均一な変化

復元力無

変形モードと弾性定数

dny_/dx dnx/d x dn x/dz スプレイ ツイスト ベンド dnx/dx, dny/dx, dnz/dx, ,,,,,,,, dnz/dz と９つの変形パターンがある。これらのうち、dnz/ の３つは、ｚ方向 のｎの変化は配向秩序の変化になるので、配向ベクトルの方向変化ではないので、考えない。残る６つの 要素と、力の方向のバリエーションを考えると、すごく沢山の弾性定数（固体の引っ張りとか曲げに対応す るもの）があるけれども、液晶の対称性からそれらは整理されて最終的に………

ネマチック液晶の弾性定数

F = 2

_e

1

K (

₁

∇⋅

_{n) + 2}

2

1

K [ n (

_{n) ] + 2}

1

K [ n (

n) ]

2

⋅ ∇×

2

3

× ∇×

2

液晶の弾性定数（比）は、表示装置の閾特性や配向の安定性を支配する

K1（スプレイ）、K2（ツイスト）、

K3（ベンド）の３つの独立な

弾性定数がある。

dny_/dx dnx/d x dn x/dz スプレイ ツイスト ベンド 系がキラルだと自由エネルギーの第２項に有限のツイスト（ラセン）をもた らす項が加わる。

ネマチック液晶の粘性

• 液晶の粘性は表示装置の応答速度に影響を

及ぼす重要な物性定数である

• 異方性を反映して５つの独立な粘性係数が

ある

• ５つの粘性係数の評価は楽ではなく、定常流

動における３つの粘性係数や、表示装置の

応答速度に関連する回転粘性（これらは５つ

の粘性係数の線形結合で表記できる）で粘性

を評価することが多い。

物性と表示デバイスの関係

• 複屈折

– セル厚、コントラスト

• 誘電異方性

– 駆動方式、駆動電圧

• 弾性定数

– 閾特性、表示安定性、

応答速度

• 粘性係数

– 応答速度

• 電気抵抗

– 表示安定性

• アンカリング強度

– 表示安定性

表示方式により、要求さ

れるポイントが異なる。

このため、方式毎に異な

る分子設計がなされる

液晶セルの主な配向状態

水平（ホモジニアス）配向 垂直（ホメオトロピック）配向 ねじれネマチック（TN)配向 上記の３種類の配向様式は、何れも液晶表示装置で使われている 表示装置における液晶の配向制御の基本は界面での方向制御 単結晶的な状態を作り出す必要がある

界面での配向制御

• 外場による配向

– 電場・磁場

• 液晶セル界面による配向制御

– 水平配向

• 配向補助剤＋ラビング

• 配向補助剤＋光照射

• 斜法蒸着、イオン斜方照射

– 垂直配向

• 自己組織化膜（界面活性剤）

• 配向補助剤

– 斜め配向

• 斜法蒸着

• 配向補助剤＋ラビング

水平配向処理

配向補助膜塗布 ラビング 光配向処理 基板洗浄 配向補助膜蒸着 イオン斜入射照射 種々のポリイミド誘導体 製造プロセスではスリットコー ター、ローラー転写が主流 回転ローラーに 巻いた布で擦る 直線偏光を照射 DLC薄膜のスパッタ ※スループットはラビングが一番 ゴミ、静電気、ムラなどの点から光配向、 イオン照射が検討されている ※かつては多くの水平配向処理 剤が提案された。最終的にポリイ ミドが生き残っている

ラビング法

ラ ビン グロ ーラ ー 基_板 ガ ラ ス_板 配向機構：機械的に形成される微小な溝 高分子フィルム表面の配向と、高分子フィルムと液晶の異方的相互作用 どんな布を使うか、どのくらい の速度でローラーを回転する か等は各企業のノウハウ N O O N O O * n* 配向機構は現在でも完全に解明されたわけではない

水平以外の配向処理方法

• 垂直配向

– 気体界面

– 適当な配向補助膜

• シランカップリング材

• 自己組織化膜

• 垂直配向用ポリイミド

• 斜め配向

– 斜め蒸着

– 適当な配向補助膜＋ラ

ビング

垂直配向用ポリイミドは、VA方式 の出現により開発された 斜め配向用ポリイミドも、斜め配向 を必要とする、表示方式の存在故 に開発されつつある。ただし、現状 では最終的な製品は出現していな い（かもしれない）。

ネマチック液晶の特徴的な性質

• 異方性

– 複屈折の存在

– 誘電異方性

– 外場に対する応答

– 復元力の存在

• 流動性

– 低電圧駆動

– 自己修復性

– 易製造工程

– 支持体の必要

– 柔軟基板への適合性の

低さ

液晶表示装置の理解には複屈折物体と偏光の関係を理解する必要

偏光板と複屈折のデモ

BBBA SmG相

等方物質と異方的物質

• 等方物質

屈折率は光の方向によらず一定

– ガラス・食塩・螢石・水・空気

• 異方的物質

屈折率は光の方向・偏光状態に依存

– 方解石・水晶・石綿・延伸した高分子・液晶

流体・歪みのないアモルファス・対称性の高い結晶 対称性の低い結晶・歪みのあるアモルファス・配向した分子集合体 ※異方的物質には１軸性物質と２軸性物質がある。ネマチック液晶は１軸性物 質なので、ここからの話は１軸性物質に限定して話をすすめる

常光と異常光

n = n sin +n cos n n // o 2 2_θ e 2 2_θ o e

n =n

_⊥

_o

Ｚ軸に垂直な偏光の屈折率は光線の 方向によらず一定(nx) →常光(no） Ｚ軸に平行な偏光の屈折率は光線の 方向に依存し変化する →異常光(ne)

n =

n sin +n cos

n n

// o 2 2

_θ

e 2 2

_θ

o e 異常光 常光 光軸（偏光方向によらず、屈折率が一定の方向軸）

n

_x

=n

_y

≠n

_z

光軸が入射光方向に斜めな場合

常光 異常光 基板面に対して光軸が傾い ていると、垂直入射の光に対 して異常光は有限の角度で 進むようになる。

光軸に垂直に入射する場合

透過容易軸を直交させた偏光板の間にセロテープを入れると光が透過する。 これは、セロテープが複屈折性を有するためである 光軸

光軸と偏光子の軸の角度と透過強度

P A θ

I/I

0

=sin

2

(2θ)

位相差による透過光変化の式と組み合わせると

I/I

₀

=sin

2

_{(2θ) sin}

2

_(πR/λ)

リタデーション

t=0

t=dn

o

/c

_t=dn

e

/c

d

d(1-n

o

/n

e

)

d(n

e

-n

o

)

複屈折物体を通過後の２つの固有偏光の間の波面のずれをリタデーション （レターデーション）と言う。リタデーションＲと波の位相差δの間には δ＝２π（Ｒ/λ） という関係が成立する。

複屈折物体を通過する光

n=1 (空気中) n=1(空気中) n=no n=ne λ λo=λ/no λe=λ/ne λ 同位相 _異位相 セロテープ ｘ成分 ｙ成分 厚みＤ R=(ne-no)d δ＝２πR/λ ２つの偏光の位相がずれるために、合成された光の状態が変化する。 リタデーションがあると 位相差が生じる

直線偏光と楕円偏光

t sin(kz-ωt) sin(kz-ωt+δ) 0 2π/ω 3π/2ω π/ω π/2ω 0 π/2ω π/ω 3π/2ω π/4ω 3π/4ω 5π/4ω 7π/4ω 直線偏光 楕円偏光 位相差δがあると 楕円偏光になる

位相差と楕円率変化

0

π/4

π/2

3π/4

π

5π/4

3π/2

7π/4

２つの直線偏光成分の大きさが等しい場合には途中で円偏光となる

位相差と透過光量

0

π/2

π

3π/2

2π

δ

0

1

I/I

0 0 2 4 6 8 10 12 300 400 500 600 700 800 波長/nm 位相差/ π 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 透過光 量 位相差 透過光量 位相差は波長に依存するので波長依存性が出る 楕円率の変化で透過光量も変化

干渉色と干渉色図表

リタデーションは膜厚に依存 位相差はリタデーションと波長に依存 透過光量は位相差に依存 →膜厚に応じた特徴的な透過スペクトル

液晶を用いた表示デバイス

• 外場による液晶の配向方向変化

• 液晶の配向変化にともなう、偏光状態の変化

• 外場がOFFになった後の、液晶の配向弾性

による初期状態への復帰

液晶による表示デバイスの基本的な手法

カラー化を考えると、液晶セル自体は白－グレー－黒の階調性を持ち、それ がカラーフィルターと組み合わさる方が、液晶セル＋干渉色で色を出すより も、はるかに筋がよい

液晶を使った表示の欠点・利点

• 欠点

– 他のFPD方式のプレゼンテーションをご覧下さい

• 利点

– 連続体理論で扱える対象であること

– 有機物の電子励起状態を使わないこと

– セル内が真空ではないこと

後２つは液晶セルの寿命に大きく関与

有機光電子材料の安定性

C C 結合性軌道 反結合性軌道 原子軌道

電子励起状態は、化学的には反応中間状態

→容易に、周辺の他の分子や空気中の酸素等と

反応できる状態になっている

励起状態の

化学的な表現

液晶表示方式の変遷

ＤＳ ＧＨ ＴＮ ＳＴＮ ＩＰＳ ＶＡ 強・反強誘電 高分子分散 セグメント表示 単純ドットマトリックス アクティブマトリックス

ＤＳ方式

電場によるセル中のイオンの運動により液晶の配向を崩して動的散乱 (Dynamic Scattering)が生じる →電流駆動デバイスである 均一配向 透過性良 ランダムドメイン 散乱大 V=0 V>Vt

ＧＨ方式

ゲスト（２色性色素）－ホスト（液晶）系の電場によるスイッチで表示 液晶のP₂がコントラストの制限を与える。 偏光板が無くてもコントラストは出るが、偏光板１枚と組み合わせることが多い

ＴＮ(Twisted Nematic)方式

電圧＝０V 偏光面が90度回転 電圧＞閾値 偏光面は不変 ※実際のTNではこんな具合に直線偏光が回転しているのではない

TNが主流になった理由

• 対DSモード

– ○低消費電力

– ○低電圧

– ○耐久性

– △視野角特性

– △明るさ

• 対GHモード

– ○コントラスト

– ○耐久性

– ○白黒表示

– ○カラー化

– △明るさ

他デバイス（ニキシー管、LED）と比較しての優位性：低消費電力、低動作電圧 液晶表示が発達した理由：CMOSの発達、デジタルデバイスの普及

セグメント表示・マトリックス表示

時計・電卓 定まった記号のみ表示可 多彩な文字が表示可→ワープロ１行画面など 信号電極 走査電極

カラー表示方法

３原色フィルターによる 加色混合 液晶自体は白色光の スイッチを行う

クロストークとSTN

マトリックス駆動で走査電極が増えると、 電極間のクロストークで、選択画素と 非選択画素間の電圧差が減少するし、 また、電圧印加時間も減少する 閾特性が急峻でないと、コントラストの 高い表示ができない スーパーツイステッドネマチック（STN) 液晶の発明と台頭 アクティブマトリックスによりクロストー クの問題は解消 液晶セルのTN回帰 ※STN：ツイスト角が270度近 傍に設定した液晶セル。基本 的に複屈折のコントロールで ON－OFF制御する。TNに比 べて敷居特性が急峻

アクティブマトリックス駆動

アクティブマトリックスにより、 ・クロストークが無くなる ・走査中も電圧が印加し続 けられる ゲート電極 蓄積容量電極 信号電極 透明導電膜 蓄積電極 アクティブマトリックス用液 晶材料には、電圧保持率 が高いことが求められる

液晶セルの構成

反射板 導光板 散乱層偏光板 ガラス板 透明電極 ゲート電極 ゲート絶縁層 アモルファスシリコン 蓄積電極 蓄積層絶縁膜 ソース電極 ドレイン電極 ポリイミド配向膜 液晶 スペーサー 保護層 カラーフィルター ブラックマスク ガラス基板 位相差補償フィルム 偏光板 反射防止層 ノングレア層 ハードコート層 現在の主戦場はセルの外側

TNの視野角特性（基底状態）

真横 横斜め上 斜め斜め上 違った配置に見えると透過光も異なる

TNの視野角特性（中間状態）

真横 横斜め上 _{斜め斜め上}

視野角特性の向上

• 位相差フィルムによる補正

• 非TN型表示方式

– IPS方式

– VA方式

• セル分割化

ＬＣＤ開発（本日１１時半より）

のメインテーマ