JP2000047215A

JP2000047215A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2000047215A
Application number: JP21014598A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Minoura; 潔箕浦; Masayuki Okamoto; 正之岡本; Seiichi Mitsui; 精一三ツ井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2000-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】表示特性の優れたカラー表示液晶表示装置で
あり、特に感圧式入力装置一体型に有用な液晶表示装置
を提供する。【解決手段】一対の基板と、該一対の基板の間に狭持
された液晶層と具備する液晶表示装置において、少なく
ともどちらか一方の基板表面における液晶分子の該基板
法線からの傾き角が３度から３０度であることを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液晶表示装置に関
し、特に垂直配向モードを用いた液晶表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】現在、薄型、軽量等の特徴を有するカラ
ーディスプレイとして液晶表示装置が数多く用いられて
いる。これらの液晶表示装置においては、主に、電圧無
印加時に液晶分子が基板と平行に配向する平行配向モー
ドが採用されている。

【０００３】これに対して、電圧無印加時に液晶分子が
基板と垂直に配向する垂直配向も表示に利用可能であ
る。この垂直配向を用い、液晶層に電圧印加がされてい
ない場合に暗表示を行う、いわゆるノーマリーブラック
モードとして動作させる場合には、平行配向モードと比
較してより暗く良好な黒表示が得られるため、表示のコ
ントラストが高くなる。ノーマリーブラックモードは、
液晶に電圧が印加されていない時に、液晶層の層法線方
向に通過する光に対しては液晶層が複屈折を生じないた
め、液晶層厚（液晶セルのセルギャップ）の任意性が高
いという特徴を有している。

【０００４】つまり、従来の平行配向モードよりも液晶
層厚を厚くすることができ、また、セルギャップの変動
にも対してもマージンが広く、いずれの場合においても
良好な黒表示が可能である。さらに、垂直配向のノーマ
リーブラッグモードを用いた場合は、液晶層のセルギャ
ップを一定に保持するためのスペーサー・ビーズによる
光もれの影響も少ない事が知られている。

【０００５】上記のような特徴にも関わらず、従来よ
り、垂直配向モードでは、一様な配向状態の実現が困難
とされ、工業的実用性が乏しいとされてきた。特に、液
晶層に電圧が印加され、液晶配向の方向が垂直配向から
変形した場合、安定した配向を得ることが難しいとされ
てきた。

【０００６】そこで、この問題点を解決し、垂直配向モ
ードを工業的により安定に実現するものとして、近年、
囲い込み電極法（特開平７−６４０８９）やマルチドメ
イン法（日経マイクロデバイス９８年１月号、１３６
頁）によって、表示装置の１画素程度の範囲内で電界の
方向や絶縁性構造物によって基板形状を変化させる手法
が有効であることが開示されている。

【０００７】また、垂直配向において、電圧の印加時に
パネル全体にわたって一様配向をうる手段としては、ラ
ビング法（特開昭６２−２９９８１４）や光配向法（第
１回ＪＬＣＳ−ＡＬＣＯＭ合同報告会「光反応性高分子
膜を用いた液晶配向制御」東京農工大・飯村靖史氏）で
初期液晶配向を基板法線方向から若干傾斜（チルト）さ
せる手法が開示されている。これらの手法によれば前記
手法におけるミクロなドメインの生成とは異なった方法
での上記問題の解決が期待できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記囲
い込み電極法やマルチドメイン法の手法によると、液晶
層を挟持する上下基板ともに精密かつ複雑な構造の作製
が必要であり、作製工程が増加するという問題点を有し
ている。また、画素の大きさを周期とするドメインが生
成されることは不可避である。この事は、ドメインの周
期を決定する、囲い込み電極の電極構造や絶縁性構造物
の周期が、安定した配向を得るためには任意には設計で
きず、一定の範囲に設計する必要が生じることを意味し
ている。

【０００９】表示内容や表示画像の大きさと表示容量か
ら決定される画素の大きさは、小さいものは１０μｍ程
度、大きいものは１ミリ程度と、１００倍程度の幅を有
しており、また、その形状も様々な形状を有している
が、上記のドメインの周期がこの１００倍にもわたる範
囲、画素形状において有効であるかどうかに関する報告
は無く、すべての垂直配向を利用した液晶表示装置に適
用可能であるかどうか確認されていない。さらに、両基
板上の電極もしくは電極よりも内側に、絶縁体による構
造が作製されており、液晶層にかかる電圧が小さくなる
ことにより、駆動電圧が高くなるという問題点もある。

【００１０】上述のように、電極構造や基板構造によっ
て安定した垂直配向を得る方法には問題点があるため、
これらの問題を生じさせない前記ラビング法や光配向法
の採用は望ましい方法と考えられている。しかし、前記
にあげたこれらの手法について、液晶分子の基板法線か
らのチルト角の具体的な条件についての記述がなく、ど
の程度の傾斜配向が有効であるかに関する知見が得られ
ていない。

【００１１】そこで、本願発明者らはこれらを踏まえて
鋭意検討を行い、チルト角が小さい場合には具体的に３
点の問題があることが明らかにした。第１に、垂直配向
を利用した液晶表示装置に電圧を印加して実際に表示し
た場合、基板に圧力などの外部からの刺激を加えて液晶
配向を乱すと、チルト角が小さい場合は、配向乱れがそ
のままの状態もしくはドメイン・ウォールなどの配向欠
陥として残存することがわかった。特にこれは携帯型の
情報機器において有用な入力手段である手書き入力に対
して大きな問題となる。

【００１２】第２に、チルト角が小さい場合において
は、印加電圧に対する液晶の光学的な透過率または反射
率変化の応答が遅い。第３に、チルト角が小さい場合に
おいては、チルト角が大きい場合に比べて駆動電圧が高
くなるという問題があることがわかった。

【００１３】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、表示特性の優れたカラー液晶表示装置を
提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願請求項１記載の液晶表示装置は、一対の基板
と、該一対の基板の間に狭持された液晶層と具備する液
晶表示装置において、少なくともどちらか一方の基板表
面における液晶分子の該基板法線からの傾き角が３度か
ら３０度であることを特徴とする。

【００１５】本願請求項２記載の液晶表示装置は、前記
液晶表示装置における前記一対の基板が光反射性電極を
有する第１基板と、透明電極を有する透明な第２基板と
により構成されることを特徴とする。

【００１６】本願請求項３記載の液晶表示装置は、前記
光反射性電極の表面がなめらかで、かつ連続的に変化す
る凹凸形状を有することを特徴とする。

【００１７】さらに、本願請求項４記載の液晶表示装置
は、上下の基板が、光反射性電極を有する第１基板と、
透明電極を有する第２基板と、該第２基板上に少なくと
も１枚の光学位相差補償板と、１枚の偏光板とを具備
し、前記一対の基板間に狭持されている液晶層が負の誘
電異方性を持つ液晶であることを特徴とする。

【００１８】また、本願請求項５記載の液晶表示装置
は、前記一対の基板間に狭持されている液晶層がツイス
トしていることを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面に即して説明する。《実施形態１》本発明の液晶表示装置の第１の実施形態
の構成断面図を図１に示す。一対の平坦な基板４、５の
うち、観察者側の基板４にはスパッタ法によりＩＴＯ
を、対向基板５には真空蒸着法によりアルミニウムを成
膜し、それぞれ、表示用透明電極６及び反射性電極７と
した。上記構成による電極対への電圧印加手段として、
アクティブ素子等を用いてもよく、特定の電圧印加手段
に本発明が限定されないことは言うまでもない。

【００２０】さらに、それぞれの電極の上にポリイミド
系の垂直配向膜をスピンコート法により塗布、焼成して
形成した。具体的な垂直配向膜としては、ＪＡＬＳ−２
０３（日本合成ゴム社製）を用いたが、これに限られる
ものではない。また、配向膜を形成する方法はスピンコ
ート法に限られるものではなく、浸漬塗布法、スクリー
ン印刷法、あるいは、ポリマーの前駆体溶液を塗布・硬
化させる方法など、既存のどのような方法を用いてもよ
い。

【００２１】また、本実施形態においては、基板５側の
配向膜３のみにラビングによりチルト角を形成したが、
両基板の配向膜ともにラビング処理を施しても、さらに
均一な配向が得られる。

【００２２】前記ラビング方法については、図２に示す
ようなラビング装置において、基板とラビング布がある
適当な毛当たりになるようにステージの高さを調節し、
いくつかのローラー回転速度とステージ速度の組み合わ
せでラビングを行った。そして、各々のラビング条件で
発現するチルト角をクリスタル・ローテーション法によ
り測定した。ローラー回転速度とステージ速度の相対速
度と基板と布の接触時間との積で与えられる現象論的パ
ラメータであるラビング密度パラメータとの対応を調べ
た結果、ラビング密度パラメータが大きいものほどチル
ト角が大きくなるという結果が得られている。この予備
検討により、チルト角を上記の範囲で任意に制御する作
製条件が明らかとなった。以後、この予備実験に基づく
様々なティルト角に関して、液晶表示装置を作製し、表
示との関係を明らかにした実施形態を記す。

【００２３】ここで、両基板４、５間には、負の誘電異
方性を有するネマチック液晶層１が狭持されている。そ
のような液晶として、例えば、ＺＬＩ−２８５７（メル
クジャパン社製）を用いたが、これに限られるものでは
ない。

【００２４】基板４の液晶側と反対側の表面に、偏光板
１０、光学位相差補償板８、９を配置した。光学位相差
補償板８、９は、液晶表示装置の作製後の正面方位に対
する光学特性を良好にするように配置した。

【００２５】配向乱れの緩和に関する検討実験として、
基板４上に配置されている偏光板１０の上から、外部か
らの刺激として不均一な圧力を加えることにより配向乱
れを発生させ、その後の配向乱れの緩和過程を観察し、
その緩和時間とチルト角の関係を調べた。その際、印加
電圧として、振幅を３Ｖと５Ｖとの一定値に保った６０
Ｈｚにて極性の反転する矩形波を印可して実験を行っ
た。

【００２６】本実施形態１において、具体的に配向乱れ
を生成させる方法として、光入射側基板４の上からペン
先で２、３秒間に直径２ｃｍ以内の大小５つほどの円を
描く方法を取った。この方法により、配向乱れの緩和過
程が観察可能となるような配向乱れが初期状態に実現さ
れる。配向乱れを生成する方法として、この手法に限定
されるものではないが、今回の観察においては、この手
法により配向乱れの緩和過程は十分観察可能であった。

【００２７】その結果について、図３に縦軸を緩和時
間、横軸をチルト角としたグラフを、印加電圧３Ｖ、５
Ｖに対応して、各々曲線３−１、３−２に示す。ただ
し、配向乱れやそれに起因するドメイン・ウォールが６
０秒を越えて、なお緩和あるいは消滅しない場合には、
その欠陥は残存するものとした。なお、目視観察による
消滅時間の測定のため、０．５秒以下の短い時間につい
ては測定できず、全て０．５秒としている。

【００２８】曲線３−１と曲線３−２から、基板５上の
液晶分子の法線方法からのチルト角が２．５度以上、作
製のばらつきを考慮して、好ましくは３度以上の角度が
得られた場合、配向乱れやそれに起因するドメイン・ウ
ォールが速やかに緩和し、配向欠陥が残存することな
く、均一な表示が安定して実現されることが明らかにな
った。

【００２９】チルト角の上限に関しては、上記の液晶表
示装置の構成におけるコントラストの計算結果より求め
た。一対の平坦な基板４、５のうち、観察者側の基板４
上の液晶分子の向きは基板に対して垂直とし、対向基板
５上の液晶分子の向きは基板法線から傾かせた配置を用
いた。そのチルト角を０度から４５度まで変えた時のコ
ントラストを計算により求めた。計算結果を図４に示
す。垂直投光・垂直受光条件で、実用水準であるコント
ラスト２０以上を確保できるチルト角の上限は３０度で
あった。

【００３０】《実施形態２》本発明の液晶表示装置の第
２の実施形態を図５に示す。本実施形態２においては、
反射板として凹凸拡散反射板が用いられている。即ち、
基板５上になめらかで連続的に変化する凹凸形状を有す
る絶縁膜１３を形成した後、その上にアルミニウムより
なる光反射膜１４、透明平坦化層１５、ならびにＩＴＯ
透明電極７を、それぞれ、真空蒸着法、スピンコート塗
布・硬化、スパッタリング法により成膜して、順次形成
した。さらに、その上に実施形態１と同様に、ポリイミ
ド系の垂直配向膜３をスピンコート法により塗布、焼成
して形成した後、ラビングによりチルト角を形成した。
基板４側の構成は、実施形態１と同様である。

【００３１】実施形態１のように反射板が平板の場合
と、本実施形態のように凹凸拡散反射板が用いられた場
合では、液晶分子軸の方向と反射光の方向との関係が同
じではなく、したがって、実施形態１における結果と異
なる結果の得られる可能性も考えられるため、上述の凹
凸拡散反射板を用いた液晶表示装置においても、実施形
態１と同じ方法で、配向乱れの緩和過程の観察実験を行
った。

【００３２】その結果は、図３に曲線３−３、３−４と
して示す。曲線３−３は印加電圧３Ｖに、曲線３−４は
印加電圧５Ｖに対応している。反射膜が平坦である場合
の曲線３−１、３−２と、有意な差は見出されなかっ
た。部分的に見れば、平坦反射板の場合と凹凸拡散反射
板の場合とで、液晶分子軸の方向と反射光の方向との関
係が異なったとしても、総体的に見れば平均化されて実
質的に同じ結果になるものと考えられる。

【００３３】また、反射性電極の上での電場の向きは基
板法線方向を向いていることから、電場と液晶分子の向
きは常に決まった方向に一定角傾いているためとも考え
られる。また、反射板として凹凸拡散反射板を用いるこ
とにより、上述のように平坦な反射板の場合と同じチル
ト角において、平坦な反射板の場合と同様な配向緩和を
得られるとともに、平坦な反射板の場合に比して、不要
な散乱がなく格段に優れた反射特性を実現できた。

【００３４】この結果は、光散乱のために設計された凹
凸だけではなく、アクティブマトリクス基板において、
画素駆動電極と電圧印加素子を結ぶ立体的な配線構造に
おいてしばしば用いられるコンタクトホールのように、
本来光散乱のために設計されたものではない凹凸に対し
ても同様に有効であることを示している。

【００３５】《実施形態３》実施形態１の液晶表示装置
（図１）において、チルト角が、それぞれ、０．２度お
よび４．５度となるようなサンプルａおよびｂを作製し
た。電圧−反射率特性を測定して、Ｖ１０とＶ９０を測
定した。ここで、Ｖ１０、Ｖ９０は、それぞれ、反射率
が最大となるときを１００％、反射率が最小となるとき
を０％としたときに、１０％、９０％の反射率を与える
電圧である。

【００３６】さらに、前記２つの液晶表示装置サンプル
ａおよびｂの応答時間を、両方ともＯＮ電圧３．５Ｖ、
ＯＦＦ電圧１．４Ｖとして測定した。以上の結果を表１
に記す。なお、応答時間については、立ち上がり応答時
間と立ち下がり応答時間との和で記してある。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１から明らかなように、チルト角を大き
くすることにより、駆動電圧を小さくすることができ、
また、短い応答時間で表示の書き換えが可能になり、図
１に示すような１枚の偏光板と複数の光学位相差補償板
を用いた液晶表示装置の構成にすることによって、低駆
動電圧、高応答速度にて、電圧無印加状態での良好な黒
表示と電圧印加時での良好な白表示を実現することがで
きた。

【００３９】《実施形態４》図１に示す液晶表示装置に
おいて、下側基板５の表面上の液晶分子の配向が基板に
対して垂直方向を向いており、観察者側の基板４の表面
上の液晶分子のチルト角が基板法線から傾いている
（０．５度、３度、５度）場合について、液晶の連続体
理論に基づく運動方程式を計算機によって解くことによ
り、応答速度の検討を行った。液晶の連続体理論に基づ
く運動方程式については、例えば、P.G.deGennes and
J.Prost"The Physics of Liquid Crystals, 2nd editio
n"(OxfordUniversity Press, 1993)に詳しく解説されて
いる。

【００４０】最初に、５Ｖのステップ電圧を印加した際
の液晶層１の中間層における液晶分子の配向方向の極角
成分の時間変化を計算した。その結果を図６に示す。縦
軸は中間層の液晶分子の配向方向の極角成分、横軸は経
過時間である。ここで、液晶分子の配向方向の極角成分
は基板と平行方向を０度とし、垂直方向を９０度とし、
印加電圧は１００ミリ秒まで０Ｖで、１００ミリ秒以降
は５Ｖに保持した。観察者側の基板４の表面上の液晶分
子のチルト角が０．５度、３度および５度のそれぞれに
対応して、曲線６−１、６−２、６−３で与えられる結
果が得られた。チルト角を大きくすることによって明ら
かに応答が速くなることがわかる。

【００４１】次に、液晶層１中の液晶がツイストしてい
る場合についても同様な検討を行い、応答時間を算出し
た。ここで、応答時間として、電圧印加前および電圧印
加後十分時間が経過した後の中間層の液晶分子の配向方
向の極角成分をそれぞれ１００％および０％とした時、
電圧印加時から、中間層の液晶分子の配向方向の極角成
分が１０％になるまでの時間で定義した。液晶層１のツ
イスト角度としては、ｄ／ｐが０、０．２５および０．
５となるように調整した。ここで、ｄは液晶層厚、ｐは
ヘリカルピッチである。

【００４２】つまり、ｄ／ｐが０であるときは、上述の
ツイストのない場合であり、ｄ／ｐが１である場合は、
液晶層１中の液晶分子が下側基板５から上側基板４まで
３６０度回転するということである。液晶層１中の液晶
分子をツイストさせるためには、自発的にツイストする
コレステリック液晶を用いてもよいし、カイラル剤を混
入してもよい。上側基板４の表面上の液晶分子の基板法
線からのチルト角としては、上記のツイストのない場合
と同様に、０．５度、３度および５度とした。応答時間
の計算結果を表２に示す。

【００４３】

【表２】

【００４４】表２から明らかなように、ｄ／ｐのいずれ
の値の場合においても、チルト角を増やすことによっ
て、応答時間が短縮されており、チルト角が３度におい
て実用的な値の得られることがわかる。また、ツイスト
を行うことによって、応答時間をより短くする可能性の
あることもわかる。

【００４５】上述の４つの実施形態のいずれにおいて
も、反射型液晶表示装置を用いた。しかしながら、透過
型液晶表示装置、反射型液晶表示装置のいずれにおいて
も、入射光が出射されるまでに及ぼす光学効果は、光路
が往復になるか往路のみになるかの違い以外は全く同様
であり、したがって、反射性電極７を透明電極に置き換
え、また、基板５に透明基板を用いて、基板５側から光
を入射させることによって、反射型液晶表示装置のみな
らず透過型液晶表示装置においても本発明が適用できる
ことは言うまでもない。また、液晶表示装置の一部が透
過型、残りの一部が反射型で構成される半透過型液晶表
示装置においても、同様であることは言うまでもない。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、基板に圧力などの外部
からの刺激によって生じた配向乱れが表示欠陥として残
存しなくなり、かつ応答が速く、駆動電圧が低く抑えら
れた垂直配向モードによる液晶表示装置が実現され、特
に、感圧式入力装置一体型液晶表示装置に有用である。
そして、これら液晶表示装置は反射型、透過型を問わ
ず、ＰＣ、携帯用情報端末機器をなどの電子機器に好適
に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態１、３および４の液晶表示装置の構
造断面図である。

【図２】本実施形態で用いられた液晶表示装置の垂直配
向膜のラビング処理に利用したラビング装置の構造図で
ある。

【図３】実施形態１および２の液晶表示装置における配
向乱れの緩和時間とチルト角との関係図である。

【図４】実施形態１におけるコントラストのチルト角依
存性の特性図である。

【図５】実施形態２の液晶表示装置の構造断面図であ
る。

【図６】実施形態４における５Ｖのステップ電圧を印加
した場合の液晶分子の配向方向の極角成分の時間変化特
性図である。

【符号の説明】

１液晶層２、３垂直配向膜４、５基板６、７電極８、９光学位相差補償板１０偏光板１１ローラー１２ステージ１３絶縁膜１４光反射膜１５透明平坦化層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三ツ井精一大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 2H090 HB08Y HC05 HC06 HC07 KA05 LA01 LA04 LA06 LA09 MA01 MA11 MA16 MB01 MB02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の基板と、該一対の基板の間に狭持
された液晶層と具備する液晶表示装置において、少なく
ともどちらか一方の基板表面における液晶分子の該基板
法線からの傾き角が３度から３０度であることを特徴と
する液晶表示装置。
【請求項２】請求項１記載の液晶表示装置において、
前記一対の基板が光反射性電極を有する第１基板と、透
明電極を有する透明な第２基板とにより構成されること
を特徴とする液晶表示装置。
【請求項３】請求項２記載の液晶表示装置において、
前記光反射性電極の表面がなめらかで、かつ連続的に変
化する凹凸形状を有することを特徴とする液晶表示装
置。
【請求項４】請求項１乃至３記載の液晶表示装置にお
いて、前記一対の基板が、光反射性電極を有する第１基
板と、透明電極を有する第２基板と、該第２基板上に少
なくとも１枚の光学位相差補償板と、１枚の偏光板とを
具備し、前記一対の基板間に狭持されている液晶層が負
の誘電異方性を持つ液晶であることを特徴とする液晶表
示装置。
【請求項５】請求項１乃至３記載の液晶表示装置にお
いて、前記一対の基板間に狭持されている液晶層がツイ
ストしていることを特徴とする液晶表示装置。