JP2001109020A

JP2001109020A - 液晶表示素子および製造方法

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Publication number: JP2001109020A
Application number: JP28273399A
Authority: JP
Inventors: Mariko Kawaguri; 真理子河栗; Hisahide Wakita; 尚英脇田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-10-04
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2001-04-20

Abstract

(57)【要約】【課題】ＧＨ方式を用いることにより、偏光板の要ら
ない明るい表示素子が可能であるが、２色性色素の光吸
収特性によりコントラストが低いという問題があった。【解決手段】ＧＨ方式において、液晶をチルト角４０
度〜６０度に配向させ、１８０度以上ねじることによ
り、吸光効率を高め、電圧印加時の光透過率を上げるこ
とにより低電圧駆動でき、コントラストの高い表示素子
を提供できる。さらに、光配向膜を用いることにより制
御が難しいチルト角を安定に実現し均一な配向を可能に
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶を用いた表示
装置に使用する素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶素子は、対向した基板にそれ
ぞれ電極を形成し、その間に保持した液晶を電圧を印加
することにより配向状態を変化させて光の透過状態を変
化させることを利用したものである。そのため、液晶の
配向を制御することが表示性能の向上に不可欠であり、
液晶のオーダーパラメータの向上はもちろん、配向膜の
開発や配向法の研究が盛んに行われている。また、光を
有効に利用することにより、明るい表示が実現できるた
め、偏光板の改良や反射板、散乱板など光学部剤の開発
も行われている。

【０００３】中でも、偏光板をなくしたり、１枚にする
ことができる２色性色素を用いたゲスト・ホスト（Ｇ
Ｈ）型液晶表示装置は、光を有効に利用できるため、反
射型タイプの表示モードとして有効と考えられている。

【０００４】ゲストホスト液晶素子の断面図を図７に示
す。第１電極３を形成した第１の基板１と、第２電極４
を形成した第２の基板２を対向させ、それぞれの基板上
に平行配向処理を施した配向膜２１を設けた。第１基板
と第２基板の間に液晶７および黒の２色性色素８を含有
させて液晶表示素子を構成している。電圧無印加では、
液晶７と２色性色素８はホモジニアス配向しており、そ
の配向方向は液晶７にカイラル剤を添加して１８０度ね
じっているため、色素の光吸収軸がどの方向の光も吸収
して暗状態となる。電圧印加時には、２色性色素２３
は、液晶分子２２が電圧印加により動く動作に追随して
立ち上りその向きを変え、基板に対して垂直となり色素
の光吸収が小さくなり明状態となる。しかし、電極付近
はアンカリングが強いため、液晶及び色素が動きにくく
色素の吸収軸が変化しないために、電圧印加時の白抜け
が悪くコントラストが低いという問題がある。また、液
晶が持つ屈折率異方性により入射した光がらせん構造に
沿って旋光するのを防ぐため、屈折率異方性の小さい液
晶を選択し、ねじれピッチを短くすることも必要であ
る。しかし、ねじれピッチｐと液晶セル厚ｄの比率を大
きくすると駆動電圧が高くなるという問題や、ねじれの
角度を２７０度以上にするとヒステリシスが出るという
問題もある。そこで、電極付近が動き易いようにプレチ
ルトを上げる試みがある。しかし、従来広く使用されて
いるポリイミド膜はチルト発現をラビングに依存してい
るため、特に30度〜70度の範囲のプレチルトを再現良く
実現することが難しい。また、ラビングによる配向のバ
ラツキが発生して表示むらが出易いという問題もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の２色性色素を用
いたＧＨ型液晶表示装置は、明るい表示形態として有効
であるが、コントラストが低いという問題がある。ま
た、吸光率を高めるために液晶分子をカイラル剤により
ねじっているため、しきい値電圧が高くなるという問題
もあった。

【０００６】本発明は、このような表示素子の課題を考
慮し、低電圧で高いコントラストの液晶表示素子を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するため、対向する第１と第２の電極を形成した基
板とその基板間に保持された液晶層からなる液晶表示素
子において、第１の基板と第２の基板のプレチルト角を
４０度から６０度傾斜配向処理を施し、２電極および概
２電極間に電圧を印加する配線を有し、前記２つの基板
間に把持する液晶が多色性色素およびカイラル剤を含有
させた。さらに、上記電極上の配向膜を光配向膜により
作製した。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の液晶表示装置（素子）
は、色素をゲスト、液晶をホストとするゲストホスト型
液晶表示装置であるが、各電極上に液晶が４０度〜６０
度と高い傾斜角で配向膜により配向していることを特徴
としている。

【０００９】（実施の形態１）図１に本発明の１実施形
態に用いられる液晶表示素子の断面の概略構成を示す。
第１透明電極３を形成した第１の基板１と、第２透明電
極４を形成した第２の基板２を対向させ、それぞれの基
板上に４０度に傾斜させる配向処理を施す。第１基板と
第２基板の間にカイラル剤を添加した液晶７および黒の
２色性色素８を含有させて液晶表示素子を構成してい
る。基板間距離は５ミクロンで作製した。配向技術とし
てポリイミド樹脂を塗布焼成し、ラビングする方法が一
般的であるが、プレチルトを４０度〜６０度に安定に保
持する技術は少ない。検討した結果、垂直配向膜をラビ
ング処理(押し込み量)により調節すると高いチルトが保
持できた。垂直配向の配向膜としては、このほかに、レ
シチンやシラン系界面活性剤を印刷法やディップ法、ス
プレイ法などで塗布したり、シラン系界面活性剤を気化
させて形成することができる。最近では、紫外線の偏向
光を照射することにより配向方向を決定する技術も開発
されており、この方法はラビングが必要ないため有効な
方法と考える。

【００１０】前記第２透明電極４と第1透明電極３の表
面に配向膜６、７として垂直配向用のポリイミド樹脂を
塗布焼成した。この配向膜６、７をラビングすることに
より、２４０度ねじるようにスペーサを介して張り合わ
せた。

【００１１】前記２つの基板１，２により形成したセル
の間に、カイラル剤を入れたネマチック液晶（Ｎｐ）と
黒の２色性色素（ｐ型）を混合して注入すると、配向膜
６と７により図１のθが４０度に傾斜して並ぶ。シュミ
レーションにより求めた無電界時の液晶のチルト角の分
布によると、カイラル剤によりピッチを１０ミクロンに
した場合、チルト角が液晶層の中心部に近づくほどさが
って中心付近は５度以下になった。液晶７と同様に色素
８も並ぶ。これにより、入射光は２４０度ねじれた色素
８に吸収されて透過するため、暗状態（ノーマリーブラ
ック）となる。

【００１２】前記電極３，４に電圧を印加すると、電界
により液晶７が基板に垂直になるように動くため、追従
して色素８も垂直に立ち光の吸収がなくなり透過率が上
がる。すでに、基板付近の液晶７は４０度に傾斜してい
るため、配向膜界面のアンカリングが小さく、液晶の変
形が低電圧でも起こりやすい。シュミレーションにより
電圧印加時（５Ｖ）の透過率の変化を計算したところ、
図２−ａに示すようにチルト角を０度から７０度まで変
化させると透過率が高くなった。同時に２色比とチルト
角の関係を図２−ｂに示した。２色比とはコントラスト
と透過率の相関係数で２色比＝ln(電圧無印加時の透過率)／ln(電圧無印加時
の透過率) で表現される。

【００１３】明るく高コントラストをねらうための指標
としている。チルト角５０度で最高値を示した。しか
し、６０度を超えると２色比が低下した。これは、チル
トが高くなって垂直配向に近くなり、ねじってもチルト
が下がらず電圧無印加時の透過率が下がらなくなったこ
とが原因である。

【００１４】５Ｖ印加時の、ａ両基板１，２を並行処理
してチルト角１度で作製したセル（ホモジニアスセル）
では、第３図のｃに示すようにしきい値電圧が２ｖに対
してチルト角を４０度(第３図−ｄ)にすると閾値電圧は
１ｖになり、低電圧駆動が可能となった。これは、配向
が垂直配向に近くなり液晶のチルトがねじっても下がら
なくなるためと考えられる。以上により、チルト角を４
０度〜６０度に制御することにより、透過率を高く、閾
値電圧を下げる効果が得られた。チルト角が１度〜２０
度では閾値電圧が２Vと高かった。さらに、チルト角２
０度、３０度では閾値が１V付近まで下がったが透過率
が６０％に満たなかった。透過率を上げるには、セル厚
を薄くしたり色素濃度を薄くすれば実現できるが、コン
トラストが下がるため、視認性に影響する。明るい素子
を実現するためにはチルト角が４０度以上必要と考え
る。

【００１５】この方式を用いれば、偏光板を必要とせ
ず、コントラストの高い明るい表示が可能となる。この
セルにカラーフィルタを追加することによりフルカラー
の表示素子となる。

【００１６】（実施の形態２）図４に示すように反射板
９を第２基板の内側に設置し、第１基板側から光を入射
すると、反射型の表示素子となる。反射型は外光のみが
光の供給源のため、特に明るさが要求される。電圧無印
加時は、１８０度以上ねじれた色素８に吸収されて、暗
状態（ノーマリーブラック）となる。電圧を印加する
と、速やかに液晶が変形して色素も基板に対して垂直に
なるため、光が吸収されずに反射される。図５にチルト
角が１度の２４０度ねじったセル（ｃ）と同様に２４０
度ねじったチルト角４０度のセル（ｄ）の反射特性を示
した。印加電圧３ｖにおいて、２４０度にねじったホモ
ジニアスセルの反射率に比べ、本発明の２４０度ねじっ
たセルの反射率は３５％高かった。これにより、コント
ラストがホモジニアスセルの約１０％上昇した。本発明
の反射型表示素子は、低電圧駆動が可能で、かつ明るく
高コントラストの表示を提供できる。

【００１７】反射板の位置は、第２基板の外側に設置し
てもよいが、透明電極３や４および基板２による光の吸
収により反射率が下がるため、反射板９を内側に設置し
たほうが明るい表示が可能である。また、反射板の形状
はフラットでなく凹凸をつけることにより、正反射成分
を減らして散乱させることにより、視野角の依存性を小
さくできた。

【００１８】液晶のねじれ角を２４０度に設定したが、
２７０度、３００度とねじれ角を変えたセルを作製し、
コントラストを調べた。ねじれ角を大きくするほど、電
圧無印加時の反射率が低下した。電圧を５ｖ印加すると
どのねじれ角の反射率もほぼ同じになるためコントラス
トはねじれ角が大きいほど上がった。しかし、ねじれ角
を大きくすることにより、しきい値電圧は高くなり、３
００度ねじると２ｖとなるため、３Ｖから５Ｖで駆動す
るためにはねじれ角が１８０度から２７０度が最適なね
じれ角と考えられる。

【００１９】（実施の形態３）実施の形態１に示したセ
ルを図６に示すように３層重ねて形成した。第１電極３
を形成した第１基板１、第２電極４と第３電極１３を形
成した第２基板４，第４電極１４と第５電極１５を形成
した第３基板９，および第６電極１６を形成した第４基
板１０を図３に示すように重ねた。それぞれの電極の表
面にはチルト角が４０度〜６０度の配向膜５と６を設け
ている。

【００２０】第１基板１と第２基板２の間にはシアン
８、第２基板２と第３基板９の間にはマゼンタ１１、第
３基板９と第４基板１０の間にはイエロー１２のｐ型２
色性色素を溶解した液晶７を保持したシアン層１７、マ
ゼンタ層１８、イエロー層１９を形成した。各色素の溶
解濃度は入射光に対する吸光度から調整して色レベルを
合わせた。カラーフィルタを用いると光の透過量が少な
いため、暗い表示となり、特に反射型としては色純度の
悪いことが問題となる。これを、カラーフィルタを用い
ず、３層重ねることで、入射光の利用効率を上げ明るく
コントラストの高い色純度の良い表示素子を作製でき
る。さらに、各層の液晶をチルト角４０度〜６０度に傾
斜させたため、電圧を印加したときの低電圧での透過率
を高めたため、各層での色素の光の吸収が少なくなり明
るく色純度の良い表示が可能となった。しかも、各層に
おいて液晶を１８０度以上ねじっているため、光の抜け
がなくなり黒も沈んで高いコントラストが得られた。

【００２１】（実施の形態４）上記より、チルト角を４
０度〜６０度に制御することが、明るい表示素子に有効
であることがわかった。しかし、チルト角を高くする技
術は少なく、検討した配向膜をラビング処理でチルト角
を制御する方法も液晶が立ち上がる際にラビング方向に
すじが発生する場合が見られた。これは、チルト角の均
一性が低いためと考えられる。そこで、光配向によりチ
ルト角を制御する方法を試みた。その１例として、以下
に化学吸着物質を用いた配向膜の例を示す。しかし、光
配向膜としてはポリイミド前駆体を含む配向膜層を形成
し、直線偏光を照射してポリイミドを重合することによ
り配向性を付与する場合などあり、限定されない。配向
膜の作製方法として、たとえば、垂直用配向膜として化
式１に示す化学吸着膜を用いた。

【００２２】

【化１】

【００２３】水平用配向膜として化式２に示す化学吸着
膜を用いた。

【００２４】

【化２】

【００２５】上記の材料を１対１混合して第１の基板と
第２の基板を１時間ほど浸績し、洗浄液であるクロロホ
ルムに漬けて上記の余分な化学吸着液を洗い流し、基板
を引き上げて乾燥した。これにより、前記化学物質のＳ
ｉＣｌ基と基板表面の水酸基との間で脱ＨＣｌ反応が進
み基板上に化学吸着膜が形成できる。次に、引き上げ方
向と平行に偏光方向を揃えて紫外線を照射した。照射量
は４８０ｍＪ／ｃｍ²であった。セルを組んで液晶を注
入してプレチルトを測定すると、約４５度であった。こ
の場合、水平の配向能と垂直の配向能がほぼ等しい。こ
の２種類の配向膜材料を割合を変えて混合することによ
り、プレチルトを０度〜９０度まで変化させることがで
きる。

【００２６】本発明にかかる液晶表示素子の製造方法
は、上記に示した化学吸着による配向処理を施された第
1電極を有する基板と、同様の第2の基板とを所定の間隔
を保持して対向させて固定する工程と、前記間隙に少な
くとも２色性色素分子、液晶分子を含む混合物を封入す
る工程を含む。

【００２７】基板の配向処理としては、平行配向用と垂
直配向用の化学吸着剤の混合物を基板に吸着し偏光を与
えることで配向能を高める。さらに、化学吸着剤を吸着
後洗浄剤で洗って引き上げ方向を固定することにより配
向方向を揃えることができる。

【００２８】上記配向処理をした第1基板と第2基板を対
向させスペーサを介して張り合わせた。スペーサとし
て、一定の大きさの樹脂ボールをばらまいて用いた。ま
た、第1の基板上にフォトレジストを塗布し、紫外線を
スペーサ部のみ当てて現像し一定膜厚のスペーサを形成
することもできる。

【００２９】スペーサによる第1基板と第2基板の間隙に
２色性色素８、液晶７を含む混合物を封入する方法とし
て、キャピラリー注入や真空注入がある。また、第１基
板の上にスピンコートや印刷法を用いて液晶層を形成
し、第２基板を重ねて作製することも可能である。これ
により、注入という時間がかかる工程を短縮できる。

【００３０】液晶７への２色性色素８の混合は、液晶を
相転移温度以上に加熱し行なった。さらに、超音波を当
てるなど振動を加えたり、攪拌させたりすると短時間に
均等に溶解させることができた。カイラル剤も同様に液
晶分子に混合することにより左、又は、右にねじった配
向状態を実現することができる。

【００３１】以上の工法により、均一な配向が得られ、
ラビング筋のないセルが作製できた。さらに、温度試験
を行っても、チルト角に変化は見られなかった。これに
より、図４の反射板２０のように凹凸のある表面でも均
一に配向制御でき、ラビング法で発生するラビング不良
などを回避することができた。

【００３２】

【発明の効果】本発明では、対向する第１と第２の電極
を形成した基板とその基板間に保持された液晶層からな
る液晶表示素子において、電極表面に４０度から６０度
の傾斜配向処理を施し、２電極および概２電極間に電圧
を印加する配線を有し、前記２つの基板間に把持する液
晶が２色性色素およびカイラル剤を含有させた。液晶分
子を高いチルトに配向させることにより、電圧を印加し
たときに液晶が垂直方向に変形しやすく、しきい値電圧
を低下させることができる。さらに、液晶分子をねじる
ことで、電圧無印加時の液晶層の中心部で液晶及び２色
性色素のチルト角を低くし、吸光効率を高め、低電圧で
も高コントラストの表示素子を提供できる。また、配向
膜として光配向膜を用いることで難しいチルト角の実現
を簡易にでき、偏光を当てることで配向方向を均一にし
て表示性能を高めることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】液晶表示素子の断面の概略構成を示した図

【図２】チルト角と２色比、透過率の関係を示した図

【図３】印加電圧と透過率の関係を示した図

【図４】液晶表示素子の断面の概略構成を示した図

【図５】印加電圧と反射率の関係を示した図

【図６】液晶表示素子の断面の概略構成を示した図

【図７】液晶表示素子の断面の概略構成を示した図

【符号の説明】

１第１基板２第２基板３第１電極４第２電極５，６，２１配向膜７，２２液晶８，１１，１２，２３多色性色素１３第３電極１４第４電極１５第５電極１６第６電極１７シアン層１８マゼンタ層１９イエロー層２０反射板

フロントページの続きＦターム(参考） 2H088 EA14 FA00 JA06 KA11 KA14 LA09 MA02 2H090 KA06 MB00 5C094 AA06 AA24 AA55 BA47 BA49 FB01 GB01 JA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する第１と第２の電極を形成した基
板とその基板間に保持された液晶層からなる液晶表示素
子において、第１の基板および第２の基板はプレチルト
角を４０度から６０度になるように配向処理を施し、２
電極および概２電極間に電圧を印加する配線を有し、前
記２つの基板間に把持する液晶が２色性色素およびカイ
ラル剤を含有したことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】対向する第１と第２の電極を形成した基
板とその基板間に保持された液晶層からなる液晶表示素
子において、第１の基板および第２の基板はプレチルト
角を４０度から６０度になるように配向処理を施し、２
電極および概２電極間に電圧を印加する配線を有し、第
２の電極は反射板をかねる形状であり、２つの基板間に
把持する液晶が２色性色素およびカイラル剤を含有した
ことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項３】液晶を１８０度以上ねじることを特徴と
する請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項４】液晶層を垂直方向に３層重ね各層の液晶
にシアン、マゼンタ、イエローの２色性色素を含有する
事を特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項５】配向膜に光配向膜を用いたことを特徴と
する請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項６】光により配向処理を施す工程、配向処理
された第1電極を有する基板と、同様の第2の基板とを所
定の間隔を保持して対向させて固定する工程、前記間隙
に少なくとも２色性色素、液晶分子を含む混合物を封入
する工程を少なくとも含むことを特徴とする液晶表示素
子の製造方法。