JP2002072217A - 液晶表示デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 斜めから入射する光に対しても高いコントラ
ストが得られる垂直配向型液晶分子を用いた液晶表示デ
バイスを提供することである。 【解決手段】 対向する基板表面に電極を有する一対の
基板と、この一対の基板間に挟持される垂直配向型液晶
分子を含む液晶層とを有する垂直配向型液晶表示デバイ
スにおいて、各基板表面の配向層で規定する配向軸をず
らすことにより、上記一対の基板間で、液晶分子のプレ
チルト方向をツイストさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示デバイス
に関し、特に垂直配向型液晶分子を用いた場合の液晶分
子の配向に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、プレゼンテーション用途としてコ
ンピュータ映像を拡大表示したり、ホームシアター用途
として迫力ある大画面のビデオ映像を楽しむ目的から投
射型の液晶プロジェクタが使用される機会が増えてい
る。

【０００３】これらの液晶プロジェクタには高精細化、
高輝度化、小型化が求められるとともに、応答速度の早
さ、高いコントラストが望まれている。

【０００４】反射型液晶表示デバイスは、開口率を大き
くとれることから、液晶プロジェクタ用途で広く用いら
れている。反射型液晶表示デバイスの場合は、透明電極
を基板表面に形成した一方の基板と反射電極および駆動
回路を配した他方の基板を対向配置し、その間に液晶層
を挟持した構造を有する。

【０００５】ここで、液晶層を構成する液晶分子にはい
くつかの配向型（配列モード）があり、この配向型に従
い、上下の電極間にかかる電圧により液晶分子の配列変
化を示す。例えば、水平配向型（ホモジニアス配列モー
ド）液晶分子は、電圧が印加されていない初期状態にお
いては、基板面にほぼ平行に配列しており、電圧の印加
により、液晶分子の誘電異方性により基板面に垂直に配
列する。一方、垂直配向型（ホメオトロピック配向モー
ド）液晶分子は、負の誘電異方性を有し、初期状態では
基板面にほぼ垂直な方向に配列しており、電圧の印加に
より、基板面に平行方向に配列する。

【０００６】最近、垂直配向型液晶分子は、応答速度が
早く高いコントラストが得られる（Anna M Lackner,J.D
avid Majarum et a.,Proceedings of the SID,Vol.31/4
321/326,1990)ことから、高精細プロジェクタ用表示デ
バイスへの使用が望まれている。

【０００７】図６（ａ）〜図６（ｃ）は、従来の垂直配
向型液晶分子の配向状態を概略的に示す図である。例え
ば反射型の液晶表示デバイスの場合、一対の基板１２
０、１３０で挟持された液晶層は、負の誘電異方性を持
つネマティック液晶で構成される。図６（ａ）に示すよ
うに、上下の基板間に電圧がかかっていない初期状態で
は、垂直配向型液晶分子１４０は、基板面にほぼ垂直方
向に配列しており、電圧の印加に伴い基板面に平行にな
る方向に倒れる。しかし、後述するプレチルトの付与が
ない場合は、倒れる向きはばらばらであり、表示むらを
伴う。

【０００８】そこで、最近の垂直配向型液晶分子を用い
た液晶デバイスでは、図６（ｂ）に示すように、基板間
に電圧がかけられていない初期状態で、液晶分子にわず
かな傾斜を与えている。このような初期の液晶分子に与
えられる配向をプレチルトといい、その配向状態は、基
板面に垂直な軸に対する傾斜角である方位角θｐと基板
面内の配向方向で規定される。一般に、プレチルトの配
向状態は、配向層に付与する配向処理で調整するが、基
板自体を傾けることでプレチルトを付与する場合もあ
る。プレチルトが付与された場合は、上下の基板間に一
定以上の電圧が印加されると、図６（ｃ）に示すよう
に、液晶分子はプレチルトにより規定された方向に揃っ
て倒れるため、上述のような表示むらがなくなる。

【０００９】なお、プレチルトの配向状態が上下基板間
で揃うように基板１２０、１３０それぞれの表面の配向
層には、同一軸で逆向きの面内配向方向が付与されてい
る。この配向軸は、基板１２０上に配置される図示しな
い偏光板の偏光軸に対し４５度の面内角度に通常調整さ
れている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】液晶プロジェクタで
は、小型で高輝度のプロジェクタを実現するため、液晶
表示デバイスの光学系としてＦ値（焦点距離を開口径で
割った値）がより小さいレンズを用いる傾向にあり、液
晶表示デバイスへの入射光はよりコーンアングルの大き
な光となってきている。

【００１１】垂直配向型液晶分子を用いた液晶表示デバ
イスは、垂直に入射する光に対しては上述するように高
いコントラストが得られるものの、入射光が傾斜してく
ると、コントラストが低下してしまう。従ってＦ値が小
さいレンズを用いた場合、垂直配向型液晶分子の利点で
ある高コントラストが得られないという問題が生じてい
る。

【００１２】加えて、上述するように、プレチルトの付
与により、初期状態の液晶分子には数度の傾斜が与えら
れるため、入射光の実質的な傾斜角はさらに大きいもの
となる。

【００１３】そこで、本発明は上述する課題に鑑み、斜
めから入射する光に対しても高いコントラストが得られ
る垂直配向型液晶分子を用いた液晶表示デバイスを提供
することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の液晶表示デバイスの特徴は、対向する基板
表面に電極を有する一対の基板と、この基板間に挟持さ
れる垂直配向型液晶分子を含む液晶層と、この垂直配向
型液晶分子のプレチルト方向を、一対の基板間でツイス
トするように配向処理された基板表面上の配向層とを有
することである。

【００１５】なお、ここで液晶分子のプレチルト方向と
は、面内配向方向をいう。基板面に垂直な軸に対する傾
斜角は特に限定されない。

【００１６】ノーマリーブラック（電圧がＯＦＦで黒を
表示）では、電圧をかけないときの光強度がコントラス
ト比を左右する。電圧を印加しない状態の液晶分子は上
述するようなツイスト配向処理により、一対の基板間で
液晶分子の配向方向が一定でなく、ツイストするプレチ
ルト方向を示す。液晶分子のプレチルト方向がツイスト
していると、斜めから入射する光を用いた場合の表示コ
ントラストの観察角度依存性が緩和され、極端なコント
ラスト不良域の発生をなくすため、全体的なコントラス
トの改善が可能となる。

【００１７】なお、一対の基板の一方に反射電極を有す
る反射型液晶表示デバイスを用いる場合は、上記配向層
が、垂直配向型液晶分子のプレチルト方向を一対の基板
間で面内角度にして８０度〜１６０度ツイストさせるよ
うに配向処理されていることが好ましい。液晶分子のプ
レチルト方向をツイストさせるためには、一対の基板そ
れぞれの表面に形成する各配向層の配向軸をずらすよう
にすればよい。例えば、８０度〜１６０度ツイストさせ
るには、一方の基板表面の配向層に形成する配向軸と他
方の基板表面の配向層に形成する配向軸とのなす面内角
度を８０度〜１６０度となるようにずらせばよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の液晶表示デバイスは、図
１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、垂直配向型液晶分
子を用いた液晶表示デバイスにおいて、上下の基板表面
の配向層それぞれに配向処理で規定する配向軸を面内角
度でθｔずらし、上下の基板間の液晶分子のプレチルト
方向をツイストさせる構造を有することを主な特徴とす
る。以下、図面を参照しながらより具体的に本発明の実
施の形態について説明する。

【００１９】本発明の具体的な実施の形態の説明に入る
前に、本願発明者等の測定により求めた、従来の垂直配
向型液晶分子を用いた反射型液晶表示デバイスにおける
コントラストと面内観察角度との関係について説明す
る。

【００２０】その測定系を図２に示す。光源６０からの
入射光は、偏光子６２を介して液晶デバイスに入射さ
れ、液晶層を通り、反射電極に達し、ここで反射され、
再び液晶層を通って外部に射出される。この射出光は、
検光子６４を介して検出器６６で測光される。なお、偏
光子６２と検光子６４の偏光軸は、互いにクロスする関
係に配置する。

【００２１】入射光は、Ｆ値の小さな光学系を使用した
コーンアングルが大きい入射光を想定し、入射角を約１
０度に設定した。

【００２２】上下の基板表面に形成される配向層には配
向軸が同じで、配向の向きが逆になるようなラビング処
理を施した。即ち、この測定対象とした従来型液晶表示
デバイスでは、上下の基板間で液晶分子のプレチルト方
向は同一方向に揃っており、ツイストしていない。な
お、配向軸は、偏光子６２の偏光軸に対し面内角度で４
５度になるように調整した。すなわち、電圧ＯＦＦの液
晶分子がプレチルト配向している状態で暗表示、電圧Ｏ
Ｎの液晶分子が基板面に平行となる方向に倒れる状態で
明表示するものである。

【００２３】図３に測定結果を示す。縦軸にはコントラ
スト、横軸に面内観察角度を示した。なお、面内観察角
度は、偏光子６２の偏光軸とクロスする軸を起点とし面
内で０度〜３６０度回転させた。

【００２４】図３から明らかなように、コントラストは
一定の周期をもって変化し、９０度〜１８０度、および
２７０度〜３６０度の範囲においてコントラストが大き
く低下する。

【００２５】入射光が、コーンアングルを持つ場合、表
示性能を定めるコントラストは全ての入射角の光のＯＮ
／ＯＦＦのトータルな明暗比で表される。よって極端に
コントラストの悪い領域が存在するとトータルなコント
ラスト性能も低下する。

【００２６】また、コントラストは、ＯＮ／ＯＦＦ時の
明暗比で現されるため、ＯＦＦ（全暗）状態で、十分暗
状態を確保できなければ、良好なコントラストを得るこ
とはできない。よって、コントラストを改善するには、
暗状態、即ち液晶分子が、プレチルト配向している状態
で、十分暗いことが望まれる。

【００２７】次に、これらの知見に基づく本実施の形態
にかかる液晶表示デバイスについて図１（ａ）、図１
（ｂ）、図４（ａ）、および図４（ｂ）を参照しながら
説明する。

【００２８】図４（ａ）に示すように、本実施の形態に
かかる液晶表示デバイスは、アクティブマトリックス型
の駆動用ＭＯＳＩＣと画素電極が形成されたＭＯＳＩＣ
基板３５と、これと対峙させる透明電極付基板４５それ
ぞれの表面に、垂直配向用配向層であるポリイミド膜を
塗布し、焼成後、ラビングにより配向処理を行った後、
この２枚の基板を３．２μｍの厚みスペーサを挟んで張
り合わせ、誘電異方性が負のネマティック液晶を注入し
て作製する。なお、液晶分子へのプレチルトの付与は、
垂直配向用ポリイミド材料の種類とラビング量の最適化
により行う。

【００２９】例えば、一方のＭＯＳＩＣ基板３５の配向
層には図４（ａ）下部に示すようにＸ軸からθ１の角度
方向に配向軸βを持つようにラビングを行い、他方の透
明電極付基板４５の配向層には、図４（ｂ）に示すよう
に、上下の基板を合わせたときにラビングにより規定す
る配向層の面内配向軸が、上下基板間でθｔ回転するよ
うに、Ｘ軸からθ２の角度方向に配向軸αを持つようラ
ビングを行う。

【００３０】図１（ａ）、図１（ｂ）は、上述の方法で
作製した液晶表示デバイスの液晶分子の配向状態を示す
概略図である。ＯＦＦ状態（暗状態）では、図１（ａ）
に示すように、基板２０と基板３０の間に挟持された液
晶分子４０は、上下の配向層で規定されるプレチルト状
態を示す。すなわち、基板面に垂直な軸に対してθｐ度
のプレチルト傾斜角を示すとともに、面内のプレチルト
方向は、上下の基板の配向層に施した面内配向軸方向に
従う。図１（ｂ）に示すように、上の基板２０の配向層
に施された配向軸αと下の基板３０の配向層に施された
配向軸βは面内角度でθｔ異なるため、プレチルト方向
は、上下の基板間でほぼ連続的にθｔ度ツイストした
（ねじれた）状態となる。なお、以下θｔをツイスト角
と呼ぶ。

【００３１】上下の基板２０と３０間に一定以上の電圧
が印加され、ＯＮ状態（明状態）になると、液晶分子は
基板２０および基板３０に平行な方向に印加電圧に応じ
て倒れる。この際、液晶分子はプレチルトで規定された
方向に倒れる。従って、ＯＮ時の液晶分子も、上下の基
板間で連続的にθｔ度ツイストした（ねじれた）状態を
示す。

【００３２】図５は、上述の方法で作製した本実施の形
態にかかる液晶デバイスのコントラストと上下の基板間
における液晶分子のツイスト角（θｔ）の関係を示すグ
ラフである。ここでは、従来の液晶表示デバイスにおい
て、低いコントラストしか得られなかった観察角である
４５度、１３５度、２２５度、３１５度（図３中のＡ〜
Ｄ点）におけるコントラストとツイスト角θｔとの関係
を示した。測定条件は、図２に示す方法と同じ条件を用
いた。即ち、入射光は、基板に垂直な方向より１０度傾
斜した角度から液晶表示デバイスに入射する。なお、ツ
イスト角が０度のときの偏光軸と配向軸のなす角θは４
５度であり、ツイスト角が０度以外のときは（θ１＋θ
２）／２を４５度とした。

【００３３】液晶表示デバイスの全体的なコントラスト
を改善するには、コントラストが低い観察角度で、より
高いコントラストを提供することが重要である。そこで
従来の液晶デバイスではコントラストが低かった４５
度、１３５度、２２５度、３１５度の観察角度における
コントラストに注目すると、図５に示すように、ツイス
ト角θｔが大きくなるに従い、４５度と２２５度の観察
角度におけるコントラストは徐々に大きくなる。１３５
度と３１５度の観察角度からでは、コントラストは一旦
上昇した後、下がっていく変化を示す。配向ツイスト角
が１２０度付近でコントラストが交差している。また、
配向ツイスト角が１５０度以上になるとＯＮ状態の明る
さに低下が見られるため、４５度と２２５度でのコント
ラストが飽和する。

【００３４】これらの結果より、液晶分子のプレチルト
方向を上下基板間でツイストさせることで、最低コント
ラストを高くできる。特にツイスト角を８０度〜１５０
度付近に設定すると、どの観察角度からも最低のコント
ラストを少なくとも従来のようにツイスト角０度の場合
の２倍以上にできることがわかる。

【００３５】上下の基板間でＯＦＦ時（暗状態）の液晶
分子の配向、すなわちプレチルト方向が一方向に揃って
いる場合は、ある観察角度では、コントラストが大きく
低下し、この低コントラスト領域の存在が表示性能に大
きく影響する。これに対し、ＯＦＦ時（暗状態）の液晶
分子のプレチルト方向を上下の基板間でツイストさせる
と、液晶分子の向きが多方向に分散されるためコントラ
ストと観察角度の依存性が緩和され、極端なコントラス
ト不良域の発生を抑制できるものと解される。即ち、液
晶分子にツイスト配列を付与することにより、極端に表
示コントラストの低い観察角度の発生を抑制し、全体的
なコントラストを向上させることができる。

【００３６】従って、このようなデバイスを用いること
により、斜めより入射する光に対しも高いコントラスト
が得られるため、コーンアングルの大きな入射光が使用
できる。即ちＦ値の小さい光学系を用いて、小型、高輝
度の液晶表示システムを提供できる。

【００３７】以上、本発明の液晶表示デバイスについ
て、実施の形態に沿って説明したが、本発明は、上述す
る実施の形態の記載に限定されるものではない。種々の
改良が可能なことは当業者に明らかである。

【００３８】例えば、上述の例では、主に反射型液晶表
示デバイスについて説明したが、透過型液晶表示デバイ
スにおいても垂直配向型液晶分子を用いる場合は同様に
上下の基板間で液晶分子のプレチルト方向にツイストを
付与することで、同様な効果を得ることができる。

【００３９】また、上述の例では、液晶プロジェクタに
用いる液晶表示デバイスについて中心に説明したが、垂
直配向型液晶分子を用いる場合は、直視型の液晶表示デ
バイスに対しても同様な効果を有し、コントラストを劣
化させることなく、視野角の広いデバイスを提供でき
る。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の液晶表示
デバイスは、垂直配向型液晶分子を用いる場合におい
て、液晶層を挟持する一対の基板表面の配向層にそれぞ
れ異なる軸方向の配向処理を行い、液晶分子の配向、特
にプレチルト方向を基板間でツイストさせることによ
り、電圧が印加されていないＯＦＦ時の暗状態をより暗
くし、コーンアングルの大きな光に対してもコントラス
トの低下を抑制できる。よって、表示性能を劣化させず
に、Ｆ値の小さな光学系との組み合わせにより、小型、
高輝度の表示システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態にかかる液晶分子の配向状態を示
す概略構成図である。

【図２】コントラストの測定方法を説明するための図で
ある。

【図３】従来の液晶表示デバイスにおけるコントラスト
と観察角度との関係を示すグラフである。

【図４】本実施の形態における配向処理の様子を説明す
る図である。

【図５】本実施の形態におけるコントラストと液晶分子
のツイスト角の関係を示すグラフである。

【図６】従来の液晶表示デバイスにおける液晶分子の配
向状態を説明するための概略図である。

【符号の説明】

２０ 基板 ３０ 基板 ３５ ＭＯＳＩＣ基板 ４０ 液晶分子 ４５ 透明基板 ５０ 画素電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向する基板表面に電極を有する一対の
   基板と、 前記一対の基板間に挟持される垂直配向型液晶分子を含
   む液晶層と、 前記垂直配向型液晶分子のプレチルト方向を、前記一対
   の基板間でツイストするように配向処理された、前記基
   板表面上の配向層とを有することを特徴とする液晶表示
   デバイス。
2. 【請求項２】 前記一対の基板は、その一方に反射電極
   を有し、 前記配向層は、前記垂直配向型液晶分子のプレチルト方
   向を、前記一対の基板間で面内角度にして８０度〜１６
   ０度ツイストするように配向処理されていることを特徴
   とする請求項１に記載の液晶表示デバイス。