JP2519939B2

JP2519939B2 - 液晶素子

Info

Publication number: JP2519939B2
Application number: JP62164032A
Authority: JP
Inventors: 祐二早田; 和利沢田; 省一工藤
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1987-07-02
Filing date: 1987-07-02
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JPS649419A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、高速でオン、オフを繰り返す液晶素子に関
するものである。

［従来の技術］従来高速でオン、オフを繰り返す液晶素子としては、
二周波駆動法によるプリンターヘッド装置が知られてい
る。

この二周波駆動法においては、数KHzまでの低周波と
数十KHz〜数百KHzの高周波が用いられている。このた
め、高周波領域では透明電極基板の電極抵抗を低くしな
ければ、液晶に印加される有効電圧が低くすることとな
り、大面積を駆動することが難しいという欠点を有す
る。

また、二周波駆動に適する液晶材料は、液晶分子の分
子軸に対して横方向の相互作用が強くなるため、通常の
ネマチック液晶に比べ粘性が非常に高くなっている。こ
のため、高速応答を得るためには、高電圧が必要とな
り、ひいては消費電力が大きくなる欠点を有していた。

そこで数KHzまでの低周波単一信号による駆動方式が
望まれている。この従来の低周波単一信号による駆動方
式では、通常のツイストネマチック（TN）モードにおい
ては、その電圧印加（オン）時の応答性は、電圧を高く
することにより速くすることができる。しかし、その電
圧を切った（オフ）時の応答性は、電圧によって速くす
ることができなく、セルの基板間隙を薄くしたり、液晶
を低粘性化することにより多少は速くできるが、この応
答速度は０℃でせいぜい数十msec程度にすぎなかった。
また、この基板間隙の薄型化及び液晶の低粘性化によ
り、液晶素子自体の偏光変換効率が低下してしまうこと
もあり、偏光変換効率が良くかつ高速応答が得られる液
晶素子は得られていなかった。

［発明の解決しようとする問題点］これを解決するために、本発明者らは、既に一対の水
平配向処理された透明電極付の透明基板をほぼ直交する
ように配置して、その間にネマチック液晶を挟持し、そ
のネマチック液晶層よりも入射光側に偏光軸を入射光側
の基板面の液晶分子の配向方向にほぼ平行またはこれに
ほぼ直交するように偏光膜を配置し、ネマチック液晶の
ピッチｐと基板間隙ｄとの関係d/pが0.5より大きく、か
つ1.0よりも小さくされ、両透明電極間に液晶のしきい
値電圧以上の電圧を印加することにより液晶分子が縦配
向状態を取り、その後、電圧をオフすることにより、液
晶分子がその自然のねじれ状態である270°への緩和状
態であるほぼ90°の中間ねじれ状態とされ、この液晶分
子の縦配向状態と液晶分子の中間ねじれ状態との２つの
状態を利用して入射光の偏光配向を90°変える液晶素子
を提案している。

これにより、低消費電力の低周波単一信号による駆動
方式で、偏光変換効率の低下なしに高速応答が可能な液
晶素子を得ることができた。

しかし、その後、この中間ねじれ状態が充分維持され
なく、一部偏光がずれ始めているらしいことが見出され
た。

このため、もう１枚の偏光膜を出射光側にその偏光軸
が入射光側の偏光膜の偏光軸と直交するように配置して
光の透過率を測定してみたところ、電圧をオフした後、
一旦は、光の透過率が100％近くになったが、その後、
徐々に光の透過率が低下していく傾向があることが判明
した。

本発明は、この電圧をオフした後の光の透過率の低下
を減少させ、即ち、中間ねじれ状態を安定して維持する
ことができる液晶素子を得ることを目的としたものであ
る。

［問題を解決するための手段］本発明はかかる問題点を解決すべくなされたものであ
り、一対の透明電極付きの透明基板を透明電極が相対向
するように配置し、周辺をシール材でシールし、内部に
ネマチック液晶を封入し、そのネマチック液晶層よりも
入射光側に偏光膜を配置してなる液晶素子において、夫
々の透明基板が水平配向処理され、両透明基板間では相
互にその水平配向方向がほぼ直交するように配置され、
入射光側の偏光膜の偏光軸を入射光側の基板面の液晶分
子の配向方向にほぼ平行またはこれにほぼ直交するよう
に配置し、ネマチック液晶のピッチｐと基板間隙ｄとの
関係d/pが0.5×ｎより大きく、かつ0.5＋0.5×ｎよりも
小さく（ｎは１以上の整数を示す）され、両透明電極間
に液晶のしきい値電圧以上の電圧を印加することにより
液晶分子が縦配向状態を取り、その後、電圧をオフする
ことにより、液晶分子がその自然のねじれ状態への緩和
状態であるほぼ90°＋180°×ｍ（ｍはｎ＞ｍ≧０の整
数を示す）の中間ねじれ状態とされ、その後、液晶のし
きい値電圧未満の電圧を印加することにより、液晶のね
じれ状態が中間ねじれ状態のまま維持され、この液晶分
子の縦配向状態と液晶分子の中間ねじれ状態との２つの
状態を利用して入射光の偏光方向を90°変えることを特
徴とする液晶素子を提供するものである。

本発明は、液晶を通常の液晶で使用される電圧オン時
とオフ時の２つの安定状態のみを利用して光の透過率を
変えるのではなく、長時間電圧オフによる完全なオフ時
で通常の液晶よりもより大きくねじれた自然のねじれ状
態への緩和状態であるほぼ90°＋180°×ｍ（ｍはｎ＞
ｍ≧０の整数を示す）の中間ねじれ状態としきい値電圧
以上の電圧を印加した縦配向状態との２つの状態を利用
して入射光の偏光方向を90°変えるものであり、高速応
答でかつ高い偏光交換効率が得られる。

本発明では、この中間ねじれ状態の安定性を改善した
ものであり、電圧をオフにし、液晶分子のねじれが中間
ねじれ状態となった後、液晶のしきい値未満の電圧を液
晶に印加するものであり、これにより中間ねじれ状態が
長く続くものであり、優れた偏光変換性能を得ることが
できる。

本発明は、この中間ねじれ状態である準安定状態を使
用しているため、数msec〜数sec程度のある程度高速で
液晶に入射した偏光の偏光方向を繰り変えして変化させ
る用途に適している。

本発明の配向処理方向は、２枚の基板でほぼ直交され
るようにされる。この基板間に挟持されるネマチック液
晶のピッチｐと基板間隙ｄとの関係d/pは、0.5×ｎより
大きく、かつ、0.5＋0.5×ｎよりも小さく（ｎは１以上
の整数を示す）される。これにより、電圧を長い間オフ
にしておいた状態である自然のねじれ状態ではｎ＝１の
場合270°となり、ｎ＝２の場合450°となる。

本発明では、これにしきい値電圧以上の電圧を印加す
ることにより、液晶分子を縦配向状態にする。この状態
は、従来の通常の90°ツイストの液晶表示素子にしきい
値電圧以上の電圧を印加した場合と同様である。

この２つの安定状態の間での変化は、本発明の液晶素
子でも、従来の液晶素子でも同じである。

本発明では、このようにしてしきい値電圧以上の電圧
を印加して液晶分子を縦配向状態にした後、電圧をオフ
にした際の挙動が従来の液晶素子と異なる。

本発明では、電圧をオフにすると、液晶分子のねじれ
角が大きいため、上記２つの安定状態の外に、短時間で
はあるが完全な電圧オフ時の自然のねじれ状態であるほ
ぼ90°＋180°×ｎ（ｎは１以上の整数を示す）への緩
和状態であるほぼ90°＋180°×ｍ（ｍはｎ＞ｍ≧０の
整数を示す）の準安定な中間ねじれ状態をとる。

この中間ねじれ状態は、液晶自身のねじれようとする
力が強いため、縦配向状態から極めて速く、具体的に強
いは室温で１〜数msec程度と高速で到達し、かつある程
度の時間保持された後、自然のねじれ状態に到達する。

本発明では、電圧をオフにしてこの中間ねじれ状態に
なった後、液晶のしき値以下の電圧を印加することによ
り、この中間ねじれ状態を安定して長く継続させること
ができる。

本発明では、このしきい値電圧以上の電圧を印加した
時の縦配向状態と、準安定な中間ねじれ状態との２つの
状態の間で駆動し、高速でオンオフするものである。

本発明では、この中間ねじれ状態が90°とされること
が好ましく、高速応答が得られ、円偏光等の欠点を生じ
にくい。特に、d/pを0.5＜d/p＜1.0とし、液晶の自然の
ねじれ状態を270°として、縦配向状態と90°の中間ね
じれ状態との間で変化させることが好ましい。

これは、ねじれ角が大きくなると中間ねじれ状態への
移行の応答速度は向上する傾向はあるが、駆動電圧が高
くなり、円偏光性が増加し、偏光変換効率が低下し、コ
ントラストが低下してくるため、270°とすることが好
ましい。また、ねじれ角を大きくすると、リターデーシ
ョン色が強くなる傾向もあり、好ましくない色が生じこ
とがある。

また、この場合、液晶分子の配向状態が自然のねじれ
状態で水平配向処理によるプレティルト角と整合するよ
うにしておくことにより、中間ねじれ状態で整合の場合
より高速でこの中間ねじれ状態に移行し易く好ましい。
このようにすると中間ねじれ状態から自然のねじれ状態
へも速く移行し易くなるが、本発明では、しきい値電圧
未満の電圧を印加することにより、この中間ねじれ状態
が安定性して継続する。

この整合状態の例を、自然のねじれ状態が270°であ
って、上からみて反時計方向に液晶がねじれている場合
の例で説明する。

この場合に、上からみて反時計方向に液晶が270°ね
じれている場合に整合状態となるようにされる。具体的
には、上側の基板では基板に液晶分子の左端が接してお
り、下側の基板では基板に液晶分子の手前側が接してい
る。これにより液晶のピッチが液晶分子のどちら側でも
同一となり、安定した整合状態となる。即ち、上側の基
板に接していた液晶分子の左端は、液晶が反時計方向に
90°ねじれたことにより奥側に来ることになり、下側の
基板では逆の手前側が基板に接しているため、液晶分子
のピッチが異なることになる。

逆に、270°ねじれは整合状態となり、液晶分子のピ
ッチが同一となる。このため、270°ねじれを自然のね
じれ状態とする液晶素子の場合に適しており、準安定な
中間ねじれ状態の90°に速く到達することとなる。

本発明の構成を、第１図及び第２図を参照しつつ説明
する。

第１図は本発明の液晶素子の基本的構成を示す断面図
である。

第１図において、1A、1Bはガラス、プラスチック等の
透明基板であり、その内面には酸化スズ、酸化インジウ
ム−酸化スズ等の透明電極2A、2Bが必要に応じて所望の
パターンにパターニングされて形成されている。この透
明電極の表面は、液晶分子が一方向に水平配向するよう
にラビングまたは斜め蒸着等により水平配向処理がなさ
れ、この水平配向方向が２枚の基板で互いに直交するよ
うに向い合せて、周辺でシール材３によりシールされ、
内部にネマチック液晶４が封入されて液晶セルを形成し
ている。

この液晶セルの入射光側に偏光膜5Aを、その偏光膜の
偏光軸を入射光側基板面の液晶分子の配向方向にほぼ平
行またはこれにほぼ直交するように配置されるように設
けられる。

このようにすることにより、高速応答で、偏光の保持
が優れた偏光変換用液晶素子が得られる。この偏光変換
用液晶素子は、例えば、左右で偏光軸が異なる偏光膜を
設けたメガネを使用し、偏光変換用液晶素子をテレビの
前に配置して、60Hzで電圧をオンオフすることによっ
て、画像を変化させ、立体画像を見るようにすることが
できる。

また、用途によっては、この液晶セルの出射光側に偏
光膜5Bを、その偏光膜の偏光軸を出射光側基板面の液晶
分子の配向方向にほぼ平行またはこれにほぼ直交するよ
うに配置されるように設け、２枚の偏光膜の偏光軸が直
交するように配置して使用されてもよい。

この例としては、テレビ側では、60Hzで画像を変化さ
せ、メガネ側に２枚の偏光膜を使用した本発明の液晶素
子を使用して、60Hzで左右の液晶素子を透過−不透過制
御をすることにより立体画像を見るようにすることがで
きる。

なお、この説明いおいては省略したが、一般の液晶表
示装置で行われているような応用、例えば、透明電極に
金属リードを形成したり、光の透過率を変化させる部分
を除いて無電解Niメッキ、Cr蒸着等により不透明のマス
クを形成したり、カラーフィルターを形成したり、ポリ
イミド、ポリアミド、シリカ、アルミナ等の配向膜用の
オーバーコートを透明電極上に形成したり、液晶セル内
に基板間隙を正確に保つためのガラス繊維、アルミナ粒
子、プラスチック粒子等のスペーサーを散布若しはそれ
らスペーサー入りのシール材を点付けしたりする等して
もよい。

なお、この配向方向の交差角並びに配向方向と偏光軸
の関係は、正確に平行または直交とするのみに限られな
く、例えば５°、10°、20°程度ずらすこともできる。

第２図（Ａ）、（Ｂ）は、夫々本発明の電圧オフ時の
後半にしきい値未満の電圧を印加する液晶素子の駆動波
形図及び相対光透過特性図であり、第３図（Ａ）、
（Ｂ）は、夫々電圧オフ時には単に電圧をオフにするの
みの液晶素子の駆動波形図及び相対光透過特性である。

なお、この相対光透過特性は、液晶素子の出射光側
に、もう１枚の偏光膜を入射光側の偏光膜の偏光軸とそ
の偏光軸が直交するように配置して測定した。

第３図において、当初の時間t₁の間は、液晶のしきい
値電圧以上の電圧が印加され、液晶分子は立ち上がり、
縦配向状態となり、光が透過してこない。

次に、時間t₂において、この印加していた電圧をオフ
にすると、液晶分子はまず中間ねじれ状態に移行し、ほ
ぼ90°＋180°×ｍのねじれとなるため、光が透過して
くる。この場合、一旦中間ねじれ状態になるが、徐々に
これが自然のねじれ状態になろうとするため、光の透過
率が徐々に低下してくることとなる。即ち、偏光が徐々
にずれてくることとなる。このため、液晶の応答速度を
単に速めても、偏光変換が不充分になることがる。

第２図は、本発明の駆動法の例によるものである。

この場合も、第３図の例と同様、当初の時間t₁の間
は、液晶のしきい値電圧以上の電圧が印加され、液晶分
子は立ち上がり、縦配向状態となり、光が透過してこな
い。

次に、時間t₂に入って、この印加していた電圧をオフ
にすると、液晶分子はまず中間ねじれ状態に移行し、ほ
ぼ90°＋180°×ｍのねじれ状態となる。この過程も第
３図の例と同様である。

しかし、本発明では、この中間ねじれ状態に移行して
後、液晶のしきい値電圧未満の電圧を印加する。即ち、
時間t₂の内、液晶が中間ねじれ状態に移行した後、時間
t₃は液晶のしきい値電圧未満の電圧を印加する。これに
より、液晶が中間ねじれ状態で安定して保持され、偏光
が保持されるため、ほぼ一定の光の透過率が得られる。
このため、液晶の応答速度を速めることにより、より高
い偏光変換が行われることになる。

また、その後、再び液晶にしきい値電圧以上の電圧を
印加した際に、液晶の応答が速くなる傾向もある。これ
は、その直前において液晶が中間ねじれ状態となってい
るためである。

この電圧をオフにする時間、即ち、t₃−t₂の時間は、
通常は液晶が中間ねじれ状態になる時間程度で良く、光
の透過率で見ればほぼ90％以上の透過率になった後であ
ればよい。もちろん光の透過率が最も高くなった後、し
ばらく放置してもよい。

その後、時間t₃の間、液晶のしきい値未満の電圧を印
加する。この電圧も液晶のしきい値未満の電圧であれば
よく、中間ねじれ状態が最も安定に保持される電圧を実
験的に求めて印加すればよい。

また、この例では、この液晶のしきい値未満の電圧を
一定としたが、段階的２以上の異なる電圧を印加した
り、２以上の周波数としてもよい。

なお、本発明では、配向方向の交差角並びに配向方向
と偏光軸の関係は、正確に平行または直交とするのみに
限られなく、例えば５°、10°、20°程度ずらすことも
できる。

また、この偏光膜と液晶セルとの間に1/4波長板をそ
の光学軸が配向処理方向とほぼ45°ずれるように配置さ
れてもよい。

また、本発明に使用するの液晶の屈折率異方性Δｎと
基板間隙ｄとの積Δndは0.5〜2.5μｍとすることが好ま
しく、これにより高いコントラストを得ることができ
る。

本発明では、この偏光変換が高速で繰り返される用途
に向いており、立体テレビのように60〜120Hz程度で偏
光変換または透過不透過を繰り返す用途に好適である。

［実施例］ガラス基板上にパターニングされた透明電極を有する
表側基板と裏側基板の夫々の電極面側に配向膜用オーバ
ーコートとしてポリイミドを塗布し、熱硬化後の膜厚を
約800Åとした。これらポリイミド膜の表面をラビング
法により、水平配向処理し、270°で整合状態となるよ
うにラビング方向が直交するように２枚の基板を配置
し、周辺を注入口部を除きシール材でシールしてセルを
形成した。このセルの液晶注入前のセル間隙は6.0μｍ
であり、Δndは1.2μｍであった。

このセルに、らせんピッチが8.0μｍとなるようにカ
イラル成分としてコレステリルノナネートを添加したネ
マチック液晶を注入して、注入口を封止した。

このセルの両面に偏光膜をその偏光軸がセルのラビン
グ方向に平行となるように設置して液晶素子を製造し
た。

このようにして製造した液晶素子は、電圧を印加しな
い状態では液晶分子が270°ねじれた状態となってい
た。

この液晶素子をt₁＝t₂＝1/60sec、即ち、60Hzで駆動
した。

次に、しきい値電圧以上の電圧である12Vを印加する
と、液晶分子が縦配向状態となった。この状態では液晶
セルは光に対して等方的となり、液晶セルに入射した光
は入射偏光を保ったまま出て来る。このため、光はほと
んど透過してこない。

次に、電圧を切ると、セル内で液晶分子は瞬時に90°
ねじれた中間ねじれ状態となり、入射側偏光膜を通った
入射光はセル内を液晶のねじれ構造に従ってその偏光成
分は90°ねじられ、光が透過してきた。

この中間ねじれ状態になった後、しきい値電圧未満の
電圧である4Vの電圧をt₃＝0.6t₂の時間印加した。この
結果、この中間ねじれ状態が安定して継続し、光の透過
率はほとんど変化しなかった。

比較のために、時間t₂の間、電圧をオフにしたまま放
置した比較例１では、光の透過率が最大15％程度低下し
てしまうものであった。

このため、比較例１に比して、時間平均したコントラ
ストが向上した。

また、比較例１を90°ねじれで整合するようにした比
較例２では、電圧オフ後の光の透過率の低下は比較例１
よりは少なかったが、徐々に低下していき、かつ、応答
速度が低下した。

実施例２実施例１と同様にして製造した液晶セルを両面に偏光
膜を積層してメガネの両方に配置し、テレビの画面に同
期して60Hzで左右のメガネの液晶素子を交互に透過不透
過となるように制御したところ、はっきりした立体的な
画像が得られた。

実施例３実施例１と同様にして製造した大型液晶セルを偏光膜
を介してテレビの前に配置し、テレビの画面に同期して
120Hzで液晶素子を駆動し、偏光方向を変換した。観察
者側は左右で偏光軸が直交した偏光メガネをかけて見た
ところはっきりした立体的な画像が得られた。

［発明の効果］本発明は、誘電異方性が正であり、その液晶のピッチ
ｐと基板間隙ｄとの関係のd/pが0.5×ｎより大きく、か
つ0.5＋0.5×ｎよりも小さいネマチック液晶を用い、電
圧が印加されない時はセル内で液晶分子が液晶分子がほ
ぼ90°＋180°×ｎの自然のねじれ状態をとり、電圧を
印加した時には液晶分子が縦配向状態をとり、その後の
電圧を切った時には液晶分子が自然のねじれ状態への緩
和状態であるほぼ90°＋180°×ｍの中間ねじれ状態を
とり、この電圧を印加した時の縦配向状態と電圧を切っ
た時の液晶分子のほぼ90°のねじれ状態との２つの状態
を利用して入射光の偏光方向を変えることにより、従来
のTNモードの液晶装置に比してはるかに速くスイッチン
グが可能であるという優れた効果を有する。

さらに、本発明では電圧をオフにし、液晶分子のねじ
れが中間ねじれ状態となった後、液晶のしきい値未満の
電圧を液晶に印加するものであり、これにより中間ねじ
れ状態が長く続くものであり、優れた偏光変換性能を得
ることができる。

特に、自然のねじれ状態で整合するように配向処理す
ることにより、中間ねじれ状態への移行も速くなる。従
来のように、電圧をオフ状態にし続けると、この中間ね
じれ状態から自然のねじれ状態へも速く移行し易い。し
かし、本発明のように電圧をオフにし、液晶分子のねじ
れが中間ねじれ状態となった後、液晶のしきい値未満の
電圧を液晶に印加することにより、この中間ねじれ状態
が安定して長く継続する。これにより高速応答と、高コ
ントラストという２つの利点が共に得られる。

また、電圧が印加されない時の自然のねじれ状態であ
る大きくねじれた状態を使用しないことにより、ねじれ
が大きいものにもかかわらずコントラストの低下が少な
く、リターデーションによる悪影響も少ない。

本発明は、この外、本発明の効果を損しない範囲内で
種々な応用が可能なものでありプロジェクション型立体
TVの画像選択素子等の高速の偏光変換が要求される用途
に応用が可能なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の液晶素子の基本的構成を示す断面
図。第２図（Ａ）、（Ｂ）は、夫々本発明の電圧オフ時の後
半にしきい値未満の電圧を印加する液晶素子の駆動波形
図及び相対光透過特性図である。第３図（Ａ）、（Ｂ）は、夫々電圧オフ時には単に電圧
をオフにするのみの液晶素子の駆動波形図及び相対光透
過特性図である。透明基板:1A、1B 透明電極:2A、2B シール材:3 ネマチック液晶:4 偏光膜:5A、5B

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の透明電極付きの透明基板を透明電極
が相対向するように配置し、周辺をシール材でシール
し、内部にネマチック液晶を封入し、そのネマチック液
晶層よりも入射光側に偏光膜を配置してなる液晶素子に
おいて、夫々の透明基板が水平配向処理され、両透明基
板間では相互にその水平配向方向がほぼ直交するように
配置され、入射光側の偏光膜の偏光軸を入射光側の基板
面の液晶分子の配向方向にほぼ平行またはこれにほぼ直
交するように配置し、ネマチック液晶のピッチｐと基板
間隙ｄとの関係d/pが0.5×ｎより大きく、かつ0.5＋0.5
×ｎよりも小さく（ｎは１以上の整数を示す）され、両
透明電極間に液晶のしきい値電圧以上の電圧を印加する
ことにより液晶分子が縦配向状態を取り、その後、電圧
をオフすることにより、液晶分子がその自然のねじれ状
態への緩和状態であるほぼ90°＋180°×ｍ（ｍはｎ＞
ｍ≧０の整数を示す）の中間ねじれ状態とされ、その
後、液晶のしきい値電圧未満の電圧を印加することによ
り、液晶のねじれ状態が中間ねじれ状態のまま維持さ
れ、この液晶分子の縦配向状態と液晶分子の中間ねじれ
状態との２つの状態を利用して入射光の偏光方向を90°
変えることを特徴とする液晶素子。
【請求項２】液晶分子のd/pが0.5より大きく、かつ1.0
よりも小さくされ、自然のねじれ状態が270°とされ、
液晶分子が縦配向状態と、90°の中間ねじれ状態との間
で変化し、入射光の偏光方向を90°変える特許請求の範
囲第１項記載の液晶素子。
【請求項３】液晶分子の配向状態が自然のねじれ状態で
水平配向処理によるプレティルト角と整合するようにさ
れる特許請求の範囲第１項または第２項記載の液晶素
子。
【請求項４】ネマチック液晶層の出射光側にも偏光膜を
配置する特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項
記載の液晶素子。
【請求項５】液晶の屈折率異方性Δｎと基板間隙ｄとの
積Δndが0.5〜2.5μｍである特許請求の範囲第１項〜第
４項のいずれか一項記載の液晶素子。