JP2565014B2

JP2565014B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2565014B2
Application number: JP3111280A
Authority: JP
Inventors: 秀史吉田; 一孝花岡; 公昭中村; 誠大橋
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-03-12
Filing date: 1991-05-16
Publication date: 1996-12-18
Anticipated expiration: 2011-12-18
Also published as: JPH04338923A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶表示装置に関する。
詳しくは、液晶表示パネルの液晶層の中に液晶カプセル
を分散させ、液晶カプセル内の液晶分子の光散乱と非散
乱とのスイッチングによる表示動作を用いることによっ
て、視角依存性がほとんど生じない液晶表示装置の構成
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示装置の改良普及は目覚ま
しく、また，その大画面化，高精細化とカラー化への要
求は益々強くなっている。これにともない、表示品質の
向上への要求も強くなっており，たとえば、視角性能の
改善などが求められている。

【０００３】図５は従来の液晶表示パネルの構成例を示
す分解斜視図で、たとえば，単純マトリクス型液晶表示
パネルの場合の例である。図中、１０’は液晶セルで、
たとえば, ガラス板からなる透明基板１の上に、こゝに
は図示してない，たとえば、ITO(In₂O₃-SnO₂) 膜からな
るストライプ状の駆動電極と、たとえば，ポリイミド樹
脂膜からなる配向膜とを積層形成したものを２枚対面さ
せ、その間に形成された空間に液晶４’を注入封止して
構成したものである。なお、図中の破線矢印は両基板上
の配向膜の配向処理，たとえば、ラビング方向を示した
もので、たとえば，TN型液晶表示パネルの場合直交させ
るのが普通である。8a,8b は偏光板で液晶セル１０’の
両側に、たとえば, 実線矢印で示した光軸方向を直交さ
せて配置してある。なお、φはX-X 線を基準とした視角
回転角を，θはZ-Z 線からの視角伏角を示し、いずれも
視角方向を表示するために図示したものである。

【０００４】液晶表示装置として動作させるには，たと
えば、図の下方から光を照射し偏向板8bで直線偏光とな
った光は液晶セル１０’に入射して、たとえば, 直交配
置された駆動電極に電界が印加されていない時にはその
偏光面を90°回転させて、上方の偏光板8aを通過する、
すなわち,ON ( 明)表示となる。他方, 所要の駆動電極
交点に電界が印加されるとその部分の液晶分子の配向が
変化して透過光は偏光面を回転させることなく液晶セル
１０’を通過し、上方の偏光板8aでブロックされる、す
なわち,OFF( 暗) 表示となる。

【０００５】したがって、図示してない駆動制御回路で
各画素ごとに印加電圧をON-OFF制御することにより明暗
による画像表示が行われるのである。図６は従来のＴＮ
型液晶表示パネルの動作を示す図で、同図（イ）は印加
電圧ｖ＝０の場合，同図（ロ）はｖ≠０の場合、同図
（ハ）はｖ＝大の場合である。

【０００６】図中に示した矢印は液晶層を透過する光路
で、Ｃは直上，すなわち、基板面に垂直方向に透過する
もの、一方，ＡおよびＢは斜め方向に透過する光の光路
である。

【０００７】同図（イ）の印加電圧ｖ＝０の場合の場合
にはＴＮ型液晶４’の液晶分子40'は下から上へと９０
°捩じれながら配向膜３’面に平行に配列されている。
したがって、垂直方向，すなわち、Ｃ方向の光が最も大
きな光学的効果，すなわち、この場合複屈折効果を受け
る。これに対して、斜め方向，たとえば、ＡやＢ方向の
光は液晶分子４０’と傾斜するために液晶から受ける作
用が小さくなる。

【０００８】一方、同図（ロ）のｖ≠０の場合，たとえ
ば、印加電圧が中位のときは液晶分子４０’は基板面に
対して傾斜して立ち上がり、その結果，垂直方向のＣ位
置では光は中程度の光学的効果を受ける。これに対し
て、斜め方向ではその位置，たとえば、ＡとＢで大きな
差が生じる。すなわち、Ａ方向では光路が液晶分子４
０’とほゞ平行となって光学的効果は最小となり、一
方，Ｂ方向では光路が液晶分子４０’とほゞ直角となっ
て光学的効果は最大となる。したがって、見る位置によ
って明状態となったり，暗状態となったりあるいは中間
状態になったりする。

【０００９】同図（ハ）のｖ＝大の場合には、液晶分子
４０’は基板面に垂直に立ち上がり、垂直方向のＣ位置
では液晶分子４０’と光路とが平行になるため光学的効
果は最小になる。一方、斜め方向，たとえば、Ａまたは
Ｂ方向では光路が液晶分子４０’に対して傾斜している
ために、その光学的効果は中位の程度となる。

【００１０】すなわち、以上を総合すると通常のＴＮ型
液晶表示パネルにおいては、垂直方向（Ｃ方向）から見
た場合は光学的効果，すなわち、複屈折効果の大きさは
同図（イ），同図（ロ），同図（ハ）を比較すると大，
中，小の順となるが、斜め方向（たとえば，Ａ方向）か
ら見た複屈折効果の大きさは中，小，中の順となって順
番が逆転してくる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上詳しく説明したよ
うに、従来広く使用されているＴＮ型液晶表示パネルで
は透過光と液晶分子との相互作用，すなわち、この場
合，複屈折効果が見る方向によって異なり視角特性が極
めて悪いという結果になる。とくに、このことは印加電
圧を変えて駆動する，たとえば、階調表示を行う場合に
本来黒表示を行うべき部分が灰色となり、灰色表示であ
るべき部分が黒表示となる，いわゆる、表示の反転現象
を引き起こすといった重大な問題を生じており、その解
決が求められている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、透明電極
２と配向膜３を積層形成した一対の透明基板１を狭い空
間を挟んで対向させ、該空間に第２の液晶５を封じた液
晶カプセル６を分散した第１の液晶４を注入封止してな
る液晶セル１０の両側に偏光板８をそれぞれ配設し、前
記透明電極２間に接続された駆動電源９により液晶層に
印加される電圧を制御して表示動作を行う液晶表示装置
によって解決することができる。そして、前記液晶セル
１０と一方の偏光板８との間に座ぶとん型の屈折率異方
性フィルム７を積層してより効果的に解決できる。具体
的には、前記第１の液晶４の液晶分子４０が垂直配向を
なすようにしたり、あるいは，捩じれて配向しているよ
うにし、とくに，その捩じれの自然長（捩じれピッチ）
が液晶セル１０のセルギャップ（ｄ）のほゞ４倍である
ようにすればよい。そして、前記第１の液晶４と第２の
液晶５がともに正の誘電率異方性を有するように構成し
て解決すればよい。

【００１３】

【作用】本発明によれば、液晶表示パネルの動作を行う
液晶層が第１の液晶４とその中に分散された液晶カプセ
ル６に封じられた第２の液晶５とから構成され、また，
より本発明を有効にするために液晶セル１０と一方の偏
光板８との間に座ぶとん型の屈折率異方性フィルム７を
積層している。

【００１４】したがって、駆動電圧が印加されていない
時には、第２の液晶５の液晶分子５０はカプセル内面の
自然配向規制力によって全体としてランダムに配向し、
垂直あるいは斜め入射した光は何れも散乱光となって偏
光板８を透過して明状態となる。一方、第１の液晶４の
部分ではその液晶分子４０は整然と配向，たとえば、垂
直に配向しているときには、光学的作用は小さく，とく
に、座ぶとん型の屈折率異方性フィルム７が積層されて
いる場合、斜め入射光への第１の液晶４による光学的作
用も相殺され偏光板８で光は完全にブロックされて暗状
態となるが、捩じれ配向，たとえば、９０°捩じれてい
るときには光は透過して液晶セル１０全体が明状態とな
りとくに明るい表示が得られる。

【００１５】しかし、駆動電圧が印加されるとカプセル
内の第２の液晶５の液晶分子５０もカプセル外の第１の
液晶４も全てが垂直に配向する結果、液晶層全体にわた
って光がブロックされて暗状態となる。

【００１６】すなわち、本発明の液晶表示パネルは液晶
カプセル６に封じられた第２の液晶５の分子配列を印加
する電界の大きさによって変化させ、ランダム配列によ
る散乱光の有無を明暗表示に対応させるのを基本的な動
作メカニズムにしているので、原理的に視角特性が生じ
ないのである。

【００１７】また、階調表示の際の中間調を得る場合も
光散乱の度合いの増減を行うだけなので、視角による表
示の反転やコントラストの低下といった現象も生じない
のである。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の実施例を示す図で、同図
（イ）は駆動電圧を印加してない場合，同図（ロ）は駆
動電圧を印加した場合の断面模式図である。

【００１９】図中、１はガラス製の透明基板、２は透明
電極で，たとえば、ITO(In₂O₃-SnO₂) 膜である。３は配
向膜で，たとえば、ポリイミド樹脂を50ｎｍの厚さにス
ピンコートしたものをラビング処理せずにそのまゝ用い
た。

【００２０】４は第１の液晶で，たとえば、誘電率異方
性が正のｐ型ネマチック液晶( Δｎ＝0.2,Δε＝15）で
ある。５は第２の液晶で，たとえば、この実施例では第
１の液晶４と同じ液晶を使用し、たとえば，ポリメチル
メタアクリレート（PMMA) 樹脂からなるガプセルの中に
封じて、液晶カプセル６を形成した。液晶カプセル６の
大きさは１〜２０μｍφである。

【００２１】以上の液晶カプセル６を第１の液晶４の中
に，たとえば、９：１程度の高い比率で分散させ、これ
を空セルの相対向する配向膜３の間の空間に注入封止し
て液晶セル１０を構成した。

【００２２】この場合、配向膜３はラビング処理を施し
てなく，また、第１の液晶４は誘電率異方性が正のｐ型
ネマチック液晶であるので液晶分子４０は図示したごと
く基板面に垂直に配列している。一方、球状のカプセル
内では特別な配向膜を形成してないので、カプセル内面
の自然配向規制力の影響を受けて図示したごとく全体と
しては第２の液晶５の液晶分子５０はランダム配列をな
している。

【００２３】７は座ぶとん型の屈折率異方性フィルム
で，たとえば、ポリビニールアルコール(PVA) などから
なる2 次元延伸フィルムで、フィルム面内では屈折率異
方性がなく、かつ，面内屈折率が垂直方向の屈折率より
も大きいように形成されたものである。このようなフィ
ルムは液晶層を斜めに透過した光の複屈折効果を相殺す
るように作用することが既によく知られている（たとえ
ば，特願平２ー４００７９５参照）。

【００２４】８ａ，８ｂは偏光板で、この例では直交配
置にしてある。なお、９は駆動電源、９０はスイッチで
ある。いま、下側の偏光板８ｂを透過した光は直線偏光
となって第１の液晶４に入射する。そして、両透明電極
２の間に電圧が印加されていない時には同図（イ）に示
したごとく、第１の液晶４を通過する光（垂直光Ａおよ
び斜め光Ｃ）は一部複屈折効果を受けるが散乱されるこ
とはなく液晶層を透過し、座ぶとん型の屈折率異方性フ
ィルム７を透過する際に液晶層で受けた複屈折効果も相
殺されて上側の偏光板８ａでブロックされる。一方、液
晶カプセル６を通過する光（垂直光Ａおよび斜め光Ｃ）
は第２の液晶分子５０がランダム配列をしているため、
いずれも光散乱を受け上側の偏光板８ａでブロックされ
ることなく散乱光Ａ’およびＣ’となって透過する。す
なわち、全体としては散乱光Ａ’およびＣ’が観測され
てＯＮ（明）表示状態が得られる。

【００２５】次に、スイッチ９０を閉じて両透明電極２
の間に電圧が印加されると同図（ロ）に示したごとく、
第１の液晶４を通過する光（垂直光Ａおよび斜め光Ｃ）
は同図（イ）の場合と同様に上側の偏光板８ａでブロッ
クされる。一方、液晶カプセル６に封じられた第２の液
晶５の液晶分子５０は印加された電界により、図示した
ごとく第１の液晶４と同様に垂直配列に変化するため
に、そこを通過する光（垂直光Ａおよび斜め光Ｃ）は上
側の偏光板８ａによって同様にブロックされてしまい、
液晶層全体にわたって透過光が観測されず、したがっ
て，ＯＦＦ（暗）表示状態が得られる。すなわち、印加
電圧の制御によって明暗表示が得られるのである。

【００２６】この場合、液晶層における液晶カプセル６
の割合いが大きいほど散乱光が多くなって明るい表示が
得られることは言うまでもない。本実施例の液晶表示パ
ネルを用いて液晶表示装置を構成したところ、視角依存
製がほとんど見られずその視角範囲は±８０°と従来の
±３０°に比較して大巾に改善された。

【００２７】図２は本発明実施例の透過光量ー印加電圧
特性を示す図で、縦軸に透過光量を横軸に印加電圧をと
ってある。図中、の実線はθ＝０°，すなわち、液晶
表示パネルの正面（直上）から見た場合、破線のはφ
＝90°,すなわち、液晶表示パネルの向側（背後）から
見た場合、同じくはφ＝270 °, すなわち、手前側か
ら見た場合である。また、は座ぶとん型の屈折率異方
性フィルム７が積層されていない場合である。

【００２８】図からわかるように視角方向による透過光
量に差がなく、また，印加電圧の依存性もなく、極めて
優れた表示性能が得られることがわかった。なお、座ぶ
とん型の屈折率異方性フィルム７が液晶セル１０と一方
の偏光板８，たとえば、上側の偏光板８ａとの間に挿入
積層されていない場合には、コントラストがやゝ劣るも
のゝ視角依存性がないので、場合によってはこれを省略
して簡易で低価格の構成の液晶表示装置として使用して
よいことは言うまでもない。

【００２９】図３は従来例の透過光量ー印加電圧特性を
示す図で、前記本発明実施例との差をよりよく理解でき
るように参考として図示したものである。なお、図２と
同様に縦軸に透過光量を横軸に印加電圧をとってある。

【００３０】図から明らかなように、視角によって透過
光量に大きな差が生じており、しかも，の破線のφ＝
90°, すなわち、液晶表示パネルの向側（背後）から見
た場合には印加電圧を上げて行く過程で極大値（Ｍ）が
見られ、表示の反転現象が生じることがわかる。

【００３１】すなわち、これら従来例の視角特性依存性
と上記図２の特性とを比較すると、本発明実施例の場合
の優位性がよく理解されるのである。図４は本発明の他
の実施例を示す図で、同図（イ）は駆動電圧を印加して
ない場合，同図（ロ）は駆動電圧を印加した場合の断面
模式図である。

【００３２】本実施例では配向膜３として水平配向を与
えるようにラビング処理を施した。そして、偏光板８
ａ，８ｂを直交配置にし、上下基板の配向膜３のラビン
グ方向も直交配置した。すなわち、図５に示した従来例
のパネル構成と同様に、配向膜３界面の液晶分子４０の
配向方向とその基板側の偏光板８の光軸方向を一致させ
るように配置にした。

【００３３】第１の液晶４として，たとえば、誘電率異
方性が正のｐ型コレステリック液晶( Δｎ＝0.2,Δε＝
＋１５）を使用した。第２の液晶５としては，たとえ
ば、第１の液晶４と同じΔｎの値を有する誘電率異方性
が正のｐ型ネマチック液晶( Δｎ＝0.2,Δε＝15）を使
用し、たとえば，ポリメチルメタアクリレート（PMMA)
樹脂からなるカプセルの中に封じて、液晶カプセル６を
形成した。

【００３４】液晶カプセル６の大きさは１〜２０μｍφ
で、液晶カプセル６を第１の液晶４の中に，たとえば、
９：１程度の高い比率で分散させ、これを空セルの相対
向する配向膜３の間の空間に注入封止して液晶セル１０
を構成した。

【００３５】なお、本実施例では第１の液晶４であるｐ
型コレステリック液晶( Δｎ＝0.2,Δε＝＋１５）の液
晶分子４０の捩じれの自然長（捩じれピッチ）が液晶セ
ル１０のセルギャップ（ｄ）のほゞ４倍になるように構
成した。

【００３６】このように液晶セルを構成した結果、第１
の液晶４の液晶分子４０は図示したごとく基板面にほゞ
水平に配列しながら９０°捩じれた構造をしている。一
方、球状のカプセル内では前記図１に示した実施例の場
合と同様に特別な配向膜を形成してないので、カプセル
内面の自然配向規制力の影響を受けて図示したごとく全
体としては第２の液晶５の液晶分子５０はランダム配列
をなしている。

【００３７】そこで、下側の偏光板８ｂを透過した光は
直線偏光となって第１の液晶４に入射する。そして、両
透明電極２の間に電圧が印加されていない時には同図
（イ）に示したごとく、第１の液晶４を通過する光（垂
直光Ａおよび斜め光Ｃ）は一部複屈折効果を受けるが散
乱されることはなく偏光面を９０°回転されて液晶層を
透過したあと上側の偏光板８ａを透過する。一方、液晶
カプセル６を通過する光（垂直光Ａおよび斜め光Ｃ）は
第２の液晶分子５０がランダム配列をしているため、い
ずれも光散乱を受け上側の偏光板８ａでブロックされる
ことなく散乱光Ａ’およびＣ’となって透過する。

【００３８】すなわち、全体としては散乱光Ａ’および
Ｃ’のほかにに液晶カプセル６の外側の液晶層からも光
が透過してくるので、前記の実施例に比較して約1.5 倍
の極めて明るいＯＮ（明）表示状態が得られる。

【００３９】次に、スイッチ９０を閉じて両透明電極２
の間に電圧が印加されると同図（ロ）に示したごとく、
第１の液晶４を通過する光（垂直光Ａおよび斜め光Ｃ）
は同図（イ）の場合と異なり液晶分子４０が基板面に垂
直に立ち上がるので上側の偏光板８ａでブロックされ
る。一方、液晶カプセル６に封じられた第２の液晶５の
液晶分子５０は印加された電界により、図示したごとく
第１の液晶４と同様に垂直配列に変化するために、そこ
を通過する光（垂直光Ａおよび斜め光Ｃ）は上側の偏光
板８ａによって同様にブロックされてしまい、液晶層全
体にわたって透過光が観測されず、したがって，ＯＦＦ
（暗）表示状態が得られる。

【００４０】また、こゝには図示してないが中間的な印
加電圧の場合を考えると、第１の液晶４は液晶分子４０
の捩じれの自然長（捩じれピッチ）が液晶セル１０のセ
ルギャップ（ｄ）のほゞ４倍になるように選択してある
ので、液晶分子４０の捩じれの束縛性が緩く（通常のＴ
Ｎ型液晶の場合は１００倍前後で束縛性が大きく液晶分
子は動きにくゝなっている）、したがって，液晶カプセ
ル外においても液晶分子４０の配向乱れが原因となって
透過光の視角依存性は生じにくい。すなわち、安定した
中間調のグレイ表示が得られるという利点がある。

【００４１】すなわち、印加電圧の制御によって極めて
明るい明表示と安定した視角依存性のない中間調表示お
よび暗表示が得られるのである。なお、上記実施例では
単純マトリクス型液晶表示装置について図示説明した
が、本発明はアクティブマトリクス型液晶表示パネルな
ど高精細で階調表示を行うような場合にとくに適してい
る。

【００４２】さらに、本発明の趣旨に反しない限り、使
用する液晶やその他のパネル構成材料などは上記実施例
のものに限定されるものではなく、その他の素材や構
成，あるいは、それらの組み合わせによって本発明を実
現してもよいことは言うまでもない。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば液
晶表示パネルは液晶カプセル６に封じられた第２の液晶
５の分子配列を変化させ、ランダム配列による散乱光の
有無を明暗表示に対応させる動作を基本にしているの
で、原理的に視角特性が生じることがない。また、階調
表示の際の中間調を得る場合も光散乱の度合いの増減を
行うだけなので、視角による表示の反転やコントラスト
の低下といった現象も生じることがなく、液晶表示装置
の性能向上，とくに、視角範囲の大巾な拡大に寄与する
ところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す図である。

【図２】本発明実施例の透過光量ー印加電圧特性を示す
図である。

【図３】従来例の透過光量ー印加電圧特性を示す図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例を示す図である。

【図５】従来の液晶表示パネルの構成例を示す分解斜視
図である。

【図６】従来のＴＮ型液晶表示パネルの動作を示す図で
ある。

【符号の説明】

１は透明基板、２は透明電極、３は配向膜、４は第１の液晶、５は第２の液晶、６は液晶カプセル、７は座ぶとん型の屈折率異方性フィルム、８（８ａ，８ｂ）は偏光板、９は駆動電源、１０は液晶セル、４０は第１の液晶の液晶分子、５０は第２の液晶の液晶分子、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大橋誠神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】透明電極（２）と配向膜（３）を積層形
成した一対の透明基板（１）を狭い空間を挟んで対向さ
せ、該空間に第２の液晶（５）を封じた液晶カプセル
（６）を分散した第１の液晶（４）を注入封止してなる
液晶セル（１０）の両側に偏光板（８）をそれぞれ配設
し、前記透明電極（２）間に接続された駆動電源（９）
により液晶層に印加される電圧を制御して表示動作を行
うことを特徴とした液晶表示装置。
【請求項２】前記液晶セル（１０）と一方の偏光板
（８）との間に座ぶとん型の屈折率異方性フィルム
（７）を積層したことを特徴とする請求項１記載の液晶
表示装置。
【請求項３】前記第１の液晶（４）の液晶分子（４
０）が垂直配向をなしていることを特徴とした請求項１
または２記載の液晶表示装置。
【請求項４】前記第１の液晶（４）の液晶分子（４
０）が捩じれて配向していることを特徴とした請求項１
または２記載の液晶表示装置。
【請求項５】前記第１の液晶（４）の液晶分子（４
０）の捩じれの自然長（捩じれピッチ）が液晶セル（１
０）のセルギャップ（ｄ）のほゞ４倍であることを特徴
とした請求項４記載の液晶表示装置。
【請求項６】前記第１の液晶（４）と第２の液晶
（５）がともに正の誘電率異方性を有することを特徴と
した請求項１〜５記載の液晶表示装置。