JP2805054B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は液晶表示素子に関し、特に正の誘電異方性を
有する液晶をホモジニアス配向させたECB（Electricall
y Controlled Birefringence）型液晶表示素子に関する
ものである。

〔従来の技術〕

電気的に制御される複屈折効果を利用したいわゆるEC
B型液晶表示素子は、上下基板間に液晶分子がホモジニ
アス配向するように液晶層を挾持した液晶セルを有し、
この液晶セルの両側に、液晶層に近接した偏光子の透過
軸または吸収軸と液晶分子の配向方向をずらして前記偏
光子が配設され、液晶分子の複屈折性を利用して液晶セ
ルが着色するような構成となっている。そして液晶層に
電圧を印加して液晶層の配向状態により表示色を変化さ
せている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のECB型液晶表示素子を光シャッターとして利用
し、白黒表示やカラーフィルターを用いたカラー表示を
行うためには、液晶層のレターデーション（液晶分子の
屈折率異方性と液晶層の厚さの積）を小さくする必要が
ある。しかし、液晶層のレターデーションを小さくする
と、しきい値電圧近傍における明るさの電圧による変化
が小さくなり、高時分割駆動した時に十分なコントラス
トが得られない。また、液晶分子は屈折率異方性を持つ
ため、見る方向によってレターデーションの大きさが変
化し、表示色が変化する。

本発明は、このような従来技術の欠点を解消し、高時
分割駆動時にも良好なコントラストが得られ、かつ視角
特性がすぐれ、光シャッターに好ましく適用することの
できるECB型液晶表示素子を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

上記目的を達成するた、本発明によれば、正の誘電異
方性を有する液晶組成物からなる液晶層が、電極を備え
た一対の基板間でホモジニアス配向するように構成され
た液晶セルと、該液晶層を挾むようにして設けられた一
対の偏光子を有する液晶表示素子において、上記液晶層
と両偏光子との間の少なくとも一方に、少なくとも一層
の複屈折層を設け、該複屈折層の面内最大屈折率方向が
該液晶層の液晶分子配向方向と略直交するようになし、
該複屈折層のレターデーション（複屈折層の面内最大屈
折率n_Xと面内最小屈折率n_yの差Δn_Cと複屈折層の厚さd_C
の積d_C・Δn_C）と該液晶層のレターデーション（液晶層
の屈折異方性Δn_Lと液晶層の厚さd_Lの積d_L・Δn_L）との
差が0.1μｍ以下であり、該複屈折層平面に垂直な方向
の屈折率n_Zが該面内最大屈折率n_Xとほぼ等しくなるよう
にしたことを特徴とする液晶表示素子が提供される。両
層のレターデーションの差が0.1μｍ以下ということ
は、両層のレターデーションが0.1μｍ以内で一致する
ということであり、その差が0.1μｍを超えるときには
以下に述べるような本発明特有の効果が得られない。

上記複屈折層が多数重ねられる場合は、各複屈折層の
レターデーションの合計と上記液晶層のレターデーショ
ンとの差が0.1μｍ以下になるようにする。また、複屈
折層を液晶層の両側に設ける場合も、両側の複屈折層の
面内最大屈折率方向は液晶層の液晶分子配向方向と略直
交し、両側の複屈折層のレターデーションの合計と上記
液晶層のレターデーションとの差が0.1μｍ以下になる
ようにする。

ここで言う複屈折層とは、屈折率異方性を有するもの
でかつ透明性を有することが必要である。具体的には、
ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポ
リエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテ
ルスルホン等の芳香族高分子や、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン等のポリオレフィン系高分子、塩化ビニルデ
ン、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、アクリル樹
脂等のビニル系高分子、セルロース及びその誘導体、た
とえば、再生セルロース（セロハン）、ジアセチルセル
ロース、トリアセチルセルロース等の各高分子の延伸ま
たは押し出し成形フィルムを例示することができる。ま
た、コランダム、トルマリン、チリ硝石等の結晶の薄片
を光学軸に平行な面で切り出したものも例示することが
できる。

大面積のものが容易に得られるという点で高分子系の
ものを特に有利に使用することができる。

上記複屈折層は、液晶層の片側もしくは両側に於いて
液晶層と偏光子の間に設けられるが、液晶セルの基板と
偏光子の間に設置して、液晶セルと別体としても良く、
液晶セルにおける基板を兼ねていても良く、液晶セルの
一部として構成されても良い。さらに、蒸着等により基
板上に複屈折層を形成しても良い。また、偏光子の保護
フィルムとして複屈折層を有するフィルムを用いること
により構成しても良い。

次に、本発明を図面により詳細に説明する。

第１図は本発明の液晶表示素子の構成例を示す断面図
である。透明電極12,22および配向膜11,21が形成された
上下両基板13,23の間に液晶層30が挾持されており、シ
ール材31によって外界と隔離されて液晶セルが形成され
ている。液晶層30の液晶分子は、配向膜11,21によって
基板13,23に対して略水平方向になっており、これら上
下基板13,23間でホモジニアス配向している。なお、必
要に応じて液晶層30またはシール材31に液晶層30の厚さ
を一定に保つためのギャップ材を混入してもよい。

上記のように形成された液晶セルの最も外側に偏光子
14,24が配設されるが、本構成例では、上側偏光子24と
上側基板23の間に複屈折層32を設けた。

従来のECB型液晶表示素子の色度座標（x,y）と、明る
さＹのレターデーションd_L・Δn_Lによる変化をそれぞれ
第２図及び第３図に示す。上下の偏光子の透過軸の成す
角は90゜で、液晶分子の配向方向と隣接する偏光子の透
過軸の成す角は45゜とした。従来のECB型液晶表示素子
を光シャッターとして用いるためには、選択点と非選択
点の色が白又は黒で、かつ選択点と非選択点の明るさの
変化が大きい必要がある。このためには、第２図におい
て、選択点と非選択点の色度座標が、白色を示す＋印の
近くになるようにd_L・Δn_Lを設定しなければならない。
さらに、第３図において、あるd_L・Δn_Lにおける明るさ
Y_NS（非選択点の明るさ）と電圧の印加により小さくな
ったレターデーションd_L・Δn_L−δ（δ＞0:δは時分割
数及び液晶の種類に依存）における明るさY_S（選択点の
明るさ）の差が大きくなるようにd_L・Δn_Lを設定する必
要がある。したがって第２図、第３図より、d_L・Δn_Lは
0.27μｍ程度に設定する必要がある。しかし、d_L・Δn_L
をこのような小さな値に設定すると、しきい値電圧近傍
における明るさの電圧変化が小さくなり、高時分割駆動
時に十分なコントラストが得られない。また、従来のEC
B型液晶表示素子で白黒表示を行うと、視角方向によっ
て液晶層のレターデーションが異なるため、斜めから見
た時の背景色が変化し、コントラストが低下してしま
う。

これに対し、本発明の液晶表示素子は、液晶層と偏光
子の間に、液晶層のレターデーションとの差が0.1μｍ
以下のレターデーションを持つ複屈折層を、該複屈折層
の面内最大率方向が液晶分子配向方向と略直交するよう
に設置することにより、液晶層により変化した偏光状態
を元にもどして白黒表示を行ない、かつ複屈折層として
該平面に垂直な方向の屈折率n_Zと面内最大屈折率n_Xがほ
ぼ等しいものを用いることにより、視角による背景色の
変化を低減させたものである。

第１図において光が下側から素子に垂直に入射した場
合、下側偏光子14を通った光は直線偏光となり、液晶層
30に入射する。液晶分子の長軸方向（配向方向）は屈折
率が大きく移送速度が遅く、一方短軸方向は屈折率が小
さく位相速度が速いため、液晶層30を光が通過すると、
この方向の振動成分の間に位相差２πd_L・Δn_L/λ（λ
は光の波長を示す）が生じる。二成分間の位相差は波長
によって異なるために、液晶層30を通過した光は、波長
により偏光状態が異なる。このため、通常のECB型液晶
表示素子のように、液晶層の次に偏光子を通すと、波長
により透過率が変化して、着色表示となる。ところが、
本発明では、液晶層30を透過した光は、面内最大屈折率
方向が液晶分子配向と略直交するように配置した複屈折
層32に照射する。そして上記の二つの振動成分のうち、
位相が遅れた方向（配向方向）の成分は、複屈折層32の
面内最小屈折率方向を進み、位相が進んだ方向（配向方
向に直交する方向）の成分は、複屈折層32の面内最大屈
折率方向を進む。したがって、液晶層30で位相が遅れた
成分は、複屈折層32で位相が速く進み、液晶層30が位相
が進んだ成分は複屈折層32で位相が遅く進むことにな
る。そこで、もし液晶層30で生じる位相差２πd_L・Δn_L
/λと複屈折層32で生じる位相差πd_C・Δn_C/λが等しけ
れば、複屈折層32を通過した光は液晶層30に入射する前
の状態（直線偏光）にもどされることになる。したがっ
て、本発明による液晶表示素子の電圧無印加時の色は、
白（上下偏光子の透過軸が平行）又は黒（上下偏光子の
透過軸が直交）となる。

液晶表示素子を時分割駆動すると、非選択時にしきい
値近傍の電圧が液晶層に印加され、液晶層のレターデー
ションは電圧無印加時のレターデーションd_L・Δn_Lより
も小さくなる。したがって、時分割駆動時において液晶
層で生じる位相差を打ち消すためには、複屈折層のレタ
ーデーションd_C・Δn_Cをd_L・Δn_Lよりも小さくする必要
がある。

本発明の液晶表示素子の電圧無印加時の状態は、液晶
層30で生じた位相差が複屈折層32での逆の位相差によっ
て打ち消されるため、全体の位相差は０となり、第２図
及び第３図のd_L・Δn_Lが０と場合と同等になる。また、
電圧印加時には、液晶層のレターデーションが減少し、
d_L・Δn_Lはd_C・Δn_Cよりも小さくなり、全体のレターデ
ーションはd_L・Δn_Lとd_C・Δn_Cの差δとなる。したがっ
て、電圧印加時の偏光状態は、第２図及び第３図におい
て、d_L・Δn_Lがδの場合と同等になる。

以上のように、本発明の液晶表示素子は、従来のCB型
液晶表示素子と同様な白黒表示を実現することができ
る。その上、従来のECB型液晶表示素子は白黒表示をす
るために、液晶層のリターデーションを小さな値に限定
する必要があったが、本発明の液晶表示素子は、液晶層
のリターデーションの制限する必要がないので、液晶層
のリターデーションを大きな値にして、高時分割駆動時
にもコントラストの良い表示を実現することができる。

次に、本発明の液晶表示素子の視角特性について説明
するために、第４図に視角方向の定義を示す。第４図に
おいて、XY平面は素子平面に平行で、Ｚ方向は素子平面
に垂直、Ｘ方向は液晶分子の配向方向を素子平面に射影
した方向で、Ｙ方向はＸ方向と直交する。視角方向は、
Ｚ方向からの角度θとＸ方向からの角度φにより規定さ
れる。

液晶層に光が斜め入射した場合の複屈折の大きさは、
液晶分子の長軸方向に軸を持つ屈折率楕円体（長軸方向
の屈折率n_e、短軸方向の屈折率n_o）を、光の入射方向に
垂直で楕円体の中心を通る平面で切った時にできる楕円
体の長軸と短軸の差として与えられる。この楕円の長軸
方向を振動する成分の位相速度は遅く、短軸方向の位相
速度は速い。この場合の液晶層のレターデーションR_LC
は、複屈折の大きさに液晶層中の光路長をかけあわせた
ものとなり、チルト角が０゜の場合、特にφ＝０゜方向
及びφ＝90゜方向については次色（１）、（２）のよう
に書ける。

φ＝０゜:R_LC（θ）＝（d_L/cosθ）・｜（cos²θ/n_e ² ＋sin²θ/n_o ²）^−1/2−n_O| …（１） φ＝90゜:R_LC（θ）＝（d_L/cosθ）・（n_e−n_o） …（２） R_LC（θ）と垂直入射時のレターデーションR_LC（θ）の
差を図示すると、第５図の（ａ）φ＝０゜、（ｂ）φ＝
90゜のようになる。ここで液晶の屈折率及び液晶層の厚
みは、n_e＝1.6、n_O＝1.5、d_L＝10μｍとした。第５図の
ように、視角θが大きくなると、レターデーションが垂
直入射時の値から大きくずれてくるので、背景色が正面
から見た時の色から大きく変化してしまう。

これに対し、本発明の液晶表示素子は、n_Zがn_Xとほぼ
同じ値を持つ複屈折層を面内最大屈折率方向（ｘ方向）
が液晶配向方向と略直交するように設置するため、ｘ方
向は第４図におけるＹ方向に一致し、ｙ方向はＸ方向に
一致する。したがって、φ＝０゜方向及びφ＝90゜方向
の複屈折層のレターデーションR_Cは、次式（３）、
（４）のように書ける。

φ＝０゜:R_C（θ）＝（d_C/cosθ）・｜（n_x− （cos²θ/n_y ²＋sin²θ/n_X ²）^−1/2｜ …（３） φ＝90゜:R_C（θ）＝（d_C/cosθ）・（n_x−n_y） …（４） 液晶層において、φ＝０゜方向の入射光に垂直な楕円の
長軸はXZ平面内にあり、短軸はＹ方向である。一方、複
屈折層において、φ＝０゜方向の入射光に垂直な楕円の
長軸はＹ方向で、短軸はXZ平面内にある。φ＝90゜方向
についても同様である。したがって、該複屈折層は、液
晶層で変化した偏光の位相を元にもどす働きをする。特
に、φ＝90゜方向については、素子に光が垂直入射した
時の液晶層のレターデーションd_L・（n_e−n_o）の複屈折
層のレターデーションd_C・（n_x−n_y）が等しければ、斜
め入射時の液晶層での偏光状態の変化は、複屈折層によ
って完全に元にもどすことができる。第５図の（ｃ）φ
＝０゜、（ｄ）φ＝90゜に本液晶表示素子の斜め入射時
のレターデーションR_LC（θ）−R_C（θ）と垂直入射時
のレターデーションR_LC（０）−R_C（０）の差のθ依存
性をそれぞれ示す。複屈折層の屈折率及び厚さは、n_X＝
1.6、n_y＝1.5、n_Z＝1.6、d_C＝10μｍとした。第５図か
ら明らかなように、本液晶表示素子の場合、視角θが大
きくなっても、レターデーションが垂直入射時の値から
大きくずれないので、背景色の視角依存性は小さい。

以上のように、本発明によれば、高時分割駆動時にも
十分なコントラストが得られ、視角による背景色の変化
も小さいECB型液晶表示素子が得られる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例につき説明するが、本発明はこ
れら実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１） ストイプ状の透明電極を形成したガラス基板上にポリ
イミド系配向膜を形成し、ラビング処理を施した。この
基板を２枚用い、これらを貼り合わせて、その間に正の
誘電異方性を有するネマチック液晶ZLI2293（メルク社
製）を封入した液晶セルを作製した。該セルへ光が垂直
入射した時の液晶層のレターデーションは1.16μｍであ
った。

次に、上記の液晶セルの上にコランダム（n_e＝1.76、
n_O＝1.768）をその光軸方向に平行に切り出したもの複
屈折板とし、これを偏光板と液晶セルの間に挾んでECB
型液晶表示素子を作製した。ここで、コランダムの厚さ
と屈折率異方性の積が1.16μｍとなるようにした。ま
た、コランダムの光軸は液晶分子の配向方向に平行にな
るように設置した。さらに、偏光板の配設方向は上下偏
光板の透過軸の成す角Δβが90゜、偏光板の透過軸と液
晶分子配向方向の成す角βｍが45゜となるように設定し
た。

上記のようにして得た液晶表示素子に電圧を印加して
表示色を観察したところ、しきい値電圧以下では黒で、
しきい値電圧近傍では白、さらに電圧を上げると黄、
赤、紫、青と次々に表示色が変化していた。また、時分
割駆動特性を測定した結果、素子の相対透過率が50％変
化する電圧V₅₀と10％変化する電圧V₁₀の比（D₅₀/V₁₀）
で示される急峻度γは1.148で、後の述べる従来のECB型
液晶表示素子のγに較べて小さく、時分割駆動特性が優
れていることが確認された。

また、本実施例の液晶表示素子を時分割駆動させ、非
選択画素の視角依存性を観察したところ、斜め方向から
見た時の光もれが従来のECB型液晶表示素子に較べて大
幅に低減され、しかもコントラストの視角依存性も従来
に較べて大幅に改善されていることが確認された。

（実施例２） 実施例１と同様にして作製された液晶セルの上に、ト
ルマリン（n_e＝1.638、n_o＝1.669）をその光軸方向に平
行に切り出したものを複屈折板とし、これを偏光板と液
晶セルとの間に挾んでECB型液晶表示素子を作製した。
液晶層のレターデーションは1.81μｍであり、トルマリ
ンの厚さと屈折率異方性の積も1.81μｍとなるようにし
た。また、トルマリンの光軸は液晶分子の配向方向に平
行になるように設置し、偏光板の方向はΔβ＝90゜、β
ｍ＝45゜とした。

この実施例の液晶表示素子についても同様に時分割駆
動特性を測定したところ、急峻値γは1.093となり、時
分割駆動特性が優れていることが確認された。また、実
施例１と同様にして視角特性を調べた結果、コントラス
トの視角依存性も優れていた。

（比較例） 実施例１と同様にして液晶セルを作製したが、液晶セ
ルのレターデーションは0.27μｍとした。この液晶セル
を用いてΔβ＝90゜、βｍ＝45゜となるように上下偏光
板を配設した液晶表示素子を作製した。この液晶表示素
子について急峻値γを測定した結果、γは1.336とな
り、高時分割駆動時に十分なコントラストが得られなか
った。また、非選択画素を斜めから見ると光もれが大き
く、コントラストが視角方向によって大幅に変化した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、一対の基板間でホモジニアス配向し
た液晶層を有するECB型液晶表示素子において、液晶層
と偏光子との間に、液晶層のレターデーションと0.1μ
ｍ以内で一致するレターデーションの値を持ち、かつ面
内最大屈折率と厚み方向の屈折率がほぼ等しい複屈折層
を、その面内最大屈折率方向が液晶分子配向方向と略直
交するように設置したので、時分割駆動性が優れ、かつ
視角特性が良好であり、液晶光シャッターに好ましく適
用することのできる液晶表示素を提供することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の液晶表示素子の構成例を示す断面図、
第２図及び第３図はそれぞれ従来のECB型液晶表示素子
の背景色の色度座標及び明るさＹのレターデーションd_L
・Δn_Lによる変化を示すグラフ、第４図は視角方向の定
義を示す図、第５図は従来のECB型液晶表示素子と本発
明の液晶表示素子の正面から見た時のレターデーション
Ｒ（０）と斜めから見た時のレターデーションＲ（θ）
の差Ｒ（θ）−Ｒ（０）の視角依存性を示すグラフであ
る。 11,21……配向膜、12,22……透明電極 12,23……基板、14,24……偏光子 30……液晶層、31……シール材 32……複屈折層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−306217（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−73327（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−47629（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/1335 510

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正の誘電異方性を有する液晶組成物からな
   る液晶層が、電極を備えた一対の基板間でホモジニアス
   配向するように構成された液晶セルと、 該液晶層を挾むようにして設けられた一対の偏光子を有
   する液晶表示素子において、 上記液晶層と両偏光子との間の少なくとも一方に、少な
   くとも一層の複屈折層を設け、 該複屈折層の面内最大屈折率方向が該液晶層の液晶分子
   配向方向と略直交するようになし、 該複屈折層の面内最大屈折率n_Xと面内最小屈折率n_yの差
   と該複屈折層の厚さの積と、該液晶層の屈折率異方性と
   該液晶層の厚さの積との差が0.1μｍ以下であり、 該複屈折層平面に垂直な方向の屈折率n_Zが該面内最大屈
   折率n_Xとほぼ等しくなるようにしたことを特徴とする液
   晶表示素子。