JP2831520B2

JP2831520B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2831520B2
Application number: JP4331848A
Authority: JP
Inventors: 晶田川; 充浩向殿
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1992-12-11
Publication date: 1998-12-02
Anticipated expiration: 2013-12-02
Also published as: JPH05273546A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電界制御複屈折型の液
晶表示装置に関し、更に詳しくは、ホモジニアス型の電
界制御複屈折型の液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電界制御複屈折型液晶表示モードは古く
から知られた液晶表示モードの一つであり、ＥＣＢ(Ele
ctrically controlled birefringence) モードとも言わ
れている。このモードは、液晶セルに電圧を印加したと
き、液晶の誘電異方性により、液晶分子配列が変化し、
その結果、セル中の複屈折が変化することを利用するも
のである。この液晶セルを２枚の偏光板中におくと、こ
の複屈折の変化が光透過率の変化として現れ、これをＥ
ＣＢ(Electrically controlled birefringence)効果と
呼んでいる。

【０００３】この効果を利用して表示を行う場合、初期
配向の違いにより、ＤＡＰ型、ホモジニアス型、ＨＡＮ
型に分類される。ＤＡＰ型は液晶ディレクタが基板に対
して垂直となっているホメオトロピック配向セルと誘電
異方性が負のＮｎ型ネマチック液晶を用いるものであ
り、ＨＡＮ型は液晶分子の配向が一方の基板面で垂直
で、他方で平行であり、両基板間で分子配列が連続的に
変化しているハイブリッド配列ネマチック液晶セルを用
いるものであるが、ここでは、分子長軸が基板に対して
平行に配列したホモジニアス配向セルと誘電異方性が正
のＮｐ型ネマチック液晶を用いるホモジニアス型ＥＣＢ
モードについて述べる。

【０００４】屈折率異方性Δｎをもつ液晶を用いたセル
厚ｄのホモジニアスセルを図２のように２枚の偏光板
（偏光子Ａ、検光子Ｃ）とｘ軸とのなす角をそれぞれ
φ，ｘとする。光がセル中を通過する間に生ずる異常光
と常光の間のリターデーションＲ，ならびに、位相差δ
はそれぞれ、Ｒ＝Δｎ・ｄ（１） δ＝２πR/λ＝２π・Δｎ・d/λ （２）と表される（ただし、λは光波長である）。

【０００５】セルに垂直に入射する光の透過光強度はＪ＝Ａ²｛cos²（ψ−χ）−sin2ψsin2χsin²（δ/2）｝（３）で表される。

【０００６】２枚の偏向板が互いに直交しており（χ−
ψ＝π/2）、かつψ＝π/4であるとき、透過光強度ＪはＪ＝Ａ²sin²（δ/2）＝Ａ²sin²（πΔnd/ λ）（４）表される。

【０００７】ホモジニアス型のＥＣＢモード液晶素子
は、一般に多く用いられているＮｐ型ネマチック液晶を
用いているため、液晶材料の選択範囲が広く、また、初
期配向も一般に広く用いられているラビング法や斜方蒸
着法などを用いることができるため、安定した初期配向
を得ることができるのが特徴である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のホモジ
ニアス型ＥＣＢモードでは、電界無印加状態で、あるリ
ターデーションを有しているため、背景になんらかの着
色、光透過があり、視覚的色コントラストの低下を免れ
ないと考えられてきた（日本学術振興協会第142委員会
編「液晶デバイスハンドブック」，ｐ346 〜349 日刊工
業新聞社(1989).）。これは（４）式より、光源に白色
光を用いた場合、リターデーションＲによって様々な色
相を呈するためと説明される。

【０００９】もともとＥＣＢモードは一つの画素で多色
表示を行えることがその長所であると考えられて来たわ
けであるが、リターデーションＲが視角によって大きく
変化するため表示色の視角依存性が大きいといった問題
がある。それゆえ、カラー表示を行う場合にはむしろカ
ラーフィルタと白黒液晶表示を組み合わせることが望ま
しい。またカラー表示以外の用途では白黒表示が望まれ
るわれであるが、従来のＥＣＢモードではリターデーシ
ョンＲによって色相を呈するため白黒表示を行うことは
出来なかった。この発明はこのような事情を考慮してな
されたもので、白黒表示の可能なホモジニアス型ＥＣＢ
モードの液晶表示装置を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、電極膜と一
軸配向処理を施した配向制御層とを有する一対の基板を
両方の配向制御層が互いに対向するように、1.0 〜3.0
μｍの間隔で配置し、該基板間にネマチック相を示す誘
電異方性の正の液晶を挟持させた液晶セルを、クロスニ
コル状態に設置した一対の偏光板の間に配置したことを
特徴とする液晶表示装置を提供するものである。

【００１１】

【作用】基板間隔、すなわち、セル厚を1.0 〜3.0 μｍ
と薄くすることより、無電界時に透過光強度が最大とな
り、十分高い電界を印加すると、液晶分子のディレクタ
は基板にほぼ垂直となって光から透過せず、良好な白黒
表示を得ることができる。

【００１２】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて、本発明
を詳述する。これによってこの発明が限定されるもので
はない。

【００１３】実施例１図１に本発明の液晶表示装置の構造を説明するための断
面図を示す。図１において、１ａ，１ｂは基板、２ａ，
２ｂは電極膜、３ａ，３ｂは配向制御層、４は誘電異方
性の正のＮ_p型ネマチック液晶、５ａ，５ｂはシール部
材、６ａ，６ｂは偏光板である。

【００１４】偏光板６ａ，６ｂはその偏光軸が互いに直
光するように設定する。液晶４はホモジニアス配列させ
る。本発明においては、セル厚ｄを1.0 〜3.0 μｍと薄
くすることにより、良好な白黒表示を得ることができ
た。配向制御層は斜方蒸着法または有機配向膜をラビン
グするラビング法など種々の方法を用いることができ
る。

【００１５】一対の基板１ａ，１ｂの両方に一軸配向処
理を施す場合には、その一軸配向処理の方向が平行で互
いに同方向、または平行で互いに逆方向となるように１
ａ，１ｂ基板を貼り合わせる。平行で同方向のときの分
子配列状態を図３（ａ）に、平行で互いに逆方向のとき
の分子配列状態を図３（ｂ）に示す。また、基板１ａ，
１ｂの一方にのみ一軸配向処理を施したときの分子配列
状態を図３（ｃ）に示す。これらのいずれの場合にもホ
モジニアス配向が得られる。なお、図３において矢印は
一軸配向処理方向を示している。

【００１６】光源に白色光を用いた場合、無電界時に
は、透過光は着色せず白色光が透過している。液晶分子
のディレクタ軸と偏光子のなす角φは特に限定されない
が、φ＝π/4のときが、無電界時の透過光強度が最大と
なり好ましい。この液晶表示装置に電界を印加すると、
図５に示すように液晶分子配列が変化する。図５におい
ては、界面付近での液晶分子のプレチルトは無視して描
いている。

【００１７】十分に高い電圧を印加すると、液晶分子の
ディレクタは基板にほぼ垂直となり、光が透過せず、黒
状態が得られる。中間的な電界を印加すると液晶分子の
ディレクタは中間的な状態を取り、白色光を入射する
と、着色のない灰色の中間調状態が得られる。電圧と透
過光強度の関係は図６に示すようになり、電圧を制御す
ることで、階調表示を得ることができる。

【００１８】これは例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ
と）組み合わせて表示を行う場合などには、再現性、均
一性の良い中間調表示を得るうえで好ましい。視角は広
く、特に図４におけるｘ軸の方向にはＴＮ型液晶以上の
広い視角特性を有している。テレビ、コンピュータ、ワ
ープロなどに用いるディスプレイにおいては横方向の広
い視角が求められることから、本発明の液晶表示装置は
極めて好ましいと言える。

【００１９】本液晶表示装置の駆動法には種々の方法が
可能であるが、薄膜トランジスタをマトリクス状に配置
したアクティブマトリクス基板を用いると好ましい。こ
の場合、一軸配向処理の方法としては図３に示す（ａ）
（ｂ）（ｃ）のいずれも可能であるが、薄膜トランジス
タが形成されていない基板にのみ一軸配向処理を施す方
法が好ましい。

【００２０】例えば、一軸配向処理をラビング法で行う
場合、薄膜トランジスタが形成されている基板は凹凸が
多く、均一なラビング処理が行いにくく、また、ラビン
グによる静電気のためにトランジスタ特性の変化や配線
間の絶縁破壊が生じ易いためである。

【００２１】次に、図１の液晶表示装置の作製方法とそ
の性能について説明する。基板１ａ，１ｂ上にスパッタ
によって1000ÅのＩＴＯ膜つまり電極膜２ａ，２ｂを形
成し、配向制御膜３ａ，３ｂとして厚さ300 ÅのＰＶＡ
膜を塗布し、レーヨン系の布を用いてラビングによる一
軸配向処理を行った。

【００２２】次いで、これら２枚の基板を、２μｍの間
隔を隔ててシリカスペーサ（図示しない）を介してエポ
キシ樹脂製のシール部材５で貼り合わせた。基板１ａ，
１ｂのラビング方向は互いに平行で逆方向（図３のｂ）
となるようにした。基板１ａ，１ｂ間に、真空注入法で
注入口から市販のネマチック液晶Ｅ−８（メルク社製）
を注入したのちアクリル系のＵＶ硬化型の樹脂で注入口
を硬化して液晶セルを作成した。

【００２３】注入後いったん液晶組成物が等方性液体に
変化する温度にセルを加熱し、その後冷却し、更に、こ
のセルの上下に偏光軸を直交させた偏光板６ａ，６ｂを
配置して液晶表示装置とした。この液晶表示装置は無電
界状態で白状態を示した。60Hzの矩形波電界を印加して
透過光量を測定した。その結果を図６に示す。十分高い
電圧を印加すると完全な黒状態が得られた。コントラス
トは約50であった。０〜30Ｖの範囲では、どのような値
の電圧を印加しても、どの方向から観察しても着色は認
められなかった。図４のｘ軸方向には非常に広い視角が
得られた。

【００２４】実施例２第７図に示す構造のアクティブマトリクス型液晶素子を
以下のプロセスで作製した。まず、ガラス基板11ａ上に
スパッタによってＴａ膜を形成し、所定の形状にパター
ンニングして、64本のゲート電極12を形成した。プラズ
マＣＶＤによってＳｉＮｘ膜13、ａ−Ｓｉ半導体膜14、
ＳｉＮｘ膜15を真空を破ることなく連続積層し、ＳｉＮ
ｘ膜15を所定の形状にパターンニングした。

【００２５】プラズマＣＶＤによってリンをドープした
ｎ⁺−ａ−Ｓｉ24を形成し、該ｎ⁺−ａ−Ｓｉ膜24とａ
−Ｓｉ半導体膜14をパターンニングした。次いでスパッ
タによってＴｉ膜を形成し、該Ｔｉ膜およびｎ⁺−ａ−
Ｓｉ膜24を所定の形状にパターンニングして64本のソー
ス電極16及びドレイン電極17を形成した。ＩＴＯ膜をス
パッタによって形成し、これをパターンニングして画素
電極18を形成した。次に、別の基板11ｂ上にスパッタに
よってＩＴＯ膜21を形成した。

【００２６】このようにして作成した１対の基板上に厚
さ2000ÅのＳｉＯ₂膜19ａ，19ｂを形成し、厚さ300 Å
のＰＶＡ膜20ａ，20ｂを塗布した。一対の基板のうち、
基板11ｂのみにレーヨン系の布を用いてラビングによる
一軸配向処理を行った。

【００２７】次いで、これら２枚の基板11ａ，11ｂを、
２μｍの間隔を隔てて図示しないシリカスペーサーを介
してエポキシ樹脂製のシール部材で貼り合わせた。これ
らの基板間に、真空注入法で注入口から市販のネマチッ
ク液晶Ｅ−８（メルク社製）を注入したのちアクリル系
のＵＶ硬化型の樹脂で注入口を硬化して液晶セルを作成
した。

【００２８】注入後いったん液晶組成物が等方性液体に
変化する温度にセルを加熱し、その後、冷却し、更にこ
のセルの上下に偏光軸を直交させた偏光板を配置した。

【００２９】偏光板の一方の偏光軸とセルの液晶の光軸
とのなす角度が図４に示すように45°になるように配置
して液晶表示装置とした。この液晶表示装置を駆動した
ところ、コントラスト10以上の良好な表示が得られた。

【００３０】実施例３実施例１において、配向膜をナイロン6/6にかえたこ
と、注入するネマティック液晶をＺＬＩ−５０８０（メ
ルク製）にかえたこと、ラビングを片側基板にのみ施し
たこと以外は実施例１と同様にしてセルを作製した。こ
のセルを用いて、実施例１の場合と同様の測定を行った
とろこ、無電界状態で白状態を示し、実施例１の場合と
同様の結果が得られた。60Ｈｚの矩形波電界を印加した
際の透過光量（透過率）の印加電界依存性を図８に示
す。また、このセルに５Ｖ／μｍの電界を印加して応答
速度（透過光量変化の10％から90％に要する時間）を測
定したところ、暗状態から明状態への立ち上がり時間が
約650μsec、明状態から暗状態への立ち上がり時間が約
50μsecであった。

【００３１】実施例４実施例１において、配向膜をＬＸ−１４００（日立化成
製：プレティルト角２°）にかえたこと、注入するネマ
ティック液晶をＺＬＩ−５０８０（メルク製）にかえた
こと、上下基板に施したラビングの方向が略平行である
こと以外は実施例１と同様にしてセルを作製した。

【００３２】このセルを用いて、実施例１の場合と同様
の測定を行ったところ、無電界状態で白状態を示し、実
施例１の場合と同様の結果が得られた。60Ｈｚの矩形波
電界を印加した際の透過光量（透過率）の印加電界依存
性を図９に示す。また、このセルに５Ｖ／μｍの電界を
印加して応答速度（透過光変化の10％から90％に要する
時間）を測定したところ、暗状態から明状態への立ち上
がり時間が約4.9ｍsec、明状態から暗状態への立ち下が
り時間が約900μsecであった。

【００３３】実施例５実施例１において、配向膜をＬＸ−１４００（日立化成
製：プレティルト角２°）にかえたこと、注入するネマ
ティック液晶をＺＬＩ−５０８０（メルク製）にかえた
こと以外は実施例１と同様にしてセルを作製した。この
セルを用いて、実施例１の場合と同様の測定を行ったと
ころ、無電界状態で白状態を示し、実施例１の場合と同
様の結果が得られた。60Ｈｚの矩形波無電界を印加した
際の透過光量（透過率）の印加電界依存性を図10に示
す。また、このセルに５Ｖ／μｍの電界を印加して応答
速度（透過光量変化の10％から90％に要する時間）を測
定したところ、暗状態から明状態への立ち上がり時間が
約3.6ｍsec、明状態から暗状態への立ち下がり時間が約
1.1ｍsecであった。

【００３４】実施例６実施例１において、配向膜をＬＸ−１４００（日立化成
製：プレティルト角２°）にかえたこと、注入するネマ
ティック液晶をＺＬＩ−５０８０（メルク製）にかえた
こと、ラビングを片側基板にのみ施したこと以外は実施
例１と同様にしてセルを作製した。このセルを用いて、
実施例１の場合と同様の測定を行ったところ、無電界状
態で白状態を示し、実施例１の場合と同様の結果が得ら
れた。60Ｈｚの矩形波電界を印加した際の透過光量（透
過率）の印加電界依存性を図11に示す。また、このセル
に５Ｖ／μｍの電界を印加して応答速度（透過光量変化
の10％から90％に要する時間）を測定したところ、暗状
態から明状態への立ち上がり時間が約3.4ｍsec、明状態
から暗状態への立ち下がり時間が約3.1ｍsecであった。

【００３５】実施例７実施例１において、配向膜をＰＳＩ−Ｘ−Ｓ０１４（チ
ッソ製：プレティルト角３°）にかえたこと、注入する
ネマティック液晶をＺＬＩ−５０８０（メルク製）にか
えたこと、上下基板に施したラビングの方向が略平行で
あること以外は実施例１と同様にしてセルを作製した。

【００３６】このセルを用いて、実施例１の場合と同様
の測定を行ったところ、無電界状態で白状態を示し、実
施例１の場合と同様の結果が得られた。60Ｈｚの矩形波
電界を印加した際の透過光量（透過率）の印加電界依存
性を図12に示す。

【００３７】実施例８実施例１において、配向膜をＰＳＩ−Ａ−２１０１（チ
ッソ製：プレティルト角16°）にかえたこと、注入する
ネマティック液晶をＺＬＩ−５０８０（メルク製）にか
えたこと、上下基板に施したラビングの方向が略平行で
あること以外は実施例１と同様にしてセルを作製した。

【００３８】このセルを用いて、実施例１の場合と同様
の測定を行ったところ、無電界状態で白状態を示し、実
施例１の場合と同様の結果が得られた。60Ｈｚの矩形波
電界を印加した際の透過光量（透過率）の印加電界依存
性を図13に示す。

【００３９】実施例９実施例１において、配向膜をＰＳＩ−Ａ−２１０１（チ
ッソ製：プレティルト角16°）にかえたこと、注入する
ネマティック液晶をＺＬＩ−５０８１（メルク製）にか
えたこと、上下基板に施したラビングの方向が略平行で
あること以外は実施例１と同様にしてセルを作製した。

【００４０】このセルを用いて、実施例１の場合と同様
の測定を行ったところ、無電界状態で白状態を示し、実
施例１の場合と同様の結果が得られた。60Ｈｚの矩形波
電界を印加した際の透過光量（透過率）の印加電界依存
性を図14に示す。

【００４１】実施例１０実施例１において、配向膜をＰＳＩ−Ａ−２１０１（チ
ッソ製：プレティルト角16°）にかえたこと、注入する
ネマティック液晶をＭＬＣ−２０１９（メルク製）にか
えたこと、上下基板に施したラビングの方向が略平行で
あること以外は実施例１と同様にしてセルを作製した。

【００４２】このセルを用いて、実施例１の場合と同様
の測定を行ったところ、無電界状態で白状態を示し、実
施例１の場合と同様の結果が得られた。60Ｈｚの矩形波
電界を印加した際の透過光量（透過率）の印加電界依存
性を図15に示す。

【００４３】

【発明の効果】この発明によれば、広視野角、白黒表示
の電界制御複屈折型の液晶表示装置を得ることができ
る。また、この発明の液晶表示装置を薄膜トランジスタ
と組み合わせることにより、大容量、広視野角、高コン
トラストの階調表示の容易な液晶表示装置を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の液晶表示装置を説明するための断面
図である。

【図２】電界制御複屈折型液晶表示を説明するための説
明図である。

【図３】この発明の液晶表示装置における液晶分子配列
を説明するための説明図である。

【図４】液晶セルと偏光板の配置についての一例を示す
説明図である。

【図５】この発明の液晶表示装置のスイッチングを示す
ための説明図である。

【図６】この発明の液晶表示装置における電圧と透過光
の関係を示す説明図である。

【図７】この発明のアクティブマトリクス型液晶表示装
置の構造を説明するための断面図である。

【図８】この発明の液晶表示装置における電圧と透過率
の関係を示す図である。

【図９】この発明の液晶表示装置における電圧と透過率
の関係を示す図である。

【図１０】この発明の液晶表示装置における電圧と透過
率の関係を示す図である。

【図１１】この発明の液晶表示装置における電圧と透過
率の関係を示す図である。

【図１２】この発明の液晶表示装置における電圧と透過
率の関係を示す図である。

【図１３】この発明の液晶表示装置における電圧と透過
率の関係を示す図である。

【図１４】この発明の液晶表示装置における電圧と透過
率の関係を示す図である。

【図１５】この発明の液晶表示装置における電圧と透過
率の関係を示す図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ基板２ａ，２ｂ電極膜３ａ，３ｂ配向膜４ネマチック液晶５ａ，５ｂシール部材６ａ，６ｂ偏光板１１ａ，１１ｂガラス基板１２ゲート電極１３ゲート絶縁膜１４ａ−Ｓｉ半導体膜１５絶縁膜１６ソース電極１７ドレイン電極１８画素電極１９ａ，１９ｂ絶縁膜２０ａ，２０ｂ配向膜２１対向電極２３液晶２４ｎ⁺−ａ−Ｓｉ膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−259221（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−240928（ＪＰ，Ａ) 特開平１−307727（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−68813（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−24509（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−10127（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−156619（ＪＰ，Ａ) 特開平４−184421（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/1335 510 G02F 1/1337 G02F 1/137

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも電極膜と配向制御層とを有す
る一対の基板を、両方の配向制御層が互いに対向するよ
うに、１．０〜３．０μｍの間隔で配置し、該基板間に
ネマティック相を示す誘電異方性の正の液晶を挟持させ
た液晶セルを、ネマティック相において電界無印加時に
明状態となり十分な電荷印加時に暗状態となるように、
クロスニコル状態に設置した一対の偏光板の間に配置
し、片方の基板の配向制御層のみをラビングしてホモジ
ニアス配向処理したことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】前記液晶セル内の液晶分子長軸の平均方
向が、前記一対の偏光板の一方の偏光方向に対して、４
５°の角度をなすことを特徴とする請求項１に記載の液
晶表示装置。
【請求項３】前記一対の基板の一方に液晶駆動用アク
ティブ素子が設けられ、他方の基板に一軸配向処理が施
されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表
示装置。