JP2856942B2 - 液晶表示素子および光学異方素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 ［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示素子に係わ
り、特にコントラスト比の視角依存性を制御した液晶表
示素子に関する。

【０００３】

【従来の技術】近年、薄型軽量、低消費電力という大き
な利点をもつ液晶表示素子は、日本語ワードプロセッサ
やディスクトップパーソナルコンピュータ等のパーソナ
ルＯＡ機器の表示装置として積極的に用いられている。
液晶表示素子（以下ＬＣＤと略称）のほとんどは、ねじ
れネマティック液晶を用いており、表示方式としては、
複屈折モードと旋光モードの２つの方式に大別できる。

【０００４】複屈折モードの表示方式のＬＣＤは、一般
に９０゜以上ねじれた分子配列をもち（ＳＴ方式と呼ば
れる）、急峻な電気光学特性をもつ為、各画素ごとにス
イッチング素子（薄膜トランジスタやダイオード）が無
くても単純なマトリクス状の電極構造でも時分割駆動に
より容易に大容量表示が得られる。しかし、このＳＴ方
式では、複屈折効果を利用しているため光の干渉に起因
して表示色が黄色と濃紺色のいわゆるイエローモード表
示や、白色と青色のいわゆるブルーモード表示となり、
白黒表示やカラー表示が不可能であった。このような表
示の色づきを解消する手段として、逆にねじれた第２の
液晶セルを偏光板と液晶セルの間に配置することによっ
て白黒表示を実現できることが特公昭６３−５３５２８
（出願人：シャープ）にて報告されている。この白黒化
の原理は、液晶分子がねじれ配列とされる表示用液晶セ
ルで楕円偏光となった常光成分と異常光成分の光を、光
学補償板である第２の液晶セルによって相互に入れ替わ
らせ、楕円偏光を直線偏光へと変換される。その結果、
光の干渉に起因する着色が解消され、白黒表示を実現す
ることができる。ここで上述したように楕円偏光の直線
偏光への変換を行うには、光学補償板が、表示用液晶セ
ルとリタデーション値が、ほぼ同一で、かつねじれ方向
が相互間で逆であり、それらの配置は、相互に最近接す
る液晶分子の配向方位が直交するように構成する。しか
もこの様なＬＣＤは、表示面法線からずれた斜めの角度
では表示色は着色し白黒の表示は得られない。

【０００５】ＳＴ方式以外に複屈折モードの表示方式の
ＬＣＤとしては、負の誘電異方性をもつ液晶を基板に対
して略垂直に配列させた液晶セルを用いる方式（ＥＣＢ
方式）がある。本方式は、電圧を液晶セルに印加するこ
とにより液晶分子を基板法線に対して傾むかせて液晶セ
ルのリタデーション値を変化させることによって表示を
行おうとするものであるが、このＥＣＢ方式でも液晶セ
ルを見る角度によってはリタデーション値が大きく変化
し、その結果表示画が見えなくなったり、反転して見え
たりするといった現象が生じる。

【０００６】一方、旋光モードのＬＣＤは例えば９０゜
ねじれた分子配列をもち、応答速度が速く（数十ミリ
秒）高いコントラスト比と良好な階調表示性を示すこと
から、時計や電卓、さらにはスイッチング素子を各画素
ごとに具備しカラーフィルターと組み合わせたフルカラ
ーの表示の液晶テレビなど（ＴＦＴ−ＬＣＤやＭＩＭ−
ＬＣＤ）に応用されている（ＴＮ方式）。

【０００７】カラー表示に関しては偏光板と液晶セルの
間に電圧無印加時に選択散乱を利用したある色相を示す
ＣＮ液晶セルを配置し、ＣＮ液晶セルと液晶セルへの電
圧印加の有無の組み合わせで特定色相とその補色の２色
カラー表示または、白黒表示モードへの切り替えができ
ることがMol.Cryst.Liq.Cryst.,1977,VOL.39,PP.127-13
8 にて報告されている。

【０００８】しかし、これらの複屈折モードや旋光モー
ドや選択散乱を利用した液晶表示素子は、見る角度や方
位によって表示色やコントラスト比が変化するといった
視角依存性をもち、冷陰極線管（ＣＲＴ）の表示性能を
完全に越えるまでにはいたらない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】液晶分子は、液晶分子
の長軸方向と短軸方向に異なる屈折率を有することは一
般に知られている。この様な屈折率の異方性を示す液晶
分子にある偏光状態の光が入射すると、その光は液晶分
子の角度に依存して偏光状態が変化する。従って、液晶
セルに対し光が垂直に入射した場合と斜めに入射した場
合とでは、液晶セル中を伝搬する光の偏光状態は異な
り、その結果、液晶表示素子を見る時の方位や角度によ
って表示のパターンが反転して見えたり、表示のパター
ンが全く見えなくなったり、あるいは表示が色づくとい
った現象として現れ、実用上好ましくない。

【００１０】本発明は上記不都合を解決するものであ
る。

【００１１】 ［発明の構成］

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、２枚の偏光板
の間に、駆動用液晶セルとねじれ角が３６０゜以上であ
りその螺旋軸が前記駆動用液晶セルの基板法線に対し傾
いた配列をした補償用液晶層とを配置したことを特徴と
している。

【００１３】

【作用】一般に液晶表示素子に用いられる液晶セルは、
表示領域にわたって均一な分子配列状態を得る為、基板
表面に配向処理が施されている。このような配向処理
は、基板表面上での液晶分子を特定の方向に配列させる
ばかりではなく、液晶分子を基板表面に対し斜めに傾か
せる作用がある。基板表面での基板表面に対する傾き角
をプレチルト角と称しているが、この値は液晶セルに用
いる配向膜や配向処理の条件や方法と液晶材料との組み
合わせによって種々異なり、１゜〜１０゜位の値が一般
的である。この基板表面での液晶分子の傾きというの
は、液晶セルにしきい値電圧以上の電圧を印加したとき
の分子配列状態を均一に保つためにも非常に重要で、セ
ルに電圧が印加されたときセル中の液晶分子の傾く方向
を優先づける作用も合わせもつ。この傾きが全く無い場
合、セルに電圧が印加されると液晶分子が傾く方向に優
先方向が無いためにセル中の液晶分子が個々ばらばらの
方向に傾きコントラスト比の低下や、電圧除去後でも表
示画が残ったりするといった不具合が生じる。従って、
プレチルト角は電圧印加時の分子配列状態を均一化する
といった利点をもつ。またプレチルト角は、液晶表示素
子の表示特性にも大きく影響する。次にＴＮ方式の液晶
表示素子を例にとり、プレチルト角の表示特性への影響
について説明する。

【００１４】９０゜ねじれたＴＮ方式の液晶セルに暗状
態が得られる電圧値を印加した時の分子配列状態を計算
してみると、図１に示す様になる。ここで、図中の７及
び８はそれぞれチルト（傾き）角及びツイスト（ねじ
れ）角で、チルト角とは、図２に示す座標系において液
晶セルの基板面をｘｙ面としたとき、ｘｙ面に対する液
晶分子６の長軸Ｌの傾き角を示し、ツイスト角とは、液
晶分子６をｚ軸からｘｙ面へ投射した軸とｘ軸間の角度
である。電圧印加時でも上下の基板表面付近では、基板
表面の配向規制力の影響を受けて液晶分子はあまり傾か
ない。また、ツイスト角はＳの字型の分布となる。電圧
が印加された状態では液晶セルの中央付近の液晶分子は
完全に垂直には立たずある角度をもって傾く。図３の様
に図１を立体的に示すと、液晶セル中央付近の液晶分子
６の傾く方向は、上下の基板３ａ、３ｂ表面での液晶分
子の傾く方向に依存し、上下の基板３ａ、３ｂでのプレ
チルト角θp が等しい場合、上下の基板表面の傾き方向
のほぼ中間の方向になる。この様な配向状態で上下の基
板上にそれぞれ偏光板１、４を置き、偏光板の吸収軸１
５、１６をそれぞれの基板の配向方向１３、１４と一致
するように配置すると、コントラスト比（明状態時の輝
度／暗状態の輝度）が最も高くなる方向は、液晶セル中
央付近の液晶分子の傾く方向にほぼ一致する。

【００１５】図４は、ＴＮ方式の液晶表示素子の等コン
トラスト比−方位角特性の測定結果である。ここで、等
コントラスト比−方位角特性とは、液晶表示素子の視角
特性を示すもので、液晶表示素子１０を観測する点を図
５に示す様に方位角Φ、視角θで定義し、観測する方位
を変化したときある等しいコントラスト比を示す視角を
測定し、図４の様な極座標で示したものである。従っ
て、コントラスト比（図中５、１０、２０、３０…のよ
うに数値で示した）が高い方位では視角θが大きく、理
想的な液晶表示素子としては、どの方位角においても視
角が大きいことが望まれる。図４の測定結果にも見られ
るように、上下の基板の配向方向１３、１４を図４の図
中の矢印に示すようにし、液晶セル中央付近の液晶分子
の傾く方向を９０゜の方位になるようにすると、９０゜
方位で最も視角が広くなる。

【００１６】このようにプレチルト角θp は、液晶表示
素子の視角特性にも大きく影響する。上述したように、
現在、液晶表示素子は陰極線管（ＣＲＴ）のようにどこ
からみてもほぼ均一なコントラスト比を示すといった特
性はなく、見る角度・方位によってコントラスト比が大
きく変化する。すなわち、液晶表示素子には視角特性が
存在し、それゆえ液晶表示素子は、その視角特性を拡大
するあるいは、液晶表示素子の用途により視角特性をそ
の仕様に合わせて設計する必要性があり、例えばある特
定の方位だけ視角特性を良くするといった手法が要求さ
れる。

【００１７】本発明は、上記目的を達成するものであり
以下その達成原理および手法について説明する。

【００１８】前述したように、液晶表示素子は製造上及
び配向の安定化のためプレチルト角を有しそれが視角特
性に影響する。液晶セルにしきい値以上の電圧が印加さ
れたとき液晶セル中の液晶分子のほとんどは、基板表面
付近をのぞき基板表面に対して傾いている。このような
液晶の配向状態を３次元の屈折率楕円体により簡略的に
示すと図６のようになる。複屈折現象は、この屈折率楕
円体６ａをある方向からみたときの２次元面内での屈折
率差に関する現象であるから、ｚ方向(6.1) から見たと
きの（すなわち液晶セルを真正面から見たとき）２次元
面内の屈折率体(6.2) は楕円となり、３次元の屈折率楕
円体の長軸方向(6.3) から見たときの屈折率体(6.4) と
は異なる。従って、コントラスト比が最大となるところ
は、２次元面内の屈折率体が完全に円となるところであ
り、それは３次元の屈折率楕円体の長軸方向である。

【００１９】したがって、図７に示すように液晶セルの
３次元の屈折率楕円体の長軸方向を光学補償用の屈折率
楕円体９により変化させることにより、コントラスト比
が最大となる方位及び視角を変化することができる。光
学補償用の屈折率楕円体９としては、液晶セルの３次元
の屈折率楕円体６ａの形状に対応させ円盤状の形が良
く、かつ楕円体の長軸方向(6.3) を図７に示すようにｚ
軸に対して斜めに配置する事によって、視角方向（視角
が大きい方向）を容易に変化させることができる。

【００２０】このような光学補償用の屈折率楕円体は、
光学的に負号で、表示面に対して光軸が斜めである特性
を有する。一般に光学異方体の複屈折率は、観察方向に
よって異なる値をとることが知られている。特にフィル
ム状の光学異方体においては、その複屈折率は例えばＩ
ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ （ＩＳ
Ｏ）４８９５．３（１９８３年版）において定められて
いるように、フィルムの幾何光学的な光軸即ち厚み方向
の屈折率と面内方向の屈折率に基づいて求められる。 本
願において「光学的に負号の異方性層」とは、フィルム
の厚み方向の屈折率がその面内方向の屈折率よりも小さ
いものを指し、このような光学異方体の例としては例え
ば特開平２−１５２３９号公報に開示されているものが
知られている。

【００２１】光学的に負の光学異方性を示すものとして
は、コレステリック液晶セルがあげられる。コレステリ
ック液晶とは液晶分子が螺旋状にねじれた配列をしてお
り、一般の液晶が正の光学異方性を有するのに対しコレ
ステリック液晶は螺旋状のねじれ配列により光学的に負
の光学異方性を示す。コレステリック液晶セル中でのね
じれ角が非常に大きな場合その光学異方性はほぼ対称に
なる。ここで、例えばコレステリック液晶セルの基板表
面に所定の配向層を設けることにより螺旋軸を基板法線
方向から傾けることができる。このようにすることによ
り、コレステリック液晶セルの光学異方性をセル法線方
向に対して非対称にする事ができ、駆動液晶セルの光学
軸な傾きに合わせることができ駆動用液晶セルの視角特
性を完全に補償することができる。よって広視野角でコ
ントラストの高い液晶表示素子が得られる。この時、基
板表面に用いられる配向層としては例えばＳｉＯの斜方
蒸着層などを用いることができる。このとき、コレステ
リック液晶セルの螺旋軸を駆動用液晶セルの光学特性を
補償する方向に傾けることにより、視野角が拡大され、
また、逆に駆動用液晶セルの光学特性を増長する方向に
傾けることにより視角方向を任意の方向に傾けることが
可能である。

【００２２】以上ＴＮ液晶セルを例にとって説明した
が、ＴＮ方式のみならずＳＴ方式やねじれ角が９０゜以
下の小さなねじれ角の表示方式のＬＣＤ、さらには垂直
配列をしたＥＣＢ型の液晶表示素子にも同様な効果が得
られる。

【００２３】また上述のコレステリック液晶セルは、ね
じれ性を持つ高分子液晶層を用いることによっても同様
の機能が得られることは言うまでもなく、この場合、例
えば駆動用液晶セルの基板の少なくともどちらか一方
に、この様な高分子液晶層を塗布することにより得ら
れ、製造上容易となりより望ましい液晶表示素子が得ら
れる。この場合もちいる基板上に所定の配向処理を行う
ことや、用いる高分子液晶材料構造を変化させることに
より螺旋軸の傾きを変化させることができる。用いる高
分子液晶としては、例えばポリシロキサン主鎖とし、側
鎖にビフェニルベンゾエートとコレステリル基などを適
当な比で有した様な高分子共重合体液晶などを用いるこ
となどができる。

【００２４】

【実施例】以下本発明の液晶表示素子の実施例を詳細に
説明する。

【００２５】（実施例１） 図８及び図９に本実施例におけるセル構成を示す。液晶
表示素子は２枚の偏光板１、４と、これらの間に光学異
方素子としての補償用液晶セル２と駆動用液晶セル３と
を挟む構成を有している。偏光板１は透明基板１ａの内
側に偏光膜１ｂを付けたものであり、偏光板４も同様に
透明基板４ａに偏光膜４ｂをつけて形成される。又これ
ら偏光板１、４の吸収軸(1.1),(4.1) はそれぞれ平行す
るように配置される。

【００２６】補償用液晶セル２はこれらの偏光板１、４
間に配置され、透明基板２ａ, ２ｂ間に液晶２ｃを介在
させた液晶セル構造を有している。

【００２７】駆動用液晶セル３は補償用液晶セル２と偏
光板４間に配置される。上側基板３ａと下側基板３ｂと
はそれぞれ透明電極３ｃ、３ｄ間を形成しており、駆動
電源３ｆに接続される。基板３ａ, ３ｂ間にねじれネマ
ティック液晶がねじれ角が９０゜で導入され、駆動電源
３ｆから印加電圧に応じて状態を変化する。

【００２８】駆動用液晶セル３の液晶の光軸は下側基板
３ｂから上側基板３ａへと反時計回りにねじれている
（左ねじれ）。(3.1),(3.2) は、それぞれ上側と下側の
基板のラビング軸でこれらは互いに直交し、図中のｙ軸
とラビング軸(3.1) がｚ方向から見て右回りに４５゜で
配置される。セル３のリタデーション値は４５０nmであ
る。この様なＴＮセルに電圧を印加した場合、光軸はｚ
軸正の方向で負のｘ軸方向になる。

【００２９】補償用液晶セル２は５４９０゜ねじれ（右
ねじれ１５．２５回転）の液晶セルである。基板表面に
はそれぞれ基板法線から８５゜でＳｉＯを斜方蒸着され
た膜が設けられており、(2.1) 、(2.2) はそれぞれ上側
と下側の基板２ａ, ２ｂの蒸着方向を示しており、補償
用液晶セル２中の螺旋軸は基板法線からｚ軸正の方向で
負のｘ軸方向に３１゜傾いている。

【００３０】本構成の液晶表示素子の等コントラスト比
−方位角特性（明状態：駆動電源３ｆから液晶セル電極
間に１Ｖ印加、暗状態：駆動電源３ｆから液晶セル電極
間に５Ｖ印加）を図１０に従来例を図４に合わせて示
す。従来例と比較すると、どの方位でも視角３０゜まで
はコントラスト比３５：１以上を得ることができ、視角
特性が大幅に向上した。また、従来ノーマリークローズ
方式では暗状態の表示色が着色していたのに反して、良
好な黒色が得られた。

【００３１】（実施例２）実施例１の構成において、駆
動用液晶セル３は液晶層に電圧を印加する透明電極が具
備されたねじれ角が２４０゜のＳＴ形の液晶セルで、下
側基板から上側基板へと反時計回りにねじれており液晶
のプレチルト角は５°である。

【００３２】ラビング軸(3.1) は、ｚ軸より見て反時計
回りに＋６０゜になるように配置し、ラビング軸間の角
度は１２０゜である。セル３のリタデーション値は８４
５ｎｍである。偏光板１の吸収軸(1.1) はｘ軸かｚ軸よ
り見て反時計回りに６０゜、偏光板４の吸収軸(4.1) は
ｘ軸から１５０゜である。

【００３３】補償用液晶セル２は、下側基板から上側基
板へと時計回りに１５．２５回転し、基板表面にはそれ
ぞれ配向膜が有り、２枚の基板表面で直交するようにラ
ビングが施されている。補償用液晶セル２中の補償用液
晶層の螺旋軸は基板法線から５°傾いている。

【００３４】本構成で６４０×４００ドットのスーパー
ツイスト型ＬＣＤを作成し、１／２００dutyでフレーム
間引き方式により１６階調表示したところ、視点を変化
させても１６階調間の識別ができる高コントラストなＬ
ＣＤが実現できた。視角特性を測定したところ、６０゜
コーンでコントラスト比１２：１以上が得られ、入射角
が６０゜以上でも表示画の反転や表示色の変化の無い良
好な白黒表示が得られた。

【００３５】（実施例３）実施例１において、駆動用液
晶セル３としてホメオトロピック配列をした液晶セルが
配置される。液晶のプレチルト角は、基板法線から２゜
である。

【００３６】偏光板１の吸収軸(1.1) はｚ軸からみて反
時計回りにｘ軸に対し４５°となるように配置した。

【００３７】補償用液晶セル２は５４９０゜ねじれ（右
ねじれ１５．２５回転）の液晶セルである。基板表面に
はそれぞれ配向膜が有り、２枚の基板表面で直交するよ
うにラビングが施されている。補償用液晶セル２中の螺
旋軸は基板法線から２゜傾いている。

【００３８】本構成で６４０×４８０ドットのＥＣＢ型
ＬＣＤを作成し、１／２４０dutyで単純マルチプレクス
駆動したところ、視点を変化させても表示パターンのが
識別できる高コントラスト表示のＬＣＤが実現できた。
視角特性を測定したところ、６０゜コーンでコントラス
ト比１０：１以上が得られ、入射角が６０゜以上でも表
示画の反転や表示色の変化の無い良好な表示が得られ
た。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、液晶表示素子の視角特
性が改善され、視認性にすぐれる高品位表示の液晶表示
素子を提供することができる。また、本発明をＴＦＴや
ＭＩＭなどの３端子、２端子素子を、用いたアクティブ
マトリクス液晶表示素子に応用しても優れた効果が得ら
れることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】液晶セルに電圧が印加された状態における液晶
セル厚み方向の分子配列を示す図。

【図２】図１の液晶分子のチルト角とツイスト角の座標
系を示す図。

【図３】９０゜ねじれ液晶セルの電圧印加時の分子配列
状態を示す傾斜図。

【図４】従来のＴＮ型液晶表示素子の等コントラスト特
性を説明する図。

【図５】第４図の観測点の座標系を説明する図。

【図６】液晶分子が立った状態の三次元の屈折率楕円体
を示す図。

【図７】図６の屈折率楕円体を光学補償する屈折率楕円
体を説明する図。

【図８】本発明の実施例１の液晶表示素子を示す断面
図。

【図９】本発明の実施例１の液晶表示素子の構成を示す
分解斜視図。

【図１０】実施例１の効果を説明する図。

【符号の説明】

１、４ ・・・偏光板 ２・・・補償用液晶セル ３・・・駆動用液晶セル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽藤 仁 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株式会社東芝 横浜事業所内 (56)参考文献 特開 平２−282725（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−253233（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−223914（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−271419（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−271429（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−68517（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/1335 510 G02F 1/1347

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光軸を有し、光学的に負の光学異方性層
   からなり前記光軸が前記光学異方性層の法線方向から傾
   いていることを特徴とする光学補償用の光学異方素子。
2. 【請求項２】 前記光学異方性層は液晶層からなること
   を特徴とする光学異方素子。
3. 【請求項３】 前記光学異方性層は高分子液晶層からな
   ることを特徴とする請求項１記載の光学異方素子。
4. 【請求項４】 基板間に液晶が配置された駆動用液晶セ
   ルと、この駆動用液晶セルの外部に配置され，かつ光軸
   を有し、光学的に負の光学異方性層からなり前記光軸が
   前記光学異方性層の法線方向から傾いている光学補償用
   の光学異方素子とを備えたことを特徴とする液晶表示素
   子。
5. 【請求項５】 前記駆動用液晶セルは、２枚の基板間で
   液晶が電圧無印加時にねじれ配列をし、かつしきい値以
   上の電圧が印加された時の液晶分子が全体として前記基
   板表面に対して傾いて配列しており、 前記光学異方素子は、前記駆動用液晶セルに電圧が印加
   された状態で、前記駆動用液晶セルのもつ３次元の屈折
   率楕円体を前記光学異方素子のもつ屈折率楕円体によっ
   て、複数の異なる観察方位に対して垂直な２次元面で円
   となるように構成される ことを特徴とする請求項４記載
   の液晶表示素子。
6. 【請求項６】 前記光学異方素子は液晶セルで構成され
   てなる請求項５記載の液晶表示素子。
7. 【請求項７】 前記光学異方性素子を構成する前記液晶
   セルは配向膜を有し、この配向膜の配向処理により前記
   液晶セルの光軸が傾いていることを特徴とする請求項６
   記載の液晶表示素子。
8. 【請求項８】 前記光学異方性層は高分子液晶層である
   ことを特徴とする請求項４記載の液晶表示素子。
9. 【請求項９】 前記駆動用液晶セルはＴＮ型液晶セルで
   あることを特徴とする請求項４記載の液晶表示素子。
10. 【請求項１０】 前記駆動用液晶セルはＳＴＮ型液晶セ
    ルであることを特徴とする請求項４記載の液晶表示素
    子。
11. 【請求項１１】 前記駆動用液晶セルはＥＣＢ型液晶セ
    ルであることを特徴とする請求項４記載の液晶表示素
    子。