JP2879087B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

液晶表示素子

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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、特に位相板型の色補償
板を用いたSTN型液晶表示素子に関するものである。
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕
従来主に用いられてきた液晶表示素子の表示モード
は、ツイステッドネマティック(TN)型と呼ばれ、一対
の上下基板間で液晶分子が約90゜ねじれた構造をとって
おり、液晶による偏光面の回転と電圧印加時におけるそ
の効果の消失を利用している。この表示方式は、白黒表
示であるため優れたシャッター効果がありカラーフィル
ターを画素ごとに設けることにより比較的容易に多色表
示ができるという利点があるが、電圧−透過率特性のし
きい値特性が悪いため高時分割駆動や困難であるという
欠点があり、大容量表示ではコントラスト低下や視野角
が狭くなる等の問題があった。
そこで電圧−透過率特性の急峻性を改良すべく液晶分
子のねじれ角を大きくし、偏光板の偏光軸を液晶の配向
方向とずらすことにより液晶による複屈折効果を利用す
る方式が提案され、SBE(super twisted birefrin genc
e effect)またはSTN(super twisted nematic)モード
と呼ばれている。この方式はしきい値特性が優れていれ
るため時分割駆動においてもコントラスト低下が少な
く、視野角も広いという優れた特性を持つ反面、複屈折
効果を利用するため着色表示となってしまい、さらにこ
のままではカラー化も困難であった。
最近になってSTNモードの着色現象を軽減化するため
に、逆のねじれの向きを持つ液晶セルを2つ積層し、一
方を駆動用、もう一方を補償板として用い、複屈折によ
る色付きを補償して白黒表示を行わせる2層型のSTN型
液晶表示素子が開発された。しかしながらこの2層方式
は、正面から見た場合は白黒表示であるが、斜めから見
ると色付きを生じたり、液晶セルを2枚用いるために素
子が厚くまた重くなってしまう上、生産性が悪いとう問
題がある。
これらの問題は補償セルを複屈折性の高分子フィルム
に置き換えることにより改善することができる(位相板
型白黒表示STN液晶表示素子)。しかしながらこの位相
板方式では、十分なコントラストを得ることができない
上、さらに視野角が狭くなるという問題があった。
液晶セルを2枚重ねた2層方式において、補償セルの
代わりにねじれ配向した液晶性高分子補償板を用いる方
法が提案されている。この方式は、塗布、配向された液
晶性高分子を補償板の主要構成要素として用いる。液晶
性高分子はガラス転移点以下に冷却することにより液晶
状態での配向状態を固定化できる。ガラス転移点が室温
以上である液晶性高分子を液晶状態でねじれ配向させた
のち冷却すれば、補償用の液晶セルと同等の補償性能を
発現させることができる。固相での自己保持性を利用し
て、液晶性高分子を保持するための基板を1枚とするこ
とができるため、従来の2層型液晶表示素子に較べて補
償板を薄く、したがって素子を薄く構成できる上、コン
トラストも2層方式と同等と優れた特性となる。この場
合、液晶セルを2枚用いた2層型STN液晶表示素子と同
様に、補償用の液晶性高分子層のねじれ角は、駆動用セ
ルとほぼ同じで、逆向きとするのが基本的な考え方であ
った。しかし、このような液晶性高分子補償板を用いた
表示素子においても液晶表示素子特有の問題であるコン
トラスト及び視角依存性のより一層の改善が望まれてい
る。
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされ
たもので軽量、薄型、低コストでしかもコントラスト及
び視角特性がより一層改善された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め、本発明によれば、電極を有
する一対の基板と、該基板に挟持され、正の誘電異方性
を有し、電圧無印加時に略水平にねじれ配向した液晶層
と、略水平配向したねじれ配向状態が固定化された液晶
性高分子層と、該液晶層と該液晶性高分子層との両方を
はさむように配置した偏光子とからなり、該液晶層と該
液晶性高分子層の配向のねじれ角の差が90゜の自然数倍
となっていることを特徴とする液晶表示素子が提供され
る。
以下本発明の構成を図面に基づき詳述する。
第1図は本発明による液晶表示素子の構成例を示す断
面図である。この液晶表示素子では、第1の透光性基板
11と第2の透光性基板21とが離間、対向して配設され、
両基板11,21と外周シール14とによって形成された空間
に液晶が封入されて液晶層15をなし、液晶セル16が形成
されている。基板11と21の内面には液晶層15に電圧を印
加するため透明電極12,22と液晶を一定方向に配向させ
るための配向膜13,23が形成されている。17,27は偏光板
である。液晶セル16と偏光板27の間には液晶性高分子層
35を主たる機能成分とする補償板30が配置される。31は
液晶性高分子層35が形成された基板であり、ガラス、プ
ラスチック等の透明性が高い材料が採用される。
液晶層15において、液晶は正の誘電異方性を有するネ
マティックまたはコレステリック液晶で、配向膜13,23
により、電圧を印加しない状態で基板面にほぼ平行に配
向している。液晶は上下基板の間で螺旋軸を基板面に垂
直に向けたねじれ配向をとっていることが好ましく、そ
のねじれ角は160゜〜360゜であることが好ましい。ねじ
れ角が小さい場合には電圧−透過率特性の急峻性が低下
し、時分割駆動特性が低下する。液晶のねじれ角ω
第2図に示すように下基板11の配向膜13の配向処理方向
(R1)、上基板21の配向膜23の配向処理方向(R2)およ
び液晶のピッチと液晶層15の厚さを制御することによっ
て容易に制御が可能である。液晶層のリターデーション
RLは液晶の屈折率異方性ΔnLと液晶層15の厚さdLの積Δ
nL・dLで定義される。RLは、良好なコントラストを得る
ためには0.4〜1.5μmの範囲であることが好ましく、0.
6〜1.0μmの範囲であることが特に好ましい。
補償板30は配向固定化された液晶性高分子層35と、該
液晶性高分子層35を保持するための透光性基板31とから
基本的に構成される。液晶性高分子として、室温では固
相を示し室温以上の温度では液晶性を示すものを用いる
ことにより、室温での配向を安定化させ、対向基板を省
略している。補償板用基板31の液晶性高分子層35と接触
する面には、液晶性高分子を基板に対して平行に、かつ
特定の方向に配列させるための配向処理が施されてお
り、該基板31上において液晶性高分子は該配向処理の方
向(R3)に配向している。R3はR2とほぼ直交しているこ
とが必要で、この条件が満たされない場合、補償効果が
低下して、コントラストが低下したり、色付きを生じ
る。具体的な角度で示すと、両者の交角δは60゜〜120
゜の範囲であることが必要で、70゜〜110゜の範囲であ
ることがより好ましい。液晶性高分子としては液晶相に
コレステリック相またはネマティック相を有するものを
特に好ましく用い、これらの相を呈する温度で液晶性高
分子の配向制御がなされる。より完全な補償効果を得る
ために、液晶性高分子層35においてその分子は液晶層15
の分子とは逆の向きにねじれているのが好ましい。液晶
性高分子層35の配向のねじれ角ωはその厚さと自然ピ
ッチを制御することにより任意に設定可能である。
本発明の特徴は、液晶性高分子を均一に配向させ、そ
れを固定化することによって作成した補償板30を用い、
かつ液晶層15と液晶性高分子層35の配向のねじれ角ωL,
ωの差を90゜の自然数倍とすることにある。第2図の
例では、ωω+90゜の場合を例示している。下側
偏光板17の透過軸P1とR1の成す角をα、液晶性高分子層
35の配向処理の施されていない界面での分子配向方向D
とそれに隣接する偏光板27の透過軸P2の成す角をβとす
ると、両方とも20〜70゜の範囲が好ましい。P1とP2は両
方を90゜回転しても同様である。
第3図に、ω=240゜、α=45゜、δ=90゜とし、
ωを変化させたときの明るさの変化の様子を示した。
ΔnC・dCとβは微調整して、各ツイスト角で最も暗くな
る値、および方向とした。第3図の結果は、背景色が最
も暗く(黒く)なる条件を示しており、ωがω=24
0゜から90゜ずれるごとに暗い状態が現れることがわか
る。ωがωよりも小さい側でも暗い状態が得られる
が、一般に大きなねじれ構造(ツイスト角が大きいほ
ど)をとらせたほうが、表示の視角依存性が小さくなる
ので、ωが>ωのほうが好ましい。
液晶セルの基板または液晶性高分子層のための基板と
しては透光性を有するガラス、プラスチックなどを用い
る。液晶性高分子層のための基板が液晶セルや偏光板を
かねることも可能である。プラスチック基板としては、
ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリアリレート等の
光学的に等方性の基板を特に好ましく用いる。他のポリ
エチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン
なども例示できる。
本発明の液晶表示素子の各基板における配向処理は、
液晶分子が電圧無印加時に略水平配向するように行わ
れ、この配向処理方向に沿って液晶分子が配向する。こ
の場合、液晶分子の配向に関していう略水平とは、液晶
分子の基板に対する傾き角がおおよそ0゜〜30゜の範囲
にあることを言う。この配向制御は、基板に対して、従
来公知の斜方蒸着や、無機または有機被膜を形成した後
に綿布などでラビングすることにより行うことができ
る。具体的にはポリアミド、ポリイミドなどの高分子被
膜等にラビング処理したものや、SiO、MgO、MgF2などを
斜め蒸着したものを好適に用いる。
液晶性高分子は、高温の液晶相を呈する温度で配向さ
せたのち室温付近に急冷することにより固相で配向した
膜を得ることがきる。これを利用することにより液晶性
高分子層を基板上に、本構成例のように片面のみ基板に
接する形で形成することができ、2層方式のように2枚
の基板を用いてセルを形成する必要が無くなる。そのた
め補償板を薄く、軽量に作製することができる。この様
な理由により、液晶性高分子の液晶相を呈する温度は室
温より高いことがより好ましく、60℃以上であることが
特に好ましい。本発明で用いる液晶性高分子の構造は特
に限定されるものでは無く、一般的に知られるアクリル
形やポリシロキサン系の側鎖にメソーゲンを導入した側
鎖型の液晶性高分子や、ビフェニル、安息香酸フェニル
エステルなどのメソーゲンを主鎖に含む主鎖形の液晶性
高分子が代表的である。以下にその主な具体例の構造を
列挙する。
ポリエステル、ポリエステルアミド、ポリカーボネー
ト、ポリエーテルなどで主鎖に液晶性残基を有する下記
構造の主鎖型液晶性高分子: (但し、Phはフェニレン基、 *は不斎炭素原子、nは0〜18の整数を表わす。) ビニル系高分子、ポリシロキサン等で側鎖に液晶性残
基を有する下記構造の側鎖型液晶性高分子: (但し、R3はアルキル基、アルコキシ基、ハロゲン原
子、ニトロ基又はシアノ基であり、nは0〜18の整数を
表わす。) 〔実施例〕 つぎに本発明を実施例により更に詳細に説明するが本
発明はここに例示の実施例に限定されるものではない。
実施例1 ガラス基板上に日立化成製のポリイミドワニスPIQを
スピンコート法で約1000Åの厚さに塗布し、ついで270
℃で焼成してポリイミド膜を形成した。ついでポリイミ
ド膜上をテトロン植毛布で一方向にこすり、ラビング処
理を行った。
下記aで示される繰返し単位を持ちガラス転移点が70
℃のネマティック液晶性ポリシロキサン系液晶性高分子
と下記bで示される繰返し単位を持ち光学活性基を有す
るポリシロキサン系液晶性高分子をフェノール/テトラ
クロロエタン混合溶媒(重量比50:50)に25重量%とな
るように溶解させた。高分子(a)と高分子(b)の割
合は3:2(重量比)とした。
この溶液を先の配向膜上にスピンコート法により塗布
し、ついで70℃で擦燥後、高分子(a)がネマティック
相を呈する170℃で30分間熱処理を行った後、室温に急
冷し、ねじれ角が330゜(右ねじれ)でRcが0.93μmの
補償板を作製した。
別のガラス基板上に、日立化成製のポリイミドワニス
LQ1800をスピンコート法で約1000Åの厚さに塗布し、つ
いで270℃で焼成してポリイミド膜を形成した。ついで
ポリイミド膜上をテトロン植毛布で一方向にこすること
により、ラビング処理を行った。同様の処理を施した基
板とこの基板を、ラビング方向が240゜の角度を成すよ
うに6.3μm径のスペーサーを介して貼りあわせ、基板
間の空隙にメルク製のネマティック液晶ZLI2293に光学
活性物質であるS811を添加した混合液晶を注入した。得
られた液晶セルはねじれ角が240゜(左ねじれ)で、RL
は0.82μmであった。
この様にして得られた補償板と液晶セルを重ね、上下
を偏光板で挟んで、液晶表示素子を作製した。なお、角
度配置はδ=90゜、α=β=45゜とした。
この液晶表示素子をデューティ1/200の時分割駆動で
駆動させたところ、第5図に示すように、優れた白黒表
示が行えた。
〔発明の効果〕
本発明では、STN型液晶表示素子において、配向固定
化した液晶性高分子層を光学補償板として用い、液晶性
高分子層の配向のねじれ角と、液晶層の配向のねじれ角
との差を90゜の自然数倍としているので、液晶セルを二
枚用いたときとほぼ同等の特性を有しながらも、軽量、
薄型で、コストも安く、しかもコントラストが高くかつ
視角依存性が小さい白黒型、液晶表示素子を提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による液晶表示素子の一構成例を示す断
面図、第2図は本発明の液晶表示素子を構成する各要素
の角度関係を示す図、第3図は本発明の実施例の液晶表
示素子の表示特性を示す図である。 11,21……基板 12,22……透明電極 12,23……配向膜 14……外周シール 15……液晶層 16……液晶セル 17,27……偏光板 30……補償板 31……基板 35……液晶性高分子層
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−183625(JP,A) 特開 平1−94317(JP,A) 特開 平1−519(JP,A) 特開 平1−282519(JP,A) 特開 平2−214815(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/133 500 G02F 1/1335 510

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電極を有する一対の基板と、該基板に挟持
    され、正の誘電異方性を有し、電圧無印加時に略水平に
    ねじれ配向した液晶層と、略水平配向したねじれ配向状
    態が固定化された液晶性高分子層と、該液晶層と該液晶
    性高分子層との両方をはさむように配置した偏光子とか
    らなり、該液晶層と該液晶性高分子層の配向のねじれ角
    の差が90゜の自然数倍となっていることを特徴とする液
    晶表示素子。
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