JP3308863B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示素子に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶は表示素子として非常に広範囲で用
いられている。現在用いられている液晶表示素子には、
代表的なものとして、ＴＮ（twisted nematic ）モード
の液晶表示素子とＳＴＮ（super-twisted nematic ）モ
ードの液晶表示素子が挙げられる。

【０００３】図７（ａ）に示すように、ＴＮモードの液
晶表示素子は、上下の基板のラビング方向が９０°ずれ
ているため、内部のネマチックまたはキラルネマチック
の液晶分子１０３も９０°ねじれた配向状態となってい
る。そして、上下の基板の偏光板１０１・１０２の偏光
軸を９０°ねじれた状態で配置した場合、下の偏光板１
０１を透過した光は、液晶分子１０３のねじれに沿って
旋光しながら液晶セル内を透過する。そして、光の電場
ベクトルが上の偏光板１０２と平行になっているため、
光は上の偏光板１０２を透過する。その結果、白状態が
得られる。

【０００４】ここで、図７（ｂ）に示すように、セルの
上下方向に電界を印加すると、液晶分子１０３が正の誘
電異方性を有するため、液晶分子１０３は、その長軸方
向が電界と平行であるような配向状態になる。この状態
では、液晶分子１０３はねじれていないため、光の旋光
は起こらず、光は上の偏光板１０２を透過しない。その
結果、黒状態が得られる。

【０００５】このように、ＴＮ液晶表示素子では、電圧
のＯＮ、ＯＦＦによって白黒表示を可能としている。し
かし、モーガンの極限を満たすため、セル厚が５μｍ程
度と厚くなる。

【０００６】また、図８（ａ）に示すように、ＳＴＮモ
ードの液晶表示素子は、上下の基板のラビング方向が２
４０°程度ずれており、内部のキラルネマチックの液晶
分子１１３も、ねじれ角が２４０°程度となるようにピ
ッチ補償がしてある。そして、電圧無印加時に白状態が
得られるが、その仕組みはＴＮ液晶表示素子と異なり、
下の偏光板１１１を透過した光が、楕円偏光となって上
の偏光板１１２を透過することによっている。

【０００７】ここで、図８（ｂ）に示すように、セルの
上下方向に電界を印加すると、ＴＮ液晶表示素子と同
様、液晶分子１１３が立ち、光は上の偏光板１１２を透
過しない。その結果、黒状態が得られる。

【０００８】さらに、最近、ＯＣＢ（optically compen
sated birefringence ）モードの液晶表示素子が発表さ
れている。図９（ａ）に示すように、このモードのセル
は、配向膜１２１・１２２と液晶分子１２５ａを含むベ
ンド・セル１２５、偏光板１２３・１２４、２軸性フィ
ルム１２６とからなっている。また、配向膜１２１・１
２２のラビング方向がほぼ平行なパラレルラビングであ
る。

【０００９】ベンド・セル１２５はＴＮセル（図８
（ａ））と異なり、バイアス電圧が必要である。ベンド
・セル１２５は、上下の基板１２７・１２８に対して、
２次元で配向している。したがって、バイアス電圧がか
かっていないときは、液晶分子１２５ａはスプレイ配向
状態になっている。このスプレイ配向状態の液晶分子１
２５ａに電圧を加えると、スプレイ配向状態、ツイスト
配向状態、ベンド配向状態の三つのうちのいずれかにな
る。

【００１０】そこで、ベンド・セル１２５の上下の基板
１２７・１２８にバイアス電圧を印加することにより、
初期状態であるベンド配向状態（状態Ｉ、図９（ｂ））
を達成する必要がある。その後、電圧変化によって液晶
分子１２５ａの配向状態を、ベンド配向状態である状態
Ｉ（図９（ｂ））と、垂直配向状態である状態II（図９
（ｃ））との間で制御することにより、光の透過率を変
化させる。このベンド・セル１２５をノーマリーブラッ
クの液晶表示素子に用いた場合の光の透過率は、図１０
に示すようになる。なお、グラフ中のＩとIIは、上記の
状態ＩとIIを表す。（内田：「広視野角と高速応答を同
時に実現するセル技術を開発」、『フラットパネル・デ
ィスプレイ '９５』、日経ＢＰ社、p.150 、(1994)）

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】液晶セルの応答時間
は、液晶層の厚みの二乗にほぼ比例して長くなるので、
液晶テレビなどのように速い応答特性が必要な場合に
は、セルの厚みを数μｍ程度と薄くしなければならな
い。

【００１２】この点、上記従来のＴＮモードの液晶セル
は、モーガンの極限を満たす必要があるために液晶層の
厚みが５μｍ程度と厚くなり、応答速度は遅い。また、
上記従来のＳＴＮモードの液晶セルは、ねじれ角が大き
いため応答速度が遅かった。

【００１３】加えて、液晶層が厚いと、視角依存性が悪
化して見る方向や角度によって色や明るさなどが変化し
てしまい、広視野角を実現することが難しかった。

【００１４】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもので、その目的は、ＴＮモード以上の応答速
度および広視野角を有する新規なモードの液晶表示素子
を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の液晶表示素子
は、上記の課題を解決するために、正の誘電異方性を有
する、ネマチック液晶材料からなる液晶層またはキラル
ネマチック液晶材料からなる液晶層を、該液晶層に電圧
を印加する電極を有する一対の基板間に保持した液晶表
示素子において、上記液晶層は、その液晶分子が印加電
圧の大きさに応じて少なくとも、ねじれた垂直配向状態
とねじれた水平配向状態とを取り得る液晶材料からな
り、かつ、上記液晶層の液晶分子のねじれた水平配向状
態およびねじれた垂直配向状態の二つの状態を用いて、
画素の表示状態のスイッチングを行うものであることを
特徴としている。

【００１６】上記の構成により、正の誘電異方性を示す
液晶材料からなる液晶層にバイアス電圧を印加すること
で、その印加電圧の大きさに応じて液晶層の液晶分子を
ねじれた垂直配向状態とねじれた水平配向状態にするこ
とができる。

【００１７】これにより、上記液晶層の液晶分子のねじ
れた水平配向状態とねじれた垂直配向状態の二つの状態
を用いて、画素の表示状態のスイッチングを行うことが
できる。したがって、これら二つの液晶分子の配向状態
を用いた新たなモードの液晶表示素子を形成することが
できる。

【００１８】加えて、請求項１の液晶表示素子は、上記
液晶層は、感光性モノマーが添加されているとともに、
閾電圧Ｖth1 以上の電圧を印加し、液晶分子をねじれた
垂直配向状態あるいは垂直配向状態とした後、紫外線露
光を行い、液晶分子をねじれた垂直配向状態あるいは垂
直配向状態に安定化することによって、印加電圧を閾 電
圧Ｖth2 （Ｖth1 ＞Ｖth2 ）とした後の液晶分子の配向
状態がねじれた水平配向状態に安定化されていることを
特徴としている。

【００１９】上記の構成により、感光性のモノマーを液
晶中に混ぜ、閾電圧Ｖth1 以上の電圧を印加し、液晶分
子をねじれた垂直配向の状態にした後、紫外線露光を行
い、液晶分子をねじれた垂直配向の状態に安定化するこ
とによって、印加電圧を閾電圧Ｖth2 としたときの配向
状態をねじれた水平配向の状態に安定化することができ
る。

【００２０】これにより、印加電圧を上記閾電圧Ｖth2
とした後、液晶分子の配向状態をねじれた水平配向の状
態に安定化することができるため、白状態を連続して表
示することができる。よって、上記液晶表示素子を単純
マトリックスやアクティブマトリックスに用いて、画像
を表示することができる。

【００２１】請求項２の液晶表示素子は、上記の課題を
解決するために、請求項１の構成に加えて、上記の一対
の基板は、そのラビング方向がほぼ一致し、かつ、該一
対の基板に一枚ずつ設けられた一対の偏光板は、一方の
偏光板の偏光軸が上記ラビング方向とほぼ一致するとと
もに、該一方の偏光板の偏光軸と他方の偏光板の偏光軸
とが直交し、かつ、該一対の基板間の厚さは、モーガン
の極限から決まる厚さよりも薄いことを特徴としてい
る。

【００２２】上記の構成により、請求項１の構成による
作用に加えて、正の誘電異方性を示す液晶材料からなる
液晶層の液晶分子は、一対の基板のラビング方向がほぼ
一致しているため、初期状態である電圧無印加時におい
てスプレイ配向状態をとり、閾電圧Ｖth1 以上の電圧印
加時においてねじれた垂直配向状態をとり、その後閾電
圧Ｖth2 （Ｖth1 ＞Ｖth2 ）の電圧印加時においてねじ
れた水平配向状態をとる。

【００２３】これにより、液晶層に閾電圧Ｖth1 以上の
電圧を印加し、液晶分子をねじれた垂直配向状態にした
とき、偏光板の偏光軸が直交しているため、液晶表示素
子を黒状態にすることができる。また、その後印加する
電圧を閾電圧Ｖth2 とし、液晶層の液晶分子をねじれた
水平配向状態にしたとき、液晶表示素子を白状態にする
ことができる。ここで、白状態になる理由は、液晶セル
をモーガンの極限から決まる厚さよりも薄く（例えば、
３μｍ以下）することにより、光は液晶層中を液晶分子
に沿って途中まで旋光するが、液晶分子のねじれ角が大
きいため最後まで液晶分子に沿うことができず、その後
は複屈折によって光が透過するためである。

【００２４】以上より、上記液晶層の液晶分子のねじれ
た水平配向状態とねじれた垂直配向状態の二つの状態を
用いて、画素の表示状態のスイッチングを行うことがで
きる。したがって、これら二つの液晶分子の配向状態を
用いた、新たなモードの液晶表示素子を形成することが
できる。

【００２５】また、液晶セルをモーガンの極限から決ま
る厚さよりも薄く（例えば、３μｍ以下）することによ
り、従来のＴＮモードの液晶表示素子よりも応答速度を
高速にすることができるとともに、広視野角を確保する
ことができる。さらに、十分なコントラストも確保する
ことができる。

【００２６】請求項３の液晶表示素子は、請求項１また
は２の構成に加えて、上記液晶層は、電圧を印加しない
時、液晶分子の配向状態がスプレイ配向状態であること
を特徴としている。

【００２７】請求項４の液晶表示素子は、上記の課題を
解決するために、請求項１または２の構成に加えて、上
記液晶層は、上記液晶層の液晶分子のねじれた水平配向
状態におけるねじれ角が上記の一対の基板間でほぼ１８
０°となるように、キラル剤が添加されていることを特
徴としている。

【００２８】上記の構成により、請求項１または２の構
成による作用に加えて、液晶にキラル剤を添加し、１８
０°ねじれの液晶とすることによって、印加電圧を上記
閾電圧Ｖth2 としたときの配向状態を、ねじれた水平配
向の状態に安定化することができる。

【００２９】これにより、印加電圧を上記閾電圧Ｖth2
とした後、液晶分子の配向状態をねじれた水平配向の状
態に安定化することができるため、白状態を連続して表
示することができる。また、白状態のときのディスクリ
ネーションの発生を防ぐことができる。よって、上記液
晶表示素子を単純マトリックスやアクティブマトリック
スに用いて、画像を表示することができる。

【００３０】請求項５の液晶表示素子は、上記の課題を
解決するために、請求項１の構成に加えて、上記の一対
の基板は、そのラビング方向がほぼ一致し、かつ、上記
液晶層は、二色性色素が添加されていることを特徴とし
ている。

【００３１】上記の構成により、請求項１の構成による
作用に加えて、棒状構造の二色性色素を用いると、色素
分子は液晶分子に平行に配向する性質があるので、電界
を印加して液晶分子の配向状態を変化させると、色素の
配向方向も変化する。この色素は方向によって着色した
りしなかったりするので、電圧を印加することによって
セルの着色、無着色を切り換えることができる。

【００３２】これにより、液晶分子の配向方向がほぼ一
致している液晶セルに、二色性色素を添加することによ
って、上記閾電圧Ｖth1 以上の電圧の印加時には、液晶
分子がねじれた垂直配向の状態となり、光が二色性色素
に吸収されずに透過するため、白状態とすることができ
る。また、印加電圧を上記閾電圧Ｖth2 としたときに
は、液晶分子がねじれた水平配向の状態となり、光が二
色性色素に吸収されるため、黒状態とすることができ
る。

【００３３】したがって、白黒表示を安定して行えるた
め、上記液晶表示素子を単純マトリックスやアクティブ
マトリックスに用いて、画像を表示することができる。
また、偏光板を設置しなくてもよいため、反射型ディス
プレイにも使用することができる。

【００３４】請求項６の液晶表示素子は、上記の課題を
解決するために、請求項１または２の構成に加えて、上
記液晶層の液晶分子がねじれた水平配向状態であると
き、スプレイ配向状態への転移が始まる前に、ねじれた
水平配向状態を維持するに十分な電圧と印加時間を有す
る波形のリセットパルスを印加することを特徴としてい
る。

【００３５】上記の構成により、請求項１または２の構
成による作用に加えて、上記液晶表示素子に、上記閾電
圧Ｖth1 以上の電圧を印加し、液晶分子をねじれた垂直
配向状態として黒状態にした後、印加電圧を上記閾電圧
Ｖth2 とし、液晶分子をねじれた水平配向として白状態
にする。その後、液晶分子が、ねじれた水平配向状態か
らスプレイ配向状態への転移が始まる前に、液晶層にリ
セットパルスを印加することによって、液晶分子をねじ
れた水平配向状態に維持することができる。

【００３６】これにより、印加電圧を上記閾電圧Ｖth2
としたとき、液晶分子の配向状態をねじれた水平配向の
状態に維持することができるため、白状態を連続して表
示することができる。

【００３７】したがって、上記液晶表示素子を単純マト
リックスやアクティブマトリックスに用いて、画像を表
示することができる。

【００３８】請求項７の液晶表示素子は、上記の課題を
解決するために、請求項１または２の構成に加えて、上
記リセットパルスを周期的に印加することを特徴として
いる。

【００３９】上記の構成により、請求項１または２の構
成による作用に加えて、上記液晶表示素子に、上記閾電
圧Ｖth1 以上の電圧を印加し、液晶分子をねじれた垂直
配向状態として黒状態にした後、印加電圧を上記閾電圧
Ｖth2 とし、液晶分子をねじれた水平配向状態として白
状態にする。その後、液晶分子が、ねじれた水平配向状
態からスプレイ配向状態への転移が始まる前に、周期的
に液晶層にリセットパルスを印加することによって、液
晶分子をねじれた水平配向状態に維持することができ
る。

【００４０】これにより、印加電圧を上記閾電圧Ｖth2
とした後、液晶分子の配向状態をねじれた水平配向の状
態に維持することができるため、白状態を連続してより
安定して表示することができる。

【００４１】したがって、上記液晶表示素子を単純マト
リックスやアクティブマトリックスに用いて、画像を表
示することができる。

【００４２】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について図
１から図６に基づいて説明すれば、以下のとおりであ
る。

【００４３】まず、本実施の形態に係る液晶セルの基本
的な構成について、図２を参照しながら説明する。

【００４４】本実施の形態に係る液晶セル１６は、互い
に対向する２枚のガラス基板１・２を有している。な
お、透光性かつ絶縁性を有しておれば、ガラス基板１・
２の代わりにポリメチルメタクリレート等の樹脂からな
る基板を用いてもよい。

【００４５】上記ガラス基板１の表面には、例えばイン
ジウム錫酸化物（ＩＴＯ）からなる複数の透明な電極３
…が１０００Åの厚さで互いに平行に形成されている。
上記電極３…の上には、例えばＳｉＯ₂ の斜方蒸着や、
ロールコート法、スピンコート法等によって、透明な絶
縁膜４（Ａ２０１４、日産化学工業株式会社製）が１２
００Åの厚さで積層される。なお、上記絶縁膜４の形成
においては、絶縁膜溶液をスピンコートした後、２００
℃、９０分焼成する。ただし、絶縁膜４は必須のもので
はない。

【００４６】一方、ガラス基板２上には、電極３…と同
じ材料、同じ厚さからなる複数の透明な電極５…が、電
極３…と直交するように互いに平行に配置されている。
その上には、絶縁膜４と同じ材料、同じ厚さからなる透
明な絶縁膜６が積層されている。ただし、絶縁膜６も必
須のものではない。

【００４７】上記絶縁膜４・６上には、ラビング処理な
どの一軸配向処理が施された配向膜７・８（ＳＥ−７７
９２、日産化学工業株式会社製）が５００Åの厚さで形
成されている。なお、上記配向膜７・８は、可溶性ポリ
イミド膜やポリアミック酸などを、ロールコート法また
はスピンコート法などによって基板に塗布し、成膜され
る。本実施の形態では、配向膜溶液をスピンコートした
後、１８０℃、９０分焼成することによって形成する。

【００４８】ここで、プレチルト角は、１°から１０°
程度がよい。なお、本実施の形態で用いた上記配向膜７
・８の材料のプレチルト角（カタログ値）は、７°〜８
°である。

【００４９】ガラス基板１において電極３…が形成され
る側の反対側の面には、偏光板１１が設けられている。
一方、ガラス基板２において電極５…が形成される側の
反対側の面には、偏光板１２が設けられている。

【００５０】上記のように、ガラス基板１、電極３…、
絶縁膜４、配向膜７および偏光板１１により、電極基板
（基板）１３が形成される。一方、ガラス基板２、電極
５…、絶縁膜６、配向膜８および偏光板１２により、電
極基板（基板）１４が形成される。

【００５１】そして、電極基板１３・１４は、散布され
た１．４μｍのスペーサ１５によって、ほぼ均一の間隔
に保たれ、かつシール剤９により貼り合わされている。
ここで、特に、本実施の形態では、図３に示すように、
電極基板１３・１４は、配向膜７・８のラビング方向が
ほぼ一致する（θ：ラビング方向のずれ角、０＜θ＜１
０°）とともに、偏光板１２の偏光軸が、配向膜７・８
のラビング方向のなす挟角の間にあり（φ：偏光軸とラ
ビング方向のなす角、０＜φ＜θ）、偏光板１１の偏光
軸が偏光板１２の偏光軸と直交するよう配置されてい
る。

【００５２】このようにセル厚１．４〜１．５μｍで一
定に保たれた電極基板１３・１４の間に形成された空間
に、液晶分子１０ａ（図１）からなる正の誘電異方性を
有するネマチック液晶材料（Ｅ８、メルク社製）が注入
口（図示しない）より注入されて液晶層１０が形成され
ている。上記注入口は、液晶層１０の形成後、封止剤に
より封止されている。

【００５３】なお、本実施の形態の液晶セル１６は、Ｏ
ＣＢモードの液晶セル（図９（ａ））と、ラビング方向
をほぼ平行とするのは同じであるが、２軸性フィルム１
２６を使わないこと、および、一方の偏光板の偏光軸と
ラビング方向がほぼ一致しており、他方がそれらの方向
と直交するように設けられていることが相違している。

【００５４】つぎに、本実施の形態の液晶セル１６の動
作について、図１、および図４ないし図６を用いて説明
する。

【００５５】液晶セル１６を観察しながら電圧を徐々に
印加していくと、以下のような現象が観察される。

【００５６】（１）０Ｖ 液晶セル１６に電圧を印加しない時、つまり初期状態で
は液晶分子１０ａの配向状態は、スプレイ配向である
（図１（ａ））。したがって、偏光板１１・１２の偏光
軸が直交するよう配置されているため、光は透過せず黒
状態となる（図４（ａ））。また、液晶セル１６の真上
および斜めから観察しても、光のもれはなく黒状態であ
る。

【００５７】（２）０Ｖ〜３Ｖ 液晶セル１６に電圧を印加し、徐々に高くしていく。こ
のとき、液晶セル１６を真上から観察すると黒状態であ
るが、斜めから観察すると光が透過してくるのが見え
る。また、このときの液晶分子１０ａの配向状態は、そ
の長軸が電界と平行に立ち始めている状態である。

【００５８】（３）３Ｖ〜５Ｖ（閾電圧Ｖth1 ） さらに印加する電圧を高くすると、電圧無印加時よりも
黒く、丸いドメインＤ１が液晶セル１６の数カ所から発
生し始める（図４（ｂ））。このドメインＤ１は、斜め
から観察しても黒い。その後、さらに電圧を徐々に高く
すると、５Ｖ程度（閾電圧Ｖth1 ）で液晶セル１６の全
面を覆うまでにドメインＤ１が成長し、液晶セル１６の
全面が黒状態となる（図４（ｃ））。このときの液晶分
子１０ａの配向状態は、ねじれた垂直配向あるいは垂直
配向（ねじれ角が０°）になっている（図１（ｂ））。
なお、図１（ｂ）中の釘は、釘の頭の方が紙面に対して
向こう側に倒れている液晶分子１０ａを示している。

【００５９】（４）微小電圧（１Ｖ以下、閾電圧Ｖth2
）（直後） つづいて、上記の状態（図１（ｂ）・図４（ｃ））で印
加電圧を、５Ｖ（閾電圧Ｖth1 ）から１Ｖ以下の微小電
圧（閾電圧Ｖth2 ）にすると、光は透過し、液晶セル１
６の全面が白状態となる（図４（ｄ））。このときの液
晶分子１０ａの配向状態は、ねじれた水平配向となって
いる（図１（ｃ））。なお、図１（ｃ）中の釘は、釘の
頭の方が紙面に対して向こう側に倒れている液晶分子１
０ａを示している。

【００６０】（５）微小電圧（１Ｖ以下、閾電圧Ｖth2
）（数秒後） 印加電圧を１Ｖ以下の微小電圧（閾電圧Ｖth2 ）とし
て、液晶分子１０ａの配向状態がねじれた水平配向状態
になり（図１（ｃ））、白状態となった（図４（ｄ））
後、時間の経過とともに、白状態の液晶セル１６の数カ
所から、黒く丸いドメインＤ２が成長し始める（図４
（ｅ））。さらに時間が経つと、このドメインＤ２が液
晶セル１６の全面を覆い、初期状態と同じ黒状態になる
（図４（ｆ））。このときの液晶分子１０ａの配向状態
は、初期の配向状態であるスプレイ配向に戻っている
（図１（ａ））。なお、（４）、（５）の微小電圧（１
Ｖ以下、閾電圧Ｖth2 ）は、０Ｖであってもよい。

【００６１】上記のように、本実施の形態に係る液晶セ
ル１６に閾電圧Ｖth1 以上の電圧を印加することで、液
晶分子１０ａの配向状態がねじれた垂直配向か垂直配向
（図１（ｂ））となり黒状態（図４（ｃ））を達成で
き、その後印加電圧を１Ｖ以下の微小電圧（閾電圧Ｖth
2 ）とすることで、液晶分子１０ａの配向状態がねじれ
た水平配向（図１（ｃ））となり白状態（図４（ｄ））
を達成できる。したがって、液晶分子１０ａの、この二
つの配向状態を用いた、新たなモードの液晶表示素子を
形成することができる。

【００６２】ここで、液晶分子１０ａの配向状態につい
て補足しておく。

【００６３】白状態である（４）のときの液晶分子１０
ａの配向状態を調べるため、顕微鏡観察を行うと、図５
に示すようなディスクリネーションＤ３が発生してい
た。そして、（４）において液晶セル１６が白状態にな
るには、 （Ａ）液晶分子１０ａがねじれた水平配向となる （Ｂ）液晶分子１０ａがランダムな方向に倒れる の２通りが考えられる。もし（Ｂ）の配向状態であるな
らば、偏光板の偏光軸と平行な方向が暗くなるようなテ
クスチャーにならなければならないが、そのようなこと
は観察されなかった。したがって、（Ａ）の配向状態に
なっていると考えられる。

【００６４】さらに、（Ａ）の配向状態において、ディ
スクリネーションＤ３が発生することから、白状態では
１８０°ねじれた配向状態（図１（ｃ））をとってお
り、そのため右１８０°ねじれと、左１８０°ねじれが
存在し、ディスクリネーションＤ３はその境界で出現し
ていると考えられる。

【００６５】つぎに、（３）の丸く暗いドメインＤ１の
配向状態を調べるために、（３）において電圧を５Ｖ
（閾電圧Ｖth1 ）まで上げず、ドメインＤ１が若干成長
し始めた段階で電圧を０Ｖ（閾電圧Ｖth2 ）にした。こ
のとき、ドメインＤ１だった部分が、白状態となり、そ
の他の部分は黒い初期状態と同じ状態となった。

【００６６】このことから、ドメインＤ１は白状態であ
る１８０°ねじれ構造と密接な関係があり、そのときの
液晶分子１０ａの配向状態は図１（ｂ）のように垂直配
向、または１８０°ねじれた垂直配向状態となっている
と考えられる。

【００６７】なお、（４）の白状態のときの液晶層１０
には、右ねじれの液晶分子１０ａと左ねじれの液晶分子
１０ａが混在して、ディスクリネーションＤ３（図５）
が発生しているが、このディスクリネーションＤ３の発
生を防止するために、つぎの二つの方法が考えられる。
第一の方法は、電極基板１３・１４のラビング方向のず
れ角θを０°から徐々に大きくすることによって、液晶
分子１０ａのねじれの方向をどちらか一方のねじれに統
一する。第二の方法は、液晶層１０に占めるキラルネマ
チック液晶材料の比率を大きくすることによって、どち
らか一方のねじれ力を強め、液晶分子１０ａのねじれの
方向をどちらか一方に統一する。

【００６８】しかしながら、実際に、このモードを単純
マトリックスやアクティブマトリックスに用いて、画像
を表示する場合、（４）の白状態を保たなくてはならな
い。

【００６９】そこで、白状態を安定化する方法として、
つぎの４つの方法が考えられる。

【００７０】（Ａ）リセットパルスを印加する方法 液晶セル１６に、閾電圧Ｖth1 以上の電圧を印加し、液
晶分子１０ａをねじれた垂直配向あるいは垂直配向の状
態（図１（ｂ））として黒状態（図４（ｃ））にした
後、印加電圧を閾電圧Ｖth2 とし、液晶分子１０ａをね
じれた水平配向（図１（ｃ））として白状態（図４
（ｄ））にし、その後リセットパルスを印加する。ここ
で、印加するリセットパルスは、液晶分子１０ａをねじ
れた垂直配向あるいは垂直配向の状態（図１（ｂ））と
するのに十分な大きさ（閾電圧Ｖth1 以上の電圧）と印
加時間を有する電圧パルスであればよく、また、液晶分
子１０ａの配向状態がねじれた水平配向からスプレイ配
向へ移行する前に印加されればよい。例えば、１フレー
ム（１６ｍｓ）ごとに印加してもよい。

【００７１】本実施の形態では、図６（ａ）に示すよう
に、矩形波の電圧パルスを、ＤＣバランスを考慮して正
負交互に周期的に印加した。このとき、透過光の透過率
の変化は、図６（ｂ）に示すようになった。透過光の透
過率は、電圧パルスの印加終点（Ｔ0 ）より徐々に上昇
して１００％に達し、印加始点（Ｔ3 ）より急速に下降
し０％に達する。これによって、白状態を連続して表示
することができた。なお、詳細な実験結果については後
述する。

【００７２】（Ｂ）感光性モノマーを液晶層に混ぜ、紫
外線照射を行う方法 感光性のモノマーを液晶層１０に混ぜ、閾電圧Ｖth1 以
上の電圧を印加し、液晶分子１０ａをねじれた垂直配向
状態あるいは垂直配向状態（図１（ｂ））として黒状態
（図４（ｃ））にした後、紫外線露光を行い、液晶分子
１０ａをねじれた垂直配向状態あるいは垂直配向状態に
安定化することによって、印加電圧を閾電圧Ｖth2 とし
た後の配向状態を白状態のねじれた水平配向（図１
（ｃ））に安定化することができる。

【００７３】本実施の形態では、ネマチック液晶材料Ｅ
８に感光性モノマーを１％添加し、閾電圧Ｖth1 以上の
電圧を印加し、液晶分子１０ａがねじれた垂直配向状態
あるいは垂直配向状態にして（図１（ｂ））、紫外線を
４ｍＷ／ｃｍ² で３分間照射した。これにより、印加電
圧を閾電圧Ｖth2 とした後、液晶分子１０ａの配向状態
をねじれた水平配向状態（図１（ｃ））に安定化するこ
とができ、白状態を連続して表示することができた。な
お、液晶分子１０ａをねじれた垂直配向状態あるいは垂
直配向状態（図１（ｂ））とするために印加する電圧
は、図６（ａ）に示したようなリセットパルスであって
もよい。

【００７４】（Ｃ）液晶分子のねじれが１８０°となる
ように、液晶材料にキラル剤を添加する方法 ｄ（セル厚）／Ｐ（螺旋ピッチ）≒１／２、すなわち１
８０°ねじれとなるようにキラルネマチック液晶材料を
添加した液晶材料を、液晶層１０に注入する。これによ
り、電圧無印加状態である初期状態で、液晶セル１６は
白状態となる。そして、この液晶セル１６に電圧を徐々
に印加しても、図４（ｂ）に示したようなドメインＤ１
の成長はなく、液晶分子１０ａの長軸が電界方向と平行
に立つにつれて、徐々に暗状態に変化する。さらに、電
圧を切った後もすぐに白状態に戻る。すなわち、液晶分
子１０ａの初期の配向状態を水平配向（図１（ｃ））と
することができ、白状態を安定化することができる。

【００７５】（Ｄ）二色性色素を添加する方法 偏光板のない液晶セルに、二色性色素を添加した液晶材
料を注入する。このような液晶セルに閾電圧Ｖth1 以上
の電圧を印加すると、液晶分子の配向状態はねじれた垂
直配向状態あるいは垂直配向状態（図１（ｂ））とな
り、光は二色性色素に吸収されずに透過する。また、印
加電圧を閾電圧Ｖth2 とすると、液晶分子の配向状態は
ねじれた水平配向状態（図１（ｃ））となり、光が二色
性色素に吸収され、黒状態となる。

【００７６】本実施の形態では、ネマチック液晶材料Ｅ
８に、二色性色素を２％添加して液晶セル１６に注入し
た。あわせて、上下の電極基板１３・１４から、偏光板
１１・１２を取り除いた。なお、上記のような液晶セル
は、液晶中に二色性色素を添加することで、偏光板を設
置しなくても白黒表示ができることから、反射型ディス
プレイにも使用することができる。

【００７７】ここで、本実施の形態に係る液晶セルの応
答速度と、輝度およびコントラストについての実験結果
を示す。なお、液晶セルはセル厚１．４μｍのものを用
い、３５℃において駆動させた。また、印加するリセッ
トパルスは、１０Ｖ、５００μｓの矩形波を５０ｍｓご
とに、正負交互に周期的に印加した（図６（ｂ））。

【００７８】・応答速度（セル厚１．４μｍ） 電圧パルス終点より、透過率が１０％になるまでの時間 Ｔ0 →Ｔ1 ７．８ｍｓ 透過率が１０％から９０％まで変化する時間 Ｔ1 →Ｔ2 ８．２ｍｓ 電圧パルス印加後、透過率が９０％から１０％まで変化
する時間 Ｔ3 →Ｔ４ ３４μｓ ・輝度およびコントラスト（白状態と黒状態の輝度およ
びコントラスト） 明状態 ７６ｃｄ／ｍ² 暗状態 ０．５ｃｄ／ｍ² コントラスト １５２：１ また、液晶セルのセル厚を２．６μｍとした場合の応答
速度も示しておく。なお、条件は上記のものと同一であ
る。

【００７９】・応答速度（セル厚２．６μｍ） 電圧パルス終点より、透過率が１０％になるまでの時間 Ｔ0 →Ｔ1 １６．０ｍｓ 透過率が１０％から９０％まで変化する時間 Ｔ1 →Ｔ2 １５．０ｍｓ 電圧パルス印加後、透過率が９０％から１０％まで変化
する時間 Ｔ3 →Ｔ４ ２９０μｓ 以上のように、本実施の形態に係る液晶セルは、閾電圧
Ｖth1 以上の電圧を印加することで、液晶分子１０ａを
ねじれた垂直配向状態あるいは垂直配向状態（図１
（ｂ））として黒状態（図４（ｃ））を安定して達成で
きるとともに、その後印加電圧を閾電圧Ｖth2 （Ｖth1
＞Ｖth2 ）とすることで、液晶分子１０ａをねじれた水
平配向状態（図１（ｃ））として白状態（図４（ｄ））
を安定して達成できることから、これら二つの液晶分子
１０ａの配向状態を用いた、新たなモードの液晶表示素
子を形成することができる。

【００８０】そして、液晶セルをセル厚３μｍ以下のパ
ラレルラビングセルとして薄くすることにより、ＴＮモ
ードの液晶表示素子よりも高速応答および広視野角を確
保することができる。さらに、十分なコントラストも確
保することができる。

【００８１】なお、本実施の形態に係る液晶セルは、セ
ル厚が３μｍ以下であればよいが、セル厚をさらに薄く
して１．５μｍ以下にすることで、より高速な応答特性
を実現することができる。

【００８２】

【発明の効果】請求項１の発明の液晶表示素子は、以上
のように、正の誘電異方性を有する、ネマチック液晶材
料からなる液晶層またはキラルネマチック液晶材料から
なる液晶層を、該液晶層に電圧を印加する電極を有する
一対の基板間に保持した液晶表示素子において、上記液
晶層は、その液晶分子が印加電圧の大きさに応じて少な
くとも、ねじれた垂直配向状態とねじれた水平配向状態
とを取り得る液晶材料からなり、上記液晶層の液晶分子
のねじれた水平配向状態およびねじれた垂直配向状態の
二つの状態を用いて、画素の表示状態のスイッチングを
行うものであって、感光性モノマーが添加されていると
ともに、閾電圧Ｖth1 以上の電圧を印加し、液晶分子を
ねじれた垂直配向状態あるいは垂直配向状態とした後、
紫外線露光を行い、液晶分子をねじれた垂直配向状態あ
るいは垂直配向状態に安定化することによって、印加電
圧を閾電圧Ｖth2 （Ｖth1 ＞Ｖth2 ）とした後の液晶分
子の配向状態がねじれた水平配向状態に安定化されてい
る構成である。

【００８３】それゆえ、上記液晶層の液晶分子のねじれ
た水平配向状態とねじれた垂直配向状態の二つの状態を
用いて、画素の表示状態のスイッチングを行うことがで
きる。したがって、これら二つの液晶分子の配向状態を
用いた新たなモードの液晶表示素子を形成することがで
きるという効果を奏する。

【００８４】加えて、印加電圧を閾電圧Ｖth2 とした
後、液晶分子の配向状態をねじれた水平配向の状態に安
定化することができるため、白状態を連続して表示する
ことができる。よって、上記液晶表示素子を単純マトリ
ックスやアクティブマトリックスに用いて、画像を表示
することができるという効果を奏する。

【００８５】請求項２の発明の液晶表示素子は、以上の
ように、請求項１の構成に加えて、上記の一対の基板
は、そのラビング方向がほぼ一致し、かつ、該一対の基
板に一枚ずつ設けられた一対の偏光板は、一方の偏光板
の偏光軸が上記ラビング方向とほぼ一致するとともに、
該一方の偏光板の偏光軸と他方の偏光板の偏光軸とが直
交し、かつ、該一対の基板間の厚さは、モーガンの極限
から決まる厚さよりも薄い構成である。

【００８６】それゆえ、請求項１の構成による効果に加
えて、液晶層に閾電圧Ｖth1 以上の電圧を印加し、液晶
分子をねじれた垂直配向状態にしたとき、偏光板の偏光
軸が直交しているため、液晶表示素子を黒状態にするこ
とができる。また、その後印加する電圧を閾電圧Ｖth2
とし、液晶層の液晶分子をねじれた水平配向状態にした
とき、液晶表示素子を白状態にすることができる。

【００８７】したがって、以下のような効果を奏する。
上記液晶層の液晶分子のねじれた水平配向状態とねじれ
た垂直配向状態の二つの状態を用いて、画素の表示状態
のスイッチングを行うことができる。よって、これら二
つの液晶分子の配向状態を用いた、新たなモードの液晶
表示素子を形成することができる。また、液晶セルをモ
ーガンの極限から決まる厚さよりも薄く（例えば、３μ
ｍ以下）することにより、従来のＴＮモードの液晶表示
素子よりも応答速度を高速にすることができるととも
に、広視野角を確保することができる。さらに、十分な
コントラストも確保することができる。

【００８８】請求項３の発明の液晶表示素子は、以上の
ように、請求項１または２の構成に加えて、上記液晶層
は、電圧を印加しない時、液晶分子の配向状態がスプレ
イ配向状態である構成である。

【００８９】請求項４の発明の液晶表示素子は、以上の
ように、請求項１または２の構成に加えて、上記液晶層
は、上記液晶層の液晶分子のねじれた水平配向状態にお
けるねじれ角が上記の一対の基板間でほぼ１８０°とな
るように、キラル剤が添加されている構成である。

【００９０】それゆえ、請求項１または２の構成による
効果に加えて、印加電圧を上記閾電圧Ｖth2 とした後、
液晶分子の配向状態をねじれた水平配向の状態に安定化
することができるため、白状態を連続して表示すること
ができる。また、白状態のときのディスクリネーション
の発生を防ぐことができる。よって、上記液晶表示素子
を単純マトリックスやアクティブマトリックスに用い
て、画像を表示することができるという効果を奏する。

【００９１】請求項５の発明の液晶表示素子は、以上の
ように、請求項１の構成に加えて、上記の一対の基板
は、そのラビング方向がほぼ一致し、かつ、上記液晶層
は、二色性色素が添加されている構成である。

【００９２】それゆえ、請求項１の構成による効果に加
えて、液晶分子の配向方向がほぼ一致している液晶セル
に、二色性色素を添加することによって、上記閾電圧Ｖ
th1以上の電圧の印加時には、液晶分子がねじれた垂直
配向の状態となり、光が二色性色素に吸収されずに透過
するため、白状態とすることができる。また、印加電圧
を上記閾電圧Ｖth2 としたときには、液晶分子がねじれ
た水平配向の状態となり、光が二色性色素に吸収される
ため、黒状態とすることができる。

【００９３】したがって、白黒表示を安定して行えるた
め、上記液晶表示素子を単純マトリックスやアクティブ
マトリックスに用いて、画像を表示することができると
いう効果を奏する。また、偏光板を設置しなくてもよい
ため、反射型ディスプレイにも使用することができると
いう効果を奏する。

【００９４】請求項６の発明の液晶表示素子は、以上の
ように、請求項１または２の構成に加えて、上記液晶層
の液晶分子がねじれた水平配向状態であるとき、スプレ
イ配向状態への転移が始まる前に、ねじれた水平配向状
態を維持するに十分な電圧と印加時間を有する波形のリ
セットパルスを印加する構成である。

【００９５】それゆえ、請求項１または２の構成による
効果に加えて、印加電圧を上記閾電圧Ｖth2 としたと
き、液晶分子の配向状態をねじれた水平配向の状態に維
持することができるため、白状態を連続して表示するこ
とができる。

【００９６】したがって、上記液晶表示素子を単純マト
リックスやアクティブマトリックスに用いて、画像を表
示することができるという効果を奏する。

【００９７】請求項７の発明の液晶表示素子は、以上の
ように、請求項１または２の構成に加えて、上記リセッ
トパルスを周期的に印加する構成である。

【００９８】それゆえ、請求項１または２の構成による
効果に加えて、印加電圧を上記閾電圧Ｖth2 とした後、
液晶分子の配向状態をねじれた水平配向の状態に維持す
ることができるため、白状態を連続してより安定して表
示することができる。

【００９９】したがって、上記液晶表示素子を単純マト
リックスやアクティブマトリックスに用いて、画像を表
示することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る液晶表示素子の液
晶分子の配向状態を示す説明図であり、（ａ）は初期の
状態、（ｂ）は電圧が印加された状態、（ｃ）は電圧の
印加が除去された状態を示す。

【図２】図１の液晶表示素子を用いた液晶セルの構成の
概略を示す断面図である。

【図３】図２の液晶セルの電極基板の貼り合わせにおけ
るラビング方向と偏光方向の関係を示す説明図である。

【図４】図２の液晶セルを真上から観察しながら電圧を
徐々に印加したときの液晶セルの様子を示す説明図であ
り、（ａ）は初期の状態、（ｂ）は電圧が印加された状
態、（ｃ）はさらに電圧が印加された状態、（ｄ）は電
圧の印加が除去された状態、（ｅ）は電圧の印加の除去
後数秒たった状態、（ｆ）は電圧の印加の除去後さらに
時間がたった状態を示す。

【図５】図２の液晶セルに印加されていた電圧を除去し
たときに現れるディスクリネーションの模写図である。

【図６】図２の液晶セルにリセットパルスを印加したと
きの液晶セルの透過率の変化を示す動作タイミングの説
明図であり、（ａ）は印加するリセットパルスの波形、
（ｂ）は透過率の応答波形である。

【図７】従来のＴＮモードの液晶表示素子の概略を示す
説明図であり、（ａ）は電圧を印加していないときの液
晶分子の配向状態、（ｂ）は電圧を印加したときの液晶
分子の配向状態である。

【図８】従来のＳＴＮモードの液晶表示素子の概略を示
す説明図であり、（ａ）は電圧を印加していないときの
液晶分子の配向状態、（ｂ）は電圧を印加したときの液
晶分子の配向状態である。

【図９】従来のＯＣＢモードの液晶表示素子の概略を示
す説明図であり、（ａ）は液晶セルの構成の概略、
（ｂ）は電圧を印加していないときの液晶分子の配向状
態、（ｃ）は電圧を印加したときの液晶分子の配向状態
である。

【図１０】従来のＯＣＢモードの液晶表示素子の電圧透
過率特性のグラフである。

【符号の説明】

３・５ 電極 １０ 液晶層 １０ａ 液晶分子 １１・１２ 偏光板 １３・１４ 電極基板（基板）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−313909（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−74030（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−90432（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−96790（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−239483（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−152609（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−101504（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1337 G02F 1/137

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正の誘電異方性を有する、ネマチック液晶
   材料からなる液晶層またはキラルネマチック液晶材料か
   らなる液晶層を、該液晶層に電圧を印加する電極を有す
   る一対の基板間に保持した液晶表示素子において、 上記液晶層は、その液晶分子が印加電圧の大きさに応じ
   て少なくとも、ねじれた垂直配向状態とねじれた水平配
   向状態とを取り得る液晶材料からなり、 上記液晶層の液晶分子のねじれた水平配向状態およびね
   じれた垂直配向状態の二つの状態を用いて、画素の表示
   状態のスイッチングを行うものであって、 感光性モノマーが添加されているとともに、閾電圧Ｖth
   1 以上の電圧を印加し、液晶分子をねじれた垂直配向状
   態あるいは垂直配向状態とした後、紫外線露光を行い、
   液晶分子をねじれた垂直配向状態あるいは垂直配向状態
   に安定化することによって、印加電圧を閾電圧Ｖth2
   （Ｖth1 ＞Ｖth2 ）とした後の液晶分子の配向状態がね
   じれた水平配向状態に安定化されている ことを特徴とす
   る液晶表示素子。
2. 【請求項２】上記の一対の基板は、そのラビング方向が
   ほぼ一致し、 かつ、該一対の基板に一枚ずつ設けられた一対の偏光板
   は、一方の偏光板の偏光軸が上記ラビング方向とほぼ一
   致するとともに、該一方の偏光板の偏光軸と他方の偏光
   板の偏光軸とが直交し、 かつ、該一対の基板間の厚さは、モーガンの極限から決
   まる厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１記載の液
   晶表示素子。
3. 【請求項３】上記液晶層は、電圧を印加しない時、液晶
   分子の配向状態がスプレイ配向状態であることを特徴と
   する請求項１または２記載の液晶表示素子。
4. 【請求項４】上記液晶層は、上記液晶層の液晶分子のね
   じれた水平配向状態におけるねじれ角が上記の一対の基
   板間でほぼ１８０°となるように、キラル剤が添加され
   ていることを特徴とする請求項１または２記載の液晶表
   示素子。
5. 【請求項５】上記の一対の基板は、そのラビング方向が
   ほぼ一致し、 かつ、上記液晶層は、二色性色素が添加されていること
   を特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
6. 【請求項６】上記液晶層の液晶分子がねじれた水平配向
   状態であるとき、スプレイ配向状態への転移が始まる前
   に、ねじれた水平配向状態を維持するのに十分な電圧と
   印加時間を有する波形のリセットパルスを印加すること
   を特徴とする請求項１または２記載の液晶表示素子。
7. 【請求項７】上記リセットパルスを周期的に印加するこ
   とを特徴とする請求項６記載の液晶表示素子。