JP4846222B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示素子に関し、特に、ツイストネマチック（ＴＮ）モードの液晶表示素子に関する。

図１０は、従来のＴＮモード液晶表示素子の主要部の構成を示す概略的な分解斜視図である。

液晶表示素子は、液晶セル２０及び偏光板５０、５１を含んで構成される。

液晶セル２０は、上側基板１１、上側基板１１に略平行に対向配置される下側基板１２、及び上側基板１１と下側基板１２との間に保持される液晶層１５を含む。液晶層１５には、９０°のねじれ角を有するＴＮ液晶である液晶分子１５ａが充填されている。

上側基板１１は、たとえば平板なガラス基板である透明基板１１ａ、透明基板１１ａ上にたとえばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）で形成された電極１１ｂ、及び電極１１ｂ上に形成された配向膜１１ｃを含む。

下側基板１２は、透明基板１２ａ、透明基板１２ａ上に形成された電極１２ｂ、及び電極１２ｂ上に形成された配向膜１２ｃを含む。透明基板１２ａ、電極１２ｂ及び配向膜１２ｃを形成する材料は、上側基板１１のそれらを形成する材料と同じである。

上側基板１１と下側基板１２とは、配向膜１１ｃ、１２ｃが向き合うように対向配置される。

図１０における右方向を基準（０°）とし、下側基板１２と平行な面内において反時計回りに回転した方位角θで液晶分子の配向方向（長軸方向）等を表す角度座標を定義する。

上側基板１１及び下側基板１２の配向膜１１ｃ、１２ｃには、ラビング処理が施されている。上側基板１１の配向膜１１ｃに施されたラビングの方向Ｄ１は方位角４５°の方向であり、下側基板１２の配向膜１２ｃに施されたラビングの方向Ｄ２は方位角３１５°（−４５°）の方向である。配向膜１１ｃ、１２ｃに接触する液晶分子１５ａはラビング方向に平行に配向し、ラビング方向を示す矢印の先端側の端部が基板から持ち上がるようにチルトする。配向膜は対向配置されているので、下側基板１２側の液晶分子１５ａの基板から持ち上がった方の端部が、上側基板１１側の液晶分子１５ａの基板に接触する方の端部に対応するようにチルトする。

液晶層１５内の液晶分子１５ａが方位角方向にツイストし、ヘリカル構造を構成する。このヘリカル構造は左旋回となり、ねじれ角（ツイスト角、旋回角）は９０°、厚さ方向の中央に位置する液晶分子の配向方向の方位角θは２７０°になる。

偏光板５０が、液晶セル２０の上側基板１１の外側の面に密着し、偏光板５１が、下側基板１２の外側の面に密着している。偏光板５０の透過軸の方向Ｄ３の方位角θは４５°であり、偏光板５１の透過軸の方向Ｄ４の方位角θも４５°である。偏光板５０と５１とは、平行ニコル配置されている。

電圧が印加されない状態では、液晶分子１５ａはＴＮ配列している。偏光板５１を透過して下側基板１２に入射した光は、液晶分子１５ａのダイレクタに沿って偏光方向を旋回させながら液晶層１５内を進み、９０°旋回したところで上側基板１１から出射するため、上側基板１１側の偏光板５０で遮られる。このため黒表示が実現される。

電圧印加時においては、液晶分子１５ａが基板（上側基板１１及び下側基板１２）に垂直に立つため、偏光板５１を透過して下側基板１２に入射した光は、そのまま液晶層１５内を進み、上側基板１１及び偏光板５０から出射する。この場合、白表示が実現される。

このようなノーマリブラック９０°ねじれＴＮモードの液晶表示素子において、電圧無印加時に良好な黒レベル（光透過率の低い良好なオフ表示）を得るには、液晶層１５の厚さｄ（μｍ）と、液晶層１５を形成する液晶材料の複屈折率Δｎの積Δｎｄ（リタデーション、単位 μｍ）を適切に調整する必要がある。

図１１は、リタデーションΔｎｄと電圧無印加時の光透過率との関係を表したグラフである。横軸は、リタデーションΔｎｄを単位「μｍ」で示す。縦軸は、光透過率を単位「％」で示す。

リタデーションΔｎｄが、約０．４９μｍ、及び約１μｍのとき光透過率は極小値をとる。これはいわゆるＧｏｏｃｈ＆Ｔａｒｒｙの式に従う光透過率の変化を示すものである。リタデーションΔｎｄが約１μｍを超えると、光透過率の目立った増減はなく、また、リタデーションΔｎｄが約１．９μｍ以上の範囲においては、光透過率は単調に減少している。したがって、少なくともある一定値以上のリタデーションΔｎｄでは、リタデーションΔｎｄが、約０．４９μｍ（第１ミニマム条件）、及び約１μｍ（第２ミニマム条件）のときの光透過率より低い光透過率を与え、良好な黒表示を実現することができることがわかる。

ところが、リタデーションΔｎｄの値を大きくとる（たとえば第２ミニマム条件以上のリタデーションΔｎｄ）と、液晶層１５の厚さが増大するため、液晶分子１５ａの応答速度が低速になる。また、駆動電圧が上昇するという問題が生じる。更に、リタデーションΔｎｄを大きくすることによって良好な黒表示を得る方法は、液晶分子のねじれ角が９０°の場合でのみ有効な方法である。

図１１に示したグラフからわかるように、図１０に示したノーマリブラック型ＴＮ液晶表示素子では、Ｇｏｏｃｈ＆Ｔａｒｒｙのミニマム条件以外の、リタデーションΔｎｄが小さい領域においては、良好な黒レベルを得るのは困難である。良好な黒レベルが得られるのは、Ｇｏｏｃｈ＆Ｔａｒｒｙのミニマム条件のみとなるため、設計上の制約が大きい。しかも、ねじれ角が９０°に設定された高速応答の液晶表示素子を作製するために、リタデーションΔｎｄを約０．４９μｍにした場合であっても、通常は良好な黒レベルを得ることは難しく、また、ギャップ変動の影響が大きいため視角が狭くなり、更には、均一厚さのセルの製造が困難であるという問題点がある。このため、０．４９μｍというリタデーションは、実際にはほとんど用いられていないのが現状である。

現在、一般に用いられているノーマリホワイト型の液晶表示素子においては、黒表示を電圧印加時に実現するため、良好な黒表示を得るには比較的高い印加電圧（駆動電圧）設定を必要とする。更に、単純マトリクス駆動の液晶表示素子の場合は、明表示の透過率を重視して走査本数を増加させると、それに伴って黒レベルが上昇し、明瞭な表示コントラストを得られない場合が生じる。

「従来の単層型ツイステッドネマティック電界効果型液晶表示セルに給電手段を具備しないツイステッドネマティック液晶層を重畳した二層型構造」の液晶表示装置が発明されている。（たとえば、特許文献１参照。）
特許文献１に記載の二層型液晶表示装置は、「２枚の基板間に螺旋軸を基板面と垂直な方向にして基板間で液晶分子長軸を実質的に９０°捩ったいわゆるツイステッドネマティック電界効果型液晶表示装置に関するものであり、特にその非活性時の表示の色付き現象を軽減化する技術に関するものである。」

特開昭５７−９６３１５号公報

本発明の目的は、高品質の液晶表示素子を提供することである。

本発明の一観点によると、それぞれ電極を備える上側基板及び下側基板と、その両者間に保持され、電界が発生していない状態で液晶分子がツイスト配列してヘリカル構造を示し、リタデーションが、０．７５μｍ以上０．９５μｍ以下である液晶層とを有する駆動セルと、前記駆動セルの一方の基板面上に配置され、上側基板及び下側基板と、その両者間に保持され、液晶分子がツイスト配列してヘリカル構造を示す液晶層を含み、該液晶層は、ヘリカル構造の旋回方向が、前記駆動セルのヘリカル構造の旋回方向とは逆向きであり、該液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と、前記駆動セルの液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向とが、前記上側及び下側基板の面内で直交する補償手段であって、ヘリカル構造の旋回角の大きさが、前記駆動セルのヘリカル構造の旋回角の大きさと等しく、１００°以上１５０°以下であり、該液晶層のリタデーションは、前記駆動セルの液晶層のリタデーションとの差が０．３μｍ以下である補償手段と、前記駆動セルと補償手段とを含む構造体の両側にそれぞれクロスニコルに配置された２枚の偏光板であって、透過軸または吸収軸の方向が、ともに、前記駆動セルの液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と４５°の角をなすようにクロスニコルに配置された２枚の偏光板とを有することで、前記駆動セルへの電圧無印加時において、前記駆動セルの液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方位と９０°をなす方位の、極角６０°方向から観察したときの透過率が４％以下であり、前記駆動セルの液晶層及び前記補償手段の液晶層は二色性色素を含まない液晶表示素子が提供される。

この液晶表示素子は、良好な黒レベル、高コントラスト、広い視角、良好な急峻性等の特徴を備え得る液晶表示素子である。

本発明によれば、高品質の液晶表示素子を提供することができる。

本願発明者らは、先の提案（特願２００３−２８７０５４号、[発明を実施するための最良の形態]の[００１２]〜[００５４]及び図１〜図１１）において、「電界が発生していない状態で液晶分子がツイスト配列してヘリカル構造を示す液晶層を保持し、該液晶層に基板面内方向の電界を発生させる電極が形成された駆動セルと、前記駆動セルの一方の面上に配置され、液晶分子がツイスト配列してヘリカル構造を示す液晶層を含み、ヘリカル構造の旋回方向が、前記駆動セルのヘリカル構造の旋回方向とは逆向きであり、該液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向が、前記駆動セルの液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と直交する補償手段と、前記駆動セルと補償手段とを含む構造体の両側にそれぞれ配置された偏光板とを有する液晶表示素子」（特願２００３−２８７０５４号、[請求項１]）等の発明を詳しく開示した。

本願においては、これに関連した液晶表示素子を提案する。

図１は、実施例による液晶表示素子の主要部の構成を示す概略的な分解斜視図である。図１には、ねじれ角が９０°の液晶表示素子の例を示した。実施例による液晶表示素子は、駆動セル３０、補償セル４０、駆動セル３０側の偏光板５３、及び補償セル４０側の偏光板５２を含んで構成される。

駆動セル３０の構成は、図１０に示した液晶セル２０のそれと同一である。

補償セル４０は、上側基板３１、下側基板３２、及び両者に挟まれた液晶層３５を含んで構成される。下側基板３２が駆動セル３０の上側基板２１に接触している。上側基板３１及び下側基板３２の対向面上にそれぞれ配向膜３１ｃ、３２ｃが形成され、ラビング処理が施されている。上側基板３１の配向膜３１ｃに施されたラビングの方向Ｄ７は方位角２２５°の方向であり、下側基板３２の配向膜３２ｃに施されたラビングの方向Ｄ８は方位角３１５°（−４５°）の方向である。

液晶層３５には、たとえば正の一軸光学異方性を有する液晶材料が充填されている。液晶層３５内の液晶分子３５ａがツイストし、ヘリカル構造を構成する。このヘリカル構造は右旋回となり、ねじれ角は９０°、厚さ方向の中央に位置する液晶分子の配向方向の方位角θは０°になる。駆動セル３０の液晶層２５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子２５ａの配向方向（２７０°）と、補償セル４０の液晶層３５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子３５ａの配向方向（０°）とは、基板面内方向で相互に直交する。

駆動セル３０の場合も、補償セル４０の場合も、液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向は、上側基板に施されたラビング処理の面内方向の単位ベクトルと、下側基板に施されたラビング処理の面内方向の単位ベクトルの合成ベクトルの向きと直交する方向である。したがって、駆動セルと補償セルの液晶層の厚さ方向に関する中央位置の液晶分子の配向方向が相互に直交するとは、駆動セル３０における当該合成ベクトルの方向と、補償セル４０における当該合成ベクトルの方向とが直交することを意味する。

偏光板５２が、補償セル４０の上側基板３１の外側の面に密着し、偏光板５３が、駆動セル３０の下側基板２２の外側の面に密着している。偏光板５２の透過軸の方向Ｄ９の方位角θは１３５°であり、偏光板５３の透過軸の方向Ｄ１０の方位角θは４５°である。偏光板５２と５３とは、クロスニコル配置されている。

上下２枚の偏光板５２、５３の透過軸の方向は、ともに、駆動セル３０の液晶層２５の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子２５ａの配向方向と４５°の角をなす。

なお、実施例による液晶表示素子は、電圧無印加時に黒表示、電圧印加時に白表示を行う液晶表示素子である。

以下、実施例による液晶表示素子について、良好な表示状態が得られる条件を検討したシミュレーション結果を示す。シミュレーションは、すべてシンテック社製のＬＣＤ ＭＡＳＴＥＲ ６．０２ １次元シミュレータを用いて行った。液晶材料は、メルク社製のＺＬＩ−４７９２を想定し、偏光板は日東電工製Ｇ１２２０Ｕ、またはポラテクノ製ＫＮ−１８２４２Ｔを想定した。また、液晶材料にはカイラル剤が添加されているとし、液晶分子は配向膜により設定したツイスト方向と同じ方向にねじれるようにした。

ねじれ角が１２０°以下の場合は、セル厚ｄとカイラルピッチｐの比ｄ／ｐが０．１となるように調整した。ねじれ角がそれより大きい場合は、ｄ／ｐが０．２となるように調整した。なお、配向膜には０．５°のプレティルト角を付与するものと設定した。

図２は、ねじれ角を９０°、リタデーションΔｎｄを０．５μｍ（セル厚 ５μｍ）に固定し、電圧無印加時における可視光領域の液晶表示素子正面観察時の分光スペクトルを計算した結果を示すグラフである。

グラフの横軸は、波長を単位「ｎｍ」で示す。縦軸は、光透過率を、「任意単位」で示す。ａの曲線は、図１０に示した従来例による液晶表示素子、ｂの曲線は、図１に示した実施例による液晶表示素子についてのシミュレーション結果である。

ａの曲線を参照する。従来例による液晶表示素子においては、約４４０ｎｍをピークとする短波長側、及び、約５７０ｎｍ以上の長波長側において、光り抜けが生じていることがわかる。実際に、シミュレーションと同じ材料及び条件で、従来例による液晶表示素子のサンプルを作製し、観察を行ったところ、当該サンプルにおいて電圧無印加時の表示状態は紫色を呈しており、光り抜けが生じていることが確認された。

ｂの曲線を参照する。実施例による液晶表示素子では、すべての波長域において、ほとんど光り抜けが生じていないことがわかる。実際に、シミュレーションと同じ材料及び条件で、実施例による液晶表示素子のサンプルを作製し、観察を行ったところ、当該サンプルにおいては、電圧無印加時に良好な黒レベルが得られることが確認された。

なお、実施例による液晶表示素子においては、駆動セルと補償セルとの間のリタデーションΔｎｄの差が０．３μｍ以内であれば、良好な黒レベルが得られることを確認した。

次に、実施例による液晶表示素子について、電圧無印加時の黒レベル状態における視角特性のセル厚依存性についてシミュレーションを行った。

図３（Ａ）〜（Ｅ）は、ねじれ角９０°において、０．４４μｍ以上０．８μｍ以下の５つのリタデーションの値に対する電圧無印加時等輝度曲線を示す。（Ａ）は、リタデーションが０．４４μｍ（セル厚が４．４μｍ）の場合、（Ｂ）は、０．５５μｍ（セル厚が５．５μｍ）の場合、（Ｃ）は、０．６５μｍ（セル厚が６．５μｍ）の場合、（Ｄ）は、０．７５μｍ（セル厚が７．５μｍ）の場合、（Ｅ）は、０．８μｍ（セル厚が８μｍ）の場合の等輝度曲線である。駆動セルと補償セルのセル厚は等しいとしてシミュレーションを行った。なお、これ以降説明するシミュレーションにおいては、偏光板としてＫＮ−１８２４２Ｔを想定した。

図３（Ａ）〜（Ｅ）の等輝度曲線から、セル厚（リタデーション）の増加に伴い、視角を大きく振った場合の光り抜けが小さくなり、セル厚が約７．５〜８μｍ（リタデーションが約０．７５〜０．８μｍ）で最も光り抜けが少ない状態が得られることがわかる。

なお、素子正面から観察したときの黒レベルはすべてのセル厚設定で等しく、一対の偏光板をクロスニコル配置したものと同等であった。更に、シミュレーションを繰り返した結果、方位０°または１８０°、極角６０°（セルの法線を０°とした場合）から観察したとき、電圧無印加時透過率（黒レベル透過率）を約４％以下に抑制できる条件は、セル厚が６．３μｍ以上１０μｍ以下であることもわかった。

実施例による液晶表示素子は、Ｇｏｏｃｈ＆Ｔａｒｒｙミニマム条件によるリタデーションΔｎｄの制約なしに良好なオフ表示を実現可能なノーマリブラックＴＮ液晶表示素子である。従来のＧｏｏｃｈ＆Ｔａｒｒｙの式に従うＴＮモード液晶表示素子に比べ、セル厚設定は任意であり、セル設計の自由度が大きい。広範なセル厚に渡って、電圧無印加時に正面観察による良好な黒レベルを得ることができる。

続いて、実施例による液晶表示素子について、素子正面から観察した場合の電気光学特性を計算し、印加電圧が５Ｖ時の光透過率、及び電気光学特性におけるカーブの急峻性（シャープネス）のセル厚依存について検討を行った。急峻性の評価は、印加電圧５Ｖにおける光透過率を１００％としたとき、９０％の透過率が得られる電圧を「Ｖ９０」と定義し、また、５％の透過率が得られる電圧を「Ｖ５」と定義し、それらの比「Ｖ９０／Ｖ５」を用いて行った。

図４は、印加電圧５Ｖ時の光透過率、及び、「Ｖ９０／Ｖ５」のセル厚に対する変化を示すグラフである。横軸は、セル厚を単位「μｍ」で示し、縦軸は、透過率及び「Ｖ９０／Ｖ５」を、それぞれ単位「％」、「任意単位」で示す。

ａの曲線は、５Ｖ印加時の光透過率を示す曲線である。ｂの曲線は、「Ｖ９０／Ｖ５」を示す。

ａの曲線を参照する。セル厚が約８μｍのとき、透過率が最も低くなっている。８μｍのセル厚は、図３（Ａ）〜（Ｅ）を参照して、黒レベルの視角特性が最も良好となる範囲に属すると説明した値である。

ｂの曲線を参照する。セル厚の増加に伴って、「Ｖ９０／Ｖ５」の値も増加している。これは、急峻性がセル厚の増加に伴い、劣化することを示す。

２本の曲線より、電圧印加時の透過率を重視する場合は、セル厚を大きく設定することは好ましくないことがわかる。

電圧印加時光透過率の上昇、及び急峻性の改善のためには、ねじれ角の設定を変更することが有効であると考えられる。本願発明者らは、まず、いくつかのねじれ角（９０°、１００°、１１０°、１２０°、１３０°、１４０°、１５０°及び１６０°）を設定し、各ねじれ角において、良好な電圧無印加時視角特性が得られるセル厚条件を調査した。視角特性の評価は、方位１８０°、極角６０°における光透過率のセル厚依存性を、各ねじれ角について調べることにより行った。

図５は、実施例による液晶表示素子、及びそれとはねじれ角だけが異なる液晶表示素子を、方位１８０°、極角６０°から観察した場合の、電圧無印加時の光透過率を表すグラフである。

横軸はセル（駆動セル及び補償セル）の厚さを単位「μｍ」で示す。縦軸は、透過率を単位「％」で示す。駆動セルの液晶分子のねじれ角ごとに曲線を作成した。

白丸を実線でつないだ曲線は、ねじれ角が９０°の場合、白丸を点線でつないだ曲線は、ねじれ角が１００°の場合、白四角を実線でつないだ曲線は、ねじれ角が１１０°の場合、白四角を点線でつないだ曲線は、ねじれ角が１２０°の場合、白三角を実線でつないだ曲線は、ねじれ角が１３０°の場合、白三角を点線でつないだ曲線は、ねじれ角が１４０°の場合、バツ印を実線でつないだ曲線は、ねじれ角が１５０°の場合、バツ印を点線でつないだ曲線は、ねじれ角が１６０°の場合のシミュレーション結果を示す。

９０°以上１５０°以下のねじれ角の範囲において、透過率約４％以下が得られるセル厚条件は、６．５μｍ以上９．５μｍ以下であることがわかる。

また、たとえば、ねじれ角が９０°の場合は、セル厚が約８μｍで透過率が最小となり、その値（最低透過率）は、約１％である。この点について、本願発明者らは、更に、図５より、各ねじれ角における透過率の最小値（最低透過率）と、それを与えるセル厚とを求めグラフ化した。

図６は、最低透過率のねじれ角依存性、及び、最低透過率を与えるセル厚のねじれ角依存性を表すグラフである。ａの曲線は、前者の関係を表し、ｂの曲線は、後者の関係を表す。

横軸は、ねじれ角を単位「°」で示す。縦軸は、最低透過率、及び、最低透過率を与えるセル（駆動セル及び補償セル）厚を、それぞれ単位「％」及び「μｍ」で示す。

ａの曲線を参照する。最低透過率は、ねじれ角が１３０°のとき最大となることがわかる。

ｂの曲線を参照する。最低透過率が得られるセル厚は、ねじれ角の増加に伴い、ほぼ線形に増加することがわかる。

上述の結果を踏まえ、本願発明者らは、実施例による液晶表示素子、及びそれとはねじれ角だけが異なる液晶表示素子の駆動セル（上下基板の電極間）に５Ｖの電圧を印加した場合の、各ねじれ角条件における正面観察時透過率のセル厚依存性を計算した。

図７は、実施例による液晶表示素子、及びそれとはねじれ角だけが異なる液晶表示素子の駆動セルに５Ｖの電圧を印加し、液晶表示素子を正面から観察した場合の光透過率を表すグラフである。

横軸はセル（駆動セル及び補償セル）厚を単位「μｍ」で示す。縦軸は、透過率を単位「％」で示す。駆動セルの液晶分子のねじれ角（９０°、１００°、１１０°、１２０°、１３０°、１４０°、１５０°）ごとに曲線を作成した。曲線の表示方法は、図５の場合と同じであり、たとえば、白丸を実線でつないだ曲線は、ねじれ角が９０°の場合のシミュレーション結果を示す。

１００°以上１３０°以下（１００°、１１０°、１２０°、１３０°）のねじれ角において、セル厚変化に対する透過率の変化が、ねじれ角９０°の場合よりも小さいことがわかる。

以上の検討をもとに、良好な電圧印加時透過率が得られ、かつ、電圧無印加時における視角特性（黒レベルの視角特性）に優れた液晶表示素子のセル厚、及びねじれ角の条件を決定する。

図８は、セル厚とねじれ角で定められる条件における、５Ｖ印加時の透過率、及び電圧無印加時の方位１８０°、極角６０°における透過率を示す図表である。

横軸は、セル厚を単位「μｍ」で示し、縦軸は、ねじれ角を単位「°」で示す。図中の各条件において、上段の数値は５Ｖ印加時の透過率を示し、下段の数値は電圧無印加時の透過率を示す。たとえば、セル厚６．５μｍ、ねじれ角９０°の条件においては、５Ｖ印加時の透過率が２７．１％、電圧無印加時の透過率が３．８６％である。なお、図８には、５Ｖ印加時透過率が２７％以上、かつ電圧無印加時透過率が４％以下となる条件についてのみ示してある。

図８より、セル厚が６．５μｍ以上９．５μｍ以下、ねじれ角が９０°以上１５０°以下のとき、より好ましくは、セル厚が７．５μｍ以上９．５μｍ以下、ねじれ角が１１０°以上１３０°以下のとき、良好な表示性能を実現することができると考えられる。上記の好ましいセル厚の範囲を、リタデーションΔｎｄで表すと、０．６５μｍ以上０．９５μｍ以下、より好ましくは、０．７５μｍ以上０．９５μｍ以下となる。

上記の範囲でセル厚（もしくはリタデーション）またはねじれ角を設定することにより、電圧印加時の透過率を大きく減少させることなく（比較的高いオン透過率を保ったまま）、電圧無印加時の黒レベルの良好な、優れた表示性能をもつ液晶表示素子を得ることができる。

なお、上記の好ましいリタデーションΔｎｄは、従来の良好な黒レベルの得られるノーマリブラックＴＮ液晶表示素子のそれよりも非常に小さい。このため液晶表示素子のセル厚を薄くすることができ、応答速度の低下を防止することができる。

次に、本願発明者らは、「Ｖ９０／Ｖ５」（正面観察時の電気光学特性における急峻性を表す尺度）の、各ねじれ角条件におけるセル厚依存性を調べた。「Ｖ９０／Ｖ５」は、その値が大きい場合、印加電圧（駆動電圧）を低減させる原因となる。

図９は、「Ｖ９０／Ｖ５」のセル厚依存性を示すグラフである。

横軸はセル（駆動セル及び補償セル）厚を単位「μｍ」で示す。縦軸は、「Ｖ９０／Ｖ５」を「任意単位」で示す。駆動セルの液晶分子のねじれ角（９０°、１００°、１１０°、１２０°、１３０°、１４０°、１５０°、１６０°）ごとに曲線を作成した。曲線の表示方法は、図５の場合と同じであり、たとえば、白丸を実線でつないだ曲線は、ねじれ角が９０°の場合のシミュレーション結果を示す。

ねじれ角が大きくなるにつれ、「Ｖ９０／Ｖ５」の値が減少し、急峻性が改善されていくことがわかる。また、ねじれ角が１４０°までは、セル厚の増加に伴い急峻性が劣化する傾向が見られるが、１５０°以上では、それとは反対の傾向が見られる。これよりねじれ角が１５０°未満の場合と、１５０°以上の場合とでは、液晶表示素子の光学的な動作原理は異なる傾向にあり、１５０°以上の範囲では、ねじれ角が１８０°以上のいわゆるスーパーツイストネマチック（ＳＴＮ）モードと同等な動作を示していると考えられる。ＳＴＮモードは、一般的に、セル厚変化に対する表示特性変化が大きく製造上取り扱いにくい傾向がある。したがって、ねじれ角は１５０°未満に設定することが好ましいであろう。

実施例による液晶表示素子は、視角が広く、高コントラストで、急峻性が良好なノーマリブラックＴＮ液晶表示素子である。

なお、実施例においては、駆動セル５０の上側基板４１と偏光板６４との間に、駆動セル５０のねじれ方向と逆のねじれ方向を有し、液晶層内の厚さ方向の中央における液晶ダイレクタ方位が互いに基板面内方向で直交する補償セル６０を配置した。補償セル６０の液晶層５５内の液晶分子５５ａは、動作中にその配列状態を変化させないため、補償セル６０の代わりに、同等の光学特性を有する液晶ポリマ等からなる光学フィルムやプラスチックフィルムを用いてもよい。たとえばポラテクノ製（Ｄｅｊｉｍａ製）Ｔｗｉｓｔａｒフィルムなどの液晶性を有する光学フィルムを好ましく用いることができる。補償セル６０に代えてＴｗｉｓｔａｒフィルムを用いた液晶表示素子についてもシミュレーションを行い、上述の結果と同様な結果を得た。

また、駆動セル５０と補償セル６０の配置を交換してもよい。

実施例による液晶表示素子においては、駆動セルの液晶分子の配向を一様（モノドメイン配向）とした。駆動セルの液晶分子が場所により配向方向を異にする（液晶表示素子が場所により複数の配向方向を有する液晶層を備える）マルチドメイン構造を採用することも可能である。マルチドメイン構造は、駆動セルの配向膜に光配向による配向処理を施す方法、駆動セルにスリットを備える電極を用いて、液晶層に斜め電界を発生させる方法等により実現可能である。

マルチドメイン構造を採用することにより、モノドメイン構造採用時よりも、一層、視角特性を改善することができる。殊に、明表示時の視角対称性を改善することができる。

更に、本願に係る液晶表示素子のうち、特に単純マトリクス駆動の液晶表示素子については、従来は困難であった低デューティ（１／４〜１／１６デューティ）条件における良好な表示品位を得ることが可能である。従来のツイストネマチック液晶表示素子においては、良好な黒レベルを得る条件が少なく、電気光学特性における急峻性も悪いので、１／４ｄｕｔｙ未満程度しか実用化されていなかった。しかもねじれ角を９０°以外に設定することができなかった。しかし、本願に係る液晶表示素子は、図９に示すように、ねじれ角を変えることによって急峻性を制御することができ、かつ、黒レベル、及びその視角特性も良好にすることが可能である。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、実施例においては、上下２枚の偏光板の透過軸の方向が、ともに、駆動セルの液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と４５°の角をなすとしたが、偏光板の吸収軸の方向がこのようになるように、２枚の偏光板をクロスニコル配置してもよい。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（ｉ）．スタティック駆動液晶表示素子、（ｉｉ）．セグメント表示単純マトリクス駆動液晶表示素子、（ｉｉｉ）．ドットマトリクス表示単純マトリクス駆動液晶表示素子、（ｉｖ）．上記（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）を１つの素子内に内蔵する液晶表示素子、（ｖ）．薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＴＦＴ）駆動を含むアクティブマトリクス駆動液晶表示素子等に適用可能である。

実施例による液晶表示素子の主要部の構成を示す概略的な分解斜視図である。 ねじれ角を９０°、リタデーションΔｎｄを０．５μｍ（セル厚 ５μｍ）に固定し、電圧無印加時における可視光領域の液晶表示素子正面観察時の分光スペクトルを計算した結果を示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｅ）は、ねじれ角９０°において、０．４４μｍ以上０．８μｍ以下の５つのリタデーションの値に対する電圧無印加時等輝度曲線を示す。 印加電圧５Ｖ時の光透過率、及び、Ｖ９０／Ｖ５のセル厚に対する変化を示すグラフである。 実施例による液晶表示素子、及びそれとはねじれ角だけが異なる液晶表示素子を、方位１８０°、極角６０°から観察した場合の、電圧無印加時の光透過率を表すグラフである。 最低透過率のねじれ角依存性、及び、最低透過率を与えるセル厚のねじれ角依存性を表すグラフである。 実施例による液晶表示素子、及びそれとはねじれ角だけが異なる液晶表示素子の駆動セルに５Ｖの電圧を印加し、液晶表示素子を正面から観察した場合の光透過率を表すグラフである。 セル厚とねじれ角で定められる条件における、５Ｖ印加時の透過率、及び電圧無印加時の方位１８０°、極角６０°における透過率を示す図表である。 「Ｖ９０／Ｖ５」のセル厚依存性を示すグラフである。 従来のＴＮモード液晶表示素子の主要部の構成を示す概略的な分解斜視図である。 リタデーションΔｎｄと電圧無印加時の光透過率との関係を表したグラフである。

符号の説明

１１、２１、３１ 上側基板
１２、２２、３２ 下側基板
１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ、３１ａ、３２ａ 透明基板
１１ｂ、１２ｂ、２１ｂ、２２ｂ 電極
１１ｃ、１２ｃ、２１ｃ、２２ｃ、３１ｃ、３２ｃ 配向膜
１５、２５、３５ 液晶層
１５ａ、２５ａ、３５ａ 液晶分子
２０ 液晶セル
３０ 駆動セル
４０ 補償セル
５０、５１、５２、５３ 偏光板
Ｄ１〜Ｄ１０ 方向

Claims (4)

1. それぞれ電極を備える上側基板及び下側基板と、その両者間に保持され、電界が発生していない状態で液晶分子がツイスト配列してヘリカル構造を示し、リタデーションが、０．７５μｍ以上０．９５μｍ以下である液晶層とを有する駆動セルと、
   前記駆動セルの一方の基板面上に配置され、上側基板及び下側基板と、その両者間に保持され、液晶分子がツイスト配列してヘリカル構造を示す液晶層を含み、該液晶層は、ヘリカル構造の旋回方向が、前記駆動セルのヘリカル構造の旋回方向とは逆向きであり、該液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と、前記駆動セルの液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向とが、前記上側及び下側基板の面内で直交する補償手段であって、ヘリカル構造の旋回角の大きさが、前記駆動セルのヘリカル構造の旋回角の大きさと等しく、１００°以上１５０°以下であり、該液晶層のリタデーションは、前記駆動セルの液晶層のリタデーションとの差が０．３μｍ以下である補償手段と、
   前記駆動セルと補償手段とを含む構造体の両側にそれぞれクロスニコルに配置された２枚の偏光板であって、透過軸または吸収軸の方向が、ともに、前記駆動セルの液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方向と４５°の角をなすようにクロスニコルに配置された２枚の偏光板と
   を有することで、
   前記駆動セルへの電圧無印加時において、前記駆動セルの液晶層の厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子の配向方位と９０°をなす方位の、極角６０°方向から観察したときの透過率が４％以下であり、
   前記駆動セルの液晶層及び前記補償手段の液晶層は二色性色素を含まない液晶表示素子。
2. 前記駆動セル及び補償手段のヘリカル構造の旋回角の大きさが、１１０°以上１３０°以下である請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記駆動セルがスリットを備える電極を用いて、液晶層に斜め電界を発生させる方法で、液晶表示素子が場所により複数の配向方向を有する液晶層を備えるマルチドメイン構造である請求項１または２に記載の液晶表示素子。
4. 前記補償手段の液晶層が、正の一軸光学異方性を有する液晶材料で形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。