JP5465827B2 - 強誘電性液晶表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、液晶材料として強誘電性液晶を用いた強誘電性液晶表示装置に関する。

近年、軽量、薄型および低消費電力の映像表示装置として、液晶表示装置が実用化され、広く普及している。
一般的な液晶表示装置では、光源（例えば、バックライト）からの光が入射する側に位置する基板（以下、「第１基板」と称する）と、第１基板に対向する第２基板との間に、ネマティック液晶が注入されて液晶層が形成されている。

ここで、第１基板の液晶層側に形成された配向膜のラビング方向（液晶分子の配列方向、第２の方向）は、第１基板の液晶層とは反対側に設けられた偏光子の偏光方向（外部からの光の振動を制限する方向、第１の方向）に対して、平行または垂直になるように構成されている。一般的な液晶表示装置の第１基板に関する配向膜のラビング方向と偏光子の偏光方向との関係を図６に示す。
また、第２基板の液晶層とは反対側に設けられた偏光子の偏光方向は、第１基板に設けられた偏光子の偏光方向に対して、クロスニコルになる（偏光方向どうしが直交する）ように構成されている。

ネマティック液晶を用いた液晶表示装置では、第１基板の配向膜のラビング方向が、第１基板の偏光子の偏光方向に対して、平行または垂直になる場合に、液晶のリタデーション（複屈折位相差）が最も小さくなることが理論的に証明され、あるいは経験的によく知られている。
すなわち、第１基板の配向膜のラビング方向を第１基板の偏光子の偏光方向に対して平行または垂直にし、第２基板の偏光子の偏光方向を第１基板の偏光子の偏光方向に対してクロスニコルにすることにより、黒輝度を最も低くして、高いコントラストを実現することができる。

また、最近では、応答速度を向上させるために、ネマティック液晶の代わりに、液晶材料として強誘電性液晶を用いた強誘電性液晶表示装置が提案されている。
強誘電性液晶を用いた従来の強誘電性液晶表示装置は、一対の基板と、一対の基板の間に強誘電性液晶を注入して形成された強誘電性液晶層と、一対の基板の外側に配置された一対の偏光フィルムとを含んでいる（例えば、特許文献１参照）。

ここで、光源からの光が入射する側の第１基板に設けられた偏光フィルムの偏光方向は、強誘電性液晶分子の配向処理方向に対して、平行、またはほぼ平行になるように構成されている。また、第１基板に対向する第２基板に設けられた偏光フィルムの偏光方向は、強誘電性液晶分子の配向処理方向に対して、垂直になるように構成されている。
この構成は、前述したネマティック液晶を用いた液晶表示装置と同様に、黒輝度を低減して、高いコントラストを実現することを目的としている。

特表２００６−５１５９３５号公報

上記特許文献１に記載された従来の強誘電性液晶表示装置では、第１基板の偏光フィルムの偏光方向と強誘電性液晶分子の配向処理方向とを平行にし、第２基板の偏光フィルムの偏光方向と強誘電性液晶分子の配向処理方向とを垂直にしている。
しかしながら、従来の強誘電性液晶表示装置では、ダイレクタ（液晶分子の配列方向）に関して、ネマティック液晶と強誘電性液晶とでは互いに特性が異なることが考慮されていない。
そのため、黒輝度を低減することができず、高いコントラストを得ることができないという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、黒輝度を低減して、コントラストを向上させることができる強誘電性液晶表示装置を提供することにある。

この発明に係る強誘電性液晶表示装置は、互いに対向する第１基板および第２基板と、第１基板と第２基板との間に強誘電性液晶が注入されて形成された強誘電性液晶層と、第１基板の強誘電性液晶層とは反対側に設けられ、外部からの光の振動を第１の方向に制限する第１偏光子と、第１基板の強誘電性液晶層側に形成され、強誘電性液晶の分子を第２の方向に配列する第１配向膜と、を備え、第１偏光子の偏光方向である第１の方向と、第１配向膜のラビング方向である第２の方向との第１の角度偏差、または第１の方向と第２の方向に垂直な方向との第２の角度偏差は、３．５°以上４．５°未満の範囲内に設定されているものである。

この発明の強誘電性液晶表示装置によれば、第１の方向と第２の方向との第１の角度偏差、または第１の方向と第２の方向に垂直な方向との第２の角度偏差は、３．５°〜４．５°の範囲内に設定されている。
そのため、黒輝度を低減して、コントラストを向上させることができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る強誘電性液晶表示装置を示す断面図である。
図１において、この強誘電性液晶表示装置は、第１基板１と、第２基板２と、強誘電性液晶層３と、第１偏光子４（偏光子）と、透明電極５と、第１配向膜６（配向膜）と、第２配向膜７と、カラーフィルタ８と、第２偏光子９とを備えている。

互いに対向する第１基板１および第２基板２は、それぞれガラス基板であり、強誘電性液晶層３は、第１基板１と第２基板２との間に、強誘電性液晶が注入されて形成されている。
また、第１基板１には、第１基板１の強誘電性液晶層３とは反対側に設けられて光源として機能するバックライト（図示せず）からの光が入射する。

第１偏光子４は、第１基板１の強誘電性液晶層３とは反対側で、かつ第１基板１とバックライトとの間に設けられ、バックライトからの光の振動を第１の方向（偏光子の偏光方向）に制限する。
透明電極５は、画素電極および対向電極を構成し、第１基板１および第２基板２に対して平行方向（強誘電性液晶層３に対して水平方向）の電界を発生する。
第１配向膜６は、第１基板１の強誘電性液晶層３側に形成され、強誘電性液晶の分子を第２の方向（第１配向膜６のラビング方向）に配列する。

ここで、第１偏光子４による第１の方向と、第１配向膜６による第２の方向との第１の角度偏差は、３．５°〜４．５°の範囲内に設定されている。この理由については、後述する。
この発明の実施の形態１に係る強誘電性液晶表示装置に関する第１偏光子４による第１の方向と、第１配向膜６による第２の方向との関係を図２に示す。

第２配向膜７は、第２基板２の強誘電性液晶層３側に形成され、強誘電性液晶の分子を第２配向膜７のラビング方向に配列する。
カラーフィルタ８は、ＲＧＢ（赤、緑、青）のカラーを表示するためのフィルタであり、強誘電性液晶層３を通過した光にカラーを付加する。
第２偏光子９は、第２基板２の強誘電性液晶層３とは反対側に設けられ、強誘電性液晶層３を通過した光のうち、所定の振動方向の光のみを通過させる。

この強誘電性液晶表示装置は、以下の手順で製作される。
まず、第１基板１にスパッタリング法等を用いて透明電極５を形成し、第２基板２にカラーフィルタ８を貼り付ける。
続いて、第１基板１の透明電極５上および第２基板２のカラーフィルタ８上に、それぞれポリイミドを塗布し、これを焼成して、第１配向膜６および第２配向膜７を形成する。また、形成された第１配向膜６および第２配向膜７に配向処理を施す。

次に、第１基板１および第２基板２の周辺部にシール材を塗布し、第１基板１と第２基板２とを重ね合わせて接着する。
続いて、第１基板１と第２基板２との間に強誘電性液晶を注入し、アニール処理を経て強誘電性液晶層３を形成する。
最後に、第１基板１および第２基板２の強誘電性液晶層３とは反対側に、第１偏光子４および第２偏光子９をそれぞれ貼り付ける。

ここで、第１配向膜６のラビング方向と第２配向膜７のラビング方向とをパラレルとすると、強誘電性液晶層３は、シェブロン構造をとる。また、第１配向膜６のラビング方向と第２配向膜７のラビング方向とをアンチパラレルとすると、強誘電性液晶層３は、ブックシェルフ構造をとる。

以下、上記構成の強誘電性液晶表示装置の動作について説明する。
まず、透明電極５に電圧を印加しない状態では、強誘電性液晶の分子が光を遮る所定の方向に配列されており、光は強誘電性液晶層３を通過しない。
また、透明電極５に電圧が印加された場合には、強誘電性液晶層３に対して水平方向（横方向）の電界が発生する。これにより、強誘電性液晶の分子が水平方向に９０°回転し、光が強誘電性液晶層３および第２偏光子９を通過する。

ここで、本願発明者は、第１偏光子４による第１の方向と第１配向膜６による第２の方向との第１の角度偏差、および第１偏光子４の偏光方向と第２偏光子９の偏光方向との角度偏差を変化させながら、強誘電性液晶表示装置の黒輝度を測定し、最も黒輝度が低くなる条件を検討する実験を実施した。
なお、以下では、第１偏光子４の偏光方向と第２偏光子９の偏光方向との角度偏差を偏光子角度偏差と称する。
黒輝度の測定方法は、セルギャップＧ＝１．５μｍ、光学異方性Δｎｄ＝０．３としてテスト用の強誘電性液晶パネル（テストパネル）を製作し、そのテストパネルの黒輝度を光学測定器（名菱テクニカ製、形式ＬＣＡ−ＬＵ４Ａ）で測定する方法を採った。

まず、比較対象として、ネマティック液晶を用いたＩＰＳ方式の液晶表示装置について上記と同様の実験を実施した。
すなわち、第１基板の偏光子の偏光方向と第１基板の配向膜のラビング方向との角度偏差、および第１基板の偏光子の偏光方向と第２基板の偏光子の偏光方向との角度偏差を変化させながら、液晶表示装置の黒輝度を測定した。なお、第１基板の配向膜のラビング方向と第２基板の配向膜のラビング方向とをパラレルとした。

この実験における黒輝度の測定結果を図３に示す。なお、図３において破線で囲まれた範囲は、黒輝度がコントラスト１００レベルを超えた範囲を示している。
図３より、この液晶表示装置については、第１基板の偏光子の偏光方向と第１基板の配向膜のラビング方向とが平行になり、かつ第２基板の偏光子の偏光方向が第１基板の偏光子の偏光方向とクロスニコルになる場合に、黒輝度が最も低くなり、コントラストが高くなる（設計ポイントとなる）ことが分かる。

すなわち、前述したように、ネマティック液晶を用いた液晶表示装置では、第１基板の配向膜のラビング方向が、第１基板の偏光子の偏光方向に対して、平行または垂直になる場合に、液晶のリタデーションが最も小さくなる。また、この状態で、第２基板の偏光子の偏光方向を第１基板の偏光子の偏光方向に対してクロスニコルにすることにより、黒輝度を最も低くして、高いコントラストを実現することができる。

続いて、ブックシェルフ構造を有する強誘電性液晶表示装置について上記の実験を実施した結果を図４に示す。なお、図４において破線で囲まれた範囲は、黒輝度がコントラスト１００レベルを超えた範囲を示している。
図４より、この強誘電性液晶表示装置については、第１の角度偏差が約３°で、かつ偏光子角度偏差が約８７°となる点から、第１の角度偏差が約５°になるまで、および偏光子角度偏差が約９０°になるまでの範囲で、黒輝度がコントラスト１００レベルを超えていることが分かる。

また、シェブロン構造を有する強誘電性液晶表示装置について上記の実験を実施した結果を図５に示す。なお、図５において破線で囲まれた範囲は、黒輝度がコントラスト１００レベルを超えた範囲を示している。
図５より、この強誘電性液晶表示装置については、第１の角度偏差が約１°で、かつ偏光子角度偏差が約８４°となる点から、第１の角度偏差が約５°になるまで、および偏光子角度偏差が約９０°になるまでの範囲で、黒輝度がコントラスト１００レベルを超えていることが分かる。

また、図４および図５より、黒輝度を最も低くするために、偏光子角度偏差をクロスニコルにする場合には、強誘電性液晶層３がブックシェルフ構造およびシェブロン構造の何れの場合であっても、第１の角度偏差を３．５°〜４．５°の範囲内（望ましくは、４°）に設定すればよい。
第１の角度偏差を４°に設定した場合には、液晶のリタデーションが最も小さくなり、黒輝度を最も低くして、高いコントラストを実現することができる。

すなわち、強誘電性液晶表示装置については、第１の角度偏差が４°になり、かつ偏光子角度偏差がクロスニコルになる場合に、黒輝度が最も低くなり、コントラストが高くなる（設計ポイントとなる）ことが分かる。
このことは、ネマティック液晶と強誘電性液晶とでは、ダイレクタ（液晶分子の配列方向）に関する特性が互いに異なることに起因している。

この発明の実施の形態１に係る強誘電性液晶表示装置によれば、第１偏光子４による第１の方向と第１配向膜６による第２の方向との第１の角度偏差は、３．５°〜４．５°の範囲内に設定されている。
そのため、黒輝度を低減して、コントラストを向上させることができる。
また、第１の角度偏差を４°に設定した場合には、黒輝度を最も低くして、高いコントラストを実現することができる。

なお、上記実施の形態１では、第１偏光子４による第１の方向と第１配向膜６による第２の方向との第１の角度偏差が、３．５°〜４．５°の範囲内（望ましくは、４°）に設定されると説明した。
しかしながら、これに限定されず、第１偏光子４による第１の方向と第１配向膜６による第２の方向に垂直な方向との第２の角度偏差が、３．５°〜４．５°の範囲内（望ましくは、４°）に設定されてもよい。
この場合も、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

この発明の実施の形態１に係る強誘電性液晶表示装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る強誘電性液晶表示装置に関する第１方向と第２方向との関係を示す説明図である。 ネマティック液晶を用いたＩＰＳ方式の液晶表示装置について、黒輝度を測定した結果を示す説明図である。 ブックシェルフ構造を有する強誘電性液晶表示装置について、黒輝度を測定した結果を示す説明図である。 シェブロン構造を有する強誘電性液晶表示装置について、黒輝度を測定した結果を示す説明図である。 一般的な液晶表示装置の第１基板に関する配向膜のラビング方向と偏光子の偏光方向との関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 第１基板、２ 第２基板、３ 強誘電性液晶層、４ 第１偏光子（偏光子）、６ 第１配向膜（配向膜）。

Claims (3)

1. 互いに対向する第１基板および第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に強誘電性液晶が注入されて形成された強誘電性液晶層と、
   前記第１基板の前記強誘電性液晶層とは反対側に設けられ、外部からの光の振動を第１の方向に制限する第１偏光子と、
   前記第１基板の前記強誘電性液晶層側に形成され、前記強誘電性液晶の分子を第２の方向に配列する第１配向膜と、を備え、
   前記第１偏光子の偏光方向である前記第１の方向と、前記第１配向膜のラビング方向である前記第２の方向との第１の角度偏差、または前記第１の方向と前記第２の方向に垂直な方向との第２の角度偏差は、３．５°以上４．５°未満の範囲内に設定されていることを特徴とする強誘電性液晶表示装置。
2. 前記第１の角度偏差または前記第２の角度偏差は、４°に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶表示装置。
3. 前記第２基板の前記強誘電性液晶層側に形成される第２配向膜と、
   前記第２基板の前記強誘電性液晶層とは反対側に設けられる第２偏光子と、をさらに備え、
   前記第１配向膜のラビング方向と前記第２配向膜のラビング方向とは、パラレルとするか、またはアンチパラレルとし、
   前記第１偏光子と前記第２偏光子との角度偏差は、クロスニコルとすることを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶表示装置。

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