JPH02204725A - 二層式液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は白黒、多色カラー　フルカラーなどの・高画質
な二層式液晶表示装置に関するものである。

従来の技術 現在、マルチプレックス駆動によるＳＴＮ型液晶表示が
主としてＯＡ端末用デイスプレィとして、またアクティ
ブマトリックス駆動によるＴＮ型液晶表示が主としてカ
ラーテレビなどに用いられている。これらの液晶表示は
いずれも捻れたネマティック配列構造の液晶Ｎ（捻れ角
はＳＴＮ型では２２０’〜２７０’、ＴＮ型では４５″
〜９５６）を用い、電圧印加による旋光性をともなう実
効的複屈折の変化を利用した光透過率の制御方式である
。これらの表示方式では、本質的に旋光性の波長分散お
よび複屈折の波長分散が生じ、透過光が着色する問題お
よびコントラストが低下する問題がある。ここで、一対
の偏光板の間に挟持したＳＴＮ型およびＴＮ型液晶層に
おいて電圧を印加していない場合を考える。グーチとタ
リー（Ｇｏｏｃｈ　ａｎｄ　Ｔａｒｒｙ　ニジ゛１イフ
ィソーツクステーイ：７７″１１ノィシ゛ツクス（Ｊ、
Ｐｈｙｓ、Ｄ：Ａｐｐｌ　、Ｐｈｙｓ、）、Ｖｏｌ、８
．１９７５．　ｐｐ１５７５〜１５８４）によれば、上
記液晶層を通過した出射光が完全な直線偏光となるのは
特定の条件、Δｎ−ｄ＝　λ・（ｍ２−θ２／π２）を
満たす場合だけである。ここで、Δｎは液晶層の複屈折
率、ｄは液晶層の厚み、λは光の波長、ｍはθ／πの値
より大きい整数、θは液晶層の捻れ角である。一般には
、光源は、例えば赤、緑、青の各光は単色光ではなく波
長分布を持っているので、液晶層を透過した出射光は旋
光性を帯びた楕円偏光となっている。ここで旋光分散効
果はΔｎ−ｄの値がλの値に比べて十分大きい場合には
無視できる程度に小さいが、Δｎ−ｄの値が１μｍ（例
えばΔｎ＝０．１．ｄ＝１０ｕｍ）以下の場合には極め
て大きくなる。この場合、液晶層を通過する光の波長が
長いほど旋光度合が少ない。

この様に光の波長によって旋光度合が異なるとこれらの
出射光を偏光板の設置により完全遮断、あるいは完全透
過させた状態にすることができないので表示コントラス
トが低下し、また特定波長の光が比較的強く、あるいは
弱く出射側偏光板を透過するので表示色が着色すること
になる。これに加えてさらに、光源の全波長域にわたっ
て上記グーチとタリーの特定条件を満たすように液晶層
を設計することはできないので複屈折の波長分散効果も
避けられない、従って、楕円偏光となった出射光を偏光
板の設置により完全遮断、あるいは完全透過させた状態
にすることはできないので表示コントラストが低下し、
また特定波長の光が比較的強く漏れるため、表示色が着
色するという問題が生じる。

従来、これらの問題を解決する方法として、駆動用液晶
層と出射側偏光板の間に駆動用液晶層の分子配列と鏡面
対称の関係にあるもう一つ別の光学補償用液晶層（捻れ
角θは同じであるが、捻れのセンスが逆であるツイスト
ネマティック液晶層）を設けることが既に提案されてい
る（特開昭５６−８８１１２号公報、特開昭５７−４６
２２７号公報、特開昭５７−１２５９１９号公報）。こ
の従来技術によれば、電圧を印加しない場合には、駆動
用液晶層を出射した楕円偏光は、さらに光学補償用液晶
層を通過させることにより直線偏光に戻すことができる
。従って表示コントラストが向上し、着色の度合も軽減
される。しかし、この様な光学補償関係が得られるのは
駆動用液晶層に電圧を印加しない状態（正確には液晶の
しきい値電圧以下の電圧を印加した状態）の時だけであ
る。

すなわち、液晶層にしきい値電圧以上の電圧を印加して
駆動している場合は上記の光学補償間係が崩れ、成立し
ない。例えば飽和電圧を印加した時は駆動用液晶層によ
る位相差Δｎ−ｄおよび旋光性はほとんどなくなり、光
学補償用液晶層による位相差Δｎ−ｄおよび旋光性のみ
が残る。従ってこれらの分散効果による着色およびコン
トラスト低下の問題が残されていた。

発明が解決しようとする課題 この様に従来の二層式液晶表示技術は液晶を駆動してい
る時には光学補償関係が得られず、表示色の着色および
表示コントラスト低下の問題が残７ていた。

本発明は、液晶を駆動している時も、駆動していない時
も常時光学補償を行い、表示色の着色および表示コント
ラストの低下を完全に防止する、高性能な光学補償機能
をもつ高画質液晶表示装置を提供することを目的とする
ものである。

課題を解決するための手段 本発明は、ＴＮ配向あるいはＳＴＮ配向の第一液晶層と
、ツイスト捻れの向きが上記液晶層の向きと逆であり、
かつツイスト捻れ角の大きさが上記液晶層の大きさと同
じである、もう一つのＴＮ配向あるいはＳＴＮ配向の第
二液晶層とを、一対の偏光板の間に重ねて設けた二層式
液晶表示装置において、上記第一液晶層の位相差と上記
第二液晶層の位相差とが大きさにおいて互いに等しくな
るように設計し、かつ上記第一液晶層と上記第二液晶層
の互いに隣接する側の各配向膜のラビング方向が互いに
直交するように設計し、さらに上記第一液晶層に電圧印
加して駆動させると同時に上記第二液晶層にも電圧印加
して駆動させ、かつ１記両液晶層の位相差の大きざが互
いに常に等しくなるように電圧印加して駆動させる二層
式液晶表示装置である。

作用 本発明の二層式液晶表示装置は液晶に電圧を印加して駆
動させている時も、駆動させていない時も常時光学補償
を行い、表示色の着色および表示コントラストの低下を
完全に無くした、高性能な光学補償機能をもつ。なぜな
らば、本発明の二層式液晶表示装置は互いに光学補償関
係にある液晶配列構造をとる第一液晶層と第二液晶層と
に同じ電気信号を同時に与えて、液晶に印加する電圧レ
ベルにかかわらず常に旋光分散および複屈折分散の効果
を第一液晶層と第二液晶層とで相殺させるからである。

ここで、第一液晶層と第二液晶層とが互いに光学補償間
係を保つための条件は、第一液晶層のツイスト捻れ角の
大きさθ１と第二液晶層のツイスト捻れ角の大きさθ２
とが互いに等しく、かつ捻れの向きが第一液晶層と第二
液晶層とで互いに逆であることであゆ、さらに重要なこ
とは第一液晶層の位相差Δｎ１・ｄｌと第二液晶層の位
相差Δｎ２・ｄ２とが大きさにおいて互いに等しくなる
ように、かつ第一液晶層と第二液晶層の互いに隣接する
側の各配向膜のラビング方向が互いに直交するように設
計することである。そしてさらに、この様な第一液晶層
と第二液晶層とにそれぞれ電圧ｖ１およびｖ２を同期さ
せて印加し、しかも駆動中の実効的位相差Δｎ１・・ｄ
ｌと実効的位相差Δｎ２・・ｄ？とが常に等しくなるよ
うに印加電圧■１および■２をそれぞれ調節することで
ある。ここで、第一液晶層と第二液晶層とに同種の液晶
材料（但しカイラリティ成分は互いに反対のカイラリテ
ィをもつ材料）を用いたとすれば、複屈折率Δｎ１とΔ
ｎ２とは同じ値であり、したがって液晶層の厚みｄ＋と
ｄ２とを等しくなるように設計し、印加電圧Ｖ、および
ｖ２が常に等しくなるように調節すれば、駆動中の実効
的位相差Δｎ＋・・ｄ＋と実効的位相差Δｎ２・・ｄ２
とを常に等しくなるように保つことは容易にできる。

次に、この様な光学補償条件の下で、旋光性の波長分散
および複屈折の波長分散がどの様になるかを考察する。

まず旋光性については、第一液晶層の旋光能と第二液晶
層の旋光能とは大きさが等しく、その向きが逆である。

この関係は液晶駆動中においても常に成り立つ。駆動電
圧■１および■２が高くなるにつれて液晶分子は立ち上
がり第一液晶層および第二液晶層の旋光能はいずれも次
第に小さくなっていくが、それらの値は常に同じであり
、しかもそれらの符号は互いに反対である。したがって
、第一液晶層による旋光分散性と第二液晶層による旋光
分散性とは常に丁度打ち消し合い、全体として旋光分散
は無くなる。

一方、複屈折については、第一液晶層の位相差ΔｎＩ−
ｄ１と第二液晶層の位相差Δｎ２・ｄ２とは大きが等し
く、また駆動中の第一液晶層の実効的位相差Δｎ１・・
ｄｌと第二液晶層の実効的位相差△ｎ２・・ｄ２も互い
に大きが等しい。しかし、第一液晶層と第二液晶層の互
いに隣接する側の各配向膜のラビング方向が互いに直交
するように設計しであるので、すなわち第一液晶層の光
出射側の液晶分子の配向方向と第二液晶層の光入射側の
液晶分子の配向方向とは互いに直交させであるので、第
一液晶層を通過するときに位相が進んだ光成分は第二液
晶層を通過するときに位相が遅れる。また第一液晶層を
通過するときに位相が遅れた光成分は第二液晶層を通過
するときに位相が進む。したがって、第一液晶層による
位相差と第二液晶層による位相差とは常に丁度補償し合
い、全体として位相差は無くなる。すなわち第一液晶層
による複屈折分散と第二液晶層による複屈折分散とは常
に丁度打ち消し合い、全体として複屈折分散は無くなる
。

この様に、本発明の構成に成る液晶表示装置は本質的に
旋光分散および複屈折分散を持っていない。従って、そ
れらによる表示色の着色も全く無く、表示コントラスト
の低下も無いという特長を有する。

さらに、本発明の液晶表示装置は、そのパネル設計にお
いて必ずしもグーチとタリーの特定条件を満たすように
設計する必要はない。なぜならば、本発明の装置全体と
しての旋光分散および複屈折分散は液晶層の位相差Δｎ
−ｄの値に全く依存しないからである。従って、それだ
けパネル設計上の裕度が大きい。例えば液晶層の位相差
Δｎ′・ｄを小さく設計することによって、特に複屈折
率Δｎの小さい液晶材料を用いることによって表示の視
野角を広くすることができ、また特に層の厚みｄを小さ
く設計することによって表示パネルの駆動電圧を下げる
ことができるという特長などを有する。

実施例 以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

本発明の二層式液晶表示装置は、ＴＮ配向およびＳＴＮ
配向などのように、捻れネマティック液晶配列構造をと
る液晶層に広く適用することができる。また、本発明の
表示装置は、アクティブマトリックス駆動、スタティッ
クス駆動、マルチプレックス駆動などの駆動方式には限
定されない。

以下実施例を挙げて説明をする。

実施例１ 図は、本実施例の構成を示す図である。

赤、緑、青のマイクロカラーフィルタ１４およびアモル
ファスシリコンＴＰＴマトリックスアレイ１３を搭載し
たアクティブマトリックス駆動方式の９０°右捻れＴＮ
液晶パネルを第一液晶層１１として、また上記ＴＰＴマ
トリックスアレイ１３と同様のアレイを搭載したアクテ
ィブマトリックス駆動方式の９０°左捻れＴＮ液晶パネ
ルを第二液晶層１２として二層式液晶表示装置を作製し
た。

第一液晶層１１に用いた液晶材料は、ネマティック液晶
材料、メルク社製ＺＬ　ｌ−４２７７に捻れ方向を規定
するための右旋性カイラル物質ＣＢ−１５（ＢＤＨ社製
）を０．１重量％添加しものである。この液晶材料の複
屈折率Δｎ１の値は０．１１８である。また第二液晶Ｎ
１２に用いた液晶材料は、同じくメルク社製ＺＬＩ−４
２７７に捻れ方向を規定するための左旋性カイラル物質
ＺＬＩ−８１１（メルク社製）を０．０４重量％添加し
ものである。この液晶材料の複屈折率Δｎ２の値は同じ
＜　０．１１８である。第一液晶層１１および第二液晶
層１２の厚みは共に４．０μｍである。なお、第一液晶
層１１の光出射側配向膜（マイクロカラーフィルタ基板
上）のラビング方向と第二液晶層１２の光入射側配向膜
（ＴＦＴアレイ基板上）のラビング方向とは互いに直交
するように配置した。

次に、右捻れＴＮ液晶パネル（第一液晶層１１）の入射
側および左捻れＴＮ液晶パネル（第二液晶層１２）の出
射側にそれぞれ偏光板２０．２１を取り付けた。その際
、入射側偏光板２０の偏光方向が第一液晶層１１の入射
側配向膜表面の液晶分子長軸方向（ラビング方向）に平
行となるように、また出射側偏光板２１の偏光方向が第
二液晶層１２の出射側配向膜表面の液晶分子長軸（ラビ
ング方向）と直交するように、それぞれの偏光板を配置
した。すなわち、ノーマリブラック（ノーマリクローズ
）の表示モードとした。次に、ＸドライバＩＣからの走
査信号は右捻れＴＮ液晶パネルのゲート端子１７に入力
させるのと同期させて左捻れＴＮ液晶パネルの対応する
ゲート端子１７にも人力した。一方、ＸドライバＩＣか
らの映像信号は右捻れＴＮ液晶パネルのソース端子１８
に入力させるのと同期させて左捻れＴＮ液晶パネルの対
応するソース端子１８にも入力した。

この本発明の表示装置について、可視域４００ｎｍ〜７
５０ｎｍの波長にわたって、正面から見た平均コントラ
ストを求めた結果１２０：１であった。また画面の黒色
調および白色調はいずれも着色は全く見られなかった。

なお比較例として、上記９０°右捻れＴＮ液晶パネル（
第一液晶層）のみの表示装置について、同様の測定をし
た結果、正面平均コントラストは５０：　ｌであった。

また画面の黒色調はかなり赤味を帯びていた。

実施例２ 単純マトリックス電極を配置したデユーティｌ／２００
のマルチプレックス駆動方式の２４０＠右捻れＳＴＮ液
晶パネルを第一液晶層として、また上記電極構成と同様
の電極を配置したデユーティ１／２００のマルチプレッ
クス駆動方式の２４０°左捻れＳＴＮ液晶パネルを第二
液晶層として二層式液晶表示装置（白黒表示）を作製し
た。第一液晶層に用いた液晶材料は、ネマティック液晶
材料、メルク社製ＺＬ　ｌ−４３３５に右捻れを与える
ための右旋性カイラル物質ＣＢ−１５（ＢＤ■（社製）
を１．３重量％添加しものである。この液晶材料のカイ
ラルピッチの値は８．８μｍ、また複屈折率Δｎ１の値
は０．１２５である。また第二液晶層に用いた液晶材料
は、同じくメルク社１！ＺＬ１−４３３５に左捻れを与
えるための左旋性カイラル物質ＺＬＩ−８１１（メルク
社製）を０．６重量％添加しものである。この液晶材料
のカイラルピッチの値は同じ＜８．８７１ｍ、また複屈
折率Δｎ２の値は同じ＜０．１２５である。第一液晶層
および第二液晶層の厚みは共に５．９μ！ｎである。な
お、第一液晶層の光出射側配向膜のラビング方向と第二
液晶層の光入射側配向膜のラビング方向とは互いに直交
するように配置した。次に、右捻れ５ＴＮ）α品パネル
（第一液晶層）の入射側および左捻れＳＴＮ液晶パネル
（第二液晶層）の出射側にそれぞれ偏光板を取り付けた
。その際、入射側偏光板の偏光方向が第一液晶層の入射
側配向膜表面の液晶分子長軸方向（ラビング方向）に平
行となるように、また出射側偏光板の偏光方向が第二液
晶層の出射側配向膜表面の液晶分子長軸（ラビング方向
）と直交するように、それぞれの偏光板を配置した。す
なわち、ノーマリブラック（ノーマリクローズ）の表示
モードとした。次に、ＸドライバＩＣからの走査信号は
右捻れＳＴＮ液晶パネルのＸ電極端子に入力させるのと
同期させて左捻れＳＴＮ液晶パネルの対応するＸ電極端
子にも人力した。一方、ＸドライバＩＣからの表示信号
は右捻れＳＴＮ液晶パネルのＸ電極端子に入力させるの
と同期させて左捻れＳＴＮ液晶パネルの対応するＸ電極
端子にも入力した。

この本発明の表示装置について、可視域４００ｎｍ〜７
５０ｎｍの波長にわたって、正面から見た平均コントラ
ストを求めた結果２５：　１であった。また画面の白黒
表示には着色は全く見られなかった。

なお比較例として、上記２４０°右捻れＴＮｆｆ１品パ
ネル（第一液晶層）のみの表示装置について、同様の測
定をした結果、正面平均コントラストは１０：　１であ
った。また表示画面はイエローモードのかなりの着色が
見られた。

実施例３ 赤、緑、青のマイクロカラーフィルタおよびアモルファ
スシリコンＴＰＴマトリックスアレイを搭載したアクテ
ィブマトリックス駆動方式の９０″右捻れ１”　Ｎ　ｉ
＆晶パネルを第一液晶層として、また上記ＴＰＴマトリ
ックス７レイと同様のアレイを搭載したアクティブマト
リックス駆動方式の９０″左捻れＴＮ液晶パネルを第二
液晶層として二層式液晶表示装置を作製した。第一液晶
層に用いた液晶材料は、ネマティック液晶材料ＺＬ［−
３１０３（メルク社製）８０重量％とＣＨ−４３（メル
ク社製）２０重量％の混合液晶に捻れ方向を規定するた
めの右旋性カイラル物質ＣＢ−１５（ＢＤＨ社製）を０
．１重量％添加しものである。この液晶材料の複屈折率
Δｎ１の値は０．０６９であり、誘電異方性の値は１．
８４である。また第二液晶層に用いた液晶材料は、同じ
＜　ＺＬ　Ｉ　−３１０３が８０重量％とＣＨ−４３が
２０重量％の混合液晶１．に捻れ方向を規定するための
左旋性カイラル物質ＺＬＩ−８１１を０．０４重量％添
加しものである。

この液晶材料の複屈折率Δｎ２の値は同じ＜０．０６７
である。第一液晶層および第二液晶層の厚みは共に１．
０μｎ１である。なお、第一液晶層の光出射側配向膜（
マイクロカラーフィルタ基板上）のラビング方向と第二
液晶層の光入射側配向膜（ＴＦＴアレイ基板上）のラビ
ング方向とは互いに直交するように配置した。次に、右
捻れＴＮ液晶パネル（第一液晶層）の入射側および左捻
れＴＮ液晶パネル（第二液晶層）の出射側にそれぞれ偏
光板を取り付けた。その際、入射側偏光板の偏光方向が
第一液晶層の入射側配向膜表面の液晶分子長軸方向（ラ
ビング方向）に平行となるように、また出射側偏光板の
偏光方向が第二液晶層の出射側配向膜表面の液晶分子長
軸（ラビング方向）と平行となるように、それぞれの偏
光板を配置した。

すなわち、ノーマリホワイト（ノーマリオーブン）の表
示モードとした。次に、ＸドライバＩＣからの走査信号
は右捻れＴＮ液晶パネルのゲート端子に人力させるのと
同期させて左捻れＴＮ液晶パネルの対応するゲート端子
にも人力した。一方、ＸドライバＩＣからの映像信号は
右捻れＴＮ液晶パネルのソース端子に入力させるのと同
期させて左捻れＴＮ液晶パネルの対応するソース端子に
も入力した。

この本発明の表示装置について、可視域４００ｎｍ〜７
５０ｎｍの波長にわたって、正面から見た平均コントラ
ストを求めた結果１５０：１であった。またコントラス
トが２０：　１以上得られる視野角の範囲は、左側７０
°〜右側７０°　上方４０６〜下方５０°であった。ま
た画面の黒色調および白色調にはいずれも着色は全く見
られなかった。さらに電圧−透過率曲線を測定した結果
、Ｙ９１１（シきい値電圧）の値は１．８■、Ｖ＋ｌＩ
（飽和電圧）の値は３．１■であった。

なお比較例として、上記９０°右捻れＴＮ液晶パネル（
第一液晶層）のみの表示装置については、液晶層の位相
差（０，０６９μｍ）がグーチとタリーの特定条件を満
たす値（０，４７２μｍ）から大きくずれているので測
定をするまでもなく使用に耐えない。そこで第一液晶層
の厚みが７．０７１ｍの、カラーフィルタおよびＴＦＴ
アレイを搭載したアクティブマトリックス駆動方式の９
０″右捻れＴＮ液晶パネルを改めて作製し、そのパネル
について同様の測定をした結果、正面平均コントラスト
は６０＝　１であった。またコントラストが２０＝１以
上得られる視野角の範囲は、左側３０’〜右側３０°　
上方ｌＯ°〜下方２０″であった。また画面の白色調に
はかなりの青着色が見られた。

さらに電圧−透過率曲線を測定した結果、Ｖ９［１の値
は４．２■、ｖｔｅの値は６．５ｖであった。

発明の効果 以上の説明かられかるように、本発明は、互いに光学補
償関係にある二つの液晶層を設け、その両液晶層を光学
補償関係が成り立つように同期させて駆動させ、高性能
な光学補償機能をもつものであるので、捻れネマティッ
ク液晶表示が本質的にもっている旋光分散および複屈折
分散を完全に無くすることができる。その結果、高い表
示コントラスト、着色の無い黒色調および白色調が容易
に得られ、高画質な液晶表示装置を提供することができ
る。

また、本発明の液晶表示装置においては、液晶層の位相
差Δｎ−ｄの値に関わらず、装置全体としての旋光分散
および複屈折分散は皆無であるので、液晶層の位相差Δ
ｎ−ｄの値を自由に選ぶことができる。従って、それだ
けパネル設計上の裕度が大きい。例えば液晶層の位相差
Δｎ−ｄを小さく設計することによって、特に複屈折率
Δｎの小さい液晶材料を用いることによって表示の視野
角を広くすることができ、また特に屡の厚みｄを小さく
設計することによって表示パネルの駆動電圧を下げるこ
とができるという特長などを有する。

示す模式的側面図である。

１１・・・第一液晶層、１２・・・第二液晶層、１３条
・・ＴＦＴアレイ、１４・・・フィルタアレ、イ、　１
５・・・共通電極、１６・・・基板。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＴＮ配向あるいはＳＴＮ配向の第一液晶層と、ツ
   イスト捻れの向きが前記第一液晶層の向きと逆であり、
   かつツイスト捻れ角の大きさが前記第一液晶層の大きさ
   と同じである、もう一つのＴＮ配向あるいはＳＴＮ配向
   の第二液晶層とを、一対の偏光板の間に重ねて設けた二
   層式液晶表示装置において、前記第一液晶層の位相差（
   複屈折率と厚みの積）と前記第二液晶層の位相差とが大
   きさにおいて互いに等しく、前記第一液晶層と前記第二
   液晶層の互いに隣接する側の各配向膜のラビング方向が
   互いに直交し、さらに前記第一液晶層に電圧印加して駆
   動させると同時に前記第二液晶層にも電圧印加して駆動
   させ、かつ前記両液晶層の位相差の大きさが常に互いに
   等しくなるように電圧印加して駆動させることを特徴と
   する二層式液晶表示装置。
2. （２）第一液晶層の複屈折率Δｎ＿１と前記第二液晶層
   の複屈折率Δｎ＿２とが互いに等しく、前記第一液晶層
   の層の厚みｄ＿１と前記第二液晶層の層の厚みｄ＿２と
   が互いに等しく、また前記第一液晶層への印加電圧Ｖ＿
   １と前記第二液晶層への印加電圧Ｖ＿２とが常に等しく
   なるように駆動させることを特徴とする請求項１記載の
   二層式液晶表示装置。
3. （３）第一液晶層に対する駆動用電極構成と前記第二液
   晶層に対する駆動用電極構成とが同じであることを特徴
   とする請求項１または２記載の二層式液晶表示装置。