JPH03249621A

JPH03249621A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH03249621A
Application number: JP3017404A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Shindo; 神藤　保彦; Tamihito Nakagome; 中込　民仁; Shinji Hasegawa; 長谷川　眞二; Yoshio Hanada; 花田　良雄
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1991-02-08
Publication date: 1991-11-07
Anticipated expiration: 2013-02-25
Also published as: JP2717731B2

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】

本発明は液晶表示素子に係り、特に優れた時分割駆動特
性を有する電界効果型液晶表示素子に関するものである
。

【従来の技術】

従来の液晶表示素子のツィステッドネマチックタイプと
言われるものは、２枚の電極基板間に正の誘電異方性を
有するネマチック液晶による９０度ねじれたらせん構造
を有し、かつ画電極基板の外側には偏光板をその偏光軸
（あるいは吸収軸）が電極基板に隣接する液晶分子に対
してほぼ平行になるように配置するものであった（特公
昭５１−１３６６６号公報）。２枚の電極基板間で液晶分子が９０度ねじれたらせん状
構造をなすように配向させるには、例えば電極基板の、
液晶に接する表面を布などで一方向にこする方法、いわ
ゆるラビング法によってなされる。このときのこする方
向、即ちラビング方向が液晶分子の配列方向となる。こ
のようにして配向処理された２枚の電極基板をそれぞれ
のラビング方向が互いにほぼ９０度に交差するように間
隙をもた方性をもったネマチック液晶を封入すると、液
晶分子はその電極基板間でほぼ９０度回転したらせん状
構造の分子配列をする。このようにして構成された液晶
セルの上下には偏光板が設けられるが、その偏光軸ある
いは吸収軸はそれぞれの電極基板に隣接する液晶分子の
配列方向とほぼ平行にする。ここで、以降の説明に必要
な時分割駆動特性を表わす量の定義について簡単に説明
する。図６は従来の９０度ねじれた液晶分子のらせん構造を持
つ液晶表示素子の典型的な電圧−輝度特性を示している
。これは、印加電圧に対する反射輝度の相対値をとった
ものであり、輝度の初期値（電圧を印加しない状態）を
１００％、最終値（光の反射または透過が全くない状態
）を０％にしている。実用上は８０％以上あれば画素は十分量るく液晶は非点
灯状態、２０％以下であれば画素は十分暗く点灯状態と
してよく、以下本明細書においては、相対輝度が、８０
％、２０％になる電圧をそれぞれ、しきい値電圧ｖｔｈ
、飽和電圧Ｖ　ｓａｔとする。さらに液晶表示素子の電気光学特性は、見る方向によっ
ても変り、この特性が良好な表示品質が得られる視野を
制限している。ここで、視角φの定義を図７によって説明する。図にお
いて、液晶表示素子１の上側電極基板１１のラビング方
向を２、下側電極基板１２のラビング方向を３とし、液
晶分子のねじれ角を４とする。また液晶表示素子１の表
面に直交座標ＸＹ軸をとり、Ｘ軸方向を液晶分子のねじ
れ角４を２等分する方向に規定し、Ｚ軸をＸＹ面の法線
方向に定め、観察方向５がＺ軸となす角を視角φとする
。また、図７に示されたφを正とし、このような方向か
ら見た場合、コントラストが高くなるので、このような
方向を視野方向という。図６において、視度φ＝１０度における輝度が８０％に
なる電圧をＶｔｈｌ、２０％になる電圧をＶ　５ａｔ１
とし、視度φ＝４０度における輝度が８０％になる電圧
を■ｔｈ２としたとき、立ち上がり特性χ、角度時性Δ
φ及び時分割能ｍを次式のように定義する。 χ＝ＶＳａｔ１／■ｔｈ１ Δ　φ＝Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１ｍ＝ｖｔｈ２／ｖｓａｔ１従来の液晶表示素子の時分割駆動特性は、液晶の屈折率
異方性をΔｎ、上下電極基板間間隙をｄとした場合Δｎ
−ｄに依存しており、Δｎ−ｄが大きい場合（例えば０
．８μｍ以上）にはγが良く（小さく）　Δ≠が悪い（
小さい）。一方、Δｎ−ｄが小さい場合（例えば０．８μｍ以下）
にはγが悪く（大きく）、Δφが良い（大きい）。しか
し、時分割能ｍで比較した場合には、△ｎ−ｃｌの大小
にかかわらず、はぼ同じ値を示す。以上の具体的な例を
表１に示す。

【表１】ここで時分割駆動について、ドツトマトリクスデイスプ
レィを例に取って簡単に説明する。図８に示すように図
７の下側電極基板１２にストライプ状のＹ電極（信号電
極）１３を、同様に上側電極基板１１にＸ電極（走査電
極）１．４を形成し、文字等の表示は、Ｘ、Ｙ両電極の
交点部の液晶を点灯あるいは非点灯にして行う。図にお
いてｎ本の走査電極をＸｌ、Ｘ２．　　　　　　・Ｘｎ
、Ｘｌ、Ｘ２・Ｘｎと繰り返し線順次走査を繰返して時
分割駆動する。ある走査電極が選択されたとき、その電
極上のすべての画素に、信号電極１３であるＹｌ、Ｙ２
゜・Ｙｍより、表示すべき信号に従い、選択または非選
択の表示信号を同時に加える。このように、走査電極と
信号電極に加える電圧パルスの組合せで交点の点灯、非
点灯を選択する。この場合の走査電極Ｘの数ｎが時分割
数に相当する。

【発明が解決しようとする課題】

従来の液晶表示素子では、表１に例示したような時分割
駆動特性しか得られないために、時分割数３２あるいは
６４が実用的には限界であった。しかし、近年液晶表示
素子の画質の改善と表示情報量の増大に対する要求が厳
しくなっており、要求仕様を満足できない状況に到って
いる。本発明の目的は、従来の液晶表示素子と全く異なったセ
ル構造をとり、しかも液晶のねじれらせんピッチと液晶
層の厚みを特定の範囲に制御することによって、極めて
優れた時分割躯動特性を持ち、時分割数１００以上でも
良好な画質を持った液晶表示素子を提供することにある
。

【課題を解決するための手段】

このような目的を達成するために、本発明による液晶表
示素子は、液晶材料のねじれらせんピッチと液晶層の厚
みを特定の関係に規定し、液晶表示素子における液晶分
子のらせん構造のねじれ角を１４０度から２５０度の範
囲とし、この液晶分子のらせん構造の前後に一対の偏光
板を設け、それら偏光板の吸収軸（あるいは偏光軸）を
、電極基板に隣接する液晶分子の配向方向に対し一定の
角度ずらせて配設することを特徴とするものである。

【作用】

本発明の液晶表示素子においては、液晶分子のらせん構
造のねじれ角を１４０度から２５０度の範囲内とし、こ
の液晶材料のねじれらせんピッチと液晶層の厚みとの比
を特定の関係に規定し、かつ偏光板の吸収軸（あるいは
偏光軸）と液晶分子の配向方向とを特定の角度関係に規
定することにより、印加電圧一光透過率特性カーブが急
峻になり、かつ光散乱現象が防止出来るので時分割駆動
特性が大幅に向上し、かつ高コントラスト表示が可能と
なる。

【実施例】

次に、図面を用いて、本発明の実施例を詳細に説明する
。図１は本発明になる液晶表示素子を上側から見た場合の
液晶分子の配列方向（ラビング方向）　液晶分子のねじ
れ方向、偏光板の吸収軸（あるいは偏光軸）方向を示し
ている。この場合、液晶分子が上側電極基板のラビング
方向６を起点として、反時計回りに下側電極基板のラビ
ング方向７まで角度αだけねじれている。また、上側電
極基板のラビング方向６と上側偏光板の吸収軸（あるい
は偏光軸）８とのなす角度β１は、上側電極基板のラビ
ング方向６を起点として液晶分子のねじれ方向１０（こ
の場合は反時計回り方向）と同じにとり、下側電極基板
のラビング方向７と下側偏光板の吸収軸（あるいは偏光
軸）９とのなす角度β２も，β１と同様に定義する。こ
こで、β１あるいはβ２に１８０度の整数倍の角度を加
えたものは、βおよびβと等価であることは言うまでも
ない。以降、β１とβ２の値は、等価な角度群の最小値
をもって代表する。さらに、液晶分子のねじれ方向１０とねじれ角αは、上
側電極基板のラビング方向６と下側電極基板のラビング
方向７及びネマチック液晶に添加される旋光性物質の種
類と量によって規定される。以下、説明を簡略化するために、添加する旋光性物質と
しては、例えば下式で表わされるメルク社の８８１１

【化１】Ｈ３（化１）のように、図１におけるねじれ方向１０と同じ固有ねじ
れ方向を持ったものを考える。一般に、旋光性物質を添加したネマチック液晶は、旋光
性物質の種類と添加量に応じたらせんピッチＰ（μｍ）
を持つ。即ち、液晶分子はらせん軸方向に距離Ｐを進む
間に３６０度だけ自然にねじれる。ネマチック液晶に添
加された旋光性物質の濃度をＣ（％）とすると、ＰＣ＝
一定　なる関係がある。したがって、任意の距離ｄ（μ
ｍ）をとると、その間で液晶分子は３６０　ｄ／Ｐ度だ
けねじれることになる。しかし、実際の液晶表示素子で
は境界の液晶分子の配列方向がラビング方向に強制的に
規制されているため、上下のラビング方向によって決ま
るねじれしか許されない。これについて図２を用いて説
明する。図において、目的とするねじれを１０とし、ね
じれ角をαとした場合、液晶層の厚みをｄ（μｍ）とす
ると、液晶のらせんピッチＰがα＝＝＝３６０ｄ／Ｐの
関係を満足すれば、液晶分子は目的のねじれ１０になる
ことは容易に分かる。しかし、ｄ／Ｐが非常に小さくな
った場合のねじれは図においてねじれ２０になり、逆に
ｄ／Ｐが非常に大きくなった場合のねじれは図において
ねじれ３０になる。このように実際の液晶表小素子では
、ｄ／Ｐが連続的に変化してもねじれはとびとびの状態
しかとり得ない。ここではねじれ１０の場合をノーマル
ツイスト、ねじれ２０の場合をアンダーツイスト、ねじ
れ３０の場合をオーバーツイストということにする。ここで、ねじれが２０のアンダーツイストになる条件は
ｄ／Ｐ＜　（α−９０）／３６０であり、ねじれが３０のオーバーツイストになる条件は
ｄ／Ｐ＞　（α＋９０）／３６０である。したがって、ねじれが１０のノーマルツイスト
になる条件は（α−９０）／３６０≦ｄ／Ｐ≦（α＋９
０）／３６０である。ｄ／Ｐをこの範囲に保てば、液晶
分子のねじれは目的としたものが得られる。しかし、種
々の実験をするうちに、正常なねじれ（ノーマルツイス
ト）であっても、電圧を印加すると、光を散乱する配向
状態になるものがあることがわかった。光を散乱する配
向状態にあるときは表示のコントラストが著しく劣化す
るなめに、デイスプレィとしては実用に耐えない。さらに詳細に実、験検討を加えた結果、正常なねじれ構
造をとり、かつ電圧を印加したときに光を散乱する配向
状態を生じない条件は、上、下側電極基板のラビング方
向で規定される液晶分子のねじれ角αとｄ／Ｐの関係が
図３に斜線領域で示す範囲を満たす必要があることを見
出した。具体的にはｄ／Ｐの下限は（α−９０）／３６０で与え
られ、上限はαによってわずかに変化するが、少なくと
も０．６以下である。図３から明らかなように、液晶分子のねじれ角αの最大
値も制限され、２５０度が限度であり、実用的により安
定に実現し得る上限は２４０度である。また、液晶分子
のねじれ角αの下限は、液晶表示素子の表示色のねじれ
角依存性及び時分割駆動特性によって制限され、１４０
度が限界である。したがって、ｄ／Ｐの下限もおのずか
ら決まり０．１４である。図中、領域Ａ、Ｂ、Ｃは夫々
アンダーノーマル、オーバーツイスト領域を示す。なお、図３の実、験結果は、液晶分子の配列方法として
、ポリイミド等（例えばポリイミドイソインドロキナゾ
リンジオン（特公昭５８−２３６１０号公報）またはポ
リイミドベンゾイミダゾピロロン（特開昭５４−１３３
３５８号公報））の有機膜をラビングして得られたもの
で、その際チルト角が６度以下になるが、少なくともこ
れと類似の液晶分子配列方法を用いた液晶表示素子に適
用できる。図１において上側偏光板の吸収軸（あるいは偏光軸）８
と上側電極基板のラビング方向６とのなす角β１および
下側偏光板の吸収軸（あるいは偏光軸）９と下側電極基
板のラビング方向７とのなす角β２は、時分割駆動特性
２表示明るさおよび色等を考慮すると、好ましくはそれ
ぞれ２０度から７０度の範囲、より好ましくは３０度か
ら６０度の範囲に設定することが望ましい。なお、図１においては液晶分子のねじれ方向１０を反時
計回りとしてβ１およびβ２を定義したが、液晶分子の
ねじれ方向が時計回りの場合であってもβ１とβ２のと
り方を時計回り方向に合わせれば同様であることは言う
までもない。また、本発明による液晶表示素子は、顕著なΔｎ−ｄｎ
−性を示し、時分割駆動特性、コントラスト、明るさお
よび色の点から、好ましくは０．８μｍ≦△ｎｄ≦１．
２μｍ、より好ましくは０．９μｍ≦Δｎ−ｄ≦１．１
μｍの条件を満足すると特に良好な結果を示す。ここで
Δｎの値については一般に波長依存性があり、短波長側
で大きく、長波長側で心さくなる傾向がある。本明細書
で使用しているΔｎの値は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（波長
６３２８Ａ）を使用し、２５℃で測定したものであるか
ら、他の波長で測定した場合には本明細書におけるΔｎ
ｄの値は若干変化する□。ここで、本発明による液晶表示素子の具体的な一実施例
について、その構造と測定結果を説明する。図４はその構造、即ち電極基板のラビング方向、液晶分
子のらせん構造のねじれ方向および角度、偏光板の吸収
軸の関係を示し、液晶表示素子を上から見た図である。使用した液晶はフェニルシクロヘキサン（ＰＣＩ）系液
晶を主成分とするネマチック液晶で、旋光性物質として
メルク社の８８１１を液晶層の厚みに応じてｄ／Ｐがほ
ぼ０．４になるように、０．４重量％から０．９重量％
添加したものである。この混合液晶のΔｎは０．１４３
である。図４において、上側および下側電極基板のラビング方向
６．７のなす角度は１８０度であり、旋光性物質５８１
１によってねじれ方向は１０．ねじれ角αは１８０度と
なる。また、ラビング方向６．７と偏光板の吸収軸８．
９とのなす角β１、β２はいずれも４５度である。以上のようなセル構造で、液晶層の厚さｄを変えてΔｎ
−ｄを変化させた液晶セルを作り、色および明るさを観
察した。その代表的な結果を表２に示す。

【表２】この結果から、△ｎ−ｄが１μｍ近傍で明るさおよび色
ともに表示素子として問題のないレベルであることが分
かった。Δｎ−ｄのさらに詳細な検討から、Δｎ−ｄが
０．　８μｍから１．２μｍの範囲においては実用上問
題ないことがわかった。次にΔｎ−ｄ＝１μｍの液晶セルの時分割駆動特性を測
定した結果を表３に示す。表１に示した従来の液晶表示
素子に比較して、ア、Δφ１ｍのいずれもが著しく改良
されていることが分かる。

【表３】なお、図４では偏光板の軸として吸収軸を使ったが、偏
光軸を使用してもほとんど同様の結果が得られた。また
実施例ではＰＣＨ系を主成分とする混合液晶を使用した
が、他の種類の正の誘電異方性を持つネマチック液晶で
も同様の効果が得られることは言うまでもない。さらに
コントラスト改良および色調整のために液晶に色素を添
加することも可能であるが、本発明の基本的な作用効果
が変らないことは言うまでもない。なお、以上の例では、らせん構造のねじれ方向を反時計
回りとして説明したが図５に示す如く、時計回りのねじ
れ方向の場合も全く同じ作用効果が得られることは勿論
である。また旋光性物質についてもラビング方向とねじれ方向と
の関係を図１９図４および図５の如く保てば、その種類
を限定するものではないことは言うまでもない

【発明の効果】

以上説明したように本発明によれば、従来全く不可能で
あった高時分割駆動特性を実現することができ、時分割
数１００以上の高時分割駆動においても高品質の表示特
性を持つ液晶表示素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる液晶表示素子の液晶分子の配列方向、液晶
のねじれ方向および偏光板の軸方向の関係を示す説明図
である。

【図２】液晶分子の起り得るねじれ角を示す説明図である。

【図３】本発明におけるねじれ角αとｄ／Ｐの関係の許容範囲を
示す説明図である。

【図４】本発明による液晶表示素子の第一の実施例における液晶
分子の配列方向７液晶のねじれ方向および偏光板の軸方
向の関係を示す説明図である。

【図５】本発明による液晶表示素子の第二の実施例における液晶
分子の配列方向、液晶のねじれ方向および偏光板の軸方
向の関係を示す説明図である。

【図６】時分割駆動特性の定義に用いられる液晶表示素子の電圧
−輝度特性を示す説明図である。

【図７】時分割駆動特性の測定方向を定義する説明図である。

【図８】時分割駆動を説明する図である。

【符号の説明】

１　　・液晶表示素子、２，６　　・上側電極基板のラ
ビング方向、３，７・下側電極基板のラビング方向、４
，１０・　・液晶分子のねじれ方向（ノーマルツイスト
）　８・　・上側偏光板の吸収軸あるいは偏光軸方向、
９　　・下側偏光板の吸収軸あるいは偏光軸方向、１１
　　・上側電極基板、１２　　・下側電極基板、２０・
　　ｄ／Ｐが小さい場合のねじれ（アンダーツイスト）
　３０・　　ｄ／Ｐが大きい場合のねじれ（オーバーツ
イスト）。

【書類名】

図面

【図１】

【図３】図３

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正の誘電異方性を有し、旋光性物質が添加されたフェニ
ルシクロヘキサン系混合ネマチック液晶が、ラビング配
向処理された面を対向させて配置された上下一対の電極
基板間に挟持され、その厚さ方向に１４０度から２５５
度の範囲内の角度αだけねじれたらせん構造を形成し、
かつこのらせん構造を挟んで設けられた一対の偏光板の
偏光軸あるいは吸収軸を、電極基板に隣接する液晶分子
配列方向と所定の角度ずらせて配置し、前記旋光性物質
が添加されたフェニルシクロヘキサン系混合ネマチック
液晶材料のらせんピッチＰ（μｍ）と液晶層の厚みｄ（
μｍ）が（α−９０゜）／３６０゜≦ｄ／Ｐ≦０．６な
る関係にあることを特徴する液晶表示素子。