JPH03291627A - 液晶表示素子 - 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、液晶表示素子に関し、さらに詳しくは液晶性
高分子を色補償板としたスーパーツィステッドネマティ
ック（ＳＴＮ）型液晶表示素子に関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題）従来主
に用いられてきた液晶表示素子の表示モードは、ツイス
テッドネマテインク（ＴＮ）型と呼ばれ、一対の上下基
板間で液晶分子が約９０°ねじれた構造をとっており、
液晶による偏光面の回転と電圧印加時におけるその効果
の消失を利用している。この表示方式は、白黒表示であ
るため優れたシャッター効果がありカラーフィルターを
画素ごとに設けることにより比較的容易に多色表示がで
きるという利点があるが、電圧−透過率特性のしきい値
特性が悪いため高時分割駆動が困難であるという欠点が
あり、大容量表示ではコントラスト低下や視野角が狭く
なる等の問題があった。

そこで、電圧−透過率特性の急峻性を改良すべ１− く液晶分子のねじれ角を大きくし、偏光板の偏光軸を液
晶の配向方向とずらすことにより液晶による複屈折効果
を利用する方式が提案され、５ＢＥ（ｓｕｐｅｒ　ｔｗ
ｉｓｔｅｄ　ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ　ｅｆｆｅｃ
ｔ）または５ＴＮ（ｓｕｐｅｒ　ｔＩｊｉｓｔｅｄ　ｎ
ｅｍａｔｉｃ）モードと呼ばれている。

この方式はしきい値特性に優れているため時分割駆動に
おいてもコントラスト低下が少なく、視野角も広いとい
う優れた特性を持つ反面、複屈折効果を利用するため着
色表示となってしまい、さらにこのままではカラー化も
困難であった。

最近になってＳＴＮモードの液晶表示素子の着色現象を
軽減化するために、液晶層が逆のねじれの向きを持つ液
晶セルを２つ積層し、一方を駆動用、もう一方を補償板
として用い、複屈折による色付きを補償して白黒表示を
行わせる２層型のＳＴＮ型液晶表示素子が開発された。

しかしながらこの２層方式は、正面から見た場合は白黒
表示であるが、斜めから見ると色付きを生じたり、液晶
セルを２枚用いるために素子が厚く、また重くなってし
まう上、生産性が悪いという問題がある。

これらの問題は補償セルを複屈折性の高分子フィルムに
置き換えることにより改善することができる（位相板型
白黒表示ＳＴＮ液晶表示素子）が、この位相板方式では
、十分なコン１−ラスＩ−を得ることができない上、さ
らに視野角が狭くなるという問題がある。

一方、」二記２層方式において補償セルの代わりにねじ
れ配向した液晶高分子補償板を用いる方法も提案されて
いる。この方法は、塗布、配向させた液晶性高分子を補
償板の主要構成要素として用いるものであり、液晶性高
分子はガラス転移点以下に冷却することにより液晶状態
での配向状態を固定化できる。すなわち、ガラス転移点
が室温以上である液晶性高分子を液晶状態でねじれ配向
させたのち、冷却することにより補償用の液晶セルと同
等の補償性能を発現させることができる。同相での自己
保持性を利用すれば、液晶性高分子を保持するための基
板は１枚でよく、補償板を薄くできる上、コントラスト
も上記２層方式と同等の優れた特性を示す。しかしなが
ら、この様な配向３− 固定化された液晶性高分子を補償板とする方式において
は、温度特性の点で次のような不十分な点があった。一
般に、２層方式や液晶性高分子を補償板とする方式では
、動作させる液晶層と補償板のレターデーションをほぼ
等しく設定し、はぼ完全な偏光補償を行わせている。し
かしながら、液晶の屈折率異方性は温度に大きく依存し
、温度が高くなるにつれてレターデーションは減少して
しまう。２層方式では補償層に液晶を用いているため補
償板のレターデーションも同様に減少し、補償性能は温
度にはあまり依存しない。ところが、配向固定化した液
晶性高分子では屈折率異方性の温度変化が固層ではほと
んど無いため、温度変化、特に高温になると完全な補償
条件からずれてしまい、コントラストが低下しやすいと
いう問題があった。これは、液晶表示素子の、屋外など
使用環境のきびしいところでの使用を制限するものであ
った・ 本発明は以上のような従来技術の問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、広い温度節一 囲にわたって高コントラストな表示が行え、かつ薄型で
、視野角の広い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及び作用）本発明によれば
、電極を有する一対の基板及び該基板に挟持され正の誘
電異方性を有し電圧無印加時に略水平配向した液晶層か
らなる液晶セルと、基板の外側に配置された偏光板と、
液晶層と偏光板の間に設けられ略水平配向しかつ配向固
定化された液晶性高分子層を主要構成要素とする補償板
とから構成される液晶表示素子において、補償板のレタ
ーデーションＲＣと液晶層のレターデーションＲＬどの
比Ｒ６／ＲＬを０，７以上０．９５以下としたことを特
徴とする液晶表示素子が提供される。

以下本発明の構成を図面に基づき詳述する。

第１図は本発明による液晶表示素子の一構成例を示す断
面図であって、この液晶表示素子においては、第一の透
光性基板１１と第二の透光性基板２１とが離間、対向し
て配設され、両基板］、１．２１と外周シール１４とに
よって形成された空間に液晶が封６ 入されて液晶ＩＩ！１５をなし、液晶セル１６が形成さ
れている。基板１１と２１の内面には液晶層１５に電圧
を印加するための透明電極１２．２２と、液晶を一定方
向に配向させるための配向膜１３，２３が形成されてい
る。１．７．２７は偏光板である。液晶セルＪ６と偏光
板２７の間には液晶性高分子層３５を主たる機能成分と
する補償板３０が配置される。３１は液晶性高分子層３
５が形成された基板であり、ガラス、プラスチック等の
透明性が高い材料が採用される。

液晶層１５において、液晶は正の誘電異方性を有するネ
マティックまたはコレステリンク液晶からなり、配向膜
１３，２３により電圧を印加しない状態では基板面にほ
ぼ平行に配向している。この液晶は上下基板１１．２１
の間でらせん軸を基板面に垂直に向けたねじれ配向をと
っていることが望ましく、そのねじれ角は１６００〜３
６０＠であることが好ましい。

ねじれ角が小さい場合には電圧−透過率特性の急峻性が
低下し、時分割開動特性が低下する。液晶セル１６中の
液晶のねじれ角ωＬは第２図のように下基板１１の配向
膜１３の配向処理方向（Ｒ□）、上基板２１の配向膜２
３の配向処理方向（Ｒ２）および該液晶のピッチと液晶
層１５の厚さを制御することによって容易に制御が可能
である。液晶層１５のレターデーションＲＬは液晶の屈
折率異方性ΔｎＬと液晶層１５の厚さｄＬの積Δｎ１、
・ｄＬで定義される。ＲＬは、良好なコントラストを得
るためには０．４〜１．５１Ｊｍの範囲であることが好
ましく、０．６〜１．Ｏｎの範囲であることが特に好ま
しい。

第３図の８は一般的な液晶の屈折率異方性の温度変化を
示すものである。その屈折率異方性は温度上昇に伴って
ほぼ直線的に小さくなり、ネマティック−等方性液体の
転移温度近くで急激に減少してＯとなる。液晶層１５の
厚さｄＬは温度によりほとんど変化しないとみなせるた
め液晶層１５のレターデーションＲＬも第３図のａと同
様の変化を示す。用いる液晶によっても異なるが、２０
℃でのレターデーションに較べて４０℃のそれは概ね１
０％も小さくなる。

補償板３０は配向固定化された液晶性高分子層３５と、
液晶性高分子層３５を保持するための透光性基− 板３１とから基本的に構成される。液晶性高分子には室
温で同相を示し室温以上の温度で液晶性を示すものを用
いることにより、室温での配向を安定化させ、対向基板
の省略を可能としている。補償板用基板３１の液晶性高
分子［３５と接触する面には、液晶性高分子を基板３１
に対して平行に、かつ特定の方向に配列させるための配
向処理が施されており、該基板３１上において液晶性高
分子は該配向処理の方向（Ｒ３）に配向している。Ｒ３
はＲ２とほぼ直交していることが必要で、この条件が満
たされない場合、補償効果が低下して、コントラストが
低下したり、色付きを生じる。具体的な角度で示すと、
両者の交角は６０°〜１２０°の範囲であることが必要
で、７０″〜１１０°の範囲であることがより好ましい
。

本発明に用いる液晶性高分子としては液晶相にコレステ
リック相またはネマティック相を有するものが特に好ま
しく用いられ、これらの相を呈する温度で液晶性高分子
の配向制御がなされる。より完全な補償効果を得るため
に液晶性高分子１３５において分子は液晶層１５の分子
とは逆の向きに、− かつ液晶ｊｌ１５のねじれ角とほぼ等しい角度でねじれ
ていることが好ましい。液晶性高分子のねじれ角ω。は
、液晶性高分子層３５の厚さと自然ピッチを制御するこ
とにより任意に設定可能である。

第３図のｂはガラス転移温度が約１００℃であるポリエ
ステル系の主鎖型液晶性高分子の配向固定化膜を例に、
配向固定化した液晶性高分子の屈折率異方性の温度依存
性を示したものである。７０℃までの温度範囲で屈折率
異方性の温度変化はほとんど見られない。補償板３０の
レターデーションＲＣは液晶性高分子の屈折率異方性Δ
ｎｃと液晶性高分子層３５の厚さｄｃの積Δｎ０・ｄｏ
で定義される。ｄｏは温度ではほとんど変化しないため
補償板３０のレターデーションＲＣも第３図のｂと同様
の変化を示す。

本発明の最大の特徴は、コントラストの温度変化を極力
小さくするために、液晶Ｍ１５と液晶性高分子層３５（
補償板３０）のレターデーションの比ＲＣ／Ｒ１を特定
の範囲としたことにある。以下、この点について具体的
なデータをもとに説明する。

第４図のｂは液晶層のねじれ角ω、＝２２０°、液晶性
＝１０− 高分子層のねじれ角ω２＝−２２０’　（左回りのらせ
んを正とした）、ＲＣ＝０．８２、ＲＬ＝０．８４５（
ＲＣ／ＲＬ＝０．９７）とし、デユーティ１／２００の
時分割駆動で動作させた時のコントラストの温度依存性
を示したものである。

ただしＲ３とＲ２の交角δは９０″とし、上下の偏光板
は直交するようにかつ下側の偏光板の透過軸がＲ１と４
５°の角度を威すように配した。この配置において、完
全な補償が威された場合、非選択電圧印加時には完全に
光を遮断して黒表示が得られ、電圧印加時に白表示とな
る。この液晶セルは、室温では良好なコントラストが得
られたものの、３０℃以上では非選択電圧印加時に光ぬ
けを生じ、大きくコントラストが低下する。一方第４図
のｃ、ｄ、ｅはそれぞれレターデーション比ＲＣ／ＲＬ
が０．９５．０．９．０．８の場合である。これらの場
合には、３０℃以上におけるコントラストが大きく改善
される。ＲＣ／ＲＬがこの様に小さい場合、電圧無印加
時には補償条件からはずれるため完全な黒とはならない
が、非選択電圧を印加することによって液晶分子を僅か
に動かし、実効的なレターデーションを減じてやれば、
はぼ完全な補償が可能である。ＲＣ／ＲＬが小さすぎる
場合には非画素部の色付きや、動作電圧の上昇などが起
こり好ましくない。そのためＲＣ／ＲＬは０．７〜０．
９５の範囲であることが必要で、より好ましくは０．８
〜０．９２の範囲である。

液晶セルまたは液晶性高分子の基板としては透光性を有
するガラス、プラスチックなどを用いることができる。

液晶性高分子の基板が液晶セルや偏光板をかねることも
可能である。プラスチック基板としては、ポリスルホン
、ポリカーボネート、ボリアリレート等の光学的に等方
性の基板が特に好ましく用いられる。他にポリエチレン
テレフタレート、ポリエーテルエーテルケトンなども使
用できる。

本発明の液晶表示素子の各基板における配向処理は、液
晶分子が電圧無印加時に略水平配向するように行われ、
この配向処理方向に沿って液晶分子が配向する。この場
合、液晶分子の配向に関していう略水平とは、液晶分子
の基板に対する傾き角がおおよそ０６〜３０°の範囲に
あることを言う。こ１１〜 の配向制御は、基板に対して、従来公知の斜方蒸着や、
無機または有機被膜を形成した後に綿布などでラビング
することにより行うことができる。

具体的にはポリアミド、ポリイミドなどの高分子被覆等
にラビング処理したものや、ＳｉＯ１ＭｇＯ１ＭｇＦ２
などを斜め蒸着したものが好適に使用できる。

液晶性高分子は、高温の液晶相を呈する温度で配向させ
たのち室温付近に急冷することにより固相で配向した膜
を得ることができる。これを利用することにより液晶性
高分子層を基板上に、本構成例のように片面のみ基板に
接する形で形成することができ、２層方式のように２枚
の基板を用いてセルを形成する必要が無い。そのため補
償板を薄く、軽量に作製することができる。この様な理
由により液晶性高分子の液晶相を呈する温度は室温より
高いことが特に好ましく、６０℃以」二であることが特
に好ましい。本発明で用いる液晶性高分子の構造は特に
限定されるものでは無い。本発明で用いる液晶性高分子
としては、−数的に知られているアクリル系やポリシロ
キサン系の側鎖にメソ１２ −ゲンを導入した側鎖型の液晶性高分子や、主鎖にビフ
ェニル、安息香酸フェニルエステルなどのメソーゲンを
含む主鎖形の液晶性高分子が代表的である。以下にその
主な構造例を例示すると、ポリエステル、ポリエステル
アミド、ポリカーボネート、ポリエーテルなどで主鎖に
液晶性残基を有する下記構造の主鎖型液晶性高分子： （Ｍｌ−Ｘ１ＨＡ’−Ｘ”ｆ Ｘｌ、Ｘ”　：　−ＣＯＯ−、−ＣＯＮＨ−、−〇ＣＯ
−、−〇−等↓ Ｐｈ−Ｐｈ−Ｃ０Ｏ−Ｐｈ−、−Ｐｈ−Ｎ＝ＣＨ−Ｐｈ
−等Ａ’：（ＣＨ２十Ｆ＋＋ＣＨｚＣＨｚ’）Ｔ＋（Ｃ
ＨｚＣＨ２０＃＋Ｈ３ １４ −Ｎ＝Ｎ−であり、＊は不斉炭素原子、ｎは０〜１８の
整↓ 数を表わす。） あるいはビニル系高分子、ポリシロキサンなどで側鎖に
液晶性残基を有する下記構造の側鎖型液晶性高分子： （但し、Ｒ３はアルキル基、アルコキシ基、ハロゲン原
子、ニトロ基又はシアノ基であり、ｎはＯ〜１８の整数
を表わす。） などが挙げられる。

液晶性高分子を前記基板上で配向させるには液晶性高分
子に液晶状態ですり応力を加える方法、基板にポリイミ
ド等の配向剤を塗布したのちに液晶性高分子膜を形成し
、液晶温度で熱処理する方法などが挙げられる。均一性
の点で後者の方法が好ましく採用される。液晶性高分子
はその相系列にネマティック相またはコレステリック相
を有するものが好ましい。

以上、本発明を第１図に示す一構成例に基づいて説明し
てきたが、本発明はこの構成例に限定されるものではな
く、種々の変形、変更が可能である。例えば、液晶性高
分子層は２層以上としてもよく、また液晶性高分子層用
の基板を省略したり、補償用基板を偏光板に隣接させ液
晶性高分子層を液晶セルに隣接させることも可能である
。また、第１図の上下関係を入れ換えても同様の効果を
得ることができる。さらに反射板を設けて反射型の１５
一 液晶表示素子として用いることも可能である。

（実施例） 次に本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本
発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。

実施例１ ガラス基板上に日立化成製のポリイミドワニスＰＩＱを
スピンコード法で約１００ＯＡの厚さに塗布し、ついで
２７０℃で焼成してポリイミド膜を形成した。

ついでポリイミド膜上をテトロン植毛布で一方向にこす
り、ラビング処理を行った。

次に下記式（Ａ）で示される７０℃のガラス転移点を有
するネマティック液晶性ポリシロキサン系液晶性高分子
と下記式（Ｂ）で示される光学活性基を有するポリシロ
キサン系液晶性高分子をフェノール／テトラクロロエタ
ン混合溶媒（重量比５０：５０）に２５重量％となるよ
うに溶解させた。高分子（Ａ）と（Ｂ）の割合は３：ｌ
（重量比）とした。

１６− （Ｃｈ：コレステリル） この溶液を先の配向膜上にスピンコード法により塗布し
、ついで７０℃で乾燥後、高分子（Ａ）がネマティック
相を呈する１７０℃で３０分間熱処理を行った後、室温
に急冷し、ねじれ角が２２０°（右ねじれ）でレターデ
ーションＲＣが０．８２／７Ｉ１１の補償板を作成した
。

一方、別の透明電極付きガラス基板上に、日立化成製の
ポリイミドワニスＬＱ１８００をスピンコード法で約１
０００人の厚さに塗布し、ついで２７０℃で焼成してポ
リイミド膜を形成した。ついでボリイミ１７− １８− ド膜上をテトロン植毛布で一方向にこすることにより、
ラビング処理を行った。同様の処理を施した基板とのこ
の基板を、ラビング方向が２２０°の角度を威すように
６．８ｐｎ径のスペーサーを介して貼り合わせ、基板間
の空隙に、メルク製のネマティック液晶ＺＬＩ２２９３
に光学活性物質である５８１１を添加した混合液晶を注
入した。得られた液晶セルはねじれ角が２２０°（左ね
じれ）で、レターデーションＲＬは０　、９１　ｐＩｌ
ｌであった。

この様にして得られた補償板と液晶セルを重ね、その上
下を偏光板で挟んで、液晶表示素子を作製した。この液
晶表示素子の補償板と液晶セルのレターデーションの比
ＲＣ／ＲＬは０．９であった。なお、角度配置はδ＝９
０ａ、α＝β：４５ｍとした。

この液晶表示素子をデユーティ１／２００の時分割駆動
で駆動させたところ、第５図に示すように、優れた白黒
表示が行えた。またこの液晶表示素子を恒温槽中で加熱
したところ、４０℃でも１５：１以上のコントラストが
得られ、高温においても優れた表示性能を持つことが確
認された。

実施例２ 実施例１の液晶セルにおいて、７．３Ｉ１ｍ径のスペー
サーを用いたほかは実施例１と同様にしてレターデーシ
ョンＲＬ＝１．０−の液晶セルを作製した。そして実施
例１の補償板とこの液晶セルを重ね、上下を偏光板で挟
んで、液晶表示素子を作製した。この液晶表示素子のレ
ターデーション比ＲＣ／ＲＬは０．８であった。なお、
角度配置はδ＝９０°、α＝β＝４５゜とした。

この液晶表示素子をデユーティ１／２００の時分割駆動
で駆動させたところ、実施例１と同様、優れた白黒表示
が行えた。またこの液晶表示素子を恒温槽中で加熱した
ところ、４０℃でも２０：１以上のコントラストが得ら
れ、高温においても優れた表示性能を持つことが確認さ
れた。

実施例３ 実施例１の液晶セルにおいて、７．７−径のスペーサー
を用いたほかは実施例１と同様にしてレターデーション
Ｒ，＝０．９６μｍの液晶セルを作製した。そして実施
例１の補償板と液晶セルを重ね、上下を１９− 偏光板で挟んで、液晶表示素子を作製した。この液晶表
示素子のレターデーション比Ｒｅ／ＲＬは０．８５であ
った。なお、角度配置はδ＝９０°、α＝β＝４５゜と
した。

この液晶表示素子をデユーティ１／２００の時分割能動
で駆動させたところ、上記各実施例と同様、優れた白黒
表示が行えた。またこの液晶表示素子を恒温槽中で加熱
したところ、４０℃でも２０：１以上のコントラストが
得られ、高温においても優れた表示性能を持つことが確
認された。

比較例 実施例１の液晶セルにおいて、６．４．ｆｉのスペーサ
ーを用いたほかは実施例１と同様にしてレターデーショ
ンＲＬ＝０．８５Ｈの液晶セルを作製した。そして実施
例１の補償板とこの液晶セルを重ね、上下を偏光板で挟
んで、液晶表示素子を作製した。

この液晶表示素子のレターデーション比ＲＣ／ＲＬは０
．９７であった。なお、角度配置はδ＝９０°、α＝β
＝４５６とした。

この液晶表示素子をデユーティｌ／２００の時分割２０
− 駆動で駆動させたところ、優れた白黒表示が行えたが、
この液晶表示素子を恒温槽中で加熱したところ、４０℃
でコントラストが３：１と低下してしまった・ （発明の効果） 本発明の液晶表示素子は、液晶性高分子層を補償板に用
い、かつ液晶層と補償板とのレターデーションの比を特
定の範囲としたため、４０℃以上の高温においてもコン
トラストの低下がなく、屋外等環境のきびしい所での使
用に好適な液晶表示素子が提供される。また補償板が薄
いため薄型化と同時に軽量化が図れ、この特徴を利用し
て可搬型の情報機器用の液晶表示素子として好ましく適
用することができる。さらに、ねじれ配向した液晶性高
分子層を補償板として用いているため、理想的な補償効
果があり、そのため、広視角でコントラストが高いとい
う優れた表示性能が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は境倹明による液晶表示素子の一構成例を示す断
面図、第２図は本発明の液晶系素子を構２２ 或する各要素の角度関係を示す図、第３図は屈折率異方
性の温度変化を示す図、第４図はコントラストの温度変
化を示す図、第５図は本発明の実施例の液晶表示素子の
表示特性を示す図である。 １１．２１・・・基板 １２．２２・・・透明電極 １３．３３・・・配向膜 １４・・・外周シール １５・・・液晶層 １６・・・液晶セル １７．２７・・・偏光板 ３０・・・補償板 ３１・・・基板 ３５・・・液晶性高分子層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極を有する一対の基板及び該基板に挟持され正
   の誘電異方性を有し電圧無印加時に略水平配向した液晶
   層からなる液晶セルと、基板の外側に配置された偏光板
   と、液晶層と偏光板の間に設けられ略水平配向しかつ配
   向固定化された液晶性高分子層を主要構成要素とする補
   償板とから構成される液晶表示素子において、補償板の
   レターデーションＲ＿Ｃと液晶層のレターデーションＲ
   ＿Ｌとの比Ｒ＿Ｃ／Ｒ＿Ｌを常温において０．７以上０
   ．９５以下としたことを特徴とする液晶表示素子。
2. （２）液晶層が電圧無印加時に上下基板間で厚み方向に
   １６０°〜３６０°ねじれた構造を有していることを特
   徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
3. （３）液晶性高分子層が液晶層とは逆の向きにほぼ同じ
   ねじれ角だけねじれた構造を有していることを特徴とす
   る請求項２記載の液晶表示素子。