JPH04349425A - 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】

【０００１】 ［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示素子に係わり
、特にコントラスト比の視角依存性を制御した液晶表示
素子に関する。

【０００３】

【従来の技術】近年、薄型軽量、低消費電力という大き
な利点をもつ液晶表示素子は、日本語ワードプロセッサ
やディスクトップパーソナルコンピュータ等のパーソナ
ルＯＡ機器の表示装置として積極的に用いられている。 液晶表示素子（以下ＬＣＤと略称）のほとんどは、ねじ
れネマティック液晶を用いており、表示方式としては、
複屈折モードと旋光モードの２つの方式に大別できる。

【０００４】複屈折モードの表示方式のＬＣＤは、一般
に９０゜以上ねじれた分子配列をもち（ＳＴ方式と呼ば
れる）、急峻な電気光学特性をもつ為、各画素ごとにス
イッチング素子（薄膜トランジスタやダイオード）が無
くても単純なマトリクス状の電極構造でも時分割駆動に
より容易に大容量表示が得られる。しかし、このＳＴ方
式では、複屈折効果を利用しているため光の干渉に起因
して表示色が黄色と濃紺色のいわゆるイエローモード表
示や、白色と青色のいわゆるブルーモード表示となり、
白黒表示やカラー表示が不可能であった。このような表
示の色づきを解消する手段として、逆にねじれた第２の
液晶セルを偏光板と液晶セルの間に配置することによっ
て白黒表示を実現できることが特公昭６３−５３５２８
号公報にて報告されている。この白黒化の原理は、液晶
分子がねじれ配列とされる表示用液晶セルで楕円偏光と
なった常光成分と異常光成分の光を、光学補償板である
第２の液晶セルによって相互に入れ替わらせ、楕円偏光
を直線偏光へと変換される。その結果、光の干渉に起因
する着色が解消され、白黒表示を実現することができる
。ここで上述したように楕円偏光の直線偏光への変換を
行うには、光学補償板が、表示用液晶セルとリタデーシ
ョン値が、ほぼ同一で、かつねじれ方向が相互間で逆で
あり、それらの配置は、相互に最近接する液晶分子の配
向方位が直交するように構成する。しかもこの様なＬＣ
Ｄは、表示面法線からずれた斜めの角度では表示色は着
色し白黒の表示は得られない。

【０００５】一方、旋光モードのＬＣＤは例えば９０゜
ねじれた分子配列をもち、応答速度が速く（数十ミリ秒
）高いコントラスト比と良好な階調表示性を示すことか
ら、時計や電卓、さらにはスイッチング素子を各画素ご
とに具備しカラーフィルターと組み合わせたフルカラー
の表示の液晶テレビなど（ＴＦＴ−ＬＣＤやＭＩＭ−Ｌ
ＣＤ）に応用されている（ＴＮ方式）。

【０００６】カラー表示に関しては偏光板と液晶セルの
間に電圧無印加時に選択散乱を利用したある色相を示す
ＣＮ液晶セルを配置し、ＣＮ液晶セルと液晶セルへの電
圧印加の有無の組み合わせで特定色相とその補色の２色
カラー表示または、白黒表示モードへの切り替えができ
ることがＭｏｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｌｉｑ．Ｃｒｙｓｔ．，
１９７７，ＶＯＬ．３９，ＰＰ．１２７−１３８　にて
報告されている。

【０００７】しかし、これらの複屈折モードや旋光モー
ドや選択散乱を利用した液晶表示素子は、見る角度や方
位によって表示色やコントラスト比が変化するといった
視角依存性をもち、冷陰極線管（ＣＲＴ）の表示性能を
完全に越えるまでにはいたらない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】液晶分子は、液晶分子
の長軸方向と短軸方向に異なる屈折率を有することは一
般に知られている。この様な屈折率の異方性を示す液晶
分子にある偏光状態の光が入射すると、その光は液晶分
子の角度に依存して偏光状態が変化する。従って、液晶
セルに対し光が垂直に入射した場合と斜めに入射した場
合とでは、液晶セル中を伝搬する光の偏光状態は異なり
、その結果、液晶表示素子を見る時の方位や角度によっ
て表示のパターンが反転して見えたり、表示のパターン
が全く見えなくなったり、あるいは表示が色づくといっ
た現象として現れ、実用上好ましくない。

【０００９】本発明は上記不都合を解決するものである
。

【００１０】 ［発明の構成］

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、２枚の偏光板
の間に、電圧無印加時に螺旋軸が基板法線とほぼ平行に
ネマティック液晶をねじれ配列させた駆動用液晶セルと
、前記駆動用液晶セルの基板法線とほぼ平行な螺旋軸で
ねじれた配列をした補償用液晶層とが配置された液晶表
示素子において、前記補償用液晶層のねじれ角が３６０
゜以上でありそのねじれ方向が前記駆動用液晶セルのね
じれ方向と逆方向であることを特徴としている。

【００１２】

【作用】一般に液晶表示素子に用いられる液晶セルは、
表示領域にわたって均一な分子配列状態を得る為、基板
表面に配向処理が施されている。このような配向処理は
、基板表面上での液晶分子を特定の方向に配列させるば
かりではなく、液晶分子を基板表面に対し斜めに傾かせ
る作用がある。基板表面での基板表面に対する傾き角を
プレチルト角と称しているが、この値は液晶セルに用い
る配向膜や配向処理の条件や方法と液晶材料との組み合
わせによって種々異なり、１゜〜１０゜位の値が一般的
である。この基板表面での液晶分子の傾きというのは、
液晶セルにしきい値電圧以上の電圧を印加したときの分
子配列状態を均一に保つためにも非常に重要で、セルに
電圧が印加されたときセル中の液晶分子の傾く方向を優
先づける作用も合わせもつ。この傾きが全く無い場合、
セルに電圧が印加されると液晶分子が傾く方向に優先方
向が無いためにセル中の液晶分子が個々ばらばらの方向
に傾きコントラスト比の低下や、電圧除去後でも表示画
が残ったりするといった不具合が生じる。従って、プレ
チルト角は電圧印加時の分子配列状態を均一化するとい
った利点をもつ。またプレチルト角は、液晶表示素子の
表示特性にも大きく影響する。次にＴＮ方式の液晶表示
素子を例にとり、プレチルト角の表示特性への影響につ
いて説明する。

【００１３】図１は、９０゜ねじれたＴＮ方式の液晶セ
ルに暗状態が得られる電圧値を印加した時の分子配列状
態をセル厚ｄの方向すなわちセル基板法線方向ｚに対し
て計算したものである。ここで、図中の７及び８はそれ
ぞれチルト（傾き）角及びツイスト（ねじれ）角で、チ
ルト角７とは、図２に示す座標系において液晶セルの基
板面をｘｙ面としたとき、ｘｙ面に対する液晶分子６の
長軸Ｌの傾き角を示し、ツイスト角８とは、液晶分子６
をｚ軸からｘｙ面へ投射した軸とｘ軸間の角度である。 上下の基板表面付近では、基板表面の配向規制力の影響
を受けて液晶分子はあまり傾かない。また、ツイスト角
はＳの字型の分布となる。電圧が印加された状態では液
晶セルの中央付近の液晶分子は完全に垂直には立たずあ
る角度をもって傾く。図３の様に図１を立体的に示すと
、液晶セル中央付近の液晶分子６の傾く方向は、電圧印
加時でも上下の基板３ａ、３ｂ表面での液晶分子の傾く
方向に依存し、上下の基板上でのプレチルト角θｐ　が
等しい場合、上下の基板表面の傾き方向のほぼ中間の方
向になる。この様な配向状態で上下の基板上にそれぞれ
偏光板１、４を置き、偏光板の吸収軸１５、１６をそれ
ぞれの基板の配向方向１３，１４と一致するように配置
すると、コントラスト比（明状態時の輝度／暗状態の輝
度）が最も高くなる方向は、液晶セル中央付近の液晶分
子６の傾く方向にほぼ一致する。

【００１４】図４は、ＴＮ方式の液晶表示素子の等コン
トラスト比−方位角特性の測定結果である。ここで、等
コントラスト比−方位角特性とは、液晶表示素子の視角
特性を示すもので、液晶表示素子１０の観測点を図５に
示す様に方位角Φ、視角θで定義し、観測する方位を変
化したとき、ある等しいコントラスト比を示す視角を測
定し、図４の様な極座標で示したものである。従って、
コントラスト比が高い方位では視角θが大きく、理想的
な液晶表示素子としては、どの方位角においても視角が
大きいことが望まれる。図４の測定結果にも見られるよ
うに、上下の基板の配向方向１３、１４を図４の図中の
矢印に示すようにし、液晶セル中央付近の液晶分子の傾
く方向を９０゜の方位になるようにすると、９０゜方位
で最も視角が広くなる。このようにプレチルト角は、液
晶表示素子の視角特性にも大きく影響する。

【００１５】上述したように、現在、液晶表示素子は陰
極線管（ＣＲＴ）のようにどこからみてもほぼ均一なコ
ントラスト比を示すといった特性はなく、見る角度・方
位によってコントラスト比が大きく変化する。すなわち
、液晶表示素子には視角特性が存在し、それゆえ液晶表
示素子は、その視角特性を拡大するあるいは、液晶表示
素子の用途により視角特性をその仕様に合わせて設計す
る必要性があり、例えばある特定の方位だけ視角特性を
良くするといった手法が要求される。

【００１６】本発明は、上記目的を達成するものであり
以下その達成原理および手法について説明する。

【００１７】前述したように、液晶表示素子は製造上及
び配向の安定化のためプレチルト角を有しそれが視角特
性に影響する。液晶セルにしきい値以上の電圧が印加さ
れたとき液晶セル中の液晶分子のほとんどは、基板表面
付近をのぞき基板表面に対して傾いている。このような
液晶の配向状態を３次元の屈折率楕円体により簡略的に
示すと図５のようになる。複屈折現象は、この屈折率楕
円体６ａをある方向からみたときの２次元面内での屈折
率差に関する現象であるから、ｚ方向（６．１）　から
見たときの（すなわち液晶セルを真正面から見たとき）
２次元面内の屈折率体（６．２）　は楕円となり、３次
元の屈折率楕円体の長軸方向（６．３）　から見たとき
の屈折率体（６．４）　とは異なる。従って、コントラ
スト比が最大となるところは、２次元面内の屈折率体が
完全に円となるところであり、それは３次元の屈折率楕
円体の長軸方向である。

【００１８】そこで図７に示すように、駆動用液晶セル
の３次元の屈折率楕円体６ａの長軸方向（６．３）　を
光学補償用の屈折率楕円体９により変化させることによ
り、コントラスト比が最大となる方位及び視角を変化す
ることができる。光学補償用の屈折率楕円体９としては
、液晶セルの３次元の屈折率楕円体の形状に対応させ円
盤状の形が良く、かつ楕円体の長軸方向（６．３）　を
図７に示すようにｚ軸に対して斜めに配置する事によっ
て、視角方向（視角が大きい方向）を容易に変化させる
ことができるこのような光学補償用の屈折率楕円体９は
、光学的に負で、表示面に対して光軸が斜めである特性
を有する。

【００１９】光学的に負の光学異方性を示すものとして
は、コレステリック液晶セルがあげられる。コレステリ
ック液晶とは液晶分子が螺旋状にねじれた配列をしてお
り、一般の液晶が正の光学異方性を有するのに対しコレ
ステリック液晶は螺旋状のねじれ配列により光学的に負
の光学異方性を示す。コレステリック液晶セル中でのね
じれ角が非常に大きな場合その光学異方性はセル法線方
向に対してほぼ対称になる。ねじれ角が比較的小さい場
合は楕円偏光成分により、光学特性は非対称になる。コ
レステリック液晶セルのねじれ角やリタデーション値な
どを制御することにより所望な光学特性が得られること
になる。

【００２０】図８は、コレステリック液晶セルを吸収軸
を直交させた偏光板間に配置したとき、液晶セル法線方
向で観測される透過光の輝度を、コレステリック液晶セ
ルのねじれ数の各回転数に対し測定した結果である。ね
じれ数が１（すなわちねじれ角＝３６０゜）までは大き
く振動し、それ以降では概略減少してゆく。回転数が大
きくなると透過率はほぼ０となりコレステリック液晶セ
ルの光学軸が基板法線に対して垂直で光学的に負の異方
性を示す。

【００２１】このような特性を示すコレステリック液晶
セルと、左ねじれの９０゜ＴＮ液晶とを組み合わせクロ
スニコル中に置きＴＮ液晶セルに電圧を印加したときの
光学特性を測定した結果を図９に示す。コレステリック
液晶セルのねじれ方向が右回りのときの特性Ａと左回り
のときの特性Ｂからわかるように、あたえる視角方向θ
ｔが変化しており、回転数が小さくなるにしたがってθ
ｔは０に近づく。このようにコレステリック液晶セルの
ねじれ方向と回転数を変化させることによりθｔを自由
に設定でき、視野角を拡大したり視角方向を自由に制御
することができる。

【００２２】この際、コレステリック液晶セルのねじれ
方向としては、駆動用液晶セルのねじれ方向と同じ方向
の場合と逆方向の場合とが考えられるが、逆方向の場合
は駆動用液晶セルの楕円偏光成分をコレステリック液晶
セルが打ち消す方向に作用し、視野角、コントラスト、
色づきのなさの点でより望ましい。

【００２３】以上ＴＮ液晶セルを例にとって説明したが
、ＴＮ方式のみならずＳＴ方式やねじれ角が９０゜以下
の小さなねじれ角の表示方式の液晶表示素子にも同様な
効果が得られる。

【００２４】また上述のコレステリック液晶セルは、ね
じれ性を持つ高分子液晶層を用いることによっても同様
の機能が得られることは言うまでもなく、この場合、例
えば駆動用液晶セルの基板の少なくともどちらか一方に
、この様な高分子液晶層を塗布することにより得られ、
製造上容易となりより望ましい液晶表示素子が得られる
。この場合、例えばポリシロキサン主鎖とし、側鎖にビ
フェニルベンゾエートとコレステリル基を適当な比で有
した様な高分子共重合体液晶などを用いることなどがで
きる。

【００２５】

【実施例】以下本発明の液晶表示素子の実施例を詳細に
説明する。

【００２６】（実施例１）図１０及び図１１に本実施例
におけるセル構成を示す。液晶表示素子は２枚の偏光板
１、４と、これらの間に補償用液晶層をもつ補償用液晶
セル２と駆動用液晶セル３とを挟む構成を有している。 偏光板１は透明基板１ａの内側に偏光膜１ｂを付けたも
のであり、偏光板４も同様に透明基板４ａに偏光膜４ｂ
をつけて形成される。又これら偏光板１、４の吸収軸（
１．１），（４．１）　はそれぞれ平行するように配置
される。

【００２７】補償用液晶セル２はこれらの偏光板１、４
間に配置され、透明基板２ａ，　２ｂ間に液晶２ｃを介
在させた液晶セル構造を有している。

【００２８】駆動用液晶セル３は補償用液晶セル２と偏
光板４間に配置される。上側基板３ａと下側基板３ｂと
はそれぞれ透明電極３ｃ、３ｄ間を形成しており、駆動
電源３ｆに接続される。基板３ａ，　３ｂ間にねじれネ
マティック液晶がねじれ角が９０゜で導入され、駆動電
源３ｆからの印加電圧に応じて状態を変化する。

【００２９】駆動用液晶セル３の液晶の光軸は、電圧無
印加状態で下側基板３ｂから上側基板３ａへと反時計回
りにねじれている（左ねじれ）。（３．１），（３．２
）　は、それぞれ上側と下側の基板のラビング軸でこれ
らは互いに直交し、図中のｙ軸とラビング軸（３．１）
　がｚ方向から見て右回りに４５゜で配置される。セル
３のリタデーション値は４５０ｎｍである。

【００３０】補償用液晶セル２は１１７０゜ねじれ（右
ねじれ３．２５回転）の液晶セルで、（２．１）　、（
２．２）　はそれぞれ上側と下側の基板２ａ，　２ｂの
ラビング軸で、これらは互いに直交し、補償用液晶セル
２はラビング軸（２．１）　が、図中のｙ軸と平行にな
るように配置されている。

【００３１】偏光板１の吸収軸（１．１）　と偏光板４
の吸収軸（４．１）　と駆動用液晶セル３の下側基板の
ラビング軸（３．２）　とは互いに平行である。

【００３２】本構成の液晶表示素子の等コントラスト比
−方位角特性（明状態：駆動電源３ｆから液晶セル電極
間に１Ｖ印加、暗状態：駆動電源３ｆから液晶セル電極
間に５Ｖ印加）を図１２に従来例を図４に合わせて示す
。従来例と比較すると、どの方位でも視角３０゜までは
コントラスト比３５：１以上を得ることができ、視角特
性が大幅に向上した。また、従来ノーマリークローズ方
式では暗状態の表示色が着色していたのに反して、良好
な黒色が得られた。

【００３３】（実施例２）実施例１において、吸収軸（
１．１）　を駆動用液晶セル３のラビング軸（３．１）
　に平行に配置し、補償用液晶セル２をラビング軸（２
．１）　がラビング軸（３．１）　と平行となるように
配置した。実施例１と同様に等コントラスト比ー方位角
特性を測定した。測定結果を図１３に示す。実施例１の
結果と比較すると、本構成では全く逆の方位に視角特性
を変換することが可能となり、図４の従来例と比較する
と視角範囲も拡大した。

【００３４】（比較例）実施例１において駆動用液晶セ
ル３が駆動用液晶セル２のねじれ方向と同方向（左ねじ
れ）で、３．２５回転である場合の液晶表示素子を作成
し表示画を観測したところ、暗状態が薄青色に着色しコ
ントラスト比が低下した （実施例３） 実施例１において、補償用液晶セル２として高分子液晶
を用い実施例１と同様に配置した。等コントラスト比ー
方位角特性を測定したところ、０゜から１８０゜方位の
どの方位でも視角３０゜においては、コントラスト比４
０：１以上を得ることができ従来悪かった方位の視角が
拡大した。

【００３５】（実施例４）図１４に本実施例のセル構成
を示す。駆動用液晶セル３は液晶層に電圧を印加する透
明電極が具備されたねじれ角が２４０゜のＳＴ形の液晶
セルで、下側基板から上側基板へと反時計回りにねじれ
ている（左ねじれ）。ラビング軸（３．１）　は、ｚ軸
より見て半時計回りに＋６０゜になるように配置し、ラ
ビング軸間の角度は１２０゜である。セル３のリタデー
ション値は８４５ｎｍである。偏光板１の吸収軸（１．
１）　はｘ軸かｚ軸より見て半時計回りに６０゜、偏光
板４の吸収軸（４．１）　はｘ軸から１５０゜である。

【００３６】補償用液晶セル２は、下側基板から上側基
板へと時計回りに４５０゜ねじれ（右ねじれ）、ラビン
グ軸（２．１）（２．２）は互いに直交している。ラビ
ング軸（２．１）　は、ｘ軸から４５゜である。

【００３７】本構成で６４０×４００ドットのスーパー
ツイスト型ＬＣＤを作成し、１／２００ｄｕｔｙでフレ
ーム間引き方式により１６階調表示したところ、視点を
変化させても１６階調間の識別ができる高コントラスト
なＬＣＤが実現できた。視角特性を測定したところ、６
０゜コーンでコントラスト比１０：１以上が得られ、入
射角が６０゜以上でも表示画の反転や表示色の変化の無
い良好な白黒表示が得られた。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、液晶表示素子の視角特
性が改善され、視認性にすぐれる高品位表示の液晶表示
素子を提供することができる。また、本発明をＴＦＴや
ＭＩＭなどの３端子、２端子素子を、用いたアクティブ
マトリクス液晶表示素子に応用しても優れた効果が得ら
れることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】液晶セルに電圧が印加された状態における液晶
セル厚み方向の分子配列を示す図。

【図２】図１の液晶分子のチルト角とツイスト角の座標
系を示す図。

【図３】９０゜ねじれ液晶セルの電圧印加時の分子配列
状態を示す傾斜図。

【図４】従来のＴＮ型液晶表示素子の等コントラスト特
性を説明する図。

【図５】第４図の観測点の座標系を説明する図。

【図６】液晶分子が立った状態の三次元の屈折率楕円体
を示す図。

【図７】図６の屈折率楕円体を光学補償する屈折率楕円
体を説明する図。

【図８】補償用液晶セルのねじれの回転数を変化させた
ときの正面方向における透過率特性を説明する図。

【図９】補償用液晶セルのねじれ方向による暗状態の液
晶表示素子の透過率の視角特性を説明する図。

【図１０】本発明の実施例１の液晶表示素子を示す断面
図。

【図１１】本発明の実施例１の液晶表示素子の構成を示
す分解斜視図。

【図１２】実施例１の効果を説明する図。

【図１３】実施例２の効果を説明する図。

【図１４】本発明の実施例４の液晶表示素子の構成を示
す分解斜視図。

【符号の説明】

１、４　　・・・偏光板 ２・・・補償用液晶セル ３・・・駆動用液晶セル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　２枚の偏光板の間に、電圧無印加時に
   螺旋軸が基板法線とほぼ平行にネマティック液晶をねじ
   れ配列させた駆動用液晶セルと、前記駆動用液晶セルの
   基板法線とほぼ平行な螺旋軸でねじれた配列をした補償
   用液晶層とが配置された液晶表示素子において、前記補
   償用液晶層のねじれ角が３６０゜以上でありそのねじれ
   方向が前記駆動用液晶セルのねじれ方向と逆方向である
   ことを特徴とする液晶表示素子。