JPH04366808A - 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】

【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。

【０００２】

【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。

【０００３】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
号公報に開示されている。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。

【０００４】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、光学補償板のリタデーション値が
、表示用液晶セルのリタデーション値とほぼ同一で、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。しかし、この様なＬＣＤ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（ＴＮ方式と称する）、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−ＬＣＤ）に応用されている。

【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】

【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、２枚の基板間で電圧無印加時に前記基板表面に
対して略平行でねじれ配列をしている第１の液晶層と、
前記第１の液晶層の基板の法線とほぼ平行な螺旋軸でね
じれた配列をした第２の液晶層とが配置された液晶表示
素子において、前記第２の液晶層のねじれ角が３６０゜
以上であり、前記第１の液晶層と前記第２の液晶層の最
近接する液晶分子の長軸が略直交するように構成するこ
とを特徴とする。

【００１１】

【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持つ。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。

【００１２】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計算
してみると、図１に示す様になる。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の長軸の傾き角を示し、ツイスト角とは、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、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３ａ、３ｂ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と直交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の傾く方
向にほぼ一致する。

【００１３】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を観測する点を図
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を図４の図中の矢印に示
す（１３は上基板の配向方位，１４は下基板の配向方位
）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
角が広くなり，４５゜，１３５゜方位が狭くなっている
。

【００１４】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ではなく、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６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。よって、液晶表示素子の３次元
の屈折率楕円体の形状を光学補償用の屈折率楕円体によ
り変化させることにより、コントラスト比が最大となる
方位の視角特性を改善することができる。

【００１８】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た形に
設定し、光学補償用の屈折率楕円体の光軸（９．１）　
を図７に示すように、液晶セルの３次元の屈折率楕円体
の長軸とにほぼ平行に配置する事によって、視角方向（
視角が大きい方向）における視角特性を容易に拡大する
ことができる。

【００１９】このような光学補償用の屈折率楕円体は、
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。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液晶層の厚み方
向に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、光学特性はコレステリック液晶セル
法線に対して非対称になる。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補償セルを吸
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（光透過率）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プロットした
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。本発明では、コレステリック
液晶セルのねじれ角が３６０゜以上で透過率が０となら
ない条件で補償用液晶層を作成し、駆動用液晶層と前記
補償用液晶層の最近接する液晶分子の長軸が略直交する
ように構成することにより、図４に示した４５゜，１３
５゜方向における視角特性を改善することができる。

【００２１】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ＬＣＤにも同様な効果が
得られる。

【００２２】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。

【００２３】

【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。

【００２４】（実施例１）図９及び図１０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、これらの間に第２の液晶セル２と第１の液晶セ
ル３とを挟む構成を有している。偏光板１は透明基板１
ａ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）
　はそれぞれ直行するように配置される。

【００２５】第２の液晶セル２はこれらの偏光板１、４
間に配置され、透明基板２ａ，　２ｂ間に液晶層２ｃを
介在させた液晶セル構造を有している。

【００２６】第１の液晶セル３は第２の液晶セル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３ｅがねじれ角が９０゜で導入され
、駆動電源３ｆから印加電圧に応じて状態を変化する。

【００２７】第１の液晶セル３の液晶３ｅの光軸は上側
基板３ａから下側基板３ｂ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配向すなわちラビング軸で、これ
らは互いに直交する。第１の液晶セル３のリタデーショ
ン値は４５０ｎｍである。

【００２８】第２の液晶セル２は９９０゜ねじれ（２．
７５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ている。

【００２９】偏光板１の吸収軸（１．１）　と下側基板
のラビング軸（２．２），（３．２）　は平行しており
、偏光板４の吸収軸（４．１）　と上側基板のラビング
軸（２．１），（３．１）　は平行している。

【００３０】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１１に従来例を図４に合わせて示す
。図１１の測定結果は、第１の液晶セルの上下基板の配
向方向が図４の場合と同様に配置されている。従来例と
比較すると、従来９０゜方位、１０゜視角を中心し分布
していた等コントラスト比が全体的に拡大し、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２５：１以上を得ることができた。

【００３１】（比較例）実施例１において第１の液晶セ
ル３と上下の偏光板１、４との間に第２の液晶セル２を
配置しない場合の液晶表示素子の視角特性を測定した。 測定結果を図４に示す。０゜から６０゜および１２０゜
から１８０゜方位の視角が狭く、視角３０゜以上ではコ
ントラスト比３０：１を得ることは不可能であった。

【００３２】（実施例２）実施例１において、第２の液
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。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３５：１
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。

【００３３】（実施例３）実施例１において、第１の液
晶セルが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、上側基板か
ら下側基板へと反時計回りにねじれている（左ねじれ）
。ラビング軸間の角度は１２０゜で、実施例１の第１の
液晶セルの上側のラビング軸（３．１）に対しＳＴ形の
液晶セルのラビング軸（３．１）　はこれよりｚ軸より
見てｘ軸から時計回りに＋６０゜になるように配置した
。リタデーション値は、８６０ｎｍである。第２の液晶
セルのラビング軸（２．２）　は（３．１）と直交する
様に配置した。偏光板１の透過軸（１．１）　はｙ軸か
ら反時計回りに１１０゜、偏光板４の透過軸（４．１）
　はｙ軸から反時計回りに９０゜である。

【００３４】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
い良好な表示が得られた。

【００３５】

【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】第２の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】本発明の実施例１の液晶表示素子を示す断面図
。

【図１０】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１１】実施例１の効果を説明する図。

【符号の説明】

１、４　　・・・偏光板 ２・・・第２の液晶セル ３・・・第１の液晶セル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　２枚の偏光板の間に、２枚の基板間で
   電圧無印加時に前記基板表面に対して略平行でねじれ配
   列をしている第１の液晶層と、前記第１の液晶層の基板
   の法線とほぼ平行な螺旋軸でねじれた配列をした第２の
   液晶層とが配置された液晶表示素子において、前記第２
   の液晶層のねじれ角が３６０゜以上であり、前記第１の
   液晶層と前記第２の液晶層の最近接する液晶分子の長軸
   が略直交するように構成することを特徴とする液晶表示
   素子。