JPH05173106A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ２枚の電極付き基板１０、１１間に誘電異方
性が正のネマティック液晶組成物を挟持し、前記基板表
面上で液晶分子１２の長軸を一方向に配列させるチルト
配向を誘起する手段を有しており、２枚の基板表面上で
の液晶分子配列方向の交差角がθ（０゜≦θ≦９０゜）
であり、２枚の基板上でのチルト配向によって液晶組成
物をユニフォ−ムツイスト配列させるように決まるセル
ツイスト角がψである液晶表示素子において、ψが±
（θ−１８０゜）（便宜的にツイスト方向が左回りの時
＋、右回りの時−とする）であって、液晶のツイスト角
が±θである（以上複号同順）ことを特徴とした液晶表
示素子。 【効果】 より広い視角で実現するＴＮ型液晶表示素子
を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は２枚の基板表面上での液
晶分子配列方向の交差角がほぼ９０゜またはそれ以下の
液晶表示素子に係わる。

【０００２】

【従来の技術】近年，液晶表示素子（以下ＬＣＤと略
称）はワードプロセッサ，パーソナルコンピューター、
投影形ＴＶ，小型ＴＶなどに広く利用されている。

【０００３】ＬＣＤとしては、一般に液晶分子がツイス
ト配向してなるＴＮ（ツイステッド・ネマティック）
型、及びＳＴＮ（ス−パ−・ツイステッド・ネマティッ
ク）型のものが利用されている。

【０００４】前者のＴＮ型ＬＣＤは１対の電極付基板間
に液晶が挟持され、液晶分子のツイスト角度が、９０゜
となっているＴＮ型セルを用いる。このＴＮ型セルは、
液晶に電圧が印加されていない状態では、その液晶の分
子配列によって入射光をツイスト角度分、９０゜旋光さ
せる働きを持つ。また電圧を印加した状態では液晶分子
が電圧印加方向に傾くため、前述した旋光性を弱め、旋
光せずに透過する傾向になる。充分な電圧を印加した場
合には、入射光は、ほぼ旋光せずに透過するため、無印
加状態と比較すると出射光の旋光状態は９０゜分異な
る。したがって入射光側、出射光側おのおのに偏光板を
平行もしくは直交するよう配置すれば、入射光をほぼ５
０％吸収するか、ほぼ１００％吸収するといった出射光
の制御ができる。このようにＴＮ型セルはセル内を通過
する光の旋光性を印加電圧によって制御することから旋
光モ−ドと呼ばれる。この旋光モ−ドを用いたＴＮ型Ｌ
ＣＤは高いコントラスト比を得れることから、主にセグ
メント表示の時計や電卓、アクティブマトリクス駆動を
用いたドットマトリクス表示のＴＶ、パソコン用ディス
プレ−等低デュ−ティ−駆動の表示素子に用いられる。

【０００５】このＴＮ型セルの液晶分子配列は電圧を印
加していない状態では基板平面方向に対しある程度の傾
き（１〜３゜）をもって、上下基板間でその平面方向の
方位を９０゜連続的に変化させている。このような分子
配列を得るには、基板内面表面に水平配向処理をなし、
なおかつ基板表面における分子の配列は基板に対し、前
述した基板平面方向に対して液晶分子のなす角度と同じ
値の傾きをもつようにしており、上下基板において、そ
の分子の傾く方向は、基板平面に対し、互いに９０゜の
角度をなすようにする。

【０００６】さて、このような分子配列をなすＴＮ型セ
ルに電圧を印加した場合、液晶分子は前述したように、
電圧印加方向に傾く性質をもっている。この印加電圧に
対する液晶分子の挙動は、印加電圧が十分に高い場合は
電圧印加方向とほぼ平行な状態となるが、そうでない場
合は電圧に応じた傾きを持つ。この傾き角は基板表面に
おける分子配列制御の影響が無いと仮定したなら上下基
板間で一様な値をとるのだが、実際は基板表面の分子配
列制御の影響を受け、基板表面から遠ざかった位置の分
子ほど電圧印加方向に傾きやすい性質を持つ。このよう
な性質から、ＴＮ型セルの液晶分子配列の電圧印加に対
する変化を図示すると図５（ａ）〜（ｃ）のようにな
る。ここに１０は上基板、１１は下基板、１２は液晶分
子を示す。この図は各々の液晶分子配列をその液晶分子
のツイスト方向に準じて切った断面図であり、（ａ）が
電圧無印加時、（ｂ）が十分でない電圧印加時、（ｃ）
が十分な電圧印加時を示す。

【０００７】このようにＴＮ型セルは印加電圧が十分で
ない場合、（ｂ）に示すように、基板表面の分子配列制
御の影響を受け、液晶分子のツイスト方向に応じて傾き
の度合いが十分でなくなる性質をもっている。

【０００８】ところでこのＴＮ型セルは旋光モ−ドの表
示素子であるから、電圧印加時は入射光をそのまま透過
させることが望ましい。したがって、観る方位に対して
液晶分子がなるべく平行に配列していることが望ましい
わけだが、前述したように印加電圧が十分でない場合に
は基板表面に近い位置の分子ほど電圧印加方向に対する
傾き具合が十分でなくなるため、図５（ｂ）におけるＡ
の方向から観察した場合には良好な表示特性を得るが、
Ｂの方向から観察した場合には良好な表示特性を得るこ
とができない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
の構成では、基板表面における分子配列制御の影響を受
けて、上下の基板に対して、基板表面に近い分子程、印
加電圧に対する液晶分子の電圧印加方向への傾き度合い
が弱くなり、観察する方位に対するコントラスト比や色
味の変化が大きいといった視角依存性を持つ問題点があ
った。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では、前述した課
題を解決する手段として、２枚の電極付き基板間に誘電
異方性が正のネマティック液晶組成物を挟持し、前記基
板表面上で液晶分子長軸を一方向に配列させるチルト配
向を誘起する手段を有しており、２枚の基板表面上での
液晶分子配列方向の交差角がθ（０゜≦θ≦９０゜）で
あり、２枚の基板上でのチルト配向によって液晶組成物
をユニフォ−ムツイスト配列させるように決まるセルツ
イスト角がψである液晶表示素子において、ψが±（θ
−１８０゜）（便宜的にツイスト方向が左回りの時＋、
右回りの時−とする）であって、液晶のツイスト角が±
θである（以上複号同順）ことを特徴とし、２枚の基板
上における液晶分子のチルト角の大きさが互いに異な
り、前記液晶表示素子が前記基板平面方向に略平行に配
置された２枚の偏光板間に位置し、前記２枚の偏光板の
吸収軸もしくは透過軸が、たがいになす角度は、前記液
晶のツイスト角度θもしくは、９０゜−θであり、前記
２枚の偏光板の吸収軸もしくは透過軸は、前記基板表面
上での液晶分子長軸のなす方位に略平行であり、前記液
晶表示素子の液晶層厚をｄ、液晶組成物の螺旋ピッチが
Ｐで、螺旋方向が左の時Ｐは正、右の時は負としたとき
に、ｄ／Ｐが、ｄ／Ｐ×３６０゜＜｜±（θ＋９０゜）
｜であることを特徴としている。

【００１１】

【作用】前述したように従来の構成による液晶表示素子
は十分でない印加電圧を印加した場合、上下の基板にお
いて、基板表面の分子配列制御の影響をうけ、液晶分子
が電圧印加方向に配列することを妨げている。本発明で
はこの影響をほぼ片側の基板の影響のみに止めることを
問題の解決手段としている。以下その達成原理および手
法について説明する。 図１は本発明の液晶表示素子の
電圧無印加時の液晶分子配列を説明するものである。説
明の便宜上、出射光側に位置する基板をフロント基板１
０と称し、これを上側と定義する。また、入射光側の基
板はリア基板１１と称し、これを下側の基板とする。ま
た、液晶分子の基板厚み方向に対する位置をｚとして図
のように上側から下側方向を定めて、液晶の厚みｄで表
す。また、基板表面における分子の傾き角を図のように
ΦF0、ΦR0と定め、これをそれぞれフロント基板のプレ
チルト角、リア基板のプレチルト角と称する。

【００１２】さて、図１は前述した図５同様に液晶分子
のツイスト方向に切った液晶分子の配列を示す断面図で
ある。従来の構成による液晶表示素子と異なり、基板平
面方向に対する傾き角度は、上下基板間で変化してい
る。

【００１３】このような分子配列を得るには、前述した
ように２枚の電極付き基板間に誘電異方性が正のネマテ
ィック液晶組成物を挟持し、前記基板表面上で液晶分子
長軸を一方向に配列させるチルト配向を誘起する手段を
有しており、２枚の基板表面上での液晶分子配列方向の
交差角がθ（０゜≦θ≦９０゜）であり、２枚の基板上
でのチルト配向によって液晶組成物をユニフォ−ムツイ
スト配列させるように決まるセルツイスト角がψである
液晶表示素子において、ψが±（θ−１８０゜）（便宜
的にツイスト方向が左回りの時＋、右回りの時−とす
る）であって、液晶のツイスト角ωが±θである（以上
複号同順）ことを特徴とし、前記液晶表示素子が前記基
板平面方向に略平行に配置された２枚の偏光板間に位置
し、前記２枚の偏光板の吸収軸もしくは透過軸が、たが
いになす角度は、前記液晶のツイスト角度θもしくは、
９０゜−θであり、前記２枚の偏光板の吸収軸もしくは
透過軸は、前記基板表面上での液晶分子長軸のなす方位
に略平行であり、前記液晶表示素子の液晶層厚をｄ、液
晶組成物の螺旋ピッチがＰで、螺旋方向が左の時Ｐは
正、右の時は負としたときに、ｄ／Ｐが、ｄ／Ｐ×３６
０゜＜｜±（θ＋９０゜）｜であるようにすれば得るこ
とができる。その達成原理を図２を用いて説明する。こ
こでは基板表面上で液晶分子長軸を一方向に配列させる
チルト配向を誘起する手段としてラビング法を用いた場
合について説明する。なお、前記手段としてはラビング
法の他に、斜め蒸着法などがあるが、ここでは説明を省
略する。

【００１４】さて、図２のようにラビングを施した場
合、基板表面においては、ラビング方向側にプレチルト
角を有する分子配列をなす。したがって、基板表面にお
ける分子配列の傾く方向を分子が上側を指す方向と定義
した場合、フロント基板では、ラビング方向と逆の方
向、リア基板では同じ方向となる。したがって、２枚の
基板表面上での液晶分子配列方向の交差角がθ、及び、
２枚の基板上でのチルト配向によって液晶組成物をユニ
フォ−ムツイスト配列させるように決まるセルツイスト
角ψは図のようになる。なお、ωは液晶分子のツイスト
角度を示す。ここで、液晶のツイスト方向が時計回りと
なるようカイラル剤等を適量加えた場合は、液晶は時計
回りの方向にψユニフォ−ムツイスト配列するが、ここ
で反時計回りにθツイストするようにカイラル剤を添加
した場合は、やはり反時計方向にツイストする。

【００１５】したがって、液晶のツイスト状態を図示す
ると図２の矢印Ｔ1 のようになるわけだが、前述したよ
うに、基板表面における液晶分子配列はラビング方向に
プレチルトをもった傾きをもっているため、ツイスト方
向の断面図を考えると基板表面の分子の傾きは図１のよ
うになる。上下基板１０、１１間において液晶分子１２
の配列は連続的に変化しているので、基板表面以外の分
子は図１のような配列をとるしかなくなる。さて、ここ
で液晶分子のツイスト状態を図１における液晶分子の●
印しで示す側の分子端ＬR の基板表面方位に対する位置
で考えた場合は、Ｔ1 の方向となるが、図１における液
晶分子の傾きにおいて上側を向いた分子端の基板表面方
位に対する位置で考えた場合は、矢印Ｔ2 の方向とな
る。これは、液晶分子の傾く方向がおよそｚ＝ｄ／２の
ところで調度１８０゜逆になるからである。ここでＴ1
は図１における液晶分子の●印側分子端のツイスト状態
およびねじれ量を、またＴ2 は液晶分子の傾きにおい
て、上側をむした分子端のツイスト状態とねじれ量を表
している。

【００１６】なお、このような配列を得るには、液晶分
子のツイスト方向が前述したユニフォ−ムツイスト配列
した時のツイスト方向と逆であって、そのツイスト角が
θとなる場合であるから、いわゆる液晶組成物の螺旋ピ
ッチは、ツイスト角がθとなる螺旋ピッチとすればよ
く、その手段としては、ｄ／ｐ×３６０゜をθ＋９０゜
以下とすればよい。

【００１７】また、本発明の液晶表示素子を旋光モ−ド
として用いる場合には、偏光板の配置を、２枚の偏光板
の吸収軸もしくは透過軸が、たがいになす角度は、前記
液晶のツイスト角度θもしくは、９０゜−θであり、前
記２枚の偏光板の吸収軸もしくは透過軸は、前記基板表
面上での液晶分子長軸のなす方位に略平行であるように
すればよい。

【００１８】さて、このようにして得た分子配列からな
る液晶表示素子に電圧を印加した場合、従来の素子同様
に、電圧無印加時の分子配列状態に応じて、液晶分子が
電圧印加方向に傾いていく。しかしながら、液晶分子の
傾く方向はおよそｚ＝ｄ／２のところで調度１８０゜逆
になっているのでの液晶分子が電圧印加方向に傾いてい
くと、この位置で分子配列は不連続となってしまう。基
本的に液晶分子の配列は安定状態を得るように定まるの
で、ある程度の領域で連続的に配列しようとする。した
がって、フロント基板もしくはリア基板表面の分子配列
に応じて、どちらか一方の基板表面の規制力によって相
対する基板表面までの分子配列を決めてしまう。したが
って、印加電圧が十分でない場合の電圧印加時の液晶分
子配列は図３（ａ）のようになる。ただし、ここではフ
ロント基板表面の規制力に応じた場合の配列を示した
が、逆の場合もありうる。したがって、どちらに応じる
かを、なんらかの方法を用いて制御しないと、同一セル
内において、フロント基板表面の規制力に応じた部分
と、リア基板表面の規制力に応じた部分とが同居してし
まい、配向欠陥を生じ、表示特性を劣らせることがあ
る。この場合、前述した電圧印加時に、液晶の分子配列
が一方の基板の規制力にのみ応じるような手段を講じる
のが望ましい。

【００１９】液晶の分子配列が一方の基板の規制力にの
み応じるようにするには、各々の基板表面の配向規制力
を、故意に変えてやることによって達成される。配向規
制力の強い基板表面のほうが、分子配列を規制する力も
大きいからである。一般的に、いわゆる基板表面の液晶
分子チルト角が異なれば、前述した配向規制力は、上下
でアンバランスになるので、この方式を用いて配向規制
力を制御するのが最も容易、かつ効果的である。

【００２０】このように、本発明の構造による液晶表示
素子では、印加電圧が十分でない場合の電圧印加時の液
晶分子配列は、ほぼ一方の基板表面の分子配列にのみ応
じた配列をなすのである。（ただし、他方の基板表面近
傍の分子のみは基板表面の規制力に応じている。）した
がって、従来の素子と比較すると、十分な印加電圧を印
加した場合は、図５（ｃ）、図３（ｂ）に示すように、
上基板１０、下基板１１間で液晶分子１２はほぼ等しい
視角依存を示す分子配列をなすが、印加電圧が十分でな
い場合においては、従来の素子が図５（ｂ）に示すよう
に液晶層の上半分、及び下半分双方で、電圧印加方向に
対する傾き度合いが基板表面の分子配列規制力の影響を
受けるのに対し、本発明の素子では、図３（ａ）に示す
ように液晶層の上半分、もしくは下半分でしか、電圧印
加方向に対する傾き度合いが基板表面の分子配列規制力
の影響を受けない。よって、いわゆる方位に対する視角
依存性は、従来の素子より、小さくなり、良好な視角依
存性が得られるわけである。

【００２１】なお、図３（ｂ）に示すように、ほぼ等し
い視角依存を示す分子配列をなす印加電圧は、前述した
前記液晶分子プレチルト角の違いを大きくするほど、高
くなる。したがって、前記液晶分子プレチルト角の違い
をできるだけ大きくすることが安定な配向を得るのに効
果的である。

【００２２】

【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。

【００２３】（実施例１）図１に示すように２枚の透明
電極１３付基板１０、１１に、一方にはプレチルトが高
くなる配向膜として、ＰＳＩ−２４０１（チッソ社製
品：プレチルト角約７゜）を形成（この基板をフロント
基板に用いる）し、もう一方には、プレチルトが低くな
る配向膜としてオプトマーＡＬ−１０５１（日本合成ゴ
ム社製：プレチルト角約１゜）を形成（この基板をリア
基板に用いる）し、これをラビングすることにより、表
面における液晶の液晶分子１２の配列方向を決定づけ
る。本実施例においては、液晶を挟持したとき、２枚の
基板間において、このラビング方向のなす角度（狭いほ
う）が９０゜となるようにした。

【００２４】また、双方のラビング方向は、２枚の基板
上でのチルト配向によって液晶組成物をユニフォ−ムツ
イスト配列させるように決まるセルツイスト角が−９０
゜（液晶分子のツイスト方向が左回りのときを＋とした
場合）となるようにほどこし、液晶組成物として、ＺＬ
Ｉ−２２９３（メルクジャパン製）に左回りのカイラル
剤として、Ｓ−８１１を液晶組成物のｄ／Ｐが１／４以
下となるように０．１％添加したものをセル厚ｄ＝５μ
ｍにて注入し、本発明の液晶セルを得た。このセルの基
板外面に、一方は基板ラビング方向と透過軸を平行に配
置し、もう一方は、基板ラビング方向と吸収軸を平行に
配置するよう偏光板を配置し、本発明の液晶表示素子を
得た。

【００２５】この素子の電圧無印加時の透過率と３．５
Ｖ印加時の透過率との比を観察方向を変化させて測定
し、いわゆるＩＳＯ−コントラスト曲線を作成したとこ
ろ図４のように広い視角特性をもつことがわかった。

【００２６】（実施例２）実施例１において、上下基板
に同じ配向膜ＡＬ−１０５１を形成し、実施例１同様の
条件にてセルを作成した。このセルに電圧を印加したと
ころ、部分的に配向不良のあるセルがあったものの、実
施例１同様の良好な特性が得られた。

【００２７】（実施例３）ＴＦＴスイッチング素子を具
備した基板をプレチルト角が高い方の基板として用い、
実施例１と同様に作成したセルにて、諸特性を測定した
ところ、実施例１同様の良好な特性が得られたばかりで
なく、従来のＴＦＴ−ＴＮ−ＬＣＤに見られた横電界に
起因する画素端に生じるチルトリバ−スが軽減された。

【００２８】（比較例１）比較例として、ラビング方向
のなす角度（狭いほう）が９０゜であって、双方のラビ
ング方向は、２枚の基板上でのチルト配向によって液晶
組成物をユニフォ−ムツイスト配列させるように決まる
セルツイスト角が９０゜となるように施し、液晶組成物
として、ＺＬＩ−２２９３（メルクジャパン製）に左回
りのカイラル剤として、Ｓ−８１１を液晶組成物のｄ／
Ｐが１／４以下となるように０．１％添加したものをセ
ル厚ｄ＝５μｍにて注入し、従来構成の液晶セルを得
た。実施例同様に偏光板を配置し、電圧無印加時の透過
率と５．０Ｖ印加時の透過率との比を観察方向を変化さ
せて測定し、ＩＳＯ−コントラスト曲線を作成したとこ
ろ図６のように、図４に比較して、狭い視角特性である
ことがわかった。

【００２９】

【発明の効果】本発明の液晶表示素子を用いれば、ＴＮ
型ＬＣＤをより広い視角で実現する表示素子を得ること
ができる。

【００３０】なお、実施例においては触れなかったが単
純マトリクス駆動を用いても、本発明の効果が得られる
ことは、言うまでもなく、また、旋光モ−ドに限らず複
屈折制御モ−ドにおいても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】本発明の液晶表示素子の液晶分子配列を説明す
る図であって、液晶分子のツイスト方向に切った液晶分
子配列を示す断面図である。

【図２】本発明の液晶表示素子の液晶分子配列を説明す
る図であって、ラビング方向に対する液晶ツイスト方向
を示す図である。

【図３】本発明の液晶表示素子の電圧印加時の液晶分子
配列を説明する図である。

【図４】本発明の液晶表示素子のＩＳＯ−コントラスト
曲線の測定結果の一例を示す図である。

【図５】従来の構成による液晶表示素子の液晶分子配列
を説明する図である。

【図６】従来の構成による液晶表示素子のＩＳＯ−コン
トラスト曲線の測定結果の一例を説明する図である。。

【符号の説明】

１０…上基板、 １１…下基板、 １２…液晶分子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 武志 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 平井 保功 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２枚の電極付き基板間に誘電異方性が正の
   ネマティック液晶組成物を挟持し、前記基板表面上で液
   晶分子長軸を一方向に配列させるチルト配向を誘起する
   手段を有しており、２枚の基板表面上での液晶分子配列
   方向の交差角がθ（０゜≦θ≦９０゜）であり、２枚の
   基板上でのチルト配向によって液晶組成物をユニフォ−
   ムツイスト配列させるように決まるセルツイスト角がψ
   である液晶表示素子において、 ψが±（θ−１８０゜）（便宜的にツイスト方向が左回
   りの時＋、右回りの時−とする）であって、液晶のツイ
   スト角が±θである（以上複号同順）ことを特徴とした
   液晶表示素子。
2. 【請求項２】２枚の基板上における液晶分子のチルト角
   の大きさが互いに異なることを特徴とする請求項１に記
   載の液晶表示素子。
3. 【請求項３】液晶表示素子が前記基板平面方向に略平行
   に配置された２枚の偏光板間に位置し、前記２枚の偏光
   板の吸収軸もしくは透過軸が、たがいになす角度は、前
   記液晶のツイスト角度θもしくは、９０゜−θであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
4. 【請求項４】２枚の偏光板の吸収軸もしくは透過軸は、
   基板表面上での液晶分子長軸のなす方位に略平行である
   ことを特徴とする請求項３に記載の液晶表示素子。
5. 【請求項５】液晶層厚をｄ、液晶組成物の螺旋ピッチが
   Ｐで、螺旋方向が左の時Ｐは正、右の時は負としたとき
   に、ｄ／Ｐが、 ｄ／Ｐ×３６０゜＜｜±（θ＋９０゜）｜ であることを特徴とした請求項１の液晶表示素子。