JPH0553132A

JPH0553132A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH0553132A
Application number: JP21774991A
Authority: JP
Inventors: Tomiaki Yamamoto; 富章山本; Masahito Ishikawa; 正仁石川; Hitoshi Hado; 仁羽藤; Junko Hirata; 純子平田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-08-29
Filing date: 1991-08-29
Publication date: 1993-03-05

Abstract

(57)【要約】【構成】２枚の偏光板１、４の間に、２枚の基板間に
ネマティック液晶組成物を挟持した電圧駆動される第１
の液晶セル３と、この第１の液晶セルの基板法線とほぼ
平行な螺旋軸でねじれ角が３６０度以上の液晶層を有す
る電圧駆動可能な第２の液晶セル２とを配置した液晶表
示素子にある。また、第２の液晶セル２の液晶組成物
を、印加電圧の周波数によって誘電異方性Δεの符号が
変化する材料を選ぶことができる。【効果】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、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。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Ｌ
ＣＤ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。

【０００４】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−
ＬＣＤ）に応用されている（ＴＮ方式）。

【０００５】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.127-13
8 にて報告されている。

【０００６】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、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。

【０００７】

【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、計測器など固定され、正面方向だ
けでなく斜め方向からも観察する表示デバイスでは実用
上好ましくない。

【０００８】本発明は上記不都合を解決するものであ
る。

【０００９】

【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枚の基板間にネマティック液晶層を挟持した
表示パターンを形成する第１の液晶セルと、第１の液晶
セルの基板法線とほぼ平行な螺旋軸でねじれ角が３６０
度以上の液晶層を有する第２の液晶セルを具備した液晶
表示素子において、第２の液晶セルが電圧を印加可能と
され第２の液晶セルに電圧をする印加手段を具備する液
晶表示素子を得るものである。

【００１０】さらに前記第２の液晶セルの液晶組成物と
して印加電圧の周波数によって誘電異方性Δεの符号が
変化する液晶組成物が適している。

【００１１】

【作用】図２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、液晶表示素子の観測点を図３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、極
座標で示したものである。理想的な液晶表示素子として
は、どの方位角Φにおいても視角θが大きい部分におい
てコントラスト比が高いことが望まれる。上下の基板の
配向方向を図２の図中の矢印に示す（１３は上基板の配
向方向、１４は下基板の配向方向）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゜、２１０°、３３０°方位で最も視
角が広くなり、４５°、１３５°方位で狭くなってい
る。

【００１２】液晶セル中央付近の液晶分子の傾く方向
は、上下の基板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 は液晶分子と基板と
のなす角が等しい場合、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
にそれぞれ偏光板を置き、偏光板の吸収軸をそれぞれの
基板の配向方向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の傾く方向にほ
ぼ一致する。

【００１３】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
する必要性が生じる。

【００１４】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。

【００１５】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４のようになる。複屈折現象は、この屈折率楕
円体４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(4.1) 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(4.2) は楕円となり、３次元の屈折率楕円
体の長軸方向(4.3) から見たときの屈折率体(4.4) 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。

【００１６】そこで、液晶表示素子の３次元の屈折率楕
円体４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。光学補償用の屈折率楕
円体としては、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(5.1) を図５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ほぼ平行に配置することによって、
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。

【００１７】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。

【００１８】図６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、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。

【００１９】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
償用液晶層を作成することにより、図２に示した４５
°、１３５°方向における視角特性を改善することがで
きる。一例を図７に示す。この場合、９０°、２１０
°、３３０°方向に視角特性が若干悪くなる。このよう
に、補償用液晶層を用いることにより視角特性が悪くな
る方向が生じる。

【００２０】また、図８に基板に対して垂直に液晶分子
の長軸を形成した補償用液晶層を用いた場合の等コント
ラスト比−方位角特性を示す。図２と比較すると９０°
方位の視角特性が改善され、２１０°、３３０°が若干
劣ることがわかる。

【００２１】本発明の液晶表示素子では、任意に図７と
図８の視角特性を得ることができる。これは、補償用液
晶層に電圧を印加しない時は図７の視角特性、補償用液
晶層に電圧を印加した時は、図８に視角特性が得られ
る。

【００２２】この時、補償用液晶層に通常のネマティッ
ク液晶を用いる場合、ねじれ角が３６０°以上のため、
電圧印加により液晶分子を水平状態から垂直状態にした
後に、無電圧にしても液晶分子が垂直状態を保ってしま
うことがある。このため、瞬時に視角特性を制御するこ
とは難しくなってしまう。

【００２３】そこで、補償用液晶層に印加する周波数に
よって誘電異方性Δε（Δε＝ε_p−ε_v、ここに
ε_p：液晶分子長軸方向の誘電率、ε_v：液晶分子短軸
方向の誘電率である）の符号が変化する液晶組成物を用
いる。図９に液晶組成物の周波数による誘電率ε_p、ε
_vの関係を示す。図の様にある特定の周波数ｆｃを境に
Δεが正から負へ変化する。この様な液晶組成物を用い
ると印加する周波数を変えることにより、液晶分子を水
平状態から垂直状態に、また垂直状態から水平状態に変
化させることが容易にできる。また、水平状態から垂直
状態の中間状態（斜め状態）を得ることもできる。この
時の視角特性は、図７と図８の中間の特性が得られるこ
とは明白である。したがって、視認方向により、印加電
圧の周波数を変化させることにより自由に視角方向を制
御できる。

【００２４】以上ＴＮ液晶セルを例に説明したが、ＴＮ
方式のみならずＳＴ方式やねじれ角が９０°以下の小さ
いねじれ角の表示方式のＬＣＤにも同様な効果が得られ
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１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
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の光吸収軸(1.1),(4.1) はそ
れぞれ直交するように配置される。

【００２７】第２の液晶セル２はこれらの偏光板１、４
間に配置され、透明電極２ｃ、２ｄを形成した透明基板
２ａ, ２ｂ間に液晶層２ｅを介在させた液晶セル構造を
有している。液晶２ｅには、通常のネマティック液晶を
用いた。液晶セル２は透明電極２ｃ、２ｄを駆動電源２
ｇに接続されて電圧が印加される。

【００２８】第１の液晶セル３は表示パターンを映像と
して表示する駆動用液晶セルで、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
ィック液晶層３ｅ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】第１の液晶セル３の液晶の光軸は、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。

【００３０】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。

【００３１】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) は平行で、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) は平行であ
る。

【００３２】本構成の液晶表示素子を、第１の液晶表示
素子に明状態すなわち駆動電源３ｆからセル電極間に１
Ｖ印加した状態と、暗状態すなわち駆動電源３ｆから液
晶セル電極間に５Ｖ印加し、一方第２の液晶セルに電圧
を印加しない状態をつくる。その時の等コントラスト比
−方位角特性を図７に示す。この様に４５°、１３５°
方位の視角特性がよい。図８は、第１の液晶セルは上記
と同様の駆動とし、第２の液晶セルに５Ｖの電圧を印加
した時の等コントラスト比−方位角特性を示す。この場
合９０°、２１０°、３３０°方位の視角特性がよい。

【００３３】（実施例２）実施例１において、第２の液
晶セル２の液晶２ｅに印加周波数によって誘電異方性Δ
εの符号が変化するエステル環骨格の液晶組成物を用い
た。本構成の液晶表示素子を第１の液晶表示素子に、明
状態で駆動電源３ｆから液晶セル電極間に１Ｖ印加、暗
状態として駆動電源３ｆから液晶電極間に５Ｖ印加し、
第２の液晶セルには、周波数１００Ｈｚで２Ｖ印加し
た。その時の等コントラスト比−方位角特性は図７と同
様であった。この様に４５°、１３５°方位の視角特性
がよい。第２の液晶セルに、周波数１０ｋＨｚで２Ｖ印
加した時の等コントラスト比−方位角特性は図８と同様
であった。この様に９０°、２１０°、３３０°方位の
視角特性がよい。

【００３４】

【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】本発明の実施例１の液晶表示素子を示す断面
図。

【図２】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３】図２の観察点の座標系を説明する図。

【図４】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５】図４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６】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７】実施例１の効果を説明する図。

【図８】実施例１の効果を説明する図。

【図９】第２の液晶セルの液晶層に用いる液晶組成物の
周波数に対する誘電異方性の関係を示す図。

【図１０】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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平田純子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

【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚の偏光板の間に、２枚の基板間にネ
マティック液晶組成物を挟持した表示パターンを形成す
る第１の液晶セルと、前記第１の液晶セルの基板法線と
ほぼ平行な螺旋軸でねじれ角が３６０度以上の第２の液
晶セルを具備した液晶表示素子において、前記第２の液
晶セルが電圧を印加可能とされこの第２の液晶セルに電
圧を印加する手段を具備することを特徴とする液晶表示
素子。
【請求項２】前記第２の液晶セルの液晶組成物が印加
電圧の周波数によって誘電異方性Δεの符号が変化する
液晶組成物である請求項１記載の液晶表示素子。