JPH06281965A

JPH06281965A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH06281965A
Application number: JP7181393A
Authority: JP
Inventors: Junichi Hirakata; 純一平方; Naoki Kikuchi; 直樹菊地
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-30
Filing date: 1993-03-30
Publication date: 1994-10-07

Abstract

(57)【要約】【目的】高コントラスト比で応答速度が速い、高画質の
液晶表示装置を提供する。【構成】電極を有し対向配置された少なくとも一方が透
明な一対の基板（３，５）、該基板間に挾持され厚さ方
向を軸とするら旋構造を有するネマチック液晶層
（４）、該ネマチック液晶層を挾んで設けられた一対の
偏光板（１，６）、該電極間に電界を印加して前記液晶
層の透過光量を変化させる制御手段を備えた液晶表示装
置であって、電界無印加状態で前記ネマチック液晶層の
基板との界面部の液晶分子の基板面に対する傾斜角
（８）と非界面部の液晶分子の傾斜角が異なる液晶表示
装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコントラストが高く、か
つ、高速応答が可能な電界効果型液晶表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】高コントラストを実現するねじられたら
旋構造を有するネマチック液晶表示装置として、液晶層
のら旋構造のねじれ角（ツイスト角）の大きさが２７０
度、基板界面部の液晶分子の基板面に対する傾斜角（チ
ルト角）と非界面部の液晶分子の基板面に対する傾斜角
が一様な表示装置が提案されている（特開平２−１１８
５１７号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】大容量表示が可能な液
晶表示装置には、スーパーツイステッドネマチック（Ｓ
ＴＮ）型と、シンフィルムトランジスタ（ＴＦＴ）型が
知られている。ＳＴＮ型液晶表示装置は、液晶層のら旋
構造のツイスト角が大きいことが特徴で、優れた時分割
駆動特性を有する。一般に、ツイスト角を大きくすると
時分割駆動特性は向上し、大容量表示が可能となること
が知られている。しかし、ツイスト角が大きくなるに伴
い、良好な表示が得られる正常な液晶の配向を得ること
も困難となる。

【０００４】上記の表示装置において、表示に悪影響を
与える配向を散乱ドメインと称するが、これは基板界面
部の液晶分子の基板面に対する傾斜角（チルト角）を１
０度以上とし、液晶層の基板界面部のチルト角と非界面
部のチルト角を一様にすることによって回避できる。

【０００５】上記の従来の液晶表示装置では基板間に電
界を印加し、白から黒へ、あるいは黒から白へ表示を変
える時、液晶分子はら旋構造を解消して電界方向に対し
て平行に配向を変えるために応答速度が遅い。こうした
液晶表示装置を例えば情報端末ディスプレイに使用する
と、マウスの使用時あるいは画面スクロール時に、液晶
分子の応答が素早く追随できないため表示が消える、あ
るいは表示が尾を引く等の問題が生じる。

【０００６】本発明の目的は、コントラストが高く、か
つ、高速応答が可能な電界効果型の液晶表示装置を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の要旨は次のとおりである。

【０００８】（１）電極を有し対向配置された少なく
とも一方が透明な一対の基板、該基板間に挾持され厚さ
方向を軸とするら旋構造を有するネマチック液晶層、該
ネマチック液晶層を挾んで設けられた一対の偏光板、該
電極間に電界を印加して前記液晶層の透過光量を変化さ
せる制御手段を備えた液晶表示装置であって、電界無印
加状態で前記ネマチック液晶層の基板との界面部の液晶
分子の基板面に対する傾斜角（チルト角）と非界面部の
液晶分子の傾斜角が異なることを特徴とする液晶表示装
置。

【０００９】（２）前記基板間のネマチック液晶層の
ほゞ中央部の液晶分子の基板面に対する傾斜角がほゞ９
０度である前記の液晶表示装置。

【００１０】（３）前記ネマチック液晶層の基板との
界面部の液晶分子の基板面に対する傾斜角が１０度以上
である前記の液晶表示装置。

【００１１】（４）前記ネマチック液晶層を挾持する
基板間に電界が印加された状態で、該液晶層の前記界面
部の残留位相差と等しいか、または、近接する位相差を
有する複屈折媒体を、前記偏光板の少なくとも一方と液
晶層との間に配置し、かつ、その複屈折媒体の遅相軸が
前記ネマチック液晶層の残留位相差を補償し得る角度に
設定した前記の液晶表示装置。

【００１２】前記液晶表示装置は電界効果型と呼ばれ、
電極間に電界を印加することにより、液晶分子の配向状
態を変化させて透過率を制御する。

【００１３】図２は、従来型液晶表示装置の電界無印加
状態における液晶分子の基板間での配向状態の模式断面
図を、図３は電界印加状態における液晶分子の基板間で
の配向状態の模式断面図を示す。

【００１４】図２において、正の誘電異方性を有するネ
マチック液晶を用いた場合、電界無印加状態において液
晶分子は電極基板面に対して一定のチルト角８を有す
る。

【００１５】図４は、液晶層のら旋構造が無いと仮定し
た時の液晶分子の配向状態の模式断面図である。図４に
おいて、液晶分子の基板界面部のチルト角と非界面部の
チルト角は一様である。これは、図２のように液晶層に
ら旋構造を有する場合においても同様である。

【００１６】図５に従来型液晶表示装置の電界無印加状
態の模式平面図を示す。図５において上基板ラビング方
向１０と下基板ラビング方向１１及び、液晶層に添加さ
れる旋光性物資のカイラル剤により、ツイスト方向とそ
のツイスト角１２の大きさが制御できる。これにより液
晶層にら旋構造が生じる。

【００１７】次に電界印加時の従来型液晶表示装置の液
晶分子の配向状態を説明する。基板に形成した電極間に
電界を印加し、その電界を徐々に大きくすると、液晶分
子は電界がある値以上になると配向状態が変化し始め
る。即ち、前記のら旋構造は減衰し、かつ、前記チルト
角も変化し、基板界面付近のチルト角と非界面部のチル
ト角が異なる配向になる。これをしきい値と云い、この
しきい値より十分大きい電界印加時の液晶分子の配向状
態は、図３に示すように基板界面付近を除き、電界の方
向に対してほゞ平行、即ち、電極基板に対して垂直な配
向となる。

【００１８】図６に電極基板間でのチルト角の分布を示
す。電界無印加状態のチルト角は、直線１４で示すよう
に基板界面部及び非界面部において等しく１０度であ
る。

【００１９】一方、電界印加状態のチルト角は曲線１３
で示すように変化し、基板界面部では１０度であるが、
非界面部、特に基板間の中央部では９０度となる。

【００２０】上記のように従来型液晶表示装置では、電
界印加により液晶層のねじれ構造が減衰し、液晶分子が
基板に対して垂直配向となるため応答速度が遅かった。

【００２１】図１は本発明の電界無印加状態の液晶分子
の配向を示す模式断面図である。図１において、基板界
面のチルト角は従来型液晶表示装置と同様であるが、基
板間（液晶層）のほゞ中央部のチルト角は基板面に対し
て垂直である。

【００２２】既述のように、従来の液晶表示装置の電界
無印加状態のチルト角は基板間で一定であったが、本発
明の液晶表示装置は、図９の模式図に示すように、液晶
分子のチルト角が界面部と非界面部では異なる。

【００２３】図７に本発明の液晶表示装置の電極基板間
での液晶分子のチルト角分布を示す。図７の曲線１４で
示すように電界無印加状態のチルト角の絶対値は、上下
基板界面付近では１０度であるが、基板間の中央部付近
では９０度となる。この場合の液晶層のねじれ構造は基
板間中央部では解消されている。

【００２４】図８は電界印加状態の液晶分子の配向状態
の模式断面図である。ねじれ構造は基板界面部を除きほ
ぼ解消され、液晶分子は基板面に対して垂直配向とな
り、チルト角は図７に示すような分布となる。曲線１３
で示すように電界印加状態のチルト角の絶対値は上下基
板界面付近を除き、基板間でほぼ９０度となる。

【００２５】このように本発明の液晶表示装置において
は、電界無印加状態では液晶分子の基板間の中央部付近
でほゞ垂直配向し、かつ、ねじれ構造が減衰しているた
めに、電界印加時に液晶分子は速やかに応答し、応答速
度を飛躍的に高めることができる。

【００２６】電界無印加状態で基板間のチルト角分布が
一様でない配向、いわゆる上下基板で液晶分子の傾斜が
対称となる逆チルトの配向は、上下基板のラビング方向
と液晶層に添加するカイラル剤の種類を変えることによ
りで実現できる。

【００２７】図５に示すラビング方向の場合、左ねじり
のカイラル剤を添加することにより、基板間で一様なチ
ルト角を生じる。これに対して、このラビング状態で右
ねじりのカイラル剤を添加すると、図１に示すようなチ
ルト角が基板界面と非界面部とで異なった配向にするこ
とができる。

【００２８】この配向はチルト角の大きさが１０度以上
の時実現できる。また１０度以上のチルト角を得るため
には、電極基板面にポリイミド、ポリアミドあるいはポ
リフェニレンなどの有機薄膜をスピンナーあるいは印刷
により塗布後、ラビングを行うことにより可能である。
ラビングは、布を巻きつけた円筒径の回転体を用いて回
転数１００〜３０００ｒｐｍ、移動速度０.２〜２ｍ／
分でラビングすることによって液晶分子を配向させるこ
とができる。また、電極基板面に酸化シリコン（ＳｉＯ
₂）を斜め蒸着することによっても可能である。なお、
チルト角は、結晶回転法、静電容量の電界依存性、レー
ザー光の表面全反射法等により測定可能である。

【００２９】また、この配向は、液晶層の厚さｄと液晶
層のら旋のピッチｐの比ｄ／ｐを０.２〜０.６に設定す
ることによっても実現可能である。さらに液晶材料のス
プレイ変形の弾性定数Ｋ１とツイスト変形の弾性定数Ｋ
２との比Ｋ１／Ｋ２を１〜２に設定することによっても
実現可能である。

【００３０】このような高速応答が可能な液晶表示装置
のコントラスト比〔白表示と黒表示の明るさ（輝度）の
比〕は、ツイスト角の大きさと、液晶層のΔｎ・ｄを次
の範囲に設定することにより向上できる。即ち、ツイス
ト角は９０〜３６０度、特に９０度の整数倍である、９
０度、１８０度、２７０度、３６０度が好ましい。ま
た、液晶層の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δｎの積Δ
ｎ・ｄは、ツイスト角２７０度の時、０.４〜０.５５μ
ｍ、１８０度の時、０.２〜０.３５μｍが好ましい。

【００３１】さらにコントラスト比は、電界印加状態で
の液晶層の界面残留位相差と等しいかまたは近接した位
相差を持つ複屈折媒体２を配置することにより向上でき
る。該複屈折媒体の位相差は０.０３〜０.２５μｍが好
ましい。複屈折媒体の設置位置は、図１において液晶層
４と偏光板１（または６）との間であればよい。特に、
基板間に配置した場合、多重反射による透過率の減衰が
減り、明るさも向上することができる。

【００３２】本発明の表示装置においては、光源７とし
て冷陰極管、熱陰極管やエレクトロルミネッセントを用
いたもの、または外光を利用した反射型のものを適用す
ることができる。

【００３３】

【作用】本発明の液晶表示装置が、コントラストが高
く、応答速度の速い理由は、電界無印加状態で、液晶層
の基板界面部のチルト角と非界面部のチルト角が異な
り、基板中央部の液晶分子がほゞ垂直に配向し、かつ、
ねじれ構造が減衰しているためである。

【００３４】

【実施例】次に、本発明を実施例により具体的に説明す
る。

【００３５】〔実施例１〕図１は本発明の液晶表示装
置の構成の一実施例を示す模式断面図である。本実施例
では、電界効果型液晶として正の誘電異方性を有するネ
マチック液晶を用いて時分割駆動を行った例で説明す
る。

【００３６】液晶分子４のツイスト方向とツイスト角１
２は、上側電極基板３のラビング方向１０と下側電極基
板５のラビング方向１１、及びネマチック液晶に添加さ
れる旋光性物質の種類と添加量によって規定される。

【００３７】ツイスト角は上下基板間で１８０度とし
た。また、このツイスト角を実現するためには、基板界
面での液晶分子のチルト角を１０度以上とする必要があ
る。

【００３８】本実施例ではポリイミド配向膜として日産
化学社製のＲＮ４２２を基板にスピンナーで塗布後、弱
ラビングを施すことにより、チルト角を１０度とした。
また、ＳｉＯ₂を斜方蒸着してチルト角２５度としても
よい。

【００３９】液晶材料はチッソ社のネマチック液晶ＨＡ
４０４３（△ｎ＝０.０８）を用い、さらに式〔１〕，
〔２〕に示す液晶材料をそれぞれ１重量％添加した。な
お、旋光性物質としてメルク社製のＳ８１１を０.５重
量％添加した。

【００４０】

【化１】

【００４１】液晶層の厚さは３.５μｍとし、該液晶層
の厚さｄ（μｍ）と上記屈折率異方性Δｎの積Δｎ・ｄ
は０.２７５μｍとした。

【００４２】図１０に本実施例のラビング方向及び偏光
板吸収軸の方向を示す。偏光板としては、日東電工製Ｇ
１２２０ＤＵ（偏光度９９.９５％）を用い、下側偏光
板６の吸収軸（偏光軸）１６と下側電極基板５の下側ラ
ビング方向１１とのなす角は、コントラスト比，明る
さ，色等を考慮すると３０〜６０度または１２０〜１５
０度の範囲が望ましく、本実施例では１３５度とした。
また、下側偏光板６の吸収軸１６と上側偏光板１の吸収
軸１５との交差角度はほゞ９０度とした。

【００４３】これによって、時分割数２００を想定した
表示装置のコントラスト比は２０：１、応答速度は従来
の２００ｍｓから４０ｍｓに向上した。なお、液晶層の
ツイスト角は９０〜２７０度の範囲であれば同様の効果
を示す。

【００４４】本実施例では、光源として冷陰極管を用い
たが、光源を用いずに反射板を用いた外光利用型でも同
様の効果が得られる。特に、反射型の場合には、光透過
率の高い偏光板、例えば、透過率４０％以上、偏光度９
５％以下（日東電工製のＮＰＦ−Ｆ１２２５ＤＵ；透過
率４５％）を用いれば、コントラスト比を低下すること
なく、明るさを向上することができる。また、カラーフ
ィルターを具備することにより、カラー表示も可能であ
る。

【００４５】〔比較例１〕実施例１と同じ構成で、液
晶材料をメルク社製のＺＬＩ−４４５５（△＝０.１
２）を用い、旋光性物質（メルク社製：Ｓ８１１）を
０.８重量％添加し、図１０の上側基板のラビング方向
１０を下側基板のラビング方向と同じとした。

【００４６】これによりチルト角は基板間で一様とな
り、コントラスト比は５：１で、白表示が黄に着色し
た。また、応答速度は２００ｍｓで動画表示はできなか
った。

【００４７】〔実施例２〕実施例１と同じ構成で、上
側偏光板１と上側電極基板３との間に複屈折媒体として
厚さ５０μｍ、屈折率の異方性Δｎが０.００１４で位
相差０.０７μｍのトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）
フィルムを一枚配置した。この時、上側基板のラビング
軸１０と前記フィルムの光軸のなす角度はほゞ直交とす
る。該フィルムの配置する位置は基板５と液晶層４の
間、あるいは基板３と液晶層４の間に配置してもよい。
さらに該フィルムは基板３あるいは５と偏光板１あるい
は６の間に各一枚、あるいは各二枚ずつ配置してもよ
い。

【００４８】該複屈折媒体である有機高分子フィルムと
しては、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリビニルアルコ
ール（ＰＶＡ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポ
リエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の透明な複屈折
性プラスチック延伸フィルムを用いることができる。

【００４９】以上の条件において、黒表示透過率は実施
例１の場合の１％から０.５％に低下し、コントラスト
比は２０：１から４０：１に向上した。

【００５０】〔実施例３〕実施例１と同じ構成で、ツ
イスト角を２７０度、下側偏光板６の吸収軸（偏光軸）
１６と下側電極基板５の下側ラビング軸１１とのなす角
を０度にした。さらに液晶材料をメルク社製のＺＬＩ−
４４５５（△＝０.１２）を用い、旋光性物質（メルク
社製：Ｓ８１１）を０.４重量％添加し、セル厚は３.８
μｍとした。これによって、コントラスト比３０：１、
応答速度５０ｍｓを得た。

【００５１】〔実施例４〕実施例３と同じ構成で、配
向膜としてチッソ社製ＰＳＩ−Ａ−２３０１−ＨＳ１を
用い、ソフトラビングすることによりチルト角を１５度
とし、コントラスト比３０：１、応答速度４０ｍｓを得
た。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、高コントラスト比で応
答速度が速いため動画表示、あるいはマウスを用いる液
晶表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示装置の模式断面図である。

【図２】電界無印加時における従来の液晶表示装置の分
子配向状態を示す模式図である。

【図３】電界印加時における従来の液晶表示装置の分子
配向状態を示す模式図である。

【図４】電界無印加時における従来の液晶分子のチルト
角を示す模式図である。

【図５】従来の液晶表示装置のラビング方向を示す模式
平面図である。

【図６】従来の液晶表示装置のセル内のチルト角分布を
示す図である。

【図７】本発明の液晶表示装置のセル内のチルト角分布
を示す図である。

【図８】本発明の液晶表示装置の電界印加時における分
子配向状態を示す模式図である。

【図９】本発明の電界無印加時における液晶分子のチル
ト角を示す模式図である。

【図１０】本発明の液晶表示装置のラビング方向と偏光
板吸収軸方向を示す模式平面図である。

【符号の説明】

１…上側偏光板、２…複屈折媒体、３…上側電極基板、
４…液晶分子、５…下側電極基板、６…下側偏光板、７
…反射板（または光源）、８…チルト角、９…電界印加
装置、１０…上基板ラビング方向、１１…下基板ラビン
グ方向、１２…ツイスト角、１３…電界印加時の傾斜角
分布、１４…電界無印加時の傾斜角分布、１５…上側偏
光板吸収軸方向、１６…下側偏光板吸収軸方向。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極を有し対向配置された少なくとも一
方が透明な一対の基板、該基板間に挾持され厚さ方向を
軸とするら旋構造を有するネマチック液晶層、該ネマチ
ック液晶層を挾んで設けられた一対の偏光板、該電極間
に電界を印加して前記液晶層の透過光量を変化させる制
御手段を備えた液晶表示装置であって、電界無印加状態
で前記ネマチック液晶層の基板との界面部の液晶分子の
基板面に対する傾斜角と非界面部の液晶分子の傾斜角が
異なることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】前記基板間のネマチック液晶層のほゞ中
央部の液晶分子の基板面に対する傾斜角がほゞ９０度で
ある請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】前記ネマチック液晶層の基板との界面部
の液晶分子の基板面に対する傾斜角が１０度以上である
請求項１または２に記載の液晶表示装置。
【請求項４】前記ネマチック液晶層の基板との界面部
の液晶分子の基板面に対する傾斜角が１０〜２０度であ
る請求項１または２に記載の液晶表示装置。
【請求項５】前記液晶層に、前記ら旋構造によって生
じる自発的なねじれ方向と逆方向のねじれ特性を有する
旋光性物質が添加されている請求項１〜４のいずれかに
記載の液晶表示装置。
【請求項６】前記ネマチック液晶層の厚さｄ（μｍ）
と、該液晶層のら旋のピッチｐ（μｍ）の比ｄ／ｐが
０.２〜０.８である請求項１〜５のいずれかに記載の液
晶表示装置。
【請求項７】前記ネマチック液晶層のスプレイ変形の
弾性定数Ｋ１とツイスト変形の弾性定数Ｋ２の比Ｋ１／
Ｋ２が１〜２である請求項１〜６のいずれかに記載の液
晶表示装置。
【請求項８】前記ネマチック液晶層の上下基板間での
ねじれ角が９０〜３６０度で、かつ、該液晶の屈折率異
方性Δｎが０.０２〜０.２であり、該液晶層の厚さｄ
（μｍ）と上記屈折率異方性Δｎの積Δｎ・ｄが０.２
〜１.５μｍである請求項１〜７のいずれかに記載の液
晶表示装置。
【請求項９】前記ネマチック液晶層のねじれ角が９０
度の整数倍である請求項８に記載の液晶表示装置。
【請求項１０】電極を有し対向配置された少なくとも
一方が透明な一対の基板、該基板間に挾持され厚さ方向
を軸とするら旋構造を有するネマチック液晶層、該ネマ
チック液晶層を挾んで設けられた一対の偏光板、該電極
間に電界を印加して前記液晶層の透過光量を変化させる
制御手段を備えた液晶表示装置であって、電界無印加状
態で前記ネマチック液晶層のねじれ角が上下基板間で１
７０〜２１０度、前記液晶層の厚さｄ（μｍ）と該液晶
層のら旋のピッチｐ（μｍ）の比ｄ／ｐが０.２〜０.４
であり、かつ、前記液晶層の基板界面部の液晶分子の基
板面に対する傾斜角が１０度以上であることを特徴とす
る液晶表示装置。
【請求項１１】電極を有し対向配置された少なくとも
一方が透明な一対の基板、該基板間に挾持され厚さ方向
を軸とするら旋構造を有するネマチック液晶層、該ネマ
チック液晶層を挾んで設けられた一対の偏光板、該電極
間に電界を印加して前記液晶層の透過光量を変化させる
制御手段を備えた液晶表示装置であって、電界無印加状
態で前記ネマチック液晶層のねじれ角が上下基板間で２
６０〜２７０度、前記液晶層の厚さｄ（μｍ）と該液晶
層のら旋のピッチｐ（μｍ）の比ｄ／ｐが０.２〜０.
７、前記液晶層の基板界面部の液晶分子の基板面に対す
る傾斜角が１０〜１５度、かつ、前記液晶層のスプレイ
変形の弾性定数Ｋ１とツイスト変形の弾性定数Ｋ２の比
Ｋ１／Ｋ２が１〜２であることを特徴とする液晶表示装
置。
【請求項１２】前記ネマチック液晶層を挾持する基板
間に電界が印加された状態で、該液晶層の前記界面部の
残留位相差と等しいか、または、近接する位相差を有す
る複屈折媒体を、前記偏光板の少なくとも一方と液晶層
との間に配置し、かつ、その複屈折媒体の遅相軸が前記
ネマチック液晶層の残留位相差を補償し得る角度に設定
した請求項１〜１１のいずれかに記載の液晶表示装置。
【請求項１３】前記複屈折媒体の位相差が０.０３〜
０.２５μｍである請求項請求項１〜１１のいずれかに
記載の液晶表示装置。
【請求項１４】前記基板の液晶と接する面に７０〜９
０度の角度でＳｉＯ₂の斜め蒸着された配向膜が形成さ
れている請求項請求項１〜１１のいずれかに記載の液晶
表示装置。