JPH07239483A

JPH07239483A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH07239483A
Application number: JP3065994A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Ikeno; 英徳池野
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1994-02-28
Publication date: 1995-09-12

Abstract

(57)【要約】【構成】本発明は、第１基板と、第１電極と、液晶に初
期配向角を与える第１配向膜と、ネマティック液晶に２
色性色素と微量の光学活性物質を混合することにより光
吸収状態と透明状態とを外部電場により制御可能な液晶
層と、前記第１配向膜と対向する第２配向膜と、前記第
１電極と対向する第２電極と、前記第１基板に対向する
第２基板とを光の入射側からこの順に設けたことを特徴
とする液晶表示素子であり、前記液晶表示素子におい
て、第１配向膜および第２配向膜のプレティルト角が両
者とも２０〜４０度の傾斜配向処理を有することを特徴
とする。【効果】本発明によれば、従来よりも光透過率が高くか
つ高コントラストなゲストホスト液晶表示素子を提供す
ることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、相転移型デストホスト
モードを利用した液晶表示素子に関し、具体的には液晶
に対して微量の２色性色素と光学活性物質を混合するこ
とで起きるネマティック・コレステリック相転移現象と
ゲストホスト効果を用いた液晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】相転移型ゲストホスト液晶は、１９７４
年にホワイト氏とテーラー氏によってジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス（ＤｏｎａｌｄＬ．Ｗ
ｈｉｔｅａｎｄＧａｒｙＮ．Ｔａｙｌｏｒ：”
Ｎｅｗａｂｓｏｒｐｔｉｖｅｍｏｄｅｒｅｆｌｅｃ
ｔｉｖｅｌｉｑｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌｄｉｓｐｌａ
ｙｄｅｖｉｃｅ”，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌ
ｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ１１（１
９７４））に発表されたネマティック−コレステリック
相転移現象とゲストホスト効果を組み合わせて用いるこ
とで、偏光板を使用せずに明るく、高コントラストの表
示が可能となる液晶の動作方式である。この相転移型ゲ
ストホスト液晶素子の基本構造を図５に示す。

【０００３】図５を参照してこの相転移型ゲストホスト
液晶素子の基本構造を説明する。第１基板１と第２基板
６はガラス基板などの絶縁基板であり、この上にＩＴＯ
（酸化インジュウム）等の金属酸化膜からなる可視光領
域に対して透明な電極である第１透明電極２および第２
透明電極５が形成され、これらの透明電極２および透明
電極５を覆うようにして液晶１１に初期配向状態（この
場合基板表面において液晶分子が基板に対して垂直）を
与えるための膜（配向膜）をポリイミド塗布、ＳｉＯの
斜方蒸着法などの手段により形成し、それぞれ配向膜３
および配向膜４とする。このようにして作成された第１
基板１と第２基板６を一定の間隙を空けて配向膜３と配
向膜４が対向するように重ねあわせ、その間隙にネマテ
ィック液晶に微量の２色性色素と光学活性物質を添加し
た混合物を液晶１１として注入した構造である。

【０００４】このような構造を有する相転移型ゲストホ
スト液晶素子に対して交流電源７と８を図５に示したよ
うにスイッチ９とスイッチ１０を介して透明電極２と５
に接続すると、スイッチを開いた状態では図５における
ａ部分のように液晶は液晶自身の持つ固有ピッチにより
コレステリックの螺旋配列を取るため、液晶分子は第１
基板１と第２基板６に対して水平に配向し、液晶層に入
射した光の大部分の成分を２色性色素が吸収するため、
液晶１１に添加した２色性色素固有の色を表示する。一
方交流電源８と透明電極２および５をつなぐ配線中にお
かれたスイッチ１０を閉じると交流電源８の電圧はスイ
ッチ１０を介して液晶１１に印加され、液晶分子は電界
方向に再配列しようとするため液晶分子は第１基板１と
第２基板６に対して垂直に配列するようになる。このと
き、液晶分子の再配列に従い液晶１１中に添加されてい
る２色性色素も第１基板１と第２基板６に対して垂直に
配列するようになる。その結果、２色性色素による光の
吸収が無くなるため液晶１１に入射した光は透過するこ
ととなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の相転移型ゲスト
ホスト液晶素子は、初期配向方法として垂直配向が用い
られ、液晶層の厚さ（ｄ）に対する液晶の固有ピッチの
長さ（Ｐ）の比がｄ／Ｐ＞２．５となるように設定され
ているが、このような液晶の固有ピッチ長が短い液晶
（短ピッチ液晶）を使用することによりゲストホスト液
晶素子を作成すると液晶の配列をコレステリック層から
ネマティック層に変化させるために多くのエネルギーが
必要となる。そのため、短ピッチ液晶を用いた液晶素子
においては駆動電圧（Ｖｔｈ）が１０Ｖを超えてしま
い、低電圧駆動・低消費電力という液晶素子の特徴が失
われてしまう。また、電圧を上昇させた場合における光
透過率と電圧を下降させた場合の光透過率の間に差が生
じて（ヒステリシス）しまうため多階調表示を行うこと
ができない、配向がユニフォームでないためにディスク
リネーションの発生が有るため視認性の点で難があるな
どの欠点がある。

【０００６】そこで、この問題を少なくするために液晶
の初期配向方法を水平配向とし、液晶層の厚さ（ｄ）に
対する液晶の固有ピッチ長（Ｐ）の比（ｄ／Ｐ）を下げ
ること（長ピッチ液晶）で駆動電圧を下げるとともに視
認性の向上を試みるという方式が検討されてきた。代表
的には特開昭５７−１７２３２１に示されている方式が
有る。この特開昭５７−１７２３２１において提案され
た方法では、初期配向は水平配向であり、液晶のｄ／Ｐ
を０．５≦ｄ／Ｐ≦１とすることでユニフォーム配向と
するとともに、ディスクリネーションの発生を抑え、視
認性の向上と駆動電圧の低下（Ｖｔｈ＝６Ｖ）を達成し
た。しかし、この特開昭５７−１７２３２１等の長ピッ
チ液晶を用いたゲストホスト液晶素子においては、図６
の斜線部のように基板とちかい部分の領域における液晶
分子は完全に立ちあがらないために、この部分による光
吸収が生じてしまい、短ピッチ液晶を用いたゲストホス
ト型液晶素子と比較した場合に約１０％程光透過率が低
くなってしまう欠点を有している。

【０００７】本発明においては、長ピッチ液晶を用いた
相転移型ゲストホスト液晶素子に関して、プレティルト
角を検討することにより、従来の諸問題を解消し、低電
圧で駆動が可能であり、液晶に電圧を印加した際にヒス
テリシス効果が発生せず、かつ光透過率の低下もおきな
い長ピッチ相転移型ゲストホスト液晶表示素子を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１基板と、
第１透明電極と、液晶に初期配向角を与える第１配向膜
と、ネマティック液晶に２色性色素と微量の光学活性物
質を混合することにより光吸収状態と透明状態とを外部
電場により制御可能な液晶層と、前記第１配向膜と対向
する第２配向膜と、前記第１透明電極と対向する第２電
極と、前記第１基板に対向する第２基板とを光の入射側
からこの順に設けた構造を有する液晶表示素子におい
て、前記第１配向膜および第２配向膜の少なくとも一方
に２０〜４０度のプレティルト角を有する傾斜配向処理
を施し、かつ前記光学活性物質を混合した液晶の固有ピ
ッチ長Ｐと液晶層の厚みｄの比を０．５≦ｄ／Ｐ≦１と
したことを特徴とする液晶表示素子である。また、第２
電極を光反射電極とすることにより反射型液晶表示素子
が得られる。

【０００９】

【作用】本発明における液晶表示素子の動作原理につい
て図１を参照しながら説明を行う。なお、本動作説明に
おいては、液晶表示素子の片方の面から入射した光が、
他方の面から出射する、光透過型の液晶表示素子におけ
る本発明の基本構造および動作を説明するが、本発明の
効果は光が入射した面と反対側の面に光反射板を構成し
た光反射型の液晶表示素子においても損なわれない。

【００１０】図１に本発明による液晶表示素子における
最も簡単な構造図を示す。この図の場合では、第１基板
側から入射した光は第１基板１２、第１透明電極１３、
第１配向膜１４、ゲストホスト液晶１５、第２配向膜１
６、第２透明電極１７、第２基板１８をこの順に透過す
る。このときにゲストホスト液晶１５は、第１基板１２
側で第１配向膜１４によってプレティルト角２０が与え
られる。また、第２基板１８側では、第２配向膜１６に
よってプレティルト角２１が与えられており、ゲストホ
スト液晶１５は微量に添加されている光学活性物質によ
り第１配向膜１４と第２配向膜１６の間において液晶の
ダイレクタの向きが１８０度ねじられる構造をとること
とする。このような構造を取る場合においては、プレテ
ィルト角２０とプレティルト角２１の角度が両方とも低
いと特開昭５７−１７２３２１と同じ構造となり、図６
に示したように基板付近の液晶分子が十分に基板に対し
て垂直とならないためゲストホスト液晶層１５に電界を
印加しても入射した光を十分に透過させることができな
くなってしまうため光透過率の低下が見られる。

【００１１】この界面付近での光吸収を避けるために
は、少なくとも片方の界面において液晶分子にプレティ
ルト角を与えることで、界面付近におけるゲスト分子に
基板に対する角度を持たせ、光吸収を抑える必要があ
る。しかし、このプレティルト角を大きくして例えば垂
直配向させると図４に示したように電圧無印加時におい
てもゲストホスト液晶層１５のバルク部分においても液
晶分子が基板に対して水平にならないため、十分な高吸
収を行うことができなくなり、コントラストの低下を招
いてしまう。

【００１２】従って、光透過率も高く、高いコントラス
トの長ピッチ相転移型ゲストホスト液晶素子を得るため
には、このプレティルト角の最適値を求める必要があ
る。そこで、本発明者は、プレティルト角の最適値を求
めるために検討を行った。その過程において、図１の構
造を有する液晶素子においてプレティルト角２０とプレ
ティルト角２１を同時に増加させると光透過率とコント
ラスト比はプレティルト角が増加するに従い図２に示す
ような特性を示すことがみいだされた。この図２より読
み取れることは（１）電圧印加時の光透過率は、プレテ
ィルト角にほぼ正比例して高くなるが６０度付近を境に
して増加がゆるやかになる、（２）電圧無印加時の光透
過率は、穏やかに上昇するが６０度付近を境にして急速
に増加する、（３）コントラスト比は、電圧印加時と電
圧無印加時における光透過率の上昇の差から２０度から
４０度までの間においてピーク値を有する、である。ま
た、この傾向はプレティルト角２０を可変とし、プレテ
ィルト角２１を５度で固定しても同様の傾向を示すこと
が同様の検討から判明している。

【００１３】以上の結果から発明者は、光透過率とコン
トラスト比を両立させるためには、プレティルト角２０
とプレティルト角２１は両者とも２０〜６０度の傾斜配
向処理を行うこと、望ましくは２０度から４０度の傾斜
配向処理を与えることが有効であることを見出した。な
お、以上の結果はプレティルト角２０とプレティルト角
２１共に同じプレティルト角であるとした場合について
述べているが、この角度は両者が同じ場合のみでなく片
方が上記の条件内であれば良い。すなわち、片方のプレ
ティルト角が上記の範囲内に存在すれば、片方のプレテ
ィルト角は６０度以下の任意の値をとることも可能であ
り、プレティルト角２０とプレティルト角２１の間にお
いてプレティルト角が異なるハイブリッド配向の場合で
も特に問題とはならない。

【００１４】上記において、第１基板１２と第２基板１
８間のギャップ（セルギャップ）における液晶のツイス
ト角は１８０度として説明を行ったが、本発明のような
長ピッチ相転移型ゲストホスト液晶素子においては基板
間における液晶のツイスト角の大きさは光学特性に大き
な影響を及ぼす。すなわち、ゲストホスト液晶のツイス
ト角が小さいとランダム偏光である自然光のすべての成
分を色素が吸収することができず高いコントラスト比を
得ることができない。一方、ツイスト角を大きくすると
液晶素子に電圧を印加した際にディスクリネーションが
発生してしまい入射光を散乱させるため視認性が大きく
損なわれる。この条件から、ランダム偏光である自然光
のすべての成分を吸収するためには液晶のツイスト角が
最小１８０度は無くてはならない。また、液晶素子に電
圧を印加した場合にディスクリネーションが発生しない
ためにはツイスト角が３６０度以下である必要が有る。
特に印加電圧を上昇させたときと下降させたときにおけ
る光透過率の差（ヒステリシス）を無くすには、ツイス
ト角は２７０度以下でなくてはならない。

【００１５】以上の事をまとめると、液晶のツイスト角
はヒステリシスの発生を認める場合においては１８０度
以上で３６０度以下であり、中間調表示のためにヒステ
リシスの発生抑えるためには１８０度以上、２７０度以
下が必要となる。この条件を液晶のセルギャップ（ｄ）
と液晶の固有ピッチ（Ｐ：３６０度ツイストするときに
必要な距離を指す）の比（ｄ／Ｐ）により表現すると、
ヒステリシスの発生を認める場合においては０．５≦ｄ
／Ｐ≦１であるが、望ましくは０．５≦ｄ／Ｐ≦０．７
５が必要となる。

【００１６】さらに、ここまでは液晶表示素子として透
過型の素子について説明を行ってきたが、この効果は第
２基板１８側に光反射板を配置した構造の反射型液晶素
子においても同様である。従って、本発明は透過型のゲ
ストホスト液晶素子に限らず反射型の液晶素子において
も有効である。

【００１７】

【実施例】以下に本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明を行うが、本発明はその要旨を超えない限
り以下の実施例に限定されるものではない。

【００１８】第１の実施例について説明する。本実施例
においては、作用のところで述べた最も基本的な構造に
関して液晶表示素子を作成した結果を述べるものであり
構造は図１に示された構造を用いた。本実施例において
は、第１基板１２と第２基板１８は１．１ｍｍ厚のガラ
ス基板を用い、このガラス基板の上に第１透明電極１３
と第２透明電極１７として酸化インジュウム（ＩＴＯ）
を１００ｎｍスパッタ法により形成した。そしてＩＴＯ
の上に第１配向膜１４と第２配向膜１６として、液晶に
対して３０度のプレティルト角を与えるＳｉＯの斜方蒸
着により形成された液晶配向膜を形成した。その後第１
基板１２と第２基板１８の間隔が７μｍとなるギャップ
を持つようにスペーサーを散布した後、第１配向膜１４
と第２配向膜１６における液晶の容易配向軸の成す角度
が０度（パラレルラビング）となるように重ね合せて液
晶セルを作成する。

【００１９】このようにして作成された液晶セルに、誘
電異方性が正のネマティック液晶であるＺＬＩ４７９２
（メルク社）に、黒の２色性色素であるＳ−３４４（三
井東圧化学）を４ｗｔ％、および光学活性物質としてＣ
Ｍ−３３（チッソ石油化学）を１ｗｔ％混合することで
液晶の固有ピッチ長を調整し、液晶セルに注入した後に
第１基板１２と第２基板１８間で１８０度のツイスト角
を取るように設定を行い前記液晶セルに注入を行い液晶
層１５とした。

【００２０】以上のようにして作成された液晶素子の電
圧透過率特性を測定したところ、しきい電圧は４．５Ｖ
であり駆動できる最大の電圧における光透過率は７５％
とプレティルト角２０とプレティルト角２１の両方とも
ポリイミド配向膜を用いることで１度した場合と比較し
て５％程度の光透過率の増加が認められ、またコントラ
スト比の増加も認められ、本発明の有効性が実験的に証
明された。

【００２１】なお、本実施例においては高プレティルト
を得るためにＳｉＯの斜方蒸着を用いたが、これは液晶
に対して高プレティルトを与えることが可能であれば何
でもよく、例えばＰＶＡと一塩基性のクロム錯体の混合
物や垂直配向性のポリイミドと水平配向性のポリイミド
を混合した膜を用いても本実施例の効果になんら変化が
無いことは言うまでもない。また、本実施例においては
液晶のツイスト角を両基板間において１８０度と規定し
たが、このツイスト角は特に１８０度に規定されるもの
ではなく９０度（ｄ／Ｐ＝０．２５）から３６０度（ｄ
／Ｐ＝１．０）、望ましくは１８０度（ｄ／Ｐ＝０．
５）から２７０度（ｄ／Ｐ＝０．７５）であればよい。

【００２２】次に第２の実施例について述べる。本実施
例においては、図１で示した構造を有する液晶表示素子
のなかでプレティルト角２０とプレティルト角２１のど
ちらか片方のプレティルト角を基板に対してほぼ水平と
することにより、第１基板１２側と第２基板１８側にお
けるプレティルト角に差を設けハイブリッド配向とした
場合である。

【００２３】本実施例においては、プレティルト角２０
側に第１の実施例と同じＳｉＯの斜方蒸着を用いること
で３０度のプレティルト角を実現し、プレティルト角２
１側には低プレティルト角を示すポリイミド配向膜（Ａ
Ｌ−１０５１）を用いたことで約１度の低プレティルト
角を実現しハイブリッド配向を得た。この実施例におい
ても、光透過率は約３％程度の向上が認められ、また同
時にコントラスト比も両面低プレティルト角の場合より
も向上していることが認められる。従って、本実施例の
結果から本発明の有効性は第１の実施例に示したような
両面対称な配向の場合のみに有効ではなく本実施例のよ
うに片面のみが高プレティルトである場合においても有
効であることが見出される。

【００２４】なお、本実施例においては低プレティルト
側にもポリイミド薄膜を塗布することにより配向処理を
行ったが、配向膜が無い場合においても液晶は基板に対
して水平に配向する。従ってプレティルト２１側（低プ
レティルト側）においては配向膜がなくとも同様の効果
を示すことは言うまでもない。

【００２５】次に第３の実施例について説明する。第１
の実施例と第２の実施例においては、透過型のゲストホ
スト液晶素子について述べたが、本実施例においては図
３に示したような液晶素子内部に反射板を有する構造の
液晶素子にたいして本発明を適用した場合における効果
について述べる。

【００２６】図３は本実施例においてもちいた液晶表示
素子の断面図である。この構造の場合において、第１基
板２２から入射した光は、第１基板２２、透明電極２
３、第１配向膜２４、液晶層２５、第２配向膜２６を透
過し反射板兼電極２７において反射され、反射された光
は入射した場合と逆順で液晶表示素子外部に再出射す
る。このとき、第１配向膜２４と第２配向膜２６は、第
１の実施例において用いたＳｉＯの斜方蒸着により形成
されており、プレティルト角２９とプレティルト角３０
はそれぞれ基板に対して３０度の角度を持つようにされ
ているとし、液晶の構成およびツイスト角は第１の実施
例において用いた値を適用した。また、直視型反射液晶
素子の場合反射板は何等かの手段において細かい凹凸を
つけ反射光をある程度散乱させる必要がある。本実施例
においては、この反射板の凹凸を形成するために、第２
基板２８として＃１０００板研磨を行ったガラス基板を
弗酸処理することにより適度な凹凸を作成し、この上に
アルミを蒸着することで反射板兼電極２７を得た。

【００２７】本実施例においても、反射光強度はプレテ
ィルト角２９およびプレティルト角３０を１度に設定し
た場合に比べて反射光強度が７％程増加し、またコント
ラスト比の増加も認められ本発明の有効性が示された。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、相転移型ゲストホスト
液晶素子に関して、低電圧で駆動が可能であり、液晶に
電圧を印加した際にヒステリシス効果が発生せず、かつ
光透過率の低下もおきない相転移型ゲストホスト液晶表
示素子を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の相転移型ゲストホスト
液晶素子の基本構造を示す断面図である。

【図２】両面のプレティルト角と光透過率およびコント
ラスト比を示す図である。

【図３】本発明の第３の実施例を示す断面図である。

【図４】片面垂直配向処理を行った場合における液晶分
子のダイレクタ分布を示す図である。

【図５】相転移型ゲストホスト液晶素子の基本構造と動
作原理を示す図である。

【図６】両面水平配向させたゲストホスト液晶素子のダ
イレクタ分布に関する図である。

【符号の説明】

１，１２，２２第１基板２，５，２３透明電極３，４配向膜６，１８第２基板７，８交流電源９，１０スイッチ１１，２５液晶１３第１透明電極１４，２４第１配向膜１５ゲストホスト液晶１６，２６第２配向膜１７第２透明電極２０，２１プレティルト角２７反射板兼電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１基板と、第１透明電極と、液晶に初
期配向角を与える第１配向膜と、ネマティック液晶に２
色性色素と微量の光学活性物質を混合することにより光
吸収状態と透明状態とを外部電場により制御可能な液晶
層と、前記第１配向膜と対向する第２配向膜と、前記第
１透明電極と対向する第２透明電極と、前記第１基板に
対向する第２基板とを光の入射側からこの順に設けた構
造を有する液晶表示素子において、前記第１配向膜およ
び第２配向膜の少なくとも一方に２０〜４０度のプレテ
ィルト角を有する傾斜配向処理を施し、かつ前記光学活
性物質を混合した液晶の固有ピッチ長Ｐと液晶層の厚み
ｄの比を０．５≦ｄ／Ｐ≦１としたことを特徴とする液
晶表示素子。
【請求項２】第１基板と、第１透明電極と、液晶に初
期配向角を与える第１配向膜と、ネマティック液晶に２
色性色素と微量の光学活性物質を混合することにより光
吸収状態と透明状態とを外部電場により制御可能な液晶
層と、前記第１配向膜と対向する第２配向膜と、前記第
１透明電極と対向する反射板兼電極と、前記第１基板に
対向する第２基板とを有する液晶表示素子であって、前
記第１配向膜および第２配向膜の少くとも一方に２０〜
４０度のプレティルト角を有する傾斜配向処理を施し、
かつ前記光学活性物質を混合とした液晶固有ピッチ長Ｐ
と液晶層の厚みｄの比を０．５≦ｄ／Ｐ≦１としたこと
を特徴とする液晶表示素子。