JPH07333657A

JPH07333657A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH07333657A
Application number: JP12871294A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Mochizuki; 昭宏望月; Masashi Watanabe; 真史渡邉; Tetsuya Makino; 哲也牧野; Hironori Shirato; 博紀白戸; Shigeo Kasahara; 滋雄笠原; Toshiaki Narisawa; 俊明成澤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】ペーパーホワイトの表示背景を有し、低消費
電力、広視野角、高輝度、かつ大容量表示可能な液晶表
示素子を提供する。【構成】所定の間隔で平行配置され、少なくとも一方
の透明基板と他方の基板から構成される一対の平行基板
と、前記一対の平行基板の間に充填されたスメクティッ
ク相の層構造が周期的に捩じれたツイストグレインバウ
ンダリ構造を有する液晶部材とを含む。前記液晶部材
は、動作温度において、ツイストグレインバウンダリ相
を有する液晶部材でもよい。

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関する。
液晶表示素子（以下、ＬＣＤという）は、薄型、軽量、
低電圧駆動、低消費電力等の優れた特徴を持つため、情
報表示装置、特に携帯型情報表示装置として広く用いら
れている。

【０００２】

【従来の技術】近年の技術改良によって、ＬＣＤは表示
容量の大容量化、高精細化が進みパソコン、ワープロ等
の表示装置として広く用いられるようになった。ＬＣＤ
の適用分野の拡大につれて、より高精細化、高コントラ
スト化、広視野角化、表示背景のペーパーホワイト化、
高輝度化、低価格化等が求められるようになった。

【０００３】また、携帯型情報表示装置への適用が進む
なかで、ＬＣＤには、ますます低消費電力化が要求され
ている。携帯型情報表示装置では、電池駆動が前提とな
るため、消費電力が大きいバックライトを必要とする透
過型ＬＣＤの採用は困難である。このため、携帯型情報
表示装置には、バックライトを必要としない反射型ＬＣ
Ｄを用いることが好ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】反射型ＬＣＤとして、
液晶の複屈折効果を利用したものが実用化されている。
しかし、複屈折効果を利用したＬＣＤでは、偏光フィル
ムを用いる必要があるため、ペーパーホワイトの背景を
得ることは不可能である。さらに、偏光フィルムのため
に視野角にも制限が加えられる。また、偏光フィルムが
入射光の５０％以上を吸収してしまうため、高輝度表示
は望めない。

【０００５】本発明の目的は、ペーパーホワイトの表示
背景を有し、低消費電力、広視野角、高輝度、かつ大容
量表示可能な液晶表示素子を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、所定の間隔で平行配置され、少なくとも一方の透明
基板と他方の基板から構成される一対の平行基板と、前
記一対の平行基板の間に充填されたスメクティック相の
層構造が周期的に捩じれたツイストグレインバウンダリ
構造を有する液晶部材とを含む。

【０００７】前記液晶部材は、動作温度において、ツイ
ストグレインバウンダリ相を有する液晶部材でもよい。

【０００８】

【作用】ツイストグレインバウンダリ構造を有する液晶
は、液晶分子が基板面に対して平行に配列していると
き、可視光の波長程度の長さ毎に屈折率が連続的に変化
するため、可視光を散乱する。また、液晶分子が基板面
に対して垂直に配列しているときは、屈折率の変化が小
さいため可視光は散乱されず透過する。この２つの状態
を電気的に制御することにより、ツイストグレインバウ
ンダリ構造を有する液晶をＬＣＤに適用することができ
る。

【０００９】ツイストグレインバウンダリ構造を有する
液晶を使用したＬＣＤは散乱型であるため、偏光フィル
ムを必要としない。このため、広い視野角、ペーパホワ
イトの背景表示を実現することが可能になる。

【００１０】ツイストグレインバウンダリ構造を有する
液晶は潜在的に自発分極を有するため、電界との結合が
強い。このため、電気光学応答時間が短いという特徴を
有する。応答時間が短いため、単純マトリクス構造のＬ
ＣＤに適用した場合の１ラインあたりの走査時間を短縮
することができる。これにより、大容量表示が可能とな
る。また、単純マトリクス構造は、アクティブマトリク
ス構造に比べて開口率を大きくできるため、高輝度の画
面を得ることが可能となる。

【００１１】

【実施例】ＬＣＤの消費電力を抑えるためには、バック
ライトを必要としない反射型ＬＣＤとする必要がある。
また、ペーパーホワイトの背景表示、広視野角、高輝度
表示を可能とするためには、偏光フィルムを使用しない
散乱型の表示とする必要がある。

【００１２】これらの条件を満足する表示方式として
は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を使用したアクティブ
マトリクスによる散乱型表示が考えられる。しかし、ア
クティブマトリクスの場合は、ＴＦＴ形成のための領域
が必要となるため、開口率が低くなり、反射型ＬＣＤで
高輝度表示することが困難になる。また、ＴＦＴを形成
するため、現状の製造技術では歩留りが低く、製造コス
トが高くなるという問題もある。

【００１３】そこで、高い開口率を確保するために単純
マトリクス構成とし、偏光フィルムを使用する必要のな
い光散乱型表示とすることを前提として大容量表示が可
能な表示方式について検討した。単純マトリクス構成で
光散乱表示することができる可能性のある表示方式とし
て、動的散乱表示（ＤＳＭ）、ポリマ分散型表示（ＰＤ
ＬＣ）、相転移型表示（ＮＣＰＴ）、ツイストグレイン
バウンダリ（ＴＧＢ）相液晶を利用した表示が考えられ
る。

【００１４】動的散乱表示は、単純マトリクスパネルで
の多重駆動特性が悪く、１０００ラインの走査線数を駆
動することは不可能である。ポリマ分散型表示は、多重
駆動特性がさらに悪く現状では１０ライン程度しか駆動
できない。

【００１５】相転移型表示は、走査線毎に書き込みを行
い、走査が終わるまで液晶の記憶効果で表示状態を持続
させる方法であるため、原理的に走査線数に制限はな
い。しかし、相転移型液晶は累積応答をせず、単発の電
圧パルス波に応答するため、１本の走査線を選択してか
ら液晶が応答するまで次の走査線の処理に移れない。す
なわち、１本の走査線の書き込み時間を液晶の応答時間
以上にする必要がある。このため、１画面を走査する時
間は、走査線の本数に比例して長くなる。

【００１６】通常の相転移型液晶では、一走査線の書き
込み時間に約２ｍｓを必要とするため、走査線数が１０
００本になると一画面の走査時間は約２秒となる。この
ため、リアルタイム対応で１０００ライン程度の大容量
表示を行うことは現実的ではない。

【００１７】単純マトリクス構成で光散乱表示できる可
能性がある表示方式として、ＴＧＢ相液晶を利用した方
式のみが残る。ＴＧＢ相液晶をＬＣＤに応用した例は未
だ報告されていない。以下に、ＴＧＢ相液晶の散乱型Ｌ
ＣＤへの応用の可能性の有無について検討する。

【００１８】まず、ＴＧＢ相液晶について簡単に説明す
る。ＴＧＢ相液晶は、液晶の相分類としてはスメクティ
ックＡ相に属するものであるが、通常のスメクティック
Ａ相とは異なり、液晶層がコレステリック相に類似した
連続的な捩じれを持つ点に特徴がある。

【００１９】図１（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれＴＧＢ相
液晶及び通常のスメクティックＡ相液晶の概念図を示
す。図１（Ｂ）に示すように、通常のスメクティックＡ
相液晶では、棒状の液晶分子１が層をなしている。層の
面内では分子の位置に規則性はないが、層面に垂直な方
向では規則性を持っている。また、液晶分子の軸方向
は、巨視的に眺めて層面に対して垂直である。

【００２０】これに対し、ＴＧＢ相液晶では、図１
（Ａ）に示すように液晶層に平行なある方向（図１
（Ａ）では図の左右方向）にらせん回位間距離Ｌ_b毎に
グレインバウンダリ２が存在する。グレインバウンダリ
２を境に液晶分子の長軸の配位方向は互いに少し一定方
向にずれている。図１（Ａ）では、角度２παだけずれ
ている場合を示している。このように、図の左右方向を
らせん軸としてコレステリック相に類似したらせん構造
を形成している。

【００２１】このような構造を有するＴＧＢ相液晶を散
乱型ＬＣＤに適用するためには、バルク状態での液晶の
配向方向に光を散乱する機構がなければならない。ＴＧ
Ｂ相液晶のらせん構造のピッチ（図１（Ａ）の場合はＬ
_b／α）は液晶の分子構造に依存するが、通常の液晶分
子の場合、このピッチは１μｍ〜２μｍ程度である。こ
れは、可視光の波長とほぼ同程度以上である。このた
め、らせん構造のＴＧＢ相液晶内では、可視光の波長と
ほぼ同程度の周期で屈折率が変化する。このため、ＴＧ
Ｂ相液晶に入射した光は散乱を生ずる。

【００２２】次に、ＴＧＢ相液晶をＬＣＤに適用する場
合の初期分子配向について説明する。一般的には、基板
界面近傍の液晶分子がＬＣＤの両基板面に対し平行に配
列している水平配向、基板界面近傍の液晶分子が基板面
に対し垂直に配列している垂直配向、及び液晶分子が一
方の基板面に対し垂直、他方の基板面に対し同一方向で
平行に配列しているハイブリッド配向が用いられる。

【００２３】ＴＧＢ相液晶をＬＣＤに適用したときの液
晶分子の配列は、基板面間の距離（以下、セルギャップ
という）が、ＴＧＢ相液晶のラセンピッチとほぼ同等
か、やや大きいか、またはより大きいかによって異な
る。また、液晶に電界を加えたときの電気光学応答は、
誘電率異方性が正か負かによって異なる。

【００２４】初期分子配向、セルギャップ、誘電率異方
性の各組み合わせについて期待される電気光学応答につ
いて検討した。以下に、検討結果について図２〜図４を
参照して説明する。

【００２５】図２は、セルギャップがらせんピッチとほ
ぼ同等の場合の初期分子配向及び光の透過率の変化を示
す。なお、セルギャップがらせんピッチの２倍程度以下
であれば同様の特性を示すと考えられる。図２（Ａ）、
（Ｃ）、（Ｅ）、（Ｇ）は、初期分子配向状態における
ＬＣＤの概略断面図、図２（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）、
（Ｈ）は、印加電圧に対する光の透過率の変化を示す。
図２（Ａ）〜（Ｄ）は、初期分子配向が垂直配向、図２
（Ｅ）〜（Ｈ）は、水平配向の場合を示す。また、図２
（Ａ）、（Ｂ）、（Ｅ）、（Ｆ）は、誘電率異方性Δε
が正、図２（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｇ）、（Ｈ）は、誘電率
異方性Δεが負の場合を示す。

【００２６】図２（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）、（Ｇ）に示
すように、らせんピッチに比べて基板１０ａ、１０ｂ間
のギャップが小さいときは、垂直配向、水平配向のいず
れの場合でも液晶分子層が基板１０ａ、１０ｂに対して
垂直になるように、すなわち、各液晶分子１１ｂが基板
面に平行になるように配列する。これは、基板界面の配
向規制力によって、液晶が自然な状態で示すＴＧＢ状態
が変化を受けると考えられるためである。

【００２７】図中点線１２は、仮想的な液晶層の境界面
を表す。なお、基板１０ａ、１０ｂの極近傍では、各液
晶分子は配向処理の影響を強く受けるため、垂直配向処
理を施した図２（Ａ）、（Ｃ）の場合には、基板の極近
傍では液晶分子１１ａは基板面に対して垂直に配列す
る。また、平行配向処理を施した図２（Ｅ）、（Ｇ）の
場合には、液晶分子１１ａは基板面に対して水平に配列
する。

【００２８】このように、セルギャップがらせんピッチ
とほぼ同程度の場合には、各液晶分子は基板面に対して
水平に配列し、かつ自由エネルギを最小にするように基
板面に平行な方向に可視光の波長程度の大きさのドメイ
ンが生ずる。このドメインの境界（ドメインバウンダ
リ）で屈折率が不連続に変化するため、入射光が散乱さ
れる。このため、電圧を印加しない状態では、図２
（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）、（Ｈ）に示すように光の透過
率は低くなる。

【００２９】液晶の誘電率異方性が正である場合には、
基板１０ａ、１０ｂ間に電圧を印加すると各液晶分子は
基板面に垂直になる方向のトルクを受ける。各液晶分子
が基板面に垂直に配列すると、ドメインバウンダリでの
屈折率の不連続の大きさが小さくなるため、光の散乱効
果が減少する。このため、図２（Ｂ）、（Ｆ）に示すよ
うに電圧が所定の値を超えると光の透過率が増加する。

【００３０】図２（Ａ）、（Ｅ）に示すような構造で
は、液晶分子の動きは液晶分子層内で発生するため、分
子配向変化のトルクを阻害する要因が少ない。このた
め、サブミリ秒程度の速い応答が期待できる。

【００３１】なお、垂直配向処理を施した場合には水平
配向処理を施した場合に比べて、液晶分子は、より基板
面に垂直に配列しやすい。このため、電圧変化に対する
光の透過率の変化は、図２（Ｂ）に示す垂直配向の場合
の方が図２（Ｆ）に示す水平配向の場合よりも立ち上が
りが急峻になると考えられる。

【００３２】誘電率異方性が負である場合には、垂直配
向、水平配向のいずれの場合も分子配向変化のトルクが
ほとんど働かない。このため、図２（Ｄ）、（Ｈ）に示
すように電圧を印加しても光の透過率はほとんど変化せ
ず、実用的なＬＣＤの実現は困難であると思われる。

【００３３】図３は、セルギャップがらせんピッチに比
べてやや大きい場合の初期分子配向及び光の透過率の変
化を示す。なお、セルギャップがらせんピッチの２〜５
倍程度の範囲であれば同様の特性を示すと考えられる。
図２の場合と同様に、図３（Ａ）〜（Ｄ）は、初期分子
配向が垂直配向、図３（Ｅ）〜（Ｈ）は、水平配向の場
合を示す。また、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｅ）、（Ｆ）
は、誘電率異方性Δεが正、図３（Ｃ）、（Ｄ）、
（Ｇ）、（Ｈ）は、誘電率異方性Δεが負の場合を示
す。図中の符号は、図２の対応する構成部分と同様の符
号を付している。

【００３４】図３（Ａ）、（Ｃ）に示すように、垂直配
向の場合には、各液晶分子は基板面の影響を受けて基板
面に対して垂直に配列する。すなわち、液晶分子層は基
板面に対して平行となる。従って、誘電率異方性が正の
場合には分子配向変化のトルクはほとんど働かず、図３
（Ｂ）に示すように有効な電気光学応答は得られない。

【００３５】誘電率異方性が負の場合には、電圧を印加
すると分子配向変化のトルクが働くため、図３（Ｄ）に
示すように電気光学応答が得られる。液晶分子層が基板
に平行である場合には、ドメインバウンダリでの屈折率
の不連続変化が極めて小さいため、透過率は高い。

【００３６】電圧を印加すると、個々の液晶分子が基板
に平行になるようなトルクを受けてドメインバウンダリ
が歪められる。このため、屈折率の不連続変化が大きく
なり散乱状態となる。このとき、液晶分子の配向変化が
液晶分子層内で起こるため、一般にサブミリ秒程度の応
答速度が期待できる。

【００３７】図３（Ｅ）、（Ｇ）に示すように、水平配
向の場合には、各液晶分子は基板面の影響を受けて基板
面に対して水平に配列する。この場合には、誘電率異方
性が正の場合のみ電気光学応答が得られる。

【００３８】図３に示すＬＣＤ構造の場合は、セルギャ
ップがらせんピッチよりもやや大きいため、図２に示す
場合に比べて光路長が長くなる。光路長が長くなった分
だけ散乱強度が強くなるため、コントラストが増加す
る。反面、セルギャップが小さい場合と同じ強度の電界
を発生するためには、高い電圧を印加する必要がある。

【００３９】また、水平配向の場合、全ての液晶分子が
一方向に向く必要はないため、スーパーツイストネマテ
ィック（ＳＴＮ）方式の場合に必要となるラビング等の
一軸性配向処理は必要ない。

【００４０】図４は、セルギャップがらせんピッチに比
べてより大きい場合の初期分子配向及び光の透過率の変
化を示す。なお、セルギャップがらせんピッチよりも５
倍以上大きい場合に同様の特性を示すと考えられる。図
２の場合と同様に、図４（Ａ）〜（Ｄ）は、初期分子配
向が垂直配向、図４（Ｅ）〜（Ｈ）は、水平配向の場合
を示す。また、図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｅ）、（Ｆ）
は、誘電率異方性Δεが正、図４（Ｃ）、（Ｄ）、
（Ｇ）、（Ｈ）は、誘電率異方性Δεが負の場合を示
す。図中の符号は、図２の対応する構成部分と同様の符
号を付している。

【００４１】図４（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）、（Ｇ）に示
すように、垂直配向、水平配向にかかわらず、基板１０
ａ、１０ｂ間の内部では基板面の配向処理の影響を受け
にくくなるため、ＴＧＢ相液晶の分子層構造はランダム
になる。なお、各図とも、液晶分子１１ｂ一層のみから
なるドメインがランダムに配列しているように記載して
いるが、実際には各ドメインは数百層の液晶層からな
り、その大きさは可視光の波長と同程度である。

【００４２】どの場合も、初期配向時にはドメインバウ
ンダリでの屈折率の不連続の大きさが極めて大きくなる
ため、図４（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）、（Ｈ）に示すよう
に強い散乱を示す。印加電圧の上昇に伴い液晶分子が一
方向に揃い、ドメインバウンダリが歪められ、屈折率の
不連続の大きさが小さくなるため、透過光強度は増加す
る。この現象は、誘電率異方性の正負にかかわりなく発
生する。ただし、電圧を印加したときの透過率は、誘電
率異方性が正の場合の方が大きい。これは、液晶分子が
基板面に対して垂直に配列した場合の方が水平に配列し
た場合よりもドメインバウンダリでの屈折率の不連続の
大きさがより小さくなるなるためである。

【００４３】図４に示すＬＣＤ構造の場合には、液晶が
バルク状態に近い状態で存在する。バルク状態では、液
晶が自然な形であるドメインバウンダリ構造をとるた
め、外部電界によって液晶の分子配向を変化させようと
した時、各ドメイン間のあつれきが発生する。このあつ
れきが抵抗として機能するため、図２、図３に比べて応
答速度は低下する。

【００４４】なお、図４では、基板面の配向処理が共に
垂直配向あるいは共に水平配向の場合を示したが、セル
ギャップがらせんピッチに比べて５倍以上大きい場合に
は、上述のとおり、液晶自体の動作は基板面の配向処理
の影響をほとんど受けない。従って、ガラス基板の一方
を水平配向処理、他方を垂直配向処理としても同様の効
果が期待できる。

【００４５】図２〜図４を参照して説明したとおり、Ｔ
ＧＢ相液晶を使用し、誘電率異方性に対応してセルギャ
ップの大きさ、初期分子配向を適当に選択することによ
り、有効な電気光学応答を得られる可能性があることが
わかる。

【００４６】次に、ＴＧＢ相液晶の電気光学応答の応答
速度について説明する。ＴＧＢ相液晶は、基本的に常誘
電相のスメクティックＡ相であるため、印加電圧に対す
る応答は誘電率異方性に基づく。しかし、ＴＧＢ相液晶
のツイストグレインバウンダリはカイラリティを有する
カイラルスメクティックＣ相と類似の構造であり、常誘
電相のＴＧＢ相においても強誘電相のカイラルスメクテ
ィックＣ相の特徴である自発分極の潜在的効果を有する
ことが報告されている。

【００４７】例えば、Ｊ．Ｓ．Ｐａｔｅｌらは、電界印
加時のみ分極を発生するエレクトロクリニック効果（電
傾効果）を示す液晶において、その層構造がツイストグ
レインバウンダリ構造を示し、ＴＧＢ相であることを報
告している（Liquid Crystals, 13, No.2, pp.313-317,
1993 ）。

【００４８】すなわち、ＴＧＢ相は、本来スメクティッ
クＡ相でありながら潜在的には強誘電相を持つため、外
部印加電界に対する自発分極の応答が可能である。自発
分極と電界との作用は、誘電率異方性と電界との作用に
比べて極めて強いため、一般にサブミリ秒程度の速い応
答が期待できる。

【００４９】また、電傾効果による自発分極と電界との
作用により、液晶分子が配向方向を変えると、図２、図
３の有意な電気光学応答が得られない場合にも透過−散
乱状態を実現できる可能性がある。

【００５０】図２〜図４を通じて、電気光学応答におけ
る立ち上がりの急峻性（以下、γ特性という）は、一般
に垂直配向の場合が良好となる。特に、図２（Ａ）、
（Ｂ）、図４（Ａ）、（Ｂ）の場合に急峻なγ特性が得
られる。これは、電界印加によって発生する分子配向変
化が基板面の垂直配向に助けられるためと考えられる。

【００５１】次に、ＴＧＢ相液晶を使用したＬＣＤの構
成例について説明する。図５は、ＬＣＤの基本的な構成
例を示す。ガラス基板２０ａ、２０ｂの表面にそれぞれ
ストライプ状の透明電極２１ａ、２１ｂが形成され、透
明電極２１ａ、２１ｂを覆うように全面にそれぞれ配向
膜２２ａ、２２ｂが形成されている。このように準備さ
れた２枚のガラス基板２０ａ、２０ｂが、透明電極形成
面が向かい合い、透明電極２１ａと２１ｂが互いに直交
するように所定の間隔で対向配置されている。

【００５２】ガラス基板２０ａと２０ｂとの間隙部に
は、ＴＧＢ相液晶２４が充填され、その周囲は接着層２
５で密封されている。ガラス基板２０ｂの背面には、反
射板２３が取り付けられている。ストライプ状の透明電
極２２ａと２２ｂとの交差点が一つの画素を構成する。
透明電極２２ａ、２２ｂに選択的に電圧を印加すること
により、所望の画素に電界を発生することができる。

【００５３】ＴＧＢ相液晶２４の透過率が高くなってい
る画素では、ガラス基板２０ａ側から入射した光は、Ｔ
ＧＢ相液晶２４を通って反射板２３で反射され、再びＴ
ＧＢ相液晶２４を通って外部に出射する。このため、外
部からは反射板２３の色が見えることになる。一方、Ｔ
ＧＢ相液晶２４の透過率が低くなっている画素では、光
が透過せず散乱されるため、白濁する。

【００５４】図６は、図５の構成例を変形した他の構成
例によるＬＣＤを示す。図５に示すＬＣＤの反射板２３
側の透明電極２１ｂの代わりに形状が同一の反射電極２
１ｃを形成し、反射板２３を不要とした。その他の構成
は図５の構成例と同様である。

【００５５】図５の構成例により、３００ｄｐｉを超え
るような高精細ＬＣＤを構成すると、視差の問題が大き
くなる。すなわち、ガラス基板２０ａ、２０ｂは図では
小さな厚さを有するかのように示しているが、実際には
液晶層よりもはるかに厚い。従って、ガラス基板２０ａ
に斜め方向から光が入射すると、入射光と反射光は異な
る画素を通過し画素ずれを起こす。図６のように、一方
のストライプ状の電極を反射電極とし電極自体で入射光
を反射することにより画素ずれを発生しにくくすること
ができる。

【００５６】図７は、他の構成例によるＬＣＤを示す。
図７のＬＣＤは、図５または図６のＴＧＢ相液晶２４の
中に黒色系染料を混合したものである。図７は、ＴＧＢ
相液晶の誘電率異方性が正、セルギャップがらせんピッ
チとほぼ同程度であり、垂直配向処理を施した図２
（Ａ）の場合を示しているが、その他の場合に適用して
もよい。

【００５７】図７に示すように、基板面近傍では液晶分
子２６ａは基板面に対して垂直に配列しており、液晶内
部では、液晶分子２６ｂは基板面に対して平行に配列し
ている。すなわち、液晶分子層は基板面に対して垂直に
なっている。

【００５８】液晶分子２６ｂの間に染料分子２７がラン
ダムに配置されている。染料分子２７の長軸方向は液晶
分子２６ｂの長軸方向に沿っている。液晶分子２６ｂの
配向方向が変化すると、それに伴って染料分子２７の長
軸方向も変化する。染料分子２７として、長軸方向に光
吸収をもつ二色性染料を用いると、液晶層の透過率が大
きくなった画素がより黒くなるため、白黒のコントラス
トを増加することができる。

【００５９】図５〜図７においては、ＴＧＢ相液晶を反
射型ＬＣＤに適用した場合について説明したが、透過型
ＬＣＤに適用してもよい。図８は、ＴＧＢ相液晶を投写
型ディスプレイに透過型ＬＣＤとして適用した例を示
す。図８のＬＣＤは、ＴＧＢ相液晶の誘電率異方性が
正、セルギャップがらせんピッチとほぼ同程度であり、
水平配向処理を施した図２（Ｅ）の構成のＬＣＤであ
る。このＬＣＤが、投写型ディスプレイ２８に配置され
ている。図２（Ｆ）に示すように電界が印加されている
画素では光が透過し、電界が印加されていない画素では
光が散乱される。

【００６０】ＴＧＢ相液晶を用いた場合には、単純マト
リクス構成とすることができるため、開口率が高く、ま
た偏光フィルムを使用する必要がないため、高い透過率
を得ることができる。このため、投写型ディスプレイに
求められる「明るいスクリーン」を実現することができ
る。

【００６１】なお、ＴＧＢ相液晶を使用したＬＣＤは、
偏光器を用いずに形成できるが、偏光器を用いてもよ
い。図９は、ＴＧＢ相液晶と偏光フィルムを組み合わせ
たＬＣＤの構成例を示す。

【００６２】液晶層を挟んで対向配置されたガラス基板
２０ａ、２０ｂの相互に対向する面には、ラビング等に
より一軸性の配向処理が施されている。液晶分子２６
ａ、２６ｂは全て配向処理が行われた一方向に配向す
る。ガラス基板２０ａ、２０ｂの外表面には、それぞれ
偏光フィルム２９ａ、２９ｂが配置されている。例え
ば、ＴＧＢ相液晶の誘電率異方性は正、セルギャップは
らせんピッチとほぼ同程度であり、図２（Ｅ）の構成と
されている。

【００６３】セル中の液晶は、上下基板の界面近傍では
ラビング方向に並ぶが、セル中央部では、液晶が自然に
有するドメインバウンダリ構造のため、界面から内部に
行くにつれて図１に示すように液晶の長軸方向の平均の
位置がずれた構造となる。最も光のＯＮ／ＯＦＦ比を高
くするためには、上基板のラビング方向と、上基板に貼
布する偏光フィルムの吸収軸を一致させ、下基板のラビ
ング方向は上基板のラビング方向から４５°ずらし、下
基板に貼布する偏光フィルムは、上基板の偏光フィルム
の吸収軸と直交するようにする。

【００６４】図５〜図９では、ＴＧＢ相液晶を単純マト
リクス構造のＬＣＤに適用した場合について説明した
が、ＴＦＴ等の非線型能動素子で駆動することも可能で
ある。図１０は、ＴＦＴを使用したアクティブマトリク
ス構造のＬＣＤの概略部分斜視図を示す。２枚のガラス
基板３０ａと３０ｂが所定の間隔で対向配置されてい
る。ガラス基板３０ａの対向面には図には示さない透明
電極がほぼ全面に形成されている。ガラス基板３０ｂの
対向面には、走査用配線３２が図の横方向に延在してス
トライプ状に形成され、書込用配線３３が走査用配線３
２に直交するようにストライプ状に形成されている。

【００６５】走査用配線３２と書込用配線３３との各交
差点近傍には、それぞれＴＦＴ３４が形成されている。
ＴＦＴ３４のゲート電極は走査用配線３２に、ソース電
極３４は書込用配線３３に接続されている。各ＴＦＴ３
４のドレイン電極には、ガラス基板３０ｂ上にＴＦＴ毎
に形成された画素電極３１が接続されている。このよう
に、一つのＴＦＴ３４と一つの画素電極３１により、一
つの画素が形成されている。ガラス基板３０ａと３０ｂ
との間には、ＴＧＢ相液晶３５が充填されている。

【００６６】走査用配線３２の任意の１本を選択して所
定の電圧を印加することにより、選択された走査用配線
３２に接続されているＴＦＴ３４がオン状態になる。書
込用配線３３に、画像に対応した所定の電圧を印加する
ことにより、選択された走査用配線に対応する画素電極
３１とガラス基板３０ａに形成された透明電極との間に
電界が発生する。このようにして、所望の画素に選択的
に電界を発生することができる。

【００６７】特に、ＴＦＴを使用したアクティブマトリ
クス構造にすれば、エレクトロクリニック現象を利用し
て数マイクロ秒〜サブマイクロ秒程度の超高速応答が期
待できる。また、電圧変化に対する透過率変化の緩慢な
特性を利用してアナログ階調表示をすることも可能にな
る。

【００６８】次に、図２〜図４に示す構成例のうち電気
光学効果が期待できる構成について実際にＬＣＤを作製
し、電気光学応答特性を測定した結果について説明す
る。以下、図２（Ｇ）に示す構成例に関する実施例につ
いて説明する。ＬＣＤの構造は、図５に示すＬＣＤから
反射板２３を除いたものと同様のものである。

【００６９】厚さ０．７ｍｍ、大きさ５０×６０ｍｍ²
のソーダライムガラス基板の一方の表面に１ｍｍピッ
チ、３６ラインのストライプ状にパターニングされた透
明導電膜を形成する。このガラス基板を、弱アルカリ性
洗浄剤で超音波洗浄し、純水でリンス洗浄した後、ポリ
イミド配向膜を厚さ約７０ｎｍ形成しラビングする。

【００７０】このように透明導電膜及び配向膜を形成し
たガラス基板を２枚準備し、一方のガラス基板の配向膜
形成面上に平均粒径２．６μｍのシリカボールをスペー
サとして分散した後、もう一方のガラス基板を配向膜形
成面同士が向き合うように合わせる。ガラス基板周囲を
エポキシ系接着剤で封止し、空パネルを作成する。この
とき、ストライプ状の透明導電膜は２枚の基板で互いに
直交しラビング方向は互いに反平行になるようにする。
この空パネルに、分子構造が、

【００７１】

【化３】

【００７２】のＴＧＢ相液晶を封入する。ここで、ｎは
１０〜１６の整数を表す。このＴＧＢ相液晶のらせんピ
ッチは約２μｍ、誘電率異方性は負である。ＴＧＢ相を
示す液晶は、温度によりＴＧＢ相、スメクティックＡ
相、カイラルスメクティックＣ相を示す。例えば、上記
ＴＧＢ相液晶は約９０℃近傍でＴＧＢ相を示す。

【００７３】図１１は、このように作製したＬＣＤを９
０℃に保ち、ＴＧＢ相とし、１ｋＨｚ矩形波電圧を印加
して測定した電圧に対する透過率特性を示す。横軸は、
基板間の電圧を単位Ｖで表し、縦軸は透過状態の透過率
を１００％としたときの透過率を単位％で表す。

【００７４】誘電率異方性のみを考慮した場合は、図２
（Ｇ）に示すように、ほとんど電気光学応答を示さな
い。しかし、図１１に示す場合には、電傾効果による自
発分極により液晶分子が配向方向を変えるため、透過−
散乱状態が実現される。

【００７５】電圧が１２Ｖ以下では透過率は低く、電圧
を上昇すると約１３Ｖで急激に立ち上がる。このグラフ
からγ特性を算出したところ、約７００本の走査線の走
査が可能であることがわかった。ここで、γ特性は透過
状態の透過率を１００％とし、透過率が１０％、９０％
となるときの電圧をそれぞれＶ₁₀、Ｖ₉₀としたとき、Ｖ
₉₀／（Ｖ₉₀−Ｖ₁₀）で表される。０Ｖから１５Ｖのステ
ップ電圧を印加した時の、透過率の１０％から９０％ま
での立ち上がり時間は約２８０μｓであった。また、使
用したガラス基板を２枚重ねた場合の透過率を１００％
としたときの透明状態の透過率は約７８％であった。電
圧−透過率曲線のヒステリシス現象はなかった。

【００７６】図１２は、図３（Ｃ）に示す構成例に関す
る実施例による透過率特性を示す。図１１の実施例と同
様のガラス基板に、長鎖アルキル基を有するシランカッ
プリング剤で垂直配向処理を施した。スペーサとして
は、平均粒径４．５μｍのシリカボールを使用した。そ
の他の構成は、図１１の実施例と同様である。

【００７７】透過率は、約２０Ｖで急激に立ち上がる。
このグラフからγ特性を算出したところ、約８００本の
走査線の走査が可能であることがわかった。０Ｖから２
５Ｖのステップ電圧を印加した時の、透過率の立ち上が
り時間は約３５０μｓであった。また、使用したガラス
基板を２枚重ねた場合の透過率を１００％としたときの
透明状態の透過率は約８０％であった。電圧−透過率曲
線のヒステリシス現象はなかった。

【００７８】図１３は、図４（Ｃ）に示す構成例に関す
る実施例による透過率特性を示す。図１２の実施例と同
様にガラス基板に垂直配向処理を施した。スペーサとし
ては、平均直径１５μｍのグラスファイバを粉砕したも
のを使用した。その他の構成は、図１１の実施例と同様
である。

【００７９】透過率は、約２７Ｖで急激に立ち上がる。
このグラフからγ特性を算出したところ、約６００本の
走査線の走査が可能であることがわかった。０Ｖから４
０Ｖのステップ電圧を印加した時の、透過率の立ち上が
り時間は約５５０μｓであった。また、使用したガラス
基板を２枚重ねた場合の透過率を１００％としたときの
透明状態の透過率は約７５％であった。電圧−透過率曲
線のヒステリシス現象はなかった。

【００８０】図１１〜図１３の実施例による電気光学応
答特性を従来のＬＣＤと比較するために、ＮＣＰＴ液晶
を使用した場合の電気光学応答特性を測定した。図１４
は、ＮＣＰＴ液晶を使用した場合の透過率特性を示す。
図１２の実施例と同様にガラス基板に垂直配向処理を施
した。スペーサとしては、平均粒径６．５μｍのシリカ
ボールを使用した。液晶材料としては、ロッシュ社のネ
マティック混合液晶Ｎｒ．２８０１を８５ｗｔ％、メル
ク社（ＭｅｒｃｋＬｔｄ．）のカイラルネマティック
液晶ＣＢ−１５を１５ｗｔ％混合した相転移型液晶を使
用した。

【００８１】作製したＬＣＤを２５℃に保ち、その他は
図１１〜図１３と同様の条件で透過率を測定した。図１
４の電圧透過率曲線からγ特性を算出したところ、約１
５０本の走査線の走査が可能であることがわかった。０
Ｖから４０Ｖのステップ電圧を印加した時の、透過率の
立ち上がり時間は約１２．５ｍｓであった。また、使用
したガラス基板を２枚重ねた場合の透過率を１００％と
したときの透明状態の透過率は約７０％であった。

【００８２】図１１〜図１４の測定結果から、ＴＧＢ相
液晶を使用することにより、良好なγ特性が得られ、単
純マトリクス構成でも大容量表示が可能になることがわ
かる。散乱状態から透明状態への応答時間も著しく短縮
されることがわかる。また、透明状態での透過率も従来
のＮＣＰＴ液晶と同等かそれ以上の透過率を得ることが
可能になる。

【００８３】また、液晶材料として、分子構造が、

【００８４】

【化４】

【００８５】の液晶材料を使用してもよい。ここで、Ｘ
は水素原子またはフッ素原子、ｎは１０〜１８の整数を
表す。上記実施例では、ＴＧＢ相液晶を使用した場合に
ついて説明したが、ツイストグレインバウンダリ構造を
示すものであれば、他のスメクティック相液晶を使用し
ても同様の効果が期待できる。

【００８６】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００８７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
散乱型ＬＣＤにおいて、単純マトリクス構成の大容量表
示が可能になる。このため、ペーパーホワイトの表示背
景を有し、広視野角、高輝度の液晶表示素子を提供する
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＴＧＢ相液晶とスメクティックＡ相液晶の概略
斜視図である。

【図２】ＴＧＢ相液晶を使用し、セルギャップがらせん
ピッチよりも小さい場合のＬＣＤの概略断面図と、電圧
に対する透過率の変化を示すグラフである。

【図３】ＴＧＢ相液晶を使用し、セルギャップがらせん
ピッチよりもやや大きい場合のＬＣＤの概略断面図と、
電圧に対する透過率の変化を示すグラフである。

【図４】ＴＧＢ相液晶を使用し、セルギャップがらせん
ピッチよりも大きい場合のＬＣＤの概略断面図と、電圧
に対する透過率の変化を示すグラフである。

【図５】本発明の実施例の基本的構成例によるＬＣＤの
断面図である。

【図６】本発明の実施例の他の構成例によるＬＣＤの断
面図である。

【図７】本発明の実施例の他の構成例によるＬＣＤの断
面図である。

【図８】本発明の実施例のＬＣＤを投写型ディスプレイ
に適用した場合の投写型ディスプレイ装置の断面図であ
る。

【図９】本発明の実施例の偏光フィルムを用いた構成例
によるＬＣＤの断面図である。

【図１０】アクティブマトリクスＬＣＤの概略斜視図で
ある。

【図１１】本発明の実施例による、セルギャップがらせ
んピッチよりも小さい場合のＬＣＤの電圧に対する透過
率の変化を示すグラフである。

【図１２】本発明の実施例による、セルギャップがらせ
んピッチよりもやや大きい場合のＬＣＤの電圧に対する
透過率の変化を示すグラフである。

【図１３】本発明の実施例による、セルギャップがらせ
んピッチよりも大きい場合のＬＣＤの電圧に対する透過
率の変化を示すグラフである。

【図１４】従来のＮＣＰＴ液晶を使用したＬＣＤの電圧
に対する透過率の変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１液晶分子２グレインバウンダリ１０ａ、１０ｂガラス基板１１ａ、１１ｂ液晶分子１２液晶層の境界面２０ａ、２０ｂガラス基板２１ａ、２１ｂ透明電極２１ｃ反射電極２２ａ、２２ｂ配向膜２３反射板２４ＴＧＢ相液晶２５接着層２６ａ、２６ｂ液晶分子２７染料分子２８投写型ディスプレイ２９ａ、２９ｂ偏光フィルム３０ａ、３０ｂガラス基板３１画素電極３２走査用配線３３書込用配線３４ＴＦＴ３５ＴＧＢ相液晶

フロントページの続き (72)発明者白戸博紀神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者笠原滋雄神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者成澤俊明神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の間隔で平行配置され、一方の透明
基板と他方の基板から構成される一対の平行基板と、前記一対の平行基板の間に充填されたスメクティック相
の層構造が周期的に捩じれたツイストグレインバウンダ
リ構造を有する液晶部材とを含む液晶表示素子。
【請求項２】前記液晶部材は、動作温度において、ツ
イストグレインバウンダリ相である請求項１記載の液晶
表示素子。
【請求項３】前記所定の間隔は、前記液晶部材のツイ
ストグレインバウンダリ相のバルク状態でのらせんピッ
チとほぼ等しいかそれ以上、かつ該らせんピッチの２倍
以下である請求項２記載の液晶表示素子。
【請求項４】前記液晶部材の誘電率異方性は正であ
り、前記平行基板の相互に対向する基板面には、液晶分
子が該基板面に対して垂直に配向するように配向処理が
施されている請求項３記載の液晶表示素子。
【請求項５】前記液晶部材の誘電率異方性は正であ
り、前記平行基板の相互に対向する基板面には、液晶分
子が該基板面に対して平行に配向するように配向処理が
施されている請求項３記載の液晶表示素子。
【請求項６】前記所定の間隔は、前記液晶部材のツイ
ストグレインバウンダリ相のバルク状態でのらせんピッ
チの２倍以上５倍未満である請求項２記載の液晶表示素
子。
【請求項７】前記液晶部材の誘電率異方性は正であ
り、前記平行基板の相互に対向する基板面には、液晶分
子が該基板面に対して平行に配向するように配向処理が
施されている請求項６記載の液晶表示素子。
【請求項８】前記液晶部材の誘電率異方性は負であ
り、前記平行基板の相互に対向する基板面には、液晶分
子が該基板面に対して垂直に配向するように配向処理が
施されている請求項６記載の液晶表示素子。
【請求項９】前記所定の間隔は、前記液晶部材のツイ
ストグレインバウンダリ相のバルク状態でのらせんピッ
チの５倍以上である請求項２記載の液晶表示素子。
【請求項１０】前記液晶部材の誘電率異方性は正であ
り、前記平行基板の相互に対向する基板面には、液晶分
子が該基板面に対して垂直に配向するように配向処理が
施されている請求項９記載の液晶表示素子。
【請求項１１】前記液晶部材の誘電率異方性は正であ
り、前記平行基板の相互に対向する基板面には、液晶分
子が該基板面に対して平行に配向するように配向処理が
施されている請求項９記載の液晶表示素子。
【請求項１２】前記液晶部材の誘電率異方性は正であ
り、前記平行基板の相互に対向する基板面の一方には、
液晶分子が該基板面に対して平行に配向するように配向
処理が施されており、他方には液晶分子が該基板面に対
して垂直に配向するように配向処理が施されている請求
項９記載の液晶表示素子。
【請求項１３】前記液晶部材の誘電率異方性は負であ
り、前記平行基板の相互に対向する基板面には、液晶分
子が該基板面に対して垂直に配向するように配向処理が
施されている請求項９記載の液晶表示素子。
【請求項１４】前記液晶部材の誘電率異方性は負であ
り、前記平行基板の相互に対向する基板面には、液晶分
子が該基板面に対して平行に配向するように配向処理が
施されている請求項９記載の液晶表示素子。
【請求項１５】前記液晶部材の誘電率異方性は負であ
り、前記平行基板の相互に対向する基板面の一方には、
液晶分子が該基板面に対して平行に配向するように配向
処理が施されており、他方には液晶分子が該基板面に対
して垂直に配向するように配向処理が施されている請求
項９記載の液晶表示素子。
【請求項１６】前記平行基板のうち前記他方の基板の
前記透明基板に対向する基板面には、可視光を反射する
ストライプ状の電極が形成されている請求項１〜１５の
いずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項１７】前記液晶部材の中に二色性染料分子が
混入されている請求項１〜１６のいずれかに記載の液晶
表示素子。
【請求項１８】前記平行基板のうち前記他方の基板の
前記透明基板に対向する基板面には、多数の薄膜トラン
ジスタが形成されている請求項１〜１５のいずれかに記
載の液晶表示素子。
【請求項１９】前記平行基板のうち前記他方の基板は
透明である請求項１〜１５のいずれかに記載の液晶表示
素子。
【請求項２０】さらに、前記平行基板の外側の基板面
にそれぞれ設けられた可視光を偏光するための偏光部材
を含む請求項１９記載の液晶表示素子。
【請求項２１】前記液晶部材は、動作温度でスメクテ
ィックＡ相、カイラルスメクティックＣ相、及びカイラ
ルスメクティックＡ相からなる群のうちの一つの相を有
する請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項２２】前記液晶部材の分子構造は、ｎを１０
〜１６の整数としたとき、【化１】で表される請求項１〜２１のいずれかに記載の液晶表示
素子。
【請求項２３】前記液晶部材の分子構造は、水素原子
またはフッ素原子をＸで表し、ｎを１０〜１８の整数と
したとき、【化２】で表される請求項１〜２１のいずれかに記載の液晶表示
素子。