JPH09281484A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、反射率、コントラスト比が高く駆
動電圧が低い液晶表示素子を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 本発明の液晶表示素子は、誘電率異方性
が負であるカイラルネマティック液晶１０６と、このカ
イラルネマティック液晶中に分散したポリマーネットワ
ーク１０７とからなる液晶層１０３と、第１の基板１０
１との間に前記液晶層を挟持する第２の基板１０２と、
第１の基板１０１と第２の基板１０２の液晶層１０３を
挟持する面に形成された、液晶層１０３に電圧を印加す
る電圧印加手段とを具備したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液晶表示素子に関わ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、従来のＣＲＴに代わる新しい表示
装置が幅広く用いられており、液晶表示装置もその１つ
である。液晶表示装置は、投影型テレビジョン、小型テ
レビジョンをはじめパーソナルコンピュータ・ワードプ
ロセッサ・ＥＷＳなどのＯＡ用機器の表示装置、電卓・
携帯電話・電子ブック・電子手帳など携帯用情報端末の
表示装置など多方面にわたって用いられている。

【０００３】このような表示装置は例えばバッテリー駆
動する等の必要から消費電力の小さな表示装置が求めら
れており、液晶表示装置は小型化、薄型化、低消費電力
動作が可能であることから広く実用化されている。

【０００４】液晶自体は発光しない非発光型表示素子で
あるから、従来の液晶表示装置は透過型、すなわち液晶
パネルの背面にバックライトと呼ばれる平面型の照明装
置を設けた方式が主流であった。しかしバックライトは
消費電力が比較的大きく、液晶表示装置の本来の長所で
あるはずの低電力動作を阻害する大きな要因となってい
た。

【０００５】近年、反射型液晶表示素子が注目されてい
る。反射型液晶表示装置は液晶パネルの背面に光を反射
するための反射板を設け、周囲光を前面に反射して表示
を行う方法である。この方法ではバックライトが不要な
ため大幅な低消費電力化を図ることができる。

【０００６】反射型液晶表示素子は周囲の光を利用して
おり、また液晶部の光の透過率が数％〜数十％と低いた
め、周囲光の反射率が高くないと十分な表示品質が得ら
れない。

【０００７】反射型液晶表示素子を液晶表示素子自体の
反射率の観点から分類すると、偏光板を２枚用いる表示
モード、１枚用いる表示モード、用いない表示モードの
３種類に分類することができる。

【０００８】偏光板を２枚用いる表示モードとしては例
えば図７に示すＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉ
ｃ）型液晶表示素子がある。このＴＮ型液晶表示素子は
光路的に、偏光板を４回、基板を４回通過する。これら
に対する光の透過率のうち、偏光板に対する透過率の少
なくとも１回分は原理的に５０％以下であり、実際には
４０％程度である（偏光子の機能を果たす偏光板）。さ
らに、他の偏光板や基板においても光の吸収があるの
で、液晶表示素子の反射率としては著しく低い。

【０００９】偏光板を１枚用いる表示モードとしては例
えば図８に示すＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃ
ｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）型
液晶表示素子がある。このＥＣＢ型液晶表示素子では反
射板をセル内面に設けることにより、ＴＮ型液晶表示素
子と比較した場合、光路的に偏光板２回、基板２回分の
光吸収を削減できる。したがって、液晶表示素子の反射
率としては、ＴＮ型液晶表示素子よりも若干高い。

【００１０】これら偏光板を用いる表示モードと比較し
て、偏光板を用いない表示モードとしては、例えば図９
に示すＰＣ−ＧＨ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｇｕｅ
ｓｔＨｏｓｔ）型液晶表示素子、図１０に示すＰＤＬＣ
（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ
Ｃｒｙｓｔａｌ）型液晶表示素子、また図７に示すＰ
ＳＣＴ型液晶表示素子（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｔａｂｉｌ
ｉｚｅｄ Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ Ｔｅｘｔｕｒｅ）
などがある。これらは光吸収の大きい偏光板を用いない
分、偏光板を用いる液晶表示素子よりも反射率は高くな
る。また、偏光板を１枚用いるＥＣＢ型液晶表示素子と
同様に、反射板をセル内面に設けることにより、基板を
２回透過する分の光吸収を削減することができる。した
がって、偏光板を用いる表示モードと比較して反射率は
著しく高くなる。

【００１１】しかしながら図９に示すＰＣ−ＧＨ型液晶
表示素子は暗状態を得るために液晶材料に極めて強いカ
イラリティを与えて強い螺旋構造の分子配列としてい
る。これを明状態にするには、この強い螺旋状態をほど
き、かつ液晶分子を垂直にチルトさせる必要がある。こ
のためには極めて高い電圧を印加する必要があり、消費
電力が大きくなるという問題がある。また表示容量が大
きい場合には応用できないという問題もある。

【００１２】また、カイラリティの与えられた強い螺旋
構造の分子配列状態、極めて高い電圧が印加された強い
螺旋構造がほどかれた状態ともにある程度の安定性があ
る。したがって、電気光学特性（印加電圧に対する反射
率・透過率特性）にヒステリシスを生じ、中間調表示
（階調表示）が困難であるとういう問題がある。

【００１３】さらに、光吸収を得るために２色性染料を
液晶に混合しているが、染料の信頼性が低いため実用に
適さない。

【００１４】また、図１０に示すＰＤＬＣ型液晶表示素
子は、液晶を高分子中に分散させて光散乱を利用する表
示モードである。ＰＣ−ＧＨ型液晶表示素子と比べ中間
調表示が可能であるが、散乱特性の向上と駆動電圧の低
減はトレードオフの関係にあり、十分な後方散乱を得る
ためには高電圧での駆動が必要であるという問題があ
る。

【００１５】また、図１１に示すＰＳＣＴ型液晶表示素
子は、コレステリック液晶の選択反射を使用する表示モ
ードである。正の誘電率異方性を有するカイラルネマテ
ィック液晶中に高分子化合物を混合することでプレーナ
ー構造の安定化やフォーカルコニック構造での散乱能の
向上を実現している。しかしながら、非常に強い螺旋構
造の分子配列をほどかなくてはならないために、非常に
高い駆動電圧が必要となり消費電力が大きくなるという
問題がある。また表示容量が大きい場合には応用できな
いという問題もある。

【００１６】このように従来の反射型液晶表示素子で
は、反射率が低く十分な表示品質が得られないという問
題がある。また、反射率が高くても大容量高精細ディス
プレイには応用できないという問題がある。さらに、反
射率が高くても駆動電圧が必要で、消費電力が大きいと
いう問題がある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題点を解決するためになされたものである。すなわち本
発明は、反射率の高い液晶表示素子を提供することを目
的とする。また、本発明は、反射率、コントラスト比が
高く駆動電圧が低い液晶表示素子を提供することを目的
とする。

【００１８】さらに本発明は大容量高精細な表示を実現
する液晶表示素子を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、誘電率異方性が負であるカイラルネマティック液晶
と、このカイラルネマティック液晶中に分散したポリマ
ーネットワークとからなる液晶層と、第１の基板との間
に前記液晶層を挟持して複数の画素を形成する第２の基
板と、第１の基板と第２の基板の前記液晶層を挟持する
面に形成された、前記液晶層に電圧を印加する電圧印加
手段とを具備したことを特徴とする。

【００２０】また、本発明の液晶表示素子は、誘電率異
方性が負であり、螺旋力が０．６〜０．８であるカイラ
ルネマティック液晶と、このカイラルネマティック液晶
中に分散したポリマーネットワークとからなる液晶層
と、第１の基板との間に前記液晶層を挟持して複数の画
素を形成する第２の基板と、第１の基板と第２の基板の
前記液晶層を挟持する面に形成された、前記液晶層に電
圧を印加する電圧印加手段とを具備したことを特徴とす
る。

【００２１】ここで、螺旋力とはカイラルネマティック
液晶分子の螺旋軸の長さをｄ、螺旋ピッチをｐとしたと
き、ｄ／ｐで表される値である。螺旋軸の長さは、実効
的なセルギャップに対応している。

【００２２】本発明の液晶表示素子の電圧印加手段は第
１の基板または第２の基板に形成された電極と、この電
極に接続した非線形スイッチング素子とを具備するよう
にしてもよい。

【００２３】さらに、第１の基板または第２の基板には
カラーフィルターを形成するようにしてもよい。

【００２４】すなわち、本発明の液晶表示素子は液晶の
配向状態、相状態を制御するための電圧印加手段が形成
された基板間に誘電率異方性が負であるカイラルネマテ
ィック液晶にポリマーネットワークを分散させた液晶組
成物を挟持したものである。そして、カイラルネマティ
ック液晶の相状態により光の透過と散乱を制御して表示
を行う。つまり、電圧無印加時にはホメオトロピック配
列として液晶表示素子への入射光を透過し、電圧印加時
にはフォーカルコニック配列として入射光を散乱するこ
とにより明状態と暗状態とを実現する。

【００２５】すなわち本発明の液晶表示素子において
は、電圧無印加時には（ｄ_off ）／ｐを１より小さくし
ホメオトロピック配列として入射光を透過し、電圧印加
時には（ｄ_on）／ｐを１より大きくしてフォーカルコニ
ック配列として入射光を散乱する。言い換えれば、カイ
ラルネマティック液晶分子の電圧無印加時の螺旋軸の長
さｄ_off を螺旋ピッチｐより小さくすることによりホメ
オトロピック配列とし、電圧印加時の螺旋軸の長さｄ_on
を螺旋ピッチｐより大きすることによりフォーカルコニ
ック配列とするのである。

【００２６】カイラルネマティック液晶の螺旋力を１以
下に設定することにより、電圧無印加時に液晶分子がプ
レーナー配列（グランジュアン組織）とならない。

【００２７】またカイラルネマティック液晶は、螺旋力
が０．６〜０．８であるものを用いることが好適であ
る。螺旋力が０．６より小さいとｄ／ｐを１より大きく
してフォーカルコニック配列にするのに大きな電圧を要
するからである。

【００２８】本発明の液晶表示素子の基板に挟持された
カイラルネマティック液晶中にはポリマーネットワーク
が形成されている。このポリマーネットワークにより形
成される界面に液晶が吸着することにより液晶分子の配
向状態は安定化する。ポリマーネットワークは、例えば
液晶に紫外線硬化性樹脂を混合して基板間（セル）に注
入後、紫外線を照射して析出させて形成するようにして
もよい。

【００２９】また、液晶中にネットワークを形成するポ
リマーの屈折率ｎ_p を、カイラルネマティック液晶の電
圧無印加時の屈折率ｎ_off 、すなわち常光屈折率ｎ_o と
等しくなるように設定すれば、よりよい透過率が得られ
る。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の液晶表示素子につ
いて詳細に説明する。

【００３１】図１は本発明の液晶表示素子のセル構造の
１例を模式的に示す図である。図１はマトリクス型液晶
表示素子のセルの１部を示している。

【００３２】この液晶表示素子１００は、第１の基板１
０１と第２の基板１０２との間に液晶層１０３が挟持さ
れている。

【００３３】第１の基板１０１の液晶層１０３を挟持す
る側の面にはストライプ状の電極１０４ａと、配向膜１
０５ａとが形成されている。また、第２の基板１０２の
液晶層１０３を挟持する側の面にはストライプ状の電極
１０４ｂと、配向膜１０５ｂとが形成されている。配向
膜１０５は液晶分子が垂直配向するように形成した。液
晶層１０３は、誘電率異方性が負であるカイラルネマテ
ィック液晶分子１０６からなる液晶組成物中に、ポリマ
ーネットワーク１０７が形成されたものである。カイラ
ルネマティック液晶１０６の螺旋力は０．７であるもの
を用いた。

【００３４】ポリマーネットワークは、例えばヘチマの
繊維のように、セル内に３次元的に広がるドメインを構
成するように形成した。個々のドメインは隣接するドメ
インと連通していてもよいし、独立していてもよい。ド
メインの典型的な大きさは１画素の大きさよりも小さく
なるように形成した。

【００３５】また、この液晶中にネットワークを形成す
るポリマーの屈折率は、用いたカイラルネマティック液
晶１０６の常光屈折率と等しくなるようにした。

【００３６】電極１０４ａと電極１０４ｂは互いに直交
して画素を形成するように配設されている。

【００３７】また、光透過状態のとき黒表示となるよう
に、第１の基板１０１の背面には黒板１０８が配設され
ている。この黒板によりセルを透過した光は吸収され黒
表示がとなる。

【００３８】次に、この液晶表示素子１００の動作につ
いて説明する。

【００３９】基板１０１、１０２の液晶層１０３を挟持
する面には垂直配向処理がなされているから、液晶分子
は基板に対して垂直に配列する。したがって、液晶層１
０３に電圧を印加しない状態では、セル全体としては液
晶分子１０６はホメオトロピック配列となっている。こ
の状態では、液晶表示素子１００に入射する光は透過す
ることになる（図２）。

【００４０】カイラルネマティック液晶１０６の螺旋力
ｄ／ｐを１以下に設定しておくことで、液晶分子１０６
の配列がプレーナー配列になることを防いでいる。

【００４１】次にこの状態から電圧を印加すると、液晶
分子１０６は電界方向から傾いた状態に変化する（図
３）。この際、実効的なセルギャップｄは、実際の基板
間距離ｄ₀ よりも大きくなる。ｄ／ｐが１より大きくな
った場合には、液晶層にはコレステリック組織が出現し
て液晶分子１０６はフォーカルコニック配列となる。

【００４２】したがって、液晶表示素子１００に入射し
た光はドメイン間の急激な屈折率の差により散乱（白）
される（図４）。

【００４３】本発明の液晶表示素子１００では、液晶の
分子配列は、低い駆動電圧によりホメオトロピック配列
（光透過状態）からフォーカルコニック配列（光散乱状
態）へと遷移する。また、電圧を除去すれば、ポリマー
ネットワークに吸着した液晶分子により急速にホメオト
ロピック配列に戻る。

【００４４】従来のＰＳＴＣ型液晶表示素子ではフォー
カルコニック配列やプレーナー配列の螺旋構造をほどい
てやる必要があるために非常に高い駆動電圧を必要とし
ていた。これに対し本発明の液晶表示素子ではｄ／ｐの
値を適正に設定することで、ホメオトロピック配列とフ
ォーカルコニック配列との状態遷移が液晶分子のわずか
なチルト変化により実現することができる。したがって
低い駆動電圧により光透過状態（暗状態）と光散乱状態
（明状態）とを遷移させることができる。

【００４５】また、本発明の液晶表示素子は低い電圧に
より駆動できるので、大容量のディスプレイに適用する
ことができる。

【００４６】本発明の液晶表示素子では、ポリマーネッ
トワークを液晶中に分散させることによって、液晶の配
向安定性を大きく改善している。また、液晶の応答性が
格段に向上している。

【００４７】ここでは、マトリクス型の液晶表示素子に
ついて説明したが、薄膜トランジスタやＭＩＭ（Ｍｅｔ
ａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）などの非線形
スイッチング素子を用いてアクティブマトリクス型の液
晶表示素子にも全く同様に適用できる。

【００４８】図５は図１に例示した液晶表示素子と同様
の液晶層を有するアクティブマトリクス型液晶表示装置
の１例を概略的に示す図であり、１画素の１部分を示し
ている。

【００４９】また図６はこの液晶表示素子の構成を模式
的に示す図である。図３では液晶層と配向膜は図示して
いない。

【００５０】この液晶表示素子２００は、アレイ基板２
０１と対向基板２０２との間に液晶層２０３が挟持され
ている。

【００５１】液晶層２０３は、図１に例示した液晶表示
素子１００の液晶層１０３同様に、誘電率異方性が負で
あるカイラルネマティック液晶分子２０４からなる液晶
組成物中に、ポリマーネットワーク２０５が形成された
ものである。

【００５２】アレイ基板２０１には例えばＩＴＯからな
る画素電極２０６と、この画素電極２０６に電圧を印加
する薄膜トランジスタ２０７が形成されている。薄膜ト
ランジスタ２０７は走査線２０８に印加される電圧によ
りオン、オフし、オン状態のとき信号線２０９に印加さ
れた電圧を画素電極２０６に印加する。

【００５３】この液晶表示素子２００ではコプラナ型の
薄膜トランジスタを採用した例を示したが、逆スタガ型
の薄膜トランジスタを用いるようにしてもよい。また薄
膜トランジスタのような３端子の非線形スイッチング素
子だけでなく、例えばダイオードのような２端子の非線
形スイッチング素子を用いるようにしてもよい。

【００５４】また、アレイ基板２０１の液晶層２０３を
挟持する側の面には液晶分子が垂直配向するような配向
膜２１０が形成されている。

【００５５】対向基板２０２にはガラスなどの透明絶縁
性基板２１１上に、カラーフィルタ層２１２と、例えば
ＩＴＯなどの透明導電性膜からなる対向電極２１３が形
成されており、さらに液晶層２０３を挟持する側の面に
は液晶分子が垂直配向するような配向膜２１４が形成さ
れている。

【００５６】この液晶表示素子２００の動作について
は、前述した液晶表示素子１００と同様である。

【００５７】次に、例えば図１に例示したような本発明
の液晶表示素子の製造方法の１例について説明する。

【００５８】まず、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉ
ｎ Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜により液晶に電圧を
印加し駆動するための電極１０４が形成された基板を作
成した。

【００５９】つぎにこれらの基板上に配向膜１０５とし
て例えばＪＡＬＳ−２０４−Ｒ１４（（株）日本合成ゴ
ム製）を印刷、焼成して形成した。

【００６０】ついで、基板間隔を保持するスペーサーと
して例えば粒径１０μｍのミクロパールＳＰ（（株）積
水ファインケミカル製）を一方の基板上に散布した。

【００６１】さらに、一方の基板上に有効表示領域周辺
に約５ｍｍ幅の開口部を設けた周辺シールパターンを例
えばスクリーン印刷法により形成した。シール材として
は、例えば１液性エポキシ樹脂であるＸＮ−２１（三井
東圧化学（株）製）などを用いるようにしてもよい。

【００６２】そして２枚の基板１０１、１０２にそれぞ
れ形成したストライプ状電極１０４ａ１０４ｂの方向が
直交した状態で重ね合わせ、基板間隔がスペーサーの粒
径と等しくなるように加圧しながら１８０℃で２時間焼
成し、本発明の液晶表示素子の空セルを得た。

【００６３】その後、空セルに液晶材料として、負の誘
電率異方性を示す液晶組成物１０６ＺＬＩ−４８５０
（Ｅ．Ｍｅｒｃｋ製）に、カイラル剤Ｓ８１１（メルク
ジャパン製）を０．８ｗｔ％及びポリマーネットワーク
１０７の材料である紫外線硬化性樹脂ＰＮ３９３（Ｅ．
Ｍｅｒｃｋ製）を０．８ｗｔ％添加したものを減圧注入
法で注入した。

【００６４】そしてセル全面に紫外線を照射して紫外線
硬化性樹脂を硬化させ、セル内にポリマーネットワーク
１０７を形成した。

【００６５】ついで、形成した周辺シールパターンの開
口部を封止して、本発明の液晶表示素子１００を得た。

【００６６】このようにして形成した液晶表示素子の電
気光学特性を測定してみたところ、駆動電圧に対する反
射率の変化は急峻であり、しかもヒステリシスは見られ
なかった。さらに駆動電圧が８Ｖと、従来のＰＳＣＴ型
液晶表示素子と比較して著しく低下させることができ
た。

【００６７】また、反射率は４０％、コントラスト比が
１０：１と反射型液晶表示素子としては非常に良好な表
示が確認できた。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の液晶表示
素子は、誘電率異方性が負であるカイラルネマティック
液晶のホメオトロピック配列とフォーカルコニック配列
とを遷移させることにより、反射率とコントラスト比が
高く駆動電圧が低い液晶表示素子である。したがって、
大容量高精細な表示を実現することができる。

【００６９】本発明の液晶表示素子では液晶中にポリマ
ーネットワークを形成することにより、液晶分子の配列
を安定化し、低電圧でヒステリシスなしに駆動すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示素子の構成を概略的に示す
図。

【図２】本発明の液晶表示素子の動作を模式的に示す
図。

【図３】本発明の液晶表示素子の動作を模式的に示す
図。

【図４】本発明の液晶表示素子の動作を模式的に示す
図。

【図５】本発明の液晶表示素子の構成を概略的に示す
図。

【図６】図５の液晶表示素子の構成を模式的に示す図。

【図７】従来のＴＮ型液晶表示素子の構成を概略的に示
す図。

【図８】従来のＥＣＢ型液晶表示素子の構成を概略的に
示す図。

【図９】従来のＰＣ−ＧＨ型液晶表示素子の構成を概略
的に示す図。

【図１０】従来のＰＤＬＣ型液晶表示素子の構成を概略
的に示す図。

【図１１】従来のＰＳＣＴ型液晶表示素子の構成を概略
的に示す図。

【符号の説明】

１００……液晶表示素子、１０１……第１の基板、１０
２……第２の基板 １０３……液晶層、１０４ａ、１０４ｂ……電極 １０５ａ、１０５ｂ……配向膜、１０６……液晶分子、
１０７……ポリマーネットワーク、１０８……黒板 ２００……液晶表示素子、２０１……アレイ基板、２０
２……対向基板 ２０３……液晶層、２０４……液晶、２０５……ポリマ
ーネットワーク ２０６……画素電極、２０７……薄膜トランジスタ、２
０８……走査線 ２０９……信号線、２１０……配向膜、２１１……透明
絶縁性基板 ２１２……カラーフィルタ、２１３……対向電極、２１
４……配向膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電率異方性が負であるカイラルネマテ
   ィック液晶と、このカイラルネマティック液晶中に分散
   したポリマーネットワークとからなる液晶層と、 第１の基板との間に前記液晶層を挟持する第２の基板
   と、 第１の基板と第２の基板の前記液晶層を挟持する面に形
   成された、前記液晶層に電圧を印加する電圧印加手段と
   を具備したことを特徴とする液晶表示素子。
2. 【請求項２】 誘電率異方性が負であり、螺旋力が０．
   ６〜０．８であるカイラルネマティック液晶と、このカ
   イラルネマティック液晶中に分散したポリマーネットワ
   ークとからなる液晶層と、 第１の基板との間に前記液晶層を挟持する第２の基板
   と、 第１の基板と第２の基板の前記液晶層を挟持する面に形
   成された、前記液晶層に電圧を印加する電圧印加手段と
   を具備したことを特徴とする液晶表示素子。
3. 【請求項３】 前記電圧印加手段は第１の基板または第
   ２の基板に形成された電極と、この電極に接続した非線
   形スイッチング素子とを具備したことを特徴とする請求
   項１乃至２のいずれかに記載の液晶表示素子。
4. 【請求項４】 第１の基板または第２の基板はカラーフ
   ィルターを具備したことを特徴とする請求項１乃至２の
   いずれかに記載の液晶表示素子。