JPH11337928A

JPH11337928A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH11337928A
Application number: JP10143064A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Okada; 裕之岡田; Kazuhiro Jiyouten; 一浩上天
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-05-25
Filing date: 1998-05-25
Publication date: 1999-12-10

Abstract

(57)【要約】【課題】高速応答及び高コントラストな特性を有する
液晶表示素子を実現すること。【解決手段】セル厚を６μｍ以下、ＳＴＮの液晶分子
のツイスト角を２５０°以上、配向膜のプレティルト角
を６°以上とした液晶表示素子を作成する。そして、光
学補償構成を含めて電圧印加したときの液晶セルの最小
絶対透過率を、１％以下とする。こうすると５０以上の
コントラスト値が得られ、セル厚の効果により高速応答
を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に液晶パネルと
しての光学特性及び表示品位の向上を図る液晶表示素子
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置（液晶表示素子ともいう）
は、液晶の初期配向方位を液晶の異方性を利用した作用
により他の配向状態に変化させ、それに伴う光学的特性
の変化を利用した表示装置である。従来の表示装置に比
べて低電圧駆動が可能であり、ＬＳＩ駆動に適するこ
と、低電力消費であること、薄型及び軽量化が可能であ
ること等から、大画面化及び大容量化により、ＯＡ機器
への搭載を目指して開発及び商品化が盛んに行われてい
る。

【０００３】現在、液晶表示装置においては液晶の電場
印加による配列状態の変化、即ち電気光学特性を利用し
た単純マトリックス方式のＳＴＮ型の液晶表示装置が主
軸をなし、アクティブマトリックス方式の液晶表示装置
がこれに続く。液晶表示装置は、透明電極膜を形成した
２枚のガラス基板間に、液晶を挟んだサンドイッチ構造
である。透明電極膜上には液晶分子を配向させるための
高分子薄膜が形成されている。ＳＴＮ液晶の場合、ガラ
ス基板間のセル厚は通常５〜１０μｍ程度であり、高分
子薄膜をラビングすることで液晶分子の配向を制御し、
１°〜８゜程度のプレティルト角を持たせる。

【０００４】ＳＴＮ型の液晶表示装置は、液晶の複屈折
性と光の旋光性を利用したものであり、２枚のガラス基
板間で液晶分子の配向方向を１８０゜〜２７０゜捻るこ
とで、著しく急峻な閾値特性を得ることができる。しか
しセル厚は０．０５〜０．１μｍの精度を要する。この
急峻性がコントラストといった液晶表示素子の視認性に
大きく作用する。一方、急峻性を上げることで、液晶分
子の配向マージンは得にくくなる。一般には、プレティ
ルト角が高いほど液晶分子の配向マージンは得やすい。

【０００５】ＳＴＮモードを用いる液晶表示素子の光学
特性は、液晶分子の持つ複屈折性、誘電率異方性等によ
り得られる。誘電率異方性は、駆動電圧、パネル容量に
対して大きな影響を持つ。その他の要因である粘性及び
弾性定数等を含め、液晶材料の組成及びその成分比の調
整により、液晶パネルの光学特性は大きく変化する。最
終的には、液晶の持つ複屈折率Δｎと液晶層の厚さｄの
積であるΔｎｄと、位相差フィルムによる光学補償の組
合せにより、液晶表示素子の特性が決定される。そのと
きのセル厚は、液晶表示素子の応答速度に影響する。セ
ル厚が薄い程高速応答特性は得やすい。ＳＴＮ型の液晶
表示素子は、特性的にはＴＦＴ型の液晶表示素子に劣る
面が多く、セル厚制御もより高い精度が要求される。現
在、そうしたＳＴＮ型の液晶表示素子に対しても、高速
高コントラストといった高特性、そしてクロストークや
表示むらのより少ない高品位なものが要求されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＳＴＮモードの場合、
マルチプレックス駆動というライン走査方式により、通
常７０〜１５０Ｈｚ程度の周波数で駆動される。しか
し、液晶表示素子の走査ライン数Ｎ（デューティ数とも
いう）が増加する程、即ちハイデューティ駆動になる
程、コントラストは得にくくなるので、液晶表示素子に
はより高い急峻性が必要とされる。またハイデューティ
駆動ではフレーム周期に対して相対的に印加電圧のパル
ス幅が小さくなり、応答速度が低下する。更にハイデュ
ーティ駆動において、高いコントラストを実現しようと
した場合、黒表示時の高い遮光性が必要となる。このよ
うに高いコントラストは、単に液晶表示素子の急峻性と
応答速度の追求のみでは実現困難である。

【０００７】例えばノーマリーブラックの透過タイプの
液晶表示素子の場合、黒表示時の透過光量を抑えること
が、コントラストアップに大きく影響する。しかし、光
学補償と液晶材料とのマッチング、スペーサ周囲の光り
抜け、ブラックマトリックスやカラーフィルタ等による
基板段差部での光り抜け、及び不均一配向等の要因によ
り、ＳＴＮ型の液晶表示素子をハイデューティ駆動した
場合、高速応答と高コントラストとを両立させることは
極めて困難であった。そのような状況において無理に液
晶表示素子の急峻性を上げようとする場合、液晶分子の
配向マージンが得られなくなる。

【０００８】またデューティ数Ｎが増加すると、駆動時
のオンオフの電圧マージンが非常に狭くなるとともに、
印加電圧波形がＣＲ時定数によるなまりを受けやすくな
る。この場合、クロストークと呼ばれる不均一表示が生
じる。２ライン又はそれ以上の複数ラインを同時駆動す
るという駆動方法の面から、クロストークを改善するこ
とも可能であるが、コストアップの要因ともなる。駆動
法によらず、液晶表示素子側からクロストークを効果的
に緩和する方法として、ＩＴＯ抵抗の低抵抗化、液晶表
示素子の容量の低減が考えられる。これには、セル厚を
大きくすること、液晶材料の誘電率異方性Δεを小さく
することなど考えられるが、セル厚を大きくすると、応
答速度が低下するという矛盾が生じる。

【０００９】更にハイデューティ駆動になると、デュー
ティ数Ｎに応じて最適バイアス比１／ａ｛＝１／（Ｎ＋
１）^0.5｝が大きくなる。即ち、バイアス電圧が小さく
なるため、走査電極に印加される電圧波形の波高値を高
くしなければならない。これはＬＳＩの補償耐圧と関係
する課題である。特にパネル容量を考慮してΔεを小さ
くした場合、ＸＧＡ、ＳＸＧＡ、又はそれ以上のハイデ
ューティ駆動の液晶表示素子の場合は、駆動電圧の波高
値がＬＳＩの補償耐圧を超えてしまう。このような耐圧
レベルまで動作するＬＳＩは現在のところ非常に高価
か、又は開発段階である場合が多い。更に液晶表示素子
において、通常はかなりの低温での駆動を補償するた
め、駆動電圧を使用温度に応じて変化させる。この場
合、ＬＳＩの耐圧の点からも液晶駆動電圧の温度変化が
小さい方が望ましい。

【００１０】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、特にハイデューティ駆動にお
いて、高速及び高コントラストの特性をより安価な方法
で実現し、且つ高品位な表示ができる液晶表示素子を実
現することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、本願の請求項１の発明は、透明電極が夫々形成
された第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の
透明基板間に挟持された液晶と、前記第１及び第２の透
明基板の前記液晶を挟む内側に夫々形成され、前記透明
基板面と平行で所定方向に液晶分子を配向させる第１及
び第２の配向膜と、前記第１及び第２の透明基板の少な
くとも一方の外側に取り付けられ、所定のリターデーシ
ョン値を有する光学補償フィルムと、を具備する液晶表
示素子において、前記第１及び第２の透明基板の間隙を
６μｍ以下とし、前記第１及び第２の配向膜による液晶
分子の捻じり角を２５０°以上とし、前記液晶分子の前
記第１及び第２の透明基板の基板面に対するプレティル
ト角を６°以上にすることにより、前記液晶パネルが非
表示状態にあるとき、前記光学補償フィルムを含めた液
晶パネルの絶対透過率の最小値を０．１以下としたこと
を特徴とするものである。

【００１２】本願の請求項２の発明は、請求項１の液晶
表示素子において、前記液晶の誘電率異方性Δεが、
６．５以下であることを特徴とするものである。

【００１３】本願の請求項３の発明は、請求項１の液晶
表示素子において、前記透明電極を介しての前記液晶パ
ネルの駆動条件は、デューティ比１／３００以上のハイ
デューティ駆動において、フレーム周波数を１５０Ｈｚ
以下とし、且つ液晶駆動電圧のバイアス比を１／１８よ
り大きくしたことを特徴とするものである。

【００１４】本願の請求項４の発明は、請求項１の液晶
表示素子において、前記透明電極を介しての前記液晶パ
ネルの駆動条件は、デューティ比１／３００以上のハイ
デューティ駆動において、フレーム周波数を１５０Ｈｚ
以下とし、且つ液晶駆動電圧のバイアス比を１／１５〜
１／１６としたことを特徴とするものである。

【００１５】本願の請求項５の発明は、請求項１〜４の
いずれか１項の液晶表示素子において、前記液晶パネル
を、シングルラインスキャンにより駆動することを特徴
とするものである。

【００１６】本願の請求項６の発明は、請求項１〜４の
いずれか１項の液晶表示素子において、スタティック駆
動時における前記液晶パネルの最大透過率を１００％と
した場合に、透過率が１０％を示す駆動電圧をＶ₁₀とす
るとき、温度変化０℃〜４０℃での前記駆動電圧Ｖ₁₀の
変化率が２．５ｍＶ／℃以下であることを特徴とするも
のである。

【００１７】本願の請求項７の発明は、請求項１〜５の
いずれか１項の液晶表示素子において、前記液晶は、異
方体相から等方体相への変移温度Ｔniが１００℃以上で
あることを特徴とするものである。

【００１８】本願の請求項８の発明は、請求項１〜５の
いずれか１項の液晶表示素子において、前記液晶は、異
方体相から等方体相への変移温度Ｔniが１１０℃以上で
あることを特徴とするものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本発明の実施の
形態１における液晶表示素子について、図面を参照しつ
つ説明する。図１は本実施の形態の液晶表示素子の構成
を示す断面図である。本図において、液晶表示素子は、
上側のガラス基板１と下側のガラス基板２とがシール樹
脂３で接着支持された構成となっている。上側のガラス
基板１の下面には、セグメント電極（信号電極）５が一
定のピッチで多数形成されて第１の透明基板となってい
る。第１の透明基板の下面には、一定のプレティルト角
を有する第１の配向膜７ａが形成されている。これと同
様に、下側のガラス基板２の上面には、コモン電極（走
査電極）４がセグメント電極の配列方向と直角方向に一
定のピッチで多数形成され、第２の透明基板となってい
る。第２の透明基板の上面には、一定のプレティルト角
を有する第２の配向膜７ｂが形成されている。

【００２０】これらの配向膜７は、ガラス基板上にフレ
キソ印刷法によりポリイミド膜を形成し、熱硬化した後
に表面をラビングすることにより所望の角度の配向性を
持たせたものである。ガラス基板１とガラス基板２との
空隙に、球状のスペーサ８と液晶（液晶分子ともいう）
９を充填する。このときガラス基板間で液晶分子９が２
５０゜捻れるよう、あらかじめ配向膜７ａ、７ｂに対し
て配向処理を施しておく。スペーサ８の外径は６．０μ
ｍとし、１５０個／ｍｍ²の密度で均一に分散させる。
シール樹脂３は、２枚のガラス基板１，２を貼り合わせ
るもので、シール材をガラス基板の周辺部に印刷し、加
熱処理することにより形成される。また各セグメント電
極と対向するガラス基板に対して、Ｒ，Ｇ，Ｂのカラー
フィルタ１０を設け、各カラーフィルタの間にブラック
マトリクス６を形成する。尚、第１及び第２の透明基板
の少なくともいずれか一方の外側に光学補償フィルムを
取り付ける（図示せず）。この光学補償フィルムは、所
定のリターデーション値を有するフィルムである。液晶
９は、異方体相から等方体相への変移温度Ｔniが１００
℃以上、望ましくは１１０℃以上のものが良い。また液
晶９は誘電率異方性を有し、その値Δεが正で、Δε＝
６．０のネマティック液晶を用いた。こうして液晶表示
素子を作製した。

【００２１】このように構成された液晶表示素子におい
て、配向膜７による液晶分子のプレティルト角は磁場容
量法で測定した結果７°であった。ツイスト角を２５０
°以上ねじり、スタティック特性における最小絶対透過
率を０．１以下にし、デューティ比（１／Ｎ）を１／３
００とし、フレーム周波数数を１５０Ｈｚとして、１／
１６のバイアス比で液晶表示素子を駆動した結果、コン
トラストは５０以上の値が得られた。このときコントラ
ストが最大値となる駆動電圧において、液晶セルの応答
速度は立ち上がり時間と立ち下がり時間とを合わせて１
５０ｍｓｅｃであった。スタティック最小絶対透過率に
対するコントラストの関係を図２に示す。２５０°〜２
６０°のツイスト角で十分な配向マージン、例えば０．
０３以上の値を得ようとした場合、プレティルト角は６
°以上は必要であり、その評価結果を図３に示す。

【００２２】このような光学特性を有する液晶表示素子
において、１／３００のデューティ比で実駆動し、更に
詳細に特性を評価した。図４は、最大コントラストを示
す駆動電圧の値を、そのバイアス比１／ａと、液晶材料
の閾値の温度依存性ｄＶ／ｄＴとをパラメータとして表
したものである。図５は、コントラスト値をバイアス比
１／ａと、フレーム周波数依存性とをパラメータとして
表したものである。図４に示すように、駆動電圧はバイ
アス比１／ａを大きくすることで低く抑えられる。また
４０℃から０℃程度の低温駆動まで考慮した場合、液晶
の閾値電圧の温度依存性ｄＶ／ｄＴを２．５ｍＶ／℃以
下にすることで、駆動電圧を大きく下げることが可能で
あることが確認された。

【００２３】またクロストークの発生は、ＣＲ時定数に
よる波形鈍りが主たる要因である。このことからパネル
容量とΔεの関係を抑え、その効果を目視により確認し
た。分子長軸方向の誘電率をε_pとし、長軸と直交する
方向の誘電率をε_nとすると、Δε＝ε_p−ε_nが成立
する。ε_nは材料による違いも少なく、ε_p＞ε_nであ
るので、液晶分子を十分立たせる電圧、具体的には５Ｖ
のサイン波を液晶セルに印加して測定を行った。パネル
容量の絶対値は、電極面積、ＩＴＯ抵抗値等の条件によ
り変化するため、セル厚、液晶材料の誘電率異方性の効
果を相対比較により評価した。その結果を図６に示す。
ここではΔε＝７．４、セル厚７．５μｍの液晶パネル
のパネル容量を１とした。

【００２４】セル厚６μｍにおいて、Δεが６の場合と
７．４の場合とで明らかにクロストークの発生度合いに
差が見られた。Δεを７．４とした場合、セル厚もほぼ
比例した形で厚くすると、Δεが６の場合と同等のクロ
ストークレベルが実現できる。但し、応答速度はセル厚
が大きくすることにより顕著に低下した。更にクロスト
ークが目視により明瞭に確認されるレベルは、図６にお
いてパネル容量が１を超える場合であった。このとき評
価した１２．１型ＳＶＧＡの液晶表示素子において、３
００ライン相当のパネル容量は、２５℃で、５Ｖ、２Ｋ
Ｈｚのサイン波印加時で２４０ｎＦであった。

【００２５】またフレーム周波数とバイアス比の関係を
調べた結果、フレーム周波数１５０Ｈｚ、デューティ比
１／３００、バイアス比１／１６、最大コントラストを
示す駆動電圧において、液晶セルの応答速度（立ち上が
り時間＋立ち下がり時間）は１５０ｍｓｅｃである。図
５に示すように、フレーム周波数１５０Ｈｚでは、正規
のバイアス比１／１８では、かえってコントラストが低
下する。しかしフレーム周波数を２００Ｈｚ程度まで上
げた場合、正規のバイアス比で最大コントラストが得ら
れた。

【００２６】本実施の形態ではＳＶＧＡの液晶表示素子
をシングルラインスキャンにより駆動してその評価結果
を示したが、ＸＧＡ、ＳＸＧＡの液晶表示素子をハイデ
ューティ駆動した場合ついても、同様の結果、若しくは
それ以上の効果が得られることを確認した。

【００２７】以上のように、６°以上のハイプレティル
ト角を有する配向膜を用いて液晶分子の配向マージンを
得やすくした上で、液晶分子を６μｍ以下の狭ギャップ
の中で２５０°以上大きく捻じることにより、安定配向
状態のまま液晶のオンオフ特性の急峻性を上げることが
可能となった。こうして狭ギャップ化により高い応答速
度が実現される。このとき光学補償と電圧印加による液
晶分子の配列変化の最適化により、ノーマリーブラック
の透過モードでいえば、黒が最も沈む、即ち最小絶対透
過率を０．１％以下にすることが可能となった。よって
ハイコントラスト及び高速応答の両立が可能となる。

【００２８】また狭ギャップ化はパネル容量を増大さ
せ、クロストークを悪化させることとなるが、液晶材料
の誘電率異方性Δεを小さく抑えることで、高速化に併
せてクロストークの悪化を防ぐことができる。Δεを小
さくすることによる駆動電圧の増加は、液晶材料、光学
補償構成の最適化による駆動電圧の温度依存性の低減、
および特にコモンドライバーにかかる電圧を考慮したバ
イアス比の調整、具体的にはバイアス電圧を増加させる
ことにより、その影響を抑えることが可能である。

【００２９】結果的にデューティ数Ｎに対し最適とされ
る正規バイアス比、例えば１／３００デューティ駆動の
場合は約１／１８からはずれることになるが、フレーム
周波数を液晶分子が充分応答するレベル、即ちフレーム
レスポンスの影響が大きくなる周波数まで下げること
で、正規のバイアス比からずれることによるコントラス
ト低下を補うことができる。これらの作用により、高
速、高コントラスト、高品位な特性を有する液晶表示素
子の作成が可能となる。

【００３０】（実施の形態２）次に本発明の実施の形態
２における液晶表示素子について図面を参照しながら説
明する。図１のスペーサ８として、シリカを含むアクリ
ル系合成高分子からなるものを用いた。そしてスペーサ
８の周囲の配向状態、光り抜けの程度が異なる３種類の
スペーサを用いて、実施の形態１と同様の液晶表示素子
を作製してそのコントラストを測定した。図７に示すよ
うに、高分子材料の異なる３種類のスペーサＡ、スペー
サＢ、スペーサＣを用い、スペーサ個数も変化させて特
性評価を行った。尚、光り抜けの程度は、Ａが周囲の１
／４、Ｂが１／２、Ｃが全周であった。周囲の光り抜け
が少なく、個数が少ないほど黒表示時の透過光量が抑え
られ、高コントラストが得られることが判った。尚、実
施の形態１で用いたスペーサはスペーサＡである。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、狭ギャッ
プにしながらハイプレティルトの配向膜を用いて液晶分
子のツイスト角を大きくすることにより、液晶パネルの
最小透過率を抑えることができた。このため、高速、高
コントラストな液晶表示素子のの作製が可能となった。
併せてΔε、閾値電圧の温度依存性を抑えることと、バ
イアス比とフレーム周波数等の駆動面の最適化により、
高品位な特性を持つ液晶表示素子の提供が可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１，２における液晶表示素
子の構造を示す断面図である。

【図２】ＳＶＧＡの液晶表示素子において、スタティッ
ク駆動時の最小絶対透過率及びツイスト角と最大コント
ラスト値との関係を示す特性図である。

【図３】プレティルト角と配向マージンの関係を示した
説明図である。

【図４】駆動電圧に対するバイアス比及び閾値電圧の温
度依存性の影響を示した特性図である。

【図５】コントラストに対するバイアス比及びフレーム
周波数の影響を示した特性図である。

【図６】パネル容量に対する液晶材料の誘電率異方性及
びセル厚の関係を示した特性図である。

【図７】コントラストに対するスペーサの種類及び密度
の関係を示した特性図である。

【符号の説明】

１，２ガラス基板３シール樹脂４コモン電極５セグメント電極６ブラックマトリックス７ａ，７ｂ配向膜８スペーサ９液晶１０カラーフィルタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明電極が夫々形成された第１及び第２
の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶と、前記第１及び第２の透明基板の前記液晶を挟む内側に夫
々形成され、前記透明基板面と平行で所定方向に液晶分
子を配向させる第１及び第２の配向膜と、前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方の外側に
取り付けられ、所定のリターデーション値を有する光学
補償フィルムと、を具備する液晶表示素子において、前記第１及び第２の透明基板の間隙を６μｍ以下とし、
前記第１及び第２の配向膜による液晶分子の捻じり角を
２５０°以上とし、前記液晶分子の前記第１及び第２の
透明基板の基板面に対するプレティルト角を６°以上に
することにより、前記液晶パネルが非表示状態にあると
き、前記光学補償フィルムを含めた液晶パネルの絶対透
過率の最小値を０．１以下としたことを特徴とする液晶
表示素子。
【請求項２】前記液晶の誘電率異方性Δεが、６．５
以下であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素
子。
【請求項３】前記透明電極を介しての前記液晶パネル
の駆動条件は、デューティ比１／３００以上のハイデューティ駆動にお
いて、フレーム周波数を１５０Ｈｚ以下とし、且つ液晶
駆動電圧のバイアス比を１／１８より大きくしたことを
特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項４】前記透明電極を介しての前記液晶パネル
の駆動条件は、デューティ比１／３００以上のハイデューティ駆動にお
いて、フレーム周波数を１５０Ｈｚ以下とし、且つ液晶
駆動電圧のバイアス比を１／１５〜１／１６としたこと
を特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項５】前記液晶パネルを、シングルラインスキ
ャンにより駆動することを特徴とする請求項１〜４のい
ずれか１項記載の液晶表示素子。
【請求項６】スタティック駆動時における前記液晶パ
ネルの最大透過率を１００％とした場合に、透過率が１
０％を示す駆動電圧をＶ₁₀とするとき、温度変化０℃〜
４０℃での前記駆動電圧Ｖ₁₀の変化率が２．５ｍＶ／℃
以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１
項記載の液晶表示素子。
【請求項７】前記液晶は、異方体相から等方体相への変移温度Ｔniが１００℃以上
であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記
載の液晶表示素子。
【請求項８】前記液晶は、異方体相から等方体相への変移温度Ｔniが１１０℃以上
であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記
載の液晶表示素子。