JPH11337982A

JPH11337982A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH11337982A
Application number: JP14679598A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Ogishima; 清志荻島
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-05-28
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 1999-12-10

Abstract

(57)【要約】【課題】低駆動電圧、高輝度、高コントラストで信頼
性の高い液晶表示装置を提供する。【解決手段】液晶表示装置において、２枚の基板１、
２上に、それぞれ液晶層１１の液晶分子８を該基板に対
して略垂直に配向させる液晶配向膜６、７が形成される
とともに、該液晶分子８の自然の捩れピッチを該液晶層
１１の層厚の５倍以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶を用いた電気
光学装置に関し、特に液晶分子を基板に対して垂直に配
向させる垂直配向膜を用いた液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より液晶表示装置として、液晶の電
気光学効果を利用したものが知られている。このような
液晶表示装置は、一対の基板間に挾持された液晶層に含
まれる液晶分子の配向を変化させて、そのことにより生
じる液晶層の光学的屈折率変化を利用して表示を行う表
示装置である。

【０００３】この液晶の電気光学効果を利用した液晶表
示装置としては、ネマティック液晶を用いたＴＮ型やＳ
ＴＮ型のものが実用化されている。このようなＴＮ型の
液晶表示装置の場合には、一対の偏光板の偏光方向を相
互に平行に配置することにより、液晶層に電界を印加し
ない状態（オフ状態）で黒色表示を行うノーマリブラッ
ク方式と、一対の偏光板の偏光方向を相互に直行するよ
うに配置することにより、液晶層に電界を印加しない状
態（オフ状態）で白色表示を行うノーマリホワイト方式
との２種類の大別されるが、表示コントラストや色再現
性および表示の視角依存性の観点からノーマリホワイト
方式の液晶表示装置が望まれている。

【０００４】また、電圧透過率特性の急峻性や大表示容
量が可能であることから、ＤＡＰ（Ｄｅｆｏｒｍａｔｉ
ｏｎｏｆＶｅｒｔｉｃａｌｌｙＡｌｉｇｎｅｄ
Ｐｈａｓｅ）型の液晶表示装置が、例えば特開昭６２−
１８０３２６号公報や特開平３−２０９４４０号公報な
どにより知られている。

【０００５】これらの液晶表示装置を構成する透光性基
板には、液晶に電界を印加する画素電極を選択駆動する
スイッチング手段として、薄膜トランジスタなどの能動
素子が形成されている。この薄膜トランジスタは光によ
る特性依存や劣化が大きいため、通常アルミやチタンな
どの金属類や黒色顔料をレジストに混入した樹脂性の材
料などによりブラックマトリクス（以下、ＢＭとい
う。）を形成して、薄膜トランジスタに対する遮光を行
っているのが一般的である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
ＤＡＰ型の液晶表示装置においては、液晶分子の安定し
た垂直配向を得るために、水平配向膜上に垂直配向膜を
塗布することや、プレチルト角を微妙に制御することに
より、これを改善してきた。しかしながら、このような
方法では、製造工程の増加やプレチルト角の信頼性が表
示品位に多大な影響を与え、特に長時間の使用によりプ
レチルト角の大きさが変化することによる配向不良の発
生が大きな問題となっていた。

【０００７】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
なされたものであって、低駆動電圧、高輝度、高コント
ラストで信頼性の高い液晶表示装置を提供することを目
的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の液晶表示装置は、少なくとも電極が形成された２枚の
基板が対向して配置され、該両基板間に液晶性を有する
物質からなる液晶層が封入されてなる液晶表示装置にお
いて、前記２枚の基板上には、それぞれ前記液晶層の液
晶分子を該基板に対して略垂直に配向させる液晶配向膜
が形成されるとともに、該液晶層の液晶分子の自然の捩
れピッチは、該液晶層の層厚の５倍以上であることを特
徴としており、そのことにより、上記目的は達成され
る。

【０００９】このとき、前記液晶層には、前記液晶分子
に捩れを発生させるためのカイラルドーパントが含有さ
れていることが望ましい。

【００１０】本発明の請求項３に記載の液晶表示装置
は、少なくとも電極が形成された２枚の基板が対向して
配置され、該両基板間に液晶性を有する物質からなる液
晶層が封入されてなる液晶表示装置において、前記２枚
の基板上には、それぞれ前記液晶層の液晶分子を該基板
に対して略垂直に配向させる液晶配向膜が形成されると
ともに、前記液晶層の液晶分子は、捩れる性質を有しな
いことを特徴としており、そのことにより、上記目的は
達成される。

【００１１】このとき、前記液晶層は、負の誘電異方性
を有するネマティック液晶からなることが望ましい。

【００１２】また、前記液晶層の液晶分子は、電圧印加
時に該液晶層の層厚方向に約９０ｄｅｇの捩れ配向とな
ることが望ましい。

【００１３】さらに、前記液晶配向膜は、前記２枚の基
板間で、９０ｄｅｇ異なる方向に、ラビング法を用いた
配向処理が施されていることが望ましい。

【００１４】以下に、本発明の作用について簡単に説明
する。

【００１５】上述したような本発明によれば、少なくと
も電極が形成された２枚の基板間に液晶性を有する物質
からなる液晶層が封入されており、該２枚の基板上に
は、それぞれ該液晶層の液晶分子を該基板に対して略垂
直に配向させる液晶配向膜が形成されるとともに、該液
晶層の液晶分子の自然の捩れピッチが、該液晶層の層厚
の５倍以上とされている。

【００１６】このような構成により、液晶層に電界を印
加しない状態では、液晶分子は基板に対してほぼ垂直に
配向しており、２枚の基板の外側にそれぞれ偏光方向が
互いに９０ｄｅｇとなるように偏光子を設けることによ
り、液晶層の旋光性および複屈折性がほぼなくなること
から、その状態で光は偏光子によって遮断され、極めて
光透過率の小さい黒表示を得ることが可能となってい
る。

【００１７】また、液晶層に十分な電界が印加されたと
きには、液晶分子は基板に対してほぼ平行に配列し、液
晶層にラビング法などの配向制御と最適なカイラルドー
パントの添加により、液晶層の厚み方向において液晶分
子が捩れた構造となる。この状態では、液晶が旋光性を
有しているため、通常の液晶がランダムに倒れるか、ま
たは電極構造や配向膜の工夫によってある程度液晶の倒
れる方向を制御した垂直配向セルよりも光の利用効率が
高く、非常に明るい白表示を得ることが可能となってい
る。

【００１８】さらに、垂直配向膜に側鎖を有するポリイ
ミドを用いることにより、電圧無印加時における液晶分
子の安定した垂直配向状態を得ることができ、また、電
圧印加時には画面表示部において均一なコントラストや
明るさを得ることができ、表示品位の高い液晶表示装置
を得ることが可能となっている。

【００１９】なお、このような側鎖を有するポリイミド
は、プレチルト角の信頼性に優れ、またイオン性物質の
液晶中への染み出しがなく、さらには液晶の比抵抗値を
示す電圧保持率の信頼性にも優れているため、長期の使
用に際しても表示品位が低下しない液晶表示装置を得る
ことが可能となっている。

【００２０】また、上述した液晶表示装置は、電界を印
加しない状態を黒表示としているため、画素間からの光
の漏れがなく、そのため画素間にＢＭを形成する必要が
なく、開口部を広くすることができるため高輝度な表示
を行うことが可能となっている。そして、ＴＦＴの漏れ
電流が黒表示に影響しないため、コントラストの低下を
防ぎ、高コントラストを維持することも可能となってい
る。さらには、電界を印加しない状態を黒表示としてい
ることから、低駆動電圧で大きなコントラストを得るこ
とが可能となっている。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて説明する。

【００２２】図１は、本実施の形態における液晶表示装
置の構成を示した断面図である。図に示すように、対向
して配置されたガラスなどからなる２枚の基板１、２の
内面側には、ＩＴＯなどの透明導電膜からなる透明電極
３、４がそれぞれ形成されており、この透明電極３、４
の上層には、液晶分子を該基板面に対して垂直に配向さ
せるための垂直配向膜６、７がそれぞれ形成されてい
る。

【００２３】これら２枚の基板１、２は、該基板１、２
の周辺を覆うシール樹脂１０により接着されているとと
もに、この２枚の基板１、２の間隔はスペーサー９によ
り一定の間隔に保持されており、複屈折異方性が負のネ
マテイック液晶からなる液晶層１１を介在して形成され
ている。

【００２４】そして、これら２枚の基板１、２の両外側
には、偏光軸が互いに９０°異なる方向に設定された偏
光板１２、１３がそれぞれ形成されている。

【００２５】本実施の形態における液晶表示装置では、
上述した垂直配向膜６、７として、側鎖を有するポリイ
ミドまたはポリアミック酸または部分イミド化ポリアミ
ック酸を用いることにより、負の誘電異方性を有する液
晶分子を基板面に対して垂直または基板法線方向に対し
て若干のプレチルト角を付して配向させておき、かつ液
晶層１１に電圧を印加することによって、液晶分子が基
板面に対して平行に配列したときには、その捩れる角度
が上下の基板１、２表面近傍で、ほぼ９０ｄｅｇとなる
ようにラビング法などにより配向制御を行い、必要に応
じてカイラルドーパントを添加している。

【００２６】一般に、このカイラルドーパントの添加量
については、カイラルドーパントの添加時の液晶分子の
自然の捩れピッチと液晶表示装置のセル厚との比によっ
て表される。例えば、特開平８−６０２５公報では、こ
の比率を約４倍とすることが報告されているが、本発明
の液晶表示装置においては、更なる最適化を行い、光の
利用効率の最も高いカイラルドーパント添加量を見出し
た。

【００２７】図２は、９０°捩れセルの場合の上述した
カイラルドーパントの添加時の液晶分子の自然の捩れピ
ッチと液晶表示装置のセル厚との比と、光の最大透過率
との関係を示したものである。図２からも分かるよう
に、液晶分子の自然の捩れピッチとセル厚との比が５倍
となる付近から安定した最大透過率を得ることが可能と
なっている。この比率は、図からも分かるように、１０
倍以上とすることが望ましく、場合によっては無限大と
することが望ましい。なお、このときの液晶表示装置の
配向安定性についても、特に問題が発生することはなか
った。

【００２８】（実施の形態１）次に、本発明の本実施の
形態１における液晶表示装置の構成を図１に示した断面
図を用いて詳細に説明する。

【００２９】図１に示すように、ガラス、石英、セラミ
クス、樹脂などからなる透明基板１の一方側表面に、イ
ンジウム酸化錫や酸化錫などの透明導電膜からなる透明
電極３を形成する。また、他方の基板２の一方側表面に
は、例えば図６に示すように、透明導電膜４および薄膜
トランジスタ５と、ソースバスライン１９およびゲート
バスライン２０とをマトリクス状に形成する。

【００３０】そして、このように形成された２枚の基板
１、２の上層に、液晶分子を該基板面に対して垂直に配
向させるための垂直配向膜６、７をそれぞれ塗布する。
この垂直配向膜６、７としては、例えばＪＡＬＳ−２０
４（日本合成ゴム株式会社製）などのポリイミド骨格に
長鎖アルキル基を結合したものを用いることが可能であ
る。なお、この側鎖としてはアルキル基に限らず、垂直
配向性が得られるものであればよい。また、配向膜とし
ては、上述したものに限られるものではなく、他のポリ
イミド、ポリアミック酸、部分イミド化ポリアミック
酸、ポリアミド、ポリシロキ酸などを用いることも可能
である。

【００３１】このような垂直配向膜６、７上には、上述
した２枚の基板１、２間で９０ｄｅｇ異なる方向にラビ
ング法を用いて配向処理を行った。なお、このときの基
板法線方向から見た液晶分子に付与されるプレティルト
角は、０．１〜０．２°に設定した。このプレティルト
角の値は、表示コントラストに大きな影響を与えない範
囲で、かつより大きな値であることが望ましいが、０．
１°以上であれば、ほぼ安定な配向状態を得ることが可
能である。

【００３２】このように形成した２枚の基板１、２の一
方側表面に、直径５μｍのスペーサー９を散布し、もう
一方の基板表面の表示領域外にシール樹脂１０を塗布
し、これら両基板１、２を貼り合わせてできる液晶セル
に、自然の捩れピッチが５０μｍになるように調整した
カイラルドーパント入りｎ型ネマティック液晶を注入す
ることにより、液晶層１１を形成して注入口を封止し
た。

【００３３】その後、この液晶セルを上述した液晶が等
方相になる温度以上の温度に過熱した後、冷却して、本
実施の形態１における液晶セルを作製した。

【００３４】なお、液晶やカイラルドーパントの種類は
極めて多く、また選択の範囲も広いが、本実施の形態１
では、液晶材料としてＭＬＣ−２０１２（商品名、メル
クジャパン株式会社製）、カイラルドーパント材料とし
てＳ−８１１（商品名、メルクジャパン株式会社製）を
用いた。また、液晶表示装置の使用温度範囲がかなり広
くなることが想定される場合には、カイラルドーパント
のヘリカルツイスティングパワーの温度依存性が正負逆
の材料を混合して用いるようにしてもよい。

【００３５】その後、上述したようにして作製した液晶
セルの両外側に、偏光軸をその吸収軸方向が互いに直角
になるように設置して、本実施の形態１における液晶表
示装置を得た。なお、本実施の形態１では、偏光軸をそ
の吸収軸方向が互いに直角になるように設置しているこ
とにより、より大きなコントラストを得ることが可能な
構成としているが、仮により大きなコントラストが要求
されない場合などには、偏光板の吸収軸方向を互いに平
行に設置してもよいし、また他の方向に設置してもよ
い。

【００３６】ここで、本実施の形態１における液晶表示
装置において、図３に液晶セルに電界を印加しない場合
の断面図、図４に液晶セルに電界を印加した場合の断面
図を示して、そのときの液晶分子の状態について簡単に
説明する。

【００３７】図３に示すように、液晶セルに電界を印加
しない場合には、液晶分子８は基板表面に対して垂直に
配向する。また、液晶セルに電界を印加した場合には、
液晶分子８は基板表面に対して平行に配向し、かつほぼ
９０ｄｅｇ捩れた状態になる。このように、本実施の形
態１における液晶表意装置では、液晶セルに電界を印加
しない場合に黒表示となるため、画素間からの漏れ光が
なく、遮光する必要が生じないため、開口率を大きくす
ることができ、透過率を向上させることが可能となって
いる。

【００３８】また、透過率を大きくするという点から、
カイラルドーパントの量は、図２にも示すように、液晶
分子の自然の捩れピッチと液晶層の厚さとの比率を１０
倍以上とすることが好ましい。本実施の形態１における
液晶表示装置では、液晶分子の自然の捩れピッチ／セル
厚＝５０（μｍ）／５．０（μｍ）＝１０（倍）とし
た。なお、電極の形状やその他の要因による影響がない
場合には、この値はほぼ無限大にすることが可能であ
る。

【００３９】このようにして作製した液晶表示装置の常
温における正面の電圧−透過率曲線を図５に示す。図５
に示すように、明暗のコントラストは約１０００以上、
白表示についても光の利用効率を最大限に発揮すること
ができ、非常に明るい表示を行うことが可能となった。
また、薄膜トランジスタの漏れ電流や液晶の抵抗率が低
くなることによるコントラストの低下もなく、高コント
ラストを維持することができ、高い信頼性を得ることが
可能となった。

【００４０】さらに、上述のように、電界を印加しない
状態を黒表示としていることにより、画素間からの光の
漏れがなく、画素間に遮光膜を形成する必要がないた
め、開口部を広くすることができ、高輝度表示を行うこ
とが可能となった。また、薄膜トランジスタの漏れ電流
が黒表示に影響することがないため、コントラストの低
下を防ぎ、高コントラストを維持することが可能となっ
た。

【００４１】このように、本発明の実施の形態１におけ
る液晶表示装置よれば、低電圧駆動、高輝度、高コント
ラスト、高信頼性を実現することが可能となった。

【００４２】なお、本発明は、本実施の形態１で用いた
材料に限定されるものではなく、例えば、液晶セルは、
単純マトリクス型や、ＭＩＭ、アモルファスシリコン、
ポリシリコン、結晶化シリコンなどを用いた薄膜トラン
ジスタなどのアクティブマトリクス型など、いずれの液
晶表示装置にも適用することが可能であり、また、液晶
セルの外側に１枚の反射板を配置するか、または片側の
電極を反射電極とした反射型の液晶表示装置としても適
用することも可能である。さらに、カラーフィルターな
どと組み合わせることにより、カラー液晶表示装置とす
ることも可能である。

【００４３】（実施の形態２）本実施の形態２は、上述
した実施の形態１と同様にして作製した液晶表示装置
に、光軸補正用レンズ、投射用レンズ、光源を組み合わ
せることにより、投射型の表示システムを作製した場合
である。

【００４４】図７に、本実施の形態２における投射型表
示システムの構成例を示す。この投射型表示システム
は、液晶表示装置１４を挟んで片側に光軸補正用レンズ
１６と光源１５とを液晶表示装置１４側からこの順に配
置し、もう片側に投射用レンズ１７を配置して、液晶表
示装置１４にて表示された画像などをスクリーン１７上
に投影するような構成となっている。

【００４５】この投射型表示システムにおいては、スク
リーン１７上に映し出された画像などを人が観るため、
広い視角特性は要求されず、よって本発明の液晶表示装
置の低駆動電圧、高輝度、高コントラスト、良好な視角
特性という優れた特性を最大限に生かすことが可能とな
っている。

【００４６】なお、本実施の形態２では、最も簡単な投
影型の表示システムを示したが、マイクロレンズを含む
各種レンズやプリズム、反射板、カラーフィルター、お
よびダイクロイックミラーなどと組み合わせた構成も可
能であり、また、液晶セルを複数枚使用した構成とする
ことも可能である。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の液晶表示装置によれば、電圧無印加時における液晶
分子の安定した垂直配向状態を得ることができ、また電
圧印加時には画面表示部において均一なコントラストや
明るさを得ることができ、高い表示品位を実現すること
が可能となっている。また、液晶の比抵抗値を示す電圧
保持率の信頼性にも優れているため、長期の使用に際し
ても表示品位が低下しない液晶表示装置を得ることが可
能となっている。さらには、電界を印加しない状態を黒
表示としているため、開口部を広くすることができ、高
輝度な表示を実現することが可能となっているととも
に、ＴＦＴの漏れ電流が黒表示に影響しないため、コン
トラストの低下を防ぎ、高コントラストを維持すること
ができ、低駆動電圧で大きなコントラストを得ることが
可能となっている。

【００４８】このように、本発明の液晶表示装置によれ
ば、低電圧駆動、高輝度、高コントラスト、高信頼性を
実現することが可能であり、パーソナルユースの表示装
置、情報処理装置、投射型表示システムなどに有効に利
用することが可能となっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施の形態における液晶表示
装置の構成を示した断面図である。

【図２】図２は、本発明の実施の形態における液晶表示
装置のカイラルドーパントの添加時の液晶分子の自然の
捩れピッチとセル厚との比と、光の最大透過率との関係
を示した図面である。

【図３】図３は、本発明の実施の形態における液晶表示
装置の電圧無印加時の液晶分子の配向状態を模式的に示
した断面図である。

【図４】図４は、本発明の実施の形態における液晶表示
装置の電圧印加時の液晶分子の配向状態を模式的に示し
た断面図である。

【図５】図５は、本発明の実施の形態における液晶表示
装置の電圧−透過率曲線を示した図面である。

【図６】図６は、本発明の実施の形態における液晶表示
装置の一方側基板表面のアクティブマトリクスの構成を
示した平面図である。

【図７】図７は、本発明の実施の形態における液晶表示
装置を用いた投射型の表示システムの構成を示した図面
である。

【符号の説明】

１基板２基板３電極４電極５薄膜トランジスタ６垂直配向膜７垂直配向膜８液晶分子９スペーサー１０シール樹脂１１液晶層１２偏光板１３偏光板１４液晶表示装置１５光源１６光軸補正用レンズ１７投射用レンズ１８スクリーン１９ソースバスライン２０ゲートバスライン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも電極が形成された２枚の基板
が対向して配置され、該両基板間に液晶性を有する物質
からなる液晶層が封入されてなる液晶表示装置におい
て、前記２枚の基板上には、それぞれ前記液晶層の液晶分子
を該基板に対して略垂直に配向させる液晶配向膜が形成
されるとともに、該液晶層の液晶分子の自然の捩れピッ
チは、該液晶層の層厚の５倍以上であることを特徴とす
る液晶表示装置。
【請求項２】前記液晶層には、前記液晶分子に捩れを
発生させるためのカイラルドーパントが含有されている
ことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】少なくとも電極が形成された２枚の基板
が対向して配置され、該両基板間に液晶性を有する物質
からなる液晶層が封入されてなる液晶表示装置におい
て、前記２枚の基板上には、それぞれ前記液晶層の液晶分子
を該基板に対して略垂直に配向させる液晶配向膜が形成
されるとともに、前記液晶層の液晶分子は、捩れる性質
を有しないことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項４】前記液晶層は、負の誘電異方性を有する
ネマティック液晶からなることを特徴とする請求項１ま
たは３に記載の液晶表示装置。
【請求項５】前記液晶層の液晶分子は、電圧印加時に
該液晶層の層厚方向に約９０ｄｅｇの捩れ配向となるこ
とを特徴とする請求項１または３に記載の液晶表示装
置。
【請求項６】前記液晶配向膜は、前記２枚の基板間
で、９０ｄｅｇ異なる方向に、ラビング法を用いた配向
処理が施されていることを特徴とする請求項１または３
に記載の液晶表示装置。