JPH11352487A - 液晶素子及びその駆動方法 - Google Patents
液晶素子及びその駆動方法Info
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Abstract
特性を改善する。 【解決手段】 ベンド配向構造を有する液晶層を、その
基板面方向に例えば1画素単位のように複数の領域に分
割し、各領域に少なくとも2種類の互いに異なる配向方
向を設けた液晶素子。
Description
角特性に優れ、かつ高速な液晶素子、特に液晶表示素子
及びその駆動方法に関する。
液晶セルの上下基板のラビング方向を90度回転させた
TN(Twisted Nematic)配向素子が一
般に使われているが、同一方向にラビング処理を施した
上下二枚の電極基板間にネマティック液晶を挟む配向方
式(スプレイ配向)も昔から知られている。また、この
スプレイ配向構造に電圧を印加してベンド配向構造に配
向変化させることで応答スピードを改善した液晶セル
(ベンド配向セルもしくはπセル)が1983年にBo
sらによって発表されている(SID’83 Dige
st pp30−31(1983))。
とで画質を改善した液晶セル(OCBセル)が1992
年に内田等によって発表されている。(SID’93
Digest pp277)。
晶は、液晶の応答におけるバックフロー現象を抑制する
ことによって応答性を改善、高速化したものである。
図1を用いて以下に説明する。
(b)は偏光板の偏光軸と配向方向を示す説明図であ
る。
に示したベンド配向を保持できる範囲の所定の駆動電圧
を印加する。この駆動電圧を上げると液晶層のリタデー
ション値が小さくなり、下げると大きくなる。したがっ
て、このリタデーション値の変化を光学変調に利用する
ことができる。
差補償板)としては2軸のフィルムが用いられ、この2
軸性フィルムは以下の2つの機能を有する。
タデーションを打ち消すように、位相差フィルムのリタ
デーション、すなわち(nx −ny )・d(nx ,ny
はそれぞれx、y方向の屈折率、dはフィルムの厚さ)
を設定する。この電圧値で、位相差フィルムにより液晶
層のリタデーションを相殺し「暗状態」にする。
は、電圧を印加した状態では、基板法線方向の成分が多
いため、視野角特性を悪くする原因となる。それゆえ、
視野角特性を改善するために、位相差フィルムのz方向
の成分を相対的に小さくして、液晶の基板法線方向の複
屈折成分を補償し、斜めから見た時の液晶の基板の法線
方向の屈折率を補償するようにする。
表示装置のより一層の大型化・高画質化が求められる状
況下にあっては、上記の方式による画質では不十分であ
る。
x−z面内方向では、液晶分子軸が液晶層のセル厚方向
の中心に対し対称の配置をしているため比較的よい視野
角特性が得られるが、y−z面内方向では、x−z面内
方向のように配向自体に自己補償的な配置になっていな
いため視野角特性が悪くなる。
能なベンド配向セルの特に視野角特性(視野角依存性)
の改善を図ることを目的とするものである。
成された本発明の構成は、以下の通りである。
対の基板間にベンド配向構造を有する液晶層と、一対の
電極と、少なくとも一方の基板側に配置された偏光板を
有し、該液晶層が基板面方向に複数の領域に分割され、
各領域が少なくとも2種類の互いに異なる配向方向を有
することを特徴とする液晶素子にある。
の電圧範囲の駆動電圧を印加した場合の前記液晶層が有
する最低のリタデーション値が50nm以下であること
が好ましく、特に好ましくは30nm以下である。ま
た、前記液晶層の各領域の互いに異なる配向方向が2種
類であることも好ましい。
層のリタデーションを相殺する少なくとも一枚の位相差
補償板を有し、この位相差補償板が、前記液晶層の基板
面方向に分割された各領域の互いに異なる配向方向に対
応して、互いに異なる方向に光学主軸を有する領域から
なること、また、前記基板と前記偏光板の間に、少なく
とも一枚の負の屈折率異方性を有する位相差補償板を有
することも好ましい。
素子の駆動方法であって、前記電極間に所定の電圧範囲
の駆動電圧を印加した場合に低電圧側で明状態、高電圧
側で暗状態にせしめることを特徴とする液晶素子の駆動
方法にある。
する液晶層を基板面方向で所定の領域に分割し、且つ各
領域内に互いに異なる複数の「配向方向」を持たせるこ
とによって、視野角特性を飛躍的に向上させたものであ
る。ここで「配向方向」とは、例えば図1(a)のx軸
方向を指し、より具体的には、ベント配向の液晶分子の
ベントが生じている基板法線方向の面における、基板面
と平行で且つプレチルトの立ち上がり方向を指す。
する方法は特に限定されないが、視野角特性の改善を図
る目的からすれば例えば1画素、数画素もしくは1表示
ラインに対応させて行なうなど、なるべく細かく分割す
ることが好ましい。
複数の異なる配向方向を持たせた例を図2に示した。な
お、図2中の矢印方向が配向方向を表している。
向を持たせ、図2(b)及び(c)では1画素内に4種
類の配向方向を持たせ、これらの配向方向を互いに90
°づつずらしている。このようにすることによって、互
いの配向領域が相補的に働き視野角特性が改善されるも
のである。
は1画素内)でさらに配向領域を分割すると、各配向領
域の境界は配向が乱れ良好な画質が得られない場合があ
る。このような場合には、各配向領域の境界は、例えば
図3に示すような画素中央に配置される場合が多い保持
容量ラインなどの遮光部材で遮光するのが望ましい。図
3は、アクティブマトリクスの1画素の平面的な模式図
であり、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極、画素
透明電極及び保持容量電極(保持容量ライン)から構成
されている。保持容量電極は、絶縁層(不図示)で各電
極とは絶縁されており、ゲート電極に平行に画素中心付
近に配置されている。このような配置において、図2
(a)のように1画素内に2種類の配向方向を持たせた
場合には、配向が乱れる場合の多い配向分割境界を上記
保持容量ラインで遮光させることができるため、良好な
画質を得ることができるものである。
のようにx−z方向(図1参照)の視野角特性に関して
は、基板面に平行な面に対して鏡面対称を持つ自己補償
型の配向構造をとるため、上記のように視野角特性の改
善のために液晶層の各領域に互いに異なる複数の配向方
向を持たせるに際して、配向方向は2種類で十分であ
る。また、配向方向は2種類に設定することにより、配
向膜の製造プロセスの簡略化も図られる。
域に分割した場合の、本発明のベンド配向セルと一般的
なTN配向セル(上下基板の配向方向が90°ずれた配
向)の視野角特性の比較結果は以下のようになる。な
お、視野角特性は、液晶セルの基板法線方向(正面)か
ら見た時のコントラストに対する基板法線から斜め40
°の方向から見た時のコントラストの比率で表してお
り、分割なしのセルの視野角特性の実験値を基にした簡
単なシミュレーションから算出した。
のようにx−z方向(図1参照)の視野角特性に関して
は自己補償型の配向構造をとるため、そのような構造を
持たないTN配向セルとは、同じ2分割配向を行なって
も視野角特性の改善には大きな差がある。
向セルに対して配向分割を行なうことは、視野角特性の
改善に極めて有効であることが理解される。
みならずコントラストの改善も図る場合には、次の2つ
の手法を適用することができる。
電圧を印加した時のリタデーション値を十分小さくし
て、前述のOCBセルで用いられている位相差補償板の
[第1の機能]である液晶層のリタデーションを相殺す
る機能をなくす手法である。
場合、すなわち位相差補償板を設けない場合のコントラ
ストは液晶層のリタデーションのみで決定され、正面か
らの透過率T(%)は、 T∝sin2 (Rπ/λ) (R:液晶層リタデーション(nm)、λ:入射光波長
(nm))で表される。
50nmとして本式を使用しても実用性能を知る上では
問題はない。すなわち、 T∝sin2 (Rπ/550) で表されることから、明状態表示に対応する最大透過率
は理想的にはR=275nmの時に得られる。
る観点から、暗状態表示のリタデーションは小さい方が
望ましい。また、上記の式から明状態がR=275nm
のリタデーションを持つ場合の「コントラストの暗状態
のリタデーション依存性」をグラフ化したものが図4で
ある。図4から、暗状態のリタデーションが50nm以
下で急激にコントラストが上昇することが明らかになっ
た。
あれば、実用化可能なコントラスト10以上が得られ
る。コントラストが10以上であれば、一般的なディス
プレイとしては実用上問題はない。更に望ましくは、3
0nm以下にすることでコントラストが30以上が得ら
れ、高画質なディスプレイが実現できる。なお、暗状態
のリタデーションを小さくする具体的な方法としては、
例えばベンド配向におけるプレチルト角を大きくするこ
とが挙げられる。
セルと偏光板の間に、液晶層の配向分割に対応して、互
いに異なる方向に光学主軸を有する領域からなる正の屈
折率異方性を有する位相差補償板を設ける手法である。
具体的には、例えば図5に示すように、前述の配向分割
に対応させて、位相差補償板(位相差板層)も領域分割
する手法である。
向に90°異なる2つの領域に配向分割した例であり、
その上に配置する位相差補償板も同じ領域に光学主軸の
方向をyとx方向に一致させ、液晶層と位相差補償板の
遅相軸を直交させている。すなわち、液晶層のリタデー
ションをR、位相差補償板のx,y方向の屈折率をそれ
ぞれnx ,ny 、位相差補償板の厚みをdとしたとき、
(nx −ny )・d=Rとなるようにする。こうするこ
とにより、各々の領域は、ある電圧値を印加した時の液
晶層のリタデーションを相殺することができ、十分な暗
状態を得ることができる。
ラス基板にネマティック液晶を挟持したセルに対してレ
ジスト膜などを用いてマスクラビングして液晶を配向分
割したものや、フォトマスクを用い偏光紫外線で光配向
させたものを用いることができる。また、高分子液晶や
ディスコティック液晶などを上記方法で配向させるなど
して、フィルムにして用いることもできる。
おいて、液晶層が有する最低のリタデーション値を所定
の値よりも小さくするか、もしくはセルと偏光板の間
に、液晶層の配向分割に対応させて、領域分割した位相
差補償板を設けることにより、視野角特性とコントラス
トの双方の改善を図ることができる。
前述のOCBセルで用いられている位相差補償板の[第
2の機能]、すなわち「液晶の基板の法線方向の複屈折
率を補償する機能」は、視野角特性を向上するために有
用であり、セル基板と偏光板の間に、基板の法線方向
(z軸方向)に軸を有する一軸性で負の屈折率異方性を
有する位相差補償板(nx =ny >nz )を用いるのは
有用である。
子において、駆動電圧を印加した場合の液晶層が有する
最低のリタデーション値が50nm以下であれば、位相
差補償板を設けることなく実用可能なコントラストが得
られる。このような構成(位相差補償板を設けない構
成)にあっては、低電圧側で明状態、高電圧側で暗状態
にせしめる駆動方法がとられる。一方、位相差補償板を
設ける場合には任意の駆動方法を選択することができ
る。
として好適に用いられる。また、本発明の上記表示素子
は、透過型の液晶素子、反射型の液晶素子のいずれとし
ても用いることができる。
(液晶セル)の構成および液晶の特性を以下に示す。
0.4)
記配向膜AL0656をスピナーにより塗布し、200
℃で焼成し、80nmの膜厚を得た。
域の方向に全面にラビングを行った後、パターニングし
た膜で第1の配向領域を保護し第2の配向領域のみ配向
膜を露出させて再びラビングを行う方法で、基板内に2
つの異なる配向方向をもつ領域を得た。工程の詳細を以
下に示す。
を、コットン植毛布で毛先の基板への押し込み長さを
0.3mm、ラビングローラーの径を80mmφとし、
ローラー回転数を1000rpm、基板の送りスピード
を10mm/secの条件でゲートラインに平行にラビ
ングした。その後レジスト膜(TPAR P101−D
A/東京応化(株)製)を塗布し、95℃でプリベーク
後、マスクを介してUV露光した。露光マスクは、図6
の第2の配向領域が露光されるように、作成されてい
る。なお、配向領域の境界は図3に示す保持容量ライン
によって遮光するように設定した。
(株)製)により現像し、純粋で洗浄・乾燥後、前回の
ラビングとは90°ずらした方向(図6に図示)にラビ
ングを先と同様の条件で行った。次に、レジスト剥離液
(PEAL−3/東京応化(株)製)によりレジストを
剥離した。以上がTFT基板側の2領域の配向方向分割
の工程であるが、対向する対向電極基板も、TFT基板
とラビングが平行になるように同様のラビング処理をし
た。
(4.5μmφ)を対向基板側に散布し表示領域外周に
接着剤を塗り張り合わせ後、加熱圧着してセル厚4.5
μmのセルを得た。
スタルローテーション法により測定したところ、プレチ
ルトは6°であった。
し、駆動ドライバーを実装するなど駆動系部品を接続し
てセルが完成し、ラビング方向に45°に透過軸と吸収
軸が合致するようにセルの上下にクロスニコル偏光板を
設置した。
るために、ゲート電極にゲート信号を順次印加し、それ
と同期して±10Vのソース電圧を5分間印加して、ベ
ンド状態に転移させた。ベンド状態を保持できる臨界電
圧が2.0Vであり、液晶に印加される駆動電圧を±
2.0V〜±15Vでそれぞれ明状態および暗状態を表
示した。この時の電圧−透過率曲線を図7に示した。液
晶層に15V印加時の液晶層のリタデーション値は20
nm程度であり、2V印加時は150nmであった。
1が得られた。また、セル内でコントラストのばらつき
の少ない良好な画質が得られた。
測定し、視野角特性を評価した。その結果、セルの法線
から45°の傾き角でコントラスト10以上が確認され
良好な視野角特性が得られた。
もさらに視野角特性を良くするために、偏光板と液晶セ
ルとの間に、基板法線方向に軸を有する負の位相差補償
フィルムを挿入した。
ら50°の傾き角でコントラスト10以上が確認され良
好な視野角特性が得られた。
を用いた点、及び配向処理をラビング処理から配向膜へ
の光偏光配向に変更した点以外は、実施例1と同様であ
る。
n:0.159、Δε:7.9)
うにして行った。
ルシンナメートを用いた。ポリビニルシンナメートをス
ピナーで100nmの膜厚に形成した。その後80℃で
2分間プリベークを行った。次に第1の配向領域(図6
参照)に対応した部分のみにマスクを用いて365nm
の偏光紫外線を露光した。露光は、2ステップに分け、
最初は基板の法線方向に平行に180秒間(第1露
光)、次に斜め45°方向から180秒間(第2露
光)、3mWの照度で露光した。この時の照射方向・偏
光方向・液晶配向方向は図8のようになる。
行なうため、フォトマスクを用いて、第1の配向領域と
は90°異なる角度で偏光紫外線を照射した。
±10Vを印加しベンド配向を得た。
きる臨界電圧が3.0Vであり、液晶に印加される駆動
電圧を±3.0V〜±15Vでそれぞれ明状態および暗
状態を表示した。この状態で正面のコントラスト比は3
0:1が得られた。また、セル内でコントラストのばら
つきが極めて小さい良好な画質が得られた。
測定し、視野角特性を評価した。その結果、セルの法線
から45°の傾き角でコントラスト10以上が確認され
良好な視野角特性が得られた。
合配向膜で高プレチルトを実現し、表示駆動前のベンド
化電圧印加処理をなくしたところが実施例1と異なる。
平配向させる第二の配向膜を混合することによって、プ
レチルト角を水平配向膜のプレチルト角と垂直配向膜の
プレチルトの中間の値に制御したことを特徴としてい
る。
用いて上下基板とも同一方向にラビング処理を行なって
いる。
−1211を用い、第二の配向膜としては日本合成ゴム
社製のAL−0656を用いた。混合配向膜中の第一の
配向膜の割合を1%〜10%の間に設定した。
ド配向が得られる。なお、セル内のプレチルトのムラな
どのために電圧無印加状態でベンド配向転移が全面に及
ばない場合であっても、下記の駆動電圧の印加によって
ベンド化を行うことができるため、従来のような長時間
のベンド化処理は必要としない。
合比の割合が異なり、膜厚が30nmでは垂直配向膜の
混合比率は2.5%〜7.5%であり、膜厚80nmで
は1%〜5%であった。膜厚30nmで垂直配向膜の混
合比率を5%にした場合には、液晶のプレチルト角度は
約36°〜45°であった。
はnBCもしくはNMPであり、第二の配向膜の焼成前
溶液の主溶媒はNMPであった。混合配向膜の焼成温度
は200℃で1時間行った。
を上下基板でラビング方向が同じになるようにラビング
処理を行なった。ラビング条件は、コットン植毛布で毛
先の基板への押し込み長さを0.3mm、ラビングロー
ラーの径を80mmφとし、ローラー回転数を1000
rpm、基板の送りスピードを50mm/secに設定
して行った。
ジスト膜のパターニングを用いたマスクラビングを用い
て配向方向が90°異なる2つの配向領域を得た。
0.6μmφのスペーサーを介して張り合わせることに
より液晶セルを構成し、チッソ社製の液晶KN−503
0(フッ素系ネマティック液晶)を注入することによっ
て液晶セルを構成した。
±15Vでそれぞれ明状態および暗状態を表示した。液
晶層に15V印加時(暗状態表示時)の液晶層のリタデ
ーション値は20nm程度であり、1V印加時(明状態
表示時)は150nmであった。
1が得られた。また、セル内でコントラストのばらつき
が極めて小さい良好な画質が得られた。
測定し、視野角特性を評価した。その結果、セルの法線
から45°の傾き角でコントラスト10以上が確認され
良好な視野角特性が得られた。
基板界面からの変位が容易で電界印加状態でのリタデー
ションを減少させる配向手法の例である。
るリタデーションR1 に対して5Vの電圧を印加したと
きのレタデーションR2 の比率を考える。
向膜AL−0656を30nmの厚みに形成し、上下基
板同一方向にラビングを行った。具体的には、コットン
植毛布で毛先の基板への押し込みを0.3mm、ラビン
グドラムの径を80mmφとし、回転数を1000rp
m、基板の送りスピードを50mm毎秒とする処理を行
った。
マティック液晶KN−5027を注入した。このセルで
は、7Vの電圧を印加することによって、初期状態であ
るスプレイ配向状態からベンドドメインを形成させるこ
とができる。このベンド配向状態を電圧をかけて保持す
るために2.0V必要であるが、この時のリタデーショ
ンは340nmであった。さらに5Vを印加したときの
リタデーションは150nmであった。したがって、ξ
=R1 /R2 =2.13である。
向膜としてはポリビニルシンナメートにフッ素基を付加
したものを用いる。この光配向膜の調整・処理方法は実
施例3と同様である。
イプ状に露光を行いUVの未照射部分で液晶分子を垂直
配向させ、垂直配向部分(A部)を形成し、一方、偏光
UVを照射して偏光方向と直交方向に液晶分子を一軸配
向させる水平配向部分(B部)を形成し、それらをミク
ロンオーダーの間隔で混在させた場合には水平配向部分
の影響で本来垂直配向する部分の配向も垂直から水平方
向へ変化している。ここでA部の寸法は1μm以下であ
り、B部の寸法は2〜3μmとその2倍以上に設定し
た。この露光パターンはB部面積をA部面積に比べて大
きく取ることが比較的有効だが、ストライプ以外の市松
など他のパターンも考えられる。
5027を注入して、7Vの電圧を印加することによっ
て、初期状態であるスプレイ配向状態からベンドドメイ
ンを形成させることができる。このベンド配向状態を電
圧をかけて保持するために2.0V必要であるが、この
時リタデーションは280nmであった。さらに5Vを
印加したときのリタデーションは約15nmであった。
したがって、ξ=R1/R2 =18.7である。
90度クロスさせた2枚の偏光子の一方の吸収軸から4
5度ずらした方向に設定することで、2.0Vで明状
態、5.0Vで暗状態を表示した場合にはコントラスト
は約80になった。さらに、オン電圧を8Vまで引き上
げると電圧印加時のリタデーションは約10nmにな
り、コントラストは160のものが得られた。この場合
はξ=R1 /R2 =28.0である。この値を前記の比
較用セルのような従来のポリイミド配向膜の値と比較す
ると1桁以上小さくなっており、電圧印加状態でのリタ
デーションの値が大きく減少していることがわかる。従
来のベンド配向に位相差フィルムを用いて消光状態をと
る方式の場合でも位相差板の位相差公差とセル厚の分布
を考えると電圧印加時のリタデーションが約10nmに
なれば、位相補償しなくてもコントラストに関して十分
な値をとることができる。
V〜8Vの駆動で10ms以下(室温)の高速性を示し
た。
セルに適用し、配向方向が90°異なる2つのドメイン
で画素を構成することにより視野角特性を改善すること
ができる。
分子が平均的には基板に略平行に配向するが液晶分子と
配向膜との相互作用を小さくすることにより電圧印加時
になお残留するリタデーション値を少なくすることがで
き、位相差フィルムによる位相補償を必要としない高速
応答素子を構成することができた。また、2つの方向の
配向を画素内で造り込むことにより視野角特性の改善さ
れた高速応答素子を構成することができる。このように
位相差フィルムを用いない場合には位相差フィルムのリ
タデーションばらつきや、界面による多重反射の影響が
ないためにコントラストを位相差フィルムを用いたもの
に比べ改善できる。
高速応答性に優れるベンド配向セルの特に視野角特性を
極めて効果的に改善することができる。また、液晶層が
有する最低のリタデーション値を特定の値よりも小さく
するか、もしくはセルと偏光板の間に、液晶層の配向分
割に対応させて、領域分割した位相差補償板を設けるこ
とにより、視野角特性とコントラストの双方の改善を図
ることができる。これにより、液晶セル内のコントラス
トばらつきを抑えられた良好な画質の液晶表示素子を提
供することができる。
る。
図である。
ストの関係を示す図である。
ける光学主軸分割の対応を説明するための図である。
を示す図である。
を示す図である。
めの図である。
配向膜の最適混合比率を示す図である。
するための図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 一対の基板と、該一対の基板間にベンド
配向構造を有する液晶層と、一対の電極と、少なくとも
一方の基板側に配置された偏光板を有し、該液晶層が基
板面方向に複数の領域に分割され、各領域が少なくとも
2種類の互いに異なる配向方向を有することを特徴とす
る液晶素子。 - 【請求項2】 前記電極間に所定の電圧範囲の駆動電圧
を印加した場合の前記液晶層が有する最低のリタデーシ
ョン値が50nm以下であることを特徴とする請求項1
に記載の液晶素子。 - 【請求項3】 前記電極間に所定の電圧範囲の駆動電圧
を印加した場合の前記液晶層が有する最低のリタデーシ
ョン値が30nm以下であることを特徴とする請求項1
に記載の液晶素子。 - 【請求項4】 前記液晶層の各領域の互いに異なる配向
方向が2種類であることを特徴とする請求項1〜3のい
ずれかに記載の液晶素子。 - 【請求項5】 前記基板と前記偏光板の間に、液晶層の
リタデーションを相殺する少なくとも一枚の位相差補償
板を有し、該位相差補償板が、前記液晶層の基板面方向
に分割された各領域の互いに異なる配向方向に対応し
て、互いに異なる方向に光学主軸を有する領域からなる
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の液晶
素子。 - 【請求項6】 前記基板と前記偏光板の間に、少なくと
も一枚の負の屈折率異方性を有する位相差補償板を有す
ることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の液
晶素子。 - 【請求項7】 請求項1〜4のいずれかに記載の液晶素
子の駆動方法であって、前記電極間に所定の電圧範囲の
駆動電圧を印加した場合に低電圧側で明状態、高電圧側
で暗状態にせしめることを特徴とする液晶素子の駆動方
法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16209898A JP3937587B2 (ja) | 1998-06-10 | 1998-06-10 | 液晶素子 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16209898A JP3937587B2 (ja) | 1998-06-10 | 1998-06-10 | 液晶素子 |
Publications (2)
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JPH11352487A true JPH11352487A (ja) | 1999-12-24 |
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ID=15748032
Family Applications (1)
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