JPS63155034A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 本発明は、リフレッシュ駆動可能な大容量液晶表示素子
において、応答速度が遅い、視野角が狭い、コントラス
ト比が低いという従来の問題点を解決するため、液晶表
示素子を構成する基板表面上の液晶配向膜による液晶分
子配向規制力によってコレステリック相液晶のら旋構造
を解消し、強力な液晶分子配向規制力で液晶分子をユニ
ホームに配列させ、電界印加で旋光性を有する液晶分子
の向きをわずかに変えることで、入射光の旋光度を変え
、透過光量を大きく変えることにより、大容量表示、高
速応答、広い視野角、および高いコントラスト比を実現
するものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は液晶表示素子に関し、更に詳しくはりフレッシ
ュ駆動による大容量表示液晶表示素子の高速応答化、広
視野角化、および高コントラスト化を実現するための液
晶表示素子に関する。

〔従来技術および発明が解決しようとする問題点〕液晶
表示は電卓、腕時計からハンドベルトコンピュータ、ワ
ードプロセッサ、携帯用テレビに至るまで多種多様な用
途が開発されている。このような状況の中で、液晶表示
素子には最近特に、従来のＣＲＴ　（陰極線管）に代わ
るディスプレイ装置としての役割が求められるようにな
って来ている。ＣＲＴは発光ディスプレイであり作業者
の眼精疲労が、また奥行きが深いため装置全体の奥行き
が大きくなることおよびデザイン上の制約があるなどの
理由から、目がつかれない反射型でコンパクトなフラン
ドパネルディスプレイが強く求められている。液晶表示
はこの目的に最も近い素子として一部使われ出してはい
るものの、機能的にはＣＲＴに今−歩追いついていない
のが現状である。特に表示速度に関しては、一画面あた
り数百ミリ秒と遅いため、動画表示には事実上用いられ
ない。また、単位時間あたりの書き換え回数を減らして
表示することにより疑似的動画表示を行うことは可能で
あるが、視野角がせばまる、コントラスト比が低下する
などの問題が生ずるため、高速応答、広視野角、高コン
トラスト比が可能な液晶表示素子が強く求められている
。

ところで、従来のリフレッシュ駆動液晶表示にはツイス
テッドネマテインク（ＴＮ）型あるいは、ＴＮの変形で
あるスーパーツイスト複屈折効果（ＳＢＥ）型がある。

どちらの表示モードも第４図に示すように液晶を平行配
向させ上下基板に施す配向処理によって液晶分子を連続
的に上から下にかけて９０度から２７０度ひねったもの
である。

このパネルを２枚の偏光フィルム中に置き、電界のオン
／オフによって液晶分子の並び方を変えることにより表
示を行うものである。

ところでワードプロセッサ、ハンドベルトコンピュータ
などに一部使われているＴ’Ｎ−、ＳＢＥはりフレッシ
ュ駆動であり、ある程度の大容量表示が可能である。こ
のため、これらはキャラクタディスプレイとして用いら
れている。ＴＮ型および、ＳＢＥ型は第４図に示すよう
に基板に対し水平に配向した液晶分子を、上基板から下
基板にかけてひねっており、基板に対し垂直方向から入
射した光に対し、液晶層全体として複屈折効果を持ち、
光の振動方向のスイッチを行っている。このように従来
タイプのＴＮ、ＳＢＥでは、液晶分子集団の連続的方向
転換に伴う光の振動面の回転によって表示を行うため、
駆動用電界が印加されると液晶分子同志の相互作用に打
ち勝って個々の液晶分子が水平配向から垂直配向に方向
転換するのに数十ミリ−数百ミリ秒を要する。特に大容
量表示が可能なＳＢＥではマトリクス電極による時分割
駆動において選択点に印加される実効電圧Ｖ、と非選択
点に印加される実効電圧Ｖ　Ｎ　３の比Ｖｓ／ＶＰｓが
小さくとれる、すなわち印加電圧に対する光透過率の立
上りが急峻であるため、選択点と非ｉ！沢点のスイッチ
ング時の印加電圧値が小さく、その結果液晶分子の向き
を変える力が弱くなり応答が遅くなる。これは、上基板
から下基板にかけて連続的に液晶分子の向きを変えるた
め、液晶層の厚み方向に沿って、液晶分子を配向させる
力に連続的な勾配を持つ結果、電界印加時、配向力の弱
い所から徐々に向きを変えるためである。さらに、応答
時間は遅いものの比較的高コントラスト比で大容量表示
可能なＳＢＥは、表示の背景に黄色又は紺色の色がつく
ため、カラーフィルタ方式のカラー表示が事実上できな
いという欠点がある。

このような状況に鑑み、以上の問題点を解決せんとして
強誘電性液晶を利用する表示素子が提案されている。す
なわち、Ｎｏｅｌ　、Ａ、ＣＩａｒｋらによって報告さ
れた強誘電性液晶表示（Ｆ　Ｌ　Ｃ）は、（Ａｐｐｌ、
Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ、、３６８９９　（１９８０））ス
メクティソクＣ又はスメクティソクＨ相液晶を基板に平
行に配向させることを特徴としている。スメクティソク
Ｃ、スメクティソクＨ液晶は基板に平行にユニボームに
配列することによって基板に上向き又は下向きに個々の
液晶分子の双極子モーメントの向きがそろい、その結果
自発分極が発生する。この自発分極の基板に対する向き
を上・下反転させることによって光のスイッチングを行
う方法がＦＬＣである。ＦＬＣは液晶の自発分極を駆動
源とするため、外部電界と自発分極の強いカップリング
により高速応答可能、一度反転した自発分極は再び逆極
性の電界を印加しない限り前の状態を維持するというメ
モリ機能を有している。

しかし、ＦＬＣは層構造を持つスメクティソクＣ、スメ
クティソクＨ液晶を用いるため、層構造をくずさずに個
々の分子を基板に平行に配向させることが困難であるば
かりか、仮に所望の配向が得られたとしても、層構造は
熱的に不安定であるためヒートサイクル、メカニカルシ
ョックなどによってこわれやすいという欠点があった。

〔問題点を解決するための手段、作用および発明の効果〕

本発明は、以上説明した諸問題を全て解決し、応答速度
が速くしかも視野角度が広く大容量表示を可能とする液
晶表示を提供するものであり、この液晶表示は、液晶組
成物の少くとも一構成成分が旋光性を有する化合物を含
み、電界無印加時においてコレステリック相を示す液晶
組成物を、個々の液晶分子の長軸が互いに平行でありか
つ、少くとも一方が透明な電極付基板表面に対し同一方
向を向き、かつ分子の長軸が該基板表面に対し一様に平
行、垂直あるいは傾斜配列したことを特徴とする。

ここで分子長軸とは、棒状液晶分子の長手方向の軸を意
味するものとする。

すなわち、本発明はコレステリック相を示す液晶をパネ
ルギャップの狭いセル内に封入し、液晶分子配向膜によ
る液晶分子配向規制力をパネルの上基板から下基板まで
均一に近い状態で働かせることにより液晶分子をある特
定の方向（例えば基板に平行、垂直、傾斜等）に配向さ
せ、コレステリック相のら層構造を解消させることによ
って大容量表示と高速表示を同時に可能ならしめるもの
である。つまり、本発明の液晶表示素子は、本来ら層構
造を示すコレステリック相液晶を配向規制力によって強
制的にユニホーム配向させることをその本質とする。こ
の配向させた液晶を以下ＰＡＣ（Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ａ
ｌｉｇｎｅｄ　Ｃｈｉｒａｌｎｅｍａｔｉｃ）　　と呼
ぶ。

本発明においてコレステリック相液晶は、コレステリッ
ク液晶（ステロイド系液晶）、カイラルネマティック液
晶、ネマティック液晶およびコレステリック液晶又はカ
イラルネマティック液晶の混合液晶（コレステリック液
晶、カイラルネマティック液晶の組成比は混合組成物全
体の３重量％以上）、あるいはネマティック液晶および
液晶との相溶性が十分にある光学活性物質（例えば、ｌ
−メントール又はｌ−アドレナリン）との混合物（光学
活性物質の混合比率は混合物全体の３重量％以上）のい
ずれかである。また、コレステリ。

り相液晶は室温、電界無印加時に示すら旋ピンチの大き
さが１．５μｍ以下である。これは、ら旋ピンチが長い
液晶では、パネル内に封入し、強い配向規制力でら旋を
ほどいても旋光性が十分大きくならないため、光のスイ
ッチングが不十分となるためである。一般に、ら旋解消
状態では、ら旋ピンチが短いほど旋光能が高くなるため
、効果的な表示を行うためには１．５μｍ以下のピンチ
長にする必要がある。

またコレステリック相液晶の、基板表面上の液高配向膜
との界面相互作用によって配向規制を受ける層（アンカ
リング層）の厚さは、液晶層全体の厚さの１／３以上を
必要とする。

ＰＡＣでは上基板から下基板にかけて一様に液晶を配列
させるところに特徴がある。すなわち一様に配列してい
るために印加電界に対しどの部分の液晶も一様に応答す
る。このとき、液晶を一様に配列させるための配向規制
力が弱い、すなちアンカリング層の厚さが薄いと印加し
た電界にすく液晶分子が応答してしまうため、明確なし
きい値（電界−光透過率）がなくなりリフレッシュ駆動
による大容量表示が不可能となる。従って、しきい値を
急峻にして大容量表示を行うためには、できるだけアン
カリング層を厚くして印加電界に対し液晶分子の動きを
規制する必要がある。このためにはアンカリング層の厚
さが、液晶層全体の１／３以上なければならない。１／
３あれば、液晶分子同志の分子間相互作用によりアンカ
リング層以外の液晶も強く規制されるからである。しか
し、アンカリング層は厚いほど、有効であることは言う
までもない。

第１図は本発明の液晶表示素子の一例を示すものである
。ガラス基板１には透明電極２が設けられこの透明電極
表面には配向膜３が付着せられている。この配向膜は、
有機ポリマーを電極に塗布又は無機化合物を電極に蒸着
して成る。このように構成したセルにコレステリック相
液晶５を封入しパネルを構成する。更に実施にあたって
偏光フィルム４をパネルに取りつける。

このように構成した液晶表示素子に電界を印加し駆動さ
せた場合、パネルギャップが狭いことに起因し、前記の
ように液晶分子配向膜による分子配向規制力（アンカリ
ング）が上基板から下基板までずっと働くことにより、
全ての液晶分子は基板に平行、垂直、傾斜（第１図では
やや傾斜）状態でユニホームに配向する。

配向規制力によってら層構造を解消したコレステリック
相液晶を、基板に平行、垂直あるいは傾斜配向させ、個
々の液晶分子が互いに平行に配向したユニホーム状態に
すると液晶分子は配向規制力によって強い力で固定され
る。

このような状態のパネルをクロスニコルあるいはクロス
ニコルに近い交叉角を持つ２枚の偏光板４の間に置くと
、ユニホーム配列した旋光能を有するカイラルネマティ
ック液晶（コレステリック液晶）により液晶層全体とし
て複屈折を示す。その結果、偏光板により振動面をそろ
えられた入射光は、液晶層によって旋光され、第２の偏
光板の偏光面と合致し、これを透過し明状態となる。こ
の状態を第２図（ａ）に示す。尚第２図中、２はガラス
基板を示す。このガラス基板の構成は第１図と同じであ
り透明電極と配向膜を設けたものである。

一方、ユニホーム配向した液晶に電界が印加されると、
電界と液晶に誘起された誘起分極がカップリングして液
晶分子を回転させようとするトルクが働く。従来のＴＮ
、ＳＢＥでは、このトルクが、パネル中央部に働く配向
規制力に比べて゛格段に強かったため、中央部から基板
界面部に向って徐々に液晶分子はその向きを変えて行く
。ところが、ＰＡＣにおいては、パネル中央部、基板界
面部ともに配向規制力が強力に働いているため、〜ｌＯ
■程度の印加電圧では分子の向きを十分に変える（横配
向の分子を縦配向にする）までに至らない。しかしＰＡ
ＣではＴＮ、ＳＢＥと異なり、液晶分子そのものが旋光
能を有しているため、〜１０Ｖ程度の電圧でわずかに、
液晶分子を無電界時の平衡位置からずらしただけで液晶
層全体の旋光度が変わり暗状態となり（第２図（ｂ））
クロスニコル下で光スイッチングが可能となる。このよ
うにＰＡＣでは強い配向規制力で支えられた旋光能を持
つ液晶分子を比較的弱い電界でほんのわずか駆動するこ
とで光のスイッチングができるため、非常に高速かつ高
コントラスト比、広視野角、立上り急峻性に優れた液晶
表示が可能となる。

高速スイッチングの理由としては、第１に、液晶分子の
配向変化の度合いが空間的に小さいこと、第２に液晶層
全体が同時に個々の液晶分子の向きを変えることがある
。

高コントラスト比の理由としては、液晶がＴＮ。

ＳＢＥと異なりユニホームな配列を取るため、効率の高
い光スイッチングができるからである。

また、広視野角は、ＰＡＣではＴＮ、ＳＢＥと異なり液
晶層を形成する個々の液晶分子がユニホームな状態とな
っているため、入射角度依存性がＴＮ、ＳＢＥより小さ
くなるためである。

また、急峻性が良い理由は、強い配向規制力が均一に近
い力で液晶層全体に働いているために、印加電界がある
しきい値を越えた時はじめて、液晶分子全体が移動する
からである。

さらにその結果として、ＰＡＣではＳＢＥと異なり表示
背景に色が付かない表示ができるため、従来のモザイク
状カラーフィルタと組み合わせたタイプのフルカラー表
示が可能である。

以下、更に本発明を実施例により説明するが、本発明が
この例に限定されないことはもとよりである。

〔実施例〕

透明導電膜（ＩＴＯ）付ガラス基板を洗浄、乾燥した後
、該ガラス基板にイオンブレーティング装置を用いて、
フン化マグネシウム（ＭｇＦｚ）をプラズマ出カフ０Ｗ
で蒸着した。これをラビングし、ラビング方向が平行に
なるように２枚の基板を配して０．７μｍ粒径のアルミ
ナ（Ａ　ｌ　２０．）をスペーサとして液晶パネルを構
成した。このパネルにＲＯＣＨＥ社製のネマティック混
合液晶Ｎｒ　２８０１およびＢＤＩ］社のカイラルネマ
テインク液晶ＣＢ−１５の８０：２０重量組成比から成
るコレステリック相液晶を封入した。なおこの混合液晶
のら旋ピッチは２５℃において０．７μｍであった。ま
た、液晶層の厚さくパネルギャップ）は実測で１．５μ
ｍであった。

さらに、この液晶パネルにおける配向膜のアンカリング
層の厚さく強い配向規制力の及ぶ液晶層の厚さ）を、パ
ネルギャップを変えてそれぞれの旋光度を旋光度針を用
いて測定したところ上下基板ともそれぞれ０．６μｍす
なわち１．２μｍであることがわかった。本方法による
アンカリング層の測定方法は本発明者等発明による液晶
アンカリング層の層厚測定方法（特廟昭６Ｏ−１８４４
５）に詳細に報告されている。

液晶封入後、クロスニコルに設定した偏光顕微鏡にパネ
ルをセットし、パルス発注器を用いて一６Ｖのオフセッ
トをかけたＩ　Ｋ）Ｉｚの矩形波（±）を印加して（−
６■のバイアス電圧を印加し、ｌにｆｌｚの上知形波を
印加）、印加電圧に対する応答時間（立上りで、および
立下りて４、τｒ　：光透過率１０−１００％変化に要
する時間、τ、：光透過率９０−０％に要する時間）を
測定した。結果を第３図に示す。この図から明らかなよ
うに約±６Ｖの駆動電圧においてτ１、τ４ともに１８
０μｓの応答を示すことを確認した。これは従来のりフ
レッシュ駆動によるＴＮ、ＳＢＨの一画面応答時間（例
えば６４０　Ｘ　４００絵素のパネル）が数百ミリ秒で
あるのと比較して約１０００倍の速さである。

また、印加電圧に対する光透過率の立上り、いわゆる立
上り急峻性を測定したところ、ＴＮ。

ＳＢＥと同様の電圧平均化法によるリフレッシュ駆動を
行った時、コントラスト比４：１（ｉ３過光量比）以上
にできるデユーティ比は１　／３００以下であり、３０
０本以上の走査線数を設定できＯＡ用ラフラットパネル
ディスプレイ必要な大容量化に対応可能なことがわかっ
た。

コントラスト比については、バイアス電圧依存性が大き
い。最大コントラスト比はバイアス電圧＋５Ｖのとき得
られ１５：１（ｉ３過光量比）であった。また、バイア
ス電圧を印加しない時は約７＝１であった。

また、コントラスト比の入射角度依存性を測定したとこ
ろ、コントラスト比４：１以上となる入射角度（基板法
線と入射光とのなす角度）が２５度（法線の両側に対し
５０度の開き角）と広くとれることがわかった。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したようにコレステリック相液晶を用
い、基板界面の液晶分子配向規制力によって液晶分子を
ユニホームに配向させるように構成したものである。こ
こで、配向方向は、前述のように平行配向に限らず垂直
配向、傾斜配向のいずれであってもよい。

本発明をこのように構成したことより、従来のＴＮ、Ｓ
ＢＥと同様の駆動回路、ＩＣ等を用いながらもＯＡ用フ
ラノドパ矛ルディスプレイに必要な大容量表示が従来液
晶に比べて少くとも数百倍以上の高速で可能となり、高
コントラスト比、広い視野角とともに従来不可能であっ
た大容量ビデオ表示が可能となる。

更に本発明のＰＡＣではコレステリック相液晶を用いて
いる。従って、強誘電性液晶表示（ＦＬＣ）における如
く層構造を保つ必要はない。従って、液晶の配向が容易
に得られかつ配向状態は熱的に安定であるため、駆動安
定性が高い効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はＰＡＣのパネル構成を示す説明図であり、第２
図（ａ）および第２図（ｂ）はそれぞれＰＡＣの駆動原
理を説明する図であり、第３図はＰＡＣの応答時間の実
測データを示すグラフであり、第４図は従来のＴＮの駆
動原理を示す説明図である。 １・・・ガラス基板、　２・・・透明電極、３・・・配
向膜、　　　４・・・偏光板、５・・・液晶分子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液晶組成物の少くとも一構成成分が旋光性を有する
   化合物を含み、電界無印加時においてコレステリック相
   を示す液晶組成物を、個々の液晶分子の長軸が互いに平
   行でありかつ、少くとも一方が透明な電極付基板表面に
   対し同一方向を向き、かつ分子の長軸が基板表面に対し
   一様に平行、垂直あるいは傾斜配列したことを特徴とす
   る液晶表示素子。 ２、コレステリック相液晶が、コレステリック液晶（ス
   テロイド系液晶）、カイラルネマティック液晶、ネマテ
   ィック液晶およびコレステリック液晶又はカイラルネマ
   ティック液晶の混合液晶（コレステリック液晶、カイラ
   ルネマティック液晶の組成比は混合組成物全体の３重量
   ％以上）、あるいはネマティック液晶および液晶との相
   溶性が十分にある光学活性物質との混合物（光学活性物
   質の混合比率は混合物全体の３重量％以上）のいずれか
   である特許請求の範囲第１項記載の液晶表示素子。 ３、コレステリック相液晶が、室温、電界無印加時に示
   すら旋ピッチの大きさが１．５μｍ以下である特許請求
   の範囲第１項又は第２項記載の液晶表示素子。 ４、光学活性物質がｌ−メントル又はｌ−アドレナリン
   である特許請求の範囲第４項記載の液晶表示素子。 ５、２枚の偏光フィルムにはさまれた構造の液晶パネル
   を用いる、特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに
   記載の液晶表示素子。 ６、コレステリック相液晶の、基板表面上の液晶配向膜
   との界面相互作用によって配向規制を受ける層（アンカ
   リング層）の厚さが、液晶層全体の厚さの１／３以上で
   ある、特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載
   の液晶表示素子。