JPH01206320A

JPH01206320A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH01206320A
Application number: JP3078088A
Authority: JP
Inventors: Susumu Kondo; 進近藤; Tomiaki Yamamoto; 山本　富章; Hitoshi Hado; 羽藤　仁; Shoichi Matsumoto; 正一松本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-02-15
Filing date: 1988-02-15
Publication date: 1989-08-18

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、液晶表示素子に係り、特に表示色を無彩色化
した時分割駆動用液晶表示素子に関する。

（従来の技術）近年、ワードプロセラ１ノ°、パーソナル・コンピュー
タ等において表示容１の増大化や表示面積の大型化の要
求が高まるにつれ、従来のＴＮ型の液晶表示素子では、
コントラスト不足や視角範囲の狭さ等の問題が出てきて
いるために、新規な液晶表示素子が開発されている。

このような液晶表示素子として、一対の基板間で液晶分
子のツイスト角を、従来のＴＮ型の９０’に比べ１８０
〜３６０’　と大きくした、いわゆるスーパツイスト型
の液晶表示素子が提案されている。

例えば特開昭６０−１０７０２＠公報では、ツイスト角
を１８０〜３６０°　とするとともに、表示に複屈折効
果を利用したＳＢＥ　（スーパツィステッド・パイアフ
リジエンス・エフェクト）型と称する複屈折率制御型の
液晶表示素子が提案されている。

この液晶表示素子は、一対の基板の外側に設ける偏光板
の配置の仕方により、非選択状態で明るい黄色の表示、
選択状態で黒の表示が得られるイエローモードと、非選
択状態で深い青色の表示、選択状態で透過となるブルー
モードの２つのモードかめる。

ＳＢＥ型液晶表示素子では、電圧に対する透過光の変化
が急峻であり、多桁のマルチプレックス駆動をした場合
においても、高コントラストで視野角も広い。

しかし、黄色の背景に黒の表示、あるいは青色の背景に
白の表示であり、背景色は無彩色ではなく色付きがある
ため、観察者の視感により視認性評価が異なり、人によ
ってはその背景色により視認性（コントラスト等）が低
下していると評価する考もいる。また、色付きがあるた
めカラーフィルタを配設することによるカラー化が不可
能であった。

この点を改良した例として白黒表示のＯＭＩ型液晶表示
素子が提案されている（＾ｐｐ、、　ｐｈｙｓ、　Ｌｅ
ｔｕ、５０（５）　１９８７　ｐ、２３６）。すなわち
、液晶分子の捩れ角が１８０’　、リタデーションＲ−
△ｎ−ｄ−ｃＯ５２θの値が０．５〜０．６．Ｘ、偏光
板はその一方の透過軸がラビング軸と平行とされ、２枚
の偏光板の吸収軸の角度は９０’　とされている。

しかし、このＯＭＩ型液晶表示素子では、液晶の捩れ角
が１８０°　とおより大きくはなく、電圧に対する透過
光の変化はめまり急峻でなく、駆動デユーティ（ｄｕｔ
ｙ）比を小さくすると、コントラスト不足、視角の狭さ
、背景の暗さ等の問題がめった。

更に、スーパツイスト型の液晶表示素子に二色性染料を
混合した、いわゆるＧＨ（ゲストホスト）型液晶表示素
子が例えば特開昭５９−２８１３０号公報、特開昭６２
−９１６号公報で提案されている。

特開昭６２−９１６号公報で記載された液晶表示素子は
、多色性黒色色素を混合した液晶を用いて、基板間の液
晶分子の捩れ角が１８０度〜３６０度、基板間隔ｄと液
晶のピッチｐとの比ｄ／ｐを０．２〜１．０としている
。

ＧＨ型液晶表示素子では、オン状態では、色素分子は、
液晶分子とともに基板に垂直に近い状態に配列を変える
ため、色素による吸収は小さく白色となる。またオフ状
態では、液晶層１３を通過する光は、液晶分子に沿って
配列した黒色色素により吸収され、透過率は著しく低下
し、黒の表示色となる。

このＧＨ型液晶表示素子では、捩れ角を大きくとってあ
り、電圧に対する応答は、ＴＮ型よりも急峻でおる。し
かし、偏光板１枚のみ用いた場合は、表示輝度は高いが
おまり高いコントラストは得られず、また２枚用いた時
には一般に複屈折による青色がおり、色素混合により無
彩色にするのは困難でおる。また、着色を抑えるために
、多量の色素添加を行なうと応答速度、表示輝度など素
子の性能を悪化させることになり、実用上で大きな問題
となり、好ましくない。

（発明が解決しようとする課題）上述のように、複屈折効果を利用したＳＢＥ型液晶表示
素子では背景に色付きがあり、また背景に色付きがない
無彩色のＯＭＩ型液晶表示素子では高コントラストが得
られず、またＧＨ型液晶表示素子では高速応答の液晶表
示素子を得ることができなかった。

本発明は、上記従来の問題点を解決しようとするもので
は、表示が無彩色で高コントラスト、広視野角、かつ高
速応答の液晶表示素子を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の液晶表示素子は、それぞれ表面に電極が形成さ
れ、距離ｄで対向設置された一対の基板と、これら基板
の対向面に形成され、液晶分子を前記一対の基板間で１
８０〜２７０度の範囲内で所定のツイスト角φで捩れ配
向させ、かつ近接する液晶分子の長軸とがなすプレチル
ト角θが１度以上である分子配向膜と、基板間に挟持さ
れ、複屈折率△ｎが下記式を満足する所定の値である液
晶組成物と、液晶組成物に混合され少なくとも１種以上
からなり黒色を表示する二色性色素とを具備することを
特徴とする液晶表示素子でおる。

０．３５≦Δｎ−ｄ−ｃｏｓ２θ≦０．７５（作　用）本発明の液晶表示素子の作用を以下図面を用いて説明す
る。

まず、従来技術による複屈折効果により表示を行なう、
例えばＳＢＥ型液晶表示素子のセル構成と、表示原理を
第５図乃至第１０図を用いて説明する。

第５図は液晶表示素子の断面図を示す。透明電極２０．
２１と配向膜２２．２３が形成された基板２４．２５と
が５よぼ平行に設置されており、この間には液晶組成物
２６が封入されてあり、その周囲はシール剤２７で封止
固定されており、液晶セル３０となっている。このよう
なセルの上下に第１および第２の偏光板３２．３３が設
置されている。

配向膜２２．２３の液晶分子配向制御は、ラビング処理
によってなされ、ラビング方向と配向方向は一致する。

ラビング方向と偏光板の偏光軸の定義を第１１図に示す
。この図は第５図における第２の偏光板３３側上方より
見た状態であり、Ｐ、Ｐ’はそれぞれ第１．第２の偏光
板３２．３３の偏光軸、ｒ、ｒ’はそれぞれ配向膜２２
．２３のラビング軸方向を示す。

なお、第１、第２の偏光板の偏光軸の角度はラビング方
向ｒからの角度Ｐｒ、Ｐｆで定義する。

このような液晶表示素子では、第７図に示すように、オ
フ状態（電圧無印７ＪＯ１または液晶分子が充分に応答
しない程度の電圧を印加した状態）では、第１の偏光３
２を通過した直線偏光４０は、液晶分子の長軸方向が基
板２４．２５に平行に近い状態で捩れ配向している液晶
層２６を通過すると複屈折効果により一般に楕円偏向光
４２となる。この楕円の形状は、ツイスト角φ、ワタデ
ージョンＲ＝△ｎ・ｄ−ｃｏｓ２θおよび波長λにより
変化する。

従って、これが第２の偏光板３３を通過するとき偏光板
の透過軸方向の成分は波長により異なり、色付いて見え
る。

一方、オン状態（ある程度以上の電圧印加により、液晶
が電界方向に沿うように配列を変えた状態〉では、液晶
２６の分子配列は基板２４．２５に垂直に近い状態に変
化する。このとき平均チルト角をθとすると、実効的な
ワタデージョンＲ＝△ｎ・ｄ　−ｃｏｓ−θは非常に小
さくなり、第１の偏光板３２を通った直線偏光４０は複
屈折の効果を必まり受けず、はぼそのままの状態で第２
の偏光板３３に遅する。このとき第２の偏光板３３が第
１の偏光板３２に対して直交もしくはそれに近い配置な
らば、黒の表示色（前述のイエローモードに相当）、平
行もしくはそれに近い配置ならば白の表示色（ブルーモ
ードに相当）となる。

このようなセル構成において、一般に捩れ角φ、偏光板
の角度をｐｒ　、ｐｆとしたとき、透過光強度はｌｒは
次の式により与えられる。

Ｔｒ　＝　（ｃｏｓβ−ＣＯＳ　（φ＋ｐｒ−Ｐｆ）十
（ｓｉｎβ／　ｎ　＞　ｓｉｎ　　（φ十Ｐｒ−ｐｆ　
）　）２＋（ａ　　／（１＋α”））ｓｉｎ２β・Ｃ０３−（φ−
Ｐｒ−Ｐｆ） α＝（Δｎ−ｄ）・π／φλ β＝φ石７この式を用い、オフ状態で、波長λに対する透過光強度
をワタデージョンＲを変えながら求めたものを第８図か
ら第１０図に示す。

第８図ａ−ｅは、それぞれφ＝２４０度としてＲヲ０．
３．０．５．０．６．０．６．０．７及び０．９と変え
た場合の結果である。ここで偏光板はオン状態において
Ｒとはほぼ無関係に最も白く（無彩色）かつ透過率が高
くなるように、第１及び第２の偏光板３２．３３の偏向
軸を互いに一致（平行）させ、常にその状態を保ったま
まで３０度ごとに回転して計算した。なお、Ｐｒ　＝Ｐ
ｆ　＝ＰＯとし、ｐｏ＝○度、　３０度、　６０度、　
９０度、１２０度、１５０度、１８０度の場合について
計算した。

さて、上述の計算結果を検討すると以下の結論が得られ
る。

まず、φ＝２４０度の場合にはＲ＝０．６がらＲ−０，
７程度の時が、オフ状態で最も透過率が低くかつ波長依
存性が少ない。

また、Ｒが０．３５〜０．８の範囲からはずれた場合、
例えばＲ＝０．３のように小さい側ならば透過率の波長
依存性が小さいが、透過率が高いためオン状態とのコン
トラストは非常に小さくなる。一方、Ｒ＝０．９のよう
に大きい側ならば透過率の波長依浮性が大きく激しく色
付く。

なお、捩れ角φを１８０度〜２７０度の間でかえた場合
にも、上記φ＝２４０の場合と同様の傾向の結果が得ら
れる。但し、オフ状態で最も透過率が低くかつ波長依存
性が少なくなる最も好ましいリタデーションＲの値は、
φの値により少し変化し、φ＝１８０度の時は、Ｒ＝０
．５程度、φ＝２４０度の時はＲ＝０．７程度である。

それぞれの場合の計算結果を第９図および第１０図に示
す。

以上のような検討から、少量の黒色染料の添加により、
高コントラストな白黒表示を得るためには、オフ状態で
透過率が低くかつ波長依存性が少ないものが良く、リタ
デーションは０．３５〜０，７５の範囲内で選ぶのが良
いことが分る。また以上述べたような理論的検討のみで
なく、実際に液晶セルを作成することにより、高コント
ラストな白黒表示を得るにはやはりリタデーションＲは
０．３５〜０゜７５の範囲内で選ぶのが良いことが分っ
た。

次に、本発明の液晶表示素子の動作原理を第４図を用い
て説明する。

本発明の液晶表示素子は、上記のような所定の液晶表示
素子において、液晶組成物に黒色染料を添加したもので
市る。

オン状態では、黒色色素分子りは、液晶分子りとともに
基板１４．１５に垂直に近い状態に配列を変えるため、
色素りによる吸収は小ざく白色となる。

また実効的なリタデーションＲも小さいため、第１の偏
光板１８の吸収軸に対して第２の偏光板１９の偏光軸を
互いに平行かそれに近い配置にしておけば、複屈折効果
による色付きは小ざく、色素りの吸収が小さいことと併
せて白色表示となる。

一方、オフ状態では、液晶層１６を通過する光は、液晶
分子Ｌｋ：沿って配列した黒色色素りにより吸収され、
透過率は著しく低下し、黒の表示色となる。

特に本発明では、オフ状態において、複屈折による着色
が小さいので、少量の黒色染料添加により黒色表示が実
現でき、更に染料の添加量が少量で良く応答速度の低下
を招くことがなく、時分割駆動に洒する液晶表示装置が
得られる。

なお、オフ状態での複屈折による少々の色付きならば、
黒色色素の他にさらに黒以外の色素を添加することによ
り抑えることが可能である。

また偏光板の配置は上）ホのように２枚を互いに平行に
するものが高いコントラストを得るためには好ましいが
、実際には多少の色合い調整のため平行からずらしても
良い。

なお、本発明では、１８０度〜２７０度の間でツイスト
角を変えた場合にも同様の効果が１ｑられ、また液晶材
料としてはエステル系、シクロヘキサン系、ピリミジン
系その他を用いても良い。

（実施例）〈実施例１〉本発明に係る液晶表示素子の実施例を第１図乃至第４図
を用いて説明する。

第１図は本発明の液晶表示素子の断面図を示す。

透明電力１０．１１とポリイミドからなる配向膜１２，
１３が形成された基板ｉｆ！、１５とがほぼ平行に設置
されており、この間には二色性黒色色素を混合した液晶
組成物１６が封入されてあり、その周囲はエポキシ接着
剤からなるシール剤１７で封止固定されており、液晶セ
ル９となっている。このようなセルの上下に第１および
第２の偏光板１８．１９が設置されている。

配向膜１’ｌ）、１３上の液晶分子配向制御は、ラビン
グ処理によってなされ、ラビング方向と配向方向は一致
する。ラビング方向と偏光板の偏光軸の定義を第２図に
示す。この図は第１図にあける第２の偏光板１９側上方
より見た状態でおり、Ｐ、Ｐ’はそれぞれ第１．第２の
偏光板の偏光軸、ｒ、ｒ’はそれぞれ配向膜１２．１３
のラビング軸方向を示す。なあ、ラビング方向ｒ、ｒ’
は塞板間で液晶分子がツイスト角２４０度で左回りに捩
れ配向するようになされた。

第１、第２の偏光板の偏光軸の角度は「からの角度ｐｒ
、Ｐｆで定義する。セル厚ｄは６．７ミクロンとした。

液晶組成物１６としては複屈折率△ｎが０、０９３で必
り、ＮＲ４２４４（Ｆ、ホフマンラロシュ社製）に、左
回りのカイラル伺５−ａ１１＜Ｅ、メルク社製）を添加
したものを用いた。またプレチルト角は約５度である。

従って、ワタデ−ジョンＲ（△ｎ−ｄ−ｃｏｓ２θ）は
０．６２となる。

上記液晶組成物に黒色二色性色素Ｓ−３４４（三井東圧
社製）を約３ｗｔ％添加し、これを用いて液晶セルを作
成した。

第゛４図に示すようなオン、オフの動作を行なった結果
、偏光板の角度をｐｒ＝６０度、ｐｆ　＝５２度とする
ことにより、オフ状態で黒、オン状態で白のコントラス
ト比１：９の良好な表示ができた。

この時の表示色度を第３図に示すように、かなり無彩色
に近い表示色が得られた。

・て比較例〉実施例１にあけるセル構成と同条件にし、液晶組成物の
みΔｎ＝０．１３１のＺｌ−Ｉ２２９３（Ｅ。

メルク社製）ものに変えたセルを作成した。このセルは
ワタデージョンＲは０．８８となる。

この液晶表示素子ではオフ状態の時には黒色表示とはな
らず、青色を示した。この時の色度を第５図に示す。ざ
らにｌ）ｒ　、　Ｐｆをいかに設定しても、視屈折によ
る着色が強いため、黒色表示は）ｑられなかった。また
、黒色表示とするためには多量の色素を必要とし、オン
状態での表示輝度も著しく落ち、また色素による粘度上
昇のため、電界に対する応答速度も非常に遅くなり、時
分割駆動の表示素子として不適当な状態となった。

〈実施例２〉実施例１、比較例で用いたＮＲ４２４４とＺＬＩ２２９
３を３：１で混合した液晶を用い、その他は実施例１と
同様のセルを作成した。この時Δｎ＝０．１０３でおり
、ワタデージョンＲは０，６８となる。

この液晶表示素子ではオフ状態で黒、オン状態で白のコ
ントラスト比１：１０の良好な表示が得られた。またこ
の時の表示色度を第３図に示すように、かなり無彩色に
近い表示色が得られた。

〈実施例３〉実施例１と同様で、ツイスト角φを２７０度とし、液晶
材料をＮＲ４２４４とＺＬＩ２２９３を１：１で混合し
た液晶を用い、また配向膜としてプレチルト角が約１０
度が得られるポリフェニレン（ＩＣＩ社製）に変えてセ
ルを作成した。この時Δｎ＝９．１１２であり、ワタデ
ージョンＲは０．７３となる。

この液晶表示素子ではオフ状態で黒、オン状態で白のコ
ントラスト比１：１２の良好な表示が得られた。またこ
の時の表示色度を第３図に示すように、かなり無彩色に
近い表示色が得られた。

〈実施例４〉実施例１と同様で、セル厚を４．５ミクロンに変えてセ
ルを作成した。この時ワタデージョンＲは０．４２とな
る。

この液晶表示素子ではオフ状態で黒、オン状態で白のコ
ントラスト比１：１２の良好な表示が得られた。またこ
の時の表示色度を第３図に示すように、かなり無彩色に
近い表示色が（ｑられた。

［発明の効果］本発明によれば、表示が無彩色（白黒）で、高コントラ
スト、高視野角の液晶表示素子が１ｑられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の液晶表示素子の断面図、第
２図は本発明の液晶表示素子における配向方向の関係を
示す図、第３図は本発明の液晶表示素子の表示色度を示
す図、第４図は本発明の液晶表示素子の作用を説明する
図、第５図は従来例の液晶表示素子の断面図、第６図は
従来例の液晶表示素子における配向方向の関係を示す図
、第７図は従来例の液晶表示素子の作用を説明する図、
第８図乃至第７図は液晶表示素子の特性を示す図である
。第２図ｌ１１７１第６図 ζ　　　　　　　　　　　　　　　−（第７図吏：２々ｊ’　　Ｒ＝ρ６（Ｃ）第８図

Claims

【特許請求の範囲】　それぞれ表面に電極が形成され、距離ｄで対向設置さ
れた一対の基板と、これら基板の対向面に形成され、液
晶分子を前記一対の基板間で１８０〜２７０度の範囲内
で所定のツイスト角φで捩れ配向させ、かつ近接する液
晶分子の長軸とがなすプレチルト角θが１度以上である
分子配向膜と、前記基板間に挟持され、複屈折率Δｎが
下記式を満足する所定の値である液晶組成物と、前記液
晶組成物に混合され少なくとも１種以上からなり黒色を
表示する二色性色素とを具備することを特徴とする液晶
表示素子。０．３５≦Δｎ・ｄ・ｃｏｓ＾２θ≦０．７５