JPH03259221A - 液晶素子 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、液晶を用いた電気光学素子に関する。

（従来の技術） 液晶素子は、少なくとも片面側に透明電極が形威された
透明基板の上に液晶を配向させる機能を有した薄膜（例
えば無機物、無機化合物の斜め方蒸着膜、ＰＶＡ（ポリ
ビニルアルコール）やポリイミド等の高分子の薄膜を基
板上に形威しラビング処理したもの等）を形威しこの面
が内を向くようにしてこの透明基板を２枚対向させ、周
囲を封着してセルとし、この２枚の透明基板の間に液晶
を注入して電気光学素子とした基本構造を持っている。

以下に述べる従来技術に関しては「液晶デバイスハンド
ブック」日本学術振興会第１４２委員会編、１９８９年
、日刊工業新聞社、３０３頁に詳しい解説がある。

ネマティック液晶を用いることによって液晶表示素子を
作成する場合には、初期配向方法の違いによって液晶分
子の長軸方向が基板に対して垂直に配向しているホメオ
トロピック配向と水平に配向しているホモジニアス配向
の２種類に大きく分ける事ができる。また、光スイッチ
ングを行うために液晶の旋光性を用いるか、複屈折性を
用いるかによって液晶素子内における液晶素子の配置状
態が異なる。これらのうちホモジニアニス配向を有し液
晶の複屈折によって光学スイッチを行う液晶素子は、初
期配向に一般に多く用いられているラビング法や斜め方
蒸着などを用いることができるため、安定した初期配向
を得ることができるという特徴がある。この素子の動作
原理は以下のようになる。入射光は偏光板を通過するこ
とにより直線偏光となり液晶セルに入射する。この直線
偏光の偏光方向を液晶の配向ベクトルと４５度をなすよ
うに配置しておくと、光は液晶中を２つの個有モードに
分かれて伝搬する。液晶を伝搬後は、２つのモード間に
次式で表される位相差δが生じる。

（Δｎ＝ｎ／／−ｎ工は液晶の屈折率異方性）このため
偏光光は、偏光軸が回転する。この回転の角度に応じて
光が偏光板から出てくる。

この素子における透過光量の強さ工は、液晶素子の厚さ
ｄと内部に注入した液晶の屈折率異方性Δｎ（＝ｎ／／
−ｎ□）の積であるΔｎｄに依存し次式によって現すこ
とが可能である。

Ｉ　＝Ａ２ｓｉｎ２（ｎΔｎｄ／λ）＝Ａ２ｓｉｎ２（
δ／ｓ）　　　　　（２）ここで、 Ａ２．入射光の強さ λ：光の波長 である。

ここで、液晶素子に対して電圧を印加すると、液晶分子
がその誘電異方性によって透明基板に対して水平から垂
直の方向に動き、その結果見かけ上のΔｎが減少するた
めに（２）式における透過光量■が変化する。（２）式
には、波長に依存する項があるため、透過光は着色し、
印加電圧の大きさに従って色が変化する。

（発明が解決しようとする課題） ところで、この方式では、電圧無印加状態で、位相差δ
を有しているため、背景に何らかの着色、光透過があり
、視覚的色コントラストの低下をまぬがれなかった。ま
た、この方式で黒表示を得るには、ΔｎがＯとなるまで
印加電圧を高くすればよいが、液晶材にもよるが、通常
８■以上の電圧を印加しなければ黒表示は得られず、こ
のような高電圧で駆動するのは実用的ではない。

一方、近年の液晶表示素子では、液晶自身は光スィッチ
としてのみ用い、白黒の切り換えを行い、カラーフィル
タによって色表示をする方式が主流となっている。とこ
ろが、ホモジニアス配向複屈折制御型の液晶素子では、
前述のように電圧の大きさにより色が変わってしまった
り、背景に着色、光透過があったりしてコントラストが
とれないなど、白黒表示には適さないという課題があっ
た。

この発明の目的は、ホモジニアス配向複屈折スイッチン
グ型の液晶素子において、着色現象を打ち消すと同時に
コントラストの高い液晶素子を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、偏光板と、基板と、電極と、ネマティック液
晶と、前記電極と対向する電極と、前記基板と対向する
基板と、偏光板とを光の入射側から出射側に向けてこの
順に設けた液晶素子において、光の入射側または出射側
の少なくとも一方の基板と偏光板との間に複屈折性の平
板を設け、前記ネマティック液晶は基板間で捻じれたネ
マティック構造をとらないで基板と平行に配向させたこ
とを特徴とする液晶素子である。

また、複屈折性の平板にかえて、２板の基板に挟まれた
ネマティック液晶を設けることもできる。

この場合の前記２ケ所に設けたネマティック液晶は基板
間で捻じれたネマティック構造をとらないで基板と平行
に配向させ、かつ、互いに液晶分子の長軸方向を直交さ
せて配置する。

（作用） 本発明は、上記素子に対して複屈折性を有する平板を重
ねることによって光学補償を行い、着色を解消するとと
もにしきい特性の急峻性を兼ね備えた液晶素子である。

以下に、この素子の原理を示す。

第１図は、本発明による液晶素子の基本構成を示す図で
ある。自然空間において光の偏波面は円偏光（ａ）を持
っている。この光が入射側の偏光板（１）を通過するこ
とによってその偏光面は直線偏光（ｂ）となりセル厚ｄ
の液晶セル（２）に垂直に入射する。このときの光の偏
光方向を、液晶の配向ベクトルと角度をもって入射させ
ると、光は液晶中において２つの固有モードに分かれて
液晶中を伝搬する。光の偏光方向を液晶の配向ベクトル
と４５度に配置すると液晶中を通過した後にはこの２つ
の固有モード間に前記（１）式で示した位相差δが生じ
る。ここで、液晶の配向ベクトルと複屈折性を有する平
板の主軸方向を直角になるように配置すると、液晶中に
おいて主軸に沿って平行に透過していた光の成分は複屈
折性を有する平板内において主軸と垂直に、逆に液晶中
において主軸と垂直に沿って透過していた光の成分は複
屈折性を有する平板内において主軸と平行に透過する事
となるので複屈折性を持つ平板内における屈折率異方性
は等価的に（−Δｎ２）とすることができる。そのため
に、複屈折性を有する平板を透過した光の持つトータル
の位相差δ′は、液晶の位相差をΔｎ１ｄ１とすると、
（ｄ２：複屈折性を有する平板の厚さ）と現すことがで
きる。（３）式において波長依存性をなくすための条件
は、液晶層と複屈折を有する平板の位相差が一致してい
る事であり、この条件が満たされたときに透過する光は
、元の直線偏光（ｄ）に戻される。したがって、出射側
の偏光板が入射側の偏光板（１）と偏光方向が直角の向
きに配置された場合、出射光側の偏光板（４）によって
光は透過する事ができず、その結果黒表示を得ることが
できる。また、液晶セル（２）に一定の電圧を印加した
場合、液晶分子が印加された電解によって初期配向状態
より変形し、その結果液晶層のΔｎ１の値が急速に減少
する。よって、（３）式における透過光の波長依存性を
なくす条件が満たされなくなるために素子を透過した光
は位相差δ′を生じ出射光側の先板（４）を透過する。

ここで、位相差δ′は従来例と異なり、０から増大する
方向にある。すなわち、従来例では、透過光が着色して
おり、印加電圧を高くするに従い色が変化するという現
象が生じた。しかし、本発明では、（３）式におけるΔ
ｎｒｄ□−Δｎ２ｄ２が約０．２５ｐｍ以下の時、光源
が白色ならば透過光も白色となり、良好な白黒表示を得
ることができる。この場合におけるΔｎの変化量はわず
かであるために、本発明の液晶素子においては、低電圧
で駆動でき、コントラストの良い白黒表示を得ることが
できる。なお、入射側と出射側の偏光板の偏光方向を平
行とした場合には、電圧無印加で白１色表示が得られ、
あるしきい電圧以上で黒表示が得られる。

以下に実施例を図面を参照して説明する。

（実施例１） 第２図（ａ）は、この発明の一実施例を示す部分断面図
である。同図に示した液晶デイスプレィは、封止材（７
）を含むセルを形成する２枚のガラス基板（５）。

（６）からなる。ここで、ガラス基板（５）および（６
）の第１主面（５ａ）および（６ａ）の側においては、
例えばＩＴＯ（インジュウム・ナイン・オキサイド）か
らなる透明電極（１０）、　（１３）が形成されている
。ガラス基板（５）および（６）は個々の第Ｉ主面（５
ａ）、　（６ａ）が対向するように配置され、一定のギ
ャップ間隔（２０ｐｍ以下、好ましくは４１１ｍ前後）
に保つためにこの第１主面（５ａ）、　（６ａ）の間に
ギャップ材（８）がランダムに分布される。また、ガラ
ス基板（５）、　（６）の第１主面（６ａ）、　（６ａ
）側には、透明電極をおおうように、それぞれ例えばポ
リイミドからなる配向膜（１１）、　（１２）が形成さ
れており、その周囲は封止材（７）によって封止される
。そしてガラス基板（５）、　（６０の間には、正の誘
電異方性（Δε〉０）を持つネマティック液晶（９）が
挟持されている。ネマティック液晶（９）の分子軸はネ
マティック液晶（９）と配向膜（１１）、　（１２）の
境界面においては、概略配向膜と平行に向いている。こ
のときのプレティルト角は数度以内であり、液晶膜（９
）内における液晶は概略平行に配列している。そして、
ガラス基板（５）の第２主面（５ｂ）側には（１４）が
配置されている。このときの偏光板の偏光方向の角度は
液晶の配向している方向と一致させてはならない。なぜ
ならば、一致させた場合においては複屈折効果が得られ
ないために光スィッチとして用いる事ができないからで
ある。複屈折効果を最大にするためには偏光板の偏光方
向と液晶の配向方向のなす角度を４５度とすれば良い。

また、ガラス基板（６０の第２主面（６ｂ）側において
は液晶層で発生した波長分散による楕円偏光を直線偏光
に直すことを目的とした複屈折性の平板、例えば−軸延
伸させた高分子フィルム（ポリビニルアルコール、ポリ
エチレンテレフタレート、ポリエチレンスルフィド、ポ
リエチレンナフタレート等）を積層させた物を配置する
。なお１、この複屈折性の平板は液晶層のΔｎｄと合わ
せるために必要なだけ積層することも可能で必ずしも１
枚とは限らない。また場合によってはガラス基板（５）
の第２主面（５ｂ）と偏光板（１４）の間に配置するこ
とも可能であるし、ガラス基板９５）の第２主面、ガラ
ス基板（６）の第２主面の両方に配置することも可能で
ある。さらに、この複屈折性を有した平板のガラス基板
（６）の第２主面と反対の表面に偏光板を、この偏光方
向が偏光板（１４）の偏光方向と９０°異なる方向（Ｏ
ｏで一致させることも可能。ただし表示色が補色関係と
なるために白と黒が反転する。）に配置する事によって
構成される。

第２図（ｂ）には、ガラス基板（６）側の偏光板（１６
）の後方に光の反射動作を行わせるために、拡散散乱さ
せるメタル製の外側反射板（１７）を配置した例を示す
。

上記液晶素子において、液晶に対して交流電圧を印加す
る事によって、実際に駆動したところ白黒表示における
コントラスト比は約３０対１であり、またしきい電圧は
１．５■であった。

（実施例２） 第３図は、第２図（ａ）における複屈折を有する平面状
の物質として第２図（ａ）の液晶セルとほぼ同じ構成の
液晶セルを用いた例を示す。第３図のように液晶セルを
光学補償板として用いる場合の素子の構成は、第２図（
ａ）の構成のうち複屈折性を有した平板（１５）を液晶
セルと置き換えた構成を有している。このときの置き換
える液晶セルの構成は、封止材（２２）を含むセルを形
成する２枚のガラス基板（１８）、　（１９）からなる
。ここで、ガラス基板（１８）および（１９）の第１主
面（１８ａ）及び（１９ａ）の側においてはガラス基板
（５）、　（６）の第１主面とは違い透明導電膜はなく
、直接ガラス表面をおおうように、それぞれ配向膜（２
０）、　（２１）が形成されている。ガラス基板（１８
）および（１９）は各々の第１主面（１８ａ）、　（１
９ａ）が対向し、配向膜のラビング方向が概略平行とな
るように配置され、一定のギャップ間隔に保つためにこ
の第１主面（１８ａ）、　（１９ａ）の間にスペーサー
（２３）がランダムに分布する。また、この周囲は接着
剤（２２）によって封止されている。そしてガラス基板
（１８）および（１９）の間には、ネマティック液晶（
２４）が挟持されており、ここでの液晶の配列状態は概
略平行である。

第４図、第３図の構成をとったときに、駆動用の液晶セ
ル（ガラス基板（５）および（６）の組み合わせからな
る）の液晶の主軸の方向と補償用の液晶セル（ガラス基
板（１８）および（１９）の組み合わせからなる）の液
晶の主軸の方向のなす角度、およぼ上下にある偏光板（
１４）、　（１６）の偏光方向のなす角度との関係を示
した図である。すなわち駆動用の液晶セルの液晶の主軸
の方向を０°とすると、偏光板（１４）の偏光方向は４
５°、補償用の液晶セルの液晶の主軸のなす角度は９０
’、また偏光板（１６）の偏光方向は１３５°とした。

上記液晶素子において、実際に駆動した時の印加電圧と
透過光量の関係を測定した結果を第５図に示す。この図
においては、透過光の波長分散性を見るために赤（波長
６２０ｎｍ）、緑（波長５５０ｎｍ）、青（波長４６０
ｎｍ）の３色における透過光の強さを示した、参考のた
めに第６図に光学補償板がない場合における同様の特性
を示す。この図からもわかる通り、光学補償セルを付加
していない第６図の特性ではＯ■の状態においてかなり
の着色がみられ、また黒を得るためにはかなりの電圧（
＞８Ｖ）を印加しなくてはならない。一方、光学補償板
を付加した素子におし）ては、電圧を印加しない状態で
黒えを得ることができ、かつ１．０Ｖ程度の低いしきい
電圧で、白を得ることができる。このときの白黒表示に
おけるコントラスト比は約３０対１であった。

（実施例３） 実施例１，２において示した構成の液晶素子において駆
動用の液晶層（第２図、第３図におけるガラス基板の（
５Ｘ６）から構成されている液晶セル）を構成している
ガラス基板（５）もしくは（６）のいずれかに（また第
１種面第２種面のどちらかに）青、緑、赤のカラーフィ
ルターを構成して、カラー表示を行った。その結果、実
施例１、実施例２のどちらの構成の場合における液晶素
子においても十分なカラー表示が可能であるということ
が判明した。この実施例を行ったときの素子の主要部に
おける断面図９１例を第７図に示す。

（実施例４） 実施例４は、実施例１，２において示した液晶素子に対
して液晶表示素子の各ドツト単位にトランジスタ、ダイ
オード等のスイッチング素子を組み合わせ駆動を行うこ
とによって（アクティブマトリクス駆動）、解像度と応
答速度の向上を目的とした例である。実施例１．２にお
いて示した構成の液晶素子において駆動用の液晶層（第
２図、第３図におけるガラス基板の０（６）から構゛戒
されている液晶セル）を構成しているガラス基板（５）
もしくは（６）のいずれかの第一主面のいずれか一方に
トランジスタもしくはダイオードを積層することによっ
てアクティブマトリクス駆動を行うことが可能となった
。その結果、実施例１、実施例２のどちらの構成の場合
における液晶素子においてもアクティブマトリクス駆動
表示が可能であるということが判明した。この実施例を
行ったときの素子の主要部における断面図の一例を第８
図に示す。

（実施例５） 実施例５は、本発明を用いた液晶素子の応用例の１つと
して、カラーフィルターを用いずにカラー表示を行い、
かつ条件によっては白黒表示も可能とする液晶表示パネ
ルについてである。

本実施例における液晶素子の基本部分構成図を第９図に
示す。

第９図よりもわかるように本実施例は基本的に実施例２
と同じ構成を持っているが、違いは光学補償用に用いて
いる液晶セルのガラス基板（１８）、　（１９）の第１
主面（１８ａ）、　（１９ａ）側のガラス基板と配向膜
（２０）、　（２１）の間に透明電極（２７）、　（２
８）が存在する事である。この構成において透明電極（
２７）、　（２８）の形は全面に均一に構成してもよい
し、ストライブ状、セグメント状等任意の形とする事も
可能である。

本実施例における液晶素子を駆動する場合において、第
２の液晶セルに対し電圧を印加せずに第１の液晶セルに
対してのみ電圧を印加する事によって駆動を行った場合
の動作は、作用の項で述べた原理に基づいて透過光の位
相差が生じないために白黒表示となりこの場合における
電圧対透過光量特性は第５図と同じとなる。一方、第２
層目の液晶セルに対して十分な電圧を印加すると、第２
層目の液晶分子がその誘電率異方性のために立ち上がる
ために、電圧を印加しない場合に有していた屈折率異方
性（Δｎ）がなくなるために第１層目において発生した
位相差が補償されずに偏光板（１６）に到達する。その
結果、第１層目に印加される電圧によって観察される光
の色が変化する。このときの色度変化の様子は一層のみ
の場合における色度の変化に一致する。

（実施例６） 本実施例は、実施例１から５までが電圧無印加時におい
て黒表示とするために、液晶セルのΔｎ１ｄ１と位相差
補償用の複屈折性の平板のΔｎ２ｄ２を一致させである
のに対して、Δｎ１ｄ□とΔ円ｄ２の初期状態を異なら
せる事によって電圧無印加時に白表示として゛電圧を印
加する事によって黒表示を行う。もしくは電圧を印加す
る事によっである一定の電圧付近で白黒表示を行う事が
可能である。第１０図に電圧無印加時に白表示となるよ
うに補償側のΔｎ２ｄ２を変化させた場合における電圧
対透過光強度特性の図を示す。これは、第２図（ａ）に
おける複屈折性を有する平板のΔｎ２ｄ２を液晶セルの
Δｎ１ｄｌと比較してΔｎ１ｄ１−０．２５＜Δ馬ｄ２
＜Δｎ１ｄ１の値としたときの特性である。

なお以上の実施例においては配向処理方法をポリイミド
を配向膜として用いた例で説明しているが、斜方蒸着膜
等の配向処理方法で実現できることは言うまでもない。

（発明の効果） 本発明の液晶素子によれば、高コントラストな白黒表示
を可能とする液晶素子を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による液晶素子の基本配置図、第２図（
ａＸｂ）は本発明一実施例の断面図、第３図は、本発明
の第二の実施例の断面図、第４図は、第３図に示した構
造を持つ液晶素子において２枚の液晶セルの分子ダイレ
クタ−の向く方向と上下にある偏光板の偏光方向の関係
を示した図、第５図は、本発明による光の透過強度と電
圧との関係を示した図、第６図は、従来技術の光の透過
強度と電圧との関係を示した図、第７図、第８図、第９
図は、本発明の他の実施例を示す断面図、第１Ｏ図は、
本発明の電圧対透過光強度特性図、 １・・・偏光板、２・・・液晶セル、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）偏光板と、基板と、電極と、ネマティック液晶と
   、前記電極と対向する電極と、前記基板と対向する基板
   と、偏光板とを光の入射側から出射側に向けてこの順に
   設けた液晶素子において、光の入射側または出射側の少
   なくとももう一方の基板と偏光板との間に複屈折性の平
   板を設け、前記ネマティック液晶は基板間で捻じれたネ
   マティック構造をとらないで基板と平行に配向させたこ
   とを特徴とする液晶素子。
2. （２）平行板と、基板と、電極と、ネマティック液晶と
   、前記電極と対向する電極と、前記基板と対向する基板
   と、偏光板とを光の入射側から出射側に向けてこの順に
   設けた液晶素子において、光の入射側または出射側の少
   なくとも一方の基板と偏光板との間に２板の基板に挟ま
   れたネマティック液晶を設け、前記２ヶ所に設けたネマ
   ティック液晶は基板間捻じれたネマティック構造をとら
   ないで基板と平行に配向させ、かつ、互いに液晶分子の
   長軸方向を直交させて配置したことを特徴とする液晶素
   子。