JPH03291626A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、液晶表示素子に関し、さらに詳しくは液晶性
高分子を色補償板としたスーパーツィステッドネマティ
ック（ＳＴＮ）型液晶表示素子に関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題）従来主
に用いられてきた液晶表示素子の表示モードは、ツイス
テッドネマテインク（ＴＮ）型と呼ばれ、一対の上下基
板間で液晶分子が約９０°ねじれた構造をとっており、
液晶による偏光面の回転と電圧印加時におけるその効果
の消失を利用している。この表示方式は、白黒表示であ
るため優れたシャッター効果がありカラーフィルターを
画素ごとに設けることにより比較的容易に多色表示がで
きるという利点があるが、電圧−透過率特性のしきい値
特性が悪いため高時分割廓動が困難であるという欠点が
あり、大容量表示ではコントラスト低下や視野角が狭く
なる等の問題があった。

そこで電圧−透過率特性の急峻性を改良すべく液晶分子
のねじれ角を大きくし、偏光板の偏光軸を液晶の配向方
向とずらすことにより液晶による複屈折効果を利用する
方式が提案され、ＳＢＥ（ｓｕｐｅｒｔｗｉｓｔｅｄ　
ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅｅｆｆｅｃｔ）または５Ｔ
Ｎ（ｓｕｐｅｒ１− ｔｔｇｊ、５ｔｅｄ　ｎｅｍａｔｉｃ）モードと呼ばれ
ている。この方式はしきい値特性に優れているため時分
割駆動においてもコントラスト低下が少なく、視野角も
広いという優れた特性を持つ反面、複屈折効果を利用す
るため着色表示となってしまい、さらにこのままではカ
ラー化も困難であった。

最近になってＳＴＮモードの液晶表示素子の着色現象を
軽減化するために、液晶層が逆のねじれの向きを持つ液
晶セルを２つ積層し、一方を開動用、もう一方を補償板
として用い、複屈折による色付きを補償して白黒表示を
行わせる２層型のＳＴＮ型液晶表示素子が開発された。

しかしながらこの２層方式は、正面から見た場合は白黒
表示であるが、斜めから見ると色付きを生じたり、液晶
セルを２枚用いるために素子が厚くまた重くなってしま
う上、生産性が悪いという問題がある。

これらの問題は補償セルを複屈折性の高分子フィルムに
置き換えることにより改善することができる（位相板型
白黒表示ＳＴＮ液晶表示素子）が、この位相板方式では
、十分なコントラストを得ることができない上、さらに
視野角が狭くなるという問題がある。

一方、上記２層方式において補償セルの代わりにねじれ
配向した液晶性高分子補償板を用いる方法も提案されて
いる。この方法は、塗布、配向させた液晶性高分子を補
償板の主要構成要素として用いるものであり、液晶性高
分子はガラス転移点以下に冷却することにより液晶状態
での配向状態を固定化できる。すなわち、ガラス転移点
が室温以上である液晶性高分子を液晶状態でねじれ配向
させたのち、冷却することにより補償用の液晶セルと同
等の補償性能を発現させることができる。

同相での自己保持性を利用すれば、液晶性高分子を保持
するための基板は１枚でよく、補償板を薄くできる上、
コントラストも２層方式と同等の優れた特性を示す。し
かしながら、この様な補償性能を発現させるためには、
液晶性高分子がモノドメインな均一配向をとる必要があ
る上、ねじれ角を厳密に制御する必要があった。実際に
は、液晶性高分子のねじれ角の制御と配向の均一化はき
わ３− めて困難で、大面積にわたってこのような制御された均
一配向を威し遂げるには、きわめて限定された液晶性高
分子の使用によらなければならなかった・ 本発明は以上のような従来技術の問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、大面積に渡りねじれ角が厳
密に制御され、均一なねじれ配向を有する液晶性高分子
を補償板とした、高コントラストな白黒表示の行える液
晶表示素子を提供することにある。

（課題を解決するための手段及び作用）本発明によれば
、電極を有する一対の基板及び該基板に挟持され正の誘
電異方性を有し電圧無印加時に略水平にかつらせん軸を
基板に垂直に向けてねじれ配向した液晶層からなる液晶
セルと、基板の外側に配置された偏光板と、液晶層と偏
光板の間に設けられ略水平配向した液晶性高分子層を主
要構成要素とする補償板とから構成される液晶表示素子
において、液晶性高分子が、ポリシロキサンを主鎖とし
、単独では相系列にネマティック＝４− 相を有する側鎖型液晶性高分子と、光学活性な物質との
混合物からなり、相系列にコレステリック相を有するこ
とを特徴とする液晶表示素子が提供される。

以下本発明の構成を図面に基づき詳述する。

第１図は本発明による液晶表示素子の一構成例を示す断
面図であって、この液晶表示素子においては、第一の透
光性基板１１と第二の透光性基板２１とが離間、対向し
て配設され、両基板１１．２１と外周シール１４とによ
って形成された空間に液晶が封入されて液晶層１５をな
し、液晶セル１６が形成されている。基板１１と２１の
内面には液晶Ｊｌ１１５に電圧を印加するための透明電
極１２．２２と、液晶を一定方向に配向させるための配
向膜１３．２３が形成されている。１７．２７は偏光板
である。液晶セル１６と偏光板２７の間には液晶性高分
子層３５を主たる機能成分とする補償板３０が配置され
る。３１は液晶性高分子層３５が形成された基板であり
、ガラス、プラスチック等の透明性が高い材料が採用さ
れる。

液晶層１５において、液晶は正の誘電異方性を有６一 するネマティックまたはコレステリック液晶からなり、
配向膜１３，２３により電圧を印加しない状態では基板
面にほぼ平行に配向している。この液晶は上下基板１１
．２１の間でらせん軸を基板面に垂直に向けたねじれ配
向をとっていることが望ましく、そのねじれ角は１６０
’−３６０°であることが好ましい。

ねじれ角が小さい場合には電圧−透過率特性の急峻性が
低下し、時分割駒動特性が低下する。液晶セル１６中の
液晶のねじれ角ωＬは第２図に示すように下基板１１の
配向膜１３の配向処理方向（Ｒ１）、上基板２１の配向
膜２３の配向処理方向（Ｒ２）および該液晶のピッチと
液晶層１５の厚さを制御することによって容易に制御が
可能である。液晶層１５のレターデーションＲＬは液晶
の屈折率異方性ΔｎＬと液晶層１５の厚さｄＬの積Δｎ
Ｌ−ｄＬで定義される。ＲＬは、良好なコントラストを
得るためには０．４〜２．０ＩＲｎの範囲であることが
好ましく、０．５〜１．５μｍの範囲であることが特に
好ましい。

補償板３０は配向固定化された液晶性高分子層３５と、
液晶性高分子層３５を保持するための透光性基板３１と
から基本的に構成される。液晶性高分子には室温で固相
を示し室温以上の温度で液晶性を示すものを用いること
により、室温での配向を安定化させ、対向基板の省略を
可能としている。補償板用基板３１の液晶性高分子層３
５と接触する面には、液晶性高分子を基板に対して平行
に、かつ特定の方向に配列させるための配向処理が施さ
れており、該基板３１上において液晶性高分子は該配向
処理の方向（Ｒ３）に配向している。Ｒ３はＲ２とほぼ
直交していることが必要で、この条件が満たされない場
合、補償効果が低下して、コントラストが低下したり、
色付きを生じる。具体的な角度で示すと、両者の交角δ
は６０″′〜１２０’の範囲であることが必要で、７０
’〜１１０’の範囲であることがより好ましい。液晶性
高分子層３５のレターデーションＲＣは液晶性高分子の
屈折率異方性Δｎｃと液晶性高分子層３５の厚さｄｃと
の積Δｎｃ−ｄｃで定義される。Ｒｃは、良好なコント
ラストを得るためには液晶層１５のレターデーションＲ
Ｌとほぼ等しいことが必要である。この様な配置におい
て、偏光板１７を直線偏光で通過し、７ 液晶セル１６によって波長により異なる楕円偏光となっ
た光は、補償板３０によって再度波長依存性の無い直線
偏光となり、偏光板２７に入射し、白黒表示が行われる
。一般に偏光板１７はその透過軸Ｐ□が基板１１におけ
る配向処理方向Ｒ１とαなる角度だけずらされて配置さ
れる。αの好ましい範囲は２０°〜７０°である。偏光
板２７の透過軸Ｐ２は、液晶性高分子層３５最上面にお
ける液晶性高分子の配向方向Ｄ１に対して２０’〜７０
°の範囲の角度βだけずらされて配置される。なお、以
上は偏光板の透過軸を基準に考えたが、偏光板の特性上
、透過軸を吸収軸に言い替えても効果はまったく変わら
ない。

本発明に用いる液晶性高分子としては液晶相にコレステ
リック相を有するものであることが必要で、コレステリ
ック相を呈する温度で液晶性高分子の配向制御がなされ
る。より完全な補償効果を得るために液晶性高分子層３
５において分子は液晶層１５の分子とは逆の向きに、か
つ液晶層１５のねじれ角とほぼ等しい角度でねじれてい
ることが好ましい。液晶性高分子のねじれ角ωＣは、液
晶性高分子 分子層３５の厚さと自然ピッチを制御することにより任
意に設定可能である。

上記構成において、均一なねじれ配向を制御するために
、本発明ではポリシロキサン骨格を主鎖とする側鎖型液
晶性高分子を用いるとともに、該液晶性高分子に光学活
性な物質を添加する。ポリシロキサン骨格を有する液晶
性高分子は、その相系列にネマティック相を有すること
が必要である。

スメクティック相では、高粘性のためモノドメイン配向
を得ることが困難である。さらに、ポリシロキサン主鎖
はメチレン主鎖に較べ、柔軟であるため溶融粘度を低く
することができるのでより均一な配向が得やすい。

本発明において用いることのできるポリシロキサン骨格
を主鎖とする側鎖型液晶性高分子としては、下記−数式
で表わされるように、ポリシロキサン主鎖に、メチレン
鎖を介して液晶性残基が結合した構造を持つものが例示
できる。連結基であるメチレン鎖の炭素数ｎは２〜８の
範囲が好ましい。

ｎが小さいと液晶性を示さなくなり、また多すぎｑ− ０ た場合にはスメクティック相をとり易くなり、均一な配
向を得ることが困難となる。また、重合度ｍは１５以上
であることが好ましく、２００以下特に１５０以下であ
ることが好ましい。ｍが小さい場合には、機械的強度が
弱くなったり、配向の固定化が困難となったりする。ま
たｍが大きすぎる場合には、溶融粘度が増加し、均一配
向が得にくくなったり、溶媒への溶解性が低下したりす
るため好ましくない。

ポリシロキサンを主鎖とした液晶性高分子の例１ Ｒ”＝Ｈ，ＯＩ、、　−０） Ｒ”＝　ＧＸ’ｔ”、　−Ｇ−Ｒ’　、ＱＣ”　、ＧＱ
−Ｘ−Ｒ’　。

Ｘ＝−Ｃｏｔト、　−０ＣＯ−、−ＣＨ＝Ｎ−、−Ｃ）
１．ＣＨ。

Ｒ，＝−Ｏ）’−，−Ｑ−Ｑ−Ｒ’、−ｃ酬・、（踊伽
・Ｒ４＝Ｈ，低級アルキル基、低級アルコキシ基、シア
ノ基、ハロゲン原子、ニトロ基 本発明においてポリシロキサン骨格を主鎖とする側鎖型
液晶性高分子に添加される光学活性な物質は、ネマティ
ック液晶相にねじれ構造を誘発させ、コレステリック液
晶相を形成するように機能する。コレステリック液晶相
を誘起させる方法としては、他に光学活性な側鎖を主鎖
に導入する方法もあるが、しかしながら、この方法では
ピッチ制御を共重合組成によって制御するため微妙な制
御が困難であり、本発明のように厳密なねじれ角、すな
わちピッチをコントロールする必要のある用途には好ま
しくない。一方、本発明のようにネマティック液晶相を
呈する液晶性高分子に光学活性な物質を添加する方法で
は、ピッチは光学活性な物質の添加量によって規定され
るため、比較的任意にピッチを設定することができる。

光学活性な物質としては、非液晶性の光学活性な物質や
液晶−１１〜 性を示す低分子の光学活性な物質、及び液晶性を示す高
分子の光学活性な物質を用いることができる。相の安定
性の点で液晶性を示すものが好ましい。用いることので
きる液晶性の光学活性な物質としては以下のようなもの
が代表的である。

液晶性光学活性物質の例 コレステロール誘導体 １２− Ｃ，ｏ１□ｏ−Ｑ−Ｑｃｏｏｃｏ２４＋ａ。

ＣＩ（。

Ｉ−Ｉｔ＋３ Ｃ，Ｈ，ｐｃＨ２％ｆｆ ＣＨ３ 銚１ｉｌＪ（ｃ＋＋、−Ｑ−Ｑ−（７）ＣＨ３ さらに光学活性な物質は液晶性高分子との相溶性の点か
ら液晶性高分子化合物であることがより好ましく、特に
ポリシロキサンを主鎖とした側鎖型の液晶性高分子であ
ることがさらに好ましい。

用いることのできるポリシロキサン系の光学活性な液晶
性高分子としては、下記のようなものを例示できる。添
加量は、要求されるピッチの値や光学活性な物質の固有
ピッチに依存し、母ネマティック液晶性高分子の種類や
分子量にも依存するため一概には言えないが、概ね０．
０１％〜８０％の範囲で使用される。

光学活性なポリシロキサン系液晶性高分子の例α＝０〜
１５０ に十氾＝０〜１５０ ｈ＝２〜１６ ｉ＝２〜１６ （ｃｈ：コレステリル） ネマティック相を示す液晶性高分子と上記光学活性な物
質との混合液晶性高分子組成物はコレステリック相をそ
の相系列に含むことが必要であり、液晶性高分子の配向
制御はこのコレステリック相を呈する温度で行われる。

以下にその作製法を第３図を参照して説明する。

（ａ）まず、基板３１上に液晶性高分子を基板に対して
水平にかつ特定の方向に配向させるための配向膜３２を
形成する。この場合の配向制御は具体的には従来公知の
斜方蒸着や、無機または有機被覆を形成した後に綿布な
どでラビングすることにより行うことができる。より具
体的にはポリアミド、ポリイミドなどの高分子被膜等に
ラビング処理したものや、Ｓｉｎ、ＭｇＯｌＭｇＦ、な
どを斜め蒸着したものが好適に用いられる。

（ｂ）液晶性高分子を有機溶媒に溶解させた溶液３５′
をポリイミド配向膜３２上に塗布する。液晶性高分子用
の溶媒としては、用いられる液晶性高分子の種類、重合
度によって異なるが、一般には、クロロホルム、ジクロ
ロエタン、テトラクロロエ１５− タン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、オ
ルソジクロロベンゼンなどのハロゲン系炭化水素、フェ
ノール、０−クロロフェノール、クレゾールなどのフェ
ノール系溶媒、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセト
アミド、ジメチルスルホキシドなどの非プロトン性極性
溶媒、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系
溶媒およびこれらの混合溶媒を例示することができる。

溶液濃度は塗布法、高分子の粘性、目的とする膜厚等に
より異なる。液晶表示素子用の補償板として要求される
膜厚は一般には２〜ｌＯハ程度であるため、通常は２〜
５０重量ダの範囲で使用され、好ましくは５〜３０重量
２の範囲で使用される。塗布法としてはスピンコード法
、ロールヨー１〜法、グラビアコート法、ディッピング
法、スクリーン印刷法などを採用できる。

（ｃ）液晶性高分子を塗布後、溶媒を乾燥して除去し、
液晶性高分子が液晶性を示す温度で所定時間熱処理して
液晶性高分子を配向させたのちガラス転移点以下の温度
に冷却する。液晶性高分子を６− 配向させるときの温度は、液晶性高分子のガラス転移点
以上であることが必要で、液晶性高分子の等方性液体へ
の転移温度より低いことが必要である。配向膜の界面効
果による配向を助ける意味でポリマーの粘性は低い方が
よく、したがって温度は高い方がよいが、あまり高いと
コストの増大と作業性の悪化を招き好ましくない。−数
的には５０℃〜３００℃の範囲が好ましく、１００℃〜
２５０℃の範囲に特に好ましい。また、液晶性高分子の
相との関連では、この処理温度において液晶性高分子は
ネマティック相またはコレステリック相であることが必
要で、スメクティック相では高い粘性のため均一な配向
は得られない。また、−旦等方性液体となる温度まで加
熱後、上記液晶相を呈する温度に冷却して配向させるこ
ともできる。熱処理時間はポリマーの組成、分子量によ
って異なるが、般には１０秒〜６０分の範囲が好ましく
、３０秒〜３０分の範囲が特に好ましい。処理時間が短
すぎる場合には配向が不十分となり、また長すぎる場合
には生産性が低下し好ましくない。

一１７＝ 　１Ｒ− 液晶配向が完成されてから液晶性高分子膜はガラス転移
点以下の温度に冷却すれば、配向を固定化することがで
きる。冷却速度は特に制限されず、加熱雰囲気からガラ
ス転移点以下の雰囲気に移すだけでよい。なお、液晶性
高分子膜を配向固定化して、かつ室温付近で用いる場合
、液晶性高分子のガラス転移温度は３０℃以上であるこ
とが好ましい。これより低い場合、固定化した配向構造
が崩れることがあり好ましくない。液晶性高分子層３５
の膜厚は１００　ｐｍ以下であることが好ましく、特に
５０ＩＪＩＩＩ以下であることが好ましい。１００μｍ
以上であると均一な配向を得ることが困難となる。

以上は液晶性高分子を単一の基板上で配向させる方法に
ついて述べたが、通常の液晶表示素子と同様に一対の基
板間の空隙に液晶性高分子を注入する方法では、液晶性
高分子の高い粘性のため均一な配向を得ることはしばし
ば困難を伴うため、上述の方法が特に好ましく用いられ
る。

本発明の補償板３０は、さらに液晶性高分子面を保護す
る目的で他の基板を積層して用いることも可能であり、
また同様の目的で他の樹脂膜を表面に形成することもで
きる。また、以上の説明では液晶性高分子は液晶セルを
構成する基板等とは別に構成したが、液晶セルの基板や
偏光板等を補償板基板として用い、構成を簡略化するこ
ともできる。さらに、液晶性高分子層を２層以上採用す
ることも可能であり、また、第１図の補償板と液晶セル
との上下関係を入れ換えても同様の効果を得ることがで
きる。さらに、反射板を設けて反射型の液晶表示素子と
して用いることも可能である。

（実施例） 次に本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本
発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。

実施例１ ガラス基板上に日立化成製のポリイミドワニスＰＩＱを
スピンコード法で約１ｏｏｏ人の厚さに塗布し、ついで
２７０℃で焼成してポリイミド膜を形成した。

ついでポリイミド膜上をテトロン植毛布で一方向にこす
り、ラビング処理を行った。

１９− 次に、下記式（Ａ）で示される７０℃のガラス転移点を
有するネマティック液晶性ポリシロキサン系液晶性高分
子と下記式（Ｂ）で示される光学活性基を有するポリシ
ロキサン系液晶性高分子をフェノール／テトラクロロエ
タン混合溶媒（重量比５０：５０）に２５重景％となる
ように溶解させた。高分子（Ａ）と（Ｂ）の割合は３：
１（重量比）とした。

この溶液を先の配向膜上にスピンコード法により塗布し
、ついで７０℃で乾燥後、高分子（Ａ）がネマティック
相を呈する１７０℃で３０分間熱処理を行った。そして
室温に急冷後、得られた配向組織を観察したところ、モ
ノドメインな均一配向であり。

２０ ねじれ角は２２０°で、らせん軸は基板に対して垂直方
向であった。レターデーションＲ８は０．８２μｓであ
った。

この様にして得られた補償板を、ねじれ角が２２０°（
補償板とは逆向き）でレターデーションＲＬが０．８５
７ａｎのＳＴＮセルに重ね、その上下を偏光板で挟んで
、液晶表示素子を作製した。なお、角度配置はδ＝９０
°、α＝β＝４５６とした。

この液晶表示素子をデユーティ１／２００の時分割駆動
で駆動させたところ、第４図に示すように、優れた白黒
表示が行えた。また、この液晶表示素子を６０℃、９０
％ＲＨの環境下で１０００時間保存したが、保存後も素
子の外観および表示特性にまったく変化はみられなかっ
た。

実施例２ ネマティック液晶性ポリシロキサン系液晶性高分子とし
て下記式（Ｃ）で示される液晶性高分子を用いた他は実
施例１と同様にして液晶表示素子を作製した。本例にお
いても実施例１と同様に優れた白黒表示が可能であった
。

２− 実施例３ 光学活性な物質として下記式（Ｄ）で示される低分子液
晶を母ネマティック液晶性高分子に対して０．６重量％
用いた他は実施例１と同様にして補償板および液晶表示
素子を作製した。この液晶表示素子は実施例１と同様に
優れた白黒表示が可能であった。また、この液晶表示素
子を４０℃、９０％ＲＨの環境下に１０００時間保存し
たが、保存後も表示特性にはほとんど変化はみられなか
った。

（発明の効果） 本発明の液晶表示素子は、色補償板としてポリシロキサ
ンを主鎖とし単独では相系列にネマティック相を有する
配向した側鎖型液晶性高分子からなる膜を用いているた
め、補償板を大面積にわたって、均一に、かつ高精度に
作製することができる。そのため、高コントラストな白
黒表示を大画面にわたって提供することができる。さら
に、補償板のねじれ角の制御が光学活性な高分子化合物
の添加によってなされるため、ねじれ角の制御が容易で
あるとともに、液晶性高分子の相分離が起こりにくく、
作製が容易であるとともに信頼性に優れている。また、
本発明の液晶表示素子は補償用基板を一枚しか用いない
ため素子をきわめて薄くかつ軽く作製できるという利点
を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による液晶表示素子の一構成例を示す断
面図、第２図は本発明の液晶表示素子を構成する各要素
の角度関係を示す図、第３図は液晶性高分子膜の作製法
の説明図、第４図は本発明の実施例の液晶表示素子の表
示特性を示す図である。 １．１．２１・・基板 １２．２２・・・透明電極 １３．２３・・・配向膜 １４・・・外周シール １５・・・液晶層 １６・・・液晶セル １７．２７・・・偏光板 ３０・・・補償板 ３１・・・基板 ３５・・・液晶性高分子層 ２３− ４−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極を有する一対の基板及び該基板に挟持され正
   の誘電異方性を有し電圧無印加時に略水平にかつらせん
   軸を基板に垂直に向けてねじれ配向した液晶層からなる
   液晶セルと、基板の外側に配置された偏光板と、液晶層
   と偏光板の間に設けられ略水平配向した液晶性高分子層
   を主要構成要素とする補償板とから構成される液晶表示
   素子において、液晶性高分子が、ポリシロキサンを主鎖
   とし、単独では相系列にネマティック相を有する側鎖型
   液晶性高分子と光学活性な物質との混合物からなり、相
   系列にコレステリック相を有することを特徴とする液晶
   表示素子。