JPH0416916A

JPH0416916A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH0416916A
Application number: JP2122283A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Takiguchi; 康之滝口; Akihiko Kanemoto; 金本　明彦; Haruo Iimura; 治雄飯村
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-05-11
Filing date: 1990-05-11
Publication date: 1992-01-21
Anticipated expiration: 2014-07-19
Also published as: JP2921585B2

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、色補償
板を用いたスーパーツイステッドネマテインク型液晶表
示素子等の複屈折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トは、ツィス
テッドネマティック（ＴＮ）型と呼ばれ、一対の上下基
板間で液晶分子が約９０°ねし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駆動が困難であるという欠点あ
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
向とす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、５ＢＥ（ｓｕｐｅｒ　ｔ＋＋＋１ｓｔ
ｅｄ　ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ　ｅｆｆｅｃｔ）ま
たは５ＴＮ（ｓｕｐｅｒ　ｔｗｉｓｔｅｄ　ｎｅｍａｔ
ｉｃ）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、一方を駆動用、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、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）。しかしながらこの位相
板方式では視野角が狭くなるという問題があった。これ
は液晶セルに較べて位相板の複屈折の視角依存性が大き
いことに起因するものである。位相板としてはポリビニ
ルアルコールやポリカーボネートなどの延伸フィルムな
どが用いられている。位相板の視角依存性は、位相板の
厚み方向の屈折率を面内の屈折率の最小値より大きくす
ればよい（Ｊａｐａｎ　Ｄｉｓｐｌａｙ　’８９．ｐ３
３９；特願平１−３２２１９号）が、ポリビニルアルコ
ールやポリカーボネートの延伸フィルムでは延伸条件を
変えてもそのような補償板を具体化するのは難しく、補
償板自体の構成が複雑となってしまう。上記文献Ｊａｐ
ａｎ　Ｄｉｓｐｌａｙではこの様な補償板を得るために
、従来公知の位相板に垂直配向させた液晶セルを重ねる
というような方法をとっている。

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、厚み方向の屈折率が面内の
屈折率よりも犬であるシンプルな構成の位相板を用いて
、視角依存性の低減されたＳＴＮ型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
、基板に挟持され、電圧無印加時に略水平配向した正の
誘電異方性を有する液晶層と、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、少なくとも
一層がその厚み方向の屈折率が面内の屈折率の最小値よ
りも大である一層以上の複屈折層とから構成され、厚み
方向の屈折率が面内の屈折率の最小値よりも犬である層
の少なくとも一層が、液晶性高分子からなることを特徴
とする液晶表示素子が提供される。

以下、本発明の構成を詳述する。

先ず、本発明の液晶表示素子に使用される補償板につい
て述べる。第２図に示すように、補償板の屈折率はフィ
ルム面内の屈折率ｎｘ＋ｎｙ（但しｎ１２時とする）と
厚み方向の屈折率ｎｚで代表される。ＳＴＮ等の電圧無
印加時に略水平配向した正の誘電異方性を有する液晶層
の複屈折を利用する液晶動作モードにおいては、厚み方
向の屈折率（ｎ２）が面内の屈折率（ｎｙ）よりも大で
ある補償板を設けることにより視野角を改善することが
できる。本発明においては補償板として液晶性高分子を
用いることにより従来困難であった上記のような屈折率
分布を有する補償板を容易に得るものである。液晶性高
分子は低分子液晶と同様に電場や磁場などの外場や、接
触する基板界面の影響、すり等の外的応力によって配向
させることが容易であるという特徴に加え、ガラス転移
温度を適当に選択することにより、高温の液晶相形成温
度で配向させたのちに急冷することによって液晶相での
配向状態を同相に反映させることができる。すなわち、
同相で使用することが可能であるため自己支持性があり
、低分子液晶を利用するときには不可欠であった基板に
よるサンドイッチ構造が不要となり、簡単な構成で薄い
補償板が得られる。

ｎ２がｎｙよりも大きな補償板を得るには、液晶性高分
子をその液晶温度でほぼ垂直に配向した配向構造をとら
せればよい。液晶性高分子を垂直配向させるには１例え
ば誘電異方性が正の液晶性高分子を液晶温度に加熱した
のち厚み方向に電場を印加する二とにより行うことがで
きる。このとき液晶性高分子は電圧印加用の導電性基板
に挟持させることも可能であるし、また液晶性高分子の
片面または両面を電圧印加用電極と離間させることも可
能である。この様にして垂直配向させた液晶性高分子を
急冷することにより垂直配向した固体の液晶性高分子膜
が得られる。液晶性高分子膜は基板に接触したままで用
いてもよく、また基板から剥離させて用いることもでき
る。以上は電場で配向させる場合であるが、磁場配向に
よる場合も同様である。また、別の方法として、低分子
液晶と同様の垂直配向剤を利用する方法も例示できる。

例えば、ガラス等の基板を長鎖アルキル基を有するシラ
ン化合物（チッソ社ＤＭＯＡＰ、００５−Ｅなど）やレ
シチンなどの垂直配向剤で処理したのち、液晶性高分子
を処理した２枚の基板で挟み込み、液晶温度に加熱する
ことによって垂直配向した液晶性高分子膜を得る。これ
を室温に冷却すれば垂直配向した固体の液晶性高分子膜
が得られる。液晶性高分子膜は基板に接触したままで用
いてもよく、また基板から剥離させて用いることもでき
る。この例では、基板に処理を行ったが、例えばテトラ
フロロエチレン等の表面張力が小さい基板を用いた場合
には基板自体で液晶性高分子を垂直に配向させることが
できる。

用いることのできる液晶性高分子はサーモトロピックな
液晶性を示すものが特に好ましく、相としてはネマティ
ック相やスメクティック相を呈するものが好ましい。均
一な配向が容易に得られる点でネマティック相を呈する
ものを特に好ましく用いる。液晶相を呈する温度は室温
での使用を考えて、６０℃以上であることが好ましい。

６０℃以下でも用いることはできるが、この場合透光性
基板で液晶性高分子層を挟持すること′が必要となる。

この様にして作成された補償板は厚み方向の屈折率が最
も大きな正の一軸性を示し、ＳＴＮや水平配向させたＥ
ＣＢ等の液晶表示素子の視角依存性を大幅に低減させる
ことができるが、この補償板単独ではＳＴＮや水平配向
させたＥＣＢ等の液晶表示素子における複屈折による正
面からの着色を補償することはできない。

したがって、本補償板は色補償用の補償板と併用するこ
とが好ましい。色補償用の補償板は従来公知のポリビニ
ルアルコールやポリカーボネート、ポリプロピレン等の
延伸高分子フィルムを用いることができる。一般に、こ
れらのフィルムは延伸方向に最大の屈折率（ｎｘ）を持
ち、ついでフィルム面内の延伸方向と直交する方向の屈
折率（ｎｙ）が大きく、厚み方向の屈折率（ｎｚ）は最
も小さいかまたはｎｙとほぼ等しい。この様な延伸フィ
ルムと先の液晶性高分子からなる視角補償板を組み合わ
せることにより、補償板全体としてｎｚをｎｙより大き
くすることができる。補償板全体としてはｎｚの値の範
囲は下記の式を満足することが好ましい。

ｎｘ）ｎｚ＞ｎｙｎ２が大きすぎた場合にも視野角が狭くなる傾向があり
、好ましくない。上式の関係は、視角補償板と色補償板
の組合せにより比較的任意に設定することができる。

また、別の例として、垂直配向させた液晶性高分子を面
内の一方向に延伸して、面内に複屈折性をもたせること
もできる。この場合にも、上記関係を満足することが好
ましく、また他の延伸フィルムと組み合わせることもで
きる。

上述のように本発明に係る補償板は全体としてフィルム
面内に複屈折を有することが白黒表示を行うためには必
要である。補償板は液晶セルを透過することにより波長
により異なる楕円率、方位角を持つ楕円偏光となった光
を再度直線偏光に戻すように作用することが必要である
。複屈折（Δｎ・ｄ）は補償板の面内の屈折率異方性（
Δｎ＝ｎ）（−ｎｙ）と膜厚（ｄ）の積で与えられる。

補償板を一枚だけ用いる場合について説明すると、好ま
しいΔｎ−ｄの範囲はおおむね０．１μｍ〜１．２μｍ
の範囲、さらに好ましくは０．２ρ〜１．０μｓの範囲
である。これ以外の範囲では表示が白または黒にならな
かったり、コントラストが著しく低下したりする。

用いることのできる液晶性高分子については、本発明は
特に限定するものでは無い。−船釣に知られている側鎖
型や主鎖型の液晶性高分子を用いることができる。

ついで、上記補償板を用いた液晶表示素子の構成と作用
について説明する。

本発明の液晶表示素子の構成例を第１図に断面図として
示す。補償板が基板と偏光板の間に挿入されている他は
、おおむね従来のＳＴＮ型液晶表示素子と同様の構成で
ある。

第１の透光性基板１１と第２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１
４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はガラスあるいは光学的に等方性のプラスティ
ックフィルムで構成されている。基板１１と２１の内面
には液晶層１５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。液晶セル１６と偏光板２７の間
には本発明の特徴である、ｎｚ）ｎｙなる関係を満足す
る液晶性高分子からなる補償板８と延伸高分子フィルム
からなる補償板９が配置される。この補償板８，９が複
屈折層を構成する。本例では補償板８，９が液晶セルの
上部に配設される場合について説明するが、この上下関
係は逆でもよい。１７は偏光板である。

ここで用いる液晶は誘電異方性が正であるネマティック
またはコレステリック液晶である。液晶分子は上下基板
間で電圧無印加時に厚み方向に１６０°〜３６０°の範
囲のねじれた構造をとり、いわゆるＳＴＮ型のセルを形
成していることが好ましい。

ねじれ角が小さい場合、例えばねじれの無い場合（水平
配向ＥＣＢ）には電圧−透過率特性の急峻性が多少低下
する。

この液晶表示素子は、一方の偏光板の外側に反射板を配
設して、反射型のものとして用いることもできる。また
、本発明の別の構成例として、補償板を偏光板自体の構
成要素として組み込むこともできる。一般に用いられる
よう素や色素の二色性を利用する偏光板では、延伸フィ
ルムによう素や色素を吸着させて偏光能をもたせ、さら
にその保護のため他の二枚のフィルムで該延伸フィルム
をサンドインチした構成となっているが、複屈折層を液
晶層側の該保護フィルムと該延伸フィルムとの間に配す
ることができるし、またその液晶層側の保護フィルムを
複屈折層で構成することもできる。以上のように、本発
明で用いる複屈折層は、液晶層と偏光子との間であれば
どこに配置してもよい。

本発明の液晶表示素子の各基板における配向処理は、液
晶分子が電圧無印加時に略水平配向するように行われ、
この配向処理方向に沿って液晶分子が配向する。この場
合、液晶分子の配向に関していう略水平とは、液晶分子
の基板に対する傾き角がおおよそＯ°〜３０°の範囲に
あることを言う。この配向制御は、基板に対して、従来
公知の斜方蒸着や、無機または有機被膜を形成した後に
綿布などでラビングすることにより行うことができる。

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、　ＭｇＯ１ＭｇＦ
２などを斜め蒸着したものを好適に用いる。

第３図は、本発明に関わる角度の定義を示したものであ
る。Ｄ□、Ｄ２は第１の基板１１、第２の基板２１上の
液晶分子を下側基板１１上に射影した方向で、矢印は液
晶分子を射影するときに基板１１に対してわずかに上を
向いた方の向きを示している。液晶層１５は、Ｄ□とＤ
２との間で液晶分子がω１だけねじれた構造をとってい
る。この場合、ω１が小さいと、急峻度が悪化し時分割
特性を低下してしまう。

また、ω、が大きすぎると電圧印加時に散乱組織を生じ
９表示品質が低下するため好ましくない。

このことより、ω１は１６０°以上３６０’以下である
ことが特に好ましい。第３図では、セルを基板２１側か
らみたときに、基板１１から基板２１へ向けてツイスト
方向が時計回りとなるように構成したが、配向処理の方
向や、コレステリック液晶の選択により反時計回りとす
ることもできる。

Ｘは補償板の面内の屈折率が最大となる方向であり、隣
接する基板２１上における液晶分子配向方向Ｄ２に対し
てδの角度を有している。また、補償＠９に隣接する偏
光板２７の透過軸Ｐ２は、Ｘ方向に対してβ２の角度を
成して配設される。さらに、偏光板１７の透過軸Ｐ□は
、基板１１上での液晶分子配向方向Ｄ工とβ□の角度を
成す。なお、角度は液晶のねしれの向きを正とする。δ
は補償板を一枚用いる場合と複数枚用いる場合では好適
な条件が異なる。−枚用いる場合の好適な値はδ＝−５
０°〜５０°である。

以上補償板を液晶セルの片側に配する場合について説明
したが、液晶セルを挟むように両側に配することもでき
る。

補償板を偏光板で挟んだときに生じる色は、補償板のり
タープ−ジョン及び偏光板の方向によって決まる。また
、色の視角方向による変化は、補償板のりタープ−ジョ
ンの視角依存性によって左右される。補償板のりタープ
−ジョンの視角依存性が小さければ、色の視角依存性も
小さくなる。

したがって、ＳＴＮ型液晶表示素子の色補償に用いる補
償板も、そのリターデーションの視角依存性が小さい方
が、液晶表示素子の色の視角依存性が小さくなる。本発
明の液晶表示素子では補償板の厚み方向の屈折率が面内
の屈折率よりも大であるため、補償板自体の視角による
色変化が小さく、そのため、　ＳＴＮ等の液晶表示素子
と組み合わせた場合にきわめて広い視野角を有する液晶
表示素子を得ることができる。また、補償板を簡単な構
成で作成できるため、素子の寸法増加、重量増加を抑え
ることができる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を述べるが、本発明はこれらに限
定されるもので、はない。

（実施例１）下記式（１）で示される繰返し単位を持つポリシロキサ
ン系の液晶性高分子をチッソ社製の垂直配向剤０ＤＳ−
Ｅを塗布したガラス基板とテフロン製の板の間に挟み、
液晶性高分子（１）がネマティック液晶相を呈する１６
５°で１時間加熱した後、室温に急冷し、ついでテフロ
ンを剥して厚さが約２碑の垂直配向した液晶性高分子の
膜を得た。この液晶性高分子は室温では液晶相を示さな
いため、得られた膜はガラス状態であった。この膜の屈
折率はｎｚ＝１．６８、ｎえ＝ｎｙ＝１．５２であった
。

融点　１００℃。

ネマティック−アイソトロピック転移温度　１７０℃上
記液上記液晶性膜を延伸ポリカーボネート製位相板（ｎ
ｌ、＝１．５８９．ｎｙ＝１．５８２．ｎｚ＝１．５８
１．レターデーション：　（ｎｘ−ｎｙ）　・ｄ＝５８
０ｎｍ）に重ねたところ、補償板全体の屈折率はｎ１＝
１．５８８．ｎｙ＝１．５８１．ｎｚ＝１．５８３とな
り、１）（）ｎｚ＞ｎｙとなった。この補償板を直交し
た偏光板で挟んでレターデーションの視角依存性を測定
したところ、第４図にＡ、ａとして示すように、視角に
よるレターデーション変化はほとんど見られなかった。

なお、第４図の角度は法線方向からの角度であり、Ａは
補償板のＸの方向から観察した場合を示し、ａはＸ方向
から観察した場合を示す。

ついで、この補償板を第１図の様にＳＴＮ型液晶セルと
偏光板の間に設置し、本発明の液晶表示素子とした。該
液晶セルは下記のように構成した。

透明電極を有し、上下ガラス基板間での液晶のねじれ角
ω、が２００°であり、液晶層のレターデーション（液
晶分子の複屈折異方性と液晶層の厚みの積）が０．９２
４であるＳＴＮセルを作製した。液晶は、正の誘電異方
性を有するネマティック液晶ＺＬＩ２：２９３（メルク
社製）にカイラルネマティック液晶５８１１（メルク社
製）を添加したものを用いた。配向処理は、ポリイミド
膜のラビング処理により行った。

ＳＴＮセルの下部には、ニュートラルグレー偏光板をそ
の透過軸が下側基板上の液晶分子配向方向に対して４５
°の角度を成す（β２：４５°）のように配置した。さ
らに、この偏光板の下には、冷陰極管を用いたバックラ
イトを設置した。液晶セルの上に配する本発明の特徴を
なす補償板は、Ｘ方向が上基板のラビング方向と９０°
の角度（：δ）をなすように設置した。補償板上部には
、ニュートラルグレー偏光板をその透過軸が補償板のＸ
方向に対して＝４５°の角度を成す（β１・−４５°）
のように配置した。

前記のように構成された液晶表示素子は、電圧無印加時
には黒色で、電圧印加によって白色となり、視角方向に
よる色変化が小さく、優れた視角特性を有したものであ
った。

（実施例２）下記式（２）で示される繰返し単位を持つアクリル系液
晶性高分子を透明導電膜付のガラス基板に挟み、該液晶
性高分子がネマティック相を呈する２２０°Ｃまで加熱
した。温度を保持しながら上下電極間に周波数５０Ｈｚ
、電圧５０Ｖの矩形波を印加し、ついで室温に急冷した
。液晶性高分子膜の厚さは約２声であった。偏光顕微鏡
のコノスコープ観察より液晶性高分子が基板に対して垂
直に配向していることを確認した。

融点６０℃ ネマティック−アイソトロピック転移温度２２７℃ 上記液晶性高分子膜延伸ポリカーボネート製位相板（ｎ
ｚ＝１．５８９．ｎｙ＝１．５８２．ｎｚ＝１．５８１
．レターデーション：　（ｎｚ−ｎｙ）・ｄ＝５８０ｎ
ｍ）に重ねた補償板を用い、他は実施例１と同様にして
液晶表示素子を作成した。

前記のように構成された液晶表示素子は、電圧無印加時
には黒色で、電圧印加によって白色となり、視角方向に
よる色変化が小さく、優れた視角特性を有していた。

（比較例）延伸ポリカーボネートのみでレターデーションの視角依
存性を測定した結果は第４図においてＢ、ｂとして示す
ように大きなものであった。Ｂは補償板のＸ方向から観
察した場合を示し、ｂはｙ方向からｍ察した場合を示す
６延伸ポリカーボネートのみを補償板として実施例１とま
ったく同様にして液晶表示素子を作成したところ、正面
からは白黒表示が行えたが、視角が３０’以上では色付
きが生じ、きわめて視角の狭い液晶表示素子となってし
まった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、少なくとも一層がその厚み方向の屈折
率が面内の屈折率の最小値よりも大である一層以上の複
屈折層を補償板として設けたので、色の視角依存性が改
良されるとともに、補償板の作成が容易となる上、素子
の寸法増加、重量増加を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液晶表示素子の構成例を示す断面図、
第２図は複屈折フィルムの屈折率の方向を示す図、第３
図は本発明の液晶表示素子の液晶分子配向方向、偏光板
の方向等の角度関係の説明図、第４図は本発明の実施例
の液晶表示素子のレターデーションの視角依存性を比較
例と対比させて示す図である。８．９・・補償板１１．２１・・基板１２．２２・・・透明電極１３．２３・配向膜１４・・シール剤１５・・液晶層１６・液晶セル１７．２７・・・偏光板特許出願人　株式会社　リ　　コ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板に挟持され、電圧無印加時に略水平配向した
正の誘電異方性を有する液晶層と、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、少なく
とも一層がその厚み方向の屈折率が面内の屈折率の最小
値よりも大である一層以上の複屈折層とから構成され、
厚み方向の屈折率が面内の屈折率の最小値よりも大であ
る層の少なくとも一層が、液晶性高分子からなることを
特徴とする液晶表示素子。