JPH05150215A - 液晶表示器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 液晶分子をホモジニアス配向し１８０〜３６
０度の捩れ角の螺旋状のネマティック液晶を容器内に保
持する。配向膜にはフッ素置換側鎖を持つ直鎖高分子被
膜を用い、基板の内面周辺部にシール剤を配置して基板
内部に容器を形成する。その容器の内部にシアノ基、エ
ステル結合のうち少なくとも一つの極性基を有する液晶
分子を含有した液晶を充填する。 【効果】 これにより直鎖高分子被膜からなる配向膜は
液晶分子を安定配向させることができ、高時分割駆動の
非選択時などには、液晶分子の極性基が配向膜との相互
作用によりチルト角が大きいので、高時分割駆動の選択
時には液晶分子の捩れ角が大きい表示モード特有の動作
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶分子の捩れ角の大き
な液晶表示器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より液晶を電界効果による駆動を行
うために、液晶分子を９０度捩った螺旋状構造の液晶表
示器がある。しかし、９０度捩れ角配向の表示器は視覚
依存性が大きく、また、高時分割駆動に適さない。そこ
で液晶の捩り角について再検討がなされ、特開昭６０−
５０５１１号公報や特開昭６０−１０７０２０号公報の
如く液晶の捩れ角を１６０〜３６０度と大きくし、１／
１００〜１／２００デューティーの高時分割駆動におい
ても実用的なコントラストが得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしこの表示モード
では、捩れ角が大きいことと高速応答のために液晶分子
の配向を安定に行わなくてはならないという問題点が残
っている。即ち前記先行技術では、無機物を基板に斜方
蒸着することによって得られた配向膜を用いて、この表
示モードに必要とされる５度以上、好ましくは１０〜３
０度の高いチルト角とともに配向の安定性を得ている。
だがこの配向膜は蒸着角度が重要な要素をもっているか
ら、特別な真空蒸着装置を利用しないかぎり、均一な配
向膜は限られた面積、例えば高々１０ｃｍ程度の平板が
限界となるが、このような高時分割駆動をするのは大型
表示となるので、生産性が悪く特殊な装置を必要とする
蒸着法配向膜は不適当である。

【０００４】さらに液晶表示器に直鎖高分子の配向膜を
利用することは周知であるが、液晶分子の捩れ角が大き
く広い面積にわたるこの表示モードにおいては安定配向
の保証がなく、あるいは高分子配向膜は通常チルト角が
３度以下のためにこの表示モードには適さないと考えら
れていた。例えば特公昭６２−１５８４８号公報に示さ
れるような方法によるいわゆる変成されていないポリイ
ミド配向膜を利用すると、あるものは液晶表示器を構成
した時にドメインが発生し、またあるものは電界を印加
した時にコントラストのムラが生じたり、電界印加後に
ドメインが発生し、不都合であった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の点を考慮
して成されたもので、液晶分子をホモジニアス配向し１
８０〜３６０度の捩れ角の螺旋状のネマティック液晶を
保持するに当り、配向膜にはフッ素置換側鎖を持つ直鎖
高分子被膜を用い、基板の内面周辺部にシール剤を配置
して基板内部に容器を形成し、その容器の内部にシアノ
基、エステル結合のうち少なくとも一つの極性基を有す
る液晶分子を含有した液晶を充填して、液晶分子の極性
基が配向膜との相互作用により少なくとも弱電界の下で
チルト角を持つように構成したものである。

【０００６】

【作用】これにより直鎖高分子被膜からなる配向膜は液
晶分子を安定は移行させることができ、少なくとも弱電
界を印加しているとき（高時分割駆動の非選択時など）
にはチルト角が大きいので、強電界を与えたとき（高時
分割駆動の選択時）には液晶分子の捩れ角が大きい表示
モード特有の動作を行う。

【０００７】

【実施例】図１はかかる液晶表示器の断面図で、１は対
向配置された基板であり、対向する内面には液晶に電界
を与えるための透明電極１１と、液晶分子をホモジニア
ス配向する配向膜１２を有している。２はこの平行に配
置された基板１に挾持された液晶で、ネマティック相を
示し、その液晶分子は層全体にわたって１８０乃至３６
０度捩られた螺旋状構造を有し、カイラルネマティック
表示モードを有するものである。３は基板１の間に液晶
を充填保持し、広い面積にわたって安定に液晶分子を収
納するように液晶容器を形成するためのシール剤で、基
板の内面周辺部に配置されている。４は液晶２の層の両
外側に位置するように基板１の各々の外側に配置された
偏光板で、基板１そのものに偏光作用を持たせて偏光基
板としてもよい。

【０００８】このような構成において、後述するよう
に、配向膜１２にはフッ素置換側鎖を持つ直鎖高分子被
膜を用い、シール剤３は配向膜１２に高温衝撃を与えず
に液晶容器が形成できるように、例えばエポキシ樹脂の
ような有機高分子剤を用い、その容器の内部にシアノ
基、ニトロ基、エステル結合のうち少なくとも一つの極
性基を有する液晶分子を含有した液晶２を充填して、液
晶分子の極性基が配向膜との相互作用により少なくとも
弱電界の下でチルト角を持つように構成したものであ
る。また液晶２は例えば厚みが７μｍでΔｎは０．１２
程度であり、旋光物質によって螺旋構造が取り易くして
あり、好ましくは炭素原子間の結合が回転することによ
り、分子の占める体積が大きくなる液晶分子を含むのが
よい。

【０００９】配向膜１２について特開昭５５−１６３５
１３号公報、特開昭５８−９１４３０号公報、特開昭６
０−１０４１２９号公報などにあげられた配向剤を基本
として本発明への適用例を示す。しかしこれらの配向剤
について後に詳述するように用い方によってはホメオト
ロピック配向になってしまって本発明の目的とするとこ
ろの「ホモジニアス配向により捩り角を大きくし、液晶
の複屈折効果を利用した」表示モードは得られなくなる
のでその点配慮されなければならない。

【００１０】例（Ａ−１）：ε−カプロラクタムの水素
原子１個をＣＦ₃と置換した図２に示す構造物と、ε−
カプロラクタムとを種々の割合で開環共重合させ、およ
そ１００００原子単位の平均分子量とした。これをＮ−
メチル−２−ピロリドンに溶解し８％の溶液とした。そ
して下地層と電極膜を有するソーダガラスの基板の上に
この溶液を塗布乾燥し、およそ１０００Åの被膜とし
た。この被膜に綿布にて一方向にラビングし配向膜１２
を得た。そして液晶２の層厚が１０μｍになるようギャ
ップ調整をして液晶表示器を形成し、メルク社製液晶Ｚ
ＬＩ１８４０（ネマティック相）を充填した。この時の
基板１のラビング方向は、特性を分析したいため上記捩
り角の最小角１８０度を目的として互いに逆向きとなる
様配置してある。−ＣＦ₃置換率と液晶分子のチルト角
との関係（磁界法による測定）は図３に示すとおりで、
この表示モードで好適とされるチルト角が５度以上４０
度以下にするための置換カプロラクタムは２０％以上６
０％以下である。そしてチルト角の１度単位とか０．５
度単位といった微妙な範囲の制御は困難であるが、４〜
５度単位の制御（例えば１５度±２度など）は置換カプ
ロラクタムの混合量（−ＣＦ₃の置換率）で制御できる
事を確かめた。

【００１１】例（Ａ−２）：上記（Ａ−１）においてフ
ルオロアルキル鎖の置換率を５０％とし、−ＣｎＦ_2n+1
のｎを順次変化させて同様の液晶セルを形成した。その
結果は図４に示すが、ｎを大きくする事によりチルト角
は大きくなった。チルト角を５度以上４０度以下にする
にはｎは１又は２を選べばよい。そしてこのフルオロア
ルキル鎖は配向における要因の１つである体積排除効果
に最も強く影響を与えるので、水素を導入した−ＣｎＨ
Ｆ_2nを用いることも出来る。この場合チルト角に対応す
るｎは１、２、３のうちから選ぶことができた。

【００１２】例（Ａ−３）：上記（Ａ−１）（Ａ−２）
における表示器を置換カプロラクタムのモル比にて分類
しなおし連続通電した。図５は１５Ｖ_0-F、１００μ
秒、３０Ｈｚの正負交番パルスを１００時間室温にて印
加した後、１８０×２２０ｍｍの有効表示面積内に発生
する不良配向（ドメイン）の総面積を示すものである。
単位原子数あたりのフルオロアルキル鎖存在量によって
モノドメインの安定性に関連性がある事が示してある
が、これは後述する液晶分子にも関係することなので、
目安として５０００原子あたり１個以上のフルオロアル
キル鎖が必要という事を認識すればよい。

【００１３】例（Ａ−４）：アミンを用いてポリアミド
を形成する場合も、上記カプロラクタムを用いた場合と
同等の効果が期待できるので、ここでは１例のみ示す。
ヘキサメチレンジアミンの主鎖中の１箇所にＣＦ₃を置
換したものと、アジピン酸を縮重合させ、約１００００
原子単位の平均分子量とした。これを上記（Ａ−１）と
同様ガラスの基板上に塗布、乾燥した後ラビングし、ネ
マティック相を呈する液晶を挟持した。この時のチルト
角は約１５度であった。

【００１４】以上例示したものは図６に示す一般式で示
されるポリアミド結合を有する高分子樹脂である。そし
てこれらは、これから例示するポリイミド結合を有する
高分子樹脂に比べ、溶媒にとけるので重合したものを用
いることができるという点で取扱い上の有利な点を有す
る。しかし先にあげた配向剤の先行技術に示されるよう
に、基板上で重合させなければならないものの、ポリイ
ミド結合を有する高分子樹脂もポリアミド樹脂と同じよ
うに配向に対して有効である。

【００１５】例えば、［Ｂ−０］：本発明において図７
の一般式であらわされるポリイミド樹脂はより安定した
配向を得ることができた。以下ポリイミド結合を有する
ものについて１例をあげる。 例［Ｂ−１］：ジアミン中にフルオロアルキル鎖をもた
せた図８ａとカルボン酸図８ｂとを縮合させてポリイミ
ド樹脂を形成する。作業としては斯る樹脂剤を基板上に
印刷塗布し、焼成し、その後一方向にラビングする。ラ
ビング方向は直交させ、捩れ角２７０度を達成した。こ
の時磁界法による測定ではフルオロアルキル鎖の量に応
じチルト角が５乃至３０度に制御できた。

【００１６】さて上述の例において、チルト角の測定を
磁界法として説明したが、これには２つの理由がある。
これは液晶表示器において通常チルト角を測定するには
光学法によるが、本発明においては極めて測定しにく
い。しかし光学法による総合的分析結果によると無電界
時のチルト角はいずれも３〜４度である。一方磁界法と
は、しきい値以上の磁界を与えると正の誘電異方性を示
す液晶は磁界方向に分子の長軸（光軸）を揃えて再配列
することを利用し、これを電気容量として検出するもの
である。上述したチルト角の測定における条件は、磁界
３０〜６０Ｋガウス、容量測定電圧０、５Ｖ_rms、容量
測定周波数１ＫＨｚである。これらの事から、本発明に
おいては無電界時は低いチルト角であるが、少しでも電
界がかかるとチルト角は急激に高くなるものと分析され
る。

【００１７】さて、上述の例はチルト角と配向膜を中心
に説明したが、液晶の材料の選択も良好な表示を行うた
めには欠かすことができない。上述の説明を参照して特
徴的なことは、置換したフルオロアルキル基は主に液晶
分子の極性基、即ち、シアノ基、ニトロ基、エステル結
合等と相互作用を生起させるもので、フルオロアルキル
基の置換密度や炭素数の増減によりチルト角の制御が可
能になることであり、より好ましくは液晶分子の中心骨
格によって安定配向と高速応答性が増すことである。

【００１８】液晶分子の骨格について説明すると、液晶
は混合して用いられるが、おおむね剛直な結合を有し、
回転しても分子の占める体積が大きくならない液晶分子
の多い液晶組成物と、回転によって分子の占める体積が
大きくなる、シクロヘキシル環をもった比較的柔軟な結
合を有する液晶組成物とに分類できる。これらのグルー
プにおいては本発明において、剛直な液晶分子が多いと
無電界時チルト角は３度±０．４度、弱電界時チルト角
はおよそ１４度、安定な配向をする最大捩り角は２３０
度であってしきい値以上の電界をかけると不良ドメイン
発生した。それに対して柔軟な骨格の液晶が３０ｍｏｌ
・％を越えると無電界時チルト角は４度±０、４度、弱
電界時チルト角は略１８度、安定な配向をする最大捩り
角は２７５となりモノドメインを呈した。このように液
晶材料によってチルト角そのものは極性基によって影響
を受けるが配向の均一性にも影響が生じる。配向の均一
性としてはモノドメインか不良ドメインがあるかとの問
題の他に、しきい値電圧以上の電界をかけた時にも再現
性ある所定の配向状態にあるか否かが問題となる。ここ
に柔軟な骨格を有する液晶とは、炭素原子間の結合が回
転することにより、分子の占める体積が大きくなる構造
の液晶分子をいい、図９に例示する液晶材料があげられ
る。そしてこのような柔軟な骨格を有する液晶分子が３
０mol・％を超えると急激に広い面積（例えば１００mm×
１５０mm以上）においてもモノドメインが形成される。
しかし時として高電圧を印加すると光散乱性のドメイン
が発生し、その後飽和電圧まで昇圧してもコントラスト
がとれない症状を呈する。このような症状は柔軟な骨格
を有する液晶分子が５０mol・％を超えると発生しない。

【００１９】このような捩れ角の大きい表示モードは、
偏光板の配置で決まる２種類の表示形態で用いられる
が、それは呈色からブルーモードとイエローモードと呼
ばれ、ブルーモードは非選択状態で深い紫色、選択状態
で背景色を呈し、イエローモードは非選択状態で明るい
黄色、選択状態で暗藍色を呈する。いずれにおいても本
発明は弱電界時、高時分割駆動においては非選択電圧を
印加した状態で、液晶の極性基と配向膜の側鎖の相互作
用でチルト角が大きくなるので、選択電圧が印加される
とき、先にあげた先行文献にあげられた特性と勝るとも
劣らない特性を示し、例えば１／２００デューティ１／
１５バイアス、フレーム周波数１２８Ｈｚの時の選択信
号に対する応答速度は室温程度において実用上問題のな
い応答をする事が確認できた。また良コントラストを得
ることができる表示容量の大きさにおいても、反射型表
示器で視角２０度の場合。走査線数４０以上で従来の９
０度ツイストのコントラストを上回るコントラストが得
られた。視角依存性については示してないが、従来例で
示した１／１００デューティ（９０度捩れ配向で良視野
角２０度）の時本発明においては良視野角は概ね６０度
ある。

【００２０】また液晶の捩れ角については印加電圧に対
する透過光の遮蔽効果の立上り急峻性（飽和量に対する
８０％遮光量を達するための電圧と、２０％のそれとの
比）で示すことができる。この点からは、本発明におけ
る表示器は２５０度以上の捩れ角で特に９０度捩れ配向
の表示より優位になり、急峻性は１．０６程度を有す
る。但しこのような配向膜と液晶との組合せをもってし
ても、捩れ角が大きいと逆向の配向を生じるので、安定
な配向を得るためには捩れ角は２９０度以下がよい。

【００２１】上述した実施例において、表示はブルーモ
ード、イエローモードのいずれにおいても特有の呈色が
あるためカラー表示は行なえないとされていた。しかし
液晶の中に例えばＭｅｒｃｋ社製ＺＬＩ３０９３（３種
類の２色性染料を合計１．０〜３．１重量パーセント混
合したものであって柔軟な骨格を有する液晶を多量に含
み、極性基にシアノ基、ニトロ基、エステル結合のいず
れかを有する液晶を含む）にコレステリルノナノネート
を２．０重量パーセント添加すると、ブルーモードで非
選択状態において黒色を呈することができる。従って液
晶層２の外側に３色のカラーフィルタ層を配置し、透過
型表示形態で利用するとカラー表示を行うことができ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上の如くにより、直鎖状高分子配向膜
を用いる事ができるから、印刷、塗布等の簡単な製造方
法が適用でき生産性がよい。そして、配向に影響するフ
ァンデルワールス力や体積排除効果を充分考慮してある
ため弱電界や残留電界中でチルト角は高くなり、表示駆
動においては大きな捩れ角の液晶表示モード特有の応答
性が良い。さらに液晶分子の選択により、広い表示面積
にわたっても安定な配向を得ることができる。これらの
事から大きな捩れ角を有するこの表示モードにおける、
高時分割駆動可能、視角依存性が少ないといった長所は
全く損うことなく生産性よく大きな表示面をもつ液晶表
示器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例における液晶表示器の断面図であ
る。

【図２】本発明に用いられるε−カプロラクタムの分子
式図である。

【図３】本発明実施例における配向の特性図である。

【図４】本発明実施例における配向の特性図である。

【図５】本発明実施例における配向の特性図である。

【図６】本発明に適用されるポリアミド組成物の分子式
図である。

【図７】本発明に適用されるポリイミド組成物の分子式
図である。

【図８】本発明に使用する組成物の前駆体ａとカルボン
酸ｂの分子式図である。

【図９】本発明に適用される液晶組成物の例の分子式図
である。

【符号の説明】

１ 基板 １１ 透明電極 １２ 配向膜 ２ 液晶 ３ シール剤 ４ 偏光板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平行に配置され内面に液晶分子をホモジ
   ニアス配向する直鎖高分子被膜からなる配向膜を有した
   基板と、基板の内面周辺部に配置され基板内部に容器を
   形成するシール剤と、その容器の内部に充填された液晶
   分子が１８０度以上３６０度以下の捩れ角の螺旋状のネ
   マティック液晶層から成る液晶と、その液晶の外側に配
   置された偏光板とを具備し、前記液晶分子の極性基が前
   記配向膜との相互作用により弱電界の下でチルト角を持
   つように、配向膜にはフッ素置換側鎖を、液晶にはシア
   ノ基、エステル結合のうち少なくとも一つの極性基を有
   する液晶分子を含有してなる液晶表示器。