JPH0534675A

JPH0534675A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH0534675A
Application number: JP3189112A
Authority: JP
Inventors: Masahito Ishikawa; 正仁石川; Junko Hirata; 純子平田; Tomiaki Yamamoto; 富章山本; Hitoshi Hado; 仁羽藤; Yuzo Hisatake; 雄三久武
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-07-30
Filing date: 1991-07-30
Publication date: 1993-02-12

Abstract

(57)【要約】【構成】２枚の偏光板１、４の間にホメオトロピック
配向をしている液晶層３と、光学異方性物質層２とが配
置された液晶表示素子に関する。光学異方性物質層の厚
み方向の屈折率をｎｚ、光学異方性物質層の面方向の屈
折率をｎxyとすると、ｎxy＞ｎz であり、液晶層の厚みと光学異方性物質層との厚みがほ
ぼ等しく、液晶層に用いる液晶分子の長軸方向の屈折率
をｎ1 、液晶分子の短軸方向の屈折率をｎ2 とすると、ｎxy≒ｎ1 ｎz ≒ｎ2 であることを特徴とする。【効果】液晶表示素子の視角特性が改善され、視認性
にすぐれる高品位表示の液晶表示素子を提供することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示素子に係わ
り、特にコントラスト比及び表示色の視角依存性を改善
した液晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】電界効果複屈折制御型（ＥＣＢ型）の液
晶表示素子では、その分子配列において、電圧を印加し
ない状態では一般に液晶分子長軸が基板表面に対し垂直
な配列（ホメオトロピック配列）をしている。このＥＣ
Ｂ型の液晶表示素子は、負の誘電異方性（液晶分子の長
軸方向の誘電率＜長軸法線方向の誘電率）を有する液晶
組成物を用いており、このような液晶表示素子に液晶の
しきい値電圧以上の電圧を印加すると、液晶分子は負の
誘電異方性を有すため基板法線から傾く。一方液晶分子
は屈折率の異方性を持ち、液晶分子長軸方向とそれに垂
直な短軸方向とでは屈折率が異なる。従って電圧無印加
時には、液晶分子は垂直に立っているために屈折率の異
方性が生じないので、液晶セルを直交させた偏光板で挟
むと暗状態が得られ、液晶分子が基板法線から傾くと屈
折率の異方性が生じて明状態が得られる（複屈折効
果）。ＥＣＢ型の液晶表示素子とは以上のような原理で
表示を行うものであるが、液晶表示素子を見る視点を表
示面法線から傾けると、垂直に立った液晶分子は傾いて
見えるために、もともと暗状態であるところが明るくな
ってしまい表示画として識別できなくなってしまう。こ
の様なＥＣＢ型の液晶表示素子の視角特性を改善する手
法として、１／４波長遅延板を液晶セルと偏光板との間
に配置することにより視角特性を改善する手法が提案さ
れている（特開昭５３−９５５２）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】液晶分子は、液晶分子
の長軸方向と短軸方向に異なる屈折率を有することは一
般に知られている。この様な屈折率の異方性を示す液晶
分子にある角度で光が入射するとその偏光状態は光が液
晶分子に入射する角度に依存して偏光状態が変化する。
従って、液晶セルに対し光が垂直に入射した場合と斜め
に入射した場合とでは、液晶セル中を伝搬する光の偏光
状態は異なり、その結果、液晶表示素子を見る時の方向
や角度によって表示パターンが反転して見えたり、表示
パターンが全く見えなくなったりするという現象として
現れ、実用上好ましくない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、２枚の偏光板の間にホメオトロピック配向をしてい
る液晶層と、光学異方性物質層とが配置された液晶表示
素子に関する。

【０００５】光学異方性物質層の厚み方向の屈折率をｎ
ｚ、光学異方性物質層の面方向の屈折率をｎxyとする
と、ｎxy＞ｎz であり、前記液晶層の厚みと前記光学異方性物質層との
厚みがほぼ等しく、前記液晶層に用いる液晶分子の長軸
方向の屈折率をｎ1 、液晶分子の短軸方向の屈折率をｎ
2 とすると、ｎxy≒ｎ1 ｎz ≒ｎ2 であることを特徴とする。

【０００６】光学異方性物質層のねじれ角は、３６０゜
以上であり、例えば２枚の基板間で基板表面に対しほぼ
水平に３６０゜以上ねじれた配列をした液晶セルでも高
分子液晶層でも実現できる。

【０００７】

【作用】以下ＥＣＢ型の液晶表示素子を例にとり本発明
の作用を説明する。

【０００８】液晶表示素子を評価する重要な項目の１つ
としてコントラスト比があげられる。

【０００９】一般にコントラスト比とは、光が透過した
状態（明状態）の輝度を光が遮断された状態（暗状態）
の輝度で割った値であり、コントラスト比は暗状態の輝
度に大きく影響する。一般にＥＣＢ型の液晶表示素子で
は、暗状態の視角依存性が大きい。図３は、一般的なＥ
ＣＢ型の液晶表示素子のセル構成図で、偏光板１、４の
間に、液晶層を電極で挟んだＥＣＢ型の液晶セル３が挟
持されている。偏光板はそれぞれ吸収軸(1.1),(4.1) を
有してこれらは互いに直交している。液晶セル３の電極
に電圧を印加しないときは暗状態が得られる。電圧無印
加時の左右方向の視角−透過率特性を測定すると、図４
に示すようになる。横軸の視角とは、液晶表示素子法線
（図３中のｚ軸）からの傾き角で、縦軸の透過率は液晶
表示素子を透過する光の透過率を示す。図からも明らか
なように、視角が２０゜以上になると透過率が急激に増
加し、コントラスト比の悪化を招いている。このような
現象を以下に詳しく述べる。

【００１０】基板表面をｘｙ平面として、電圧無印加時
の分子配列状態（基板に対し垂直に配列した状態）を三
次元の屈折率楕円体で記述すると図５に示すように葉巻
型の立体となる。複屈折現象は、この屈折率楕円体６を
ある方向からみたときの２次元面内での屈折率差に関す
る現象である。

【００１１】例えば、ｚ方向から見たとき（すなわち液
晶セルを真正面から見たとき）、２次元面内の屈折率体
は(6.4) の様に円となる。一方、ある視点(6.1) から屈
折率楕円体６を観測したとき、屈折率体は(6.5) は楕円
となり、ｚ方向から見たときの屈折率差は０であるから
暗状態が得られるが、視点(6.1) から見たときは屈折率
差が生じるために暗状態とはならない。屈折率楕円体６
を見る角度(6.3) を大きくしていくと視軸(6.1) から見
える２次元面内の楕円(6.5) はｎ61の長さ方向に大きく
なって屈折率異方性が大きくなり、視点(6.1) の方向か
ら見た時より大きい透過光が観測される。

【００１２】従ってこの様な屈折率楕円体を光学的に補
償するには、図６に示すような円盤形の屈折率楕円体７
を図５の屈折率楕円体６と組み合わせると、視角特性が
向上する。同図の屈折率楕円体７は、視点(6.1) を倒し
見る角度(6.3) を大きくしていったときｎ62の長さ方向
の屈折率が大きくなり、その結果２次元面内の楕円(6.5
c)は(6.5) と合成されて、最終的な２次元面内の楕円は
円となる。どの角度から見ても最終的な２次元面内の楕
円が円となるには、液晶層の厚みと光学異方性物質層と
の厚みがほぼ等しく、液晶分子の長軸方向の屈折率をｎ
１、液晶分子の短軸方向の屈折率をｎ２とし、光学異方
性物質層の厚み方向の屈折率をｎｚ、光学異方性物質層
の面方向の屈折率をｎｘｙとすると、ｎxy≒ｎ1 ｎz ≒ｎ2 の関係の時実現される。

【００１３】実際に図６に示す様な屈折率楕円体７を実
現するには、ｎxy＞ｎz の特性をもつ光学異方素子すな
わち、光学的に負の光学異方性を示す光学異方性物質層
が好ましい。

【００１４】他の光学的に負の光学異方性を示すものと
しては、コレステリック液晶セルがあげられる。コレス
テリック液晶とは液晶分子が螺旋状にねじれた配列をし
ており、一般の液晶が正の光学異方性を有するのに対し
コレステリック液晶セルは螺旋状のねじれ配列により光
学的に負の光学異方性を示す。

【００１５】図７は、コレステリック液晶セルを吸収軸
を直交させた偏光板間に配置したとき、液晶セル法線方
向で観測される透過光を、コレステリック液晶セルのね
じれ数の各回転数に対しプロットした結果である。ねじ
れ数が１（すなわちねじれ角＝３６０゜）までは大きく
振動し、それ以降では概略減少してゆく。回転数が大き
くなると透過率はほぼ０となりコレステリック液晶セル
の光学軸が基板法線に対して垂直で光学的に負の異方性
を示す。図中の第１、第２のピークを示すねじれ角すな
わち補償セルのねじれ角が、９０゜（ねじれ数１／４）
及び２７０゜（ねじれ数３／４）の時では、補償セルと
しての旋光性が大きすぎコントラスト比を低下させる原
因となり好ましくなく、第３のピーク以降を示す３６０
゜以上ねじれた配向をしたコレステリック液晶セルを補
償用に用いると所望な光学補償効果を得ることができ
る。

【００１６】また上述の液晶セルは、ねじれ性を持つ高
分子液晶層を用いることによっても同様の機能が得られ
ることは言うまでもなく、この場合、例えばＥＣＢ型の
液晶セルの基板の少なくともどちらか一方に、この様な
高分子液晶層を塗布することにより得られ、製造上容易
となりより望まし液晶表示素子が得られる。この場合、
例えばポリシロキサン主鎖とし、側鎖にビフェニルベン
ゾエートとコレステリル基を適当な比で有した様な高分
子共重合体液晶などを用いることなどができる。

【００１７】

【実施例】以下本発明の液晶表示素子の実施例を詳細に
説明する。

【００１８】［実施例１］図１および図２に本実施例に
おけるセル構造を示す。液晶表示素子は２枚の偏光板
１、４と、これらの間に光学補償用液晶セル２と駆動用
液晶セル３とを挟む構成を有している。偏光板１は透明
基板１ａの内側に偏光膜１ｂを付けたものであり、偏光
板４も同様に透明基板４ａに偏光膜４ｂをつけて形成さ
れる。又これら偏光板１、４の光吸収軸(1.1),(4.1) は
それぞれ直行するように配置される。光学補償用液晶セ
ル２は光学異方性素子であって、これらの偏光板１、４
間に配置され、透明基板２ａ, ２ｂ間にコレステリック
ピッチ＝０．５μｍのコレステリック液晶層２ｃを介在
させた液晶セル構造を有している。光学異方性層である
液晶の厚み方向の屈折率は１．４６３、セル面内方向の
屈折率は１．５８であり、この液晶層の厚みは６μｍで
ある。(2.1),(2.2) は、それぞれ上側と下側の基板のラ
ビング軸で、これらは互いに直交している。上側偏光板
の吸収軸(1.1)と上側基板のラビング軸(2.1) は平行で
、下側偏光板の吸収軸(4.1) と下側基板のラビング軸
(2.2) とは平行である。

【００１９】駆動用液晶セル３は補償用液晶セル２と偏
光板４間に配置される。上側基板３ａと下側基板３ｂと
はそれぞれ透明電極３ｃ、３ｄ間を形成しており、駆動
電源３ｆに接続される。基板３ａ, ３ｂ間にネマティッ
ク液晶層３ｅが配置され、ホメオトロピック配列すなわ
ち垂直に配列し、駆動電源３ｆから印加電圧に応じて状
態を変化する。駆動用液晶セル３の液晶層の厚みは光学
補償用液晶セルの液晶層と同じ厚み（６．０μｍ）で、
用いた液晶分子の長軸方向の屈折率をｎ1 は１．５８
０、短軸方向の屈折率ｎ2 は１．４６３である。

【００２０】電圧無印加時の図１中のｘｙ面での視角−
透過率特性の測定結果を図８に示す。横軸の視角とは、
液晶表示素子法線（図１中のｚ軸）からの傾き角で、縦
軸の透過率は液晶表示素子を透過する光の透過率を示
す。図からも明らかなように、視角が５０゜まで変化し
ても透過率はほぼ一定となり、偏光板を直行させた時の
透過率とほぼ同一の特性が得られた。

【００２１】本構成で６４０×４８０ドットのＥＣＢ型
ＬＣＤを作成し、１／２４０dutyで単純マルチプレクス
駆動したところ、視点を変化させても表示パターンのが
識別できる高コントラスト表示のＬＣＤが実現できた。
視角特性を測定したところ、６０゜コーンでコントラス
ト比３０：１以上が得られ、入射角が６０゜以上でも表
示画の反転や表示色の変化の無い良好な表示が得られ
た。

【００２２】［比較例］実施例１において液晶セル２と
上下の偏光板１、４との間に光学異方性素子である光学
補償用液晶セルを配置しない場合の液晶表示素子の視角
特性を測定した。電圧無印加時の左右方向の視角−透過
率特性を測定した結果を図４に示す。図からも明らかな
ように、視角が２０゜以上になると透過率が急激に増加
し、コントラスト比の悪化を招く。暗状態は視角により
変化し、６０゜コーンではコントラスト比の最大値が、
２：１しか得られず、入射角が６０゜以上になると見る
方位によって表示画が反転したり、全く見えなくなった
りした。

【００２３】［実施例２］実施例１において、補償用液
晶セル２の代わりにポリカーボネイトを加熱加工を施し
て補償用液晶セル２と同等な屈折率及び厚みを有する光
学異方物質層からなる光学異方性素子を偏光板１と液晶
セル３の間に配置した。本構成で６４０×４８０ドット
のＥＣＢ型ＬＣＤを作成し、１／２４０dutyで単純マル
チプレクス駆動したところ、視点を変化させても表示パ
ターンのが識別できる高コントラスト表示のＬＣＤが実
現できた。視角特性を測定したところ、６０゜コーンで
コントラスト比３０：１以上が得られ、入射角が６０゜
以上でも表示画の反転や表示色の変化の無い良好な表示
が得られた。

【００２４】［実施例３］実施例１において、補償用液
晶セル２を高分子液晶層に代えて補償用液晶セル２と同
一な屈折率及び厚みを有する光学異方素子を偏光板１と
液晶セル３の間に形成した。本構成で６４０×４８０ド
ットのＥＣＢ型ＬＣＤを作成し、１／２４０dutyで単純
マルチプレクス駆動したところ、視点を変化させても表
示パターンのが識別できる高コントラスト表示のＬＣＤ
が実現できた。視角特性を測定したところ、６０゜コー
ンでコントラスト比３５：１以上が得られ、入射角が６
０゜以上でも表示画の反転や表示色の変化の無い良好な
表示が得られた。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、液晶表示素子の視角特
性が改善され、視認性にすぐれる高品位表示の液晶表示
素子を提供することができる。また、本発明をＴＦＴや
ＭＩＭなどの３端子、２端子素子を、用いたアクティブ
マトリクス液晶表示素子に応用しても優れた効果が得ら
れることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の液晶表示素子の構成を示す
分解斜視図。

【図２】本発明の実施例１の液晶表示素子を示す断面
図。

【図３】従来例の液晶表示素子の構成を示す分解斜視
図。

【図４】従来例の液晶セル法線方向から斜め方向におけ
る透過率特性を説明する図。

【図５】液晶分子が立った状態の三次元の屈折率楕円体
を示す図。

【図６】図４の屈折率楕円体を光学補償する屈折率楕円
体を説明する図。

【図７】コレステリック液晶セルのねじれ回数と光の透
過率の関係を示す曲線図。

【図８】実施例１の効果を説明する図。

【符号の説明】

１、４・・・偏光板２・・・光学異方素子３・・・液晶セル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者羽藤仁神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者久武雄三神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚の偏光板の間にホメオトロピック配
向をしている液晶層と、光学異方性物質層とが配置され
た液晶表示素子において、前記光学異方性物質層の厚み
方向の屈折率をｎｚ、光学異方性物質層の面方向の屈折
率をｎxyとすると、ｎxy＞ｎz であり、前記液晶層の厚みと前記光学異方性物質層との
厚みがほぼ等しく、前記液晶層に用いる液晶分子の長軸
方向の屈折率をｎ1 、液晶分子の短軸方向の屈折率をｎ
2 とすると、ｎxy≒ｎ1 ｎz ≒ｎ2 であることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】前記光学異方性物質層が前記液晶層表面
に対しほぼ水平に３６０゜以上ねじれた配列をした液晶
層であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
液晶表示素子。
【請求項３】前記光学異方性物質層が光軸のねじれが
３６０゜以上ねじれた高分子液晶層であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の液晶表示素子。