JPH0545929B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、リフレツシユ駆動可能な大容量液晶
表示素子において、応答速度が遅い、視野角が狭
い、コントラスト比が低いという従来の問題点を
解決するため、液晶表示素子を構成する基板表面
上の液晶配向膜による液晶分子配向規制力によつ
てコレステリツク相液晶のら旋構造を解消し、強
力な液晶分子配向規制力で液晶分子をユニホーム
に配列させ、電界印加で旋光性を有する液晶分子
の向きをわずかに変えることで、入射光の旋光度
を変え、透過光量を大きく変えることにより、大
容量表示、高速応答、広い視野角、および高いコ
ントラスト比を実現するものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は液晶表示素子に関し、更に詳しくはリ
フレツシユ駆動による大容量表示液晶表示素子の
高速応答化、広視野角化、および高コントラスト
化を実現するための液晶表示素子に関する。

〔従来技術および発明が解決しようとする問題点〕

液晶表示は電卓、腕時計からハンドヘルドコン
ピユータ、ワードプロセツサ、携帯用テレビに至
るまで多種多様な用途が開発されている。このよ
うな状況の中で、液晶表示素子には最近特に、従
来のCRT（陰極線管）に代わるデイスプレイ装置
としての役割が求められるようになつて来てい
る。CRTは発光デイスプレイであり作業者の眼
精疲労が、また奥行きが深いため装置全体の奥行
きが大きくなることおよびデザイン上の制約があ
るなどの理由から、目がつかれない反射型でコン
パクトなフタルトパネルデイスプレイが強く求め
られている。液晶表示はこの目的に最も近い素子
として一部使われ出してはいるものの、機能的に
はCRTに今一歩追いついていないのが現状であ
る。特に表示速度に関しては、一画面あたり数百
ミリ秒と遅いため、動画表示には事実上用いられ
ない。また、単位時間あたりの書き換え回数を減
らして表示することにより疑似的動画表示を行う
ことは可能であるが、視野角がせばまる、コント
ラスト比が低下するなどの問題が生ずるため、高
速応答、広視野角、高コントラスト比が可能な液
晶表示素子が強く求められている。

ところで、従来のリフレツシユ駆動液晶表示に
はツイステツドネマテイツク（TN）型あるい
は、TNの変形であるスーパーツイスト複屈折効
果（SBE）型がある。どちらの表示モードも第
４図に示すように液晶を平行配向させ上下基至に
施す配向処理によつて液晶分子を連続的に上から
下にかけて90度から270度ひねつたものである。
このパネルを２枚の偏光フイルム中に置き、電界
のオン／オフによつて液晶分子の並び方を変える
ことにより表示を行うものである。

ところでワードプロセツサ、ハンドヘルドコン
ピユータなどに一部使われているTN、SBEはリ
フレツシユ駆動であり、ある程度の大容量表示が
可能である。このため、これらはキヤラクタデイ
スプレイとして用いられている。TN型および、
SBE型は第４図に示すように基板に対し水平に
配向した液晶分子を、上基板から下基板にかけて
ひねつており、基板に対し垂直方向から入射した
光に対し、液晶層全体として複屈折効果を持ち、
光の振動方向のスイツチを行つている。このよう
に従来タイプのTN、SBEでは、液晶分子集団の
連続的方向転換に伴う光の振動面の回転によつて
表示を行うため、駆動用電界が印加されると液晶
分子同志の相互作用に打ち勝つて個々の液晶分子
が水平配向から垂直配向に方向転換するのに数十
ミリ〜数百ミリ秒を要する。特に大容量表示が可
能なSBEではマトリクス電極による時分割駆動
において選択点に印加される実効電圧V_Sと非選
択点に印加される実効電圧V_NSの比V_S／V_NSが小
さくとれる、すなわち印加電圧に対する光透過率
の立上りが急峻であるため、選択点と非選択点の
スイツチング時の印加電圧比が小さく、その結果
液晶分子の向きを変える力が弱くなり応答が遅く
なる。これは、上基板から下基板にかけて連続的
に液晶分子の向きを変えるため、液晶層の厚み方
向に沿つて、液晶分子を配向させる力に連続的な
勾配を持つ結果、電界印加時、配向力の弱い所か
ら徐々に向きを変えるためである。さらに、応答
時間は遅いものの比較的高コントラスト比で大容
量表示可能なSBEは、表示の背景に黄色又は紺
色の色がつくため、カラーフイルタ方式のカラー
表示が事実上できないという欠点がある。

このような状態に鑑み、以上の問題点を解決せ
んとして強誘電性液晶を利用する表示素子が提案
されている。すなわち、Noel、A.Clarkらによつ
て報告された強誘電性液晶表示（FLC）は、
（Appl.Phys Lett.、36 899（1980））カイラルスメ
クテイツクＣ又はスメクテイツクＨ相液晶を基板
に平行に配向させることを特徴としている。カイ
ラルスメクテイツクＣ、スメクテイツクＨ液晶は
基板に平行にユニホームに配列することによつて
基板に上向き又は下向きに個々の液晶分子の双極
子モーメントの向きがそろい、その結果自発分極
が発生する。この自発分極の基板に対する向きを
上・下反転させることによつて光のスイツチング
を行う方法がFLCである。FLCは液晶の自発分
極を駆動源とするため、外部電界と自発分極の強
いカツプリングにより高速応答可能、一度反転し
た自発分極は再び逆極性の電界を印加しない限り
前の状態を維持するというメモリ機能を有してい
る。

しかし、FLCは層構造を持つカイラルスメク
テイツクＣ、スメクテイツクＨ液晶を用いるた
め、層構造をくずさずに個々の分子を基板に平行
に配向させることが困難であるばかりか、仮に所
望の配向が得られたとしても、層構造は熱的に不
安定であるためヒートサイクル、メカニカルシヨ
ツクなどによつてこわれやすいという欠点があつ
た。

〔問題点を解決するための手段、作用および発明の効果〕

本発明は、以上説明した諸問題を全て解決し、
応答速度が速くしかも視野角度が広く大容量表示
を可能とする液晶表示を提供するものであり、こ
の液晶表示は、基板界面の強い配向規制力によ
り、旋光性を有するコレステリツク相液晶のら旋
構造を解消し、個々の液晶分子の長軸を互いに平
行に、かつ、少なくとも一方が透明な電極付基板
表面に対し同一方向を向き、かつ分子長軸が基板
表面に対し一様に平行、垂直あるいは傾斜配列し
たことを特徴とする。

ここで分子長軸とは、棒状液晶分子の長手方向
の軸を意味するものとする。

すなわち、本発明はコレステリツク相を示す液
晶をパネルギヤツプの狭いセル内に封入し、液晶
分子配向膜による液晶分子配向規制力をパネルの
上基板から下基板まで均一に近い状態で働かせる
ことにより液晶分子をある特定の方向（例えば基
板に平行、垂直、傾斜等）に配向させ、コレステ
リツク相のら旋構造を解消させることによつて大
容量表示と高速表示を同時に可能ならしめるもの
である。つまり、本発明の液晶表示装置は、本来
ら旋構造を示すコレステリツク相液晶を配向規制
力によつて強制的にユニホーム配向させることを
その本質とする。この配向させた液晶を以下
PAC（Parallel Aligned Chiralnematic）と呼
ぶ。

本発明においてコレステリツク相液晶は、コレ
ステリツク液晶（ステロイド系液晶）、カイラル
ネマテイツク液晶、ネマテイツク液晶およびコレ
ステリツク液晶又はカイラルネマテイツク液晶の
混合液晶（コレステリツク液晶、カイラルネマテ
イツク液晶の組成比は混合組成物全体の３重量％
以上）、あるいはネマテイツク液晶および液晶と
の相溶性が十分にある光学活性物質（例えば、ｌ
−メントール又はｌ−アドレナリン）との混合物
（光学活性物質の混合比率は混合物全体の３重量
％以上）のいずれかである。また、コレステリツ
ク相液晶は室温、電界無印加時に示すら旋ピツチ
の大きさが1.5μｍ以下である。これは、ら旋ピツ
チが長い液晶では、パネル内に封入し、強い配向
規制力でら旋をほどいても旋光性が十分大きくな
らないため、光のスイツチングが不十分となるた
めである。一般に、ら旋解消状態では、ら旋ピツ
チが短いほど旋光能が高くなるため、効果的な表
示を行うためには1.5μｍ以下のピツチ長にする必
要がある。

またコレステリツク相液晶の、基板表面上の液
晶配向膜との界面相互作用によつて配向規制を受
ける層（アンカリング層）の厚さは、液晶層全体
の厚さの1/3以上を必要とする。

PACでは上基板から下基板にかけて一様に液
晶を配列させるところに特徴がある。すなわち一
様に配列しているために印加電界に対しどの部分
の液晶も一様に応答する。このとき、液晶を一様
に配列させるための配向規制力が弱い、すなちア
ンカリング層の厚さが薄いと印加した電界にすぐ
液晶分子が応答してしまうため、明確なしきい値
（電界−光透過率）がなくなりリフレツシユ駆動
による大容量表示が不可能となる。従つて、しき
い値を急峻にして大容量表示を行うためには、で
きるだけアンカリング層を厚くして印加電界に対
し液晶分子の動きを制御する必要がある。このた
めにはアンカリング層の厚さが、液晶層全体の1/
３以上なければならない。1/3あれば、液晶分子同
志の分子間相互作用によりアンカリング層以外の
液晶も強く規制されるからである。しかし、アン
カリング層は厚いほど、有効であることは言うま
でもない。

第１図は本発明の液晶表示素子の一例を示すも
のである。ガラス基板１には透明電極２が設けら
れこの透明電極表面には配向膜３が付着せられて
いる。この配向膜は、有機ポリマーを電極に塗布
又は無機化合物を電極に蒸着して成る。このよう
に構成したセルにコレステリツク相液晶５を封入
しパネルを構成する。更に実施にあたつて偏光フ
イルム４をパネルに取りつける。

このように構成した液晶表示素子に電界を印加
し駆動させた場合、パネルギヤツプが狭いことに
起因し、前記のように液晶分子配向膜による分子
配向規制力（アンカリング）が上基板から下基板
までずつと働くことにより、全ての液晶分子は基
板に平行、垂直、傾斜（第１図ではやや傾斜）状
態でユニホームに配向する。

配向規制力によつてら旋構造を解消したコレス
テリツク相液晶を、基板に平行、垂直あるいは傾
斜配向させ、個々の液晶分子が互いに平行に配向
したユニホーム状態にすると液晶分子は配向規制
力によつて強い力で固定される。

このような状態のパネルをクロスニコルあるい
はクロスニコルに近い交叉角を持つ２枚の偏光板
４の間に置くと、ユニホーム配列した旋光能を有
するカイラルネマテイツク液晶（コレステリツク
液晶）により液晶層全体として複屈折を示す。そ
の結果、偏光板により振動面をそろえられた入射
光は、液晶層によつて旋光され、第２の偏光板の
偏光面と合致し、これを透過し明状態となる。こ
の状態を第２図ａに示す。尚第２図中、２はガラ
ス基板を示す。このガラス基板の構成は第１図と
同じであり透明電極と配向膜を設けたものであ
る。

一方、ユニホーム配向した液晶に電界が印加さ
れると、電界と液晶に誘起された誘起分極がカツ
プリングして液晶分子を回転させようとするトル
クが働く。従来のTN、SBEでは、このトルク
が、パネル中央部に働く配向規制力に比べて格段
に強かつたため、中央部から基板界面部に向つて
徐々に液晶分子はその向きを変えて行く。ところ
が、PACにおいては、パネル中央部、基板界面
部ともに配向規制力が強力に働いているため、〜
10V程度の印加電圧では分子の向きを十分に変え
る（横配向の分子を縦配向にする）までに至らな
い。しかしPACではTN、SBEと異なり、液晶分
子そのものが旋光能を有しているため、〜10V程
度の電圧でわずかに、液晶分子を無電界時の平衡
位置からずらしただけで液晶層全体の旋光度が変
わり暗状態となり（第２図ｂ）クロスニコル下で
光スイツチングが可能となる。このようにPAC
では強い配向規制力で支えられた旋光能を持つ液
晶分子を比較的弱い電界でほんのわずか駆動する
ことで光のスイツチングができるため、非常に高
速かつ高コントラスト比、広視野角、立上り急峻
性に優れた液晶表示が可能となる。

高速スイツチングの理由としては、第１に、液
晶分子の配向変化の度合いが空間的に小さいこ
と、第２に液晶層全体が同時に個々の液晶分子の
向きを変えることがある。

高コントラスト比の理由としては、液晶が
TN、SBEと異なりユニホームな配列を取るた
め、効率の高い光スイツチングができるからであ
る。

また、広視野角は、PACではTN、SBEと異な
り液晶層を形成する個々の液晶分子がユニホーム
な状態となつているため、入射角度依存性が
TN、SBEより小さくなるためである。

また、急峻性が良い理由は、強い配向規制力が
均一に近い力で液晶層全体に働いているために、
印加電界があるしきい値を越えた時はじめて、液
晶分子全体が移動するからである。

さらにその結果として、PACではSBEと異な
り表示背景に色が付かない表示ができるため、従
来のモザイク状カラーフイルタと組み合わせたタ
イプのフルカラー表示が可能である。

以下、更に本発明を実施例により説明するが、
本発明がこの例に限定されないことはもとよりで
ある。

〔実施例〕

透明導電膜（ITO）付ガラス基板を洗浄、乾燥
した後、該ガラス基板にイオンプレーテイング装
置を用いて、フツ化マグネシウム（MgF₂）をプ
ラズマ出力70Wで蒸着した。これをラビングし、
ラビング方向が平行になるように２枚の基板を配
して0.7μｍ粒径のアルミナ（Al₂O₃）をスペーサ
として液晶パネルを構成した。このパネルに
ROCHE社製のネマティツク混合液晶Nr2801お
よびBDH社のカイラルネマテイツク液晶CB−15
の80：20重量組成比から成るコレステリツク相液
晶を封入した。なおこの混合液晶のら旋ピツチは
25℃において0.7μｍであつた。また、液晶層の厚
さ（パネルギヤツプ）は実測で1.5μｍであつた。
さらに、この液晶パネルにおける配向膜のアンカ
リング層の厚さ（強い配向規制力の及び液晶層の
厚さ）を、パネルギヤツプを変えてそれぞれの旋
光度を旋光度計を用いて測定したところ上下基板
ともそれぞれ0.6μｍすなわち1.2μｍであることが
わかつた。本方法によるアンカリング層の測定方
法は本発明者等発明による液晶アンカリング層の
層厚測定方法（特開昭62−169007）に詳細に報告
されている。

液晶封入後、クロスニコルに設定した偏光顕微
鏡にパネルをセツトし、パルス発生器を用いて−
6Vのオフセツトをかけた1KHzの矩形波（±）を
印加して（−6Vのバイアス電圧を印加し、1KHz
の±矩形波を印加）、印加電圧に対する応答時間
（立上りτ_rおよび立下りτ_d、τ_r：光透過率10−100
％変化に要する時間、τ_d：光透過率90−０％に要
する時間）を測定した。結果を第３図に示す。こ
の図から明らかなように約±6Vの駆動電圧にお
いてτ_r、τ_dともに180μSの応答を示すことを確認
した。これは従来のリフレツシユ駆動による
TN、SBEの一画面応答時間（例えば640×400絵
素のパネル）が数百ミリ秒であるのと比較して約
1000倍の速さである。

また、印加電圧に対する光透過率の立上り、い
わゆる立上り急峻性を測定したところ、TN、
SBEと同様の電圧平均化法によるリフレツシユ
駆動を行つた時、コントラスト比４：１（透過光
量比）以上にできるデユーテイ比は１／300以下
であり、300本以上の走査線数を設定できOA用
フラツトパネルデイスプレイに必要な大容量化に
対応可能なことがわかつた。

コントラスト比については、バイアス電圧依存
性が大きい。最大コントラスト比はバイアス電圧
＋5Vのとき得られ15：１（透過光量比）であつ
た。また、バイアス電圧を印加しない時は約７：
１であつた。

また、コントラスト比の入射角度依存性を測定
したところ、コントラスト比４：１以上となる入
射角度（基板法線と入射光とのなす角度）が25度
（法線の両側に対し50度の開き角）と広くとれる
ことがわかつた。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したようにコレステリツク相
液晶を用い、基板界面の液晶分子配向規制力によ
つて液晶分子をユニホームに配向させるように構
成したものである。ここで、配向方向は、前述の
ように平行配向に限らず垂直配向、傾斜配向のい
ずれであつてもよい。

本発明をこのように構成したことにより、従来
のTN、SBEと同様の駆動回路、IC等を用いなが
らもOA用フラツトパネルデイスプレイに必要な
大容量表示が従来液晶に比べて少くとも数百倍以
上の高速で可能となり、高コントラスト比、広い
視野角とともに従来不可能であつた大容量ビデオ
表示が可能となる。

更に本発明のPACではコレステリツク相液晶
を用いている。従つて、強誘電性液晶表示
（FLC）における如く層構造を保つ必要はない。
従つて、液晶の配向が容易に得られかつ配向状態
は熱的に安定であるため、駆動安定性が高い効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はPACのパネル構成を示す説明図であ
り、第２図ａおよび第２図ｂはそれぞれPACの
駆動原理を説明する図であり、第３図はPACの
応答時間の実測データを示すグラフであり、第４
図は従来のTNの駆動原理を示す説明図である。 １……ガラス基板、２……透明電極、３……配
向膜、４……扁光板、５……液晶分子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板界面の強い配向規制力により、旋光性を
   有するコレステリツク相液晶のら旋構造を解消
   し、個々の液晶分子の長軸を互いに平行に、か
   つ、少なくとも一方が透明な電極付基板表面に対
   し同一方向を向き、かつ分子長軸が基板表面に対
   し一様に平行、垂直あるいは傾斜配列したことを
   特徴とする液晶表示素子。 ２ コレステリツク相液晶のら旋ピツチが、室温
   および電界無印加時において、1.5μｍ以下である
   特許請求の範囲第１項に記載の液晶表示素子。