JPH0656459B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

液晶表示素子

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JPH0656459B2
JPH0656459B2 JP60070950A JP7095085A JPH0656459B2 JP H0656459 B2 JPH0656459 B2 JP H0656459B2 JP 60070950 A JP60070950 A JP 60070950A JP 7095085 A JP7095085 A JP 7095085A JP H0656459 B2 JPH0656459 B2 JP H0656459B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は液晶表示素子に係り、特に優れた時分割駆動特
性を有する電界効果型液晶表示素子に関するものであ
る。
〔発明の背景〕
従来の液晶表示素子のツイステッドネマチックタイプと
言われるものは、2枚の電極基板間に正の誘電率異方性
を有するネマチック液晶による90度ねじれたらせん構
造を有し、かつ両電極基板の外側には偏光板をその偏光
軸(あるいは吸収軸)が電極基板に隣接する液晶分子に
対してほぼ平行になるように配置するものであった(特
公昭51−13666号公報)。
2枚の電極基板間で液晶分子が90度ねじれたらせん状
構造をなすように配向させるには、例えば電極基板の、
液晶に接する表面を布などで一方向にこする方法、いわ
ゆるラビング法によってなされる。このときのこする方
向、即ちラビング方向が液晶分子の配列方向となる。こ
のようにして配向処理された2枚の電極基板をそれぞれ
のラビング方向が互にほぼ90度に交差するように間隙
をもたせて対向させ、2枚の電極基板をシール剤により
接着し、その間隙に正の誘電率異方性をもったネマチッ
ク液晶を封入すると、液晶分子はその電極基板間でほぼ
90度回転したらせん状構造の分子配列をする。このよ
うにして構成された液晶セルの上下には偏光板が設けら
れるが、その偏光軸あるいは吸収軸はそれぞれの電極基
板に隣接する液晶分子の配列方向とほぼ平行にする。こ
こで、以降の説明に必要な時分割駆動特性を表わす量の
定義について簡単に説明する。
第1図は従来の90度ねじれた液晶分子のらせん構造を
もつ液晶表示素子の典型的な電圧−輝度特性を示してい
る。これは、印加電圧に対する反射輝度の相対値をとっ
たものであり、輝度の初期値(電圧を印加しない状態)
を100%、最終値(光の反射または透過が全くない状
態)を0%にしている。
実用上は、80%以上あれば画素は十分明るく非点灯状
態、20%以下であれば画素は十分暗く点灯状態として
よく、以下本明細書においては、相対輝度が80%,2
0%になる電圧をそれぞれしきい値電圧Vth,飽和電圧
Vsatとする。
さらに、液晶表示素子の電気光学特性は、見る方向によ
っても変り、この特性が良好な表示品質が得られる視野
を制限している。
ここで、視角φの定義を第2図によって説明する。図に
おいて、液晶表示素子1の上側電極基板11のラビング
方向を2、下側電極基板12のラビング方向を3とし、
液晶分子のねじれ角を4とする。また、液晶表示素子1
の表面に直交座標XY軸をとり、X軸方向を液晶分子の
ねじれ角4を2等分する方向に規定し、Z軸をXY面の
法線方向に定め、観察方向5がZ軸となす角を視角φと
する。また、第2図に示されたφを正とし、このような
方向から見た場合、コントラストが高くなるので、この
ような方向を視野方向という。
第1図において、視角φ=10度の輝度が80%になる電
圧をVth1,20%になる電圧をVsat1とし、視角φ=
40度の輝度が80%になる電圧をVth2としたとき、
立ち上がり特性γ,角度特性Δφ及び時分割能mを次式
のように定義する。
従来の液晶表示素子の時分割駆動特性は、液晶の屈折率
異方性をΔn,上下電極基板間間隙をdとしたとき、Δ
n・dに依存しており、Δn・dが大きい場合(例えば
0.8μm以上)にはγが良く(小さく)、Δφが悪い
(小さい)。
一方、Δn・dが小さい場合(例えば0.8μm以下)
にはγが悪く(大きく、Δφが良い(大きい)。しか
し、時分割能mで比較した場合には、Δn・dの大小に
かかわらず、ほぼ同じ値を示す。以上の具体的な例を表
1に示す。
ここで時分割駆動について、ドットマトリクスデイスプ
レイを例にとって簡単に説明する。第3図に示すよう
に、第2図の下側電極基板12にストライプ状のY電極
(信号電極)13を、同様に上側電極基板11にX電極
(走査電極)14を形成し、文字等の表示は、X,Y両
電極の交点部の液晶を点灯あるいは非点灯にして行う。
図においてn本の走査電極をX1,X2,・・・・・Xn
1,X2,・・・・・Xと繰り返し先順次走査を繰返
して時分割駆動する。ある走査電極が選択されたとき、
その電極上のすべての画素に、信号電極13である
1,Y2,・・・・・Yより、表示すべき信号に従
い、選択または非選択の表示信号を同時に加える。この
ように、走査電極と信号電極に加える電圧パルスの組合
せで交点の点灯、非点灯を選択する。この場合の走査電
極Xの数nが時分割数に相当する。
従来の液晶表示素子では、表1に例示したような時分割
駆動特性しか得られないために、時分割数32あるいは
64程度が実用的には限界であった。しかし、近年、液
晶表示素子の画質の改善と表示情報量の増大に対する要
求が厳しくなっており、要求仕様を満足できない状況に
到っている。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、量産正の高いラビング配向処理で得ら
れる低チルト角(基板面に隣接する液晶分子の長軸が基
板面となす傾斜角)に、液晶分子のねじれ角を最適化
し、しかも、液晶のねじれらせんピッチと液晶層の厚み
を特定の範囲に制御することによって、極めて優れた時
分割駆動特性を持ち、時分割数100以上でも良好な画
質を持った液晶表示素子を提供することにある。
〔発明の概要〕
このような目的を達成するために、本発明による液晶表
示素子は、第1の基板と、該第1の基板に対向して設け
られた第2の基板と、上記第1の基板上に設けられた第
1の電極と、上記第2の基板上に設けられた第2の電極
と、上記第1の基板の上記第1の電極が設けられた面と
上記第2の基板の上記第2の電極が設けられた面とで対
向した上記第1、第2の基板間に封入された液晶と、上
記第1の基板上に設けられた第1の偏光板と、上記第2
の基板上に設けられた第2の偏光板とを有する液晶表示
装置であって、 上記液晶は正の誘電異方性を有するフェニルシクロヘキ
サン系液晶を主成分とし、旋光性物質 を0.4重量%から0.9重量%添加することによって
Δnが0.143になるようなネマチック液晶であり、
かつ、その厚さ方向に140度以上の角度αねじれた螺
旋構造を形成しており、更に、上記液晶の分子配列方向
は、上記第1、第2の基板共に、各基板の上に形成され
たポリイミド有機膜のラビング配向処理によって規定さ
れ、液晶分子をチルト角6度以下で配向させると共に、
上記液晶の螺旋ピッチp(μm)と上記液晶層の厚みd
(μm)との関係が、(α−90度)/360度≦d/
p≦0.6の関係にあり、かつ、上記ねじれ角度αを縦
軸にとり、上記d/pを横軸にとった図において、座標
(d/p,ねじれ角度α)が(0.14,140度)、
(0.6,140度)、(0.55,228度)及び
(0.46,255度)である点で囲まれる範囲内に上
記液晶のd/p及びねじれ角度αを設定し、かつ、上記
液晶の厚みd(μm)と上記液晶の屈折率異方性Δnと
の積Δn・dが、0.8μmから1.2μmの範囲内に
あり、上記第1の偏光板の偏光軸あるいは吸収軸を隣接
する上記第1の基板の液晶分子配列方向と20度から7
0度の範囲内の角度ずらせ、かつ、上記第2の偏光板の
偏光軸あるいは吸収軸を隣接する上記第2の基板の液晶
分子配列方向と20度から70度の範囲内の角度ずらせ
たことを特徴とするものである。
〔発明の実施例〕
次に、図面を用いて、本発明の実施例を詳細に説明す
る。
第4図は本発明による液晶表示素子を上側から見た場合
の液晶分子の配列方向(ラビング方向)、液晶分子のね
じれ方向、偏光板の吸収軸(あるいは偏光軸)方向を示
している。この場合、液晶分子が上側電極基板のラビン
グ方向6を起点として、反時計回りに下側電極基板のラ
ビング方向7まで角度αだけねじれている。また、上側
電極基板のラビング方向6と上側偏光板の吸収軸(ある
いは偏光軸)8とのなす角度βは、上側電極基板のラ
ビング方向6を起点として液晶分子のねじれ方向10
(この場合は反時計回り方向)と同じにとり、下側電極
基板のラビング方向7と下側偏光板の吸収軸(あるいは
偏光軸)9とのなす角度βもβと同様に定義する。
ここで、βおよびβに180度の整数倍の角度を加
えたものは、βおよびβと等価であることは言うま
でもない。以降、βとβ2の値は、等価な角度群の最
小値をもって代表する。
さらに、液晶分子のねじれ方向10とねじれ角αは、上
記電極基板のラビング方向6と下側電極基板のラビング
方向7およびネマチック液晶に添加される旋光性物質の
種類と量によって規定される。
以下、説明を簡略化するために、添加する旋光性物質と
しては、例えばメルク者のS811 のように 第4図におけるねじれ方向10と同じ固有ねじれ方向を
もったものを考える。
一般に、旋光性物質を添加したネマチック液晶は、旋光
性物質の種類と添加量に応じたらせんピッチP(μm)
を持つ。即ち、液晶分子はらせん軸方向に距離Pを進間
に360度だけ自然にねじれる。ネマチック液晶に添加
された旋光性物質の濃度をC(%)とすると、PC=一
定なる関係がある。したがって、任意の距離d(μm)
をとると、その間で液晶分子は360d/P度だけねじ
れることになる。しかし、実際の液晶表示素子では境界
の液晶分子の配列方向がビング方向に強制的に規制され
ているため、上下のラビング方向によって決まるねじれ
しか許されない。これについて第5図を用にて説明す
る。図において、目的とするねじれを10とし、ねじれ
角をαとした場合、液晶層の厚みをd(μm)とする
と、液晶のらせんピッチPがα≒360d/Pの関係を
満足すれば、液晶分子は目的のねじれ10になることは
容易に分かる。しかし、d/Pが非常に小さくなった場
合のねじれは図においてねじれ20にない、逆にd/P
が非常に大きくなつた場合のねじれは図においてねじれ
30になる。このように実際の液晶表示素子では、d/
Pが連続的に変化してもねじれはとびとびの状態しかと
り得ない。ここではねじれ10の場合をノーマルツイス
ト,ねじれ20の場合をアンダーツイスト,ねじれ30
の場合をオーバーツイストということにする。
ここで、ねじれが20のアンダーツイストになる条件は であり、ねじれが30のオーバーツイストになる条件は である。したがって、ねじれが10のノーマルツイスト
になる条件は である。d/Pをこの範囲に保ては、液晶分子のねじれ
は目的としたものが得られる。しかし、種々の実験をす
るうちに、正常なねじれ(ノーマルツイスト)であって
も、電圧を印加すると、光を散乱する配向状態になるも
のがあることがわかった。光を散乱する配向状態にある
ときは表示のコントラストが著しく劣化するために、デ
ィスプレイとしては実用に耐えない。
量産性の高いラビングで配向処理された基板の対向面間
に挾持されたネマチック液晶を大きな角度でねじる場
合、ラビング配向処理された面に接する液晶分子のチル
ト角は小さく数度程度であり(J.A.Castellano,“Surf
ace Anchoring of Liquid Crystal Molecules on
Various Substrates",Mol. Cryst. Liq. Cryst.
1983,Vol. 94,pp33-41,殊にpp38-40)、次のよう
な制約がある。
さらに詳細に実験検討を加えた結果、正常なねじれ構造
をとり、かつ電圧を印加したときに光を散乱する配向状
態を生じない条件は、上,下側電極基板のラビング方向
で規定される液晶分子のねじれ角αとd/Pの関係が第
6図に斜線領域で示す範囲を満たす必要があることを見
出した。
具体的にはd/Pの下限はα−90/360で与えら
れ、上限はαによってわずかに変化するが、少なくとも
0.6以下である。
第6図から明らかなように、液晶分子のねじれ角αの最
大値も制限され、255度が限度であり、実用的に依り
安定に実現し得る上限は240度である。また、液晶分
子のねじれ角αの下限は、液晶表示素子の表示色のねじ
れ各依存性および時分割駆動特性によって制限され、1
40度が限界である。したがって、d/Pの下限もおの
ずから決まり0.14である。図中、領域I,II,III
はそれぞれアンダ,ノーマル,オーバーツイスト領域を
示す。
なお、第6図の実験結果は液晶分子の配列方法として、
ポリイミド等(例えば、ポリイミドイソインドロキナゾ
リンジオン(特公昭58−23610号),またはポリ
イミドベンゾイミダゾビロロン((特開昭54−133
58号))の有機膜をラビングして得られたもので、そ
の際チルト角が6度以下になるが、少なくともこれと類
似の液晶分子配列方法を用いた液晶表示素子に適用でき
る。
第4図において上側偏光板の吸収軸(あるいは偏光軸)
8と上側電極基板のラビング方向6とのなす角βおよ
び下側偏光板の吸収軸(あるいは偏光軸)9と下側電極
基板のラビング方向7とのなす角βは、時分割駆動特
性,表示明るさおよび色等を考慮すると、好ましくはそ
れぞれ20度から70度の範囲,より好ましくは30度
から60度の範囲に設定することが望ましい。
なお、第4図においては液晶分子のねじれ方向10を反
時計回りとしてβおよびβを定義したが、液晶分子
のねじれ方向が時計回りの場合であってもβとβ
とり方を時計回り方向に合わせれば同様であることは言
うまでもない。
また、本発明による液晶表示素子は、顕著なΔn・d依
存性を示し、時分割駆動特性,コントラスト,明るさお
よび色の点から、好ましくは0.8μm≦Δn・d≦
1.2μm、より好ましくは0.9μm≦Δn・d≦
1.1μmの条件を満足すると特に良好な結果を示す。
ここで、Δnの値については一般に波長依存性があり、
短波長側で大きく、長波長側で小さくなる傾向がある。
本明細書で使用しているΔnの値は、He−Neレーザ
光(波長6328Å)を使用し、25℃で測定したもの
であるから、ほかの波長で測定した場合には本明細書に
おけるΔn・dの値は若干変化する。
ここで、本発明による液晶表示素子の具体的な一実施例
について、その構造と測定結果を説明する。
第7図はその構造、すなわち電極基板のラビング方向,
液晶分子のらせん構造のねじれ方向および角度,偏光板
の吸収軸の関係を示し、液晶表示素子を上から見た図で
ある。
使用した液晶はフェニルシクロヘキサン(PCH)系液
晶を主成分とするネマチック液晶で、旋光性物質として
メルク社のS811を液晶層の厚みに応じてd/Pがほ
ぼ0.4になるように、0.4重量%から0.9重量%
添加したものである。この混合液晶のΔnは0.143
である。
第7図において、上側および下側電極基板のラビング方
向6,7のなす角度は180度であり、旋光性物質S8
11によってねじれ方向は10,ねじれ角αは180度
となる。また、ラビング方向6,7と偏光板の吸収軸
8,9とのなす角β,βはいずれも45度である。
以上のようなセル構造で液晶層の厚みdを変えてΔn・
dを変化させた液晶セルを作り、色および明るさを観察
した。その代表的な結果を表2に示す。
この結果から、Δn・dが1μm近傍で明るさおよび色
ともに表示素子として問題のないレベルデあることが分
かった。Δn・dのさらに詳細な検討から、Δn・dが
0.8μmから1.2μmの範囲においては実用上問題
ないことがわかった。
次にΔn・d=1μmの液晶セルの時分割駆動特性を測
定した結果を表3に示す。表1に示した従来の液晶表示
素子に比較して、γ,Δφ,mのいずれもが著しく改良
されていることがわかる。
なお、第7図では偏光板の軸として吸収軸を使った、偏
光軸を使用してもほとんど同様の結果が得られた。ま
た、実施例ではPCH系を主成分とする混合液晶を使用
したが、他の種類の正の誘電率異方性をもつネマチック
液晶でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
さらに、コントラスト改良および色調整のために、液晶
に色素を添加することも可能であるが、本発明の基本的
な作用効果が変らないことは言うまでもない。
なお、以上の例では、らせん構造のねじれ方向を反時計
回りのねじれ方向の場合も全く同じ作用効果が得られる
ことは勿論である。
また、旋光性物質についても、ラビング方向とねじれ方
向との関係を第4図,第7図および第8図の如く保て
ば、その種類を限定するものではないことは言うまでも
ない。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、従来全く不可能で
あった高時分割駆動特性を実現することができ、時分割
数100以上の高時分割駆動においても高品質の表示特
性を持ち、かつラビング処理に依るため量産性の高い液
晶表示素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は時分割特性の定義に用いられる液晶表示素子の
電圧−輝度特性を示す説明図、第2図は時分割駆動特性
の測定方向を定義する説明図、第3図は時分割駆動を説
明する図、第4図,第7図および第8図は本発明による
液晶表示素子の実施例における液晶分子の配列方向,液
晶のねじれ方向および偏光板の軸方向の関係を示す説明
図、第5図は液晶分子の起り得るねじれ角を示す説明
図、第6図は本発明におけるねじれ角αとd/Pの関係
の許容範囲を示す説明図である。 1……液晶表示素子、2,6……上側電極基板のラビン
グ方向、3,7……下側電極基板のラビング方向、4,
10……液晶分子のねじれ方向(ノーマルツイスト)、
8……上側偏光板の吸収軸あるいは偏光軸方向、9……
下側偏光板の吸収軸あるいは偏光軸方向、11……上側
電極基板、12……下側電極基板、20……d/Pが小
さい場合のねじれ(アンダーツイスト)、30……d/
Pが大きい場合のねじれ(オーバーツイスト)。
フロントページの続き (72)発明者 長谷川 真二 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所茂原工場内 (72)発明者 花田 良雄 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所茂原工場内 (56)参考文献 特開 昭56−156816(JP,A) 特開 昭59−23328(JP,A) 欧州公開131216(EP,A)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の基板と、該第1の基板に対向して設
    けられた第2の基板と、上記第1の基板上に設けられた
    第1の電極と、上記第2の基板上に設けられた第2の電
    極と、上記第1の基板の上記第1の電極が設けられた面
    と上記第2の基板の上記第2の電極が設けられた面とで
    対向した上記第1、第2の基板間に封入された液晶と、
    上記第1の基板上に設けられた第1の偏光板と、上記第
    2の基板上に設けられた第2の偏光板とを有する液晶表
    示装置であって、 上記液晶は正の誘電異方性を有するフェニルシクロヘキ
    サン系液晶を主成分とし、旋光性物質 を0.4重量%から0.9重量%添加することによって
    Δnが0.143になるようなネマチック液晶であり、
    かつ、その厚さ方向に140度以上の角度αねじれた螺
    旋構造を形成しており、更に、上記液晶の分子配列方向
    は、上記第1、第2の基板共に、各基板の上に形成され
    たポリイミド有機膜のラビング配向処理によって規定さ
    れ、液晶分子をチルト角6度以下で配向させると共に、
    上記液晶の螺旋ピッチp(μm)と上記液晶層の厚みd
    (μm)との関係が、(α−90度)/360度≦d/
    p≦0.6の関係にあり、かつ、上記ねじれ角度αを縦
    軸にとり、上記d/pを横軸にとった図において、座標
    (d/p,ねじれ角度α)が(0.14,140度)、
    (0.6,140度)、(0.55,228度)及び
    (0.46,255度)である点で囲まれる範囲内に上
    記液晶のd/p及びねじれ角度αを設定し、かつ、上記
    液晶の厚みd(μm)と上記液晶の屈折率異方性Δnと
    の積Δn・dが、0.8μmから1.2μmの範囲内に
    あり、上記第1の偏光板の偏光軸あるいは吸収軸を隣接
    する上記第1の基板の液晶分子配列方向と20度から7
    0度の範囲内の角度ずらせ、かつ、上記第2の偏光板の
    偏光軸あるいは吸収軸を隣接する上記第2の基板の液晶
    分子配列方向と20度から70度の範囲内の角度ずらせ
    たことを特徴とする液晶表示素子。
  2. 【請求項2】上記第1の偏光板の偏光軸あるいは吸収軸
    と上記第2の偏光板の偏光軸あるいは吸収軸とのなす挟
    角が0度から30度の範囲内に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。
  3. 【請求項3】上記第1の偏光板の偏光軸あるいは吸収軸
    を隣接する上記第1の基板の液晶分子配列方向と30度
    から60度の範囲内の角度ずらせ、かつ、上記第2の偏
    光板の偏光軸あるいは吸収軸を隣接する上記第2の基板
    の液晶分子配列方向と30度から60度の範囲内の角度
    ずらせたことを特徴とする特許請求の範囲第1項または
    第2項記載の液晶表示素子。
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