JPH0854610A

JPH0854610A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH0854610A
Application number: JP19234994A
Authority: JP
Inventors: Masahito Ishikawa; 正仁石川; Yuzo Hisatake; 雄三久武; Makiko Satou; 摩希子佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-08-16
Filing date: 1994-08-16
Publication date: 1996-02-27

Abstract

(57)【要約】【構成】負の誘電異方性をもつ粒状液晶４を光透過物
質部３中に分散させた液晶分散層５を電極１、２で挟持
してなる光変調素子１０を、正の誘電異方性をもつネマ
ティック液晶の液晶層１５を有する液晶セル２０に隣接
させる。【効果】広い視角特性を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学変調素子を備えた
液晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディスプレイの主流であるＣＲＴは、重
い、かさばる、消費電力が大きいなどの欠点がある。そ
のため、ディスプレイを必要とする携帯型の装置への応
用には、薄くて軽い事を特長とした平面形のディスプレ
イが不可欠である。近年、平面ディスプレイの開発が盛
んに行われている。平面ディスプレイは、省スペースと
いう大きな優位性を特色とする他、ディスプレイを用い
た製品のデザインや、その使用形態を大きく変革するこ
とができる。

【０００３】平面ディスプレイは、平面ＣＲＴ、蛍光表
示管（ＶＦＤ）、プラズマ（ＰＤＰ）、エレクトロ・ル
ミネセント（ＥＬ）などの発光形と、液晶表示装置（Ｌ
ＣＤ）、エレクトロクロミック（ＥＣＤ）などの非発光
形に分類できる。これらのなかで、表示容量や表示性能
の点で実用的な平面ディスプレイとして注目を集めてい
るのが、ＰＤＰ、ＥＬ、ＬＣＤである。

【０００４】ＰＤＰは、ガス放電を動作原理としてお
り、マトリクス状の電極を配した基板間に密閉されたＮ
ｅ、Ａｒ等の単原子気体を、グロー放電させこれを安定
に持続させることにより表示を行う。カラー表示は、グ
ロー放電で発光する紫外線で蛍光体を励起させることに
より行う。他の平面ディスプレイと比較して大型表示に
向いていることから、壁かけテレビなどの大型高精細平
面ディスプレイとしても期待される。開発課題は、高輝
度化、高発光効率化、多階調化であるが、最近では、３
０インチの大画面で１００ｃｄ／ｍ²と高輝度のフルカ
ラー表示ＰＤＰが開発されている。

【０００５】ＥＬは、蛍光体膜中の電子衝突を動作原理
とし、１０⁴から１０⁶Ｖ／ｃｍの高電界を蛍光体膜に
印加して発光を得る。発光色は、蛍光体膜の種類で決ま
るが、現状では赤色発光の輝度が低い、青色発光材料の
色純度が悪いといった問題点がある。現在多く用いられ
ているのはＺｎＳ：Ｍｎ薄膜を用いた黄橙色である。

【０００６】ＬＣＤは、基本的に非発光形であるため外
光を必要とし、外光を反射させて表示するタイプ（反射
形）と、表示面の背面に光源を配置し光を透過させて表
示するタイプ（透過形）がある。いずれの場合も液晶デ
ィスプレイは、光の透過、遮断を制御する光シャッター
として機能している。最も多く用いられているＴＮ(Twi
sted Nematic) 形ＬＣＤは、時計や計測器の表示などの
他、各画素に対応した位置に薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）を形成し、これにより液晶の電圧を制御することに
より、大容量高精細で高品位の情報機器や映像機器のデ
ィスプレイとして多く用いられる様になって来た。現在
では、対角１３．８インチ、１１５２×９００画素のワ
ークステーション用のＴＦＴ駆動カラーＬＣＤも開発さ
れている。

【０００７】一方、液晶のねじれ角を例えば２４０°と
大きくしたＳＴＮ（Super TWwistedNematic)形は、印加
電圧に対する透過率変化の急峻度が高いことから、ＴＦ
Ｔを使わない安価なマトリクス状の電極構造で大容量表
示ができ、ワープロやパーソナルコンピュータ用の６４
０×４８０画素の白黒表示ディスプレイとして広く用い
られている。

【０００８】ＴＮ形やＳＴＮ形のいずれのＬＣＤも液晶
セル内の分子配列を制御することで内部を伝搬する光の
偏光状態を変化させて透過／遮断を行っている。この偏
光状態は内部を伝搬する方向により異なるために、見る
方向により表示画面が変化する（視角依存性）。これは
ＣＲＴなどの自発光型のディスプレイなどにはない特性
であり、実用上問題となる。

【０００９】一方、視角特性に優れる表示モードとして
散乱型がある。散乱型としては、動的散乱モード（ＤＳ
Ｍ）が旧来あるがこれは散乱を制御するのが電流である
ために消費電力が大きく、耐久性の点からも実用に向か
ない。この他の散乱型として、１９８５年にファガーソ
ンが表示装置としてＮＣＡＰ(Nematic Curvilinear Ali
gned Phase、ＰＤ−ＬＣＤ(Polymer Dispersed Liquid
Crystal Display)とも呼ばれる）が提唱された(J.F.Fer
gason, SID Digest Tech.Papers, 16,68(1985)) 。ＰＤ
−ＬＣＤは微細な球状の空穴をもつポリマーにネマティ
ック液晶が入りこんだ構造をしている。ＰＤ−ＬＣＤは
偏光板が無くとも表示が可能で、電圧を印加していない
ときには液晶分子はランダムな配列で白濁した状態を示
し、電圧が印加されると液晶分子の向きが揃えられて光
が透過する。しかし、ＰＤ−ＬＣＤには電気光学特性に
履歴特性があり問題がある。また、TFT 素子などのアク
ティブ素子で多桁表示する場合には電荷保持特性が良い
ことが望まれるが、ＰＤ−ＬＣＤではまだ実用的な電荷
保持特性は得られていなく、TFT 素子などでＰＤ−ＬＣ
Ｄを作成した場合、画面のちらつき（フリッカー）がひ
どくなる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように光シャッ
ターなどの光制御作用をもつ液晶表示素子は、ＴＮ形や
ＳＴＮ形では視角特性があり、ＰＤ−ＬＣＤでは電気光
学特性の履歴や電荷保持特性の問題があり好ましくな
い。

【００１１】本発明はこのような課題を解決するもので
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、透明な電極間
に光透過物質中に粒状の液晶が分散した液晶分散層が狭
持され前記液晶が負の誘電異方性をもつ光学変調素子
と、前記光学変調素子に隣接し電極間に正の誘電異方性
をもつ液晶からなる液晶層が挟持された液晶セルとから
なる液晶表示素子を得るものである。

【００１３】さらに、液晶セルの液晶が正の光学異方性
を示す状態の屈折率異方性と液晶層を光が透過する長さ
との積の絶対値と、光学変調素子の負の光学異方性を示
す状態の屈折率異方性と液晶分散層中の粒状液晶を光が
透過する総合長さとの積の絶対値とがほぼ等しいことを
特徴とする液晶表示素子を得るものである。

【００１４】さらに、光変調素子の光透過物質は少なく
とも１種の光吸収波長領域を有することを特徴とする液
晶表示素子を得るものである。

【００１５】

【作用】本発明は、上記目的を達成するものであり、以
下その達成原理および手法について図面を用いて説明す
る。

【００１６】図３、図４は、本発明に係わる液晶表示素
子中の光学変調素子１０の動作原理を説明する図であ
る。図３（ａ）のように透明な電極１、２間に粒状に分
散した液晶４とこれらを包囲して支持する光透過物質部
３からなる液晶分散層５が挟持される。粒状液晶４の内
部では、電源６によりスイッチ７が開放のときは電極
１、２間に電位差が生じないため、図３（ｂ）のように
液晶分子８の配列はランダムな状態となる。図４（ａ）
に示されるように、電極１、２間に電位差が生じた場
合、粒状の液晶層４中の配列は、図４（ｂ）のように液
晶の誘電異方性Δεが負（Δε＝ε1 −ε2 と定義す
る。誘電率ε1 ：液晶分子８の長軸方向の誘電率、誘電
率ε2 ：短軸方向の誘電率）である場合、液晶分子８の
長軸方向は電界Ｅと平行にはならず、電極１、２の面と
平行でその向きはランダムになる。この様な配列をした
粒状液晶４の光学異方性を考える。

【００１７】液晶の光学異方性は液晶分子の長軸方向の
屈折率ｎ１の方が、短軸方向の屈折率ｎ２より大きい。
液晶分子が基板に平行に配列し、分子の向きが個々ばら
ばらであれば、このような状態は、図５に示すように向
きの異なる液晶分子８が重なった状態と等価である。こ
れらを屈折率に関して合成し、屈折率楕円体を示すと図
６に示すようになる。厚み方向の屈折率ｎｚは、液晶分
子の短軸方向の屈折率となり、面方向の屈折率ｎｘ、ｎ
ｙはほぼ等しく、その大きさは、液晶分子長軸の屈折率
となることから、ｎｚ＜ｎｘ＝ｎｙという関係になる。
このような関係を満たすとき、光学異方性は負である。
光学異方性が負の物質に、光学異方性が正である物質を
組み合わせると、液晶表示素子の視角依存性を改善する
ことができる。次にこの改善原理を説明する。

【００１８】図７は、本発明の液晶表示素子中の液晶セ
ル２０を説明する図で、電極１１、１２間に液晶分子１
８が電極に平行で互いにねじれた配列を形成している。
液晶の誘電異方性は正である。電源１６からスイッチ１
７を介して電極１１、１２間に電圧が印加されると図８
に示されるように、液晶分子１８が向きを変え、電界Ｅ
にほぼ平行に配列する。前述と同様、電圧印加時の屈折
率楕円体は、図９に示すように光学異方性が正になる
（ｚ軸：電極法線）。

【００１９】液晶層１５の厚み方向すなわちｚ軸方向の
屈折率ｎｚは液晶分子の長軸方向ｎ１の屈折率となり、
電極面方向のそれぞれの屈折率ｎｘ、ｎｙは互いにほぼ
等しく大きさは液晶分子の短軸方向の屈折率ｎ２とな
る。このような状態における屈折率楕円体は、観測方向
を変えると屈折率異方性が大きく変化し、視角依存性を
生じる原因がここにある。たとえば、図９においてＡの
方向（ｚ方向）から見ると屈折率楕円体は図１０の様に
見え、屈折率異方性はｎA1−ｎA2＝０である。一方、Ｂ
の方向（斜め方向）から見ると、図１１の様に見え屈折
率異方性はｎb1−ｎb2＞０となり、角度＜Ｂから見た見
掛けの屈折率異方性は正となる。吸収軸を直交させた偏
光板間では、光学異方性が零の場合透過光は無く、光学
異方性がある場合透過光が生じる。斜めの角度でも透過
光を無くするには、斜めから見たときでも光学異方性が
零になれば良い。光学異方性が負の物質を透過させれ
ば、総合的に光学異方性は零となる。前記光学異方性が
負である液晶分散層を、図６に示すように同じ角度Ｂか
ら見ると図１２に示した様に、ｎb1−ｎb2＜０となり角
度Ｂから見た見かけの屈折率異方性は負となる。従っ
て、光路上に光学異方性が正である液晶セル２０と本発
明の電圧を印加した光学変調素子１０とを配置すること
で液晶表示素子の視野角を拡大することができる。

【００２０】大きな視野角改善効果を得るには、液晶セ
ルが正の光学異方性を示す状態の屈折率異方性と液晶層
を光が透過する長さとの積の絶対値と、光学変調素子の
負の光学異方性を示す状態の屈折率異方性と分散液晶層
５の液晶３を光が透過する総合長さとの積の絶対値が等
しくなる条件を満たすことが重要である。光学異方性と
光路長との積の値は、透過する常光と異常光間の位相差
になり、この条件は、液晶セルを透過した光の位相差と
光学変調素子を透過率したときの位相差との和が零とな
ることに相当する。

【００２１】また、光学変調素子の分散液晶層の光透過
物質を特定の光吸収波長領域を有するものを用いると従
来のカラーフィルターの役目にもなり、たとえば、各表
示画素単位で赤、青、緑の三色で光学変調素子を構成す
れば、カラーフィルターと視角補償の２つの効果が同時
に得られる。

【００２２】以上述べた原理により、本発明の液晶表示
素子によればこれまで液晶表示素子の欠点であった視角
特性を改善でき表示性能を向上することができる。本発
明には、TFT 素子やMIM 素子などで各画素電位を制御す
る液晶セルのほかに、能動素子を持たない単純マトリク
ス構造の液晶セル、そしてセグメント構造の液晶セルな
ど各種液晶セルに適用することが可能である。

【００２３】

【実施例】本発明の実施例を詳細に説明する。

【００２４】（実施例１）図１に本実施例に置ける液晶
表示素子の断面図を示す。液晶表示素子は相互に吸収軸
を９０°交差配置した２枚の偏光板３１、３２（商品名
LLC2-92-18、サンリッツ社製) と、これらの間に光学変
調素子１０と液晶セル２０を挟む。偏光板３１、３２は
透明基板の内側に偏光膜を付けたものである。

【００２５】液晶セル２０はこれらの偏光板間に配置さ
れ、透明基板２１、２２には下側基板２２から上側基板
２１へ時計回りに９０°ねじれた配列をした液晶層１５
を介在させた液晶セル構造を有している。基板２１、２
２には水平配向となる配向膜２３、２４とがＩＴＯ（イ
ンジウムすず酸化物）からなる透明電極１１、１２上に
形成され、ラビングによる配向処理が施されている。上
下基板のラビング処理方向を９０°交差とし、それぞれ
偏光板３１、３２の吸収軸に合わせる。５μｍ粒径のス
ペーサ（積水ファインケミカル社製）を間隙剤として基
板周辺にシール剤を塗布して組み立てられる。液晶層１
５は、正の誘電異方性のねじれネマティック液晶（商品
名ZLI-4287、イー・メルク社製) にカイラル剤（商品名
S811、イーメルク社製）を混入したものを用いた。

【００２６】液晶セル２０に隣接する光学変調素子１０
は、透明電極１、２が形成された透明基板１０ａ，１０
ｂ間に、無色透明な紫外線硬化樹脂（商品名ＮＯＡ６
５、ノーランド社製）からなる絶縁性の光透過物質部３
中に、誘電異方性が負のネマティック液晶（商品名ZLI-
4330 、イー・メルク社製) ４が分散された液晶分散層
５が挟持される。この液晶分散層５は紫外線硬化樹脂と
液晶を混合し、紫外線照射により紫外線硬化樹脂を硬化
させることにより得られる。基板間隔は１０μｍ粒径の
スペーサ（積水ファインケミカル社製）により一定に保
った。

【００２７】液晶セル２０と光学変調素子１０は駆動電
源から印加電圧に応じて配向状態を変化する。本構成で
駆動電源により液晶セルと光学変調素子を駆動し、視野
角の広さを評価したところ非常に広い視野角特性が得ら
れた。また、光学変調素子１０の駆動電圧を切ったとこ
ろこれまで表示していた表示画が消え、光学変調素子１
０の供給電圧のみで、表示画を切り替えることができ
た。

【００２８】なお、液晶セルの上基板２１と光変調素子
の下基板１０ｂは密着しており、光学的に薄い方が望ま
しく、本実施例の変形として、一枚の透明基板を共用す
ることができる。

【００２９】（実施例２）図２に示すように、光学変調
素子１０の紫外線硬化樹脂の光透過部３中に赤、青、緑
色の染料それぞれを混入し、赤フィルタ４０Ｒ、緑フィ
ルタ４０Ｇ、青フィルタ４０Ｂをアクティブマトリクス
型の液晶セル２０の各画素電極１２ａ上に対応させ光学
変調素子１０を構成した。他は実施例１と同構成（同一
符号）である。

【００３０】本構成で駆動電源により液晶セル２０と光
学変調素子１０を駆動し、視野角の広さを評価したとこ
ろ非常に広い視野角特性とカラー表示が得られた。ま
た、光学変調素子の駆動電圧を切ったところこれまだ表
示していた表示画が消え、光学変調素子の供給電圧のみ
で、表示画を切り替えることができた。

【００３１】

【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】本発明の一実施例の一部断面図。

【図２】本発明の他の実施例の一部断面図。

【図３】本発明の光学変調素子の作用を説明するもの
で、（ａ）は電圧無印加時の構成を示す略断面図、
（ｂ）は液晶分子の配列状態を示す拡大図。

【図４】本発明の光学変調素子の作用を説明するもの
で、（ａ）は電圧を印加した時の構成を示す略断面図、
（ｂ）は液晶分子の配列状態を示す拡大図。

【図５】図４の光学変調素子の屈折率楕円体を説明する
図。

【図６】図４の光学変調素子の屈折率楕円体を示す図。

【図７】本発明の液晶セルを説明するもので、電圧無印
加時の構成を示す略断面図。

【図８】本発明の液晶セルを説明するもので、電圧を印
加した時の構成を示す略断面図。

【図９】図８の液晶セルの屈折率楕円体を示す図。

【図１０】図９のＡ方向からの見かけの屈折率楕円体を
示す図。

【図１１】図９のＢ方向からの見かけの屈折率楕円体を
示す図。

【図１２】図６の光変調素子のＢ方向からの見かけの屈
折率楕円体を示す図。

【符号の説明】

１、２…電極３…粒状液晶４…光透過物質部５…液晶分散層１０…光変調素子１１、１２…電極１５…液晶層２０…液晶セル３１、３２…偏光板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明な電極間に光透過物質中に粒状の液
晶が分散した液晶分散層が狭持され前記液晶が負の誘電
異方性をもつ光学変調素子と、前記光学変調素子に隣接
し電極間に正の誘電異方性をもつ液晶からなる液晶層が
挟持された液晶セルとからなる液晶表示素子。
【請求項２】液晶セルの液晶が正の光学異方性を示す
状態の屈折率異方性と液晶層を光が透過する長さとの積
の絶対値と、光学変調素子の負の光学異方性を示す状態
の屈折率異方性と液晶分散層中の粒状液晶を光が透過す
る総合長さとの積の絶対値とがほぼ等しいことを特徴と
する請求項１における液晶表示素子。
【請求項３】光変調素子の光透過物質は少なくとも１
種の光吸収波長領域を有することを特徴とする請求項１
における液晶表示素子。