JPH09152609A

JPH09152609A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH09152609A
Application number: JP30961395A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Yamada; 信明山田; Shuichi Kanzaki; 修一神崎
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-11-28
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 1997-06-10

Abstract

(57)【要約】【課題】広視野角特性を有する表示装置の応答速度の
改善、および各絵素ごとの軸対称配置の経時安定性を増
加させること。【解決手段】各絵素３２内で、基板２０および２１の
表面に垂直な軸に沿って、液晶分子が軸対称配置した液
晶セル１５を有する液晶表示素子であって、一対の基板
２０および２１間に挟まれた液晶層の厚さｄが、０．５
μｍ以上４．０μｍ以下の液晶表示素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、現在、ＴＮモード
の液晶表示素子で問題となっている視角特性を改善する
液晶表示素子に関する。液晶表示素子は、その低消費電
力特性のため携帯用の表示素子、例えば、パソコン、ワ
ープロなどに使用されている。これらの機器では、ライ
ン数、画面サイズの増加が熱心に検討されている。この
場合、ライン当たり、又は、絵素当たりの選択時間が短
くなり、液晶素子として高速で動作できる素子が必要に
なっている。本発明は、高速、かつ広視角特性を生かし
て、高精細および大型ＬＣＤの分野で使用できる。

【０００２】

【従来の技術】以下で、従来の広視角技術を説明する。
液晶の配向状態を改善して、液晶表示素子の視角特性を
改良するためには、絵素内で少なくとも２方向以上の方
向に液晶分子を配向させることが必要である。

【０００３】図６（ａ）〜（ｆ）を参照して、少なくと
も２方向以上に液晶分子を配向させた液晶セルと、ＴＮ
モードの液晶セルとの比較を行う。図６（ａ）〜（ｃ）
に示すように、高分子壁７で液晶層８を覆い、かつ２方
向以上に配向した液晶セルでは、基板外部の駆動回路１
１によって液晶層に電圧を印加する場合に、図６（ｂ）
に示す中間状態において、一つの絵素内でそれぞれ異な
る方向に液晶分子９が立ち上がってくる。この配向によ
り、ＡおよびＢ両方向から見た場合の液晶分子の見かけ
上の光線透過率が平均化される。その結果、Ａ、Ｂ両方
向からの光の透過率が等しくなり、視角特性が図６
（ｅ）のＴＮモードに比べて改善される。

【０００４】広視角モードの具体例として、以下に示す
ものがある。

【０００５】液晶セル内に高分子壁を有し、偏光板を
要さず、しかも配向処理を不要とするものとして、液晶
の複屈折率を利用し、透明または白濁状態を電気的にコ
ントロールする方法が提案されている。この方法は、基
本的には液晶分子の常光屈折率と支持媒体の屈折率とを
一致させ、電圧を印加して液晶の配向が揃うときには、
透明状態を表示し、電圧無印加時には、液晶分子の配向
の乱れによる光散乱状態を表示するものである。

【０００６】提案されている方法としては、液晶と、光
又は熱硬化性樹脂とを混合し、その後、樹脂を硬化する
ことにより液晶を析出させ樹脂中に液晶滴を形成させる
方法が、特開昭６１−５０２１２８号公報に開示されて
いる。さらに、液晶表示素子と、互いに直交する偏光板
とを組み合わせた広視野角モードの表示素子が特開平４
−３３８９２３号公報、特開平４−２１２９２８号公報
に開示されている。

【０００７】非散乱型で偏光板を用い液晶セルの視角
特性を改善する方法として、特開平５−２７２４２号公
報に、液晶と光硬化性樹脂との混合物から、相分離によ
り液晶と高分子材料の複合材料を作製する方法が開示さ
れている。この方法では、生成した高分子体により、液
晶ドメインの配向状態が乱されランダムな状態になる。
その結果、電圧印加時に個々のドメインで液晶分子の立
ち上がる方向が異なり、△ｎ×ｄの値が平均化され、各
方向から見た見かけ上の透過率が等しくなる。したがっ
て、この方法では、中間調状態での視角特性が改善され
るのである。

【０００８】最近、本発明者らは、光重合時にホトマ
スクなどを用いて光制御することにより、液晶分子を絵
素領域内で軸対称状の配向状態（渦巻き状など）にし
た。この液晶分子を電圧で制御することにより、液晶分
子の渦巻き状配向が、ホメオトロピック状態に変化する
ように動作をし、視角特性を著しく改善させた液晶表示
素子を特開平７−１２０７２８号公報に開示している。

【０００９】さらに、本発明者らは、結晶性高分子で
あって、かつ球晶構造を有する軸対称な配向規制力を基
板表面に生かした広視角表示モードの液晶表示素子を特
開平６−３０８４９６号公報に開示している。

【００１０】また、基板上に配向膜を塗布し、ラビン
グなどの配向処理を行わず、液晶分子をランダム方向に
配向させる方法が特開平６−１９４６５５号公報に報告
されている。

【００１１】絵素を複数の領域に分け、それぞれの配
向状態が、相互の領域の視角特性を互いに補償しあうよ
うに液晶分子を配列させた方法が、特開昭５７−１８６
７３５号公報に開示されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記にあげた広視角
表示用液晶表示素子は、ＴＮモードをベースにしてお
り、液晶セルの厚さが４．５〜６μｍで作製され、応答
速度は４０ｍｓ程度（τ_d＋τ_r）である。したがって、
高精細化されたＬＣＤ用としては応答速度に問題があ
る。

【００１３】上記に示したような、液晶と光硬化性樹
脂から軸対称配向を形成させる方法では、軸対称配向を
安定させる光硬化性樹脂の硬化反応前の状態において、
軸対称配向の経時変化（時間とともに軸対称配向から他
の配向状態に変化する。）が起こる。したがって、工業
的に軸対称配向を作製する場合、軸対称配向操作と硬化
反応による配向安定化処理との間で、時間を置くことが
できず、製造装置に制約が加わる。

【００１４】また、基板上の配向処理により軸対称配向
を形成させるの方法では、室温保存状態においても、
軸対称配向が他の配向状態に変化しする。すなわち軸対
称性の安定性が悪い。

【００１５】上記問題点を鑑み、本発明者らは、液晶セ
ル構造、応答速度、および軸対称配向の安定性について
鋭意検討した。本発明は、高速応答を有し、かつ安定な
軸対称配向を有する広視角モードの液晶表示素子を提供
することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、一対の透光性基板と、該一対の透光性基板に挟持さ
れた液晶層とを有する液晶セルを包含する液晶表示素子
であって、該一対の透光性基板は該液晶層に面する側に
透光性電極を有し、該液晶セルは、該透光性基板の平面
方向でマトリクス状に配列された複数の絵素を有してお
り、該液晶セルは、配向手段を有しており、該配向手段
は、該複数の絵素の各絵素内において、該液晶層の液晶
分子を、該透光性基板の表面に垂直な軸を中心に、軸対
称配向させ、該液晶層の厚さが、０．５μｍ以上４．０
μｍ以下の範囲にある液晶表示素子であり、そのことに
より上記目的が達成される。。

【００１７】ある実施の形態では、前記複数の絵素内の
前記液晶層の△ｎ×ｄ（△ｎは液晶分子の複屈折率、ｄ
は該液晶層の厚さ）の値が、３００ｎｍ以上６５０ｎｍ
以下である。

【００１８】他の実施の形態では、前記複数の絵素内の
前記液晶層の、前記一対の透光性基板の一方から他方に
至るまでの液晶分子のねじれ角が、４５°以上１５０°
以下の範囲にある。

【００１９】さらに他の実施の形態では、前記液晶層の
液晶材料に、少なくともＣｌ系の液晶化合物が含まれて
いる。さらに他の実施の形態では、前記配向手段が、前
記複数の絵素の間に形成された配向壁である。

【００２０】さらに他の実施の形態では、前記複数の絵
素の間にさらに高分子壁が形成されている。

【００２１】さらに他の実施の形態では、前記配向手段
が、該一対の透光性電極上に形成された、軸対称状の細
溝を有する配向膜である。

【００２２】さらに他の実施の形態では、前記配向壁
が、垂直配向性を有している。

【００２３】以下、作用について説明する。

【００２４】本発明のおける液晶表示素子は、絵素内で
液晶分子が基板表面に垂直な軸に対して軸対称配置させ
た広視角特性を有する液晶表示素子であり、液晶セルの
厚さが薄いため、応答速度が速く、かつ軸対称の液晶分
子の配置が経時変化に対して安定である。

【００２５】

【実施の形態】以下に本発明の実施の形態を示すが、本
発明はこれらに限定されるものではない。

【００２６】（実施の形態１〜４、および比較例１〜
３）図１に示すように、ＩＴＯ層（酸化インジュウムお
よび酸化スズの混合物、厚さ１５０ｎｍ（１５００
Å））からなる透光性共通電極１８および透光性絵素電
極２２をそれぞれ有する１．１ｍｍ厚の２枚のガラス基
板２０および２１を用いる。なお、絵素電極２２は、基
板２１上でマトリクス状に配列されている。この透光性
電極１８および２２は、基板外部の駆動回路に電気的に
接続されるが、駆動回路は、公知の駆動回路が利用でき
る。一方の透光性基板上に、透光性電極と基板外部の駆
動回路とを電気的に接続するＴＦＴを設ける。ＴＦＴ
（不図示）基板２１上にＯＭＲ−８３（東京応化社製）
レジストを用いて、図１（ａ）および（ｂ）に示す構造
を有する配向壁２４を作製した。このとき、配向壁２４
の高さが、基板間の距離（液晶層の厚さ）の２／３より
も高いと、上下基板間の間隙が埋まり、液晶と光硬化性
樹脂との混合物を注入することが困難になるので、配向
壁２４の高さを、各実施例の液晶層の厚さの２／３以下
になるように設定した。この配向壁２４は、基板上の絵
素に相当する部分３２の間に形成する。なお、この配向
壁２４は、壁の表面で液晶分子を垂直に配向させる性質
（垂直配向性）を有することが好ましい。作製した２枚
の基板を使用しＸμｍのスペーサー（不図示）によりガ
ラス基板２０および２１の距離を保たせることにより、
それぞれ基板間距離が異なるセル１５を構成した。

【００２７】

【表１】

【００２８】用いた液晶材料は、ＺＬＩ−４７９２（メ
ルク社製：△ｎ＝０．０９４）、又はＥ８（メルク社
製：Δｎ＝０．２４７）である。さらに、それぞれのセ
ルで液晶分子のツイスト角が９０°（ｄ／ｐ（液晶層の
厚さｄとピッチとの比）が０．２５）になるように、液
晶材料にカイラル剤Ｓ−８１１（メルク社製）を加え調
整した。なお、基板間における液晶分子のツイスト角
が、約４５°以下の場合、または約１５０°以上の場合
では、光の透過率が著しく低下するので、ツイスト角の
範囲は、約４５°以上約１５０°以下であればよい。な
お、透過率の最大値は、ツイスト角を約９０°にした場
合に得られる。

【００２９】次に、Ｒ−６８４（日本化薬社製）０．２
０ｇ、ｐフェニルスチレン０．２０ｇ、下記化１で表す
化合物Ａ０．１０ｇ、

【００３０】

【化１】

【００３１】液晶材料４．５ｇ、および光開始剤Ｉｒｇ
ｕａｇｕｒｅ６５１（チバガイギ社製）０．０２５ｇの
混合物を均一混合後、表１に示すようにそれぞれ対応し
た材料をセル１５に毛管注入した。その後、一旦、温度
を上げて均一相にし、温度を降下させて液晶領域が絵素
３２に対して１つになるようにした。さらに、その後、
透光性電極間に電圧を印加し、軸対称配向状態とした。
この状態での軸対称配向率（全絵素中で軸対称配向して
いる確率）を偏光顕微鏡で観察した。その結果を表２に
示す（表２中、それぞれ、○は、軸対称配向率９５％以
上、△は、８０〜９５％、×は、０〜８０％を示す）。
なお、比較例１は、基板２０および２１間の距離が近す
ぎて、液晶と光硬化性樹脂との混合物を注入することが
できず液晶表示素子を作製することができなかった。

【００３２】

【表２】

【００３３】表２から、軸対称配向を固定する光硬化性
樹脂の硬化反応を起こさせる前の状態の安定性が、セル
１５の厚さにより異なり、液晶層の厚さが約４μｍ以下
の場合に軸対称配向が安定化することがわかった。ガラ
ス基板２０および２１の間隔が小さいと、液晶材料と光
硬化性樹脂との混合物を注入することが困難になるた
め、望ましい軸対称配向の安定性を得るためには、液晶
層の厚さを約０．５μｍ以上約４μｍ以下に設定すれば
よい。

【００３４】軸対称の配向状態を固定するために高圧水
銀ランプ下３ｍＷ／ｃｍ²（３６５ｎｍ）の位置で、液
晶セル１５に３０分間照射した。その後、さらに２０分
間連続で紫外線を照射し樹脂を硬化させた。

【００３５】作製したセルを偏光顕微鏡で観察したとこ
ろ、実施の形態１〜４および比較例２の液晶セルでは、
図２に示すように、配向壁２４の部分にさらに高分子壁
２５が形成された。また、配向壁２４を形成したレジス
トパターンに縁取られて液晶領域３２が形成され、か
つ、液晶分子の配向が、各絵素の中心に位置し、基板表
面に垂直な中心軸に対して、軸対称状の配向状態になっ
ていることが観察された。この観察によれば、各絵素領
域は、中心軸を挟んで向かい合う一対の消光領域２３を
有している。

【００３６】作製したセルの両基板上に、偏光軸が互い
に直交するように偏光板（不図示）を貼り、セルを完成
させた。なお、視角特性の観点から、偏光板の偏光軸
は、図３（ｂ）に示すように、セルの縦横方向（ｘおよ
びｙ方向）と平行にすることが好ましい。

【００３７】次に、作製したセルの応答速度を測定し
た。表３にその結果を示す。なお、表３において、τ_d
およびτ_rは、それぞれ電圧印加時と印加電圧を消去し
たときとの液晶層の応答速度である。

【００３８】

【表３】

【００３９】表３から、液晶層の厚さを薄くすることに
より、液晶分子の応答速度が高速化する事がわかった。
液晶層の厚さが約４μｍである実施の形態４の液晶セル
１５は、応答時間が約３８μｓであり、高精細な表示装
置への応用に適している。この結果から、液晶層の厚さ
を約０．５μｍ以上約４μｍ以下の範囲に設定すること
で、高速な応答速度を実現する液晶セルを作製すること
ができることが分かる。

【００４０】実施の形態４の液晶表示素子の視角特性
を、図３（ａ）に示す。図３（ａ）における座標、Ψお
よびθは、図３（ｂ）に示すように決定した。図３
（ａ）に示す閉じた曲線は、ＣＲ＝１０を示す等コント
ラスト線であり、図示した等コントラスト線の内側は、
外側よりもコントラストが高い。図３（ａ）から明らか
なように、広範囲においてコントラストの低下が少ない
優れた表示特性が得られた。他の実施の形態の液晶表示
素子でも、ほぼ同様の視角特性となっていた。

【００４１】これらの実施の形態、比較例を通して理解
できるように、軸対称配向した液晶表示素子（広視角表
示モード）は、液晶層の厚さを約０．５μｍ以上約４μ
ｍ以下の範囲内に設定することで、軸対称配向を安定に
作製でき、軸対称配向操作と硬化反応による配向安定化
処理との間で、時間制約を少なくすることができる。ま
た液晶層の厚さを約０．５μｍ以上約４μｍ以下の範囲
内に設定することで、応答速度を高速化でき、高精細の
表示装置への応用に適した液晶セルを作製することがで
きる。また、配向壁２４の材料が垂直配向性を有する
と、液晶分子の軸対称配向を固定するまでに、軸対称配
向をさらに安定して保持することができる。

【００４２】（実施の形態５および６、ならびに比較例
４）図４に示すように、ＩＴＯ層（酸化インジュウムお
よび酸化スズの混合物、１５０ｎｍ（１５００Å））を
透光性共通電極１８および透光性絵素電極２２をそれぞ
れ有する２枚の１．１ｍｍ厚の透光性ガラス基板２０お
よび２１を用いる。なお、絵素電極２２は、基板２１上
でマトリクス状に配列されている。この透光性電極１８
および２２は、基板外部の駆動回路に電気的に接続され
る。駆動回路は、公知の駆動回路が利用できる。透光性
基板２１上に、透光性絵素電極２２と基板外部の駆動回
路とを電気的に接続するＴＦＴ（不図示）を設ける。そ
の後、各透光性基板上の透光性電極１８および２２上に
スピンコート法によりそれぞれ感光性ポリイミド３６お
よび３８をコートする。その後、ホトリソグラフィによ
り、各絵素ごとに、図５（ａ）に示すような同心円状の
細溝４２を有するポリイミド配向膜４０を作製した。ま
た、この細溝は、図５（ｂ）に示すような放射状の細溝
４３でもよい。このようにして作製した透光性基板間
に、Ｙμｍのスペーサー（不図示）を入れ、ガラス基板
２０および２１の距離を保たせることによりそれぞれ基
板間距離が異なるセル１５’を作製した。このセル内
に、液晶材料ＺＬＩ−４７９２（メルク社製：基板間の
ツイスト角が９０゜となるようにカイラル剤Ｓ−８１１
で調整）を注入した。なお、基板間における液晶分子の
ツイスト角が、約４５°以下の場合、または約１５０°
以上の場合では、光の透過率が著しく低下するので、ツ
イスト角の範囲は、約４５°以上約１５０°以下であれ
ばよい。なお、透過率の最大値は、ツイスト角を約９０
°にした場合に得られる。一旦、このセルを液晶材料の
アイソトロピック温度以上に加熱した後、徐々に冷却し
た。液晶セル内の液晶分子は、透光性基板上の細溝４２
の方向に配向し、軸対称状の配向状態となっていた。さ
らに、実施の形態１〜４と同様に偏光板（不図示）を貼
り合わせ、液晶表示素子を作製した。作製したセルのス
ペーサー径、△ｎ×ｄ、表示特性、および高温保存時の
経時変化を表４に示す。

【００４３】

【表４】

【００４４】このように、液晶層の厚さを約４μｍ以下
にすることにより、実施の形態１〜４と同様に高速で動
作し、安定性の優れた液晶表示素子を作製することがで
きた。ガラス基板２０および２１の間隔が小さいと、液
晶材料と光硬化性樹脂との混合物を注入することが困難
になるため、液晶層の厚さを約０．５μｍ以上約４μｍ
以下に設定すればよい。

【００４５】上記の実施の形態１〜６において、全方位
にわたって、明るい表示を得るためには、△ｎ×ｄ（△
ｎは液晶分子の複屈折率、ｄは液晶層の厚さ）の値の範
囲を約３００ｎｍ以上約６５０ｎｍ以下の範囲に設定す
ることが望ましい。

【００４６】さらに、液晶材料は、Ｃｌ（塩素）を含む
液晶化合物が好ましい。Ｃｌ系の液晶材料は、他の液晶
材料よりも△ｎ（複屈折率）が大きく、液晶層の厚さを
薄くしても、望ましいリタデーション（△ｎ×ｄの値）
を得ることができるからである。このような液晶材料と
して、例えば、ＴＬ２０２（△ｎ＝０．１８５１）を用
いることができる。

【００４７】上記の実施の形態１〜６で示す液晶セル
は、単純マトリックス駆動、ａ−ＳｉＴＦＴ、ｐ−Ｓｉ
ＴＦＴ、ＭＩＭなどの能動素子を用いたアクティブ駆動
などの駆動方法で駆動でき、本発明では特に限定しな
い。本システムに使用する液晶表示素子の特性に合わせ
て、上記駆動法から選定することができる。

【００４８】さらに、基板材料としては、透明固体であ
るガラス、高分子フィルムなどが利用できる。

【００４９】プラスチック基板としては、可視光に吸収
を持たない材料が好ましく、ＰＥＴ、アクリル系ポリマ
ー、スチレン、およびポリカーボネートなどが使用でき
る。さらに、これらの基板を２種組み合わせて異種基板
でセルを作製することもでき、又、同種異種に問わず基
板の厚みの異なった基板を２枚組み合わせて使用するこ
ともできる。

【００５０】また、プラスチック基板の場合、基板自身
に偏光能を持たせることにより偏光板を一体化した液晶
表示素子を作製することができる。

【００５１】

【発明の効果】本発明の液晶表示素子は、液晶分子が軸
対称状に配向しており、そのことにより広視角表示が可
能であり、さらに液晶層の厚さを薄くすることにより、
応答速度を速め、かつ軸対称配向の安定性が向上する効
果を有する。

【００５２】また、液晶セルの絵素間に、垂直配向性を
有する配向壁を形成することによって、硬化性高分子か
らなる高分子壁が硬化する前でも、液晶分子の軸対称性
配置が安定して保持される。

【００５３】また、△ｎ×ｄの値を３００ｎｍ以上６５
０ｎｍ以下とすることにより、全方位においてコントラ
ストの高い表示装置が得られる。

【００５４】さらに、液晶材料としてＣｌ（塩素）を含
む化合物を用いることによって、液晶層の△ｎが大きく
なり、液晶層を薄くしても、全方位においてコントラス
トの高い液晶表示装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、実施の形態１〜４で作製したセルの
横断面図である。（ｂ）は、（ａ）のセルにおける配向
壁の平面図である。

【図２】偏光顕微鏡で観察された、実施の形態１で示し
た表示素子の配向状態を示す図である。

【図３】（ａ）は、実施の形態４で示す表示装置の視角
特性を示す等コントラスト線図である。（ｂ）は、
（ａ）における座標を表す模式図である。

【図４】実施の形態５および６で作製したセルの横断面
図である。

【図５】（ａ）および（ｂ）は、実施の形態５および６
で作製した、基板上の絵素ごとの細溝模様を示す図であ
る。

【図６】視角特性改善の原理図。（ａ）〜（ｃ）は、従
来の広視角表示装置の断面図である。（ｄ）〜（ｆ）
は、従来のＴＮモードの表示装置の断面図である。

【符号の説明】

１８透光性共通電極２０、２１透光性基板２２透光性絵素電極２４配向壁２５高分子壁３２絵素領域４０配向膜４２同心円状の細溝４３放射状の細溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の透光性基板と、該一対の透光性基
板に挟持された液晶層とを有する液晶セルを包含する液
晶表示素子であって、該一対の透光性基板は該液晶層に面する側に透光性電極
を有し、該液晶セルは、該透光性基板の平面方向でマトリクス状
に配列された複数の絵素を有しており、該液晶セルは、配向手段を有しており、該配向手段は、
該複数の絵素の各絵素内において、該液晶層の液晶分子
を、該透光性基板の表面に垂直な軸を中心に、軸対称配
向させ、該液晶層の厚さが、０．５μｍ以上４．０μｍ以下の範
囲にある液晶表示素子。
【請求項２】前記複数の絵素内の前記液晶層の△ｎ×
ｄ（△ｎは液晶分子の複屈折率、ｄは該液晶層の厚さ）
の値が、３００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である請求項１
に記載の液晶表示素子。
【請求項３】前記複数の絵素内の前記液晶層の、前記
一対の透光性基板の一方から他方に至るまでの液晶分子
のねじれ角が、４５°以上１５０°以下の範囲にある請
求項１または２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】前記液晶層の液晶材料に、少なくともＣ
ｌ系の液晶化合物が含まれている請求項１から３の何れ
かに記載の液晶表示素子。
【請求項５】前記配向手段が、前記複数の絵素の間に
形成された配向壁である請求項１から４の何れかに記載
の液晶表示素子。
【請求項６】前記複数の絵素の間にさらに高分子壁が
形成された請求項５に記載の液晶表示素子。
【請求項７】前記配向手段が、該一対の透光性電極上
に形成された、軸対称状の細溝を有する配向膜である請
求項１から４の何れかに記載の液晶表示素子。
【請求項８】前記配向壁が、垂直配向性を有している
請求項５または６に記載の液晶表示素子。